第2章通風(fēng)生物反應(yīng)器

第二章通風(fēng)生物反應(yīng)器第一節(jié)機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器第二節(jié)氣升式生物反應(yīng)器第三節(jié)鼓泡塔生物反應(yīng)器第四節(jié)自吸式生物反應(yīng)器第五節(jié)固態(tài)通風(fēng)生物反應(yīng)器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

生物反應(yīng)器的分類(lèi)

生物反應(yīng)器，是指利用酶或生物體（如微生物、動(dòng)植物細(xì)胞）所具有的特殊功能，在體外進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的裝置系統(tǒng)。細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器（發(fā)酵罐）生物反應(yīng)器酶反應(yīng)器動(dòng)物、植物、昆蟲(chóng)等活體生物反應(yīng)器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

生物反應(yīng)器的分類(lèi)(1)按照使用的生物催化劑的不同,分為酶催化反應(yīng)器和細(xì)胞生物反應(yīng)器。(2)根據(jù)反應(yīng)器的操作方式,分間歇式生物反應(yīng)器,半連續(xù)式和連續(xù)式生物反應(yīng)器。(3)根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征,分釜式,管式,塔式,膜式等。

它們之間的差別主要反映在外型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同。

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(4)根據(jù)反應(yīng)器所需的能量的輸入方式,分通過(guò)機(jī)械攪拌輸入能量的機(jī)械攪拌式,利用無(wú)菌空氣攪拌的氣升式和利用泵對(duì)液體的噴射作用而使液體循環(huán)的生物反應(yīng)器。(5)根據(jù)生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式,分生物團(tuán)塊反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器。生物團(tuán)塊反應(yīng)器按催化劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又分為填充床,流化床,生物轉(zhuǎn)盤(pán)等。(6)根據(jù)反應(yīng)物系在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和混合狀態(tài),分全混流和活塞流生物反應(yīng)器。（見(jiàn)演示）

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生物反應(yīng)器的分類(lèi)一個(gè)優(yōu)良的生物反應(yīng)器應(yīng)具有良好的傳質(zhì)和傳熱性能；培養(yǎng)液流動(dòng)與混合良好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單嚴(yán)密，防雜菌污染，檢修維護(hù)方便；具有配套而可靠的檢測(cè)及控制儀表。——以提供合適的環(huán)境條件，確保生物反應(yīng)的順利進(jìn)行；——判斷生物反應(yīng)進(jìn)行的情況。小型的種子發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器底部磁力攪拌通風(fēng)，電機(jī)輸出軸與機(jī)械攪拌軸之間無(wú)聯(lián)軸節(jié)和機(jī)械密封，密封可靠無(wú)泄漏。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

大型機(jī)械攪拌反應(yīng)器圖2-3某味精廠發(fā)酵車(chē)間一角發(fā)酵車(chē)間圖2-5河南蓮花味精集團(tuán)公司使用的氣升式通風(fēng)發(fā)酵罐

圖2-6南陽(yáng)天冠酒精集團(tuán)公司酒精發(fā)酵罐

圖3-7珠江啤酒發(fā)酵群圖3-8丹麥嘉士伯啤酒發(fā)酵群圖3-9機(jī)械攪拌反應(yīng)器圖3-10機(jī)械攪拌反應(yīng)器機(jī)械攪拌型反應(yīng)器，是通過(guò)攪拌器對(duì)罐內(nèi)的液體進(jìn)行攪拌，以提供動(dòng)力，并達(dá)到傳質(zhì)、傳熱和液體混合的目的和要求，同時(shí)通過(guò)攪拌提高通入的氧氣的溶解，保證供給微生物生長(zhǎng)繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣

。(虛擬機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器1)第一節(jié)機(jī)械攪拌微生物反應(yīng)器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

一、機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

好氣性機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器是密封式受壓設(shè)備，主要部件包括：1.罐體2.攪拌器和檔板

3.密封裝置

4.消泡器

5.空氣分布裝置6.變速裝置、軸承、聯(lián)軸器7.傳熱裝置生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

小型攪拌反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

大型機(jī)械攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意大型攪拌通風(fēng)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)1.罐體罐體結(jié)構(gòu):筒身、上封頭、下封頭構(gòu)成。材料及要求:耐高溫高壓玻璃反應(yīng)器正在加工的罐身和封頭生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

罐體的厚度計(jì)算根據(jù)工藝條件，筒體材料、內(nèi)壓力已確定的內(nèi)徑等參數(shù)，按強(qiáng)度計(jì)算公式確定筒體的設(shè)計(jì)厚度。其中td設(shè)計(jì)厚度，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D1為發(fā)酵罐罐體內(nèi)徑,mm[σ]τ材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；厚度附加量封頭（罐蓋）厚度

封頭的設(shè)計(jì)已標(biāo)準(zhǔn)化，內(nèi)徑與筒體的內(nèi)徑一致，標(biāo)準(zhǔn)錐形封頭、橢圓標(biāo)準(zhǔn)封頭尺寸可查設(shè)計(jì)資料。封頭設(shè)計(jì)厚度按工藝條件，用強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)橢圓形封頭:

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭:K=1罐身和罐蓋的連接圖2-13某廠抗菌素生產(chǎn)車(chē)間的種子罐和發(fā)酵罐法蘭連接整體焊接生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

罐蓋上的部件配置圖2-14小型發(fā)酵罐罐頂部件布置圖

圖2-15大中型發(fā)酵罐罐頂部件布置圖

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罐身的部件配置裝于罐身的接管有：冷卻水進(jìn)出口、空氣進(jìn)口、溫度和其他測(cè)控儀表的接口。罐身的接管愈少愈好。

不影響無(wú)菌操作條件下將接管加以歸并。

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(1)攪拌器

攪拌器作用：增加氧的溶解速率;促進(jìn)液-氣-固三相混合;加強(qiáng)傳熱。

2.攪拌器和檔板生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

攪拌器與流型軸向流攪拌器徑向流攪拌器切向流攪拌器徑向流——渦輪攪拌器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

徑向流——渦輪攪拌器在渦輪攪拌器中液體出口的絕對(duì)速度很大，槳葉外緣附近造成激烈的漩渦運(yùn)動(dòng)和很大的剪切力，可將通入的氣體分散得更細(xì)，并可提高溶氧傳質(zhì)系數(shù)。軸向流攪拌器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

促進(jìn)總體混合效果較好，但對(duì)溶解氧效果不如渦輪攪拌器。無(wú)擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流速高時(shí)液體表面會(huì)形成漩渦，流體從槳葉周?chē)芟蚓砦翗~區(qū)的流量很小，混合效果很差。切向流切向流攪拌器錨式框式框錨式其他攪拌器形式生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

攪拌器的組合對(duì)于大型發(fā)酵罐，為了同時(shí)滿足混合、溶氧以及傳熱的需求，可以采用多種不同的攪拌器的組合方式實(shí)現(xiàn)。（2）檔板

擋板的作用：a、改變液流的方向，由切向流改為徑向流和軸向流;

b、提高液流湍流程度，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧。c、防止攪拌過(guò)程中漩渦的產(chǎn)生，而導(dǎo)致攪拌器露在料液以上，起不到攪拌作用。

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擋板可以消除打漩現(xiàn)象豎立的蛇管、列管、排管、進(jìn)空氣管等也可以起擋板作用。檔板有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)檔板的寬度W=（0.1~0.12）D；檔扳的高度H自罐底起至設(shè)計(jì)液面高度止；檔板與罐壁保持一定間隙，防止死角的形成；檔板的塊數(shù)Z一般為4~6塊，不超過(guò)8塊，以接近消除旋渦為宜。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

全擋板條件

全擋板條件下的攪拌流型

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在一定轉(zhuǎn)速下，再增加罐內(nèi)附件而軸功率保持不變、旋渦基本消失的檔板數(shù)。3.密封裝置（軸封）

發(fā)酵罐的攪拌軸與不運(yùn)動(dòng)的罐體之間的密封是確保不泄漏和不污染雜菌的關(guān)鍵部件之一。

軸封是安裝在旋轉(zhuǎn)軸與發(fā)酵罐體之間的部件。軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止工作介質(zhì)（液體、氣體）沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸伸出設(shè)備之處泄漏和污染雜菌。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

1)填料函軸封結(jié)構(gòu)：由軸、填料壓蓋、壓緊螺栓、填料箱體、銅環(huán)和填料組成。主要缺點(diǎn)：①內(nèi)部存在很多死角，蒸汽不易達(dá)到，很難徹底滅菌；②軸的磨損較為嚴(yán)重，如軸磨損過(guò)多；就難以達(dá)到密封要求；③填料壓緊后摩擦功率損失較大；1-軸2-填料壓蓋3-壓緊螺栓4-填料箱體5-銅環(huán)6-填料生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

④經(jīng)常維修填料函，攪拌軸拆出磨光磨損部分，消耗工時(shí)多，影響生產(chǎn)。2)端面軸封（機(jī)械軸封）圖24單端面機(jī)械軸封1-彈簧2-動(dòng)環(huán)3-硬質(zhì)合金4-靜環(huán)5-O形密封圈分為單端面密封和雙端面密封；結(jié)構(gòu)主要由彈性壓緊元件、動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、O型密封圈等組成。機(jī)械密封有三個(gè)密封點(diǎn)位。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

下伸軸通風(fēng)發(fā)酵罐上伸軸機(jī)械攪拌反應(yīng)器密封措施之一：靜環(huán)和罐體的密封（靜密封）生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

密封措施之二：動(dòng)環(huán)與軸的密封（相對(duì)靜止的密封）生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

密封措施之三：動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間的密封（相對(duì)旋轉(zhuǎn)密封）生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

動(dòng)環(huán)和靜環(huán)是環(huán)形平面接觸?？繌椈蓧壕o動(dòng)環(huán)和靜環(huán)產(chǎn)生。兩環(huán)有微小磨損，密封力基本不變,介質(zhì)不易泄漏。3）全封閉密封(磁力攪拌)⒈適用:介質(zhì)為劇毒、易然、易爆、昂貴的物料，高純度物料以及在高真空下操作；密封要求很高，采用填料密封和機(jī)械密封均無(wú)法滿足時(shí)的場(chǎng)合。⒉工作原理:套裝在輸入機(jī)械能轉(zhuǎn)子上的外磁轉(zhuǎn)子，和套裝在攪拌軸上的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子，用隔離套使內(nèi)外轉(zhuǎn)子隔離，靠?jī)?nèi)外磁場(chǎng)進(jìn)行傳動(dòng)，隔離套起到全封閉密封作用。套在內(nèi)外軸上的渦磁轉(zhuǎn)子稱(chēng)為磁力聯(lián)軸器。磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)平面式聯(lián)軸器套筒式聯(lián)軸器由裝在攪拌軸上的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和裝在電機(jī)軸上的外磁轉(zhuǎn)子組成。1－外軸2－外磁轉(zhuǎn)子3－隔離套4－內(nèi)磁轉(zhuǎn)子5－內(nèi)軸

圖2—37平面式聯(lián)軸器平面隔離套1－外磁轉(zhuǎn)子2－內(nèi)磁轉(zhuǎn)子3－隔離套4－反應(yīng)器筒體5－軸承套筒隔離套圖2—38套筒式聯(lián)軸器

①

密封可靠。

②

使用壽命長(zhǎng)。

③

維修周期長(zhǎng)。

④軸或軸套不受磨損。

⑤摩擦功率耗損少，一般約為填料函密封的10～50％

⑥機(jī)械軸封對(duì)軸的精度和光潔度沒(méi)有填料函要求那么嚴(yán)格。⑦

適用范圍廣。

缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一定的加工精度和安裝技術(shù)。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

機(jī)械軸封與填料函軸封相比優(yōu)缺點(diǎn)端面軸封安裝的虛擬實(shí)驗(yàn)生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

虛擬安裝作用:消除泡沫。消泡方法:化學(xué)法消泡;機(jī)械法消泡機(jī)械消泡裝置類(lèi)型：耙式、離心式、刮板式、渦輪式、碟片式消泡器等。4.消泡器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

①耙式消泡器耙式消泡器安裝在發(fā)酵罐內(nèi)的攪拌軸的上部生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

②離心式消泡器

安裝在反應(yīng)器外部,結(jié)構(gòu)類(lèi)似于離心式旋風(fēng)分離器。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

③刮板式消泡器安裝在反應(yīng)器的外部，利用刮板旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用將氣液分離而消泡。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

④機(jī)械方法和化學(xué)方法聯(lián)合消泡

生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

5.空氣分布裝置吹入無(wú)菌空氣，使空氣分布均勻。單管式分布裝置：管口正對(duì)罐底中央，與罐底的距離約40mm，這樣的空氣分散效果較好。環(huán)形管的分布裝置：?jiǎn)喂苁娇諝夥植脊墉h(huán)管式空氣分布管生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

變速裝置試驗(yàn)罐:無(wú)級(jí)變速發(fā)酵罐:三角皮帶或齒輪傳動(dòng)三角皮帶減速裝置6.變速裝置、軸承、聯(lián)軸器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

發(fā)酵罐的圓柱齒輪變速裝置軸承

一般在罐內(nèi)裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4~0.7%，以適應(yīng)溫度差的變化。聯(lián)軸器大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，為了加工和安裝的方便，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。軸的連接應(yīng)垂直，中心線對(duì)正。夾殼形聯(lián)軸器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

7.傳熱裝置形式有夾套式、內(nèi)蛇管式、內(nèi)列管式和外盤(pán)管式等幾種形式，根據(jù)發(fā)酵罐容積和裝料量設(shè)計(jì)選用。不同的傳熱裝置的實(shí)用范圍:優(yōu)先采用夾套。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

多種換熱方式的組合機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器主要部件虛擬安裝實(shí)驗(yàn)生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

（虛擬安裝操作）通用式機(jī)械攪拌反應(yīng)器發(fā)展趨勢(shì)容積：擴(kuò)大至100-500m3;材質(zhì)：由碳鋼改為不銹鋼（304,306L);傳熱：由單一罐內(nèi)蛇管傳熱改為罐內(nèi)直管和罐壁半圓管相組合換熱；減速：將皮帶傳動(dòng)改為齒輪式減速；攪拌：從單一徑向渦輪式攪拌改為徑、軸雙向流式攪拌。二、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)：公稱(chēng)直徑D、罐體高度H;高徑比H/D、公稱(chēng)容積V0等。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

通用發(fā)酵罐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)1.通用發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)比例尺寸H/D=1.7~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/d=0.8~1.0s/d=1.5~2.5S1/d=1~2發(fā)酵罐參數(shù)的確定要適應(yīng)不同的菌種和發(fā)酵產(chǎn)物要求。2.發(fā)酵罐裝料容積的計(jì)算（1）全容積：罐的圓柱部分體積和上下封頭體積之和。

V=Vc+2Vb(2)公稱(chēng)容積：罐的圓柱部分和底封頭容積之和（取整數(shù)）。

生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

封頭體積Ｖb封頭體積Ｖb決定于封頭形式，對(duì)于橢圓形封頭：其中，Hb封頭直邊高度，ha封頭曲邊高度，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭，生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

發(fā)酵罐的全容積(3）近似全容積計(jì)算:實(shí)際裝料量:VL=0.6~0.85V0生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

裝料系數(shù)η=VL/V0例如，一年產(chǎn)5萬(wàn)噸檸檬酸的發(fā)酵廠，發(fā)酵產(chǎn)酸水平平均為14%，提取總收率90%，年生產(chǎn)日期為300天，發(fā)酵周期為96小時(shí)。計(jì)算發(fā)酵罐的數(shù)量以及發(fā)酵罐的直徑每日的產(chǎn)量=50000/300=166.7噸每日所需發(fā)酵液的量=166.7/(0.14×0.9）=1322.8m3假定發(fā)酵罐的裝液系數(shù)為85%則每日所需發(fā)酵罐容積1322.8/0.85=1556m3取發(fā)酵罐的公稱(chēng)容積為250m3則每日需要6個(gè)發(fā)酵罐發(fā)酵周期為4天，考慮放罐洗罐等輔助時(shí)間，整個(gè)周期為5天。則所需發(fā)酵罐的總數(shù)=5×6+1=31個(gè)根據(jù)發(fā)酵罐的公稱(chēng)容積，可以計(jì)算發(fā)酵罐的圓柱體的直徑（需初定H/D)：3.冷卻水用水量和散熱面積發(fā)酵產(chǎn)生的凈熱量Ｑ發(fā)酵可用下式表示Ｑ發(fā)酵＝Ｑ生物＋Ｑ攪拌－Ｑ空氣－Ｑ輻射其中：Ｑ生物為生物合成熱和呼吸熱，以葡糖為基質(zhì)時(shí)，細(xì)胞呼吸放熱量為15659kJ/kg,合成發(fā)酵產(chǎn)物放熱量近似為4857kJ/kg；Ｑ攪拌機(jī)械攪拌放熱，Ｑ攪拌＝3600Pgη(KJ),Pg為攪拌功率，η=0.92

；

Q空氣為發(fā)酵過(guò)程通氣帶出的水蒸汽所需的汽化熱以及空氣溫度上升所帶出熱量；

Q輻射為輻射熱,Q輻射=0.08F外壁(t壁-t空)。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

冷卻水用水量計(jì)算QF=Q發(fā)酵熱·VL換熱水量：發(fā)酵液溫度實(shí)際測(cè)量Q發(fā)酵的方法式中:W____冷卻水流量，kg/h；

c____

冷卻水的比熱容，kJ/(kg.℃)；t1___冷卻水進(jìn)口溫度，℃；

t2___冷卻水出口溫度，℃；V—發(fā)酵液體積，m3。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

選擇主發(fā)酵期產(chǎn)生熱量最大，測(cè)定：發(fā)酵罐傳熱面積計(jì)算

式中：QF——總的發(fā)酵熱，（J/h）；

K——傳熱總系數(shù),[J/（m2.h.℃）]；

F——冷卻面積（m2）

△t為發(fā)酵液與冷卻水之間的平均對(duì)數(shù)溫差，K；

生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

傳熱面積可按下式計(jì)算：三、生物反應(yīng)器攪拌功率計(jì)算攪拌器輸入功率：指攪拌器以既定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，用以克服介質(zhì)的阻力所需的功率，簡(jiǎn)稱(chēng)軸功率。它不包括機(jī)械傳動(dòng)的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動(dòng)機(jī)的軸功率或耗用功率。發(fā)酵罐液體中的溶氧速率以及氣液固相的混合強(qiáng)度與單位體積液體中輸入的攪拌功率有很大關(guān)系。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

（一）不通氣、牛頓流體的攪拌器功率1.不通氣、單層攪拌器功率計(jì)算在不通氣情況下,機(jī)械攪拌發(fā)酵罐中，攪拌器輸出的軸功率與下列因素有關(guān)：發(fā)酵罐直徑、攪拌器直徑、液柱高度、攪拌器的轉(zhuǎn)速、液體粘度、流體密度、攪拌器形式和結(jié)構(gòu)以及有無(wú)擋板等?？梢员硎緸楹瘮?shù)關(guān)系，由于D、HL與d有一定比例關(guān)系，于是：P=Φ（n，d,ρ,μ,g)生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

通過(guò)因次分析及實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對(duì)牛頓型流體而言，可得到下列準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式：式中P：不通氣時(shí)攪拌器輸入液體的功率（瓦）;

ρ：液體的密度（公斤/米3）;

μ：液體的粘度（牛.秒/米2）;

d：攪拌器直徑（米）;

n：攪拌器轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒）;

K：決定于攪拌器的型式，發(fā)酵罐的幾何尺寸、擋板的尺寸及流體的流態(tài)?！β蕼?zhǔn)數(shù)；攪拌下的雷諾準(zhǔn)數(shù)FrM為氟特魯準(zhǔn)數(shù)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在全擋板條件下，液面未出現(xiàn)旋渦，此時(shí)指數(shù)y=0，故=1。所以即：在具有擋板且滿足全擋板的情況下，即攪拌準(zhǔn)數(shù)是攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)。

圖2-33攪拌器的功率曲線

1-三葉推進(jìn)式,s=d,無(wú)擋板；2-三葉推進(jìn)式,s=d,全擋板；3-三葉推進(jìn)式,s=2d,無(wú)擋板；4-三葉推進(jìn)式，s=2d，全擋板；5-六葉直葉圓盤(pán)渦輪，無(wú)擋板；6-六葉直葉圓盤(pán)渦輪，全擋板；7-六葉彎葉圓盤(pán)渦輪，全擋板；8-雙葉平漿，全擋板全擋板：N=4，W=0.1D；各曲線：d/D1/3，b/d=1/4；HL/D=1s-漿葉螺距,N-擋板數(shù),W-擋板寬度,D-釜內(nèi)徑,d-葉輪直徑,b-漿葉寬度,HL-液層深度NpNNP在一系列的幾何相似的試驗(yàn)設(shè)備中，用不同型式的攪拌器進(jìn)行試驗(yàn)得出：當(dāng)Ｄ/d=3，HL/d=3，B/d=1，D/W=10且ReM＜10時(shí)，液體處于層流狀態(tài)，此時(shí)，x=-1又：當(dāng)ReM﹥104，x=0,時(shí)液體處于湍流狀態(tài)，此時(shí)，

發(fā)酵液為過(guò)渡流時(shí)的攪拌器功率在10﹤Rem﹤104，發(fā)酵液為過(guò)渡流，計(jì)算Rem，查NP-Rem圖得NP2.攪拌器功率計(jì)算的修正由于一般發(fā)酵罐中Ｄ/d≠3、HL/d≠3，其攪拌功率可用下式校正：f為校正系數(shù)，它由下式來(lái)確定：式中，帶*號(hào)代表實(shí)際攪拌設(shè)備情況。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

3.多層攪拌器功率的計(jì)算由于工業(yè)發(fā)酵罐的高徑比一般為2~3，因此在同一軸上往往裝有很多層攪拌器。對(duì)于多層攪拌器的軸功率可按下式估算：式中m---攪拌器層數(shù)。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

（二）、通氣情況下的牛頓流體攪拌功率當(dāng)發(fā)酵罐通入壓縮空氣后，攪拌器的軸功率與不通氣時(shí)相比，將會(huì)下降，減少程度與通氣量存在著一定關(guān)系?？赡艿脑蚴牵?）由于通氣使得液體的密度降低；2）由于通氣使得液體的翻動(dòng)。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

1、通氣準(zhǔn)數(shù)法為了估算通氣條件下的攪拌功率，有人引入通氣準(zhǔn)數(shù)Ｎa，它表示了發(fā)酵罐內(nèi)空氣的表觀流速與攪拌葉端流速之比?？杀硎緸椋菏街蠶G——工況通氣量；

d——攪拌器直徑；

n——攪拌器轉(zhuǎn)速；生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

通氣攪拌功率的計(jì)算若以Pg表示通氣攪拌功率，P0為不通氣攪拌功率，則則Na﹤0.035時(shí)，

Na≥0.035時(shí)圖2-2b表示了在各種攪拌情況下，通氣與不通氣功率之比與通氣準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系。2、Michel法當(dāng)發(fā)酵液密度為800～1650kg/m3，粘度為9×10-4

～0.1Pa·s時(shí)，可用Michel公式來(lái)估算渦輪攪拌器的通氣攪拌功率：式中，當(dāng)d/D=1/3~2/3時(shí)，Ｃ值為０.101~0.157之間。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

（三）、非牛頓流體攪拌功率計(jì)算常見(jiàn)的某些發(fā)酵醪具有明顯的非牛頓流體特性。這一特性對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響極大，對(duì)攪拌功率的計(jì)算也帶來(lái)麻煩。牛頓型流體：用水解糖液、糖蜜等原料做培養(yǎng)液的細(xì)菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆餅粉配料的低濃度細(xì)菌醪或酵母醪接近于牛頓型流體。非牛頓型流體：霉菌醪、放線菌醪。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

牛頓型流體的特點(diǎn)牛頓型流體：粘度μ只是溫度的函數(shù)，與流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，服從牛頓粘性定律。牛頓型流體的流態(tài)式為直線，服從牛頓特性定律：τ——剪應(yīng)力；——剪切速率（速度梯度）如瀝青，熔融狀態(tài)的塑料，聚合物溶液,部分發(fā)酵液等。

非牛頓流體：粘度μ不僅是溫度的函數(shù)，而且隨流動(dòng)狀態(tài)而變化。此類(lèi)流體可按剪應(yīng)力與剪切率之間的關(guān)系，分為三類(lèi)，如圖所示：如：血液、放線菌、霉菌的發(fā)酵液等為非牛頓流體。非牛頓流體攪拌功率的計(jì)算對(duì)于非牛頓型流體攪拌功率的計(jì)算與牛頓型流體攪拌功率的計(jì)算方法一樣，可用的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算。但這類(lèi)流體的粘度μ是隨攪拌速度而變化的，因而必須事先知道粘度與攪拌速度的關(guān)系，然后才能計(jì)算不同攪拌轉(zhuǎn)速下的發(fā)酵液粘度。米茲納等人提出，在攪拌條件下，非牛頓流體的平均剪切速率與攪拌轉(zhuǎn)速成正比剪切速率γ=B×nB比例系數(shù)，B的范圍為10~13。非牛頓流體攪拌功率的計(jì)算根據(jù)轉(zhuǎn)速n及B就可求出平均剪切速率，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)作出流態(tài)曲線。曲線任一點(diǎn)的切線即為該點(diǎn)的表觀黏度，根據(jù)公式以及就可繪制功率準(zhǔn)數(shù)和雷諾準(zhǔn)數(shù)曲線，從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，可以得出，牛頓型流體與非牛頓型流體的Ｎp～ReM曲線基本吻合，差別僅在ReM＝10～300區(qū)間之內(nèi)。在實(shí)際計(jì)算中，可以用上述軸功率計(jì)算方法來(lái)計(jì)算非牛頓型流體的攪拌功率。（四）、生物反應(yīng)器攪拌功率的確定攪拌功率消耗和通氣功率消耗是一對(duì)矛盾關(guān)系，提高攪拌功率可以減小通氣功率的消耗，相反通氣功率消耗提高，則可適當(dāng)降低攪拌功率，或者說(shuō)，在高通氣情況下，實(shí)際攪拌功率消耗小，而高消耗攪拌功率下，可降低通氣功率消耗（通氣量減小）。為實(shí)現(xiàn)攪拌功率改變的需要，常采用變頻電機(jī)和變速裝置，可根據(jù)需要改變攪拌的轉(zhuǎn)速和功率輸出。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

攪拌器功率P與直徑d、轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系動(dòng)壓頭液體翻動(dòng)量攪拌功率基本方程式：攪拌器功率P與直徑d、轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系假定攪拌器功率P不變，增加d，則減小n，根據(jù)：，則H減少，Q增加。結(jié)論：d增加，n減小，動(dòng)壓頭減小，翻動(dòng)量增加，有利于發(fā)酵液相與相之間的混合。結(jié)論：減小攪拌器直徑d，增大轉(zhuǎn)速n，使動(dòng)壓頭增加，有利于氣泡的粉碎，提高溶氧傳質(zhì)系數(shù)。攪拌器功率P與直徑d、轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系生物反應(yīng)器的最適D/d值隨生產(chǎn)菌種、培養(yǎng)液的性質(zhì)和通氣程度而變，但是，越是粘厚的培養(yǎng)液，越是好氣的菌種，越硬配備較大直徑的攪拌器，同時(shí)應(yīng)保證較高的轉(zhuǎn)速，即大功率生物反應(yīng)器。攪拌器功率P與直徑d、轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系采用高功率消耗，低通氣量的方法來(lái)加強(qiáng)攪拌過(guò)程中的剪切力和翻動(dòng)量，以提高氧的傳遞速率和液-固相混合程度，但不能盲目采用大功率，因?yàn)樵黾愚D(zhuǎn)速及攪拌槳直徑，可能導(dǎo)致剪切力過(guò)大，菌絲易打碎。攪拌器功率P與直徑d、轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系（五）、電機(jī)功率的確定按發(fā)酵罐攪拌功率來(lái)選用電機(jī)，應(yīng)考慮減速傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率η，不同的傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械效率不同。電機(jī)功率計(jì)算公式如下：式中，Pm為攪拌所需的軸功率，KW；PT為軸封摩擦損失功率，KW；η為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

計(jì)算舉例某細(xì)菌醪發(fā)酵罐罐直徑D＝1.8(米)；圓盤(pán)平葉渦輪,直徑d＝0.60米，一只渦輪；罐內(nèi)裝四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板；攪拌器轉(zhuǎn)速n＝168轉(zhuǎn)／分；通氣量Q＝1.42米3／分(已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量)罐壓P＝1.5絕對(duì)大氣壓；醪液粘度μ＝1.96×10-3?！っ耄?；醪液密度ρ＝1020公斤／米3；要求計(jì)算Pg生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

(1)計(jì)算ReMReM=3.147×105﹥104(2)由NP~ReM查NP

，NP=12(3)計(jì)算不通氣時(shí)攪拌功率P0P0=NPd5n3ρ=11(千瓦）(4)計(jì)算通氣攪拌Pg=3.5(千瓦）第二節(jié)氣升式發(fā)酵罐非機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器。氣升式反應(yīng)器是利用空氣的噴射功能和流體重度差造成反應(yīng)液循環(huán)流動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的攪拌、混合和傳遞氧。即：不用機(jī)械攪拌，完全依靠氣體的帶動(dòng)上升使液體產(chǎn)生循環(huán)并發(fā)生湍動(dòng)，從而達(dá)到氣液混合和傳遞的目的。類(lèi)型：氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等。其中氣升內(nèi)環(huán)流發(fā)酵罐、氣液雙噴射氣升環(huán)流發(fā)酵罐、設(shè)有多層分布板的塔式氣升發(fā)酵罐已在工業(yè)上應(yīng)用。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

大型氣升式發(fā)酵罐實(shí)物照片

實(shí)驗(yàn)室用氣升式玻璃發(fā)酵罐（實(shí)物）一、氣升式生物反應(yīng)器的主要類(lèi)型及結(jié)構(gòu)1.帶升式生物反應(yīng)器2.氣升及外循環(huán)生物反應(yīng)器3.氣升環(huán)流生物反應(yīng)器4.塔式生物反應(yīng)器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

1.帶升式生物反應(yīng)器1）內(nèi)循環(huán)式在反應(yīng)器內(nèi)部裝設(shè)上升管?？諝鈬娮彀惭b在反應(yīng)器底部。利用空氣壓力和速度帶升發(fā)酵液上升；在頂部利用液體本身的重力下降實(shí)現(xiàn)循環(huán)。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

2）汽液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器增加了液體噴射泵。無(wú)菌空氣通過(guò)噴嘴噴射進(jìn)入發(fā)酵液中，通過(guò)氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎，同時(shí)由于形成的氣液混合物密度降低故向上運(yùn)動(dòng)，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳遞。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

氣-液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器3）篩板外循環(huán)式為多層空氣分布板（多孔篩板）的氣升環(huán)流反應(yīng)器。底部有新鮮空氣分布管；在反應(yīng)器外部裝設(shè)循環(huán)管。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

2.外循環(huán)帶外部換熱生物反應(yīng)器器內(nèi)部裝設(shè)氣液上升管，在外部裝設(shè)帶冷卻裝置的循環(huán)管。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

二、氣升式反應(yīng)器的特點(diǎn)⑴反應(yīng)溶液分布均勻，氣液固三相均勻混合；⑵較高的溶氧速率和溶氧效率，氣升式反應(yīng)器具有較高的氣含率和比氣液接觸截面，因而有較高的傳質(zhì)速率和溶氧效率；⑶無(wú)機(jī)械攪拌葉輪，剪切力小，對(duì)生物細(xì)胞損傷?。虎?/p>

傳熱良好。液體綜合循環(huán)速率高，同時(shí)便于在外循環(huán)管路加裝換熱器；⑸

無(wú)密封裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造；⑹操作和維修方便。缺點(diǎn)：不適于固形物含量高、黏度大的發(fā)酵液。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

三、氣升式生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)

1.主要結(jié)構(gòu)參數(shù)1）反應(yīng)器高徑比：一般為5-9,有的更大；

2）導(dǎo)流筒直徑與罐徑比：0.6-0.8；3）空氣噴嘴直徑與反應(yīng)器直徑之比D1/D以及導(dǎo)流筒上下端面到罐頂、罐底間距離對(duì)發(fā)酵液混合、溶氧有影響。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

2．流動(dòng)與傳遞特性參數(shù)（1）氣含率同軸導(dǎo)流筒的內(nèi)循環(huán)氣升式發(fā)酵罐中，氣含率的定義為：VG為通風(fēng)量，VL培養(yǎng)液量，vG為氣速，K，n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。氣含率是氣升式發(fā)酵罐的一個(gè)重要參數(shù)。氣含率太低，氧傳遞不夠，反之，太高則反應(yīng)器的利用率太低。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

（2）體積氧傳遞速率系數(shù)式中——?dú)怏w在管內(nèi)流速（m/s）；——b為與空氣分布板形式和溶液性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

主要取決于發(fā)酵液的湍動(dòng)以及氣泡的剪切細(xì)碎狀態(tài)。（3）循環(huán)周期循環(huán)周期指液體微元在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)一周所需要的平均時(shí)間，即平均循環(huán)時(shí)間。式中,VL為發(fā)酵液體積；Vc為發(fā)酵液體積循環(huán)量。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

液氣比：發(fā)酵液環(huán)流量Vc與通風(fēng)量VG之比，對(duì)混合與溶氧具有重要影響。第三節(jié)機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐不需要空氣壓縮機(jī)，而在攪拌過(guò)程中自吸入無(wú)菌空氣的發(fā)酵罐。通風(fēng)裝置由轉(zhuǎn)子和定子組成。工作原理當(dāng)發(fā)酵罐內(nèi)充滿液體，啟動(dòng)攪拌電機(jī)，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子內(nèi)液體被甩向葉輪外緣，液體獲得能量。轉(zhuǎn)子的線速度越大，液體(其中還含有空氣)的動(dòng)能愈大，當(dāng)其離開(kāi)轉(zhuǎn)子時(shí)，由動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能也愈大，在轉(zhuǎn)子中心所造成的負(fù)壓也越大，故吸氣量也越大，通過(guò)導(dǎo)向葉輪而使氣液均勻分布甩出，并使空氣在循環(huán)的發(fā)酵液中分裂成細(xì)微的氣泡，在湍流狀態(tài)下混合、湍動(dòng)和擴(kuò)散，因此自吸式充氣裝置在攪拌的同時(shí)完成了充氣作用。自吸發(fā)酵罐與通用發(fā)酵罐的比較攪拌轉(zhuǎn)速n比通用式發(fā)酵罐高；攪拌功率消耗大，一般維持在3.5kw/m3左右，而通用式一般在1～1.5kw/m3左右。由于不需要空氣壓縮機(jī)及帶來(lái)的能量消耗，自吸罐總動(dòng)力消耗是通用式的2/3左右。機(jī)械攪拌自吸發(fā)酵罐最關(guān)鍵部件是帶有中央吸氣口的攪拌器第四節(jié)鼓泡塔式生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：一種高徑比H/D較大的非機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器。它不設(shè)置機(jī)械攪拌裝置，利用通入培養(yǎng)液的空氣泡上升時(shí)帶動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行攪拌和混合。Ｈ/Ｄ高達(dá)8：1至20：1，流體深度大，空氣進(jìn)入培養(yǎng)液后有較長(zhǎng)的停留時(shí)間，并可將氣體重新分散，篩板上的降液口有助于液體的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

一、高位篩板塔反應(yīng)器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

氣液兩相通過(guò)篩板孔被篩板分割細(xì)碎沿篩板上升帶動(dòng)液體上升并均勻混合,在頂部氣體匯聚成大氣泡并排出發(fā)酵罐，液體依靠重力沿降液管下降實(shí)現(xiàn)循環(huán)。適用于培養(yǎng)液粘度低，含固量少，需氧量較低的多級(jí)連續(xù)發(fā)酵。

可用于單細(xì)胞蛋白質(zhì)、抗生素等生產(chǎn)，另外，對(duì)植物細(xì)胞的培養(yǎng)也可適用。篩板塔、篩板以及降液管構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)需密封裝置。

公稱(chēng)體積達(dá)3000m3，液柱高達(dá)55m，故通氣壓力高，發(fā)酵液量2100m3。為了強(qiáng)化氣液混合與溶氧，沿罐高度設(shè)有19塊有下降區(qū)的篩板以防止氣泡合并為大氣泡，同時(shí)為使塔頂?shù)臍庖翰糠址蛛x排氣，頂部設(shè)有氣液分離部分，直徑約等于塔徑的1.5倍。發(fā)酵罐中液體上升速度達(dá)0.5m／s，而在下降區(qū)的速度更高達(dá)3～4m／s；在上升管與下降區(qū)的氣含率分別高達(dá)0.52和0.48。由于液位高，飽和溶氧C*很高，故溶氧速率可高達(dá)10kg(O2)／(m3．h)，發(fā)酵液的循環(huán)時(shí)間控制在1-3min。

二、壓力循環(huán)塔式發(fā)酵罐ICI壓力循環(huán)塔式發(fā)酵罐特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去軸封，對(duì)保持無(wú)菌條件有利，無(wú)機(jī)械攪拌，減少剪切作用對(duì)細(xì)胞的損害；造價(jià)較低，動(dòng)力消耗少。缺點(diǎn)：反應(yīng)器高，要在室外安裝，而且壓縮空氣要有較高壓力以克服反應(yīng)器內(nèi)液體的靜壓力。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

鼓泡塔生物反應(yīng)器的應(yīng)用酶產(chǎn)物制備、乙醇發(fā)酵、單細(xì)胞蛋白發(fā)酵、廢水處理、廢氣處理（例如用微生物處理氣相中的苯）等。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

第五節(jié)固態(tài)通風(fēng)發(fā)酵生物反應(yīng)器一、固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)二、固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器類(lèi)型三、固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

固態(tài)發(fā)酵（solidstatefermentation）又稱(chēng)固體發(fā)酵，是指微生物在濕的固體培養(yǎng)基上生長(zhǎng)、繁殖、代謝的發(fā)酵過(guò)程。固態(tài)的濕培養(yǎng)基一般含水量在50%左右，但也有的固態(tài)發(fā)酵的培養(yǎng)基含水量為30%或70%。

固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)固態(tài)發(fā)酵與液態(tài)發(fā)酵相比的主要優(yōu)、缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 1.培養(yǎng)基含水量少，廢水、廢渣少，環(huán)境污染少，容易處理；1.菌種限于耐低水活性的微生物，菌種選擇性少2.消耗低，供能設(shè)備簡(jiǎn)易；2.發(fā)酵速度慢，周期較長(zhǎng)3.培養(yǎng)基原料多為天然基質(zhì)或廢渣，廣泛易得，價(jià)格低廉3.天然原料成分復(fù)雜，有時(shí)變化，影響發(fā)酵產(chǎn)物的質(zhì)和量4.設(shè)備和技術(shù)較簡(jiǎn)易，不需嚴(yán)格無(wú)菌操作，后處理方便。4.工藝參數(shù)難檢測(cè)和控制5.產(chǎn)物濃度較高，后處理方便5.產(chǎn)品少，工藝操作消耗勞力多，強(qiáng)度大一、固態(tài)發(fā)酵的類(lèi)型（一）淺盤(pán)式生物反應(yīng)器（trayfermentor)（二）填充床生物反應(yīng)器（packedbedbioreactor，PBB）（三）流化床生物反應(yīng)器（四）轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器(rotarybioreactorRDB)（五）攪拌式固態(tài)生物反應(yīng)器（六）壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器

（一）淺盤(pán)式生物反應(yīng)器（trayfermentor)

淺盤(pán)式生物反應(yīng)器由一個(gè)密室和許多可移動(dòng)的托盤(pán)組成，托盤(pán)可以是木材、金屬(鋁或鐵)、塑料等制成，底部打孔，以保證生產(chǎn)時(shí)底部通風(fēng)良好。培養(yǎng)基經(jīng)滅菌、冷卻、接種后裝入托盤(pán)，托盤(pán)放在密室的架子上。一般地托盤(pán)在架上層層放置，兩托盤(pán)間有適當(dāng)空間，保證通風(fēng)。發(fā)酵過(guò)程在可控制濕度的密室中進(jìn)行，培養(yǎng)溫度由循環(huán)的冷(熱)空氣來(lái)調(diào)節(jié)。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

（二）填充床（固定床）生物反應(yīng)器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

采用動(dòng)力通風(fēng)，可更好地控制反應(yīng)床中的環(huán)境條件，