生物反应器幻灯片.ppt

生物反应器第1页，共57页，编辑于2022年，星期一工工业业生生产产用用的的发发酵酵罐罐趋趋向向大大型型化化，谷谷氨氨酸酸生生产产罐罐已已达达480 m3罐罐；SCPSCP的的发发酵酵罐罐容容积积已已达达2600 m3；抗抗生生素素的的发发酵酵罐罐容容积积已已达达400 m3，处处理理废废水水的的生生化化反反应应器器的的容容积积甚甚至至超超过过2700 m3。另另一一趋趋势势是是自自动化动化。第2页，共57页，编辑于2022年，星期一第3页，共57页，编辑于2022年，星期一第4页，共57页，编辑于2022年，星期一6.1 6.1 通风发酵罐通风发酵罐 一、通用式发酵罐一、通用式发酵罐 又称机械搅拌通气式发酵罐，又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。压缩空气分布装置的发酵罐。其几何尺寸如下：其几何尺寸如下：第5页，共57页，编辑于2022年，星期一第6页，共57页，编辑于2022年，星期一1、工作原理工作原理 是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。液的溶解氧。一个好的通用式发酵罐的基本条件：一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)1)具有适宜的径高比；通常具有适宜的径高比；通常H/D=2H/D=24 4，罐身长有利于氧的溶，罐身长有利于氧的溶解解2)2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.51.5倍，即倍，即0.38MPa0.38MPa3)3)搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率必须的溶解氧，提高氧的利用率4)4)具有足够的冷却面积；具有足够的冷却面积；5)5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。第7页，共57页，编辑于2022年，星期一2、结构特点结构特点 发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。1)罐体罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。罐体需承受一定压力，通常灭菌的压力为罐体需承受一定压力，通常灭菌的压力为0.25 MPa(0.25 MPa(绝对大气压绝对大气压)。因此，制造完。因此，制造完毕，要进行水压试验，压力为毕，要进行水压试验，压力为0.38MPa0.38MPa，以保证罐体不渗漏。，以保证罐体不渗漏。罐顶装有视镜及灯镜、进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管，排气管应罐顶装有视镜及灯镜、进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管，排气管应尽可能靠近罐顶中心位置。为避免灭菌死角，在罐体上的管路越少越好，如将进料尽可能靠近罐顶中心位置。为避免灭菌死角，在罐体上的管路越少越好，如将进料口、补料口和接种口可会为一个接管口。在罐身上有冷却水进出管、进空气管、温口、补料口和接种口可会为一个接管口。在罐身上有冷却水进出管、进空气管、温度计管和测检仪表接口。度计管和测检仪表接口。第8页，共57页，编辑于2022年，星期一2)搅拌器和搅拌轴搅拌器和搅拌轴其作用其作用一是打碎空气气泡，增加气液接触界面，以提高气液一是打碎空气气泡，增加气液接触界面，以提高气液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。保持悬浮状态。搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向和径向流动，不同型搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向和径向流动，不同型式的搅拌器产生的两种流向侧重也不相同。对于发酵来讲，式的搅拌器产生的两种流向侧重也不相同。对于发酵来讲，希望以径向液流为主，同时兼顾轴向翻动希望以径向液流为主，同时兼顾轴向翻动。因此，为了避。因此，为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部位沿着轴周边上升逸出，免气泡在阻力较小的搅拌器中心部位沿着轴周边上升逸出，大多数发酵罐采用大多数发酵罐采用圆盘涡轮式搅拌器圆盘涡轮式搅拌器。叶片有平叶式、弯。叶片有平叶式、弯叶式和箭叶式三种，叶片数量一般为六个，少至三个，多至叶式和箭叶式三种，叶片数量一般为六个，少至三个，多至八个。八个。第9页，共57页，编辑于2022年，星期一各种搅拌器的能力比较：各种搅拌器的能力比较：对粉碎气泡而言：平叶对粉碎气泡而言：平叶 弯叶弯叶 剪叶；剪叶；对混合而言：则相反，即剪叶对混合而言：则相反，即剪叶弯叶弯叶平叶；平叶；对溶氧而言：弯叶比其它对溶氧而言：弯叶比其它2 2种都大。种都大。(a)(b)(c)图图6-4 常用的涡轮式搅拌器常用的涡轮式搅拌器.(a)六平叶；六平叶；(b)六弯叶；六弯叶；(c)六箭叶六箭叶 第10页，共57页，编辑于2022年，星期一由全部径向流由全部径向流搅拌器向径向搅拌器向径向流和轴向流组流和轴向流组合的搅拌器转合的搅拌器转变变第11页，共57页，编辑于2022年，星期一搅拌叶之间的距离不得小于最小搅拌叶的直径。轴流式搅拌叶的搅拌叶之间的距离不得小于最小搅拌叶的直径。轴流式搅拌叶的直径约为径流式搅拌叶直径的直径约为径流式搅拌叶直径的1.3倍。径流式搅拌叶直径为罐直径的倍。径流式搅拌叶直径为罐直径的0.3一一0.4倍，高效轴流搅拌叶直径为罐直径的倍，高效轴流搅拌叶直径为罐直径的0.4一一0.65倍。空气分倍。空气分配器位于最底部的搅拌叶之下。配器位于最底部的搅拌叶之下。第12页，共57页，编辑于2022年，星期一由于变频由于变频减速器减速器价格昂贵，目前国内大多数生产规模的发价格昂贵，目前国内大多数生产规模的发酵罐采用不变速搅拌。目前一些新建的生物制药厂，已采酵罐采用不变速搅拌。目前一些新建的生物制药厂，已采用变速搅拌，它能根据不同发酵阶段对氧的需求不同而调用变速搅拌，它能根据不同发酵阶段对氧的需求不同而调节搅拌转速，节约搅拌所消耗的电能。节搅拌转速，节约搅拌所消耗的电能。搅拌轴一般从搅拌轴一般从罐顶伸入罐内罐顶伸入罐内(上伸轴上伸轴)，但对容积大于但对容积大于100 m100 m3 3以上的大型发酵罐，以上的大型发酵罐，也可采用下伸轴也可采用下伸轴。其好处是使发酵罐重心降低，轴的长度缩短，稳定性提高，其好处是使发酵罐重心降低，轴的长度缩短，稳定性提高，传动噪音也可大为减弱，而且罐顶空间可充分用来安装高效传动噪音也可大为减弱，而且罐顶空间可充分用来安装高效的机械消泡器及其它自控部件。的机械消泡器及其它自控部件。当采用当采用下伸轴下伸轴时，对轴封的要求更为严格，故通常采取双时，对轴封的要求更为严格，故通常采取双端面轴封，并用灭菌空气来进行防漏和冷却。端面轴封，并用灭菌空气来进行防漏和冷却。第13页，共57页，编辑于2022年，星期一3)挡板挡板 其作用其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。合效果。挡板的数量由挡板的数量由“全挡板条件全挡板条件”而确定，即在搅拌罐中增加而确定，即在搅拌罐中增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。式中式中 W 挡挡板板宽宽度，度，m;D 罐直径，罐直径，m;mb 挡板数。挡板数。由于发酵罐内除挡板外，立式冷却蛇管等装置也起一定的挡由于发酵罐内除挡板外，立式冷却蛇管等装置也起一定的挡板作用，因此一般发酵罐中板作用，因此一般发酵罐中 安装安装4块挡板，挡板宽度为块挡板，挡板宽度为(1/8 1/12)D已足够满足全挡板条件。已足够满足全挡板条件。第14页，共57页，编辑于2022年，星期一4)空气分布器空气分布器 其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。国内传统发酵罐大多采用单管，且管口向下，但近年来国内传统发酵罐大多采用单管，且管口向下，但近年来国外发酵罐大都采用环形管。国外发酵罐大都采用环形管。5)冷却装置冷却装置 5 m5 m3 3以下的发酵罐以下的发酵罐 传传热热装装置置夹套夹套夹套和蛇管夹套和蛇管在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。因此需要设置冷却装置。5 m5 m3 3以上的发酵罐增设以上的发酵罐增设为了增强夹套的传热效果，采用外蛇管作为传热装置。它为了增强夹套的传热效果，采用外蛇管作为传热装置。它是把半圆形的型钢或角钢制成螺旋形焊于发酵罐的外壁上是把半圆形的型钢或角钢制成螺旋形焊于发酵罐的外壁上面成的面成的 第15页，共57页，编辑于2022年，星期一6)消泡器消泡器 (a)(b)图图6-5 消泡器的消泡器的结结构构.(a)耙式消泡器耙式消泡器；直径约为罐径的直径约为罐径的0.8-0.9，以不妨碍旋转为原则，以不妨碍旋转为原则(b)半封半封闭涡轮闭涡轮消泡器消泡器；对上伸轴，因搅拌转速低，其效果不佳；对下伸轴，因；对上伸轴，因搅拌转速低，其效果不佳；对下伸轴，因单独由罐顶安装，转速可较高，效果好，单独由罐顶安装，转速可较高，效果好，消沫器直径消沫器直径约为约为罐径的罐径的1/2，叶端，叶端速度速度为为 12-18 m/s。第16页，共57页，编辑于2022年，星期一二、机械搅拌自吸式发酵罐二、机械搅拌自吸式发酵罐 利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。它它无需无需其它气源供应压缩空气。最初应用于醋酸发酵，如今已应用于其它气源供应压缩空气。最初应用于醋酸发酵，如今已应用于抗生素、维生素、有机酸、酶制剂、酵母等发酵。例如，广东抗生素、维生素、有机酸、酶制剂、酵母等发酵。例如，广东江门甘化工厂采用自吸式发酵罐连续发酵生产药用酵母。江门甘化工厂采用自吸式发酵罐连续发酵生产药用酵母。1.工作原理工作原理 转子启动前，液体浸没转子，当电机启动使转子转动时，因转转子启动前，液体浸没转子，当电机启动使转子转动时，因转子高速旋转，液体、空气在离心力的作用下，被甩向叶轮子高速旋转，液体、空气在离心力的作用下，被甩向叶轮(定定子子)外缘，在外缘，在转子中心处形成负压转子中心处形成负压，吸入空气吸入空气。此时，通过此时，通过导向叶轮而使导向叶轮而使气液均匀分布甩出气液均匀分布甩出，并使空气在循环的发酵液中并使空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，在湍流状态下混合、翻腾、扩散，因此自吸分裂成细微的气泡，在湍流状态下混合、翻腾、扩散，因此自吸式充气装置在式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用搅拌的同时完成了充气作用。第17页，共57页，编辑于2022年，星期一 (罐体罐体)(六叶六叶轮导轮轮导轮)图图6-6 机械机械搅搅拌自吸式拌自吸式发发酵罐酵罐.1空气进口；空气进口；2导轮；导轮；3叶轮；叶轮；4皮带；皮带；5搅拌轴；搅拌轴；6转子转动方向；转子转动方向；7空气进入方向；空气进入方向；8空气排出方向空气排出方向 第18页，共57页，编辑于2022年，星期一2.结构特点结构特点 主要由罐体、搅拌器主要由罐体、搅拌器(转子转子)、导轮、导轮(定子定子)、电机等组成。其关、电机等组成。其关键部件是搅拌器和导轮。导轮的形式有多种，如九叶轮、六叶键部件是搅拌器和导轮。导轮的形式有多种，如九叶轮、六叶轮、四叶轮、三叶轮等，叶轮均为空心。轮、四叶轮、三叶轮等，叶轮均为空心。3.特点特点 优点是优点是利用机械搅拌的抽吸作用将空气吸入反应器内，达到既利用机械搅拌的抽吸作用将空气吸入反应器内，达到既通风又搅拌的目的，省去了压缩机。通风又搅拌的目的，省去了压缩机。缺点缺点：1)吸程一般不高，必吸程一般不高，必须须采用低阻力高效的空气除菌装置采用低阻力高效的空气除菌装置；2)因因空气直接吸入反空气直接吸入反应应器内器内，不适宜无菌要求不适宜无菌要求较较高的高的发发酵酵；3)因因进进罐空气罐空气处处于于负压负压，因而增加了染菌的机会；，因而增加了染菌的机会；4)因因搅搅拌拌器器转转速速甚甚高高，对对细细胞胞剪剪切切损损伤伤大大，不不适适于于对对剪剪切切敏敏感感的的细细胞培养胞培养。第19页，共57页，编辑于2022年，星期一三、气升式发酵罐三、气升式发酵罐 是指利用空气的提升作用而使发酵液循环的一类发酵罐。是指利用空气的提升作用而使发酵液循环的一类发酵罐。其最大特点就是没有机械搅拌。是近其最大特点就是没有机械搅拌。是近20年才发展起来的一年才发展起来的一种新型的发酵罐。种新型的发酵罐。气气升升式式发发酵酵罐罐鼓泡式发酵罐鼓泡式发酵罐气升环流式发酵罐气升环流式发酵罐 内循环气升环流式发酵罐内循环气升环流式发酵罐 外循环气升环流式发酵罐外循环气升环流式发酵罐 内外循环气升环流式发酵罐内外循环气升环流式发酵罐 第20页，共57页，编辑于2022年，星期一(一）鼓泡式发酵罐一）鼓泡式发酵罐 是借鼓入空气而提供混合与传质的功率的一种发酵罐，又称是借鼓入空气而提供混合与传质的功率的一种发酵罐，又称为空气搅拌高位反应器。为空气搅拌高位反应器。最先的鼓泡式发酵罐结构简单，只是一个从底部鼓入空气的圆筒。最先的鼓泡式发酵罐结构简单，只是一个从底部鼓入空气的圆筒。后来为了提高传质效果，出现了各种形式的改进型。如多层筛板后来为了提高传质效果，出现了各种形式的改进型。如多层筛板鼓泡式发酵罐。鼓泡式发酵罐。第21页，共57页，编辑于2022年，星期一图图6-7 鼓泡式发酵罐鼓泡式发酵罐1排排气气口口；2人人孔孔；3排排料料口口；4空空气气入入口口；5筛板；筛板；6降液管降液管多层筛板的作用：多层筛板的作用：在于阻截气泡，使之在多孔在于阻截气泡，使之在多孔板下聚集而形成气层，气体通过多孔板时，又板下聚集而形成气层，气体通过多孔板时，又被重新分散为小气泡，这样空气在反应器内经被重新分散为小气泡，这样空气在反应器内经多次聚并与分散，一方面延长了空气与培养液多次聚并与分散，一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断形成新的气液界面，的接触时间，另一方面不断形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了氧的利用率。减小了液膜阻力，提高了氧的利用率。特点：特点：结构简单，造价较低，动力消耗少，避结构简单，造价较低，动力消耗少，避免了机械搅拌反应器中轴封不严密造成的杂菌免了机械搅拌反应器中轴封不严密造成的杂菌污染，高径比大污染，高径比大(610:1)。鼓泡发酵罐较适用。鼓泡发酵罐较适用于粘度低、含固量少、需氧量较低的培养液于粘度低、含固量少、需氧量较低的培养液发酵过程。发酵过程。第22页，共57页，编辑于2022年，星期一（二）气升环流式发酵罐（二）气升环流式发酵罐 是一类带导流装置的鼓泡式发酵罐。常见的有内循环、外循环和是一类带导流装置的鼓泡式发酵罐。常见的有内循环、外循环和内外循环式气升罐。内外循环式气升罐。图图6-8 气升环流气升环流式发酵罐式发酵罐.左：隔板式；中：左：隔板式；中：外循环式；右：外循环式；右：内循环式内循环式 第23页，共57页，编辑于2022年，星期一1、工作原理、工作原理通入空气的一侧，液体因其平均密度下降而上升，不通空通入空气的一侧，液体因其平均密度下降而上升，不通空气的一侧因密度大而下降，因而在发酵罐内液体形成环流。气的一侧因密度大而下降，因而在发酵罐内液体形成环流。这大大强化了氧的传递。这大大强化了氧的传递。2、特点特点高径比大；能耗低；结构简单；没有轴封；与通用式发高径比大；能耗低；结构简单；没有轴封；与通用式发酵罐相比，在同样能耗下氧的传递能力高得多；无搅拌酵罐相比，在同样能耗下氧的传递能力高得多；无搅拌剪切对细胞的损伤作用。剪切对细胞的损伤作用。适用于耗氧量大的各种发酵，尤其对剪切敏感的细胞培养。适用于耗氧量大的各种发酵，尤其对剪切敏感的细胞培养。不适用于高粘度或固含量大的发酵。不适用于高粘度或固含量大的发酵。第24页，共57页，编辑于2022年，星期一3、几何尺寸的影响、几何尺寸的影响对内循环气升式反应器，高径比对内循环气升式反应器，高径比H/Dt一般采用一般采用812。相同条件。相同条件下，高径比越大，气泡在反应器内的停留时间越长、气含率越高、下，高径比越大，气泡在反应器内的停留时间越长、气含率越高、罐顶与罐底的压差越大、提升力就越大、循环量越大，因此，氧的罐顶与罐底的压差越大、提升力就越大、循环量越大，因此，氧的传递效率就越高。但是高径比过大，又将延长循环周期和混合时间，传递效率就越高。但是高径比过大，又将延长循环周期和混合时间，导致细胞的缺氧区的停留时间过长，从而影响发酵。导致细胞的缺氧区的停留时间过长，从而影响发酵。A.高径比高径比H/DtB.导流筒与反应器直径比导流筒与反应器直径比Dr/DtA0的增加，导致液体循环速度的增大，而混合时间则降低。的增加，导致液体循环速度的增大，而混合时间则降低。C.导流筒上边缘与液面的距离导流筒上边缘与液面的距离A0一般一般Dr/Dt=0.80.9时，对气含率、传质系数、混合时间和循环时，对气含率、传质系数、混合时间和循环量最有利。量最有利。第25页，共57页，编辑于2022年，星期一(三三)气升罐与通用式发酵罐的比较气升罐与通用式发酵罐的比较 这是这是2种最典型的发酵罐，由于通用式发酵罐研究的比较成熟，种最典型的发酵罐，由于通用式发酵罐研究的比较成熟，在实验室、小试、中试和大生产中通常都使用这类发酵罐。但目在实验室、小试、中试和大生产中通常都使用这类发酵罐。但目前也有少数工业生产已开始使用气升罐，如我国周口味精厂已建前也有少数工业生产已开始使用气升罐，如我国周口味精厂已建成成100T气升罐用于味精生产。气升罐用于味精生产。因此，气升罐具有更好的应用前景。因此，气升罐具有更好的应用前景。两者的主要区别在于两者的主要区别在于：1)1)功率消耗气升罐比通用式罐低；单位体积培养液功率消耗：功率消耗气升罐比通用式罐低；单位体积培养液功率消耗：通用式罐包括机械搅拌功率和通气功率通用式罐包括机械搅拌功率和通气功率2部分，而且前者部分，而且前者约占约占90%；而气升罐只有通气功率，这比通用式罐的总功；而气升罐只有通气功率，这比通用式罐的总功率要小得多。率要小得多。2)2)氧传递速率：单位体积培养液的总功率相同时，气升罐的氧传递速率：单位体积培养液的总功率相同时，气升罐的氧传递速率比通用式罐高。氧传递速率比通用式罐高。3)3)结构：气升罐比通用式罐简单，且没有机械轴封。结构：气升罐比通用式罐简单，且没有机械轴封。4)4)气升罐对细胞的剪切作用比通用式罐要小得多。气升罐对细胞的剪切作用比通用式罐要小得多。第26页，共57页，编辑于2022年，星期一四、喷射自吸式发酵罐四、喷射自吸式发酵罐 是指利用喷射吸气装置吸入空气而进行气液混合的一类发酵罐。是指利用喷射吸气装置吸入空气而进行气液混合的一类发酵罐。图图6-9 喷射自吸喷射自吸式发酵罐结构式发酵罐结构 第27页，共57页，编辑于2022年，星期一1、工作原理、工作原理发酵液经泵压送至吸气装置中，收缩段中液体流速迅速增大，发酵液经泵压送至吸气装置中，收缩段中液体流速迅速增大，形成真空，从而吸入空气，并使气泡分散，与液体混合均匀，形成真空，从而吸入空气，并使气泡分散，与液体混合均匀，从而提高溶氧。从而提高溶氧。2、结构结构由罐体、循环管、泵和吸气装置组成。关键部件是吸气装置。由罐体、循环管、泵和吸气装置组成。关键部件是吸气装置。4、缺点、缺点由于空气直接被吸入发酵罐中，不适用于无菌要求较高的发酵。由于空气直接被吸入发酵罐中，不适用于无菌要求较高的发酵。3、优点、优点三相混合与分散良好；溶氧速率高；能耗低；无需提供压缩空三相混合与分散良好；溶氧速率高；能耗低；无需提供压缩空气。气。第28页，共57页，编辑于2022年，星期一厌氧菌的氧化与厌氧菌的氧化与有机物有机物的还原耦合，因而形成较少的的还原耦合，因而形成较少的ATPATP，其其细胞得率细胞得率比需氧菌少许多。比需氧菌少许多。6.2 6.2 厌氧发酵罐厌氧发酵罐由于微生物分为好氧与厌氧两大类，故发酵罐也分为两由于微生物分为好氧与厌氧两大类，故发酵罐也分为两大类。酒精、啤酒、丙酮、丁醇及乳酸等均是厌氧发酵大类。酒精、啤酒、丙酮、丁醇及乳酸等均是厌氧发酵产品。产品。一、厌氧发酵过程一、厌氧发酵过程 第29页，共57页，编辑于2022年，星期一葡萄糖葡萄糖 PEP 丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰CoA 丁酰丁酰CoA 乳酸乳酸 CO2 甲酸盐甲酸盐 H2 乙醛乙醛 乙醇乙醇 丙酮丙酮 异丙醇异丙醇 乙酰乙酰乙酰乙酰CoA CO2CO2乙酰乙酰乙酰乙酰CoA CO2丁醇丁醇丁酸丁酸草酰乙酸草酰乙酸CO2CO2琥珀酸琥珀酸 3-羟基丁酮羟基丁酮 丁二醇丁二醇 乙酸乙酸第30页，共57页，编辑于2022年，星期一1 1、乙醇发酵、乙醇发酵 酵母酵母细菌细菌第31页，共57页，编辑于2022年，星期一2 2、乳酸发酵、乳酸发酵 同型乳酸发酵同型乳酸发酵异型乳酸发酵异型乳酸发酵仅产生乳酸。同型乳酸发酵菌主要有链球仅产生乳酸。同型乳酸发酵菌主要有链球菌属、小球菌属和若干乳酸杆菌属菌属、小球菌属和若干乳酸杆菌属除产生乳酸外，还形成其它副产物。异除产生乳酸外，还形成其它副产物。异型发酵菌主要有假丝酵母和若干乳酸杆型发酵菌主要有假丝酵母和若干乳酸杆菌属，其副产物因菌种而异，有的是乙菌属，其副产物因菌种而异，有的是乙醇和醇和CO2，有的是乙酸和，有的是乙酸和CO2第32页，共57页，编辑于2022年，星期一3 3、丙酸发酵、丙酸发酵 丙酸杆菌丙酸杆菌丙酸梭菌丙酸梭菌能利用葡萄糖和乳酸能利用葡萄糖和乳酸只能利用乳酸只能利用乳酸第33页，共57页，编辑于2022年，星期一丙酸杆菌通过丙酸丙酸杆菌通过丙酸-琥珀酸途径形成丙酸琥珀酸途径形成丙酸第34页，共57页，编辑于2022年，星期一丙酸梭菌通过丙烯酸途径形成丙酸丙酸梭菌通过丙烯酸途径形成丙酸第35页，共57页，编辑于2022年，星期一二、厌氧发酵罐二、厌氧发酵罐 酵母将糖转化为酒精，欲获得较高的转化率，除满足酵母生长和酵母将糖转化为酒精，欲获得较高的转化率，除满足酵母生长和代谢的必要工艺条件，如代谢的必要工艺条件，如pH、温度等外，还应考虑、温度等外，还应考虑有利于有利于发发酵酵液的排出，液的排出，设备设备清洗、清洗、维维修以及修以及设备设备制造安装方便等制造安装方便等问题问题。发酵过程不需要供氧，因此厌氧发酵罐与通风发酵罐相比发酵过程不需要供氧，因此厌氧发酵罐与通风发酵罐相比结构简单结构简单。下面介绍几种常见的厌氧发酵罐。下面介绍几种常见的厌氧发酵罐。酒精发酵罐酒精发酵罐 第36页，共57页，编辑于2022年，星期一1、结构、结构罐体：筒体为圆柱形，高罐体：筒体为圆柱形，高径比较小，约径比较小，约1.52.0灌顶和罐底：碟形或圆锥灌顶和罐底：碟形或圆锥内部：冷却蛇管。对小罐：罐内部：冷却蛇管。对小罐：罐外喷淋冷却；大罐：喷淋与蛇外喷淋冷却；大罐：喷淋与蛇管相结合。管相结合。灌顶：装有人孔、视镜、灌顶：装有人孔、视镜、CO2回收管、进料管、接种回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口。管、压力表和测量仪表接口。灌身：取样口和温度计接口。灌身：取样口和温度计接口。灌底：排污和排料口，常合并。灌底：排污和排料口，常合并。图图6-10 酒精发酵罐酒精发酵罐1 冷冷却却水水入入口口；2 取取样样口口；3 压压力力表表；4 CO2出出口口；5 喷喷淋淋水水入入口口；6料料液液及及酒酒母母入入口口；7 人人孔孔；8冷冷却却水水出出口口；9 温温度度计计；10 喷喷淋淋水水收收集集槽槽；11 喷喷淋淋水水出出口口；12 发发酵液及污水排出口酵液及污水排出口第37页，共57页，编辑于2022年，星期一为了减轻劳动强度，现代酒精发酵罐常在罐内安装水力洗为了减轻劳动强度，现代酒精发酵罐常在罐内安装水力洗涤装置。涤装置。水力洗水力洗涤涤器器 水力水力喷喷射洗射洗涤涤装置装置图图6-11 酒精发酵罐水力冲洗装置酒精发酵罐水力冲洗装置 第38页，共57页，编辑于2022年，星期一水力洗涤器水力洗涤器 水力喷射洗水力喷射洗涤装置涤装置 是两头弯成一定弧度的洒水管。洒水是两头弯成一定弧度的洒水管。洒水管上均匀地分布有一定数量的小孔，管上均匀地分布有一定数量的小孔，两头的开口方向相反，借两头相反的两头的开口方向相反，借两头相反的喷水作用力使管自动旋转。洒水管为喷水作用力使管自动旋转。洒水管为 363 mm，开有，开有 430个小孔，两头喷嘴个小孔，两头喷嘴口径为口径为9 mm。除有水平洒水管外，还有中央垂直喷除有水平洒水管外，还有中央垂直喷水管水管(46 mm的小孔，孔与水平呈的小孔，孔与水平呈20度度角角)缺点：水压不大，洗涤不彻底，尤其大缺点：水压不大，洗涤不彻底，尤其大罐，适用于小罐。罐，适用于小罐。第39页，共57页，编辑于2022年，星期一6.3 6.3 固体发酵固体发酵所谓所谓固体发酵固体发酵是指在湿含量低于是指在湿含量低于90%或不含或很少自由水的或不含或很少自由水的固体或含固体颗粒培养基中的发酵。固体或含固体颗粒培养基中的发酵。传统的发酵食品、酿酒、制酱、高粱酒、腐乳等都采用固传统的发酵食品、酿酒、制酱、高粱酒、腐乳等都采用固体发酵。但是近十来年，固体发酵又成为了许多产品的一体发酵。但是近十来年，固体发酵又成为了许多产品的一种发酵形式，取得了空前的成果，已广泛应用于生物修复、种发酵形式，取得了空前的成果，已广泛应用于生物修复、有毒化合物的降解、农副产品残渣的脱毒、农作物的生物有毒化合物的降解、农副产品残渣的脱毒、农作物的生物转化、生物制浆及许多生物活性产物的生产，如酶、生物转化、生物制浆及许多生物活性产物的生产，如酶、生物碱、有机酸、生物杀虫剂、表面活性剂、生物燃料、香料碱、有机酸、生物杀虫剂、表面活性剂、生物燃料、香料等，目前已有等，目前已有300多种化合物已成功应用固体发酵来生产。多种化合物已成功应用固体发酵来生产。Biochemical Engineering Journal,2003,vol.13,No.2-3第40页，共57页，编辑于2022年，星期一一、固体发酵的特点一、固体发酵的特点 1、优点优点1)对许多生物活性产物而言，固体发酵的产率比液体深层对许多生物活性产物而言，固体发酵的产率比液体深层发酵高；发酵高；2)固体发酵抗细菌污染能力强：一般细菌在这样低的湿度固体发酵抗细菌污染能力强：一般细菌在这样低的湿度下难于生长；下难于生长；3)发酵罐的装料系数比深层液体发酵大；发酵罐的装料系数比深层液体发酵大；4)许多微生物在固体培养基中生长得更加良好，而且将分泌许多微生物在固体培养基中生长得更加良好，而且将分泌更多胞外酶和产物；更多胞外酶和产物；5)固体发酵可利用许多农副产品加工业的残渣为原料，从而固体发酵可利用许多农副产品加工业的残渣为原料，从而降低生产成本；降低生产成本；6)从发酵培养基中提取产物所要的溶剂更加少；从发酵培养基中提取产物所要的溶剂更加少；7)发酵废物的处理更加简单，由于其湿含量低，可直发酵废物的处理更加简单，由于其湿含量低，可直接干燥作为动物饲料用。接干燥作为动物饲料用。第41页，共57页，编辑于2022年，星期一2、缺点、缺点1)物料搅拌困难，因此混合不均匀，导致过程控制困难；物料搅拌困难，因此混合不均匀，导致过程控制困难；2)因固体物料的传热性质差，导致热传递慢，导致温度难于因固体物料的传热性质差，导致热传递慢，导致温度难于控制；控制；3)微生物生长及其它发酵参数难于检测和控制；微生物生长及其它发酵参数难于检测和控制；4)因湿度低，霉菌及其他丝状真菌较易生长，而不太适合细因湿度低，霉菌及其他丝状真菌较易生长，而不太适合细菌生长，但菌生长，但Xerophiles例外；例外；5)影响发酵产率的因子目前不像液体发酵一样研究得比较影响发酵产率的因子目前不像液体发酵一样研究得比较透彻，发酵过程的控制往往依赖于经验和实验结果。透彻，发酵过程的控制往往依赖于经验和实验结果。第42页，共57页，编辑于2022年，星期一二、固体发酵的基本知识二、固体发酵的基本知识 由于固体发酵湿含量比较低，一般细菌难于生长，因此，一般选由于固体发酵湿含量比较低，一般细菌难于生长，因此，一般选用丝状真菌、酵母。但目前已有少量细菌的固体发酵培养的报道，用丝状真菌、酵母。但目前已有少量细菌的固体发酵培养的报道，如枯草芽孢杆菌固体发酵生产枯草菌溶血素。丝状真菌中主要以如枯草芽孢杆菌固体发酵生产枯草菌溶血素。丝状真菌中主要以藻状菌纲的毛霉藻状菌纲的毛霉Mucor和根霉和根霉Rhizopus、子囊菌、子囊菌Aspergillus 和和Penicillium、担子菌白腐真菌为主。担子菌白腐真菌为主。1、合适菌株的筛选、合适菌株的筛选影响固体发酵的影响固体发酵的因素主要有合适菌株的筛选、最适基质的确因素主要有合适菌株的筛选、最适基质的确定和控制参数的优化。定和控制参数的优化。第43页，共57页，编辑于2022年，星期一2、合适基质的筛选、合适基质的筛选固体发酵中，基质不仅固体发酵中，基质不仅提供提供微生物生长的微生物生长的营养营养，而且还作为，而且还作为微生物细胞微生物细胞生长的载体。生长的载体。固体基质的固体基质的颗粒大小和湿含量颗粒大小和湿含量是影响微生物生长和代谢的最主要是影响微生物生长和代谢的最主要的的2个参数。通常颗粒越小，微生物生长的比表面积就越大，个参数。通常颗粒越小，微生物生长的比表面积就越大，越有利于细胞的生长；但是颗粒太小，导致基质粘结，从而影越有利于细胞的生长；但是颗粒太小，导致基质粘结，从而影响微生物的呼吸，最终抑制细胞的生长。随着菌体的生长，颗响微生物的呼吸，最终抑制细胞的生长。随着菌体的生长，颗粒间的空隙将会越来越小。粒间的空隙将会越来越小。固体发酵的固体发酵的基质基质主要是农作物及其加工残渣，主要是农作物及其加工残渣，农作物农作物包括木薯、包括木薯、大豆、甜菜、土豆、高粱等；大豆、甜菜、土豆、高粱等；作物残渣作物残渣有小麦、谷物的糠及杆，有小麦、谷物的糠及杆，豆类、玉米和谷物的壳或皮，蔗渣，咖啡加工业的豆类、玉米和谷物的壳或皮，蔗渣，咖啡加工业的残渣残渣(咖啡肉、咖啡肉、皮等皮等)，水果加工业，水果加工业残渣残渣，油脂工业的，油脂工业的残渣残渣(椰子饼、豆饼椰子饼、豆饼)等。等。第44页，共57页，编辑于2022年，星期一3、发酵参数的优化与控制、发酵参数的优化与控制影响固体发酵的影响固体发酵的因素：因素：接种量、种龄、接种时培养基的接种量、种龄、接种时培养基的pH、培养温度、除培养基基质外的营养物质、培养温度、除培养基基质外的营养物质(碳源、氮源碳源、氮源及无机盐及无机盐)的补充、湿度和通气量等，其最优化条件需通过实的补充、湿度和通气量等，其最优化条件需通过实验来确定。验来确定。细胞生长和代谢过程将会产生大量的热量，导致固体培养细胞生长和代谢过程将会产生大量的热量，导致固体培养基的温度升高，如堆肥中温度高达基的温度升高，如堆肥中温度高达700C，而且在培养基中还，而且在培养基中还存在一定的温度梯度，如中心温度比表面高存在一定的温度梯度，如中心温度比表面高30C，同时温度的升，同时温度的升高又将蒸发部分湿含量，因此固体发酵过程中高又将蒸发部分湿含量，因此固体发酵过程中温度温度是非常重的是非常重的的一个参数。的一个参数。A.温度温度高温影响菌体生长、孢子形成和萌发、产物的形成；低温高温影响菌体生长、孢子形成和萌发、产物的形成；低温同样对微生物的生长和某些生化反应不利。同样对微生物的生长和某些生化反应不利。第45页，共57页，编辑于2022年，星期一温度的控制：温度的控制：固体发酵中常通过固体发酵中常通过调节通气速率调节通气速率来控制温度。当温度太低时，来控制温度。当温度太低时，减小通气速率促使温度因菌体的呼吸作用而升高；当温度太减小通气速率促使温度因菌体的呼吸作用而升高；当温度太高时，则相反，增大通气速率。高时，则相反，增大通气速率。第46页，共57页，编辑于2022年，星期一微生物在潮湿环境下才能生长良好微生物在潮湿环境下才能生长良好(一般丝状真菌湿度为一般丝状真菌湿度为4080%，细菌的湿度高达，细菌的湿度高达90%)，而且发酵过程中随温度的升高将，而且发酵过程中随温度的升高将导致部分湿气蒸发，因此，固体发酵过程中导致部分湿气蒸发，因此，固体发酵过程中需要不断补充水分。需要不断补充水分。可通过引入湿含量大的空气来达到。可通过引入湿含量大的空气来达到。B.湿含量湿含量过高的湿度过高的湿度将降低基质的多孔性，使氧传递困难；将降低基质的多孔性，使氧传递困难；过低湿度过低湿度，又将影响基质内营养物质的溶解和降低基质的膨胀。又将影响基质内营养物质的溶解和降低基质的膨胀。第47页，共57页，编辑于2022年，星期一C.氧的传递氧的传递固体发酵利用的微生物几乎都是好氧性的，因此，氧的传递就特别固体发酵利用的微生物几乎都是好氧性的，因此，氧的传递就特别重要。在实验室和工业化生产中常利用重要。在实验室和工业化生产中常利用强制通无菌空气和搅拌强制通无菌空气和搅拌来来达到目的。达到目的。氧的传递是一个颗粒内的传质过程。它与基质特性氧的传递是一个颗粒内的传质过程。它与基质特性(如颗粒的空如颗粒的空隙率隙率)和湿含量有关。和湿含量有关。因此，影响氧的传递速率的因此，影响氧的传递速率的因素：因素：空气压力、通气速率、基质空气压力、通气速率、基质的空隙率、料层厚度、基质湿度、反应器的几何尺寸和搅拌的空隙率、料层厚度、基质湿度、反应器的几何尺寸和搅拌转速等。转速等。第48页，共57页，编辑于2022年，星期一一般可采用下列一般可采用下列措施改善传质状况：措施改善传质状况：1)采用多孔或纤维状物质作为基质；采用多孔或纤维状物质作为基质；2)减小基质厚度；减小基质厚度；3)使用多孔浅盘；使用多孔浅盘；4)搅拌物料，或采用转鼓反应器。搅拌物料，或采用转鼓反应器。因此，目前利用较多的是强制通风与搅拌相耦联。因此，目前利用较多的是强制通风与搅拌相耦联。第49页，共57页，编辑于2022年，星期一三、固体发酵的发酵罐三、固体发酵的发酵罐 从上面分析可知，影响固体发酵的关键控制参数是氧的传递、温度从上面分析可知，影响固体发酵的关键控制参数是氧的传递、温度和基质的湿含量。它们又相互影响。因此，良好的固体发酵罐必须和基质的湿含量。它们又相互影响。因此，良好的固体发酵罐必须充分保证这充分保证这3个参数的控制需求。个参数的控制需求。浅床发酵罐浅床发酵罐填充床发酵罐填充床发酵罐转鼓发酵罐转鼓发酵罐气固流化床发酵罐气固流化床发酵罐搅拌通气床发酵罐搅拌通气床发酵罐固固体体发发酵酵罐罐第50页，共57页，编辑于2022年，星期一浅床发酵罐浅床发酵罐第51页，共57页，编辑于2022年，星期一第52页，共57页，编辑于2022年，星期一填充床发酵罐填充床发酵罐第53页，共57页，编辑于2022年，星期一自动填充床发酵罐自动填充床发酵罐第54页，共57页，编辑于2022年，星期一转筒发酵罐转筒发酵罐第55页，共57页，编辑于2022年，星期一流化床发酵罐流化床发酵罐第56页，共57页，编辑于2022年，星期一思思 考考 题题 1.何谓生物反应器？一个良好的生物反应器应具备什么条件？何谓生物反应器？一个良好的生物反应器应具备什么条件？2.常见的通风发酵罐有哪些？分别描述它们各自的结构常见的通风发酵罐有哪些？分别描述它们各自的结构特征及优缺点。特征及优缺点。3.通用式发酵罐与气升式发酵罐有何区别？通用式发酵罐与气升式发酵罐有何区别？4.厌氧菌