生工设备课件

第一章绪论生物工程设备的五个发展阶段生物工程设备的特点生物工程的硬件-设备系统传统经验制造技术——天然发酵阶段纯种培养技术的成熟——初级代谢产物生产阶段通气搅拌技术的成熟——好氧培养阶段代谢控制发酵技术的成熟基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段生物工程设备的五个发展阶段生物工程设备的特点对于所有微生物或动植物细胞来讲，提供必要和足够的营养和能量，才能维持其生命代谢活动。培养基原料的预处理不仅影响细胞代谢生长，而且对于培养基原料成本大小和是否造成环境污染等具有决定性影响。如何合理的设计种子培养系统，以及各级种子培养时间和接种比例，达到种子系统与生产培养过程合理配套，获得最大的得率。生物反应过程中的细胞培养一般都是纯种培养过程。如何保证足够的氧气供给，又尽可能节省能量，是好氧培养过程的重要组成部分。从培养液中得到所需产品的合适、高效、低成本的分离纯化方法，是决定生产成败的关键4生物工程的硬件--设备系统为顺利实现工艺流程所制定的各项工艺

指标,各种生物工程支撑设备系统必不可少。一套较完整的生物工程设备系统包括（图示说明）：种子供给补料系统过程检测与自动控制系统尾气处理系统废液处理系统剂型研究与包装系统…生物反应器原料预处理与输送系统蒸汽系统制冷系统空气系统分离纯化系统干燥与精制第二章通风发酵设备1.通风发酵罐的基本要求和类型2.机械通风发酵罐的基本要求3.机械通风发酵罐的结构、主要部件的类型（如搅拌叶）及其工作原理；4.机械通风发酵罐的主要尺寸大小及比例5.与机械通风发酵罐的有关概念（公称体积、全挡板条件、装料系数、通风强度、持气率）6.机械通风发酵罐的工称体积与装料体积的计算7.气升式发酵罐的特点、主要类型及其工作原理8.自吸式发酵罐的特点、主要类型与其工作原理9.通风固相发酵设备的类型及主要结构第三章嫌气发酵设备1.酒精发酵罐的主要结构特点2.现代啤酒发酵设备的主要类型3.圆筒体锥底发酵罐的主要结构特点4.圆筒体锥底发酵罐的优缺点第四植物细胞（组织）和动物细胞

培养反应器1.植物细胞培养反应器的主要类型2.动物细胞培养方法有哪几种？3.动物细胞培养反应器的主要类型4.笼式通气搅拌细胞培养反应器的工作原理和优缺点5.何谓载体培养系统，它的优点是什么？第五章生物反应器的检测与控制1.生化规程主要检测的参数有哪些？2.生物反应器的温度、体积流量（液体和气体）、pH、溶氧的在线测量仪表有哪些？3.生物反应器的温度、pH、溶氧是如何实现自动调节的？

（简图表示原理）第六章物料处理与培养基制备1.原料的粗选、精选、分级设备哪些？试举例说明。2.原料干式粉碎机有的主要类型？3.湿法粉碎的优点有哪些？4.糖蜜的连续稀释设备包括哪些类型？5.淀粉质原料的罐式蒸煮糖化流程包括哪些主要设备？6.啤酒的四器组合方式主要包括那些设备，各有什么作用？7.常用连续灭菌设备有哪些？8.连续灭菌的优点？第七章过滤、离心、膜分离设备1.过滤设备主要有哪些类型？2.离心分离设备主要有哪些类型（工业离心机类型及图示主要分离原理）？3.膜分离设备必需具备哪些条件？4.膜分离设备主要有哪些类型？第八章萃取、色谱分离设备萃取的混合主要设备包括哪些？萃取的分离主要设备包括哪些？离子交换设备主要有哪些类型？色谱分离设备有哪些类型？第九章蒸发与结晶设备常压蒸发设备有哪些类型？循环式蒸发设备包括哪些类型？非循环式发设备包括哪些类型？升膜式蒸发设备的工作原理常用结晶设备有哪些？第10章干燥设备1.列举生物工业常用干燥方法2.常压干燥设备有哪些类型？3.真空干燥设备有哪些类型？4.绝热干燥设备有哪些类型？5.长管气流干燥的关键设备是什么？6.喷雾干燥的原理与特点7.图示喷雾干燥器的主要流程8.喷雾干燥器有哪些主要类型？主要依据是什么？9.流化床干燥原理及特点10.冷冻干燥原理与特点11.冷冻干燥设备组成12.微波干燥的特点第十一章蒸馏设备1.蒸馏的原理是什么？粗馏塔和精馏塔在酒精蒸馏

中起什么作用？2.酒精蒸馏流程主要有哪几种，各有什么特点？3.粗馏塔的塔板有哪些类型？4.精馏塔塔板有哪些类型？第十二章空气净化除菌与调节设备1.发酵对空气无菌程度的要求2.空气除菌方法的方法有哪些？3.什么是绝对过滤？4.请简述介质除菌过滤的基本原理？5.空气除菌流程类型有哪些？

简述两级冷却、分离、加热的空气除菌流程。6.空气过滤器的结构类型有哪些？请举例说明。7.空气调节的原理与主要设备有哪些？第十三章物料输送系统设备1.固体物料输送设备有哪些主要类型？2.固体物料气流输送原理是什么？它的流程分为哪几类？3.固体物料气流输送的除尘设备有哪几类？4.液体物料输送设备有哪些？试举例说明！第十四章设备和管道的清洗与杀菌1.CIP清洗系统及设备2.发酵罐及容器的灭菌3.空气过滤器的杀菌第十五章生物工程工厂能源与动力设备1.常用水的过滤装置有哪些类型?2.水的软化及脱盐装置有哪些类型？3.水的杀菌方法和设备有哪些类型？4.了解供水和供电系统基本组成。5.制冷系统设备主要由哪些部分组成？

四十年代中期，青霉素的工业化生产，或深层通风培养技术的出现，标志近代通风发酵工业的开始。

在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。在发酵罐中，微生物在适当的环境中进行生长、新陈代谢和形成发酵产物。通风发酵罐又称好气性发酵罐，如谷氨酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵母等发酵用的发酵罐。好气性发酵需要将空气不断通入发酵液中，以供微生物所消耗的氧。通风发酵罐1.结构严密，耐灭菌，耐腐蚀；2.良好的气-液-固接触和混合性能，高效的热量、质量、动量传递性能；3.易于放大4.满足生物反应要求下，尽量降低能耗5.良好的热量交换性能6.良好的检测与控制设备通风发酵罐的基本要求机械通风搅拌发酵罐气升式发酵罐自吸式发酵罐通风固相发酵设备其他通风发酵设备通风发酵罐的类型第一节机械搅拌通风发酵罐第二节气升式发酵罐第三节自吸式发酵罐第四节通风固相发酵设备及其他本章主要内容第一节、机械通风搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。它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、发酵所需要的氧气。机械通风搅拌发酵罐的基本要求•发酵罐应具有适宜的径高比。•发酵罐能承受一定压力。•发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合保证发酵液必需的溶解氧。•发酵罐应具有足够的冷却面积。•发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污灭菌能彻底，避免染菌。•搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。机械搅拌发酵罐的结构好气性机械搅拌发酵罐是密封式受压设备，主要部件包括：•

罐身•轴封•消泡器•搅拌器•联轴器•中间轴承•挡板•空气分布管•换热装置•人孔以及管路等大型通用机械搅拌发酵罐的结构29罐体系统微生物纯培养-密闭无菌传动与搅拌系统

多数微生物需氧-供氧冷却系统微生物产热-冷却大型发酵罐的结构30罐体的结构与功能罐体：在发酵工业中，微生物需要

进行纯培养，罐体为微生物的纯培养

提供了一个密闭无菌的环境。

罐体附件：其上还设置有用于

检修

的人孔、

观察孔及各种管道的入口

、

出口等。罐体大型发酵罐的构造（罐体）罐体结构31传动与搅拌系统的结构与功能传动与搅拌：大多数液体培养的微生物都需要氧气，

因此，这类发酵罐设置了传动与搅拌系统，促进供氧。

工作原理：

通过电机驱动减速皮带轮，使搅拌叶

快速的旋转，搅拌叶将通入

罐底的空气充分打散，

从而促进氧气在液体与微生物细胞之间的传递。

搅拌叶类型：一般分为六平叶、六弯叶、六箭叶，

它们促进溶氧的能力依次增强。搅拌叶大型发酵罐的构造（传动与搅拌系统）搅拌叶（六平叶）的构造搅拌叶的类型大型发酵罐搅拌装置搅拌桨冷却管搅拌电机上封头33冷却列管：大多数液体培养的微生物除了需要

氧气外，发酵过程中还会产生大量的热量，因此，

需要冷却系统来精确地控制发酵温度。

工作原理：冷却水在列管里循环，通过液-固-

液传递将发酵过程产生的热量持续不断地带走，

从而达到控制温度目的。

灭菌后的培养基也同样需

要列管冷却系统，将温度

降至适宜微生物生长的温

度。冷却列管的结构与功能冷却列管大型发酵罐的构造（冷却列管）冷却列管的构造小型通用机械搅拌发酵罐34

发酵类型

传动系统

搅拌转速

冷却方式检测仪器

自动化程度大型发酵罐上置型

低于300转/分钟

内置蛇管

较少较低小型发酵罐

上置/下置型

高于800转/分钟

外置夹套

较多

较高小型发酵罐小型发酵罐的构造大型发酵罐与小型发酵罐的区别通用式发酵罐小罐（1）罐体的结构特点•罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，材料一般为不锈钢。•为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。中大型发酵罐则装没有快开人孔及清洗用的快开手孔。•罐顶还装有视镜及灯镜。•在罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。•在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口（2）罐体的尺寸比例罐体各部分的尺寸有一定的比例，罐高度H与直径D之比一般为1.7~3.5左右。发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅

拌器的间距S约为搅拌器直径Di的2-5倍。对于大型发酵罐以及液体深度较高的，可安装三组或三组以上的搅拌器。最下面一组搅拌器通常与风管出口较接近为

好，与罐底的距离C一般等于搅拌器直径Di.最常用的发酵罐各部分的比例尺寸如图。机械通风发酵罐的几何尺寸H—罐高

D—罐径

Ho—罐身高HL—液位高ha—封头高hb—封头直边高度Di–搅拌叶轮直径B—挡板宽度

S—相邻叶轮间距C下搅拌叶轮与罐底的距离

发酵罐的体积计算通用发酵罐的大小常用“公称体积”表示。公称体积（V0）：圆柱部分体积(V1)和底封头体积(V2)之和。

V0=V1+V2圆柱部分体积(V1)可由下式计算发酵罐圆柱体的体积。封头体积的计算椭圆形封头体积（V2）可查手册或按下式计算：罐的全体积近似计算式：发酵罐总高度发酵罐总高度液柱高度若装液高度为Ho的η’倍液柱高度（HL）发酵罐装料体积及装料系数装料体积（V）装料系数（

η

）机械通风发酵罐的通风强度和持气率通气强度(通风比，VVm)

：

指每立方米发酵液每分钟通入的空气的立方米数。（1VVm或1:1）持气率（h）:

通气后发酵液体积的增加量与不通气时发酵液体积的比值.

h=(VLG-VL)/VL(VLG—通气搅拌时气液混合物体积m3VL—不通气时溶液体积

m3)通风发酵存在起泡和持气问题,发酵罐中实际空气流速的上限1.75~2.0m/min，设计时发酵罐考虑装料系数.一般在0.6~0.8，根据具体情况确定。（3）搅拌器的结构特点•搅拌器的作用是打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。•搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡轮式）两种。轴向式搅拌器桨叶式螺旋桨式径向式（涡轮式）搅拌器搅拌器与流型•搅拌器在发酵罐中造成的流型，对气固液相的混合效果及氧气的溶解、热量的传递具有密切关系。•搅拌器造成的流体流动型式不仅决定于搅拌器本身，还受罐内的附件及其安装位置的影响。A.螺旋桨搅拌器的流型罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型罐中心垂直安装的螺旋桨，在无挡板的情况下，在轴中心形成凹陷的旋涡。如在同一罐内安装4~6块挡板，液体的螺旋状流受挡板折流，被迫向轴心方向流动，使旋涡消失。B.涡轮式搅拌器的流型上述三种涡轮搅拌器的搅拌流型基本上相同，各在涡轮平面的上下两侧形成向上和向下的两个翻腾。如不满足全挡板条件，轴中心位置也有凹陷的旋涡。适当的安排冷却排管，也可基本消除轴中心凹陷的旋涡。C.装有套筒时的搅拌器搅拌流型•在罐内与垂直的搅拌器同中心安装套简，一可以大大加强循环输送效果，并能将液面的泡沫从套简的上部入口，抽吸到液体之中，具有自消泡能力。伍氏发酵罐就是具有这种中心套筒的机械搅拌罐。（4）挡板挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。通常，挡板宽度取(0.1~0.2)D，装设6~4块即可满足全挡板条件全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：全挡板条件下的混合效果模拟图（5）消泡器消泡器的作用是将泡沫打破。消泡器常用的形式

有锯齿式、梳状式及孔板式。孔板式的孔径约10~20毫米。消泡器的长度约为罐径的0.65倍。（6）空气分布器作用：吹入无菌空气使空气分布

均匀。形式：有二种单管式环型管环型管的直径为搅拌器直径的0.8倍，喷孔直径2~5mm，向下，喷孔总面积等于空气分布管的面积，空气流速20m/s

通风量在0.02~0.5ml/s，喷出的气泡直径与空气喷孔直径的1/3次方成正比。为延长使用寿命，在罐底加一块钢板。（7）联轴器大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。（8）轴承为了减少震动，中型发酵罐—般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦(如聚四氟乙烯等)，轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.4~0.7％。为了防止轴颈磨损，可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套。（9）变速装置试验罐采用无级变速装置。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较为简便。（10）轴封轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函和端面轴封两种。–填料函式轴封是由填料箱体，填料底

衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，

使旋转轴达到密封的效果。–端面式轴封又称机械轴封。密封作用是

靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的压力使

垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地

相互贴合，并作相对转动而达到密封。填料函式轴封的优点是结构简单。主要缺点是：–死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；–轴的磨损情况较严重；–填料压紧后摩擦功率消耗大；–寿命短，经常维修，耗工时多。•端面式轴封的优点：–清洁；–密封可靠；–无死角，可以防止杂菌污染；–使用寿命长；–摩擦功率耗损小；–轴或轴套不受磨损；–它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求那么严格，对轴的震动敏感性小。•端面式轴封的缺点：–结构比填料密封复杂，装拆不便；–对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。（11）发酵罐的换热装置夹套式换热装置–这种装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐；–夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。–这种装置的优点是：结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行清洁灭菌工作，有利于发酵。–其缺点是：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差，•竖式蛇管换热装置–这种装置是竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组或八组不等，根据管的直径大小而定，容积5米3以上的发酵罐多用这种换热装置。–这种装置的优点是：冷却水在管内的流速大；传热系数高。这种冷却装置适用于冷却用水温度较低的地区，水的用量较少。–但是气温高的地区，冷却用水温度较高，则发酵时降温困难，发酵温度经常超过40˚C，影响发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，这样就增加了设备投资及生产成本。此外，弯曲位置比较容易蚀穿。•竖式列管(排管)换热装置–这种装置是以列管形式分组对称装于发酵罐内。–其优点是：加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区。–这种装置的缺点是：传热系数较蛇管低，用水量较大。第二节、气升式发酵罐机械搅拌发酵罐其通风原理是罐内通风，靠机械搅拌作用使气泡分割细碎，与培养基充分混合，密切接触，以提高氧的吸收系数；设备构造比较复杂，动能消耗较太。而采用气升式发酵罐可以克服上述的缺点。气升式发酵罐

是应用比较广泛的发酵罐，目前世界最大的通风发酵罐是气升式环流发酵罐，体积达3000立方米。

常见类型：气升环流式、空气喷射式、鼓泡塔

工作原理：无菌空气通过喷嘴或喷孔射进发酵液，通过气液混合物的湍流作用使气泡分割细碎，通气后液体密度下降，向上运动，含气量小的液体向下运动实现溶氧传质。气升式发酵罐的结构分为内循环和外循环两种。其主要结构包括：罐体上升管空气喷嘴内循环式外循环式气升环流式（内循环）具有外循环冷却的气升环流式气液双喷射式（外循环）塔式气升环流发酵罐塔式发酵罐气升环流式反应器的特点1.发酵液混合均匀，罐内没有搅拌器，发酵液处于循环流动

状态，气液固三相混合均匀，不易形成稳定的泡沫和沉淀。2.具有较高的溶氧速率和效率：气液接触面积大，体积溶氧系数高2000l/h，功耗相对低。3.剪切力小、对生物细胞损伤小。4.结构简单，冷却面积小,传热良好。发酵液循环速率高，方

便在外循环管加换热器，有效控温。5.结构简单、加工容易。维修、操作及清洗简便，减少杂菌

感染，制造方便，设备投资低，放大容易实现。6.操作维修方便，没有搅拌热，总产热量低。7.节省动力约50%，节省钢材8.料液装料系数达80~90％，而不须加消泡剂9.但还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度较大的发酵

液溶氧系数较低气升式发酵罐的性能指标气升式发酵罐是否符合工艺要求及经济指标，应从下面几方面进行考虑。•循环周期时间必须符合菌种发酵的需要。•选用适当直径的喷嘴。具有适当直径的喷嘴才能保证气泡被分割细碎，与发酵液均匀接触，增加溶氧系数。第三节、自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中

自动吸入空气的发酵罐。这种设备的耗电量小，能保证发酵所需的空气，并能使气液分离细小、均匀地接触，

吸入的空气中70~80%的氧被利用。采用了不同型式、容积的自吸式发酵罐生产葡萄糖酸钙、利福霉素、维生素C、

酵母、蛋白酶等，都取得了

良好的成绩。自吸式发酵罐的特点与机械搅拌通风发酵罐相比，其优点如下：1.不需要空压机和附属设备（油水分离器、空气贮罐、总过滤器等设

备），节省设备投资30%，节省厂房。2.溶氧速率、效率高，能耗低、尤其是溢流式自吸发酵罐，溶氧比能

耗可降到0.5kW.h/kg氧。3.设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。4.设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。5.用于酵母生产和醋酸发酵，具有生产效率高、经济效益好的优点。

酒精—醋酸转化率97%。缺点：

发酵罐是负压吸入空气，发酵系统不能保证一定的正压，罐压较低，容易污染。可过滤前加鼓风机给空气适当的压力，降低污染，增加风量，提高溶氧系数。自吸式发酵罐的类型机械搅拌自吸发酵罐喷射自吸式文氏管发酵罐罐伍式发酵罐溢流喷射自吸发酵罐1、机械搅拌自吸式发酵罐的结构•罐体•自吸搅拌器及导轮•轴封•换热装置•消泡器机械搅拌自吸式发酵罐原理自吸式发酵罐的主要的构件是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子。转子由箱底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。当叶轮转子高速旋转时，将框内液体甩向叶轮边缘，在转子中心形成负压，转子转动得越快形成的负压越大，吸气量越大，转子的内腔和大气相通，空气被不断的吸入，甩向叶轮边缘，通过导轮使空气分布均匀甩出。空气在循环发酵液中分裂为细小气泡，在湍流状况下混合扩散，这样在搅拌的同时完成吸气。•转子的形式有九叶轮、六叶轮、三

叶轮、十字形叶轮等，叶轮均为空心形2.喷射自吸发酵罐（文氏管发酵罐）其原理是用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气

吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。这种设备的优点是：吸氧的效率高，气、液、固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，

动力消耗较省。

这种设备的缺点是气体吸入量与液体循环量之比较低，对于好氧量较大的微生物发酵不适宜。文氏管发酵罐图中A、B、C和D是用于发酵罐底部的喷嘴；E和F是装在发酵罐上部的喷嘴。这些喷嘴分别具有不同的特点和功能：A是气液两相自喷射喷嘴；B是两相喷嘴，中心喷嘴是液相，气体从周围吸入；3.伍式发酵罐结构伍式发酵罐的主要部件是套筒、搅拌器伍式发酵罐工作原理•搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内返回罐底，搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘上，兼作空气分配器。空气由空心轴导入经过搅拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相混合，发酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下降，形成循环。设备的缺点是结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较高。4.溢流喷射自吸发酵罐单层溢流喷射自吸发酵罐（通气靠溢流喷射器8）工作原理：

液体溢流时形成抛射流，抛射

表面液体具有一定的速度，带

动相邻气体流动形成自吸作用。双层溢流喷射自吸发酵罐（通气靠溢流喷射器2）第四节、通风固相发酵设备酱油、醋、单细胞蛋白饲料等，多采用固体通风发酵设备。固体通风发酵设备结构简单，投资小。可分为两类：自然通风发酵设备机械通风发酵设备一般用于酿酒和酱油生产，我国最早使用，现仍采用。

由曲室、架子和曲盘组成。曲盘：木制（最早）铝制不锈钢现多使用，底及

两侧开孔通风尺寸：54×37×6cm根据操作方便确定。

也有直接用竹帘铺在架上，可扩大固体培养基与空气的接触面积，浅盘生产称盒曲，竹帘生产称为帘子曲。自然通风发酵设备曲室

：易于保温、散热、排湿和清洁消毒。墙壁(夹层中间填料保温，高3~4m，开高位窗，或屋顶天窗，散热排湿)屋顶呈尖顶或弧型顶，中间高两边低，

冷凝水向下流，不易落到浅盘造成污染。一般一批料占一个曲室，便于控制管理。曲架：高1.5~2m，木制或钢制，隔成几层，每层

高15~25cm，最底层距地30~50cm。料层厚度：6~10cm

机械通风固相发酵设备

采用风机强化通风，料层厚度可0.3~0.5m，制曲效率高，可控制料层发酵温度，提高曲的质量。结构如图

曲池：长方形水泥池，宽2m，深1m，长度根据场地、产量而定，保证通风均匀，曲池底高于地面，有8~10o倾斜，池底上方有层假底筛板，料放在筛板上，曲池低端和风机相连，中间设有闸门，调节风量。通风采用部分循环，保证室内二氧化碳含量在2~5%，通风量400~1000m3/m2.h，根据繁殖阶段等条件确定，空气通风道风速10~15m/s。曲房：结构和自然通风曲房结构基本相同，所用风机一般采用风压在1000~3000Pa的中压风机。由操作台、空调机、上下层曲室组成，可自动调节温度、湿度，可自控。国产如珍极酱油车间的采用全自动圆盘制曲，单层，结构与其相似，10m3，价格100万RMB，另外还有新型固体发酵罐，如常州三环日本酱油生产用制曲设备其他通风发酵设备其他通风发酵设备（续）其他通风发酵设备（续）第三章嫌气发酵设备发酵设备是发酵工厂中主要的设备，它提供了一个适应微生物生命活动和生长代谢的场所。由于微生物分厌氧和通风两大类，故供微生物生存和代谢的生产设备也就各不相同。不论厌氧或通风发酵设备，除了满足微生物培养所必要的工艺要求外，还得考虑材质的要求以及加工制造难易程度等因素。本章主要内容第一节酒精发酵设备第二节啤酒发酵设备第三节连续发酵设备第一节酒精发酵设备•满足酒精发酵的工艺要求–满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件–将发酵产生的热量及时移走•有利于发酵液的排出，设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。一、酒精发酵罐的结构1.基本结构•酒精发酵罐筒体为圆柱形•底盖和顶盖均为碟形或锥形的立式金属容器•罐顶装有废气回收管，进料管，

按种管，压力表、各种测量仪表接口管及供观察清洗和检修罐体内部的人孔等•罐底装有排料口和排污口对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔•罐身上下部装有取样口和温度计接口2.发酵罐的冷却装置–中小型发酵罐：多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；–大型发酵罐：由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。–此外，也有采用罐外列管式喷琳冷却的方法，此法具有冷却发酵液均匀、冷却效率高等优点。酒精罐内装有却蛇管3.发酵罐的洗涤装置大型酒精发酵罐采用水力喷射洗涤装置；水力喷射：开孔φ4~6mm与水平呈20o夹角，洗涤压力0.6~0.8MPa，48~56r/min，5min可完成洗涤作业。二、酒精发酵罐的计算1.发酵罐结构尺寸的确定发酵罐全容积的计算：•

带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为2.发酵罐罐数的确定对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：传统发酵设备：在室内，产量较小，分为：

前酵设备(主发酵)：敞口发酵槽钢筋水泥，内贴瓷砖，防渗处理。后发酵设备：密闭发酵罐立式和卧式，碳钢涂料

现代发酵设备：立式圆柱锥形罐(锥形罐)、朝日罐联合罐不锈钢容量大型化

（优点：啤酒质量一致；罐数少，易管理，设备投资相应减少。）

第二节啤酒发酵设备啤酒前/后发酵设备传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池（槽）和贮酒间内的贮酒罐组成的。啤酒作坊前發酵池前发酵槽结构特点：槽底部有坡度易排水；距槽底10~15cm嫩啤酒排出管；可拆卸；罐内有冷却蛇管，一般每m3发酵液需0.2m2的冷却面积。管内通冰水制冷剂（一般用液氨）。前发酵槽数目的计算:在一个发酵槽可容纳一次麦芽质量的前提下，发酵槽的数目可按下式计算：若单个发酵槽可容纳糖化一次麦芽汁量的整倍数，则发酵槽的数目可按下式计算：前发酵槽体积的计算:前发酵槽体积的确定：考虑泡沫空间，计算糖化一次麦汁的量，即可

确定发酵槽的总体积V：

Vo——糖化一次麦汁量

Z——一个发酵槽容纳一次麦汁的倍数。

φ——装液系数，取0.8~0.85后发酵槽后发酵槽又称储酒罐，作用是完成嫩啤酒继续发酵，饱和二氧化碳，促进啤酒的稳定、澄清和成熟。其容量应和啤酒过滤设备能力匹配。结构特点：

材料:以前用A3钢板,内涂防腐层.也有用铝板现多用复合钢板圆筒形金属容器：卧式和立式储酒罐的形式传统储酒罐后发酵槽数目的计算：若选定每个后发酵槽的容量后，根据后发酵槽的总有效容积，可确定后发酵槽数目（N）：后发酵槽的有效容积，主要根据啤酒的年产量、

啤酒的品种、贮酒期(酒龄)确定后发酵槽的全体积计算：若已知每个后发酵槽的有效体积(Vs)和该槽的装填系数，则可以确定后发酵槽的全体积(V0)：现代啤酒发酵设备目前圆筒体锥底罐在露天大罐工艺中使用最为普遍．简称露天锥形发酵罐。巴氏消毒成品包装熟啤酒生啤啤酒的整体工艺流程啤酒的整体工艺模型一、圆筒体锥底罐

又简称锥形罐最大特点在于大型化，容积从100-600M3(国内也有小型60M3)应用最广泛能缩短发酵时间，且具有生产上的灵活性。造价最高1.锥形罐的外型特点外筒体蝶形或拱形盖，锥形体底，罐筒体壁和锥底装有各种形式的冷却夹套。筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。

对单酿罐一般是D：H＝1：1~2;

对两罐法的发酵罐D：H＝1：3~4，对两罐法的贮酒罐D：H＝1：1~2,也有采用直径为3~4m的卧式圆简体罐作贮酒罐。增加高度（H）有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。发酵罐锥底角:考虑到发酵中酵母自然沉降最有利，取排出角为73~75˚(一定体积沉降酵母在锥底中占有最小比表面积时摩接力最小).贮酒罐锥底角:因沉淀物很少，主要考虑材料利用率常取锥角为120~150˚。2.罐材料大型锥形罐均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。啤酒是酸性液体，能造成铁的电化学腐蚀，啤酒发酵时产的H2S、SO2对铁材料会造成氧化还原腐蚀。3.冷却夹套•先进的锥形罐均采用换热片式(爆炸成型)一次性冷媒直接蒸发式换热，一次性冷媒(如氨蒸发温度为-3~-4℃)蒸发后的压力在1.0MPa~1.2MPa，也就是说换热片需耐高压。•发酵罐或单酿罐内的冷却夹套一般分成三段，上段距发酵液面15cm向下排列，中段在筒体的下部距支撑裙座15cm向上排列，锥底段尽可能接近排酵母口，向上排列。4.隔热层和防护层•隔热层材料应具有：导热系数低、体积质量低、吸水小、不易燃等特性。

啤酒锥形罐隔热层常用如下材料：

聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料，采用上述两种绝热材料只需厚度150~200mm。膨胀珍珠岩粉和矿渣棉价格低，因吸水性大需增加厚度200~250mm。外防护层：一般采用0.7~1.5mm厚的合金铝板或0.5~0.7mm的不锈钢板，特别是瓦楞型板更受欢迎5.罐主要附件•在上中下三段冷却介质进口位置下装智能型铂温度传感器。•在圆筒形下部装可清洗取样阀。•罐顶部应有安全阀、真空破坏阀。•在液面上150mm装有CIP装置。•还应装上视镜、灯镜、空气和二氧化碳排出管等装置。•锥底有直径500mm的快开人孔。如做单酿罐应具有深入锥底800-1200mm的出酒管和排酵母底阀及四通视镜。啤酒锥形罐的优点•加速发酵，锥形发酵罐发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦汁)和酵母对流获得强化，可加速发酵。•厂房投资节省。•冷耗节省。•锥形发酵罐发酵可依赖CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。6.圆筒体锥底发酵罐的优缺点啤酒锥形罐的缺点由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比传统低(只能使用5~6代)；贮酒时，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤必须强化；若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要5~7d以上，短期贮酒不能保证温度一致。二、联合罐又称通用罐（适用前酵后酵或多罐法/一罐法）结构特点（1）浅锥底、大直径发酵罐

（高径比:1:1~1.3）（2）罐体耐压

（0.0703MPa）（3）材料:普通钢板+涂料或不锈钢用途：与发酵罐相同，既用于前后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产。主体：是一个圆柱体。由带人孔的薄壳垂直圆柱体，拱形顶有足够斜度、锥底所组成；罐体采用１５ｃｍ厚的保温层。搅拌：可用机械搅拌，也可以通过对罐体的精心设计达到同样的搅拌作用。三、朝日罐又称朝日单一酿槽（前酵后酵合一的室外大型发酵罐）高径比1~2:1罐材:4~6mm不锈钢板主要特点：（1）利用离心机回收酵母（2）薄板换热器控制温度（3）利用循环泵抽送发酵液

(4)发酵时罐的装量达９６％，

提高设备利用率。CIP清洗系统CIP系统是CleanInPlace的简称，

即内部清洗系统（自动化的喷洗装置）。下图是两个容积为800m3，安装在室外的发酵罐的CIP清洗系统的联接流程。CIP清洗系统流程CIP清洗系统啤酒罐内胆啤酒罐啤酒罐外部小型啤酒发酵车间小型发酵车间小型试验车间銅製糖化鍋精美的糖化室德国德国慕尼黑皇家啤酒屋.武汉新天地-海归博士后打造正统德国巴伐利亚啤酒屋-邬红华第三节连续发酵设备连续发酵：

在发酵罐内连续不断的流加培养液，同时又连续不断的排除发酵液，使发酵罐内微生物一直维持在生长加速期，同时又降低了代谢产物的积累，缩短了发酵周期，提高了设备的利用率，这种发酵方式称为连续发酵。

优点：

（1）培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，从而保证产品质量的和产量的稳定；（2）发酵周期短，设备利用率和产量较高，节省人力和物力以及生产管理稳定，便于自动化生产等优点。一、酒精连续发酵流程上世纪50~70年代开始,首先在糖蜜原料实现连续发酵,然后是淀粉原料酒精连续发酵。连续发酵可持续时间20d发酵液酵母数维持0.6~1.0亿/ml时,发酵周期34h。发酵液酒精含量达到9%~10%,发酵率85%淀粉质原料连续发酵工艺流程淀粉质原料连续发酵流程

(1)

操作开始：糖液及酵母同时加入1-3罐至满，停止加酵母，继续加糖液，开底部阀使发酵液流入4号，4号流入5号，至9号结束，周期32小时，10、11号为贮存计量罐，轮用。(2)操作结束：换罐（换种），停止流加糖液，关1号二氧化碳阀，泵转入2号，1号消毒并加新种新料重新开始，1号满时，2号经泵排尽并消毒好，1号流入2号，如止下去，20天换种一次。(3)

1-3号罐为流加罐，始终处于主发酵状态，在这一阶段中酵母处增殖阶段，并同时随着发酵醪中的淀粉和糊精继续被糖化而后几个罐则起后发酵的作用。10、11号为计量罐。

连续发酵流程：塔式和多罐式使用连续发酵的啤酒厂：

新西兰啤酒厂（三罐和四罐）

英国（塔式罐）

上海啤酒厂（塔式罐）连续发酵缺点：

双乙酰含量高

微生物变异染菌二、啤酒连续发酵流程塔式连续发酵是上世纪60年代英国APV公司开始设计,又称APV连续发酵流程右图为啤酒塔式连续发酵流程

主要设备：塔式发酵罐

塔身直径1.8m,高15m

塔底锥角60˚

罐容积45M3国内某厂啤酒塔式发酵罐

冷却：将麦芽汁冷却到20-21℃；装量：1号发酵罐26m3，2号发酵罐26m3，3号分离罐14m3；麦汁流速：每小时2.4m3；温度：1号21℃，2号24℃，3号3-7℃；麦汁停留时间：每罐停留时间10-13h；酵母浓度：1号5.4*107个/ml，2号6*107个/ml，3号2*107个/mlpH：1号4.0，2号3.9

三罐式啤酒连续发酵流程第一节植物组织（细胞）培养反应器

植物细胞培养过程的特点

植物细胞培养反应器植物组织培养反应器细胞与组织培养

细胞培养和组织培养都属于体外培养是指生物细胞和组织在离体条件下的生长和增殖，是细胞工程的最基本技术。

试管植物一、植物细胞培养过程的特点柑橘的组织培养植物细胞培养技术在人工控制下高密度大量培养有益植物细胞技术称之为植物细胞大规模培养，其目的在于通过细胞工业规模培养，获得细胞、初级及次级代谢产物，为药品、食品及化工行业提供服务。尽管植物细胞实验室与工业化培养在技术上有许多相似之处，但培养方式、设备及条件和培养基等亦有很大差别。植物细胞培养流程蝴蝶兰试管苗工厂化生产

植物细胞培养过程的特点二、植物细胞培养反应器悬浮细胞培养反应器机械搅拌式反应器非机械搅拌式（气体搅拌式）反应器固定化细胞生物反应器填充床反应器流化床反应器膜反应器1.悬浮培养反应器机械搅拌反应器

日本最早1972培养烟草细胞获取尼古丁；下图是目前最大的植物细胞培养反应器装置植物细胞悬浮培养

一般认为，气体搅拌反应器结构简单、传氧速率高以及剪切力低，更适合于植物细胞培养，同时需结合植物细胞生长代谢特性对其加以改造更适合植物细胞的培养。非机械搅拌式(气体搅拌式)反应器非机械搅拌（气体搅拌）反应器类型鼓泡式反应器气升式反应器（内循环和外循环）气体搅拌式反应器的优缺点非机械搅拌反应器的应用

韩国KBT植物细胞反应器

很多研究表明，气体搅拌反应器尤其是气升搅拌反应器十分适合植物细胞培养与次级代谢产物的生成。我国八五期间发明气升内错流反应器生产紫草宁，细胞量达12gdw/L，紫草宁含量达细胞干重的10%，是天然植株含量的2~8倍。下图是新疆紫草细胞培养流程

紫草细胞培养紫草种子无菌幼根LS培养基愈伤组织诱导培养悬浮细胞悬浮培养细胞增殖培养一级培养2.固定化细胞生物反应器填充床反应器流化床反应器1—旋风分离器2—筒体扩大段3—催化剂入口4—筒体5—冷却介质出口6—换热器7—冷却介质进口8—气体分布板9—催化剂出口10—反应气入口

流化床反应器：固体颗粒被流体吹起呈悬浮状态，可作上下左右剧烈运动和翻动，好象是液体沸腾一样，故流化床反应器又称沸腾床反应器。通过流体的上升运动使固体颗粒维持在悬浮状态进行反应，适合于固定化细胞的培养。流化床反应器示意图膜反应器中空纤维生物反应器中空纤维反应器的构造中空纤维生物反应器的用途用途较广，既可用于悬浮细胞的培养，又可用于贴壁细胞的培养。螺旋式卷绕反应器三、植物组织培养反应器发状根大规模培养小植物的大规模快速繁殖发状根大规模培养

由根农杆菌感染双子叶双子叶植物形成的发状根—新的培养系统发状根生长迅速、遗传性稳定、生化特性不易改变、易于遗传操作

传统药材（根部）：人参、丹参、甘草等。发状根大规模培养流化床反应器培养黄花蒿发状根内环喷雾生物反应器培养马铃薯无菌芽小植物的大规模快速培养从两条不同途径考虑采用组织培养反应器进行植物的快速繁殖。形成不定芽的途径从植株茎尖诱导不定芽后，在反应器大规模培养不定芽或不定根。形成胚状体的途径从植株外植体诱导胚性愈伤组织得到体胚，然后在反应器内大规模培养体胚，最终制成人工种子。自1981年报道培养矮牵牛后，已进行草莓、香蕉苗、百合、兰花、唐菖蒲等的茎、芽、微小块茎、球茎、体细胞、小植物和合成种子的大规模培养，规模达1000L。应用大规模悬浮培养来快速繁殖植物是继试管繁殖后又一十分有用的技术

华南理工大学和中科院华南植物所合作开发适合香蕉高经济作物的浅层循环式植株快速繁殖器，获得实用新型专利。浅层循环式植株快速繁殖器双层板径向流生物反应器培养唐菖蒲原球茎发菜管道光生物反应器第二节动物细胞培养反应器动物细胞培养方法动物细胞培养的操作方式动物细胞大规模培养反应器动物细胞大规模培养技术的应用

20世纪70年代以来基因工程和杂交瘤技术的迅速发展，通过动物细胞培养可得到许多与人类健康和生存有关的生物技术产品如病毒疫苗、干扰素，诊断试剂、治疗蛋白等高新技术产业。动物细胞体外培养有明显的优势。为传统的微生物发酵技术无法代替。应用细胞工程技术大规模培养动物细胞生产各种生物活性物质是一种比较经济可靠的技术。不完全统计，世界上有10000多个实验室，400家工厂生产生物技术产品的研究代表性培养装置：气升式深层培养系统、微载体、大载体、微囊以及中空纤维培养系统。扩大

贴壁依赖性细胞：

大多数动物细胞，需附着在带正电荷的固体或半固体表面生长（多采用贴壁培养）

非贴壁依赖性细胞：

源于血液、淋巴、肿瘤细胞（多采用悬浮培养）

体外培养的动物细胞类型

贴壁依赖性细胞非贴壁依赖性细胞（悬浮细胞）高密度低密度一、动物细胞培养方法1.贴壁培养贴壁培养装置

大多数动物细胞如Hela,Vero,BHK,CHO等常采用的细胞系的常用培养设备：滚瓶

滚瓶培养装置优点：结构简单，投资少，技术成熟，重现性好，扩大培养简单，增瓶。缺点：劳动强度大，表面积小，占用空间大，体积细胞产率低，监控环境条件限制。2.悬浮培养细胞在培养器中自由悬浮生长的过程.

非贴壁依赖性细胞的培养（杂交瘤细胞）

悬浮培养的优点：•传代时不需要再分散，只需按比例稀释后即可继续培养。•细胞增殖快，产量高，培养过程简单，是大规模

养动物细胞的理想模式。在动物体中只有少数种类的细胞适于悬浮培养(没有细胞壁、不耐剧烈的通气和搅拌)3.固定化培养固定化培养特点采用包埋培养，适合两类细胞培养细胞生长密度高,抗剪切力和抗污染力强对非贴壁依赖性细胞,采用海藻酸钙包埋对贴壁依赖性细胞,采用胶原包埋.无论悬浮培养还是贴壁培养，从操作方式可分为：分批式操作流加式操作半连续式操作:反复分批式培养,换液培养连续式操作灌注式操作二、细胞培养的操作方式三、动物细胞大规模培养反应器动物细胞培养反应器类型通气搅拌式细胞培养反应器气升式动物细胞培养反应器中空纤维细胞培养反应器微囊培养系统大载体系统微载体系统通气搅拌式细胞培养反应器传统机械搅拌悬浮培养生物反应器优点：混合性能好传氧效率高操作弹性大可用于细胞高密度培养；缺点：剪切力大。原始笼式通气搅拌器气泡用丝网隔开，避免在向培养基通气时损伤细胞。同时采用微载体系统培养时，微载体不会被由于通气所产生的泡沫滞留气液界面。笼式通气搅拌细胞培养反应器

工作原理:反应器运转时，圆筒以30-60r/min的速度转动，由于离心力的作用，搅拌器中心管内产生负压，使搅拌器外培养基流入中心管，沿管螺旋上升，再从导流筒口排出，从搅拌器外沿下降，形成循环流动。在气腔内气体由分布管鼓泡，气体溶于液体中，依靠气腔丝网外液体的循环流动及扩散作用，使溶于液体中的气体成分均匀地分布到反应器内。笼式通气搅拌细胞培养反应器笼式通气搅拌反应器的优缺点：优点：避免向培养基直接通气时气泡损伤细胞，没有移动部件，密封好，氧转换率较高，便于放大。缺点：氧传递系数小，不能满足高密度培养的耗氧；气路系统不能就地灭菌。

反应器适用范围:

悬浮培养：非贴壁依赖性细胞和贴壁于微载体的贴壁细胞气升式动物细胞培养反应器与微生物及植物细胞培养的反应器结构相同阶梯式培养系统：滚瓶1L接种10L罐，2~3d，106/ml，接种100L，为1000L罐准备种子从10~1000L需17天时间，生产单克隆抗体100g。英国的Celltech公司首先采用气升式动物细胞培养反应器培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体，工艺流程如图：气升式动物细胞培养反应器优点没有移动部件完全密封便于无菌操作不易污染设计简单便于放大生产氧的转换率高等较好满足了该培养系统中细胞生长时所需的要求。中空纤维细胞培养反应器中空纤维细胞培养反应器的优缺点优点培养体积小，细胞高密度生长有浓缩产品的功能产物纯度高自动化程度高，细胞生长周期长缺点

中空纤维价格昂贵，生产成本高。微囊培养系统上世纪70年代，lin和Sun把生物活性物质、完整活细胞或组织包在薄的半透膜中，即称为微胶囊技术。

操作过程如下：

1.4%海藻酸钠氯化钙囊内细胞得到充分的营养，获得高达1.4x108/ml的细胞密度。细胞密度大，分泌物产量高。培养周期为2～3周。抗体浓度达110mg/ml，为常规培养的50～100倍微囊培养系统的特点细胞密度大；产物单位体积浓度高；分离纯化操作经济简便；抗体活性、纯度好。但微囊技术成功率一般只有50％左右，培养液用量大；囊内部分死亡细胞对产物的污染；这些问题还有待进一步研究改进。大载体系统美国Bellco生物工程公司新设计的大载休培养系统如图：配有先进的主要部件．如溶解氧、pH测定以及培养液输入和产物的收获均由微机程控调节。制作过程：

大载体制作大载体培养系统的优点操作控制方便，可随机取样检测；附着细胞密度高；消耗用品价格低廉，产物收获量大，有明显经济效益。但该系统不具有细胞分泌产物的浓缩装置。我国1987年引进上述大载体培养系统，生产单克隆抗体作为人血型定型。微载体培养方法将动物细胞吸附于微载体表面，在培养液中进行悬浮培养，使细胞在微载体表面长成单层的培养方法称为微载体培养法或微珠培养法。制备微载体的材料主要有：–葡聚糖（DEAE-SephadexA50及A25）–塑料–明胶–玻璃–纤维素不同微载体微载体培养系统原理用固体小颗粒作为载体，细胞在载体的表面附着，通过连续搅拌悬浮于培养液中，并形成单层生长、繁殖。随着细胞附着面的扩大，细胞能充分利用生长空间和营养液，提高细胞生产效率和产量。微载体悬浮培养系统动物细胞微珠培养装置微载体悬浮培养反应器微载体细胞培养反应器微载体培养系统优点具有较高的表面积体积比生长环境均一，条件易于控制，放大容易；兼具贴壁培养和悬浮培养的优势，而且是均相培养；取样和细胞汁数简单；细胞和培养液易于分离；大规模培养只需对微生物搅拌式或气升式培养系统稍加改进即可适合于培养原代细胞、二倍体细胞株，它对生产重组产品来说是必不可少的有效方法。流感疫苗的大规模生产(A)细胞培养(B)离心分离(C)超滤、洗滤。大规模微载体培养Vero细胞生产流感疫苗四、动物细胞大规模培养的应用疫苗干扰素单克隆抗体其他基因重组产品动物细胞培养存在的问题•细胞密度低，细胞生产率低，产物浓度也很低•细胞群体在大规模、长时间培养过程中分泌产物能力的丢失或产物活性的降低依然是细胞培养领域深感棘手的问题。•动物细胞培养基，培养设备以及培养用微载体颇为昂贵，限制了细胞培养工程在发展中国家的开展。动物细胞培养发展的总方向大型化、自动化、精巧化、低成本、高细胞密度、高目的产品产量。–开发能高密度生长、能分泌大量目标产品的细胞系–开发细胞生长性能优良、解离细胞容易，并能重复

使用的新型廉价微载体。–研制更大规模的高无菌条件的生物反应器和剪切力小、混合性能良好的新型搅拌系统。–传感器、自动控制技术的应用–开发新型无血清培养基第三节微藻培养反应器螺旋藻(Spirulina)小球藻(Chlorella)杜氏藻(Dunaliella)

一、微藻生物技术的优越性光能利用率高；易收获和加工；商品价值高；繁殖快螺旋藻小球藻杜氏藻螺旋藻商品二、微藻大规模培养的特点微藻培养过程要有足够的光照；必须供应大量的CO2，同时要把产生的O2排出；其除了要进行气液、液固传递外，还需

在轴向充分混合，以保证受光均匀；因大多为海水培养，对设备的腐蚀严重。三、微藻大规模培养反应器跑道池池深10~30cm，面积最大达几千m2特点：培养效率低，条件不易控制，易染菌，生产周期短。

浆板轮敞开式培养反应器微藻敞开式培养反应器优点：成本低、建造容易、操作简单、易于生产。缺点：培养效率低、培养条件无法控制、易受污染、水分易蒸发、光能利用率低。微藻封闭式光培养反应器优点：培养效率高、培养条件易于控制、污染少、生产周期延长、适用于所有藻类的培养。封闭式光培养反应器主要类型管道式光培养反应器圆筒形光培养反应器扁平箱式光培养反应器浅层槽式反应器浅层溢流光培养反应器光纤光培养反应器管道式光培养反应器培养过程反应器结构：透明塑料管弯曲排列成跑道或环绕成圆筒等形式。特点：CO2利用率高，关照充分，但培养物混合困难，循环系统的剪切力大。控制系统下游加工部分培养基测光探头泵过滤器流量计空气泵安全瓶CO2钢瓶浅层溢流光培养反应器工作过程反应器结构：扁平箱，内设一层层交叉分布的隔板，隔板一端有挡板，可形成浅液层，藻细胞可向各个方向湍动。特点：光照表面积与体积之比大，光利用率高，占地面积小，气液混合均匀。反应器空气过滤器溢流喷射器贮槽热交换器要对生化过程进行有效的操作和控制，首先要了解生化过程的状态变化，也就是要了解生化过程的各种信息。这些信息可以分为物理变量信息、化学变量信息、以及生物变量信息。第一节生化过程主要检测的参变量检测的目的；有多少必须检测的状态参数，这些参变量能否测量检出?能测定的参数可否在线检测，其响应滞后是否太大?从状态参数的检测结果，如何判断该生物反应器及生物细胞本身的状态；反应系统中需控制的主要参变量是什么?这些需控制的参变量与生物反应效能如何相关对应?生物反应过程检测的基本要求过程检测参数的类型物理参数温度、压力、搅拌器转速、动力消耗、通气量、流加物料量、料液总质量、料液体积、发酵液黏度、流动特性、放热量、添加物质的累积量化学、生物参数氧化还原电位、DO、DCO2浓度、尾气氧分压和PCO2分压、KLa、菌体浓度、细胞内物质组成、碳源、氮源、金属离子、诱导物质、目的代谢产物、副产物等的浓度、酶的比活力、各种比速率、呼吸熵物理参数的作用与检测方法化学、物理参数的作用与检测方法比生长速率1.温度

不同的生物细胞，均有最佳的生长温度或产物生成温度，而酶也有最适的催化温度，所以必须使反应体系控制在最佳的发酵反应温度范围。一、物理参数典型啤酒发酵温度曲线2.压强

对通气生物发酵反应，必须往反应器中通入无菌的洁净空气，一是供应生物细胞呼吸代谢所必须的氧，二是强化培养液的混合与传质，三是维持反应器有适宜的表压，以防止外界杂菌进入发酵系统。对气升式反应器，通气压强的适度控制是高效溶氧传质及能量消耗的关键因素之一。3.通气量

不论是液体深层发酵或是固体通风发酵，均要连续（或间歇）往反应器中通入大量的无菌空气。为达到预期的混合效果和溶氧速率，以及在固体发酵中控制发酵温度，必须控制工艺规定的通气量。过高的通气量会引起泡沫增多，水分损失太大以

及通风耗能上升等不良影响。

通气量和pH对苹果酸发酵的影响4.液位液位的高低决定了反应器装液系数即影响生产效率；对通风液体深层发酵，初装液量的多少即液位的高低需按工艺规定确定，否则通入空气后发酵液的含气率达一定值，液面就升高，加之泡沫的形成，故必须严格控制培养基液位。对气升内环流式反应器，由于导流筒应比液面低一适当高度才能实现最佳的环流混合与气液传质，但在通气发酵过程中，排气会带出一定水分，故反应器内培养液会蒸发减少，因此液面的检测监控更重要，必要时需补加新鲜培养基或无菌水，以维持最佳液位。连续发酵过程液位必须维持恒定，液面的检测控制也十分重要。5.搅拌转速与搅拌功率搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、产物的生成、搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器，当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的搅拌功率也越大。在完全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转速的三次方成正比。某些生物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。搅拌功率与搅拌转速的关系，是机械搅拌通气发酵罐的比拟放大基准。6.泡沫高度发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主要的是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、菌体、糖类以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡沫层。7.培养基流加速度对生物发酵的连续操作或流加操作过程，均需连续或间歇往反应器中加入新鲜培养基，且要控制加入量和加入速度，以实现优化的连续发酵或流加操作，获得最大的发酵速率和生产效率。流加培养8.黏度（或表观黏度）培养基的黏度主要受培养基的成分及浓度、细胞浓度、温度、代谢产物等影响。发酵液的黏度（或表观黏度）对溶液的搅拌与混合、溶氧速率、物质传递等有重要影响，同时对搅拌功率消耗及发酵产物的分离纯化均起着重要作用。二、化学参数1.pH每一种生物细胞均有最佳的生长增殖pH值，细胞及酶的生物催化反应也有相应的最佳pH范围。在培养基制备及产物提取、纯化过程也必须控制适当的pH。因此生物反应生产对pH的检测控制极为重要。2.溶氧浓度和氧化还原电位好气性发酵过程中，液体培养基中均需维持一定水平的溶解氧，以满足生物细胞呼吸、生长及代谢需要。溶解氧水平和溶氧效率往往是发酵生产水平和技术经济指标的重要影响因素。对一些亚好氧的生物发酵反应如某些氨基酸发酵生产，在产物积累时，只需很低的溶解氧水平。这样低的溶解氧浓度使用氧化还原电极电位计（ORP仪）来测定微小的溶氧值。谷氨酸发酵溶氧变化3.发酵液中溶解CO2浓度对通气发酵生产，由于生物细胞的呼吸和生物合成，培养液中的氧会被部分消耗，而溶解的CO2含量会升高。对大部分的好氧发酵，当发酵液中溶解CO2浓度增至某值时，就会使细胞生长和产物生成速率下降。图7-1谷氨酸发酵的代谢曲线4.呼吸代谢参数微生物的氧利用速率、二氧化碳释放速率、呼吸熵.氧利用速率（OUR）二氧化碳释放速率（CER）呼吸熵（RQ）（假设流出反应器的气体流量与空气流入量相等，空气中氧浓度为21%，二氧化碳的浓度为零，测量到排出气体的氧浓度为O2出%，二氧化碳的浓度为CO2出%，则由气相物料平衡计算可得上式）5．氧比消耗速率（rO2）氧比消耗速率称为菌体的呼吸强度，即每小时每单位重量的菌体所消耗的氧的数量，其单位为毫克分子氧/克干菌体小时。1.细胞浓度及酶活特性菌体的浓度与酶的活动中心密切相关。通过菌体干重的测定，可以了解生物的生长状态，从而控制和改变生产工艺或补料和供氧，保证达到较好的生产水平。酶做催化剂的生化反应，则酶浓度（活度）是必须检测监控的参变量。三、生物参数2.菌体形态菌体形态的变化也是反应它的代谢变化的重要特征。可以根据菌体的形态不同，区分出不同的发酵阶段和菌体的质量。3.菌体比生长速率(μ)每小时每单位重量的菌体所增加的菌体量称为菌体的比生长速率，单位为h-1。菌体的比生长速率与生物的代谢有关。比生长速率变化4.培养基质浓度和产物浓度培养液基质浓度则是发酵转化率及产物得率的重要衡量。掌握了发酵液中的产物浓度，就可确定发酵的进程以及决定发酵是否正常及是否需要结束发酵。基质与产物浓度的检测、控制对各种发酵均是必要的。第二节生化过程常用检测方法、仪器

及应用

一、检测方法及仪器组成在线检测离线检测

研究微生物生长过程所需要的检测参数大多是通过在反应器中配置各种传感器和自动分析仪来实现的。这些装置能把非电量参数转化为电信号，这些信号经适当处理后，可用于监测发酵的状态、直接作发酵闭环控制和计算间接参数。发酵过程对传感器的要求发酵过程对传感器的常规要求为准确性、精确度、灵敏度、分辨能力要高，响应时间滞后要小，能够长时间稳定工作，可靠性好，具有可维修性。必须考虑卫生要求，发酵过程中不允许有其他杂菌污染。一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌，不耐受蒸汽灭菌的传感器可在罐外用其他方法灭菌后无菌装入。要求传感器与外界大气隔绝，采用的方法有蒸汽汽封、O形圈密封、套管隔断等。应选用不易污染的材料如不锈钢，防止微生物附着及干扰，便于清洗，不允许泄漏。传感器只与被测变量有关而不受过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力，如抗气泡及泡沫干扰等。采用灭菌的微孔陶瓷管或渗透膜管置反应器内，可连续在线无菌取样检测对于挥发性物质的检测，如酒精发酵过程中的乙醇含量测定，可采用微孔管在线取样检测法疏水性聚四氟乙烯微孔管：水不可透过，发酵液中挥发成分（乙醇）可透过二、主要参数检测原理及应用1.温度的测量常用工业温度检测仪表有热电阻检测器（RTD）、半导体热敏电阻、热电偶和玻璃温度计等。其中热电阻是中低温区最常用的温度检测元件，具有性能稳定、测量精度高、在中低温区输出信号大、信号可以远传等优点。2.溶氧浓度的检测溶氧电极法体积溶氧系数(Ｋla)的测量

用溶氧电极与氧气分析仪相配合，可直接测

量实际发酵液中的Ｋla

（式中Ｃ进，Ｃ＊为常量：Ｃ出可用氧气分析仪自排出气体测得，Ｃ为培养液中的溶氧浓度用溶氧电极测得）3.pH值的测量为了测量pH值，需要一个测量电极和一个参比电极，其工作原理是利用玻璃电极与参比电极浸泡于某一溶液时具有一定的电位差，其pH可表示为：pH现在一般采用复合电极。在复合电极中，玻璃电极由参比电极包裹着。温度对pH值的准确测量有很大的影响，为了补偿温度的影响，在pH复合电极中加一温度敏感元件，从而构成测量电极、参比电极和温度传感元件三位一体的三合一电极，对环境温度有很好的补偿作用。复合电极结构溶氧电极4.氧化还原电位（ORP）测定ORP的检测原理是基于溶液中的金属电极上进行的电子交换达到平衡时，具有相应的氧化还原电位值,与pH和温度有关。表示