发酵罐的结构型式及发酵领域的应用

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1、发酵罐的结构型式及发酵领域的应用1.1发酵罐的结构型式及发酵领域的应用发酵过程可以通过固体培养和深层浸没培养完成，从生产分为间隙分批、半连续和连续发酵等，但是工业化大规模的发酵过程，则以通气纯种深层液体培养为主。通气纯种培养的发酵罐型式有标准式发酵罐、自吸式发酵罐、气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐和多孔板塔式发酵罐等。自吸式发酵罐系通过发酵罐内叶轮的高速转动，引成真空将空气吸入罐内，由于叶轮转动产生的真空，其吸入压头和空气流量有一定限制，因而适用于对通气量要求不高的发酵品种；塔式发酵罐是将发酵液置于多层多孔塔板的细长罐体内(亦称高位筛板塔式)，在

2、罐底部通入无菌空气，通过气体分散进行氧的传递，因而其供氧量受到了一定限制；气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐均是通过无菌空气在罐内中央管或通过旋转的喷射管和罐外喷射泵使发酵液按照一定规律运行，从而达到气液传质的效果，目前气升式发酵罐在培养其较稀薄，供氧量要求不太高的条件下(如VC发酵)得到了使用。但在发酵工业中，仍数兼具通气又带搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍，标准式发酵罐被广泛应用于抗生素、氨基酸、柠檬酸等各个领域。重点介绍标准发酵罐的设计，对机械搅拌的自吸式发酵罐、空气带升环流式发酵罐和高位塔式发酵罐仅作简要介绍。1.1.1机械搅拌自吸式发酵罐是

3、一种无需气源供应空气的发酵罐，该发酵罐最关键部件是带有中央吸气口的搅拌器。目前国内采用自吸式发酵罐中的搅拌器是带有固定导轮的三棱空心叶轮，叶轮直径d为罐径D的1/3，叶轮上下各有一块三棱形平板，在旋转方向的前侧夹有叶片，其各部件尺寸比例关系见表10-1。当叶轮向前旋转时，叶片与三棱形平板内空间的液体被甩出而形成局部真空，于是将罐外空气通过搅拌器中心的吸入管而被吸入罐内，并与高速流动的液体撞击形成细小的气泡，气液混合流通过导轮流入到发酵液主体。导轮由16块具有一定曲率的翼片组成，排列于搅拌器的外围，翼片上下有固定圈予以固定。自吸式发酵罐的缺点是进罐空气处于负压

4、，因而增加了染菌机会。其次是这类罐搅拌转速甚高，有可能使菌丝被搅拌器切断，使正常生产受到影响。所以在抗生素发酵上较少采用。但在食醋发酵、酵母培养、生化曝气方面已有成功使用的实例。表:三棱形搅拌器各部件的尺寸比例关系部件尺寸与叶径比例部件尺寸与叶径比例叶轮外径d1d翼叶角a45o桨叶长度l9/16d间隙δ1～2.5mm叶轮高度h1/4d叶轮外缘h1h+2b导轮外径ф31d 据有关文献报道，三棱形搅拌器的吸气量和液体的流动程度有一定关系。可由式(10-1)表示。f(Na,Fr)=0                                        (

5、10-1)式中Na——吸气数，Na=；Fr——弗鲁特数，Fr=d——叶轮直径，m；n——叶轮转速，s-1；Q——吸气量，m3/s；——重力加速度，=9.81m/s2。由实验数据归纳，吸气量的大小是随液体运动的程度而变化的，当液体受到搅拌器的推动时，在克服重力影响达到一定程度后，吸气准数就不受重力准数Fr的影响而趋于常数，此点称为空化点。在空化点上，吸气量与搅拌器的泵出流量成正比。1.1.2空气带升环流式发酵罐空气带升环流式发酵罐根据环流管安装位置可分为内环流式与外环流式两种。在环流管底部装置空气喷嘴，空气在喷嘴口以250～300m/s的高速喷入环流管。由于喷

6、射作用，气泡被分散于液体中，依靠环流管内气-液混合物的密度与发酵罐主体中液体密度之间的差，使管内气-液混合流连续循环流动。罐内的培养液中之溶解氧由于菌体的代谢而逐渐减少，而其通过环流管时，由于气-液接触而重新达到饱和。为使环流管内气泡被进一步破碎分散，增加氧的传递速率，近年来在环流管内安装静态混合元件，取得了较好效果。发酵液必须维持一定的环流速度以不断补充氧，使发酵液保持一定的溶氧浓度，满足微生物发酵的需要。发酵液在环流管内循环一次所需要的时间，称为循环周期。培养不同的微生物时，由于菌的耗氧速率不同，所要求的循环周期亦有所不同。如果供氧速率跟不上，会使菌的活

7、力下降而减少发酵产率。据报道，黑曲霉发酵生产糖化酶时，当菌体浓度为7%时，要求循环周期为2.5～3.5min，不得大于4min，否则会造成缺氧而使糖化酶活力急剧下降。在设计环流式发酵罐时，还应注意环流管高度对环流效率的影响，实验表明环流管高度应大于4m。罐内液面也不能低于环流管出口，否则将明显降低效率。但过高的液面高度，可能产生“环流短路”现象，使罐内溶氧分布不均匀。一般罐内液面不高于环流管出口1.5m。1.1.3高位塔式发酵罐这是一种类似塔式反应器的发酵罐，其H/D值约为7左右，罐内装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经过筛板逐渐上升，气泡在上升过程中带动

8、发酵液同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作