第八章生化反应设备

1、第八章第八章 生化反应设备生化反应设备 第一节第一节 发酵罐发酵罐 第二节第二节 生化反应设备生化反应设备一一 发酵罐的定义发酵罐的定义 二二 发酵罐的种类发酵罐的种类三三 几种好氧发酵罐的结构及其特点几种好氧发酵罐的结构及其特点 是发酵生产中最主要的设备是发酵生产中最主要的设备, ,是按照发酵过程的是按照发酵过程的工艺要求工艺要求, ,保证和控制各种生化反应条件保证和控制各种生化反应条件(t,p,o(t,p,o2 2, ,防止杂菌污染防止杂菌污染),),以促进微生物的新陈代谢以促进微生物的新陈代谢, ,使之使之能在低消耗下获得较高的产量的一种设备。能在低消耗下获得较高的产量的一种设备。 注意

2、：注意：由于发酵时采用的菌种不同、产物不由于发酵时采用的菌种不同、产物不同或发酵类型不同，培养或发酵条件也就各不相同或发酵类型不同，培养或发酵条件也就各不相同。因此，需要根据发酵过程的特点和要求来设同。因此，需要根据发酵过程的特点和要求来设计和选择不同结构和形式的发酵罐。计和选择不同结构和形式的发酵罐。微生物有好氧和厌氧两大类，培养这两大类微微生物有好氧和厌氧两大类，培养这两大类微生物的发酵罐有很大的区别。相应地发酵罐可生物的发酵罐有很大的区别。相应地发酵罐可分为以下两种：分为以下两种：1 好氧发酵罐好氧发酵罐： 氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白

3、均由此方法制得。在生产过程中需通入无蛋白均由此方法制得。在生产过程中需通入无菌空气，因此其设备的结构要比厌氧发酵复杂菌空气，因此其设备的结构要比厌氧发酵复杂些。些。生产上根据发酵罐通风和搅拌方式的不同可将生产上根据发酵罐通风和搅拌方式的不同可将其其分为四类分为四类：机械搅拌式通风发酵罐、自吸式：机械搅拌式通风发酵罐、自吸式发酵罐、气升式发酵罐和塔式发酵罐发酵罐、气升式发酵罐和塔式发酵罐 2 厌氧发酵罐厌氧发酵罐 厌氧发酵也称静止培养，因其不需供氧，所以设厌氧发酵也称静止培养，因其不需供氧，所以设备和工艺都较好氧发酵简单。严格的厌氧液体深备和工艺都较好氧发酵简单。严格的厌氧液体深层发酵的主要特色

4、是排除发酵罐中的氧。罐内的层发酵的主要特色是排除发酵罐中的氧。罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层气相的影响，发酵液应尽量装满，以便减少上层气相的影响，有时还需充人非氧气体。发酵罐的排气口要安装有时还需充人非氧气体。发酵罐的排气口要安装水封装置，培养基应预先还原。水封装置，培养基应预先还原。 （本章重点讲述好氧发酵罐）（本章重点讲述好氧发酵罐）一一 通用机械通用机械搅拌搅拌通风通风发酵罐发酵罐 （一）（一）结构结构 主要由罐体、控温部分、搅拌部分、通气部分、主要由罐体、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组成。分别介进出料口、测量系统和附属系统等组成。分别介绍绍各个部件

5、的作用及其工作原理各个部件的作用及其工作原理，如下：，如下：通用式发酵罐通用式发酵罐是指既具有机械搅拌又有压缩空气分是指既具有机械搅拌又有压缩空气分布装置的发酵罐。由于这种型式的罐是目前大多数布装置的发酵罐。由于这种型式的罐是目前大多数发酵工厂最常用的，所以称为发酵工厂最常用的，所以称为通用式通用式。其容积可。其容积可自自20 l200 l，有的甚至可，有的甚至可500-50000 l。 1 罐体罐体：为整个发酵过程提供一个密封的环境，防止杂菌：为整个发酵过程提供一个密封的环境，防止杂菌污染；同时为了能在一定压力下进行高温灭菌，要求罐体污染；同时为了能在一定压力下进行高温灭菌，要求罐体承受的压

6、力至少在承受的压力至少在0。3mpa以上。以上。 2 控温部分控温部分：保证发酵过程在恒温条件下进行，并将生物：保证发酵过程在恒温条件下进行，并将生物氧化和机械搅拌产生的热量及时除去。一般的发酵罐上通氧化和机械搅拌产生的热量及时除去。一般的发酵罐上通常装有测温的传感器及冷却和加热用的夹套或盘管。容积常装有测温的传感器及冷却和加热用的夹套或盘管。容积小于小于50000l的发酵罐一般采用外夹套作为传热装置；容的发酵罐一般采用外夹套作为传热装置；容积大于积大于50000l的发酵罐则采用立式蛇管作为传热装置的发酵罐则采用立式蛇管作为传热装置 3 搅拌部分搅拌部分: 是该设备的重要组成部分。它是由安装在

7、一是该设备的重要组成部分。它是由安装在一根轴上的多个涡轮式搅拌浆组成的，它可以使被搅拌的物根轴上的多个涡轮式搅拌浆组成的，它可以使被搅拌的物料产生轴向和径向流动，从而使罐内物料混合良好，液体料产生轴向和径向流动，从而使罐内物料混合良好，液体中的固形物保持悬浮状态，有利于固体和营养物质充分接中的固形物保持悬浮状态，有利于固体和营养物质充分接触，便于营养吸收；另一方面，可以打碎气泡，增加气液触，便于营养吸收；另一方面，可以打碎气泡，增加气液接触面积，提高气液间的传质速率，加强氧的传递效果及接触面积，提高气液间的传质速率，加强氧的传递效果及消除泡沫。消除泡沫。 另外另外，由于搅拌器在搅拌过程中使培养

8、液产生漩，由于搅拌器在搅拌过程中使培养液产生漩涡，因此可以在发酵罐的壁面上安装适当宽度及涡，因此可以在发酵罐的壁面上安装适当宽度及数量的挡板，使沿罐壁旋转流动的液体折向中心，数量的挡板，使沿罐壁旋转流动的液体折向中心，达到消除漩涡的目的；还可以使接近罐壁的液体达到消除漩涡的目的；还可以使接近罐壁的液体的剪切速度增加，有利于物料混合均匀。但需要的剪切速度增加，有利于物料混合均匀。但需要注意的是，挡板和罐壁之间应有一定的空隙，以注意的是，挡板和罐壁之间应有一定的空隙，以免出现死角并积垢。免出现死角并积垢。4 通气部分通气部分: 是从罐的底部向罐内通入无菌空气，一是从罐的底部向罐内通入无菌空气，一般

9、入口处的压力为般入口处的压力为0.1-0.2mpa ，罐顶部有空气出，罐顶部有空气出口。该设备一般采用空气分布器将无菌空气引入口。该设备一般采用空气分布器将无菌空气引入到发酵液中。空气分布器一般用单孔管，开口向到发酵液中。空气分布器一般用单孔管，开口向下，避免培养液中的固体物料在管口堆积而增加下，避免培养液中的固体物料在管口堆积而增加污染的机会。污染的机会。5 进出料口进出料口：是进料和出料的装置，同时还配有：是进料和出料的装置，同时还配有补料口装置。补料口装置。6 测量系统测量系统：包括温度、酸度和溶解氧的数据监：包括温度、酸度和溶解氧的数据监控、传感器和测量装置控、传感器和测量装置罐（三）

10、特点（三）特点 优点：优点： 适用性强适用性强 保障氧气的供应保障氧气的供应 通入的是无菌的空气，减少杂菌污染通入的是无菌的空气，减少杂菌污染 缺点：缺点： 成本较高成本较高（四）适用于大多数产品的发酵（四）适用于大多数产品的发酵 二二 自吸自吸发酵罐发酵罐（一）结构（一）结构 1 带轮带轮(带动轴旋转带动轴旋转) 2 排气阀排气阀 3 消泡器消泡器 4 冷却水管冷却水管 5 电机电机 6 导气管导气管 7 支架支架4256713自吸式发酵罐自吸式发酵罐罐体的结构大致上与通用式发酵罐相罐体的结构大致上与通用式发酵罐相同，主要区别在大搅拌器的形状和结构不同。自吸同，主要区别在大搅拌器的形状和结构

11、不同。自吸式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。 （二）（二）工作原理工作原理： 该发酵罐利用搅拌旋转时产生的抽吸力吸入空气，不该发酵罐利用搅拌旋转时产生的抽吸力吸入空气，不需要空气压缩机提供压缩空气，从而省去了空气系统，使需要空气压缩机提供压缩空气，从而省去了空气系统，使设备成本降低。它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋设备成本降低。它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体由于离心作用而被甩出，并在叶轮空心部分形成转时液体由于离心作用而被甩出，并在叶轮空心部分形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内。同时空气因受到高速负压，从而将罐外的空气吸到罐内。同时空

12、气因受到高速流动液体的摩擦剪切作用而变成细小的气泡，均匀分散在流动液体的摩擦剪切作用而变成细小的气泡，均匀分散在液体之中，然后借助导轮流将气液混合物导入发酵液中并液体之中，然后借助导轮流将气液混合物导入发酵液中并与之混合。与之混合。（三）（三） 特点特点 优点：优点： 不需要空气压缩机不需要空气压缩机 降低设备成本降低设备成本 缺点：缺点： 进罐空气处于负压状态，杂菌容易侵染进罐空气处于负压状态，杂菌容易侵染 搅拌转速高有可能切断微生物菌丝影响细胞生长搅拌转速高有可能切断微生物菌丝影响细胞生长（四）多用于乙酸和酵母增殖的发酵生产（四）多用于乙酸和酵母增殖的发酵生产三三 气升气升发酵罐发酵罐23

13、471856（一）结构（一）结构 1 入口入口 2 空气管空气管 3 上升管上升管 4 冷却夹管冷却夹管 5 压力表压力表 6 罐体罐体 7 气升管气升管 8 排气阀排气阀外环流外环流式式（二）（二）工作原理工作原理： 借助在环流管底部的喷嘴将空气以借助在环流管底部的喷嘴将空气以250-300m/s的高速的高速喷入环流管，使气泡分散在培养基中。由于环流管内部的喷入环流管，使气泡分散在培养基中。由于环流管内部的液体溶有大量气泡，其密度明显小于反应器主体中培养液液体溶有大量气泡，其密度明显小于反应器主体中培养液的密度。该反应器正是借助这两者之间的的密度。该反应器正是借助这两者之间的密度差密度差是培

14、养液是培养液在环流关于反应主体间作循环式运动，把反应主体中由于在环流关于反应主体间作循环式运动，把反应主体中由于菌体代谢而溶氧量低的培养液送入环流管，待培养液补充菌体代谢而溶氧量低的培养液送入环流管，待培养液补充氧气后再送回反应主体，从而为菌体生长提供良好充足的氧气后再送回反应主体，从而为菌体生长提供良好充足的氧气供应。氧气供应。（三）特点（三）特点 优点优点： 无搅拌装置，借助培养液的密度差完成液体的无搅拌装置，借助培养液的密度差完成液体的 循环节能和降低了设备成本循环节能和降低了设备成本 缺点缺点： 不适于黏度大或含有大量固体的培养液中应用不适于黏度大或含有大量固体的培养液中应用（四）适用

15、于生产（四）适用于生产scp和处理废水和处理废水hd1234h:d=7:1h:d=7:1（一）结构（一）结构 1 进料口进料口 2 进气口进气口 3 出料口出料口 4 排气口排气口（二）（二）工作原理工作原理： 利用通入培养液的无菌空气泡上升来带动液体运动，产生利用通入培养液的无菌空气泡上升来带动液体运动，产生混合效果的非机械搅拌式发酵罐。混合效果的非机械搅拌式发酵罐。（二）特点（二）特点 优点：优点： 结构简单，造价低结构简单，造价低 减少了剪切对细胞的破坏减少了剪切对细胞的破坏 缺点：缺点： 罐体较高，需要安装在室外罐体较高，需要安装在室外 适用范围较小适用范围较小（三）（三）多用于啤酒发

16、酵多用于啤酒发酵一、动物细胞培养用生物反应器二、植物细胞培养用生物反应器第二节第二节 生物反应器生物反应器（了解）（了解）1 动物细胞生物反应器的设计要求动物细胞生物反应器的设计要求：a、生物因素：生物反应器要有很好的生物相容性，可以很、生物因素：生物反应器要有很好的生物相容性，可以很好的模拟细胞在动物体内的生长环境。好的模拟细胞在动物体内的生长环境。b、传质因素：充分供应生物反应过程所需的营养物，特别、传质因素：充分供应生物反应过程所需的营养物，特别是氧的传递，及时排除代谢产生的废物。是氧的传递，及时排除代谢产生的废物。c、流体力学因素：能够提供充分的混合条件、流体力学因素：能够提供充分的混

17、合条件 ，使反应器中，使反应器中的反应条件一致，同时又不产生过大的流体剪切致使细胞的反应条件一致，同时又不产生过大的流体剪切致使细胞受到伤害，特别要防止气泡对细胞的损伤作用。受到伤害，特别要防止气泡对细胞的损伤作用。d、传热因素：能及时、均匀地除去或供应反应过程的热量，、传热因素：能及时、均匀地除去或供应反应过程的热量，无过热点。无过热点。e、安全因素：具备严密的防污染性能，还应有防止反应器、安全因素：具备严密的防污染性能，还应有防止反应器中有害物质散播到环境中的功能。中有害物质散播到环境中的功能。f、操作因素：便于操作和维护。、操作因素：便于操作和维护。2 动物细胞培养用生物反应器的动物细胞培养用生物反应器的形式（了解）形式（了解） a、气升式生物反应器、气升式生物反应器 b、通气搅拌生物反应器、通气搅拌生物反应器 c、中空纤维管生物反应器、中空纤维管生物反应器 d、无泡搅拌反应器、无泡搅拌反应器 e、流化床和填充床反应器、流化床和填充床反应器1 植物细胞生物反应器的设计考虑因素植物细胞生物反应器的设计考虑因素： a 供氧能力供氧能