第八章生化反應設備PPT課件

1、第八章第八章 生化反應設備生化反應設備 第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵罐發(fā)酵罐 第二節(jié)第二節(jié) 生化反應設備生化反應設備一一 發(fā)酵罐的定義發(fā)酵罐的定義 二二 發(fā)酵罐的種類發(fā)酵罐的種類三三 幾種好氧發(fā)酵罐的結構及其特點幾種好氧發(fā)酵罐的結構及其特點 是發(fā)酵生產(chǎn)中最主要的設備是發(fā)酵生產(chǎn)中最主要的設備, ,是按照發(fā)酵過程的是按照發(fā)酵過程的工藝要求工藝要求, ,保證和控制各種生化反應條件保證和控制各種生化反應條件(T,P,O(T,P,O2 2, ,防止雜菌污染防止雜菌污染),),以促進微生物的新陳代謝以促進微生物的新陳代謝, ,使之使之能在低消耗下獲得較高的產(chǎn)量的一種設備。能在低消耗下獲得較高的產(chǎn)量的一種設備。 注意

2、：注意：由于發(fā)酵時采用的菌種不同、產(chǎn)物不由于發(fā)酵時采用的菌種不同、產(chǎn)物不同或發(fā)酵類型不同，培養(yǎng)或發(fā)酵條件也就各不相同或發(fā)酵類型不同，培養(yǎng)或發(fā)酵條件也就各不相同。因此，需要根據(jù)發(fā)酵過程的特點和要求來設同。因此，需要根據(jù)發(fā)酵過程的特點和要求來設計和選擇不同結構和形式的發(fā)酵罐。計和選擇不同結構和形式的發(fā)酵罐。微生物有好氧和厭氧兩大類，培養(yǎng)這兩大類微微生物有好氧和厭氧兩大類，培養(yǎng)這兩大類微生物的發(fā)酵罐有很大的區(qū)別。相應地發(fā)酵罐可生物的發(fā)酵罐有很大的區(qū)別。相應地發(fā)酵罐可分為以下兩種：分為以下兩種：1 好氧發(fā)酵罐好氧發(fā)酵罐： 氨基酸、有機酸、酶制劑、抗生素和單細胞氨基酸、有機酸、酶制劑、抗生素和單細胞蛋白

3、均由此方法制得。在生產(chǎn)過程中需通入無蛋白均由此方法制得。在生產(chǎn)過程中需通入無菌空氣，因此其設備的結構要比厭氧發(fā)酵復雜菌空氣，因此其設備的結構要比厭氧發(fā)酵復雜些。些。生產(chǎn)上根據(jù)發(fā)酵罐通風和攪拌方式的不同可將生產(chǎn)上根據(jù)發(fā)酵罐通風和攪拌方式的不同可將其其分為四類分為四類：機械攪拌式通風發(fā)酵罐、自吸式：機械攪拌式通風發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐和塔式發(fā)酵罐發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐和塔式發(fā)酵罐 2 厭氧發(fā)酵罐厭氧發(fā)酵罐 厭氧發(fā)酵也稱靜止培養(yǎng)，因其不需供氧，所以設厭氧發(fā)酵也稱靜止培養(yǎng)，因其不需供氧，所以設備和工藝都較好氧發(fā)酵簡單。嚴格的厭氧液體深備和工藝都較好氧發(fā)酵簡單。嚴格的厭氧液體深層發(fā)酵的主要特色

4、是排除發(fā)酵罐中的氧。罐內的層發(fā)酵的主要特色是排除發(fā)酵罐中的氧。罐內的發(fā)酵液應盡量裝滿，以便減少上層氣相的影響，發(fā)酵液應盡量裝滿，以便減少上層氣相的影響，有時還需充人非氧氣體。發(fā)酵罐的排氣口要安裝有時還需充人非氧氣體。發(fā)酵罐的排氣口要安裝水封裝置，培養(yǎng)基應預先還原。水封裝置，培養(yǎng)基應預先還原。 （本章重點講述好氧發(fā)酵罐）（本章重點講述好氧發(fā)酵罐）一一 通用機械通用機械攪拌攪拌通風通風發(fā)酵罐發(fā)酵罐 （一）（一）結構結構 主要由罐體、控溫部分、攪拌部分、通氣部分、主要由罐體、控溫部分、攪拌部分、通氣部分、進出料口、測量系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)等組成。分別介進出料口、測量系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)等組成。分別介紹紹各個部件

5、的作用及其工作原理各個部件的作用及其工作原理，如下：，如下：通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐是指既具有機械攪拌又有壓縮空氣分是指既具有機械攪拌又有壓縮空氣分布裝置的發(fā)酵罐。由于這種型式的罐是目前大多數(shù)布裝置的發(fā)酵罐。由于這種型式的罐是目前大多數(shù)發(fā)酵工廠最常用的，所以稱為發(fā)酵工廠最常用的，所以稱為通用式通用式。其容積可。其容積可自自20 L200 L，有的甚至可，有的甚至可500-50000 L。 1 罐體罐體：為整個發(fā)酵過程提供一個密封的環(huán)境，防止雜菌：為整個發(fā)酵過程提供一個密封的環(huán)境，防止雜菌污染；同時為了能在一定壓力下進行高溫滅菌，要求罐體污染；同時為了能在一定壓力下進行高溫滅菌，要求罐體承受的壓

6、力至少在承受的壓力至少在0。3MPa以上。以上。 2 控溫部分控溫部分：保證發(fā)酵過程在恒溫條件下進行，并將生物：保證發(fā)酵過程在恒溫條件下進行，并將生物氧化和機械攪拌產(chǎn)生的熱量及時除去。一般的發(fā)酵罐上通氧化和機械攪拌產(chǎn)生的熱量及時除去。一般的發(fā)酵罐上通常裝有測溫的傳感器及冷卻和加熱用的夾套或盤管。容積常裝有測溫的傳感器及冷卻和加熱用的夾套或盤管。容積小于小于50000L的發(fā)酵罐一般采用外夾套作為傳熱裝置；容的發(fā)酵罐一般采用外夾套作為傳熱裝置；容積大于積大于50000L的發(fā)酵罐則采用立式蛇管作為傳熱裝置的發(fā)酵罐則采用立式蛇管作為傳熱裝置 3 攪拌部分攪拌部分: 是該設備的重要組成部分。它是由安裝在

7、一是該設備的重要組成部分。它是由安裝在一根軸上的多個渦輪式攪拌漿組成的，它可以使被攪拌的物根軸上的多個渦輪式攪拌漿組成的，它可以使被攪拌的物料產(chǎn)生軸向和徑向流動，從而使罐內物料混合良好，液體料產(chǎn)生軸向和徑向流動，從而使罐內物料混合良好，液體中的固形物保持懸浮狀態(tài)，有利于固體和營養(yǎng)物質充分接中的固形物保持懸浮狀態(tài)，有利于固體和營養(yǎng)物質充分接觸，便于營養(yǎng)吸收；另一方面，可以打碎氣泡，增加氣液觸，便于營養(yǎng)吸收；另一方面，可以打碎氣泡，增加氣液接觸面積，提高氣液間的傳質速率，加強氧的傳遞效果及接觸面積，提高氣液間的傳質速率，加強氧的傳遞效果及消除泡沫。消除泡沫。 另外另外，由于攪拌器在攪拌過程中使培養(yǎng)

8、液產(chǎn)生漩，由于攪拌器在攪拌過程中使培養(yǎng)液產(chǎn)生漩渦，因此可以在發(fā)酵罐的壁面上安裝適當寬度及渦，因此可以在發(fā)酵罐的壁面上安裝適當寬度及數(shù)量的擋板，使沿罐壁旋轉流動的液體折向中心，數(shù)量的擋板，使沿罐壁旋轉流動的液體折向中心，達到消除漩渦的目的；還可以使接近罐壁的液體達到消除漩渦的目的；還可以使接近罐壁的液體的剪切速度增加，有利于物料混合均勻。但需要的剪切速度增加，有利于物料混合均勻。但需要注意的是，擋板和罐壁之間應有一定的空隙，以注意的是，擋板和罐壁之間應有一定的空隙，以免出現(xiàn)死角并積垢。免出現(xiàn)死角并積垢。4 通氣部分通氣部分: 是從罐的底部向罐內通入無菌空氣，一是從罐的底部向罐內通入無菌空氣，一般

9、入口處的壓力為般入口處的壓力為0.1-0.2MPa ，罐頂部有空氣出，罐頂部有空氣出口。該設備一般采用空氣分布器將無菌空氣引入口。該設備一般采用空氣分布器將無菌空氣引入到發(fā)酵液中?？諝夥植计饕话阌脝慰坠?，開口向到發(fā)酵液中。空氣分布器一般用單孔管，開口向下，避免培養(yǎng)液中的固體物料在管口堆積而增加下，避免培養(yǎng)液中的固體物料在管口堆積而增加污染的機會。污染的機會。5 進出料口進出料口：是進料和出料的裝置，同時還配有：是進料和出料的裝置，同時還配有補料口裝置。補料口裝置。6 測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)：包括溫度、酸度和溶解氧的數(shù)據(jù)監(jiān)：包括溫度、酸度和溶解氧的數(shù)據(jù)監(jiān)控、傳感器和測量裝置控、傳感器和測量裝置（三）特

10、點（三）特點 優(yōu)點：優(yōu)點： 適用性強適用性強 保障氧氣的供應保障氧氣的供應 通入的是無菌的空氣，減少雜菌污染通入的是無菌的空氣，減少雜菌污染 缺點：缺點： 成本較高成本較高（四）適用于大多數(shù)產(chǎn)品的發(fā)酵（四）適用于大多數(shù)產(chǎn)品的發(fā)酵 二二 自吸自吸發(fā)酵罐發(fā)酵罐（一）結構（一）結構 1 帶輪帶輪(帶動軸旋轉帶動軸旋轉) 2 排氣閥排氣閥 3 消泡器消泡器 4 冷卻水管冷卻水管 5 電機電機 6 導氣管導氣管 7 支架支架4256713自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐罐體的結構大致上與通用式發(fā)酵罐相罐體的結構大致上與通用式發(fā)酵罐相同，主要區(qū)別在大攪拌器的形狀和結構不同。自吸同，主要區(qū)別在大攪拌器的形狀和結構不

11、同。自吸式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器。式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器。 （二）（二）工作原理工作原理： 該發(fā)酵罐利用攪拌旋轉時產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣，不該發(fā)酵罐利用攪拌旋轉時產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣，不需要空氣壓縮機提供壓縮空氣，從而省去了空氣系統(tǒng)，使需要空氣壓縮機提供壓縮空氣，從而省去了空氣系統(tǒng)，使設備成本降低。它的攪拌器是一個空心葉輪，葉輪快速旋設備成本降低。它的攪拌器是一個空心葉輪，葉輪快速旋轉時液體由于離心作用而被甩出，并在葉輪空心部分形成轉時液體由于離心作用而被甩出，并在葉輪空心部分形成負壓，從而將罐外的空氣吸到罐內。同時空氣因受到高速負壓，從而將罐外的空氣吸到罐內。同時空氣

12、因受到高速流動液體的摩擦剪切作用而變成細小的氣泡，均勻分散在流動液體的摩擦剪切作用而變成細小的氣泡，均勻分散在液體之中，然后借助導輪流將氣液混合物導入發(fā)酵液中并液體之中，然后借助導輪流將氣液混合物導入發(fā)酵液中并與之混合。與之混合。（三）（三） 特點特點 優(yōu)點：優(yōu)點： 不需要空氣壓縮機不需要空氣壓縮機 降低設備成本降低設備成本 缺點：缺點： 進罐空氣處于負壓狀態(tài)，雜菌容易侵染進罐空氣處于負壓狀態(tài)，雜菌容易侵染 攪拌轉速高有可能切斷微生物菌絲影響細胞生長攪拌轉速高有可能切斷微生物菌絲影響細胞生長（四）多用于乙酸和酵母增殖的發(fā)酵生產(chǎn)（四）多用于乙酸和酵母增殖的發(fā)酵生產(chǎn)三三 氣升氣升發(fā)酵罐發(fā)酵罐234

13、71856（一）結構（一）結構 1 入口入口 2 空氣管空氣管 3 上升管上升管 4 冷卻夾管冷卻夾管 5 壓力表壓力表 6 罐體罐體 7 氣升管氣升管 8 排氣閥排氣閥外環(huán)流式外環(huán)流式（二）（二）工作原理工作原理： 借助在環(huán)流管底部的噴嘴將空氣以借助在環(huán)流管底部的噴嘴將空氣以250-300m/s的高速的高速噴入環(huán)流管，使氣泡分散在培養(yǎng)基中。由于環(huán)流管內部的噴入環(huán)流管，使氣泡分散在培養(yǎng)基中。由于環(huán)流管內部的液體溶有大量氣泡，其密度明顯小于反應器主體中培養(yǎng)液液體溶有大量氣泡，其密度明顯小于反應器主體中培養(yǎng)液的密度。該反應器正是借助這兩者之間的的密度。該反應器正是借助這兩者之間的密度差密度差是培養(yǎng)

14、液是培養(yǎng)液在環(huán)流關于反應主體間作循環(huán)式運動，把反應主體中由于在環(huán)流關于反應主體間作循環(huán)式運動，把反應主體中由于菌體代謝而溶氧量低的培養(yǎng)液送入環(huán)流管，待培養(yǎng)液補充菌體代謝而溶氧量低的培養(yǎng)液送入環(huán)流管，待培養(yǎng)液補充氧氣后再送回反應主體，從而為菌體生長提供良好充足的氧氣后再送回反應主體，從而為菌體生長提供良好充足的氧氣供應。氧氣供應。（三）特點（三）特點 優(yōu)點優(yōu)點： 無攪拌裝置，借助培養(yǎng)液的密度差完成液體的無攪拌裝置，借助培養(yǎng)液的密度差完成液體的 循環(huán)節(jié)能和降低了設備成本循環(huán)節(jié)能和降低了設備成本 缺點缺點： 不適于黏度大或含有大量固體的培養(yǎng)液中應用不適于黏度大或含有大量固體的培養(yǎng)液中應用（四）適用于

15、生產(chǎn)（四）適用于生產(chǎn)SCP和處理廢水和處理廢水Hd1234H:dH:d=7:1=7:1（一）結構（一）結構 1 進料口進料口 2 進氣口進氣口 3 出料口出料口 4 排氣口排氣口（二）（二）工作原理工作原理： 利用通入培養(yǎng)液的無菌空氣泡上升來帶動液體運動，產(chǎn)生利用通入培養(yǎng)液的無菌空氣泡上升來帶動液體運動，產(chǎn)生混合效果的非機械攪拌式發(fā)酵罐。混合效果的非機械攪拌式發(fā)酵罐。（二）特點（二）特點 優(yōu)點：優(yōu)點： 結構簡單，造價低結構簡單，造價低 減少了剪切對細胞的破壞減少了剪切對細胞的破壞 缺點：缺點： 罐體較高，需要安裝在室外罐體較高，需要安裝在室外 適用范圍較小適用范圍較?。ㄈㄈ┒嘤糜谄【瓢l(fā)酵

16、多用于啤酒發(fā)酵一、動物細胞培養(yǎng)用生物反應器二、植物細胞培養(yǎng)用生物反應器第二節(jié)第二節(jié) 生物反應器生物反應器（了解）（了解）1 動物細胞生物反應器的設計要求動物細胞生物反應器的設計要求：A、生物因素：生物反應器要有很好的生物相容性，可以很、生物因素：生物反應器要有很好的生物相容性，可以很好的模擬細胞在動物體內的生長環(huán)境。好的模擬細胞在動物體內的生長環(huán)境。B、傳質因素：充分供應生物反應過程所需的營養(yǎng)物，特別、傳質因素：充分供應生物反應過程所需的營養(yǎng)物，特別是氧的傳遞，及時排除代謝產(chǎn)生的廢物。是氧的傳遞，及時排除代謝產(chǎn)生的廢物。C、流體力學因素：能夠提供充分的混合條件、流體力學因素：能夠提供充分的混合

17、條件 ，使反應器中，使反應器中的反應條件一致，同時又不產(chǎn)生過大的流體剪切致使細胞的反應條件一致，同時又不產(chǎn)生過大的流體剪切致使細胞受到傷害，特別要防止氣泡對細胞的損傷作用。受到傷害，特別要防止氣泡對細胞的損傷作用。D、傳熱因素：能及時、均勻地除去或供應反應過程的熱量，、傳熱因素：能及時、均勻地除去或供應反應過程的熱量，無過熱點。無過熱點。E、安全因素：具備嚴密的防污染性能，還應有防止反應器、安全因素：具備嚴密的防污染性能，還應有防止反應器中有害物質散播到環(huán)境中的功能。中有害物質散播到環(huán)境中的功能。F、操作因素：便于操作和維護。、操作因素：便于操作和維護。2 動物細胞培養(yǎng)用生物反應器的動物細胞培養(yǎng)用生物反應器的形式（了解）形式（了解） A、氣升式生物反應器、氣升式生物反應器 B、通氣攪拌生物反應器、通氣攪拌生物反應器 C、中空纖維管生物反應器、中空纖維管生物反應器 D、無泡攪拌反應器、無泡攪拌反應器 E、流化床和填充床反應器、流化床和填充床反應器1 植物細胞生物反應器的設計考慮因素植物細胞生物反應器的設計考慮因素： A 供氧能力供氧能