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1、第6章 生物反应器 生物加工过程中，细胞培养装置即生物反应器或发酵罐是 最重要的的反应设备。顾名思义，生物反应器就是指提供 适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代 谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。 一个优优良的发发酵罐应应具备的条件： 1) 结结构简单简单 ; 2) 不易染菌; 3) 良好的液体混合性能; 4) 较较高的传质传热传质传热 速率; 5) 单单位时间单时间单 位体积积的生产产能力高; 6) 同时还应时还应 具有配套而又可靠的检测检测 和控制仪仪表。 对对于好气性发发酵罐，则则要求溶氧系数 (KLa) 高及传递传递 1kg氧所耗的功率小。工业生产用的 发酵罐趋向大
2、 型化，谷氨酸 生产罐已达 480 m3罐； SCP的发酵罐 容积已达2600 m3；抗生素的 发酵罐容积已 达400 m3，处 理废水的生化 反应器的容积 甚至超过2700 m3。另一趋势 是自动化。 6.1 通风发酵罐 一、通用式发酵罐 又称机械搅拌通气式发酵罐， 使之既有机械搅拌装置，又有 压缩空气分布装置的发酵罐。 其几何尺寸如下： 1、工作原理 是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提 高发酵液的溶解氧。 一个好的通用式发酵罐的基本条件： 1) 具有适宜的径高比；通常H/D = 24，罐身长有利于氧 的溶解 2) 能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍， 即0.3
3、8MPa 3) 搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保 证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率 4) 具有足够的冷却面积； 5) 罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌； 6) 搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。2、结构特点 发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联 轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。 1) 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。罐体需承受一定压力，通常灭菌的压力为0.25 MPa(绝对大气压)。 因此，制造完毕，要进行水压试验，压力为0.38MPa，以保证罐体不 渗漏。罐顶装有视镜及灯镜、进料管、补料管、排气管、
4、接种管和压力表接 管，排气管应尽可能靠近罐顶中心位置。为避免灭菌死角，在罐体上 的管路越少越好，如将进料口、补料口和接种口可会为一个接管口。 在罐身上有冷却水进出管、进空气管、温度计管和测检仪表接口。 2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气液接触界面，以提高 气液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体 中的固形物料保持悬浮状态。 搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向和径向流动，不同 型式的搅拌器产生的两种流向侧重也不相同。对于发酵 来讲，希望以径向液流为主，同时兼顾轴向翻动。因此 ，为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部位沿着轴周 边上升逸出，大多数发酵罐采用圆盘涡轮式搅拌器。叶
5、片有平叶式、弯叶式和箭叶式三种，叶片数量一般为六 个，少至三个，多至八个。 各种搅拌器的能力比较： 对粉碎气泡而言：平叶 弯叶 剪叶； 对混合而言：则相反，即剪叶弯叶平叶； 对溶氧而言：弯叶比其它2种都大。(a) (b) (c) 图6-4 常用的涡轮式搅拌器. (a)六平叶；(b)六弯叶；(c)六箭叶 由全部径向 流搅拌器向 径向流和轴 向流组合的 搅拌器转变搅拌叶之间的距离不得小于最小搅拌叶的直径。轴流式搅拌叶 的直径约为径流式搅拌叶直径的1.3倍。径流式搅拌叶直径为罐 直径的0.3一0.4倍，高效轴流搅拌叶直径为罐直径的0.4一0.65倍 。空气分配器位于最底部的搅拌叶之下。由于变频减速器
6、价格昂贵，目前国内大多数生产规模 的发酵罐采用不变速搅拌。目前一些新建的生物制药 厂，已采用变速搅拌，它能根据不同发酵阶段对氧的 需求不同而调节搅拌转速，节约搅拌所消耗的电能。 搅拌轴一般从罐顶伸入罐内(上伸轴)， 但对容积大于100 m3以上的大型发酵罐，也可采用下 伸轴。其好处是使发酵罐重心降低，轴的长度缩短， 稳定性提高，传动噪音也可大为减弱，而且罐顶空间 可充分用来安装高效的机械消泡器及其它自控部件。 当采用下伸轴时，对轴封的要求更为严格，故通常采 取双端面轴封，并用灭菌空气来进行防漏和冷却。 3) 挡板 其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以 提高混合效果。 挡板的数量由“全
7、挡板条件” 而确定，即在搅拌罐中增 加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基 本消失。 式中 W 挡挡板宽宽度，m;D 罐直径，m;mb 挡板数。 由于发酵罐内除挡板外，立式冷却蛇管等装置也起一 定的挡板作用，因此一般发酵罐中 安装4块挡板，挡板宽度为 (1/8 1/12)D已足够满足全挡板条件。 4) 空气分布器 其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散 气泡。国内传统发酵罐大多采用单管，且管口向下 ，但近年来国外发酵罐大都采用环形管。 5) 冷却装置 5 m3以下的发酵罐 传热装置夹套夹套和蛇管在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量 ，为了保证发酵在一定温度下进行，必须
8、将这些热量及 时移去，因此需要设置冷却装置。 5 m3以上的发酵罐增设为了增强夹套的传热效果，采用外蛇管作为传热装置 。它是把半圆形的型钢或角钢制成螺旋形焊于发酵罐 的外壁上面成的 6) 消泡器 (a) (b)图图6-5 消泡器的结结构. (a) 耙式消泡器；直径约为罐径的0.8-0.9，以不妨碍旋转为原则 (b) 半封闭涡轮闭涡轮 消泡器；对上伸轴，因搅拌转速低，其效果不佳； 对下伸轴，因单独由罐顶安装，转速可较高，效果好，消沫器 直径约为约为 罐径的1/2，叶端速度为为 12-18 m/s。二、机械搅拌自吸式发酵罐 利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。它 无需其它气源供应压缩空气
9、。最初应用于醋酸发酵，如 今已应用于抗生素、维生素、有机酸、酶制剂、酵母等 发酵。例如，广东江门甘化工厂采用自吸式发酵罐连续 发酵生产药用酵母。 1. 工作原理 转子启动前，液体浸没转子，当电机启动使转子转动时 ，因转子高速旋转，液体、空气在离心力的作用下，被 甩向叶轮(定子)外缘，在转子中心处形成负压，吸入空 气。此时，通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出，并使 空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，在湍流状态 下混合、翻腾、扩散，因此自吸式充气装置在搅拌的同 时完成了充气作用。 (罐体) (六叶轮导轮轮导轮 ) 图图6-6 机械搅搅拌自吸式发发酵罐. 1空气进口；2导轮；3叶轮；4皮带；5搅拌
10、轴；6 转子转动方向；7空气进入方向；8空气排出方向 2. 结构特点 主要由罐体、搅拌器(转子)、导轮(定子)、电机等组成。 其关键部件是搅拌器和导轮。导轮的形式有多种，如九叶 轮、六叶轮、四叶轮、三叶轮等，叶轮均为空心。 3. 特点 优点是利用机械搅拌的抽吸作用将空气吸入反应器内， 达到既通风又搅拌的目的，省去了压缩机。 缺点： 1) 吸程一般不高，必须须采用低阻力高效的空气除菌装置； 2) 因空气直接吸入反应应器内，不适宜无菌要求较较高的发发酵 ； 3) 因进进罐空气处处于负压负压 ，因而增加了染菌的机会； 4) 因搅搅拌器转转速甚高，对细胞剪切损伤大，不适于对剪切 敏感的细胞培养。三、气
11、升式发酵罐 是指利用空气的提升作用而使发酵液循环的一类发酵 罐。其最大特点就是没有机械搅拌。是近20年才发展 起来的一种新型的发酵罐。气升式发酵罐鼓泡式发酵罐气升环流式发酵罐 内循环气升环流式发酵罐 外循环气升环流式发酵罐 内外循环气升环流式发酵罐 (一）鼓泡式发酵罐 是借鼓入空气而提供混合与传质的功率的一种发酵罐， 又称为空气搅拌高位反应器。最先的鼓泡式发酵罐结构简单，只是一个从底部鼓入空 气的圆筒。后来为了提高传质效果，出现了各种形式的 改进型。如多层筛板鼓泡式发酵罐。图6-7 鼓泡式发酵罐 1排气口；2人孔；3 排料口；4空气入口 ；5筛板；6降液管多层筛板的作用：在于阻截气泡，使之在多
12、 孔板下聚集而形成气层，气体通过多孔板时 ，又被重新分散为小气泡，这样空气在反应 器内经多次聚并与分散，一方面延长了空气 与培养液的接触时间，另一方面不断形成新 的气液界面，减小了液膜阻力，提高了氧的 利用率。 特点：结构简单，造价较低，动力消耗少 ，避免了机械搅拌反应器中轴封不严密造 成的杂菌污染，高径比大(610:1)。鼓泡 发酵罐较适用于粘度低、含固量少、需氧 量较低的培养液发酵过程。 （二）气升环流式发酵罐 是一类带导流装置的鼓泡式发酵罐。常见的有内循环 、外循环和内外循环式气升罐。图6-8 气升环 流式发酵罐. 左：隔板式； 中：外循环式 ；右：内循环 式 1、工作原理 通入空气的一
13、侧，液体因其平均密度下降而上升，不 通空气的一侧因密度大而下降，因而在发酵罐内液体 形成环流。这大大强化了氧的传递。2、 特点 高径比大；能耗低；结构简单；没有轴封；与通用式 发酵罐相比，在同样能耗下氧的传递能力高得多；无 搅拌剪切对细胞的损伤作用。适用于耗氧量大的各种发酵，尤其对剪切敏感的细胞 培养。不适用于高粘度或固含量大的发酵。3、几何尺寸的影响对内循环气升式反应器，高径比H/Dt一般采用812。相同 条件下，高径比越大，气泡在反应器内的停留时间越长、 气含率越高、罐顶与罐底的压差越大、提升力就越大、循 环量越大，因此，氧的传递效率就越高。但是高径比过大 ，又将延长循环周期和混合时间，导
14、致细胞的缺氧区的停 留时间过长，从而影响发酵。A. 高径比H/DtB. 导流筒与反应器直径比Dr/DtA0的增加，导致液体循环速度的增大，而混合时间则降低。C. 导流筒上边缘与液面的距离A0一般Dr/Dt= 0.80.9时，对气含率、传质系数、混合时间 和循环量最有利。(三)气升罐与通用式发酵罐的比较 这是2种最典型的发酵罐，由于通用式发酵罐研究的比较 成熟，在实验室、小试、中试和大生产中通常都使用这类 发酵罐。但目前也有少数工业生产已开始使用气升罐，如 我国周口味精厂已建成100T气升罐用于味精生产。因此，气升罐具有更好的应用前景。两者的主要区别在于： 1) 功率消耗气升罐比通用式罐低；单位
15、体积培养液功率 消耗：通用式罐包括机械搅拌功率和通气功率2部分 ，而且前者约占90%；而气升罐只有通气功率，这比 通用式罐的总功率要小得多。 2) 氧传递速率：单位体积培养液的总功率相同时，气升 罐的氧传递速率比通用式罐高。 3) 结构：气升罐比通用式罐简单，且没有机械轴封。 4) 气升罐对细胞的剪切作用比通用式罐要小得多。 四、喷射自吸式发酵罐 是指利用喷射吸气装置吸入空气而进行气液混合的一类发 酵罐。图6-9 喷射自 吸式发酵罐结 构 1、工作原理 发酵液经泵压送至吸气装置中，收缩段中液体流速迅速增 大，形成真空，从而吸入空气，并使气泡分散，与液体混 合均匀，从而提高溶氧。2、 结构 由罐
16、体、循环管、泵和吸气装置组成。关键部件是吸气 装置。4、缺点由于空气直接被吸入发酵罐中，不适用于无菌要求较 高的发酵。3、优点 三相混合与分散良好；溶氧速率高；能耗低；无需提 供压缩空气。厌氧菌的氧化与有机物的还原耦合，因而形成较少的ATP，其细胞得率比需氧菌少许多。6.2 厌氧发酵罐由于微生物分为好氧与厌氧两大类，故发酵罐也分为两大类。酒精、啤酒、丙酮、丁醇及乳酸等均是厌氧发酵产品。一、厌氧发酵过程 葡萄糖 PEP 丙酮酸 乙酰CoA 丁酰CoA 乳酸 CO2 甲酸盐 H2 乙醛 乙醇 丙酮 异丙醇 乙酰乙酰CoA CO2CO2乙酰乙酰CoA CO2丁醇丁酸草酰乙酸CO2CO2琥珀酸 3-羟基丁酮 丁二醇 乙酸1、乙醇发酵 酵母细菌2、乳酸发酵 同型乳酸发酵异型乳
