发酵工程 第八章 发酵设备与反应器

第 八 章 发 酵 设 备 与 反 应 器 发 酵 设 备 与 反 应 器 生 物 反 应 器 的 分 类 及 设 计 目 标 和 原 则 微 生 物 细 胞 反 应 器 发 酵 罐 发 酵 罐 的 放 大 生 物 反 应 器 的 分 类酶 催 化 反 应 器细 胞 生 物 反 应 器 p按 所 用 的 生 物 催 化 剂 的 不 同 分 类 生 物 反 应 器 的 分 类 按 反 应 器 结 构 特 征 分 类 釜 式 、 管 式 、 塔 式 、 膜 式 等 类 型 生 物 反 应 器 的 分 类 根 据 细 胞 或 组 织 的 代 谢 要 求 厌 氧 生 物 反 应 器 好 氧 生 物 反 应 器 光 照 生 物 反 应 器 膜 生 物 反 应 器 反 应 器 的 设 计 目 标 和 原 则生 物 反 应 器 具 备 的 特 点 ：1 严 密 的 结 构 ；2 良 好 的 液 体 混 合 性 能 ；3 较 高 的 传 质 、 传 热 性 能4 结 构 简 单 、 能 耗 低5 配 套 而 又 可 靠 的 检 测 和 控 制 仪 表 生 物 反 应 器 设 计 遵 循 的 原 则 生 物 反 应 器 应 具 有 适 宜 的 径 高 比 应 承 受 一 定 的 压 力 有 搅 拌 通 风 装 置 的 反 应 器 应 能 使 气 液 固 三 相 充 分 混 合 ，满 足 物 料 必 须 的 溶 氧 需 求 反 应 器 应 有 恰 当 的 冷 却 装 置 和 冷 却 面 积 ， 满 足 生 物 体生 长 代 谢 过 程 中 的 温 度 要 求 反 应 器 应 尽 量 减 少 死 角 ， 消 除 藏 垢 积 污 场 所 ， 保 证 灭 菌 彻底 尽 量 减 少 法 兰 连 接 ， 防 止 因 设 备 震 动 和 热 膨 胀 ， 引 起 法 兰连 接 处 移 位 ， 造 成 污 染 保 证 灭 菌 工 作 的 顺 利 进 行 ， 培 养 系 统 中 已 灭 菌 部 分 与 未 灭菌 部 分 之 间 不 能 直 接 连 通 厌 氧 发 酵 罐 用 于 酒 精 、 啤 酒 、 丙 酮 丁 醇 等 嫌 气 发 酵 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 器 也 已 趋 向 大 容 量 发 展 ， 并 实 现 了 自 动清 洗 。 啤 酒 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 和 贮 酒间 内 的 贮 酒 罐 组 成 的 。 目 前 圆 筒 体 锥 底 罐 （ C.C.T)在 露 天 大 罐 工 艺 中 使 用 最 为 普遍 简 称 露 天 锥 形 发 酵 罐 。 圆 筒 体 锥 底 罐 （ C.C.T)的 结 构 及 特 点p C.C.T发 酵 最 大 特 点 在 于 大 型 化 ，容 积 从 100-600m3(国 内 也 有 60m3小 型 的 )。 1、 设 备 的 外 型 特 点 罐 体 圆 柱 形 ， 罐 顶 为 椭 圆 封 头 ， 罐 底 为 圆 锥 形 。 筒 体 直 径 (D)和 筒 体 高 度 (H)是 主 要 特 性 参 数 。 D： H 1：1.5-6。 增 加 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 一 般 为 60-130 考 虑 到 发 酵 中 酵 母 自 然 沉 降最 有 利 ， 以 70 为 好 。 2， 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 。 3、 冷 却 夹 套 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 ， (如 氨 蒸 发 )。 发 酵 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 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 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。 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 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 。 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 。 圆 筒 体 锥 底 发 酵 罐 的 优 点 加 速 发 酵 ， C.C.T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 。 C.C.T 发 酵 可 依 赖 CIP自 动 程 序 清 洗 消 毒 ， 工 艺 卫 生 更 易得 到 保 证 。 加 强 对 流 ： 发 酵 罐 底 部 产 生 CO2气 泡 上 升 ， 对 发 酵 液 拖 曳 力 大 在 发 酵 阶 段 ， 由 于 底 部 酵 母 细 胞 浓 度 大 于 罐 上 部 ， 底 部糖 降 快 ， 酒 精 生 成 快 ， 造 成 罐 上 、 下 部 间 密 度 差 而 造 成 对流 。 在 发 酵 时 控 制 罐 下 部 温 度 高 于 上 部 (差 1 2 )， 由 于 温差 引 起 热 对 流 ， 特 别 在 发 酵 后 期 第 一 、 二 推 动 力 减 小 后 ，温 差 对 流 更 能 发 挥 作 用 。 圆 筒 体 锥 底 发 酵 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 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 。 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 ； 罐 顶 装 有 废 汽 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 ； 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 。 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 好 氧 发 酵 设 备 大 多 数 的 生 化 反 应 都 是 需 氧 的 ， 通 风 发 酵 设 备 是 需 氧生 化 反 应 设 备 的 核 心 和 基 础 。 1 良 好 传 质 和 传 热 性 能 ， 培 养 基 流 动 与 混 合 良 好 ， 特 别是 溶 氧 性 能 ， 供 氧 速 率 通 常 被 认 为 是 在 生 物 反 应 器 的 选 择 和设 计 的 主 要 问 题 ； 2 结 构 严 密 ， 防 杂 菌 污 染 ， 是 必 须 保 证 的 条 件 ； 能 耗 低 ，运 转 经 济 性 好 ； 3 必 要 的 检 测 与 控 制 仪 表 ； 4 设 备 较 简 单 ， 方 便 维 护 检 修 。 通 风 发 酵 罐 的 类 型常 用 的 通 风 发 酵 罐 有 机 械 搅 拌 式 气 升 环 流 式 自 吸 式 鼓 泡 式 等 。 其 中 机 械 搅 拌 通 风 发 酵 罐 占 主 导 地 位 。 机 械 搅 拌 通 风 发 酵 罐 机 械 搅 拌 通 风 发 酵 罐 在 生 物 工 程 占 了 发 酵 罐 总 数的 70 80 。 又 常 称 之 为 通 用 式 发 酵 罐 。 这 类 发 酵 罐 大 多 用 于 通 风 发 酵 ， 靠 通 入 的 压 缩 无菌 空 气 和 搅 拌 叶 轮 实 现 发 酵 液 的 混 合 、 促 使 氧 在 醪 液中 溶 解 ， 以 保 证 供 给 微 生 物 生 长 繁 殖 ， 发 酵 所 需 要 的氧 气 。 一 、 机 械 通 风 搅 拌 发 酵 罐 的 基 本 要 求 1、 发 酵 罐 应 具 有 适 宜 的 高 径 比 （ 一 般 高 度 与 直 径 之 比为 1.7 4倍 ） ， 罐 身 越 长 ， 氧 气 的 利 用 率 越 高 。 2、 发 酵 罐 能 承 受 一 定 的 压 力 。 由 于 发 酵 罐 在 灭 菌 和 工作 时 ， 罐 内 有 一 定 的 压 力 和 温 度 ， 因 此 需 要 一 定 的 强 度 。 3、 发 酵 罐 的 搅 拌 通 风 装 置 能 使 气 液 充 分 混 合 ， 保 证 发酵 液 必 须 的 溶 解 氧 。 一 、 机 械 通 风 搅 拌 发 酵 罐 的 基 本 要 求 4、 发 酵 罐 应 具 有 足 够 的 冷 却 面 积 。 5、 发 酵 罐 应 尽 量 减 少 死 角 ， 避 免 藏 垢 积 污 ， 灭 菌 能 彻 底 。 6、 搅 拌 器 轴 封 应 严 密 ， 尽 量 减 少 泄 漏 。 机 械 搅 拌 型 发 酵 罐 主 要 组 成 部 分 有 罐 体 、 控 温 部 分 、搅 拌 部 分 、 通 气 部 分 、进 出 料 口 、 测 量 系 统和 附 属 系 统 等 。 二 、 机 械 搅 拌 通 风 发 酵 罐 的 结 构1、 主 要 部 件 有罐 体 ； 搅 拌 器 、 挡 板 、 传 动 装 置 、轴 封 ； 空 气 分 布 器 ； 消 泡 器 ； 冷却 管 （ 或 夹 套 ） ； 人 孔 、 视 镜 、各 种 接 口 等 。 2 发 酵 罐 的 部 分 部 件（ 1） 罐 体结 构 ： 圆 柱 体 和 椭 圆 封 头 或 碟 形 封 头 焊 接 而 成 ，材 料 为 碳 钢 或 不 锈 钢 。刚 度 和 强 度 ： 受 压 容 器 ， 空 消 或 实 消 ， 通 常 灭 菌 的 压 力 为2.5Kgf/cm3。小 型 发 酵 罐 罐 顶 和 罐 身 采 用 法 兰 连 接 。 顶 部 设 有 清 洗 用 的手 孔 。 封 头 、 封 底椭圆形封头（底盖） 碟形封头（底盖） 接 管 罐 顶 ： 进 料 管 ， 补 料 管 ，排 气 管 和 压 力 表 管 等 。 罐 底 ： 出 料 管 ， 进 气 管等 。 罐 身 ： 冷 却 水 进 出 管 ，进 空 气 管 ， 温 度 计 管 和测 控 仪 表 接 口 。 (2)搅 拌 器 （ 1） 搅 拌 器 的 主 要 作 用 ： 混 合 和 传 质 溶 氧 ： 使 通 入 的 空 气 分 散 成 小 气 泡 并 与 发 酵 液 充 分 混 合 ， 使 气泡 细 碎 以 增 大 气 一 液 界 面 ， 获 得 所 需 要 的 溶 氧 速 率 ， 并 使 生 物细 胞 悬 浮 分 散 于 发 酵 体 系 中 ， 以 维 持 适 当 的 气 一 液 一 固 （ 细 胞 ）三 相 的 混 合 与 质 量 传 递 ； 有 利 于 热 量 传 递 ； 加 强 气 液 之 间 的 湍 动 ， 增 加 气 液 接 触 面 积 及 延 长 气 液 接 触 时 间 。 搅 拌 器 的 结 构 与 类 型 ： 实 现 上 述 目 的 ， 搅 拌 器 的 设 计 应 使 发 酵 液 有 足 够 的 径 向流 动 和 适 度 的 轴 向 运 动 。 发 酵 罐 采 用 的 搅 拌 器 主 要 有 径 向 流 搅 拌 器 、 轴 向 流 搅 拌器 和 组 合 式 搅 拌 器 。 Rushton涡 轮 是 最 典 型 的 径 向 流搅 拌 器 ， 其 结 构 简 单 ， 通 常 由 一个 圆 盘 上 面 带 六 个 直 叶 叶 片 ， 也称 为 六 直 叶 圆 盘 涡 轮 。 设 置 圆 盘的 目 的 是 为 了 防 止 气 体 未 经 分 散直 接 从 轴 周 围 溢 出 液 面 。 径 向 流 搅 拌 器 大 型 发 酵 罐 搅拌 装 置 搅 拌 桨冷 却 管搅 拌 电 机 上 封头 径 向 流 搅 拌 器 随 着 发 酵 规 模 的 扩 大 ， 这 种 结 构 并 不 是 适 用 于 气 液 分 散的 最 优 结 构 。 Smith等 发 现 ， 当 用 六 直 叶 圆 盘 涡 轮 式 搅 拌 器把 气 体 分 散 于 低 黏 流 体 时 ， 在 每 片 浆 叶 的 背 面 都 有 一 对 高速 转 动 的 漩 涡 ， 漩 涡 内 负 压 较 大 ， 从 叶 片 下 部 供 给 的 气 体立 即 被 卷 入 漩 涡 ， 形 成 气 体 充 填 的 空 穴 （ 称 为 气 穴 ） ， 气穴 的 存 在 会 影 响 发 酵 罐 内 的 气 液 传 质 能 力 。 影 响 气 液 传 质 能 力 的 原 因 ： 因 为 气 体 不 是 直 接 被 搅 拌 器 剪 碎 而 分 散 的 ， 而 是 首 先 在 浆叶 的 背 面 形 成 稳 定 的 气 穴 ， 而 后 气 穴 在 尾 部 破 裂 ， 这 些 小气 泡 在 离 心 力 的 作 用 下 被 甩 出 而 分 散 至 液 体 内 。 气 穴 的 存在 使 得 Rushton涡 轮 的 效 率 降 低 ， 特 别 在 高 气 速 下 ， 有 时整 个 搅 拌 器 被 气 穴 包 围 ， 搅 拌 器 近 似 空 转 ， 效 率 很 低 ， 气体 穿 过 搅 拌 器 直 接 上 升 到 液 面 。 弯 曲 叶 片 弯 曲 叶 片 的 优 点 ： 使 其 背 面 的 漩 涡 减 小 ， 抑 制 叶片 后 方 形 成 气 穴 ， 提 高 载 气 能 力 ； 改 善 了 分 散 和 传 质 能 力。 弯 曲 非 对 称 叶 片 1998， Bakker提 出 上 面 叶 片略 长 于 下 面 叶 片 ， 避 免 了 气体 过 早 的 从 叶 轮 区 域 上 升 逃逸 ； 采 用 抛 物 线 设 计 ， 能 明显 减 少 叶 片 后 方 气 穴。 轴 向 流 搅 拌 器 径 向 流 搅 拌 器 对 气 体 分 散 的 能 力 较 强 ， 但 其 作 用 的 范围 较 小 。 随 着 发 酵 规 模 的 不 断 扩 大 ， 其 缺 点 也 越 发 明显 。 尤 其 对 于 要 求 整 罐 混 匀 好 ， 剪 切 性 能 温 和 的 过 程 ，径 向 流 搅 拌 器 往 往 无 能 为 力 。 轴 向 流 搅 拌 器 A315搅 拌 器 特 别 适 合 于 气 液 传 质 过 程 。 与 Rushton涡 轮 相 比 ， 持 气量 高 80 ， 气 体 分 散 量 提高 4倍 ， 产 量 提 高 10 50 ， 剪 切 力 仅 为 Rushton涡轮 的 25 。 3.Lightnin A 315式 组 合 式 搅 拌 器 在 生 物 反 应 器 中 ， 将 径 向 流 搅 拌 器 和 轴 向 流 搅 拌 器 组 合 使用 ， 就 可 利 用 径 向 流 搅 拌 器 强 化 小 范 围 的 主 体 对 流 扩 散 和涡 流 扩 散 ， 实 现 小 范 围 的 充 分 气 液 混 合 ， 然 后 再 依 靠 轴向 流 搅 拌 器 的 主 体 对 流 实 现 大 范 围 的 气 液 混 合 ； 对 于 组 合 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 流 搅 拌 器 ， 上 层 搅 拌 器 选 择 轴 向 流 搅 拌 器 。 挡板的作用：阻 止 液 面 中 央 部 分 产 生 下 凹 的 旋 涡 ， 促 使 液 体 激 烈 翻 动 ，增 加 溶 解 氧 。 挡 板 宽 度 一 般 为 （ 0.1 0.2） D， 装 设 4 6块即 可 满 足 全 挡 板 条 件 。 全 挡 板 条 件 ： 在 一 定 转 数 下 再 增 加 罐 内 附 件 而 轴 功 率 仍 保持 不 变 。 达 到 全 挡 板 条 件 的 要 求 ， 须 满 足 ： ） 挡 板 宽 度 （ 挡 板 数 ） 罐 直 径 （ mmWz mmD zD DzDW 5.02.01.0 （ 3） 挡 板 (4)轴 封轴 封 的 作 用 ： 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 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 。 填 料室 的 宽 度 可 根 据 轴 的 直 径 决 定 。 优 点 ： 结 构 简 单 缺 点 ： 死 角 多 ， 很 难 彻 底 灭 菌 ， 易 渗 漏 和 染 菌 轴 的 磨 损 较 严 重 填 料 压 紧 后 摩 擦 功 率 消 耗 大 寿 命 短 端 面 式 轴 封 优 点清 洁密 封 可 靠 。无 死 角 。 使 用 寿 命 长 。摩 擦 功 率 耗 损 小 。轴 或 轴 套 不 受 磨 损 。对 轴 的 精 度 和 光 洁 度 没 有 填 料 函 要求 严 格 ， 对 轴 的 震 动 敏 感 性 小 。 缺 点 结 构 比 填 料 函 复 杂 ， 装 拆 不 便 ， 对 动 环 和 静 环 的表 面 光 洁 度 及 平 直 度 要 求 高 ， 否 则 易 泄 漏 。 (5)空 气 分 布 装 置 作 用 ： 吹 入 无 菌 空 气 ， 并 使 空 气 均 匀 分 布 。 (a)单 管 式 分 布 装 置 ： 管 口 正 对 罐 底 中 央 ， 与 罐 底 的 距 离 约 40mm， 这 样 的 空 气 分 散 效果 较 好 。(b)环 形 管 分 布 装 置 ： 以 环 径 为 搅 拌 器 直 径 的 0.8倍 较 有 效 ， 喷 孔 直 径 为 5 8mm， 喷孔 向 下 ， 喷 孔 的 总 截 面 积 约 等 于 通 风 管 的 截 面 积 。 (6)消 泡 装 置 起 泡 原 因 ： 发 酵 液 中 含 有 蛋 白 质 等 发 泡 物 质 ， 故 在 通 风 、 搅 拌 时产 生 气 泡 物 质 。 危 害 ： 减 少 装 料 系 数 、 料 液 外 溢 （ 随 排 风 、 各 接 口 、 轴 封 等 ） ，并 易 引 起 染 菌 消 泡 方 法 ： 加 入 化 学 消 泡 剂 ； 使 用 机 械 消 泡 装 置 。 通 常 ， 是 把 上述 两 种 方 法 联 合 使 用 。 最 简 单 实 用 的 消 泡 装 置 为 耙 式 消 泡 器 ， 可 直 接 安 装 在 上 搅 拌 的 轴上 ， 消 泡 耙 齿 底 部 应 比 发 酵 液 面 高 出 适 当 高 度 。 耙 式 消 泡 器 结 构 (7)传 热 装 置 排 除 发 酵 过 程 中 由 于 生 物 氧 化 作 用 及 机 械 搅 拌 产 生 的 热量 的 装 置 发 酵 换 热 装 置 的 形 式 1.夹 套 式 换 热 装 置 多 用 于 容 积 较 小 的 发 酵 罐 、 种 子 罐 。 一 般 小 于 5m3， 夹套 的 高 度 比 静 止 液 面 高 度 较 高 即 可 ， 约 高 50-100 mm。夹 套 的 宽 度 对 于 不 同 直 径 的 发 酵 有 不 同 的 尺 寸 ， 一 般为 50-200 mm。 优 点 结 构 简 单 加 工 容 易 罐 内 无 冷 却 设 备 ， 死 角 少 ， 容 易 进 行 灭 菌 工 作 ， 有 利 于 发酵 。 缺 点 是 传 热 壁 较 厚 ， 冷 却 水 流 速 低 ， 降 温 效 果 差 ， 传 热 系数 400 600 KJ/(m 2 h ) 竖 式 蛇 管 换 热 装 置 竖 式 的 蛇 管 分 组 安 装 于 发 酵 罐 内 ， 有 四 组 、 六 组 或 八组 。 5m3以 上 的 发 酵 罐 多 采 用 优 点 ： 冷 却 水 在 管 内 的 流 速 较 快 ， 传 热 系 数 高 。 约 为1200 2000KJ/(m2 h ) 缺 点 ： 弯 曲 部 位 容 易 被 腐 蚀 ， 增 加 培 养 液 中 金 属 离 子的 浓 度 ， 腐 蚀 而 形 成 穿 孔 ， 引 起 污 染 。 气 升 环 流 式 发 酵 罐 （ ALR）1、混 合 原 理 ： 利 用 通 入 反 应 器 内 的 空 气 上 升 时 的 动 力 来 带 动 发 酵 液 的 运动 ， 从 而 达 到 混 合 的 目 的 。 即 ： 把 具 有 一 定 压 力 和 流 速 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 由 于 形 成 的 气 液 混 合 物 密 度 降 低 故 向 上 运 动 ，而 气 含 率 小 的 发 酵 液 则 下 沉 ， 形 成 循 环 流 动 ， 实 现 混 合 与溶 氧 传 质 。 2、 结 构 类 型 ： 外 循 环 与 内 循 环 气 升 式 发 酵 罐 环 流 管 的 布 置 可 以 装 在 罐 外 ， 称 为 外 循 环 也 可 装 在 罐 内 ， 称 为 内 循 环 。 1.人 孔 ； 2.视 镜 ； 3.空 气 管 ； 4.上 升 管 ； 5.冷 却 器 ；6.单 向 阀 门 ； 7.空 气 喷 嘴 ； 8.带 升 管 ； 9.罐 体 气 升 式 发 酵 罐 优 缺 点 优 点1、 结 构 简 单 ， 冷 却 面 积 小 ；2、 无 搅 拌 传 动 设 备 ， 节 约 动 力 约 50 ， 节 约 钢 材 ；3、 操 作 无 噪 音 ；4、 料 液 可 充 满 达 80 90 ；5、 维 修 、 操 作 及 清 洗 简 便 ， 减 少 杂 菌 感 染 。应 用酵 母 的 生 产 、 单 细 胞 蛋 白 生 产 和 细 胞 培 养 酶 制 剂 等 的 发 酵生 产 。 4、 适 用 范 围 ：对 生 物 细 胞 损 伤 小 。 适 合 于 动 植 物 细 胞 培 养 适 合 于 固 形物 含 量 低 、 黏 度 小 、 需 氧 量 低 的 微 生 物 培 养 和 发 酵 过 程 。 但 不 适 合 固 形 物 含 量 高 、 黏 度 大 、 需 氧 量 高 的 微 生 物 培养 和 发 酵 过 程 。目 前 世 界 上 最 大 型 的 通 气 发 酵 罐 就 是 气 升 环 流 式 的 ， 体积 高 达 3000多 立 方 米 。 自 吸 式 发 酵 罐 自 吸 式 发 酵 罐 是 一 种 不 需 要 空 气 压 缩 机 提 供 加压 空 气 ， 而 依 靠 特 设 的 机 械 搅 拌 吸 气 装 置 或 液体 喷 射 吸 气 装 置 吸 入 无 菌 空 气 并 同 时 实 现 混 合搅 拌 与 溶 氧 传 质 的 发 酵 罐 。 自 20世 纪 60年 代 开 始 欧 洲 和 美 国 展 开 研 究 开 发 ，然 后 在 国 际 和 国 内 的 酵 母 及 单 细 胞 蛋 白 生 产 、醋 酸 发 酵 及 维 生 素 生 产 等 获 得 应 用 。 种 类 机 械 搅 拌 自 吸 式 发 酵 罐 喷 射 自 吸 式 发 酵 罐 溢 流 喷 射 自 吸 式 发 酵 罐 机 械 搅 拌 自 吸 式 发 酵 罐 不 需 要 空 气 压 缩 机 ， 而 在 搅 拌 过 程 中 自 吸 入 空 气 的发 酵 罐 。 开 始 于 1960s， 通 风 装 置 由 转 子 和 定 子 组 成 。 1、 结 构 构 成1.人 孔2.进 风 管3.轴 封4.转 子5.电 机6.联 轴 器7.轴 封 8.搅 拌 轴9.定 子10.冷 却 蛇 管11.消 泡 器12.排 气 管13.消 泡 转 轴 2、 主 要 部 件 自 吸 装 置 ： 由 转 子 和 定 子 组 成 。 转 子 （ 叶 轮 ） 形 式 有 ： 三 叶 轮 、 四 弯 叶 轮 、 六 叶 轮 等 形式 。 常 见 的 为 三 叶 轮 和 四 弯 叶 轮 。 叶 轮 都 是 空 心 体 ， 叶轮 直 径 为 罐 直 径 的 1/3到 1/15。 吸 气 机 理 在 转 子 启 动 前 ， 先 用 液 体 将 转 子 浸 没 ， 然 后 启 动 电 动 机 使 转 子 转动 ， 由 于 转 子 高 速 旋 转 ， 液 体 、 空 气 在 离 心 力 的 作 用 下 ， 被 甩 向叶 轮 外 缘 。 转 子 叶 轮 中 心 形 成 负 压 ， 转 子 转 速 愈 大 ， 所 造 成 的 负 压 也 愈 大 。 转 子 的 空 腔 用 管 子 与 大 气 相 通 ， 空 气 不 断 的 被 吸 入 ， 甩 向 叶 轮 的外 缘 ， 通 过 导 轮 而 使 气 流 均 匀 甩 出 。 转 子 搅 拌 使 气 液 在 转 子 的 周 围 形 成 强 烈 的 混 合 流 ， 使 空 气 不 断 分裂 成 细 微 的 气 泡 ， 并 在 湍 流 状 态 下 混 合 、 翻 腾 、 扩 散 到 整 个 罐 中 。 自 吸 式 通 风 装 置 在 搅 拌 的 同 时 ， 完 成 了 吸 气 作 用 。 喷 射 自 吸 式 发 酵 罐 喷 射 自 吸 式 发 酵 罐 是 利 用 泵 使 发 酵 液 通 过 文 氏 管 喷射 吸 气 装 置 进 行 混 合 通 气 的 ， 既 不 用 空 压 机 ， 又 不用 机 械 搅 拌 吸 气 转 子 。 文 氏 管 自 吸 式 发 酵 罐 结 构 利 用 泵 使 发酵 液 通 过 文氏 管 吸 气 装置 ， 液 体 在收 缩 管 段 加速 ， 形 成 真空 ， 吸 入 空气 ， 气 泡 分散 于 液 体 混合 。 文 氏 吸 气 管 结 构 自 吸 式 发 酵 罐 的 优 点 不 必 配 备 空 气 压 缩 机 及 其 附 属 设 备 ， 节 约 设 备 投 资30%以 上 ， 减 少 厂 房 面 积 。 溶 氧 速 率 高 ， 溶 氧 效 率 高 、 能 耗 较 低 。 用 于 酵 母 生 产 和 醋 酸 发 酵 具 有 生 产 效 率 高 、 经 济 效 益高 的 优 点 。 装 料 系 数 低 ， 约 40%左 右 。 易 染 菌 ， 需 高 效 过 滤 系 统 。 搅 拌 转 速 高 ， 对 于 长 菌 丝 的 微 生 物 的 菌 丝 ， 搅 拌 的 剪 切 力会 产 生 不 利 影 响 （ 机 械 搅 拌 自 吸 式 ） 。 吸 程 （ 即 液 面 与 吸 气 转 子 距 离 ） 一 般 不 高 ， 需 要 采 用 低 阻力 高 效 率 空 气 除 菌 装 置 。 自 吸 式 发 酵 罐 的 缺 点 改 进 ： 为 克 服 上 述 缺 点 ， 可 采 用 自 吸 气 与 鼓 风 相 合 的 鼓 风自 吸 式 发 酵 系 统 ， 即 在 过 滤 器 前 加 装 一 台 鼓 风 机 ，适 当 维 持 无 菌 空 气 的 正 压。 固 态 培 养 设 备 一 、 概 述 ： 固 态 发 酵 、 固 态 反 应 器 二 、 机 械 通 风 固 体 曲 发 酵 设 备 一 、 概 述 ： 固 态 发 酵 、 固 态 反 应 器1、 固 态 发 酵 固 态 发 酵 是 微 生 物 在 没 有 或 基 本 没 有 游 离 水 的 固 态基 质 上 的 发 酵 方 式 。 用 于 固 态 发 酵 的 反 应 器 称 为 固 态 反 应 器 。 2、 固 态 反 应 器 的 历 史 和 现 状历 史 古 老 ： 几 千 年 前 ， 中 国 就 利 用 这 项 技 术 酿 酒 和 制 造 各 种 调味 品 ， 通 风 固 相 发 酵 工 艺 是 传 统 的 发 酵 生 产 工 艺 ， 广泛 应 用 于 酱 油 与 酿 酒 生 产 。发 展 与 问 题 ： 现 代 的 固 态 发 酵 不 仅 用 于 改 善 食 品 的 风 味 ， 更 主 要的 是 用 于 酶 制 剂 、 单 细 胞 蛋 白 、 有 机 酸 、 酒 精 、 生 物杀 虫 剂 等 的 生 产 。 3、 固 态 发 酵 具 有 以 下 特 点 ： 培 养 基 处 理 简 单 ： 使 用 的 原 料 不 必 经 过 复 杂 的 加 工 ， 发 酵 过 程 中 糖 化 与 发 酵 同步 进 行 ， 简 化 了 操 作 程 序 、 节 约 了 能 量 ； 生 长 环 境 更 近 自 然 ： 可 使 微 生 物 保 持 自 然 环 境 中 的 生 长 存 在 状 态 ， 模 拟 自 然 中 的生 长 环 境 ， 是 许 多 丝 状 真 菌 适 宜 采 用 固 体 发 酵 的 原 因 之 一 ； 适 用 于 特 殊 微 生 物 代 谢 和 产 物 积 累 ： 对 于 纤 维 素 酶 、 果 胶 酶 、 白 僵 菌 、 绿 僵 菌 、 苏 云 金 芽 孢 杆 菌 、真 菌 毒 素 、 脱 落 酸 等 ， 固 态 发 酵 的 产 率 比 液 体 深 层 发 酵 高 得多 ； 乃 至 像 白 僵 菌 、 绿 僵 菌 等 的 分 生 孢 子 ， 不 能 在 液 体 中 繁殖 ， 只 能 用 固 态 发 酵 方 法 生 产 。 固 态 发 酵 具 有 以 下 特 点 ：（ 4） 发 酵 供 氧 费 用 低 ： 在 需 要 大 量 供 氧 的 发 酵 过 程 中 ， 压 缩 空 气 通 过 固 体 层的 阻 力 较 小 ， 因 而 能 量 消 耗 也 较 小 ；（ 5） 发 酵 产 物 复 杂 、 风 味 独 特 ： 由 于 存 在 明 显 的 气 、 液 、 固 三 相 界 面 ， 可 以 得 到 液 体发 酵 难 于 得 到 的 产 物 ， 如 传 统 固 态 发 酵 酿 酒 工 艺 可 以 具有 独 特 的 风 味 ；（ 6） 发 酵 后 处 理 简 单 ， 有 机 废 水 少 ： 许 多 产 品 可 直 接 烘 干 而 无 须 提 取 ， 产 品 易 于 储 藏 ， 运输 ， 稳 定 性 好 。 新 型 固 态 发 酵 是 生 化 工 程 研 究 的 方 向 ： 鉴 于 上 述 优 点 ， 以 及 现 代 发 酵 工 业 的 发 展 方 向 是 高浓 度 、 高 黏 度 发 酵 过 程 ， 而 高 浓 的 、 高 黏 度 的 极 限 就是 固 态 发 酵 基 质 。 但 是 发 酵 过 程 中 氧 的 浓 度 梯 度 很 大 ，在 高 需 氧 量 时 可 能 成 为 制 约 发 酵 效 率 的 一 个 重 要 因 素 。由 此 ， 影 响 固 态 发 酵 技 术 关 键 是 固 态 发 酵 反 应 器 。 4、 对 固 体 发 酵 反 应 器 的 要 求要 求 ： （ 1） 良 好 的 搅 拌 、 通 气 、 无 菌 操 作 ； （ 2） 良 好 的 传 热 ： 散 热 、 冷 却 ， 包 括 气 -固 、气 -液 、 液 -固 等 形 式 传 质 传 热 （ 3） 保 温 保 湿 ： （ 4） 参 数 检 测 ： 温 度 、 pH、 供 氧 等 检 测 （ 5） 物 料 输 送 ： 有 效 输 送 机 械 通 风 固 体 曲 发 酵 设 备 l.输送带 2.高位料斗 3.送料小车 4.曲料室 5.进出料机 6.料斗 7.输送带 8.鼓风机 9.空调室 10.循环风道 11.曲室闸门 优 点 ： 机 械 通 风 固 体 曲 发 酵 设 备 使 用 了 机 械 通 风即 鼓 风 机 ， 因 而 强 化 了 发 酵 系 统 的 通 风 ， 使 曲层 厚 度 大 大 增 加 。 不 仅 使 制 曲 生 产 效 率 大 大 提 高 ， 而 且 便 于 控 制曲 层 发 酵 温 度 ， 提 高 了 曲 的 质 量 。 动 植 物 细 胞 反 应 器 动 物 细 胞 反 应 器 动 物 细 胞 培 养 是 指 在 体 外 条 件 下 使 动 物 细 胞 增 殖 的 技 术 。 此时 细 胞 虽 然 生 长 与 增 多 ， 但 不 再 形 成 组 织 。 动 物 细 胞 作 为 生 物 催 化 剂 ， 可 用 于 大 规 模 生 产 具 有 重 要 价 值的 生 物 活 性 物 质 ， 包 括 疫 苗 、 诊 断 试 剂 、 干 扰 素 、 单 克 隆 抗体 和 其 他 生 物 制 品 。 多 数 动 物 细 胞 过 程 表 达 的 目 标 蛋 白 质 分泌 至 培 养 液 中 ， 因 此 下 游 产 品 纯 化 过 程 比 较 简 单 。 动 物 细 胞 培 养 技 术 为 生 物 工 程 产 品 的 生 产 提 供 了 一 条 重 要 的途 径 。 动 物 细 胞 培 养 的 特 点（ 1） 动 物 细 胞 是 没 有 细 胞 壁 的 ， 受 剪 切 力 而 破 坏 ； 而 且 大 多 数 哺乳 动 物 细 胞 需 要 附 着 在 固 体 或 半 固 体 表 面 上 才 能 生 长 ；（ 2） 动 物 细 胞 对 培 养 基 的 营 养 要 求 相 当 苛 刻 ， 要 求 含 有 多 种 氨 基酸 、 维 生 素 、 无 机 盐 、 血 清 等 物 料 ；（ 3） 对 培 养 环 境 条 件 十 分 敏 感 ， 对 温 度 、 pH值 、 溶 氧 浓 度 等 条 件都 比 微 生 物 培 养 要 严 格 得 多 。（ 4） 动 物 细 胞 的 生 长 要 比 微 生 物 细 胞 缓 慢 得 多 ， 一 般 只 有 在 高 细胞 密 度 条 件 下 ， 才 能 得 到 一 定 浓 度 的 产 物 。（ 5） 由 于 动 物 细 胞 培 养 所 需 时 间 要 比 微 生 物 细 胞 长 ， 又 非 常 容 易 染 菌 ， 因 此 需 要 有 严 格 的 防 污 染 措 施 。 动 物 细 胞 培 养 技 术 体 外 培 养 的 动 物 细 胞 分 为 两 种 类 型 。 一 种 是 非 贴 壁 依 赖 型细 胞 。 另 一 种 动 物 细 胞 为 贴 壁 依 赖 型 细 胞 ， 大 多 数 动 物 细 胞 属于 贴 壁 依 赖 型 细 胞 。 （ 1） 悬 浮 培 养 悬 浮 培 养 过 程 中 细 胞 以 单 细 胞 或 细 胞 聚 集 体 的 形 式 悬 浮 于 培养 基 中 增 殖 ， 这 与 微 生 物 发 酵 过 程 差 别 较 小 。 （ 2） 贴 壁 培 养 贴 壁 依 赖 型 细 胞 在 培 养 过 程 中 黏 附 在 固 体 吸 附 介 质 上 。 当 细胞 贴 附 于 固 体 表 面 后 ， 原 来 是 圆 形 的 细 胞 一 经 贴 壁 就 迅 速 铺 展 ，然 后 开 始 有 丝 分 裂 ， 并 很 快 进 入 对 数 生 长 期 ， 一 般 在 数 天 后 铺满 生 长 表 面 ， 形 成 致 密 的 细 胞 单 层 。 （ 3） 微 载 体 技 术 细 胞 贴 附 于 微 载 体 上 悬 浮 于 培 养 基 中 ， 在 微 载 体 上 逐 渐 生 长 成细 胞 单 层 ， 生 长 表 面 积 较 大 ， 可 实 现 细 胞 的 高 密 度 培 养 。 并 且由 于 细 胞 的 生 长 环 境 均 一 ， 有 利 于 对 影 响 细 胞 的 环 境 因 素 的 检测 与 控 制 。 微 载 体 技 术 使 细 胞 培 养 过 程 的 培 养 基 利 用 率 高 ， 采 样 重 复 性 高 ，细 胞 收 获 和 下 游 加 工 过 程 方 便 ， 过 程 放 大 容 易 ， 劳 动 强 度 小 ，占 用 空 间 小 。 影 响 微 载 体 培 养 的 因 素 有 微 载 体 浓 度 、 细 胞 接 种 浓 度 和 搅 拌 速度 等 。 植 物 细 胞 培 养 反 应 器 由 于 单 个 植 物 细 胞 具 有 整 个 植 物 的 全 部 特 性 ， 其 代 谢 过程 能 生 成 有 很 高 药 用 价 值 的 次 生 代 谢 物 ， 植 物 细 胞 的 大规 模 培 养 逐 渐 受 到 重 视 。 但 利 用 植 物 细 胞 培 养 的 物 质 ，一 般 仅 限 于 那 些 难 于 化 学 合 成 无 法 用 微 生 物 合 成 和 附 加值 很 高 的 物 质 。 1 植 物 细 胞 培 养 的 特 点 植 物 细 胞 的 大 小 约 为 10 100 m， 有 纤 维 素 细 胞 壁 ， 细 胞耐 拉 不 耐 扭 ， 抵 抗 流 体 剪 切 力 的 能 力 较 差 ； 培 养 过 程 生 长 速 度 缓 慢 ， 如 生 长 最 快 的 烟 草 细 胞 的 倍 增 时间 为 0.65天 ， 而 木 本 植 物 细 胞 的 倍 增 时 间 高 达 2 10天 ， 根 、茎 和 叶 分 化 的 器 官 培 养 的 倍 增 时 间 为 10天 以 上 ； 代 谢 产 物 不 分 泌 到 胞 外 而 留 在 细 胞 内 ， 因 此 要 得 到 大 量 次级 代 谢 产 物 须 进 行 高 密 度 培 养 ； 细 胞 在 培 养 液 中 会 形 成 多 细 胞 聚 集 体 ， 黏 度 较 大 ， 悬 浮 培养 较 困 难 ， 还 会 发 生 细 胞 在 反 应 器 壁 黏 附 的 情 况 ； 植 物 培 养 细 胞 易 发 生 反 分 化 ， 从 而 导 致 目 的 产 物 含 量 低 于原 植 物 体 的 含 量 。 植 物 细 胞 与 组 织 的 培 养 方 法 植 物 细 胞 与 组 织 的 培 养 方 法 主 要 分 为 体 外 游 离 细 胞 培 养 和 植 物 组织 培 养 。 游 离 细 胞 培 养 ： 由 植 物 组 织 挖 块 获 取 无 菌 细 胞 株 ， 然 后 在 固 体 培养 基 上 筛 选 和 培 养 愈 伤 组 织 ， 使 其 分 散 在 液 体 培 养 基 中 振 荡 培 养 ，形 成 单 细 胞 或 多 细 胞 聚 集 体 培 养 物 。 植 物 组 织 培 养 也 称 为 器 官 培 养 ， 也 是 由 愈 伤 组 织 出 发 ， 然 后 在 固体 培 养 基 上 用 生 长 素 诱 导 愈 伤 组 织 分 化 形 成 器 官 ， 之 后 培 养 人 工种 子 和 种 苗 并 进 行 种 植 与 繁 殖 。 生 物 反 应 器 中 进 行 的 植 物 细 胞 培 养 过 程 的 方 式 与 微 生 物 发 酵 过 程基 本 相 同 。 植 物 细 胞 反 应 器 1 悬 浮 培 养 反 应 器 植 物 细 胞 悬 浮 培 养 的 基 本 型 式 是 机 械 搅 拌 反 应 器 ， 采 用 机 械 搅拌 反 应 器 可 使 物 料 混 合 均 匀 ， 也 能 完 全 满 足 细 胞 对 反 应 器 的 供 氧要 求 。 机 械 搅 拌 式 反 应 器 应 用 于 植 物 细 胞 培 养 ， 存 在 的 主 要 问 题 是 机械 搅 拌 引 起 的 细 胞 剪 切 损 伤 ， 因 此 有 许 多 研 究 者 对 搅 拌 式 反 应 器做 适 当 改 进 以 适 应 植 物 细 胞 培 养 的 要 求 。 气 升 式 反 应 器 的 对 细 胞 剪 切 小 ， 气 升 式 反 应 器 也 能 够 满 足 植 物 细胞 的 需 氧 的 传 质 要 求 。 固 定 化 植 物 细 胞 反 应 器 固 定 化 技 术 能 够 克 服 细 胞 在 培 养 过 程 中 表 现 的 不 均 一 性 、 避 免 流体 剪 切 力 的 作 用 和 实 现 连 续 操 作 。p（ l） 填 充 床 反 应 器p 在 反 应 器 中 ， 细 胞 位 于 支 撑物 表 面 ， 或 包 埋 于 支 撑 物 中 。培 养 基 流 经 支 撑 物 颗 粒 。 优 点 :单 位 反 应 器 体 积 的 细 胞 容 量 较大 。 缺 点 ： 反 应 器 流 体 混 合 效果 差 ， 过 程 参 数 难 以 控 制 ， 床层 易 被 小 颗 粒 物 堵 塞 ， 流 动 阻力 较 大 。 （ 2） 流 化 床 反 应 器 利 用 液 体 和 气 体 使 固 定 化 细胞 悬 浮 在 反 应 介 质 中 。 优 点是 混 合 效 果 好 ， 但 流 体 的 剪切 力 和 固 定 化 颗 粒 的 碰 撞 常使 支 撑 物 破 裂 ， 而 且 流 体 力学 条 件 复 杂 使 放 大 困 难 。 光 照 生 物 反 应 器 微 藻 等 光 合 微 生 物 和 光 自 养 型 植 物 细 胞 的 培 养 装 置 称 为 光 照 生 物 反 应 器 。 光 照 培 养 时 需 要 足 够 的 光 照 ， 同 时 需 要 对 培 养 系 统 供 应 大量 的 CO 2和 排 出 所 产 生 的 氧 气 。 根 据 这 种 特 点 ， 光 照 生 物 反应 器 需 配 置 复 杂 的 光 照 系 统 和 良 好 的 传 质 条 件 ， 其 混 合 条件 应 有 利 于 细 胞 的 悬 浮 和 沿 光 照 表 面 的 充 分 混 合 。 微 藻 光 合 生 物 反 应 器 微 藻 大 规 模 培 养 反 应 器 有 两 类 ， 一 类 是 敞 开 式 反 应 器 ； 另 一类 是 封 闭 式 反 应 器 。 敞 开 式 反 应 器 一 般 为 占 地 面 积 较 大 的 圆 形 浅 水 池 ， 使 用 螺 旋桨 等 搅 拌 器 进 行 搅 拌 混 合 。 封 闭 式 光 照 生 物 反 应 器 是 一 种 能 使 培 养 液 接 受 光 照 的 透 明 容器 ， 其 组 成 包 括 机 械 搅 拌 或 气 流 搅 拌 装 置 和 参 数 控 制 机 构 等 。管 道 式 反 应 器 是 主 要 应 用 的 类 型 ， 已 进 入 实 用 化 阶 段 。