第五章第五章生物反应器生物反应器 •在生物反应过程中，生物反应器具有中心的作用，它是连接在生物反应过程中，生物反应器具有中心的作用，它是连接原料和产物的桥梁原料和产物的桥梁•生化工程中几乎所有的内容都是围绕生物反应进行的生化工程中几乎所有的内容都是围绕生物反应进行的•生物反应器的设计和操作，是生物工程中的一个极其重要的生物反应器的设计和操作，是生物工程中的一个极其重要的问题，它对产品的质量和成本有很大的影响问题，它对产品的质量和成本有很大的影响•据统计，生化工业有几百个产品（每年的产值上千亿美元），据统计，生化工业有几百个产品（每年的产值上千亿美元），产品主要涉及到医药工业，化学工业，农产品加工工业生产品主要涉及到医药工业，化学工业，农产品加工工业生物反应器要适应这众多的生产过程，在形状，大小和操作方物反应器要适应这众多的生产过程，在形状，大小和操作方式上多种多样但生物反应器设计的目标是一个，既保证产式上多种多样但生物反应器设计的目标是一个，既保证产品质量的前提下，使产品成本最小品质量的前提下，使产品成本最小 •原料成本、操作成本、投资成本原料成本、操作成本、投资成本•酒精生产酒精生产62%62%、、26%26%、、12%12%；；•青霉素生产青霉素生产35%35%、、38%38%、、22%22%；；•产品的成本包括：产品的成本包括： 不变成本（工资、折旧、修理、管理等）；不变成本（工资、折旧、修理、管理等）； 可变成本（水、电、气、消耗的原料等）；可变成本（水、电、气、消耗的原料等）； •原料成本在总的成本中占的比例较大，和反应器有关的原料成本在总的成本中占的比例较大，和反应器有关的是操作成本和投资成本。
在操作成本中，动力消耗占主是操作成本和投资成本在操作成本中，动力消耗占主要方面•因此在反应器的设计中，在满足工艺要求的前提下，节因此在反应器的设计中，在满足工艺要求的前提下，节能是一个重要问题能是一个重要问题 生生物物反反应应器器与与化化学学反反应应器器在在使使用用中中的的主主要要不不同同点点是是 生生 物物 （（ 酶酶 除除 外外 ）） 反反 应应 都都 以以 ““自自 催催 化化””（（Autocalalysis) )方方式式进进行行，，即即在在目目的的产产物物生生成成的的过程中生物自身要生长繁殖过程中生物自身要生长繁殖 生生物物反反应应器器的的作作用用就就是是为为生生物物体体代代谢谢提提供供一一个个优优化化的的物物理理及及化化学学环环境境，，使使生生物物体体能能更更快快更更好好地地生生长长，，得到更多需要的生物量或代谢产物得到更多需要的生物量或代谢产物 一、生物反应器概述一、生物反应器概述 生物反应器的操作特性生物反应器的操作特性 反应器类型反应器类型pHpH控制控制温度温度控制控制 工业重要特性工业重要特性 主要应用领域主要应用领域批式批式( (通用罐通用罐) )连续搅拌罐式连续搅拌罐式气升式反应器气升式反应器鼓泡式反应器鼓泡式反应器自吸式反应器自吸式反应器通风制曲设备通风制曲设备嫌气反应器嫌气反应器动动植植物物细细胞胞用用反应器反应器光合反应器光合反应器如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需难控难控如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需人事费用高人事费用高流速受冲出限制流速受冲出限制空空压压机机出出口口压压力力要高要高可采用鼓风机可采用鼓风机需转子高速旋转需转子高速旋转人事费用高人事费用高无需通风设备无需通风设备剪切应力小剪切应力小需光源需光源大多数工业生产大多数工业生产污水处理、污水处理、SCPSCP生产等生产等有机酸有机酸, ,如柠檬酸生产等如柠檬酸生产等面包酵母等生产面包酵母等生产乙酸、酵母等生产乙酸、酵母等生产麸曲、酶制剂和麦芽生产等麸曲、酶制剂和麦芽生产等酒精、啤酒等生产酒精、啤酒等生产杂杂交交瘤瘤单单克克隆隆抗抗体体、、烟烟草草细细胞胞培养等培养等微藻等生产微藻等生产 生物反应器设计和操作的限制因素生物反应器设计和操作的限制因素•反应器生产能力（反应器生产能力（g/L·h）主要取决于两方面的因素：）主要取决于两方面的因素：•1．生物催化剂（酶，微生物）的浓度和比活力；．生物催化剂（酶，微生物）的浓度和比活力；•2．反应器的传质和传热能力；．反应器的传质和传热能力；•当生物催化剂浓度较低但比活力也较低时，生物催当生物催化剂浓度较低但比活力也较低时，生物催化剂的因素是反应器生产能力的限制因素；化剂的因素是反应器生产能力的限制因素；•但是生物催化剂的浓度较高且比活力较高时，反应但是生物催化剂的浓度较高且比活力较高时，反应器传质和传热能力就成为提高反应器生产能力的限器传质和传热能力就成为提高反应器生产能力的限制因素。
制因素 生物反应器设计的基本原理生物反应器设计的基本原理 生物反应器选型与设计的要点生物反应器选型与设计的要点 1 1、、选选择择适适宜宜的的生生物物催催化化剂剂这这包包括括要要了了解解产产物物在在生生物物反反应应的的哪哪一一阶阶段段大大量量生生成成、、适适宜宜的的pHpH和和温温度度，，是是否否好好氧氧和和易受杂菌污染等易受杂菌污染等2 2、确定适宜的反应器形式确定适宜的反应器形式3 3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等4 4、传热面积的计算传热面积的计算5 5、通风与搅拌装置的设计计算通风与搅拌装置的设计计算6 6、材料的选择与确保无菌操作的设计材料的选择与确保无菌操作的设计7 7、检验与控制装置检验与控制装置8 8、安全性9 9、经济性 生物反应器中的混合 生物反应器中的混合 混合过程的分类混合过程的分类 类类 型型 说说 明明 应应 用用 实实 例例气气—液液液液—固固固固—固固液液—液液液液—液液液体流动液体流动气、液接触混合气、液接触混合固固相相颗颗粒粒在在液液相相中中悬浮悬浮固相间混合固相间混合互溶液体互溶液体不互溶液体不互溶液体传热传热液相好氧发酵，如味精、抗生素等发酵液相好氧发酵，如味精、抗生素等发酵固固定定化化生生物物催催化化剂剂的的应应用用、、絮絮凝凝酵酵母母生生产酒精等产酒精等固态发酵生产前的拌料固态发酵生产前的拌料发酵或提取操作发酵或提取操作双液相发酵与萃取过程双液相发酵与萃取过程反应器中的换热器反应器中的换热器 生物反应器发展的趋势和未来方向生物反应器发展的趋势和未来方向•1、开发活力高和选择性高的生物催化剂将继续占主要地位。
开发活力高和选择性高的生物催化剂将继续占主要地位•主要途径是利用基因工程技术改变酶的初级结构，定向改造主要途径是利用基因工程技术改变酶的初级结构，定向改造生物细胞，改进酶和细胞的固定化技术，得到更多的酶活性生物细胞，改进酶和细胞的固定化技术，得到更多的酶活性回收，更长的使用寿命回收，更长的使用寿命•2、改进生物反应器热量、质量传递的方法、改进生物反应器热量、质量传递的方法•随生物催化剂比活力的提高，生物反应器的性能受传质传热随生物催化剂比活力的提高，生物反应器的性能受传质传热的限制就急需解决，必须改进生物反应器传质传热的方法和的限制就急需解决，必须改进生物反应器传质传热的方法和设施 •3、生物反应器正向大型化和自动化方向发展、生物反应器正向大型化和自动化方向发展•西德西德SCP生产反应器最大体积达生产反应器最大体积达2300 m3 （高（高60m ，直径，直径7m ），），England 废水处理反应器最大体积达到废水处理反应器最大体积达到27000 m3国内Bioreactor最大体积在最大体积在200~300 m3之间反应器体积的放大降之间反应器体积的放大降低了操作成本，但大型反应器的设计还存在一定的技术问题。
低了操作成本，但大型反应器的设计还存在一定的技术问题•4、一些特殊用途生物反应器得到较快的应用和开发一些特殊用途生物反应器得到较快的应用和开发•例如，动物和植物细胞培养用反应器，固体发酵反应器，边例如，动物和植物细胞培养用反应器，固体发酵反应器，边发酵边分离的特殊反应器都得到了不同程度的发展发酵边分离的特殊反应器都得到了不同程度的发展 •由于生化反应就是各种类型的酶反应，故生化由于生化反应就是各种类型的酶反应，故生化反应器实质上也就是酶反应器反应器实质上也就是酶反应器•广义说来，生化反应器是酶反应器、微生物反广义说来，生化反应器是酶反应器、微生物反应器（发酵罐）和动植物细胞培养用反应器的应器（发酵罐）和动植物细胞培养用反应器的统称（当然包括采用固定化生物催化剂的反应统称（当然包括采用固定化生物催化剂的反应器） 微生物反应器：是生产中最基本也是最主要的设备，微生物反应器：是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。
耗下获得较高的产量①①厌厌氧氧生生物物反反应应器器：：其其反反应应器器不不需需供供氧氧，，设设备备结结构构一一般般较较为为简简单单应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产②②好好氧氧生生物物反反应应器器：：生生产产过过程程中中需需不不断断通通入入无无菌菌空空气气，，因因而而其其设设备备的的结结构构比比厌厌氧氧生生物物反反应应器器复复杂杂应应用用于于氨氨基基酸酸、、有有机机酸酸、、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCPSCP等的生产等的生产 二二.生化反应器的特点生化反应器的特点①①生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂由生物催化剂-酶来催化的决定了酶反应必须在比酶来催化的决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、、较较低的温度及近似细胞生理条件下进行低的温度及近似细胞生理条件下进行②②生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。
由于反应的环境会随些代谢产物如多糖及蛋白质等由于反应的环境会随着时间的进程而改变，就产生了一个如何控制反应过着时间的进程而改变，就产生了一个如何控制反应过程使其最优化的问题程使其最优化的问题 ③③对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及佳条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰反应产物的干扰④④由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品的产品⑤⑤大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及物浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题成本的问题 三三. 生化反应器的种类及选择与操作生化反应器的种类及选择与操作按生化反应是在一个相或是在多个相内进行，可分为按生化反应是在一个相或是在多个相内进行，可分为均相反应器和非均相反应器发酵工业中的绝大多数均相反应器和非均相反应器发酵工业中的绝大多数都属于非均相反应器。
都属于非均相反应器一）机械搅拌式生化反应器（一）机械搅拌式生化反应器从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的传质速率和必要据实际情况和需要，为之提供较高的传质速率和必要的混合速度缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一的混合速度缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般般2~4kw/m3，，这对大型的反应器来说是个巨大负担这对大型的反应器来说是个巨大负担流体单位面积上所承受的剪切应力流体单位面积上所承受的剪切应力τ,与单元的剪切速率与单元的剪切速率dy/du成正成正比比,称为牛顿粘性定律称为牛顿粘性定律,服从这一定律的流体称为服从这一定律的流体称为牛顿型流体牛顿型流体空气、水等均为牛顿流体；聚合溶液、含有悬浮粒杂质或纤维的空气、水等均为牛顿流体；聚合溶液、含有悬浮粒杂质或纤维的流体为流体为非牛顿流体非牛顿流体 •通用式发酵罐的结构包括有通用式发酵罐的结构包括有筒体、搅拌装置、换热装置、筒体、搅拌装置、换热装置、挡板、消泡器、电动机与变挡板、消泡器、电动机与变速装置、空气分布装置等，速装置、空气分布装置等，并在适当部位设置排气、取并在适当部位设置排气、取样、放料、接种、酸等管接样、放料、接种、酸等管接口以及人孔、视镜等部件。
口以及人孔、视镜等部件通用发酵罐内设置机械搅拌通用发酵罐内设置机械搅拌的目的首先是打碎空气气泡，的目的首先是打碎空气气泡，增加气液接触面积，以提高增加气液接触面积，以提高气液相间的传质速率；其次气液相间的传质速率；其次是为了使发酵液充分混合，是为了使发酵液充分混合，也使液体中的固形物料能保也使液体中的固形物料能保持悬浮状态持悬浮状态 •通气搅拌罐主要组成：壳通气搅拌罐主要组成：壳体、控温部分、搅拌部分、体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等量系统和附属系统等•反应器主体采用不锈钢材反应器主体采用不锈钢材料，通常采用涡轮式搅拌料，通常采用涡轮式搅拌器搅拌轴与罐体的连接器搅拌轴与罐体的连接要进行无菌密封罐体底要进行无菌密封罐体底部设有空气分布器或喷嘴，部设有空气分布器或喷嘴，通过空气过滤器的无菌空通过空气过滤器的无菌空气从孔径几毫米的多孔管气从孔径几毫米的多孔管鼓入培养液内鼓入培养液内•搅拌器由置于罐顶的搅拌搅拌器由置于罐顶的搅拌电机以一定的转速驱动旋电机以一定的转速驱动旋转，通过搅拌涡轮产生的转，通过搅拌涡轮产生的液体漩涡及剪切力，将鼓液体漩涡及剪切力，将鼓入的空气打碎成小气泡，入的空气打碎成小气泡，并均匀分散在培养液中。
并均匀分散在培养液中这样，既提供了细胞生长这样，既提供了细胞生长所需氧，同时又使培养液所需氧，同时又使培养液浓度均匀浓度均匀231－轴封－轴封 ；； 2、、20－人孔；－人孔； 3－梯；－梯； 4－联轴；－联轴；5－中间轴承；－中间轴承； 6－温度计接口；－温度计接口；7－－搅拌叶轮搅拌叶轮；； 8－进风管；－进风管；9－放料口；－放料口； 10－底轴承；－底轴承；11－热电偶接口；－热电偶接口；12－－冷却管冷却管；；13－搅拌轴；－搅拌轴； 14－取样管；－取样管；15－轴承座；－轴承座； 16－传动皮带；－传动皮带；17－电机；－电机； 18－压力表；－压力表；19－取样口；－取样口； 21－进料口；－进料口；22－补料口；－补料口； 23－排气口；－排气口；24－回流口；－回流口； 25－视镜；－视镜；反应器的装料系数一般反应器的装料系数一般为为70～～80％系统通常％系统通常还设有消泡装置、参数还设有消泡装置、参数测试元件、蛇管或夹套测试元件、蛇管或夹套冷却装置等。
典型通气冷却装置等典型通气搅拌罐的一些基本特征搅拌罐的一些基本特征可以参考图可以参考图 机械搅拌发酵罐(TRC)• 工作原理： 利用机械搅拌器的作用，利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分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、发酵所需要的氧气生长繁殖、发酵所需要的氧气 (1) 具有适宜的径高比；具有适宜的径高比； (2) 能够承担一定压力；能够承担一定压力； (3) 保证必需的溶解氧；保证必需的溶解氧； (4) 具有足够的冷却面积；具有足够的冷却面积； (5) 尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌； (6) 轴封严密轴封严密之机械搅拌发酵罐• 发酵罐的基本条件： 之机械搅拌发酵罐图2.3 自动玻璃发酵罐 图2.4 玻璃搅拌发酵罐 图2.5 不锈钢搅拌发酵罐 •通气搅拌罐适用于大多数的生物工程，它具通气搅拌罐适用于大多数的生物工程，它具有以下优点：有以下优点：pHpH值及温度易于控制；工业放值及温度易于控制；工业放大方法研究比较多；适合连续培养。
不足之大方法研究比较多；适合连续培养不足之处是：搅拌消耗的功率较大；结构比较复杂，处是：搅拌消耗的功率较大；结构比较复杂，难以彻底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，难以彻底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，特别是培养丝状菌体时，对细胞有较大损伤特别是培养丝状菌体时，对细胞有较大损伤•通气搅拌罐的几何尺寸都趋向于标准化，通气搅拌罐的几何尺寸都趋向于标准化， 由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳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钢或不锈钢为了满足工业要求，在一定压力和温度为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130℃130℃和和0.25MPa(0.25MPa(绝对压力绝对压力) )之机械搅拌发酵罐• 罐 体•作为通气搅拌罐的主要特征之一，机械搅拌系统提供作为通气搅拌罐的主要特征之一，机械搅拌系统提供的动力是机械搅拌罐质量传递、热量传递、混合和悬的动力是机械搅拌罐质量传递、热量传递、混合和悬浮物均匀分布的基本保证搅拌装置的设计和选择必浮物均匀分布的基本保证搅拌装置的设计和选择必须综合考虑以满足上述要求并降低造价和动力消耗。
须综合考虑以满足上述要求并降低造价和动力消耗•搅拌轴既可以从顶部伸入罐体，也可以从底部伸入罐体，前搅拌轴既可以从顶部伸入罐体，也可以从底部伸入罐体，前者称为上搅拌，后者称为下搅拌一般而言，上搅拌的制造者称为上搅拌，后者称为下搅拌一般而言，上搅拌的制造和安装成本要略高于下搅拌但是，采用下搅拌时，培养基和安装成本要略高于下搅拌但是，采用下搅拌时，培养基中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损坏轴封，使其维护成本增加小型通气搅拌罐一般只有一层坏轴封，使其维护成本增加小型通气搅拌罐一般只有一层搅拌桨，而大型通气搅拌罐一般具有搅拌桨，而大型通气搅拌罐一般具有2 2～～4 4层搅拌桨以改善混层搅拌桨以改善混合和传质合和传质 之机械搅拌发酵罐• 搅拌器和挡板• 搅拌器：搅拌器： 有平叶式、弯叶式、箭叶式、涡轮式和推进式等；其作用有平叶式、弯叶式、箭叶式、涡轮式和推进式等；其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。
为了涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体图2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图1-六直叶涡轮式；2-推进式3-Lightnin A-315式图2.7 不同搅拌器的流型 •搅拌器可以使被搅拌的流体搅拌器可以使被搅拌的流体产生圆周运动，称为原生流产生圆周运动，称为原生流原生流在受到挡板的作用后原生流在受到挡板的作用后又产生了轴向运动，这称为又产生了轴向运动，这称为次生流显然，原生流的圆次生流显然，原生流的圆周运动无助于流体的混合，周运动无助于流体的混合，流体混合的好坏主要取决于流体混合的好坏主要取决于次生流原生流速与搅拌转次生流原生流速与搅拌转速成正比，而次生流速则近速成正比，而次生流速则近似与搅拌转数的平方成正比，似与搅拌转数的平方成正比，因此当转速提高时，主要是因此当转速提高时，主要是由于次生流速的加快而使流由于次生流速的加快而使流体的混合、传热以及传质速体的混合、传热以及传质速率提高率提高 •常用的搅拌桨有涡轮式、螺旋式和平桨式常用的搅拌桨有涡轮式、螺旋式和平桨式•目前采用较多的是涡轮式。
为了避免气泡在阻目前采用较多的是涡轮式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，力较小的搅拌器中心部位沿着轴周边上升逸出，在搅拌器中央安装有圆盘常用的圆盘涡轮搅在搅拌器中央安装有圆盘常用的圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式三种叶片数拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式三种叶片数量一般为六个量一般为六个 常常用用圆圆盘盘涡涡轮轮式式斜叶式斜叶式平直叶式平直叶式弯叶式弯叶式半圆弧圆盘涡轮式半圆弧圆盘涡轮式箭叶圆盘涡轮式箭叶圆盘涡轮式 •根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，将根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，将搅拌桨分为搅拌桨分为径向流搅拌桨径向流搅拌桨和和轴向流搅拌桨轴向流搅拌桨径向流搅拌桨将流体向外推进，遇反应器内径向流搅拌桨将流体向外推进，遇反应器内壁和档板后再向上下两侧折返，产生次生流壁和档板后再向上下两侧折返，产生次生流轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动•一般而言，轴向流搅拌桨的反应器，其功率一般而言，轴向流搅拌桨的反应器，其功率准数较低，达到同样混合效果所需消耗的能准数较低，达到同样混合效果所需消耗的能量要远低于径向流搅拌桨。
径向流搅拌桨所量要远低于径向流搅拌桨径向流搅拌桨所造成的剪切力大于轴向流搅拌桨，这有利于造成的剪切力大于轴向流搅拌桨，这有利于打碎气泡，从而增大总括氧传递速率常数，打碎气泡，从而增大总括氧传递速率常数，但会对有些细胞产生伤害但会对有些细胞产生伤害•因此，径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的因此，径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的培养，而轴向流搅拌桨多用于对剪切力敏感的生物反应体系对培养，而轴向流搅拌桨多用于对剪切力敏感的生物反应体系对于大型发酵罐，可采用这两类搅拌桨混合配置的设计，以充分发于大型发酵罐，可采用这两类搅拌桨混合配置的设计，以充分发挥各自的优点最下层的桨一般采用平板桨，这种桨具有优良的挥各自的优点最下层的桨一般采用平板桨，这种桨具有优良的气泡破碎效果，这是在青霉素发酵研究和开发中得到的经验，一气泡破碎效果，这是在青霉素发酵研究和开发中得到的经验，一直沿用至今直沿用至今 挡板挡板•为防止搅拌时液面上产生大的旋涡，并促进罐为防止搅拌时液面上产生大的旋涡，并促进罐内流体在各个方向的混合，与搅拌桨相对应，内流体在各个方向的混合，与搅拌桨相对应，在罐体上还安装有挡板。
挡板的设计要满足在罐体上还安装有挡板挡板的设计要满足“全挡板条件全挡板条件”所谓全挡板条件，是指在搅拌所谓全挡板条件，是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加挡板的数目通常为增加挡板的数目通常为4～～6块，其宽度为块，其宽度为0.1～～0.12D全挡板条件是达到消除液面漩涡的全挡板条件是达到消除液面漩涡的最低条件在一定的转速下面增加罐内附件而最低条件在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变此条件与挡板数轴功率保持不变此条件与挡板数Z，挡板宽，挡板宽度度W和罐径和罐径D有关 • 挡板：挡板： 改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧通常挡板宽度取激烈翻动，增加溶解氧通常挡板宽度取( (0.1～～0.12)D，，装设装设4~6块即可满足全挡板条件块即可满足全挡板条件 所谓所谓“全挡板条件全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内附是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变件而轴功率仍保持不变W/D)Z=0.5 D-罐的直径 Z-挡板数 W-挡板宽度• 要达到全挡板条件必须满足下式要求：要达到全挡板条件必须满足下式要求：之机械搅拌发酵罐 无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型 •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菌。
机械传动部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此轴封设计的关键是避免染菌和泄漏，应尽可能采用无菌密封材料常用的轴封有常用的轴封有填料函轴封填料函轴封和和端面轴封两种端面轴封两种• 轴 封• 填料函轴封填料函轴封：：由填料箱体，填料底衬套，由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果到密封的效果压紧压紧螺栓螺栓填料箱体填料箱体图2.10 填料函转轴转轴填料压盖填料压盖铜环铜环填料填料 端面式轴封又称机械轴封：端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封端面接触的密封构件之一为硬质合金，如高硅铸铁、端面接触的密封构件之一为硬质合金，如高硅铸铁、金属碳化钨等；另一种为软质耐磨材料，如不锈性石金属碳化钨等；另一种为软质耐磨材料，如不锈性石墨，用作静环墨，用作静环转轴转轴 端面封轴动环动环静环静环堆焊硬质堆焊硬质O形环形环 转轴转轴 端面封轴动环动环静环静环堆焊硬质堆焊硬质O形环形环 通气系统•通气系统由无菌空气制备系统、空气分布装置和出口气体除通气系统由无菌空气制备系统、空气分布装置和出口气体除菌系统组成。
菌系统组成•细胞生长和代谢所需的无菌空气通过空气分布管引入罐中细胞生长和代谢所需的无菌空气通过空气分布管引入罐中空气分布管一般位于最下层的搅拌桨的正下方为保证气泡空气分布管一般位于最下层的搅拌桨的正下方为保证气泡的分散，多采用带小孔的环状空气分布管，环的直径一般等的分散，多采用带小孔的环状空气分布管，环的直径一般等于搅拌桨的直径在大型通气搅拌罐中，搅拌桨尖附近的剪于搅拌桨的直径在大型通气搅拌罐中，搅拌桨尖附近的剪切力非常大，一般足以达到充分打碎气泡的目的，为防止培切力非常大，一般足以达到充分打碎气泡的目的，为防止培养液中的固体物料或菌丝堵塞空气分布管，对某些特殊的发养液中的固体物料或菌丝堵塞空气分布管，对某些特殊的发酵体系有时采用向下开口的单孔管酵体系有时采用向下开口的单孔管•在一些简单的反应器中，气体的排出只是通过一个简单的阀在一些简单的反应器中，气体的排出只是通过一个简单的阀门控制的为避免染菌，必须调节空气的排出阀以保证反应门控制的为避免染菌，必须调节空气的排出阀以保证反应器内始终处于高于大气压的正压状态一些精密的反应器则器内始终处于高于大气压的正压状态一些精密的反应器则配备了出口气体冷凝装置和过滤装置配备了出口气体冷凝装置和过滤装置 之机械搅拌发酵罐• 空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。
分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分分布分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分布装置有单管式布装置有单管式• 空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果• 环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分布装置同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用• 通常通风管的空气流速取通常通风管的空气流速取20m/s• 为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强可延长罐底寿命强可延长罐底寿命• 空气分布器 消泡系统•消泡系统对好氧发酵过程是非常重要的通气搅拌罐的装液消泡系统对好氧发酵过程是非常重要的通气搅拌罐的装液量一般不能超过容器容积的量一般不能超过容器容积的70～～80％，一方面，这是由于通％，一方面，这是由于通气后液面会有所上升；更重要的原因是，预留部分空间可以气后液面会有所上升；更重要的原因是，预留部分空间可以避免泡沫马上冲出罐体，为消除泡沫提供一段缓冲的时间。
避免泡沫马上冲出罐体，为消除泡沫提供一段缓冲的时间一般对越容易产生泡沫的体系，装液量要越少一般对越容易产生泡沫的体系，装液量要越少•通气搅拌罐顶部有一个额外的搅拌桨，称为消泡桨，其作用通气搅拌罐顶部有一个额外的搅拌桨，称为消泡桨，其作用就是通过机械作用消除泡沫在多数情况下，仅凭消泡桨还就是通过机械作用消除泡沫在多数情况下，仅凭消泡桨还不足以及时破坏所有的泡沫，因此通常还须进一步采用添加不足以及时破坏所有的泡沫，因此通常还须进一步采用添加化学消泡剂的方法消泡化学消泡剂的方法消泡 之机械搅拌发酵罐• 消泡装置• 消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在消泡装置就是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的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成发酵罐排气系统上的，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，从而达到消泡的目的液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的• 两种消泡方法两种消泡方法: (1) 加入化学消泡剂；加入化学消泡剂；(2)使用机械消使用机械消泡装置泡装置• 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如猪油等；高分子化合物。
脂，如猪油等；高分子化合物• 机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器耙式消泡器•植物油、聚醚类非离子型表面活性剂都可以用于化植物油、聚醚类非离子型表面活性剂都可以用于化学消泡，它们可以直接在配制在培养基中，也可以学消泡，它们可以直接在配制在培养基中，也可以在发酵过程中根据需要加入，或者两种策略同时使在发酵过程中根据需要加入，或者两种策略同时使用为了及时检测泡沫是否达到预警高度，通常在用为了及时检测泡沫是否达到预警高度，通常在反应器上方装有液位电极，一旦泡沫达到相应的高反应器上方装有液位电极，一旦泡沫达到相应的高度，就可以通过消泡控制装置自动向反应器中流加度，就可以通过消泡控制装置自动向反应器中流加消泡剂 • 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接之机械搅拌发酵罐• 联轴器及轴承• 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接• 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种联轴器法兰 • 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；• 大型发酵罐装有中间轴承。
大型发酵罐装有中间轴承• 罐内轴承不能加润滑油，应采用液体罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）四氟乙烯等）之机械搅拌发酵罐• 轴 承底轴承中间轴承 之机械搅拌发酵罐• 冷却装置夹套冷却夹套冷却竖式蛇管冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却竖式列管冷却适用范围5m3以下小发酵罐以下小发酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐气温较高的地区气温较高的地区优点结构简单，加工容结构简单，加工容易，罐内死角少，易，罐内死角少，容易清洗灭菌容易清洗灭菌流速大，传热系数流速大，传热系数大，降温效果较好大，降温效果较好加工方便，提高加工方便，提高传热推动力的温传热推动力的温差缺点传热壁较厚，冷却传热壁较厚，冷却水流速低，降温效水流速低，降温效果差冷却水较高时，降冷却水较高时，降温困难，弯曲位置温困难，弯曲位置易腐蚀用水量较大用水量较大 在在罐外罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液进行循环冷却进行循环冷却 图2.13 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸之机械搅拌发酵罐Ø 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积• 体积• 尺寸• 椭圆形封头体积：• 发酵罐的总体积：近似为： 之机械搅拌发酵罐 之气升式发酵罐(二)气升式发酵罐(ALR)ü 工作原理ü 特点及应用ü 主要结构及操作系数ü 典型的气升式发酵罐 工作原理之气升式发酵罐o 类型气升环流式、塔式、空气喷射式等。
o 工作原理 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质气液双喷射气升环流反应器•气升式反应器利用气体的喷射功能和流体密度气升式反应器利用气体的喷射功能和流体密度差造成反应液循环流动差造成反应液循环流动无机械搅拌无机械搅拌 o 特点1）反应溶液分布均匀2）较高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便 特点及应用之气升式发酵罐o 应用酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理 主要结构及操作系数之气升式发酵罐o主要结构参数1）反应器径高比H/D2）导流筒径与罐径比DE /D3）空气喷嘴直径与反应器直径比Dl/Do 操作特征平均循环时间tm循环周期指液体微元在反应器内循环一周所需要的平均时间，即平均循环时间循环周期一般在2.5～4min之间 之气升式发酵罐ICI's air lift system for making single-cell protein in 1979注射入口ICI压力循环气升发酵罐 之气升式发酵罐气升式玻璃发酵罐具有外循环冷却的气升环流式发酵罐 之自吸式发酵罐（三）自吸式发酵罐§ 自吸式发酵罐：自吸式发酵罐： 不需空气压缩机不需空气压缩机提供加提供加压空气，而依靠特设的压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。
氧传质的发酵罐§ 应用：应用： 酵母及单细胞蛋酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维生素白生产、醋酸发酵、维生素等生产等生产 之自吸式发酵罐自吸式发酵罐§ 优点：优点： (1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；投资，减少厂房面积； (2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高生产效率高、经济效率高 (4)设备便于自动化、连续化。
设备便于自动化、连续化§ 缺点：缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40％ 之自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐§ 自自吸吸式式发发酵酵罐罐的的结结构构 之自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐的工作原理 自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器(转子转子)和导轮和导轮(定子定子),空气管与转子空气管与转子相连接相连接,在转子启动前在转子启动前,先用液体将转子浸没先用液体将转子浸没,然后启动马达使转子转动然后启动马达使转子转动,由于由于转子高速旋转转子高速旋转,液体或空气在离心力的作用下液体或空气在离心力的作用下,被甩向叶轮外缘被甩向叶轮外缘,在这个过程在这个过程中中,流体便获得能量流体便获得能量,若转子的转速愈快若转子的转速愈快,旋转的线速度也愈大旋转的线速度也愈大,则流体则流体(其中其中还含有气体还含有气体)的动能也愈大的动能也愈大,流体离开转子时流体离开转子时,由动能转变为静压能也愈大由动能转变为静压能也愈大,在在转子中心所造成的负压也越大，因此空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，转子中心所造成的负压也越大，因此空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过定子而使气液均匀分布甩出。
通过定子而使气液均匀分布甩出由于转子的搅拌作用，气液在叶轮的外缘形成强烈的混合流（湍流），使刚由于转子的搅拌作用，气液在叶轮的外缘形成强烈的混合流（湍流），使刚刚离开叶轮的空气立即在不断循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流刚离开叶轮的空气立即在不断循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中，因此转子同时具有搅拌和充气两个作状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中，因此转子同时具有搅拌和充气两个作用 之自吸式发酵罐§文氏管自吸式发酵罐文氏管自吸式发酵罐：： 利用文氏罐喷射吸气装置利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混或溢流喷射吸气装置进行混合和溶氧传质合和溶氧传质泵泵4将发酵液压入文氏管将发酵液压入文氏管6，由于文氏管的收缩段中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成负压将无菌空气吸入液体的流速增加，形成负压将无菌空气吸入,并被高并被高速流动的液体打碎，与液体均匀混合速流动的液体打碎，与液体均匀混合, 同时由于上同时由于上升管中发酵液与气体混合后，比重较罐内发酵液轻，升管中发酵液与气体混合后，比重较罐内发酵液轻，再加上泵的提升作用，使发酵液在上升管内上升。
再加上泵的提升作用，使发酵液在上升管内上升当发酵液从上升管进入发酵罐后，微生物耗氧，发当发酵液从上升管进入发酵罐后，微生物耗氧，发酵液的比重变大向发酵罐底部循环，发酵液又从发酵液的比重变大向发酵罐底部循环，发酵液又从发酵罐底部被泵打入上升管，开始下一个循环酵罐底部被泵打入上升管，开始下一个循环 液体喷射吸气装置1一高压料液管 2一吸气室 3一进风管 4一喷嘴 5一收缩段 6一导流尾管 7一扩散段文氏吸气管结构 无菌风管 之自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐吸气原理是液体溢流吸气原理是液体溢流时形成抛射流，由于时形成抛射流，由于液体的表面层与其相液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，邻的气体的动量传递，使边界层的气体有一使边界层的气体有一定的速率，从而带动定的速率，从而带动气体的流动形成自吸气体的流动形成自吸气作用要使液体处气作用要使液体处于抛射非淹没溢流状于抛射非淹没溢流状态，溢流尾管略高于态，溢流尾管略高于液面，尾管高液面，尾管高1～～2m时，吸气速率较大时，吸气速率较大 （四）发酵罐的管路和死角的消除（四）发酵罐的管路和死角的消除1. 1. 1. 1. 尽量减少管路尽量减少管路尽量减少管路尽量减少管路①单罐单罐②多罐多罐发酵罐的出口越少越好，发酵罐的出口越少越好，a.出料口和进气管可以合并出料口和进气管可以合并b.接种管、消泡管、补料管可以合并接种管、消泡管、补料管可以合并c.排气管不能合并，易引起交叉污染排气管不能合并，易引起交叉污染a.出料前后都要消毒，用活（流动）出料前后都要消毒，用活（流动）蒸气消毒蒸气消毒b.出料管不能合并出料管不能合并 （四）发酵罐的管路和死角的消除（四）发酵罐的管路和死角的消除2. 2. 2. 2. 消灭死角消灭死角消灭死角消灭死角a.丝口连接处改用法兰连接丝口连接处改用法兰连接b.焊接部位：堆焊、电焊、氧焊、鱼鳞焊，选用鱼鳞焊焊接部位：堆焊、电焊、氧焊、鱼鳞焊，选用鱼鳞焊c.管道转弯有弧度管道转弯有弧度d.放料管、取料管的阀腔处装小阀放料管、取料管的阀腔处装小阀 3. 3. 3. 3. 消灭渗漏消灭渗漏消灭渗漏消灭渗漏（四）发酵罐的管路和死角的消除（四）发酵罐的管路和死角的消除a.a.罐体穿孔罐体穿孔—— 不锈钢不锈钢b.b.冷却管产生裂缝冷却管产生裂缝—— 定期更换定期更换c.c.垫圈（法兰连接）松脱垫圈（法兰连接）松脱—— 拧紧拧紧d.d.轴封渗漏轴封渗漏—— 轴绝对垂直轴绝对垂直e.e.焊缝渗漏焊缝渗漏f.f.阀杆阀杆 （五）发酵罐的管道布置（五）发酵罐的管道布置1.保证蒸气在管道中畅通，有排气口（小阀），接种管、中保证蒸气在管道中畅通，有排气口（小阀），接种管、中间补料管、放料管都要有排气口（小阀）间补料管、放料管都要有排气口（小阀）2.避免冷凝水排入已灭菌的罐体或空气，加止逆阀（单向阀）避免冷凝水排入已灭菌的罐体或空气，加止逆阀（单向阀）3.灭菌后的管道用无菌空气保压灭菌后的管道用无菌空气保压4.单向阀位置正确单向阀位置正确5.蒸气总管道要有分气缸、排气阀、减压阀、安全阀蒸气总管道要有分气缸、排气阀、减压阀、安全阀6.相邻罐不联通相邻罐不联通 （六）发酵罐的一些操作（六）发酵罐的一些操作1. 1. 1. 1. 1. 1. 接种接种接种接种接种接种接种的三种方法接种的三种方法：：a.火圈直接倒种火圈直接倒种b.注射器接种注射器接种c.压力差接种压力差接种小罐小罐①①接种口用火圈杀菌；接种口用火圈杀菌；②②橡胶口在火圈上过一下，套入接种口；橡胶口在火圈上过一下，套入接种口；③③进气阀打开，排气阀关闭，罐内和种子瓶同时升压至进气阀打开，排气阀关闭，罐内和种子瓶同时升压至1kg/cm1kg/cm2 2；；④④关闭发酵罐和种子瓶之间的阀门，打开发酵罐排气阀，罐内压力下降关闭发酵罐和种子瓶之间的阀门，打开发酵罐排气阀，罐内压力下降至至0.5kg/cm0.5kg/cm2 2，，倒置种子瓶，打开发酵罐和种子瓶之间的阀门，瓶内倒置种子瓶，打开发酵罐和种子瓶之间的阀门，瓶内种子液进入罐内；种子液进入罐内；⑤⑤一次没有接完再重复。
一次没有接完再重复注意：注意：Ø接种瓶密封、耐高压；接种瓶密封、耐高压；Ø接种瓶口要旋紧、塞子塞紧，防止漏气染菌；接种瓶口要旋紧、塞子塞紧，防止漏气染菌；Ø进气口压力表一定不能超过进气口压力表一定不能超过1kg/cm21kg/cm2（（否则接种瓶会爆炸）；否则接种瓶会爆炸）；Ø一次接不完反复两三次直至全部种子液接入罐内为止一次接不完反复两三次直至全部种子液接入罐内为止 2. 2. 2. 移种移种移种移种移种移种（六）发酵罐的一些操作（六）发酵罐的一些操作种子罐种子罐→→发酵罐发酵罐①①移种管灭菌：进入罐的管道阀门要关好，移种管中压力移种管灭菌：进入罐的管道阀门要关好，移种管中压力>2kg/cm2，，灭菌灭菌15min，，关蒸气关蒸气②②种子罐上进气阀打开，排气阀关闭，压力升至种子罐上进气阀打开，排气阀关闭，压力升至2kg/cm2③③发酵罐中保持正压，比空气高一点，排气阀打开，进气阀发酵罐中保持正压，比空气高一点，排气阀打开，进气阀关小，压力降至关小，压力降至0.5kg/cm2④④打开通向罐的阀门，两罐相通，因压力差，菌液进入发酵打开通向罐的阀门，两罐相通，因压力差，菌液进入发酵罐罐⑤⑤关掉通向罐的两个阀门，移种管灭菌关掉通向罐的两个阀门，移种管灭菌 3. 3. 3. 取样取样取样取样取样取样（六）发酵罐的一些操作（六）发酵罐的一些操作①①②②③③a.取样阀取样阀①①关紧，打开蒸气阀关紧，打开蒸气阀②②，再打开阀门，再打开阀门③③，让蒸气冲（消毒杀菌，让蒸气冲（消毒杀菌5～～10min）；）；b.关上蒸气阀关上蒸气阀②②，打开取样阀，打开取样阀①①，培养液因压力，培养液因压力作用流出；作用流出；c.取样后关闭取样阀取样后关闭取样阀①①，打开蒸气阀，打开蒸气阀②②，通蒸气，通蒸气再次消毒，关闭阀门再次消毒，关闭阀门②②和和③③。
（六）发酵罐的一些操作（六）发酵罐的一些操作4. 4. 4. 4. 4. 4. 进料和出料进料和出料进料和出料进料和出料进料和出料进料和出料发酵罐上的发酵罐上的入孔入孔用于加料和维修用于加料和维修出料管可以和进气管合并出料管可以和进气管合并一般装料系数为一般装料系数为0.60.6，占罐总体积的，占罐总体积的2/32/3 （七）设备防腐蚀（七）设备防腐蚀腐蚀：外部介质参与使金属本身产生化学和电化学的损失腐蚀：外部介质参与使金属本身产生化学和电化学的损失磨损：金属本身的损坏，主要是由接触引起的磨损：金属本身的损坏，主要是由接触引起的腐蚀腐蚀电化学电化学化学腐蚀（如高温燃烧等）化学腐蚀（如高温燃烧等）单纯的电化学腐蚀单纯的电化学腐蚀电化学与生物共同作用，生物主要产生酸电化学与生物共同作用，生物主要产生酸腐蚀腐蚀全部腐蚀全部腐蚀局部腐蚀局部腐蚀——选择性，点腐蚀选择性，点腐蚀 •金属材料金属材料1.a. 碳钢碳钢2.b. 不锈钢不锈钢3.c. 铸铁铸铁4.d. 钛合金钛合金强度高；防腐蚀性能不是很好；铁离子造成精制、强度高；防腐蚀性能不是很好；铁离子造成精制、提取工艺的困难提取工艺的困难造价高，其他性能都很好造价高，其他性能都很好耐腐蚀；比较脆；一般用于防水管道；便宜耐腐蚀；比较脆；一般用于防水管道；便宜最耐腐蚀；强度高最耐腐蚀；强度高 四、植物和动物细胞培养反应器四、植物和动物细胞培养反应器 随随着着生生物物工工程程技技术术的的发发展展，，动动植植物物细细胞胞的的培培养养已已可可在在工工业业规规模模生生化化反反应应器器中中进进行行。
动动植植物物细细胞胞培培养养是是指指动动物物或或植植物物细细胞胞在在体体外外条条件件下下进进行行繁繁殖殖，，此时细胞虽然生长与增多，但不再形成组织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有明显的区别，首动植物细胞与微生物细胞有明显的区别，首先动物细胞无细胞壁，动植物细胞对环境影响十先动物细胞无细胞壁，动植物细胞对环境影响十分敏感培养中动植物细胞对培养基的营养要求分敏感培养中动植物细胞对培养基的营养要求相当苛刻，并且生长缓慢所以动植物细胞培养相当苛刻，并且生长缓慢所以动植物细胞培养体系需要严格防止杂菌污染体系需要严格防止杂菌污染 植物细胞培养反应器植物细胞培养反应器 用于植物细胞培养的核心设备称为植物细用于植物细胞培养的核心设备称为植物细胞培养反应器此类反应器与微生物发酵用反胞培养反应器此类反应器与微生物发酵用反应器有许多相同之处，亦采用通用式发酵罐、应器有许多相同之处，亦采用通用式发酵罐、鼓泡式发酵罐、气升式反应器、流化床式反应鼓泡式发酵罐、气升式反应器、流化床式反应器、固定床式反应器、膜反应器及振动混合反器、固定床式反应器、膜反应器及振动混合反应器等。
植物细胞培养反应器已从实验室规模应器等植物细胞培养反应器已从实验室规模的的1-30L1-30L放大到工业性试验规模放大到工业性试验规模130-20000L130-20000L 植物细胞培养反应器的设计，可采用通风植物细胞培养反应器的设计，可采用通风发酵设备的放大方法来进行发酵设备的放大方法来进行 动物细胞培养反应器 动物细胞培养反应器有多种形式，动物细胞培养反应器有多种形式，这些反应器都是针对动物细胞无细胞壁，这些反应器都是针对动物细胞无细胞壁，不能耐受强烈搅拌与通风的剪切力而设不能耐受强烈搅拌与通风的剪切力而设计制造 （一）动物细胞悬浮培养反应器（一）动物细胞悬浮培养反应器 由由于于动动物物细细胞胞无无细细胞胞壁壁保保护护，，采采用用一一般般发发酵酵罐罐的的搅搅拌拌桨桨叶叶搅搅拌拌液液体体时时液液体体间间的的剪剪切切力力往往往往过过大大而而破破坏坏细细胞胞，，因因此此，，实实验验室室规规模模的的悬悬浮浮培培养养反反应应器器时时依依靠靠磁磁力力驱驱动动的的搅搅拌拌器器低低转转速速搅搅拌拌( (如如20~50r/min)20~50r/min)，，搅搅拌拌桨桨有有用用尼尼龙龙丝丝编编织织带带制制成成船船帆帆形形，，或或通通过过插插入入溶溶液液中中的的硅硅胶胶管管使使氧氧气气扩扩散散到到培培养液内。
养液内 目前，工业规模的动物细胞悬浮培养反应器目前，工业规模的动物细胞悬浮培养反应器最大规模最大规模10m10m3 3 ，，是用来生产杂交瘤单克隆抗体是用来生产杂交瘤单克隆抗体采用螺旋桨搅拌器，搅拌转速控制在每分钟几十采用螺旋桨搅拌器，搅拌转速控制在每分钟几十转，转，k kL La a值可达值可达10h10h-1-1另外，用扩散渗透通气装置另外，用扩散渗透通气装置取代传统的通风装置取代传统的通风装置 （二）动物细胞贴壁培养反应器（二）动物细胞贴壁培养反应器 多多数数动动物物细细胞胞需需附附着着在在固固体体或或半半固固体体表表面面才才能能生生长长，，细细胞胞在在载载体体表表面面上上生生长长并并扩扩展展成成一一单单层层，，所所以以贴贴壁壁培培养养又又称称单层培养单层培养 传统的动物细胞培养反应器是滚瓶，利用滚瓶的缓慢传统的动物细胞培养反应器是滚瓶，利用滚瓶的缓慢转动，使动物细胞在滚瓶内壁贴壁生长繁殖转动，使动物细胞在滚瓶内壁贴壁生长繁殖2020世纪世纪7070年年代开发出的中空纤维培养装置进行动物细胞培养，细胞密代开发出的中空纤维培养装置进行动物细胞培养，细胞密度可达度可达10109 9 cells/ml cells/ml数量级。
中空纤维培养装置的主要组数量级中空纤维培养装置的主要组成是中空纤维管，中空纤维管内径为成是中空纤维管，中空纤维管内径为200μm200μm，，壁厚为壁厚为50~75μm50~75μm，，只能让氧与二氧化碳等小分子自由地透过纤维只能让氧与二氧化碳等小分子自由地透过纤维膜双向扩散，而中大分子有机物不能透过动物细胞贴附膜双向扩散，而中大分子有机物不能透过动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长，可很方便地获取营养物质和溶氧在中空纤维管外壁生长，可很方便地获取营养物质和溶氧 （三）动物细胞微载体培养反应器（三）动物细胞微载体培养反应器 动物细胞微载体培养是细胞附着和动物细胞微载体培养是细胞附着和生长在悬浮于培养液中的微珠表面，借生长在悬浮于培养液中的微珠表面，借助于温和搅拌，使细胞均匀分布的一种助于温和搅拌，使细胞均匀分布的一种培养方法培养方法 贴壁培养动物细胞的载体微珠称为微贴壁培养动物细胞的载体微珠称为微载体 搅拌系统是微载体培养反应器中的重搅拌系统是微载体培养反应器中的重要组成部分要组成部分 海藻培养光合生物反应器海藻培养光合生物反应器 海洋生物包括海洋动物海洋生物包括海洋动物( (如鱼、虾、贝等如鱼、虾、贝等) )、、海洋植物海洋植物( (如大藻和微藻如大藻和微藻) )和海洋微生物。
和海洋微生物 典型且常用的微藻培养光合反应器是敞开典型且常用的微藻培养光合反应器是敞开式跑道池式跑道池 封闭式光合反应器的研制开发已有几十年封闭式光合反应器的研制开发已有几十年历史封闭式光合反应器按其接收光的方式可历史封闭式光合反应器按其接收光的方式可分为两大类：一类是外部光源，另一类是内部分为两大类：一类是外部光源，另一类是内部光源 Thank you 。