发酵设备与反应器

1、发酵设备与反应器发酵设备与反应器发酵设备与反应器发酵设备与反应器p生物反应器的分类生物反应器的分类p发酵罐的放大发酵罐的放大生物反应器的分类生物反应器的分类酶催化反应器酶催化反应器细胞生物反应器细胞生物反应器 p按所用的生物催化剂的不同分按所用的生物催化剂的不同分生物反应器的分类生物反应器的分类p按反应器结构特征分按反应器结构特征分釜式、管式、塔式、膜式等类型釜式、管式、塔式、膜式等类型生物反应器的分类生物反应器的分类p根据细胞或组织的代谢要求根据细胞或组织的代谢要求厌氧生物反应器厌氧生物反应器 好氧生物反应器好氧生物反应器 光照生物反应器光照生物反应器膜生物反应器膜生物反应器厌氧发酵罐厌氧发

2、酵罐p用于用于酒精、啤酒、丙酮丁醇酒精、啤酒、丙酮丁醇等嫌气发酵等嫌气发酵产品的生产，由于发酵过程中不需供氧，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，并实现了自动器也已趋向大容量发展，并实现了自动清洗。清洗。好氧发酵罐好氧发酵罐p机械搅拌型发酵罐机械搅拌型发酵罐p气升式发酵罐气升式发酵罐p机械搅拌自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐机械搅拌型发酵罐机械搅拌型发酵罐 主要组成部分有主要组成部分有 壳体、控温部分、搅壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、拌部分、通气部分、进出料口、测量系统进出料口、测量系统和附属系统等

3、。和附属系统等。机械搅拌型发酵罐机械搅拌型发酵罐目前使用最多的一种发酵罐目前使用最多的一种发酵罐优点优点：使用性好、适应性强、放大容易，：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从小型到中型直至大型的微生物培养过程都可以应用。程都可以应用。缺点：缺点：罐内的机械搅拌切力容易损伤嫩的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。细胞，造成某些细胞培养过程减产。 气升式发酵罐气升式发酵罐p在环流管底置有空气喷嘴，空气在喷嘴在环流管底置有空气喷嘴，空气在喷嘴口以口以250-300m/s250-300m/s的高速喷入环流管，由的高速喷入环流管，由于喷射作用，气泡

4、被分散于液体中，借于喷射作用，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，使管内气一液混应主体之间的密度差，使管内气一液混合物连续循环流动。合物连续循环流动。气升式发酵罐气升式发酵罐 优点：优点：能耗低，液体中的剪切作用小，结能耗低，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机械密封，避免了因机械密封不良造成的杂菌污染。的杂菌污染。缺点：缺点：它不适用于高粘度或含大量固体的它不适用于高粘度或含大量固体的培养液。培养液。 机械搅拌自吸式发酵罐机械搅拌自吸

5、式发酵罐p不需空气压缩机提供压缩空气，而是利用搅拌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。器旋转时产生的抽吸力吸入空气。p它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时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。体通过导轮流到发酵液主体。机械搅拌自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐p优点：优点：省去了空气系统，气体分

6、布均匀省去了空气系统，气体分布均匀。p缺点缺点：进罐空气处于负压，因而增加了进罐空气处于负压，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。菌丝被切断，使正常的生长受到影响。 发酵罐的放大发酵罐的放大p微生物培养过程研究的三个阶段微生物培养过程研究的三个阶段工业发酵过程的研究，一般分为工业发酵过程的研究，一般分为三种规模三种规模或三个阶段或三个阶段：实验室规模实验室规模，进行菌种，进行菌种的筛选和培养基的研究；的筛选和培养基的研究；中试生产规中试生产规模模，确定菌种培养的最佳操作条件；，确定菌种培养的最佳操作条件；工厂生产规模工

7、厂生产规模，进行大规模生产，取得，进行大规模生产，取得经济效益的过程。经济效益的过程。发酵罐的放大发酵罐的放大p必须使大、小规模实验中的菌体所处的必须使大、小规模实验中的菌体所处的外界环境外界环境能保持完全一致。能保持完全一致。p将将实验室和中间试验车间试验所取得的实验室和中间试验车间试验所取得的结果结果，应用到工业性大规模生产中去。，应用到工业性大规模生产中去。这种转移的过程，叫做这种转移的过程，叫做放大放大发酵罐的放大发酵罐的放大p生物发酵罐的放大的目标：生物发酵罐的放大的目标：就是要使大就是要使大型生物发酵罐的性能与小型发酵罐接近，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

8、产效率与小型生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。产设备发酵罐相似。发酵过程的控制发酵过程的控制发酵的生产水平高低发酵的生产水平高低除了取决于除了取决于生产菌本身的性生产菌本身的性能能外，还要受到外，还要受到发酵条件、工艺发酵条件、工艺等的影响。只等的影响。只有深入了解生产菌种在合成产物过程中的有深入了解生产菌种在合成产物过程中的代谢代谢调控机制调控机制以及可能的以及可能的代谢途径代谢途径，弄清生产菌种，弄清生产菌种对对环境条件环境条件的要求，掌握菌种在发酵的要求，掌握菌种在发酵 过程中的过程中的代谢变化规律代谢变化规律，有效控制，以使生产菌种能始，有效控制，以使生产菌种能始终

9、处于生长和产物合成的终处于生长和产物合成的优化环境优化环境之中，从而之中，从而最大限度地发挥生产菌种的最大限度地发挥生产菌种的合成产物的能力合成产物的能力，进而了取得进而了取得最大的经济效益最大的经济效益。发酵过程的控制发酵过程的控制温度的影响及其控制温度的影响及其控制1 1PHPH值影响及其控制值影响及其控制2 2COCO2 2的影响及控制的影响及控制4 4泡沫的影响及其控制泡沫的影响及其控制3 3温度的影响及其控制温度的影响及其控制p温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响p温度对发酵代谢产物的影响温度对发酵代谢产物的影响p影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素p最适温度的选择最适温度的

10、选择温度对微生物生长的影响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：嗜冷菌适应于对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0 026260 0C C生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于151543430 0C C生长，嗜生长，嗜热菌适应于热菌适应于373765650 0C C生长，嗜高温菌适应于生长，嗜高温菌适应于65650 0C C以上生长以上生长 温度对发酵代谢产物的影响温度对发酵代谢产物的影响p影响微生物细胞内的酶反应影响微生物细胞内的酶反应p可以改变培养液的物理性质可以改变培养液的物理性质p影响到

11、微生物细胞的生物合成方向影响到微生物细胞的生物合成方向p对于同一微生物细胞，对于同一微生物细胞， 细胞生长和代谢细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往是不同产物积累的最适温度往往是不同温度影响发酵方向温度影响发酵方向p四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于素和四环素，当温度低于30300 0C C时，这种时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合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，温度达到成四环素的比例也提高，温度达到35350 0C C时，金霉素的合成几乎停止，只产生四时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。环素。细胞生长

12、和代谢产物积累的最适温度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例如，青霉素产生菌的生长最适温度为3030度，而产生青霉素的最适温度为度，而产生青霉素的最适温度为2525度；度；黑曲酶的最适生长温度为黑曲酶的最适生长温度为3737度，而产生度，而产生糖化酶和柠檬酸的最适温度都是糖化酶和柠檬酸的最适温度都是32-3432-34度；度；谷氨酸生产菌生长的最适温度谷氨酸生产菌生长的最适温度30-3230-32度，度，而代谢产生谷氨酸的最适温度却在而代谢产生谷氨酸的最适温度却在34-3734-37度。度。影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素p产热因素：生物热产热因素：生物热

13、搅拌热搅拌热p散热因素：蒸发热散热因素：蒸发热 辐射热辐射热发酵热发酵热p发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。发酵热发酵热=产热因素产热因素- -散热因素散热因素发酵热发酵热=生物热生物热+ +搅拌热搅拌热- -蒸发热蒸发热- -辐射热辐射热QQ发酵发酵=Q=Q生物生物+Q+Q搅拌搅拌-Q-Q蒸发蒸发- Q- Q辐射辐射生物热（生物热（ Q Q生物）生物）p在发酵过程中，菌体不断利用培养基中在发酵过程中，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量，其中一部分用于合成高能化合物（

14、如（如ATPATP）提供细胞合成和代谢产物合）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成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，散发出来，这散发出来的热就叫生物热。这散发出来的热就叫生物热。生物热（生物热（ Q Q生物）生物）好氧：好氧：287.2287.2千焦耳热量，千焦耳热量，183183千焦耳千焦耳高能化合物高能化合物63.763.7104.2104.2千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放厌氧：厌氧：22.622.6千焦耳热量，千焦耳热量，9.69.6千焦耳千焦耳高能化合物高能化合物（42.642.6） 1313千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放p微生物进行有氧呼吸

15、产生的热比厌氧发酵产生的热多微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多p一摩尔葡萄糖彻底氧化成一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2CO2和水和水生物热（生物热（ Q Q生物）生物）p培养过程中生物热的产生具有培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性，生物的强烈的时间性，生物的大小与呼吸作用强弱有关大小与呼吸作用强弱有关p在培养初期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。在培养初期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。p对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体对数生长期时，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，必须注意也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控

16、制温度。控制温度。p培养后期，已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系培养后期，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，且逐进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。渐减弱。生物热（生物热（ Q Q生物）生物）p如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代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。谢缓慢，发酵不正常。p如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌p此外培养基营养越丰富，生物热也越大。此外培养基营养越丰富，生物热也越大。搅拌热（搅拌热（Q Q搅拌）搅拌）p在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅在机械搅拌通

17、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，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产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关有关蒸发热（蒸发热（Q Q蒸发）蒸发）p空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接空气进入发酵罐后，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。蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。辐射热（辐射热（Q Q辐射）辐射）发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中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

18、。辐射热的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，一般不超过发酵热一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的的5 5。发酵热的测定发酵热的测定p（1 1）通过测定一定时间）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水内冷却水的流量和冷却水进出口温度，进出口温度，发酵热的测定发酵热的测定p（2 2）通过罐温的自动控制，先使罐温达）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到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率间上升的速率S S，按下式可求得发酵热：，按下式可求得发酵热：发酵热的测定发酵热的测定p（）

19、（）根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。热的近似值。p因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径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。应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。pHH（H H）反应物）反应物（H H）产物）产物最适温度的选择最适温度的选择p根据菌种选择根据菌种选择p根据生长阶段选择根据生长阶段选择p根

20、据培养条件选择根据培养条件选择p根据菌生长情况根据菌生长情况根据菌种选择根据菌种选择p微生物种类不同，所具有的酶系及其性微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。质不同，所要求的温度范围也不同。如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为37370 0C C，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为303032320 0C C，青霉菌生长温度为青霉菌生长温度为30300 0C C。根据生长阶段选择根据生长阶段选择p在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量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，使菌的菌

21、体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；生长迅速；p在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长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。以推迟衰老。p发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必发酵后期，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。要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。根据生长阶段选择根据生长阶段选择p如四环素生长阶段如四环素生长阶段28280 0C C，合成期，合成期26260 0C,C,后期再后期再升温；黑曲霉生长升温；

22、黑曲霉生长37370 0C C，产糖化酶，产糖化酶323234340 0C C。p但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨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酸产生菌生长303032320 0C C，产酸，产酸343437370 0C C。p最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。根据培养条件选择根据培养条件选择p通气条件差时可适当降低温度，使菌呼通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可吸速率降低些，溶氧浓度也可髙髙些。些。p培养基稀薄时，温度也该低些。因为温培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早

23、自溶。度高营养利用快，会使菌过早自溶。根据菌生长情况根据菌生长情况p菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生菌生长快，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，那么前期温度宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可可髙髙些，以利于菌的生长。些，以利于菌的生长。p总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培总的来说，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养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。温度。发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制pHpH是微生物代谢的综合反映，又

24、影响代谢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。的进行，所以是十分重要的参数。p发酵过程中发酵过程中pHpH是不断变化的，通过观察是不断变化的，通过观察pHpH变化规律可以了解发酵的正常与否变化规律可以了解发酵的正常与否发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制p发酵过程发酵过程pHpH变化的原因变化的原因ppHpH对发酵的影响对发酵的影响ppHpH的控制的控制发酵过程发酵过程pHpH变化的原因变化的原因1 1、基质代谢、基质代谢 （1 1）糖代谢）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使成小分子酸、醇，使pHpH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，

25、pHpH上升，是补料的标志之一上升，是补料的标志之一（2 2）氮代谢）氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH-NH2 2被利用后被利用后pHpH会下降；尿素被分解成会下降；尿素被分解成NHNH3 3，pHpH上升，上升，NHNH3 3利用后利用后pHpH下降，当碳源不足时氮源当下降，当碳源不足时氮源当碳源利用碳源利用pHpH上升。上升。（3 3）生理酸碱性物质利用后）生理酸碱性物质利用后pHpH会上升或会上升或下降下降发酵过程发酵过程pHpH变化的原因变化的原因2 2、产物形成、产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pHpH变化。如有机酸类产生使变化。如

26、有机酸类产生使pHpH下降，下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使碱性，使pHpH上升。上升。 发酵过程发酵过程pHpH变化的原因变化的原因3 3、菌体自溶，、菌体自溶，pHpH上升，发酵后期，上升，发酵后期，pHpH上升。上升。 pHpH对发酵的影响对发酵的影响p不同的微生物对不同的微生物对PHPH值的要求也是不同的。值的要求也是不同的。每种微生物都有自己每种微生物都有自己的生长最适的和耐受的生长最适的和耐受的的PHPH值。值。微生物微生物最适最适PHPH细菌细菌放线菌放线菌酵母菌酵母菌霉菌霉菌pHpH对发酵的影响对发酵的影响pPHPH值不仅影响到

27、微生值不仅影响到微生物的生长繁殖，还会物的生长繁殖，还会影响到代谢产物的形影响到代谢产物的形成。对于同一种微生成。对于同一种微生物，由于物，由于PHPH值的不同，值的不同，形成的发酵产物也会形成的发酵产物也会不同。不同。微生物微生物PHPH值值发酵产物发酵产物黑曲霉黑曲霉2-32-3近中性近中性酵母菌酵母菌4.5-5.04.5-5.08.08.0pHpH对发酵的影响对发酵的影响p微生物生长的最微生物生长的最适适PHPH值和发酵产值和发酵产物形成的最适物形成的最适PHPH值往往是不同的。值往往是不同的。微生物微生物菌体生长菌体生长最适最适PHPH值值发酵产物形发酵产物形成最适成最适PHPH值值丙

28、酮丁丙酮丁醇菌醇菌青霉素青霉素产生菌产生菌链霉素链霉素产生菌产生菌pHpH对发酵的影响对发酵的影响pHpH影响酶的活性。当影响酶的活性。当pHpH值抑制菌体某些值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻酶的活性时使菌的新陈代谢受阻pHpH对发酵的影响对发酵的影响pHpH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，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影响新陈代谢的进行 pHpH对发酵的影响对发酵的影响pHpH值影响培养基某些成分和中间代谢物的值影响培养基某

29、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解离，从而影响微生物对这些物质的利用用 pH的控制p调节基础培养基的配方调节基础培养基的配方调节碳氮比（调节碳氮比（C/NC/N）添加缓冲剂添加缓冲剂p补料控制补料控制 直接加酸加碱直接加酸加碱 补加碳源或氮源补加碳源或氮源p补料的方法可以同时实现补充营养补充营养、延延长发酵周期长发酵周期、调节调节pHpH和和改变培养液的性改变培养液的性质质（如粘度）等几种目的。泡沫的性质泡沫的性质p泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。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。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。空气和代谢气体，连续相是发酵液。泡沫的类型p一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占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分辫的界线。如在某些稀薄的前期