發(fā)酵工程 第八章 發(fā)酵設(shè)備與反應(yīng)器

第 八 章 發(fā) 酵 設(shè) 備 與 反 應(yīng) 器 發(fā) 酵 設(shè) 備 與 反 應(yīng) 器 生 物 反 應(yīng) 器 的 分 類(lèi) 及 設(shè) 計(jì) 目 標(biāo) 和 原 則 微 生 物 細(xì) 胞 反 應(yīng) 器 發(fā) 酵 罐 發(fā) 酵 罐 的 放 大 生 物 反 應(yīng) 器 的 分 類(lèi)酶 催 化 反 應(yīng) 器細(xì) 胞 生 物 反 應(yīng) 器 p按 所 用 的 生 物 催 化 劑 的 不 同 分 類(lèi) 生 物 反 應(yīng) 器 的 分 類(lèi) 按 反 應(yīng) 器 結(jié) 構(gòu) 特 征 分 類(lèi) 釜 式 、 管 式 、 塔 式 、 膜 式 等 類(lèi) 型 生 物 反 應(yīng) 器 的 分 類(lèi) 根 據(jù) 細(xì) 胞 或 組 織 的 代 謝 要 求 厭 氧 生 物 反 應(yīng) 器 好 氧 生 物 反 應(yīng) 器 光 照 生 物 反 應(yīng) 器 膜 生 物 反 應(yīng) 器 反 應(yīng) 器 的 設(shè) 計(jì) 目 標(biāo) 和 原 則生 物 反 應(yīng) 器 具 備 的 特 點(diǎn) ：1 嚴(yán) 密 的 結(jié) 構(gòu) ；2 良 好 的 液 體 混 合 性 能 ；3 較 高 的 傳 質(zhì) 、 傳 熱 性 能4 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 能 耗 低5 配 套 而 又 可 靠 的 檢 測(cè) 和 控 制 儀 表 生 物 反 應(yīng) 器 設(shè) 計(jì) 遵 循 的 原 則 生 物 反 應(yīng) 器 應(yīng) 具 有 適 宜 的 徑 高 比 應(yīng) 承 受 一 定 的 壓 力 有 攪 拌 通 風(fēng) 裝 置 的 反 應(yīng) 器 應(yīng) 能 使 氣 液 固 三 相 充 分 混 合 ，滿(mǎn) 足 物 料 必 須 的 溶 氧 需 求 反 應(yīng) 器 應(yīng) 有 恰 當(dāng) 的 冷 卻 裝 置 和 冷 卻 面 積 ， 滿(mǎn) 足 生 物 體生 長(zhǎng) 代 謝 過(guò) 程 中 的 溫 度 要 求 反 應(yīng) 器 應(yīng) 盡 量 減 少 死 角 ， 消 除 藏 垢 積 污 場(chǎng) 所 ， 保 證 滅 菌 徹底 盡 量 減 少 法 蘭 連 接 ， 防 止 因 設(shè) 備 震 動(dòng) 和 熱 膨 脹 ， 引 起 法 蘭連 接 處 移 位 ， 造 成 污 染 保 證 滅 菌 工 作 的 順 利 進(jìn) 行 ， 培 養(yǎng) 系 統(tǒng) 中 已 滅 菌 部 分 與 未 滅菌 部 分 之 間 不 能 直 接 連 通 厭 氧 發(fā) 酵 罐 用 于 酒 精 、 啤 酒 、 丙 酮 丁 醇 等 嫌 氣 發(fā) 酵 產(chǎn) 品 的 生 產(chǎn) ，由 于 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 不 需 供 氧 ， 所 以 設(shè) 備 結(jié) 構(gòu) 比 較 簡(jiǎn) 單 。嫌 氣 生 物 反 應(yīng) 器 也 已 趨 向 大 容 量 發(fā) 展 ， 并 實(shí) 現(xiàn) 了 自 動(dòng)清 洗 。 啤 酒 發(fā) 酵 設(shè) 備 傳 統(tǒng) 的 啤 酒 發(fā) 酵 設(shè) 備 是 由 分 別 設(shè) 在 發(fā) 酵 間 的 發(fā) 酵 池 和 貯 酒間 內(nèi) 的 貯 酒 罐 組 成 的 。 目 前 圓 筒 體 錐 底 罐 （ C.C.T)在 露 天 大 罐 工 藝 中 使 用 最 為 普遍 簡(jiǎn) 稱(chēng) 露 天 錐 形 發(fā) 酵 罐 。 圓 筒 體 錐 底 罐 （ C.C.T)的 結(jié) 構(gòu) 及 特 點(diǎn)p C.C.T發(fā) 酵 最 大 特 點(diǎn) 在 于 大 型 化 ，容 積 從 100-600m3(國(guó) 內(nèi) 也 有 60m3小 型 的 )。 1、 設(shè) 備 的 外 型 特 點(diǎn) 罐 體 圓 柱 形 ， 罐 頂 為 橢 圓 封 頭 ， 罐 底 為 圓 錐 形 。 筒 體 直 徑 (D)和 筒 體 高 度 (H)是 主 要 特 性 參 數(shù) 。 D： H 1：1.5-6。 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 一 般 為 60-130 考 慮 到 發(fā) 酵 中 酵 母 自 然 沉 降最 有 利 ， 以 70 為 好 。 2， 罐 材 料 大 型 C.C.T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(shí) 產(chǎn) 生的 H2S、 SO2對(duì) 鐵 材 料 會(huì) 造 成 氧 化 還 原 腐 蝕 。 3、 冷 卻 夾 套 先 進(jìn) 的 C.C.T均 采 用 換 熱 片 式 ,一 次 性 冷 媒 直 接 蒸 發(fā) 式 換 熱 ， (如 氨 蒸 發(fā) )。 發(fā) 酵 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(hù) 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 C.C.T絕 熱 層 常 用 聚 酰 氨 樹(shù) 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 150-200mm。 外 防 護(hù) 層 一 般 采 用 0.7-1.5mm厚 的 合 金 鋁 板 或 0.5-0.7mm的 不 銹 鋼 板 5、 罐 主 要 附 件 在 上 中 下 三 段 冷 卻 介 質(zhì) 進(jìn) 口 位 置下 裝 智 能 型 鉑 溫 度 傳 感 器 。 在 圓 筒 形 下 部 裝 可 清 洗 取 樣 閥 。 在 液 面 上 150mm 裝 有 CIP裝 置 。 還 應(yīng) 裝 上 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(kāi) 人 孔 。 圓 筒 體 錐 底 發(fā) 酵 罐 的 優(yōu) 點(diǎn) 加 速 發(fā) 酵 ， C.C.T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(duì) 流 獲 得 強(qiáng) 化 ， 可 加 速 發(fā) 酵 。 廠(chǎng) 房 投 資 節(jié) 省 。 冷 耗 節(jié) 省 。 C.C.T 發(fā) 酵 可 依 賴(lài) CIP自 動(dòng) 程 序 清 洗 消 毒 ， 工 藝 衛(wèi) 生 更 易得 到 保 證 。 加 強(qiáng) 對(duì) 流 ： 發(fā) 酵 罐 底 部 產(chǎn) 生 CO2氣 泡 上 升 ， 對(duì) 發(fā) 酵 液 拖 曳 力 大 在 發(fā) 酵 階 段 ， 由 于 底 部 酵 母 細(xì) 胞 濃 度 大 于 罐 上 部 ， 底 部糖 降 快 ， 酒 精 生 成 快 ， 造 成 罐 上 、 下 部 間 密 度 差 而 造 成 對(duì)流 。 在 發(fā) 酵 時(shí) 控 制 罐 下 部 溫 度 高 于 上 部 (差 1 2 )， 由 于 溫差 引 起 熱 對(duì) 流 ， 特 別 在 發(fā) 酵 后 期 第 一 、 二 推 動(dòng) 力 減 小 后 ，溫 差 對(duì) 流 更 能 發(fā) 揮 作 用 。 圓 筒 體 錐 底 發(fā) 酵 罐 的 缺 點(diǎn) 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 5-6代 )； 貯 酒 時(shí) ， 澄 清 比 較 困 難 (特 別 在 使 用 非 凝 聚 性 酵 母 )， 過(guò) 濾必 須 強(qiáng) 化 ； 若 采 用 單 釀 發(fā) 酵 ， 罐 壁 溫 度 和 罐 中 心 溫 度 一 致 ， 一 般 要 5-7d以 上 ， 短 期 貯 酒 不 能 保 證 溫 度 一 致 酒 精 發(fā) 酵 設(shè) 備 滿(mǎn) 足 酒 精 發(fā) 酵 的 工 藝 要 求 滿(mǎn) 足 酒 精 酵 母 生 長(zhǎng) 和 代 謝 的 必要 工 藝 條 件 將 發(fā) 酵 產(chǎn) 生 的 熱 量 及 時(shí) 移 走 有 利 于 發(fā) 酵 液 的 排 出 ， 設(shè) 備 的 清 洗 、維 修 以 及 設(shè) 備 制 造 安 裝 方 便 等 問(wèn) 題 。 酒 精 發(fā) 酵 罐 的 結(jié) 構(gòu) 1、 基 本 結(jié) 構(gòu) 酒 精 發(fā) 酵 罐 筒 體 為 圓 柱 形 ； 底 蓋 和 頂 蓋 均 為 碟 形 或 錐 形 ； 罐 頂 裝 有 廢 汽 回 收 管 ， 進(jìn) 料 管 ， 按 種管 ， 壓 力 表 、 各 種 測(cè) 量 儀 表 接 口 管 及供 觀(guān) 察 清 洗 和 檢 修 罐 體 內(nèi) 部 的 人 孔 ； 罐 底 裝 有 排 料 口 和 排 污 口 對(duì) 于 大 型 發(fā)酵 罐 ， 為 了 便 于 維 修 和 清 洗 ， 往 往 在近 罐 底 也 裝 有 人 孔 ； 罐 身 上 下 部 裝 有 取 樣 口 和 溫 度 計(jì) 接 口 。 2， 發(fā) 酵 罐 的 冷 卻 裝 置 中 小 型 發(fā) 酵 罐 ： 多 采 用 罐 頂 噴 水淋 于 罐 外 壁 表 面 進(jìn) 行 膜 狀 冷 卻 ； 大 型 發(fā) 酵 罐 ： 由 于 罐 外 壁 冷 卻 面積 不 能 滿(mǎn) 足 冷 卻 要 求 ， 所 以 ， 罐 內(nèi)裝 有 冷 卻 蛇 管 或 罐 內(nèi) 蛇 管 和 罐 外 壁噴 灑 聯(lián) 合 冷 卻 裝 置 。 此 外 ， 也 有 采 用 罐 外 列 管 式 噴 琳冷 卻 的 方 法 ， 此 法 具 有 冷 卻 發(fā) 酵 液均 勻 、 冷 卻 效 率 高 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 3、 發(fā) 酵 罐 的 洗 滌 裝 置 大 型 酒 精 發(fā) 酵 罐 采 用 水 力 噴 射 洗 滌 裝 置 好 氧 發(fā) 酵 設(shè) 備 大 多 數(shù) 的 生 化 反 應(yīng) 都 是 需 氧 的 ， 通 風(fēng) 發(fā) 酵 設(shè) 備 是 需 氧生 化 反 應(yīng) 設(shè) 備 的 核 心 和 基 礎(chǔ) 。 1 良 好 傳 質(zhì) 和 傳 熱 性 能 ， 培 養(yǎng) 基 流 動(dòng) 與 混 合 良 好 ， 特 別是 溶 氧 性 能 ， 供 氧 速 率 通 常 被 認(rèn) 為 是 在 生 物 反 應(yīng) 器 的 選 擇 和設(shè) 計(jì) 的 主 要 問(wèn) 題 ； 2 結(jié) 構(gòu) 嚴(yán) 密 ， 防 雜 菌 污 染 ， 是 必 須 保 證 的 條 件 ； 能 耗 低 ，運(yùn) 轉(zhuǎn) 經(jīng) 濟(jì) 性 好 ； 3 必 要 的 檢 測(cè) 與 控 制 儀 表 ； 4 設(shè) 備 較 簡(jiǎn) 單 ， 方 便 維 護(hù) 檢 修 。 通 風(fēng) 發(fā) 酵 罐 的 類(lèi) 型常 用 的 通 風(fēng) 發(fā) 酵 罐 有 機(jī) 械 攪 拌 式 氣 升 環(huán) 流 式 自 吸 式 鼓 泡 式 等 。 其 中 機(jī) 械 攪 拌 通 風(fēng) 發(fā) 酵 罐 占 主 導(dǎo) 地 位 。 機(jī) 械 攪 拌 通 風(fēng) 發(fā) 酵 罐 機(jī) 械 攪 拌 通 風(fēng) 發(fā) 酵 罐 在 生 物 工 程 占 了 發(fā) 酵 罐 總 數(shù)的 70 80 。 又 常 稱(chēng) 之 為 通 用 式 發(fā) 酵 罐 。 這 類(lèi) 發(fā) 酵 罐 大 多 用 于 通 風(fēng) 發(fā) 酵 ， 靠 通 入 的 壓 縮 無(wú)菌 空 氣 和 攪 拌 葉 輪 實(shí) 現(xiàn) 發(fā) 酵 液 的 混 合 、 促 使 氧 在 醪 液中 溶 解 ， 以 保 證 供 給 微 生 物 生 長(zhǎng) 繁 殖 ， 發(fā) 酵 所 需 要 的氧 氣 。 一 、 機(jī) 械 通 風(fēng) 攪 拌 發(fā) 酵 罐 的 基 本 要 求 1、 發(fā) 酵 罐 應(yīng) 具 有 適 宜 的 高 徑 比 （ 一 般 高 度 與 直 徑 之 比為 1.7 4倍 ） ， 罐 身 越 長(zhǎng) ， 氧 氣 的 利 用 率 越 高 。 2、 發(fā) 酵 罐 能 承 受 一 定 的 壓 力 。 由 于 發(fā) 酵 罐 在 滅 菌 和 工作 時(shí) ， 罐 內(nèi) 有 一 定 的 壓 力 和 溫 度 ， 因 此 需 要 一 定 的 強(qiáng) 度 。 3、 發(fā) 酵 罐 的 攪 拌 通 風(fēng) 裝 置 能 使 氣 液 充 分 混 合 ， 保 證 發(fā)酵 液 必 須 的 溶 解 氧 。 一 、 機(jī) 械 通 風(fēng) 攪 拌 發(fā) 酵 罐 的 基 本 要 求 4、 發(fā) 酵 罐 應(yīng) 具 有 足 夠 的 冷 卻 面 積 。 5、 發(fā) 酵 罐 應(yīng) 盡 量 減 少 死 角 ， 避 免 藏 垢 積 污 ， 滅 菌 能 徹 底 。 6、 攪 拌 器 軸 封 應(yīng) 嚴(yán) 密 ， 盡 量 減 少 泄 漏 。 機(jī) 械 攪 拌 型 發(fā) 酵 罐 主 要 組 成 部 分 有 罐 體 、 控 溫 部 分 、攪 拌 部 分 、 通 氣 部 分 、進(jìn) 出 料 口 、 測(cè) 量 系 統(tǒng)和 附 屬 系 統(tǒng) 等 。 二 、 機(jī) 械 攪 拌 通 風(fēng) 發(fā) 酵 罐 的 結(jié) 構(gòu)1、 主 要 部 件 有罐 體 ； 攪 拌 器 、 擋 板 、 傳 動(dòng) 裝 置 、軸 封 ； 空 氣 分 布 器 ； 消 泡 器 ； 冷卻 管 （ 或 夾 套 ） ； 人 孔 、 視 鏡 、各 種 接 口 等 。 2 發(fā) 酵 罐 的 部 分 部 件（ 1） 罐 體結(jié) 構(gòu) ： 圓 柱 體 和 橢 圓 封 頭 或 碟 形 封 頭 焊 接 而 成 ，材 料 為 碳 鋼 或 不 銹 鋼 。剛 度 和 強(qiáng) 度 ： 受 壓 容 器 ， 空 消 或 實(shí) 消 ， 通 常 滅 菌 的 壓 力 為2.5Kgf/cm3。小 型 發(fā) 酵 罐 罐 頂 和 罐 身 采 用 法 蘭 連 接 。 頂 部 設(shè) 有 清 洗 用 的手 孔 。 封 頭 、 封 底橢圓形封頭（底蓋） 碟形封頭（底蓋） 接 管 罐 頂 ： 進(jìn) 料 管 ， 補(bǔ) 料 管 ，排 氣 管 和 壓 力 表 管 等 。 罐 底 ： 出 料 管 ， 進(jìn) 氣 管等 。 罐 身 ： 冷 卻 水 進(jìn) 出 管 ，進(jìn) 空 氣 管 ， 溫 度 計(jì) 管 和測(cè) 控 儀 表 接 口 。 (2)攪 拌 器 （ 1） 攪 拌 器 的 主 要 作 用 ： 混 合 和 傳 質(zhì) 溶 氧 ： 使 通 入 的 空 氣 分 散 成 小 氣 泡 并 與 發(fā) 酵 液 充 分 混 合 ， 使 氣泡 細(xì) 碎 以 增 大 氣 一 液 界 面 ， 獲 得 所 需 要 的 溶 氧 速 率 ， 并 使 生 物細(xì) 胞 懸 浮 分 散 于 發(fā) 酵 體 系 中 ， 以 維 持 適 當(dāng) 的 氣 一 液 一 固 （ 細(xì) 胞 ）三 相 的 混 合 與 質(zhì) 量 傳 遞 ； 有 利 于 熱 量 傳 遞 ； 加 強(qiáng) 氣 液 之 間 的 湍 動(dòng) ， 增 加 氣 液 接 觸 面 積 及 延 長(zhǎng) 氣 液 接 觸 時(shí) 間 。 攪 拌 器 的 結(jié) 構(gòu) 與 類(lèi) 型 ： 實(shí) 現(xiàn) 上 述 目 的 ， 攪 拌 器 的 設(shè) 計(jì) 應(yīng) 使 發(fā) 酵 液 有 足 夠 的 徑 向流 動(dòng) 和 適 度 的 軸 向 運(yùn) 動(dòng) 。 發(fā) 酵 罐 采 用 的 攪 拌 器 主 要 有 徑 向 流 攪 拌 器 、 軸 向 流 攪 拌器 和 組 合 式 攪 拌 器 。 Rushton渦 輪 是 最 典 型 的 徑 向 流攪 拌 器 ， 其 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 通 常 由 一個(gè) 圓 盤(pán) 上 面 帶 六 個(gè) 直 葉 葉 片 ， 也稱(chēng) 為 六 直 葉 圓 盤(pán) 渦 輪 。 設(shè) 置 圓 盤(pán)的 目 的 是 為 了 防 止 氣 體 未 經(jīng) 分 散直 接 從 軸 周 圍 溢 出 液 面 。 徑 向 流 攪 拌 器 大 型 發(fā) 酵 罐 攪拌 裝 置 攪 拌 槳冷 卻 管攪 拌 電 機(jī) 上 封頭 徑 向 流 攪 拌 器 隨 著 發(fā) 酵 規(guī) 模 的 擴(kuò) 大 ， 這 種 結(jié) 構(gòu) 并 不 是 適 用 于 氣 液 分 散的 最 優(yōu) 結(jié) 構(gòu) 。 Smith等 發(fā) 現(xiàn) ， 當(dāng) 用 六 直 葉 圓 盤(pán) 渦 輪 式 攪 拌 器把 氣 體 分 散 于 低 黏 流 體 時(shí) ， 在 每 片 漿 葉 的 背 面 都 有 一 對(duì) 高速 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 漩 渦 ， 漩 渦 內(nèi) 負(fù) 壓 較 大 ， 從 葉 片 下 部 供 給 的 氣 體立 即 被 卷 入 漩 渦 ， 形 成 氣 體 充 填 的 空 穴 （ 稱(chēng) 為 氣 穴 ） ， 氣穴 的 存 在 會(huì) 影 響 發(fā) 酵 罐 內(nèi) 的 氣 液 傳 質(zhì) 能 力 。 影 響 氣 液 傳 質(zhì) 能 力 的 原 因 ： 因 為 氣 體 不 是 直 接 被 攪 拌 器 剪 碎 而 分 散 的 ， 而 是 首 先 在 漿葉 的 背 面 形 成 穩(wěn) 定 的 氣 穴 ， 而 后 氣 穴 在 尾 部 破 裂 ， 這 些 小氣 泡 在 離 心 力 的 作 用 下 被 甩 出 而 分 散 至 液 體 內(nèi) 。 氣 穴 的 存在 使 得 Rushton渦 輪 的 效 率 降 低 ， 特 別 在 高 氣 速 下 ， 有 時(shí)整 個(gè) 攪 拌 器 被 氣 穴 包 圍 ， 攪 拌 器 近 似 空 轉(zhuǎn) ， 效 率 很 低 ， 氣體 穿 過(guò) 攪 拌 器 直 接 上 升 到 液 面 。 彎 曲 葉 片 彎 曲 葉 片 的 優(yōu) 點(diǎn) ： 使 其 背 面 的 漩 渦 減 小 ， 抑 制 葉片 后 方 形 成 氣 穴 ， 提 高 載 氣 能 力 ； 改 善 了 分 散 和 傳 質(zhì) 能 力。 彎 曲 非 對(duì) 稱(chēng) 葉 片 1998， Bakker提 出 上 面 葉 片略 長(zhǎng) 于 下 面 葉 片 ， 避 免 了 氣體 過(guò) 早 的 從 葉 輪 區(qū) 域 上 升 逃逸 ； 采 用 拋 物 線(xiàn) 設(shè) 計(jì) ， 能 明顯 減 少 葉 片 后 方 氣 穴。 軸 向 流 攪 拌 器 徑 向 流 攪 拌 器 對(duì) 氣 體 分 散 的 能 力 較 強(qiáng) ， 但 其 作 用 的 范圍 較 小 。 隨 著 發(fā) 酵 規(guī) 模 的 不 斷 擴(kuò) 大 ， 其 缺 點(diǎn) 也 越 發(fā) 明顯 。 尤 其 對(duì) 于 要 求 整 罐 混 勻 好 ， 剪 切 性 能 溫 和 的 過(guò) 程 ，徑 向 流 攪 拌 器 往 往 無(wú) 能 為 力 。 軸 向 流 攪 拌 器 A315攪 拌 器 特 別 適 合 于 氣 液 傳 質(zhì) 過(guò) 程 。 與 Rushton渦 輪 相 比 ， 持 氣量 高 80 ， 氣 體 分 散 量 提高 4倍 ， 產(chǎn) 量 提 高 10 50 ， 剪 切 力 僅 為 Rushton渦輪 的 25 。 3.Lightnin A 315式 組 合 式 攪 拌 器 在 生 物 反 應(yīng) 器 中 ， 將 徑 向 流 攪 拌 器 和 軸 向 流 攪 拌 器 組 合 使用 ， 就 可 利 用 徑 向 流 攪 拌 器 強(qiáng) 化 小 范 圍 的 主 體 對(duì) 流 擴(kuò) 散 和渦 流 擴(kuò) 散 ， 實(shí) 現(xiàn) 小 范 圍 的 充 分 氣 液 混 合 ， 然 后 再 依 靠 軸向 流 攪 拌 器 的 主 體 對(duì) 流 實(shí) 現(xiàn) 大 范 圍 的 氣 液 混 合 ； 對(duì) 于 組 合 式 ， 根 據(jù) 發(fā) 酵 罐 一 般 是 下 部 通 氣 的 特 點(diǎn) ， 下 層 攪拌 器 選 擇 徑 向 流 攪 拌 器 ， 上 層 攪 拌 器 選 擇 軸 向 流 攪 拌 器 。 擋板的作用：阻 止 液 面 中 央 部 分 產(chǎn) 生 下 凹 的 旋 渦 ， 促 使 液 體 激 烈 翻 動(dòng) ，增 加 溶 解 氧 。 擋 板 寬 度 一 般 為 （ 0.1 0.2） D， 裝 設(shè) 4 6塊即 可 滿(mǎn) 足 全 擋 板 條 件 。 全 擋 板 條 件 ： 在 一 定 轉(zhuǎn) 數(shù) 下 再 增 加 罐 內(nèi) 附 件 而 軸 功 率 仍 保持 不 變 。 達(dá) 到 全 擋 板 條 件 的 要 求 ， 須 滿(mǎn) 足 ： ） 擋 板 寬 度 （ 擋 板 數(shù) ） 罐 直 徑 （ mmWz mmD zD DzDW 5.02.01.0 （ 3） 擋 板 (4)軸 封軸 封 的 作 用 ： 使 罐 頂 或 罐 底 與 軸 之 間 的 縫 隙 加以 密 封 ， 防 止 泄 漏 和 污 染 雜 菌 。 常 用 的 軸 封 有填 料 函 和 端 面 軸 封 兩 種 。 填 料 函 式 軸 封 由 填 料 箱 體 ， 填 料 底 襯 套 ， 填料 壓 蓋 和 壓 緊 螺 栓 等 零 件 構(gòu) 成 ，使 旋 轉(zhuǎn) 軸 達(dá) 到 密 封 的 效 果 。 填 料室 的 寬 度 可 根 據(jù) 軸 的 直 徑 決 定 。 優(yōu) 點(diǎn) ： 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 缺 點(diǎn) ： 死 角 多 ， 很 難 徹 底 滅 菌 ， 易 滲 漏 和 染 菌 軸 的 磨 損 較 嚴(yán) 重 填 料 壓 緊 后 摩 擦 功 率 消 耗 大 壽 命 短 端 面 式 軸 封 優(yōu) 點(diǎn)清 潔密 封 可 靠 。無(wú) 死 角 。 使 用 壽 命 長(zhǎng) 。摩 擦 功 率 耗 損 小 。軸 或 軸 套 不 受 磨 損 。對(duì) 軸 的 精 度 和 光 潔 度 沒(méi) 有 填 料 函 要求 嚴(yán) 格 ， 對(duì) 軸 的 震 動(dòng) 敏 感 性 小 。 缺 點(diǎn) 結(jié) 構(gòu) 比 填 料 函 復(fù) 雜 ， 裝 拆 不 便 ， 對(duì) 動(dòng) 環(huán) 和 靜 環(huán) 的表 面 光 潔 度 及 平 直 度 要 求 高 ， 否 則 易 泄 漏 。 (5)空 氣 分 布 裝 置 作 用 ： 吹 入 無(wú) 菌 空 氣 ， 并 使 空 氣 均 勻 分 布 。 (a)單 管 式 分 布 裝 置 ： 管 口 正 對(duì) 罐 底 中 央 ， 與 罐 底 的 距 離 約 40mm， 這 樣 的 空 氣 分 散 效果 較 好 。(b)環(huán) 形 管 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 5 8mm， 噴孔 向 下 ， 噴 孔 的 總 截 面 積 約 等 于 通 風(fēng) 管 的 截 面 積 。 (6)消 泡 裝 置 起 泡 原 因 ： 發(fā) 酵 液 中 含 有 蛋 白 質(zhì) 等 發(fā) 泡 物 質(zhì) ， 故 在 通 風(fēng) 、 攪 拌 時(shí)產(chǎn) 生 氣 泡 物 質(zhì) 。 危 害 ： 減 少 裝 料 系 數(shù) 、 料 液 外 溢 （ 隨 排 風(fēng) 、 各 接 口 、 軸 封 等 ） ，并 易 引 起 染 菌 消 泡 方 法 ： 加 入 化 學(xué) 消 泡 劑 ； 使 用 機(jī) 械 消 泡 裝 置 。 通 常 ， 是 把 上述 兩 種 方 法 聯(lián) 合 使 用 。 最 簡(jiǎn) 單 實(shí) 用 的 消 泡 裝 置 為 耙 式 消 泡 器 ， 可 直 接 安 裝 在 上 攪 拌 的 軸上 ， 消 泡 耙 齒 底 部 應(yīng) 比 發(fā) 酵 液 面 高 出 適 當(dāng) 高 度 。 耙 式 消 泡 器 結(jié) 構(gòu) (7)傳 熱 裝 置 排 除 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 由 于 生 物 氧 化 作 用 及 機(jī) 械 攪 拌 產(chǎn) 生 的 熱量 的 裝 置 發(fā) 酵 換 熱 裝 置 的 形 式 1.夾 套 式 換 熱 裝 置 多 用 于 容 積 較 小 的 發(fā) 酵 罐 、 種 子 罐 。 一 般 小 于 5m3， 夾套 的 高 度 比 靜 止 液 面 高 度 較 高 即 可 ， 約 高 50-100 mm。夾 套 的 寬 度 對(duì) 于 不 同 直 徑 的 發(fā) 酵 有 不 同 的 尺 寸 ， 一 般為 50-200 mm。 優(yōu) 點(diǎn) 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 加 工 容 易 罐 內(nèi) 無(wú) 冷 卻 設(shè) 備 ， 死 角 少 ， 容 易 進(jìn) 行 滅 菌 工 作 ， 有 利 于 發(fā)酵 。 缺 點(diǎn) 是 傳 熱 壁 較 厚 ， 冷 卻 水 流 速 低 ， 降 溫 效 果 差 ， 傳 熱 系數(shù) 400 600 KJ/(m 2 h ) 豎 式 蛇 管 換 熱 裝 置 豎 式 的 蛇 管 分 組 安 裝 于 發(fā) 酵 罐 內(nèi) ， 有 四 組 、 六 組 或 八組 。 5m3以 上 的 發(fā) 酵 罐 多 采 用 優(yōu) 點(diǎn) ： 冷 卻 水 在 管 內(nèi) 的 流 速 較 快 ， 傳 熱 系 數(shù) 高 。 約 為1200 2000KJ/(m2 h ) 缺 點(diǎn) ： 彎 曲 部 位 容 易 被 腐 蝕 ， 增 加 培 養(yǎng) 液 中 金 屬 離 子的 濃 度 ， 腐 蝕 而 形 成 穿 孔 ， 引 起 污 染 。 氣 升 環(huán) 流 式 發(fā) 酵 罐 （ ALR）1、混 合 原 理 ： 利 用 通 入 反 應(yīng) 器 內(nèi) 的 空 氣 上 升 時(shí) 的 動(dòng) 力 來(lái) 帶 動(dòng) 發(fā) 酵 液 的 運(yùn)動(dòng) ， 從 而 達(dá) 到 混 合 的 目 的 。 即 ： 把 具 有 一 定 壓 力 和 流 速 無(wú) 菌 空 氣 通 過(guò) 噴 嘴 或 噴 孔 噴 射進(jìn) 發(fā) 酵 液 中 ， 通 過(guò) 氣 液 混 合 物 的 湍 流 作 用 而 使 空 氣 泡 分 割細(xì) 碎 ， 同 時(shí) 由 于 形 成 的 氣 液 混 合 物 密 度 降 低 故 向 上 運(yùn) 動(dòng) ，而 氣 含 率 小 的 發(fā) 酵 液 則 下 沉 ， 形 成 循 環(huán) 流 動(dòng) ， 實(shí) 現(xiàn) 混 合 與溶 氧 傳 質(zhì) 。 2、 結(jié) 構(gòu) 類(lèi) 型 ： 外 循 環(huán) 與 內(nèi) 循 環(huán) 氣 升 式 發(fā) 酵 罐 環(huán) 流 管 的 布 置 可 以 裝 在 罐 外 ， 稱(chēng) 為 外 循 環(huán) 也 可 裝 在 罐 內(nèi) ， 稱(chēng) 為 內(nèi) 循 環(huán) 。 1.人 孔 ； 2.視 鏡 ； 3.空 氣 管 ； 4.上 升 管 ； 5.冷 卻 器 ；6.單 向 閥 門(mén) ； 7.空 氣 噴 嘴 ； 8.帶 升 管 ； 9.罐 體 氣 升 式 發(fā) 酵 罐 優(yōu) 缺 點(diǎn) 優(yōu) 點(diǎn)1、 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 冷 卻 面 積 小 ；2、 無(wú) 攪 拌 傳 動(dòng) 設(shè) 備 ， 節(jié) 約 動(dòng) 力 約 50 ， 節(jié) 約 鋼 材 ；3、 操 作 無(wú) 噪 音 ；4、 料 液 可 充 滿(mǎn) 達(dá) 80 90 ；5、 維 修 、 操 作 及 清 洗 簡(jiǎn) 便 ， 減 少 雜 菌 感 染 。應(yīng) 用酵 母 的 生 產(chǎn) 、 單 細(xì) 胞 蛋 白 生 產(chǎn) 和 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 酶 制 劑 等 的 發(fā) 酵生 產(chǎn) 。 4、 適 用 范 圍 ：對(duì) 生 物 細(xì) 胞 損 傷 小 。 適 合 于 動(dòng) 植 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 適 合 于 固 形物 含 量 低 、 黏 度 小 、 需 氧 量 低 的 微 生 物 培 養(yǎng) 和 發(fā) 酵 過(guò) 程 。 但 不 適 合 固 形 物 含 量 高 、 黏 度 大 、 需 氧 量 高 的 微 生 物 培養(yǎng) 和 發(fā) 酵 過(guò) 程 。目 前 世 界 上 最 大 型 的 通 氣 發(fā) 酵 罐 就 是 氣 升 環(huán) 流 式 的 ， 體積 高 達(dá) 3000多 立 方 米 。 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 是 一 種 不 需 要 空 氣 壓 縮 機(jī) 提 供 加壓 空 氣 ， 而 依 靠 特 設(shè) 的 機(jī) 械 攪 拌 吸 氣 裝 置 或 液體 噴 射 吸 氣 裝 置 吸 入 無(wú) 菌 空 氣 并 同 時(shí) 實(shí) 現(xiàn) 混 合攪 拌 與 溶 氧 傳 質(zhì) 的 發(fā) 酵 罐 。 自 20世 紀(jì) 60年 代 開(kāi) 始 歐 洲 和 美 國(guó) 展 開(kāi) 研 究 開(kāi) 發(fā) ，然 后 在 國(guó) 際 和 國(guó) 內(nèi) 的 酵 母 及 單 細(xì) 胞 蛋 白 生 產(chǎn) 、醋 酸 發(fā) 酵 及 維 生 素 生 產(chǎn) 等 獲 得 應(yīng) 用 。 種 類(lèi) 機(jī) 械 攪 拌 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 噴 射 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 溢 流 噴 射 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 機(jī) 械 攪 拌 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 不 需 要 空 氣 壓 縮 機(jī) ， 而 在 攪 拌 過(guò) 程 中 自 吸 入 空 氣 的發(fā) 酵 罐 。 開(kāi) 始 于 1960s， 通 風(fēng) 裝 置 由 轉(zhuǎn) 子 和 定 子 組 成 。 1、 結(jié) 構(gòu) 構(gòu) 成1.人 孔2.進(jìn) 風(fēng) 管3.軸 封4.轉(zhuǎn) 子5.電 機(jī)6.聯(lián) 軸 器7.軸 封 8.攪 拌 軸9.定 子10.冷 卻 蛇 管11.消 泡 器12.排 氣 管13.消 泡 轉(zhuǎn) 軸 2、 主 要 部 件 自 吸 裝 置 ： 由 轉(zhuǎn) 子 和 定 子 組 成 。 轉(zhuǎn) 子 （ 葉 輪 ） 形 式 有 ： 三 葉 輪 、 四 彎 葉 輪 、 六 葉 輪 等 形式 。 常 見(jiàn) 的 為 三 葉 輪 和 四 彎 葉 輪 。 葉 輪 都 是 空 心 體 ， 葉輪 直 徑 為 罐 直 徑 的 1/3到 1/15。 吸 氣 機(jī) 理 在 轉(zhuǎn) 子 啟 動(dòng) 前 ， 先 用 液 體 將 轉(zhuǎn) 子 浸 沒(méi) ， 然 后 啟 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 使 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn)動(dòng) ， 由 于 轉(zhuǎn) 子 高 速 旋 轉(zhuǎn) ， 液 體 、 空 氣 在 離 心 力 的 作 用 下 ， 被 甩 向葉 輪 外 緣 。 轉(zhuǎn) 子 葉 輪 中 心 形 成 負(fù) 壓 ， 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 速 愈 大 ， 所 造 成 的 負(fù) 壓 也 愈 大 。 轉(zhuǎn) 子 的 空 腔 用 管 子 與 大 氣 相 通 ， 空 氣 不 斷 的 被 吸 入 ， 甩 向 葉 輪 的外 緣 ， 通 過(guò) 導(dǎo) 輪 而 使 氣 流 均 勻 甩 出 。 轉(zhuǎn) 子 攪 拌 使 氣 液 在 轉(zhuǎn) 子 的 周 圍 形 成 強(qiáng) 烈 的 混 合 流 ， 使 空 氣 不 斷 分裂 成 細(xì) 微 的 氣 泡 ， 并 在 湍 流 狀 態(tài) 下 混 合 、 翻 騰 、 擴(kuò) 散 到 整 個(gè) 罐 中 。 自 吸 式 通 風(fēng) 裝 置 在 攪 拌 的 同 時(shí) ， 完 成 了 吸 氣 作 用 。 噴 射 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 噴 射 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 是 利 用 泵 使 發(fā) 酵 液 通 過(guò) 文 氏 管 噴射 吸 氣 裝 置 進(jìn) 行 混 合 通 氣 的 ， 既 不 用 空 壓 機(jī) ， 又 不用 機(jī) 械 攪 拌 吸 氣 轉(zhuǎn) 子 。 文 氏 管 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 結(jié) 構(gòu) 利 用 泵 使 發(fā)酵 液 通 過(guò) 文氏 管 吸 氣 裝置 ， 液 體 在收 縮 管 段 加速 ， 形 成 真空 ， 吸 入 空氣 ， 氣 泡 分散 于 液 體 混合 。 文 氏 吸 氣 管 結(jié) 構(gòu) 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 的 優(yōu) 點(diǎn) 不 必 配 備 空 氣 壓 縮 機(jī) 及 其 附 屬 設(shè) 備 ， 節(jié) 約 設(shè) 備 投 資30%以 上 ， 減 少 廠(chǎng) 房 面 積 。 溶 氧 速 率 高 ， 溶 氧 效 率 高 、 能 耗 較 低 。 用 于 酵 母 生 產(chǎn) 和 醋 酸 發(fā) 酵 具 有 生 產(chǎn) 效 率 高 、 經(jīng) 濟(jì) 效 益高 的 優(yōu) 點(diǎn) 。 裝 料 系 數(shù) 低 ， 約 40%左 右 。 易 染 菌 ， 需 高 效 過(guò) 濾 系 統(tǒng) 。 攪 拌 轉(zhuǎn) 速 高 ， 對(duì) 于 長(zhǎng) 菌 絲 的 微 生 物 的 菌 絲 ， 攪 拌 的 剪 切 力會(huì) 產(chǎn) 生 不 利 影 響 （ 機(jī) 械 攪 拌 自 吸 式 ） 。 吸 程 （ 即 液 面 與 吸 氣 轉(zhuǎn) 子 距 離 ） 一 般 不 高 ， 需 要 采 用 低 阻力 高 效 率 空 氣 除 菌 裝 置 。 自 吸 式 發(fā) 酵 罐 的 缺 點(diǎn) 改 進(jìn) ： 為 克 服 上 述 缺 點(diǎn) ， 可 采 用 自 吸 氣 與 鼓 風(fēng) 相 合 的 鼓 風(fēng)自 吸 式 發(fā) 酵 系 統(tǒng) ， 即 在 過(guò) 濾 器 前 加 裝 一 臺(tái) 鼓 風(fēng) 機(jī) ，適 當(dāng) 維 持 無(wú) 菌 空 氣 的 正 壓。 固 態(tài) 培 養(yǎng) 設(shè) 備 一 、 概 述 ： 固 態(tài) 發(fā) 酵 、 固 態(tài) 反 應(yīng) 器 二 、 機(jī) 械 通 風(fēng) 固 體 曲 發(fā) 酵 設(shè) 備 一 、 概 述 ： 固 態(tài) 發(fā) 酵 、 固 態(tài) 反 應(yīng) 器1、 固 態(tài) 發(fā) 酵 固 態(tài) 發(fā) 酵 是 微 生 物 在 沒(méi) 有 或 基 本 沒(méi) 有 游 離 水 的 固 態(tài)基 質(zhì) 上 的 發(fā) 酵 方 式 。 用 于 固 態(tài) 發(fā) 酵 的 反 應(yīng) 器 稱(chēng) 為 固 態(tài) 反 應(yīng) 器 。 2、 固 態(tài) 反 應(yīng) 器 的 歷 史 和 現(xiàn) 狀歷 史 古 老 ： 幾 千 年 前 ， 中 國(guó) 就 利 用 這 項(xiàng) 技 術(shù) 釀 酒 和 制 造 各 種 調(diào)味 品 ， 通 風(fēng) 固 相 發(fā) 酵 工 藝 是 傳 統(tǒng) 的 發(fā) 酵 生 產(chǎn) 工 藝 ， 廣泛 應(yīng) 用 于 醬 油 與 釀 酒 生 產(chǎn) 。發(fā) 展 與 問(wèn) 題 ： 現(xiàn) 代 的 固 態(tài) 發(fā) 酵 不 僅 用 于 改 善 食 品 的 風(fēng) 味 ， 更 主 要的 是 用 于 酶 制 劑 、 單 細(xì) 胞 蛋 白 、 有 機(jī) 酸 、 酒 精 、 生 物殺 蟲(chóng) 劑 等 的 生 產(chǎn) 。 3、 固 態(tài) 發(fā) 酵 具 有 以 下 特 點(diǎn) ： 培 養(yǎng) 基 處 理 簡(jiǎn) 單 ： 使 用 的 原 料 不 必 經(jīng) 過(guò) 復(fù) 雜 的 加 工 ， 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 糖 化 與 發(fā) 酵 同步 進(jìn) 行 ， 簡(jiǎn) 化 了 操 作 程 序 、 節(jié) 約 了 能 量 ； 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 更 近 自 然 ： 可 使 微 生 物 保 持 自 然 環(huán) 境 中 的 生 長(zhǎng) 存 在 狀 態(tài) ， 模 擬 自 然 中 的生 長(zhǎng) 環(huán) 境 ， 是 許 多 絲 狀 真 菌 適 宜 采 用 固 體 發(fā) 酵 的 原 因 之 一 ； 適 用 于 特 殊 微 生 物 代 謝 和 產(chǎn) 物 積 累 ： 對(duì) 于 纖 維 素 酶 、 果 膠 酶 、 白 僵 菌 、 綠 僵 菌 、 蘇 云 金 芽 孢 桿 菌 、真 菌 毒 素 、 脫 落 酸 等 ， 固 態(tài) 發(fā) 酵 的 產(chǎn) 率 比 液 體 深 層 發(fā) 酵 高 得多 ； 乃 至 像 白 僵 菌 、 綠 僵 菌 等 的 分 生 孢 子 ， 不 能 在 液 體 中 繁殖 ， 只 能 用 固 態(tài) 發(fā) 酵 方 法 生 產(chǎn) 。 固 態(tài) 發(fā) 酵 具 有 以 下 特 點(diǎn) ：（ 4） 發(fā) 酵 供 氧 費(fèi) 用 低 ： 在 需 要 大 量 供 氧 的 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 ， 壓 縮 空 氣 通 過(guò) 固 體 層的 阻 力 較 小 ， 因 而 能 量 消 耗 也 較 小 ；（ 5） 發(fā) 酵 產(chǎn) 物 復(fù) 雜 、 風(fēng) 味 獨(dú) 特 ： 由 于 存 在 明 顯 的 氣 、 液 、 固 三 相 界 面 ， 可 以 得 到 液 體發(fā) 酵 難 于 得 到 的 產(chǎn) 物 ， 如 傳 統(tǒng) 固 態(tài) 發(fā) 酵 釀 酒 工 藝 可 以 具有 獨(dú) 特 的 風(fēng) 味 ；（ 6） 發(fā) 酵 后 處 理 簡(jiǎn) 單 ， 有 機(jī) 廢 水 少 ： 許 多 產(chǎn) 品 可 直 接 烘 干 而 無(wú) 須 提 取 ， 產(chǎn) 品 易 于 儲(chǔ) 藏 ， 運(yùn)輸 ， 穩(wěn) 定 性 好 。 新 型 固 態(tài) 發(fā) 酵 是 生 化 工 程 研 究 的 方 向 ： 鑒 于 上 述 優(yōu) 點(diǎn) ， 以 及 現(xiàn) 代 發(fā) 酵 工 業(yè) 的 發(fā) 展 方 向 是 高濃 度 、 高 黏 度 發(fā) 酵 過(guò) 程 ， 而 高 濃 的 、 高 黏 度 的 極 限 就是 固 態(tài) 發(fā) 酵 基 質(zhì) 。 但 是 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 氧 的 濃 度 梯 度 很 大 ，在 高 需 氧 量 時(shí) 可 能 成 為 制 約 發(fā) 酵 效 率 的 一 個(gè) 重 要 因 素 。由 此 ， 影 響 固 態(tài) 發(fā) 酵 技 術(shù) 關(guān) 鍵 是 固 態(tài) 發(fā) 酵 反 應(yīng) 器 。 4、 對(duì) 固 體 發(fā) 酵 反 應(yīng) 器 的 要 求要 求 ： （ 1） 良 好 的 攪 拌 、 通 氣 、 無(wú) 菌 操 作 ； （ 2） 良 好 的 傳 熱 ： 散 熱 、 冷 卻 ， 包 括 氣 -固 、氣 -液 、 液 -固 等 形 式 傳 質(zhì) 傳 熱 （ 3） 保 溫 保 濕 ： （ 4） 參 數(shù) 檢 測(cè) ： 溫 度 、 pH、 供 氧 等 檢 測(cè) （ 5） 物 料 輸 送 ： 有 效 輸 送 機(jī) 械 通 風(fēng) 固 體 曲 發(fā) 酵 設(shè) 備 l.輸送帶 2.高位料斗 3.送料小車(chē) 4.曲料室 5.進(jìn)出料機(jī) 6.料斗 7.輸送帶 8.鼓風(fēng)機(jī) 9.空調(diào)室 10.循環(huán)風(fēng)道 11.曲室閘門(mén) 優(yōu) 點(diǎn) ： 機(jī) 械 通 風(fēng) 固 體 曲 發(fā) 酵 設(shè) 備 使 用 了 機(jī) 械 通 風(fēng)即 鼓 風(fēng) 機(jī) ， 因 而 強(qiáng) 化 了 發(fā) 酵 系 統(tǒng) 的 通 風(fēng) ， 使 曲層 厚 度 大 大 增 加 。 不 僅 使 制 曲 生 產(chǎn) 效 率 大 大 提 高 ， 而 且 便 于 控 制曲 層 發(fā) 酵 溫 度 ， 提 高 了 曲 的 質(zhì) 量 。 動(dòng) 植 物 細(xì) 胞 反 應(yīng) 器 動(dòng) 物 細(xì) 胞 反 應(yīng) 器 動(dòng) 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 是 指 在 體 外 條 件 下 使 動(dòng) 物 細(xì) 胞 增 殖 的 技 術(shù) 。 此時(shí) 細(xì) 胞 雖 然 生 長(zhǎng) 與 增 多 ， 但 不 再 形 成 組 織 。 動(dòng) 物 細(xì) 胞 作 為 生 物 催 化 劑 ， 可 用 于 大 規(guī) 模 生 產(chǎn) 具 有 重 要 價(jià) 值的 生 物 活 性 物 質(zhì) ， 包 括 疫 苗 、 診 斷 試 劑 、 干 擾 素 、 單 克 隆 抗體 和 其 他 生 物 制 品 。 多 數(shù) 動(dòng) 物 細(xì) 胞 過(guò) 程 表 達(dá) 的 目 標(biāo) 蛋 白 質(zhì) 分泌 至 培 養(yǎng) 液 中 ， 因 此 下 游 產(chǎn) 品 純 化 過(guò) 程 比 較 簡(jiǎn) 單 。 動(dòng) 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 技 術(shù) 為 生 物 工 程 產(chǎn) 品 的 生 產(chǎn) 提 供 了 一 條 重 要 的途 徑 。 動(dòng) 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 的 特 點(diǎn)（ 1） 動(dòng) 物 細(xì) 胞 是 沒(méi) 有 細(xì) 胞 壁 的 ， 受 剪 切 力 而 破 壞 ； 而 且 大 多 數(shù) 哺乳 動(dòng) 物 細(xì) 胞 需 要 附 著 在 固 體 或 半 固 體 表 面 上 才 能 生 長(zhǎng) ；（ 2） 動(dòng) 物 細(xì) 胞 對(duì) 培 養(yǎng) 基 的 營(yíng) 養(yǎng) 要 求 相 當(dāng) 苛 刻 ， 要 求 含 有 多 種 氨 基酸 、 維 生 素 、 無(wú) 機(jī) 鹽 、 血 清 等 物 料 ；（ 3） 對(duì) 培 養(yǎng) 環(huán) 境 條 件 十 分 敏 感 ， 對(duì) 溫 度 、 pH值 、 溶 氧 濃 度 等 條 件都 比 微 生 物 培 養(yǎng) 要 嚴(yán) 格 得 多 。（ 4） 動(dòng) 物 細(xì) 胞 的 生 長(zhǎng) 要 比 微 生 物 細(xì) 胞 緩 慢 得 多 ， 一 般 只 有 在 高 細(xì)胞 密 度 條 件 下 ， 才 能 得 到 一 定 濃 度 的 產(chǎn) 物 。（ 5） 由 于 動(dòng) 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 所 需 時(shí) 間 要 比 微 生 物 細(xì) 胞 長(zhǎng) ， 又 非 常 容 易 染 菌 ， 因 此 需 要 有 嚴(yán) 格 的 防 污 染 措 施 。 動(dòng) 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 技 術(shù) 體 外 培 養(yǎng) 的 動(dòng) 物 細(xì) 胞 分 為 兩 種 類(lèi) 型 。 一 種 是 非 貼 壁 依 賴(lài) 型細(xì) 胞 。 另 一 種 動(dòng) 物 細(xì) 胞 為 貼 壁 依 賴(lài) 型 細(xì) 胞 ， 大 多 數(shù) 動(dòng) 物 細(xì) 胞 屬于 貼 壁 依 賴(lài) 型 細(xì) 胞 。 （ 1） 懸 浮 培 養(yǎng) 懸 浮 培 養(yǎng) 過(guò) 程 中 細(xì) 胞 以 單 細(xì) 胞 或 細(xì) 胞 聚 集 體 的 形 式 懸 浮 于 培養(yǎng) 基 中 增 殖 ， 這 與 微 生 物 發(fā) 酵 過(guò) 程 差 別 較 小 。 （ 2） 貼 壁 培 養(yǎng) 貼 壁 依 賴(lài) 型 細(xì) 胞 在 培 養(yǎng) 過(guò) 程 中 黏 附 在 固 體 吸 附 介 質(zhì) 上 。 當(dāng) 細(xì)胞 貼 附 于 固 體 表 面 后 ， 原 來(lái) 是 圓 形 的 細(xì) 胞 一 經(jīng) 貼 壁 就 迅 速 鋪 展 ，然 后 開(kāi) 始 有 絲 分 裂 ， 并 很 快 進(jìn) 入 對(duì) 數(shù) 生 長(zhǎng) 期 ， 一 般 在 數(shù) 天 后 鋪滿(mǎn) 生 長(zhǎng) 表 面 ， 形 成 致 密 的 細(xì) 胞 單 層 。 （ 3） 微 載 體 技 術(shù) 細(xì) 胞 貼 附 于 微 載 體 上 懸 浮 于 培 養(yǎng) 基 中 ， 在 微 載 體 上 逐 漸 生 長(zhǎng) 成細(xì) 胞 單 層 ， 生 長(zhǎng) 表 面 積 較 大 ， 可 實(shí) 現(xiàn) 細(xì) 胞 的 高 密 度 培 養(yǎng) 。 并 且由 于 細(xì) 胞 的 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 均 一 ， 有 利 于 對(duì) 影 響 細(xì) 胞 的 環(huán) 境 因 素 的 檢測(cè) 與 控 制 。 微 載 體 技 術(shù) 使 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 過(guò) 程 的 培 養(yǎng) 基 利 用 率 高 ， 采 樣 重 復(fù) 性 高 ，細(xì) 胞 收 獲 和 下 游 加 工 過(guò) 程 方 便 ， 過(guò) 程 放 大 容 易 ， 勞 動(dòng) 強(qiáng) 度 小 ，占 用 空 間 小 。 影 響 微 載 體 培 養(yǎng) 的 因 素 有 微 載 體 濃 度 、 細(xì) 胞 接 種 濃 度 和 攪 拌 速度 等 。 植 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 反 應(yīng) 器 由 于 單 個(gè) 植 物 細(xì) 胞 具 有 整 個(gè) 植 物 的 全 部 特 性 ， 其 代 謝 過(guò)程 能 生 成 有 很 高 藥 用 價(jià) 值 的 次 生 代 謝 物 ， 植 物 細(xì) 胞 的 大規(guī) 模 培 養(yǎng) 逐 漸 受 到 重 視 。 但 利 用 植 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 的 物 質(zhì) ，一 般 僅 限 于 那 些 難 于 化 學(xué) 合 成 無(wú) 法 用 微 生 物 合 成 和 附 加值 很 高 的 物 質(zhì) 。 1 植 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 的 特 點(diǎn) 植 物 細(xì) 胞 的 大 小 約 為 10 100 m， 有 纖 維 素 細(xì) 胞 壁 ， 細(xì) 胞耐 拉 不 耐 扭 ， 抵 抗 流 體 剪 切 力 的 能 力 較 差 ； 培 養(yǎng) 過(guò) 程 生 長(zhǎng) 速 度 緩 慢 ， 如 生 長(zhǎng) 最 快 的 煙 草 細(xì) 胞 的 倍 增 時(shí)間 為 0.65天 ， 而 木 本 植 物 細(xì) 胞 的 倍 增 時(shí) 間 高 達(dá) 2 10天 ， 根 、莖 和 葉 分 化 的 器 官 培 養(yǎng) 的 倍 增 時(shí) 間 為 10天 以 上 ； 代 謝 產(chǎn) 物 不 分 泌 到 胞 外 而 留 在 細(xì) 胞 內(nèi) ， 因 此 要 得 到 大 量 次級(jí) 代 謝 產(chǎn) 物 須 進(jìn) 行 高 密 度 培 養(yǎng) ； 細(xì) 胞 在 培 養(yǎng) 液 中 會(huì) 形 成 多 細(xì) 胞 聚 集 體 ， 黏 度 較 大 ， 懸 浮 培養(yǎng) 較 困 難 ， 還 會(huì) 發(fā) 生 細(xì) 胞 在 反 應(yīng) 器 壁 黏 附 的 情 況 ； 植 物 培 養(yǎng) 細(xì) 胞 易 發(fā) 生 反 分 化 ， 從 而 導(dǎo) 致 目 的 產(chǎn) 物 含 量 低 于原 植 物 體 的 含 量 。 植 物 細(xì) 胞 與 組 織 的 培 養(yǎng) 方 法 植 物 細(xì) 胞 與 組 織 的 培 養(yǎng) 方 法 主 要 分 為 體 外 游 離 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 和 植 物 組織 培 養(yǎng) 。 游 離 細(xì) 胞 培 養(yǎng) ： 由 植 物 組 織 挖 塊 獲 取 無(wú) 菌 細(xì) 胞 株 ， 然 后 在 固 體 培養(yǎng) 基 上 篩 選 和 培 養(yǎng) 愈 傷 組 織 ， 使 其 分 散 在 液 體 培 養(yǎng) 基 中 振 蕩 培 養(yǎng) ，形 成 單 細(xì) 胞 或 多 細(xì) 胞 聚 集 體 培 養(yǎng) 物 。 植 物 組 織 培 養(yǎng) 也 稱(chēng) 為 器 官 培 養(yǎng) ， 也 是 由 愈 傷 組 織 出 發(fā) ， 然 后 在 固體 培 養(yǎng) 基 上 用 生 長(zhǎng) 素 誘 導(dǎo) 愈 傷 組 織 分 化 形 成 器 官 ， 之 后 培 養(yǎng) 人 工種 子 和 種 苗 并 進(jìn) 行 種 植 與 繁 殖 。 生 物 反 應(yīng) 器 中 進(jìn) 行 的 植 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 過(guò) 程 的 方 式 與 微 生 物 發(fā) 酵 過(guò) 程基 本 相 同 。 植 物 細(xì) 胞 反 應(yīng) 器 1 懸 浮 培 養(yǎng) 反 應(yīng) 器 植 物 細(xì) 胞 懸 浮 培 養(yǎng) 的 基 本 型 式 是 機(jī) 械 攪 拌 反 應(yīng) 器 ， 采 用 機(jī) 械 攪拌 反 應(yīng) 器 可 使 物 料 混 合 均 勻 ， 也 能 完 全 滿(mǎn) 足 細(xì) 胞 對(duì) 反 應(yīng) 器 的 供 氧要 求 。 機(jī) 械 攪 拌 式 反 應(yīng) 器 應(yīng) 用 于 植 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) ， 存 在 的 主 要 問(wèn) 題 是 機(jī)械 攪 拌 引 起 的 細(xì) 胞 剪 切 損 傷 ， 因 此 有 許 多 研 究 者 對(duì) 攪 拌 式 反 應(yīng) 器做 適 當(dāng) 改 進(jìn) 以 適 應(yīng) 植 物 細(xì) 胞 培 養(yǎng) 的 要 求 。 氣 升 式 反 應(yīng) 器 的 對(duì) 細(xì) 胞 剪 切 小 ， 氣 升 式 反 應(yīng) 器 也 能 夠 滿(mǎn) 足 植 物 細(xì)胞 的 需 氧 的 傳 質(zhì) 要 求 。 固 定 化 植 物 細(xì) 胞 反 應(yīng) 器 固 定 化 技 術(shù) 能 夠 克 服 細(xì) 胞 在 培 養(yǎng) 過(guò) 程 中 表 現(xiàn) 的 不 均 一 性 、 避 免 流體 剪 切 力 的 作 用 和 實(shí) 現(xiàn) 連 續(xù) 操 作 。p（ l） 填 充 床 反 應(yīng) 器p 在 反 應(yīng) 器 中 ， 細(xì) 胞 位 于 支 撐物 表 面 ， 或 包 埋 于 支 撐 物 中 。培 養(yǎng) 基 流 經(jīng) 支 撐 物 顆 粒 。 優(yōu) 點(diǎn) :單 位 反 應(yīng) 器 體 積 的 細(xì) 胞 容 量 較大 。 缺 點(diǎn) ： 反 應(yīng) 器 流 體 混 合 效果 差 ， 過(guò) 程 參 數(shù) 難 以 控 制 ， 床層 易 被 小 顆 粒 物 堵 塞 ， 流 動(dòng) 阻力 較 大 。 （ 2） 流 化 床 反 應(yīng) 器 利 用 液 體 和 氣 體 使 固 定 化 細(xì)胞 懸 浮 在 反 應(yīng) 介 質(zhì) 中 。 優(yōu) 點(diǎn)是 混 合 效 果 好 ， 但 流 體 的 剪切 力 和 固 定 化 顆 粒 的 碰 撞 常使 支 撐 物 破 裂 ， 而 且 流 體 力學(xué) 條 件 復(fù) 雜 使 放 大 困 難 。 光 照 生 物 反 應(yīng) 器 微 藻 等 光 合 微 生 物 和 光 自 養(yǎng) 型 植 物 細(xì) 胞 的 培 養(yǎng) 裝 置 稱(chēng) 為 光 照 生 物 反 應(yīng) 器 。 光 照 培 養(yǎng) 時(shí) 需 要 足 夠 的 光 照 ， 同 時(shí) 需 要 對(duì) 培 養(yǎng) 系 統(tǒng) 供 應(yīng) 大量 的 CO 2和 排 出 所 產(chǎn) 生 的 氧 氣 。 根 據(jù) 這 種 特 點(diǎn) ， 光 照 生 物 反應(yīng) 器 需 配 置 復(fù) 雜 的 光 照 系 統(tǒng) 和 良 好 的 傳 質(zhì) 條 件 ， 其 混 合 條件 應(yīng) 有 利 于 細(xì) 胞 的 懸 浮 和 沿 光 照 表 面 的 充 分 混 合 。 微 藻 光 合 生 物 反 應(yīng) 器 微 藻 大 規(guī) 模 培 養(yǎng) 反 應(yīng) 器 有 兩 類(lèi) ， 一 類(lèi) 是 敞 開(kāi) 式 反 應(yīng) 器 ； 另 一類(lèi) 是 封 閉 式 反 應(yīng) 器 。 敞 開(kāi) 式 反 應(yīng) 器 一 般 為 占 地 面 積 較 大 的 圓 形 淺 水 池 ， 使 用 螺 旋槳 等 攪 拌 器 進(jìn) 行 攪 拌 混 合 。 封 閉 式 光 照 生 物 反 應(yīng) 器 是 一 種 能 使 培 養(yǎng) 液 接 受 光 照 的 透 明 容器 ， 其 組 成 包 括 機(jī) 械 攪 拌 或 氣 流 攪 拌 裝 置 和 參 數(shù) 控 制 機(jī) 構(gòu) 等 。管 道 式 反 應(yīng) 器 是 主 要 應(yīng) 用 的 類(lèi) 型 ， 已 進(jìn) 入 實(shí) 用 化 階 段 。