第十章 通风发酵设备 四十年代中期，青霉素的工业化生产，或深层通风培养技术的出现，标志近 代通风发酵工业的开始。在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。在发酵罐 中，微生物在适当的环境中进行生长、新陈代谢和形成发酵产物。 第一节 通风发酵罐及结构 通风发酵罐又称好气性发酵罐，如谷氨酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵母 等发酵用的发酵罐。好气性发酵需要将空气不断通入发酵液中，以供微生物所消 耗的氧。 常用通风发酵罐有以下几种类型： （1）机械搅拌发酵罐 （2）气升式发酵罐 （3）自吸式发酵罐 （4）伍式发酵罐 （5）文氏管发酵罐 一、机械搅拌通风发酵罐 机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂最常用类型。它是利用机械搅拌器的作用， 使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、 发酵所需要的氧气。 1，机械搅拌通风发酵罐的基本要求 一个性能优良的机械搅拌通风发酵罐必须满足以下基本要求： （1）发酵罐应具有适宜的径高比；发酵罐的高度与直径之比一般为 1.7~4 倍左右，罐身越长，氧的利用率较高 （2）发酵罐能承受一定压力； （3）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧； （4）发酵罐应具有足够的冷却面积； （5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌； （6）搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。 2，机械搅拌发酵罐的结构 机械搅拌通风发酵罐是一种密封式受压设备，其主要部件包括：罐身、轴封、 消泡器、搅拌器、联轴器、中间轴承、挡板、空气分布管、换热装置和人孔以及 管路等 （1）罐体 发酵罐的罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，小型发酵罐罐顶和罐 身采用法兰连接，材料一般为不锈钢。为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用 的手孔。中大型发酵罐则装没有快开入孔及清洗用的快开手孔。罐顶还装有视镜 及灯镜。 在发酵罐的罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接 管
在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表 接口。 搅拌通风发酵罐的结构示意图 （2）罐体的尺寸比例 罐体各部分的尺寸有一定的比例，罐的高度与直径之比一般为 1.7~4 左右。 发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距 S 约为搅拌器直径的三倍。对于 大型发酵罐以及液体深度 HL 较高的，可安装三组或三组以上的搅拌器。最下面 一组搅拌器通常与风管出口较接近为好，与罐底的距离 C 一般等于搅拌器直径 Di，但也不宜小于 0.8Di，否则会影响液体的循环。 最常用的发酵罐各部分的比例尺寸如图
（3）搅拌器 搅拌器的作用是打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。 搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡轮式）两种。 轴向式搅拌器：桨叶式、螺旋桨式 径向式（涡轮式）搅拌器（Disc turbine）：平直叶、弯叶、箭叶 （4）挡板 挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动， 增加溶解氧。通常，挡板宽度取(0.1~0.2)D，装设 6~4 块即可满足全挡板条件。 全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。要达 到全挡板条件必须满足下式要求： （5）消泡器 消泡器的作用是将泡沫打破。消泡器常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。 孔板式的孔径约 10~20 毫米。消泡器的长度约为罐径的 0.65 倍。 （6）联轴器 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的 刚性联接。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌 轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。 （7）轴承 为了减少震动，中型发酵罐—般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间 轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。罐内轴承不能加润滑油，应
采用液体润滑的塑料轴瓦(如聚四氟乙烯等)，轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的 0.4~0.7％。为了防止轴颈磨损，可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套。 （8）变速装置 试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋 圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动较为简便。 （9）轴封 轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂 菌。常用的轴封有填料函和端面轴封两种。 ①填料函式轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构 成，使旋转轴达到密封的效果。 填料函式轴封的优点是结构简单。主要缺点是：死角多，很难彻底灭菌，容 易渗漏及染菌；轴的磨损情况较严重；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，经 常维修，耗工时多。 填料函式轴封的结构示意图 ②端面式轴封又称机械轴封。密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的 压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到 密封。 端面式轴封的优点： 清洁； 密封可靠； 无死角，可以防止杂菌污染； 使用寿命长； 摩擦功率耗损小； 轴或轴套不受磨损； 它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求那么严格，对轴的震动敏感性 小。 端面式轴封的缺点： 结构比填料密封复杂，装拆不便； 对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高
端面式轴封的结构示意图 （9）发酵罐的换热装置 ①夹套式换热装置 这种装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐；夹套的高度比静止液面高度 稍高即可，无须进行冷却面积的设计。这种装置的优点是：结构简单；加工容易， 罐内无冷却设备，死角少，容易进行清洁灭菌工作，有利于发酵。其缺点 是： 传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差， ②竖式蛇管换热装置 这种装置是竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组或八组不等，根 据管的直径大小而定，容积 5 米 3 以上的发酵罐多用这种换热装置。这种装置 的优点是：冷却水在管内的流速大；传热系数高。这种冷却装置适用于冷却用水 温度较低的地区，水的用量较少。但是气温高的地区，冷却用水温度较高，则发 酵时降温困难，发酵温度经常超过 40¢ªC， 影响发酵产率，因此应采用冷冻盐 水或冷冻水冷却，这样就增加了设备投资及生产成本。此外，弯曲位置比较容易 蚀穿。 ③竖式列管(排管)换热装置 这种装置是以列管形式分组对称装于发酵罐内。其优点是：加工方便，适用 于气温较高，水源充足的地区。这种装置的缺点是：传热系数较蛇管低，用水量 较大。 二、气升式发酵罐 机械搅拌通风发酵罐其通风原理是罐内通风，靠机械搅拌作用使气泡分割细 碎，与培养基充分混合，密切接触，以提高氧的吸收系数；设备构造比较复杂， 动能消耗较太。采用气升式发酵罐可以克服上述的缺点
1，气升式发酵罐的特点 （1）结构简单，冷却面积小； （2）无搅拌传动设备，节省动力约 50%，节省钢材； （3）操作时无噪音； （4）料液装料系数达 80~90％，而不须加消泡剂； （5）维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。 但气升式发酵罐还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度较大的发酵液溶 氧系数较低。 2，气升式发酵罐的结构及原理 分为内循环和外循环两种。其主要结构包括：罐体、上升管、空气喷嘴。其 结构如下图所示。 气升式发酵罐的结构示意图 3，气升式发酵罐的性能指标 气升式发酵罐是否符合工艺要求及经济指标，应从下面几方面进行考虑。 （1）循环周期时间必须符合菌种发酵的需要。 （2）选用适当直径的喷嘴。具有适当直径的喷嘴才能保证气泡分割细碎， 与发酵液均匀接触，增加溶氧系数。 三、自吸式发酵罐 自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自动吸入空气的发 酵罐。这种设备的耗电量小，能保证发酵所需的空气，并能使气液分离细小，均 匀地接触，吸入空气中 70~80%的氧被利用。采用了不同型式、容积的自吸式发 酵罐生产葡萄糖酸钙、力复雷素、维生素 C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的 成绩。 1，自吸式发酵罐的结构 自吸式发酵罐的主体结构包括：
（1）罐体： （2）自吸搅拌器及导轮； （3）轴封； （4）换热装置； （5）消泡器。 2，自吸式发酵罐的充气原理 自吸式发酵罐的主要的构件是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子。转子 由箱底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。转子的形式有 九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形叶轮等，叶轮均为空心形
3，自吸式发酵罐的类型 根据通气的型式不同，自吸式发酵罐可分为三个类型： （1）回转翼片式自吸式发酵罐； （2）具有转子及定子的自吸式发酵罐； （3）喷射式自吸式发酵罐。 前两者自吸式发酵罐结构简单，制作容易，比较广泛采用。其传动装置有装 在罐底及罐顶两种，如装在罐底，则端面密封装置的加工和安装要求特别精密， 否则容易漏液染菌。第三种喷射式自吸式发酵罐，电耗少，但是泵的构造复杂。 4，自吸式发酵罐的优点： （1）节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮聪、 总过滤器等设备，减少厂房占地面积。 （2）减少工厂发酵设备投资约 30％左右，例如应用自吸式发酵罐生产酵母， 容积酵母的产量可高达 30~50 克。 （3）设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。 （4）酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离酵母后的废液量少。 （5）设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。 四、伍式发酵罐 1，结构 伍式发酵罐的主要部件是套筒、搅拌器
2，通气原理 搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内返回罐底，搅拌器是用 六根弯曲的空气管子焊于圆盘上，兼作空气分配器。空气由空心轴导入经过搅拌 器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相混合，发酵液在套筒外侧上升，由套 筒内部下降，形成循环。设备的缺点是结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较 高。 五、文氏管发酵罐 其原理是用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增 加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。 这种设备的优点是：吸氧的效率高，气、液、 固三相均匀混合，设备简单，无 须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省。 这种设备的缺点是气体吸入量与液体循环量之比较低，对于好氧量较大的微 生物发酵不适宜。 文氏管发酵罐的结构示意图 第二节 通气与搅拌 一、搅拌器的型式及流型 1，型式 发酵罐中的机械搅拌器大致可分为轴向和径向推进两种型式。前者如螺旋桨
式，后者如涡轮式。 （1） 螺旋桨式搅拌器 螺旋桨式搅拌器在罐内将液体向下或向上推进(相应于图中的顺时针或逆时 针旋转方向)。形成轴向的螺旋流动，混合效果较好，但造成的剪率较低，对气 泡的分散效果不好。一般用在藉压差循环的发酵罐中，以提高其循环速度。常用 的螺旋桨叶数 Z=3，螺距等于搅拌器直径，最大叶端线速度不超过 25 米/秒。 螺旋桨式搅拌器结构示意图 （2）圆盘平直叶涡轮搅拌器 圆盘平直叶涡轮与没有圆盘的平直叶涡轮，其搅拌特性差别甚微。但在发酵 罐中无菌空气由单开口管通至搅拌器下方，大的气泡受到圆盘的阻挡，避免从轴 部的叶片空隙上升，保证了气泡的更好的分散。 圆盘平直叶涡轮搅拌器具有很大的循环输送量和功率输出，适用于各种流 体，包括粘性流体、非牛顿流体的搅拌混合。 （3）圆盘弯叶涡轮搅拌器 圆盘弯叶涡轮搅拌器的搅拌流型与平直叶涡轮的相似，但前者造成的液体径