第六章 生物反应器结构与设计计算

第六章生物反应器结构与设计计算由生物细胞或生物体组成参与的生产过程可统称为生物反应过程，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生产过程中，具有重要的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。

在生物反应过程中，若采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程。

采用游离或固定化酶，则称为酶反应过程。

按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同，生物反应器可分为酶反应器和细胞生物反应器。

根据反应器所需的能量的输入方式，微生物细胞反应器可以分为：通过机械搅拌输入能量的机械式、利用气体喷射动能的气生式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等。

自上一世纪四十年代，青霉素大规模生产以来，出现了结构多异，性能和用途不同的多类生物反应器。

为配合生物加工过程，工艺条件需要对生物反应器的结构进行设计和计算，以获得较高的产率和规模化生产。

一个良好的生物反应器应满足下列要求：1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；2）有良好的气-液-固接触和混合性能和高效的热量、质量、动量传递性能；3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；5）有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。

第一节机械搅拌式生物反应器机械搅拌式生物反应器是发酵工厂最常用的类型之一。

它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢产物所需要的氧气。

一、机械搅拌式生物反应器的结构机械搅拌通风发酵罐主要有罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等。

下面做简要的介绍。

1．罐体罐体由圆筒体和椭圆形或碟形封头焊接而成，材料以不锈钢为好。

为满足工艺要求，罐体必须能承受一定压力和温度，通常要求耐受130℃和0.25MPa（绝压）。

罐壁厚度取决于罐径、材料及耐受的压强。

2．搅拌器和挡板为了强化轴向混合，可采用蜗轮式和推进式叶轮共用的搅拌系统。

为了拆装方便，大型搅拌叶轮可做成两半型，用螺栓联成整体装配于搅拌轴上。

搅拌的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气－液接触界面，以获得所需要的氧传递速率，并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气－液－固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。

为实现这些目的，搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。

搅拌器大多采用涡轮式。

涡轮式搅拌器具有结构简单、传递能量高、溶氧速率高等优点，但存在的缺点是轴向混合差，搅拌强度随着与搅拌轴距增大而减弱，故当培养液较粘稠时，混合效果就下降。

常用的涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式三种，叶片数一般为六个，也有四个或八个。

如图6-1所示。

发酵罐内设挡板的作用是防止液面中央形成旋涡流动，增强湍动和溶氧传质。

通常设4-6块挡板，其宽度为0.1-0.12D，达到全挡板条件。

全挡板条件是达到消除液面旋涡的最低条件。

在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变。

此条件与挡板数Z，与挡板宽度W与罐径D之比有关。

（6-1）式中——挡板宽度，mm；——罐内径，mm；——挡板数，mm。

由于发酵罐中除了挡板外，还有冷却器，通气管，排料管等装置也起一定的挡板作用。

当设置的换热装置为列管或排管时，并且在足够多的情况下，发酵罐内不另设挡板。

3．轴封轴封的作用是防止染菌和泄漏。

搅拌轴的密封为动密封，这是由于搅拌轴是转动的，而顶盖是固定静止的，两个构件之间具有相对用动，这时的密封要按照动密封原理来进行设计。

对动密封的基本要求是密封要可靠并且机构要简单，使用寿命要长。

发酵罐中使用最普遍的动密封有两种：填料函密封和机械密封（或称端面密封）。

（1）填料函密封填料箱本体固定在发酵罐顶盖的开口法兰上，将转轴通过填料函，然后放置有弹性的密封填料，然后放上填料压盖，拧紧压紧螺栓，填料受压后，产生弹性变形堵塞了填料和轴之间的间隙，转轴周围产生一定的径向压紧力，从而起到密封介质压力的作用。

填料函密封具有结构简单，填料拆装方便的特点。

同时具有以下缺点：死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；轴的磨损较严重；增加由于摩擦所损耗的功率，产生大量的摩擦热；寿命较短，需经常更换填料。

因其容易磨损和渗漏，故在发酵罐中已经很少使用。

（2）机械密封机械密封的工作原理：它是靠弹性元件（弹簧、波纹管）及密封介质压力在两个精密的平面（动环和静环）间产生压紧力，相互贴紧，并作相对旋转运动而达到密封。

主要作用是将较易泄漏的轴面密封，改变为较难渗漏的端面（径向）密封。

机械密封的基本结构由下列元件组成：摩擦付，即动环和静环；弹簧加荷装置；辅助密封圈（动环密封圈和静环密封圈）。

机械密封同填料函密封比较，具有很多优点：①泄漏量极少，其泄漏量约为填料函密封的1％。

这是由于环密封圈与转轴以及静环密封圈与压盖没有相对运动，几乎不受磨损，而且端面材料是由具有高度平直、滑动性、耐磨性好的适当材料构成的，即使无润滑性流体进行润滑，密封端面的泄漏量也是极少的。

②使用工作寿命长。

机械密封的磨损部分只限于密封端面，由于选用适当的耐磨材料因此它的磨损量极小，一般条件下可工作半年至一年，质量好的机械密封寿命可达2～5年以上。

③较少需要调整。

动环由于密封流体压力和弹簧力等推向静环方向，密封面自动保持紧密接触，因此较少需要调整。

④摩擦功率损耗小。

由于密封端面的面积小、摩擦系数小，故摩擦阻力小，功率消耗小。

其损耗功率仅为填料函密封的10～15％。

⑤轴与轴套不受磨损。

⑥结构紧凑，安装长度较短。

由于不需要调整用的间隙，因而结构紧凑。

但存在着结构复杂，密封加工精度要求高，安装技术要求高，拆装不便，初次成本高等缺点。

3．机械消沫装置发酵过程中由于发酵液中含有大量的蛋白质，故在强烈的通气搅拌下将产生大量的泡沫。

严重的泡沫将导致发酵液的外溢和增加染菌机会，在通气发酵生产中有两种消泡方法。

一是加入消沫剂的方法去除，二是使用机械消泡装置。

在泡沫的机械强度较差和泡沫量较少时采用机械消沫装置有一定作用。

其作用是将泡沫打碎。

消沫器可分为两大类：一类置于罐内，目的是防止泡沫外溢，它是在搅拌轴或罐顶另外引入的轴（指搅拌轴由罐底伸入时）上装上消沫桨；另一类置于罐外，目的是从排气中分离已溢出的泡沫使之破碎后将液体部分返回罐内。

4．通气装置通气装置是指将无菌空气导入罐内的装置，最简单的通气装置，是一单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方，开口往下，以免培养液中固体物质在开口处堆积和罐底固形物质沉淀。

管口与罐底的距离约为40。

第二种形式是开口朝下的多孔环形管。

环的直径约为搅拌器直径的0.8倍。

小孔直径，孔的总面积约等于通风管的截面积。

在通气量较小的情况下，气泡的直径与空气喷口直径有关。

喷口直径越小，气泡直径越小，氧的传质系数越大。

但在发酵过程中通气量较大，气泡直径仅与通气量有关而与通气出口直径无关。

又由于在强烈机械搅拌的条件下，多孔分布器对氧的传递效果并不比单孔管为好，相反的还会造成不必要的压力损失，且易使物料堵塞小孔，故已很少采用。

二、搅拌轴功率计算发酵罐液体中溶氧以及气液固的混合强度与单位体积中输入的搅拌功率有很大的关系。

在相同条件下，不通气与通气的情况下，轴功率也是不一样的。

1．不通气条件下的轴功率计算在机械搅拌发酵罐中，搅拌器输出的轴功率与下列因素有关：发酵罐直径、搅拌器直径、液柱高度、搅拌器的转速、液体粘度、流体密度、重力加速度以及搅拌器形式和结构等。

因为、均与之间有一定比例关系，于是：、、、、通过因次分析及实验证实，对牛顿型流体而言，可得到下列准数关联式：（6-2）式中——功率准数；——搅拌情况下的雷诺准数；——搅拌下的弗鲁特准数；——搅拌器类型、发酵罐几何尺寸有关的常数，不同搅拌器的值见表6-1。

故，式（6-2）又可改写为（6-3）经实验证实，在全挡板条件下，液面未出现旋涡，此时指数y=0，故=1。

所以，在具有挡板且满足全挡板的情况下，，即搅拌准数是搅拌雷诺准数的函数。

在一系列的几何相似的试验设备中，用不同型式的搅拌器进行试验得出：当、、、挡板数4的情况下，对涡轮式、螺旋桨式和平桨式三种桨型的功率准数与雷诺准数的关系，如图6-2a所示。

从图中可以看出：当时，液体处于层流状态，此时，（6-4）（6-5）当时液体处于湍流状态，此时，（6-6）（6-7）此时搅拌功率与流体粘度无关，并且此时不随的变化而变化，其为一常数。

当时，液体处于过度流状态，与均随变化。

在一般情况下，搅拌器大多在湍流状态下操作，故可用式（6-7）来计算搅拌器的轴功率。

由于一般发酵罐中、，其搅拌功率可用下式校正：（6-8）为校正系数，它由下式来确定：（6-9）式中，带*号代表实际搅拌设备情况。

由于工业发酵罐的高径比一般为2-3，因此在同一轴上往往装有很多层搅拌器。

对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：（6-10）式中-------搅拌器层数。

在发酵生产中，液体深度较大，只用一只搅拌器，搅拌效果不佳。

在相同的转速下，多只搅拌器比单只搅拌器输出更多的功率，其增加的程度除了搅拌器的个数外，还取决与搅拌向的距离。

经过多次试验得出：2．通气搅拌功率计算当发酵罐通入压缩空气后，搅拌器的轴功率与不通气时相比，将会下降，减少程度与通气量存在着一定关系。

可能的原因是：1）由于通气使得液体的密度降低；2）由于通气使得液体的翻动。

也就是说，减少程度主要取决于搅拌器与周围液体的情况。

为了估算通气条件下的搅拌功率，有人引入通气准数，它表示了发酵罐内空气的表现流速与搅拌叶端流速之比。

可表示为：（6-11）式中——工况通气量，；——搅拌器直径，；——搅拌器转速，；若以表示通气搅拌功率，为不通气搅拌功率，则当时，（6-12）当时，（6-13）图6-2b表示了在各种搅拌情况下，通气与不通气功率之比与通气准数的关系。

当发酵液密度为800～1650kg/m3，粘度为9×10-4 ～0.1Pa·s时，可用Michel公式来估算涡轮搅拌器的通气搅拌功率：（6-14）当在1/3~2/3之间变化，值为0.101~0.157之间。

式中——搅拌转速，r/min；——工况下通气量，m3/min。

Reuss用因次分析法提出下列关系式：（6-15）式中——Froude准数；——Reynold准数；——通气准数；——反应器直径；——搅拌桨直径。

Hughmark从248组实验数据中整理出下式：（6-16）式中——液相体积；——搅拌桨叶宽；上式计算于实验值误差为11%。

Brown提出更为简单的关联式：（6-17）式中、——与气体流速和搅拌桨直径有关的参数。