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1、主讲：鲍成满,第八章 发酵设备与反应器,生物反应过程示意图,一 生物反应器概述,二 微生物细胞反应器发酵罐,三 发酵罐的放大,生物反应器：是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统。,一 生物反应器概述,生物反应器的作用：为生物反应提供一个体外优化的物理、化学环境，以获到更多需要地生物量或代谢产物。,酶反应器,光合生物反应器开发,发酵罐,二 微生物细胞反应器发酵罐,发酵罐：微生物细胞反应器，是为微生物生长和产物形成提供良好环境的容器。,按微生物对氧的需求 好氧发酵罐 厌氧发酵罐,（一） 好氧发酵罐机械搅拌式发酵罐,机械搅拌式发酵罐（通用型发酵罐）,大型发酵罐,利
2、用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。 机械搅拌通风发酵罐占主导地位，约为总发酵罐的。,发酵罐的结构 罐体 搅拌装置和挡板 传热装置 通气部分 进出料口 测量控制系统 附属系统,1 罐体 型式：圆柱体、椭圆形或碟形封头焊接而成 容积：实验室0 .5-50L，中试罐200-500L，生产上0.5m3-600m3. 材质：实验室为玻璃钢和不锈钢；工厂为不锈钢与碳钢 受压容器：通常灭菌的压力0.25MPa,2 搅拌装置 作用：打碎气泡，使氧溶解于发酵液中；增加接触界面；延长气液接触时间；有利于传质传热 。 搅拌器有轴向式（桨叶式
3、、螺旋桨式）和径向式（涡轮式）两种。,轴向式,径向式,轴向式搅拌器,螺旋桨式,桨叶式,径向式（涡轮式）搅拌器,平叶,弯叶,箭叶,相同半径、转速时，功率消耗： 平叶弯叶箭叶 相同搅拌功率下，三者的粉碎气泡的能力： 平叶弯叶箭叶 相同搅拌功率下，翻动流体的能力： 箭叶式 弯叶 平叶,3 挡 板 作用：防止液面中心产生漩涡，改变液流的方向，促使液体激烈翻动，增加溶解氧,式中: D罐的直径 Z挡板数 W挡板宽度,通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4-6块即可满足全挡板条件（所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加挡板或其它附件而搅拌功率仍保持不变，漩涡基本消失,竖立的列管，排管等也可以起挡板作
4、用，故一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板,挡板的长度自液面起到罐底为止,挡板与罐壁之间的距离为（1/5-1/9）W，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。,4 轴封 作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。 安装：旋转轴与设备之间,5 传热装置 作用：实消时预热和冷却，发酵过程中的冷却和加热 型式：夹套、竖式蛇管、列管 5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却 大型发酵罐一般采用蛇管或列管，易腐蚀或磨损穿孔,夹套,蛇管,6 通气部分 作用：吹入无菌空气，使空气均匀分布 形式：单管及环形管等 常用的为单管式，管口对正罐底中央，装于最低一挡搅拌器下面，管口与罐底的距离约40mm，
5、气速20m/s,空气分布器,7 消泡装置 作用：打碎泡沫，防止逃逸 长度：约为罐径的065倍。 安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置 最简单实用的是耙式消泡器,8 进出料口 进料口，补料口，罐顶 出料口，罐底,9 测量控制系统 传感器,10 附属系统 视镜、取样管等,pH电极,溶氧电极,2 气升式发酵罐（ALR）,工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时，形成的气液混合物含由于气量多的发酵液密度降低上升，含气量少的发酵液下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。,气升式反应
6、器与机械搅拌通风反应器的不同在于无机械搅拌,特点 反应溶液分布均匀 较高的溶氧速率和溶氧效率 剪切力小，对生物细胞损伤小 传热良好 结构简单，易于加工制造。,气升式反应器有多种形式，比较典型的两种形式,气升内环流发酵罐,气升外环流发酵罐,典型的气升环流发酵罐 ICI压力循环气升发酵罐,自吸式发酵罐吸气原理 搅拌器空心叶轮转动时由于离心力把液体甩出，形成真空，产生负压，通过导气管吸入空气 发酵罐外的空气通过过滤器不断地被吸入，随即甩向叶轮外缘，再通过导轮（定子）使气液均匀分布甩出，使气液充分混合。,3 自吸式发酵罐,优点： 不必配备空气压缩机及其附属设备，节约投资； 设备简单，溶氧速率高，能耗较
7、低； 用于酵母生产和醋酸发酵生产效率高； 设备便于自动化、连续化； 缺点： 处于负压，因而增加了染菌机会 转速高，切断菌丝，影响代谢,二 厌氧发酵罐,密闭厌氧发酵罐 要求：能封闭，能承受一定压力，有冷却设备，罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌 酒精等都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因不需要通入无菌空气，因此在设备放大、制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多,1 啤酒发酵设备,近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500吨。,露天式锥底发酵罐 圆筒体锥底立式发酵罐(简称锥形罐)，已广泛用于发酵啤酒生产。,设备外形特点 一般置于室外 罐体圆柱形，罐
8、顶椭圆封头，锥形体底。锥底角取排出角为7375，对于贮酒罐，常取锥角为120150 筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。单酿罐一般是D：H1：12。对两罐法的发酵罐D：H1：34，对两罐法的贮酒罐D：H1：12，也有采用直径为34m的卧式圆简体罐作贮酒罐。增加H有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。,罐材料 大型C.C.T均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。啤酒是酸性液体，能造成铁的电化学腐蚀，啤酒发酵时产生的H2S、SO2对铁材料会造成氧化还原腐蚀。,冷却 先进的C.C.T均采用换热片式一次性冷媒直接蒸发式换热，一次性冷媒(如氨蒸发温度为 -3-4)蒸发后的压力在1.0MP
9、a1.2 MPa，也就是说换热片需耐高压 发酵罐或单酿罐内的冷却装置一般分成三段，上段距发酵液面15cm向下排列，中段在筒体的下部距支撑裙座15cm向上排列，锥底段尽可能接近排酵母口，向上排列。,隔热层和防护层 绝热层材料应具有：导热系数低、体积质量低、吸水小、不易燃等特性 啤酒C.C.T绝热层常用如下材料：聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料。 外防护层一般采用0.71.5mm厚的合金铝板或0.50.7mm的不锈钢板，特别是 瓦楞型板更受欢迎。,CIP清洗系统 啤酒发酵罐的容量正在逐步增大，这类发酵罐大部分安装在室外，原来的清洗方法已不适用，必须采用自动化的喷洗装置 采用较多的是CIP清洗系统
10、 所谓CIP系统，是clean in place的简称，意即内部清洗系统。,优点 发酵快速 易于沉淀收集酵母 减少啤酒及苦味物质的损失 改善泡沫稳定性,缺点 由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比传统低(只能使用56代) 贮酒时，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤必须强化 若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要57d以上，短期贮酒不能保证温度一致,2 酒精发酵罐,酒精发酵罐的结构要求 满足酵母生长和代谢的必要工艺条件 有利于发酵液的排出 及时移走在生化反应过程中将释放的生物热 便于设备清洗、维修 有利于回收二氧化碳,酒精发酵罐结构 圆柱形，底盖和顶盖均为碟形
11、或锥形 宜采用密闭式，便于回收二氧化碳 罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口等 罐底装有排料口和排污口，大型发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有入孔 罐身上下部装有取样口和温度计接口,发酵的冷却装置 中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却 大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置 为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。,酒精发酵罐的洗涤 过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而且二氧化碳气体一旦末彻底排除，工人入罐清洗会发生中毒事故。 近年来，酒精发酵罐巳逐步采用水力喷射洗涤装置，从而改善
12、了工人的劳动强度和提高了操作效率。大型发酵罐采用这种水力洗涤装置尤为重要。,大型酒精发酵罐采用水力喷射洗涤装置,水力喷射装置：由一根两头装有喷嘴的洒水管组成，两头喷水管弯有一定的弧度，喷水管上均匀地钻有一定数量的小孔,高压强的水力喷射洗涤装置：是一根直立的喷水管，沿轴向安装于罐的中央，在垂直喷水管上按一定的间距均匀地钻有4-6mm的小孔，,高效生物反应器的特点： 设备简单，结构严密 良好的液体混合性能，较高的传质、传热速率 易于放大 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等,判断生物反应器好坏的标准 是否符合工艺要求，获得最大的生产效率。,生物反应器设计的目标和原则,生物反应器设计的目标 获取高质量
13、、低成本的产品,生物反应器设计的原则 适宜的径高比 承受一定的压力 满足溶氧需求 满足温度要求 尽量减少死角 尽量减少法兰连接 保证灭菌,三 固体培养设备（自学）,应用于酱油与酿酒生产，饲料蛋白 自然通风发酵设备 机械通风发酵设备,四 动、植物细胞培养反应器,动植物细胞培养是指动物或植物细胞在体外条件下进行繁殖，此时细胞虽然生长与增多，但不再形成组织。,动植物细胞与微生物细胞的区别 动物细胞无细胞壁，动植物细胞对环境影响十分敏感 动植物细胞对培养基的营养要求相当苛刻，并且生长缓慢 需要严格防止杂菌污染,动物细胞与微生物细胞的性质比较,1 动物细胞培养反应器,动物细胞培养方法,反应器的优缺点 优
14、点：避免向培养基直接通气时气泡损伤细胞，没有移动部件，密封好，氧转换率较高，便于放大。 缺点：氧传递系数小，气路系统不能就地灭菌。,反应器适用范围 悬浮培养：非贴壁依赖性细胞和贴壁于微载体的贴壁细胞,2 植物细胞培养反应器,植物细胞培养技术包括植物器官（根、枝叶、发根、胚和冠瘿组织等）、组织、细胞以及原生质体培养，并以此发展起来的各种植物细胞培养技术。,植物细胞培养反应器,Stirred Tank Bioreactors,优点： 混合性能好 传氧效率高 操作弹性大 可用于细胞高密度培养；,缺点：剪切力大。,机械搅拌悬浮培养生物反应器,气体搅拌悬浮培养生物反应器所产生的剪切力较小，结构简单。其主
15、要类型有鼓泡式反应器、气升式反应器等气体搅拌式反应器。,气体搅拌悬浮培养生物反应器,Bubble Column Bioreactor,第三节 发酵罐的放大（自学）,就是使大型发酵罐的性能与小型发酵罐接近，使大型发酵罐与小型发酵罐的生产效率相似。,放大方法 经验放大法 因次分析法 数学模拟法等,经验放大法 几何尺寸放大 几何相似原则：H1/D1 = H2/D2 = A 放大倍数：m = V2/V1 H2 / H1 = D2 / D1= m1/3 H :反应器的高度，m；D：反应器的内径，m；V：反应器的体积，m3；下标“1”“2”：模拟反应器及放大反应器,采用单位体积培养液中搅拌功率相同放大 即
16、：P/VL=常数 不通气发酵：Po2 = Po1 * (d2/d1)3 Po：不通气搅拌功率，W；d：搅拌叶轮直径，m；V：发酵液的体积，m3,采用单位培养液的通气搅拌功率相等的原则 即：（Pg/VL）2=（Pg/VL）1 Pg2 = Pg1 * (d2/d1)2.765 * (s2/s1)0.24 Pg：通气搅拌功率，W；：空截面气速,空气量的放大 空气流量表示方法： （1）单位体积培养液在单位时间内通入的空气量，即Qg/VL=VVM m3/(m3.min) （2）操作状态下的空截面速度（s，m/h)）,两者的换算关系： VVM= spD2/27465.6 (VL)(273+t) (m3.m-3.min-1 ) p=(pt+9.81 104)+9.81HL/2 p：液面上承受的空气压强压力表压力，Pa； D：发酵罐直径，m；VL：发酵液体积，m3； HL：发酵罐液柱高度，m； ：发酵培养液密度，kg/m3;,1 以单位培养液体积
