发酵设备与反应器

第 八 章 发 酵 设 备 与 反 应 器 生 物 反 应 过 程 示 意 图 一 生 物 反 应 器 概 述二 微 生 物 细 胞 反 应 器 发 酵 罐三 发 酵 罐 的 放 大 v生 物 反 应 器 ： 是 利 用 酶 或 生 物 体 （ 如 微 生物 ） 所 具 有 的 生 物 功 能 ， 在 体 外 进 行 生 化反 应 的 装 置 系 统 。一 生 物 反 应 器 概 述v生 物 反 应 器 的 作 用 ： 为 生 物 反 应 提 供 一 个体 外 优 化 的 物 理 、 化 学 环 境 ， 以 获 到 更 多需 要 地 生 物 量 或 代 谢 产 物 。 酶 反 应 器 光 合 生 物 反 应 器 开 发 发 酵 罐 二 微 生 物 细 胞 反 应 器 发 酵 罐 v发 酵 罐 ： 微 生 物 细 胞 反 应 器 ， 是 为 微 生 物生 长 和 产 物 形 成 提 供 良 好 环 境 的 容 器 。 v按 微 生 物 对 氧 的 需 求好 氧 发 酵 罐厌 氧 发 酵 罐 （ 一 ） 好 氧 发 酵 罐 机 械 搅 拌 式 发 酵 罐 机 械 搅 拌 式 发 酵 罐 （ 通 用 型 发 酵 罐 ）大 型 发 酵 罐 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 搅 拌 通 风 发 酵 罐 占 主 导 地 位 ， 约 为 总发 酵 罐 的 。 v发 酵 罐 的 结 构罐 体搅 拌 装 置 和 挡 板传 热 装 置通 气 部 分进 出 料 口测 量 控 制 系 统附 属 系 统 1 罐 体型 式 ： 圆 柱 体 、 椭 圆 形 或碟 形 封 头 焊 接 而 成容 积 ： 实 验 室 0 .5-50L， 中试 罐 200-500L， 生 产 上0.5m3-600m3.材 质 ： 实 验 室 为 玻 璃 钢 和不 锈 钢 ； 工 厂 为 不 锈 钢 与碳 钢受 压 容 器 ： 通 常 灭 菌 的 压力 0.25MPa 2 搅 拌 装 置作 用 ： 打 碎 气 泡 ， 使 氧 溶 解 于 发 酵 液 中 ； 增加 接 触 界 面 ； 延 长 气 液 接 触 时 间 ； 有 利 于 传质 传 热 。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 径 向 式 轴 向 式 搅 拌 器螺 旋 桨 式 桨 叶 式 径 向 式 （ 涡 轮 式 ） 搅 拌 器平 叶 弯 叶 箭 叶 v相 同 半 径 、 转 速 时 ， 功 率 消 耗 ：平 叶 弯 叶 箭 叶v相 同 搅 拌 功 率 下 ， 三 者 的 粉 碎 气 泡 的 能 力 ： 平 叶 弯 叶 箭 叶v相 同 搅 拌 功 率 下 ， 翻 动 流 体 的 能 力 ： 箭 叶 式 弯 叶 平 叶 3 挡 板作 用 ： 防 止 液 面 中 心 产 生 漩 涡 ， 改 变 液 流 的方 向 ， 促 使 液 体 激 烈 翻 动 ， 增 加 溶 解 氧5.0)12.01.0()( ZD DZDW式 中 : D 罐 的 直 径 Z 挡 板 数 W 挡 板 宽 度 通 常 挡 板 宽 度 取 （ 0.1-0.12） D， 装 设 4-6块 即可 满 足 全 挡 板 条 件 （ 所 谓 “ 全 挡 板 条 件 ” 是指 在 一 定 转 速 下 再 增 加 挡 板 或 其 它 附 件 而 搅拌 功 率 仍 保 持 不 变 ， 漩 涡 基 本 消 失竖 立 的 列 管 ， 排 管 等 也 可 以 起 挡 板 作 用 ， 故一 般 具 有 冷 却 列 管 或 排 管 的 发 酵 罐 内 不 另 设挡 板挡 板 的 长 度 自 液 面 起 到 罐 底 为 止挡 板 与 罐 壁 之 间 的 距 离 为 （ 1/5-1/9） W， 避免 形 成 死 角 ， 防 止 物 料 与 菌 体 堆 积 。 4 轴 封作 用 ： 使 罐 顶 或 罐 底 与 轴 之 间 的 缝 隙 加 以 密封 ， 防 止 泄 露 和 污 染 杂 菌 。安 装 ： 旋 转 轴 与 设 备 之 间 5 传 热 装 置作 用 ： 实 消 时 预 热 和 冷 却 ， 发 酵 过 程 中 的 冷却 和 加 热型 式 ： 夹 套 、 竖 式 蛇 管 、 列 管5M3以 下 发 酵 罐 一 般 采 用 夹 套 冷 却大 型 发 酵 罐 一 般 采 用 蛇 管 或 列 管 ， 易 腐 蚀 或磨 损 穿 孔 夹 套 蛇 管 6 通 气 部 分作 用 ： 吹 入 无 菌 空 气 ， 使 空 气 均 匀 分 布形 式 ： 单 管 及 环 形 管 等常 用 的 为 单 管 式 ， 管 口 对 正 罐 底 中 央 ， 装 于最 低 一 挡 搅 拌 器 下 面 ， 管 口 与 罐 底 的 距 离 约40mm， 气 速 20m/s空 气 分 布 器 7 消 泡 装 置作 用 ： 打 碎 泡 沫 ， 防 止 逃 逸长 度 ： 约 为 罐 径 的 0 65倍 。安 装 在 发 酵 罐 内 转 动 轴 的 上 部 或 安 装 在 发 酵罐 排 气 系 统 上 ， 可 将 泡 沫 打 破 或 将 泡 沫 破 碎分 离 成 液 态 和 气 态 两 相 的 装 置最 简 单 实 用 的 是 耙 式 消 泡 器 8 进 出 料 口进 料 口 ， 补 料 口 ， 罐 顶出 料 口 ， 罐 底9 测 量 控 制 系 统传 感 器10 附 属 系 统视 镜 、 取 样 管 等 pH电 极 溶 氧 电 极 2 气 升 式 发 酵 罐 （ ALR） v工 作 原 理 ： 把 无 菌 空 气 通 过 喷嘴 或 喷 孔 喷 射 进 发 酵 液 中 ， 通过 气 液 混 合 物 的 湍 流 作 用 而 使空 气 泡 分 割 细 碎 ， 同 时 ， 形 成的 气 液 混 合 物 含 由 于 气 量 多 的发 酵 液 密 度 降 低 上 升 ， 含 气 量少 的 发 酵 液 下 沉 ， 形 成 循 环 流动 ， 实 现 混 合 与 溶 氧 传 质 。 v气 升 式 反 应 器 与 机 械 搅 拌 通 风 反 应 器 的 不 同在 于 无 机 械 搅 拌v特 点反 应 溶 液 分 布 均 匀较 高 的 溶 氧 速 率 和 溶 氧 效 率剪 切 力 小 ， 对 生 物 细 胞 损 伤 小传 热 良 好结 构 简 单 ， 易 于 加 工 制 造 。 v气 升 式 反 应 器 有 多 种 形 式 ， 比 较 典 型 的 两 种形 式 气 升 内 环 流 发 酵 罐 气 升 外 环 流 发 酵 罐 v典 型 的 气 升 环 流 发 酵 罐 ICI压 力 循 环 气 升 发 酵 罐 v自 吸 式 发 酵 罐 吸 气 原 理搅 拌 器 空 心 叶 轮 转 动 时 由 于 离 心 力 把 液 体 甩出 ， 形 成 真 空 ， 产 生 负 压 ， 通 过 导 气 管 吸 入空 气发 酵 罐 外 的 空 气 通 过 过 滤 器 不 断 地 被 吸 入 ，随 即 甩 向 叶 轮 外 缘 ， 再 通 过 导 轮 （ 定 子 ） 使气 液 均 匀 分 布 甩 出 ， 使 气 液 充 分 混 合 。3 自 吸 式 发 酵 罐 优 点 ：不 必 配 备 空 气 压 缩 机 及 其 附 属 设 备 ， 节 约 投资 ；设 备 简 单 ， 溶 氧 速 率 高 ， 能 耗 较 低 ；用 于 酵 母 生 产 和 醋 酸 发 酵 生 产 效 率 高 ；设 备 便 于 自 动 化 、 连 续 化 ；缺 点 ：处 于 负 压 ， 因 而 增 加 了 染 菌 机 会转 速 高 ， 切 断 菌 丝 ， 影 响 代 谢 二 厌 氧 发 酵 罐v密 闭 厌 氧 发 酵 罐要 求 ： 能 封 闭 ， 能 承 受 一 定 压 力 ， 有 冷 却 设备 ， 罐 内 尽 量 减 少 装 置 ， 消 灭 死 角 ， 便 于 清洗 灭 菌酒 精 等 都 属 于 嫌 气 发 酵 产 物 ， 其 发 酵 罐 因 不需 要 通 入 无 菌 空 气 ， 因 此 在 设 备 放 大 、 制 造和 操 作 时 ， 都 比 好 气 发 酵 设 备 简 单 得 多 1 啤 酒 发 酵 设 备v近 年 来 ， 啤 酒 发 酵 设 备 向 大 型 、 室 外 、联 合 的 方 向 发 展 ， 迄 今 为 止 ， 使 用 的 大 型发 酵 罐 容 量 已 达 1500吨 。 v露 天 式 锥 底 发 酵 罐圆 筒 体 锥 底 立 式 发 酵罐 (简 称 锥 形 罐 )， 已广 泛 用 于 发 酵 啤 酒 生产 。 v设 备 外 形 特 点一 般 置 于 室 外罐 体 圆 柱 形 ， 罐 顶 椭 圆 封 头 ， 锥 形 体 底 。 锥底 角 取 排 出 角 为 7375， 对 于 贮 酒 罐 ， 常 取锥 角 为 120150 筒 体 直 径 (D)和 筒 体 高 度 (H)是 主 要 特 性 参 数。 单 酿 罐 一 般 是 D： H 1： 12。 对 两 罐 法的 发 酵 罐 D： H 1： 34， 对 两 罐 法 的 贮 酒罐 D： H 1： 12， 也 有 采 用 直 径 为 34m的卧 式 圆 简 体 罐 作 贮 酒 罐 。 增 加 H有 利 于 加 速发 酵 ， 降 低 H有 利 于 啤 酒 的 自 然 澄 清 。 v罐 材 料大 型 C.C.T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 生 的 H2S、SO2对 铁 材 料 会 造 成 氧 化 还 原 腐 蚀 。 v冷 却先 进 的 C.C.T均 采 用 换 热 片 式 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 1.0MPa1.2 MPa， 也 就 是 说 换 热 片 需 耐 高 压发 酵 罐 或 单 酿 罐 内 的 冷 却 装 置 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 。 v隔 热 层 和 防 护 层绝 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 C.C.T绝 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 。外 防 护 层 一 般 采 用 0.71.5mm厚 的 合 金 铝 板或 0.50.7mm的 不 锈 钢 板 ， 特 别 是 瓦 楞 型 板 更 受 欢 迎 。 vCIP清洗系统啤 酒 发 酵 罐 的 容 量 正 在 逐 步 增 大 ， 这 类 发 酵罐 大 部 分 安 装 在 室 外 ， 原 来 的 清 洗 方 法 已 不适 用 ， 必 须 采 用 自 动 化 的 喷 洗 装 置采 用 较 多 的 是 CIP清 洗 系 统所 谓 CIP系 统 ， 是 clean in place的 简 称 ， 意 即内 部 清 洗 系 统 。 v优 点发 酵 快 速易 于 沉 淀 收 集 酵 母减 少 啤 酒 及 苦 味 物 质 的 损 失改 善 泡 沫 稳 定 性 v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 56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 57d以 上 ， 短 期 贮 酒 不 能 保 证温 度 一 致 2 酒 精 发 酵 罐v酒 精 发 酵 罐 的 结 构 要 求满 足 酵 母 生 长 和 代 谢 的必 要 工 艺 条 件有 利 于 发 酵 液 的 排 出及 时 移 走 在 生 化 反 应 过程 中 将 释 放 的 生 物 热便 于 设 备 清 洗 、 维 修有 利 于 回 收 二 氧 化 碳 v酒 精 发 酵 罐 结 构圆 柱 形 ， 底 盖 和 顶 盖 均 为 碟 形 或 锥 形宜 采 用 密 闭 式 ， 便 于 回 收 二 氧 化 碳罐 顶 装 有 人 孔 、 视 镜 及 二 氧 化 碳 回 收 管 、 进料 管 、 接 种 管 、 压 力 表 和 测 量 仪 表 接 口 等罐 底 装 有 排 料 口 和 排 污 口 ， 大 型 发 酵 罐 ， 为了 便 于 维 修 和 清 洗 ， 往 往 在 近 罐 底 也 装 有 入孔罐 身 上 下 部 装 有 取 样 口 和 温 度 计 接 口 v发 酵 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 ， 罐 内 装 有 冷 却 蛇 管 或 罐 内 蛇 管和 罐 外 壁 喷 洒 联 合 冷 却 装 置为 避 免 发 酵 车 间 的 潮 湿 和 积 水 ， 要 求 在 罐 体底 部 沿 罐 体 四 周 装 有 集 水 槽 。 v酒 精 发 酵 罐 的 洗 涤过 去 均 由 人 工 操 作 ， 不 仅 劳 动 强 度 大 ， 而 且二 氧 化 碳 气 体 一 旦 末 彻 底 排 除 ， 工 人 入 罐 清洗 会 发 生 中 毒 事 故 。近 年 来 ， 酒 精 发 酵 罐 巳 逐 步 采 用 水 力 喷 射 洗涤 装 置 ， 从 而 改 善 了 工 人 的 劳 动 强 度 和 提 高了 操 作 效 率 。 大 型 发 酵 罐 采 用 这 种 水 力 洗 涤装 置 尤 为 重 要 。 大 型 酒 精 发 酵 罐 采 用 水 力 喷射 洗 涤 装 置水 力 喷 射 装 置 ： 由 一 根两 头 装 有 喷 嘴 的 洒 水 管组 成 ， 两 头 喷 水 管 弯 有一 定 的 弧 度 ， 喷 水 管 上均 匀 地 钻 有 一 定 数 量 的小 孔高 压 强 的 水 力 喷 射 洗 涤装 置 ： 是 一 根 直 立 的 喷水 管 ， 沿 轴 向 安 装 于 罐的 中 央 ， 在 垂 直 喷 水 管上 按 一 定 的 间 距 均 匀 地钻 有 4-6mm的 小 孔， v高 效 生 物 反 应 器 的 特 点 ：设 备 简 单 ， 结 构 严 密良 好 的 液 体 混 合 性 能 ， 较 高 的 传 质 、 传 热 速率易 于 放 大具 有 配 套 而 又 可 靠 的 检 测 及 控 制 仪 表 等 v判 断 生 物 反 应 器 好 坏 的 标 准 是 否 符 合 工 艺 要 求 ， 获 得 最 大 的 生 产 效 率 。 生 物 反 应 器 设 计 的 目 标 和 原 则v生 物 反 应 器 设 计 的 目 标 获 取 高 质 量 、 低 成 本 的 产 品 v生 物 反 应 器 设 计 的 原 则适 宜 的 径 高 比承 受 一 定 的 压 力满 足 溶 氧 需 求满 足 温 度 要 求尽 量 减 少 死 角尽 量 减 少 法 兰 连 接保 证 灭 菌 三 固 体 培 养 设 备 （ 自 学 ）v应 用 于 酱 油 与 酿 酒 生 产 ， 饲 料 蛋 白v自 然 通 风 发 酵 设 备v机 械 通 风 发 酵 设 备 四 动 、 植 物 细 胞 培 养 反 应 器 动 植 物 细 胞 培 养 是 指 动 物 或 植 物 细 胞 在 体外 条 件 下 进 行 繁 殖 ， 此 时 细 胞 虽 然 生 长 与 增多 ， 但 不 再 形 成 组 织 。 v动 植 物 细 胞 与 微 生 物 细 胞 的 区 别动 物 细 胞 无 细 胞 壁 ， 动 植 物 细 胞 对 环 境 影 响十 分 敏 感动 植 物 细 胞 对 培 养 基 的 营 养 要 求 相 当 苛 刻 ，并 且 生 长 缓 慢需 要 严 格 防 止 杂 菌 污 染 动 物 细 胞 与 微 生 物 细 胞 的 性 质 比 较 1 动 物 细 胞 培 养 反 应 器 v动 物 细 胞 培 养 方 法动 物 细 胞 培 养 方 法 贴 壁 培 养悬 浮 培 养固 定 化 培 养 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 ， 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 2 植 物 细 胞 培 养 反 应 器 植 物 细 胞 培 养 技 术 包 括 植 物 器 官 （ 根 、 枝叶 、 发 根 、 胚 和 冠 瘿 组 织 等 ） 、 组 织 、 细 胞以 及 原 生 质 体 培 养 ， 并 以 此 发 展 起 来 的 各 种植 物 细 胞 培 养 技 术 。 v植 物 细 胞 培 养 反 应 器固定化细胞培养悬浮培养植物细胞培养光生物反应器组合式反应器非机械搅拌反应器机械搅拌反应器悬浮培养反应器 膜反应器流化床反应器填充床反应器固定化细胞培养反应器 Stirred Tank Bioreactors 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 。 机 械 搅 拌 悬 浮 培 养 生 物 反 应 器 气 体 搅 拌 悬 浮 培 养 生 物 反 应 器 所 产 生 的 剪 切 力较 小 ， 结 构 简 单 。 其 主 要 类 型 有 鼓 泡 式 反 应 器、 气 升 式 反 应 器 等 气 体 搅 拌 式 反 应 器 。 气 体 搅 拌 悬 浮 培 养 生 物 反 应 器Air inletG as outletCulture mediumSieve plate Bubble Column Bioreactor 第 三 节 发 酵 罐 的 放 大 （ 自 学 ） 就 是 使 大 型 发 酵 罐 的 性 能 与 小 型 发 酵 罐 接近 ， 使 大 型 发 酵 罐 与 小 型 发 酵 罐 的 生 产 效 率 相似 。 v放 大 方 法经 验 放 大 法因 次 分 析 法数 学 模 拟 法 等 v经 验 放 大 法几 何 尺 寸 放 大 几 何 相 似 原 则 ： H1/D1 = H2/D2 = A 放 大 倍 数 ： m = V2/V1 H2 / H1 = D2 / D1= m1/3 H :反 应 器 的 高 度 ， m； D： 反 应 器 的 内 径 ， m； V： 反 应 器 的 体 积 ， m3； 下 标 “ 1” “ 2” ：模 拟 反 应 器 及 放 大 反 应 器 采 用 单 位 体 积 培 养 液 中 搅 拌 功 率 相 同 放 大 即 ： P/VL=常 数 不 通 气 发 酵 ： Po2 = Po1 * (d2/d1)3 Po： 不 通 气 搅 拌 功 率 ， W； d： 搅 拌 叶 轮 直 径 ，m； V： 发 酵 液 的 体 积 ， m3 采 用 单 位 培 养 液 的 通 气 搅 拌 功 率 相 等 的 原 则 即 ： （ Pg/VL） 2=（ Pg/VL） 1 Pg2 = Pg1 * (d2/d1)2.765 * (s2/s1)0.24 Pg： 通 气 搅 拌 功 率 ， W； ： 空 截 面 气 速 空 气 量 的 放 大 空 气 流 量 表 示 方 法 ：（ 1） 单 位 体 积 培 养 液 在 单 位 时 间 内 通 入 的 空 气量 ， 即 Qg/VL=VVM m3/(m3.min)（ 2） 操 作 状 态 下 的空截面速度（ s， m/h)） 两 者 的 换 算 关 系 ：VVM= spD2/27465.6 (VL)(273+t) (m3.m-3.min-1 ) p=(pt+9.81 104)+9.81HL/2p： 液 面 上 承 受 的 空 气 压 强 压 力 表 压 力 ， Pa；D： 发 酵 罐 直 径 ， m； VL： 发 酵 液 体 积 ， m3；HL： 发 酵 罐 液 柱 高 度 ， m；：发 酵 培 养 液 密 度 ， kg/m3; 1 以 单 位 培 养 液 体 积 中 空 气 流 量 相 同 的 原 则 放大 可 得 到 ： s2/ s1 =D2/D1=p1/p2 2 以 空 截 面 气 速 相 同 的 原 则 放 大 可 得 到 ： (VVM)2/ (VVM)1=( P2/P1) (D1/D2) 3 以 kLa值 相 同 的 原 则 放 大 可 得 到 ：n2=n1(s2/s1)0.23(D2/D1)0.53Po2=Po1(s2/s1)0.681(D2/D1)3.40Pg2=Pg1(s2/s1)0.967(D2/D1)3.667