第六章第三节 表面培养 设备

1、第三节表面培养设备，分类：固体发酵设备，浅层液体培养设备，第一，固体发酵设备。固态发酵历史悠久。长期以来，固态发酵一直用于白酒酿造，其主要设备包括曲盘、幕帘、厚层通风制曲设备等。厚层通风制曲设备是20世纪50年代发展起来的。它是在保持固体发酵优点的基础上改进的固体培养方法，以适应大规模生产的需要。微生物在一定温度和湿度的固体培养基上表面生长、繁殖和代谢的发酵过程称为固态发酵。固态发酵主要适用于霉菌。这是因为霉菌细胞的渗透压相对较高，不会因固体基质的高渗透压而导致死亡。1.固态发酵的特点；(1)原材料来源广泛，价格低廉。(2)可以防止霉菌发酵过程中杂菌的污染。(3)低能耗。(4)固体发酵产品回收

2、的一般步骤少，也节约了成本。固态发酵有一个显著的特点，即细菌、底物和产物都处于一个不均匀的发酵系统中，特别是在大规模固态发酵系统中。随着发酵的进行，细菌呼吸产生热量，核心散热缓慢，细菌生长、底物利用和产物合成都处于一个不均匀的系统中，导致发酵不稳定。固态发酵的主要工程问题是传质和传热受限，这表现在大规模生产中散热困难；难以模拟和控制，这使得难以检测诸如酸碱度、温度、细胞增殖和产品生产等参数。因此，很难实现固态发酵的优化。2.固态发酵中的传质。固态发酵中底物的特性起着重要的作用。对于固体培养基，微生物必须附着在培养基上进行交换，吸收营养和排出代谢物。微生物所需的水分通常高于固体基质中所含的水分，

3、因此需要补充潮湿的空气，有时还需要喷洒和湿润。在固态发酵中，有效供氧和及时排出挥发性产物的过程并不复杂。然而，有必要清楚地了解颗粒的结构和微生物特征，以确定内部传质是否在发酵过程中起重要作用，以及颗粒中是否存在缺氧。培养基的湿度也会影响氧气的转移，湿度过高会影响气体的渗透性。在生长期，由于微生物的大量摄入，氧气被消耗，并且当固体床很深时，中间氧气浓度可能为零，这成为厌氧区。氧浓度为零的床层深度称为临界床层厚度。提前计算或测量临界厚度对反应器的设计非常有用，可以提高反应器的效率。在固态发酵中，没有可流动的水，也没有宏观的液相混合，因此曝气是氧传递的主要方式。减小颗粒直径可以增加氧转移的边界面积，

4、这也是增强转移的手段之一。颗粒中的质量转移也包括基质中营养物和酶的转移。在此过程中，应考虑氧的扩散和微生物分泌的酶对固体底物的降解。3.固态发酵中的热量传递，固态发酵中涉及的热量变化相当大，直接影响新陈代谢的活力。由于固体基质导热性能差，在此过程中缺乏有效的混合，填充床散热困难，温度变化剧烈，即使在很浅的基质层，也能发现明显的温差。与液体发酵相比，热耗散差是填充床发酵的主要缺点之一。在固态发酵反应器中，温度主要通过仔细调节通气速率来控制。2.固态发酵设备按固态培养方式分为六种形式：浅盘式反应器填充床反应器流化床反应器鼓式反应器搅拌反应器预2.填充床反应器填充床生物反应器是静态反应器之一。与浅盘

5、发酵相比，它具有采用动态通风的优点，比浅盘发酵能更好地控制反应床内的环境条件，调节温度和风速，并能更好地去除反应床边缘的对流热。填充床生物反应器比浅盘生物反应器更容易控制发酵参数。3.流化床生物反应器通过流体的向上运动使固体颗粒保持悬浮以进行反应的装置称为流化床反应器。在流化床中，固体颗粒与流体混合充分，传热传质性能好，床层压降小，但固体颗粒磨损大。流化床可用于絮凝微生物、固定酶、固定细胞和发酵固体底物。转鼓生物反应器转鼓固态发酵生物反应器通常是水平的或稍微倾斜的。有连续旋转和间歇旋转。在培养过程中，转鼓的转速通常很低，否则剪切力会损坏细菌。旋转时，罐内的小固体颗粒会沿罐壁滑动，达到散热和与空

6、气接触的目的。与填充床相比，采用转鼓反应器的优点是可以防止菌丝粘在反应器上，转鼓的旋转可以使圆筒内的基质达到一定的混合程度，菌丝生活的环境相对均匀，从而改善传质和传热条件。转鼓反应器是由基质床、气体流动空间和转鼓壁等组成的多相反应系统。5.搅拌式生物反应器固体搅拌反应器有卧式和箱式两种，卧式搅拌反应器采用卧式单轴，轴上均匀分布有多个搅拌叶片，叶片表面与轴平行，相邻两个叶片间隔180度。箱式搅拌反应器采用垂直多轴。为了减少剪切力的影响，通常采用间歇搅拌，且搅拌速度较低。6.压力脉动固态发酵生物反应器发酵系统由两部分组成。第一部分是空调系统，主要通过换热器和水雾化处理装置调节压缩空气的温度和湿度，

7、然后通过流量计和膜过滤器对压缩空气进行测量和杀菌，使进入压力脉动发酵罐的空气相对无菌；第二部分是发酵罐系统，由夹套、隔板、压力表、压力延时释放控制系统、温度控制等组成。同时设有蒸汽通道，进行固体罐灭菌，减少原料污染。主要操作是对装有无菌空气的封闭低压容器的气相压力施加周期性脉动。“压力脉动”对于固体介质是静态的，但是对于气相是动态的。3.固态发酵设备的设计与应用。生物反应器的设计要点(1)固体材料、耐腐蚀、无毒、价格合理(2)防止污染物进入发酵系统，控制发酵过程中有机物向环境的释放(3)有效的运行参数控制(温度、湿度、氧气等)。)(4)保持基质床的均匀性(5)反应器操作2。固态发酵的应用(1)

8、固态发酵在资源和环境生物燃料、生物农药、生物转化、代谢解毒、生物修复中的应用(2)有价值物质的生产固态发酵可用于生产许多有价值的物质，如谷物或谷物残渣营养的富集、发酵食品的生产、酶、色素、抗生素、生物农药、有机酸和风味化合物。固态发酵的应用领域。二是浅液体培养设备，实验室浅液体培养设备主要在浅托盘或玻璃瓶中进行，分为静态培养和振荡培养。微藻培养反应器可分为三类：开放式培养反应器封闭式光培养反应器管式光培养反应器平板式光培养反应器半封闭式培养反应器开放式培养反应器目前，国内外大多数工厂采用开放式培养模式生产微藻，开放式跑道池是最典型、最常用的开放式反应器。建筑封闭式光培养反应器(1)管式光培养反

9、应器的优点：较好的面积体积比，光能利用率高；培养条件易于控制，培养效率高。反应器可以高效灭菌，培养过程中污染少；CO2利用率高。(2)来自长方体顶板的垂直扁平和倾斜扁平的空气和CO2被引入到盒子底部的多孔塑料管中，然后被引入到藻类溶液中。箱体顶板的下端设有若干排气管和检测温度和酸碱度的开口，窄侧板的上端设有海藻液的入口，海藻液由泵输送，侧板的下端设有收集海藻液的出口。藻类溶液的搅拌是通过连续引入空气来实现的，而冷却是通过来自设置在顶板上的多孔喷嘴的冷却水来进行的。半封闭培养反应器在国内流行(防雨、保温)，吸收了封闭培养的一些优点，减少了污染，同时避免了封闭培养液中放氧的困难，具有培养池建设相对简单的优点。(3)浅部植物快速繁殖器，其中植物组织芽被放置在支撑板上，