機械式攪拌發酵罐要求、原理及結構，一篇說清楚。

機械攪拌發酵罐是目前運用較多、應用較廣的通氣發酵設備，是發酵工廠最常用類型。也稱標準式或通用式發酵罐。

機械攪拌是目前容易達到混合及傳質效果的形式。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發酵液充分混合，并溶解在發酵液中，以保證微生物的生長繁殖所需要的氧氣。

發酵罐基本要求

①發酵罐應有適宜的高徑比。一般高度與直徑比為（1.7～4）∶1，高徑比越大，溶氧效果越好，氧的利用率越高。需注意高徑比越大，罐越高，對建筑成本影響。

②發酵罐要有適宜的設計壓力。目前大部分發酵罐設計壓力為0.3MPa，工作壓力為0.15MPa以下。

③攪拌器及內部結構有利于氧的溶解。發酵罐攪拌槳一般為多種攪拌槳組合，以達到最好的溶氧效果，發酵罐內部擋板、豎式列管等結構，使培養基在攪拌時形成湍流，增加攪拌效果。

④發酵罐要有良好的密封性。發酵罐對密封要求較高（特別是攪拌密封），各個接口及機械密封要滿足密封要求，盡量減少泄漏，減少培養時染菌的概率。

⑤發酵罐內部在設計時，要避免滅菌及攪拌死角。以簡單穩固為主，防止罐內螺栓松動。

⑥發酵罐要易于操作及清洗。內表面進行鏡面拋光，減少培養基等附著，接口采用卡箍快接等方式，方便操作、清洗及檢修。

⑦發酵罐要有足夠的換熱面積。發酵罐在設計時，要計算換熱面積，有足夠的換熱面可以保證迅速升溫、降溫，保證滅菌時盡可能降低培養基營養成分的破壞以及發酵時溫度控制的準確性。

發酵罐工作原理

機械攪拌發酵罐主要利用機械攪拌槳的攪拌破碎作用、空氣分布器的分散作用，使通入的無菌空氣分散成小氣泡，與發酵液混合，促使氧氣在發酵液中的溶解，以保證微生物生長及生產產物所需的氧氣。

衡量發酵罐的優良與否的2個基本指標是溶氧系數（KLa)的高低和傳遞1kg氧所耗功率的大小。

發酵罐通過加酸、加堿等使發酵液維持一定的pH；

通過夾套、盤管、蛇形列管等通冷卻水、熱水、蒸汽等使發酵液維持一定的溫度；

通過罐體滅菌、除菌過濾器過濾、保持密封、罐內保持正壓等使微生物發酵時保持嚴格的無菌條件。

通過控制通氣量、溶氧、攪拌轉速、罐壓、pH、溫度、補料、菌體密度、尾氣檢測等參數確保發酵處于最佳狀態。

主要結構

發酵罐的主要結構包括：罐體、攪拌器、擋板、空氣分布裝置、機械密封、換熱裝置、傳感器接口、附屬結構等，如圖所示。

（1）罐體

發酵罐由圓柱形直筒體和橢圓形或蝶形上下封頭連接而成。

公稱容積（下封頭和筒體容積）1m3及以下發酵罐上封頭與直筒體采用法蘭連接，設有手孔進行加料、清洗等，若要對發酵罐內部進行檢修，需要將上封頭打開；

公稱容積1m3以上發酵罐上封頭與罐體直接焊接，設有人孔，可以進行加料、清洗、進罐檢修等。

在罐頂上接口：人孔、補料口、排氣口、壓力表接口、接種口等。

在罐身上接口：進氣口、移種口、取樣口、出料口、各種傳感器接口、循環水進出口等。

常用的機械通氣攪拌發酵罐的結構和主要尺寸已經標準化，根據發酵罐大小及用途可以分為多種。主要分為三級，實驗室規模，中試規模，生產規模。

實驗室規模的有1，3，5，10，20，30L發酵罐；

中試規模的有50，100，200，300，500L和1，2，3m3 發酵罐；

生產規模的有5，10，20，50，100，200m3發酵罐。（一般分法，不絕對。）

我們可以根據需要進行發酵罐容積選擇。

通用型機械攪拌通風發酵罐幾何尺寸如下圖所示。

通用型發酵罐幾何尺寸

圖中H——發酵罐直筒體高度，m；

D——發酵罐直徑，m；

d——攪拌器直徑，m；

W——擋板寬度，m；

B——下攪拌器距罐底距離，m；

s——攪拌器間距，m。

常用的機械攪拌通風發酵罐的幾何比例：

H/D=1.7～3.5；

d/D=1/3～1/2； 

W/D=1/2～1/8；

= 1～2

（下面2， 3表示攪拌器的擋板數）

描述發酵罐大小有全容積和公稱容積。

全容積是發酵罐直筒體體積和上下封頭體積之和；

公稱容積（V0）是指罐體直筒體體積（Va）和下封頭體積（Vb）之和。現在一般說發酵罐大小說的全容積。

裝料系數為發酵罐裝液量與全容積的比值，一般發酵罐裝料系數為70%～80%。

在發酵罐培養過程中，若有較多泡沫產生，可以適當降低裝料系數；

對培養過程中泡沫較少、通氣量較小的發酵罐，可以適當提高裝料系數。

（2）攪拌器

機械攪拌器的主要功能是使物料混合、打碎氣泡、強化傳熱傳質。

機械攪拌器使發酵液中的固形物料保持懸浮狀態，從而維持氣-液-固三相的混合傳質；

使通入的空氣分散成小氣泡并與發酵液混合均勻，增加氣液接觸界面，提高氣液間的傳質速率，強化溶氧；

通過攪拌，使發酵罐各個部位溫度均勻，強化熱量的傳遞。

攪拌器葉輪攪拌時有軸向流、徑向流和切向流。

軸向流是流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再翻上，形成上下循環流，液體循環流量大，如圖（1）所示。

軸向流使液體在發酵罐內形成的總體流動為軸向的大循環，有利于宏觀混合，但湍動程度不高。主要槳葉形式有槳葉式和旋槳式攪拌槳。

徑向流是流體流動的方向垂直于攪拌軸，沿發酵罐半徑方向在攪拌器和內壁間流動，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個循環流動，如圖（2）所示。

徑向流使液體在發酵罐內總體流動較復雜，液體剪切作用大，有利于氣泡的破碎，但容易造成微生物細胞的損壞。主要槳葉形式有渦輪式攪拌槳。

切向流是指無擋板的容器內，流體繞軸做旋轉運動，流體在離心力作用下涌向器壁，中心部分液面下降，形成一個大漩渦，如下圖所示。

嚴重時可使攪拌器不能全部浸沒于發酵液中，使攪拌功率顯著下降。

目前發酵罐用得最多的是渦輪式攪拌槳，如下圖所示，分為平直葉渦輪攪拌槳、彎葉渦輪攪拌槳、箭葉渦輪攪拌槳等。攪拌槳葉片一般為6片。

（3）擋板 

擋板的作用是為改變流體的方向，將切向流改為軸向流，使攪拌時產生湍流，防止產生漩渦，增大溶氧量，提高傳質、傳熱效果，提高攪拌效率。

擋板的上部要在液面以上，下部伸至罐體底部，與封頭平齊。

擋板寬度一般為（0.1～0.12）D。（D是發酵罐直徑）

裝設4～6片擋板，可滿足全擋板條件，所謂“全擋板條件”指在發酵罐內再增加擋板以及其他可起到擋板作用的附件時，攪拌功率不變，漩渦基本消失。

擋板的安裝有幾個特點：

擋板與罐壁之間有間隙，可有效防止罐壁與擋板之間存在清洗及滅菌死角；

擋板可拆卸，方便檢修；

擋板在最外部加工成與液體流動方向的彎曲，可有效增加擋板強度，且減少液體對擋板外部的摩擦；

在10m3及以上的發酵罐，列管可以代替擋板。

（4）機械密封 

在機械攪拌發酵罐中，除了磁力攪拌不需將攪拌軸伸出發酵罐，其余均需將攪拌軸伸出發酵罐，然后由電機帶動旋轉，在攪拌軸伸出罐體部位，就需要有機械密封防止泄漏。

機械密封可分為填料函式機械密封和端面機械密封，端面機械密封根據密封端面的數量可分為單端面機械密封和雙端面機械密封。

填料函式機械密封由填料箱體、填料底襯套、填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構成，如圖7-6所示。

填料函式是在填料腔內加入填料，通過壓蓋和壓緊螺栓壓緊后，使填料與軸之間緊密接觸，達到密封的目的。

填料函式機械密封優點是價格便宜，結構簡單，檢修方便，對軸加工精度要求低，對軸磨損小。

缺點是死角多，很難徹底滅菌；使用壽命短、泄漏量大，密封效果差，易染菌，維修頻繁，在發酵罐中已經很少使用。

根據發酵罐的使用溫度和壓力范圍，目前用得最多的是單端面機械密封，如圖所示。

常用的單端面機械密封結構

單端面式機械密封的端面由軟硬不同的兩種材質制成，分別為動環和靜環。

靜環是固定在發酵罐上，不旋轉的端面，通過密封墊與發酵罐機械密封底座緊密貼合，確保靜環與發酵罐接觸部位無泄漏。

動環套在軸上，內部有密封墊與軸緊密貼合，可防止動環與軸之間有泄漏。動環上部彈簧將動環向靜環方向壓緊，使動環光滑端面與靜環光滑端面緊密接觸，達到密封的目的。

單端面機械密封在安裝前后均需要好好保護，保證接觸面光潔。安裝時，盡量避免動環和靜環傾斜。

小型機械密封一般安裝在罐體內，此種類型盡量選用結構簡單、死角少的機械密封；稍大型的機械密封均安裝在發酵罐外，易于固定和進行調節、維護。

（5）空氣分布裝置 

空氣分布裝置的主要作用是吹入無菌空氣，使通入發酵罐中的無菌空氣分散成小氣泡，以便在發酵液中溶解更充分，有利于菌體生長。

空氣分布裝置常用的形式有單管式和環形管式，如圖所示。

環形管式和單管式空氣分布器

單管式空氣管伸至底部攪拌槳下部，開口向下，可保證管內不積料，無死角，同時空氣向下吹，可將罐底物料向上吹起，氣泡經過攪拌槳進一步打碎，可起到較好的溶氧效果。出氣口底部距罐底距離根據罐體大小略有不同。

環形管式是在空氣管尾部焊一個環形管，環形管一般為封閉圓形或不封閉圓形，環形管底部和側面開一些小孔，所有小孔截面積之和約等于進氣管截面積。

環形管式分布器一般用于容積較小的發酵罐。較小容積發酵罐受容積限制，高度較小，空氣在發酵液中停留時間較短，故通過空氣環形分布器將空氣變成較小氣泡，有利于提高溶氧。單管式用于較大型發酵罐。

（6）換熱裝置 

發酵罐需要滅菌、控溫，就需要換熱裝置。用于發酵罐的換熱裝置主要有夾套、盤管、豎式蛇管和豎式列管。

體積在5m3及以下的發酵罐一般用夾套，5m3以上可用盤管、豎式蛇管或豎式列管等。

夾套上部高度超過發酵液液面即可，無需計算。夾套有進口和出口。控溫時冷卻水或熱水從夾套低位進入，高位排出，如圖7-9所示；

夾套換熱裝置及熱交換示意圖

滅菌預熱時蒸汽從夾套高位進入，冷凝水從夾套低位排出。

夾套優點：結構簡單，制作方便；罐內無冷卻裝置，可有效減少死角，容易進行罐體清洗、滅菌。

缺點是冷卻水流速低，換熱不均勻，發酵時換熱效率相對較低。

盤管是在發酵罐內一種呈螺旋狀的不銹鋼管道系統，有進口和出口，換熱效率較高。如下圖（1）。

如圖（2）所示，發酵罐每組豎式蛇管由許多豎式不銹鋼管組成，不銹鋼管上下之間通過180°彎頭串聯焊接，最終變成一進一出的一組豎式蛇管。

一般四組、六組或八組，具體數量及管徑根據罐體大小及換熱要求確定。

豎式蛇管較夾套具有換熱效率高，換熱面積大，換熱介質無短路問題。且蛇管耐壓大，可以用相對高壓的換熱介質，提高換熱效率。

豎式蛇管還可以起到擋板的作用，在發酵罐內無需再裝擋板。

但蛇管焊接制造相對復雜，焊縫較多，焊縫泄漏概率相對較大，有泄露修補困難。

如圖（3）所示，發酵罐每組豎式列管由多根豎式不銹鋼管組成，不銹鋼管之間通過一根進水管和排水管并聯焊接，最終變成一進一出的一組豎式列管。

具體數量及管徑根據罐體大小及換熱要求確定。

豎式列管加工簡單，換熱介質有短路問題，換熱效率較豎式蛇管低。豎式蛇管也可以起到擋板的作用，在發酵罐內無需再裝擋板。

（7）消泡裝置

由于發酵液中有蛋白質等易于發泡的物質，在發酵過程中的通氣和攪拌作用下，可產生較多泡沫，泡沫太多會從發酵罐排氣口排出，造成跑液，也增大了發酵過程中的染菌概率。

發酵罐消泡裝置是物理消除發酵過程中產生的泡沫的裝置，目前主要用的消泡裝置是消泡槳。（因消泡槳作用有限，很多發酵罐已取消。）

消泡槳是用物理方法將氣泡打碎，主要有蛇形、鋸齒形和耙齒形，如圖所示。

消泡槳安裝在攪拌軸較上部位，隨攪拌軸一起旋轉，在泡沫達到消泡槳位置時，消泡槳可將泡沫打碎。

總結

隨著生物技術的發展和工業發酵需求的不斷增長，機械攪拌發酵罐的設計和應用也在不斷優化和創新。

目前，通過精確控制發酵過程中的關鍵參數，如pH、溫度、溶氧、攪拌轉速等，可以顯著提高微生物的代謝效率和產物的產量。這些參數控制也隨著在線檢驗設備發展，更為穩定準確。

發酵罐的結構將根據發酵菌的特點，結合本文發酵罐原理及結構，進性定制化制作，以滿足我們不同發酵條件的需求。

此外，發酵罐的自動化和智能化控制系統為實現更精確的過程控制提供了可能，由中控系統進行參數控制，只需設置好所需風量、溫度、pH、補料速度等由系統自動控制調節，這些技術進一步推動了發酵工藝的現代化和高效化。