微生物工程发酵设备

微生物工程发酵设备第一页，共三十八页，2022年，8月28日种子扩大培养培养基配制空气除菌培养基灭菌发酵生产下游处理发酵设备发酵的一般流程2第二页，共三十八页，2022年，8月28日第一节发酵设备概述第二节通风发酵设备3第三页，共三十八页，2022年，8月28日第一节发酵设备概述4第四页，共三十八页，2022年，8月28日一、基本概念发酵设备是发酵工业的心脏，是连接原料和产物的桥梁。广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备。5第五页，共三十八页，2022年，8月28日二、发展过程1）1900年以前，木制容器造酒。2）1900-1940，钢制发酵罐，开始使用空气分布器，机械搅拌开始应用。3）1940-1960，青霉素，通风，无菌操作，纯培养等一系列技术开始应用，计算机用于发酵控制，产物分离纯化商业化。6第六页，共三十八页，2022年，8月28日4）1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3，出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交换问题，计算机广泛应用。5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。7第七页，共三十八页，2022年，8月28日三、发酵设备的类型固体发酵盘曲、帘曲——曲盘、帘子等，自然通风发酵池、窖、地缸——相对密闭不通风厚层通风制曲——曲箱，机械通风旋转培养——转鼓型发酵罐，机械通风液体发酵厌气发酵——厌气发酵罐，密闭不通风好气发酵密闭通风机械搅拌通风通风搅拌非循环式循环式通风式发酵罐自吸式发酵罐伍式发酵罐，内循环文式发酵罐，外循环非循环式循环式——空气带升式发酵罐鼓泡式发酵罐塔式发酵罐8第八页，共三十八页，2022年，8月28日第二节通风发酵设备机械搅拌通风发酵罐气升式发酵罐自吸式发酵罐高位塔式发酵罐9第九页，共三十八页，2022年，8月28日通风发酵罐——又称好气性发酵罐，需要将空气不断通入发酵液中，以供微生物所消耗的氧。通入发酵液中的气泡越小，气泡与液体的接触面积就越大，液体中的氧的溶解速率也越快。类型包括：机械搅拌式、自吸式、气升式、伍式、文氏罐等类型的发酵罐。10第十页，共三十八页，2022年，8月28日一、机械搅拌发酵罐1、发酵罐的基本条件机械搅拌发酵罐是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、发酵所需的氧气。又称通用式发酵罐。11第十一页，共三十八页，2022年，8月28日6）、轴封应严密，尽量减少泄漏。1）、适宜的径高比。[高：直径约为2.5～4]2）、能承受一定的压力。3）、搅拌通风装置要能使气泡分散细碎、气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高O2的利用率。4）、应具有足够的冷却面积。[代谢产热]5）、发酵罐内应抛光，尽量减少死角。[避免积污、染菌]2、发酵罐的基本要求：12第十二页，共三十八页，2022年，8月28日发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等。发酵罐应用广泛：可用于味精、柠檬酸、抗生素、酶制剂、氨基酸等的生产。发酵罐上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却、pH检测等装置。13第十三页，共三十八页，2022年，8月28日14第十四页，共三十八页，2022年，8月28日通用式发酵罐的主要部件罐体搅拌器挡板轴封空气分布管消泡器冷却管（或夹套）联轴器中间轴承人孔管路等15第十五页，共三十八页，2022年，8月28日123456789101112131415161718192021温度计接口16第十六页，共三十八页，2022年，8月28日17第十七页，共三十八页，2022年，8月28日3、发酵罐的结构（1）罐体：由圆柱体和椭圆形或碟形封头焊接而成。材料为碳钢或不锈钢，且应有一定的承压能力，2.5kg/cm2。罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温度计管和测控仪表接口。18第十八页，共三十八页，2022年，8月28日封头封头切割19第十九页，共三十八页，2022年，8月28日20第二十页，共三十八页，2022年，8月28日（2）搅拌器：作用：使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使氧溶解于发酵液中。大型搅拌器一般做成两半型，用螺栓连成整体装配于搅拌轴上，便于拆卸。径向式（涡轮式）轴向式（推进式）平叶式、弯叶式和箭叶式螺旋桨式、浆叶式形式21第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日浆叶式螺旋桨式涡轮式搅拌器推进式搅拌器弯叶式箭叶式平叶式22第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日怎么样实现高效搅拌？通常采用径向式搅拌器和轴向式搅拌器组合实现高效搅拌混合和节能降耗。对于组合形式，根据发酵罐一般是下部通气的特点，下层搅拌器选择径向式搅拌器，上层搅拌器采用轴向式搅拌器。23第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日（3）挡板挡板的作用：

——改变液流的方向，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。

——防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不到搅拌作用。竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用。挡板与罐壁之间的距离：(1/5-1/8)D，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。24第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日挡板空气分布器25第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日（4）消泡器：发酵液中含有蛋白质等发泡物质，通气搅拌时会产生气泡，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，增加杂菌污染的机会。消泡方法：化学法——天然油脂、聚醚类、高级醇类等。物理法——机械消泡装置，常用耙式消泡器。消泡器的作用：将泡沫打破。消泡器位于液面上10cm，长度约为0.65D。26第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日耙式消泡器27第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日（5）联轴器及轴承：用联轴器使几段搅拌轴上下成牢固的刚性联接。为了减少震动，中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中间轴承。28第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日（6）空气分布装置空气分布装置的作用：吹入无菌空气，使空气分布均匀。形式：单管和环形管。常用单管，简单实用，单次通入量较大。环形管属于多孔管式，空气分布较均匀，但喷气孔容易被堵塞。通风管29第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日（8）变速装置发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动效率较高，但加工，安装精度要求高。30第三十页，共三十八页，2022年，8月28日二、气升式发酵罐气升式发酵罐也是应用最广泛的生物反应设备。特点：结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低等。类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。31第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日罐内或罐外装设上升管，两端与罐底部和罐上部相连通，构成循环系统；上升管的下部装有空气喷嘴，空气以250-300m/s高速喷入上升管，借喷嘴的作用将空气泡分割成细泡，与上升管内发酵液密切接触；由于上升管内发酵液含气多、比重小，加上压缩空气的喷流动能，因此使上升管的液体上升，罐内液体下降而进入上升管，形成反复的循环，使氧气溶解于发酵液中。

原理：32第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。与通用发酵罐的区别：有一个特殊的搅拌器，没有通气管。缺点：罐为负压，易染菌；转速较大，会打碎丝状菌。三、自吸式发酵罐33第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日自吸式发酵罐的充气原理：搅拌器由罐底向上伸入的主轴带动。搅拌器是一个空心叶轮，旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐外空气。吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。34第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日马达转子轴封35第三十五页，共三十八页，2022年，8月28日四、高位塔式发酵罐36第三十六页，共三十八页，2022年，8月28日37第三十七页，共三十八页，2022年，8月28日H/D=7左右