发酵设备与反应器培训教材.ppt

发酵设备与反应器,发酵设备与反应器,生物反应器的分类 发酵罐的放大,生物反应器的分类,酶催化反应器 细胞生物反应器,按所用的生物催化剂的不同分,生物反应器的分类,按反应器结构特征分 釜式、管式、塔式、膜式等类型,生物反应器的分类,根据细胞或组织的代谢要求 厌氧生物反应器 好氧生物反应器 光照生物反应器 膜生物反应器,厌氧发酵罐,用于酒精、啤酒、丙酮丁醇等嫌气发酵产品的生产，由于发酵过程中不需供氧，所以设备结构比较简单。嫌气生物反应器也已趋向大容量发展，并实现了自动清洗。,好氧发酵罐,机械搅拌型发酵罐 气升式发酵罐 机械搅拌自吸式发酵罐,机械搅拌型发酵罐,主要组成部分有 壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等。,机械搅拌型发酵罐,目前使用最多的一种发酵罐 优点：使用性好、适应性强、放大容易，从小型到中型直至大型的微生物培养过程都可以应用。 缺点：罐内的机械搅拌切力容易损伤嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。,气升式发酵罐,在环流管底置有空气喷嘴，空气在喷嘴口以250-300m/s的高速喷入环流管，由于喷射作用，气泡被分散于液体中，借助与环流管内气液混合物的密度与反应主体之间的密度差，使管内气一液混合物连续循环流动。,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。,机械搅拌自吸式发酵罐,不需空气压缩机提供压缩空气，而是利用搅拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气。 它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内，并与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分散在液体之中，气液混合流体通过导轮流到发酵液主体。,机械搅拌自吸式发酵罐,优点：省去了空气系统，气体分布均匀。 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。,发酵罐的放大,微生物培养过程研究的三个阶段 工业发酵过程的研究，一般分为三种规模或三个阶段：实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究；中试生产规模，确定菌种培养的最佳操作条件；工厂生产规模，进行大规模生产，取得经济效益的过程。,发酵罐的放大,必须使大、小规模实验中的菌体所处的外界环境能保持完全一致。 将实验室和中间试验车间试验所取得的结果，应用到工业性大规模生产中去。这种转移的过程，叫做放大,发酵罐的放大,生物发酵罐的放大的目标：就是要使大型生物发酵罐的性能与小型发酵罐接近，从而使大型发酵罐的生产效率与小型生产设备发酵罐相似。,发酵过程的控制,发酵的生产水平高低除了取决于生产菌本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺等的影响。只有深入了解生产菌种在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求，掌握菌种在发酵 过程中的代谢变化规律，有效控制，以使生产菌种能始终处于生长和产物合成的优化环境之中，从而最大限度地发挥生产菌种的合成产物的能力，进而了取得最大的经济效益。,发酵过程的控制,温度的影响及其控制,温度对微生物生长的影响 温度对发酵代谢产物的影响 影响发酵温度的因素 最适温度的选择,温度对微生物生长的影响,不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0260C生长，嗜温菌适应于15430C生长，嗜热菌适应于37650C生长，嗜高温菌适应于650C以上生长,温度对发酵代谢产物的影响,影响微生物细胞内的酶反应 可以改变培养液的物理性质 影响到微生物细胞的生物合成方向 对于同一微生物细胞， 细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往是不同,温度影响发酵方向,四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于300C时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到350C时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。,细胞生长和代谢产物积累的最适温度,例如，青霉素产生菌的生长最适温度为30度，而产生青霉素的最适温度为25度；黑曲酶的最适生长温度为37度，而产生糖化酶和柠檬酸的最适温度都是32-34度；谷氨酸生产菌生长的最适温度30-32度，而代谢产生谷氨酸的最适温度却在34-37度。,影响发酵温度的因素,产热因素：生物热 搅拌热 散热因素：蒸发热 辐射热,发酵热,发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。 发酵热=产热因素-散热因素 发酵热=生物热+搅拌热-蒸发热-辐射热 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发- Q辐射,生物热（ Q生物）,在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。,生物热（ Q生物）,好氧： 287.2千焦耳热量， 183千焦耳高能化合物 63.7 104.2千焦以热的形式释放,厌氧： 22.6千焦耳热量， 9.6千焦耳高能化合物（42.6） 13千焦以热的形式释放,微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水,生物热（ Q生物）,培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性，生物的大小与呼吸作用强弱有关 在培养初期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。 对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。 培养后期，已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。,生物热（ Q生物）,如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。 如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌 此外培养基营养越丰富，生物热也越大。,搅拌热（Q搅拌）,在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关,蒸发热（Q蒸发）,空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。,辐射热（Q辐射）,发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5。,发酵热的测定,（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，,发酵热的测定,（2）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率S，按下式可求得发酵热：,发酵热的测定,（）根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。 因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。 H（H）反应物（H）产物,最适温度的选择,根据菌种选择 根据生长阶段选择 根据培养条件选择 根据菌生长情况,根据菌种选择,微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为370C， 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30320C， 青霉菌生长温度为300C。,根据生长阶段选择,在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速； 在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。 发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。,根据生长阶段选择,如四环素生长阶段280C，合成期260C,后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖化酶32340C。 但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长30320C，产酸34370C。 最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。,根据培养条件选择,通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。,根据菌生长情况,菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。 总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。,发酵过程的pH控制,pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，所以是十分重要的参数。 发酵过程中pH是不断变化的，通过观察pH变化规律可以了解发酵的正常与否,发酵过程的pH控制,发酵过程pH变化的原因 pH对发酵的影响 pH的控制,发酵过程pH变化的原因,1、基质代谢,（1）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一 （2）氮代谢 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。 （3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降,发酵过程pH变化的原因,2、产物形成,某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。,发酵过程pH变化的原因,3、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。,pH对发酵的影响,不同的微生物对PH值的要求也是不同的。每种微生物都有自己的生长最适的和耐受的PH值。,pH对发酵的影响,PH值不仅影响到微生物的生长繁殖，还会影响到代谢产物的形成。对于同一种微生物，由于PH值的不同，形成的发酵产物也会不同。,pH对发酵的影响,微生物生长的最适PH值和发酵产物形成的最适PH值往往是不同的。,pH对发酵的影响,pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻,pH对发酵的影响,pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行,pH对发酵的影响,pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用,pH的控制,调节基础培养基的配方 调节碳氮比（C/N） 添加缓冲剂 补料控制 直接加酸加碱 补加碳源或氮源,补料的方法可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH和改变培养液的性质（如粘度）等几种目的。,泡沫的性质,泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。 发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。,泡沫的类型,一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。 另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。,泡沫产生的原因,由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）； 发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。,泡沫对发酵的不利影响,降低发酵设备的利用率 增加了菌群的非均一性 增加了染菌的机会 导致产物的损失 消泡剂会给后提取工序带来困难,发酵过程泡沫控制的方法,物理消沫法 化学消沫法,物理消泡法,方法 罐内消沫法： 罐外消沫法： 原理 靠机械力引起强烈振动或者压力变化