发酵过程的实验室研究、 中试和放大,常规放大进程,第一节 小试（实验室研究）,一、小试设备： 生化培养箱、摇床/摇瓶柜、小型发酵罐 (一)、摇瓶机：往复式：80-120rpm，冲程80-120mm；用于培养细菌、酵母等单细胞菌体；旋转式：60-300rpm，偏心距30-60mm传氧速率好、培养液不会溅瓶口普遍采用）,摇瓶实验影响微生物生长的物理因素： 1. 瓶塞是氧传递的限制因素 2. 水蒸发的影响 影响培养液的体积，改变氧传递效率，改变菌体产物浓度 3. 比表面积的影响,(二）、小发酵罐,10L以下罐：玻璃罐较多，大多2级搅拌，六平叶，一般最大600rpm，环形空气分布管30-150L罐：不锈钢罐，3级搅拌，六平叶/弯叶，一般最大500-550rpm，空气分布器：直管 都配有DO、pH、T、泡沫等传感器可直接检测控制温度、搅拌转速、通气流量、罐压、消泡、 pH、DO、发酵液体积、补料量、排气 CO2 和 O2 等十多个参数）,发酵罐（液体发酵）的种类：密闭厌氧发酵罐通气搅拌发酵罐 机械搅拌通风发酵罐 自吸式发酵罐 气升式发酵罐,,密闭厌氧发酵罐,2.1 机械搅拌通风发酵罐,图6-1 小型发酵罐结构图1.三角皮带转轴；2.轴承支柱；3.联轴节；4.轴封；5.窥镜；6.取样口；7.冷却水出口；8.夹套；9.罐壁；10.温度计；11.轴；12.搅拌器；13.底轴承支架；14.放料口；15.冷水进口；16.通风管；17.热电偶接口；18.挡板；19.接压力表；20.手孔；21.电动机；22.排气孔；23.取样口；24.进料口；25.压力表接口；26.窥镜；27.手孔；28.补料口,图6-2；大型发酵罐结构图1.轴封；2.人孔；3.梯子；4.联轴节；5.中间轴承；6.热电偶接口；7.搅拌器；8.通风管；9.放料口；10.底轴承；11.温度计；12.冷却管；13.轴； 14.取样； 15.轴承柱；16.三角皮带传动；17.电动机；18.压力表；19.取样口；20.人孔；21.进料口；22.补料口；23.排气口；24.回流口；25.窥镜,搅拌器和挡板,1 搅拌器的作用，型式及特点 搅拌器的作用 打碎气泡，产生漩涡，提高氧的利用率促进传质和传热液体流型：径向流、轴向流、切向流,特点：剪切作用较强，混合效果较差,流型,,轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流）,特点：剪切作用较弱，混合效果较好,流型,,切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。
特点：剪切作用和混合效果很差,螺 旋 桨 搅 拌 器,轴向流的代表优点：混合效果好缺点：剪切作用差，不能阻止气流沿搅拌轴上升，不能打碎气泡，不利于溶氧，只用于培养基的配制，料液的混合轴向流搅拌器的型式和特点,径向流搅拌器的型式与特点,圆盘平直叶涡轮搅拌器：是径向流的代表，在圆盘上焊有六片平直叶，圆盘可阻止气体沿搅拌轴上升，轴向流差，不利于混合，剪切作用强，有利于打碎气泡，溶氧效果好，功率消耗大圆盘弯叶涡轮搅拌器：径向流较差，轴向流较强，混合效果较好，剪切作用不如平直叶，溶氧效果不如平直叶，功率消耗小圆盘箭叶涡轮搅拌器：轴向流强，径向流差，剪切作用小，混合效果最好，溶氧效果差，功率消耗最小几种涡轮搅拌器作用比较,2 挡板,（a） （b） （c）（a）周边无档板；（b）螺旋桨搅拌器周边有垂直档板；（c）涡轮搅拌器周边有垂直档板,43,挡板的作用：改变液流的方向，将切向流改为轴向流,防止产生漩涡提高搅拌混合效果，提高湍流强度.数目通常为4～6块，其宽度为0.1～0.12 D全挡板条件：是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加。
消除液面漩涡的最低条件）式中： D—罐的直径（mm） Z—挡板数 W—挡板宽度（mm）用来校验档板数是否够,3 消泡器,作用：打碎泡沫，防止逃逸型式：锯齿状，梳状，孔板状，一般安装在搅拌轴上高出液面的部位，随搅拌轴转动而转动，将泡沫打碎长度： L=0.65D,4 空气分布管,作用：使通入的空气均匀分布型式： 单管式 正对罐底，距罐底 40mm，罐底衬不锈 钢圆板，防空气冲击 环 式 易堵需要变速的原因：电机的转速大于搅拌器所需转速电机分四级，转速分别约为： 800、1000、1400、1600 rpm；而搅拌转速则一般为90-110rpm发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动5 传动装置（1）变速装置,（2）搅拌轴：,有上悬式和下伸式两种,,作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响转动,轴承结构,6. 轴封,轴封的作用：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形式：填料函轴封、机械轴封两种填料函轴封,机械轴封,又称端面轴封，由弹性元件、动环和静环组成。
动环固定在轴上，随轴一起转动静环装在壳体上动环依靠弹簧的压力与静环紧密接触，阻止流体泄漏由两个环的端面互相密切贴合而达密封目的依靠三个密封点达到完全密封：1 动环与静环之间的密封2 静环与压盖之间的密封3 动环与轴之间的密封,,,,,,,,,1- 弹簧 2- 动环 3- 硬质合金 4- 静环 5- O形密封圈, 搅拌器轴功率的计算,全档板条件下，对于牛顿型流体通过因次分析，得：式中 P0：不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦） ρ：液体的密度（公斤/米3） μ：液体的粘度（牛.秒/米2） D：涡轮直径（米） N：涡轮转数（转/秒） K，m：决定于搅拌器的型式，挡板的尺寸及 流体的流态,1.单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算,,是一个无因次数，可定义为功率准数NP该准数表征着机械搅拌所施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性之比式中 ω：涡轮线速度 a：加速度 V：液体体积 m：液体质量,,是一个无因次数，称为 功率准数 NP 。
是一个无因次数，称为 搅拌雷诺数 ReMNP ~ ReM 的关系：实测找出规律，即经验系数K，m当ReM＜10时，液体为层流状态，m=-1；当ReM＞104时，液体为湍流状态， m=0；多数发酵罐搅拌器在此范围，故Np=常数＝K，查图得Np ReM＞104，达到充分湍流之后 P0=NPD5N3ρ,2，多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算,使用多个涡轮时，两者间的距离S，对非牛顿型流体可取为2D， 对牛顿型流体可取2.5~3.0D； 静液面至上涡轮的距离可取0.5~2D，下涡轮至罐底的距离C可取0.5~1.0D符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功率乘以涡轮的个数迈凯尔的修正关系式,3，通气液体机械搅拌功率的计算,计算举例,某细菌醪发酵罐罐直径T＝1.8(米)圆盘六弯叶涡轮直径D＝0.60米，一只涡轮罐内装四块标准挡板 搅拌器转速N＝168转／分通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量)罐压P＝1.5绝对大气压醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2醪液密度ρ＝1020公斤／米3要求计算Pg,(1)计算ReMReM=5.25× 104(2)由NP~ ReM查NP ， NP =4.7(3)计算P0 P0=NPD5N3ρ= 8.07（千瓦）(4)计算Pg,7 换热装置,,（1）作用：实消时预热和冷却，发酵过程中的冷却和加热。
2）型式：夹套、竖式蛇管、列管 夹套：5m3以下的罐子采用，冷却水流速低，传热系数小，换热效果差但能减少罐内附件，减少死角 冷却蛇管：罐内装4-6组，水流速度快，但管径小，流量小，适用于冷却水温度低的地区 冷却列管：罐内装4-6组，管径大，耗水量大，降温快，适用于冷却水温度高的地区冷却面积的计算,传热系数的经验值或计算 夹套 K 为4.187*（150-250）kJ/m2 h K 蛇管 K 为4.187*（300-450）kJ/m2 h K,T、t1、t2 分别为醪温、冷却水进出口温度,Q总——每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积 cp——冷却水的比热容t2——冷却水终温，t2=27℃t1——冷却水初温，t1=20℃,W——冷却水体积流量 V——冷却水流速,25,罐体的尺寸比例（重点）,通用发酵罐 通常取值 系数范围搅拌器直径 d =1/3D 1/2－1/3罐筒身高 H0 =2 D 1.7－3挡板宽度 B =0.1D 1/8－1/12 搅拌器间距 S=2d 1.5－2.5 下搅拌器距底间距 C= d 0.8－1.0挡板与罐壁的距离 （1/5-1/8）BHL：装料的液面高度。
ha ：封头凸出部分的高度，标准椭圆封头有ha ＝0.25DHb：封头直边高度，据壁厚一般取25、 40、 50mm机械搅拌通风发酵罐的优缺点,优点:操作弹性大，pH值和温度易于控制；有较规范的工业放大方法；适合连续培养缺点:驱动功率大；内部结构复杂，难于彻底洗净,易造成污染；在丝状菌的培养中由于搅拌器的剪切作用，细胞易损伤,2.2 自吸式发酵罐,定子的作用：将气体与液体混匀，甩出，将大气泡打碎，促进溶氧转子的作用：将转子内的液体甩出，形成内部真空，将气体吸入优点: 利用机械搅拌的抽吸作用将空气自吸入反应器内,达到既通风有搅拌的目的，从而省去了压缩机 缺点: 进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会，且搅拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响2.3 气升式发酵罐,,,优点：能耗低，液体中的剪切作用小，结构简单，且由于省去了机械搅拌而不需机械密封，避免了因机械密封不良造成的杂菌污染缺点：它不适用于高粘度或含大量固体的培养液1、实验室研究的目的：菌种保藏菌种在固体培养基上培养和繁殖的条件研究培养基最适组分实验室规模的培养技术,（三）实验室研究和统计学方法,2、研究的步骤先确定培养基组分通气强度影响代谢产物产量的关键因素摇瓶实验：提供基本信息和初步发酵工艺数据,三. 实验室研究和统计学方法,3、统计学方法,一般实验正交试验均匀实验响应面实验,10.2 摇瓶培养与罐培养的差异和发酵规模改变的影响,一、摇瓶和罐培养的差异1. 体积氧传递系数（KLa）和溶解氧的差异2. CO2浓度的差异3. 菌丝受机械损伤的差异除此之外，还有哪些差异?,。