1、 高效生物反應器的特點： (1) 傳質和傳熱性能好；傳質和傳熱性能好； (2) 結構密封、防雜菌污染；結構密封、防雜菌污染； (3) 設備簡單、維修方便；設備簡單、維修方便；(4) 生產能力高生產能力高 (5) 能耗低；能耗低； (6)檢測控制系統完善；檢測控制系統完善； (7) 易放大；易放大； (8)生產安全生產安全 應用： 生產酵母、單細胞蛋白、氨基酸、有機酸、酶制劑、生產酵母、單細胞蛋白、氨基酸、有機酸、酶制劑、抗生素、維生素等抗生素、維生素等通風發酵罐 類型：通風固相發酵設備自吸式發酵罐氣升環流發酵罐機械攪拌發酵罐常用通風發酵罐通風發酵罐v 機械攪拌發酵罐 工作原理 結構及幾何尺寸

2、溶氧速率、通氣與攪拌 熱量傳遞v 氣升式發酵罐 工作原理 氣升環流式發酵罐 典型的氣升式發酵罐 v 自吸式發酵罐 機械攪拌自吸式 噴射自吸式 溢流噴射自吸式v 通風固相發酵罐機械攪拌發酵罐(TRC) 工作原理： 利用機械攪拌器的作用，利用機械攪拌器的作用，使空氣和發酵液充分使空氣和發酵液充分混合促使氧在發酵液中溶解，以保證供給微生物混合促使氧在發酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發酵所需要的氧氣。生長繁殖、發酵所需要的氧氣。 (1) 具有適宜的徑高比；具有適宜的徑高比； (2) 能夠承擔一定壓力；能夠承擔一定壓力； (3) 保證必需的溶解氧；保證必需的溶解氧； (4) 具有足夠的冷卻面積；

3、具有足夠的冷卻面積； (5) 盡量減少死角，滅菌徹底，避免染菌；盡量減少死角，滅菌徹底，避免染菌； (6) 軸封嚴密。軸封嚴密。之機械攪拌發酵罐 發酵罐的基本條件：之機械攪拌發酵罐 大型發酵罐結構231軸封軸封 ； 2、20人孔；人孔； 3梯；梯； 4聯軸；聯軸；5中間軸承；中間軸承； 6溫度計接口；溫度計接口；7攪拌葉輪；攪拌葉輪； 8進風管；進風管；9放料口；放料口； 10底軸承；底軸承；11熱電偶接口；熱電偶接口；12冷卻管；冷卻管；13攪拌軸；攪拌軸； 14取樣管；取樣管；15軸承座；軸承座； 16傳動皮帶；傳動皮帶；17電機；電機； 18壓力表；壓力表；19取樣口；取樣口； 21進料

4、口；進料口；22補料口；補料口； 23排氣口；排氣口；24回流口；回流口； 25視鏡；視鏡；圖2.1 大型發酵罐結構圖動畫演示動畫演示機械攪拌發酵罐的結構之機械攪拌發酵罐機械攪拌發酵罐的結構 小型發酵罐結構圖2.2 小型發酵罐結構圖之機械攪拌發酵罐圖2.3 自動玻璃發酵罐 圖2.4 玻璃攪拌發酵罐 圖2.5 不銹鋼攪拌發酵罐 由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼。為了滿足工業要求，在一定壓力和溫度鋼或不銹鋼。為了滿足工業要求，在一定壓力和溫度下操作，罐為一個受壓耐溫容器，通常要求耐受下操作，罐為一個受壓耐溫容器，通常要求耐受130和

5、和0.25MPa(絕對壓力絕對壓力)。之機械攪拌發酵罐 罐 體受內壓的壁厚：受內壓的壁厚： )(2301mmCppD )(2002mmCpDy受外壓的壁厚：受外壓的壁厚：)(1124003mmCHDpHpD之機械攪拌發酵罐 攪拌器和擋板 攪拌器：攪拌器： 有平葉式、彎葉式、箭葉式渦輪式和推進式等；其作用是有平葉式、彎葉式、箭葉式渦輪式和推進式等；其作用是打碎氣泡，使氧溶解于發酵液中，從攪拌程度來說，以平葉渦打碎氣泡，使氧溶解于發酵液中，從攪拌程度來說，以平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。為了拆輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。為了拆裝方便，大型攪拌器可做成兩半

6、型，用螺栓聯成整體。裝方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯成整體。圖2.6 發酵罐攪拌葉輪結構圖1-六直葉渦輪式；2-推進式3-Lightnin A-315式圖2.7 不同攪拌器的流型 擋板：擋板： 改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。通常擋板寬度取體激烈翻動，增加溶解氧。通常擋板寬度取( (0.10.12)D，裝設，裝設46塊即可滿足全擋板條件。塊即可滿足全擋板條件。 所謂所謂“全擋板條件全擋板條件”是指在一定轉速下再增加罐內是指在一定轉速下再增加罐內附件而軸功率仍保持不變。附件而軸功率仍保持不變。 要達到全擋板條件必

7、須滿足下式要求：要達到全擋板條件必須滿足下式要求：5 . 012. 01 . 0nDDnDb之機械攪拌發酵罐 無擋板的攪拌器形成的流型 有擋板的攪拌器形成的流型之機械攪拌發酵罐 軸 封 填料函軸封填料函軸封：由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓待零件構成，使旋轉軸達到密封的效果。壓緊螺栓待零件構成，使旋轉軸達到密封的效果。 作用：作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。防止泄露和污染雜菌。 端面式軸封又稱機械軸封：端面式軸封又稱機械軸封：密封作用是靠彈性元件（彈密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋等）

8、的壓力使垂直軸線的動環和靜環光滑表面緊密地相簧、波紋等）的壓力使垂直軸線的動環和靜環光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉動而達到密封。互貼合，并作相對轉動而達到密封。 常用的軸封有填料函軸封和端面軸封兩種。常用的軸封有填料函軸封和端面軸封兩種。壓緊螺栓壓緊螺栓填料箱體填料箱體圖2.10 填料函轉軸轉軸填料壓蓋填料壓蓋銅環銅環填料填料轉軸轉軸圖2.11 端面封軸動環動環靜環靜環堆焊硬質堆焊硬質O形環形環圖2.12 雙 端面封軸密封環密封環攪拌軸攪拌軸罐體罐體齒輪箱齒輪箱傳動齒輪箱傳動齒輪箱之機械攪拌發酵罐 空氣分布器的作用：吹入無菌空氣，并使空氣均勻空氣分布器的作用：吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布

9、。分布裝置的形式有單管及環形管等，常用的分分布。分布裝置的形式有單管及環形管等，常用的分布裝置有單管式。布裝置有單管式。 空氣由分布管噴出上升時，被攪拌器打碎成小氣空氣由分布管噴出上升時，被攪拌器打碎成小氣泡，并與發酵液充分混合，增加了氣液傳質效果。泡，并與發酵液充分混合，增加了氣液傳質效果。 環形管的分布裝置的空氣分散效果不及單管式分環形管的分布裝置的空氣分散效果不及單管式分布裝置。同時由于噴孔容易被堵塞，已很少采用。布裝置。同時由于噴孔容易被堵塞，已很少采用。 通常通風管的空氣流速取通常通風管的空氣流速取20m/s。 為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊

10、罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補強。可延長罐底壽命強。可延長罐底壽命 空氣分布器之機械攪拌發酵罐 消泡裝置 消泡裝置就是安裝在發酵罐內轉動軸的上部或安裝在發酵罐消泡裝置就是安裝在發酵罐內轉動軸的上部或安裝在發酵罐排氣系統上的，可將泡沫打破或將泡沫破碎分離成液態和氣態排氣系統上的，可將泡沫打破或將泡沫破碎分離成液態和氣態兩相的裝置，從而達到消泡的目的。兩相的裝置，從而達到消泡的目的。 兩種消泡方法兩種消泡方法: (1) 加入化學消泡劑；加入化學消泡劑；(2)使用機械消泡裝置使用機械消泡裝置 化學消泡劑：植物油脂，如玉米油、豆

11、油等；動物油脂，如化學消泡劑：植物油脂，如玉米油、豆油等；動物油脂，如豬油等；高分子化合物。豬油等；高分子化合物。 機械消泡裝置：最簡單實用為耙式消泡器，此外還有渦輪消機械消泡裝置：最簡單實用為耙式消泡器，此外還有渦輪消泡器、旋風離心式和葉輪式離心消泡器、碟片式消泡器和刮板泡器、旋風離心式和葉輪式離心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。式消泡器等。旋風離心式葉輪離心式耙式消泡器碟片式消泡器刮板式消泡器之機械攪拌發酵罐 大型發酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用大型發酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯接。聯軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯接。之機械攪拌發酵罐 聯軸器

12、及軸承 小型的發酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接。小型的發酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接。 常用的聯軸器有鼓形及夾殼形兩種。常用的聯軸器有鼓形及夾殼形兩種。聯軸器法蘭 中型發酵罐一般在罐內裝有底軸承；中型發酵罐一般在罐內裝有底軸承； 大型發酵罐裝有中間軸承。大型發酵罐裝有中間軸承。 罐內軸承不能加潤滑油，應采用液體罐內軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚潤滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。四氟乙烯等）。之機械攪拌發酵罐 軸 承底軸承中間軸承之機械攪拌發酵罐 冷卻裝置夾套冷卻夾套冷卻豎式蛇管冷卻豎式蛇管冷卻豎式列管冷卻豎式列管冷卻適用范圍5m3以下小發酵罐以下小發酵罐

13、大型發酵罐大型發酵罐大型發酵罐大型發酵罐氣溫較高的地區氣溫較高的地區優點結構簡單，加工容結構簡單，加工容易，罐內死角少，易，罐內死角少，容易清洗滅菌容易清洗滅菌流速大，傳熱系數流速大，傳熱系數大，降溫效果較好。大，降溫效果較好。加工方便，提高加工方便，提高傳熱推動力的溫傳熱推動力的溫差。差。缺點傳熱壁較厚，冷卻傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效水流速低，降溫效果差。果差。冷卻水較高時，降冷卻水較高時，降溫困難，彎曲位置溫困難，彎曲位置易腐蝕。易腐蝕。用水量較大。用水量較大。 在罐外安裝板式或螺旋板式熱交換器，采用無菌空氣使發酵液在罐外安裝板式或螺旋板式熱交換器，采用無菌空氣使發酵液進行循環冷卻。

14、進行循環冷卻。圖2.13 機械攪拌通風發酵罐的幾何尺寸5 . 37 . 1 DH3121DDi0 . 18 . 0 iDC12181 DB52iDS20DHDiDB之機械攪拌發酵罐 機械攪拌通風發酵罐的幾何尺寸及體積 體積 尺寸DhDhDhDVbab614642221 橢圓形封頭體積： 發酵罐的總體積：DhHDVb612420近似為：22015. 04DHDV之機械攪拌發酵罐 機械攪拌發酵罐的溶氧速率、通氣與攪拌 溶氧傳質速率OTR(Oxygen Transfer Rate)(OTRLccak 測量體積溶氧系數的方法一、亞硫酸鹽氧化法一、亞硫酸鹽氧化法 二、溶氧電極法二、溶氧電極法 影響KLa

15、的主要因素操作條件；操作條件；發酵罐的結構及幾何參數；發酵罐的結構及幾何參數；物料的物化性能。物料的物化性能。 42232224SONaOSONaCuSO HISONaISONaOH2422322NaIOSNaIOSNa26422322之機械攪拌發酵罐 機械攪拌發酵罐的溶氧系數 K KLa與操作變數的關系為：與操作變數的關系為：1）增加攪拌器轉速N，以提高Pg，可以有效地提高Kla；2）加大通氣量VG，以提高vs；3）提高罐內操作壓力或通入純氧，提高C*。 提高KLa的途徑 機械攪拌發酵罐的溶氧速率、通氣與攪拌 sgvVPKaKLLLGgVVVPKaK或 機械攪拌的剪切力影響1）單細胞微生物如

16、球狀或桿狀的細菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力強；2）絲狀菌的耐受力弱；3）動物細胞對攪拌剪切力非常敏感。之機械攪拌發酵罐 機械攪拌發酵罐的熱量傳遞 發酵過程的熱量計算 生物合成熱量計算法生物合成熱量計算法 冷卻水帶出熱量計算法冷卻水帶出熱量計算法 發酵液溫升測量計算法發酵液溫升測量計算法4321QQQQQtL12VTTWQCtL22112VTcmcmQt 攪拌器軸功率的計算（單只攪拌槳） 不通氣條件下的軸功率P0計算魯士頓(Rushton J. H.)公式：5i30DNPLPP0無通氣攪拌輸入的功率（W）；NP功率準數，是攪拌雷諾數ReM的函數；渦輪轉速（r/s）；L液體密度（kg/m3）；

17、液體粘度（N.s/m2）；D 渦輪直徑（m）；圓盤六平直葉渦輪 NP6圓盤六彎葉渦輪 NP4.7圓盤六箭葉渦輪 NP3.7 通氣攪拌功率Pg的計算修正的邁凱爾公式：39. 008. 03i23g)1025. 20QDPP（ 攪拌器軸功率的計算（單只攪拌槳）P0無通氣攪拌輸入的功率（kW）渦輪轉速（r/min）Di 渦輪直徑（cm）Q通氣量（mL/min）例題：例題：某酶制劑廠某酶制劑廠 10m3機械攪拌發酵罐，發酵罐直徑機械攪拌發酵罐，發酵罐直徑D=1.8m，一只圓盤六彎葉渦輪攪拌器直徑一只圓盤六彎葉渦輪攪拌器直徑D =0.6m ，罐內裝有四塊標準，罐內裝有四塊標準擋板，裝液量擋板，裝液量VL

18、為為6m3，攪拌轉速，攪拌轉速 =168rpm，通氣量，通氣量Q=1.42 m3 /min，醪液粘度，醪液粘度=1.9610-3 Ns/ m2，醪液密度，醪液密度 =1020 kg/ m3 ，三角皮帶的效率是，三角皮帶的效率是 0.92，滾動軸承的效率是，滾動軸承的效率是 0.99，滑動，滑動軸承的效率是軸承的效率是0.98，端面軸封增加的功率為，端面軸封增加的功率為 1%，求軸功率，求軸功率Pg和和kL，并選擇合適的電機。（已知在充分湍流狀態時，圓盤，并選擇合適的電機。（已知在充分湍流狀態時，圓盤彎葉渦輪攪拌器的功率準數彎葉渦輪攪拌器的功率準數 NP = 4.7 ）解：解：1.先求出先求出R

19、e：4321025. 51096. 110206 . 0)60/168(Re LiD攪拌功率的計算攪拌功率的計算2.因因Re104，所以發酵系統在充分湍流狀態，即有功率系數，所以發酵系統在充分湍流狀態，即有功率系數NP = 4.7 ，故葉輪的不通氣時攪拌功率，故葉輪的不通氣時攪拌功率P0為：為：）（kW07. 86 . 01020601687 . 4535i30 DNPLP 3.求通氣時攪拌功率求通氣時攪拌功率Pg：)kW(55. 6)14200006016807. 8(1025. 2)1025. 239. 008. 032339. 008. 03i23g0 QDPP （4.所需電動機功率為：

20、所需電動機功率為：）（）（kW4 . 7%1198. 099. 092. 055. 6 4. 求求kL ：先求空截面氣速先求空截面氣速vS：求求kL ：min)/cm(8 .5518014200004422 DQvSSvDQ 24 )atm)(min/(mLOmol10911. 1101688 .556.55/63.3)2.3610 /P3.3n)2.36k2O2697 . 07 . 056. 097 . 07 . 00.56gLpvVSL （ 之機械攪拌發酵罐之機械攪拌發酵罐小 結 熱量傳遞 工作原理 結構 幾何尺寸 通風、溶氧傳質與攪拌DiDB 攪拌功率的計算之氣升式發酵罐氣升式發酵罐(A

21、LR) 工作原理 特點及應用 主要結構及操作系數 典型的氣升式發酵罐 工作原理之氣升式發酵罐o 類型氣升環流式、塔式、空氣噴射式等。o 工作原理 把無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進入發酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發酵液則下沉，形成循環流動，實現混合與溶氧傳質。G泵LG氣液雙噴射氣升環流反應器o 特點1）反應溶液分布均勻2）較高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）傳熱良好5）結構簡單6）能耗小7）不易染菌8）操作和維修方便 特點及應用之氣升式發酵罐o 應用酵母生產、單細胞蛋白生產、細胞培養酶制劑和有機酸等發酵生產、廢水生

22、化處理主要結構及操作系數之氣升式發酵罐o主要結構參數1）反應器徑高比H/D2）導流筒徑與罐徑比DE /D3）空氣噴嘴直徑與反應器直徑比Dl/Do 操作特征1）平均循環時間tm2）氣液比R3）溶氧傳質之氣升式發酵罐 空氣噴射裝置漩渦式空氣噴射器G泵LG之氣升式發酵罐GFG氣升環流式反應器氣液雙噴射氣升環流反應器多層空氣分布板的氣升環流式反應器之氣升式發酵罐ICIs air lift system for making single-cell protein in 1979冷卻水GG培養基AAB注射入口ICI壓力循環氣升發酵罐123456711891012之氣升式發酵罐氣升式玻璃發酵罐具有外循環冷

23、卻的氣升環流式發酵罐對偶脈沖氣體環流發酵罐之氣升式發酵罐之氣升式發酵罐BIOHOCH 反應器徑向流噴射器是核心元件。空氣和水相對噴入，含極大能量的水使空氣分散成又細又均勻的氣泡。循環管保證流向及液體充分曝氣。BIOHOCH 反應器的特點：緊湊，無噪音，無異味 因為反應器很高，故占地面積小，不會受噪音和氣味侵擾經濟 氧利用率高保證能量節省80%可靠性 反應器易于進入，優質的防腐處理比混凝土更不易泄漏。一旦泄漏發生，也可立即監控。一套完整的系統保證廢水不會無控制流出 。 BIOHOCH 反應器處理工業廢水技術 之氣升式發酵罐之氣升式發酵罐小 結 工作原理 類型及特點 主要結構及操作系數 典型的氣升式發酵罐 之自吸式發酵罐自吸式發酵罐 自吸式發酵罐：自吸式發酵罐： 不需空氣壓縮機提供加壓空不需空氣壓縮機提供加壓空氣，而依靠特設的機械吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置氣，而依靠特設的機械吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置吸入無菌空氣，實現混合攪拌與溶氧傳質的發酵罐。吸入無菌空氣，實現混合攪拌與溶氧傳質的發酵罐。 應用：應用： 酵母及單細胞蛋白生產、醋酸發酵、維酵母及單細胞蛋白生產、醋酸發酵、維生素等生產生素等生產 之自吸式發酵罐自吸式發酵罐 優點：優點： (1)不必配備空氣壓縮機及其附屬設備，節約設備不必配備空氣壓縮機及其附屬設