发酵工程 第八章 发酵设备与反应器.ppt

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 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 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 LightninA 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 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 100mm 夹套的宽度对于不同直径的发酵有不同的尺寸 一般为50 200mm 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 600KJ m2 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