第五章-生物反應器ppt課件

1、第五章 生物反應器,在生物反應過程中，生物反應器具有中心的作用，它是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。 生化工程中幾乎所有的內(nèi)容都是圍繞生物反應進行的。 生物反應器的設計和操作，是生物工程中的一個極其重要的問題，它對產(chǎn)品的質(zhì)量和成本有很大的影響。 據(jù)統(tǒng)計，生化工業(yè)有幾百個產(chǎn)品（每年的產(chǎn)值上千億美元），產(chǎn)品主要涉及到醫(yī)藥工業(yè)，化學工業(yè)，農(nóng)產(chǎn)品加工工業(yè)。生物反應器要適應這眾多的生產(chǎn)過程，在形狀，大小和操作方式上多種多樣。但生物反應器設計的目標是一個，既保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，使產(chǎn)品成本最小,原料成本、操作成本、投資成本 酒精生產(chǎn)62%、26%、12%； 青霉素生產(chǎn)35%、38%、22%； 產(chǎn)品的成本包括： 不變

2、成本（工資、折舊、修理、管理等）； 可變成本（水、電、氣、消耗的原料等）； 原料成本在總的成本中占的比例較大，和反應器有關的是操作成本和投資成本。在操作成本中，動力消耗占主要方面。 因此在反應器的設計中，在滿足工藝要求的前提下，節(jié)能是一個重要問題,生物反應器與化學反應器在使用中的主要不同點是生物（酶除外）反應都以“自催化”（Autocalalysis)方式進行，即在目的產(chǎn)物生成的過程中生物自身要生長繁殖。 生物反應器的作用就是為生物體代謝提供一個優(yōu)化的物理及化學環(huán)境，使生物體能更快更好地生長，得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物,一、生物反應器概述,生物反應器的操作特性,生物反應器設計和操作的限制因

3、素,反應器生產(chǎn)能力（g/Lh）主要取決于兩方面的因素： 1生物催化劑（酶，微生物）的濃度和比活力； 2反應器的傳質(zhì)和傳熱能力； 當生物催化劑濃度較低但比活力也較低時，生物催化劑的因素是反應器生產(chǎn)能力的限制因素； 但是生物催化劑的濃度較高且比活力較高時，反應器傳質(zhì)和傳熱能力就成為提高反應器生產(chǎn)能力的限制因素,生物反應器設計的基本原理,生物反應器選型與設計的要點,生物反應器中的混合,混合過程的分類,生物反應器發(fā)展的趨勢和未來方向,1、開發(fā)活力高和選擇性高的生物催化劑將繼續(xù)占主要地位。 主要途徑是利用基因工程技術(shù)改變酶的初級結(jié)構(gòu)，定向改造生物細胞，改進酶和細胞的固定化技術(shù)，得到更多的酶活性回收，更長

4、的使用壽命。 2、改進生物反應器熱量、質(zhì)量傳遞的方法 隨生物催化劑比活力的提高，生物反應器的性能受傳質(zhì)傳熱的限制就急需解決，必須改進生物反應器傳質(zhì)傳熱的方法和設施,3、生物反應器正向大型化和自動化方向發(fā)展 西德SCP生產(chǎn)反應器最大體積達2300 m3 （高60m ，直徑7m ），England 廢水處理反應器最大體積達到27000 m3。國內(nèi)Bioreactor最大體積在200300 m3之間。反應器體積的放大降低了操作成本，但大型反應器的設計還存在一定的技術(shù)問題。 4、一些特殊用途生物反應器得到較快的應用和開發(fā)。 例如，動物和植物細胞培養(yǎng)用反應器，固體發(fā)酵反應器，邊發(fā)酵邊分離的特殊反應器都得

5、到了不同程度的發(fā)展,由于生化反應就是各種類型的酶反應，故生化反應器實質(zhì)上也就是酶反應器。 廣義說來，生化反應器是酶反應器、微生物反應器（發(fā)酵罐）和動植物細胞培養(yǎng)用反應器的統(tǒng)稱（當然包括采用固定化生物催化劑的反應器,微生物反應器：是生產(chǎn)中最基本也是最主要的設備， 其作用就是按照發(fā)酵過程的工藝要求，保證和控制各 種生化反應條件，如溫度、壓力、供氧量、密封防漏 防止染菌等，促進微生物的新陳代謝，使之能在低消 耗下獲得較高的產(chǎn)量。 厭氧生物反應器：其反應器不需供氧，設備結(jié)構(gòu)一般較為簡單。應用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生產(chǎn)。 好氧生物反應器：生產(chǎn)過程中需不斷通入無菌空氣，因而其設備的結(jié)構(gòu)比厭氧生物反應器

6、復雜。應用于氨基酸、有機酸、酶制劑、抗生素和單細胞蛋白SCP等的生產(chǎn),二.生化反應器的特點 生化反應與一般化學反應的不同主要在于其反應皆由生物催化劑-酶來催化的。決定了酶反應必須在比較溫和的條件下進行，也就是在接近中性的pH、較低的溫度及近似細胞生理條件下進行。 生物的酶系是非常復雜的，在活細胞中它們是相互協(xié)調(diào)而處于最優(yōu)化的狀態(tài)，故活細胞常被用來合成一些代謝產(chǎn)物如多糖及蛋白質(zhì)等。由于反應的環(huán)境會隨著時間的進程而改變，就產(chǎn)生了一個如何控制反應過程使其最優(yōu)化的問題,對生長細胞來說，要考慮到如何維持發(fā)酵的最佳條件，主要包括細胞營養(yǎng)、代謝的調(diào)控以及反應產(chǎn)物的干擾。 由于酶作用對底物的高度特異性，它可以

7、定向的產(chǎn)生一些用一般化學方法難以甚至無法得到的產(chǎn)品 大多數(shù)生化反應都在水相中進行，相對來說產(chǎn)物濃度較低，這就產(chǎn)生了一個產(chǎn)物回收工藝及成本的問題,三. 生化反應器的種類及選擇與操作 按生化反應是在一個相或是在多個相內(nèi)進行，可分為均相反應器和非均相反應器。發(fā)酵工業(yè)中的絕大多數(shù)都屬于非均相反應器。 （一）機械攪拌式生化反應器 從牛頓型流體直到非牛頓型的絲狀菌發(fā)酵液，都能根據(jù)實際情況和需要，為之提供較高的傳質(zhì)速率和必要的混合速度。缺點是機械攪拌器的驅(qū)動功率較高，一般24kw/m3，這對大型的反應器來說是個巨大負擔,流體單位面積上所承受的剪切應力,與單元的剪切速率dy/du成正比,稱為牛頓粘性定律,服從

8、這一定律的流體稱為牛頓型流體。 空氣、水等均為牛頓流體；聚合溶液、含有懸浮粒雜質(zhì)或纖維的流體為非牛頓流體,通用式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)包括有筒體、攪拌裝置、換熱裝置、擋板、消泡器、電動機與變速裝置、空氣分布裝置等，并在適當部位設置排氣、取樣、放料、接種、酸等管接口以及人孔、視鏡等部件。通用發(fā)酵罐內(nèi)設置機械攪拌的目的首先是打碎空氣氣泡，增加氣液接觸面積，以提高氣液相間的傳質(zhì)速率；其次是為了使發(fā)酵液充分混合，也使液體中的固形物料能保持懸浮狀態(tài),通氣攪拌罐主要組成：殼體、控溫部分、攪拌部分、通氣部分、進出料口、測量系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)等。 反應器主體采用不銹鋼材料，通常采用渦輪式攪拌器。攪拌軸與罐體的連接要進行無菌

9、密封。罐體底部設有空氣分布器或噴嘴，通過空氣過濾器的無菌空氣從孔徑幾毫米的多孔管鼓入培養(yǎng)液內(nèi)。 攪拌器由置于罐頂?shù)臄嚢桦姍C以一定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，通過攪拌渦輪產(chǎn)生的液體漩渦及剪切力，將鼓入的空氣打碎成小氣泡，并均勻分散在培養(yǎng)液中。這樣，既提供了細胞生長所需氧，同時又使培養(yǎng)液濃度均勻,1軸封 ； 2、20人孔； 3梯； 4聯(lián)軸； 5中間軸承； 6溫度計接口； 7攪拌葉輪； 8進風管； 9放料口； 10底軸承； 11熱電偶接口；12冷卻管； 13攪拌軸； 14取樣管； 15軸承座； 16傳動皮帶； 17電機； 18壓力表； 19取樣口； 21進料口； 22補料口； 23排氣口； 24回流口； 25視

10、鏡,反應器的裝料系數(shù)一般為7080。系統(tǒng)通常還設有消泡裝置、參數(shù)測試元件、蛇管或夾套冷卻裝置等。典型通氣攪拌罐的一些基本特征可以參考圖,機械攪拌發(fā)酵罐(TRC,工作原理： 利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣,1) 具有適宜的徑高比； (2) 能夠承擔一定壓力； (3) 保證必需的溶解氧； (4) 具有足夠的冷卻面積； (5) 盡量減少死角，滅菌徹底，避免染菌； (6) 軸封嚴密,之機械攪拌發(fā)酵罐,發(fā)酵罐的基本條件,之機械攪拌發(fā)酵罐,圖2.3 自動玻璃發(fā)酵罐,圖2.4 玻璃攪拌發(fā)酵罐,圖2.5 不銹鋼攪拌發(fā)酵罐,通氣攪拌罐

11、適用于大多數(shù)的生物工程，它具有以下優(yōu)點：pH值及溫度易于控制；工業(yè)放大方法研究比較多；適合連續(xù)培養(yǎng)。不足之處是：攪拌消耗的功率較大；結(jié)構(gòu)比較復雜，難以徹底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，特別是培養(yǎng)絲狀菌體時，對細胞有較大損傷。 通氣攪拌罐的幾何尺寸都趨向于標準化,由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼。為了滿足工業(yè)要求，在一定壓力和溫度下操作，罐為一個受壓耐溫容器，通常要求耐受130和0.25MPa(絕對壓力,之機械攪拌發(fā)酵罐,罐 體,作為通氣攪拌罐的主要特征之一，機械攪拌系統(tǒng)提供的動力是機械攪拌罐質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、混合和懸浮物均勻分布的基本保證。攪拌裝置的設計和選擇必須綜合考

12、慮以滿足上述要求并降低造價和動力消耗,攪拌軸既可以從頂部伸入罐體，也可以從底部伸入罐體，前者稱為上攪拌，后者稱為下攪拌。一般而言，上攪拌的制造和安裝成本要略高于下攪拌。但是，采用下攪拌時，培養(yǎng)基中的固體顆?；蛘呖扇苄猿煞衷谒謸]發(fā)后形成的結(jié)晶會損壞軸封，使其維護成本增加。小型通氣攪拌罐一般只有一層攪拌槳，而大型通氣攪拌罐一般具有24層攪拌槳以改善混合和傳質(zhì),之機械攪拌發(fā)酵罐,攪拌器和擋板,攪拌器： 有平葉式、彎葉式、箭葉式、渦輪式和推進式等；其作用是打碎氣泡，使氧溶解于發(fā)酵液中，從攪拌程度來說，以平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。為了拆裝方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓

13、聯(lián)成整體,圖2.6 發(fā)酵罐攪拌葉輪結(jié)構(gòu)圖 1-六直葉渦輪式；2-推進式 3-Lightnin A-315式,圖2.7 不同攪拌器的流型,攪拌器可以使被攪拌的流體產(chǎn)生圓周運動，稱為原生流。原生流在受到擋板的作用后又產(chǎn)生了軸向運動，這稱為次生流。顯然，原生流的圓周運動無助于流體的混合，流體混合的好壞主要取決于次生流。原生流速與攪拌轉(zhuǎn)速成正比，而次生流速則近似與攪拌轉(zhuǎn)數(shù)的平方成正比，因此當轉(zhuǎn)速提高時，主要是由于次生流速的加快而使流體的混合、傳熱以及傳質(zhì)速率提高,常用的攪拌槳有渦輪式、螺旋式和平槳式。 目前采用較多的是渦輪式。為了避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部位沿著軸周邊上升逸出，在攪拌器中央安裝有

14、圓盤。常用的圓盤渦輪攪拌器有平葉式、彎葉式和箭葉式三種。葉片數(shù)量一般為六個,常用圓盤渦輪式,斜葉式,平直葉式,彎葉式,半圓弧圓盤渦輪式,箭葉圓盤渦輪式,根據(jù)攪拌所產(chǎn)生的流體運動的初始方向，將攪拌槳分為徑向流攪拌槳和軸向流攪拌槳。徑向流攪拌槳將流體向外推進，遇反應器內(nèi)壁和檔板后再向上下兩側(cè)折返，產(chǎn)生次生流。軸向流攪拌槳則使流體一開始就沿軸向運動。 一般而言，軸向流攪拌槳的反應器，其功率準數(shù)較低，達到同樣混合效果所需消耗的能量要遠低于徑向流攪拌槳。徑向流攪拌槳所造成的剪切力大于軸向流攪拌槳，這有利于打碎氣泡，從而增大總括氧傳遞速率常數(shù)，但會對有些細胞產(chǎn)生傷害,因此，徑向流攪拌槳多用于對剪切力不敏感

15、的好氧細菌和酵母的培養(yǎng)，而軸向流攪拌槳多用于對剪切力敏感的生物反應體系。對于大型發(fā)酵罐，可采用這兩類攪拌槳混合配置的設計，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點。最下層的槳一般采用平板槳，這種槳具有優(yōu)良的氣泡破碎效果，這是在青霉素發(fā)酵研究和開發(fā)中得到的經(jīng)驗，一直沿用至今,擋板,為防止攪拌時液面上產(chǎn)生大的旋渦，并促進罐內(nèi)流體在各個方向的混合，與攪拌槳相對應，在罐體上還安裝有擋板。擋板的設計要滿足“全擋板條件”。所謂全擋板條件，是指在攪拌罐中再增加擋板或其它附件時，攪拌功率不再增加。擋板的數(shù)目通常為46塊，其寬度為0.10.12D。全擋板條件是達到消除液面漩渦的最低條件。在一定的轉(zhuǎn)速下面增加罐內(nèi)附件而軸功率保持不變

16、。此條件與擋板數(shù)Z，擋板寬度W和罐徑D有關,擋板： 改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。通常擋板寬度取(0.10.12)D，裝設46塊即可滿足全擋板條件。 所謂“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。(W/D)Z=0.5 D-罐的直徑 Z-擋板數(shù) W-擋板寬度 要達到全擋板條件必須滿足下式要求,之機械攪拌發(fā)酵罐,無擋板的攪拌器形成的流型,有擋板的攪拌器形成的流型,使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。機械傳動部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此軸封設計的關鍵是避免染菌和泄漏，應盡可能采用無菌密封材料。常用的軸封有填料函軸

17、封和端面軸封兩種,軸 封,填料函軸封：由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達到密封的效果,端面式軸封又稱機械軸封：密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋等）的壓力使垂直軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉(zhuǎn)動而達到密封。端面接觸的密封構(gòu)件之一為硬質(zhì)合金，如高硅鑄鐵、金屬碳化鎢等；另一種為軟質(zhì)耐磨材料，如不銹性石墨，用作靜環(huán),通氣系統(tǒng),通氣系統(tǒng)由無菌空氣制備系統(tǒng)、空氣分布裝置和出口氣體除菌系統(tǒng)組成。 細胞生長和代謝所需的無菌空氣通過空氣分布管引入罐中?？諝夥植脊芤话阄挥谧钕聦拥臄嚢铇恼路健楸ＷC氣泡的分散，多采用帶小孔的環(huán)狀空氣分布管，環(huán)的直徑一般等于攪拌槳的

18、直徑。在大型通氣攪拌罐中，攪拌槳尖附近的剪切力非常大，一般足以達到充分打碎氣泡的目的，為防止培養(yǎng)液中的固體物料或菌絲堵塞空氣分布管，對某些特殊的發(fā)酵體系有時采用向下開口的單孔管。 在一些簡單的反應器中，氣體的排出只是通過一個簡單的閥門控制的。為避免染菌，必須調(diào)節(jié)空氣的排出閥以保證反應器內(nèi)始終處于高于大氣壓的正壓狀態(tài)。一些精密的反應器則配備了出口氣體冷凝裝置和過濾裝置,之機械攪拌發(fā)酵罐,空氣分布器的作用：吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。分布裝置的形式有單管及環(huán)形管等，常用的分布裝置有單管式。 空氣由分布管噴出上升時，被攪拌器打碎成小氣泡，并與發(fā)酵液充分混合，增加了氣液傳質(zhì)效果。 環(huán)形管的分布裝置

19、的空氣分散效果不及單管式分布裝置。同時由于噴孔容易被堵塞，已很少采用。 通常通風管的空氣流速取20m/s。 為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補強?？裳娱L罐底壽命,空氣分布器,消泡系統(tǒng),消泡系統(tǒng)對好氧發(fā)酵過程是非常重要的。通氣攪拌罐的裝液量一般不能超過容器容積的7080，一方面，這是由于通氣后液面會有所上升；更重要的原因是，預留部分空間可以避免泡沫馬上沖出罐體，為消除泡沫提供一段緩沖的時間。一般對越容易產(chǎn)生泡沫的體系，裝液量要越少。 通氣攪拌罐頂部有一個額外的攪拌槳，稱為消泡槳，其作用就是通過機械作用消除泡沫。在多數(shù)情況下，僅憑消泡槳還不足以

20、及時破壞所有的泡沫，因此通常還須進一步采用添加化學消泡劑的方法消泡,之機械攪拌發(fā)酵罐,消泡裝置,消泡裝置就是安裝在發(fā)酵罐內(nèi)轉(zhuǎn)動軸的上部或安裝在發(fā)酵罐排氣系統(tǒng)上的，可將泡沫打破或?qū)⑴菽扑榉蛛x成液態(tài)和氣態(tài)兩相的裝置，從而達到消泡的目的。 兩種消泡方法: (1) 加入化學消泡劑；(2)使用機械消泡裝置 化學消泡劑：植物油脂，如玉米油、豆油等；動物油脂，如豬油等；高分子化合物。 機械消泡裝置：最簡單實用為耙式消泡器,耙式消泡器,植物油、聚醚類非離子型表面活性劑都可以用于化學消泡，它們可以直接在配制在培養(yǎng)基中，也可以在發(fā)酵過程中根據(jù)需要加入，或者兩種策略同時使用。為了及時檢測泡沫是否達到預警高度，通常

21、在反應器上方裝有液位電極，一旦泡沫達到相應的高度，就可以通過消泡控制裝置自動向反應器中流加消泡劑,大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接,之機械攪拌發(fā)酵罐,聯(lián)軸器及軸承,小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接,常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種,聯(lián)軸器,法蘭,中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承； 大型發(fā)酵罐裝有中間軸承。 罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等,之機械攪拌發(fā)酵罐,軸 承,底軸承,中間軸承,之機械攪拌發(fā)酵罐,冷卻裝置,在罐外安裝板式或螺旋板式熱交換器，采用無菌空氣使發(fā)酵液進行循環(huán)冷卻,圖2.13 機械攪拌通風發(fā)酵罐 的

22、幾何尺寸,之機械攪拌發(fā)酵罐,機械攪拌通風發(fā)酵罐的幾何尺寸及體積,體積,尺寸,橢圓形封頭體積,發(fā)酵罐的總體積,近似為,之機械攪拌發(fā)酵罐,之氣升式發(fā)酵罐,二)氣升式發(fā)酵罐(ALR,工作原理 特點及應用 主要結(jié)構(gòu)及操作系數(shù) 典型的氣升式發(fā)酵罐,工作原理,之氣升式發(fā)酵罐,類型,氣升環(huán)流式、塔式、空氣噴射式等,工作原理,把無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進入發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì),氣液雙噴射氣升環(huán)流反應器,氣升式反應器利用氣體的噴射功能和流體密度差造成反應液循環(huán)流動,無機械攪拌

23、,特點,1）反應溶液分布均勻 2）較高的溶氧速率和溶氧效率 3）剪切力小 4）傳熱良好 5）結(jié)構(gòu)簡單 6）能耗小 7）不易染菌 8）操作和維修方便,特點及應用,之氣升式發(fā)酵罐,應用,酵母生產(chǎn)、單細胞蛋白生產(chǎn)、細胞培養(yǎng) 酶制劑和有機酸等發(fā)酵生產(chǎn)、廢水生化處理,主要結(jié)構(gòu)及操作系數(shù),之氣升式發(fā)酵罐,主要結(jié)構(gòu)參數(shù),1）反應器徑高比H/D 2）導流筒徑與罐徑比DE /D 3）空氣噴嘴直徑與反應器直徑比Dl/D,操作特征,平均循環(huán)時間tm循環(huán)周期指液體微元在反應器內(nèi)循環(huán)一周所需要的平均時間，即平均循環(huán)時間。循環(huán)周期一般在2.54min之間,之氣升式發(fā)酵罐,ICIs air lift system for

24、making single-cell protein in 1979,注射入口,ICI壓力循環(huán)氣升發(fā)酵罐,之氣升式發(fā)酵罐,氣升式玻璃發(fā)酵罐,具有外循環(huán)冷卻的 氣升環(huán)流式發(fā)酵罐,之自吸式發(fā)酵罐,三）自吸式發(fā)酵罐,自吸式發(fā)酵罐： 不需空氣壓縮機提供加壓空氣，而依靠特設的機械吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置吸入無菌空氣，實現(xiàn)混合攪拌與溶氧傳質(zhì)的發(fā)酵罐,應用： 酵母及單細胞蛋白生產(chǎn)、醋酸發(fā)酵、維生素等生產(chǎn),之自吸式發(fā)酵罐,自吸式發(fā)酵罐,優(yōu)點： (1)不必配備空氣壓縮機及其附屬設備，節(jié)約設備投資，減少廠房面積； (2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗較低； (3)生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟效率高 (4)設備便于自動化、連續(xù)

25、化,缺點： 較易產(chǎn)生雜菌污染，需配備低阻力損失低高效空氣過濾系統(tǒng)，罐壓較低，裝料系數(shù)約為40,之自吸式發(fā)酵罐,機械攪拌自吸式發(fā)酵罐,自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu),之自吸式發(fā)酵罐,機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的工作原理,自吸式發(fā)酵罐的主要構(gòu)件是自吸攪拌器(轉(zhuǎn)子)和導輪(定子),空氣管與轉(zhuǎn)子相連接,在轉(zhuǎn)子啟動前,先用液體將轉(zhuǎn)子浸沒,然后啟動馬達使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),液體或空氣在離心力的作用下,被甩向葉輪外緣,在這個過程中,流體便獲得能量,若轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速愈快,旋轉(zhuǎn)的線速度也愈大,則流體(其中還含有氣體)的動能也愈大,流體離開轉(zhuǎn)子時,由動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能也愈大,在轉(zhuǎn)子中心所造成的負壓也越大，因此空氣不斷地被吸入，甩

26、向葉輪的外緣，通過定子而使氣液均勻分布甩出。 由于轉(zhuǎn)子的攪拌作用，氣液在葉輪的外緣形成強烈的混合流（湍流），使剛剛離開葉輪的空氣立即在不斷循環(huán)的發(fā)酵液中分裂成細微的氣泡，并在湍流狀態(tài)下混合、翻騰、擴散到整個罐中，因此轉(zhuǎn)子同時具有攪拌和充氣兩個作用,之自吸式發(fā)酵罐,文氏管自吸式發(fā)酵罐： 利用文氏罐噴射吸氣裝置或溢流噴射吸氣裝置進行混合和溶氧傳質(zhì),泵4將發(fā)酵液壓入文氏管6，由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成負壓將無菌空氣吸入,并被高速流動的液體打碎，與液體均勻混合, 同時由于上升管中發(fā)酵液與氣體混合后，比重較罐內(nèi)發(fā)酵液輕，再加上泵的提升作用，使發(fā)酵液在上升管內(nèi)上升。當發(fā)酵液從上升管進入發(fā)酵罐

27、后，微生物耗氧，發(fā)酵液的比重變大向發(fā)酵罐底部循環(huán)，發(fā)酵液又從發(fā)酵罐底部被泵打入上升管，開始下一個循環(huán),液體噴射吸氣裝置 1一高壓料液管 2一吸氣室 3一進風管 4一噴嘴 5一收縮段 6一導流尾管 7一擴散段,文氏吸氣管結(jié)構(gòu),無菌風管,之自吸式發(fā)酵罐,噴射自吸式發(fā)酵罐,噴射自吸式發(fā)酵罐,吸氣原理是液體溢流時形成拋射流，由于液體的表面層與其相鄰的氣體的動量傳遞，使邊界層的氣體有一定的速率，從而帶動氣體的流動形成自吸氣作用。要使液體處于拋射非淹沒溢流狀態(tài)，溢流尾管略高于液面，尾管高12m時，吸氣速率較大,四）發(fā)酵罐的管路和死角的消除,1. 盡量減少管路,單罐 多罐,發(fā)酵罐的出口越少越好， 出料口和進

28、氣管可以合并 接種管、消泡管、補料管可以合并 排氣管不能合并，易引起交叉污染,出料前后都要消毒，用活（流動）蒸氣消毒 出料管不能合并,四）發(fā)酵罐的管路和死角的消除,2. 消滅死角,絲口連接處改用法蘭連接 焊接部位：堆焊、電焊、氧焊、魚鱗焊，選用魚鱗焊 管道轉(zhuǎn)彎有弧度 放料管、取料管的閥腔處裝小閥,3. 消滅滲漏,四）發(fā)酵罐的管路和死角的消除,罐體穿孔 不銹鋼 冷卻管產(chǎn)生裂縫 定期更換 墊圈（法蘭連接）松脫 擰緊 軸封滲漏 軸絕對垂直 焊縫滲漏 閥桿,五）發(fā)酵罐的管道布置,保證蒸氣在管道中暢通，有排氣口（小閥），接種管、中間補料管、放料管都要有排氣口（小閥） 避免冷凝水排入已滅菌的罐體或空氣，加

29、止逆閥（單向閥） 滅菌后的管道用無菌空氣保壓 單向閥位置正確 蒸氣總管道要有分氣缸、排氣閥、減壓閥、安全閥 相鄰罐不聯(lián)通,六）發(fā)酵罐的一些操作,1. 接種,接種的三種方法,火圈直接倒種 注射器接種 壓力差接種,小罐,接種口用火圈殺菌； 橡膠口在火圈上過一下，套入接種口； 進氣閥打開，排氣閥關閉，罐內(nèi)和種子瓶同時升壓至1kg/cm2； 關閉發(fā)酵罐和種子瓶之間的閥門，打開發(fā)酵罐排氣閥，罐內(nèi)壓力下降至0.5kg/cm2，倒置種子瓶，打開發(fā)酵罐和種子瓶之間的閥門，瓶內(nèi)種子液進入罐內(nèi)； 一次沒有接完再重復,注意,接種瓶密封、耐高壓； 接種瓶口要旋緊、塞子塞緊，防止漏氣染菌； 進氣口壓力表一定不能超過1k

30、g/cm2（否則接種瓶會爆炸）； 一次接不完反復兩三次直至全部種子液接入罐內(nèi)為止,2. 移種,六）發(fā)酵罐的一些操作,種子罐發(fā)酵罐,移種管滅菌：進入罐的管道閥門要關好，移種管中壓力2kg/cm2，滅菌15min，關蒸氣 種子罐上進氣閥打開，排氣閥關閉，壓力升至2kg/cm2 發(fā)酵罐中保持正壓，比空氣高一點，排氣閥打開，進氣閥關小，壓力降至0.5kg/cm2 打開通向罐的閥門，兩罐相通，因壓力差，菌液進入發(fā)酵罐 關掉通向罐的兩個閥門，移種管滅菌,3. 取樣,六）發(fā)酵罐的一些操作,取樣閥關緊，打開蒸氣閥，再打開閥門，讓蒸氣沖（消毒殺菌510min）； 關上蒸氣閥，打開取樣閥，培養(yǎng)液因壓力作用流出；

31、取樣后關閉取樣閥，打開蒸氣閥，通蒸氣再次消毒，關閉閥門和,六）發(fā)酵罐的一些操作,4. 進料和出料,發(fā)酵罐上的入孔用于加料和維修。 出料管可以和進氣管合并,一般裝料系數(shù)為0.6，占罐總體積的2/3,七）設備防腐蝕,腐蝕：外部介質(zhì)參與使金屬本身產(chǎn)生化學和電化學的損失。 磨損：金屬本身的損壞，主要是由接觸引起的,金屬材料,a. 碳鋼 b. 不銹鋼 c. 鑄鐵 d. 鈦合金,強度高；防腐蝕性能不是很好；鐵離子造成精制、提取工藝的困難,造價高，其他性能都很好,耐腐蝕；比較脆；一般用于防水管道；便宜,最耐腐蝕；強度高,四、植物和動物細胞培養(yǎng)反應器,隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，動植物細胞的培養(yǎng)已可在工業(yè)規(guī)模生化反應器中進行。動植物細胞培養(yǎng)是指動物或植物細胞在體外條件下進行繁殖，此時細胞雖然生長與增多，但不再形成組織。 動植物細胞與微生物細胞有明顯的區(qū)別，首先動物細胞無細胞壁，動植物細胞對環(huán)境影響十分敏感。培養(yǎng)中動植物細胞對培養(yǎng)基的營養(yǎng)要求相當苛刻，并且生長緩慢。所以動植物細