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第六章生物反应器结构与设计计算

由生物细胞或生物体组成参与的生产过程可统称为生物反应过程，利用生物催化剂进行反应的生物反

应器在生产过程中，具有重要的作用，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。

在生物反应过程中，若采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）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，则称为酶反应过程。按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同，生物反应

器可分为酶反应器和细胞生物反应器。根据反应器所需的能量的输入方式，微生物细胞反应器可以分为：

通过机械搅拌输入能量的机械式、利用气体喷射动能的气生式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的

生物反应器等。

自上一世纪四十年代，青霉素大规模生产以来，出现了结构多异，性能和用途不同的多类生物反应器。

为配合生物加工过程，工艺条件需要对生物反应器的结构进行设计和计算，以获得较高的产率和规模化生

产。

一个良好的生物反应器应满足下列要求：）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性

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能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；）有良好的气液固接触和混合性能和高效的

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热量、质量、动量传递性能；）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；）有良好的热量交换性能，

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以维持生物反应最适温度；）有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。

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第一节机械搅拌式生物反应器

机械搅拌式生物反应器是发酵工厂最常用的类型之一。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充

分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢产物所需要的氧气。

一、机械搅拌式生物反应器的结构

机械搅拌通风发酵罐主要有罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、

人孔、视镜等。下面做简要的介绍。

1．罐体

罐体由圆筒体和椭圆形或碟形封头焊接而成，材料以不锈钢为好。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℃和（绝压）。罐壁厚度取决于罐径、材料及耐受的压强。

1300.25MPa

2．搅拌器和挡板

为了强化轴向混合，可采用蜗轮式和推进式叶轮共用的搅拌系统。为了拆装方便，大型搅拌叶轮可做

成两半型，用螺栓联成整体装配于搅拌轴上。

搅拌的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气－液

接触界面，以获得所需要的氧传递速率，并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气－液－固

（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。为实现这些目的，搅拌器的设计应使发酵液有足够

的径向流动和适度的轴向运动。

搅拌器大多采用涡轮式。涡轮式搅拌器具有结构简单、传递能量高、溶氧速率高等优点，但存在的缺

点是轴向混合差，搅拌强度随着与搅拌轴距增大而减弱，故当培养液较粘稠时，混合效果就下降。常用的

涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式三种，叶片数一般为六个，也有四个或八个。如图所

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示。

发酵罐内设挡板的作用是防止液面中央形成旋涡流动，增强湍动和溶氧传质。通常设块挡板，其

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宽度为0.1-0.12D，达到全挡板条件。全挡板条件是达到消除液面旋涡的最低条件。在一定的转速下面增加

罐内附件而轴功率保持不变。此条件与挡板数，与挡板宽度与罐径之比有关。

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