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、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，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1.0MPa1.2 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 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、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：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