? 高效生物反应器的特点：
(1) 传质和传热性能好； (2) 结构密封、防杂菌污染；
(3) 设备简单、维修方便； (4) 生产能力高 (5) 能耗低；
(6)检测控制系统完善； (7) 易放大； (8)生产安全
? 应用：
生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、
抗生素、维生素等
通风发酵罐
? 类型：
?
?
?
?
?
?
?
通风固相发酵设备
自吸式发酵罐
气升环流发酵罐
机械搅拌发酵罐
常用通风发酵罐
通风发酵罐
? 机械搅拌发酵罐
? 工作原理
? 结构及几何尺寸
? 溶氧速率、通气与搅拌
? 热量传递
?气升式发酵罐
? 工作原理
? 气升环流式发酵罐
? 典型的气升式发酵罐
?自吸式发酵罐
? 机械搅拌自吸式
? 喷射自吸式
? 溢流喷射自吸式
?通风固相发酵罐
机械搅拌发酵罐 (TRC)
? 工作原理：
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) 具有适宜的径高比；
(2) 能够承担一定压力；
(3) 保证必需的溶解氧；
(4) 具有足够的冷却面积；
(5) 尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；
(6) 轴封严密。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐 ? 发酵罐的基本条件：
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 大型发酵罐结构
2
3
1－轴封 ； 2,20－人孔；
3－梯； 4－联轴；
5－中间轴承； 6－温度计接口；
7－搅拌叶轮； 8－进风管；
9－放料口； 10－底轴承；
11－热电偶接口； 12－冷却管；
13－搅拌轴； 14－取样管；
15－轴承座； 16－传动皮带；
17－电机； 18－压力表；
19－取样口； 21－进料口；
22－补料口； 23－排气口；
24－回流口； 25－视镜；
图 2.1 大型发酵罐结构图
动画演示
?机械搅拌发酵罐的结构
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
?机械搅拌发酵罐的结构
? 小型发酵罐结构
图 2.2 小型发酵罐结构图
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
图 2.3 自动玻璃发酵罐
图 2.4 玻璃搅拌发酵罐
图 2.5 不锈钢搅拌发酵罐
由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳
钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度
下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受 130℃
和 0.25MPa(绝对压力 )。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 罐 体
受内压的壁厚：
? ? )(2301 mmCppD ??? ??? ? ? )(2002 mmCp D y ?? ???
受外压的壁厚：
? ? )(112 4 0 03 mmCHDp
HpD ??
?
?
??
?
????
??
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 搅拌器和挡板
? 搅拌器：
有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是
打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡
轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆
装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。
图 2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图
1-六直叶涡轮式； 2-推进式 3-
Lightnin A-315式
图 2.7 不同搅拌器的流型
? 挡板：
改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液
体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取 (0.1～
0.12)D，装设 4~6块即可满足全挡板条件。
? 所谓,全挡板条件,是指在一定转速下再增加罐内
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：
? ? 5.012.0~1.0 ???
?
??
?
? n
D
Dn
D
b
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 轴 封
? 填料函轴封, 由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和
压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。
? 作用,使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，
防止泄露和污染杂菌。
? 端面式轴封又称机械轴封,密封作用是靠弹性元件（弹
簧、波纹等）的压力使垂直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。
? 常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。
压紧螺栓
填料箱体
图 2.10 填料函
转轴
填料压盖
铜环
填料
转轴
图 2.11 端面封轴
动环
静环
堆焊硬质
O形环
图 2.12 双 端面封轴
密封环
搅拌轴
罐体
齿轮箱
传动齿轮箱
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀
分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分
布装置有单管式。
? 空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气
泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。
? 环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分
布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。
? 通常通风管的空气流速取 20m/s。
? 为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐
底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补
强。可延长罐底寿命
? 空气分布器
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 消泡装置
? 消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐
排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态
两相的装置，从而达到消泡的目的。
? 两种消泡方法, (1) 加入化学消泡剂； (2)使用机械消泡装置
? 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如
猪油等；高分子化合物。
? 机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消
泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器,碟片式消泡器和刮板
式消泡器 等。
旋风离心式 叶轮离心式
耙式消泡器
碟片式消泡器
刮板 式消泡器
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 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。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 联轴器及轴承
? 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。
? 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。
联轴器
法兰
? 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；
? 大型发酵罐装有中间轴承。
? 罐内轴承不能加润滑油，应采用液体
润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚
四氟乙烯等）。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 轴 承
底轴承
中间轴承
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 冷却装置
夹套冷却 竖式蛇管冷却 竖式列管冷却
适
用
范
围
5m3以下小发酵罐 大型发酵罐 大型发酵罐气温较高的地区
优
点
结构简单，加工容
易，罐内死角少，
容易清洗灭菌
流速大，传热系数
大，降温效果较好。
加工方便，提高
传热推动力的温
差。
缺
点
传热壁较厚，冷却
水流速低，降温效
果差。
冷却水较高时，降
温困难，弯曲位置
易腐蚀。
用水量较大。
在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液
进行循环冷却。
图 2.13 机械搅拌通风发酵罐
的几何尺寸
5.37.1 ～?DH 3121 ～?DD i
0.18.0 ～?iDC12181 ～?DB
52～?iDS 20 ?DH
↑
↑
↑
↑
↑
↑
Di
D
B
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积
? 体积
? 尺寸
?????? ???? DhDhDhDV bab 614π6π4π 2221
? 椭圆形封头体积：
? 发酵罐的总体积：
?????? ?????? ??? DhHDV b 6124π 20
近似为：
220 15.0
4
π DHDV ??
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 机械搅拌发酵罐的 溶氧速率、通气与搅拌
? 溶氧传质速率 OTR(Oxygen Transfer Rate)
)(O T R L ccak ?? ?
? 测量体积溶氧系数的方法
一、亚硫酸盐氧化法
二、溶氧电极法
? 影响 KLa的主要因素
(1) 操作条件；
(2) 发酵罐的结构及几何参数；
(3) 物料的物化性能。
42232 22 4 SONaOSONa C u S O?? ??? HISONaISONa OH 242232 2 ??? ???
N a IOSNaIOSNa 26422322 ?? ???
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 机械搅拌发酵罐的溶氧系数
? KLa与操作变数的关系为：
1）增加搅拌器转速 N，以提高 Pg，可以有效地提高 Kla；
2）加大通气量 VG，以提高 vs；
3）提高罐内操作压力或通入纯氧，提高 C*。
? 提高 KLa的途径
? 机械搅拌发酵罐的 溶氧速率、通气与搅拌
?
?
s
g v
V
PKaK
?????????L
''
'
L
??
???
?
???
?
???
?
???
??
L
Gg
V
V
V
PKaK或
? 机械搅拌的剪切力影响
1）单细胞微生物如球状或杆状的细菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力强；
2）丝状菌的耐受力弱；
3）动物细胞对搅拌剪切力非常敏感。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 机械搅拌发酵罐的 热量传递
? 发酵过程的热量计算
? 生物合成热量计算法
? 冷却水带出热量计算法
? 发酵液温升测量计算法
4321 QQQQQ t ????
? ?
L
12
V
TTWQ C
t
??
? ?
L
22112
V
TcmcmQ
t
△???
? 搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）
? 不通气条件下的轴功率 P0计算
鲁士顿 (Rushton J,H.)公式：
5
i
3
0 DNP LP ???
P0－无通气搅拌输入的功率 （ W） ；
NP－功率准数，是搅拌雷诺数 ReM的函数；
ω－涡轮转速 （ r/s） ；
ρL－液体密度（ kg/m3）；
μ －液体粘度（ N.s/m2）；
D －涡轮直径（ m）；
圆盘六平直叶涡轮 NP≈6
圆盘六弯叶涡轮 NP≈4.7
圆盘六箭叶涡轮 NP≈3.7
? 通气搅拌功率 Pg的计算
修正的迈凯尔公式：
39.0
08.0
3
i
2
3
g )1025.2
0
Q
DP
P
?
（???
? 搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）
P0－无通气搅拌输入的功率（ kW）
ω－涡轮转速 （ r/min）
Di －涡轮直径（ cm）
Q－通气量（ mL/min）
例题,某酶制剂厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径 D=1.8m，
一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径 D =0.6m,罐内装有四块标准
挡板，装液量 VL为 6m3，搅拌转速 ω=168rpm，通气量 Q=1.42
m3 /min，醪液粘度 μ=1.96× 10-3 N·s/ m2，醪液密度 ρ=1020 kg/
m3,三角皮带的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动
轴承的效率是 0.98，端面轴封增加的功率为 1%，求轴功率 Pg
和 kLα，并选择合适的电机。（已知在充分湍流状态时，圆盘
弯叶涡轮搅拌器的功率准数 NP = 4.7 ）
解,1.先求出 Re：
4
3
2
1025.51096.1 10206.0)60/168(Re ??? ???? ?? ?? LiD
搅拌功率的计算
2.因 Re≥104，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数
NP = 4.7,故叶轮的不通气时搅拌功率 P0为：
）（＝＝ kW07.86.01020601687.4 5
3
5
i
3
0 ????
??
?
??? DNP
LP ??
3.求通气时搅拌功率 Pg：
)kW(55.6
)
1 4 2 0 0 0 0
6016807.8
(1025.2
)1025.2
39.0
08.0
32
3
39.0
08.0
3
i
2
3
g
0
?
??
???
??
?
?
Q
DP
P
?
（
4.所需电动机功率为：
）（）（ kW4.7%1198.099.092.0 55.6 ?????
4,求 kLα,
①先求空截面气速 vS：
② 求 kLα,
m in )/cm(8.551801 4 2 0 0 0 044 22 ?????? ?? DQv S
SvDQ ??
2
4
??
? ?
? ?
? ?)a t m ) (m i n/( m LOm o l10911.1
101688.556, 5 5 /63, 3 )2, 3 6
10 /P3, 3 n )2, 3 6k
2O2
6
97.07.056.0
97.07.00, 5 6
gL
p
vV
SL
????
??????
?????
?
?
?
（
（ ??
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
小 结
? 热量传递
? 工作原理
? 结构
? 几何尺寸
? 通风、溶氧传质与搅拌
↑
↑↑
↑
↑
↑
Di
D
B
? 搅拌功率的计算
之
气
升
式
发
酵
罐
气升式发酵罐 (ALR)
? 工作原理
? 特点及应用
? 主要结构及操作系数
? 典型的气升式发酵罐
工作原理
之
气
升
式
发
酵
罐
o 类型
气升环流式、塔式、空气喷射式等。
o 工作原理
把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷
射进入发酵液中，通过气液混合
物的湍流作用而使空气泡分割细
碎，同时由于形成的气液混合物
密度降低故向上运动，而气含率
小的发酵液则下沉，形成循环流
动，实现混合与溶氧传质。
↑
↑
G
泵 L
G
气
液
双
喷
射
气
升
环
流
反
应
器
o 特点
1）反应溶液分布均匀
2）较高的溶氧速率和溶氧效率
3）剪切力小
4）传热良好
5）结构简单
6）能耗小
7）不易染菌
8）操作和维修方便
特点及应用
之
气
升
式
发
酵
罐
o 应用
酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养
酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理
主要结构及操作系数
之
气
升
式
发
酵
罐
o主要结构参数
1）反应器径高比 H/D
2）导流筒径与罐径比 DE /D
3）空气喷嘴直径与反应器直径比 Dl/D
o 操作特征
1）平均循环时间 tm
2）气液比 R
3）溶氧传质
之
气
升
式
发
酵
罐
? 空气 喷射装置
漩涡式空气喷射器
↑
↑
G
泵 L
G
之
气
升
式
发
酵
罐
↑
↑
↑
G
F
G
气升环流式反应器
气
液
双
喷
射
气
升
环
流
反
应
器
多层空气分布板的
气升环流式反应器
之
气
升
式
发
酵
罐
ICI's air lift system for making single-cell protein in 1979
↑
冷却水
G
↑
↑
↑↑
G
培养基
A A
B
注射入口
ICI压力循环气升发酵罐
↑
1
2
3
4
5
6
7
11
8
9
10
12
之
气
升
式
发
酵
罐
气升式玻璃发酵罐
具有外循环冷却的
气升环流式发酵罐
对偶脉冲气体环流发酵罐
之
气
升
式
发
酵
罐
之
气
升
式
发
酵
罐
BIOHOCH? 反应器
径向流喷射器是核心元
件。空气和水相对喷入，
含极大能量的水使空气
分散成又细又均匀的气
泡。循环管保证流向及
液体充分曝气。
BIOHOCH? 反应器的特点：
紧凑，无噪音，无异味 — 因为反应器很高，故占地
面积小，不会受噪音和气味侵扰
经济 — 氧利用率高保证能量节省 80%
可靠性 — 反应器易于进入，优质的防腐处理比混凝
土更不易泄漏。一旦泄漏发生，也可立即监控。一
套完整的系统保证废水不会无控制流出 。
BIOHOCH? 反应器处理工业废水技术
之
气
升
式
发
酵
罐
之
气
升
式
发
酵
罐
小 结
? 工作原理
? 类型及特点
? 主要结构及操作系数
? 典型的气升式发酵罐
之
自
吸
式
发
酵
罐
自吸式发酵罐
? 自吸式发酵罐,不需空气压缩机提供加压空
气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置
吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。
? 应用,酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维
生素等生产
之
自
吸
式
发
酵
罐
自吸式发酵罐
? 优点：
(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；
(3)生产效率高、经济效率高
(4)设备便于自动化、连续化。
? 缺点：
较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空
气过滤系统，罐压较低，装料系数约为 40％。
之
自
吸
式
发
酵
罐
机械搅拌自吸式发酵罐
?
自
吸
式
发
酵
罐
的
结
构
之
自
吸
式
发
酵
罐
机械搅拌自吸式发酵罐
? 工作原理：
之
自
吸
式
发
酵
罐
机械搅拌自吸式发酵罐
? 机械搅拌自吸式发酵罐的设计要点：
(1)发酵罐的高径比
(2)转子与定子的确定
(3)吸气量计算
之
自
吸
式
发
酵
罐
喷射自吸式发酵罐
? 喷射自吸式发酵罐：
利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行
混合和溶氧传质。
? 文氏管自吸式发酵罐
? 液体喷射自吸式发酵罐
? 溢流喷射自吸式发酵罐
1
2
3
4
5
6
7
之
自
吸
式
发
酵
罐
文氏管自吸式发酵罐
喷射自吸式发酵罐
文氏吸气管
↑
↓
→ →
1
2
3
4
5
6
7
之
自
吸
式
发
酵
罐
液体喷射吸气装置
喷射自吸式发酵罐
1
2
6
↓
↑
↓
↑
↓
9
3
5
↓
4
7
出水
冷却水
8
↓
冷却水
排气
排水
之
自
吸
式
发
酵
罐
喷射自吸式发酵罐
Vobu-JZ单层溢流
喷射自吸式发酵罐
Vobu-JZ双层溢流
喷射自吸式发酵罐
↓
↓
↓
↓
↓
↓ ↓
↓
之
通
风
固
相
发
酵
罐
通风固相发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
卧式转盘发酵反应器
光照不锈钢发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
小 结
? 通风固相发酵罐
? 机械搅拌发酵罐
? 气升式发酵罐
? 自吸式发酵罐
(1) 传质和传热性能好； (2) 结构密封、防杂菌污染；
(3) 设备简单、维修方便； (4) 生产能力高 (5) 能耗低；
(6)检测控制系统完善； (7) 易放大； (8)生产安全
? 应用：
生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、
抗生素、维生素等
通风发酵罐
? 类型：
?
?
?
?
?
?
?
通风固相发酵设备
自吸式发酵罐
气升环流发酵罐
机械搅拌发酵罐
常用通风发酵罐
通风发酵罐
? 机械搅拌发酵罐
? 工作原理
? 结构及几何尺寸
? 溶氧速率、通气与搅拌
? 热量传递
?气升式发酵罐
? 工作原理
? 气升环流式发酵罐
? 典型的气升式发酵罐
?自吸式发酵罐
? 机械搅拌自吸式
? 喷射自吸式
? 溢流喷射自吸式
?通风固相发酵罐
机械搅拌发酵罐 (TRC)
? 工作原理：
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) 具有适宜的径高比；
(2) 能够承担一定压力；
(3) 保证必需的溶解氧；
(4) 具有足够的冷却面积；
(5) 尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；
(6) 轴封严密。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐 ? 发酵罐的基本条件：
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 大型发酵罐结构
2
3
1－轴封 ； 2,20－人孔；
3－梯； 4－联轴；
5－中间轴承； 6－温度计接口；
7－搅拌叶轮； 8－进风管；
9－放料口； 10－底轴承；
11－热电偶接口； 12－冷却管；
13－搅拌轴； 14－取样管；
15－轴承座； 16－传动皮带；
17－电机； 18－压力表；
19－取样口； 21－进料口；
22－补料口； 23－排气口；
24－回流口； 25－视镜；
图 2.1 大型发酵罐结构图
动画演示
?机械搅拌发酵罐的结构
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
?机械搅拌发酵罐的结构
? 小型发酵罐结构
图 2.2 小型发酵罐结构图
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
图 2.3 自动玻璃发酵罐
图 2.4 玻璃搅拌发酵罐
图 2.5 不锈钢搅拌发酵罐
由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳
钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度
下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受 130℃
和 0.25MPa(绝对压力 )。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 罐 体
受内压的壁厚：
? ? )(2301 mmCppD ??? ??? ? ? )(2002 mmCp D y ?? ???
受外压的壁厚：
? ? )(112 4 0 03 mmCHDp
HpD ??
?
?
??
?
????
??
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 搅拌器和挡板
? 搅拌器：
有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是
打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡
轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆
装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。
图 2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图
1-六直叶涡轮式； 2-推进式 3-
Lightnin A-315式
图 2.7 不同搅拌器的流型
? 挡板：
改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液
体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取 (0.1～
0.12)D，装设 4~6块即可满足全挡板条件。
? 所谓,全挡板条件,是指在一定转速下再增加罐内
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：
? ? 5.012.0~1.0 ???
?
??
?
? n
D
Dn
D
b
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 轴 封
? 填料函轴封, 由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和
压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。
? 作用,使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，
防止泄露和污染杂菌。
? 端面式轴封又称机械轴封,密封作用是靠弹性元件（弹
簧、波纹等）的压力使垂直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。
? 常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。
压紧螺栓
填料箱体
图 2.10 填料函
转轴
填料压盖
铜环
填料
转轴
图 2.11 端面封轴
动环
静环
堆焊硬质
O形环
图 2.12 双 端面封轴
密封环
搅拌轴
罐体
齿轮箱
传动齿轮箱
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀
分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分
布装置有单管式。
? 空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气
泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。
? 环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分
布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。
? 通常通风管的空气流速取 20m/s。
? 为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐
底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补
强。可延长罐底寿命
? 空气分布器
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 消泡装置
? 消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐
排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态
两相的装置，从而达到消泡的目的。
? 两种消泡方法, (1) 加入化学消泡剂； (2)使用机械消泡装置
? 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如
猪油等；高分子化合物。
? 机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消
泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器,碟片式消泡器和刮板
式消泡器 等。
旋风离心式 叶轮离心式
耙式消泡器
碟片式消泡器
刮板 式消泡器
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 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。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 联轴器及轴承
? 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。
? 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。
联轴器
法兰
? 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；
? 大型发酵罐装有中间轴承。
? 罐内轴承不能加润滑油，应采用液体
润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚
四氟乙烯等）。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 轴 承
底轴承
中间轴承
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 冷却装置
夹套冷却 竖式蛇管冷却 竖式列管冷却
适
用
范
围
5m3以下小发酵罐 大型发酵罐 大型发酵罐气温较高的地区
优
点
结构简单，加工容
易，罐内死角少，
容易清洗灭菌
流速大，传热系数
大，降温效果较好。
加工方便，提高
传热推动力的温
差。
缺
点
传热壁较厚，冷却
水流速低，降温效
果差。
冷却水较高时，降
温困难，弯曲位置
易腐蚀。
用水量较大。
在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液
进行循环冷却。
图 2.13 机械搅拌通风发酵罐
的几何尺寸
5.37.1 ～?DH 3121 ～?DD i
0.18.0 ～?iDC12181 ～?DB
52～?iDS 20 ?DH
↑
↑
↑
↑
↑
↑
Di
D
B
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积
? 体积
? 尺寸
?????? ???? DhDhDhDV bab 614π6π4π 2221
? 椭圆形封头体积：
? 发酵罐的总体积：
?????? ?????? ??? DhHDV b 6124π 20
近似为：
220 15.0
4
π DHDV ??
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 机械搅拌发酵罐的 溶氧速率、通气与搅拌
? 溶氧传质速率 OTR(Oxygen Transfer Rate)
)(O T R L ccak ?? ?
? 测量体积溶氧系数的方法
一、亚硫酸盐氧化法
二、溶氧电极法
? 影响 KLa的主要因素
(1) 操作条件；
(2) 发酵罐的结构及几何参数；
(3) 物料的物化性能。
42232 22 4 SONaOSONa C u S O?? ??? HISONaISONa OH 242232 2 ??? ???
N a IOSNaIOSNa 26422322 ?? ???
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 机械搅拌发酵罐的溶氧系数
? KLa与操作变数的关系为：
1）增加搅拌器转速 N，以提高 Pg，可以有效地提高 Kla；
2）加大通气量 VG，以提高 vs；
3）提高罐内操作压力或通入纯氧，提高 C*。
? 提高 KLa的途径
? 机械搅拌发酵罐的 溶氧速率、通气与搅拌
?
?
s
g v
V
PKaK
?????????L
''
'
L
??
???
?
???
?
???
?
???
??
L
Gg
V
V
V
PKaK或
? 机械搅拌的剪切力影响
1）单细胞微生物如球状或杆状的细菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力强；
2）丝状菌的耐受力弱；
3）动物细胞对搅拌剪切力非常敏感。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
? 机械搅拌发酵罐的 热量传递
? 发酵过程的热量计算
? 生物合成热量计算法
? 冷却水带出热量计算法
? 发酵液温升测量计算法
4321 QQQQQ t ????
? ?
L
12
V
TTWQ C
t
??
? ?
L
22112
V
TcmcmQ
t
△???
? 搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）
? 不通气条件下的轴功率 P0计算
鲁士顿 (Rushton J,H.)公式：
5
i
3
0 DNP LP ???
P0－无通气搅拌输入的功率 （ W） ；
NP－功率准数，是搅拌雷诺数 ReM的函数；
ω－涡轮转速 （ r/s） ；
ρL－液体密度（ kg/m3）；
μ －液体粘度（ N.s/m2）；
D －涡轮直径（ m）；
圆盘六平直叶涡轮 NP≈6
圆盘六弯叶涡轮 NP≈4.7
圆盘六箭叶涡轮 NP≈3.7
? 通气搅拌功率 Pg的计算
修正的迈凯尔公式：
39.0
08.0
3
i
2
3
g )1025.2
0
Q
DP
P
?
（???
? 搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）
P0－无通气搅拌输入的功率（ kW）
ω－涡轮转速 （ r/min）
Di －涡轮直径（ cm）
Q－通气量（ mL/min）
例题,某酶制剂厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径 D=1.8m，
一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径 D =0.6m,罐内装有四块标准
挡板，装液量 VL为 6m3，搅拌转速 ω=168rpm，通气量 Q=1.42
m3 /min，醪液粘度 μ=1.96× 10-3 N·s/ m2，醪液密度 ρ=1020 kg/
m3,三角皮带的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动
轴承的效率是 0.98，端面轴封增加的功率为 1%，求轴功率 Pg
和 kLα，并选择合适的电机。（已知在充分湍流状态时，圆盘
弯叶涡轮搅拌器的功率准数 NP = 4.7 ）
解,1.先求出 Re：
4
3
2
1025.51096.1 10206.0)60/168(Re ??? ???? ?? ?? LiD
搅拌功率的计算
2.因 Re≥104，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数
NP = 4.7,故叶轮的不通气时搅拌功率 P0为：
）（＝＝ kW07.86.01020601687.4 5
3
5
i
3
0 ????
??
?
??? DNP
LP ??
3.求通气时搅拌功率 Pg：
)kW(55.6
)
1 4 2 0 0 0 0
6016807.8
(1025.2
)1025.2
39.0
08.0
32
3
39.0
08.0
3
i
2
3
g
0
?
??
???
??
?
?
Q
DP
P
?
（
4.所需电动机功率为：
）（）（ kW4.7%1198.099.092.0 55.6 ?????
4,求 kLα,
①先求空截面气速 vS：
② 求 kLα,
m in )/cm(8.551801 4 2 0 0 0 044 22 ?????? ?? DQv S
SvDQ ??
2
4
??
? ?
? ?
? ?)a t m ) (m i n/( m LOm o l10911.1
101688.556, 5 5 /63, 3 )2, 3 6
10 /P3, 3 n )2, 3 6k
2O2
6
97.07.056.0
97.07.00, 5 6
gL
p
vV
SL
????
??????
?????
?
?
?
（
（ ??
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
小 结
? 热量传递
? 工作原理
? 结构
? 几何尺寸
? 通风、溶氧传质与搅拌
↑
↑↑
↑
↑
↑
Di
D
B
? 搅拌功率的计算
之
气
升
式
发
酵
罐
气升式发酵罐 (ALR)
? 工作原理
? 特点及应用
? 主要结构及操作系数
? 典型的气升式发酵罐
工作原理
之
气
升
式
发
酵
罐
o 类型
气升环流式、塔式、空气喷射式等。
o 工作原理
把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷
射进入发酵液中，通过气液混合
物的湍流作用而使空气泡分割细
碎，同时由于形成的气液混合物
密度降低故向上运动，而气含率
小的发酵液则下沉，形成循环流
动，实现混合与溶氧传质。
↑
↑
G
泵 L
G
气
液
双
喷
射
气
升
环
流
反
应
器
o 特点
1）反应溶液分布均匀
2）较高的溶氧速率和溶氧效率
3）剪切力小
4）传热良好
5）结构简单
6）能耗小
7）不易染菌
8）操作和维修方便
特点及应用
之
气
升
式
发
酵
罐
o 应用
酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养
酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理
主要结构及操作系数
之
气
升
式
发
酵
罐
o主要结构参数
1）反应器径高比 H/D
2）导流筒径与罐径比 DE /D
3）空气喷嘴直径与反应器直径比 Dl/D
o 操作特征
1）平均循环时间 tm
2）气液比 R
3）溶氧传质
之
气
升
式
发
酵
罐
? 空气 喷射装置
漩涡式空气喷射器
↑
↑
G
泵 L
G
之
气
升
式
发
酵
罐
↑
↑
↑
G
F
G
气升环流式反应器
气
液
双
喷
射
气
升
环
流
反
应
器
多层空气分布板的
气升环流式反应器
之
气
升
式
发
酵
罐
ICI's air lift system for making single-cell protein in 1979
↑
冷却水
G
↑
↑
↑↑
G
培养基
A A
B
注射入口
ICI压力循环气升发酵罐
↑
1
2
3
4
5
6
7
11
8
9
10
12
之
气
升
式
发
酵
罐
气升式玻璃发酵罐
具有外循环冷却的
气升环流式发酵罐
对偶脉冲气体环流发酵罐
之
气
升
式
发
酵
罐
之
气
升
式
发
酵
罐
BIOHOCH? 反应器
径向流喷射器是核心元
件。空气和水相对喷入，
含极大能量的水使空气
分散成又细又均匀的气
泡。循环管保证流向及
液体充分曝气。
BIOHOCH? 反应器的特点：
紧凑，无噪音，无异味 — 因为反应器很高，故占地
面积小，不会受噪音和气味侵扰
经济 — 氧利用率高保证能量节省 80%
可靠性 — 反应器易于进入，优质的防腐处理比混凝
土更不易泄漏。一旦泄漏发生，也可立即监控。一
套完整的系统保证废水不会无控制流出 。
BIOHOCH? 反应器处理工业废水技术
之
气
升
式
发
酵
罐
之
气
升
式
发
酵
罐
小 结
? 工作原理
? 类型及特点
? 主要结构及操作系数
? 典型的气升式发酵罐
之
自
吸
式
发
酵
罐
自吸式发酵罐
? 自吸式发酵罐,不需空气压缩机提供加压空
气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置
吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。
? 应用,酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维
生素等生产
之
自
吸
式
发
酵
罐
自吸式发酵罐
? 优点：
(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；
(3)生产效率高、经济效率高
(4)设备便于自动化、连续化。
? 缺点：
较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空
气过滤系统，罐压较低，装料系数约为 40％。
之
自
吸
式
发
酵
罐
机械搅拌自吸式发酵罐
?
自
吸
式
发
酵
罐
的
结
构
之
自
吸
式
发
酵
罐
机械搅拌自吸式发酵罐
? 工作原理：
之
自
吸
式
发
酵
罐
机械搅拌自吸式发酵罐
? 机械搅拌自吸式发酵罐的设计要点：
(1)发酵罐的高径比
(2)转子与定子的确定
(3)吸气量计算
之
自
吸
式
发
酵
罐
喷射自吸式发酵罐
? 喷射自吸式发酵罐：
利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行
混合和溶氧传质。
? 文氏管自吸式发酵罐
? 液体喷射自吸式发酵罐
? 溢流喷射自吸式发酵罐
1
2
3
4
5
6
7
之
自
吸
式
发
酵
罐
文氏管自吸式发酵罐
喷射自吸式发酵罐
文氏吸气管
↑
↓
→ →
1
2
3
4
5
6
7
之
自
吸
式
发
酵
罐
液体喷射吸气装置
喷射自吸式发酵罐
1
2
6
↓
↑
↓
↑
↓
9
3
5
↓
4
7
出水
冷却水
8
↓
冷却水
排气
排水
之
自
吸
式
发
酵
罐
喷射自吸式发酵罐
Vobu-JZ单层溢流
喷射自吸式发酵罐
Vobu-JZ双层溢流
喷射自吸式发酵罐
↓
↓
↓
↓
↓
↓ ↓
↓
之
通
风
固
相
发
酵
罐
通风固相发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
卧式转盘发酵反应器
光照不锈钢发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
小 结
? 通风固相发酵罐
? 机械搅拌发酵罐
? 气升式发酵罐
? 自吸式发酵罐
