一、發酵罐設計的基本原則和要求
發酵罐需要在無雜菌汙染的條件下長期運行，因此必須保證微生物在發酵罐中能正常的生長代謝，並且能最大限度地合成目的產物，所以發酵罐設計的基本原則是能夠為微生物提供生長、代謝和形成目的產物的適宜環境，並使自身的結構與操作滿足具體生物工程技術所要求的工藝條件。因此，在設計發酵罐時首先要考慮發酵罐的傳遞性能，包括傳質效率、傳熱效率和混合效果；其次要考慮發酵罐能否適合生產工藝的放大要求，能否獲得最大的生產效率。
不同類型的發酵罐由於發酵工藝不同，結構也會有所不同，但一個理想的發酵罐應滿足下列要求：
（1）結構簡單、嚴密、耐蝕性好，經得起蒸汽的滅菌消毒；
（2）有良好的氣液接觸和液固混合性能；
（3）在保證正常發酵的前提下，盡量減少攪拌和通氣所消耗的動力；
（4）有良好的熱交換性能，以適應滅菌操作和使發酵在最適宜的溫度下進行；
（5）盡量減少泡沫的產生，以提高裝料係數，增加放罐體積；
（6）具有必要可靠的檢測和控製儀表。
二、發酵罐設計的內容和步驟
發酵罐的設計包括工藝設計和機械設計兩部分。工藝設計是根據生產工藝要求和工藝提供的原始數據，通過工藝計算確定發酵罐的主要尺寸，如發酵罐總體積、罐體的直徑與高度；傳動方式和熱交換麵積及排布形式；攪拌器類型、攪拌轉速及攪拌功率等。機械設計是根據工藝尺寸設計發酵罐的整體結構與零部件結構；再根據料液有無腐蝕性選擇合適的材料和結構；進行強度、剛度、穩定性等機械設計計算，還要考慮經濟性、節約材料以及便於製造、安裝和維修。
下麵以機械攪拌式發酵罐為例介紹發酵罐設計的內容和一般步驟。
（一）發酵罐本體的設計
1.罐體的設計
（1）罐體的設計和計算，包括總體積的確定、高徑比；
（2）封頭的設計和計算，根據罐體的直徑確定封頭的類型、體積以及高度等；
（3）罐體壓力試驗時應力校核和體積驗算，包括罐體受內壓和外壓機械強度計算。
2.附件的選取
（1）接管尺寸的選擇；
（2）法蘭的選取；
（3）開孔及開孔補強；
（4）人孔及其他，包括大小、方位和尺寸；
（5）傳熱部件的計算，包括傳動方式、熱交換麵積及排布形式；
（6）擋板、中間支撐以及扶梯的選取。
3.攪拌裝置的設計
（1）攪拌器的設計，包括攪拌器的型式、直徑、轉速、攪拌功率以及攪拌器的層數和層間距等；
（2）傳動裝置的設計；
（3）攪拌軸和聯軸器的設計與選取，包括攪拌軸臨界速度的計算；
（4）軸承的選取及其壽命的核算；
（5）密封裝置的選取。
（二）發酵罐主要設計參數的確定
這部分內容包括設備質量載荷的計算，偏心載荷的計算，塔體強度及穩定性試驗，裙座的強度計算及校核。以下以100m3的穀氨酸發酵罐為例介紹機械攪拌式發酵罐的一般設計步驟和計算方法（王天利，1990）。
1.主要幾何尺寸的確定
按高徑比H/D＝3設計，則罐徑：
D=3Vπ4(HD)+π12=31000.785×3+0.262=3.37（m）
取D＝3.4m，直筒高H＝3D＝3×3.4＝10.2m，取H＝10m，則實際高徑比H/D＝2.94。
當直徑D＝3.4m時，標準橢圓形封頭的體積Vb＝5.6m3，直邊高度h1＝0.05m，曲麵高度hb＝D/4=0.85m，則實際全體積為：
V＝π/4×D2×H＋2Vb＝π/4×3.42×10＋2×5.6=102(m3)
2.攪拌功率的計算
（1）攪拌器的選型選用六彎葉圓盤渦輪式攪拌器。通常d/D＝1/3～1/4，現按d/D＝1/3.5計，則攪拌器的直徑：
d＝D/3.5＝3.4/3.5=0.97(m)
取d＝0.95m，則實際d/D＝0.95/3.4＝1/3.58。
（2）攪拌轉速的確定一般按攪拌器葉端圓周線速度v＝3～8m/s設計渦輪式攪拌器，現按v＝7.5m/s計，則攪拌轉速：
n=vπd=7.5π×0.95=2.5（r/s）=150（r/min）
（3）單層攪拌功率的計算設發酵液密度ρ＝1080kg/m3，黏度μ＝2cP＝2×10－3Pa·s，則攪拌過程中的雷諾準數：
Re=d2nρμ=0.952×2.5×10802×10-3=1.22×106
因Re>104，屬湍流狀態，當D/d＝2～7、HL/d=2～4時六彎葉渦輪攪拌器的功率準數NP＝4.8,則單層攪拌功率：
N1=Npρn3d5=4.8×1080×2.52×0.955=6.27×104 W=62.7(kW)
（4）單層攪拌功率的校正因實際裝料量VL＝75m3，則實際液麵的高度為：
HL=VL-Vbπ4D2+(hb+h1)=75-5.60.785×3.42+(0.85+0.05)=8.54(m)
則實際尺寸比例：
（D/d）*=3.4/0.95=3.58
（HL/d）*=8.54/0.95=8.99
按規定尺寸比例D/d=6,HL/d=3計
則單層攪拌功率為：
N′1=N1(D/d)*(HL/d)*(D/d)(HL/d)=6.27×104×3.58×8.996×3=8.38×104(W)=83.8(kW)
（5）多層攪拌功率的計算因攪拌器層數：m＝HLρ×10－3/D=8.54×1080×10－3/3.4=2.6
故選用3層攪拌器，即m＝3。
攪拌器層間距取：S＝3d＝3×0.95=2.85（m）。
則三層攪拌功率：
N3=N′1×30.86［(1+Sd)×(1-SHL-0.9d×lg4.5lg3.0)］0.3=
8.38×104×30.86［(1+3)×(1-2.858.54-0.9×0.95×lg 4.5lg 3.0)］0.3=2.64×106W=264（kW）
（6）通氣攪拌功率的計算按通氣量Qg＝0.2VL＝15m3/min=0.25m3/s計，則通氣準數為：
Na=Qgnd3
HL＝8.54(m)
P=2.43(atm)=0.243(MPa)
Na=0.25/2.432.5×0.953=0.048>0.035
則通氣攪拌功率為：
Ng＝N3（0.62-1.85Na）=2.64×106×（0.62-1.85×0.048）
=1.40×106(W)=140(kW)
另按下式計算：
N′g=0.157(N23nd3Qg0.56)0.46=0.157×［(264)2×(150)×(0.95)3(152.43)0.56］0.46=140(kW)
可見兩種方法計算結果相同。
（7）電機功率的確定發酵罐中采用列管代替擋板，因此乘以係數0.71。按ND＝1.2Ng計，則電機功率為：
ND＝1.2×140×0.71=119.3(kW)
故選用130kW電機。
3.傳熱麵積的計算
（1）熱負荷的計算按穀氨酸發酵熱q＝7500 kcal/h·m3≈8700 W/m3計，則總熱負荷：
Q＝q×VL＝8700×75＝6.53×105(W)
（2）傳熱溫差的計算按發酵溫度T＝32℃，冷卻水進口溫度t1＝20℃，出口溫度t2＝23℃，則對數平均溫差為：
Δtm＝Na=t2-t1lnT-t1T-t2=23-20ln32-2032-23=10.4(℃)
（3）傳熱麵積的計算設總傳熱係數K＝550W/(m2·K)，則所需傳熱麵積為（按表麵積計）：
F=QKΔtm=6.53×105550×10.4=114(m2)
可選擇6組φ76mm×4mm不鏽鋼蛇管。
經計算，確定此發酵罐主要的技術參數和性能：
全體積：V＝102m3;
罐徑：D＝3.4m;
筒高：H＝10m;
高徑比（直筒式）：H/D＝2.94;
攪拌器型式：六彎葉圓盤渦輪式；
攪拌器直徑：d＝0.95m;
攪拌轉速：n＝150 r/min;
攪拌器層數：m＝3層；
攪拌器層間距：S＝2.85m；
傳熱麵積：F＝114m2;
電機功率：ND＝130kW。
對於機械攪拌發酵罐，除滿足一般發酵罐的要求外，還應具備以下特點：
（1）發酵罐的攪拌通氣裝置要能使氣泡破碎並分散良好，氣液混合充分；
（2）發酵罐應始終保持正壓以防止泄漏，所有閥門應易於清洗、維修和滅菌；
（3）發酵罐內壁應拋光到一定精度，所有焊接點必須切實磨光，盡量減少死角和裂縫，罐內已滅菌部分與未滅菌部位之間不應直接相通；
（4）與發酵罐相通的任何連接都應蒸汽滅菌，如采樣口的閥門在不使用時，其出口應有流動蒸汽通過；
（5）盡量減少法蘭連接，因為設備震動和熱膨脹，會引起法蘭連接處移位，導致汙染，攪拌器的軸封應嚴密，避免泄漏；
（6） 具有機械消泡裝置。
（三）通用發酵罐的改進設計
隨著生物工程技術的不斷發展，發酵設備正逐步向大型化發展，為了進一步提高發酵罐的生產能力，降低能耗，通過現代機械和工程的技術成果改進發酵罐的結構設計是今後發酵設備發展的趨勢。在發酵生產中，改善發酵罐的傳質、傳熱和混合效果是提高發酵罐的生產率和降低能耗的關鍵，因此對通用發酵罐結構的改進也主要從這些方麵進行考慮。
1.攪拌器的改進
近年來，隨著對攪拌器流體力學及對混合過程的理解深入，一些更加適合特定發酵過程的新型攪拌器相繼出現。加拿大Rrochem公司研製的Maxflo軸流槳在800L罐曲黴的培養中應用，使用該軸流槳比傳統圓盤渦輪槳傳質係數提高了40%，功耗降低了50%。美國Rochester混合設備公司研製的Lightin A315槳，其最大特點是泛點（flooding point）高，特別適合氣－液傳質過程。在直徑大於1m的實驗罐中，同樣的輸入功率條件下，A315槳的持氣量比圓盤渦輪槳高80 %，氣體分散量提高4倍，功耗降低45% ，同時產量提高10%～50%，而產生的剪切力僅為Rushton渦輪槳的25%，非常適合用於對剪切敏感的微生物的發酵。德國的Ekato公司研製的Intermig槳（，它的攪拌器葉徑均比傳統渦輪槳略大，為罐內徑的47%～60%，而剪切作用約為Rushton槳的1/ 4，對微生物發酵有利。國內的學者開發出一種高效節能的翼型軸流攪拌器，此攪拌器是基於近代流體力學的理論借助於邊界層分離、機翼理論及船用螺旋槳理論等而設計的。它的葉片采用機翼斷麵，葉型參數如拱度比、沿直徑方向的螺距、弦長、厚度等是變化的，葉片一般為4～6片，且較寬。實驗結果表明，該翼型攪拌器具有剪切性能溫和、能耗低、混合好、輸送效率高及可提高發酵指數等優點。