第五章 好氧发酵设备

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1、第五章好氧发酵设备高效反应器的特点是设备简单、不易染菌，体积小，电耗小，单位时间、单位体积的生产能力大，代谢热易于移除，操作方便、安全。对于好氧发酵来说，生物反应器还以溶氧系数的高低及传递1kg氧所耗的功率大小作为衡量罐优良的基本指标。第一节通风发酵罐类型好氧发酵将空气或纯氧不断通入发酵液中，供给微生物所需的氧，气泡越小，气液接触面积越大，氧的溶解速率也越快，氧的利用率也越高，产品的产率也越大。通风发酵罐有：气升式、机械搅拌式、自吸式，射流搅拌式等。一、气升式发酵罐1、特点：结构简单、不易污染、传氧效率高，能耗低、剪切力低、安装维修方便。2、工作原理：空气由下部的喷嘴或喷孔喷入，使发酵液

2、和空气充分接触。由于下部含气率高的培养基比重小，上部含气率低的培养基比重大，比重不同产生的压力差以及压缩空气的动能，推动培养基在罐内沿循环管或导流筒循环。可分为：外循环和内循环。3、循环周期时间的确定发酵液在上升管中溶解氧较高，进入下降管后溶解氧会降低，为了保证微生物的正常的代谢，需确定循环周期时间。τ==(min)V1、V醪液——发酵醪液量、醪液循环量ω——醪液在循环管中的线速度d——循环管的内径(m)V1V醪液V10.785d2ω·604、喷嘴直径的确定根据实验得出的数据：当Re空气＞Re醪液+250时，气泡分裂细碎较好。Re=V/d1·ν5、反应器高径比H/D=5-9时，有利于混合

3、与溶氧。6、导流筒径与罐径比DE/D：适宜的DE/D=0.6-0.87、导流筒或循环管内平均环流速度：平均环流速度vm可取1.2-1.8m/s，这有利于混合及气液传质。8、其他影响因素液面到喷嘴缩孔垂直高度H0及到循环管、导流筒出口高度h。（一）带升式发酵罐特点：冷却面积小，无需搅拌设备，装料系数达80-90%。1、结构：罐外设上升管，与罐底部和上部相连接，构成循环系统，上升管下部装设空气喷嘴，空气以250-300m/s的高速度喷入上升管，因空气的动能以及比重不同引起的压力差产生反复循环。（二）气升及外循环发酵罐空气经气体分布器喷入使气液混合液上升，经回流管返回罐底部，下部的发酵液经泵、

4、热交换器、喷淋器对罐顶泡沫进行消泡。（三）气升环流发酵罐在气升罐内设置空心圆筒，圆筒下部接着空气分布器，气液混合液经圆筒内上升，从上部出来后，向下运动，再由圆筒下部同空气一起进入圆筒。气升环流发酵罐有高位、低位和压力发酵罐几种。有一个圆筒和多个圆筒以及套筒几种形式。二、机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐是工厂生产中应用最多的一类发酵罐，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧，供给微生物生长繁殖代谢过程所需的氧。因此，该类罐的空气分布器和机械搅拌系统包括：搅拌桨叶、搅拌轴、搅拌电机、减速机、轴密封、联轴器等的设计是最为关键的地方。三、自吸式发酵罐它是一种不需要空气压

5、缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。优点：1、省去了空压机及辅助设备；2、便于自动化、连续化，劳动强度降低；3、气泡小、溶氧系数高、能耗较低；缺点：罐压较低，易污染杂菌，装料系数不高。根据空气进入罐内的方式不同可分为：转子回转式、喷射式、溢流式三种。（1）转子回转式：工作原理：主要构件为自吸搅拌器和导轮，简称为转子和定子。转子由轴带动，定子可有可无。在转子启动前，用液体浸没转子。启动后，由于转子的高速旋转，液体受离心力的作用抛向叶轮外缘，在转子中心形成负压，罐外的空气因转子中心的负压而吸入，由导向叶轮均匀分布。转子转速越大，产生的负压也越大。转子回转式发酵罐空气由自吸搅拌器的空心轴进

6、入罐内，空气利用率为24-28%，供给1kg氧的耗电为0.4-0.5kw.h。为了提高吸气量，降低转子的功率消耗，一般采用矮罐较好，或提高转子的安装高度。转子有三直叶型和四弯叶型：三直叶型：吸气量大，压头高，但阻力大，功率消耗大。四弯叶型：多为后弯，阻力小，功耗小，剪切作用小，吸气量也可以很大。（2）喷射自吸式发酵罐工作原理：用泵将发酵液泵如文丘里管或喷射泵，由于液体在文丘里管或喷射泵的收缩段流速增加，形成真空，将罐外的空气吸入，并使空气分散，与液体均匀混合，提高发酵液的溶解氧。当收缩段液体的雷诺准数在6×104以上时，吸气量较好。（三）溢流喷射自吸式发酵罐工作原理：液体在溢流时形成抛物

7、流，由于液体表面层作用，使靠近液体表面层的气体边界层具有一定的速度，从而形成气体的流动和自吸作用。当液体处于抛射非淹没溢流状态，溢流尾管略高于液面，尾管高1-2m时，吸气量较大。四、射流搅拌罐和喷射环流搅拌罐利用静态混合器来代替动态混合器—搅拌系统中最下部的一档搅拌，在满足同等混合效果、溶氧量及发酵产率的条件下，可节省能耗达30%。工作原理：在通风发酵罐的底部装置若干气体射流混合器。空气(表压0.2MPa)以高速从喷咀喷出，在混合器