固态发酵生物反应器
简述生物反应器的分类
简述生物反应器的分类
生物反应器是生物学和工程学的重要研究领域之一，其主要目的是将生物材料作为反应器，实现特定的生化过程和反应。
为了更好地研究和理解生物反应器，一般将其分为大气反应器、液体反应器和固体反应器三大类。
一、气反应器
大气反应器是指以空气为反应培养介质的生物反应器。
它们可以用于特定的气体控制反应，如氧气氧化反应和氨气气气反应。
这类反应器的特点是可以控制好气体浓度，而且可以耐受冗余气体的存在，这是其它类型反应器所不能比拟的。
二、体反应器
液体反应器是以液体为反应介质的生物反应器。
其特点是可以实现复杂的生化反应，也可以有效地控制物质的输入和输出。
细胞催化和酶催化反应在液体反应器中常常被采用，并且可以实现高灵敏度和高反应率，同时具有较高的适应性特点。
三、体反应器
固体反应器是以固体为反应介质的生物反应器。
它们通常是一个固定的填料，它可以含有大量的微生物或活性化合物，这些活性化合物能够改变物质的形状和结构，实现特定的生化反应。
固体反应器有很高的应用前景，因为它可以把微生物细胞集成在一起，因此可以实现更复杂的生化反应。
总之，生物反应器可以根据反应培养介质的不同而分为大气反应
器、液体反应器和固体反应器三大类。
每类生物反应器都有自己的优点和不足，应用于不同的环境和场合中会有不同的效果。
只有深入了解这些生物反应器，才能在更大的范围内使用它们，为科学研究提供有效的支持。
固态发酵反应器的认知与操作—静态固态发酵反应器
总而言之，托盘式反应器的前景有限。虽然根 据时间、位置和托盘特性的不同氧气也会成为 微生物生长的限定因素，但是最大的问题仍然 是传热问题。除了减少基质的厚度以外，几乎 没有别的办法解决这一问题。这就意味着托盘 式反应器的放大就是增加托盘的数量。所以它 只能是用于小规模的生产，并且应选择劳动力 廉价的地区。
托盘式工艺有着悠久的历史．人们很早就用 来生产发酵食品，近来又用来生产各种酶制 剂。但是，这种工艺一般都是小到中等规模 的，而远非大规模。由于这些托盘的操作很 难实现自动化，因而仍由手工来完成，所以 这种工艺只有在劳动力比较便宜的地方才只 有商业价值。
实验和数学模型研究均证明热量传递是托盘式 反应器的主要问题，仅仅在发酵基质的8cm下 面就观察到了高于外部20℃左右的温度差。这 种现象的发生是由于热量的传导受到了显著的 限制。培养基中温度梯度的存在会导致自然对 流的产生，这就不仅要影响到热量的传递，而 且使氧气、二氧化碳的传递与转移以及水分的 蒸发受到影响。
填充床式生物反应器
（1）填充床式生 物反应器
填充床式生物反应器的特点是静态的发酵基 质填充在圆柱中，圆柱的下面是打扎的支撑 板，通过孔板强制通风来给发酵过程供氧， 调节基质的湿度和温度。在这个基本的特点 下可以有各种各样的设计。典型的设计是一 个高而细的圆柱。当然也有其他类型的填充 床式反应器，比如木箱式、盖盖平板式、垂 直的或倾斜的培养室等。
每层托盘的一侧均留有气体流动口，每相隔两 层托盘的气体流动口在同一侧，气体在密闭反 应器中沿着托盘呈折流流动，流速小于5m／ s 。密闭容器内压力小于10kgf／cm²。密闭容 器内部或外部安装一台或多台雾化装置自动地 间歇或连续地给密闭容器内地发酵原科补充水 分和养分，养分包括碳源、有机氯源、无机氯 源、无机盐或生长素。
第四章 生物反应器
生物工程设备课件
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郑裕国 王远山 汪钊 陈小龙 朱勍 徐建妙
生物工程设备课件
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(4) 圆盘箭叶涡轮搅拌器
其搅拌流型与上述两种涡轮相近，但轴向流动较强 烈，但在同样转速下，剪率低，输出功率也较低。
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第二篇 生物反应设备
第四章 生物反应器
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内容
第一节 机械搅拌式生物反应器 第二节 气升式生物反应器 第三节 鼓泡塔生物反应器 第四节 膜生物反应器 第五节 动植物细胞培养装置和酶反应器 第六节 微藻培养反应器 第七节 嫌气生物反应器 第八节 固态发酵生物反应器
生物工程设备课件
罐等。
按反应器的操作方式：间歇式生物反应器、连续式生 物反应器和半间歇式生物反应器。
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按生物催化剂在反应器中的分布方式：可以 分为生物团块反应器和生物膜反应器。
按反应物系在反应器内的流动和混合状态： 全混流型生物反应器和活塞流型生物反应 器。
按发酵培养基质的物料状态：液态生物反应 器与固态生物反应器。
（1）罐体：
材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力， 2.5kg/cm2。
罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接 种管和压力表接管。
罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温 度计管和测控仪表接口。
生物工程设备课件
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2009.10
郑裕国 王远山 汪钊 陈小龙 朱勍 徐建妙
生物工程设备课件
大型发酵罐中竖立的蛇管、列管、排管也可以起 挡板作用。
2009.10
生物反应器技术的应用
生物反应器技术的应用在现代生物科技领域，生物反应器是一个至关重要的工具，它是一种能够模拟自然界生物过程的人造设备，用来培养、维持生物体、微生物、细胞等生物材料的种植和发育的机器。
在近年来，随着生物工程技术的发展和应用，生物反应器已经成为一种重要的科技手段，被广泛应用于生物基因工程、微生物发酵、制药等领域，对人类健康事业、食品生产等多个方面产生了深刻的影响。
生物反应器概述生物反应器是一种工程设备，其功能是提供一种适宜的环境和场所，使生物体、微生物、细菌等生物材料能够正常生长和发育。
生物反应器的主要部件包括反应器本体、搅拌器、气体增加装置、离心机等。
反应器本体的构成主要包括反应器柱体、反应器罩和反应器轴等，通常是由不锈钢或其他材质制成，具有高强度、不易生锈的特点。
搅拌器则能够提供足够的氧气和营养物质，以促进生物体或微生物的增殖，从而实现她们的长期生长与发育。
气体增加装置则能够根据反应器内气体的需要自动进行释放气体或增加压力，从而保证反应器内的恒定气体环境，提高反应器的工作效率和稳定性。
离心机则是对生物反应器中培养好的细胞、微生物等生物材料进行离心分离，分离其有效成分，并将其提取出来，用于后续的生产加工、分析等操作。
生物反应器分类按照生物反应器中介质物质不同分类，可以将生物反应器分为液体生物反应器和固体生物反应器，其中液体生物反应器应用更为广泛。
液体生物反应器主要应用于细胞、蛋白质等大分子物质的培养，以及微生物发酵等领域。
按照反应器的体积大小，液体生物反应器通常可以分为微型反应器、小型反应器、中型反应器和大型反应器等。
微型反应器的体积通常不到1毫升，主要用于在实验室中进行生物材料的初步筛选，小型反应器一般在1~100升之间，主要用于生产中较小批量的生物材料生产。
中型反应器的体积在100~5000升之间，主要用于中等批量的生物材料生产，以及研究性项目中的规模制备。
大型反应器的体积在5000~30000升之间，主要用于工业规模生产，能够应对大规模生产所需的产出量。
YDF-100固态生物反应器的设计和运行
中国新技术新产品2020 NO.8（下）- 41 -工 业 技 术０ 概述随着经济和社会的发展，固体废弃物产生量在迅速增加，已经成为污染环境、影响人们生活的社会问题。
固体废弃物组成中含大量有机物，它能提供给生物体碳源和能源，是进行生物处理的物质基础。
固态生物反应器由高含量固体、低含水量的液体及适当浓度的气体组成微生物可正常繁殖的环境，通过生物反应，不仅可以杀灭垃圾中的病原菌、虫卵等，而且可以使垃圾中的有机物得到重新利用，如产生的堆肥在农业种植方面具有非常重要的作用。
用于堆肥的反应器类型有筒仓式堆肥反应器、塔式堆肥反应器、滚筒式堆肥反应器、搅动箱式堆肥反应器、圆形搅拌床堆肥反应器以及隧道窑堆肥反应器等[1]。
滚筒式高温好氧堆肥技术的机械化程度高，有利于供氧、传质、传热和微生物的生长繁殖，加快了有机物的降解速率，在进料有机物含量50%～60%，含水率30%～50%，供气充分的条件下，物料经过1 d ～2 d 的一次发酵就能达到无害化和初步稳定[2]。
赵天涛认为，卧式堆肥发酵滚筒结构简单，可以自动稳定地供料、传送，并且排出堆肥物。
如果发酵全过程都在此装置中完成，停留时间应为2 d ～5 d [3]。
武深树认为转筒式堆肥发酵周期1.5 d ～2 d ，自动化程度较高，生产环境较好、发酵较快，脱水效果好，其缺点是前期投入高、一次性投资较大、运行费用较高[4]。
塔式发酵节省空间，发酵效率高，但是设备造价及维护成本高，廉价、高效的发酵设备有待进一步研发[5]。
该文设计一种固态生物反应器，主要用于将猪粪、牛粪、鸡粪、菇渣、药渣、豆渣、污泥、木屑和统糠等固体废弃物通过动态好氧发酵的生物反应变成有机肥，反应器设计处理量为10 t/d~20 t/d，年生产有机肥5 000 t。
该设计采用滚筒式堆肥反应器的结构型式，在结构上进行优化，以减小制造难度和成本。
１ 固态生物反应器的结构设计１．１ 主体尺寸和型号按物料在反应器内停留时间3 d 计算，反应器应能容纳30 t~60 t 物料，物料的堆积密度约为0.7 t/ m 3，其体积为42.9 m 3~85.7 m 3。
固体发酵种类及固体发酵反应器
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（2）带机械搅拌的筒柱式
图4－7 搅拌式固态发酵反应器
1－搅拌架电机；2－搅拌桨电机；3－接种和喷水口；4－温 度传感器；5－测重仪；6－湿度传感器；7－冷却器；8－ 湿度调节器；9－空气流量器；10－鼓风机；11－加热器； 12－空气过滤器；13－空气冷却器
微弱地进行的，必须依靠两种或多种微生 物共同培养来完成的过程
如传统酒曲和酱曲、腌菜、烟草发酵、 茶叶发酵、青贮、堆肥等。
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强化微生物混合固态发酵(intensified mixed solid-state fermentation)
以人为强化接种微生物菌系不明确的富 集培养物或特定微生物培养物来进行混合 发酵
固态发酵可利用多种工农业残渣作为底物
大量生产化学物质，在有机酸、酒精、单 细胞蛋白、蘑菇、酶制剂、生物活性物质 及风味物质等，尽管上述研究有的还处在 实验室研究阶段，但固态发酵被认为是可 再生性资源综合利用最有希望的途径，是 解决当前人类所面临的“三大”危机的一 个有效手段。当前，许多工农业残渣、城 市生活垃圾已成为人们的社会公害，对人 类的生存环境均产生不利的影响。
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（三）混合固态发酵过程控制
1、发酵微生物的选择与培养
在限定微生物混合固态发酵中，用两种或 两种以上经鉴定的纯种微生物进行发酵。 这种条件下，微生物的营养需求已知，就 可以建立适合于这些微生物生长发育的培 养条件。
2、发酵过程条件控制 好氧发酵厌氧发酵交替进行
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图4－4 强制通风填充床反应器
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固态发酵生物反应器
２００５年３２（１）微生物学通报矿。
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、６专论与综述２弋．。
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．∥固态发酵生物反应器廖春燕郑裕国（浙江工业大学生物工程研究所杭州３１００１４）·９９·摘要：固态发酵是指微生物在没有或几乎没有游离水的固体的湿培养基上的发酵过程。
与深层液体发酵相比，它具有很多优点，因此近年来受到了研究者的重视。
主要介绍了固态发酵的特点和数学模型，综合论述了各类应用于固态发酵的生物反应器的研究现状、设计标准和应用领域。
关键词：固态发酵，数学模型，生物反应器中图分类号：１观０１．３文献标识码：Ａ文章编号：０２５３之６５４（２００５）０ｌ删９ＪＤ５Ｓｏｌ试ＳｔａｔｅＦｅ珊ｅｎｔａｔｉｏｎＢｉｏｎ明吣ｔｏｒＬＩＡ０Ｃｈｕｎ—ＹａｎＺＨＥＮＧＹｕ．Ｇｕｏ（胁￡血纰ｏ，Ｂ沁，ｌｇｉ，啪＾昭，ｚｋ洳昭￡，，咖椰蚵ｏ，‰＾蝴，日ａ增加“３１００１４）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｆｅ珊ｅｎｔａｔｉｏｎｉｎｖｏｌｖｅｓｔｈｅｇｒｏｗｔｈ０ｆｍｉｃｒｏｏ聊ｉ哪ｓＩｎｏｉｓｔｓｏｌｉｄｓｕｂｇｔｒａｔｅｓｉｎｔｈｅ８ｂｓｅｎｃｅｏｆｈｅｎｏｗｉｎｇｗａｔｅｒ．Ｉｔｈａｓｇａｉｎｅｄｃｏｎｓｉｄ袖ｌｅａＩｔｅｎｔｉｏｎ０ｆｌａｔｅｙｅａ瑙ｄｕｅｔｏｉｔｓｓｅⅧｒａｌａｄｖ锄ｔａｇｅｓｓｕｂ—ｍｅＩｇｅｄｆｅ咖ｅｎｔａｔｉｏＩＬＴｈｉ８ｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ出ｅｃｈ锄ｃｔｅｒｉｇｔｉｃｓａｎｄＩＩｍｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｆ白·ｒ１１ｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄ蚰ｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｔｕ撕ｏｎ０ｆｖａｒｉｏｕｓｂｉｏｒｅ明岫，ｔｌＩｅｄｅｓｉｇｎｓｔ锄ｄａＩｄｓ锄ｄ印ｐｌｉｃ出ｏｎ８．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：鲥ｉｄｓｔａｔｅｆｅ册ｅｎ枷仰，Ｍ砒ｅｍｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ固态发酵（ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅＦｅ瑚ｅｎｔａｔｉｏｎ，ＳｓＦ）是最古老的生物技术之一。
生物反应器及其操作特性
优点
¾ 增大反应速率 ¾ 提高反应转化率 ¾ 简化生产步骤 ¾ 截留生物催化剂 ¾ 减少能耗，节约了成本
5.搅拌生物反应器
固态搅拌反应器有卧式的也有箱式的，卧 式搅拌反应器采用水平单轴，多个搅拌桨叶平 均分布于轴上，叶面与轴平行，相邻两叶相隔 180度。箱式搅拌反应器有采用垂直多轴的。 为减少剪切力的影响，通常采用间歇搅拌的方 式，而且搅拌转速较低。
BIOTECH-XSS 型
固体发酵罐特点
（1）在位灭菌与冷却。发酵罐内直接通入蒸汽，辅助以 特殊搅拌系统，达到在位高温灭菌的目的。与转盘式固体 发酵系统，耕槽式固体发酵系统相比，省却了固体物料蒸 料锅，无菌物料输送系统等大量的辅助设备。冷却采用真 空与通风相结合，同时调节灭菌后物料的含水率。
MBR的基本分类
内容
分类
膜组件
管式、板框式、中空纤维式
膜材料
有机膜、无机膜
压力驱动形式
外压式、抽吸式
生物反应器
好氧、厌氧
膜组件与生物反应器的 分置式、一体式（浸没式） 组合方式
2种反应器的区别
MBR 种类
分置式
一体式
压力驱 动形式
压力泵 加压 真空泵 抽吸
动力 消耗
大
小
管道 要求
需要
膜更换 和清洗 情况
空气 泵
流化床
流出 喂料池
料液 进入
阀
转子 图6-23 流化床生物反应器示意图
固体发酵种类及固体发酵反应器课件
放线菌是一类具有特殊代谢途径的微生物，能够产生丰富的次生代 谢产物，如抗生素、酶类等。
应用
放线菌固体发酵主要用于生产抗生素、酶制剂、有机酸等物质，对 于医学、农业和工业等领域都有重要意义。
03
固体发酵反应器原理及设 计
固体发酵反应器原理
微生物生长原理
固体发酵反应器利用微生物在固态基质中的生长和代谢活动来生产有用的产物。 微生物在固态基质中生长繁殖，通过代谢转化基质中的底物，生成目标产物。
区分
与液态发酵相比，固态发酵的基 质中水分含量较低，通常在20%30%之间。
固体发酵原理
微生物生 长
在固态基质中，微生物通过分泌胞外 酶将固态底物分解为可溶性营养物质 进行吸收利用。
传热和传质
固态发酵过程中，由于基质的高浓度 和低水分含量，传热和传质效率较低， 这导致了固态发酵过程中的独特温度 和湿度分布。
3. 观察与记录
定期观察固体发酵过程中的变化，记录温度、湿度等参数， 并分析其对固体发酵效果的影响。
4. 实验总结
根据实验结果，分析固体发酵过程中的关键因素及其影响， 掌握固体发酵反应器的操作技巧和优化策略。
THANKS
感谢观看
每次维护和检修都要做好记录，包括维护时间、维护内容、更 换的零部件等，以方便后续的管理和故障排除。
05
案例分析与实践操作
案例一：霉菌固体发酵生产酵母饲料
01
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04
霉菌选择
选用高产酵母、耐受力强的霉 菌种类，如曲霉、青霉等。
原料准备
选用富含淀粉和蛋白质的农副 产品，如玉米、豆粕等，进行
粉碎、混合处理。
固体发酵种类及固体发酵反应 器课件
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专论与综述固态发酵生物反应器廖春燕 郑裕国(浙江工业大学生物工程研究所 杭州 310014)摘要:固态发酵是指微生物在没有或几乎没有游离水的固体的湿培养基上的发酵过程。
与深层液体发酵相比,它具有很多优点,因此近年来受到了研究者的重视。
主要介绍了固态发酵的特点和数学模型,综合论述了各类应用于固态发酵的生物反应器的研究现状、设计标准和应用领域。
关键词:固态发酵,数学模型,生物反应器中图分类号:TS20113 文献标识码:A 文章编号:025322654(2005)0120099205 收稿日期:2004203215,修回日期:2004206201Soli d St a te Ferm en t a ti on B i oreactorL I A O Chun 2Yan ZHENG Yu 2Guo(Institute of B ioengineering,U niversity of Technology,Hangzhou 310014)Abstract:Solid state fer mentati on involves the gr owth of m icr oorganis m s on moist s olid substrates in the absence of free fl owing water 1It has gained considerable attenti on of late years due t o its several advantages over sub 2merged fer mentati on 1This paper mainly intr oduces the characteristics and mathe matical models of s olid state fer 2mentati on and summarizes the devel opment situati on of vari ous bi oreact ors,the design standards and app licati ons 1Key words:Solid state fer mentati on,Mathematical model,B i oreact or固态发酵(Solid State Fer mentati on,SSF )是最古老的生物技术之一。
微生物生长和代谢所需的氧大部分来自气相,也有部分存在于与固体基质混合在一起的水中。
所以固态发酵常涉及气、固、液三相,使情况变得非常复杂。
在固态发酵中,对于生物反应器的设计除了氧的传递是一个限制性的因素外,更复杂和更重要的两个参数是温度和固体培养基的水含量。
影响生物反应器设计的其它因素还有:(1)菌体的形态学以及其对机械剪切力的抵抗性;(2)是否需要无菌发酵过程。
在分析各种各样的生物反应器各自的优点和缺点之前,应该特别指出通常很多类型的反应器只能够在实验室水平运作,规模化生产时会由于生成大量热和系统的复杂性而变得复杂。
1 固态发酵的特点固态发酵又称固体发酵,是指微生物在没有或几乎没有游离水的固体的湿培养基上生长、繁殖、代谢的发酵过程[1]。
固态的湿培养基一般含水量在50%左右,但也有的固态发酵的培养基含水量为30%或70%等。
培养基呈液态的微生物发酵过程称为液态发酵。
固态发酵与深层液体发酵有很大的区别,前者的底物是固态的,几乎不溶于水,而后者的大部分底物溶解于水。
我国农村的堆肥、青饲料发酵和做酒曲,就是固态发酵。
固态发酵的特征,体现在它与液态发酵相比的相对优、缺点方面(表1)。
表1 固态发酵与液态发酵相比的优缺点优点缺点(1)培养基含水量少,废水、废渣少,环境污染少,容易处理;(1)菌种限于耐低水活性(a w)的微生物,菌种选择性少;(2)消耗低,供能设备简易;(2)发酵速度慢,周期较长;(3)培养基原料多为天然基质或废渣,广泛易得,价格低廉;(3)天然原料成分复杂,有时变化,影响发酵产物的质和量;(4)设备和技术较简易;(4)工艺参数难检测和控制;(5)产物浓度较高,后处理方便。
(5)产品少,工艺操作消耗劳力多,强度大。
2 固态发酵的数学模型数学模型是优化生物过程的必要工具[2]。
数学模型不仅能指导生物反应器的设计和操作,而且能够对在发酵体系里发生的各种现象如何结合起来控制整个过程的操作提供见解。
人们提出的关于固态发酵领域的数学模型可以分为下列两种:宏观模型和微观模型。
宏观模型涉及的是生物反应器的操作,它描述基质床的传质传热过程。
微观模型涉及的是在颗粒表面和内部发生的各种现象,并不把生物反应器的操作作为一个整体来描述。
显然,由于它们的重点不同,这两种数学模型对于生物反应器都非常重要。
固态发酵生物反应器的数学模型的目的是描述不同的操作变量如何影响反应器的性能。
生物反应器的模型可认为由两个亚模型组成:动力学亚模型和平衡(传递)亚模型[2]。
平衡(传递)亚模型描述在生物反应器不同相里或相之间的传质传热,而动力学亚模型描述的是微生物的生长速率怎样依赖于关键的环境参数。
因此,固态发酵的数学模型描述的是在固态发酵中发生的宏观和微观现象中各种因素的平衡,例如微生物的生长和死亡动力学、热量平衡、质量平衡等。
例如,S m its等人[3]提出的数学模型描述了浅盘反应器中基质床的氧平衡的关系: 9C b O29t=DbO292C b O29z2-r O2(1)其中t表示时间,C bO2表示单位体积床层的氧浓度,z为垂直坐标,D bO2为扩散率,r O2为微生物摄入氧的速率。
Stuart转鼓式生物反应器模型[4]描述的基质床水的质量平衡关系式为: d MWd t=-k A sa(C I-C B)+r H2O(2)其中M为基质干重,W为床层水的含量,k为质量传递系数,Asa为器壁和顶部空间空气的接触面积,CI 为基质周围平衡的水蒸气浓度,CB为顶部空间的水蒸气浓度,r H2O为水新陈代谢的速率。
3 固态发酵的生物反应器用于固态发酵的反应器可归类为5种形式:填充床反应器,流化床反应器,转鼓式反应器,浅盘式反应器和搅拌反应器[4]。
311 浅盘式生物反应器(Tray B i oreactor) 这种类型生物反应器非常古老,是最简单的,特别适合酒曲的加工。
以前家庭作坊常用这种类型发酵各种各样混合在一起的农业原材料。
它由一个密室和许多可移动的托盘组成。
托盘装有的固体培养基最大厚度有0115m,放在自动调温的房间。
这种技术用于规模化生产比较容易,这是由于只要增加托盘的数目就可以了。
尽管这种技术已经广泛用于工业上(主要是亚洲国家),但是它需要很大的面积(培养室)而且消耗很多人力。
其结构示意图如图1。
图1 浅盘生物反应器简图1 反应室,2 水压阀,3 紫外光管,4,8,13 空气吹风机,5,11 空气过滤器,6 空气出口,7 湿度调节器,9 加热器,12 空气入口,14 盘子,15 盘子支持架德国的Pr ophyta公司[5]申请专利的这类反应器用来在无菌状态生产生物杀虫剂。
这个反应器是一个塔状结构,里面装着穿孔的盘子,无菌空气可以穿过每一个盘。
在每个盘子下面放有热交换器去除培养过程产生的热。
312 填充床生物反应器(Packed2bed B i oreactor) 填充床生物反应器是静置式反应器,因此在发酵过程中往床层喷淋水是不切实际的。
这类反应器在设计上必须要使床层的干燥最小化,因为床层的干燥会导致床层的湿度变化,进而影响微生物的生长。
因此在空气入口必须通入饱和的空气。
即使如此,仍不能避免水分蒸发掉,这是因为在空气进口和出口之间空气温度的增加使得空气的持水性增加[6]。
填充床生物反应器比浅盘式更易控制发酵参数[2]。
在大的浅盘反应器会出现中心缺氧和温度过高,而在填充床反应器可通过通气部分解决这些问题,但在空气出口仍会出现温度过高[7]。
然而这种类型反应器没有搅拌器,受新陈代谢产生的热量限制,而且床层底部到顶部的温度梯度是不可避免的。
313 流化床生物反应器(Flu i d i zed2bed B i oreactor) 通过流体的上升运动使固体颗粒维持在悬浮状态进行反应的装置称为流化床反应器。
在流化床中,操作的难易主要取决于颗粒的大小和粒径分布。
一般来说,粒径分布越窄的细小颗粒越容易保持流化状态。
相反,易聚合成团的颗粒由于撞击、碰撞难以维持流化状态[8]。
在流化床生物反应器中,液体从设备底部的一个穿孔的分布器流入,其流速足以使固体颗粒流态化。
流出物从设备的顶部连续地流出。
空气(好氧)和氮气(厌氧)可以直接从反应器的底部或者通风槽引入。
流化床生物反应器不存在床层堵塞、高的压力降、混合不充分等问题[9]。
在反应器里,固体颗粒可以和气相充分接触。
314 转鼓式生物反应器(Rot ary B i oreactor) 转鼓反应器是一个包括基质床层、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。
在某些情况下,菌丝体和培养基颗粒(特别是淀粉和粘性原料)会结成块。
在这些情况下,除了转鼓的阻力影响外,要分离这些聚合体非常困难。
当鼓的转动速率增大时,剪切力的作用会影响菌丝体的生长。
A lbert o(2001)等人[10]设计的转鼓式反应器由一个缓慢旋转的金属网丝制成的圆柱体组成。
当圆柱体旋转时,载体和真菌与圆柱体顶部的空气接触,保证了适量的氧传递。
Kal ogeris(1999)等人[11]发明的反应器主体部分包括:器壁有水夹套的容器、一个穿孔的生产能力为10L的圆柱形鼓、发动机、热交换器、增湿器、冷凝器和一个蠕动泵。
在这个装置里,出口的水蒸汽在增湿器里浓缩、收集、重新循环使用。
315 搅拌生物反应器(M i xed B i oreactor) 搅拌生物反应器有间歇搅拌和连续搅拌两种。
荷兰的W ageningen大学成功研究了一套连续混合的水平搅拌反应器[12],其结构示意图如图2。
这种无菌的反应器可以用于不同的生产目的,并且可以同时控制温度和湿度。
在这套反应器里,热传递到器壁的效率提高了,但这个装置在大规模生产时效率较低,这是因为热只能通过器壁移出使得当规模扩大时效率更低。
图2 W ageningen大学发明的水平浆混合反应器1 空气进品,2 温度探针,3 水夹套,4 浆,5 空气出口,6 搅拌发动机,7 反应器,8 固体培养基,9 搅拌轴另外Durand等人[13]申请了专利的处理能力为50L的反应器有一个行星混合装置,在不同操作步骤中完全由微型计算机控制:空生物反应器的灭菌、基质的灭菌、发酵过程的控制等。