发酵罐的多样类型与结构特点及放大设计原则

admin

一、发酵罐的类型及结构

发酵罐主要由釜体、搅拌装置、传热装置和轴封装置等部分组成。其中，釜体是发酵罐的核心部分，由筒体和两个封头构成，它为微生物发酵提供了必要的反应空间。搅拌装置则包括传动装置、搅拌轴以及搅拌器，其作用是确保各种反应物料能够均匀混合，从而加速化学反应的进程。

此外，发酵罐的设计和制造必须满足一系列严格的要求，包括足够的强度、良好的密封性、耐腐蚀性以及稳定性。同时，发酵罐在工作过程中需要保持清洁卫生，并能够恒定地控制反应温度，以利于发酵菌的活性发挥。此外，搅拌器的设计也是关键，它不仅需要确保物料混合均匀，还需要强化传热效果，及时移除发酵过程中产生的热量，从而保证反应过程的顺利进行。

二、发酵罐的多样类型

发酵罐，作为微生物发酵的核心设备，其类型多样，适应不同的发酵需求。根据不同的分类标准，发酵罐可分为多种类型，如按操作方式可分为间歇式、连续式和半连续式发酵罐；按结构特点则可分为机械搅拌式、自吸式和空气升液式发酵罐等。这些不同类型的发酵罐，在发酵工艺、操作方式以及设备结构上各有差异，为满足不同的发酵需求提供了灵活的选择。
1、通用式发酵罐：通用式发酵罐，配备通气和搅拌装置，是工业发酵中应用最广泛的类型。其机械搅拌功能在于使发酵液充分混合，维持固性物料悬浮，并强化空气气泡的破碎，从而提高气液间的氧传递速率。

2、气升式发酵罐：此类发酵罐以无菌压缩空气为提升力，通过发酵液的上下翻动实现混合与传质传热。其特点包括结构简明、无轴封设计，从而降低了污染风险；同时，高效的氧传质与低能耗特性以及便捷的安装维修也备受推崇。

3、管道式发酵罐：以发酵液流动替代搅拌，实现通气混合与传质目的。该类型尚处于试验阶段，但适用于对无菌要求不高的发酵工艺。

4、固定化发酵罐：一种在圆筒形容器中填充固定化酶或微生物进行生物催化反应的装置。其优势在于高生物利用率，并提供填充床和流化床两种选择。

5、自吸式发酵罐：无需其他气源，通过搅拌器中央吸气口自吸入过滤空气。特别适合耗氧量低的发酵类型。

6、伍式发酵罐：其关键部件为套筒和搅拌器。搅拌时，液体沿套筒上升至液面后经套管返回罐底，形成循环。该类型多用于纸浆发酵液生产酵母，但结构较复杂，清洁与功率消耗需注意。

三、发酵罐结构详解：

（1）外形、结构及尺寸：发酵罐的外形设计、整体结构以及几何尺寸对其性能和使用效果产生直接影响。
（2）搅拌装置：搅拌装置的核心作用是促进发酵液中的物质混合与传质，其效率直接影响发酵过程。
（3）挡板设计：挡板通过改变液流方向，从径向流转变为轴向流，从而增强液体的翻动程度，进一步提高溶解氧的效率。
（4）空气分布装置：该装置负责将无菌空气均匀分配到发酵罐中，确保发酵过程的稳定性和效率。
空气分布装置的核心作用是均匀吹入无菌空气。其设计形式多样，包括单管和环形管等。单管式分布装置，其管口正对罐底中央，位于最低搅拌器下方，喷口朝下，与罐底的距离约为40mm，以确保最佳的空气分散效果。这个距离可以根据溶氧情况灵活调整。当空气通过分布管上升时，搅拌器将其打碎成小气泡，从而增强与醪液的混合，进一步提升气液传质效率。

相比之下，环形管分布装置在环径等于0.8Di（搅拌器直径）时效果最佳。其喷孔直径为5~8mm，方向朝下，且总截面积约等于通风管截面积。然而，这种分布装置的空气分散效果略逊于单管式，且喷孔容易堵塞。

此外，发酵罐还配备了消泡器，其作用是破碎气泡、改善供氧并防止染菌。另一方面，夹套式换热装置是发酵罐的重要组成部分，尤其适用于小容积发酵罐和种子罐。这种装置简单易加工，且罐内无冷却设备，死角少，便于清洁灭菌，有利于发酵。但其传热壁较厚，冷却水流速较低，因此降温效果欠佳。为了增强换热效果并强化罐身，夹套内通常设置螺旋片导板。

接下来，我们将深入探讨通用式发酵罐的设计与放大。
1、原则：在放大发酵罐的设计时，首要考虑的是其是否能够满足生产工艺的需求，并实现最高的生产效率。这涉及到多个关键因素，包括微生物的生长速度、产物的转化率，以及发酵罐的传递性能，如传质效率、传热效率以及混合效率。提升发酵罐的生产能力，核心在于解决放大过程中可能出现的传递性能下降问题，也就是通过优化设计来增强其传质、传热和混合的效果。
2、设计的基本要求包括：

• 适宜的径高比：确保能够承受一定的压力，同时破碎气泡并实现良好混合，从而保证充足的溶解氧供应。
• 高效的循环冷却和加热系统：内壁经过抛光处理，减少死角，便于彻底灭菌操作。
• 严密的轴封设计：避免泄露现象，确保能耗低、传递效率高。
• 机械消泡装置的安装：有效去除发酵过程中产生的泡沫。
• 配备必要的传感器和补料装置：实时监测发酵状态，提高发酵水平。
  

四、发酵罐的放大设计

在发酵罐的设计中，遵循单位相似原则至关重要。这涉及到放大准则，如单位体积溶氧系数、单位体积功率以及末端剪切力，它们是确保发酵罐性能稳定的关键因素。同时，我们也需掌握不同的放大方法，如经验放大法、量纲分析法和时间常数法，以适应不同的发酵需求。

在电机选配方面，我们需要综合考虑搅拌功率、启动因素以及减速传动装置的机械效率。通常，高速小直径的设计更利于微观混合，但可能对设备造成损伤；而低速大直径的设计则更利于宏观混合，但传递效率可能较低。因此，在选择时，我们需要根据实际情况进行权衡，以找到最佳的平衡点。