發(fā)酵工程第八章發(fā)酵設(shè)備與反應(yīng)器演示

（優(yōu)選）發(fā)酵工程第八章發(fā)酵設(shè)備與反應(yīng)器當(dāng)前第1頁\共有100頁\編于星期六\2點發(fā)酵設(shè)備與反應(yīng)器生物反應(yīng)器的分類及設(shè)計目標(biāo)和原則微生物細(xì)胞反應(yīng)器——發(fā)酵罐發(fā)酵罐的放大當(dāng)前第2頁\共有100頁\編于星期六\2點生物反應(yīng)器的分類酶催化反應(yīng)器細(xì)胞生物反應(yīng)器按所用的生物催化劑的不同分類當(dāng)前第3頁\共有100頁\編于星期六\2點生物反應(yīng)器的分類按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征分類釜式、管式、塔式、膜式等類型當(dāng)前第4頁\共有100頁\編于星期六\2點生物反應(yīng)器的分類根據(jù)細(xì)胞或組織的代謝要求厭氧生物反應(yīng)器好氧生物反應(yīng)器光照生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器當(dāng)前第5頁\共有100頁\編于星期六\2點反應(yīng)器的設(shè)計目標(biāo)和原則生物反應(yīng)器具備的特點：1嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)；2良好的液體混合性能；3較高的傳質(zhì)、傳熱性能4結(jié)構(gòu)簡單、能耗低5配套而又可靠的檢測和控制儀表當(dāng)前第6頁\共有100頁\編于星期六\2點生物反應(yīng)器設(shè)計遵循的原則生物反應(yīng)器應(yīng)具有適宜的徑高比應(yīng)承受一定的壓力有攪拌通風(fēng)裝置的反應(yīng)器應(yīng)能使氣液固三相充分混合，滿足物料必須的溶氧需求反應(yīng)器應(yīng)有恰當(dāng)?shù)睦鋮s裝置和冷卻面積，滿足生物體生長代謝過程中的溫度要求當(dāng)前第7頁\共有100頁\編于星期六\2點反應(yīng)器應(yīng)盡量減少死角，消除藏垢積污場所，保證滅菌徹底盡量減少法蘭連接，防止因設(shè)備震動和熱膨脹，引起法蘭連接處移位，造成污染保證滅菌工作的順利進(jìn)行，培養(yǎng)系統(tǒng)中已滅菌部分與未滅菌部分之間不能直接連通當(dāng)前第8頁\共有100頁\編于星期六\2點厭氧發(fā)酵罐用于酒精、啤酒、丙酮丁醇等嫌氣發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)，由于發(fā)酵過程中不需供氧，所以設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡單。嫌氣生物反應(yīng)器也已趨向大容量發(fā)展，并實現(xiàn)了自動清洗。當(dāng)前第9頁\共有100頁\編于星期六\2點啤酒發(fā)酵設(shè)備傳統(tǒng)的啤酒發(fā)酵設(shè)備是由分別設(shè)在發(fā)酵間的發(fā)酵池和貯酒間內(nèi)的貯酒罐組成的。目前圓筒體錐底罐（C.C.T)在露天大罐工藝中使用最為普遍．簡稱露天錐形發(fā)酵罐。當(dāng)前第10頁\共有100頁\編于星期六\2點圓筒體錐底罐（C.C.T)的結(jié)構(gòu)及特點發(fā)酵最大特點在于大型化，容積從100-600m3(國內(nèi)也有60m3小型的)。當(dāng)前第11頁\共有100頁\編于星期六\2點1、設(shè)備的外型特點罐體圓柱形，罐頂為橢圓封頭，罐底為圓錐形。筒體直徑(D)和筒體高度(H)是主要特性參數(shù)。D：H＝1：1.5-6。增加H有利于加速發(fā)酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。發(fā)酵罐錐底角一般為60-130°考慮到發(fā)酵中酵母自然沉降最有利，以70°為好。當(dāng)前第12頁\共有100頁\編于星期六\2點2，罐材料大型均采用碳鋼加涂料或不銹鋼兩種材料制成。啤酒是酸性液體，能造成鐵的電化學(xué)腐蝕，啤酒發(fā)酵時產(chǎn)生的H2S、SO2對鐵材料會造成氧化還原腐蝕。當(dāng)前第13頁\共有100頁\編于星期六\2點3、冷卻夾套先進(jìn)的均采用換熱片式,一次性冷媒直接蒸發(fā)式換熱，(如氨蒸發(fā))。發(fā)酵罐內(nèi)的冷卻夾套一般分成三段，上段距發(fā)酵液面15cm向下排列，中段在筒體的下部距支撐裙座15cm向上排列，錐底段盡可能接近排酵母口，向上排列。當(dāng)前第14頁\共有100頁\編于星期六\2點4，隔熱層和防護層絕熱層材料應(yīng)具有：導(dǎo)熱系數(shù)低、體積質(zhì)量低、吸水小、不易燃等特性。啤酒絕熱層常用聚酰氨樹脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料。采用上述兩種絕熱材料只需厚度150-200mm。外防護層一般采用厚的合金鋁板或的不銹鋼板當(dāng)前第15頁\共有100頁\編于星期六\2點5、罐主要附件在上中下三段冷卻介質(zhì)進(jìn)口位置下裝智能型鉑溫度傳感器。在圓筒形下部裝可清洗取樣閥。在液面上150mm裝有CIP裝置。還應(yīng)裝上視鏡、燈鏡、空氣和二氧化碳排出管等裝置。錐底有直徑500mm的快開人孔。當(dāng)前第16頁\共有100頁\編于星期六\2點圓筒體錐底發(fā)酵罐的優(yōu)點加速發(fā)酵，發(fā)酵和傳統(tǒng)發(fā)酵相比，由于發(fā)酵基質(zhì)(麥汁)和酵母對流獲得強化，可加速發(fā)酵。廠房投資節(jié)省。冷耗節(jié)省。C.C.T發(fā)酵可依賴CIP自動程序清洗消毒，工藝衛(wèi)生更易得到保證。當(dāng)前第17頁\共有100頁\編于星期六\2點加強對流：①發(fā)酵罐底部產(chǎn)生CO2氣泡上升，對發(fā)酵液拖曳力大②在發(fā)酵階段，由于底部酵母細(xì)胞濃度大于罐上部，底部糖降快，酒精生成快，造成罐上、下部間密度差而造成對流。③在發(fā)酵時控制罐下部溫度高于上部(差1—2℃)，由于溫差引起熱對流，特別在發(fā)酵后期第一、二推動力減小后，溫差對流更能發(fā)揮作用。當(dāng)前第18頁\共有100頁\編于星期六\2點圓筒體錐底發(fā)酵罐的缺點由于罐體比較高，酵母沉降層厚度大，酵母泥使用代數(shù)一般比傳統(tǒng)低(只能使用5-6代)；貯酒時，澄清比較困難(特別在使用非凝聚性酵母)，過濾必須強化；若采用單釀發(fā)酵，罐壁溫度和罐中心溫度一致，一般要5-7d以上，短期貯酒不能保證溫度一致當(dāng)前第19頁\共有100頁\編于星期六\2點酒精發(fā)酵設(shè)備滿足酒精發(fā)酵的工藝要求

–滿足酒精酵母生長和代謝的必要工藝條件

–將發(fā)酵產(chǎn)生的熱量及時移走有利于發(fā)酵液的排出，設(shè)備的清洗、維修以及設(shè)備制造安裝方便等問題。當(dāng)前第20頁\共有100頁\編于星期六\2點酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)1、基本結(jié)構(gòu)酒精發(fā)酵罐筒體為圓柱形；底蓋和頂蓋均為碟形或錐形；罐頂裝有廢汽回收管，進(jìn)料管，按種管，壓力表、各種測量儀表接口管及供觀察清洗和檢修罐體內(nèi)部的人孔；罐底裝有排料口和排污口對于大型發(fā)酵罐，為了便于維修和清洗，往往在近罐底也裝有人孔；罐身上下部裝有取樣口和溫度計接口。當(dāng)前第21頁\共有100頁\編于星期六\2點2，發(fā)酵罐的冷卻裝置–中小型發(fā)酵罐：多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進(jìn)行膜狀冷卻；–大型發(fā)酵罐：由于罐外壁冷卻面積不能滿足冷卻要求，所以，罐內(nèi)裝有冷卻蛇管或罐內(nèi)蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻裝置。–此外，也有采用罐外列管式噴琳冷卻的方法，此法具有冷卻發(fā)酵液均勻、冷卻效率高等優(yōu)點。當(dāng)前第22頁\共有100頁\編于星期六\2點3、發(fā)酵罐的洗滌裝置大型酒精發(fā)酵罐采用水力噴射洗滌裝置當(dāng)前第23頁\共有100頁\編于星期六\2點好氧發(fā)酵設(shè)備

大多數(shù)的生化反應(yīng)都是需氧的，通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備是需氧生化反應(yīng)設(shè)備的核心和基礎(chǔ)。1

良好傳質(zhì)和傳熱性能，培養(yǎng)基流動與混合良好，特別是溶氧性能，供氧速率通常被認(rèn)為是在生物反應(yīng)器的選擇和設(shè)計的主要問題；2結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，防雜菌污染，是必須保證的條件；能耗低，運轉(zhuǎn)經(jīng)濟性好；

3必要的檢測與控制儀表；

4設(shè)備較簡單，方便維護檢修。當(dāng)前第24頁\共有100頁\編于星期六\2點通風(fēng)發(fā)酵罐的類型常用的通風(fēng)發(fā)酵罐有機械攪拌式氣升環(huán)流式自吸式鼓泡式等。其中機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐占主導(dǎo)地位。當(dāng)前第25頁\共有100頁\編于星期六\2點機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐在生物工程占了發(fā)酵罐總數(shù)的70％～80％。又常稱之為通用式發(fā)酵罐。這類發(fā)酵罐大多用于通風(fēng)發(fā)酵，靠通入的壓縮無菌空氣和攪拌葉輪實現(xiàn)發(fā)酵液的混合、促使氧在醪液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖，發(fā)酵所需要的氧氣。當(dāng)前第26頁\共有100頁\編于星期六\2點一、機械通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐的基本要求1、發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的高徑比（一般高度與直徑之比為1.7～4倍），罐身越長，氧氣的利用率越高。2、發(fā)酵罐能承受一定的壓力。由于發(fā)酵罐在滅菌和工作時，罐內(nèi)有一定的壓力和溫度，因此需要一定的強度。3、發(fā)酵罐的攪拌通風(fēng)裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧。當(dāng)前第27頁\共有100頁\編于星期六\2點一、機械通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐的基本要求4、發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。5、發(fā)酵罐應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底。6、攪拌器軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量減少泄漏。當(dāng)前第28頁\共有100頁\編于星期六\2點機械攪拌型發(fā)酵罐

主要組成部分有

罐體、控溫部分、攪拌部分、通氣部分、進(jìn)出料口、測量系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)等。當(dāng)前第29頁\共有100頁\編于星期六\2點二、機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)1、主要部件有罐體；攪拌器、擋板、傳動裝置、軸封；空氣分布器；消泡器；冷卻管（或夾套）；人孔、視鏡、各種接口等。當(dāng)前第30頁\共有100頁\編于星期六\2點2．發(fā)酵罐的部分部件（1）罐體結(jié)構(gòu)：圓柱體和橢圓封頭或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼。剛度和強度：受壓容器，空消或?qū)嵪ǔ缇膲毫?.5Kgf/cm3。小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接。頂部設(shè)有清洗用的手孔。當(dāng)前第31頁\共有100頁\編于星期六\2點封頭、封底橢圓形封頭（底蓋）碟形封頭（底蓋）當(dāng)前第32頁\共有100頁\編于星期六\2點接管罐頂：進(jìn)料管，補料管，排氣管和壓力表管等。罐底：出料管，進(jìn)氣管等。罐身：冷卻水進(jìn)出管，進(jìn)空氣管，溫度計管和測控儀表接口。當(dāng)前第33頁\共有100頁\編于星期六\2點(2)攪拌器（1）攪拌器的主要作用：混合和傳質(zhì)溶氧：使通入的空氣分散成小氣泡并與發(fā)酵液充分混合，使氣泡細(xì)碎以增大氣一液界面，獲得所需要的溶氧速率，并使生物細(xì)胞懸浮分散于發(fā)酵體系中，以維持適當(dāng)?shù)臍庖灰阂还蹋?xì)胞）三相的混合與質(zhì)量傳遞；有利于熱量傳遞；加強氣液之間的湍動，增加氣液接觸面積及延長氣液接觸時間。當(dāng)前第34頁\共有100頁\編于星期六\2點攪拌器的結(jié)構(gòu)與類型：

實現(xiàn)上述目的，攪拌器的設(shè)計應(yīng)使發(fā)酵液有足夠的徑向流動和適度的軸向運動。發(fā)酵罐采用的攪拌器主要有徑向流攪拌器、軸向流攪拌器和組合式攪拌器。當(dāng)前第35頁\共有100頁\編于星期六\2點Rushton渦輪是最典型的徑向流攪拌器，其結(jié)構(gòu)簡單，通常由一個圓盤上面帶六個直葉葉片，也稱為六直葉圓盤渦輪。設(shè)置圓盤的目的是為了防止氣體未經(jīng)分散直接從軸周圍溢出液面。①徑向流攪拌器當(dāng)前第36頁\共有100頁\編于星期六\2點大型發(fā)酵罐攪拌裝置攪拌槳冷卻管攪拌電機上封頭當(dāng)前第37頁\共有100頁\編于星期六\2點①徑向流攪拌器隨著發(fā)酵規(guī)模的擴大，這種結(jié)構(gòu)并不是適用于氣－液分散的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。Smith等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用六直葉圓盤渦輪式攪拌器把氣體分散于低黏流體時，在每片漿葉的背面都有一對高速轉(zhuǎn)動的漩渦，漩渦內(nèi)負(fù)壓較大，從葉片下部供給的氣體立即被卷入漩渦，形成氣體充填的空穴（稱為氣穴），氣穴的存在會影響發(fā)酵罐內(nèi)的氣－液傳質(zhì)能力。當(dāng)前第38頁\共有100頁\編于星期六\2點影響氣－液傳質(zhì)能力的原因：因為氣體不是直接被攪拌器剪碎而分散的，而是首先在漿葉的背面形成穩(wěn)定的氣穴，而后氣穴在尾部破裂，這些小氣泡在離心力的作用下被甩出而分散至液體內(nèi)。氣穴的存在使得Rushton渦輪的效率降低，特別在高氣速下，有時整個攪拌器被氣穴包圍，攪拌器近似空轉(zhuǎn)，效率很低，氣體穿過攪拌器直接上升到液面。當(dāng)前第39頁\共有100頁\編于星期六\2點彎曲葉片彎曲葉片的優(yōu)點：①使其背面的漩渦減小，抑制葉片后方形成氣穴，提高載氣能力；②改善了分散和傳質(zhì)能力。當(dāng)前第40頁\共有100頁\編于星期六\2點彎曲非對稱葉片1998，Bakker提出上面葉片略長于下面葉片，避免了氣體過早的從葉輪區(qū)域上升逃逸；采用拋物線設(shè)計，能明顯減少葉片后方氣穴。當(dāng)前第41頁\共有100頁\編于星期六\2點②軸向流攪拌器徑向流攪拌器對氣體分散的能力較強，但其作用的范圍較小。隨著發(fā)酵規(guī)模的不斷擴大，其缺點也越發(fā)明顯。尤其對于要求整罐混勻好，剪切性能溫和的過程，徑向流攪拌器往往無能為力。當(dāng)前第42頁\共有100頁\編于星期六\2點②軸向流攪拌器A315攪拌器特別適合于氣－液傳質(zhì)過程。與Rushton渦輪相比，持氣量高80％，氣體分散量提高4倍，產(chǎn)量提高10％～50％，剪切力僅為Rushton渦輪的25％。3.LightninA－315式

當(dāng)前第43頁\共有100頁\編于星期六\2點③組合式攪拌器在生物反應(yīng)器中，將徑向流攪拌器和軸向流攪拌器組合使用，就可利用徑向流攪拌器強化小范圍的主體對流擴散和渦流擴散，實現(xiàn)小范圍的充分氣－液混合，然后再依靠軸向流攪拌器的主體對流實現(xiàn)大范圍的氣－液混合；對于組合式，根據(jù)發(fā)酵罐一般是下部通氣的特點，下層攪拌器選擇徑向流攪拌器，上層攪拌器選擇軸向流攪拌器。當(dāng)前第44頁\共有100頁\編于星期六\2點擋板的作用：阻止液面中央部分產(chǎn)生下凹的旋渦，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。擋板寬度一般為（0.1～0.2）D，裝設(shè)4～6塊即可滿足全擋板條件。全擋板條件：在一定轉(zhuǎn)數(shù)下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。達(dá)到全擋板條件的要求，須滿足：

（3）擋板當(dāng)前第45頁\共有100頁\編于星期六\2點當(dāng)前第46頁\共有100頁\編于星期六\2點(4)軸封軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。常用的軸封有填料函和端面軸封兩種。當(dāng)前第47頁\共有100頁\編于星期六\2點

填料函式軸封由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。填料室的寬度可根據(jù)軸的直徑?jīng)Q定。

當(dāng)前第48頁\共有100頁\編于星期六\2點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單缺點：①死角多，很難徹底滅菌，易滲漏和染菌②軸的磨損較嚴(yán)重③填料壓緊后摩擦功率消耗大④壽命短當(dāng)前第49頁\共有100頁\編于星期六\2點端面式軸封

優(yōu)點清潔密封可靠。無死角。使用壽命長。摩擦功率耗損小。軸或軸套不受磨損。對軸的精度和光潔度沒有填料函要求嚴(yán)格，對軸的震動敏感性小。當(dāng)前第50頁\共有100頁\編于星期六\2點缺點

結(jié)構(gòu)比填料函復(fù)雜，裝拆不便，對動環(huán)和靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高，否則易泄漏。當(dāng)前第51頁\共有100頁\編于星期六\2點(5)空氣分布裝置

作用：吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。(a)單管式分布裝置：

管口正對罐底中央，與罐底的距離約40mm，這樣的空氣分散效果較好。(b)環(huán)形管分布裝置：以環(huán)徑為攪拌器直徑的0.8倍較有效，噴孔直徑為φ5～8mm，噴孔向下，噴孔的總截面積約等于通風(fēng)管的截面積。當(dāng)前第52頁\共有100頁\編于星期六\2點(6)消泡裝置

起泡原因：發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)，故在通風(fēng)、攪拌時產(chǎn)生氣泡物質(zhì)。危害：減少裝料系數(shù)、料液外溢（隨排風(fēng)、各接口、軸封等），并易引起染菌消泡方法：加入化學(xué)消泡劑；使用機械消泡裝置。通常，是把上述兩種方法聯(lián)合使用。最簡單實用的消泡裝置為耙式消泡器，可直接安裝在上攪拌的軸上，消泡耙齒底部應(yīng)比發(fā)酵液面高出適當(dāng)高度。當(dāng)前第53頁\共有100頁\編于星期六\2點耙式消泡器結(jié)構(gòu)當(dāng)前第54頁\共有100頁\編于星期六\2點當(dāng)前第55頁\共有100頁\編于星期六\2點(7)傳熱裝置排除發(fā)酵過程中由于生物氧化作用及機械攪拌產(chǎn)生的熱量的裝置當(dāng)前第56頁\共有100頁\編于星期六\2點發(fā)酵換熱裝置的形式1.夾套式換熱裝置多用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐。一般小于5m3，夾套的高度比靜止液面高度較高即可，約高50-100mm。夾套的寬度對于不同直徑的發(fā)酵有不同的尺寸，一般為50-200mm。當(dāng)前第57頁\共有100頁\編于星期六\2點優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單加工容易罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行滅菌工作，有利于發(fā)酵。缺點是傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效果差，傳熱系數(shù)400～600KJ/(m2·h·℃)當(dāng)前第58頁\共有100頁\編于星期六\2點豎式蛇管換熱裝置豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，有四組、六組或八組。5m3以上的發(fā)酵罐多采用優(yōu)點：冷卻水在管內(nèi)的流速較快，傳熱系數(shù)高。約為1200～2000KJ/(m2·h·℃)缺點：彎曲部位容易被腐蝕，增加培養(yǎng)液中金屬離子的濃度，腐蝕而形成穿孔，引起污染。當(dāng)前第59頁\共有100頁\編于星期六\2點

當(dāng)前第60頁\共有100頁\編于星期六\2點Ⅳ氣升環(huán)流式發(fā)酵罐（ALR）1、混合原理：利用通入反應(yīng)器內(nèi)的空氣上升時的動力來帶動發(fā)酵液的運動，從而達(dá)到混合的目的。即：把具有一定壓力和流速無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進(jìn)發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。當(dāng)前第61頁\共有100頁\編于星期六\2點

2、結(jié)構(gòu)類型：

外循環(huán)與內(nèi)循環(huán)氣升式發(fā)酵罐環(huán)流管的布置可以裝在罐外，稱為外循環(huán)也可裝在罐內(nèi)，稱為內(nèi)循環(huán)。當(dāng)前第62頁\共有100頁\編于星期六\2點1.人孔；2.視鏡；3.空氣管；4.上升管；5.冷卻器；6.單向閥門；7.空氣噴嘴；8.帶升管；9.罐體當(dāng)前第63頁\共有100頁\編于星期六\2點氣升式發(fā)酵罐優(yōu)缺點優(yōu)點1、結(jié)構(gòu)簡單，冷卻面積小；2、無攪拌傳動設(shè)備，節(jié)約動力約50％，節(jié)約鋼材；3、操作無噪音；4、料液可充滿達(dá)80～90％；5、維修、操作及清洗簡便，減少雜菌感染。應(yīng)用酵母的生產(chǎn)、單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)和細(xì)胞培養(yǎng)酶制劑等的發(fā)酵生產(chǎn)。

當(dāng)前第64頁\共有100頁\編于星期六\2點

4、適用范圍：對生物細(xì)胞損傷小。適合于動植物細(xì)胞培養(yǎng)適合于固形物含量低、黏度小、需氧量低的微生物培養(yǎng)和發(fā)酵過程。

但不適合固形物含量高、黏度大、需氧量高的微生物培養(yǎng)和發(fā)酵過程。目前世界上最大型的通氣發(fā)酵罐就是氣升環(huán)流式的，體積高達(dá)3000多立方米。當(dāng)前第65頁\共有100頁\編于星期六\2點Ⅴ自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機提供加壓空氣，而依靠特設(shè)的機械攪拌吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置吸入無菌空氣并同時實現(xiàn)混合攪拌與溶氧傳質(zhì)的發(fā)酵罐。自20世紀(jì)60年代開始?xì)W洲和美國展開研究開發(fā)，然后在國際和國內(nèi)的酵母及單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、醋酸發(fā)酵及維生素生產(chǎn)等獲得應(yīng)用。當(dāng)前第66頁\共有100頁\編于星期六\2點種類機械攪拌自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐溢流噴射自吸式發(fā)酵罐當(dāng)前第67頁\共有100頁\編于星期六\2點機械攪拌自吸式發(fā)酵罐不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。開始于1960s，通風(fēng)裝置由轉(zhuǎn)子和定子組成。當(dāng)前第68頁\共有100頁\編于星期六\2點

1、結(jié)構(gòu)構(gòu)成1.人孔2.進(jìn)風(fēng)管3.軸封4.轉(zhuǎn)子5.電機6.聯(lián)軸器7.軸封8.攪拌軸9.定子10.冷卻蛇管11.消泡器12.排氣管13.消泡轉(zhuǎn)軸當(dāng)前第69頁\共有100頁\編于星期六\2點2、主要部件自吸裝置：由轉(zhuǎn)子和定子組成。轉(zhuǎn)子（葉輪）形式有：三葉輪、四彎葉輪、六葉輪等形式。常見的為三葉輪和四彎葉輪。葉輪都是空心體，葉輪直徑為罐直徑的1/3到1/15。當(dāng)前第70頁\共有100頁\編于星期六\2點吸氣機理在轉(zhuǎn)子啟動前，先用液體將轉(zhuǎn)子浸沒，然后啟動電動機使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，液體、空氣在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣。轉(zhuǎn)子葉輪中心形成負(fù)壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速愈大，所造成的負(fù)壓也愈大。轉(zhuǎn)子的空腔用管子與大氣相通，空氣不斷的被吸入，甩向葉輪的外緣，通過導(dǎo)輪而使氣流均勻甩出。轉(zhuǎn)子攪拌使氣液在轉(zhuǎn)子的周圍形成強烈的混合流，使空氣不斷分裂成細(xì)微的氣泡，并在湍流狀態(tài)下混合、翻騰、擴散到整個罐中。自吸式通風(fēng)裝置在攪拌的同時，完成了吸氣作用。當(dāng)前第71頁\共有100頁\編于星期六\2點噴射自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐是利用泵使發(fā)酵液通過文氏管噴射吸氣裝置進(jìn)行混合通氣的，既不用空壓機，又不用機械攪拌吸氣轉(zhuǎn)子。當(dāng)前第72頁\共有100頁\編于星期六\2點

文氏管自吸式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)利用泵使發(fā)酵液通過文氏管吸氣裝置，液體在收縮管段加速，形成真空，吸入空氣，氣泡分散于液體混合。當(dāng)前第73頁\共有100頁\編于星期六\2點文氏吸氣管結(jié)構(gòu)當(dāng)前第74頁\共有100頁\編于星期六\2點自吸式發(fā)酵罐的優(yōu)點不必配備空氣壓縮機及其附屬設(shè)備，節(jié)約設(shè)備投資30%以上，減少廠房面積。溶氧速率高，溶氧效率高、能耗較低。用于酵母生產(chǎn)和醋酸發(fā)酵具有生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟效益高的優(yōu)點。當(dāng)前第75頁\共有100頁\編于星期六\2點裝料系數(shù)低，約40%左右。易染菌，需高效過濾系統(tǒng)。攪拌轉(zhuǎn)速高，對于長菌絲的微生物的菌絲，攪拌的剪切力會產(chǎn)生不利影響（機械攪拌自吸式）。吸程（即液面與吸氣轉(zhuǎn)子距離）一般不高，需要采用低阻力高效率空氣除菌裝置。自吸式發(fā)酵罐的缺點當(dāng)前第76頁\共有100頁\編于星期六\2點改進(jìn)：為克服上述缺點，可采用自吸氣與鼓風(fēng)相合的鼓風(fēng)自吸式發(fā)酵系統(tǒng)，即在過濾器前加裝一臺鼓風(fēng)機，適當(dāng)維持無菌空氣的正壓。當(dāng)前第77頁\共有100頁\編于星期六\2點固態(tài)培養(yǎng)設(shè)備一、概述：固態(tài)發(fā)酵、固態(tài)反應(yīng)器二、機械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備當(dāng)前第78頁\共有100頁\編于星期六\2點一、概述：固態(tài)發(fā)酵、固態(tài)反應(yīng)器1、固態(tài)發(fā)酵固態(tài)發(fā)酵是微生物在沒有或基本沒有游離水的固態(tài)基質(zhì)上的發(fā)酵方式。用于固態(tài)發(fā)酵的反應(yīng)器稱為固態(tài)反應(yīng)器。當(dāng)前第79頁\共有100頁\編于星期六\2點2、固態(tài)反應(yīng)器的歷史和現(xiàn)狀歷史古老：

幾千年前，中國就利用這項技術(shù)釀酒和制造各種調(diào)味品，通風(fēng)固相發(fā)酵工藝是傳統(tǒng)的發(fā)酵生產(chǎn)工藝，廣泛應(yīng)用于醬油與釀酒生產(chǎn)。發(fā)展與問題：

現(xiàn)代的固態(tài)發(fā)酵不僅用于改善食品的風(fēng)味，更主要的是用于酶制劑、單細(xì)胞蛋白、有機酸、酒精、生物殺蟲劑等的生產(chǎn)。當(dāng)前第80頁\共有100頁\編于星期六\2點3、固態(tài)發(fā)酵具有以下特點：①培養(yǎng)基處理簡單：

使用的原料不必經(jīng)過復(fù)雜的加工，發(fā)酵過程中糖化與發(fā)酵同步進(jìn)行，簡化了操作程序、節(jié)約了能量；②生長環(huán)境更近自然：

可使微生物保持自然環(huán)境中的生長存在狀態(tài)，模擬自然中的生長環(huán)境，是許多絲狀真菌適宜采用固體發(fā)酵的原因之一；③適用于特殊微生物代謝和產(chǎn)物積累：

對于纖維素酶、果膠酶、白僵菌、綠僵菌、蘇云金芽孢桿菌、真菌毒素、脫落酸等，固態(tài)發(fā)酵的產(chǎn)率比液體深層發(fā)酵高得多；乃至像白僵菌、綠僵菌等的分生孢子，不能在液體中繁殖，只能用固態(tài)發(fā)酵方法生產(chǎn)。當(dāng)前第81頁\共有100頁\編于星期六\2點固態(tài)發(fā)酵具有以下特點：（4）發(fā)酵供氧費用低：

在需要大量供氧的發(fā)酵過程中，壓縮空氣通過固體層的阻力較小，因而能量消耗也較??；（5）發(fā)酵產(chǎn)物復(fù)雜、風(fēng)味獨特：

由于存在明顯的氣、液、固三相界面，可以得到液體發(fā)酵難于得到的產(chǎn)物，如傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵釀酒工藝可以具有獨特的風(fēng)味；（6）發(fā)酵后處理簡單，有機廢水少：

許多產(chǎn)品可直接烘干而無須提取，產(chǎn)品易于儲藏，運輸，穩(wěn)定性好。當(dāng)前第82頁\共有100頁\編于星期六\2點新型固態(tài)發(fā)酵是生化工程研究的方向：

鑒于上述優(yōu)點，以及現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展方向是高濃度、高黏度發(fā)酵過程，而高濃的、高黏度的極限就是固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)。但是發(fā)酵過程中氧的濃度梯度很大，在高需氧量時可能成為制約發(fā)酵效率的一個重要因素。由此，影響固態(tài)發(fā)酵技術(shù)關(guān)鍵是固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。

當(dāng)前第83頁\共有100頁\編于星期六\2點4、對固體發(fā)酵反應(yīng)器的要求要求：（1）良好的攪拌、通氣、無菌操作；（2）良好的傳熱：散熱、冷卻，包括氣-固、氣-液、液-固等形式傳質(zhì)傳熱（3）保溫保濕：（4）參數(shù)檢測：溫度、pH、供氧等檢測（5）物料輸送：有效輸送當(dāng)前第84頁\共有100頁\編于星期六\2點機械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備

l.輸送帶2.高位料斗3.送料小車4.曲料室

5.進(jìn)出料機6.料斗7.輸送帶8.鼓風(fēng)機9.空調(diào)室10.循環(huán)風(fēng)道11.曲室閘門當(dāng)前第85頁\共有100頁\編于星期六\2點優(yōu)點：

機械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備使用了機械通風(fēng)即鼓風(fēng)機，因而強化了發(fā)酵系統(tǒng)的通風(fēng)，使曲層厚度大大增加。

不僅使制曲生產(chǎn)效率大大提高，而且便于控制曲層發(fā)酵溫度，提高了曲的質(zhì)量。當(dāng)前第86頁\共有100頁\編于星期六\2點動植物細(xì)胞反應(yīng)器動物細(xì)胞反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)是指在體外條件下使動物細(xì)胞增殖的技術(shù)。此時細(xì)胞雖然生長與增多，但不再形成組織。動物細(xì)胞作為生物催化劑，可用于大規(guī)模生產(chǎn)具有重要價值的生物活性物質(zhì)，包括疫苗、診斷試劑、干擾素、單克隆抗體和其他生物制品。多數(shù)動物細(xì)胞過程表達(dá)的目標(biāo)蛋白質(zhì)分泌至培養(yǎng)液中，因此下游產(chǎn)品純化過程比較簡單。動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)為生物工程產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了一條重要的途徑。當(dāng)前第87頁\共有100頁\編于星期六\2點動物細(xì)胞培養(yǎng)的特點（1）動物細(xì)胞是沒有細(xì)胞壁的，受剪切力而破壞；而且大多數(shù)哺乳動物細(xì)胞需要附著在固體或半固體表面上才能生長；（2）動物細(xì)胞對培養(yǎng)基的營養(yǎng)要求相當(dāng)苛刻，要求含有多種氨基酸、維生素、無機鹽、血清等物料；（3）對培養(yǎng)環(huán)境條件十分敏感，對溫度、pH值、溶氧濃度等條件都比微生物培養(yǎng)要嚴(yán)格得多。（4）動物細(xì)胞的生長要比微生物細(xì)胞緩慢得多，一般只有在高細(xì)胞密度條件下，才能得到一定濃度的產(chǎn)物。（5）由于動物細(xì)胞培養(yǎng)所需時間要比微生物細(xì)胞長，又非常容易染菌，因此需要有嚴(yán)格的防污染措施。當(dāng)前第88頁\共有100頁\編于星期六\2點當(dāng)前第89頁\共有100頁\編于星期六\2點動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)

體外培養(yǎng)的動物細(xì)胞分為兩種類型。一種是非貼壁依賴型細(xì)胞。另一種動物細(xì)胞為貼壁依賴型細(xì)胞，大多數(shù)動物細(xì)胞屬于貼壁依賴型細(xì)胞。（1）懸浮培養(yǎng)懸浮培養(yǎng)過程中細(xì)胞以單細(xì)胞或細(xì)胞聚集體的形式懸浮于培養(yǎng)基中增殖，這與微生物發(fā)酵過程差別較小。（2）貼壁培養(yǎng)貼壁依賴型細(xì)胞在培養(yǎng)過程中黏附在固體吸附介質(zhì)上。當(dāng)細(xì)胞貼附于固體表面后，原來是圓形的細(xì)胞一經(jīng)貼壁就迅速鋪展，然后開始有絲分裂，并很快進(jìn)入對數(shù)生長期，一般在數(shù)天后鋪滿生長表面，形成致密的細(xì)胞單層。當(dāng)前第90頁\共有100頁\編于星期六\2點（3）微載體技術(shù)細(xì)胞貼附于微載體上懸浮于培養(yǎng)基中，在微載體上逐漸生長成細(xì)胞單層，生長表面積較大，可實現(xiàn)細(xì)胞的高密度培養(yǎng)。并且由于細(xì)胞的生長環(huán)境均一，有利于對影響細(xì)胞的環(huán)境因素的檢測與控制。微載體技術(shù)使細(xì)胞培養(yǎng)過程的培養(yǎng)基利用率高，采樣重復(fù)性高，細(xì)胞收獲和下游加工過程方便，過程放大容易，勞動強度小，占用空間小。影響微載體培養(yǎng)的因素有微載體濃度、細(xì)胞接種濃度和攪拌速度等。當(dāng)前第91頁\共有100頁\編于星期六\2點植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器

由于單個植物細(xì)胞具有整個植物的全部特性，其代謝過程能生成有很高藥用價值的次生代謝物，植物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)逐漸受到重視。但利用植物細(xì)胞培養(yǎng)的物質(zhì)，一般僅限于那些難于化學(xué)合成無法用微生物合成和附加值很高的物質(zhì)。當(dāng)前第92頁\共有100頁\編于星期六\2點1植物細(xì)胞培養(yǎng)的特點①植物細(xì)胞的大小約為10～100μm，有纖維素細(xì)胞壁，細(xì)胞耐拉不耐扭，抵抗流體剪切力的能力較差；②培養(yǎng)過程生長速度緩慢，如生長最快的煙草細(xì)胞的倍增時間為0.65天，而木本植物細(xì)胞的倍增時間高達(dá)2～10天，根、莖和葉分化的器官培養(yǎng)的倍增時間為10天以上；③