第五章好氧發(fā)酵設(shè)備

第五章好氧發(fā)酵設(shè)備

高效反應(yīng)器的特點是設(shè)備簡單、不易染菌，體積小，電耗小，單位時間、單位體積的生產(chǎn)能力大，代謝熱易于移除，操作方便、安全。對于好氧發(fā)酵來說，生物反應(yīng)器還以溶氧系數(shù)的高低及傳遞1kg氧所耗的功率大小作為衡量罐優(yōu)良的基本指標。第一節(jié)通風(fēng)發(fā)酵罐類型好氧發(fā)酵將空氣或純氧不斷通入發(fā)酵液中，供給微生物所需的氧，氣泡越小，氣液接觸面積越大，氧的溶解速率也越快，氧的利用率也越高，產(chǎn)品的產(chǎn)率也越大。通風(fēng)發(fā)酵罐有：氣升式、機械攪拌式、自吸式，射流攪拌式等。一、氣升式發(fā)酵罐

1、特點：結(jié)構(gòu)簡單、不易污染、傳氧效率高，能耗低、剪切力低、安裝維修方便。

2、工作原理：空氣由下部的噴嘴或噴孔噴入，使發(fā)酵液和空氣充分接觸。由于下部含氣率高的培養(yǎng)基比重小，上部含氣率低的培養(yǎng)基比重大，比重不同產(chǎn)生的壓力差以及壓縮空氣的動能，推動培養(yǎng)基在罐內(nèi)沿循環(huán)管或?qū)Я魍惭h(huán)。可分為：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。3、循環(huán)周期時間的確定發(fā)酵液在上升管中溶解氧較高，進入下降管后溶解氧會降低，為了保證微生物的正常的代謝，需確定循環(huán)周期時間。

τ==(min)

V1、V醪液——發(fā)酵醪液量、醪液循環(huán)量

ω——醪液在循環(huán)管中的線速度

d——循環(huán)管的內(nèi)徑(m)

V1V醪液V10.785d2ω·604、噴嘴直徑的確定根據(jù)實驗得出的數(shù)據(jù)：

當(dāng)Re空氣＞Re醪液+250時，氣泡分裂細碎較好。

Re=V/d1·ν5、反應(yīng)器高徑比

H/D=5-9時，有利于混合與溶氧。

6、導(dǎo)流筒徑與罐徑比DE/D：

適宜的DE/D=0.6-0.87、導(dǎo)流筒或循環(huán)管內(nèi)平均環(huán)流速度：平均環(huán)流速度vm可取1.2-1.8m/s，這有利于混合及氣液傳質(zhì)。8、其他影響因素液面到噴嘴縮孔垂直高度H0

及到循環(huán)管、導(dǎo)流筒出口高度h。（一）帶升式發(fā)酵罐特點：冷卻面積小，無需攪拌設(shè)備，裝料系數(shù)達80-90%。

1、結(jié)構(gòu)：罐外設(shè)上升管，與罐底部和上部相連接，構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)，上升管下部裝設(shè)空氣噴嘴，空氣以250-300m/s的高速度噴入上升管，因空氣的動能以及比重不同引起的壓力差產(chǎn)生反復(fù)循環(huán)。

（二）氣升及外循環(huán)發(fā)酵罐空氣經(jīng)氣體分布器噴入使氣液混合液上升，經(jīng)回流管返回罐底部，下部的發(fā)酵液經(jīng)泵、熱交換器、噴淋器對罐頂泡沫進行消泡。（三）氣升環(huán)流發(fā)酵罐在氣升罐內(nèi)設(shè)置空心圓筒，圓筒下部接著空氣分布器，氣液混合液經(jīng)圓筒內(nèi)上升，從上部出來后，向下運動，再由圓筒下部同空氣一起進入圓筒。氣升環(huán)流發(fā)酵罐有高位、低位和壓力發(fā)酵罐幾種。有一個圓筒和多個圓筒以及套筒幾種形式。二、機械攪拌發(fā)酵罐機械攪拌發(fā)酵罐是工廠生產(chǎn)中應(yīng)用最多的一類發(fā)酵罐，它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，提高發(fā)酵液的溶解氧，供給微生物生長繁殖代謝過程所需的氧。因此，該類罐的空氣分布器和機械攪拌系統(tǒng)包括：攪拌槳葉、攪拌軸、攪拌電機、減速機、軸密封、聯(lián)軸器等的設(shè)計是最為關(guān)鍵的地方。三、自吸式發(fā)酵罐它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。優(yōu)點：

1、省去了空壓機及輔助設(shè)備；

2、便于自動化、連續(xù)化，勞動強度降低；

3、氣泡小、溶氧系數(shù)高、能耗較低；缺點：罐壓較低，易污染雜菌，裝料系數(shù)不高。

根據(jù)空氣進入罐內(nèi)的方式不同可分為：轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式、噴射式、溢流式三種。（1）轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式：工作原理：主要構(gòu)件為自吸攪拌器和導(dǎo)輪，簡稱為轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子由軸帶動，定子可有可無。在轉(zhuǎn)子啟動前，用液體浸沒轉(zhuǎn)子。啟動后，由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，液體受離心力的作用拋向葉輪外緣，在轉(zhuǎn)子中心形成負壓，罐外的空氣因轉(zhuǎn)子中心的負壓而吸入，由導(dǎo)向葉輪均勻分布。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越大，產(chǎn)生的負壓也越大。轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式發(fā)酵罐空氣由自吸攪拌器的空心軸進入罐內(nèi)，空氣利用率為24-28%，供給1kg氧的耗電為0.4-0.5kw.h。為了提高吸氣量，降低轉(zhuǎn)子的功率消耗，一般采用矮罐較好，或提高轉(zhuǎn)子的安裝高度。轉(zhuǎn)子有三直葉型和四彎葉型：三直葉型：吸氣量大，壓頭高，但阻力大，功率消耗大。四彎葉型：多為后彎，阻力小，功耗小，剪切作用小，吸氣量也可以很大。（2）噴射自吸式發(fā)酵罐工作原理：用泵將發(fā)酵液泵如文丘里管或噴射泵，由于液體在文丘里管或噴射泵的收縮段流速增加，形成真空，將罐外的空氣吸入，并使空氣分散，與液體均勻混合，提高發(fā)酵液的溶解氧。當(dāng)收縮段液體的雷諾準數(shù)在6×104以上時，吸氣量較好。

（三）溢流噴射自吸式發(fā)酵罐工作原理：液體在溢流時形成拋物流，由于液體表面層作用，使靠近液體表面層的氣體邊界層具有一定的速度，從而形成氣體的流動和自吸作用。當(dāng)液體處于拋射非淹沒溢流狀態(tài)，溢流尾管略高于液面，尾管高1-2m時，吸氣量較大。

四、射流攪拌罐和噴射環(huán)流攪拌罐利用靜態(tài)混合器來代替動態(tài)混合器—攪拌系統(tǒng)中最下部的一檔攪拌，在滿足同等混合效果、溶氧量及發(fā)酵產(chǎn)率的條件下，可節(jié)省能耗達30%。工作原理：在通風(fēng)發(fā)酵罐的底部裝置若干氣體射流混合器?？諝?表壓0.2MPa)以高速從噴咀噴出，在混合器中與在負壓和卷吸作用下吸入的液體混合后，以自由射流方式射入罐中液層，上升氣泡再遇攪拌器，被再次分散后進入發(fā)酵罐上部空間后放空。第二節(jié)機械攪拌發(fā)酵罐

雖然，發(fā)酵罐的種類很多，但是由于其他類型發(fā)酵罐應(yīng)用的產(chǎn)品范圍較窄，其流行程度遠不如機械攪拌發(fā)酵罐，約92%的發(fā)酵工廠在使用機械攪拌發(fā)酵罐。本節(jié)主要以機械攪拌發(fā)酵罐為研究對象，對它的幾何尺寸，安全生產(chǎn)、溫度控制、攪拌系統(tǒng)、比擬放大等問題進行探討。（一）幾何尺寸

1、高徑比：對于好氧發(fā)酵來說，罐高有利于提高氧的利用率，但罐高需要提高壓縮空氣的壓力，能耗增加，同時頂料和底料混合不均，廠房較高，投資較大。一般H/D=2.5較好，現(xiàn)在發(fā)展趨勢是H/D越來越小，已達1.8左右。

2、攪拌器直徑和檔數(shù)：通用罐D(zhuǎn)/D1=3，只能適合罐容積不太大的場合；當(dāng)罐較大時，D/D1=3-4。

3、封頭：采用橢圓形或碟形封頭，當(dāng)V＜5m3時，封頭與罐體間采用法蘭連接；當(dāng)V＞5m3時，封頭與罐體間采用焊接；

4、擋板：擋板的作用是防止液面中央產(chǎn)生旋渦，促使液體激烈翻動，提高溶解氧。擋板寬度為（0.1-0.12）D。當(dāng)滿足全擋板條件時，增加罐內(nèi)附件，軸功率不變。

WZ/D=0.5即：(0.1-0.12)Z=0.55、管口位置：人孔：為了便于操作和維修，封頭上的人孔離操作層高度在0.7m左右，大小為500×450。封頭上其它管口，在滿足工藝的同時應(yīng)方便操作。檢測點：在下攪拌與第二檔攪拌之間?？諝夤埽嚎砷_在封頭上，也可開在罐身上。取樣口：開在罐身上。

冷卻水管口：夾套冷卻，冷卻水進口在罐底，出口在罐身上部；冷卻管冷卻，進出口多在上部。物料出口：開在罐底，稍微偏離罐底中心，也可開在罐身或罐頂，由一根管插入接近罐底最底處。補料管：消泡、流加糖從罐頂加入；補氨水、液氨從空氣管道加入。消泡電極接口在罐頂封頭上。

6、罐裝料容積的計算公稱容積：罐身部分和底封頭的容積之和（與貯罐相區(qū)別）。

V=V1+V2=π

·D2(H0+ha+D/6)/4

（ha可忽略不計）

罐實際裝料量：V0=V·η(η=0.6-0.85)

圓筒部分裝料高度：

HL=4（V·η–V封）/πD2

液柱高度：H=HL+ha+hb

7、空氣分布裝置(1)單孔管：布置于罐底，結(jié)構(gòu)簡單，開口向下式可消除罐底固形物積淀，但對封頭沖蝕嚴重；開口向上式對罐底物料混合不好；(2)多孔環(huán)管：在環(huán)形管底部鉆有許多小孔，氣體分布比較均勻，但易使物料堵塞小孔，引起滅菌不徹底；(3)環(huán)形多支管：在環(huán)形管底部設(shè)置4-6根“L”型支管，開口均朝發(fā)酵罐中心線，結(jié)構(gòu)簡單．但對罐底沉積物的清除往往不徹底；(二)換熱裝置（1）換熱方式：

1、夾套換熱：應(yīng)用于V＜20m3，結(jié)構(gòu)簡單，死角少，但壁厚，降溫效果差。加導(dǎo)流板可增大傳熱系數(shù)。

2、罐內(nèi)豎式蛇管換熱：傳熱系數(shù)高，但彎曲部位易蝕穿。

3、罐內(nèi)豎式列管換熱：適用于水源充足的地方，傳熱系數(shù)低于蛇管，用水量大。

4、罐外半圓管為主，罐內(nèi)豎式蛇管補償或板式換熱器補償?？稍龃蠊迌?nèi)有效容積，減少死角，此為將來發(fā)展趨勢。除以上換熱方式外，還可采用安裝在罐外的板式或螺旋板式換熱器進行換熱。（2）發(fā)酵過程熱量計算通常以一年中最熱的半個月中每小時放出的熱量作為設(shè)計冷卻面積的根據(jù)。

1、通過冷卻水帶走的熱量進行計算測定冷卻水的流量及進出口的溫度，按公式計算：

Q最大=4.186WC(t2-t1)/V2、通過發(fā)酵液溫度升高進行計算在最熱季節(jié)，選擇產(chǎn)熱量最大最快的時刻，先控制溫度恒定，關(guān)閉冷卻水，測定發(fā)酵液在半小時內(nèi)升高的溫度，由公式計算：

Q最大=2×4.186(GCt+G1C1t)/V3、通過生物合成熱進行計算：

Q總=Q發(fā)+Q攪－Q汽

Q發(fā)=Q呼+Q代

Q呼=15659W呼（KJ/h）

Q代=4857W代（KJ/h）

Q攪=4.186×860P（KJ/h）

Q汽=4.186G(I出－I進)（KJ/h）

W—單位時間耗糖量（kg/h）

P—攪拌功率（KW）

I—空氣的熱焓（KJ/kg）(4)通過燃燒熱進行計算：

Q總=∑Q作用物燃燒－∑Q產(chǎn)物燃燒（三）安全生產(chǎn)（1）壁厚的設(shè)計：采用夾套的發(fā)酵罐，按外壓容器進行壁厚計算：

S=D（）0.4+C（mm）

罐內(nèi)冷卻的發(fā)酵罐，按內(nèi)壓容器進行壁厚計算：

S=+C(mm)PD230[σ]φ－P

mPL2.6ED

封頭壁厚：

S=+C（mm）（2）死角和泄漏的消除

1、罐體及封頭內(nèi)壁加工應(yīng)光滑，焊接時采用雙面焊，內(nèi)外焊縫應(yīng)打磨光滑；

2、流加、接種及取樣管道應(yīng)能單獨滅菌；

3、排污管和排氣管應(yīng)獨立排空；

4、應(yīng)盡量減少罐內(nèi)的附件，減少死角；

5、管口連接盡量采用焊接或法蘭連接；PDY200[σ]φ

6、與罐直接相連的閥門采用抗生素截止閥，在閥門上安裝排汽考克，保證閥門能徹底滅菌，或隔膜閥；

7、發(fā)酵過程保持正壓，防止微生物滲入；

8、冷卻水管采用不銹鋼，防止腐蝕穿孔；

9、攪拌系統(tǒng)軸密封采用機械密封為好；

（3）消泡裝置泡沫形成的因素有：通氣和攪拌、培養(yǎng)基成分、菌體自溶泡沫的危害：

1、減少發(fā)酵罐有效容積25-30%；

2、造成大量發(fā)酵液逃溢；

3、滲漏后易造成染菌；

4、影響通氣和攪拌的效果；

5、妨礙微生物的呼吸，使代謝不正常，導(dǎo)致菌體自溶；

常用消泡方法有化學(xué)消泡和機械消泡：化學(xué)消泡：流加泡敵消除泡沫。機械消泡：利用機械消泡裝置來打碎、分離泡沫，常用的裝置有：耙式消泡器、離心式消泡器、刮板式消泡器、射流消泡器、碟片式消泡器等。消泡裝置給罐內(nèi)帶來了死角，同時還消耗能量，不如化學(xué)消泡效果好，若消泡劑對后處理影響較小，可單用化學(xué)消泡。（四）攪拌系統(tǒng)攪拌系統(tǒng)由軸、攪拌槳、聯(lián)軸器、軸密封、減速機、電機、軸承等組成。

1、攪拌槳：發(fā)酵工程中常用的是渦輪攪拌槳，屬徑向攪拌器，分平葉、彎葉、箭葉，葉片數(shù)為3-8，常用的是六葉。徑向混合：平葉＞彎葉＞箭葉軸向混合：平葉＜彎葉＜箭葉功率消耗：平葉＞彎葉＞箭葉

由于渦輪攪拌槳功率消耗較大，同時剪切作用對微生物的損傷也大，現(xiàn)在對軸向流攪拌槳的研究正在展開，如：螺旋槳攪拌槳和翼型攪拌槳。由于軸向流攪拌槳的混合效果差于徑向流攪拌槳，容易在罐內(nèi)造成死區(qū)，氣泡分散也不好，單純使用軸向流攪拌槳的情況不多。研究人員發(fā)現(xiàn)對氣泡分散效果最好的是最下檔的攪拌槳。因此，在罐內(nèi)最下檔采用渦輪攪拌槳，以上各檔都采用軸向流攪拌槳的形式最好。

2、軸：一般為實心軸，為了降低重量和功率輸出也可采用空心軸，軸的長度一般在3-4m為一段，通過聯(lián)軸器將各段軸進行聯(lián)接。

3、軸承：老式發(fā)酵罐一般采用中間軸承和底軸承，作用是防止軸劇烈擺動及承重；中間軸承采用的是三拉桿式；底軸承采用三足式。由于罐內(nèi)的軸承死角太多，軸的磨損較大，功率消耗也打，現(xiàn)為穩(wěn)定環(huán)所代替。

穩(wěn)定環(huán)安裝在攪拌槳的下端，當(dāng)它在液體中隨軸轉(zhuǎn)動時，液體會對它的擺動產(chǎn)生阻尼作用，使得最終擺動停止。發(fā)酵罐采用穩(wěn)定環(huán)后，死角減少，可降低功率輸出10-15%，各種維修費用及人力的消耗都降低。

4、聯(lián)軸器：用于將各段軸進行聯(lián)接，一般在罐內(nèi)使用剛性聯(lián)軸器，罐外使用三分式聯(lián)軸器。

5、軸密封：過去使用的是填料函密封，缺點是：死角多、易泄漏、消耗功率大、軸磨損大?，F(xiàn)在多為單端面機械密封，作用原理是利用彈簧的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉(zhuǎn)動而達到密封。其優(yōu)點較多，但也有缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對動靜環(huán)的表面光滑度和平直度要求高，一般3-4個月更換一次。

6、減速機：老式罐上采用三角皮帶減速機，但體積及重量都太大，效率低?，F(xiàn)改為立式擺線針輪減速機和行星齒輪減速機。

7、電機：采用4級（1440rpm）或6級(960rpm)交流電機，用變頻器進行調(diào)速，減少發(fā)酵過程中的功率消耗。目前，大部分工廠使用的是雙級電機，即有兩檔攪拌轉(zhuǎn)速，在發(fā)酵的不同階段采用不同的檔數(shù)。

8、軸功率的計算：