【正文】 風發(fā)酵罐的基本要求 一個性能優(yōu)良的機械攪拌通風發(fā)酵罐必須滿足以下基本要求：（1）發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比；~4倍左右，罐身越長，氧的利用率較高（2）發(fā)酵罐能承受一定壓力；（3）發(fā)酵罐的攪拌通風裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧；（4）發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積；（5）發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌；（6）攪拌器的軸封應(yīng)嚴密，盡量減少泄漏。為了便于清洗，小型發(fā)酵罐頂設(shè)有清洗用的手孔。罐頂還裝有視鏡及燈鏡。在罐身上的接管有冷卻水進出管、進空氣管、取樣管、溫度計管和測控儀表接口。發(fā)酵罐通常裝有兩組攪拌器，兩組攪拌器的間距S約為攪拌器直徑的三倍。最下面一組攪拌器通常與風管出口較接近為好，與罐底的距離C一般等于攪拌器直徑Di，否則會影響液體的循環(huán)。圖102 常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸（3）攪拌器攪拌器的作用是打碎氣泡，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發(fā)酵液中。軸向式攪拌器：槳葉式、螺旋槳式徑向式（渦輪式）攪拌器（Disc turbine）：平直葉、彎葉、箭葉圖103 徑向式（渦輪式）攪拌器的結(jié)構(gòu)示意圖（4）擋板擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體劇烈翻動，增加溶解氧。全擋板條件：是指在一定轉(zhuǎn)數(shù)下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。消泡器常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式。（6）聯(lián)軸器大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，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。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對正。罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，應(yīng)采用液體潤滑的塑料軸瓦(如聚四氟乙烯等)，~％。（8）變速裝置試驗罐采用無級變速裝置。（9）軸封軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。①填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達到密封的效果。主要缺點是：死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌；軸的磨損情況較嚴重；填料壓緊后摩擦功率消耗大；壽命短，經(jīng)常維修，耗工時多。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉(zhuǎn)動而達到密封。端面式軸封的缺點： 結(jié)構(gòu)比填料密封復雜，裝拆不便； 對動環(huán)及靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高。這種裝置的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單；加工容易，罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易進行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。這種裝置的優(yōu)點是：冷卻水在管內(nèi)的流速大；傳熱系數(shù)高。但是氣溫高的地區(qū)，冷卻用水溫度較高，則發(fā)酵時降溫困難，發(fā)酵溫度經(jīng)常超過40162。C， 影響發(fā)酵產(chǎn)率，因此應(yīng)采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻，這樣就增加了設(shè)備投資及生產(chǎn)成本。 ③豎式列管(排管)換熱裝置 這種裝置是以列管形式分組對稱裝于發(fā)酵罐內(nèi)。這種裝置的缺點是：傳熱系數(shù)較蛇管低，用水量較大。采用氣升式發(fā)酵罐可以克服上述的缺點。但氣升式發(fā)酵罐還不能代替好氣量較小的發(fā)酵罐，對于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。其主要結(jié)構(gòu)包括：罐體、上升管、空氣噴嘴。圖106 氣升式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖3，氣升式發(fā)酵罐的性能指標氣升式發(fā)酵罐是否符合工藝要求及經(jīng)濟指標，應(yīng)從下面幾方面進行考慮。（2）選用適當直徑的噴嘴。三、自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自動吸入空氣的發(fā)酵罐。采用了不同型式、容積的自吸式發(fā)酵罐生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復雷素、維生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成績。圖107 自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖2，自吸式發(fā)酵罐的充氣原理自吸式發(fā)酵罐的主要的構(gòu)件是自吸攪拌器及導輪，簡稱為轉(zhuǎn)子及定子。轉(zhuǎn)子的形式有九葉輪、六葉輪、三葉輪、十字形葉輪等，葉輪均為空心形。 前兩者自吸式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，比較廣泛采用。第三種噴射式自吸式發(fā)酵罐，電耗少，但是泵的構(gòu)造復雜。（2）減少工廠發(fā)酵設(shè)備投資約30％左右，例如應(yīng)用自吸式發(fā)酵罐生產(chǎn)酵母，容積酵母的產(chǎn)量可高達30~50克。（4）酵母發(fā)酵周期短，發(fā)酵液中酵母濃度高，分離酵母后的廢液量少。 四、伍式發(fā)酵罐1，結(jié)構(gòu)伍式發(fā)酵罐的主要部件是套筒、攪拌器?？諝庥煽招妮S導入經(jīng)過攪拌器的空心管吹出，與被攪拌器甩出的液體相混合，發(fā)酵液在套筒外側(cè)上升，由套筒內(nèi)部下降，形成循環(huán)。五、文氏管發(fā)酵罐其原理是用泵將發(fā)酵液壓入文氏管中，由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成真空將空氣吸入，并使氣泡分散與液體混合，增加發(fā)酵液中的溶解氧。這種設(shè)備的缺點是氣體吸入量與液體循環(huán)量之比較低，對于好氧量較大的微生物發(fā)酵不適宜。前者如螺旋槳式，后者如渦輪式。形成軸向的螺旋流動，混合效果較好，但造成的剪率較低，對氣泡的分散效果不好。常用的螺旋槳葉數(shù)Z=3，螺距等于攪拌器直徑，最大葉端線速度不超過25米/秒。但在發(fā)酵罐中無菌空氣由單開口管通至攪拌器下方，大的氣泡受到圓盤的阻擋，避免從軸部的葉片空隙上升，保證了氣泡的更好的分散。圖1012 圓盤平直葉渦輪攪拌器結(jié)構(gòu)圖（3）圓盤彎葉渦輪攪拌器圓盤彎葉渦輪攪拌器的攪拌流型與平直葉渦輪的相似，但前者造成的液體徑向流動較為強烈，因此在相同的攪拌轉(zhuǎn)速時，前者的混合效果較好。因此，在混合要求特別高，而溶氧速率相對要求略低時，可選用圓盤彎葉渦輪。2，流型攪拌器在發(fā)酵罐中造成的流型，對氣固液相的混合效果及氧氣的溶解、熱量的傳遞具有密切關(guān)系。（1）罐中心裝垂直螺旋槳攪拌器的攪拌流型罐中心垂直安裝的螺旋槳，在無擋板的情況下，在軸中心形成凹陷的旋渦。如不滿足全擋板條件，軸中心位置也有凹陷的旋渦。圖1016 擋板渦輪攪拌槳的流型（3）裝有套筒時的攪拌器攪拌流型在罐內(nèi)與垂直的攪拌器同中心安裝套簡，一可以大大加強循環(huán)輸送效果，并能將液面的泡沫從套簡的上部入口，抽吸到液體之中，具有自消泡能力。圖1017 裝有中心套筒的攪拌器流型二、攪拌器軸功率的計算攪拌器輸入攪拌液體的功率：是指攪拌器以既定的速度旋轉(zhuǎn)時，用以克服介質(zhì)的阻力所需的功率，簡稱軸功率。發(fā)酵罐液體中的溶氧速率以及氣液固相的混合強度與單位體積液體中輸入的攪拌功率有很大關(guān)系。通過因次分析，得：式中 P0：不通氣時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（） D：渦輪直徑（米） N：渦輪轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/秒） K，m：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及流體的流態(tài)是一個無因次數(shù)，可定義為功率準數(shù)NP。式中 ω：渦輪線速度 a：加速度 V：液體體積 m：液體質(zhì)量（2）攪拌功率準數(shù)NP的求解攪拌功率準數(shù)NP是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)。圖1018 NP~ReM曲線試驗攪拌器的型式及罐體比例尺寸，如ReM＞104，達到充分湍流之后，ReM增加， 攪拌功率P0雖然將隨之增大，但NP保持不變，即施加于單位體積液體的外力與其慣性力之比為常數(shù)，此時 對圓盤六平直葉渦輪 NP≈6 對圓盤六彎葉渦輪 NP≈ 對圓盤六箭葉渦輪 NP≈ （3）單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率 P0=NPD5N3ρ （104）2，多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計算使用多個渦輪時，兩者間的距離S，對非牛頓型流體可取為2D，~；~2D，~。符合上述條件的發(fā)酵罐，用經(jīng)驗公式計算或?qū)崪y結(jié)果都表明，多個渦輪輸出的功率近似等于單個渦輪的功率乘以渦輪的個數(shù)。這可以解釋為：通氣使液體的重度降低。邁凱爾用六平葉渦輪將空氣分散于液體中，測量其輸出功率，在雙對數(shù)坐標上將Pg標繪成渦輪直徑D，轉(zhuǎn)速，空氣流量Q和P0的函數(shù)，得出以下關(guān)系式：福田秀雄在100升至42000升的系列設(shè)備里，對邁凱爾關(guān)系式進行了校正，得將多組實驗數(shù)據(jù)分別標出 ，與實測的對應(yīng)的Pg在雙對數(shù)坐標上標繪。＝103牛＝1020公斤／米3要求計算Pg(1)計算ReMReM=104(2)由NP~ ReM查NP ， NP =(3)計算P0 P0=NPD5N3ρ= （千瓦）(4)計算Pg3，非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響常見的某些發(fā)酵液具有明顯的非牛頓流體特性。牛頓型流體：用水解糖液、糖蜜等原料做培養(yǎng)液的細菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆餅粉配料的低濃度細菌醪或酵母醪接近于牛頓型流體。 非牛頓型流體攪拌軸功率的計算與牛頓型流體攪拌軸功率的計算方法一樣，但這類液體的粘度是隨攪拌速度而變化的，因而必須先知道粘度與攪拌速度的關(guān)系，然后才能計算不同攪拌速度下的ReM，再后才能根據(jù)實驗繪出其NP~ReM曲線。 如果為了近似的計算，不要求較高的準確度，那么的非牛頓型液體的NP~ReM曲線也可以不要實際標繪。第三節(jié) 氧的傳遞（Oxygen Transfer ）In this section we will look more deeply into factors that affect oxygen transfer and how fermentation systems can be designed to maximize dissolved oxygen concentration in bioreactors.The supply of oxygen is often the rate limiting step in an aerobic fermentation and satisfying oxygen demands can often constitute a large proportion of the operating and capital of a industrial scale fermentation system.一、IntroductionSupplying oxygen to aerobic cells has always represented a significant challenge to fermentation technologists. The problem derives from the fact that oxygen is poorly soluble in water.The solubility of Sucrose is 600 .oxygen at 4℃ in pure water is only 8 .Satisfying oxygen demands can often constitute a large proportion of the operating and capital of a industrial scale fermentation system.二、The oxygen transfer process 1，The oxygen transfer processIf only suspend