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1、第八章 發(fā)酵設(shè)備與反應(yīng)器,發(fā)酵設(shè)備與反應(yīng)器,生物反應(yīng)器的分類及設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則 微生物細(xì)胞反應(yīng)器發(fā)酵罐 發(fā)酵罐的放大,生物反應(yīng)器的分類,酶催化反應(yīng)器 細(xì)胞生物反應(yīng)器,按所用的生物催化劑的不同分類,生物反應(yīng)器的分類,按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征分類 釜式、管式、塔式、膜式等類型,生物反應(yīng)器的分類,根據(jù)細(xì)胞或組織的代謝要求 厭氧生物反應(yīng)器 好氧生物反應(yīng)器 光照生物反應(yīng)器 膜生物反應(yīng)器,反應(yīng)器的設(shè)計(jì)目標(biāo)和原則,生物反應(yīng)器具備的特點(diǎn)： 1 嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)； 2 良好的液體混合性能； 3 較高的傳質(zhì)、傳熱性能 4 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低 5 配套而又可靠的檢測(cè)和控制儀表,生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)遵循的原則,生物反應(yīng)器應(yīng)具有適宜的徑高比
2、應(yīng)承受一定的壓力 有攪拌通風(fēng)裝置的反應(yīng)器應(yīng)能使氣液固三相充分混合，滿足物料必須的溶氧需求 反應(yīng)器應(yīng)有恰當(dāng)?shù)睦鋮s裝置和冷卻面積，滿足生物體生長(zhǎng)代謝過程中的溫度要求,反應(yīng)器應(yīng)盡量減少死角，消除藏垢積污場(chǎng)所，保證滅菌徹底 盡量減少法蘭連接，防止因設(shè)備震動(dòng)和熱膨脹，引起法蘭連接處移位，造成污染 保證滅菌工作的順利進(jìn)行，培養(yǎng)系統(tǒng)中已滅菌部分與未滅菌部分之間不能直接連通,厭氧發(fā)酵罐,用于酒精、啤酒、丙酮丁醇等嫌氣發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)，由于發(fā)酵過程中不需供氧，所以設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。嫌氣生物反應(yīng)器也已趨向大容量發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)清洗。,啤酒發(fā)酵設(shè)備,傳統(tǒng)的啤酒發(fā)酵設(shè)備是由分別設(shè)在發(fā)酵間的發(fā)酵池和貯酒間內(nèi)的貯酒罐組成
3、的。 目前圓筒體錐底罐（C.C.T)在露天大罐工藝中使用最為普遍簡(jiǎn)稱露天錐形發(fā)酵罐。,圓筒體錐底罐（C.C.T)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),C.C.T發(fā)酵最大特點(diǎn)在于大型化，容積從100-600m3(國(guó)內(nèi)也有60m3小型的)。,1、設(shè)備的外型特點(diǎn),罐體圓柱形，罐頂為橢圓封頭，罐底為圓錐形。 筒體直徑(D)和筒體高度(H)是主要特性參數(shù)。D：H1：1.5-6。增加H有利于加速發(fā)酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。 發(fā)酵罐錐底角一般為60-130考慮到發(fā)酵中酵母自然沉降最有利，以70為好。,2，罐材料 大型C.C.T均采用碳鋼加涂料或不銹鋼兩種材料制成。啤酒是酸性液體，能造成鐵的電化學(xué)腐蝕，啤酒發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生的H2S、
4、SO2對(duì)鐵材料會(huì)造成氧化還原腐蝕。,3、冷卻夾套 先進(jìn)的C.C.T均采用換熱片式,一次性冷媒直接蒸發(fā)式換熱， (如氨蒸發(fā))。 發(fā)酵罐內(nèi)的冷卻夾套一般分成三段，上段距發(fā)酵液面15cm向下排列，中段在筒體的下部距支撐裙座15cm向上排列，錐底段盡可能接近排酵母口，向上排列。,4，隔熱層和防護(hù)層 絕熱層材料應(yīng)具有：導(dǎo)熱系數(shù)低、體積質(zhì)量低、吸水小、不易燃等特性。 啤酒C.C.T絕熱層常用聚酰氨樹脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料。采用上述兩種絕熱材料只需厚度150-200mm。 外防護(hù)層一般采用0.7-1.5mm厚的合金鋁板或0.5-0.7mm的不銹鋼板,5、罐主要附件 在上中下三段冷卻介質(zhì)進(jìn)口位置下裝智能型
5、鉑溫度傳感器。 在圓筒形下部裝可清洗取樣閥。 在液面上150mm 裝有CIP裝置。 還應(yīng)裝上視鏡、燈鏡、空氣和二氧化碳排出管等裝置。 錐底有直徑500mm的快開人孔。,圓筒體錐底發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn),加速發(fā)酵，C.C.T發(fā)酵和傳統(tǒng)發(fā)酵相比，由于發(fā)酵基質(zhì)(麥汁)和酵母對(duì)流獲得強(qiáng)化，可加速發(fā)酵。 廠房投資節(jié)省。 冷耗節(jié)省。 C.C.T 發(fā)酵可依賴CIP自動(dòng)程序清洗消毒，工藝衛(wèi)生更易得到保證。,加強(qiáng)對(duì)流： 發(fā)酵罐底部產(chǎn)生CO2氣泡上升，對(duì)發(fā)酵液拖曳力大 在發(fā)酵階段，由于底部酵母細(xì)胞濃度大于罐上部，底部糖降快，酒精生成快，造成罐上、下部間密度差而造成對(duì)流。 在發(fā)酵時(shí)控制罐下部溫度高于上部(差12)，由于溫差引
6、起熱對(duì)流，特別在發(fā)酵后期第一、二推動(dòng)力減小后，溫差對(duì)流更能發(fā)揮作用。,圓筒體錐底發(fā)酵罐的缺點(diǎn),由于罐體比較高，酵母沉降層厚度大，酵母泥使用代數(shù)一般比傳統(tǒng)低(只能使用5-6代)； 貯酒時(shí)，澄清比較困難(特別在使用非凝聚性酵母)，過濾必須強(qiáng)化； 若采用單釀發(fā)酵，罐壁溫度和罐中心溫度一致，一般要5-7d以上，短期貯酒不能保證溫度一致,酒精發(fā)酵設(shè)備,滿足酒精發(fā)酵的工藝要求 滿足酒精酵母生長(zhǎng)和代謝的必要工藝條件 將發(fā)酵產(chǎn)生的熱量及時(shí)移走 有利于發(fā)酵液的排出，設(shè)備的清洗、維修以及設(shè)備制造安裝方便等問題。,酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu),1、基本結(jié)構(gòu) 酒精發(fā)酵罐筒體為圓柱形； 底蓋和頂蓋均為碟形或錐形； 罐頂裝有廢汽回收
7、管，進(jìn)料管，按種管，壓力表、各種測(cè)量?jī)x表接口管及供觀察清洗和檢修罐體內(nèi)部的人孔； 罐底裝有排料口和排污口對(duì)于大型發(fā)酵罐，為了便于維修和清洗，往往在近罐底也裝有人孔； 罐身上下部裝有取樣口和溫度計(jì)接口。,2，發(fā)酵罐的冷卻裝置 中小型發(fā)酵罐：多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進(jìn)行膜狀冷卻； 大型發(fā)酵罐：由于罐外壁冷卻面積不能滿足冷卻要求，所以，罐內(nèi)裝有冷卻蛇管或罐內(nèi)蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻裝置。 此外，也有采用罐外列管式噴琳冷卻的方法，此法具有冷卻發(fā)酵液均勻、冷卻效率高等優(yōu)點(diǎn)。,3、發(fā)酵罐的洗滌裝置 大型酒精發(fā)酵罐采用水力噴射洗滌裝置,好氧發(fā)酵設(shè)備,大多數(shù)的生化反應(yīng)都是需氧的，通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備是需氧生化反應(yīng)
8、設(shè)備的核心和基礎(chǔ)。 1 良好傳質(zhì)和傳熱性能，培養(yǎng)基流動(dòng)與混合良好，特別是溶氧性能，供氧速率通常被認(rèn)為是在生物反應(yīng)器的選擇和設(shè)計(jì)的主要問題； 2 結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，防雜菌污染，是必須保證的條件；能耗低，運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性好； 3 必要的檢測(cè)與控制儀表； 4 設(shè)備較簡(jiǎn)單，方便維護(hù)檢修。,通風(fēng)發(fā)酵罐的類型,常用的通風(fēng)發(fā)酵罐有 機(jī)械攪拌式 氣升環(huán)流式 自吸式 鼓泡式等。 其中機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐占主導(dǎo)地位。,機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐,機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐在生物工程占了發(fā)酵罐總數(shù)的7080。又常稱之為通用式發(fā)酵罐。 這類發(fā)酵罐大多用于通風(fēng)發(fā)酵，靠通入的壓縮無(wú)菌空氣和攪拌葉輪實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液的混合、促使氧在醪液中溶解，以保證供給微生物生
9、長(zhǎng)繁殖，發(fā)酵所需要的氧氣。,一、機(jī)械通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐的基本要求,1、發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的高徑比（一般高度與直徑之比為1.74倍），罐身越長(zhǎng)，氧氣的利用率越高。 2、發(fā)酵罐能承受一定的壓力。由于發(fā)酵罐在滅菌和工作時(shí)，罐內(nèi)有一定的壓力和溫度，因此需要一定的強(qiáng)度。 3、發(fā)酵罐的攪拌通風(fēng)裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧。,一、機(jī)械通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐的基本要求,4、發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。 5、發(fā)酵罐應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢積污， 滅菌能徹底。 6、攪拌器軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量減少泄漏。,機(jī)械攪拌型發(fā)酵罐,主要組成部分有 罐體、控溫部分、攪拌部分、通氣部分、進(jìn)出料口、測(cè)量系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)等。,二、機(jī)械攪
10、拌通風(fēng)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu),1、主要部件有 罐體；攪拌器、擋板、傳動(dòng)裝置、 軸封；空氣分布器；消泡器；冷 卻管（或夾套）；人孔、視鏡、 各種接口等。,2發(fā)酵罐的部分部件,（1）罐體 結(jié)構(gòu)：圓柱體和橢圓封頭或碟形封頭焊接而成， 材料為碳鋼或不銹鋼。 剛度和強(qiáng)度：受壓容器，空消或?qū)嵪?，通常滅菌的壓力?.5Kgf/cm3。 小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接。頂部設(shè)有清洗用的手孔。,封頭、封底,橢圓形封頭（底蓋） 碟形封頭（底蓋）,接管,罐頂：進(jìn)料管，補(bǔ)料管，排氣管和壓力表管等。 罐底：出料管，進(jìn)氣管等。 罐身：冷卻水進(jìn)出管，進(jìn)空氣管，溫度計(jì)管和測(cè)控儀表接口。,(2)攪拌器,（1）攪拌器的主要作用：混合和傳
11、質(zhì) 溶氧：使通入的空氣分散成小氣泡并與發(fā)酵液充分混合，使氣泡細(xì)碎以增大氣一液界面，獲得所需要的溶氧速率，并使生物細(xì)胞懸浮分散于發(fā)酵體系中，以維持適當(dāng)?shù)臍庖灰阂还蹋?xì)胞）三相的混合與質(zhì)量傳遞； 有利于熱量傳遞； 加強(qiáng)氣液之間的湍動(dòng)，增加氣液接觸面積及延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間。,攪拌器的結(jié)構(gòu)與類型：,實(shí)現(xiàn)上述目的，攪拌器的設(shè)計(jì)應(yīng)使發(fā)酵液有足夠的徑向流動(dòng)和適度的軸向運(yùn)動(dòng)。 發(fā)酵罐采用的攪拌器主要有徑向流攪拌器、軸向流攪拌器和組合式攪拌器。,Rushton渦輪是最典型的徑向流攪拌器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常由一個(gè)圓盤上面帶六個(gè)直葉葉片，也稱為六直葉圓盤渦輪。設(shè)置圓盤的目的是為了防止氣體未經(jīng)分散直接從軸周圍溢出液面。,
12、徑向流攪拌器,大型發(fā)酵罐攪拌裝置,攪拌槳,冷卻管,攪拌電機(jī),上封頭,徑向流攪拌器,隨著發(fā)酵規(guī)模的擴(kuò)大，這種結(jié)構(gòu)并不是適用于氣液分散的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。Smith等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用六直葉圓盤渦輪式攪拌器把氣體分散于低黏流體時(shí)，在每片漿葉的背面都有一對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的漩渦，漩渦內(nèi)負(fù)壓較大，從葉片下部供給的氣體立即被卷入漩渦，形成氣體充填的空穴（稱為氣穴），氣穴的存在會(huì)影響發(fā)酵罐內(nèi)的氣液傳質(zhì)能力。,影響氣液傳質(zhì)能力的原因：,因?yàn)闅怏w不是直接被攪拌器剪碎而分散的，而是首先在漿葉的背面形成穩(wěn)定的氣穴，而后氣穴在尾部破裂，這些小氣泡在離心力的作用下被甩出而分散至液體內(nèi)。氣穴的存在使得Rushton渦輪的效率降低，特別在高氣速
13、下，有時(shí)整個(gè)攪拌器被氣穴包圍，攪拌器近似空轉(zhuǎn)，效率很低，氣體穿過攪拌器直接上升到液面。,彎曲葉片,彎曲葉片的優(yōu)點(diǎn)： 使其背面的漩渦減小，抑制葉片后方形成氣穴，提高載氣能力； 改善了分散和傳質(zhì)能力。,彎曲非對(duì)稱葉片,1998，Bakker提出上面葉片略長(zhǎng)于下面葉片，避免了氣體過早的從葉輪區(qū)域上升逃逸；采用拋物線設(shè)計(jì)，能明顯減少葉片后方氣穴。,軸向流攪拌器,徑向流攪拌器對(duì)氣體分散的能力較強(qiáng)，但其作用的范圍較小。隨著發(fā)酵規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其缺點(diǎn)也越發(fā)明顯。尤其對(duì)于要求整罐混勻好，剪切性能溫和的過程，徑向流攪拌器往往無(wú)能為力。,軸向流攪拌器,A315攪拌器特別適合于氣液傳質(zhì)過程。 與Rushton渦輪相
14、比，持氣量高80，氣體分散量提高4倍，產(chǎn)量提高1050，剪切力僅為Rushton渦輪的25。,3.Lightnin A315式,組合式攪拌器,在生物反應(yīng)器中，將徑向流攪拌器和軸向流攪拌器組合使用，就可利用徑向流攪拌器強(qiáng)化小范圍的主體對(duì)流擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)小范圍的充分氣液混合，然后再依靠軸向流攪拌器的主體對(duì)流實(shí)現(xiàn)大范圍的氣液混合； 對(duì)于組合式，根據(jù)發(fā)酵罐一般是下部通氣的特點(diǎn)，下層攪拌器選擇徑向流攪拌器，上層攪拌器選擇軸向流攪拌器。,擋板的作用： 阻止液面中央部分產(chǎn)生下凹的旋渦，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧。擋板寬度一般為（0.10.2）D，裝設(shè)46塊即可滿足全擋板條件。 全擋板條件：在一定轉(zhuǎn)數(shù)
15、下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。達(dá)到全擋板條件的要求，須滿足：,（3）擋板,(4)軸封 軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。常用的軸封有填料函和端面軸封兩種。,填料函式軸封 由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。填料室的寬度可根據(jù)軸的直徑?jīng)Q定。,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)： 死角多，很難徹底滅菌，易滲漏和染菌 軸的磨損較嚴(yán)重 填料壓緊后摩擦功率消耗大 壽命短,端面式軸封 優(yōu)點(diǎn) 清潔 密封可靠。 無(wú)死角。 使用壽命長(zhǎng)。 摩擦功率耗損小。 軸或軸套不受磨損。 對(duì)軸的精度和光潔度沒有填料函要求嚴(yán)格 ，對(duì)軸的震動(dòng)敏感性小。,缺點(diǎn) 結(jié)
16、構(gòu)比填料函復(fù)雜，裝拆不便，對(duì)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高，否則易泄漏。,(5)空氣分布裝置 作用：吹入無(wú)菌空氣，并使空氣均勻分布。 (a)單管式分布裝置： 管口正對(duì)罐底中央，與罐底的距離約40mm，這樣的空氣分散效果較好。 (b)環(huán)形管分布裝置： 以環(huán)徑為攪拌器直徑的0.8倍較有效，噴孔直徑為58mm，噴孔向下，噴孔的總截面積約等于通風(fēng)管的截面積。,(6)消泡裝置,起泡原因：發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)，故在通風(fēng)、攪拌時(shí)產(chǎn)生氣泡物質(zhì)。 危害：減少裝料系數(shù)、料液外溢（隨排風(fēng)、各接口、軸封等），并易引起染菌 消泡方法：加入化學(xué)消泡劑；使用機(jī)械消泡裝置。通常，是把上述兩種方法聯(lián)合使用。 最簡(jiǎn)
17、單實(shí)用的消泡裝置為耙式消泡器，可直接安裝在上攪拌的軸上，消泡耙齒底部應(yīng)比發(fā)酵液面高出適當(dāng)高度。,耙式消泡器結(jié)構(gòu),(7)傳熱裝置,排除發(fā)酵過程中由于生物氧化作用及機(jī)械攪拌產(chǎn)生的熱量的裝置,發(fā)酵換熱裝置的形式,1.夾套式換熱裝置 多用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐。一般小于5m3，夾套的高度比靜止液面高度較高即可，約高50-100 mm。夾套的寬度對(duì)于不同直徑的發(fā)酵有不同的尺寸，一般為50-200 mm。,優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 加工容易 罐內(nèi)無(wú)冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行滅菌工作，有利于發(fā)酵。 缺點(diǎn)是傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效果差，傳熱系數(shù)400600 KJ/(m2h),豎式蛇管換熱裝置,豎式的蛇管分組
18、安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，有四組、六組或八組。 5m3以上的發(fā)酵罐多采用 優(yōu)點(diǎn)：冷卻水在管內(nèi)的流速較快，傳熱系數(shù)高。約為12002000KJ/(m2h) 缺點(diǎn)：彎曲部位容易被腐蝕，增加培養(yǎng)液中金屬離子的濃度，腐蝕而形成穿孔，引起污染。, 氣升環(huán)流式發(fā)酵罐（ALR）,1、混合原理： 利用通入反應(yīng)器內(nèi)的空氣上升時(shí)的動(dòng)力來(lái)帶動(dòng)發(fā)酵液的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到混合的目的。 即：把具有一定壓力和流速無(wú)菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進(jìn)發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎，同時(shí)由于形成的氣液混合物密度降低故向上運(yùn)動(dòng)，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。,2、結(jié)構(gòu)類型： 外循環(huán)與內(nèi)循環(huán)氣升式發(fā)酵
19、罐 環(huán)流管的布置可以裝在罐外，稱為外循環(huán) 也可裝在罐內(nèi)，稱為內(nèi)循環(huán)。,1.人孔；2.視鏡；3.空氣管；4.上升管；5.冷卻器；6.單向閥門；7.空氣噴嘴；8.帶升管；9.罐體,氣升式發(fā)酵罐優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻面積??； 2、無(wú)攪拌傳動(dòng)設(shè)備，節(jié)約動(dòng)力約50，節(jié)約鋼材； 3、操作無(wú)噪音； 4、料液可充滿達(dá)8090； 5、維修、操作及清洗簡(jiǎn)便，減少雜菌感染。 應(yīng)用 酵母的生產(chǎn)、單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)和細(xì)胞培養(yǎng)酶制劑等的發(fā)酵生產(chǎn)。,4、適用范圍： 對(duì)生物細(xì)胞損傷小。適合于動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)適合于固形物含量低、黏度小、需氧量低的微生物培養(yǎng)和發(fā)酵過程。 但不適合固形物含量高、黏度大、需氧量高的微生物培養(yǎng)和發(fā)
20、酵過程。 目前世界上最大型的通氣發(fā)酵罐就是氣升環(huán)流式的，體積高達(dá)3000多立方米。, 自吸式發(fā)酵罐,自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機(jī)提供加壓空氣，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(wú)菌空氣并同時(shí)實(shí)現(xiàn)混合攪拌與溶氧傳質(zhì)的發(fā)酵罐。 自20世紀(jì)60年代開始?xì)W洲和美國(guó)展開研究開發(fā)，然后在國(guó)際和國(guó)內(nèi)的酵母及單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、醋酸發(fā)酵及維生素生產(chǎn)等獲得應(yīng)用。,種類,機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐 噴射自吸式發(fā)酵罐 溢流噴射自吸式發(fā)酵罐,機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐,不需要空氣壓縮機(jī)，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。 開始于1960s， 通風(fēng)裝置由轉(zhuǎn)子和定子組成。,1、結(jié)構(gòu)構(gòu)成,1.人孔 2.進(jìn)風(fēng)管 3.軸
21、封 4.轉(zhuǎn)子 5.電機(jī) 6.聯(lián)軸器 7.軸封 8.攪拌軸 9.定子 10.冷卻蛇管 11.消泡器 12.排氣管 13.消泡轉(zhuǎn)軸,2、主要部件,自吸裝置：由轉(zhuǎn)子和定子組成。 轉(zhuǎn)子（葉輪）形式有：三葉輪、四彎葉輪、六葉輪等形式。常見的為三葉輪和四彎葉輪。葉輪都是空心體，葉輪直徑為罐直徑的1/3到1/15。,吸氣機(jī)理,在轉(zhuǎn)子啟動(dòng)前，先用液體將轉(zhuǎn)子浸沒，然后啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，液體、空氣在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣。 轉(zhuǎn)子葉輪中心形成負(fù)壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速愈大，所造成的負(fù)壓也愈大。 轉(zhuǎn)子的空腔用管子與大氣相通，空氣不斷的被吸入，甩向葉輪的外緣，通過導(dǎo)輪而使氣流均勻甩出。 轉(zhuǎn)子攪拌使氣液
22、在轉(zhuǎn)子的周圍形成強(qiáng)烈的混合流，使空氣不斷分裂成細(xì)微的氣泡，并在湍流狀態(tài)下混合、翻騰、擴(kuò)散到整個(gè)罐中。 自吸式通風(fēng)裝置在攪拌的同時(shí)，完成了吸氣作用。,噴射自吸式發(fā)酵罐,噴射自吸式發(fā)酵罐是利用泵使發(fā)酵液通過文氏管噴射吸氣裝置進(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。,文氏管自吸式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu),利用泵使發(fā)酵液通過文氏管吸氣裝置，液體在收縮管段加速，形成真空，吸入空氣，氣泡分散于液體混合。,文氏吸氣管結(jié)構(gòu),自吸式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn),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30%以上，減少?gòu)S房面積。 溶氧速率高，溶氧效率高、能耗較低。 用于酵母生產(chǎn)和醋酸發(fā)酵具有生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益高的優(yōu)點(diǎn)。,裝
23、料系數(shù)低，約40%左右。 易染菌，需高效過濾系統(tǒng)。 攪拌轉(zhuǎn)速高，對(duì)于長(zhǎng)菌絲的微生物的菌絲，攪拌的剪切力會(huì)產(chǎn)生不利影響（機(jī)械攪拌自吸式）。 吸程（即液面與吸氣轉(zhuǎn)子距離）一般不高，需要采用低阻力高效率空氣除菌裝置。,自吸式發(fā)酵罐的缺點(diǎn),改進(jìn)：,為克服上述缺點(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)，即在過濾器前加裝一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，適當(dāng)維持無(wú)菌空氣的正壓。,固態(tài)培養(yǎng)設(shè)備,一、概述： 固態(tài)發(fā)酵、固態(tài)反應(yīng)器 二、 機(jī)械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備,一、概述： 固態(tài)發(fā)酵、固態(tài)反應(yīng)器,1、固態(tài)發(fā)酵 固態(tài)發(fā)酵是微生物在沒有或基本沒有游離水的固態(tài)基質(zhì)上的發(fā)酵方式。 用于固態(tài)發(fā)酵的反應(yīng)器稱為固態(tài)反應(yīng)器。,2、固態(tài)反應(yīng)器的歷
24、史和現(xiàn)狀,歷史古老： 幾千年前，中國(guó)就利用這項(xiàng)技術(shù)釀酒和制造各種調(diào)味品，通風(fēng)固相發(fā)酵工藝是傳統(tǒng)的發(fā)酵生產(chǎn)工藝，廣泛應(yīng)用于醬油與釀酒生產(chǎn)。 發(fā)展與問題： 現(xiàn)代的固態(tài)發(fā)酵不僅用于改善食品的風(fēng)味，更主要的是用于酶制劑、單細(xì)胞蛋白、有機(jī)酸、酒精、生物殺蟲劑等的生產(chǎn)。,3、固態(tài)發(fā)酵具有以下特點(diǎn)：,培養(yǎng)基處理簡(jiǎn)單： 使用的原料不必經(jīng)過復(fù)雜的加工，發(fā)酵過程中糖化與發(fā)酵同步進(jìn)行，簡(jiǎn)化了操作程序、節(jié)約了能量； 生長(zhǎng)環(huán)境更近自然： 可使微生物保持自然環(huán)境中的生長(zhǎng)存在狀態(tài)，模擬自然中的生長(zhǎng)環(huán)境，是許多絲狀真菌適宜采用固體發(fā)酵的原因之一； 適用于特殊微生物代謝和產(chǎn)物積累： 對(duì)于纖維素酶、果膠酶、白僵菌、綠僵菌、蘇云金
25、芽孢桿菌、真菌毒素、脫落酸等，固態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)率比液體深層發(fā)酵高得多；乃至像白僵菌、綠僵菌等的分生孢子，不能在液體中繁殖，只能用固態(tài)發(fā)酵方法生產(chǎn)。,固態(tài)發(fā)酵具有以下特點(diǎn)：,（4）發(fā)酵供氧費(fèi)用低： 在需要大量供氧的發(fā)酵過程中，壓縮空氣通過固體層的阻力較小，因而能量消耗也較小； （5）發(fā)酵產(chǎn)物復(fù)雜、風(fēng)味獨(dú)特： 由于存在明顯的氣、液、固三相界面，可以得到液體發(fā)酵難于得到的產(chǎn)物，如傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵釀酒工藝可以具有獨(dú)特的風(fēng)味； （6）發(fā)酵后處理簡(jiǎn)單，有機(jī)廢水少： 許多產(chǎn)品可直接烘干而無(wú)須提取，產(chǎn)品易于儲(chǔ)藏，運(yùn)輸，穩(wěn)定性好。,新型固態(tài)發(fā)酵是生化工程研究的方向：,鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，以及現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展方向是高濃度、高
26、黏度發(fā)酵過程，而高濃的、高黏度的極限就是固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)。但是發(fā)酵過程中氧的濃度梯度很大，在高需氧量時(shí)可能成為制約發(fā)酵效率的一個(gè)重要因素。由此，影響固態(tài)發(fā)酵技術(shù)關(guān)鍵是固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。,4、對(duì)固體發(fā)酵反應(yīng)器的要求,要求： （1）良好的攪拌、通氣、無(wú)菌操作； （2）良好的傳熱：散熱、冷卻，包括氣-固、氣-液、液-固等形式傳質(zhì)傳熱 （3）保溫保濕： （4）參數(shù)檢測(cè)：溫度、pH、供氧等檢測(cè) （5）物料輸送：有效輸送,機(jī)械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備,l.輸送帶 2.高位料斗 3.送料小車 4.曲料室 5.進(jìn)出料機(jī) 6.料斗 7.輸送帶 8.鼓風(fēng)機(jī) 9.空調(diào)室 10.循環(huán)風(fēng)道 11.曲室閘門,優(yōu)點(diǎn)：,機(jī)械通風(fēng)固體曲發(fā)
27、酵設(shè)備使用了機(jī)械通風(fēng)即鼓風(fēng)機(jī)，因而強(qiáng)化了發(fā)酵系統(tǒng)的通風(fēng)，使曲層厚度大大增加。 不僅使制曲生產(chǎn)效率大大提高，而且便于控制曲層發(fā)酵溫度，提高了曲的質(zhì)量。,動(dòng)植物細(xì)胞反應(yīng)器,動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)是指在體外條件下使動(dòng)物細(xì)胞增殖的技術(shù)。此時(shí)細(xì)胞雖然生長(zhǎng)與增多，但不再形成組織。 動(dòng)物細(xì)胞作為生物催化劑，可用于大規(guī)模生產(chǎn)具有重要價(jià)值的生物活性物質(zhì)，包括疫苗、診斷試劑、干擾素、單克隆抗體和其他生物制品。多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞過程表達(dá)的目標(biāo)蛋白質(zhì)分泌至培養(yǎng)液中，因此下游產(chǎn)品純化過程比較簡(jiǎn)單。 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)為生物工程產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了一條重要的途徑。,動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的特點(diǎn),（1）動(dòng)物細(xì)胞是沒有細(xì)胞壁的，受剪切力而破
28、壞；而且大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞需要附著在固體或半固體表面上才能生長(zhǎng)； （2）動(dòng)物細(xì)胞對(duì)培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)要求相當(dāng)苛刻，要求含有多種氨基酸、維生素、無(wú)機(jī)鹽、血清等物料； （3）對(duì)培養(yǎng)環(huán)境條件十分敏感，對(duì)溫度、pH值、溶氧濃度等條件都比微生物培養(yǎng)要嚴(yán)格得多。 （4）動(dòng)物細(xì)胞的生長(zhǎng)要比微生物細(xì)胞緩慢得多，一般只有在高細(xì)胞密度條件下，才能得到一定濃度的產(chǎn)物。 （5）由于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)所需時(shí)間要比微生物細(xì)胞長(zhǎng)，又非常容易染菌，因此需要有嚴(yán)格的防污染措施。,動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù),體外培養(yǎng)的動(dòng)物細(xì)胞分為兩種類型。一種是非貼壁依賴型細(xì)胞。另一種動(dòng)物細(xì)胞為貼壁依賴型細(xì)胞，大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞屬于貼壁依賴型細(xì)胞。 （1）懸浮培養(yǎng) 懸浮
29、培養(yǎng)過程中細(xì)胞以單細(xì)胞或細(xì)胞聚集體的形式懸浮于培養(yǎng)基中增殖，這與微生物發(fā)酵過程差別較小。 （2）貼壁培養(yǎng) 貼壁依賴型細(xì)胞在培養(yǎng)過程中黏附在固體吸附介質(zhì)上。當(dāng)細(xì)胞貼附于固體表面后，原來(lái)是圓形的細(xì)胞一經(jīng)貼壁就迅速鋪展，然后開始有絲分裂，并很快進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，一般在數(shù)天后鋪滿生長(zhǎng)表面，形成致密的細(xì)胞單層。,（3）微載體技術(shù) 細(xì)胞貼附于微載體上懸浮于培養(yǎng)基中，在微載體上逐漸生長(zhǎng)成細(xì)胞單層，生長(zhǎng)表面積較大，可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的高密度培養(yǎng)。并且由于細(xì)胞的生長(zhǎng)環(huán)境均一，有利于對(duì)影響細(xì)胞的環(huán)境因素的檢測(cè)與控制。 微載體技術(shù)使細(xì)胞培養(yǎng)過程的培養(yǎng)基利用率高，采樣重復(fù)性高，細(xì)胞收獲和下游加工過程方便，過程放大容易，勞動(dòng)強(qiáng)度
30、小，占用空間小。 影響微載體培養(yǎng)的因素有微載體濃度、細(xì)胞接種濃度和攪拌速度等。,植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器,由于單個(gè)植物細(xì)胞具有整個(gè)植物的全部特性，其代謝過程能生成有很高藥用價(jià)值的次生代謝物，植物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)逐漸受到重視。但利用植物細(xì)胞培養(yǎng)的物質(zhì)，一般僅限于那些難于化學(xué)合成無(wú)法用微生物合成和附加值很高的物質(zhì)。,1 植物細(xì)胞培養(yǎng)的特點(diǎn),植物細(xì)胞的大小約為 10100m，有纖維素細(xì)胞壁，細(xì)胞耐拉不耐扭，抵抗流體剪切力的能力較差； 培養(yǎng)過程生長(zhǎng)速度緩慢，如生長(zhǎng)最快的煙草細(xì)胞的倍增時(shí)間為0.65天，而木本植物細(xì)胞的倍增時(shí)間高達(dá)210天，根、莖和葉分化的器官培養(yǎng)的倍增時(shí)間為10天以上； 代謝產(chǎn)物不分泌到胞外
31、而留在細(xì)胞內(nèi)，因此要得到大量次級(jí)代謝產(chǎn)物須進(jìn)行高密度培養(yǎng)； 細(xì)胞在培養(yǎng)液中會(huì)形成多細(xì)胞聚集體，黏度較大，懸浮培養(yǎng)較困難，還會(huì)發(fā)生細(xì)胞在反應(yīng)器壁黏附的情況； 植物培養(yǎng)細(xì)胞易發(fā)生反分化，從而導(dǎo)致目的產(chǎn)物含量低于原植物體的含量。,植物細(xì)胞與組織的培養(yǎng)方法,植物細(xì)胞與組織的培養(yǎng)方法主要分為體外游離細(xì)胞培養(yǎng)和植物組織培養(yǎng)。 游離細(xì)胞培養(yǎng)：由植物組織挖塊獲取無(wú)菌細(xì)胞株，然后在固體培養(yǎng)基上篩選和培養(yǎng)愈傷組織，使其分散在液體培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng)，形成單細(xì)胞或多細(xì)胞聚集體培養(yǎng)物。 植物組織培養(yǎng)也稱為器官培養(yǎng)，也是由愈傷組織出發(fā)，然后在固體培養(yǎng)基上用生長(zhǎng)素誘導(dǎo)愈傷組織分化形成器官，之后培養(yǎng)人工種子和種苗并進(jìn)行種植與繁
32、殖。 生物反應(yīng)器中進(jìn)行的植物細(xì)胞培養(yǎng)過程的方式與微生物發(fā)酵過程基本相同。,植物細(xì)胞反應(yīng)器,1 懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器 植物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)的基本型式是機(jī)械攪拌反應(yīng)器，采用機(jī)械攪拌反應(yīng)器可使物料混合均勻，也能完全滿足細(xì)胞對(duì)反應(yīng)器的供氧要求。 機(jī)械攪拌式反應(yīng)器應(yīng)用于植物細(xì)胞培養(yǎng)，存在的主要問題是機(jī)械攪拌引起的細(xì)胞剪切損傷，因此有許多研究者對(duì)攪拌式反應(yīng)器做適當(dāng)改進(jìn)以適應(yīng)植物細(xì)胞培養(yǎng)的要求。 氣升式反應(yīng)器的對(duì)細(xì)胞剪切小，氣升式反應(yīng)器也能夠滿足植物細(xì)胞的需氧的傳質(zhì)要求。,固定化植物細(xì)胞反應(yīng)器,固定化技術(shù)能夠克服細(xì)胞在培養(yǎng)過程中表現(xiàn)的不均一性、避免流體剪切力的作用和實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。,（l）填充床反應(yīng)器 在反應(yīng)器中，細(xì)胞
33、位于支撐物表面，或包埋于支撐物中。培養(yǎng)基流經(jīng)支撐物顆粒。優(yōu)點(diǎn):單位反應(yīng)器體積的細(xì)胞容量較大。缺點(diǎn)：反應(yīng)器流體混合效果差，過程參數(shù)難以控制，床層易被小顆粒物堵塞，流動(dòng)阻力較大。,（2）流化床反應(yīng)器 利用液體和氣體使固定化細(xì)胞懸浮在反應(yīng)介質(zhì)中。優(yōu)點(diǎn)是混合效果好，但流體的剪切力和固定化顆粒的碰撞常使支撐物破裂，而且流體力學(xué)條件復(fù)雜使放大困難。,光照生物反應(yīng)器,微藻等光合微生物和光自養(yǎng)型植物 細(xì)胞的培養(yǎng)裝置稱為光照生物反應(yīng)器。 光照培養(yǎng)時(shí)需要足夠的光照，同時(shí)需要對(duì)培養(yǎng)系統(tǒng)供應(yīng)大量的CO2和排出所產(chǎn)生的氧氣。根據(jù)這種特點(diǎn)，光照生物反應(yīng)器需配置復(fù)雜的光照系統(tǒng)和良好的傳質(zhì)條件，其混合條件應(yīng)有利于細(xì)胞的懸浮和沿光照表面的充分混合。,微藻光合生物反應(yīng)器,微藻大規(guī)模培養(yǎng)反應(yīng)器有兩類，一類是敞開式反應(yīng)器；另一類是封閉式反應(yīng)器。 敞開式反應(yīng)器一般為占地面積較大的圓形淺水池，使用螺旋槳等攪拌器進(jìn)行攪拌混合。 封閉式光照生物反應(yīng)器是一種能使培養(yǎng)液接受光照的透明容器，其組成包括機(jī)械攪拌或氣流攪拌裝置和參數(shù)控制機(jī)構(gòu)等。管道式反應(yīng)器是主要應(yīng)用的類型，已進(jìn)入實(shí)用化階段。,
發(fā)酵工程 第八章 發(fā)酵設(shè)備與反應(yīng)器.ppt
