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發酵罐的結構型式及發酵領域的應用
閱讀：8920 發布時間：2010-8-231.1發酵罐的結構型式及發酵領域的應用
發酵過程可以通過固體培養和深層浸沒培養完成，從生產分為間隙分批、半連續和連續發酵等，但是工業化大規模的發酵過程，則以通氣純種深層液體培養為主。
通氣純種培養的發酵罐型式有標準式發酵罐、自吸式發酵罐、氣升式發酵罐、噴射式葉輪發酵罐、外循環發酵罐和多孔板塔式發酵罐等。
自吸式發酵罐系通過發酵罐內葉輪的高速轉動，引成真空將空氣吸入罐內，由于葉輪轉動產生的真空，其吸入壓頭和空氣流量有一定限制，因而適用于對通氣量要求不高的發酵品種；
塔式發酵罐是將發酵液置于多層多孔塔板的細長罐體內（亦稱高位篩板塔式），在罐底部通入無菌空氣，通過氣體分散進行氧的傳遞，因而其供氧量受到了一定限制；
氣升式發酵罐、噴射式葉輪發酵罐、外循環發酵罐均是通過無菌空氣在罐內*管或通過旋轉的噴射管和罐外噴射泵使發酵液按照一定規律運行，從而達到氣液傳質的效果，目前氣升式發酵罐在培養其較稀薄，供氧量要求不太高的條件下（如VC發酵）得到了使用。但在發酵工業中，仍數兼具通氣又帶攪拌的標準式發酵罐用途zui為普遍，標準式發酵罐被廣泛應用于抗生素、氨基酸、檸檬酸等各個領域。
重點介紹標準發酵罐的設計，對機械攪拌的自吸式發酵罐、空氣帶升環流式發酵罐和高位塔式發酵罐僅作簡要介紹。
1.1.1機械攪拌自吸式發酵罐
是一種無需氣源供應空氣的發酵罐，該發酵罐zui關鍵部件是帶有*吸氣口的攪拌器。目前國內采用自吸式發酵罐中的攪拌器是帶有固定導輪的三棱空心葉輪，葉輪直徑d為罐徑D的1/3，葉輪上下各有一塊三棱形平板，在旋轉方向的前側夾有葉片，其各部件尺寸比例關系見表10-1。當葉輪向前旋轉時，葉片與三棱形平板內空間的液體被甩出而形成局部真空，于是將罐外空氣通過攪拌器中心的吸入管而被吸入罐內，并與高速流動的液體撞擊形成細小的氣泡，氣液混合流通過導輪流入到發酵液主體。導輪由16塊具有一定曲率的翼片組成，排列于攪拌器的外圍，翼片上下有固定圈予以固定。
自吸式發酵罐的缺點是進罐空氣處于負壓，因而增加了染菌機會。其次是這類罐攪拌轉速甚高，有可能使菌絲被攪拌器切斷，使正常生產受到影響。所以在抗生素發酵上較少采用。但在食醋發酵、酵母培養、生化曝氣方面已有成功使用的實例。
表:三棱形攪拌器各部件的尺寸比例關系
| 部件尺寸 | 與葉徑比例 | 部件尺寸 | 與葉徑比例 |
| 葉輪外徑d | 1d | 翼葉角a | 45o |
| 槳葉長度l | 9/16d | 間隙δ | 1～2.5mm |
| 葉輪高度h | 1/4d | 葉輪外緣h1 | h+2b |
| 導輪外徑ф3 | 1d |
據有關文獻報道，三棱形攪拌器的吸氣量和液體的流動程度有一定關系。可由式（10-1）表示。
f （ Na,Fr）=0 （10-1）
式中Na——吸氣數，Na= ；
Fr——弗魯特數，Fr=
d——葉輪直徑，m；
n——葉輪轉速，s-1；
Q——吸氣量，m3/s；
——重力加速度， =9.81m/s2。
由實驗數據歸納，吸氣量的大小是隨液體運動的程度而變化的，當液體受到攪拌器的推動時，在克服重力影響達到一定程度后，吸氣準數就不受重力準數Fr的影響而趨于常數，此點稱為空化點。在空化點上，吸氣量與攪拌器的泵出流量成正比。
1.1.2空氣帶升環流式發酵罐
空氣帶升環流式發酵罐根據環流管安裝位置可分為內環流式與外環流式兩種。在環流管底部裝置空氣噴嘴，空氣在噴嘴口以250～300m/s的高速噴入環流管。由于噴射作用，氣泡被分散于液體中，依靠環流管內氣-液混合物的密度與發酵罐主體中液體密度之間的差，使管內氣-液混合流連續循環流動。罐內的培養液中之溶解氧由于菌體的代謝而逐漸減少，而其通過環流管時，由于氣-液接觸而重新達到飽和。
為使環流管內氣泡被進一步破碎分散，增加氧的傳遞速率，近年來在環流管內安裝靜態混合元件，取得了較好效果。
發酵液必須維持一定的環流速度以不斷補充氧，使發酵液保持一定的溶氧濃度，滿足微生物發酵的需要。發酵液在環流管內循環一次所需要的時間，稱為循環周期。培養不同的微生物時，由于菌的耗氧速率不同，所要求的循環周期亦有所不同。如果供氧速率跟不上，會使菌的活力下降而減少發酵產率。據報道，黑曲霉發酵生產糖化酶時，當菌體濃度為7%時，要求循環周期為2.5～3.5min，不得大于4min，否則會造成缺氧而使糖化酶活力急劇下降。
在設計環流式發酵罐時，還應注意環流管高度對環流效率的影響，實驗表明環流管高度應大于4m。罐內液面也不能低于環流管出口，否則將明顯降低效率。但過高的液面高度，可能產生“環流短路”現象，使罐內溶氧分布不均勻。一般罐內液面不高于環流管出口1.5m。
1.1.3高位塔式發酵罐
這是一種類似塔式反應器的發酵罐，其H/D值約為7左右，罐內裝有若干塊篩板，壓縮空氣由罐底導入，經過篩板逐漸上升，氣泡在上升過程中帶動發酵液同時上升，上升后的發酵液又通過篩板上帶有液封作用的降液管下降而形成循環。這種發酵罐的特點是省去了機械攪拌裝置，如培養基濃度適宜，而且操作得當的話，在不增加空氣流量的情況下，可接近標準式發酵罐的發酵水平，但由于液位較高，通入的壓縮空氣壓力需相應提高。
國內工廠曾用過容積為40m2的高位塔式發酵罐生產抗生素，該罐直徑2m，總高為14m，共裝有篩板6塊，篩板間距為1.5m，zui下面的一塊篩板有直徑10mm的小徑2000個，上面5塊篩板各有直徑10mm小孔6300個，每塊篩板上都有一個ф450mm的降液管，在降液管下端的水平面與篩板之間的空間則是氣-液充分混合區。由于篩板對氣泡的阻擋作用，使空氣在罐內停留較長時間，同時在篩板上大氣泡被重新分散，進而提高了氧的利用率。這種發酵罐由于省去了機械攪拌裝置，造價比標準式發酵罐要低。
1.2標準式發酵罐
標準式發酵罐是純種培養生物工程中使用得zui為普遍的發酵罐，據不*統計，約占發酵罐總數的80%～90%以上，隨著發酵產品需求量增加，發酵過程控制和檢測水平提高，對發酵機理的了解，以及空氣無菌處理技術水平的提高，發酵罐的容積增大已成為生物發酵工業的趨勢。
1.2.1罐的幾何尺寸
發酵罐的公稱容積Vo，一般系指筒身容積Vo與底封頭容積Vb之和。底封頭容積Vb可根據封頭的直徑查手冊求得，也可以近似地用式（10-2）計算。
Vo=Vc+Vb= D2H+0.15D3 （10-2）
式中，H為筒體高度；D為筒體直徑。
發酵罐的高徑比H/D是罐體zui主要的幾何尺寸，一般隨著罐體高度和液層增高，氧氣的利用率將隨之增加，容積傳氧系數KLa也隨之提高。但其增長不是線性關系，隨著罐體增高，KLa的增長速率隨之減慢；而隨著罐休容積增大，液柱增高，進罐的空氣壓力隨之提高，伴隨空壓機的出口壓力提高和能耗增加；而且壓力過大后，特別是在罐底氣泡受壓后體積縮小，氣液界面的面積可能受到影響；過高的液住高度，雖增加了溶氧的分壓，但同樣增加溶解二氧化碳分壓，增加了二氧化碳濃度，對某些發酵品種又可能抑制其生產；而且罐體的高度，同廠房高度密切相關。因而發酵罐的H/D值，既有工藝的要求，也應考慮車間的經常費用和工程的一次造價，必須綜合考慮后予以確定。
一般標準式發酵罐的H/D=1.8～2.8，常用的為2～2.5。對于細菌發酵罐來說，筒體高度H與罐直徑D的比宜為2.2～2.5，對于放線菌的發酵罐H/D一般宜取為1.8～2.2，當發酵罐容積較小時（80m3以下），H/D值宜取上限，而大型發酵罐（100m3以上）則宜偏下限。
1.2.2通氣和攪拌
好氧發酵是一個復雜的氣、液、固三相傳質和傳熱的過程，良好的供氧條件和培養基的混合是保證發酵過程傳熱和傳質必要條件。
好氧發酵需要通往充沛的空氣，以滿足微生物需氧要求，因而空氣通入量越大，微生物獲得氧可能越多；其次培養液層越高；空氣在培養基停留時間就有可能增加，有益于微生物利用空氣中的氧；但是空氣中氧是通過培養基傳遞給微生物，傳遞速率很大程度上取決于氣液相的傳質面積，也就是說取決于氣泡的大小和氣泡的停留時間，氣泡越小和越分散就使微生物可以越充沛獲得氧氣，但是強化氣泡的粉碎單靠氣體分布器的形式和結構改善是不夠的，或者說效果是不明顯的，只有通過發酵罐內的葉輪轉動將氣泡粉碎，才可獲得較佳的發酵供氧條件。
通過葉輪的攪拌作用，使培養基在發酵罐內得到充分宏觀和微觀混合，盡可能使微生物在罐內每一處均能得到充足氧氣和培養基中的營養物質，此外良好的攪拌有利于微生物發酵過程產生的熱量傳遞給內蛇管和發酵罐的外盤管的冷卻介質。這就是具有通氣和攪拌的標準式發酵罐普遍使用于生化工程的原因。
（1） 通氣裝置
通氣裝置是指將無菌空氣導入培養基中的裝置，zui簡單的通氣裝置是一單孔管，單孔管的出口位于罐的*，開口向下，以免培養基中固體物質在開口處堆積和罐底固形物質沉淀。有人曾建議采用多孔環管作為通氣裝置，但由于發酵過程通氣量較大氣泡直徑與通氣量和攪拌有關，山分布器的孔徑關系極小，在強烈攪拌下，實驗證明多孔分布器對氧的傳遞效果并不比單孔管為好，相反還會造成不必要的壓力損失及小孔堵塞的麻煩，故不宜采用。
近年來由于發酵罐容積的增大，為了保證攪拌系統的穩定運行，在罐底設置了底軸承，因而占去了空氣管的位置，為了使空氣分布仍據*，提出了將空氣管在罐內分散成3～4個口，使其均勻分布在罐*附近的設計方案。
（2） 攪拌葉輪
發酵罐內安裝攪拌器首先用來分散氣泡以得到盡可能高的KLa值。此外還要使被攪拌的發酵液循環來增加氣泡的平均停留時間，并在整個系統中均勻分布，阻止其聚并。
早先的機械攪拌式發酵罐通常裝有數個徑向圓盤渦輪攪拌器，但容易使被攪拌的介質分層而成幾個區，因而在罐下部和上部之間形成氧分壓梯度，導致罐內上、下部之間KLa值差異。
近年來發酵罐的攪拌系統多采用在罐底部裝有一個用來分散空氣的渦輪攪拌器，在其上部再安裝一組軸流式攪拌器，用來循環培養介質、均勻分布氣泡、強化熱量傳遞和消除罐內上、下部之間含氧量梯度。
常用的幾種攪拌器如下。
① 帶圓盤敞式渦輪攪拌器（D-6）型H.Rushton在20世紀40年代開發的D-6型攪拌器，目前普遍使用的直葉、彎葉和箭式蝸輪均屬此類攪拌器，其特點如下。
a. 具圓盤、敞開式，通常有6個葉片（也可4片或8片）；葉片寬度/葉徑=0.2圓盤直徑=2/3葉徑。
b. 用于摻合（blending）和固體懸浮的效果不夠理想。
c. 可產生高湍流，有利于氣-液分散。
d. 由于揚送量低，在高通氣速率時容易產生“氣泛”。
e. 葉片要均勻分布，以求穩定。
② 傾斜葉片（pitched blade）渦輪（P-4）
于20世紀60年代推出，其特點如下。
a. 通常采用4個葉片，傾斜角450，角度固定，典型的葉片寬度/葉徑=0.2。
b. 在摻合和固體懸浮等作業中，流速控制優于D-6型攪拌器。
c. 用于氣體分散，效果不如D-6型攪拌器。
d. 宜用于中等流量和中等剪切力的情況。
③ 反向傾斜（Reversing pitch）攪拌器
由Ekato公司在20世紀60年代開發，其特點如下。
a. 內側葉片向上推，外側葉片向下推；基本上屬于徑向流動。
b. 不宜于固體懸浮和摻合作業；處理氣體能力遠不如D-6型葉輪。
④ 軸流式攪拌器
20世紀80年代開發，如Lightning公司的A-310； Chemineer公司的HE-3；Robin公司的HPM-30等，其特點如下。
a. 在輪轂的切入角小；頂端翼弦角（chord angle）較小。
b. 與液體流型吻合的前緣（contoured leading edge），可以減少流動分離。
c. 通常采用3～4個葉片；雖然不宜用于氣體分散，但控制罐內流型的性能好。
⑤ 混合流攪拌器
20世紀80年代開發，如Lightning公司開發的A-315，Prochem公司的Maxfo-T等，其特點如下。
a. 4～6個葉片，前端凹進；寬葉片，盤面比（solidity）大，質量也大；
b. 控制流速優于P-4和D-6型葉輪通氣情況下不穩定。
⑥ 凹葉徑流式（Concave blade radial）攪拌器（CD-6型）
20世紀80年代由J.Smith等人開發，其特點如下。
a. 外形類似D-6型攪拌器，但采用部分圓筒體作槳葉。
b. 據報道，在空氣-水系統中，處理氣體的能力比D-6型葉輪高250%，在工業發酵罐中在相同的P/V值和氣體表面線速度下，KLa值比D-6型攪拌器高150%～250%。
⑦ 徑流渦輪/軸流攪拌器的組合
20世紀80年代中期推出，其特點如下。
a. 罐底部裝徑向渦輪攪拌器，上部裝軸流攪拌器；
b. 總體流型（flow pattern）較好，*，無分層（staging）現象；
c. 對“氣泛”和混合時間有改善。
發酵罐 編輯：北京靜鑫機械--蔣大偉 87607599