微生物工程生产设备

微生物工程生产设备第1页，共59页，2023年，2月20日，星期四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第2页，共59页，2023年，2月20日，星期四提纲第一节培养基及发酵设备的灭菌第二节发酵设备第三节空气除菌设备第四节产品纯化设备第3页，共59页，2023年，2月20日，星期四发酵类型和设备固体发酵盘曲、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第4页，共59页，2023年，2月20日，星期四第一节培养基及发酵设备灭菌

培养基的灭菌培养基灭菌的基本原理分批灭菌连续灭菌空气除菌空气除菌的基本方式空气过滤除菌流程深层过滤原理过滤介质及其设备设备与管道的灭菌第5页，共59页，2023年，2月20日，星期四第一节培养基及发酵设备灭菌一、灭菌方法二、培养基的灭菌三、培养基的分批灭菌四、培养基的连续灭菌第6页，共59页，2023年，2月20日，星期四一、灭菌方法1、化学药剂灭菌2、射线灭菌3、干热灭菌4、湿热灭菌5、过滤除菌第7页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、培养基的灭菌理论灭菌时间的计算（对数残留公式）

N0τ=2.303/klog—N实际灭菌的经验数据高温灭菌(Hightemperaturesetrilization)

120℃，维持(Maintaining)20-30分钟K—比死亡速率（s-1）NO-开始时菌浓度N-残存菌浓度

工程上，N为10-3/罐第8页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、培养基的灭菌灭菌温度与菌死亡反应速度常数的关系

阿累尼乌斯公式：

K=A·exp-△E/RT

K—菌死亡的速度常数

A—阿累尼乌斯常数

exp—2.71

△E—杀死细菌孢子的活化能（J/K·mol）

R—气体常数[8.314J/（mol·K)]

T—绝对温度（K）

第9页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、培养基的灭菌活化能大的反应中，反应时间随温度变化也大；杀死细菌和芽孢的活化能远大于营养成分被破坏的活化能（E>>E’）；第10页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、培养基的灭菌

采用高温短时的灭菌方法可以减少养分的破坏。第11页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、培养基的灭菌灭菌温度（ºC）灭菌时间（分钟）VB1的破坏（%）11036671204271300.581500.01<1第12页，共59页，2023年，2月20日，星期四培养基配置与分批灭菌流程第13页，共59页，2023年，2月20日，星期四三、培养基的分批灭菌分批灭菌总灭菌时间=加热时间＋维持时间＋冷却时间t总=t加热+t维持+t冷却若已知加热时间(t加热)和冷却时间(t冷却)，那么只要合理设置维持时间(t维持)就能使灭菌过程中培养基的养分的破坏降到最小。第14页，共59页，2023年，2月20日，星期四四、培养基的连续灭菌常见的连续灭菌的流程连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程喷射加热连续灭菌流程薄板换热器连续灭菌流程第15页，共59页，2023年，2月20日，星期四四、培养基的连续灭菌连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程第16页，共59页，2023年，2月20日，星期四四、培养基的连续灭菌喷射加热连续灭菌流程第17页，共59页，2023年，2月20日，星期四四、培养基的连续灭菌薄板换热器连续灭菌流程第18页，共59页，2023年，2月20日，星期四四、培养基的连续灭菌连续灭菌的优点提高产量，缩短发酵周期减少养分破坏，产品质量较易控制设备利用率高，操作方便适于自动控制，劳动强度低第19页，共59页，2023年，2月20日，星期四第二节发酵设备一、机械搅拌发酵罐二、其他类型发酵罐三、搅拌轴功率的计算四、发酵罐的放大第20页，共59页，2023年，2月20日，星期四一、机械搅拌通风发酵罐发酵罐的基本条件适宜的径高比（高与直径的比值为2.5—4）能承受一定压力、温度搅拌通风装置保证气液充分混合具有足够的冷却面积死角少，灭菌彻底轴封严密，泄漏少第21页，共59页，2023年，2月20日，星期四发酵罐的基本结构一、机械搅拌通风发酵罐第22页，共59页，2023年，2月20日，星期四一、机械搅拌通风发酵罐发酵罐的搅拌器功能：打碎空气（径向），使发酵液充分混合（轴向）类型：平叶式、弯叶式、剑叶式叶片数量：一般6片，最少3片，最多6片第23页，共59页，2023年，2月20日，星期四一、机械搅拌通风发酵罐发酵罐的换热装置夹套式换热装置：结构简单，死角少，利于灭菌，降温效果较差，适用于小型发酵罐。竖式蛇管换热装置：降温效果较好，节水。竖式列管（排管）换热装置：降温效果好，但要求水源充足。第24页，共59页，2023年，2月20日，星期四一、机械搅拌通风发酵罐挡板作用：克服涡流，将经向改变为轴向流动，增加溶氧速率。大小：宽，0.1-0.12D；长，液面至罐底。位置：与罐壁的间距，1/5-1/8W。数量：4块，竖式蛇管换热装置也起一定挡板作用。第25页，共59页，2023年，2月20日，星期四一、机械搅拌通风发酵罐机械消泡方法罐内消泡：在发酵罐内消除泡沫耙式消泡桨、碟式消泡器等罐外消泡：将泡沫引出发酵罐外，消泡后再 返回罐内旋转叶片消泡器、离心式消泡器等第26页，共59页，2023年，2月20日，星期四一、机械搅拌通风发酵罐耙式消泡桨第27页，共59页，2023年，2月20日，星期四一、机械搅拌通风发酵罐碟片式消泡器优点：消泡能力强，功耗小

缺点：结构复杂，维护麻烦第28页，共59页，2023年，2月20日，星期四一、机械搅拌通风发酵罐旋转叶片罐外消泡第29页，共59页，2023年，2月20日，星期四一、机械搅拌通风发酵罐离心力罐外消泡第30页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、其他类型发酵罐液体深层厌气发酵设备酒精发酵罐的结构第31页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、其他类型发酵罐自吸式发酵罐

非循环机械搅拌第32页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、其他类型发酵罐伍式发酵罐（循环机械搅拌）第33页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、其他类型发酵罐带升式发酵罐（循环通气搅拌）第34页，共59页，2023年，2月20日，星期四二、其他类型发酵罐塔式发酵罐（非循环通气搅拌）第35页，共59页，2023年，2月20日，星期四其他类型生物反应器生物反应器：为特定的细胞或酶提供适宜的增殖或进行特定生化反应环境，并且都是利用生物催化剂进行生化反应的设备。第36页，共59页，2023年，2月20日，星期四其他类型生物反应器动植物细胞反应器第37页，共59页，2023年，2月20日，星期四其他类型生物反应器生物滤池——污水处理第38页，共59页，2023年，2月20日，星期四其他类型生物反应器生物转盘法——污水处理出水进水进水出水第39页，共59页，2023年，2月20日，星期四其他类型生物反应器接触氧化法和流化床法——污水处理第40页，共59页，2023年，2月20日，星期四其他类型生物反应器立式多段发酵塔——固体废弃物处理第41页，共59页，2023年，2月20日，星期四其他类型生物反应器卧式回转圆筒形发酵仓——固体废弃物处理第42页，共59页，2023年，2月20日，星期四其他类型生物反应器高温动态二次堆肥车间——固体废弃物处理第43页，共59页，2023年，2月20日，星期四其他类型生物反应器生物吸收法——生物除臭第44页，共59页，2023年，2月20日，星期四其他类型生物反应器堆肥滤池法——生物除臭堆肥滤池法第45页，共59页，2023年，2月20日，星期四固体发酵特点固体发酵的优点原料简单不易被污染回收产品容易通气较易实现，节能发酵废料可用作饲料第46页，共59页，2023年，2月20日，星期四三、搅拌轴功率的计算应考虑的因素：

发酵罐直径D（m）、搅拌器直径d（m）液柱高度HL（m）、搅拌器形式、搅拌器转速n(r·min-1)、液体粘度µ（Pa·S）、液体密度ρ（kg/m3）、重力加速度g（m/s2）以及有无档板等。轴功率（W）：P=Ø（n、d、ρ、

µ

、g

）目前，一般每立方米发酵培养液的功率吸收为1-3.5KW。第47页，共59页，2023年，2月20日，星期四四、发酵罐的放大1、几何尺寸放大法；2、空气流量放大法；①以单位体积的空气流量相同的原则放大；②空气线速度相同的原则放大；③以KLα相同的原则放大；④搅拌器叶尖速度相同的原则放大；⑤混合时间相同的原则放大。第48页，共59页，2023年，2月20日，星期四第三节空气除菌设备加热灭菌（220°C，20秒）

[灭菌彻底，能耗大，成本高]电除菌

[除菌效果差，仅用于初除菌]辐射灭菌

[254-265nm效果最佳，仅限表面灭菌]介质过滤除菌

[主流的除菌方式]第49页，共59页，2023年，2月20日，星期四第三节空气除菌设备一、介质除菌（介质过滤）的原理惯性冲击滞留作用原理拦截滞留作用原理布朗扩散作用原理重力沉降作用原理静电吸附作用原理第50页，共59页，2023年，2月20日，星期四第三节空气除菌设备二、介质过滤效率的过滤器的计算介质层厚度：

1N0L=—ln—KN空气过滤器直径：

D=（4Q/Πωg）-2K—过滤器的除菌效率；

N

—过滤器出口空气中的含菌量；

ωg

—气体流速；

Q—发酵罐每分钟用空气量。第51页，共59页，2023年，2月20日，星期四第三节空气除菌设备三、空气除菌设备空气过滤除菌的目的Ns<10-3个/m3，同时使空气有一定压力空气过滤除菌流程普通空气冷却除菌流程高效前置过滤除菌流程第52页，共59页，2023年，2月20日，星期四第三节空气除菌设备普通空气冷却除菌流程第53页，共59页，2023年，2月20日，星期四第三节空气除菌设备高效前置过滤除菌流程第54页，共59页，2023年，2月20日，星期四第三节空气除菌设备过滤介质棉花、玻璃纤维、纸、

活性碳、石棉滤板、

烧结材料过滤介质等过滤器结构第55页，共59页，2023年，2月20日，星期四第三节空气除菌设备空气过滤的附属设备初过滤器： 减轻主过滤器负荷，防止空压 机磨损空气贮罐： 维持压力稳定，沉降油雾气液分离器：冷凝水雾和油雾空气冷却器：降温、降压、冷凝第56页，共59页，2023年，2月20日，星期四设备与管道的灭菌设备灭菌压力灭菌时间灭菌锅0.098MPa20-30min种子罐、发酵罐、计量罐、管道等0.147MPa45min空气过滤器0.147MPa120min第57页，共59页，2023年，2月20日，星期四第四节产品纯化设备一、两相分离设备：一）离心分离设备