1.1發(fā)酵罐的結構型式及發(fā)酵領域的應用
發(fā)酵過程可以通過固體培養(yǎng)和深層浸沒培養(yǎng)完成，從生產(chǎn)分為間隙分批、半連續(xù)和連續(xù)發(fā)酵等，但是工業(yè)化大規(guī)模的發(fā)酵過程，則以通氣純種深層液體培養(yǎng)為主。
通氣純種培養(yǎng)的發(fā)酵罐型式有標準式發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、噴射式葉輪發(fā)酵罐、外循環(huán)發(fā)酵罐和多孔板塔式發(fā)酵罐等。
自吸式發(fā)酵罐系通過發(fā)酵罐內(nèi)葉輪的高速轉(zhuǎn)動，引成真空將空氣吸入罐內(nèi)，由于葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的真空，其吸入壓頭和空氣流量有一定限制，因而適用于對通氣量要求不高的發(fā)酵品種；
塔式發(fā)酵罐是將發(fā)酵液置于多層多孔塔板的細長罐體內(nèi)（亦稱高位篩板塔式），在罐底部通入無菌空氣，通過氣體分散進行氧的傳遞，因而其供氧量受到了一定限制；
氣升式發(fā)酵罐、噴射式葉輪發(fā)酵罐、外循環(huán)發(fā)酵罐均是通過無菌空氣在罐內(nèi)*管或通過旋轉(zhuǎn)的噴射管和罐外噴射泵使發(fā)酵液按照一定規(guī)律運行，從而達到氣液傳質(zhì)的效果，目前氣升式發(fā)酵罐在培養(yǎng)其較稀薄，供氧量要求不太高的條件下（如VC發(fā)酵）得到了使用。但在發(fā)酵工業(yè)中，仍數(shù)兼具通氣又帶攪拌的標準式發(fā)酵罐用途zui為普遍，標準式發(fā)酵罐被廣泛應用于抗生素、氨基酸、檸檬酸等各個領域。
重點介紹標準發(fā)酵罐的設計，對機械攪拌的自吸式發(fā)酵罐、空氣帶升環(huán)流式發(fā)酵罐和高位塔式發(fā)酵罐僅作簡要介紹。
1.1.1機械攪拌自吸式發(fā)酵罐
是一種無需氣源供應空氣的發(fā)酵罐，該發(fā)酵罐zui關鍵部件是帶有*吸氣口的攪拌器。目前國內(nèi)采用自吸式發(fā)酵罐中的攪拌器是帶有固定導輪的三棱空心葉輪，葉輪直徑d為罐徑D的1/3，葉輪上下各有一塊三棱形平板，在旋轉(zhuǎn)方向的前側(cè)夾有葉片，其各部件尺寸比例關系見表10-1。當葉輪向前旋轉(zhuǎn)時，葉片與三棱形平板內(nèi)空間的液體被甩出而形成局部真空，于是將罐外空氣通過攪拌器中心的吸入管而被吸入罐內(nèi)，并與高速流動的液體撞擊形成細小的氣泡，氣液混合流通過導輪流入到發(fā)酵液主體。導輪由16塊具有一定曲率的翼片組成，排列于攪拌器的外圍，翼片上下有固定圈予以固定。
自吸式發(fā)酵罐的缺點是進罐空氣處于負壓，因而增加了染菌機會。其次是這類罐攪拌轉(zhuǎn)速甚高，有可能使菌絲被攪拌器切斷，使正常生產(chǎn)受到影響。所以在抗生素發(fā)酵上較少采用。但在食醋發(fā)酵、酵母培養(yǎng)、生化曝氣方面已有成功使用的實例。
表:三棱形攪拌器各部件的尺寸比例關系
| 部件尺寸 | 與葉徑比例 | 部件尺寸 | 與葉徑比例 |
| 葉輪外徑d | 1d | 翼葉角a | 45o |
| 槳葉長度l | 9/16d | 間隙δ | 1～2.5mm |
| 葉輪高度h | 1/4d | 葉輪外緣h1 | h+2b |
| 導輪外徑ф3 | 1d |
據(jù)有關文獻報道，三棱形攪拌器的吸氣量和液體的流動程度有一定關系?？捎墒剑?span>10-1）表示。
f （ Na,Fr）=0 （10-1）
式中Na——吸氣數(shù)，Na= ；
Fr——弗魯特數(shù)，Fr=
d——葉輪直徑，m；
n——葉輪轉(zhuǎn)速，s-1；
Q——吸氣量，m3/s；
——重力加速度， =9.81m/s2。
由實驗數(shù)據(jù)歸納，吸氣量的大小是隨液體運動的程度而變化的，當液體受到攪拌器的推動時，在克服重力影響達到一定程度后，吸氣準數(shù)就不受重力準數(shù)Fr的影響而趨于常數(shù)，此點稱為空化點。在空化點上，吸氣量與攪拌器的泵出流量成正比。
1.1.2空氣帶升環(huán)流式發(fā)酵罐
空氣帶升環(huán)流式發(fā)酵罐根據(jù)環(huán)流管安裝位置可分為內(nèi)環(huán)流式與外環(huán)流式兩種。在環(huán)流管底部裝置空氣噴嘴，空氣在噴嘴口以250～300m/s的高速噴入環(huán)流管。由于噴射作用，氣泡被分散于液體中，依靠環(huán)流管內(nèi)氣-液混合物的密度與發(fā)酵罐主體中液體密度之間的差，使管內(nèi)氣-液混合流連續(xù)循環(huán)流動。罐內(nèi)的培養(yǎng)液中之溶解氧由于菌體的代謝而逐漸減少，而其通過環(huán)流管時，由于氣-液接觸而重新達到飽和。
為使環(huán)流管內(nèi)氣泡被進一步破碎分散，增加氧的傳遞速率，近年來在環(huán)流管內(nèi)安裝靜態(tài)混合元件，取得了較好效果。
發(fā)酵液必須維持一定的環(huán)流速度以不斷補充氧，使發(fā)酵液保持一定的溶氧濃度，滿足微生物發(fā)酵的需要。發(fā)酵液在環(huán)流管內(nèi)循環(huán)一次所需要的時間，稱為循環(huán)周期。培養(yǎng)不同的微生物時，由于菌的耗氧速率不同，所要求的循環(huán)周期亦有所不同。如果供氧速率跟不上，會使菌的活力下降而減少發(fā)酵產(chǎn)率。據(jù)報道，黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)糖化酶時，當菌體濃度為7%時，要求循環(huán)周期為2.5～3.5min，不得大于4min，否則會造成缺氧而使糖化酶活力急劇下降。
在設計環(huán)流式發(fā)酵罐時，還應注意環(huán)流管高度對環(huán)流效率的影響，實驗表明環(huán)流管高度應大于4m。罐內(nèi)液面也不能低于環(huán)流管出口，否則將明顯降低效率。但過高的液面高度，可能產(chǎn)生“環(huán)流短路”現(xiàn)象，使罐內(nèi)溶氧分布不均勻。一般罐內(nèi)液面不高于環(huán)流管出口1.5m。
1.1.3高位塔式發(fā)酵罐
這是一種類似塔式反應器的發(fā)酵罐，其H/D值約為7左右，罐內(nèi)裝有若干塊篩板，壓縮空氣由罐底導入，經(jīng)過篩板逐漸上升，氣泡在上升過程中帶動發(fā)酵液同時上升，上升后的發(fā)酵液又通過篩板上帶有液封作用的降液管下降而形成循環(huán)。這種發(fā)酵罐的特點是省去了機械攪拌裝置，如培養(yǎng)基濃度適宜，而且操作得當?shù)脑?，在不增加空氣流量的情況下，可接近標準式發(fā)酵罐的發(fā)酵水平，但由于液位較高，通入的壓縮空氣壓力需相應提高。
國內(nèi)工廠曾用過容積為40m2的高位塔式發(fā)酵罐生產(chǎn)抗生素，該罐直徑2m，總高為14m，共裝有篩板6塊，篩板間距為1.5m，zui下面的一塊篩板有直徑10mm的小徑2000個，上面5塊篩板各有直徑10mm小孔6300個，每塊篩板上都有一個ф450mm的降液管，在降液管下端的水平面與篩板之間的空間則是氣-液充分混合區(qū)。由于篩板對氣泡的阻擋作用，使空氣在罐內(nèi)停留較長時間，同時在篩板上大氣泡被重新分散，進而提高了氧的利用率。這種發(fā)酵罐由于省去了機械攪拌裝置，造價比標準式發(fā)酵罐要低。
1.2標準式發(fā)酵罐
標準式發(fā)酵罐是純種培養(yǎng)生物工程中使用得zui為普遍的發(fā)酵罐，據(jù)不*統(tǒng)計，約占發(fā)酵罐總數(shù)的80%～90%以上，隨著發(fā)酵產(chǎn)品需求量增加，發(fā)酵過程控制和檢測水平提高，對發(fā)酵機理的了解，以及空氣無菌處理技術水平的提高，發(fā)酵罐的容積增大已成為生物發(fā)酵工業(yè)的趨勢。
1.2.1罐的幾何尺寸
發(fā)酵罐的公稱容積Vo，一般系指筒身容積Vo與底封頭容積Vb之和。底封頭容積Vb可根據(jù)封頭的直徑查手冊求得，也可以近似地用式（10-2）計算。
Vo=Vc+Vb= D2H+0.15D3 （10-2）
式中，H為筒體高度；D為筒體直徑。
發(fā)酵罐的高徑比H/D是罐體zui主要的幾何尺寸，一般隨著罐體高度和液層增高，氧氣的利用率將隨之增加，容積傳氧系數(shù)KLa也隨之提高。但其增長不是線性關系，隨著罐體增高，KLa的增長速率隨之減慢；而隨著罐休容積增大，液柱增高，進罐的空氣壓力隨之提高，伴隨空壓機的出口壓力提高和能耗增加；而且壓力過大后，特別是在罐底氣泡受壓后體積縮小，氣液界面的面積可能受到影響；過高的液住高度，雖增加了溶氧的分壓，但同樣增加溶解二氧化碳分壓，增加了二氧化碳濃度，對某些發(fā)酵品種又可能抑制其生產(chǎn)；而且罐體的高度，同廠房高度密切相關。因而發(fā)酵罐的H/D值，既有工藝的要求，也應考慮車間的經(jīng)常費用和工程的一次造價，必須綜合考慮后予以確定。
一般標準式發(fā)酵罐的H/D=1.8～2.8，常用的為2～2.5。對于細菌發(fā)酵罐來說，筒體高度H與罐直徑D的比宜為2.2～2.5，對于放線菌的發(fā)酵罐H/D一般宜取為1.8～2.2，當發(fā)酵罐容積較小時（80m3以下），H/D值宜取上限，而大型發(fā)酵罐（100m3以上）則宜偏下限。
1.2.2通氣和攪拌
好氧發(fā)酵是一個復雜的氣、液、固三相傳質(zhì)和傳熱的過程，良好的供氧條件和培養(yǎng)基的混合是保證發(fā)酵過程傳熱和傳質(zhì)必要條件。
好氧發(fā)酵需要通往充沛的空氣，以滿足微生物需氧要求，因而空氣通入量越大，微生物獲得氧可能越多；其次培養(yǎng)液層越高；空氣在培養(yǎng)基停留時間就有可能增加，有益于微生物利用空氣中的氧；但是空氣中氧是通過培養(yǎng)基傳遞給微生物，傳遞速率很大程度上取決于氣液相的傳質(zhì)面積，也就是說取決于氣泡的大小和氣泡的停留時間，氣泡越小和越分散就使微生物可以越充沛獲得氧氣，但是強化氣泡的粉碎單靠氣體分布器的形式和結構改善是不夠的，或者說效果是不明顯的，只有通過發(fā)酵罐內(nèi)的葉輪轉(zhuǎn)動將氣泡粉碎，才可獲得較佳的發(fā)酵供氧條件。
通過葉輪的攪拌作用，使培養(yǎng)基在發(fā)酵罐內(nèi)得到充分宏觀和微觀混合，盡可能使微生物在罐內(nèi)每一處均能得到充足氧氣和培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，此外良好的攪拌有利于微生物發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量傳遞給內(nèi)蛇管和發(fā)酵罐的外盤管的冷卻介質(zhì)。這就是具有通氣和攪拌的標準式發(fā)酵罐普遍使用于生化工程的原因。
（1） 通氣裝置
通氣裝置是指將無菌空氣導入培養(yǎng)基中的裝置，zui簡單的通氣裝置是一單孔管，單孔管的出口位于罐的*，開口向下，以免培養(yǎng)基中固體物質(zhì)在開口處堆積和罐底固形物質(zhì)沉淀。有人曾建議采用多孔環(huán)管作為通氣裝置，但由于發(fā)酵過程通氣量較大氣泡直徑與通氣量和攪拌有關，山分布器的孔徑關系極小，在強烈攪拌下，實驗證明多孔分布器對氧的傳遞效果并不比單孔管為好，相反還會造成不必要的壓力損失及小孔堵塞的麻煩，故不宜采用。
近年來由于發(fā)酵罐容積的增大，為了保證攪拌系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在罐底設置了底軸承，因而占去了空氣管的位置，為了使空氣分布仍據(jù)*，提出了將空氣管在罐內(nèi)分散成3～4個口，使其均勻分布在罐*附近的設計方案。
（2） 攪拌葉輪
發(fā)酵罐內(nèi)安裝攪拌器首先用來分散氣泡以得到盡可能高的KLa值。此外還要使被攪拌的發(fā)酵液循環(huán)來增加氣泡的平均停留時間，并在整個系統(tǒng)中均勻分布，阻止其聚并。
早先的機械攪拌式發(fā)酵罐通常裝有數(shù)個徑向圓盤渦輪攪拌器，但容易使被攪拌的介質(zhì)分層而成幾個區(qū)，因而在罐下部和上部之間形成氧分壓梯度，導致罐內(nèi)上、下部之間KLa值差異。
近年來發(fā)酵罐的攪拌系統(tǒng)多采用在罐底部裝有一個用來分散空氣的渦輪攪拌器，在其上部再安裝一組軸流式攪拌器，用來循環(huán)培養(yǎng)介質(zhì)、均勻分布氣泡、強化熱量傳遞和消除罐內(nèi)上、下部之間含氧量梯度。
常用的幾種攪拌器如下。
① 帶圓盤敞式渦輪攪拌器（D-6）型H.Rushton在20世紀40年代開發(fā)的D-6型攪拌器，目前普遍使用的直葉、彎葉和箭式蝸輪均屬此類攪拌器，其特點如下。
a. 具圓盤、敞開式，通常有6個葉片（也可4片或8片）；葉片寬度/葉徑=0.2圓盤直徑=2/3葉徑。
b. 用于摻合（blending）和固體懸浮的效果不夠理想。
c. 可產(chǎn)生高湍流，有利于氣-液分散。
d. 由于揚送量低，在高通氣速率時容易產(chǎn)生“氣泛”。
e. 葉片要均勻分布，以求穩(wěn)定。
② 傾斜葉片（pitched blade）渦輪（P-4）
于20世紀60年代推出，其特點如下。
a. 通常采用4個葉片，傾斜角450，角度固定，典型的葉片寬度/葉徑=0.2。
b. 在摻合和固體懸浮等作業(yè)中，流速控制優(yōu)于D-6型攪拌器。
c. 用于氣體分散，效果不如D-6型攪拌器。
d. 宜用于中等流量和中等剪切力的情況。
③ 反向傾斜（Reversing pitch）攪拌器
由Ekato公司在20世紀60年代開發(fā)，其特點如下。
a. 內(nèi)側(cè)葉片向上推，外側(cè)葉片向下推；基本上屬于徑向流動。
b. 不宜于固體懸浮和摻合作業(yè)；處理氣體能力遠不如D-6型葉輪。
④ 軸流式攪拌器
20世紀80年代開發(fā)，如Lightning公司的A-310； Chemineer公司的HE-3；Robin公司的HPM-30等，其特點如下。
a. 在輪轂的切入角小；頂端翼弦角（chord angle）較小。
b. 與液體流型吻合的前緣（contoured leading edge），可以減少流動分離。
c. 通常采用3～4個葉片；雖然不宜用于氣體分散，但控制罐內(nèi)流型的性能好。
⑤ 混合流攪拌器
20世紀80年代開發(fā)，如Lightning公司開發(fā)的A-315，Prochem公司的Maxfo-T等，其特點如下。
a. 4～6個葉片，前端凹進；寬葉片，盤面比（solidity）大，質(zhì)量也大；
b. 控制流速優(yōu)于P-4和D-6型葉輪通氣情況下不穩(wěn)定。
⑥ 凹葉徑流式（Concave blade radial）攪拌器（CD-6型）
20世紀80年代由J.Smith等人開發(fā)，其特點如下。
a. 外形類似D-6型攪拌器，但采用部分圓筒體作槳葉。
b. 據(jù)報道，在空氣-水系統(tǒng)中，處理氣體的能力比D-6型葉輪高250%，在工業(yè)發(fā)酵罐中在相同的P/V值和氣體表面線速度下，KLa值比D-6型攪拌器高150%～250%。
⑦ 徑流渦輪/軸流攪拌器的組合
20世紀80年代中期推出，其特點如下。
a. 罐底部裝徑向渦輪攪拌器，上部裝軸流攪拌器；
b. 總體流型（flow pattern）較好，*，無分層（staging）現(xiàn)象；
c. 對“氣泛”和混合時間有改善。
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