第二章通气发酵设备
常用的通气发酵罐：机械搅拌式、气升环流式、鼓泡式和自吸式。

一、机械搅拌通气发酵罐
1.主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管
（或夹套）、消泡剂、人孔、视镜等。

罐体：由圆柱体和椭圆形或蝶形封头焊接而成，为满足工艺要求，罐体必须能承受一定压力和温度，通常要求耐受130C和0.25MPa(绝压)
搅拌器：常用的由平叶式或弯叶式圆盘涡轮搅拌器。

主要作用为混合和传质，同时强化传热过程。

挡板：防止液面中央形成旋涡流动，增强其湍动和溶氧传质。

轴封：防止染菌和泄漏。

大型发酵罐常用的轴封为双端面机械轴封，由三部分构成，动环和静环、弹簧加荷装置、辅助密封元件。

空气分布器：主要分为环形管式和单管式，喷气孔向下以尽可能减少培养液在环形分布管上滞留。

对机械搅拌通气发酵罐，分布管内空气流速取
20m/s左右。

消泡装置：在通气发酵生产中有两种消泡方法，一是加入化学消泡剂，二是使用机械消泡装置。

通常，两种方法联合使用，最简单实用的消泡装
置为耙式消泡器。

2.传统的双模理论
（1）气泡中的氧通过气象边界层传递到气-液界面上
（2）氧分子由气相侧通过扩散穿过界面传递到液相侧
（3）氧分子在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体
（4）在液相主体中进行对流传递到生物细胞表面液膜外面
（5）通过生物细胞表面的液相滞流层扩散进入生物细胞内
3.体积溶氧系数KLa
此值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过程中阻力大，则KLa值低，反之KLa值高
4. 影响KLa的主要因素有：
（1）操作条件，如搅拌转速、通气量等
（2）发酵罐的结构及几何参数，如体积、通气方法、搅拌叶轮结构和尺寸等
（3）物料的物化性能，如扩散系数、表面张力、密度、黏度、培养基成分及特性等
5.增加液相中溶解氧的方法
（1）提高KLa：加强液相主体紊流，加速气液界面更新，增大气液接触面积、降低液膜厚度
（2）提高Cs（液相中饱和溶解氧浓度）：提高气相中的氧分压
6.强化溶氧传质的新技术
(1)发酵液中添加氧载体：加入不溶于培养基又五毒的物质，例如，加入10%-
30%C11-C17烷烃或丁基四氟呋喃，可提高溶氧系数数倍。

氧载体可
简单分离回收和重复使用
(2)把血红蛋白基因克隆到生产菌株，可大大提高菌体细胞对氧的利用能力。

二、气升式发酵罐
这类反应器具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等优点。

有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。

1.工作原理
把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，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。

2.气升环流式反应器的特点
（1）反应溶液分布均匀气液固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好是生物反应器的普遍要求，气升环流反应器能很好地满足这些要求。

（2）较高的溶氧速率和溶氧效率气升式反应器有较高的气含率和比气液接触面积，因而有较高的传质速率和溶氧效率，体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高
（3）剪切力小，对生物细胞损伤小由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损伤可减至最低，尤其适合植物细胞及组织的培养
（4）传热良好气升式反应器因液体综合循环速率高，同时便于在外循环管路上加装换热器，这就有利于保证除去发酵热以控制适宜的发酵温度
（5）结构简单，易于加工制造气升式反应器罐内无搅拌气，故无需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证，故加工制造方便，设备投资低。

便于方大设计制造
（6）操作和维修方便因无机械搅拌系统，故结构简单，能耗低，操作方便，特别是不易发生机械搅拌轴封容易出现的渗漏染菌问题；另外，因无机械
搅拌热产生，故发酵总热量较低，换热冷却和温控有保证
三、自吸式发酵罐
不需要空气压缩机提供压缩空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。

有机械搅拌、喷射、溢流自吸式等三种发酵罐
自吸式发酵罐的特点
优点
（1）不必配备空气压缩机及相应的附属设备，节约设备投资，减少厂房面积
（2）溶氧速率高，溶氧效率较高，能耗较低，尤其是溢流式发酵罐的溶氧比能耗可降至0.5Kw·h/(kg O2)以下
（3）用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效益高的优点
缺点
一般的自吸式发酵罐是靠负压吸入空气的，故发酵系统不能保持一定的正压，
较易产生杂菌污染。

同时，必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统
四、通气固相发酵设备
通气固相发酵工艺是传统的发酵生产工艺，广泛应用于酱油和酿酒生产，以及
农副产物生产饲料蛋白等。

具有设备简单、投资省等优点。

最常用的有如下两种：自然通气固体曲发酵设备、机械通气固体发酵设备。