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第五章 发酵设备
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第一节 生物反应器分类与设计 一、定义 生化反应器(生物反应器)就是为适应生化反应(生物反应)的特点而设计的反应设备。生化反应器的实质也就是酶反应器。包括酶反应器、微生物反应器（发酵罐）和动植物细胞培养反应器。
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二、生物反应器的分类 按使用的催化剂：酶反应器和细胞反应器。 根据细胞或组织的代谢要求：
厌氧生物反应器；好氧生物反应器；光照生物反应器；膜生物反应器 按反应器的结构特征：按罐式、管式、塔式及膜式等反应器。
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按操作方式: 间歇操作、连续操作和半间歇或半连续操作。 按生物催化剂在反应器中的分布方式: 生物团块反应器和生物膜反应器。
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三、生化反应器的特点 ①生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。
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②生物的酶系非常复杂，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。
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③对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。
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④由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品。
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⑤大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。
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四、生物反应器设计基本原则 ①生物反应器应具有适宜的高径比。 ②生物反应器能承受一定的压力。
③生物反应器的通风搅拌装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率。
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④生物反应器应具有足够的冷却面积。 ⑤生物反应器内应尽量减少死角，避免藏垢积污，使灭菌彻底，避免染菌。 ⑥搅拌器的轴封严密，尽量减少泄漏。
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第二节 发酵设备概述 发酵主要设备为发酵罐和种子罐。 种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。 发酵罐：承担产物的生产任务。
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一、发酵罐 1. 发酵罐的定义： 是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。
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2. 发酵罐系统 一个优良的发酵罐装置和组成： （1）应具有严密的结构 （2）良好的液体混合特性 （3）好的传质相传热速率
一个优良的发酵罐装置和组成： （1）应具有严密的结构 （2）良好的液体混合特性 （3）好的传质相传热速率 （4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表
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3. 发酵罐必须满足下面几个基本要求： (1)发酵应具有适宜的径高比。发酵罐的高度与直径之比一般为1.7-4倍左右。
(2)发酵罐能承受一定压力。 (3)发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧。
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(4)发酵罐应具有足够的冷却面积。 (5)发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，免遭染菌。 (6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
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4. 发酵罐发展历史 第一阶段:1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。
第二阶段: 年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。
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第三阶段： 年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。
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第四阶段： 年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。
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第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。
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5. 发酵罐的特点 （1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求高。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。
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（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。
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6. 典型发酵设备 种子制备设备 主发酵设备 辅助设备(无菌空气和培养基的制备) 发酵液预处理设备 粗产品的提取设备 产品精制与干燥设备
流出物回收 利用和处理设备等
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7. 发酵罐工艺操作条件 1．温度：25～40℃。 2．压力：0～1 kg／cm3(表压)。
4．pH：2～11。 5．需氧量：0．05～0.3 kmo1／m3·h。 6．通气量：0.3～2 VVM。 7．功率消耗：0.5～4kW／m3。 8. 发酵热量：5 000～ kcal／m3．h。
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8. 发酵罐的类型 （1）按微生物生长代谢需要分类
好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数； 厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。
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（2）按照发酵罐设备特点分类 机械搅拌通风发酵罐： 包括循环式，如伍式发酵罐，文氏管发酵罐，以及非循环式的通风式发酵罐和自吸式发酵罐等；
非机械搅拌通风发酵罐：包括循环式的气提式发酵罐、液提式发酵罐，以及非循环式的排管式和喷射式发酵罐。
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（3）按容积分类 一般认为500L以下的是实验室发酵罐； L是中试发酵罐； 5000L以上是生产规模的发酵罐。
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第三节 发酵罐 1. 密闭厌氧发酵罐 2. 通气搅拌罐 3. 气泡塔式发酵罐 4. 固体培养设备
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一、密闭厌氧发酵罐 对这类发酵罐的要求是： 能封闭； 能承受一定压力； 有冷却设备； 罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。
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（一）啤酒发酵设备 (1) 由于大型化，使啤酒质量均一化；
近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500吨。 大型化的目的是： (1) 由于大型化，使啤酒质量均一化； 由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，降低了主要设备的投资。
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(2)发酵容器材料的变化 由陶器向木材---水泥----金属材料演变 现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。
我国大多数啤酒发酵容器为内有涂料的钢筋水泥槽，新建的大型容器一般使用不锈钢。
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（3）开放式发酵容器向密闭式转变 小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理,泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便，
随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，并为密闭式。
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(4)密闭容器的演变 原来是在开放式长方形容器上面加弓形盖子的密闭发酵槽； 随着技术革新过渡到用钢板、不锈钢或铝制的卧式圆筒形发酵罐。
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后来出现的是立式圆筒体锥底发酵罐； 目前使用的大型发酵罐主要是立式罐，如奈坦罐、联合罐、朝日罐等。 由于发酵罐容量的增大，要求清洗设备装置也有很大的改进，大都采用CIP自动清洗系统。
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3. 新型啤酒发酵设备 圆筒体锥底发酵罐
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设备特点 已灭菌的新鲜麦汁与酵母由底部进入罐内； CO 2气体由罐顶排出。 罐身和罐盖上均装有入孔，罐顶装有压力表、 安全阀和玻璃视镜。
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在罐底装有净化的CO2充气管。 罐身装有取样管和温度计接管。 设备外部包扎良好的保温层，以减少 冷量损耗。
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优点： （1）发酵速度快，能耗低，采用的管径小，生产费用可以降低。
（2）最终沉积在锥底的酵母，可打开锥底阀门，把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。
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（二）酒精发酵罐 酵母将糖转化为酒精高转化率条件 (1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件 (2)一定的生化反应时间
(3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热
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酒精发酵罐的结构要求 满足工艺要求，有利于发酵的排出； 从结构上有利于发酵液的排出； 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。
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酒精发酵罐筒体结构 为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。 在酒精发酸过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。
罐顶装有入孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。
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罐底装有排料口和排污口； 罐身上下部装有取样口和温度计接口。
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发酵的冷却装置 对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；
对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置，
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为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。
采用罐外列管式喷淋冷却的方法，具有冷却发酵液均匀，冷却效率高等优点。
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酒精发酵罐的洗涤 过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而且二氧化碳气体一旦末彻底排除，工人入罐清洗会发生中毒事故。
近年来，酒精发酵罐巳逐步采用水力喷射洗涤装置，从而改善了工人的劳动强度和提高了操作效率。
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二、好氧发酵罐 （一）机械搅拌发酵罐 机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。
它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。
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全自动不锈钢连体发酵罐： 容积：10～100L； 搅拌方式：顶部机械搅拌、气流搅拌； 灭菌方式：在位灭菌
基本配置：温度、转速、PH、溶氧、消泡、补料、通风量、罐压； 控制方式：分列式仪表控制，计算机集散控制系统；
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设备特点：采用罐体、控制系统、气源、热源一体化设计。在位灭菌，数据直观可靠，调整方便，亦可实现远程监控，计算机显示有效数据及各项实测数据的特征曲线，具有各项数据的报警功能。
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二、发酵罐的结构 1、罐体 2、搅拌器和挡板 3、消泡器 4、联轴器及轴承 5、变速装置 6、空气分布装置 7、发酵专用PH、DO电极
1、罐体 、搅拌器和挡板 3、消泡器 、联轴器及轴承 5、变速装置 、空气分布装置 7、发酵专用PH、DO电极 8、轴封 、冷却装置
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1. 罐体 由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。
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2. 搅拌器 最常用的搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。
其作用是打碎气泡，使氧溶解于醪液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。
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常用的搅拌器
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通用发酵罐的搅拌桨类型 （1）通用发酵罐的搅拌桨最广泛使用的是平叶涡轮搅拌桨，国内采用的大多数是六平叶式。
（2）船用螺旋搅拌器，它具有比涡轮桨更为强烈的轴向流动，但是氧传递效率低。
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（3）振动混合器，尽管可以提供较高的氧传递效率，但剪切力较低。
（4）多棒搅拌桨，已用于粘稠的丝状链霉菌发酵的发酵罐中。这种搅拌桨具有较好的剪切分散能力和较低的功率消耗，在整个发酵过程中功率变化相对涡轮桨要小的多。 （5）气体导入式搅拌器，它适应于低粘度的发酵液。
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搅拌的作用： 搅拌能将通入空气的大气泡击碎成细小气泡，增加气液接触面积。 搅拌产生旋涡，使气泡停滞在液体中难于逃散，从而延长气液接触时间。
搅拌使料液呈湍流状态，有利于传质传热。
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3. 消泡装置 消泡方式有两种： 化学消泡剂； 机械消泡。
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机械消泡装置主要有四种： 锯齿式消泡桨。 半封闭式涡轮消泡器。 离心式消泡器。 刮板式消泡器。
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4. 挡 板 挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。
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(二) 自吸式发酵罐 罐的主要构件是转子(自吸搅拌) 和定子(导轮)。
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优点： 比较自吸式发酵罐与机械搅拌通风发酵罐 不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积。
溶氧速率高，溶氧效率高、能耗较低。 用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效益高的优点。
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缺点： 负压，易染菌。 菌丝被切断，生长代谢受到影响。
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（三）带升式发酵罐（气流搅拌发酵罐） 特点：结构简单，冷却面积小，无搅拌传动设备，料液充满系数大，无须加消泡剂，维修、操作及清洗简便，节省动力，减少染菌等。
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气升式发酵罐
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第四节 固体发酵设备
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（一）固体发酵 微生物在具有一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖就称作为固体发酵。
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固体发酵的优缺点 1、原料来源广，价格低廉。 2、在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。 3、能耗低。
4、固体发酵的产物回收—般步骤少，费用也省。
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固体发酵存在的主要工程问题是大规模生产时的散热比较困难，参数检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等很难实现。因此，实现固体发酵的最优化困难重重。
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（二）固体发酵设备 按照固体培养方式来区分 1．浅盘式：国内广大农村的个体生产中，采用曲盘、帘子和曲架就可以进行生产。工业上是用多层铝制浅盘放在架子上进行培养，培养室保持一定的温度和湿度。
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2．旋转式 旋转式固体发酵罐有鼓形和管形，培养过程中，整个发酵罐以低速间歇旋转，罐内的小固体颗粒会沿着罐壁滑动，达到散热和与空气接触之目的。
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3．厚层式 固体发酵床的底部为多孔筛板，风道倾斜形，可使平行流动的气流变成垂直流动。 曲层厚度可以是 mm。
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第五节 植物细胞和动物细胞培养反应器
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一、植物细胞培养反应器 植物细胞培养：是指在离体条件下将愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基中，将组织振荡分散成游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖来获得大量细胞群体的方法。
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（一）植物细胞培养过程的特点 1、培养液中植物细胞的特性 植物细胞比微生物细胞大;
植物细胞通常以细胞数在2-200之间、直径为2mm左右的非均相集合细胞团方式存在; 植物细胞抗剪能力弱。
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2、细胞培养液的流变学性质 植物细胞培养液的粘度随着细胞浓度的增加而显著上升
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3、植物细胞培养过程中的氧传递 所有植物细胞都是好气性的，需要连续不断地供氧。 二氧化碳的浓度对细胞的生长也相当重要。
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气泡较大，覆盖有蛋白质和粘多糖，粘性大，易粘附于培养液表面以上的器壁上。
4、泡沫和表面粘附性 气泡较大，覆盖有蛋白质和粘多糖，粘性大，易粘附于培养液表面以上的器壁上。
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5、悬浮细胞的生长与增殖 细胞数量随时间的变化曲线呈现“S”形。细胞生长经历：延迟期、对数生长期、直线生长期、减慢期和静止期。
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6、悬浮培养的优点 增加培养细胞与培养液的接触面 及时带走培养物产生的有害代谢产物 保证了氧的充分供应
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（二）植物细胞培养反应器 培养方式： 悬浮培养和固定化细胞培养
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1、悬浮培养生物反应器 机械搅拌式反应器 优点:是能够获得较高的溶氧系数。 缺点:剪切力大。
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2、固定化细胞生物反应器 （1）填充床生物反应器 特点：细胞固定于支撑物表面或内部，支撑物颗粒堆叠成床，培养基在床层间流动。
优点：单位体积固定细胞量大。 缺点:混合效果差，使溶氧、pH、温度控制、气体的排出较难。
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（2）流化床生物反应器 特点：利用流体的能量来悬浮颗粒。 优点：小颗粒传质特性良好。 缺点：剪切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞。
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（3）膜生物反应器 中空纤维反应器 螺线式卷绕反应器
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二、动物细胞培养反应器
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（一 ）动物细胞培养过程的特点 动物细胞培养定义
将动物组织或细胞从机体取出，分散成单个细胞，给予必要的条件，模拟体内生长环境，使其在体外继续生长和繁殖。
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1、动物细胞与微生物细胞的性质比较 表 动物细胞与微生物细胞的性质比较 性质 动物细胞 微生物细胞 大小 代谢调节方式 营养要求 生长速率
表 动物细胞与微生物细胞的性质比较 性质 动物细胞 微生物细胞 大小 代谢调节方式 营养要求 生长速率 机械强度 环境适应性 10-100um 内部和激素 苛刻 倍增时间一般为12-60h 很差，缺乏保护性细胞壁 差 10um 内部 宽松，可利用多种底物 倍增时间一般为0.5-2h 较好 好
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2 、 动物细胞与微生物细胞的培养方法比较 表 动物细胞与微生物细胞的培养方法比较 培养方法 动物细胞 微生物细胞 PH控制 搅拌速度
表 动物细胞与微生物细胞的培养方法比较 培养方法 动物细胞 微生物细胞 PH控制 搅拌速度 溶氧控制 培养基灭菌方法 培养时间 对水纯度的要求 CO2—HCO3缓冲液 较慢 改变进入气体的氧浓度 过滤 几天~3、4周 很高 添加酸、碱 速度快、范围广 改变搅拌速度 、通气量等 高温蒸煮 几小时~几天 较低
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(二)动物细胞大规模培养反应器
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1.悬浮培养反应器 2. 贴壁培养反应器
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3. 微载体悬浮培养反应器 微载体悬浮培养定义：用微珠作载体，使单层动物细胞生长于微珠表面，可在培养液中进行悬浮培养。
微载体：贴壁培养动物细胞的载体微珠。 反应器:可用与悬浮培养相同设备
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优点： 比表面积大； 生长条件易控制且易放大，兼贴壁与悬浮培 养的优势，取样方便； 易于分离。
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微载体悬浮培养反应器应解决的问题： 搅拌适度，剪切应力小； 能满足细胞所需的溶氧浓度； 能严格控制PH值。
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三、微藻培养光合生物反应器 （一）微藻生物技术的优越性 1、光能利用率高； 2、易收获和加工； 3、商品价值高； 4、繁殖快。
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（二）微藻在规模培养过程中的特点 1、光照充足，PH、温度合适，无机碳源充足； 2、强化二氧化碳的吸收和大量氧气的排出； 3、混合效果好；
4、避免污染； 5、设备防腐蚀性好。
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（三）微藻大规模培养反应器 1. 敞开式 2. 封闭式
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第六节 生物反应器的比拟放大 一、生物反应器放大的目的及方法 （一）生物反应器放大的目的
1.目的反应是如何进行的，即所期望的生化反应是通过何种渠道完成的。 2.生物化学反应中哪些反应的反应速度快、哪些反应的反应速度慢。
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表 小型和大型生物反应器设计的不同点 项目 实验用小型反应器 生产用反应器 功率消耗 不必考虑 需认真对待
表 小型和大型生物反应器设计的不同点 项目 实验用小型反应器 生产用反应器 功率消耗 不必考虑 需认真对待 反应器内 空间因大量的控制、 无此影响 检测装置占去一定空间 混合特性 可不必考虑 需认真对待 换热系统 较易解决 较难解决
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二、生物反应器的放大方法 （1）数学模拟放大； （2）因次分析法放大； （3）经验法则放大(包括反复实验法、部分解析法放大等)。
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思考题 1.见教材220页“复习思考题”。 2. 比较植物、动物、微生物细胞的结构和生理特点。
3. 描述植物细胞、动物细胞生物反应器的共性。各有何优缺点。
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