第四章 發(fā)酵設備

第四章生物反應器生物反應器是發(fā)酵工程中最重要的設備之一大型發(fā)酵罐攪拌裝置機械攪拌生物反應器動物細胞反應器固體生物反應器醬油發(fā)酵池李錦記集團醬油發(fā)酵池厭氧發(fā)酵罐一個優(yōu)良的培養(yǎng)裝置應具有：嚴密的結(jié)構(gòu)良好的液體混合性能高的傳質(zhì)和傳熱速率靈敏的檢測和控制儀表根據(jù)反應是否需要氧氣為基準微生物反應器可分為:需氧微生物反應器（通氣發(fā)酵罐）厭氧微生物反應器（嫌氣發(fā)酵罐）酒精發(fā)酵罐酵母將糖轉(zhuǎn)化為酒精高轉(zhuǎn)化率條件(1)滿足酵母生長和代謝的必要工藝條件(2)一定的生化反應時間(3)及時移走在生化反應過程中將釋放的生物熱厭氧微生物反應器（嫌氣發(fā)酵罐）酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)要求滿足工藝要求，有利于發(fā)酵物的排出從結(jié)構(gòu)上有利于發(fā)酵液的排出有利于設備清洗、維修以及設備制造安裝方便等問題。酒精發(fā)酵罐筒體結(jié)構(gòu)為圓柱形，底蓋和頂蓋均為碟形或錐形。在酒精發(fā)酸過程中，為了回收二氧化碳氣體及其所帶出的部分酒精，發(fā)酵罐宜采用密閉式。罐頂裝有人孔、視鏡及二氧化碳回收管、進料管、接種管、壓力表和測量儀表接口管等。罐底裝有排料口和排污口；罐身上下部裝有取樣口和溫度計接口，對于大型發(fā)酵耀，為了便于維修和清洗，往往在近罐底也裝有人孔。啤酒發(fā)酵設備

厭氧微生物反應器（嫌氣發(fā)酵罐）§1.通氣攪拌罐通氣攪拌罐有下列優(yōu)點：⑴pH和溫度容易控制⑵尺寸放大的方法大致已確定⑶適用于CSTR等。通氣攪拌罐的缺點：⑴攪拌功率消耗大⑵因罐內(nèi)結(jié)構(gòu)復雜，不易清洗干凈，易被雜菌污染。此外，雖裝有無菌密封裝置，但在軸承處還會發(fā)生雜菌污染。⑶培養(yǎng)絲狀菌時，常用攪拌槳葉的剪切力致使菌絲易被切斷，細胞易受損傷。一、機械攪拌發(fā)酵罐攪拌的作用：①液體通風后進入的氣泡在攪拌中隨著液體旋轉(zhuǎn)使之所走路程延長，使發(fā)酵液中保持的空氣數(shù)量增加，實際上是增加了傳質(zhì)量。②通過攪拌，大氣泡被攪拌器打碎，增加比表面積。③攪拌速度越快，攪拌雷諾準數(shù)增加，增加了傳氧速率。1．

發(fā)酵罐的基本條件①

發(fā)酵罐應具有適宜的高徑比（一般高度與直徑之比為1.7～4倍）②

發(fā)酵罐能承受一定的壓力：③發(fā)酵罐的攪拌通風裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧。④發(fā)酵罐應具有足夠的冷卻面積。這是因為微生物生長代謝過程放出大量的熱量必須通過冷卻來調(diào)節(jié)不同發(fā)酵階段所需的溫度。⑤發(fā)酵罐應盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底。⑥

攪拌器軸封應嚴密，盡量減少泄漏。標準發(fā)酵罐的幾何尺寸

H/D=1.7~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/D=0.8~1.0(s/d)2=1.5~2.5(s/d)3=1~2

2、發(fā)酵罐的部分部件①攪拌器和擋板攪拌器分平葉式、彎葉式、箭葉式三種，國外多用平葉，我國多用彎葉。其作用是打碎氣泡，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于醪液中。擋板的作用：改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。全擋板條件是指在一定轉(zhuǎn)數(shù)下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。達到全擋板條件的要求，須滿足：

②消泡器消泡器的作用是將泡沫打破。最常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式。孔板式的孔徑約10～20mm。③空氣分布裝置單管式分布裝置：管口正對罐底中央，與罐底的距離約40mm，這樣的空氣分散效果較好。環(huán)形管的分布裝置：以環(huán)徑為攪拌器直徑的0.8倍較有效，噴孔直徑為φ5～8mm，噴孔向下，噴孔的總截面積約等于通風管的截面積?？諝饬魉偃。?0m/s④軸封

填料函式軸封的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。主要缺點是：①死角多，很難徹底滅菌，易滲漏和滅菌②軸的磨損較嚴重③填料壓緊后摩擦功率消耗大④壽命短端面式軸封又叫機械軸封。優(yōu)點：①清潔②密封可靠，在較長地使用期中，不會泄漏或很少泄漏③無死角，可以防止雜菌污染④使用壽命長，質(zhì)量好的可用2～5年不需維修。⑤摩擦功率耗損小，一般為填料函式的10～50％。⑥軸或軸套不受磨損⑦它對軸的精度和光潔度沒有填料函那么要求嚴格，對軸的震動敏感性小。二、自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。應用：醫(yī)藥工業(yè)、酵母工業(yè)、生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等。取得了良好的成績。

文氏管發(fā)酵罐工作原理：用泵將發(fā)酵液壓入文氏管中，由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成真空將空氣吸入，并使氣泡分散與液體混合，增加發(fā)酵液中的溶解氧。自吸式發(fā)酵罐優(yōu)點：①

節(jié)約空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機、冷卻器、油水分離器、空氣貯罐、總過濾器設備，減少廠房占地面積。②

減少工廠發(fā)酵設備投資約30％左右。③

設備便于自動化、連續(xù)化，降低老定強度，減少勞動力。④

設備結(jié)構(gòu)簡單，溶氧效率高，操作方便。缺點：由于罐壓較低，對某些產(chǎn)品生產(chǎn)容易造成染菌。工作原理：自吸式發(fā)酵罐的構(gòu)件主要使自吸攪拌器和導輪，又稱轉(zhuǎn)子及定子。轉(zhuǎn)子由罐底向上升入的主軸帶動，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時空氣則由導氣管吸入。在轉(zhuǎn)子啟動前，先用液體將轉(zhuǎn)子浸沒，然后啟動馬達使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，液體或空氣在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣，在這個過程中，流體便獲得能量，若轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速愈快，旋轉(zhuǎn)的線速度也愈大，則流體的動能也愈大，流體離開轉(zhuǎn)子時，由動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ芤灿?，排出的風量也越大。當轉(zhuǎn)子空膛內(nèi)的流體從中心被甩向外緣時，在轉(zhuǎn)子中心處形成負壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速愈大，所造成的負壓也愈大，由于轉(zhuǎn)子的空膛用管子與大氣相通，因此大氣的空氣不斷地被吸入，甩向葉輪的外緣，通過導向葉輪而使氣液均勻分布甩出。由于轉(zhuǎn)子的攪拌作用，氣液在葉輪周圍形成強烈的混合流（湍流），使剛離開葉輪的空氣立即在循環(huán)的發(fā)酵液中分裂成細微的氣泡，并在湍流狀態(tài)下混合，翻騰，擴散到整個罐中，因此自吸式充氣裝置