生物工艺学生物反应器及生物工艺过程的放大

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固态发酵反应器的类型 浅盘式反应器 填充床反应器
转鼓式反应器
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7.2.3.1浅盘式反应器
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。
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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。
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7.2.1 生物反应器的分类
根据所使用的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。 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。
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、联轴器及轴承、变速装置、 空气分布装置、轴封、冷却换热装置等。
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机械搅拌通风反应器结构图
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机械搅拌通风反应器
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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=1.7~3 d/D=1/2~1/3 W/D=1/8~1/12 B/D=0.8~1.0 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
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螺旋桨式搅拌器
桨叶式搅拌器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
搅拌叶类型
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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。
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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。
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7.3 实验室试验研究
实验室的研究内容主要为新产品开发 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。
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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1～3， 常含有搅拌器。 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。 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 。
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机械搅拌通风反应器的换热装置
罐内换热
反应器中的换热装置
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
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夹套传热
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排管传热 目录
机械搅拌通风反应器的搅拌器
流动
反应器的搅拌器使被搅拌的液体产生轴向流动和径向
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－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。
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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。
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浅盘固态发酵反应器
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7.2.3.2 填充床反应器 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。 填充床反应器中的固体物通常呈颗粒状，粒 径为2～15mm左右，堆积成一定高度(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 。
目
• • • • • • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章
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绪论 工业微生物菌种选育、制备与保藏 工业培养基及其设计 生物工艺过程中的无菌技术 生物反应动力学 发酵过程原理 生物反应器及生物工艺过程的放大 生物反应过程参数检测与控制 生物产品分离及纯化技术 生物产品工艺学及应用
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7.3.2 摇瓶试验
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10％～20％，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。
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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。
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摇瓶发酵对菌体生长的影响 瓶塞对氧传递的阻力 摇瓶内水分蒸发的影响 与氧气接触的比表面积的影响
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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。
机械搅拌通风反应器的挡板 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。 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。
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7.2.2.3 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。
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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。
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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。
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7.2.3 固态发酵反应器
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： • 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
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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。
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7.2.2 深层液态反应器
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，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。
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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。
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7.2.2.2气升式反应器 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。 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。 常见类型有气升环流式、鼓泡式、空气喷射 式
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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。
实验室小试
适当规模的中试
产业规模化生产
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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。
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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 ◊ 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 共57页 第2页