第2章 发酵设备
教学内容
本章主要内容：
1．反应器分类
2．反应器设计原则
3．厌氧反应器结构
4．各类常见好氧发酵罐结构
5．反应器的放大方法
利用生物催化剂进行反应的生物技术过程，其生物反应器在整个过程中，具有中心纽带的作用，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。在反应器内，生物催化剂 ( 酶或细胞 ) 作用于底物或基质合成细胞或产物，将廉价的原料升值为生化产品。
在生物反应过程中，若采用活细胞 ( 包括微生物、动物域植物细胞 ) 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，称为酶反应过程。相应的反应器也分为发酵罐、动植物细胞反应器和酶反应器。细胞反应器中的生物反应通过细胞中精确调控的酶系进行催化，所以比较复杂，经过一系列的生物反应将培养基的成分转化为新细胞或各种代谢产物。生物反应器的设计和操作，是生物工程中非常重要的工程问题，对产品的成本和质量有很大影响。微生物细胞反应过程，即发酵过程，以微生物的生命活动来获取各种产品，因此，发酵罐也围绕微生物的生命代谢活动展开。这就要求细胞生物反应器必须能保证生物体的生长特性和要求，满足生物体的不同生长阶段对温度、溶解氧、pH、渗透压等的不同要求，同时考虑生物体可能受到的剪应力影响，还要求在运行中达到无菌的要求。
反应器分类及设计的原则和 目标生物反应器应提供适宜生物体生长和产物形成的各种条件 ( 如维持适当的温度、溶解氧、pH 等 ) ，促迸微生物的代谢，达到低能耗、高产量的目的。同时还应满足无菌的要求。另外反应器的结构应尽量简单，便于清洗和灭菌。
第一节 反应器分类及设计的原则和目标
一、反应器的分类
1．根据生物作用剂的不同，生物反应器分为：
① 酶催化反应器:在酶催化反应器内进行的生化反应比较简单，酶与化学催化剂相似，在反应过程中本身不变化，与一般的化学反应器无大的区别。
② 细胞反应器:细胞反应器中进行的反应十分复杂，在反应的同时，细胞本身也增殖，同时为了使细胞能有效地维持催化活性，在反应过程中还必须避免受到外界各种杂菌的污染。细胞生物反应器中的生物反应通过细胞精确调控的酶系进行催化，经过一系列的生物反应将培养基的成分转化为新的细胞个体和各种代谢产物。
2．根据细胞或组织的代谢要求等可分为：
① 厌氧生物反应器：发酵过程中不需要通入空气或氧气，根据菌体的厌氧程度，甚至要通入二氧化碳或氮气等惰性气体，维持发酵罐内的罐压，防止染菌，满足生物体的厌氧水平。厌氧发酵罐常用于酒精、啤酒、丙酮丁醇的发酵生产。
② 好氧生物反应器：此类反应器根据搅拌方式的不同，又可分为机械搅拌式、气升式、自吸式等。前两者是在发酵过程中通入空气或氧气。后者则可自行吸入空气满足生物体的需求。机械搅拌式反应器靠搅拌器提供能量使发酵液循环、混合；气升式反应器靠通入的空气上升产生动力，带动发酵液循环、混合；而自吸式反应器是靠特殊的搅拌叶轮在搅拌过程中产生真空将空气吸入发酵罐内，不需另外供气。好氧反应器用于氨基酸、抗生素、酶制剂等的发酵生产。
③ 光照生物反应器：反应器的壳体部分全部采用透明材料，保证光能照射到反应器内物料，以利于光合作用的进行。一般配有照射光源，白天可利用日光。多用于植物细胞和组织及光合菌的生产。
④ 膜生物反应器：反应器内安装适当的部件作为生物体的附着体，或采用超滤膜将细胞控制在某一区域内进行反应。多用于基因工程菌或细胞的代谢生产。
3．根据反应器的结构特征，生物反应器可以分成罐式、管式、塔式、膜式等反应器。
二、反应器的设计目标和原则
生物反应器是进行生物反应的核心设备，无论是使用微生物、酶或动植物细胞 ( 或组织 ) 作为生物催化剂，所需要的反应器都应具备:① 严密的结构；② 良好的液体混合性能；③ 较高的传质、传热性能；④ 结构简单，能耗低；⑤ 配套而又可靠的检测和控制仪表。判断生物反应器好坏的唯一标准是该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。
生物反应器设计的主要目标是获取高质量、低成本的产品。而做到低成本的一个重要因素是增效节能。
生物反应器设计应遵循以下一些原则:
① 生物反应器应具有适宜的径高比。满足不同生物体生长代谢的溶氧和厌氧需求。 ② 应承受一定的压力。满足正常工作和灭菌时的压力、温度要求，因此罐体各部件要有一定的强度，能承受一定的压力。
③ 有搅拌通风装置的反应器应能使气液固三相充分混合，满足物料必须的溶氧需求。
④ 反应器应有恰当的冷却装置和冷却面积，满足生物体生长代谢过程中的温度要求。生物体的生长代谢会产生大量的热量，必须经过冷却将其移走。
⑤ 反应器应尽量减少死角，消除藏垢积污场所，保证灭菌彻底。
⑥ 尽量减少法兰连接，防止因设备震动和热膨胀，引起法兰连接处移位，造成污染。
⑦ 保证灭菌工作的顺利进行，培养系统中已灭菌部分与末灭菌部分之间不能直接连通；某些部分应能单独灭菌。
生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和传热。传质问题在基质不溶的反应过程中显而易见，在高耗氧的生物反应过程中则尤为突出。传热问题在放热的生物反应过程中尤为重要，为了保证生物反应器能在要求的温度下进行，热交换是大型的生物反应器设计的一个重要环节。
第二节 微生物细胞反应器 – 发酵罐
微生物细胞反应器即发酵罐，是发酵工厂的核心设备，必须具有适宜微生物生长和产物形成的各种条件，促进微生物的代谢，达到低能耗、高产量。因此微生物细胞反应器必须具备微生物生长的基本条件，如维持适当的温度、不同程度的无菌条件的要求等；反应器结构应尽量简单，便于清洗和灭菌。
按微生物对氧的需求，发酵罐可分为厌氧发酵罐和好氧发酵罐，厌氧发酵罐主要用于酒精、啤酒、丙酮、丁醇和乳酸等产品的生产。好氧发酵罐多用于氨基酸、抗生素、酶制剂等的生产。
一、密闭厌氧式发酵罐
密闭厌氧式发酵罐在工业生产中主要用于啤酒和酒精的生产。由于没有溶解氧的要求，其结构相对比较简单。
1．啤酒发酵罐
① 露天式锥底发酵罐:啤酒行业目前广泛采的发酵设备是圆筒体锥底发酵罐 ( 简称锥形罐 ) ，发酵罐最大容量达 1500 t 。是 20 世纪初期瑞士的 Nathan 发明，所以又称奈坦罐 。
发酵罐的冷却装置 般分 2 - 4 段，根据罐体 高度而定。罐锥底部分最好也能冷却。锥型罐的冷却形式多种多样，如扣槽钢却层内带导向板、罐外加氨管及长方形薄夹层螺旋、环形冷却带或米勒板式夹套内流动换热等。
常用隔热层材料有:聚酣胺树脂、自熄式聚苯乙烯塑料、膨胀珍珠岩和矿渣棉等。外保护层一般采用 0.7 - 1.5 mm 厚的合金铝板或 0.5 - 0.7 mm 的不锈钢。
由于锥型罐体积大，设备清洗均采用 CIP ( cleaning in place ) 清洗系统。
锥型壤的优点是发酵速度快，易于沉淀收集酵母 ( 下面酵母 ) ，减少啤酒及其苦味物质的损失，泡沫稳定性得到改善，对啤酒工业的发展极为有利。
② 联合罐:联合罐是一种在美国出现的称为 Universd 的发酵罐，是由带人孔的薄壳圆柱体、拱形顶及有足够斜度以排除酵母的锥底组成。
般圆柱部分高度和直径比为 ( 1 - l.3 ) : l ，罐璧设有冷却板，罐体基础采用钢筋混凝田柱体的形状按照壤底的斜度确定。圆柱体与罐体之间填入坚固的水泥沙浆，罐底与沙浆间有一层 空心绝缘层。罐体耐压较小，为降低造价一般不设 计成耐压罐 ( 二氧化碳的饱和是在完成罐进行，否则应考虑适当的耐压 ) 。罐中心设有二氧化碳注射圈，高度恰好在酵母层之上。二氧化碳注射入时，引起啤酒运动，使酵母浓聚于底部出口处，同时啤酒中的不良挥发成分被注入的二氧化碳带着逸出。
联合罐可采用机械搅拌，也可通过对罐体的精心设计达到同样的搅拌作用。
③朝日罐:朝日罐又称朝日单一酿槽，是日本朝日公司试制成功的前、后酵合一的室外大型发酵罐， ，罐体为斜底圆桂形发酵罐。高度与直径的比值为 ( 1 – 2 ) : 1 。外都设有冷却夹套包围壤身与罐底。内部设有带转轴的可动排液管，用来排出酒液。酵母的分离依靠离心机来完成。
2．酒精发酵罐
酒精发酵罐，结构较为简单，罐体采用圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形，如图 8-4所示发酵罐宜采用密闭式，便于二氧化碳的回收。罐预装有人孔、视镜、二氧化碳回收管、迸料管、接种管、压力表、测量仪表接口等。罐底有排料口、排污口，罐身上下有取样口、温度计接口、冷却水迸出口等。对于大型发酵罐，靠近罐底也装有人孔，便于维修和清洗。
发酵液的冷却，中小型发酵罐多采用罐顶喷水淋于罐外壁进行膜状冷却，对于大型发酵罐，罐内装有冷却盘管或盘管冷却与罐外喷淋联合冷却装置，罐外壁底部四周装有集水槽，避免车间积水。发酵罐的洗涤，采用水力喷射洗涤装置。
二、好氧发酵罐
大多数生化反应都是好氧的，由于氧在培养基中的溶解度很小，细胞生物反应器必须不断通气和搅拌来增加氧的溶解量，满足好氧微生物新陈代谢的需要。同时，搅拌还可使培养液保持均匀的悬浮状态并促进发酵热的散失等。
好氧反应器分为机械搅拌式、气升式和自吸式发酵罐。以机械搅拌通风发酵罐占主导地位，其他形式的应用较少。
(一) 机械搅拌型发酵罐
机械搅拌通风发酵罐，在生物工业中使用最为广泛，以其实用性能好，适用性强，放大相对容易著称，因此又称为通用型发酵罐。其典型的缺点是机械搅拌产生的剪切力容易使耐剪切力较差的菌体造成损伤，影响菌体的生长和代谢。
1．结构
通用发酵罐的主要组成部分有罐体、搅拌装置、传热装置、通气部分、进出料口、温控测量系统和附属系统等。
罐体:大型发酵罐由圆柱体和椭圆形或碟形封头焊接而成，罐径在 l m 以下的小发酵罐封头和罐身可采用法兰连接，为便于清洗，罐顶设有清洗手孔。为满足工艺要求，罐体应承受 130℃ 高温和 0.25 Mpa 以上的绝对压力。
常用的机械通风发酵罐的结构和主要几何尺寸已标准化设计，根据发酵种类、规模等在一定范围内选择。有实验室的 l L 、3 L 、5 L 、l0 L 和 30 L 罐，中试车间的 50 L 、100 L 及 500 L 罐到生产使用的 5 m3 、l0 m3 、50 m3 、100 m3 、200 m3 发酵罐等；最大达到 630 m3 。机械通风发酵罐的几何尺寸见图8-6所示。
搅拌装置:机械搅拌器的主要功能是使罐内物料混合与传质，使通入的空气分散成气泡
并与发酵液混合均匀，增加气液接触界面，提高气液间的传质速率，强化溶氧及消泡；使发酵液中的固形物料保持悬浮状态，从而维持气-液-固一相的混合传质，同时强化热量的传递。
搅拌器叶轮多采用涡轮式。最为常用的有平叶式 ( a ) 、弯叶式 ( b ) 和箭叶式 ( c ) 圆盘涡轮搅拌器，叶片数量一般为 6 个。此外还有推进式 ( d ) 和Lightnin 式 ( e ) 搅拌器。8一8为有关的搅拌流型。
挡板的作用是防止液面中心产生旋涡，通常设 4 – 6 块挡板即可满足“全挡板条件”。所谓全挡板条件是指在发酵罐内再增加挡板或其他附件时，搅拌功率保持不变，而旋涡基本消失。发酵罐内立式冷却列管、排管和蛇管等装置也起一定的挡板作用。
搅拌器的搅拌轴与罐体的密封非常重要，若密封不严，极易造成泄漏和杂菌污染，常采用轴封。常用的轴封为端面机械轴封，有单端面机械轴封和双端面机械轴封，一般发酵罐的搅拌电机装在罐顶，采用上伸轴，其轴封采用单端面轴封。对于大型发酵罐，可将电机装在罐底，使发酵罐的重心降低、搅拌轴的长度缩短，稳定性提高，而且还可使发酵罐的操作面机械传动噪音降低，发酵罐顶部可用来安装高效的机械消泡装置和其他自控部件，采用下伸轴，对密封要求更为严格，通常采用双端面铀封。而双端面轴封的使用增加了检修难度。
换热装置，生化反应过程中、由生物反应产生的热量和机械搅拌产生的热量必须及时移去，才能保证发酵过程在恒温条件下进行。我们将发酵过程产生的热量称为“发酵热”。
发酵热的大小与反应的品种、发酵时间等有关。一般在 10 400 – 33 500 kJ/(m3·h ) 。发酵热的计算方法有四种:
① 通过冷却水带出的热量计算:
② 通过发酵液的温度升高进行计算:
③ 通过生物合成热进行计算。
④ 通过燃烧热进行计算。
四种均为近似计算，前两种方法比较简单可靠。
发酵堆的传热装置有夹套、盘管或列管。一般容积在 5 m3 以下的发酵堆采用外夹套；容积大于5 m3 的发酵罐一般采用立式蛇管或列管作为传热装置。温度的控制通过测温的传感器和冷却液阀门进行调节。
通气部分：一般空气进口压力为 0.1 - 0.2 Mpa ( 表压 ) ，通过空气分布器将通入的无菌空气均匀分布到发酵液中。分布器的形式有单管式和环形管式等。常采用单管式，管口向下，距罐底距离 4 cm ，空气分布效果较好，同时可避免固体物料在管口堆积或罐底沉降堆积。若距离过大，分布效果则较差。环型管式分布器的环管开有向下的小孔，环管的环径应小于搅拌器叶轮直径。由于气泡分布主要是依靠搅拌器的剪切作用来破碎，而通风量在 3 mL/min 时，喷出的气泡直径才与空气喷孔直径的 1/3 次方成正比，即空气喷孔直径越小，
气泡直径越小，溶氧传质系数越大；实际生产过程中通风量超过此范围，此时气泡直径与风量有关，而与喷孔大小无关，因此单管的分布效果并不低于环形管;另外由于环形管的空气喷孔容易堵塞，已很少采用，只有中、小型发酵罐使用。
消泡装置：用于消除产生的泡沫。发酵液中含有蛋白质等发泡物质，在通气搅拌下将会产生大量的泡沫，发泡严重时会导致发酵液随排风外溢而增加染菌机会。最简单实用的消泡装置为耙式消泡器，直接安装在搅拌轴上，消泡耙齿底部高于发酵液面适当高度。另外还有半封团式涡轮消泡器、离心式消泡器和碟片式离心消泡器等，但这些消泡装置须装在发酵罐的罐顶，消泡后的发酵液重新流人罐内，增加染菌机会。
进出料口：罐顶设有进料口和补料口，罐底有出料口，有时发酵罐的出料口和进风口采用同一根管子，可减少开口。
测量控制系统：采用传感器系统，用以测量温度、pH 、溶氧等，传感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。
附属系统：包括视镜、取样管等，用以观察检测发酵液的情况。
2．发酵液的流变特性
发酵液通常由气相 ( 空气 ) 、液相 ( 培养基水溶液 ) 、固相 ( 生物细胞和基质微粒 ) 构成，不同生物反应所用生物细胞的生物学特性、营养液的物化特性、代谢物的特性及细胞浓度对发酵液的流变特性都有影响。而其流变特性对溶氧传质与热量传递、混合性能等都有重要影响。
流变学通常采用黏度 ( 对流体的抗性 ) 、流动行为 ( 黏度与剪切率的关系 ) 和屈服应力 ( 产生静液流需要的力 ) 等术语描述流体的流变特性。
3．生物反应器的搅拌功率
搅拌功率的大小对流体的混合、气液固三相间的传质、传热有很大的影响。因此，生物反应器搅拌功率的确定对于生物反应器的设计是相当重要的。
（ 1 ）牛顿流体中的搅拌功率
（ 2 ) 非牛顿流体的搅拌功率的计算
由于非牛顿流体的表观黏度是随搅拌器的转速而变化，没有确定的黏度值，也就不能确定搅拌雷诺准数，所以不能像牛顿流体那样作出功率准数与雷诺准数的关系图。
按照非牛顿流体的平均剪切率可以求出其表观黏度，从而求出雷诺准数。Metzner等在多种拟塑型、涨塑型、宾汉型流体申对不同搅拌器进行试验，得出上式中的常数K的范围在 10 - 13 ，对于发酵罐常用的单个或两个平叶涡轮搅拌器飞值为11.5和11.4 。他们认为，在拟塑型非牛顿流体中，K 值一般可取11.5而不会引起很大的误差。例如流动特性指数 n = 0.5 时，K 值变化30% ，造成的误差仅12% 。将非牛顿流体中的搅拌功率准数与雷诺准数在对数坐标上标绘，得到的曲线与牛顿流体相似，如图8-11。当Re ＜ 10时，液体处于
滞流状态，Np 与 Re成为斜率为 -1 的直线；当 Re ＞ 500 时，液体处于湍流状态，Np 保持恒定；而10 ＜ Re ＜ 500 时，液体为过渡流状态，此时Np 与Re之间的关系比较复杂。
由此我们可以得出:非牛顿流体中的搅拌功率的计算与牛顿流体申的搅拌功率的计算方法是一样的。但是由于非牛顿流体的黏度是随搅拌器的转速而变化的，因而必须先知道黏度与搅拌器转速之间的关系，然后才能计算不同授拌转速下的屁，再根据实验给出Np – Re 曲线，即可求出搅拌功率。
按照发酵罐的搅拌功率来选择电动机时，应考虑减速传动装置的机械效率和电机的启动功率。一般发酵罐所配备的电动机功率，根据品种不同而异，一般每立方米发酵液的功率吸收为 1 - 3.5 kW 。
在计算发酵罐搅拌功率时，对于容量在l m3 以下的发酵罐，其轴封、轴承等的摩擦功率损耗在整个电机功率输出中占有较大比例，因此小容量发酵罐的搅拌功率采用上列各式计算意义不大，一般凭经验来选择小容量发酵罐的电动机功率。
(二) 气升式发酵罐
气升式发酵罐有多种类形，常用的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，原理是无菌空气从罐的下部通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过喷嘴和气液混合物的湍流作用使空气泡分割细碎，形成的气液混合物由于密度降低，加上无菌空气喷流的动能，向上运动，而含气率低的发酵液下降，形成反复循环，实现溶氧传质和混合，供给发酵液所需的溶氧，满足微生物的需求，使发酵正常进行。
气升式环流反应器混合均匀，溶氧速率和溶氧效率高、能耗低，生物细胞受到的剪切力小，无机械搅拌，设备结构简单，特别是避免了因机械轴封造成的渗漏、染菌现象。此外，气升式发酵罐的设计技术已成熟，易于放大和模拟，但它不适用于高黏度或固体含量大的发酵液。
1．主要结构参数
反应器的高径比H/D ：根据实验结果表明发酵罐高度 H 与直径 D 的比值以 5 – 9 为好，有利于混合溶氧。
导流简直径 d 与罐径 D 比：对一定的生化反应，确定发酵罐的 H 和 D 后，导流筒的直径和高度对发酵液的循环和溶氧也有较大影响。d/D在 0.6 - 0.8 比较合适。具体数值的确定根据发酵液的物化特性和细胞的生物学特性而定。
此外，空气喷嘴直径和导流筒的上下端面到罐顶和罐底的距离对发酵液的混合、溶氧等都有重要的影响。
2．气升发酵罐的性能指标
循环周期：发酵液的溶氧必须维持一定的水平才能保证微生物的正常生长代谢，因此要求发酵液保持一定的环流速度补充溶氧。发酵液在环流筒内循环一次所需要的时间称为循环周期。
不同的微生物发酵，其菌体的好氧速率不同，所需要的循环周期不同，如果供氧速率跟不上，会使菌体的活力下降，造成代谢产率降低。据报道，采用黑曲霉生产糖化酶时，当菌体浓度达到7% 时，循环周期要求在2.5 - 3.5 min ，不得大于4 min ，否则会造成缺氧而使糖化酶活力急剧下降。
通气量对气升式发酵罐的混合和溶氧起决定性的作用，而通气压强指空气在空气分布管出口前后的压强差，对发酵液的流动与溶氧也有相当的影响。一般导流管中的环流速度可取 1.2 - 1.8 m/s ，有利于混合与气液传质，又避免环流阻力损失太多能量，若采用多段导流管或管内设塔板，环流速度可适当降低。
溶氧传质：气升式反应器的气液传质速率主要取决于发酵液的湍动和气泡的剪切细碎状态，受反应器输入能量的影响。
3．典型的气升环流发酵罐
英国伯明翰 ICI 公司的压力循环发酵罐是国际上气升环流发酵罐的杰出代表，其主要结构尺寸如图8-13，为高位塔式发酵罐。公称体积3 000 m3 ，液柱高55 m ，通气压力高，发酵液量2 100 m2 。为强化气液混合与溶氧，沿塔高度设有 19 块带有下降区的筛板，防止气泡合并为大气泡，为使气液顺利分离，塔顶设有气液分离部分，分离部分直径为塔径的1.5 倍。
根据测定及生产运行结果，发酵罐液体上升速度 0.5 m/s ，下降区下降速度达3 - 4 m/s ；在上升管与下降区的持气率分别高达0.52和0.48 。发酵液的循环时间控制在1 – 3 min 。气升式环流发酵罐结构简单，溶氧速率高，能耗低，便于放大和加工制造，因此自20世纪70年代以来广泛应用于单细胞蛋白生产、废水处理等领域，占有绝对优势。
(三) 机械搅拌自吸发酵罐
机桩搅拌自吸式发酵罐不需空压机提供压缩空气，利用特殊设计的搅拌吸气装置，吸入无菌空气，同时实现混合搅拌与溶氧传质。结构如图8-14，搅拌器为空心叶轮，叶轮高速旋转，框内液体被甩出而形成局部负压，从而将罐外的空气吸入罐内，通过导轮并与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分散在液体之中，此类发酵罐省去了空气系统，且气体分布均匀。其缺点是进罐空气处于负压，增加了染菌机会，并且搅拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，菌体的生长代谢受到影响。
为了提高自吸式反应器的吸气能力，空心叶轮与吸气管间用双端面密封装置，液体深度和罐压应有所限制，并采用大面积低阻力的高效空气过滤器对吸入的空气进行无菌过滤。
三、固体培养设备
固体发酵设备多用于于酱油生产和酿酒，现在也用于农副产品生产微生物饲料。固体发酵设备分为自然通风发酵设备和机械通风发酵储备。自然通风发酵设备要求空气与固体曲料密切接触，以供给空气和带走合成代谢产生的热量。多采用木制浅盘，现多用不锈钢制作，尺寸根据需要确定，常用尺寸0.37 m × 0.54 m × 0.06 m或l m × l m × 0.06 m ，
底部和侧面打孔，放在架子上，架子一般分为数层，每层0.15 – 0.25 m ，底层距地面约0.5 m 。设备放在易通风、保湿、接潮的曲房中，曲房的大小以一批曲料用一个曲房，便于管理。
机械通风固体发酵设备，采用鼓风机强化发酵系统的通风，曲层厚度大大增加，锅曲效率提高，同时便于控制曲层的温度，提高成品质量。
机试通风固体发酵设备，曲室多采用长方形水泥池，宽约2 m ，深l m ，长度根据生产场地及产量等选取，但不宜过长，以保持通风均匀；曲室底部高出地面，便于排水，池底有8- 10的倾角，使通风均匀；池底上有一层筛板，发酵固体曲料放在筛板上，料层厚度0.3 - 0.5 m 。曲室的较低端与风道相连，其间设一风量调节闸门。曲池通风常采用单向操作，为充分利用冷量和热量，一般把离开曲层的部分空气经循环凤道回到空调室，另吸入新鲜空气。空气通道的风速取10 - 15 m/s 。因通风过程的阻力损失较低，可选用效率较高的离心式风机，通常选用风压l 000 -3 000 Pa的中压风机较好。
更先进的机械通风发酵设备是双层旋转制曲设备，双层旋转式固体曲发酵设备，可实现自动化控制。我国采用单层旋转制曲设备比较多。另外还有采用卧式固体发酵罐。罐内壁装有冷却装置，罐体可整体旋转，两例支撑轴为空心，设有空气进出口。根据报道3 m3 以下卧式固体发酵罐已有工厂采用。
四、动植物细胞培养反应器
随着生物工程技术的发展，动植物细胞的培养逐渐从实验室规模培养过渡到生产规模的生物反应器中进行。动植物细胞培养是指动物域植物细胞在体外条件下进行培养繁殖，此时细胞虽然生长与增多，但不再形成组织。
动植物细胞与微生物细胞有明显的区别，首先动物细胞无细胞壁，动植物细胞对环境影响十分敏感。培养中动植物细胞对培养基的营养要求相当苛刻，并且生长缓慢，所以动植物细胞培养体系需要严格防止杂菌污染。
(一)动物细胞培养生物反应器
动物细胞培养反应器有多种型式，这些反应器都是针对动物细胞无细胞壁，不能耐受强烈搅拌与通风的剪切力而设计制造的。
1．动物细胞悬浮培养反应器
由于动物细胞无细胞壁保护，采用一般发酵罐的搅拌桨叶搅拌液体时，液体间的剪切力往往过大而破坏细胞，因此，实验室规模的悬浮培养反应器是依靠磁力驱动的搅拌器低转速搅拌 ( 如20 - 50 r/min ) ，搅拌桨有用尼龙丝编织带制成船帆形，或者通过插入溶液中的硅胶管使氧气扩散到培养液内。一种实验室内用于液体悬浮培的培养瓶，容积为0.1 - 0.2 L ，培养液依靠磁力驱动的搅拌器低转速搅拌，而溶氧借助于液体上的空气表面曝气扩散，瓶内空气混有5% 的二氧化碳调节培养液酸碱度。据报导，此类培养瓶液体中细胞浓度可达到5 × l05 个/mL 。 。。
目前，工业规模的动物细胞悬浮培养反应器较大规模的有l0 m3 ，用来生产杂交瘤单克隆抗体。采用螺旋桨搅拌器，搅拌转速控制在每分钟几十转，KLa 值达l0 h-1 。另外，用扩散渗透通气装置取代传统的通风装置。该装置采用新鲜培养液连续流加，而流出的培养液则通过旋转过滤器分离细胞后被排出，所以这种培养系统也称为灌注系统'。
2．动物细胞贴壁培养反应器
多数动物细胞需附着在固体或半固体表面才能生长，细胞在载体表面上生长并扩展成一单层，所以贴壁培养又称单层培养。传统的动物细胞培养反应器是滚瓶，利用滚瓶的缓慢转动；使动物细胞在滚瓶内壁贴壁生长繁殖。目前很多生物制品工厂就用4 - 30 L大小的滚瓶进行动物细胞贴壁培养来生产疫苗。20世纪70年代开发出中空纤维培养装置进行动物细胞培养，细胞密度可达109 个/mL 数量级。该装置的主要组成是中空纤维管，中空纤维管内径为200 um ，壁厚为50 -75 um ，只能让氧与二氧化碳等小分子自由地透过纤维膜双向扩散，而中、大分子有机物不能透过。动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长，可很方便地获取营养物质和溶氧。到一定时间将细胞收获。动物细胞培养时间要比一般微生物培养时间长，其灭菌要求更严格，对中空纤维培养器来讲尤为重要，如果该装置因操作不当而污染杂菌后，整个装置无法灭菌再生而报废，经济损失就较大。这是中空纤维培养器的最大缺点。
3．动物细胞微载体悬浮培养反应器
动物细胞微载体培养是细胞附着和生长在悬浮于培养液中的微珠表面，借助于温和搅拌使细胞均匀分布的广种培养方法。这种培养方法是将单层培养和悬浮培养结合起来，具有放大容易、细胞所处环境均一等优点。
贴壁培养动物细胞的载体微珠称为微载体。可用交换当量低的葡聚糖凝胶、聚丙烯酷胺、明胶或甲壳质等来制造，要求微载体球径为 40 – 120 um ，经生理盐水溶胀后为60 – 980 um 。球径要均匀，一般要求密度在1.03 - 1.05 g/mL ，确保反应器内缓慢搅拌条件下微载体能悬浮起来。
微载体悬浮培养的反应器应解决的关键问题，首先是具有合适的搅拌，使微载体在培养液内悬浮循环流动，而又不因过高的剪切力而使动物细胞受到破坏。其次，不能像传统发酵罐那样用空气在培养液内鼓泡充氧，而只能用特殊方式来传递氧，以满足所需要的溶氧浓度。再次，在培养液中要严格控制 pH 。
搅拌系统是微载体培养反应器中的重要组成部分。采用的搅拌器有螺旋桨、摆动混合式、带有流动导向口的转筒式等，搅拌转速在0 – 80 r/min 之间。空气可以从中空导向桨叶流人反应器，或者利用聚四氟乙烯中空纤维管作为通风供氧装置。
Celligen 细胞培养反应器，用于微载体悬液培养。反应器内有一个旋转笼式搅拌器，在圆筒上部有3 – 5 个中空的导向搅拌桨叶，在圆筒外壁上用200 目 ( 75 um ) 不锈钢丝网焊成一个环状气腔，气腔下面有一圈气体分布管。搅拌器以 0 – 50 r/min 的转速旋转，微载
体的悬浮液由圆筒下部吸入，从中空导向桨叶流出，形成循环流动。在气腔内气体由分布管鼓泡，气体溶于液体中，依靠气腔丝网外液体的循环流动及扩散作笼式搅拌器用使培养液的气体均匀分布。使用200目丝网的作用是保证微载体不进入通气腔，而气泡不进入培养液中；避免气泡与微载体的直接接触。
该反应器还带有一个进入气腔的混合气体 ( 氧、氮、二氧化碳和空气 ) 调气系统，用来自动控制溶氧和pH 。该反应器操作较方便，转速控制稳定。
(二) 植物细胞培养反应器
用于植物细胞培养的核心设备称为植物细胞培养反应器。此类反应器与微生物发酵用反应器有许多相同之处，也采用通用式发酵罐、鼓泡式发酵罐、气升式反应器、流化床式反应器、固定床式反应器、膜反应器及振动混合反应器等。植物细胞培养反应器已从实验室规模的1 - 30 L 放大到工业性试验规模130 – 20 000 L 。
实际生产中，大规模的植物细胞培养反应器有用于烟草细胞培养的机械搅拌罐。培养烟草细胞的装置，虽然植物细胞培养所需的KLa值小于一般好氧微生物培养时所需的KLa值，但高细胞浓度下培养液的黏度加大，因此，宜采用直径较大 ( 搅拌叶直径为罐径的1/2 ) 的角度桨式搅拌器。反应器容积20 m3 ，搅拌转速为 10 – 40 r/min ，连续培养，细胞生产能力为 5.82 kg/ ( m3·d )。
植物细胞培养反应器的设计，可采用通风发酵设备的放大方法来进行。上述烟草细胞培养用 20 m3 反应器就是以 KLa 为基准的比拟放大方法设计制造的。
采用气升式反应器培养植物细胞也有一定的应用前景，与机械搅拌反应器相比，所受的剪切力低得多；无轴封装置，结构简单，制作方便，灭菌容易；操作费用低；可通过控制通气速率控制细胞的生长。
根据实验证实，采用气升式反应器培养柠檬叶鸡眼藤细胞生产蒽醌，与其他反应器相比，有更高的生产率。
(三) 微藻培养光合生物反应器
海洋生物包括海洋动物 ( 如鱼、虾、贝等 ) 、海洋植物 ( 如大藻和微藻 ) 和海洋微生物。由于微藻主要是光能自养型，可通过光合作用来生长，因此，除与一般微生物发酵条件相近外，还需光照和氧解析，并大量供应二氧化碳。
典型且常用的微藻培养光合反应器是敞开式跑道池，自 20 世纪 60 年代设计出来，至今基本末变，只对其混合系统进行过改进。这类反应器的优点是成本低、建造容易。其缺点也非常突出，如培养效率低、培养条件无法控制、易污染、雨水会便培养基稀释、反应器中水分蒸发量大和能够进行生产的时间短 ( 如北方冬天不能生产 ) 等。
封闭式光合反应器的研制开发已有几十年历史，但其取得实际研究进展是近几年的事。封闭式光合反应器与敞开式反应器相比，具有培养效率高、培养条件易于控制、无污染、生长周期长和适合于所有微藻的培养等优点。封闭式光合反应器按其接收光的方式可分为
两大类：一类是外部光源，另一类是内部光源。
外部光源封闭式光合反应器大部分处于中试规模，体积达10 m3 ，面积达几百平方米，多数为管道式和板式，也有罐式的。内部光源封闭式光合反应器在国外也有产品出售。这种反应器已全部实现计算机自动控制。反应器型式有多种，如罐式、管式等。
本 章 小 结
1．生物反应在反应器内发生 ，它是连接原料和产物的桥梁 ，本章介绍了反应器的种类和反设计的目标和原则。
2．介绍了用于酒精、啤酒等发酵产品生产的厌氧式发酵罐的结构。
3．重点讲解了机械搅拌通风发酵罐的结构(包括几何尺寸 、搅拌装置 、换热装置 )、发酵液的特性 、搅拌功率及其计算。
4．简介了气升式发酵罐的结构参数和性能指标。 同时介绍了机械搅拌自吸发酵罐、固 体发备和动植物细胞的培养装置。
本章思考题
1．叙述生物反应器 ( 发酵设备 ) 的功能和分类。
2．设计反应器时要本着哪些原则，反应器必须具备什么条件?
3．说明厌氧发酵罐中锥底发酵罐、联合罐、朝日罐和酒精发酵罐的结构特点。
4．掌握发酵液的流变特性和机械搅拌通风发酵罐的结构特点、发酵罐几何尺寸和搅拌功率的计算。
5．有一发酵罐，罐直径为1.6 m ，采用一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器进行搅拌，涡轮直径为0.60 m ，搅拌器转速为168 r/min ，罐内装有四块标准挡板，通气量为1.42 m3/min ，罐压为0.l5 Mpa ( 绝压 ) ，发酵液黏度为1.96 × 10-3 Pa·s ，密度为1 020 kg/m3 。请计算通气搅拌功率 Pg 。
6．掌握气升式发酵罐的类型、结构参数和性能指标。
7．以液体发酵法生产食醋为例说明机械搅拌自吸式发酵罐的操作状况。
8．说明固体反应器、动植物细胞反应器和微藻培养光合生物反应器的特点。
9．将处理量为 0.921 m3 、罐内经为0.57 m 、液面高度1.14 m 、两只涡轮直径为0.228 m 、搅拌转速337 r/min 的发酵罐放大100倍，请估算放大后的发酵罐的直径、液面高度、搅拌器直径和转速。
第2章 发酵设备
教学内容
本章主要内容：
1．反应器分类
2．反应器设计原则
3．厌氧反应器结构
4．各类常见好氧发酵罐结构
5．反应器的放大方法
利用生物催化剂进行反应的生物技术过程，其生物反应器在整个过程中，具有中心纽带的作用，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。在反应器内，生物催化剂 ( 酶或细胞 ) 作用于底物或基质合成细胞或产物，将廉价的原料升值为生化产品。
在生物反应过程中，若采用活细胞 ( 包括微生物、动物域植物细胞 ) 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，称为酶反应过程。相应的反应器也分为发酵罐、动植物细胞反应器和酶反应器。细胞反应器中的生物反应通过细胞中精确调控的酶系进行催化，所以比较复杂，经过一系列的生物反应将培养基的成分转化为新细胞或各种代谢产物。生物反应器的设计和操作，是生物工程中非常重要的工程问题，对产品的成本和质量有很大影响。微生物细胞反应过程，即发酵过程，以微生物的生命活动来获取各种产品，因此，发酵罐也围绕微生物的生命代谢活动展开。这就要求细胞生物反应器必须能保证生物体的生长特性和要求，满足生物体的不同生长阶段对温度、溶解氧、pH、渗透压等的不同要求，同时考虑生物体可能受到的剪应力影响，还要求在运行中达到无菌的要求。
反应器分类及设计的原则和 目标生物反应器应提供适宜生物体生长和产物形成的各种条件 ( 如维持适当的温度、溶解氧、pH 等 ) ，促迸微生物的代谢，达到低能耗、高产量的目的。同时还应满足无菌的要求。另外反应器的结构应尽量简单，便于清洗和灭菌。
第一节 反应器分类及设计的原则和目标
一、反应器的分类
1．根据生物作用剂的不同，生物反应器分为：
① 酶催化反应器:在酶催化反应器内进行的生化反应比较简单，酶与化学催化剂相似，在反应过程中本身不变化，与一般的化学反应器无大的区别。
② 细胞反应器:细胞反应器中进行的反应十分复杂，在反应的同时，细胞本身也增殖，同时为了使细胞能有效地维持催化活性，在反应过程中还必须避免受到外界各种杂菌的污染。细胞生物反应器中的生物反应通过细胞精确调控的酶系进行催化，经过一系列的生物反应将培养基的成分转化为新的细胞个体和各种代谢产物。
2．根据细胞或组织的代谢要求等可分为：
① 厌氧生物反应器：发酵过程中不需要通入空气或氧气，根据菌体的厌氧程度，甚至要通入二氧化碳或氮气等惰性气体，维持发酵罐内的罐压，防止染菌，满足生物体的厌氧水平。厌氧发酵罐常用于酒精、啤酒、丙酮丁醇的发酵生产。
② 好氧生物反应器：此类反应器根据搅拌方式的不同，又可分为机械搅拌式、气升式、自吸式等。前两者是在发酵过程中通入空气或氧气。后者则可自行吸入空气满足生物体的需求。机械搅拌式反应器靠搅拌器提供能量使发酵液循环、混合；气升式反应器靠通入的空气上升产生动力，带动发酵液循环、混合；而自吸式反应器是靠特殊的搅拌叶轮在搅拌过程中产生真空将空气吸入发酵罐内，不需另外供气。好氧反应器用于氨基酸、抗生素、酶制剂等的发酵生产。
③ 光照生物反应器：反应器的壳体部分全部采用透明材料，保证光能照射到反应器内物料，以利于光合作用的进行。一般配有照射光源，白天可利用日光。多用于植物细胞和组织及光合菌的生产。
④ 膜生物反应器：反应器内安装适当的部件作为生物体的附着体，或采用超滤膜将细胞控制在某一区域内进行反应。多用于基因工程菌或细胞的代谢生产。
3．根据反应器的结构特征，生物反应器可以分成罐式、管式、塔式、膜式等反应器。
二、反应器的设计目标和原则
生物反应器是进行生物反应的核心设备，无论是使用微生物、酶或动植物细胞 ( 或组织 ) 作为生物催化剂，所需要的反应器都应具备:① 严密的结构；② 良好的液体混合性能；③ 较高的传质、传热性能；④ 结构简单，能耗低；⑤ 配套而又可靠的检测和控制仪表。判断生物反应器好坏的唯一标准是该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。
生物反应器设计的主要目标是获取高质量、低成本的产品。而做到低成本的一个重要因素是增效节能。
生物反应器设计应遵循以下一些原则:
① 生物反应器应具有适宜的径高比。满足不同生物体生长代谢的溶氧和厌氧需求。 ② 应承受一定的压力。满足正常工作和灭菌时的压力、温度要求，因此罐体各部件要有一定的强度，能承受一定的压力。
③ 有搅拌通风装置的反应器应能使气液固三相充分混合，满足物料必须的溶氧需求。
④ 反应器应有恰当的冷却装置和冷却面积，满足生物体生长代谢过程中的温度要求。生物体的生长代谢会产生大量的热量，必须经过冷却将其移走。
⑤ 反应器应尽量减少死角，消除藏垢积污场所，保证灭菌彻底。
⑥ 尽量减少法兰连接，防止因设备震动和热膨胀，引起法兰连接处移位，造成污染。
⑦ 保证灭菌工作的顺利进行，培养系统中已灭菌部分与末灭菌部分之间不能直接连通；某些部分应能单独灭菌。
生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和传热。传质问题在基质不溶的反应过程中显而易见，在高耗氧的生物反应过程中则尤为突出。传热问题在放热的生物反应过程中尤为重要，为了保证生物反应器能在要求的温度下进行，热交换是大型的生物反应器设计的一个重要环节。
第二节 微生物细胞反应器 – 发酵罐
微生物细胞反应器即发酵罐，是发酵工厂的核心设备，必须具有适宜微生物生长和产物形成的各种条件，促进微生物的代谢，达到低能耗、高产量。因此微生物细胞反应器必须具备微生物生长的基本条件，如维持适当的温度、不同程度的无菌条件的要求等；反应器结构应尽量简单，便于清洗和灭菌。
按微生物对氧的需求，发酵罐可分为厌氧发酵罐和好氧发酵罐，厌氧发酵罐主要用于酒精、啤酒、丙酮、丁醇和乳酸等产品的生产。好氧发酵罐多用于氨基酸、抗生素、酶制剂等的生产。
一、密闭厌氧式发酵罐
密闭厌氧式发酵罐在工业生产中主要用于啤酒和酒精的生产。由于没有溶解氧的要求，其结构相对比较简单。
1．啤酒发酵罐
① 露天式锥底发酵罐:啤酒行业目前广泛采的发酵设备是圆筒体锥底发酵罐 ( 简称锥形罐 ) ，发酵罐最大容量达 1500 t 。是 20 世纪初期瑞士的 Nathan 发明，所以又称奈坦罐 。
发酵罐的冷却装置 般分 2 - 4 段，根据罐体 高度而定。罐锥底部分最好也能冷却。锥型罐的冷却形式多种多样，如扣槽钢却层内带导向板、罐外加氨管及长方形薄夹层螺旋、环形冷却带或米勒板式夹套内流动换热等。
常用隔热层材料有:聚酣胺树脂、自熄式聚苯乙烯塑料、膨胀珍珠岩和矿渣棉等。外保护层一般采用 0.7 - 1.5 mm 厚的合金铝板或 0.5 - 0.7 mm 的不锈钢。
由于锥型罐体积大，设备清洗均采用 CIP ( cleaning in place ) 清洗系统。
锥型壤的优点是发酵速度快，易于沉淀收集酵母 ( 下面酵母 ) ，减少啤酒及其苦味物质的损失，泡沫稳定性得到改善，对啤酒工业的发展极为有利。
② 联合罐:联合罐是一种在美国出现的称为 Universd 的发酵罐，是由带人孔的薄壳圆柱体、拱形顶及有足够斜度以排除酵母的锥底组成。
般圆柱部分高度和直径比为 ( 1 - l.3 ) : l ，罐璧设有冷却板，罐体基础采用钢筋混凝田柱体的形状按照壤底的斜度确定。圆柱体与罐体之间填入坚固的水泥沙浆，罐底与沙浆间有一层 空心绝缘层。罐体耐压较小，为降低造价一般不设 计成耐压罐 ( 二氧化碳的饱和是在完成罐进行，否则应考虑适当的耐压 ) 。罐中心设有二氧化碳注射圈，高度恰好在酵母层之上。二氧化碳注射入时，引起啤酒运动，使酵母浓聚于底部出口处，同时啤酒中的不良挥发成分被注入的二氧化碳带着逸出。
联合罐可采用机械搅拌，也可通过对罐体的精心设计达到同样的搅拌作用。
③朝日罐:朝日罐又称朝日单一酿槽，是日本朝日公司试制成功的前、后酵合一的室外大型发酵罐， ，罐体为斜底圆桂形发酵罐。高度与直径的比值为 ( 1 – 2 ) : 1 。外都设有冷却夹套包围壤身与罐底。内部设有带转轴的可动排液管，用来排出酒液。酵母的分离依靠离心机来完成。
2．酒精发酵罐
酒精发酵罐，结构较为简单，罐体采用圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形，如图 8-4所示发酵罐宜采用密闭式，便于二氧化碳的回收。罐预装有人孔、视镜、二氧化碳回收管、迸料管、接种管、压力表、测量仪表接口等。罐底有排料口、排污口，罐身上下有取样口、温度计接口、冷却水迸出口等。对于大型发酵罐，靠近罐底也装有人孔，便于维修和清洗。
发酵液的冷却，中小型发酵罐多采用罐顶喷水淋于罐外壁进行膜状冷却，对于大型发酵罐，罐内装有冷却盘管或盘管冷却与罐外喷淋联合冷却装置，罐外壁底部四周装有集水槽，避免车间积水。发酵罐的洗涤，采用水力喷射洗涤装置。
二、好氧发酵罐
大多数生化反应都是好氧的，由于氧在培养基中的溶解度很小，细胞生物反应器必须不断通气和搅拌来增加氧的溶解量，满足好氧微生物新陈代谢的需要。同时，搅拌还可使培养液保持均匀的悬浮状态并促进发酵热的散失等。
好氧反应器分为机械搅拌式、气升式和自吸式发酵罐。以机械搅拌通风发酵罐占主导地位，其他形式的应用较少。
(一) 机械搅拌型发酵罐
机械搅拌通风发酵罐，在生物工业中使用最为广泛，以其实用性能好，适用性强，放大相对容易著称，因此又称为通用型发酵罐。其典型的缺点是机械搅拌产生的剪切力容易使耐剪切力较差的菌体造成损伤，影响菌体的生长和代谢。
1．结构
通用发酵罐的主要组成部分有罐体、搅拌装置、传热装置、通气部分、进出料口、温控测量系统和附属系统等。
罐体:大型发酵罐由圆柱体和椭圆形或碟形封头焊接而成，罐径在 l m 以下的小发酵罐封头和罐身可采用法兰连接，为便于清洗，罐顶设有清洗手孔。为满足工艺要求，罐体应承受 130℃ 高温和 0.25 Mpa 以上的绝对压力。
常用的机械通风发酵罐的结构和主要几何尺寸已标准化设计，根据发酵种类、规模等在一定范围内选择。有实验室的 l L 、3 L 、5 L 、l0 L 和 30 L 罐，中试车间的 50 L 、100 L 及 500 L 罐到生产使用的 5 m3 、l0 m3 、50 m3 、100 m3 、200 m3 发酵罐等；最大达到 630 m3 。机械通风发酵罐的几何尺寸见图8-6所示。
搅拌装置:机械搅拌器的主要功能是使罐内物料混合与传质，使通入的空气分散成气泡
并与发酵液混合均匀，增加气液接触界面，提高气液间的传质速率，强化溶氧及消泡；使发酵液中的固形物料保持悬浮状态，从而维持气-液-固一相的混合传质，同时强化热量的传递。
搅拌器叶轮多采用涡轮式。最为常用的有平叶式 ( a ) 、弯叶式 ( b ) 和箭叶式 ( c ) 圆盘涡轮搅拌器，叶片数量一般为 6 个。此外还有推进式 ( d ) 和Lightnin 式 ( e ) 搅拌器。8一8为有关的搅拌流型。
挡板的作用是防止液面中心产生旋涡，通常设 4 – 6 块挡板即可满足“全挡板条件”。所谓全挡板条件是指在发酵罐内再增加挡板或其他附件时，搅拌功率保持不变，而旋涡基本消失。发酵罐内立式冷却列管、排管和蛇管等装置也起一定的挡板作用。
搅拌器的搅拌轴与罐体的密封非常重要，若密封不严，极易造成泄漏和杂菌污染，常采用轴封。常用的轴封为端面机械轴封，有单端面机械轴封和双端面机械轴封，一般发酵罐的搅拌电机装在罐顶，采用上伸轴，其轴封采用单端面轴封。对于大型发酵罐，可将电机装在罐底，使发酵罐的重心降低、搅拌轴的长度缩短，稳定性提高，而且还可使发酵罐的操作面机械传动噪音降低，发酵罐顶部可用来安装高效的机械消泡装置和其他自控部件，采用下伸轴，对密封要求更为严格，通常采用双端面铀封。而双端面轴封的使用增加了检修难度。
换热装置，生化反应过程中、由生物反应产生的热量和机械搅拌产生的热量必须及时移去，才能保证发酵过程在恒温条件下进行。我们将发酵过程产生的热量称为“发酵热”。
发酵热的大小与反应的品种、发酵时间等有关。一般在 10 400 – 33 500 kJ/(m3·h ) 。发酵热的计算方法有四种:
① 通过冷却水带出的热量计算:
② 通过发酵液的温度升高进行计算:
③ 通过生物合成热进行计算。
④ 通过燃烧热进行计算。
四种均为近似计算，前两种方法比较简单可靠。
发酵堆的传热装置有夹套、盘管或列管。一般容积在 5 m3 以下的发酵堆采用外夹套；容积大于5 m3 的发酵罐一般采用立式蛇管或列管作为传热装置。温度的控制通过测温的传感器和冷却液阀门进行调节。
通气部分：一般空气进口压力为 0.1 - 0.2 Mpa ( 表压 ) ，通过空气分布器将通入的无菌空气均匀分布到发酵液中。分布器的形式有单管式和环形管式等。常采用单管式，管口向下，距罐底距离 4 cm ，空气分布效果较好，同时可避免固体物料在管口堆积或罐底沉降堆积。若距离过大，分布效果则较差。环型管式分布器的环管开有向下的小孔，环管的环径应小于搅拌器叶轮直径。由于气泡分布主要是依靠搅拌器的剪切作用来破碎，而通风量在 3 mL/min 时，喷出的气泡直径才与空气喷孔直径的 1/3 次方成正比，即空气喷孔直径越小，
气泡直径越小，溶氧传质系数越大；实际生产过程中通风量超过此范围，此时气泡直径与风量有关，而与喷孔大小无关，因此单管的分布效果并不低于环形管;另外由于环形管的空气喷孔容易堵塞，已很少采用，只有中、小型发酵罐使用。
消泡装置：用于消除产生的泡沫。发酵液中含有蛋白质等发泡物质，在通气搅拌下将会产生大量的泡沫，发泡严重时会导致发酵液随排风外溢而增加染菌机会。最简单实用的消泡装置为耙式消泡器，直接安装在搅拌轴上，消泡耙齿底部高于发酵液面适当高度。另外还有半封团式涡轮消泡器、离心式消泡器和碟片式离心消泡器等，但这些消泡装置须装在发酵罐的罐顶，消泡后的发酵液重新流人罐内，增加染菌机会。
进出料口：罐顶设有进料口和补料口，罐底有出料口，有时发酵罐的出料口和进风口采用同一根管子，可减少开口。
测量控制系统：采用传感器系统，用以测量温度、pH 、溶氧等，传感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。
附属系统：包括视镜、取样管等，用以观察检测发酵液的情况。
2．发酵液的流变特性
发酵液通常由气相 ( 空气 ) 、液相 ( 培养基水溶液 ) 、固相 ( 生物细胞和基质微粒 ) 构成，不同生物反应所用生物细胞的生物学特性、营养液的物化特性、代谢物的特性及细胞浓度对发酵液的流变特性都有影响。而其流变特性对溶氧传质与热量传递、混合性能等都有重要影响。
流变学通常采用黏度 ( 对流体的抗性 ) 、流动行为 ( 黏度与剪切率的关系 ) 和屈服应力 ( 产生静液流需要的力 ) 等术语描述流体的流变特性。
3．生物反应器的搅拌功率
搅拌功率的大小对流体的混合、气液固三相间的传质、传热有很大的影响。因此，生物反应器搅拌功率的确定对于生物反应器的设计是相当重要的。
（ 1 ）牛顿流体中的搅拌功率
（ 2 ) 非牛顿流体的搅拌功率的计算
由于非牛顿流体的表观黏度是随搅拌器的转速而变化，没有确定的黏度值，也就不能确定搅拌雷诺准数，所以不能像牛顿流体那样作出功率准数与雷诺准数的关系图。
按照非牛顿流体的平均剪切率可以求出其表观黏度，从而求出雷诺准数。Metzner等在多种拟塑型、涨塑型、宾汉型流体申对不同搅拌器进行试验，得出上式中的常数K的范围在 10 - 13 ，对于发酵罐常用的单个或两个平叶涡轮搅拌器飞值为11.5和11.4 。他们认为，在拟塑型非牛顿流体中，K 值一般可取11.5而不会引起很大的误差。例如流动特性指数 n = 0.5 时，K 值变化30% ，造成的误差仅12% 。将非牛顿流体中的搅拌功率准数与雷诺准数在对数坐标上标绘，得到的曲线与牛顿流体相似，如图8-11。当Re ＜ 10时，液体处于
滞流状态，Np 与 Re成为斜率为 -1 的直线；当 Re ＞ 500 时，液体处于湍流状态，Np 保持恒定；而10 ＜ Re ＜ 500 时，液体为过渡流状态，此时Np 与Re之间的关系比较复杂。
由此我们可以得出:非牛顿流体中的搅拌功率的计算与牛顿流体申的搅拌功率的计算方法是一样的。但是由于非牛顿流体的黏度是随搅拌器的转速而变化的，因而必须先知道黏度与搅拌器转速之间的关系，然后才能计算不同授拌转速下的屁，再根据实验给出Np – Re 曲线，即可求出搅拌功率。
按照发酵罐的搅拌功率来选择电动机时，应考虑减速传动装置的机械效率和电机的启动功率。一般发酵罐所配备的电动机功率，根据品种不同而异，一般每立方米发酵液的功率吸收为 1 - 3.5 kW 。
在计算发酵罐搅拌功率时，对于容量在l m3 以下的发酵罐，其轴封、轴承等的摩擦功率损耗在整个电机功率输出中占有较大比例，因此小容量发酵罐的搅拌功率采用上列各式计算意义不大，一般凭经验来选择小容量发酵罐的电动机功率。
(二) 气升式发酵罐
气升式发酵罐有多种类形，常用的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，原理是无菌空气从罐的下部通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过喷嘴和气液混合物的湍流作用使空气泡分割细碎，形成的气液混合物由于密度降低，加上无菌空气喷流的动能，向上运动，而含气率低的发酵液下降，形成反复循环，实现溶氧传质和混合，供给发酵液所需的溶氧，满足微生物的需求，使发酵正常进行。
气升式环流反应器混合均匀，溶氧速率和溶氧效率高、能耗低，生物细胞受到的剪切力小，无机械搅拌，设备结构简单，特别是避免了因机械轴封造成的渗漏、染菌现象。此外，气升式发酵罐的设计技术已成熟，易于放大和模拟，但它不适用于高黏度或固体含量大的发酵液。
1．主要结构参数
反应器的高径比H/D ：根据实验结果表明发酵罐高度 H 与直径 D 的比值以 5 – 9 为好，有利于混合溶氧。
导流简直径 d 与罐径 D 比：对一定的生化反应，确定发酵罐的 H 和 D 后，导流筒的直径和高度对发酵液的循环和溶氧也有较大影响。d/D在 0.6 - 0.8 比较合适。具体数值的确定根据发酵液的物化特性和细胞的生物学特性而定。
此外，空气喷嘴直径和导流筒的上下端面到罐顶和罐底的距离对发酵液的混合、溶氧等都有重要的影响。
2．气升发酵罐的性能指标
循环周期：发酵液的溶氧必须维持一定的水平才能保证微生物的正常生长代谢，因此要求发酵液保持一定的环流速度补充溶氧。发酵液在环流筒内循环一次所需要的时间称为循环周期。
不同的微生物发酵，其菌体的好氧速率不同，所需要的循环周期不同，如果供氧速率跟不上，会使菌体的活力下降，造成代谢产率降低。据报道，采用黑曲霉生产糖化酶时，当菌体浓度达到7% 时，循环周期要求在2.5 - 3.5 min ，不得大于4 min ，否则会造成缺氧而使糖化酶活力急剧下降。
通气量对气升式发酵罐的混合和溶氧起决定性的作用，而通气压强指空气在空气分布管出口前后的压强差，对发酵液的流动与溶氧也有相当的影响。一般导流管中的环流速度可取 1.2 - 1.8 m/s ，有利于混合与气液传质，又避免环流阻力损失太多能量，若采用多段导流管或管内设塔板，环流速度可适当降低。
溶氧传质：气升式反应器的气液传质速率主要取决于发酵液的湍动和气泡的剪切细碎状态，受反应器输入能量的影响。
3．典型的气升环流发酵罐
英国伯明翰 ICI 公司的压力循环发酵罐是国际上气升环流发酵罐的杰出代表，其主要结构尺寸如图8-13，为高位塔式发酵罐。公称体积3 000 m3 ，液柱高55 m ，通气压力高，发酵液量2 100 m2 。为强化气液混合与溶氧，沿塔高度设有 19 块带有下降区的筛板，防止气泡合并为大气泡，为使气液顺利分离，塔顶设有气液分离部分，分离部分直径为塔径的1.5 倍。
根据测定及生产运行结果，发酵罐液体上升速度 0.5 m/s ，下降区下降速度达3 - 4 m/s ；在上升管与下降区的持气率分别高达0.52和0.48 。发酵液的循环时间控制在1 – 3 min 。气升式环流发酵罐结构简单，溶氧速率高，能耗低，便于放大和加工制造，因此自20世纪70年代以来广泛应用于单细胞蛋白生产、废水处理等领域，占有绝对优势。
(三) 机械搅拌自吸发酵罐
机桩搅拌自吸式发酵罐不需空压机提供压缩空气，利用特殊设计的搅拌吸气装置，吸入无菌空气，同时实现混合搅拌与溶氧传质。结构如图8-14，搅拌器为空心叶轮，叶轮高速旋转，框内液体被甩出而形成局部负压，从而将罐外的空气吸入罐内，通过导轮并与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分散在液体之中，此类发酵罐省去了空气系统，且气体分布均匀。其缺点是进罐空气处于负压，增加了染菌机会，并且搅拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，菌体的生长代谢受到影响。
为了提高自吸式反应器的吸气能力，空心叶轮与吸气管间用双端面密封装置，液体深度和罐压应有所限制，并采用大面积低阻力的高效空气过滤器对吸入的空气进行无菌过滤。
三、固体培养设备
固体发酵设备多用于于酱油生产和酿酒，现在也用于农副产品生产微生物饲料。固体发酵设备分为自然通风发酵设备和机械通风发酵储备。自然通风发酵设备要求空气与固体曲料密切接触，以供给空气和带走合成代谢产生的热量。多采用木制浅盘，现多用不锈钢制作，尺寸根据需要确定，常用尺寸0.37 m × 0.54 m × 0.06 m或l m × l m × 0.06 m ，
底部和侧面打孔，放在架子上，架子一般分为数层，每层0.15 – 0.25 m ，底层距地面约0.5 m 。设备放在易通风、保湿、接潮的曲房中，曲房的大小以一批曲料用一个曲房，便于管理。
机械通风固体发酵设备，采用鼓风机强化发酵系统的通风，曲层厚度大大增加，锅曲效率提高，同时便于控制曲层的温度，提高成品质量。
机试通风固体发酵设备，曲室多采用长方形水泥池，宽约2 m ，深l m ，长度根据生产场地及产量等选取，但不宜过长，以保持通风均匀；曲室底部高出地面，便于排水，池底有8- 10的倾角，使通风均匀；池底上有一层筛板，发酵固体曲料放在筛板上，料层厚度0.3 - 0.5 m 。曲室的较低端与风道相连，其间设一风量调节闸门。曲池通风常采用单向操作，为充分利用冷量和热量，一般把离开曲层的部分空气经循环凤道回到空调室，另吸入新鲜空气。空气通道的风速取10 - 15 m/s 。因通风过程的阻力损失较低，可选用效率较高的离心式风机，通常选用风压l 000 -3 000 Pa的中压风机较好。
更先进的机械通风发酵设备是双层旋转制曲设备，双层旋转式固体曲发酵设备，可实现自动化控制。我国采用单层旋转制曲设备比较多。另外还有采用卧式固体发酵罐。罐内壁装有冷却装置，罐体可整体旋转，两例支撑轴为空心，设有空气进出口。根据报道3 m3 以下卧式固体发酵罐已有工厂采用。
四、动植物细胞培养反应器
随着生物工程技术的发展，动植物细胞的培养逐渐从实验室规模培养过渡到生产规模的生物反应器中进行。动植物细胞培养是指动物域植物细胞在体外条件下进行培养繁殖，此时细胞虽然生长与增多，但不再形成组织。
动植物细胞与微生物细胞有明显的区别，首先动物细胞无细胞壁，动植物细胞对环境影响十分敏感。培养中动植物细胞对培养基的营养要求相当苛刻，并且生长缓慢，所以动植物细胞培养体系需要严格防止杂菌污染。
(一)动物细胞培养生物反应器
动物细胞培养反应器有多种型式，这些反应器都是针对动物细胞无细胞壁，不能耐受强烈搅拌与通风的剪切力而设计制造的。
1．动物细胞悬浮培养反应器
由于动物细胞无细胞壁保护，采用一般发酵罐的搅拌桨叶搅拌液体时，液体间的剪切力往往过大而破坏细胞，因此，实验室规模的悬浮培养反应器是依靠磁力驱动的搅拌器低转速搅拌 ( 如20 - 50 r/min ) ，搅拌桨有用尼龙丝编织带制成船帆形，或者通过插入溶液中的硅胶管使氧气扩散到培养液内。一种实验室内用于液体悬浮培的培养瓶，容积为0.1 - 0.2 L ，培养液依靠磁力驱动的搅拌器低转速搅拌，而溶氧借助于液体上的空气表面曝气扩散，瓶内空气混有5% 的二氧化碳调节培养液酸碱度。据报导，此类培养瓶液体中细胞浓度可达到5 × l05 个/mL 。 。。
目前，工业规模的动物细胞悬浮培养反应器较大规模的有l0 m3 ，用来生产杂交瘤单克隆抗体。采用螺旋桨搅拌器，搅拌转速控制在每分钟几十转，KLa 值达l0 h-1 。另外，用扩散渗透通气装置取代传统的通风装置。该装置采用新鲜培养液连续流加，而流出的培养液则通过旋转过滤器分离细胞后被排出，所以这种培养系统也称为灌注系统'。
2．动物细胞贴壁培养反应器
多数动物细胞需附着在固体或半固体表面才能生长，细胞在载体表面上生长并扩展成一单层，所以贴壁培养又称单层培养。传统的动物细胞培养反应器是滚瓶，利用滚瓶的缓慢转动；使动物细胞在滚瓶内壁贴壁生长繁殖。目前很多生物制品工厂就用4 - 30 L大小的滚瓶进行动物细胞贴壁培养来生产疫苗。20世纪70年代开发出中空纤维培养装置进行动物细胞培养，细胞密度可达109 个/mL 数量级。该装置的主要组成是中空纤维管，中空纤维管内径为200 um ，壁厚为50 -75 um ，只能让氧与二氧化碳等小分子自由地透过纤维膜双向扩散，而中、大分子有机物不能透过。动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长，可很方便地获取营养物质和溶氧。到一定时间将细胞收获。动物细胞培养时间要比一般微生物培养时间长，其灭菌要求更严格，对中空纤维培养器来讲尤为重要，如果该装置因操作不当而污染杂菌后，整个装置无法灭菌再生而报废，经济损失就较大。这是中空纤维培养器的最大缺点。
3．动物细胞微载体悬浮培养反应器
动物细胞微载体培养是细胞附着和生长在悬浮于培养液中的微珠表面，借助于温和搅拌使细胞均匀分布的广种培养方法。这种培养方法是将单层培养和悬浮培养结合起来，具有放大容易、细胞所处环境均一等优点。
贴壁培养动物细胞的载体微珠称为微载体。可用交换当量低的葡聚糖凝胶、聚丙烯酷胺、明胶或甲壳质等来制造，要求微载体球径为 40 – 120 um ，经生理盐水溶胀后为60 – 980 um 。球径要均匀，一般要求密度在1.03 - 1.05 g/mL ，确保反应器内缓慢搅拌条件下微载体能悬浮起来。
微载体悬浮培养的反应器应解决的关键问题，首先是具有合适的搅拌，使微载体在培养液内悬浮循环流动，而又不因过高的剪切力而使动物细胞受到破坏。其次，不能像传统发酵罐那样用空气在培养液内鼓泡充氧，而只能用特殊方式来传递氧，以满足所需要的溶氧浓度。再次，在培养液中要严格控制 pH 。
搅拌系统是微载体培养反应器中的重要组成部分。采用的搅拌器有螺旋桨、摆动混合式、带有流动导向口的转筒式等，搅拌转速在0 – 80 r/min 之间。空气可以从中空导向桨叶流人反应器，或者利用聚四氟乙烯中空纤维管作为通风供氧装置。
Celligen 细胞培养反应器，用于微载体悬液培养。反应器内有一个旋转笼式搅拌器，在圆筒上部有3 – 5 个中空的导向搅拌桨叶，在圆筒外壁上用200 目 ( 75 um ) 不锈钢丝网焊成一个环状气腔，气腔下面有一圈气体分布管。搅拌器以 0 – 50 r/min 的转速旋转，微载
体的悬浮液由圆筒下部吸入，从中空导向桨叶流出，形成循环流动。在气腔内气体由分布管鼓泡，气体溶于液体中，依靠气腔丝网外液体的循环流动及扩散作笼式搅拌器用使培养液的气体均匀分布。使用200目丝网的作用是保证微载体不进入通气腔，而气泡不进入培养液中；避免气泡与微载体的直接接触。
该反应器还带有一个进入气腔的混合气体 ( 氧、氮、二氧化碳和空气 ) 调气系统，用来自动控制溶氧和pH 。该反应器操作较方便，转速控制稳定。
(二) 植物细胞培养反应器
用于植物细胞培养的核心设备称为植物细胞培养反应器。此类反应器与微生物发酵用反应器有许多相同之处，也采用通用式发酵罐、鼓泡式发酵罐、气升式反应器、流化床式反应器、固定床式反应器、膜反应器及振动混合反应器等。植物细胞培养反应器已从实验室规模的1 - 30 L 放大到工业性试验规模130 – 20 000 L 。
实际生产中，大规模的植物细胞培养反应器有用于烟草细胞培养的机械搅拌罐。培养烟草细胞的装置，虽然植物细胞培养所需的KLa值小于一般好氧微生物培养时所需的KLa值，但高细胞浓度下培养液的黏度加大，因此，宜采用直径较大 ( 搅拌叶直径为罐径的1/2 ) 的角度桨式搅拌器。反应器容积20 m3 ，搅拌转速为 10 – 40 r/min ，连续培养，细胞生产能力为 5.82 kg/ ( m3·d )。
植物细胞培养反应器的设计，可采用通风发酵设备的放大方法来进行。上述烟草细胞培养用 20 m3 反应器就是以 KLa 为基准的比拟放大方法设计制造的。
采用气升式反应器培养植物细胞也有一定的应用前景，与机械搅拌反应器相比，所受的剪切力低得多；无轴封装置，结构简单，制作方便，灭菌容易；操作费用低；可通过控制通气速率控制细胞的生长。
根据实验证实，采用气升式反应器培养柠檬叶鸡眼藤细胞生产蒽醌，与其他反应器相比，有更高的生产率。
(三) 微藻培养光合生物反应器
海洋生物包括海洋动物 ( 如鱼、虾、贝等 ) 、海洋植物 ( 如大藻和微藻 ) 和海洋微生物。由于微藻主要是光能自养型，可通过光合作用来生长，因此，除与一般微生物发酵条件相近外，还需光照和氧解析，并大量供应二氧化碳。
典型且常用的微藻培养光合反应器是敞开式跑道池，自 20 世纪 60 年代设计出来，至今基本末变，只对其混合系统进行过改进。这类反应器的优点是成本低、建造容易。其缺点也非常突出，如培养效率低、培养条件无法控制、易污染、雨水会便培养基稀释、反应器中水分蒸发量大和能够进行生产的时间短 ( 如北方冬天不能生产 ) 等。
封闭式光合反应器的研制开发已有几十年历史，但其取得实际研究进展是近几年的事。封闭式光合反应器与敞开式反应器相比，具有培养效率高、培养条件易于控制、无污染、生长周期长和适合于所有微藻的培养等优点。封闭式光合反应器按其接收光的方式可分为
两大类：一类是外部光源，另一类是内部光源。
外部光源封闭式光合反应器大部分处于中试规模，体积达10 m3 ，面积达几百平方米，多数为管道式和板式，也有罐式的。内部光源封闭式光合反应器在国外也有产品出售。这种反应器已全部实现计算机自动控制。反应器型式有多种，如罐式、管式等。
本 章 小 结
1．生物反应在反应器内发生 ，它是连接原料和产物的桥梁 ，本章介绍了反应器的种类和反设计的目标和原则。
2．介绍了用于酒精、啤酒等发酵产品生产的厌氧式发酵罐的结构。
3．重点讲解了机械搅拌通风发酵罐的结构(包括几何尺寸 、搅拌装置 、换热装置 )、发酵液的特性 、搅拌功率及其计算。
4．简介了气升式发酵罐的结构参数和性能指标。 同时介绍了机械搅拌自吸发酵罐、固 体发备和动植物细胞的培养装置。
本章思考题
1．叙述生物反应器 ( 发酵设备 ) 的功能和分类。
2．设计反应器时要本着哪些原则，反应器必须具备什么条件?
3．说明厌氧发酵罐中锥底发酵罐、联合罐、朝日罐和酒精发酵罐的结构特点。
4．掌握发酵液的流变特性和机械搅拌通风发酵罐的结构特点、发酵罐几何尺寸和搅拌功率的计算。
5．有一发酵罐，罐直径为1.6 m ，采用一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器进行搅拌，涡轮直径为0.60 m ，搅拌器转速为168 r/min ，罐内装有四块标准挡板，通气量为1.42 m3/min ，罐压为0.l5 Mpa ( 绝压 ) ，发酵液黏度为1.96 × 10-3 Pa·s ，密度为1 020 kg/m3 。请计算通气搅拌功率 Pg 。
6．掌握气升式发酵罐的类型、结构参数和性能指标。
7．以液体发酵法生产食醋为例说明机械搅拌自吸式发酵罐的操作状况。
8．说明固体反应器、动植物细胞反应器和微藻培养光合生物反应器的特点。
9．将处理量为 0.921 m3 、罐内经为0.57 m 、液面高度1.14 m 、两只涡轮直径为0.228 m 、搅拌转速337 r/min 的发酵罐放大100倍，请估算放大后的发酵罐的直径、液面高度、搅拌器直径和转速。