生物工艺学第七章生物反应器及生物工艺过程的放大.ppt

1、生 物 工 艺 学,国家十一五规划教材生物工艺学（邱树毅主编）配套课件,目录,第一章绪论 第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏 第三章工业培养基及其设计 第四章生物工艺过程中的无菌技术 第五章生物反应动力学 第六章 发酵过程原理 第七章 生物反应器及生物工艺过程的放大 第八章 生物反应过程参数检测与控制 第九章 生物产品分离及纯化技术 第十章 生物产品工艺学及应用,第七章生物反应器及生物工艺过程的放大,7.1 概述 7.2 生物反应器 7.2.1 生物反应器的分类 7.2.2 深层液态反应器 7.2.3 固态发酵反应器 7.3实验室试验研究 7.3.1 实验室的生物反应器 7.3.2 摇瓶试验

2、 7.3.3 实验室研究和实验设计方法 7.4生物反应过程放大 7.4.1实验室摇瓶与发酵罐培养的差异 7.4.2 发酵罐规模改变的影响 7.4.3 生物工艺过程放大的方法,7.1 概述,生物工程技术的最终目标是为人类提供服务，创造社会和经济效益。因此，生物产品必须经历从实验室到规模化生产直至成为商品的一系列过程，其研究开发过程包含了实验室的小试，适当规模的中试和产业规模化生产等几个阶段。,7.2 生物反应器,生物反应器是利用生物催化剂(游离态或固定态的微生物或动、植物细胞及酶)进行生物技术产品生产的反应装置称为生物反应器或生化反应器，常称为发酵罐。,7.2.1 生物反应器的分类,根据所使用的

3、生物催化剂种类的不同可将生物反应器分为酶生物反应器和细胞生物反应器，其中细胞生物反应器又可分为微生物细胞生物反应器及动物细胞生物反应器、植物细胞生物反应器、微藻生物反应器。,根据生物催化剂的使用形式可分为固定化酶或细胞的反应器及游离态酶或细胞的反应器。其中常见的酶、细胞的反应器具体有搅拌罐式、固定床或填充床、流化床、膜式反应器、鼓泡塔式反应器等。,根据培养过程中是否需要光照，分为光照生物反应器和普通生物反应器。,7.2.1 生物反应器的分类,根据生物反应器的几何形状(高径比或长径比)和结构特征来分类，可将反应器可分为罐式(槽式或釜式)、管式、塔式及膜式等几大类。罐式反应器的高径比较小，一般为1

4、3，常含有搅拌器。,根据培养基状态分为固态生物反应器及液态生物反应器。对于大多数的生物反应都是采用深层液态发酵方式，但仍有一部分研究及应用采用固态发酵方式 。,根据操作方式不同可分为分批(间歇)式、分批补料式、连续式。连续式操作时采用多级罐式反应器串联使用。,7.2.1 生物反应器的分类,根据微生物细胞对氧的需求与否，分为好氧型生物反应器和厌氧型生物反应器。好氧型生物反应器，又称通气生物反应器，根据通入空气及物料混合的方式不同，可分为搅拌式、气升式、自吸式反应器。,大多数的生化反应都是采用的深层液态发酵法 。,它具有如下优点： 液体悬浮状态是许多微生物的最适生长环境。 在液态环境中，菌体、底物

5、，产物(包括热) 易于扩散，使发酵在均质或拟均质条件下进行，便于检测、控制，易扩大生产规模。液体输送方便，易于机械化、自动化操作。 产品易于提取精制。,常见的好氧深层液态反应器有机械搅拌通风反应器、气升式反应器、自吸式反应器等。,7.2.2 深层液态反应器,7.2.2.1 机械搅拌通风反应器,机械搅拌通风反应器 ，是工业上最常用的一种微生物反应器。这类发酵罐既具有机械搅拌又有压缩空气分布装置。搅拌器的主要作用是打碎空气气泡，增加气液接触界面，以提高气液间的传质速率，同时也是为了使发酵液充分混合，液体中的固形物料保持悬浮状态。,机械搅拌通风发酵罐主要部件有：罐体、搅拌器和挡板、消泡器、联轴器及轴

6、承、变速装置、空气分布装置、轴封、冷却换热装置等。,机械搅拌通风反应器结构图,机械搅拌通风反应器,机械搅拌通风发酵罐的结构及几何尺寸,通用式发酵罐的几何尺寸比例 H/D=1.73 d/D=1/21/3 W/D=1/81/12 B/D=0.81.0 s:两搅拌器间距, W:挡板宽度 d:搅拌器直径, H:发酵罐筒身高 HL:液位高度, B:下搅拌器距底间距, D:发酵罐内径,机械搅拌通风反应器的搅拌器,反应器的搅拌器使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。,其作用为混合和传质，它使通入的空气破碎分散成气泡，增大气液界面，与发酵液充分混合，获得所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当

7、的气液固(细胞)三相的混合与质量传递，同时强化传热过程 。,搅拌器分为轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（平叶式、弯叶式、箭叶式）两种。搅拌叶轮大多采用涡轮式，最常用的有平叶式、弯叶式圆盘涡轮式搅拌器，叶片数量一般为6个。,搅拌叶类型,圆盘平直叶涡轮搅拌器,圆盘箭叶涡轮搅拌器,圆盘弯叶涡轮搅拌器,桨叶式搅拌器,螺旋桨式搅拌器,在相同的搅拌功率下粉碎气泡的能力的大小是，平叶搅拌器大于弯叶搅拌器，弯叶搅拌器大于箭叶式搅拌器；但其翻动流体的能力则与上述情况相反。,在反应器中加设挡板是为了防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍流和溶氧传质。挡板的高度自罐底起至设计的液面高度止。,机械搅拌通风反应器的挡板,

8、全挡板条件是在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。搅拌器的形状和安装位置决定其在发酵罐内的运行的性能。经验表明，发酵罐中如采用列管式换热器也可起到挡板的作用。,反应器中的换热装置,机械搅拌通风反应器的换热装置,罐内换热,罐外换热,小型发酵罐多采用外夹套传热装置,大中型发酵罐多采用排管传热装置,夹套传热,排管传热,搅拌器分为轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（平叶式、弯叶式、箭叶式）两种。,机械搅拌通风反应器的搅拌器,其作用为混合和传质，它使通入的空气破碎分散成气泡，增大气液界面，与发酵液充分混合，获得所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气液

9、固(细胞)三相的混合与质量传递，同时强化传热过程 。,反应器的搅拌器使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动,机械搅拌反应器 优点:操作弹性大，pH值和温度易于控制；有较规范的工业放大方法；适合连续培养。 缺点:驱动功率大；内部结构复杂，难于彻底洗净,易造成污染；在丝状菌的培养中由于搅拌器的剪切作用，细胞易损伤。,气升式反应器也是目前应用较为广泛的生化反应设备，这是一类塔式反应器，高径比较大，其中相际的混合与传质是借各种方式诱导的环流来实现的。,7.2.2.2气升式反应器,常见类型有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式,具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、剪切力小、传热良好、能耗低等优点。,7.2.2.

10、3 自吸式反应器,自吸式反应器不需空气压缩机供应压缩空气，而是利用搅拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气。搅拌器是一空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，在叶轮中心形成负压,从而将罐外空气吸到罐内。,自吸式反应器 优点:利用机械搅拌的抽吸作用将空气自吸入反应器内,达到既通风有搅拌的目的，从而省去了压缩机。 缺点:吸程一般不高，必须采用低阻力高效空气除菌装置。,7.2.3 固态发酵反应器,培养基组成较简单 培养基含水量低，后处理加工较方便 不一定需要连续通风 产物的产量较高 设备简单、投资小、能耗低,固态发酵过程虽然不如深层液态发酵普遍，但固体发酵也具有很多液体发酵所不具备的优点，主要表现为：,浅盘式反

11、应器,填充床反应器,转鼓式反应器,固态发酵反应器的类型,7.2.3.1浅盘式反应器,浅盘式反应器很早地应用于抗生素、有机酸的固态表面培养的生产中 。通常由木质、塑料、或金属的材质制成的、带盖或无盖的、底部能通风的浅盘。,浅盘式反应器属于静态反应器，浅盘式的结构和操作都相对简单，装料量少，要实现大规模生产，可增加浅盘数目。浅盘室内的温度和湿度容易控制，特别适用于制曲。这种反应器由于存在对流空气，散热效果较差，对浅盘物料的厚度有所限制，并且占地面积较大，需要耗费一定的人力。,浅盘固态发酵反应器,7.2.3.2 填充床反应器,填充床反应器中的固体物通常呈颗粒状，粒径为215mm左右，堆积成一定高度(

12、或厚度)的床层，床层静止不动，在床层底部通常装有强制通风装置，可满足较大量的固态培养基的发酵需求 。,填充床反应器是目前机械化程度较高的能实现固态发酵的反应器，主要用于米曲、麸曲的工业化制备。,7.2.3.3 转鼓式反应器,转鼓式反应器的基本形式是一个圆柱型或鼓型容器支架在一个转动系统上，转动系统主要起支撑和提供动力的作用。转鼓反应器包括基质床层、气相流动空间和转鼓壁等组成的多相反应系统。与传统固态发酵生物反应器不同的是：基质床层不是铺成平面，而是由处于滚动状态的固体培养基颗粒构成。菌体生长在固体颗粒表面，转鼓以较低的转速转动，就如同设置了搅拌轴那样加速传质和传热过程。,实验室的研究内容主要为

13、新产品开发的理论研究，新发酵菌种的选育、筛选、新发酵原料的开发、培养基配方及培养条件的优化、新工艺及技术的研究及放大等。,实验室中小规模的研究，常要用到各种型号的试管、培养皿、三角瓶等玻璃器皿。试管、培养皿主要用于新菌种的保藏、筛选研究。三角瓶的常用规格为100ml、250ml、500ml、1000ml等，较广泛地应用于培养基及培养条件，新工艺技术等的研究。,7.3 实验室试验研究,7.3.1 实验室的生物反应器,实验室中小规模的研究，常要用到各种型号的试管、培养皿、三角瓶等玻璃器皿。试管、培养皿主要用于新菌种的保藏、筛选研究。三角瓶的常用规格为100ml、250ml、500ml、1000ml

14、等，较广泛地应用于培养基及培养条件，新工艺技术等的研究。 对于好氧型发酵过程的研究，主要借助的设备有气体自然交换的摇瓶发酵和强制通气的发酵罐发酵。,摇瓶试验是实验室研究的主要方式，是在一定大小体积的锥形烧瓶中装入一定量的培养基，经灭菌、接种、在摇瓶机上进行恒温振荡培养一定时间后，分析测定培养液中的参数变化和产物得率的试验。,试验中摇瓶的装载量一般为1020，如果太高会使发酵液溅到瓶口的棉塞，影响正常的通气及发酵。摇瓶试验的方法可用较少量的培养基，获得大量的数据，但因受到条件的限制，对菌体的生长及发酵结果有一定的影响。,7.3.2 摇瓶试验,瓶塞对氧传递的阻力,摇瓶发酵对菌体生长的影响,摇瓶内水

15、分蒸发的影响,与氧气接触的比表面积的影响,7.3.2.1 瓶塞对氧传递的阻力,为了保证瓶内的纯种培养，将瓶内发酵液与瓶外环境相隔绝，所以须配置适当的瓶塞。通常瓶塞的滤材有棉花、纱布、纤维纸、特殊的聚乙烯醇等。而一定厚度的过滤介质，可以杜绝外界空气中的杂菌或杂质进入瓶内，但同时增大了瓶外氧气的传递阻力。不同材质的瓶塞对氧的传递阻力是不同的，在某些情况下可能成为氧传递的限制性因素。因此，在实际工作中，在保证除去杂菌的前提下，尽量选用传递阻力小的瓶塞材质和合适的介质厚度。,7.3.2.2 摇瓶内水分蒸发的影响,摇瓶在振荡培养期间，由于发酵液中的水分经由瓶塞而蒸发，影响了发酵液的体积及各成分浓度，改变

16、了发酵液与摇瓶总体积的比值，进而改变了氧的传递速率，而在发酵罐中发酵是不存在此问题的，所以水分的蒸发成为摇瓶试验中不可忽略的影响因素之一。,7.3.2.3 与氧气接触的比表面积的影响,为了保证瓶内的纯种培养，将瓶内发酵液与瓶外环境相隔绝，所以须配置适当的瓶塞。通常瓶塞的滤材有棉花、纱布、纤维纸、特殊的聚乙烯醇等。而一定厚度的过滤介质，可以杜绝外界空气中的杂菌或杂质进入瓶内，但同时增大了瓶外氧气的传递阻力。不同材质的瓶塞对氧的传递阻力是不同的，在某些情况下可能成为氧传递的限制性因素。因此，在实际工作中，在保证除去杂菌的前提下，尽量选用传递阻力小的瓶塞材质和合适的介质厚度。,摇瓶发酵过程中氧气的提

17、供，仅靠通过瓶塞过滤后的外界空气与发酵液液体表面接触而传递到液体内部。所以，氧的传递与发酵液的比表面积大小密切相关。,影响比表面积大小的因素主要有：(1)摇瓶机振荡的频率和振幅大小；(2)摇瓶内培养基体积与摇瓶总体积的比率，即装载量大小；(3)摇瓶的结构等方面 。,摇瓶机的振荡剧烈程度与氧的传递速率在一定程度上成正比，与培养基的装载量呈反比关系，装载量愈大，氧的传递速率就愈小，反之就大。,7.3.2.3 与氧气接触的比表面积的影响,7.3.3.1 实验室研究内容,7.3.3 实验室研究和实验设计方法,微生物发酵的实验室研究有以下内容： (1)选育优良菌株；(2)研究菌株的保藏条件及其稳定性；(

18、3)研究菌株的性能；(4)研究菌株最优培养条件，即考查培养基最适组成、最佳的pH、温度、培养时间、通气程度等培养条件；(5)考察菌株实验室规模的培养技术。,7.3.3.2 实验室研究常用实验设计方法,试验中，常常需要考查多个因素、多个水平的影响。但按单个因素进行全面试验，如考察N个因素、R个水平，则需要进行NR个试验，需要消耗大量的人力物力和时间，因此，需要对因素进行合理的试验设计，通过尽量少的试验来获得尽量多的、可靠的试验信息。在数理统计中常采用统计学方法来进行最佳化条件的考察试验，目前在生物工程试验设计中常采用的统计学方法有正交设计、均匀设计、响应面分析、遗传算法等。,正交设计,正交设计是研究多因素多水平试验