第八章 生物反应器
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
大型发酵罐
搅拌装置
动物细胞反应器
? 一个优良的培养装置应具有：
? 严密的结构
? 良好的液体混合性能
? 高的传质和传热速率
? 灵敏的检测和控制仪表
根据反应是否需要氧气为基准
微生物反应器可分为, 需氧微生物反应器 （ 通气发酵罐 ）
厌氧微生物反应器 （ 嫌气发酵罐 ）
酒精发酵罐
酵母将糖转化为酒精高转化率条件
(1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件
(2)一定的生化反应时间
(3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热
厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）
酒精发酵罐的结构要求
? 满足工艺要求, 有利于发酵的排出
? 从结构上有利于发酵液的排出
? 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。
酒精发酵罐筒体结构
? 为圆柱形, 底盖和顶盖均为碟形或锥形 。
? 在酒精发酸过程中, 为了回收二氧化碳气体及其所带
出的部分酒精, 发酵罐宜采用密闭式 。
? 罐顶装有人孔, 视镜及二氧化碳回收管, 进料管, 接
种管, 压力表和测量仪表接口管等 。
? 罐底装有排料口和排污口；
? 罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型发酵
耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。
啤酒发酵设备
厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）
§ 1.通气搅拌罐
通气搅拌罐有下列优点：
⑴ pH和温度容易控制
⑵ 尺寸放大的方法大致已确定
⑶ 适用于 CSTR等 。
通气搅拌罐的缺点：
⑴ 搅拌功率消耗大
⑵ 因罐内结构复杂, 不易清洗干净, 易被杂菌污染 。 此
外, 虽装有无菌密封装置, 但在轴承处还会发生杂菌污
染 。
⑶ 培养丝状菌时, 常用搅拌桨叶的剪切力致使菌丝易被
切断, 细胞易受损伤 。
一, 机械搅拌发酵罐
搅拌的作用：
① 液体通风后进入的气泡在搅拌中随着液体旋转使之所走
路程延长, 使发酵液中保持的空气数量增加, 实际上是增
加了传质量 。
② 通过搅拌, 大气泡被搅拌器打碎, 增加比表面积 。
③ 搅拌速度越快, 搅拌雷诺准数增加, 增加了传氧速率 。
1,发酵罐的基本条件
① 发酵罐应具有适宜的高径比 （ 一般高度与直径之比为 1.7～ 4倍 ）
② 发酵罐能承受一定的压力：
③ 发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合, 保证发酵液必须的溶解氧 。
④ 发酵罐应具有足够的冷却面积 。 这是因为微生物生长代谢过程放出大量的
热量必须通过冷却来调节不同发酵阶段所需的温度 。
⑤ 发酵罐应尽量减少死角, 避免藏垢积污, 灭菌能彻底 。
⑥ 搅拌器轴封应严密, 尽量减少泄漏 。
? 标准发酵罐的几何尺寸
? H/D=1.7~4
? d/D=1/2~1/3
? W/D=1/8~1/12
? B/D=0.8~1.0
? (s/d)2=1.5~2.5
? (s/d)3=1~2
2,发酵罐的部分部件
① 搅拌器和挡板
搅拌器分平叶式, 弯叶式, 箭叶式三种, 国外多用平叶, 我
国多用弯叶 。
其作用是打碎气泡, 使空气与溶液均匀接触, 使氧溶解于
醪液中 。
挡板的作用：
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。
全挡板条件是指在一定转数下再增加罐内附件而
轴功率仍保持不变。
达到全挡板条件的要求，须满足：
? ?
）－挡板宽度（
－挡板数
）－罐直径（
mmW
z
mmD
z
D
D
z
D
W
5.0
2.0~1.0
???
?
?
?
?
?
② 消泡器
消泡器的作用是将泡沫打破 。 最常用的形式有锯齿
式, 梳状式及孔板式 。
孔板式的孔径约 10～ 20mm。
③ 空气分布装置
单管式分布装置：
管口正对罐底中央, 与罐底的距离约 40mm,这样的空气
分散效果较好 。
环形管的分布装置：
以环径为搅拌器直径的 0.8倍较有效, 喷孔直径为 φ 5～
8mm,喷孔向下, 喷孔的总截面积约等于通风管的截面积 。
空气流速取,sec 20m
④轴封
填料函式轴封的优点是结构简单 。
主要缺点是：
① 死角多, 很难彻底灭菌, 易渗漏和灭菌
② 轴的磨损较严重
③ 填料压紧后摩擦功率消耗大
④ 寿命短
端面式轴封又叫机械轴封 。
优点：
① 清洁
② 密封可靠, 在较长地使用期中, 不会泄漏或很少
泄漏
③ 无死角, 可以防止杂菌污染
④ 使用寿命长, 质量好的可用 2～ 5年不需维修 。
⑤ 摩擦功率耗损小, 一般为填料函式的 10～ 50％ 。
⑥ 轴或轴套不受磨损
⑦ 它对轴的精度和光洁度没有填料函那么要求严格,
对轴的震动敏感性小 。
,二, 自吸式发酵罐
自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机, 而在搅拌过
程中自吸入空气的发酵罐 。
应用：
医药工业, 酵母工业, 生产葡萄糖酸钙, 力复霉素,
维生素 C,酵母, 蛋白酶等 。 取得了良好的成绩 。
自吸式发酵罐优点：
① 节约空气净化系统中的空气压缩机, 冷却器, 油水分
离器, 空气贮罐, 总过滤器设备, 减少厂房占地面积 。
② 减少工厂发酵设备投资约 30％ 左右 。
③ 设备便于自动化, 连续化, 降低老定强度, 减少劳动
力 。
④ 设备结构简单, 溶氧效率高, 操作方便 。
缺点：由于罐压较低, 对某些产品生产容易造成染菌 。
工作原理：
自吸式发酵罐的构件主要使自吸搅拌器和导轮, 又称转子及定子 。 转
子由罐底向上升入的主轴带动, 当转子转动时空气则由导气管吸入 。 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, 则流体的动
能也愈大, 流体离开转子时, 由动能转变为压力能也愈大, 排出的风量也
越大 。 当转子空膛内的流体从中心被甩向外缘时, 在转子中心处形成负压,
转子转速愈大, 所造成的负压也愈大, 由于转子的空膛用管子与大气相通,
因此大气的空气不断地被吸入, 甩向叶轮的外缘, 通过导向叶轮而使气液
均匀分布甩出 。 由于转子的搅拌作用, 气液在叶轮周围形成强烈的混合流
（ 湍流 ）, 使刚离开叶轮的空气立即在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, 因此自吸式充气装置在搅
拌的同时完成了充气作用 。
三, 带升式发酵罐
带升式罐特点：
结构简单, 冷却面积小；
无搅拌传动设备, 节约动了约 50％, 节约钢材；
操作无噪音；
料液可充满达 80～ 90％, 而不需加消泡剂；
维修, 操作及清洗简便, 减少杂菌感染 。
缺点：
不能代替好气量较小的发酵罐, 对于粘度大的发酵液溶
氧系数较低 。
工作原理：
在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部
相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空
气喷咀，空气喷咀以 250～ 300m/s的速度喷入上升管，
借喷咀的作用使空气泡分割细碎，与上升管的发酵液
密切接触。由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气
的喷流动能，使上升管的液体上升，罐内液体下降而
进入上升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶
解气量，使发酵正常进行。
四, 伍式发酵罐
主要部件是套筒, 搅拌器 。
工作原理：
搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内
返回罐底，搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘
上，兼作空气分配器。空气由空心轴导入，经过搅拌
器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相混合，发
酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下降，形成循环。
这种发酵罐多应用纸浆废液发酵生产酵母。设备的缺
点是结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较高。
五, 文氏管发酵罐
工作原理：
用泵将发酵液压入文氏管中, 由于文氏管的收缩段中
液体的流速增加, 形成真空将空气吸入, 并使气泡分散与
液体混合, 增加发酵液中的溶解氧 。
优点：
吸氧的效率高, 气, 液, 固三相均匀混合, 设备简单,
无须空气压缩机及搅拌器, 动力消耗省 。
缺点：
气体吸入量与液体循环量之比降低, 对于耗氧量较大的
微生物发酵不适宜 。
? 图中 A,B,C和 D是用于发酵罐底部的喷嘴； E
和 F是装在发酵罐上部的喷嘴 。 这些喷嘴分别
具有不同的特点和功能：
? A是气液两相自喷射喷嘴；
? B是两相喷嘴, 中心喷嘴是液相, 气体从周围
吸入；
六, 塔式发酵罐
特点：
罐子高, 高：径 =6左右, 罐内装有导流筒 。 由于液位
高, 空气利用率高, 节省空气约 50％, 节省动力约 30％,
不用搅拌器, 设备简单, 但底部有沉淀物；温度高时降温
较难 。
§ 2.发酵罐的比拟放大
比拟放大的基本方法, 首先是必须找出系统中的各有关
参数, 把这些参数组成几个具有一定物理含义的无因次
数, 并且建立它们之间的函数式, 然后用实验的方法在
试验设备里求出函数式中所包含的常数和指数, 则这个
关系式便可用作与此试验设备几何相似的大型设备的设
计 。 这个方法也就是化工过程研究常采用的基本方法之
一 。
微生物反应通风搅拌罐放大的方法：
1,以体积溶氧系数为基准的放大 。
2,以单位培养液体积搅拌功率相等为基准的放
大 。
3,以搅拌涡轮尖端线速率为基准的比拟放大 。
4、以混合时间相等为基准的比拟放大。
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
大型发酵罐
搅拌装置
动物细胞反应器
? 一个优良的培养装置应具有：
? 严密的结构
? 良好的液体混合性能
? 高的传质和传热速率
? 灵敏的检测和控制仪表
根据反应是否需要氧气为基准
微生物反应器可分为, 需氧微生物反应器 （ 通气发酵罐 ）
厌氧微生物反应器 （ 嫌气发酵罐 ）
酒精发酵罐
酵母将糖转化为酒精高转化率条件
(1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件
(2)一定的生化反应时间
(3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热
厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）
酒精发酵罐的结构要求
? 满足工艺要求, 有利于发酵的排出
? 从结构上有利于发酵液的排出
? 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。
酒精发酵罐筒体结构
? 为圆柱形, 底盖和顶盖均为碟形或锥形 。
? 在酒精发酸过程中, 为了回收二氧化碳气体及其所带
出的部分酒精, 发酵罐宜采用密闭式 。
? 罐顶装有人孔, 视镜及二氧化碳回收管, 进料管, 接
种管, 压力表和测量仪表接口管等 。
? 罐底装有排料口和排污口；
? 罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型发酵
耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。
啤酒发酵设备
厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）
§ 1.通气搅拌罐
通气搅拌罐有下列优点：
⑴ pH和温度容易控制
⑵ 尺寸放大的方法大致已确定
⑶ 适用于 CSTR等 。
通气搅拌罐的缺点：
⑴ 搅拌功率消耗大
⑵ 因罐内结构复杂, 不易清洗干净, 易被杂菌污染 。 此
外, 虽装有无菌密封装置, 但在轴承处还会发生杂菌污
染 。
⑶ 培养丝状菌时, 常用搅拌桨叶的剪切力致使菌丝易被
切断, 细胞易受损伤 。
一, 机械搅拌发酵罐
搅拌的作用：
① 液体通风后进入的气泡在搅拌中随着液体旋转使之所走
路程延长, 使发酵液中保持的空气数量增加, 实际上是增
加了传质量 。
② 通过搅拌, 大气泡被搅拌器打碎, 增加比表面积 。
③ 搅拌速度越快, 搅拌雷诺准数增加, 增加了传氧速率 。
1,发酵罐的基本条件
① 发酵罐应具有适宜的高径比 （ 一般高度与直径之比为 1.7～ 4倍 ）
② 发酵罐能承受一定的压力：
③ 发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合, 保证发酵液必须的溶解氧 。
④ 发酵罐应具有足够的冷却面积 。 这是因为微生物生长代谢过程放出大量的
热量必须通过冷却来调节不同发酵阶段所需的温度 。
⑤ 发酵罐应尽量减少死角, 避免藏垢积污, 灭菌能彻底 。
⑥ 搅拌器轴封应严密, 尽量减少泄漏 。
? 标准发酵罐的几何尺寸
? H/D=1.7~4
? d/D=1/2~1/3
? W/D=1/8~1/12
? B/D=0.8~1.0
? (s/d)2=1.5~2.5
? (s/d)3=1~2
2,发酵罐的部分部件
① 搅拌器和挡板
搅拌器分平叶式, 弯叶式, 箭叶式三种, 国外多用平叶, 我
国多用弯叶 。
其作用是打碎气泡, 使空气与溶液均匀接触, 使氧溶解于
醪液中 。
挡板的作用：
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。
全挡板条件是指在一定转数下再增加罐内附件而
轴功率仍保持不变。
达到全挡板条件的要求，须满足：
? ?
）－挡板宽度（
－挡板数
）－罐直径（
mmW
z
mmD
z
D
D
z
D
W
5.0
2.0~1.0
???
?
?
?
?
?
② 消泡器
消泡器的作用是将泡沫打破 。 最常用的形式有锯齿
式, 梳状式及孔板式 。
孔板式的孔径约 10～ 20mm。
③ 空气分布装置
单管式分布装置：
管口正对罐底中央, 与罐底的距离约 40mm,这样的空气
分散效果较好 。
环形管的分布装置：
以环径为搅拌器直径的 0.8倍较有效, 喷孔直径为 φ 5～
8mm,喷孔向下, 喷孔的总截面积约等于通风管的截面积 。
空气流速取,sec 20m
④轴封
填料函式轴封的优点是结构简单 。
主要缺点是：
① 死角多, 很难彻底灭菌, 易渗漏和灭菌
② 轴的磨损较严重
③ 填料压紧后摩擦功率消耗大
④ 寿命短
端面式轴封又叫机械轴封 。
优点：
① 清洁
② 密封可靠, 在较长地使用期中, 不会泄漏或很少
泄漏
③ 无死角, 可以防止杂菌污染
④ 使用寿命长, 质量好的可用 2～ 5年不需维修 。
⑤ 摩擦功率耗损小, 一般为填料函式的 10～ 50％ 。
⑥ 轴或轴套不受磨损
⑦ 它对轴的精度和光洁度没有填料函那么要求严格,
对轴的震动敏感性小 。
,二, 自吸式发酵罐
自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机, 而在搅拌过
程中自吸入空气的发酵罐 。
应用：
医药工业, 酵母工业, 生产葡萄糖酸钙, 力复霉素,
维生素 C,酵母, 蛋白酶等 。 取得了良好的成绩 。
自吸式发酵罐优点：
① 节约空气净化系统中的空气压缩机, 冷却器, 油水分
离器, 空气贮罐, 总过滤器设备, 减少厂房占地面积 。
② 减少工厂发酵设备投资约 30％ 左右 。
③ 设备便于自动化, 连续化, 降低老定强度, 减少劳动
力 。
④ 设备结构简单, 溶氧效率高, 操作方便 。
缺点：由于罐压较低, 对某些产品生产容易造成染菌 。
工作原理：
自吸式发酵罐的构件主要使自吸搅拌器和导轮, 又称转子及定子 。 转
子由罐底向上升入的主轴带动, 当转子转动时空气则由导气管吸入 。 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, 则流体的动
能也愈大, 流体离开转子时, 由动能转变为压力能也愈大, 排出的风量也
越大 。 当转子空膛内的流体从中心被甩向外缘时, 在转子中心处形成负压,
转子转速愈大, 所造成的负压也愈大, 由于转子的空膛用管子与大气相通,
因此大气的空气不断地被吸入, 甩向叶轮的外缘, 通过导向叶轮而使气液
均匀分布甩出 。 由于转子的搅拌作用, 气液在叶轮周围形成强烈的混合流
（ 湍流 ）, 使刚离开叶轮的空气立即在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, 因此自吸式充气装置在搅
拌的同时完成了充气作用 。
三, 带升式发酵罐
带升式罐特点：
结构简单, 冷却面积小；
无搅拌传动设备, 节约动了约 50％, 节约钢材；
操作无噪音；
料液可充满达 80～ 90％, 而不需加消泡剂；
维修, 操作及清洗简便, 减少杂菌感染 。
缺点：
不能代替好气量较小的发酵罐, 对于粘度大的发酵液溶
氧系数较低 。
工作原理：
在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部
相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空
气喷咀，空气喷咀以 250～ 300m/s的速度喷入上升管，
借喷咀的作用使空气泡分割细碎，与上升管的发酵液
密切接触。由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气
的喷流动能，使上升管的液体上升，罐内液体下降而
进入上升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶
解气量，使发酵正常进行。
四, 伍式发酵罐
主要部件是套筒, 搅拌器 。
工作原理：
搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内
返回罐底，搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘
上，兼作空气分配器。空气由空心轴导入，经过搅拌
器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相混合，发
酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下降，形成循环。
这种发酵罐多应用纸浆废液发酵生产酵母。设备的缺
点是结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较高。
五, 文氏管发酵罐
工作原理：
用泵将发酵液压入文氏管中, 由于文氏管的收缩段中
液体的流速增加, 形成真空将空气吸入, 并使气泡分散与
液体混合, 增加发酵液中的溶解氧 。
优点：
吸氧的效率高, 气, 液, 固三相均匀混合, 设备简单,
无须空气压缩机及搅拌器, 动力消耗省 。
缺点：
气体吸入量与液体循环量之比降低, 对于耗氧量较大的
微生物发酵不适宜 。
? 图中 A,B,C和 D是用于发酵罐底部的喷嘴； E
和 F是装在发酵罐上部的喷嘴 。 这些喷嘴分别
具有不同的特点和功能：
? A是气液两相自喷射喷嘴；
? B是两相喷嘴, 中心喷嘴是液相, 气体从周围
吸入；
六, 塔式发酵罐
特点：
罐子高, 高：径 =6左右, 罐内装有导流筒 。 由于液位
高, 空气利用率高, 节省空气约 50％, 节省动力约 30％,
不用搅拌器, 设备简单, 但底部有沉淀物；温度高时降温
较难 。
§ 2.发酵罐的比拟放大
比拟放大的基本方法, 首先是必须找出系统中的各有关
参数, 把这些参数组成几个具有一定物理含义的无因次
数, 并且建立它们之间的函数式, 然后用实验的方法在
试验设备里求出函数式中所包含的常数和指数, 则这个
关系式便可用作与此试验设备几何相似的大型设备的设
计 。 这个方法也就是化工过程研究常采用的基本方法之
一 。
微生物反应通风搅拌罐放大的方法：
1,以体积溶氧系数为基准的放大 。
2,以单位培养液体积搅拌功率相等为基准的放
大 。
3,以搅拌涡轮尖端线速率为基准的比拟放大 。
4、以混合时间相等为基准的比拟放大。
