第五章生物反应器ppt课件.ppt

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1、第五章生物反应器,在生物反应过程中，生物反应器具有中心的作用，它是连接原料和产物的桥梁。生化工程中几乎所有的内容都是围绕生物反应进行的。生物反应器的设计和操作，是生物工程中的一个极其重要的问题，它对产品的质量和成本有很大的影响。据统计，生化工业有几百个产品（每年的产值上千亿美元），产品主要涉及到医药工业，化学工业，农产品加工工业。生物反应器要适应这众多的生产过程，在形状，大小和操作方式上多种多样。但生物反应器设计的目标是一个，既保证产品质量的前提下，使产品成本最小。,原料成本、操作成本、投资成本酒精生产62%、26%、12%；青霉素生产35%、38%、22%；产品的成本包括： 不变成本（工资、

2、折旧、修理、管理等）； 可变成本（水、电、气、消耗的原料等）；原料成本在总的成本中占的比例较大，和反应器有关的是操作成本和投资成本。在操作成本中，动力消耗占主要方面。因此在反应器的设计中，在满足工艺要求的前提下，节能是一个重要问题。,生物反应器与化学反应器在使用中的主要不同点是生物（酶除外）反应都以“自催化”（Autocalalysis)方式进行，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁殖。 生物反应器的作用就是为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，使生物体能更快更好地生长，得到更多需要的生物量或代谢产物。,一、生物反应器概述,生物反应器的操作特性,生物反应器设计和操作的限制因素,反应器生

3、产能力（g/Lh）主要取决于两方面的因素：1生物催化剂（酶，微生物）的浓度和比活力；2反应器的传质和传热能力；当生物催化剂浓度较低但比活力也较低时，生物催化剂的因素是反应器生产能力的限制因素；但是生物催化剂的浓度较高且比活力较高时，反应器传质和传热能力就成为提高反应器生产能力的限制因素。,生物反应器设计的基本原理,生物反应器选型与设计的要点,生物反应器中的混合,混合过程的分类,生物反应器发展的趋势和未来方向,1、开发活力高和选择性高的生物催化剂将继续占主要地位。主要途径是利用基因工程技术改变酶的初级结构，定向改造生物细胞，改进酶和细胞的固定化技术，得到更多的酶活性回收，更长的使用寿命。2、改进

4、生物反应器热量、质量传递的方法随生物催化剂比活力的提高，生物反应器的性能受传质传热的限制就急需解决，必须改进生物反应器传质传热的方法和设施。,3、生物反应器正向大型化和自动化方向发展西德SCP生产反应器最大体积达2300 m3 （高60m ，直径7m ），England 废水处理反应器最大体积达到27000 m3。国内Bioreactor最大体积在200300 m3之间。反应器体积的放大降低了操作成本，但大型反应器的设计还存在一定的技术问题。4、一些特殊用途生物反应器得到较快的应用和开发。例如，动物和植物细胞培养用反应器，固体发酵反应器，边发酵边分离的特殊反应器都得到了不同程度的发展。,由于生

5、化反应就是各种类型的酶反应，故生化反应器实质上也就是酶反应器。广义说来，生化反应器是酶反应器、微生物反应器（发酵罐）和动植物细胞培养用反应器的统称（当然包括采用固定化生物催化剂的反应器）。,微生物反应器：是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一般较为简单。应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产。好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、

6、抗生素和单细胞蛋白SCP等的生产。,二.生化反应器的特点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。决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。生物的酶系是非常复杂的，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。由于反应的环境会随着时间的进程而改变，就产生了一个如何控制反应过程使其最优化的问题。,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。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

7、法得到的产品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。,三. 生化反应器的种类及选择与操作按生化反应是在一个相或是在多个相内进行，可分为均相反应器和非均相反应器。发酵工业中的绝大多数都属于非均相反应器。（一）机械搅拌式生化反应器从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的传质速率和必要的混合速度。缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般24kw/m3，这对大型的反应器来说是个巨大负担。,流体单位面积上所承受的剪切应力,与单元的剪切速率dy/du成正比,称为牛顿粘性定律,服从这一定律的流体称为牛顿型流体。空气、水等均

8、为牛顿流体；聚合溶液、含有悬浮粒杂质或纤维的流体为非牛顿流体。,通用式发酵罐的结构包括有筒体、搅拌装置、换热装置、挡板、消泡器、电动机与变速装置、空气分布装置等，并在适当部位设置排气、取样、放料、接种、酸等管接口以及人孔、视镜等部件。通用发酵罐内设置机械搅拌的目的首先是打碎空气气泡，增加气液接触面积，以提高气液相间的传质速率；其次是为了使发酵液充分混合，也使液体中的固形物料能保持悬浮状态。,通气搅拌罐主要组成：壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等。反应器主体采用不锈钢材料，通常采用涡轮式搅拌器。搅拌轴与罐体的连接要进行无菌密封。罐体底部设有空气分布器或喷嘴，通过空

9、气过滤器的无菌空气从孔径几毫米的多孔管鼓入培养液内。搅拌器由置于罐顶的搅拌电机以一定的转速驱动旋转，通过搅拌涡轮产生的液体漩涡及剪切力，将鼓入的空气打碎成小气泡，并均匀分散在培养液中。这样，既提供了细胞生长所需氧，同时又使培养液浓度均匀。,1轴封 ； 2、20人孔； 3梯； 4联轴；5中间轴承； 6温度计接口；7搅拌叶轮； 8进风管；9放料口； 10底轴承；11热电偶接口；12冷却管；13搅拌轴； 14取样管；15轴承座； 16传动皮带；17电机； 18压力表；19取样口； 21进料口；22补料口； 23排气口；24回流口； 25视镜；,反应器的装料系数一般为7080。系统通常还设有消泡装置、

10、参数测试元件、蛇管或夹套冷却装置等。典型通气搅拌罐的一些基本特征可以参考图,机械搅拌发酵罐(TRC),工作原理： 利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。,(1) 具有适宜的径高比； (2) 能够承担一定压力； (3) 保证必需的溶解氧； (4) 具有足够的冷却面积； (5) 尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌； (6) 轴封严密。,之机械搅拌发酵罐,发酵罐的基本条件：,之机械搅拌发酵罐,图2.3 自动玻璃发酵罐,图2.4 玻璃搅拌发酵罐,图2.5 不锈钢搅拌发酵罐,通气搅拌罐适用于大多数的生物工程，它具有以下优点：pH值及温

11、度易于控制；工业放大方法研究比较多；适合连续培养。不足之处是：搅拌消耗的功率较大；结构比较复杂，难以彻底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，特别是培养丝状菌体时，对细胞有较大损伤。通气搅拌罐的几何尺寸都趋向于标准化，,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。为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130和0.25MPa(绝对压力)。,之机械搅拌发酵罐,罐 体,作为通气搅拌罐的主要特征之一，机械搅拌系统提供的动力是机械搅拌罐质量传递、热量传递、混合和悬浮物均匀分布的基本保证。搅拌装置的设计和选择必须综合考虑以满足上述要求并降低造价和动力消耗。,搅拌轴

12、既可以从顶部伸入罐体，也可以从底部伸入罐体，前者称为上搅拌，后者称为下搅拌。一般而言，上搅拌的制造和安装成本要略高于下搅拌。但是，采用下搅拌时，培养基中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损坏轴封，使其维护成本增加。小型通气搅拌罐一般只有一层搅拌桨，而大型通气搅拌罐一般具有24层搅拌桨以改善混合和传质。,之机械搅拌发酵罐,搅拌器和挡板,搅拌器： 有平叶式、弯叶式、箭叶式、涡轮式和推进式等；其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，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。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。,图2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图

13、1-六直叶涡轮式；2-推进式3-Lightnin A-315式,图2.7 不同搅拌器的流型,搅拌器可以使被搅拌的流体产生圆周运动，称为原生流。原生流在受到挡板的作用后又产生了轴向运动，这称为次生流。显然，原生流的圆周运动无助于流体的混合，流体混合的好坏主要取决于次生流。原生流速与搅拌转速成正比，而次生流速则近似与搅拌转数的平方成正比，因此当转速提高时，主要是由于次生流速的加快而使流体的混合、传热以及传质速率提高,常用的搅拌桨有涡轮式、螺旋式和平桨式。目前采用较多的是涡轮式。为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部位沿着轴周边上升逸出，在搅拌器中央安装有圆盘。常用的圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式和箭

14、叶式三种。叶片数量一般为六个。,常用圆盘涡轮式,斜叶式,平直叶式,弯叶式,半圆弧圆盘涡轮式,箭叶圆盘涡轮式,根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，将搅拌桨分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨。径向流搅拌桨将流体向外推进，遇反应器内壁和档板后再向上下两侧折返，产生次生流。轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动。一般而言，轴向流搅拌桨的反应器，其功率准数较低，达到同样混合效果所需消耗的能量要远低于径向流搅拌桨。径向流搅拌桨所造成的剪切力大于轴向流搅拌桨，这有利于打碎气泡，从而增大总括氧传递速率常数，但会对有些细胞产生伤害。,因此，径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的培养，而轴向流搅拌桨多用于

15、对剪切力敏感的生物反应体系。对于大型发酵罐，可采用这两类搅拌桨混合配置的设计，以充分发挥各自的优点。最下层的桨一般采用平板桨，这种桨具有优良的气泡破碎效果，这是在青霉素发酵研究和开发中得到的经验，一直沿用至今。,挡板,为防止搅拌时液面上产生大的旋涡，并促进罐内流体在各个方向的混合，与搅拌桨相对应，在罐体上还安装有挡板。挡板的设计要满足“全挡板条件”。所谓全挡板条件，是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加。挡板的数目通常为46块，其宽度为0.10.12D。全挡板条件是达到消除液面漩涡的最低条件。在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变。此条件与挡板数Z，挡板宽度W和罐径D有关

16、。,挡板： 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。通常挡板宽度取(0.10.12)D，装设46块即可满足全挡板条件。 所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。(W/D)Z=0.5 D-罐的直径 Z-挡板数 W-挡板宽度 要达到全挡板条件必须满足下式要求：,之机械搅拌发酵罐,无挡板的搅拌器形成的流型,有挡板的搅拌器形成的流型,使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。机械传动部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此轴封设计的关键是避免染菌和泄漏，应尽可能采用无菌密封材料。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。,轴 封,填料函轴封

17、：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。,端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。端面接触的密封构件之一为硬质合金，如高硅铸铁、金属碳化钨等；另一种为软质耐磨材料，如不锈性石墨，用作静环。,通气系统,通气系统由无菌空气制备系统、空气分布装置和出口气体除菌系统组成。细胞生长和代谢所需的无菌空气通过空气分布管引入罐中。空气分布管一般位于最下层的搅拌桨的正下方。为保证气泡的分散，多采用带小孔的环状空气分布管，环的直径一般等于搅拌桨的直径。在大型通气搅拌罐中，搅拌桨尖

18、附近的剪切力非常大，一般足以达到充分打碎气泡的目的，为防止培养液中的固体物料或菌丝堵塞空气分布管，对某些特殊的发酵体系有时采用向下开口的单孔管。在一些简单的反应器中，气体的排出只是通过一个简单的阀门控制的。为避免染菌，必须调节空气的排出阀以保证反应器内始终处于高于大气压的正压状态。一些精密的反应器则配备了出口气体冷凝装置和过滤装置,之机械搅拌发酵罐,空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分布装置有单管式。 空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。 环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分布装置。同

19、时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。 通常通风管的空气流速取20m/s。 为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命,空气分布器,消泡系统,消泡系统对好氧发酵过程是非常重要的。通气搅拌罐的装液量一般不能超过容器容积的7080，一方面，这是由于通气后液面会有所上升；更重要的原因是，预留部分空间可以避免泡沫马上冲出罐体，为消除泡沫提供一段缓冲的时间。一般对越容易产生泡沫的体系，装液量要越少。通气搅拌罐顶部有一个额外的搅拌桨，称为消泡桨，其作用就是通过机械作用消除泡沫。在多数情况下，仅凭消泡桨还不足以及时破坏所有的泡沫，因此通常还须进一步

20、采用添加化学消泡剂的方法消泡。,之机械搅拌发酵罐,消泡装置,消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的。 两种消泡方法: (1) 加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如猪油等；高分子化合物。 机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器,耙式消泡器,植物油、聚醚类非离子型表面活性剂都可以用于化学消泡，它们可以直接在配制在培养基中，也可以在发酵过程中根据需要加入，或者两种策略同时使用。为了及时检测泡沫是否达到预警高度，通常在反应器上方装有液位电极，一旦泡沫达

21、到相应的高度，就可以通过消泡控制装置自动向反应器中流加消泡剂。,大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。,之机械搅拌发酵罐,联轴器及轴承,小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。,常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。,联轴器,法兰,中型发酵罐一般在罐内装有底轴承； 大型发酵罐装有中间轴承。 罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。,之机械搅拌发酵罐,轴 承,底轴承,中间轴承,之机械搅拌发酵罐,冷却装置,在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液进行循环冷却。,图2.13 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸,之机械搅拌发酵

22、罐,机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积,体积,尺寸,椭圆形封头体积：,发酵罐的总体积：,近似为：,之机械搅拌发酵罐,之气升式发酵罐,(二)气升式发酵罐(ALR),工作原理 特点及应用 主要结构及操作系数 典型的气升式发酵罐,工作原理,之气升式发酵罐,类型,气升环流式、塔式、空气喷射式等。,工作原理,把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。,气液双喷射气升环流反应器,气升式反应器利用气体的喷射功能和流体密度差造成反应液循环流动,无机械搅拌,特点,1

23、）反应溶液分布均匀2）较高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便,特点及应用,之气升式发酵罐,应用,酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理,主要结构及操作系数,之气升式发酵罐,主要结构参数,1）反应器径高比H/D2）导流筒径与罐径比DE /D3）空气喷嘴直径与反应器直径比Dl/D,操作特征,平均循环时间tm循环周期指液体微元在反应器内循环一周所需要的平均时间，即平均循环时间。循环周期一般在2.54min之间,之气升式发酵罐,ICIs air lift system for making single-c

24、ell protein in 1979,注射入口,ICI压力循环气升发酵罐,之气升式发酵罐,气升式玻璃发酵罐,具有外循环冷却的气升环流式发酵罐,之自吸式发酵罐,（三）自吸式发酵罐,自吸式发酵罐： 不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。,应用： 酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维生素等生产,之自吸式发酵罐,自吸式发酵罐,优点： (1)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； (2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高 (4)设备便于自动化、连续化。,缺点： 较易产生杂菌污

25、染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40。,之自吸式发酵罐,机械搅拌自吸式发酵罐,自吸式发酵罐的结构,之自吸式发酵罐,机械搅拌自吸式发酵罐的工作原理,自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器(转子)和导轮(定子),空气管与转子相连接,在转子启动前,先用液体将转子浸没,然后启动马达使转子转动,由于转子高速旋转,液体或空气在离心力的作用下,被甩向叶轮外缘,在这个过程中,流体便获得能量,若转子的转速愈快,旋转的线速度也愈大,则流体(其中还含有气体)的动能也愈大,流体离开转子时,由动能转变为静压能也愈大,在转子中心所造成的负压也越大，因此空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过定子而

26、使气液均匀分布甩出。由于转子的搅拌作用，气液在叶轮的外缘形成强烈的混合流（湍流），使刚刚离开叶轮的空气立即在不断循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中，因此转子同时具有搅拌和充气两个作用。,之自吸式发酵罐,文氏管自吸式发酵罐： 利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合和溶氧传质。,泵4将发酵液压入文氏管6，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成负压将无菌空气吸入,并被高速流动的液体打碎，与液体均匀混合, 同时由于上升管中发酵液与气体混合后，比重较罐内发酵液轻，再加上泵的提升作用，使发酵液在上升管内上升。当发酵液从上升管进入发酵罐后，微生物耗氧，发酵液

27、的比重变大向发酵罐底部循环，发酵液又从发酵罐底部被泵打入上升管，开始下一个循环,液体喷射吸气装置1一高压料液管 2一吸气室 3一进风管 4一喷嘴 5一收缩段 6一导流尾管 7一扩散段,文氏吸气管结构,无菌风管,之自吸式发酵罐,喷射自吸式发酵罐,喷射自吸式发酵罐,吸气原理是液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸气作用。要使液体处于抛射非淹没溢流状态，溢流尾管略高于液面，尾管高12m时，吸气速率较大。,（四）发酵罐的管路和死角的消除,1. 尽量减少管路,单罐多罐,发酵罐的出口越少越好，出料口和进气管可以合并接种管、消泡

28、管、补料管可以合并排气管不能合并，易引起交叉污染,出料前后都要消毒，用活（流动）蒸气消毒出料管不能合并,（四）发酵罐的管路和死角的消除,2. 消灭死角,丝口连接处改用法兰连接焊接部位：堆焊、电焊、氧焊、鱼鳞焊，选用鱼鳞焊管道转弯有弧度放料管、取料管的阀腔处装小阀,3. 消灭渗漏,（四）发酵罐的管路和死角的消除,罐体穿孔 不锈钢冷却管产生裂缝 定期更换垫圈（法兰连接）松脱 拧紧轴封渗漏 轴绝对垂直焊缝渗漏阀杆,（五）发酵罐的管道布置,保证蒸气在管道中畅通，有排气口（小阀），接种管、中间补料管、放料管都要有排气口（小阀）避免冷凝水排入已灭菌的罐体或空气，加止逆阀（单向阀）灭菌后的管道用无菌空气保压

29、单向阀位置正确蒸气总管道要有分气缸、排气阀、减压阀、安全阀相邻罐不联通,（六）发酵罐的一些操作,1. 接种,接种的三种方法：,火圈直接倒种注射器接种压力差接种,小罐,接种口用火圈杀菌；橡胶口在火圈上过一下，套入接种口；进气阀打开，排气阀关闭，罐内和种子瓶同时升压至1kg/cm2；关闭发酵罐和种子瓶之间的阀门，打开发酵罐排气阀，罐内压力下降至0.5kg/cm2，倒置种子瓶，打开发酵罐和种子瓶之间的阀门，瓶内种子液进入罐内；一次没有接完再重复。,注意：,接种瓶密封、耐高压；接种瓶口要旋紧、塞子塞紧，防止漏气染菌；进气口压力表一定不能超过1kg/cm2（否则接种瓶会爆炸）；一次接不完反复两三次直至全

30、部种子液接入罐内为止。,2. 移种,（六）发酵罐的一些操作,种子罐发酵罐,移种管灭菌：进入罐的管道阀门要关好，移种管中压力2kg/cm2，灭菌15min，关蒸气种子罐上进气阀打开，排气阀关闭，压力升至2kg/cm2发酵罐中保持正压，比空气高一点，排气阀打开，进气阀关小，压力降至0.5kg/cm2打开通向罐的阀门，两罐相通，因压力差，菌液进入发酵罐关掉通向罐的两个阀门，移种管灭菌,3. 取样,（六）发酵罐的一些操作,取样阀关紧，打开蒸气阀，再打开阀门，让蒸气冲（消毒杀菌510min）；关上蒸气阀，打开取样阀，培养液因压力作用流出；取样后关闭取样阀，打开蒸气阀，通蒸气再次消毒，关闭阀门和。,（六）

31、发酵罐的一些操作,4. 进料和出料,发酵罐上的入孔用于加料和维修。出料管可以和进气管合并。,一般装料系数为0.6，占罐总体积的2/3。,（七）设备防腐蚀,腐蚀：外部介质参与使金属本身产生化学和电化学的损失。磨损：金属本身的损坏，主要是由接触引起的。,金属材料,a. 碳钢b. 不锈钢c. 铸铁d. 钛合金,强度高；防腐蚀性能不是很好；铁离子造成精制、提取工艺的困难。,造价高，其他性能都很好,耐腐蚀；比较脆；一般用于防水管道；便宜,最耐腐蚀；强度高,四、植物和动物细胞培养反应器,随着生物工程技术的发展，动植物细胞的培养已可在工业规模生化反应器中进行。动植物细胞培养是指动物或植物细胞在体外条件下进行

32、繁殖，此时细胞虽然生长与增多，但不再形成组织。 动植物细胞与微生物细胞有明显的区别，首先动物细胞无细胞壁，动植物细胞对环境影响十分敏感。培养中动植物细胞对培养基的营养要求相当苛刻，并且生长缓慢。所以动植物细胞培养体系需要严格防止杂菌污染。,植物细胞培养反应器,用于植物细胞培养的核心设备称为植物细胞培养反应器。此类反应器与微生物发酵用反应器有许多相同之处，亦采用通用式发酵罐、鼓泡式发酵罐、气升式反应器、流化床式反应器、固定床式反应器、膜反应器及振动混合反应器等。植物细胞培养反应器已从实验室规模的1-30L放大到工业性试验规模130-20000L。 植物细胞培养反应器的设计，可采用通风发酵设备的放

33、大方法来进行。,动物细胞培养反应器,动物细胞培养反应器有多种形式，这些反应器都是针对动物细胞无细胞壁，不能耐受强烈搅拌与通风的剪切力而设计制造。,（一）动物细胞悬浮培养反应器,由于动物细胞无细胞壁保护，采用一般发酵罐的搅拌桨叶搅拌液体时液体间的剪切力往往过大而破坏细胞，因此，实验室规模的悬浮培养反应器时依靠磁力驱动的搅拌器低转速搅拌(如2050r/min)，搅拌桨有用尼龙丝编织带制成船帆形，或通过插入溶液中的硅胶管使氧气扩散到培养液内。 目前，工业规模的动物细胞悬浮培养反应器最大规模10m3 ，是用来生产杂交瘤单克隆抗体。采用螺旋桨搅拌器，搅拌转速控制在每分钟几十转，kLa值可达10h-1。另

34、外，用扩散渗透通气装置取代传统的通风装置。,（二）动物细胞贴壁培养反应器,多数动物细胞需附着在固体或半固体表面才能生长，细胞在载体表面上生长并扩展成一单层，所以贴壁培养又称单层培养。 传统的动物细胞培养反应器是滚瓶，利用滚瓶的缓慢转动，使动物细胞在滚瓶内壁贴壁生长繁殖。20世纪70年代开发出的中空纤维培养装置进行动物细胞培养，细胞密度可达109 cells/ml数量级。中空纤维培养装置的主要组成是中空纤维管，中空纤维管内径为200m，壁厚为5075m，只能让氧与二氧化碳等小分子自由地透过纤维膜双向扩散，而中大分子有机物不能透过。动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长，可很方便地获取营养物质和溶氧。,（三）动物细胞微载体培养反应器,动物细胞微载体培养是细胞附着和生长在悬浮于培养液中的微珠表面，借助于温和搅拌，使细胞均匀分布的一种培养方法。 贴壁培养动物细胞的载体微珠称为微载体。 搅拌系统是微载体培养反应器中的重要组成部分。,海藻培养光合生物反应器,海洋生物包括海洋动物(如鱼、虾、贝等)、海洋植物(如大藻和微藻)和海洋微生物。 典型且常用的微藻培养光合反应器是敞开式跑道池。 封闭式光合反应器的研制开发已有几十年历史。封闭式光合反应器按其接收光的方式可分为两大类：一类是外部光源，另一类是内部光源。,Thank you,