发酵工艺与设备PPT课件

1、李清华公共卫生学院，第二节发酵基本技术与发酵设备，2、主要内容是发酵技术流程2、常见发酵设备1、发酵槽设计原则2、微生物细胞反应器3、动物细胞培养反应器4、植物细胞培养反应器.3、从自然界分离出来的菌种，4，1、发酵技术流程，典型的发酵生产过程是菌种选育促进菌种繁殖和发酵生产将培养基、发酵槽及其附属设备灭菌菌种阶段性扩大培养后，作为生产种子接种到发酵槽，控制发酵槽中微生物的生长条件，最大限度地得到人们希望的代谢产物的生成物的提取和精制； 发酵过程中废弃物的处理和回收，5、菌种的选育，为了通过发酵工艺在种类、产量和品质等方面得到符合人们要求的产品，最重要的是优良的菌种。 、6、菌种一般有以下要求：菌种在短发酵过程中可高产有价值的发酵制品。 菌种发酵培养基价格低廉，货源充足，转化成产品效率高。 就像农业副产品。 菌种不得危害人、动物、植物和环境。 还要注意潜在、慢性和长期危害，严格防护。 菌种发酵后生产的不需要的代谢产物少，而且产品比较容易与不需要的物质分离，下游技术可用于规模化生产。 菌种遗传特性稳定，且易于基因操作。 7、培养基的制备、发酵生产需要优良菌种和符合菌种的培养基。 制备培养基应注意： (1)根据菌种不同，必须选择不同的材料制备培养基。 制备的培养基应满足微生物碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等营养要求，为微生物提供适当的pH、渗透压等。 (2)培养基的营养应调节为有利于产物合成。 (3)培养基在满足微生物营养需求的基础上，应尽量降低生产成本，取得更高的经济效益。8、灭菌、发酵工序中使用的菌种多为单一种，发酵过程中不得混入杂菌。 发酵过程中混入其他微生物，与菌种形成竞争关系，对发酵过程产生不良影响。 如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，放线菌分泌的抗生素会导致大量谷氨酸棒状杆菌死亡，在青霉素的生产过程中会污染杂菌，这些杂菌会分泌青霉素酶，分解合成的青霉素。 9、灭菌、防止杂菌污染应如何做好发酵前严格灭菌处理培养基和发酵设施。 空消、实消是怎样灭菌彻底的？ 在高温、高压下，杀灭杂菌细胞、芽胞、孢子全部。 10、扩大培养和接种，如何获得发酵生产所需的大量菌体，缩短生产周期？ 经过多次扩大培养。 如何扩大培养菌种？ 扩大培养通过将培养到对数期的菌体分开培养，菌体数迅速增加，可以在短时间内得到大量的菌体。11、扩大培养和接种，扩大培养与发酵生产中的培养不同：扩大培养是为了使菌体在短时间内迅速增殖，发酵中的培养是为了得到代谢产物，因目的不同，所采用的培养条件可能不同。 例如在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促进酵母菌的快速增殖，在有氧条件下进行的。 在发酵产生酒精的过程中，为了获得大量的酒精必须要进行无氧处理。 有足够的菌体生产，接种过程中要注意防止杂菌污染。 12、发酵过程，为什么要将菌体接种到装有培养液的发酵槽中，检查发酵过程和控制发酵条件？ 发酵产物主要发生在菌体生长的稳定期。因此，在发酵过程中随时对培养液中的细菌数量、产物浓度进行取样，了解发酵过程，添加必要的培养基成分，延长菌体生长的稳定期，获得更多的发酵产物。 同时，也适应发酵条件的严格控制。 13、发酵过程，什么条件影响菌体发酵？ 发酵生产中发酵罐内部代谢变化，如菌体形态、菌体浓度、营养物质浓度、温度、pH、溶解氧量、生成物浓度、发酵罐搅拌转速等，对发酵过程有很大影响.14、分离、纯化、代谢产物采用离心、过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来。 菌体本身，例如酵母菌和细菌等通过蒸馏、提取、离子交换等方法提取。 利用、15、2、发酵设备、生物反应器(发酵罐)、生物工程技术生产的工艺统称为生物反应工艺。 利用活细胞(包括微生物、动植物细胞)的特定功能生产有用产品的生物反应过程称为发酵过程或细胞培养过程。 以游离或固定化酶为生物催化剂的生物反应过程称为酶反应过程。 生物反应器：利用酶和生物(例如微生物)所具有的生物功能，在体外进行生物化学反应的装置系统。16、生物反应器应具备的条件：为保持一定的温度、pH、反应物(营养物质、溶解氧等)浓度的生物反应顺利进行提供适当的环境条件，必须具备良好的传递物质、传热和混合性能的细胞生物反应器，除了上述特性外，生产中微生物侵入还污染了杂菌根据生物反应中使用的生物催化剂，生物反应器可以分为酶反应器和(微)细胞生物反应器。17，(一)发酵罐的设计原则，发酵罐的主要功能：菌体的生长，或者为某些特定的微生物混合发酵剂提供容易控制的环境，以获得人们所期待的产物。 发酵罐的设计原则是： 1、发酵器能够在无菌状态下工作几天，且在长时间运转中必须保持稳定2、为了满足微生物代谢的需要，要进行通气和充分搅拌，但不能损伤菌体.18、3、 尽可能低的功耗4 .发酵罐应具备温度和pH的控制系统和取样装置5 .发酵罐内的蒸发损失不多6 .在加入、清洗、修理材料等工作过程中具有最低的劳动力消耗.19、7、烘箱， 为了满足不同厂家的需求，需要适当的适应性8 .发酵槽的内表面必须光滑9 .中试规模的发酵槽和实际生产的发酵槽应该具有相同的几何形状，有利于扩大生产10 .在能够满足工艺要求的同时，使用比较廉价的制造材料，同时完善根据、20、烘箱(总结)稳定性、控制性、操作性、安全性、可视性、设计原则、21、(2)微生物细胞反应器、搅拌方式，微生物细胞反应器包括内部机械搅拌型外部液体搅拌型气升循环式烘箱、22、微生物反应器、23、1， 机械搅拌型微生物细胞生物反应器(通用型)、主要由外壳、温度控制部、搅拌部、通气部、出入口、测定系统、附属系统等组成。24、25、26、27、BIOTECH-XJS型机械搅拌不锈钢发酵槽、28、外壳的作用：一般为不锈钢材料，在整个发酵过程中提供密封的环境，防止杂菌污染的同时，为了在一定的压力下进行高温灭菌，对罐施加的压力至少为0.3MPa 温控部分的作用：保证发酵过程在恒温条件下进行，及时消除生物氧化和机械搅拌产生的热量。 搅拌部分的作用：混合罐内的材料，使液体中的固体材料保持浮游状态，菌体与营养物质充分接触，营养吸收变得容易。 另一方面，打破气泡增加气液接触面积，提高气液之间的传递速度，加强氧气的传递效果，消除气泡。. 29、通气部分的作用：从罐底部向罐内通入无菌空气，一般的入口空气压力为0.10.2MPa (表压)，罐顶部有空气出口。 材料出入口：用于材料供给和排出的系统，同时具备材料补给口装置等测量系统。 测定发酵过程的pH、溶解氧等相关数据，随时监测发酵过程，调整发酵参数。 另外，测量装置应能承受一定的灭菌温度，长时间稳定。 30、通用机械搅拌型生物反应器内通常设置消泡装置，抑制泡沫的形成，但泡沫过多时使用消泡剂。 所谓附属系统，是指为了观察发酵液的样子的反射镜装置和强化发酵液的混合(防止液面中央产生漩涡，提高溶解氧)的挡板等设备。31、2、机械搅拌自吸式反应器的优点： (1)能够利用混合器旋转时产生的吸引力吸入空气，空气压缩机不需要供给压缩空气，因此消除了空气系统，降低了设备成本。 (2)该混合器为中空叶轮，叶轮快速旋转时，液体被离心力甩开，在叶轮的中空部分形成负压，罐外的空气被吸入罐内。 同时，空气受到高速流动液体的摩擦剪切作用变成小气泡，均匀地分散在液体中，然后通过导管将气液混合物导入发酵液中混合。32、缺点(1)进入储罐的空气处于负压状态，杂菌侵入的机会容易增加。 (2)搅拌容易提高转速，某些微生物菌丝被切断，可能影响细胞的正常生长。33，3，气升式回流反应器，类型：内流式，外流式，气升式发酵罐不具有机械搅拌系统，仅用空气在发酵罐内(外)循环搅拌培养物，这种比较柔软的混合系统适合植物细胞和动物细胞的培养。 原理是基于含气量高的培养物和含气量少的培养物的比重的不同。 在发酵罐通气过程中，空气量低的培养基产生上游推力，导致培养基循环。 通过设置在环流管底部的空气喷嘴，以250300m/s的高速向环流管吹送空气，使气泡分散在培养基中。34、气升式玻璃系列实验室的烘箱、35、气升式环流反应器的优点；(1)气体从罐的下部流动，可以在反应器内循环流动，不使用容易均匀混合反应器内溶液的(2)机械搅拌桨，因此省略密封装置， 减少了污染杂菌的机会，减少了机械剪切作用对细胞的损伤(3)液体循环速度快，反应器内供氧和传热良好，有利于节约能源。 气升式环流反应器不适用于粘度高或含有大量固体的培养液。36、测量气升式环流反应器性能的参数主要为：循环周期气液比。 循环周期：培养液在环流管内循环一次所需时间。 气液比：培养液环流量与通风量之比。 循环周期越短，气液比越大，表明向培养基内供氧越充分。37、4、上位塔型生物反应器是罐体高度与直径的比率大、通过培养液在无菌气泡的上升诱发液体运动、产生混合效果的非机械搅拌式生物反应器，适用于培养液粘度低、固体成分少、需氧量低的发酵培养工艺。 与机械搅拌式生物反应器相比，塔式生物反应器不设置机械搅拌叶片的优点是，(1)减少剪切作用对细胞的损伤，(2)结构简单，省略密封，排除密封不良引起的杂菌污染，(3)成本低，动力消耗少，操作成本低，噪音高缺点：该反应器容器较高，需要设置在室外，且压缩空气需要足够的压力来抵消反应器内液体的静压。动物细胞培养生物反应器，气举式生物反应器中空纤维反应器笼式通气搅拌反应器流化床反应器，40，1，气举式细胞培养生物反应器，从罐底部的喷管向反应器中央的喷管喷射气体混合物，在中央的喷管内在气升式生物反应器中，通过自动调节进入空气的速度，能够实现溶解氧浓度控制的pH值可以通过在吸气中加入二氧化碳或者加入氢氧化钠来控制。41、BIOTECH-XQS型气升式发酵罐、42、43、2、中空纤维管生物反应器均可培养悬浮型细胞和壁型细胞，培养的细胞密度可达109个/mL，主要用于杂交瘤细胞培养产生单克隆抗体.44、45、用中空纤维管生物反应器培养的细胞和所得分泌物、46、3、通气搅拌生物反应器、(1)Spier笼式通气搅拌生物反应器的优点：通气时可避免气泡直接损伤细胞。 它通过一个多孔通气装置使笼子内通气，满足培养中细胞对溶解氧的需要。 缺点：不能在线灭菌，只能将罐体放入消毒锅进行高压灭菌的氧传导系数小，不能满足培养高密度细胞耗氧要求的反应器结构比较复杂，分解清洗困难。47、48、(2)CelliGen-20双笼式通气搅拌生物反应器的优点：扩大筛网交换面积，提高传氧系数，增加单位面积产量，形成了双笼式通气搅拌机、控制系统、管道系统和蒸汽灭菌系统一体化的动物细胞培养装置。 适合悬浮培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体、微载体培养Vero细胞和b脑病毒。49，50，4，流化床生物反应器的特征在于，通过在反应器内垂直向上循环，培养液不断地向细胞供给必要的营养成分，使细胞在微粒子中生长。 同时，不断加入新鲜培养液，不断排除培养产物和代谢产物。 流化床生物反应器可用于依赖壁的细胞培养和不依赖壁的细胞培养。51，5，无泡的搅拌生物反应器，能满足动物细胞生长所需的溶解氧的要求，产生的剪切力小，通气中不产生泡沫。52、(4)植物细胞培养反应器，类型：机械搅拌式生物反应器气升式生物反应器填充床生物反应器流化床生物反应器膜式生物反应器，53、1，机械搅拌生物反应器，特征：机械搅拌产生较大剪切力，损伤细胞，易引起杂菌污染2、气升式生物反应器，特点：减少剪切力作用，避免细胞损伤，且操作中易于维持无菌状态，适合植物细胞培养。54，3，填充床生物反应器的特征是细胞可以在支持体的表面，也可以包含在支持体中。 培养液在载体粒子中流动，继续被细胞利用。 优点：每单位体积的固定细胞量大。 缺点：混合效果差，给氧气传递、pH控制、温度控制及气体产物排除带来困难，影响细胞培养，流化床生物反应器、流化床生物反应器的最大缺点是剪切力和粒子碰撞破坏固定化细胞。 通常使用小的固定化粒子。56、5、膜生物反应器、膜生物反应器的优点是可以重复使用。 57、植物细胞表面固定化培养系统避免了传统罐悬浮培养中的流体流动力和剪切力问题，促进了植物细胞的凝聚，增加