自吸式發(fā)酵罐

自吸式發(fā)酵罐是種不需要空氣壓縮機(jī)提供壓縮空氣，而依靠特設(shè)的機(jī)械攪拌吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置吸入無菌空氣，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)混合攪拌與溶解氧傳質(zhì)的發(fā)酵罐。該類發(fā)酵罐自20世紀(jì)60年代開始在歐洲和美開展研發(fā)，然后在酵母及單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、醋酸發(fā)酵及維生素生產(chǎn)等方面獲得應(yīng)用。

與傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐相比，自吸式發(fā)酵罐不必配備空氣壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備，節(jié)約設(shè)備投資，減少廠房面積；溶解氧速率和溶解氧效率均較高，能耗較低，尤其是溢流自吸式發(fā)酵罐的溶解氧比能耗可降至0.5kW-h-（kg O2）-1以下；對(duì)于某些特定產(chǎn)品，如酵母和醋酸發(fā)酵，具有生產(chǎn)效率高和經(jīng)濟(jì)效益較高的優(yōu)點(diǎn)；但由于自吸式發(fā)酵罐是負(fù)壓吸入空氣的操作方式，故發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)部不能保持定的正壓，較易產(chǎn)生雜菌污染；同時(shí)，必須配備阻力損失較小的高效空氣過濾系統(tǒng)。

為克服自吸式發(fā)酵罐固有的部分缺點(diǎn)，可采用自吸氣與鼓風(fēng)相合的鼓風(fēng)自吸式發(fā)酵系統(tǒng)，即在過濾器前加裝臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，適當(dāng)維持空氣系統(tǒng)的正壓，這不僅可減少染菌機(jī)會(huì)，而且可增大通風(fēng)量，提高溶解氧系數(shù)。

根據(jù)吸入空氣的工作原理不同，自吸式發(fā)酵罐分別有機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐和噴射自吸式發(fā)酵罐。

1.機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐

機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐的主要構(gòu)件是自吸攪拌器（轉(zhuǎn)子）和導(dǎo)輪（定子）。空氣管與轉(zhuǎn)子相連接，在轉(zhuǎn)子啟動(dòng)前，先用液體將轉(zhuǎn)子浸沒，然后啟動(dòng)馬達(dá)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，液體或空氣在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣，在這個(gè)過程中，流體便獲得能量，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速愈快，旋轉(zhuǎn)的線速度也愈大，則流體（其中還含有氣體）的動(dòng)能也愈大，流體離開轉(zhuǎn)子時(shí)，由動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能也愈大，在轉(zhuǎn)子中心所造成的負(fù)壓也愈大，因此空氣不斷地被吸入，甩向葉輪的外緣，通過定子而使氣液均勻分布甩出。由于轉(zhuǎn)子的攪拌作用，氣液在葉輪的外緣形成強(qiáng)烈的混合流（湍流），使剛剛離開葉輪的空氣立即在不斷循環(huán)的發(fā)酵液中分裂成細(xì)微的氣泡，并在滿流狀態(tài)下混合，翻騰，擴(kuò)散到整個(gè)罐中，因此轉(zhuǎn)子同時(shí)具有攪拌和充氣兩個(gè)作用。

機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐攪拌吸氣的目的是氣、液、固三相充分混合與分散，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)，為微生物生長及代謝提供溶解氧，促進(jìn)微生物與液相中營養(yǎng)成分及代謝產(chǎn)物等的質(zhì)量傳遞，并強(qiáng)化熱量傳遞。由于自吸式發(fā)酵罐是靠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)形成的負(fù)壓而吸氣通風(fēng)的，吸氣裝置是沉浸于液相的，所以為保證較高的吸風(fēng)量，發(fā)酵罐的高徑比h/D不宜過大，且罐容增大時(shí)，h/D應(yīng)適當(dāng)減少，以保證攪拌吸氣轉(zhuǎn)子與液面的距離為2~3m。對(duì)于黏度較高的發(fā)酵液，為了保證吸風(fēng)量，應(yīng)適當(dāng)降低罐的高度。

實(shí)踐表明，三棱葉轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子直徑較大，在較低轉(zhuǎn)速時(shí)可獲得較大的吸氣量，當(dāng)罐壓在定范圍內(nèi)變化時(shí)，其吸氣量也比較穩(wěn)定，吸程（即液面與吸氣轉(zhuǎn)子距離）也較大，但所需的攪拌功率也較高。三棱葉葉輪直徑般為發(fā)酵罐直徑的0.35。當(dāng)然，為提高溶解氧，可減少轉(zhuǎn)子直徑，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速。而四彎葉轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)是剪切作用較小，阻力小，消耗功率較小，直徑小而轉(zhuǎn)速高，吸氣量較大，溶解氧系數(shù)高。葉輪外徑和罐徑比為1/15~1/8，葉輪厚度為葉輪直徑的1/5

~1/4。有定子的葉輪的流量和壓頭比無定子的葉輪的均增大。

2.噴射自吸式發(fā)酵罐

噴射自吸式發(fā)酵罐是應(yīng)用文氏管噴射吸氣裝置或溢流噴射吸氣裝置進(jìn)行混合通氣的，既不用空壓機(jī)，又不用機(jī)械攪拌吸氣轉(zhuǎn)子。

（1）文氏管自吸式發(fā)酵罐

其原理是用泵將發(fā)酵液壓入文氏管，由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成負(fù)壓將無菌空氣吸入，并被高速流動(dòng)的液體打碎，與液體均勻混合，提高發(fā)酵液中的溶解氧，同時(shí)由于上升管中發(fā)酵液與氣體混合后，密度較罐內(nèi)發(fā)酵液小，再加上泵的提升作用，使發(fā)酵液在上升管內(nèi)上升。當(dāng)發(fā)酵液從上升管進(jìn)入發(fā)酵罐后，微生物耗氧，同時(shí)將代謝產(chǎn)生的CO2和其他氣體不斷地從發(fā)酵液中分離并排出，發(fā)酵液的密度變大，向發(fā)酵罐底部循環(huán)，待發(fā)酵液中的溶解氧即將耗竭時(shí)，發(fā)酵液又從發(fā)酵罐底部被泵打入上升管，開始下個(gè)循環(huán)。

（2）液體噴射自吸式發(fā)酵罐（3）溢流噴射自吸式發(fā)酵罐

溢流噴射自吸式發(fā)酵罐的通氣是依靠溢流噴射器來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)液體溢流時(shí)，形成拋射流，液體表面層與其相鄰氣體產(chǎn)生動(dòng)量傳遞，使邊界層的氣體有定的速率，從而帶動(dòng)氣體的流動(dòng)，形成自吸氣作用。要使液體處于拋射非淹沒溢流狀態(tài)，溢流尾管應(yīng)略高于液面，經(jīng)驗(yàn)表明，尾管高1~2m時(shí)，吸氣速率較大。華南理工大學(xué)研制的系列溢流噴射自吸式發(fā)酵罐，在酵母培養(yǎng)中已取得了良好的結(jié)果：干細(xì)胞濃度可以高達(dá)50kg-m-3；對(duì)數(shù)生長期的生產(chǎn)效率達(dá)到7.9kg-m-3-h-1；比能耗為0.37~0.61kW-h-（kg）-1。目前，該系列自吸式發(fā)酵罐已放大至200m3。此外，它在味精廢水處理中也取得良好效果。

歐洲的福格布爾（Vogelbusch）公司研制的溢流噴射自吸式發(fā)酵罐，廣泛應(yīng)用于酵母等單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)，已放大至2000m3的規(guī)模，溶解氧比能耗降至0.5kWh（kgO2）-1。