發(fā)酵設(shè)備與反應器培訓教材.ppt

發(fā)酵設(shè)備與反應器,發(fā)酵設(shè)備與反應器,生物反應器的分類 發(fā)酵罐的放大,生物反應器的分類,酶催化反應器 細胞生物反應器,按所用的生物催化劑的不同分,生物反應器的分類,按反應器結(jié)構(gòu)特征分 釜式、管式、塔式、膜式等類型,生物反應器的分類,根據(jù)細胞或組織的代謝要求 厭氧生物反應器 好氧生物反應器 光照生物反應器 膜生物反應器,厭氧發(fā)酵罐,用于酒精、啤酒、丙酮丁醇等嫌氣發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)，由于發(fā)酵過程中不需供氧，所以設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡單。嫌氣生物反應器也已趨向大容量發(fā)展，并實現(xiàn)了自動清洗。,好氧發(fā)酵罐,機械攪拌型發(fā)酵罐 氣升式發(fā)酵罐 機械攪拌自吸式發(fā)酵罐,機械攪拌型發(fā)酵罐,主要組成部分有 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。,機械攪拌型發(fā)酵罐,目前使用最多的一種發(fā)酵罐 優(yōu)點：使用性好、適應性強、放大容易，從小型到中型直至大型的微生物培養(yǎng)過程都可以應用。 缺點：罐內(nèi)的機械攪拌切力容易損傷嫩的細胞，造成某些細胞培養(yǎng)過程減產(chǎn)。,氣升式發(fā)酵罐,在環(huán)流管底置有空氣噴嘴，空氣在噴嘴口以250-300m/s的高速噴入環(huán)流管，由于噴射作用，氣泡被分散于液體中，借助與環(huán)流管內(nèi)氣液混合物的密度與反應主體之間的密度差，使管內(nèi)氣一液混合物連續(xù)循環(huán)流動。,氣升式發(fā)酵罐,優(yōu)點：能耗低，液體中的剪切作用小，結(jié)構(gòu)簡單，且由于省去了機械攪拌而不需機械密封，避免了因機械密封不良造成的雜菌污染。 缺點：它不適用于高粘度或含大量固體的培養(yǎng)液。,機械攪拌自吸式發(fā)酵罐,不需空氣壓縮機提供壓縮空氣，而是利用攪拌器旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣。 它的攪拌器是一個空心葉輪，葉輪快速旋轉(zhuǎn)時液體被甩出，葉輪中形成負壓，從而將罐外的空氣吸到罐內(nèi)，并與高速流動的液體密切接觸形成細小的氣泡分散在液體之中，氣液混合流體通過導輪流到發(fā)酵液主體。,機械攪拌自吸式發(fā)酵罐,優(yōu)點：省去了空氣系統(tǒng)，氣體分布均勻。 缺點：進罐空氣處于負壓，因而增加了染菌機會，且攪拌轉(zhuǎn)速甚高，有可能使菌絲被切斷，使正常的生長受到影響。,發(fā)酵罐的放大,微生物培養(yǎng)過程研究的三個階段 工業(yè)發(fā)酵過程的研究，一般分為三種規(guī)?；蛉齻€階段：實驗室規(guī)模，進行菌種的篩選和培養(yǎng)基的研究；中試生產(chǎn)規(guī)模，確定菌種培養(yǎng)的最佳操作條件；工廠生產(chǎn)規(guī)模，進行大規(guī)模生產(chǎn)，取得經(jīng)濟效益的過程。,發(fā)酵罐的放大,必須使大、小規(guī)模實驗中的菌體所處的外界環(huán)境能保持完全一致。 將實驗室和中間試驗車間試驗所取得的結(jié)果，應用到工業(yè)性大規(guī)模生產(chǎn)中去。這種轉(zhuǎn)移的過程，叫做放大,發(fā)酵罐的放大,生物發(fā)酵罐的放大的目標：就是要使大型生物發(fā)酵罐的性能與小型發(fā)酵罐接近，從而使大型發(fā)酵罐的生產(chǎn)效率與小型生產(chǎn)設(shè)備發(fā)酵罐相似。,發(fā)酵過程的控制,發(fā)酵的生產(chǎn)水平高低除了取決于生產(chǎn)菌本身的性能外，還要受到發(fā)酵條件、工藝等的影響。只有深入了解生產(chǎn)菌種在合成產(chǎn)物過程中的代謝調(diào)控機制以及可能的代謝途徑，弄清生產(chǎn)菌種對環(huán)境條件的要求，掌握菌種在發(fā)酵 過程中的代謝變化規(guī)律，有效控制，以使生產(chǎn)菌種能始終處于生長和產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境之中，從而最大限度地發(fā)揮生產(chǎn)菌種的合成產(chǎn)物的能力，進而了取得最大的經(jīng)濟效益。,發(fā)酵過程的控制,溫度的影響及其控制,溫度對微生物生長的影響 溫度對發(fā)酵代謝產(chǎn)物的影響 影響發(fā)酵溫度的因素 最適溫度的選擇,溫度對微生物生長的影響,不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據(jù)它們對溫度的要求大致可分為四類：嗜冷菌適應于0260C生長，嗜溫菌適應于15430C生長，嗜熱菌適應于37650C生長，嗜高溫菌適應于650C以上生長,溫度對發(fā)酵代謝產(chǎn)物的影響,影響微生物細胞內(nèi)的酶反應 可以改變培養(yǎng)液的物理性質(zhì) 影響到微生物細胞的生物合成方向 對于同一微生物細胞， 細胞生長和代謝產(chǎn)物積累的最適溫度往往是不同,溫度影響發(fā)酵方向,四環(huán)素產(chǎn)生菌金色鏈霉菌同時產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素，當溫度低于300C時，這種菌合成金霉素能力較強；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達到350C時，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。,細胞生長和代謝產(chǎn)物積累的最適溫度,例如，青霉素產(chǎn)生菌的生長最適溫度為30度，而產(chǎn)生青霉素的最適溫度為25度；黑曲酶的最適生長溫度為37度，而產(chǎn)生糖化酶和檸檬酸的最適溫度都是32-34度；谷氨酸生產(chǎn)菌生長的最適溫度30-32度，而代謝產(chǎn)生谷氨酸的最適溫度卻在34-37度。,影響發(fā)酵溫度的因素,產(chǎn)熱因素：生物熱 攪拌熱 散熱因素：蒸發(fā)熱 輻射熱,發(fā)酵熱,發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。 發(fā)酵熱=產(chǎn)熱因素-散熱因素 發(fā)酵熱=生物熱+攪拌熱-蒸發(fā)熱-輻射熱 Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)- Q輻射,生物熱（ Q生物）,在發(fā)酵過程中，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，將其分解氧化而產(chǎn)生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供細胞合成和代謝產(chǎn)物合成需要的能量，其余一部分以熱的形式散發(fā)出來，這散發(fā)出來的熱就叫生物熱。,生物熱（ Q生物）,好氧： 287.2千焦耳熱量， 183千焦耳高能化合物 63.7 104.2千焦以熱的形式釋放,厭氧： 22.6千焦耳熱量， 9.6千焦耳高能化合物（42.6） 13千焦以熱的形式釋放,微生物進行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多 一摩爾葡萄糖徹底氧化成CO2和水,生物熱（ Q生物）,培養(yǎng)過程中生物熱的產(chǎn)生具有強烈的時間性，生物的大小與呼吸作用強弱有關(guān) 在培養(yǎng)初期，菌數(shù)少，呼吸作用緩慢，產(chǎn)生熱量較少。 對數(shù)生長期時，菌體繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌體也較多，所以產(chǎn)生的熱量多，溫度上升快，必須注意控制溫度。 培養(yǎng)后期，已基本上停止繁殖，主要靠菌體內(nèi)的酶系進行代謝作用，產(chǎn)生熱量不多，溫度變化不大，且逐漸減弱。,生物熱（ Q生物）,如果培養(yǎng)前期溫度上升緩慢，說明菌體代謝緩慢，發(fā)酵不正常。 如果發(fā)酵前期溫度上升劇烈，有可能染菌 此外培養(yǎng)基營養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。,攪拌熱（Q攪拌）,在機械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機械攪拌帶動發(fā)酵液作機械運動，造成液體之間，液體與攪拌器等設(shè)備之間的摩擦，產(chǎn)生可觀的熱量。攪拌熱與攪拌軸功率有關(guān),蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）,空氣進入發(fā)酵罐后，就和發(fā)酵液廣泛接觸進行熱交換。同時必然會引起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。,輻射熱（Q輻射）,發(fā)酵罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。輻射熱的大小取決于罐溫與環(huán)境的溫差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超過發(fā)酵熱的5。,發(fā)酵熱的測定,（1）通過測定一定時間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進出口溫度，,發(fā)酵熱的測定,（2）通過罐溫的自動控制，先使罐溫達到恒定，再關(guān)閉自控裝置測得溫度隨時間上升的速率S，按下式可求得發(fā)酵熱：,發(fā)酵熱的測定,（）根據(jù)化合物的燃燒值估算發(fā)酵過程生物熱的近似值。 因為熱效應決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化途徑無關(guān)，反應的熱效應可以用燃燒值來計算，特別是有機化合物，燃燒熱可以直接測定。反應熱效應等于反應物的燃燒熱總和減去生成物的燃燒熱的總和。 H（H）反應物（H）產(chǎn)物,最適溫度的選擇,根據(jù)菌種選擇 根據(jù)生長階段選擇 根據(jù)培養(yǎng)條件選擇 根據(jù)菌生長情況,根據(jù)菌種選擇,微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。 如黑曲霉生長溫度為370C， 谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長溫度為30320C， 青霉菌生長溫度為300C。,根據(jù)生長階段選擇,在發(fā)酵前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快達到大量的菌體，取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長迅速； 在中期菌量已達到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低一些，可以推遲衰老。 發(fā)酵后期，產(chǎn)物合成能力降低，延長發(fā)酵周期沒有必要，就又提高溫度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。,根據(jù)生長階段選擇,如四環(huán)素生長階段280C，合成期260C,后期再升溫；黑曲霉生長370C，產(chǎn)糖化酶32340C。 但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長溫度高。如谷氨酸產(chǎn)生菌生長30320C，產(chǎn)酸34370C。 最適溫度選擇要根據(jù)菌種與發(fā)酵階段做試驗。,根據(jù)培養(yǎng)條件選擇,通氣條件差時可適當降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。 培養(yǎng)基稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營養(yǎng)利用快，會使菌過早自溶。,根據(jù)菌生長情況,菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。培養(yǎng)條件適宜，如營養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長。 總的來說，溫度的選擇根據(jù)菌種生長階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。要通過反復實踐來定出最適溫度。,發(fā)酵過程的pH控制,pH是微生物代謝的綜合反映，又影響代謝的進行，所以是十分重要的參數(shù)。 發(fā)酵過程中pH是不斷變化的，通過觀察pH變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否,發(fā)酵過程的pH控制,發(fā)酵過程pH變化的原因 pH對發(fā)酵的影響 pH的控制,發(fā)酵過程pH變化的原因,1、基質(zhì)代謝,（1）糖代謝 特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補料的標志之一 （2）氮代謝 當氨基酸中的-NH2被利用后pH會下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當碳源不足時氮源當碳源利用pH上升。 （3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會上升或下降,發(fā)酵過程pH變化的原因,2、產(chǎn)物形成,某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機酸類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。,發(fā)酵過程pH變化的原因,3、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。,pH對發(fā)酵的影響,不同的微生物對PH值的要求也是不同的。每種微生物都有自己的生長最適的和耐受的PH值。,pH對發(fā)酵的影響,PH值不僅影響到微生物的生長繁殖，還會影響到代謝產(chǎn)物的形成。對于同一種微生物，由于PH值的不同，形成的發(fā)酵產(chǎn)物也會不同。,pH對發(fā)酵的影響,微生物生長的最適PH值和發(fā)酵產(chǎn)物形成的最適PH值往往是不同的。,pH對發(fā)酵的影響,pH影響酶的活性。當pH值抑制菌體某些酶的活性時使菌的新陳代謝受阻,pH對發(fā)酵的影響,pH值影響微生物細胞膜所帶電荷的改變，從而改變細胞膜的透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進行,pH對發(fā)酵的影響,pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用,pH的控制,調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方 調(diào)節(jié)碳氮比（C/N） 添加緩沖劑 補料控制 直接加酸加堿 補加碳源或氮源,補料的方法可以同時實現(xiàn)補充營養(yǎng)、延長發(fā)酵周期、調(diào)節(jié)pH和改變培養(yǎng)液的性質(zhì)（如粘度）等幾種目的。,泡沫的性質(zhì),泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。 發(fā)酵過程中所遇到的泡沫，其分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。,泡沫的類型,一類存在于發(fā)酵液的液面上，這類泡沫氣相所占比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辮的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見到的。 另一種泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當中。這種泡沫分散很細，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體間沒有明顯的波面界限，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比例由下而上地逐漸增加。,泡沫產(chǎn)生的原因,由外界引進的氣流被機械地分散形成（通風、攪拌）； 發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)）。,泡沫對發(fā)酵的不利影響,降低發(fā)酵設(shè)備的利用率 增加了菌群的非均一性 增加了染菌的機會 導致產(chǎn)物的損失 消泡劑會給后提取工序帶來困難,發(fā)酵過程泡沫控制的方法,物理消沫法 化學消沫法,物理消泡法,方法 罐內(nèi)消沫法： 罐外消沫法： 原理 靠機械力引起強烈振動或者壓力變化