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1、第二节 其他类型的发酵罐,一、气升式（空气带升环流式）发酵罐,气升式发酵罐(ALR)也是应用最广泛的生物反应设备。这类反应器具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等优点。气升式发酵罐的工作原理是利用空气喷嘴喷出高速的空气，空气以气泡式分散于液体中，在通气的一侧，液体平均密度下降，在不通气的一侧，液体密度较大，因而产生与通气侧的液体产生密度差，从而形成发酵罐内液体的环流。,气升式反应器有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，生物工业已经大量应用的气升式发酵罐有气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐。,气升环流式反应器,气液双喷射气升环流反应器
2、,多层空气分布板的气升环流发酵罐,1、气升环式反应器的特点,前面已经简单提到气升环式反应器的特点，由于气升环流反应器内没有搅拌器，并且有定向循环流动，下面具体说明。(1)反应溶液分布均匀：气液固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好是生物反应器的普遍要求，因其流动、混合与停留时间分布均受到影响。对许多间歇或连续加料的通气发酵，基质和溶氧尽可能均匀分散，以保证其基质在发酵罐内各处的浓度都落在0.11范围内，溶解氧为10一30。这对需氧生物细胞的生长和产物生成有利。此外，还需避免发酵罐液面生成稳定的泡沫层，以免生物细胞积聚于上而受损害甚至死亡。还有培养基成分尤其是有淀粉类易沉降的颗粒物料，更应能悬
3、浮分散。气升环流反应器能很好地满足这些要求。,(2)较高的溶氧速率和溶氧效率：气升式反应器有较高的气含率和气液接触介面，因而有高传质速率和溶氧效率，体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高。(3)剪切力小，对生物细胞损伤小：由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损伤可减至最低，尤其适合植物细胞及组织的培养。,4)传热良好：好气发酵均产生大量的发酵热，如酵母培养旺盛期发酵热高达3.04.0105kJ(m3.h)，而传热温差则只有几度，尤其夏季，若使用非冷冻水，则只有3-10左右，故需很大的换热面积与传热系数。气升式反应器因液体综合循环速率高，同时便于在外循环管路上加装换热器，以保证除去发酵热以控
4、制适宜的发酵温度，其示意图如图。,具有外循环冷却的气升环流式发酵罐1一发酵罐 2一通气管 3一发酵液进口 4一空气分布器 5一空气进口 6一循环泵 7一发酵液出口 8一热交换器 9一喷嘴 10一发酵液出料口 12一排气管,(5)结构简单，易于加工制造：气升式反应器罐内无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证，所以加工制造方便，设备投资低。同时大型和超大型发酵反应器放大设计制造也已实现。,实验用气升式玻璃发酵罐（实物）,BIOTECH实验用气升式发酵罐,（6)操作和维修方便：因气升式发酵罐无机械搅拌系统，所以结构较简单，能耗低，操作方便，特别是不易发生机械搅拌轴封容易出现的渗漏
5、染菌问题。另外因无机械搅拌热产生，所以发酵总热量较低，便于换热冷却系统的装设。,2、自吸式发酵罐,自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。自20世纪60年代开始欧洲和美国展开研究开发，然后在国际和国内的酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵及维生素生产等获得应用。,自吸式发酵罐的特点传统的机械搅拌通风发酵罐相比，自吸式发酵罐具有如下的优点与不足：(1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积。(2)溶氧速率高，溶氧效率高、能耗较低，尤其是溢流自吸式发酵罐的溶氧比能耗可降至05kWh
6、(kgO2)以下。(3)用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效益高的优点。,但因一般的自吸式发酵罐是负压吸入空气的，故发酵系统不能保持一定的正压，较易产生杂菌污染。同时，必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。为克服上述缺点，可采用自吸气与鼓风相合的鼓风自吸式发酵系统，即在过滤器前加装一台鼓风机，适当维持无菌空气的正压，这不仅可减少染菌机会，而且可增大通风量，提高溶氧系数,机械搅拌自吸式发酵罐的工作原理自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器和导轮，空气管与转子相连接,在转子启动前,先用液体将转子浸没,然后启动马达使转子转动,由于转子高速旋转,液体或空气在离心力的作用下,被甩向叶轮外缘,在这个过
7、程中,流体便获得能量,若转子的转速愈快,旋转的线速度也愈大,则流体(其中还含有气体)的动能也愈大,流体离开转子时,由动能转变为静压能也愈大,在转子中心所造成的负压也越大，因此空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过定子而使气液均匀分布甩出。由于转子的搅拌作用，气液在叶轮的外缘形成强烈的混合流（湍流），使刚刚离开叶轮的空气立即在不断循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中，因此转子同时具有搅拌和充气两个作用。,喷射自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐是应用文氏管喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合通气的，既不用空压机，又不用机械搅拌吸气转子。1文氏管吸气自吸式发酵罐其原理
8、是用泵将发酵液压入文氏管，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成负压将无菌空气吸入,并被高速流动的液体打碎，与液体均匀混合,提高发酵液中的溶解氧，同时由于上升管中发酵液与气体混合后，比重较罐内发酵液轻，再加上泵的提升作用，使发酵液在上升管内上升。当发酵液从上升管进入发酵罐后，微生物耗氧，同时将代谢产生的二氧化碳和其它气体不断地从发酵液中分离并排出，发酵液的比重变大向发酵罐底部循环，待发酵液中的溶解氧即将耗竭时，发酵液又从发酵罐底部被泵打入上升管，开始下一个循环。,文氏吸气管吸气原理1,文氏吸气管吸气原理2,2液体喷射自吸式发酵罐液体喷射吸气装置是这种自吸式发酵罐的关键装置，由梁世中、高孔荣教
9、授研究确定的结构示意图见图所示。,图 液体喷射吸气装置简图1一高压料液管 2一吸气室 3一进风管 4一喷嘴 5一收缩段 6一导流尾管 7一扩散段,其他类型生物反应器,生物滤池污水处理,生物转盘法污水处理,卧式回转圆筒形发酵仓固体废弃物处理,高温动态二次堆肥车间固体废弃物处理,13 空气除菌设备,加热灭菌（220C，20秒）灭菌彻底，能耗大，成本高电除菌除菌效果差，仅用于初除菌辐射灭菌254-265nm效果最佳，仅限表面灭菌介质过滤除菌主流的除菌方式,第一节 介质除菌（介质过滤）的原理,1、惯性冲击滞留作用原理 如图所示，图上是直径为df的纤维的断面，当微粒随气流以一定的速度垂直向纤维方向运动时
10、，空气受阻即改变运动方向，绕过纤维前进，而微粒由于它的运动惯性较大，未能及时改变运动方向随主导气流前进，于是微粒直冲到纤维的表面，由于磨擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上，这称为惯性冲击滞留作用。,惯性冲击滞留机理三维动画,、拦截滞留作用机理,气流速度降到临界速度以下，微粒不能因惯性碰撞而滞留于纤维上，捕+集效率显著下必,但随时着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又有回升。原因是微生物直径很细，质量很轻，它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流流线受纤维所阻，而改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞流区的气流速度更慢,进到这滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而
11、被粘附滞留,称为拦截滞留作用。,拦载滞留拦载滞留机理三维动画.swf机理三维动画,、布朗扩散作用机理,直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动，称为布朗扩散。布朗扩散的运动距离很短，在较大的气速，较大的纤维间隙中是不起作用的，但在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触滞留机会。,布朗扩散机理三维动画,、重力沉降作用机理重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就容易沉降.就单一的重力沉降情况下，大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有在气流速度很慢时才起作用。一般它是与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞留区内，微粒的
12、沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。、静电吸附作用机理干空气对非导体的物质相对运动磨擦时，会产生诱导电荷，纤维和树脂处理过的纤维m尤其是一些合成纤维更为显著。悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷，如枯草杆菌孢子20%带正电荷，20%带负电荷，15%中性，这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降.此外，表面吸附也归属于这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附的作用。,第二节 空气介质过滤除菌设备及计算,一、介质过滤除菌流程（一）空气除菌流程的要求要制备较高无菌程度，具有一定压力的无菌空气，它的流程设备有空气压缩机。附属设备要求尽量采用新技术，提高效率，减少设备，精简设备投资、运转
13、费用和动力消耗，简便操作。,1.空气过滤除菌流程空气过滤除菌流程是按生产对无菌空气要求具备的参数，根据空气的性质而制定的，同时还要结合吸气环境的空气条件和所用设备的特性进行考虑。发酵生产中制备无菌空气的大致过程如下空气-高空取气管-粗过滤器-空气压缩机-贮气罐-一级冷却器-油水分离器-二级分离器-除雾器-加热器-总空气过滤器-分空气过滤器,图3、味精厂常用的空气净化流程粗过滤器 空气压缩机 贮罐 沉浸式空气冷却器 油水分离器二级空气冷却器 除雾器 空气加热器 空气过滤器 10金属微孔过滤器,二、空气介质过滤除菌设备及计算,（一）粗过滤器又称空气粗过滤器，一般作为空气压缩机的附件，安排在空压缩机
14、的空气进口，有的则单独设置。其结构为一个内装过滤介质的方形或园形器体 经过粗过滤器可把空气中的杂质，特别是硬度较大的灰尘过滤除掉，防止这些东西进入压缩机而使气缸磨损。粗过滤器的过滤效率要高，阻力要小，否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩机的排气量。常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。,油浴洗涤装置的结构如图所示。空气进入装置后要通过油箱中的油层洗涤，空气中的微粒被油黏附而逐渐沉降于油箱底部而被除去，经过油浴的空气因带有油雾，需要经过百叶窗式的圆盘，分离较大粒油雾，再经过滤网分离小颗粒油雾后，由中心管吸入压缩机。这种洗涤器效果比较好，对有分离不净的油雾带入压缩机
15、时也无影响，阻力也不大，但耗油量大。,空气粗滤器21-滤网 2-加油斗 3-油镜 4-油层,水雾除尘装置结构如图所示。空气从设备底部进入，经上部喷下的水雾洗涤，将空气中的灰尘、微生物微粒黏附沉降，从器底排出。带有微细小雾的洁净空气经上部过滤网过滤后排出，进入压缩机经洗涤后的空气可除去大部分的微粒和小部分微小粒子，一般对0.5m粒子的过滤效率为5070，对1.0m粒子的除去效率为5588，对5m以上粒子的除去效率为9099。洗涤室内空气流速不能太大，一般在12m/s的范围，否则带出水雾太多，会影响压缩机，降低排气量。,空气粗滤器3,贮气罐,空气贮罐的作用是消除压缩机排出空气的脉冲，维持整个发酵系
16、统稳定的正压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。大多数是将气贮罐紧接着压缩机安装，虽然由于空气温度较高，容器要求稍大，但对设备防腐、冷却器热交换都有好处。贮罐大小可按下面的经验公式计界：V=0.10.2Vc式中 V贮罐体积，m3；Vc压缩机的排气量，m3min。贮罐结构简单，如图10所示，是一个装有安全阀、压力表的空罐壳体，有些单位在罐内装冷却蛇管，利用空气冷却器排出的冷却水进行冷却，提高冷却水的利用率。也有的在贮罐内加装导筒，使进入贮罐的热空气沿一定路线经过，增加一定热杀菌效果。,冷却器,空气进入空气压缩机被压缩时，一部分动能转化成热能使空气温度升高,一般可达144左右，而发酵生产所
17、需空气的温度为3034左右，故需将空气冷却。常用的类型有：立式列管式热交换器、沉浸式热交换器、喷淋式热交换器等等。目前采用的冷却器多为列管式换热器，热空气中夹带的油、水蒸汽经冷凝，由器底的油水排出阀排除。,气液分离器,气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。其形式很多，一般常用的有旋风式和填料式。旋风式称做旋风分离器，是利用气流从切线方向进入容器时在容器内形成旋转运动时产生的离心力场来分离重度较大的微粒。填料式分离器是利用填料的惯性拦截作用，将空气中的水雾和油雾分离出来。旋风分离器的优点是结构简单，制造方便，它的结构种类较多见图13，如蜗壳式、螺旋顶盖式、扩散式、旁移式、平
18、面旋流式、第二次风的旋风式等。总的要求是：旋风分离器的直径不要太大，因为气流旋转运动所产生的离心力与分离器半径成反比，若半径大，分离效率就低。要分离的空气量大时，可采用多个分离器并联。进口的气流速度要适当。旋转气流所产生的离心力与气流速度的平方成正比，故气流速度小，分离效果差；但气流速度过大，则能量损失多（压降大），同时也会产生涡流而降低效率。一般采用进口气流速度15一25m/s，排气出口气流速度为4m/s。旋风分离器对于分离10m以上的微粒效率较高，但对10m以下的微粒分离就比较困难。一般冷凝水雾粒的大小为10200m，可选用旋风分离器进行分离。旋风分离器的压头损失通常是500一2000Pa。常用的旋风分离器的结构和部分尺寸关系如图14所示。,思考题,气升环式反应器的特点？自吸式发酵罐的优点与不足？,
