微生物工程生产设备

第十一章微生物工程生产设备,发酵的一般流程,提纲,第一节培养基及发酵设备的灭菌第二节发酵设备第三节空气除菌设备第四节产品纯化设备,发酵类型和设备,第一节培养基及发酵设备灭菌,培养基的灭菌培养基灭菌的基本原理分批灭菌连续灭菌空气除菌空气除菌的基本方式空气过滤除菌流程深层过滤原理过滤介质及其设备设备与管道的灭菌,第一节培养基及发酵设备灭菌,一、灭菌方法二、培养基的灭菌三、培养基的分批灭菌四、培养基的连续灭菌,一、灭菌方法,1、化学药剂灭菌2、射线灭菌3、干热灭菌4、湿热灭菌5、过滤除菌,二、培养基的灭菌,理论灭菌时间的计算（对数残留公式）N0=2.303/klogN实际灭菌的经验数据高温灭菌(Hightemperaturesetrilization)120，维持(Maintaining)20-30分钟,K比死亡速率（s-1）NO-开始时菌浓度N-残存菌浓度工程上，N为10-3/罐,二、培养基的灭菌,灭菌温度与菌死亡反应速度常数的关系阿累尼乌斯公式：K=Aexp-E/RTK菌死亡的速度常数A阿累尼乌斯常数exp2.71E杀死细菌孢子的活化能（J/Kmol）R气体常数8.314J/（molK)T绝对温度（K）,二、培养基的灭菌,活化能大的反应中，反应时间随温度变化也大；杀死细菌和芽孢的活化能远大于营养成分被破坏的活化能（EE）；,二、培养基的灭菌,采用高温短时的灭菌方法可以减少养分的破坏。,二、培养基的灭菌,培养基配置与分批灭菌流程,三、培养基的分批灭菌,分批灭菌总灭菌时间=加热时间维持时间冷却时间t总=t加热+t维持+t冷却若已知加热时间(t加热)和冷却时间(t冷却)，那么只要合理设置维持时间(t维持)就能使灭菌过程中培养基的养分的破坏降到最小。,四、培养基的连续灭菌,常见的连续灭菌的流程连消塔喷淋冷却连续灭菌流程喷射加热连续灭菌流程薄板换热器连续灭菌流程,四、培养基的连续灭菌,连消塔喷淋冷却连续灭菌流程,四、培养基的连续灭菌,喷射加热连续灭菌流程,四、培养基的连续灭菌,薄板换热器连续灭菌流程,四、培养基的连续灭菌,连续灭菌的优点提高产量，缩短发酵周期减少养分破坏，产品质量较易控制设备利用率高，操作方便适于自动控制，劳动强度低,第二节发酵设备,一、机械搅拌发酵罐二、其他类型发酵罐三、搅拌轴功率的计算四、发酵罐的放大,一、机械搅拌通风发酵罐,发酵罐的基本条件适宜的径高比（高与直径的比值为2.54）能承受一定压力、温度搅拌通风装置保证气液充分混合具有足够的冷却面积死角少，灭菌彻底轴封严密，泄漏少,发酵罐的基本结构,一、机械搅拌通风发酵罐,一、机械搅拌通风发酵罐,发酵罐的搅拌器功能：打碎空气（径向），使发酵液充分混合（轴向）类型：平叶式、弯叶式、剑叶式叶片数量：一般6片，最少3片，最多6片,一、机械搅拌通风发酵罐,发酵罐的换热装置夹套式换热装置：结构简单，死角少，利于灭菌，降温效果较差，适用于小型发酵罐。竖式蛇管换热装置：降温效果较好，节水。竖式列管（排管）换热装置：降温效果好，但要求水源充足。,一、机械搅拌通风发酵罐,挡板作用：克服涡流，将经向改变为轴向流动，增加溶氧速率。大小：宽，0.1-0.12D；长，液面至罐底。位置：与罐壁的间距，1/5-1/8W。数量：4块，竖式蛇管换热装置也起一定挡板作用。,一、机械搅拌通风发酵罐,机械消泡方法罐内消泡：在发酵罐内消除泡沫耙式消泡桨、碟式消泡器等罐外消泡：将泡沫引出发酵罐外，消泡后再返回罐内旋转叶片消泡器、离心式消泡器等,一、机械搅拌通风发酵罐,耙式消泡桨,一、机械搅拌通风发酵罐,碟片式消泡器优点：消泡能力强，功耗小缺点：结构复杂，维护麻烦,一、机械搅拌通风发酵罐,旋转叶片罐外消泡,一、机械搅拌通风发酵罐,离心力罐外消泡,二、其他类型发酵罐,液体深层厌气发酵设备酒精发酵罐的结构,二、其他类型发酵罐,自吸式发酵罐非循环机械搅拌,二、其他类型发酵罐,伍式发酵罐（循环机械搅拌）,二、其他类型发酵罐,带升式发酵罐（循环通气搅拌）,二、其他类型发酵罐,塔式发酵罐（非循环通气搅拌）,其他类型生物反应器,生物反应器：为特定的细胞或酶提供适宜的增殖或进行特定生化反应环境，并且都是利用生物催化剂进行生化反应的设备。,其他类型生物反应器,动植物细胞反应器,其他类型生物反应器,生物滤池污水处理,其他类型生物反应器,生物转盘法污水处理,其他类型生物反应器,接触氧化法和流化床法污水处理,其他类型生物反应器,立式多段发酵塔固体废弃物处理,其他类型生物反应器,卧式回转圆筒形发酵仓固体废弃物处理,其他类型生物反应器,高温动态二次堆肥车间固体废弃物处理,其他类型生物反应器,生物吸收法生物除臭,其他类型生物反应器,堆肥滤池法生物除臭堆肥滤池法,固体发酵特点,固体发酵的优点原料简单不易被污染回收产品容易通气较易实现，节能发酵废料可用作饲料,三、搅拌轴功率的计算,应考虑的因素：发酵罐直径D（m）、搅拌器直径d（m）液柱高度HL（m）、搅拌器形式、搅拌器转速n(rmin-1)、液体粘度（PaS）、液体密度（kg/m3）、重力加速度g（m/s2）以及有无档板等。轴功率（W）：P=（n、d、g）目前，一般每立方米发酵培养液的功率吸收为1-3.5KW。,四、发酵罐的放大,1、几何尺寸放大法；2、空气流量放大法；以单位体积的空气流量相同的原则放大；空气线速度相同的原则放大；以KL相同的原则放大；搅拌器叶尖速度相同的原则放大；混合时间相同的原则放大。,第三节空气除菌设备,加热灭菌（220C，20秒）灭菌彻底，能耗大，成本高电除菌除菌效果差，仅用于初除菌辐射灭菌254-265nm效果最佳，仅限表面灭菌介质过滤除菌主流的除菌方式,第三节空气除菌设备,一、介质除菌（介质过滤）的原理惯性冲击滞留作用原理拦截滞留作用原理布朗扩散作用原理重力沉降作用原理静电吸附作用原理,第三节空气除菌设备,二、介质过滤效率的过滤器的计算介质层厚度：1N0L=lnKN空气过滤器直径：D=（4Q/g）-2K过滤器的除菌效率；N过滤器出口空气中的含菌量；g气体流速；Q发酵罐每分钟用空气量。,第三节空气除菌设备,三、空气除菌设备空气过滤除菌的目的Ns10-3个/m3，同时使空气有一定压力空气过滤除菌流程普通空气冷却除菌流程高效前置过滤除菌流程,第三节空气除菌设备,普通空气冷却除菌流程,第三节空气除菌设备,高效前置过滤除菌流程,第三节空气除菌设备,过滤介质棉花、玻璃纤维、纸、活性碳、石棉滤板、烧结材料过滤介质等过滤器结构,第三节空气除菌设备,空气过滤的附属设备初过滤器：减轻主过滤器负荷，防止空压机磨损空气贮罐：维持压力稳定，沉降油雾气液分离器：冷凝水雾和油雾空气冷却器：降温、降压、冷凝,设备与管道的灭菌,第四节产品纯化设备,一、两相分离设备：一）离心分离设备1碟片式离心机2.管式离心机3倾析式离心机二）过滤设备1板框过滤机2.真空转鼓过滤机3硅藻土过滤机三）其他固液分离设备切向流过滤双水相萃取吸附法,二、蒸发浓缩设备,1、真空浓缩器2、膜式蒸发器1)升膜蒸发器