《生物反應(yīng)器》PPT課件.ppt

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1、生物反應(yīng)器,生物反應(yīng)器是發(fā)酵工程中最重要的設(shè)備之一,,原料,過程控制,熱量,空壓機 除菌,原料制備 預(yù)處理,滅菌,產(chǎn)品回收,能量,空氣,生物 反應(yīng)器,能量,廢物,產(chǎn)物,,,,,,,,,,,,,,,大型發(fā)酵罐攪拌裝置,嚴(yán)密的結(jié)構(gòu) 良好的液體混合性能 高的傳質(zhì)和傳熱速率 靈敏的檢測和控制儀表,一個優(yōu)良的培養(yǎng)裝置應(yīng)具有：,第一節(jié) 主發(fā)酵設(shè)備 一. 發(fā)酵罐 1. 基本概念 發(fā)酵設(shè)備中最重要、應(yīng)用最廣的設(shè)備，是發(fā)酵工業(yè)的心臟 廣義的發(fā)酵罐是指為一個特定生物化學(xué)過程的操作提供良好而滿意的環(huán)境的容器。工業(yè)發(fā)酵中一般指進行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備 在有些情況下，密閉容器，簡單容器,,發(fā)酵罐的定義：,為一個特定生

2、物化學(xué)過程的操作提供良好而滿意的環(huán)境的容器。對于某些工藝來說，發(fā)酵罐是個密閉容器，同時附帶精密控制系統(tǒng)；而對于另一些簡單的工藝來說，發(fā)酵罐只是個開口容器，有時甚至簡單到只要有一個開口的坑。,第一階段:1900年以前，是現(xiàn)代發(fā)酵罐的雛形，它帶有簡單的熱交換儀器。 第二階段:1900-1940年，出現(xiàn)了200m3的鋼制發(fā)酵罐，在面包酵母發(fā)酵罐中開始使用空氣分布器，機械攪拌開始用在小型的發(fā)酵罐中。 第三階段：1940-1960年，機械攪拌、通風(fēng)，無菌操作和純種培養(yǎng)等一系列技術(shù)開始完善，發(fā)酵工藝過程的參數(shù)檢測和控制方面已出現(xiàn)，耐蒸汽滅菌的在線連續(xù)測定的pH電極和溶氧電極，計算機開始進行發(fā)酵過程的控制。

3、發(fā)酵產(chǎn)品的分離和純化設(shè)備逐步實現(xiàn)商品化。,第四階段：1960-1979年，機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的容積增大到80-150m3。由于大規(guī)模生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的需要，又出現(xiàn)了壓力循環(huán)和壓力噴射型的發(fā)酵罐，它可以克服一些氣體交換和熱交換問題。計算機開始在發(fā)酵工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。 第五階段：1979年至今。生物工程和技術(shù)的迅猛發(fā)展，給發(fā)酵工業(yè)提出了新的課題。于是，大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)酵罐應(yīng)運而生，胰島素，干擾素等基因工程的產(chǎn)品走上商品化。,發(fā)酵罐的特點,（1）發(fā)酵罐與其他工業(yè)設(shè)備的突出差別是對純種培養(yǎng)的要求之高，幾乎達(dá)到十分苛刻的程度。因此，發(fā)酵罐的嚴(yán)密性，運行的高度可靠性是發(fā)酵工業(yè)的顯著特點。 （2）現(xiàn)代發(fā)酵工

4、業(yè)為了獲取更大的經(jīng)濟利益，發(fā)酵罐更加趨向大型化和自動化發(fā)展。 在發(fā)酵罐的自動化方面，作為參數(shù)檢測的眼睛如pH電極、溶解氧電極、溶解二氧化碳電極等的在線檢測etc。,1. 按微生物生長：厭氧和好氧發(fā)酵設(shè)備 2. 按發(fā)酵罐攪拌方式： 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 非機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 3. 按溶積分類 實驗室發(fā)酵罐 中試發(fā)酵罐 生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐 4. 按微生物生長環(huán)境 懸浮生長系統(tǒng) 支持生長系統(tǒng) 5. 按操作方式 分批發(fā)酵 連續(xù)發(fā)酵,二. 發(fā)酵設(shè)備的類型,一、酒精發(fā)酵罐,酵母將糖轉(zhuǎn)化為酒精高轉(zhuǎn)化率條件 (1)滿足酵母生長和代謝的必要工藝條件 (2)一定的生化反應(yīng)時間 (3)及時移走

5、在生化反應(yīng)過程中將釋放的生物熱 對這類發(fā)酵罐的要求是：能封閉；能承受一定壓力；有冷卻設(shè)備；罐內(nèi)盡量減少裝置，消滅死角，便于清洗滅菌。 酒精和啤酒都屬于嫌氣發(fā)酵產(chǎn)物，其發(fā)酵罐因不需要通入無菌空氣，因此在設(shè)備放大、制造和操作時，都比好氣發(fā)酵設(shè)備簡單得多。,厭氧微生物反應(yīng)器,P,大連民族學(xué)院,（一）酒精發(fā)酵罐筒體結(jié)構(gòu),為圓柱形，底蓋和頂蓋均為碟形或錐形。 在酒精發(fā)酸過程中，為了回收二氧化碳?xì)怏w及其所帶出的部分酒精，發(fā)酵罐宜采用密閉式。 罐頂裝有人孔、視鏡及二氧化碳回收管、進料管、接種管、壓力表和測量儀表接口管等。 罐底裝有排料口和排污口； 罐身上下部裝有取樣口和溫度計接口，對于大型發(fā)酵耀，為了便于維

6、修和清洗，往往在近罐底也裝有人孔。,,二、啤酒發(fā)酵設(shè)備,近年來，啤酒發(fā)酵設(shè)備向大型、室外、聯(lián)合的方向發(fā)展，迄今為止，使用的大型發(fā)酵罐容量已達(dá)1500噸。 大型化的目的是： (1)由于大型化，使啤酒質(zhì)量均一化； 由于啤酒生產(chǎn)的罐數(shù)減少，使生產(chǎn)合理化，降低了主要設(shè)備的投資。,(2)發(fā)酵容器材料的變化。 由陶器向木材---水泥----金屬材料演變 現(xiàn)在的啤酒生產(chǎn)，后兩種材料都在使用。 過去大多數(shù)啤酒發(fā)酵容器為內(nèi)有涂料的鋼筋水泥槽，新建的大型容器一般使用不銹鋼。,（一）啤酒發(fā)酵容器的變遷過程,（3）開放式發(fā)酵容器向密閉式轉(zhuǎn)變。 小規(guī)模生產(chǎn)時，一般用開放式，對發(fā)酵的管理、泡沫形態(tài)的觀察和醪液濃度的測定等

7、比較方便。 隨著啤酒生產(chǎn)規(guī)模的擴大，發(fā)酵容器大型化，并為密閉式。 從開放式轉(zhuǎn)向密閉發(fā)酵的最大問題是發(fā)酵時被氣泡帶到表面的泡蓋的處理?？捎梦》ǚ蛛x泡蓋。,,（四）新型啤酒發(fā)酵設(shè)備,1. 圓筒體錐底發(fā)酵耀 圓簡體錐底立式發(fā)酵罐(簡稱錐形罐)，已廣泛用于上面或下面發(fā)酵啤酒生產(chǎn)。 錐形耀可單獨用于前發(fā)酵或后發(fā)酵，還可以將前、后發(fā)酵合并在該罐進行(一罐法)。 優(yōu)點：在于能縮短發(fā)酵時間，而且具有生產(chǎn)上的靈活性，故能適合于生產(chǎn)各種類型啤酒的要求。,圓筒體錐底罐的結(jié)構(gòu)及特點,圓筒體錐底罐發(fā)酵最大特點在于大型化，容積從100600m3 (也有60m3小型的)。,,(1) 設(shè)備的外型特點 外筒體蝶形或拱形蓋，

8、錐形體底，罐筒體壁和錐底有各種形式的冷卻夾套。 筒體直徑(D)和筒體高度(H)是主要特性參數(shù)。對單釀罐一般是D：H1：12。對兩罐法的發(fā)酵罐D(zhuǎn)：H1：34，對兩罐法的貯酒罐D(zhuǎn)：H1：12，也有采用直徑為34m的臥式圓簡體罐作貯酒罐。增加H有利于加速發(fā)酵，降低H有利于啤酒的自然澄清。,發(fā)酵罐錐底角，考慮到發(fā)酵中酵母自然沉降最有利，取排出角為6075，對于貯酒罐，因沉淀物很少，主要考慮材料利用率常取錐角為120150 。 (2) 罐材料 大型圓筒體錐底罐均采用碳鋼加涂料或不銹鋼兩種材料制成。啤酒是酸性液體，能造成鐵的電化學(xué)腐蝕，啤酒發(fā)酵時產(chǎn)生的H2S、SO2對鐵材料會造成氧化還原腐蝕。,(3) 冷

9、卻夾套 發(fā)酵罐或單釀罐內(nèi)的冷卻夾套一般分成三段，上段距發(fā)酵液面15cm向下排列，中段在筒體的下部距支撐裙座15cm向上排列，錐底段盡可能接近排酵母口，向上排列。,,(4) 隔熱層和防護層 絕熱層材料應(yīng)具有：導(dǎo)熱系數(shù)低、體積質(zhì)量低、吸水小、不易燃等特性。 啤酒圓筒體錐底罐絕熱層常用如下材料：聚酰氨樹脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料。采用上述兩種絕熱材料只需厚度150200mm。膨脹珍珠巖粉和礦渣棉價格低，因吸水性大需增加厚度200250mm。 外防護層一般采用0.71.5mm厚的合金鋁板或0.50.7mm的不銹鋼板，特別是瓦楞型板更受歡迎。,(5) 罐主要附件 在上中下三段冷卻介質(zhì)進口位置下裝智能型鉑

10、溫度傳感器。 在圓筒形下部裝可清洗取樣閥。 罐頂部應(yīng)有安全閥、真空破壞閥。 CIP裝置。 視鏡、燈鏡、空氣和二氧化碳排出管等裝置。 錐底有直徑500mm的快開人孔。出酒管和排酵母底閥及四通視鏡。,,圓筒體錐底發(fā)酵罐的優(yōu)點,加速發(fā)酵，圓筒體錐底罐發(fā)酵和傳統(tǒng)發(fā)酵相比，由于發(fā)酵基質(zhì)(麥汁)和酵母對流獲得強化，可加速發(fā)酵。 廠房投資節(jié)省。 冷耗節(jié)省。 圓筒體錐底罐發(fā)酵可依賴CIP自動程序清洗消毒，工藝衛(wèi)生更易得到保證。,圓筒體錐底發(fā)酵罐的缺點,由于罐體比較高，酵母沉降層厚度大，酵母泥使用代數(shù)一般比傳統(tǒng)低(只能使用56代)； 貯酒時，澄清比較困難(特別在使用非凝聚性酵母)，過濾必須強化； 若采用單釀發(fā)酵

11、，罐壁溫度和罐中心溫度一致，一般要57d以上，短期貯酒不能保證溫度一致,三、聯(lián)合罐,是一種具有較淺錐底的大直徑(高徑比為1：11.3)發(fā)酵罐 能在罐內(nèi)進行機械攪拌，并具有冷卻裝置。 聯(lián)合罐在發(fā)酵生產(chǎn)上的用途與錐形罐相同，既可用于前、后發(fā)酵，也能用于多罐法及一罐法生產(chǎn)。因而它適合多方面的需要，故又稱該類型罐為通用罐。,四、朝日罐,前發(fā)酵和后發(fā)酵合一的室外大型發(fā)酵罐 朝日罐是用4-6mm的不繡鋼板制成的斜底圓柱型發(fā)酵罐。 其高度與直徑比為1:1-2:1 外部設(shè)有冷卻夾套，冷卻夾套包圍罐身與罐底。外面用泡沫塑料保溫 內(nèi)部設(shè)有帶轉(zhuǎn)軸的可動排油管，用來排出酒液，并有保持酒液中CO2含量均一的作用。,,,

12、,,,,,,循環(huán),排酵母 冷卻,朝日罐,（1）利用離心機回收酵母；（2）利用薄板換熱器控制發(fā)酵溫度 （3）利用循環(huán)泵把發(fā)酵液抽出又送回去。,優(yōu)點： 三種設(shè)備互相組合，解決了前、后發(fā)酵溫度控制和酵母濃度的控制問題，加速了酵母的成熟； 使用酵母離心機分離發(fā)酵液的酵母，可以解決酵母沉淀慢的缺點； 利用凝聚性弱的酵母進行發(fā)酵，增加酵母與發(fā)酵濃接觸時間，促進發(fā)酵液中乙醛和雙乙酰的還原，減少其含量?？杉铀倨【频某墒欤?后酵時罐的裝量可達(dá)96，提高了設(shè)備利用率 減少了排除酵母時發(fā)酵液的損失； 缺點：動力消耗較大。,通風(fēng)攪拌罐,1）機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 循環(huán)式：伍式、文氏管式發(fā)酵罐 非循環(huán)式：通風(fēng)式、自吸式

13、發(fā)酵罐 2）非機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 氣提式、液提式發(fā)酵罐,一、機械攪拌發(fā)酵罐,（一）概況 1. 基本結(jié)構(gòu) 利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液混合并溶解在發(fā)酵液中，基本要求： 1）適宜的徑高比，罐身較長，氧利用率較高 2）能耐受一定的壓力 3）攪拌通風(fēng)裝置 4）足夠的冷卻面積 5）罐內(nèi)要減少死角 6）攪拌器的軸封要嚴(yán)密，以減少泄露,2，機械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu),罐身 軸封 消泡器 攪拌器 聯(lián)軸器 中間軸承 擋板 空氣分布管 換熱裝置 人孔以及管路等,,,,,,好氣性機械攪拌發(fā)酵罐是密封式受壓設(shè)備，主要部件包括：,幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵罐的 H/D=1.74 d/D=1/21/3 W/D

14、=1/81/12 B/D=0.81.0 (s/d)2=1.52.5 (s/d)3=12,2. 罐體： 培養(yǎng)微生物的巨大容器，密閉式的，在發(fā)酵過程中要保持一定的罐壓，通常滅菌的壓力約為2.5105Pa 形狀，圓柱形，兩端橢圓形--受力均勻，減少死角，物料容易排除， 高度與直徑比1.74：1，有利于提高空氣利用率,中大型發(fā)酵罐裝有供維修、清洗的入孔 罐頂裝有窺鏡和孔燈，在其內(nèi)面裝有壓縮空氣或蒸汽吹管 罐頂接管：進料管、補料管、排氣管、接種管、壓力表接管 罐身接管：冷卻水進出管、空氣進管、溫度計管和測控儀器接口,3. 罐體表面各種裝置：,4. 檔板 克服攪拌器運轉(zhuǎn)時液體產(chǎn)生的渦流，將徑向流動改

15、變?yōu)檩S向流動，促使液體激烈翻動，增加溶氧速率 通常擋板寬度取（0.1-0.12）D，裝設(shè)4-6塊即可滿足全擋板條件。,,,擋板的作用： 改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。,,全擋板條件功率是攪拌器的特征參數(shù)。對于特定的攪拌器（葉輪形式和轉(zhuǎn)速不變）， 功率隨擋板系數(shù)的增大而增大。但當(dāng)擋板系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時，功率不會進一步增大，而是 基本保持恒定。此時的檔板系數(shù)稱為全擋板條件，即攪拌功率達(dá)到飽和。,達(dá)到全擋板條件的要求， 須滿足：,5、攪拌器 將空氣打碎成小氣泡，增加氣-液接觸面積，提高氧的傳質(zhì)效率 使發(fā)酵液充分混合，液體中的固形物質(zhì)保持懸浮狀態(tài) 使液體產(chǎn)生軸向流

16、動和徑向流動，對于發(fā)酵而言，希望以徑向液流為主 在攪拌軸上配置多個攪拌器 攪拌器分軸向式和徑向式，,軸向式攪拌器,槳葉式 螺旋槳式,徑向式（渦輪式）攪拌器（Disc turbine）,平直葉 彎葉 箭葉,7、消泡器 消泡器的作用是將泡沫打破。最常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式。 孔板式的孔徑約1020mm。,8、空氣分布裝置 單管式分布裝置： 管口正對罐底中央，與罐底的距離約40mm，這樣的空氣分散效果較好。 環(huán)形管的分布裝置： 以環(huán)徑為攪拌器直徑的0.8倍較有效，噴孔直徑為58mm，噴孔向下，噴孔的總截面積約等于通風(fēng)管的截面積。,9、軸封,填料函式軸封,端面式軸封,聯(lián)軸器 大型發(fā)酵罐

17、攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。 常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對正。,變速裝置 試驗罐采用無級變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動較為簡便。,,發(fā)酵罐的換熱裝置 夾套式換熱裝置 多應(yīng)用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐； 夾套的高度比靜止液面高度稍高即可，無須進行冷卻面積的設(shè)計。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；加工容易，罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易進行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。 缺點：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時降溫效果差，,豎式蛇管換熱裝置 是豎式的蛇管分

18、組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，有四組、六組或八組不等，根據(jù)管的直徑大小而定，容積5米3以上的發(fā)酵罐多用這種換熱裝置。 優(yōu)點：冷卻水在管內(nèi)的流速大；傳熱系數(shù)高。這種冷卻裝置適用于冷卻用水溫度較低的地區(qū)，水的用量較少。 但是氣溫高的地區(qū)，冷卻用水溫度較高，則發(fā)酵時降溫困難，發(fā)酵溫度經(jīng)常超過40C，影響發(fā)酵產(chǎn)率，因此應(yīng)采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻，這樣就增加了設(shè)備投資及生產(chǎn)成本。此外，彎曲位置比較容易蝕穿。,,豎式列管(排管)換熱裝置 是以列管形式分組對稱裝于發(fā)酵罐內(nèi)。 優(yōu)點：加工方便，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。 缺點：傳熱系數(shù)較蛇管低， 用水量較大。,其他發(fā)酵罐,自吸式發(fā)酵罐,自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓

19、縮機，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。 與機械攪拌發(fā)酵罐的主要區(qū)別： 有一個特殊的攪拌器，攪拌器由轉(zhuǎn)子和定子組成； 沒有通氣管。 應(yīng)用： 醫(yī)藥工業(yè)、酵母工業(yè)、生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復(fù)霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等。取得了良好的成績。,文氏管發(fā)酵罐 工作原理： 用泵將發(fā)酵液壓入文氏管中，由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成真空將空氣吸入，并使氣泡分散與液體混合，增加發(fā)酵液中的溶解氧。,自吸式發(fā)酵罐 優(yōu)點： 節(jié)約空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機、冷卻器、油水分離器、空氣貯罐、總過濾器設(shè)備，減少廠房占地面積。吸氧的效率高，氣、液、固三相均勻混合，設(shè)備簡單，動力消耗省 減少工廠發(fā)酵設(shè)備投資約30左右

20、。 設(shè)備便于自動化、連續(xù)化，降低勞動強度，減少勞動力。 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，溶氧效率高，操作方便。 缺點： 氣體吸入量與液體循環(huán)量之比降低，對于耗氧量較大的微生物發(fā)酵不適宜； 由于罐壓較低，對某些產(chǎn)品生產(chǎn)容易造成染菌。,氣提塔式發(fā)酵罐,空氣壓縮機是氣提式發(fā)酵罐的重要組成部分，它的效率決定于它的形式。壓縮氣體通過空氣分布器進入液體后，最初形成的氣泡是由液體劇烈翻動來分散的，所以氣泡的分散程度決定于功率消耗速率。,1、內(nèi)循環(huán)式：它還可用于植物細(xì)胞培養(yǎng)和廢水處理。 2 、外循環(huán)式：它的氧傳遞系數(shù)比相應(yīng)的鼓泡柱低。工業(yè)上它巳用于年產(chǎn)1000噸規(guī)模的單細(xì)胞蛋白(SCP)的生產(chǎn)。 3、分割式：這種反應(yīng)器內(nèi)，裝著

21、幾塊垂直的板，形成使液體上升和下降的兩個區(qū)域，液體在氣體的帶動下形成液體流動。 4、循環(huán)通道式：氣體滯留時間長，功率輸入也大。,液提式發(fā)酵罐,液提發(fā)酵罐是液體借助于一個液體泵進行輸送，同時氣體在液體的噴嘴處被吸入發(fā)酵罐。 噴嘴是這類發(fā)酵罐的一個特殊部件，制造要求精密。,帶升式發(fā)酵罐,帶升式發(fā)酵罐也稱為氣流攪拌發(fā)酵罐，不用機械攪拌，借通風(fēng)起到攪拌作用并供給氧氣。,帶升式罐特點： 結(jié)構(gòu)簡單，冷卻面積??； 無攪拌傳動設(shè)備，節(jié)約動了約50，節(jié)約 鋼材； 操作無噪音； 料液可充滿達(dá)8090，而不需加消泡劑； 維修、操作及清洗簡便，減少雜菌感染。 缺點： 不能代替好氣量較小的發(fā)酵罐，對于粘度大的發(fā)酵液溶氧

22、系數(shù)較低。,五、CIP清洗系統(tǒng),所謂CIP系統(tǒng)，是clean in place的簡稱，意即原位清洗系統(tǒng)。,CIP：,清洗效率高； 衛(wèi)生水平穩(wěn)定； 操作安全，節(jié)省勞動力； 節(jié)約清洗劑、水、蒸汽等用量； 自動化程度高；,CIP裝置的主要組成,管道：除了被清洗的物料管道作為其中的循環(huán)管道外，還應(yīng)按需要另設(shè)清洗管道； 清洗裝置：包括貯槽、泵、閥、程序控制器等； 貯槽：配制、貯存洗滌劑液的容器； 泵：洗滌劑液循環(huán)的動力源； 閥：控制洗滌劑液的流向； 程序控制器： 噴霧裝置：噴頭的大小、數(shù)量 旋轉(zhuǎn)式或固定式,,小結(jié)：,發(fā)酵罐的類型及其優(yōu)缺點； 各類發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)； 發(fā)酵罐各附件的結(jié)構(gòu)及其作用。,發(fā)

23、酵過程的實驗室研究，中試和放大,常規(guī)放大進程,實驗室：菌種篩選和培養(yǎng)基研究 小試： 中試規(guī)模：確定菌種培養(yǎng)的最佳操作條件 工廠規(guī)模：大規(guī)模生產(chǎn)，經(jīng)濟效益,一、 實驗室研究 (一) 實驗設(shè)備 (二) 搖瓶實驗 短期內(nèi)可以獲得大量數(shù)據(jù) 1. 瓶塞是氧傳遞的限制因素 2. 水蒸發(fā)的影響 影響培養(yǎng)液的體積，改變氧傳遞效率，改變菌體產(chǎn)物濃度,3. 比表面積的影響 搖床振蕩的頻率與振幅的大小 培養(yǎng)基體積與搖瓶總體積的比率 搖瓶的形式,先確定培養(yǎng)基組分 通氣強度 影響代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素 搖瓶實驗：提供基本信息和初步發(fā)酵工藝數(shù)據(jù) 通過正交實驗進行實驗設(shè)計,三. 實驗室研究和統(tǒng)計學(xué)方法,一般實驗 時間、勞動

24、力消耗大，如要考察 3個因素和4個水平需要做33 3 3=81次實驗 （因素）34（水平） 溫度(C) pH 濃度(mg/ml) 15 6.5 1.0 20 7.0 1.5 25 7.5 2.0 30 8.0 2.5,正交實驗 應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計原理，作少量次數(shù)實驗，求出各參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系 確定因素和水平的數(shù)目 確定進行幾次實驗 從正交表中查設(shè)計方案 正交表一般在試驗設(shè)計等一類書的附錄中都可以找到,二、搖瓶培養(yǎng)與罐培養(yǎng)的差異和發(fā)酵規(guī)模改變的影響,（一） 搖瓶和罐培養(yǎng)的差異 1. 體積氧傳遞系數(shù)（KLa）和溶解氧的差異 2.

25、 CO2濃度的差異 罐中CO2濃度明顯大于搖瓶，而CO2濃度對細(xì)胞呼吸和某些微生物代謝產(chǎn)物有影響,3. 菌絲受機械損傷的差異 如果菌株要求較高的Kla，罐中的生產(chǎn)能力就高于搖瓶 如果菌株對機械損傷比較敏感，罐中生產(chǎn)能力就低于搖瓶 增加搖瓶轉(zhuǎn)速，減少培養(yǎng)基的裝量,（二）發(fā)酵罐規(guī)模改變的影響 引起許多物理和生物參數(shù)的改變 主要因素： 菌體繁殖代數(shù)： 種子的形成 培養(yǎng)基的滅菌 通氣和攪拌 熱傳遞,1. 菌體繁殖代數(shù)的差異 Ng=1.44(lnV+lnx-lnX0) Ng：菌體繁殖代數(shù) V：發(fā)酵罐體積 m3 x：菌體濃度 kg/m3 X0：總菌體量 kg 體積越大，菌體要進行的繁殖代數(shù)也越多，出現(xiàn)

26、變異的機會也增多 繁殖的代數(shù)與發(fā)酵液體積的對數(shù)呈直線關(guān)系。,2. 培養(yǎng)基滅菌的差異 分批滅菌：預(yù)熱期、維持期、冷卻期 培養(yǎng)基體積越大，預(yù)熱期和冷卻期越長 對培養(yǎng)基破壞越嚴(yán)重 3. 通氣與攪拌的差異 4. 熱傳遞的差異,5. 種子形成的差異 接種量與發(fā)酵罐容積成正比 種子培養(yǎng)的級數(shù)和菌種繁殖的代數(shù) 小結(jié)： 發(fā)酵過程不是簡單的體積增大過程 菌種質(zhì)量和其它發(fā)酵工藝也會改變,三、發(fā)酵規(guī)模的縮小和放大 （一）概述 使小型規(guī)模實驗所取得的結(jié)果在大生產(chǎn)規(guī)模上重現(xiàn) ？ 大、小規(guī)模實驗中菌體所處的外界環(huán)境能保持完全一致 縮?。╯cale down）：大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)條件作為中小型實驗條件 放大（scale up）

27、：實驗室和中試車間結(jié)果應(yīng)用到大規(guī)模發(fā)酵工業(yè)中,化學(xué)因素：基質(zhì)濃度、前體濃度等 物理因素：溫度、粘度、功率消耗等 化學(xué)因素可以通過人為控制來保持恒定 物理因素與設(shè)備規(guī)模的大小關(guān)系很大,（二）放大或縮小所設(shè)計的關(guān)鍵因素,（三）放大的過程 1. 實驗室實驗：搖瓶獲得最佳發(fā)酵工藝條件 2. 中間工廠實驗（中試）：用一定數(shù)量的 1015L小型發(fā)酵罐進行實際應(yīng)用研究 抽提產(chǎn)物還要有幾個34m3的中型罐 中試設(shè)備要自動化程度高 3. 工廠生產(chǎn)規(guī)模：1550m3，有的可達(dá) 260m3,為什么生化反應(yīng)器的放大比較困難?,單位體積的表面積減少,發(fā)酵罐的高徑比一般為2:13:1, 如果保持這個比例不變, 那

28、么在放大過程中，表面積與體積之比會急劇下降。,而這個變化會使氧氣的傳遞趨于困難。,為什么生化反應(yīng)器的放大比較困難?,物理條件發(fā)生改變,放大的反應(yīng)器中的物理環(huán)境與幾何相似的小反應(yīng)器中的物理環(huán)境會有所差異.,放大規(guī)模的改變會導(dǎo)致生化反應(yīng)器中物理環(huán)境的改變，這種改變往往會影響到細(xì)胞的生長和代謝過程。,當(dāng)反應(yīng)器放大過程中引起的物理化學(xué)環(huán)境變化對細(xì)胞造成損傷或破壞，細(xì)胞對在不同放大規(guī)模下不同培養(yǎng)環(huán)境的代謝響應(yīng)會有所差異。,放大的理論基礎(chǔ),（一）物理學(xué)基礎(chǔ) 1、單位體積液體的攪拌消耗功率 2、攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù) 3、溶氧系數(shù) 4、攪拌槳末端線速度 5、混合時間 6、通過反饋控制條件，盡可能使重要環(huán)境因子一致。,

29、雷諾數(shù)表示作用于流體微團的慣性力與粘性力之比。外部條件幾何相似時(幾何相似的管子，流體流過幾何相似的物體等)，若它們的雷諾數(shù)相等，則流體流動狀態(tài)也是幾何相似的(流體動力學(xué)相似)。,單位體積的輸入功率恒定 (P/V, also OTR),生化反應(yīng)器放大的方法?,kLa恒定 (oxygen supply),Re恒定 (geometrically similar flow patterns),混合時間恒定 (mixing time),攪拌器末端速度恒定 (shear),每一種方法都有成功的例子，但不是普適的，各有優(yōu)缺點.,一般的放大方法多是經(jīng)驗性的，定性的方法.,研究流體的停留時間分布，混合時間，氣

30、體分散等過程的機理及其數(shù)學(xué)模型有助于實現(xiàn)反應(yīng)器傳遞特性的定量化，在此基礎(chǔ)上建立的過程動力學(xué)模型，使其成為反應(yīng)器設(shè)計與放大的基礎(chǔ)。,機械攪拌罐放大過程,測定試驗罐的Qg、n、發(fā)酵速率及幾何尺寸,測定發(fā)酵液的特性：r、m,計算試驗罐的vvm、Qg/(nd3)、pnd及Re等,預(yù)算NP、P、Pg和kLa等,根據(jù)生產(chǎn)量和產(chǎn)率選擇發(fā)酵罐的體積和個數(shù),按幾何相似原則計算放大罐的尺寸,確定放大準(zhǔn)則，通常對高耗氧生物反應(yīng)用kLa相等原則,計算Q和N,根據(jù)vvm相等原則、Q/(nd3)相等原則、us相等原則確定Q,根據(jù)Pg與kLa關(guān)系計算n,估算攪拌功率,例：機械攪拌罐經(jīng)驗放大法,某廠在100L機械攪拌罐中進行

31、淀粉酶生產(chǎn)試驗，所用的菌種為枯草桿菌，獲得良好的發(fā)酵效果，擬放大至20 m3 生產(chǎn)罐，粘度 =2.2510-3PaS，密度L=1020kg/m3。試驗罐的尺寸為:直徑D=375mm，攪拌葉輪d=125mm (D/d=3.0)，高徑比H/D2.4，，液深HL=1.5D，4塊檔板的W/D=0.1，裝液量為60L，通氣速率1.0vvm，使用2檔圓盤六直角葉渦輪攪拌器，轉(zhuǎn)速n=350r/min。通過實驗，證明此發(fā)酵為高耗氧的生物反應(yīng)，故可按體積溶氧系數(shù)相等之原則進行放大。,,筒身高度H 罐徑D 檔板寬度W 液位高度HL 攪拌器直徑d 兩攪拌器間距s 下攪拌器距底部的間距B,(1)依據(jù)幾何相似的原則計算

32、發(fā)酵罐尺寸,試驗罐 D=375mm，d=125mm,(2)按幾何相似原則確定20m3生產(chǎn)罐的尺寸：,據(jù)題設(shè)幾何尺寸比例，放大罐與小罐相同，則有H/D2.4, D/d=3.0, HL/D=1.5, 而有效裝料體積仍取60%，由此可得：,可得D=2.17m, H=2.4D=5.20m, d=D/3=0.72m, HL=1.5D=3.26m 這是按幾何相似原則計算求得的20m3生產(chǎn)罐的尺寸。仍采用兩組圓盤六直葉渦輪攪拌器。,以體積溶氧系數(shù)相等為基準(zhǔn),(3)計算試驗罐的kLa,先求攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)ReM,由功率系數(shù),NP視攪拌強度及葉輪形式而定. 當(dāng)發(fā)酵系統(tǒng)充分湍流時, 即ReM=104時, 對圓盤六直

33、葉渦輪, NP=6.0;對圓盤六彎葉渦輪, NP=4.7;而對圓盤六箭葉渦輪, NP=3.7，由于此處ReM104,為圓盤六直葉渦輪，因此NP取為6.0,以體積溶氧系數(shù)相等為基準(zhǔn),所以2檔葉輪的不通氣時的攪拌功率為 ：,相應(yīng)地，通氣攪拌功率為 ： (下式中Qg的單位是ml/min),從而可以算出體積溶氧系數(shù) ：,其中空截面氣速為 ：,(3)決定大罐的量Qg:按幾何相似原則放大設(shè)備，放大倍數(shù)越高，其單位體積液體占有的發(fā)酵罐橫截面越小，若維持通氣強度vvm不變，則放大后空截面氣速則隨罐容增大而迅速提高。因：,,通氣量Qg在維持通氣強度vvm不變時，就有QgVLD3 而空截面氣速為：,由此可見，隨

34、著發(fā)酵規(guī)模的增大，空截面氣速us的增大與發(fā)酵罐直徑的增大成正比，即與罐體積的立方根成正比。所以經(jīng)放大的倍數(shù)較大時，則其空截面氣速us有較大的增加。過大的us會造成太多的泡沫產(chǎn)生甚至跑料，而且消耗的通氣功率也將太高。因此在發(fā)酵反應(yīng)器放大時，必須全面考慮以確定通氣流率。 若按通氣強度不變，即取大罐的通氣速率為1.0vvm，可算出通氣量及相應(yīng)的空截面氣速為：,對比小罐的空截面氣速(us=54.3cm/min),可見，若按通氣強度不變，則大罐的通氣截面氣速約相當(dāng)于小罐的6倍。經(jīng)驗表明，這種氣速太高。故可折中取大罐的us=150 cm/min,由此可計算出大罐的通氣速率為：,通氣強度為：5.55/12=

35、0.462 vvm,(4)按kLa相等原則計算放大罐的攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率,因,所以，7.01x10-6=7.434x10-8Pg0.56n0.7,所以，Pg=3356n-1.25,又根據(jù)Pg的又一表達(dá)式：,即：,比較兩個不同的Pg表達(dá)式可得：,由攪拌軸功率公式可計算得到：,聯(lián)立上面二式可計算得到：n=123 r/min P=10.2 kW Pg=8.19 kW,試驗罐與放大計算結(jié)果比較,項目試驗罐放大罐 公稱體積V(m3)0.120 有效體積VL(m3)0.0612 放大倍數(shù)1200 直徑D(m)0.3752.193 高徑比H/D2.42.4 液柱高HL/D1.51

36、.5 攪拌葉輪d/D1/31/3 通氣強度(vvm)1.00.462 P/VL(kW/m3)1.240.789 Pg/VL(kW/m3)0.6580.704 攪拌轉(zhuǎn)速n(r/min)350120 葉尖線速度npd(m/s)2.2914.593 kLa7.01x10-67.01x10-6,,,以P/VL相等為基準(zhǔn),利用經(jīng)驗公式求解kLa往往會有較大的誤差，因此對某些發(fā)酵系統(tǒng)并不理想。而單位體積發(fā)酵液的攪拌功率P/VL與kLa有密切的關(guān)系且容易測量和計算。實踐表明，對于溶氧速率控制發(fā)酵反應(yīng)的非牛頓發(fā)酵液，把P/VL相等作為放大準(zhǔn)則效果較好。 仍以上一例的數(shù)據(jù)為依據(jù)，以P/VL相等為基準(zhǔn)進行放大計算

37、。,,對試驗罐，有：,同理對放大罐，有：,根據(jù)P/VL相等原則，令(P/VL)1= (P/VL)2,可以得到：,由題設(shè)，知n1=350 r/min, d1=0.125 m,按幾何相似原則放大，放大罐的d2=0.72 m,用d1和d2的值代入上面關(guān)系式，可求解出放大罐的攪拌轉(zhuǎn)速：,因此，放大罐的攪拌功率P為：,因此，放大罐的通氣攪拌功率Pg為：,取放大罐的通氣強度為0.462 vvm,(與上一例相同)，則,代入上式得：,在上述條件下，相應(yīng)的體積溶氧系數(shù)為：,試驗罐與放大計算結(jié)果比較,項目試驗罐放大罐 公稱體積V(m3)0.120 有效體積VL(m3)0.0612 放大倍數(shù)1200 直徑D(m)

38、0.3752.193 高徑比H/D2.42.4 液柱高HL/D1.51.5 攪拌葉輪d/D1/31/3 通氣強度(vvm)1.00.462 P/VL(kW/m3)1.241.18 Pg/VL(kW/m3)0.6580.85 攪拌轉(zhuǎn)速n(r/min)350109 葉尖線速度npd(m/s)2.2914.172 kLa7.01x10-67.28x10-6,,,以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn),應(yīng)用絲狀菌進行發(fā)酵，因這類微生物細(xì)胞受攪拌剪切的影響較明顯，而攪拌葉尖線速度dn是決定攪拌剪切強度的關(guān)鍵。若僅考慮維持kLa或P/VL相等而不考慮攪拌剪切的影響，可能導(dǎo)致放大設(shè)計失誤。 在P/VL相等的條件下，d/

39、D越小，攪拌剪切越強烈，這有利于菌絲體的分散和氣泡的破裂細(xì)碎，有利于溶氧傳質(zhì)。 但是若攪拌葉輪直徑(d/D)過小,則攪拌泵送能力下降，混合時間加長，這會影響反應(yīng)溶液混合的均勻性。 通常對大多數(shù)的生物發(fā)酵，攪拌葉尖線速度宜取2.55.0 m/s.,小結(jié)：,研究工業(yè)發(fā)酵過程的三個階段: 實驗室規(guī)模 中試工廠規(guī)模 工廠生產(chǎn)規(guī)模 放大的方法：,單位體積的輸入功率恒定 (P/V, also OTR),kLa恒定 (oxygen supply),Re恒定 (geometrically similar flow patterns),混合時間恒定 (mixing time),攪拌

40、器末端速度恒定 (shear),Volumetric oxygen transfer coefficient (KLa) in 5L and 300L fermenter,P,大連民族學(xué)院,,,氣升式反應(yīng)器的放大,沒有機械攪拌裝置 壓縮空氣的壓強、流量及空壓機的型號規(guī)格是決定反應(yīng)器能耗的關(guān)鍵 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、發(fā)酵液的物化特性也起著重要的作用,鼓泡式反應(yīng)器常以空截面氣速為基準(zhǔn),通氣能耗,當(dāng) HL<=2m,當(dāng) HL2m,體積溶氧系數(shù),混合時間,氣升式反應(yīng)器的設(shè)計,雖然生物氣升式反應(yīng)器是氣液非均相體系，但是其最基本的原理和最重要的流體動力學(xué)參數(shù)是與純水的液體噴射循環(huán)反應(yīng)器相似的。 結(jié)構(gòu)尺寸： 反應(yīng)器高

41、H 液位高H 反應(yīng)器內(nèi)徑Dt 噴射管內(nèi)徑D1 循環(huán)管高LE 循環(huán)管直徑Dr 循環(huán)管距底部Au,,,,,,,,,,,,,,,,,Dt,,,,H,,,D1,,,Dr,,,,LE,Au,,,,,,,H,M1,M2,基本設(shè)計參數(shù),反應(yīng)器高徑比：s=H/DtH是液位高 反應(yīng)器體積：VR=Dt2Hp/4 反應(yīng)液質(zhì)量：MR=rVR=rsDt3p/4 循環(huán)比：g=M3/M1=(M1+M2)/M1=1+M2/M1M3是總質(zhì)量流率， M2是循環(huán)質(zhì)量流率，M1是進出口質(zhì)量流率 平均循環(huán)速率：um=8M3/rpDt2=8M1g/rpDt2 循環(huán)空速：gU=M3/MR=um/2H=tUm-1 平均循環(huán)時間：tUm=gU

42、-1 平均停留時間：tm=MR/M1=gtUm=g/gU 噴嘴出口液體流速：u1=4V1/pD12=4M1/rpD12 噴嘴雷諾準(zhǔn)數(shù)：Re1=u1D1/m1=4M1/m1r1pD1 平均雷諾準(zhǔn)數(shù)Rem=umDt/mm=8M1g/mmpDt,其它的設(shè)計參數(shù)還有：,氣含率 e 平均體積氣含率 e=Vg/(Vg+VL)Vg是氣泡總體積 混合時間 tm 體積傳氧系數(shù) kLa 對于氣泡非并合液相，體積溶氧系數(shù)kLa完全取決于從空氣分布器進入發(fā)酵液后的氣泡大小。,循環(huán)阻力,很顯然，平均循環(huán)速度越大，混合越強烈。循環(huán)的速度與阻力是相關(guān)的。,阻力準(zhǔn)數(shù)zU,DPU是流體循環(huán)所引起的阻力,工程規(guī)模的反應(yīng)器可用下式

43、：,驅(qū)動循環(huán)的功率和效率,液體噴射功率PL,定態(tài)下液體噴射功率PL 必須大于循環(huán)功率PU,產(chǎn)生循環(huán)的效率用單位液體噴射功率的產(chǎn)生的循環(huán)功率表示,循環(huán)的效率還與氣含率、噴嘴浸沒高度等因素有關(guān)。,在相同的單體體積功率下氣液噴射式循環(huán)反應(yīng)器與攪拌反應(yīng)器相比可以得到更高的kLa,熱量傳遞,熱量的傳遞 換熱裝置(夾套，蛇管，打循環(huán)到外部熱交換器),Internal Coils,Jacketed Vessel,熱量傳遞的經(jīng)驗公式,工程中熱量傳遞計算的基礎(chǔ)是假定過程為定態(tài)，此時熱通量Q為：,ai和ao為器壁內(nèi)表面Ai和外表面Ao上的傳熱系數(shù)，d為器壁的厚度，w為器壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)。平均壁面積和溫度差如左式所示。,k為總傳熱系數(shù)，由下式定義：,式中，,