這是一個(gè)關(guān)于好氧處理工藝PPT，包括了好氧發(fā)酵產(chǎn)物的生物合成機(jī)制，發(fā)酵過程的工藝控制，發(fā)酵染菌及防治，通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備，其他發(fā)酵罐，發(fā)酵罐設(shè)計(jì)，發(fā)酵過程的放大，通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備等內(nèi)容。第一節(jié) 好氧發(fā)酵產(chǎn)物的生物合成機(jī)制一、谷氨酸發(fā)酵機(jī)制二、檸檬酸發(fā)酵機(jī)制三、其他好氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成 2. 亨利定律(Henry's law) 在等溫等壓下，某種氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的平衡壓力成正比。這就是亨利定律，物理化學(xué)的基本定律之一．（二）微生物的耗氧------ 供氧與微生物呼吸及代謝產(chǎn)物的關(guān)系氧是細(xì)胞的組成成分和各種產(chǎn)物的構(gòu)成元素，又是生物能量代謝的必需元素。氧是好氣性微生物氧化代謝的電子最終受體，同時(shí)通過氧化磷酸化反應(yīng)生成生物體生命活動(dòng)過程中所需要的能量。 氧在液體中的溶解特性溫度溶液性質(zhì)氧分壓 二、氧的傳質(zhì)理論 氣體吸收 氣體吸收是氣相成分單向往液相擴(kuò)散溶解的物質(zhì)傳遞過程。物質(zhì)傳遞速度的機(jī)理，主要模型有根據(jù)Whiteman建議的穩(wěn)定模型(1923年提出)與Higbie提供的不穩(wěn)定模型(1935年提出)，前者以雙膜學(xué)說(two-film theory)，歡迎點(diǎn)擊下載好氧處理工藝PPT哦。

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第一節(jié) 好氧發(fā)酵產(chǎn)物的生物合成機(jī)制一、谷氨酸發(fā)酵機(jī)制二、檸檬酸發(fā)酵機(jī)制三、其他好氧發(fā)酵產(chǎn)物的合成 2. 亨利定律(Henry's law) 在等溫等壓下，某種氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的平衡壓力成正比。這就是亨利定律，物理化學(xué)的基本定律之一．（二）微生物的耗氧------ 供氧與微生物呼吸及代謝產(chǎn)物的關(guān)系氧是細(xì)胞的組成成分和各種產(chǎn)物的構(gòu)成元素，又是生物能量代謝的必需元素。氧是好氣性微生物氧化代謝的電子最終受體，同時(shí)通過氧化磷酸化反應(yīng)生成生物體生命活動(dòng)過程中所需要的能量。 氧在液體中的溶解特性溫度溶液性質(zhì)氧分壓 二、氧的傳質(zhì)理論 氣體吸收 氣體吸收是氣相成分單向往液相擴(kuò)散溶解的物質(zhì)傳遞過程。 物質(zhì)傳遞速度的機(jī)理，主要模型有根據(jù)Whiteman建議的穩(wěn)定模型(1923年提出)與Higbie提供的不穩(wěn)定模型(1935年提出)，前者以雙膜學(xué)說(two-film theory)。 三、 影響氧傳遞速率的因素 一般而言，通氣時(shí)，會(huì)降低發(fā)酵液粘度，降低攪拌功率，增加KLa 在特定的條件下，通人發(fā)酵罐的空氣流速增加時(shí)，攪拌功率會(huì)下降， KLa會(huì)增加；當(dāng)空氣流速達(dá)某一值時(shí)，增加空氣流速，攪拌功率不再下降， KLa不再增加，此時(shí)的空氣流速稱為氣泛點(diǎn)(Flooding point) 經(jīng)驗(yàn)得出，對KLa的影響，攪拌功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣流速，如圖示 3、發(fā)酵液理化性質(zhì)的影響 KLa與發(fā)酵液的粘度成反比關(guān)系，在發(fā)酵過程中，微生物不斷改變發(fā)酵液基質(zhì)濃度，菌絲形態(tài)，菌體濃度及產(chǎn)物濃度，進(jìn)而改變發(fā)酵液粘度，使KLa處于動(dòng)態(tài)變化之中，尤其是放線菌，霉菌的發(fā)酵液，如圖示: 四、液相體積氧傳遞系數(shù)KLa的測定（一）發(fā)酵液中溶解氧濃度的測定 ①亞硫酸鹽氧化法 ②溶氧電極法 ③ 氧的物料衡算法 （二）攝氧率的測定用復(fù)膜氧電極停氣法測定。 單位電流值代表的溶氧濃度=C*/(i飽-i殘) 其中， C* 飽和溶氧濃度，mmolO2/L i飽 在飽和溶氧濃度時(shí)的電流值，mV i殘 殘余電流，在溶氧濃度為零時(shí)的電流值，mV 標(biāo)定后的電極便可用于測定。 某一發(fā)酵時(shí)間的菌體攝氧率： r = C*/(i飽-i殘)∙(-∆i/∆t) ∆t 停止供氣后溶氧濃度下降至最低點(diǎn)所用的時(shí)間(h); ∆i 在∆t 時(shí)間內(nèi)電流的變化值，mV 方法： ①亞硫酸鹽氧化法 ②直接測定---氧的物料衡算法 ③動(dòng)態(tài)測定---溶氧電極法 1、亞硫酸鹽氧化法（經(jīng)典方法） 原理：常用Na2SO3，它在溶液中濃度1M左右時(shí)，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，在Cu2+催化下，被氧化的速度很快，氧溶解速度控制了氧化反應(yīng)。 每分鐘溶解氧的摩爾數(shù)： 用亞硫酸鹽氧化法測體積溶氧系數(shù)kLa 將實(shí)驗(yàn)測定的Nv代入 式可算出kLa。在整個(gè)氧化過程中，溶液中溶氧的濃度為0，即C=0。在亞硫酸鹽氧化法的具體條件下，規(guī)定。 已知： ∴ 2、直接測定---氧的物料衡算法求KLa值 例題 一個(gè)裝料7L的實(shí)驗(yàn)罐，通氣量1L/min，操作壓力為0.3kg/cm2，在某發(fā)酵時(shí)間內(nèi)，發(fā)酵液的溶氧飽和度為25%。空氣進(jìn)口氧含量21%，排出廢氣中氧含量19.8%。求此時(shí)的攝氧率r及體積氧傳遞系數(shù)KLa. r=[1×60×(1/22.4)×1000×(21%-19.8%)] × (1/7)=32.2 KLa=r/(C*-CL)=165hr-1 C*=0.2× (1+0.3)=0.26mmol(O2)/L CL=0.26× 0.25=0.065mmol(O2)/L 3、動(dòng)態(tài)測定---溶氧電極法優(yōu)點(diǎn)：①耐高溫 ②連續(xù)測量 1、原理：把溶解氧轉(zhuǎn)化為 電流信號。 陽極：Pb 陰極：Ag/Pt 電流直接指示溶解氧濃度。 只用復(fù)膜氧電極，暫時(shí)停氣，只適用于試驗(yàn)罐的測定。 停氣后，發(fā)酵液中溶氧濃度的變化速率： （四）測定KLa的三個(gè)用途 1．對生物反應(yīng)器的傳氧性能進(jìn)行測定，以便選擇最佳條件進(jìn)行操作，并對其進(jìn)行評價(jià)。 2．對發(fā)酵過程傳氧情況進(jìn)行了解，以便判斷發(fā)酵過程的供氧情況。 3．為通風(fēng)罐的研究過程找出設(shè)備參數(shù)(如D/T、Ni )，操作變數(shù)(如N，Q)與KLa的關(guān)系，以便進(jìn)行通用發(fā)酵罐的放大和合理設(shè)計(jì)。 （五）提高溶氧的措施進(jìn)行液體培養(yǎng)時(shí)，一般可通過增加液體與氧的接觸面積或提高氧分壓來提供溶氧速率： ①淺層液體培養(yǎng)； ②利用往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式搖床(shaker)對三角瓶培養(yǎng)物作振蕩培養(yǎng)； ③在深層液體培養(yǎng)器的底部通入加壓空氣，并用氣體分布器使其以小氣泡形式均勻噴出； ④對培養(yǎng)液進(jìn)行機(jī)械攪拌，并在培養(yǎng)器的壁上設(shè)置阻擋裝置。 第二節(jié) 發(fā)酵過程的工藝控制 二、二氧化碳和呼吸熵對發(fā)酵的影響及其控制二氧化碳的影響（1）CO2是微生物在生長繁殖過程中的代謝產(chǎn)物，也是某些合成代謝的基質(zhì)，對微生物生長和發(fā)酵具有刺激作用。如環(huán)狀芽孢桿菌 發(fā)芽需要CO2；大腸桿菌和鏈孢霉變株的生長因子（30％CO2）。（2）CO2對菌體生長還具有抑制作用，排氣中CO2濃度高于4％時(shí)，菌體的糖代謝和呼吸速率都下降。（3）CO2對微生物發(fā)酵也有影響。 如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖（5％的CO2）和精氨酸發(fā)酵均需要有一定的CO2。 紫蘇霉素 （1％ CO2 ）和紅霉素（11％ CO2 ）產(chǎn)量下降（4）酸堿平衡 三、溫度對發(fā)酵的影響及其控制 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。如: 四環(huán)素生長階段28℃，合成期26 ℃后期再升溫；黑曲霉生長37 ℃ ，產(chǎn)糖化酶32～34 ℃ 。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30～32 ℃ ，產(chǎn)酸34～37 ℃ 。 最適溫度選擇要根據(jù)菌種與發(fā)酵階段做試驗(yàn)。 （二）碳源的影響及其控制（三）氮源的影響及其控制 1、FBC的作用可以控制抑制性底物的濃度 可以解除或減弱分解產(chǎn)物阻遏可以使發(fā)酵過程最佳化 優(yōu)點(diǎn)： ①可以解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解產(chǎn)物阻遏； ②可以避免在分批發(fā)酵中因一次投料過多造成細(xì)胞大量生長所引起的一切影響，改善發(fā)酵液流變學(xué)的性質(zhì)； ③可用作控制細(xì)胞質(zhì)量的手段，以提高發(fā)芽孢子的比例； ④可作為理論研究的手段，為自動(dòng)控制和最優(yōu)控制提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 缺點(diǎn)：存在一定的非生產(chǎn)時(shí)間；和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險(xiǎn)。 FBC的補(bǔ)料方式 有連續(xù)流加、不連續(xù)流加或多周期流加。每次流加又可分為快速流加，恒速流加，指數(shù)速率流加和變速流加。從反應(yīng)器中發(fā)酵體積來分，又有變體積和恒體積之分。從反應(yīng)器數(shù)目分類又有單級和多級之分。從補(bǔ)加培養(yǎng)基的成分來分，又可分為單組分補(bǔ)料和多組分補(bǔ)料。 補(bǔ)料方式連續(xù)流加不連續(xù)流加多周期流加補(bǔ)料成分單一組分流加多組分流加控制方式反饋控制無反饋控制 （二）泡沫的控制調(diào)整培養(yǎng)基成分消除形成的泡沫（1）機(jī)械消沫（2）加入消沫劑 （3）對消泡劑的要求在氣-液界面上有足夠大的鋪展系數(shù)，要有一定的親水性；低濃度時(shí)就起作用；持久性；無毒；不影響下游分離；成本；不影響氧傳遞；能高溫滅菌。 七、發(fā)酵終點(diǎn)的確定放罐時(shí)間確定的依據(jù)（1）考慮經(jīng)濟(jì)因素生產(chǎn)能力：實(shí)際發(fā)酵時(shí)間、準(zhǔn)備時(shí)間的綜合。生產(chǎn)率：（2）產(chǎn)品質(zhì)量因素 后續(xù)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的影響（3）特殊因素染菌、代謝異常等情況第四節(jié) 發(fā)酵染菌及防治一、發(fā)酵過程中染菌的檢查判斷 1、雜菌的檢查方法 目前生產(chǎn)上常用的雜菌檢查方法有： ①顯微鏡檢查：染色 鏡檢 ②平板劃線檢查：到平板 空培養(yǎng) 待測樣品劃線 培養(yǎng)觀察 ③酚紅肉湯培養(yǎng)檢查：無菌肉湯培養(yǎng)基空培養(yǎng) 接入樣品 培養(yǎng)觀察 各種檢查方法的比較：顯微鏡檢查方法簡便、快速，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)雜菌，但由于鏡檢取樣少，視野的觀察面也小，因此不易檢出早期雜菌。平板劃線法和肉湯培養(yǎng)方法的缺點(diǎn)是需經(jīng)較長時(shí)間培養(yǎng)(一般要過夜)才能判斷結(jié)果，且操作較繁瑣，但它要比顯微鏡能檢出更少的雜菌，而且結(jié)果也更為準(zhǔn)確 雜菌檢查中的問題： 檢查結(jié)果應(yīng)以平板劃線和肉湯培養(yǎng)結(jié)果為主要根據(jù)平板劃線和肉湯培養(yǎng)應(yīng)做三個(gè)平行樣要定期取樣酚紅肉湯和平板劃線培養(yǎng)樣品應(yīng)保存至放罐后12小時(shí)，確定為無菌時(shí)方可棄去取樣時(shí)防止外界雜菌混入的措施 檢查的工序和時(shí)間： 選擇那些生產(chǎn)工序和時(shí)間的樣品檢查也是十分重要的問題�？茖W(xué)合理的選擇檢查工序和時(shí)間，對于除去已污染雜菌的物料，避免下道工序再遭染菌，有著直接的指導(dǎo)意義。有時(shí)即使由于檢查時(shí)間較長，未能及時(shí)據(jù)導(dǎo)本批生產(chǎn)，但對于找出造成染菌事故的環(huán)節(jié)，分析染菌原因，杜絕染菌漏洞也是不可缺少的。由于生產(chǎn)菌種相產(chǎn)品的不同，檢查的時(shí)間也不完全一樣：但總的原則是一致的，即每個(gè)工序或經(jīng)一定時(shí)間都應(yīng)進(jìn)行取樣檢查。發(fā)酵過程的雜菌檢查 除了以上的方法外，在實(shí)際生產(chǎn)中還可以根據(jù)以下參數(shù)的異常變化來判斷是否染菌溶解氧 pH值尾氣中CO2含量 2、發(fā)酵染菌率和染菌原因的分析（1）發(fā)酵染菌率總?cè)揪�率：指一年�?nèi)發(fā)酵染菌的批次與總投料批次數(shù)的百分率設(shè)備染菌率：統(tǒng)計(jì)發(fā)酵罐或其他設(shè)備的染菌率，有利于查找因設(shè)備缺陷而造成的染菌原因不同品種發(fā)酵的染菌率：統(tǒng)計(jì)不同品種發(fā)酵的染菌率，有助于查找不同品種發(fā)酵染菌的原因 不同發(fā)酵階段的染菌率：將整個(gè)發(fā)酵周期分成前期、中期和后期三個(gè)階段，分別統(tǒng)計(jì)其染菌率。有助于查找染菌的原因。季節(jié)染菌率：統(tǒng)計(jì)不同季節(jié)的染菌率，可以采取相應(yīng)的措施制服染菌。操作染菌率：統(tǒng)計(jì)操作工的染菌率，一方面可以分析染菌原因，另一方面可以考核操作工的滅菌操作技術(shù)水平。（2）染菌原因的分析避免在發(fā)酵生產(chǎn)中污染雜菌應(yīng)以預(yù)防為主。 ③從染菌的規(guī)模來分析染菌原因 大批發(fā)酵罐染菌 ：空氣系統(tǒng)部分發(fā)酵罐(或罐組)染菌：前期可能是種子帶雜菌，或滅菌不徹底，中后期則可能是中間補(bǔ)料系統(tǒng)或油管路系統(tǒng)發(fā)生問題所造成的個(gè)別發(fā)酵罐連續(xù)染菌：設(shè)備問題(如閥門的滲漏或罐體腐蝕磨損)，設(shè)備的腐蝕磨損所引起的染菌會(huì)出現(xiàn)每批發(fā)酵的染菌時(shí)間向前推移的現(xiàn)象個(gè)別發(fā)酵罐偶然染菌：原因比較復(fù)雜，因?yàn)楦鞣N染菌途徑都可能引起。 ④從染菌的時(shí)間來分析發(fā)酵早期染菌：種子帶菌、培養(yǎng)基和設(shè)備滅菌不徹底、設(shè)備或管道有死角中、后期染菌：中間補(bǔ)料、設(shè)備滲漏、操作不合理 ⑤從染菌的類型來分析 耐熱性芽抱桿菌：死角或滅菌不徹底球菌、酵母：可能是從蒸汽的冷凝水或空氣中帶來的淺綠色菌落(革蘭氏陰性桿菌) ：發(fā)酵罐的冷卻管或夾套滲漏霉菌：滅菌不徹底或無菌操作不嚴(yán)格二、不同種類的雜菌對發(fā)酵的影響青霉素發(fā)酵：污染細(xì)短產(chǎn)氣桿菌比粗大桿菌的危害大；鏈霉素發(fā)酵：污染細(xì)短桿菌、假單孢桿菌和產(chǎn)氣桿菌比粗大桿菌的危害大；四環(huán)素發(fā)酵：污染雙球菌、芽孢桿菌和夾膜桿菌的危害較大；檸檬酸發(fā)酵：最怕污染青霉菌；肌苷、肌苷酸發(fā)酵：污染芽孢桿菌的危害最大；谷氨酸發(fā)酵：最怕污染噬菌體；高溫淀粉酶發(fā)酵：污染芽孢桿菌和噬菌體的危害較大。 三、不同染菌時(shí)間對發(fā)酵的影響種子培養(yǎng)期染菌：發(fā)酵前期染菌：雜菌與生產(chǎn)菌爭奪營養(yǎng)成分，干擾生產(chǎn)菌的繁殖和產(chǎn)物的形成發(fā)酵中期染菌：嚴(yán)重干擾生產(chǎn)菌的繁殖和產(chǎn)物的生成發(fā)酵后期染菌：如雜菌量不大，可繼續(xù)發(fā)酵。如污染嚴(yán)重，可采取措施提前放罐不同染菌途徑對發(fā)酵的影響種子帶菌：種子帶菌可使發(fā)酵染菌具有延續(xù)性空氣帶菌：空氣帶菌也使發(fā)酵染菌具有延續(xù)性，導(dǎo)致染菌范圍擴(kuò)大至所有發(fā)酵罐培養(yǎng)基或設(shè)備滅菌不徹底：一般為孤立事件，不具有延續(xù)性設(shè)備滲漏：造成染菌的危害性較大四、發(fā)酵異�，F(xiàn)象及原因分析五、雜菌污染的防治種子帶菌及其防治空氣帶菌及其防治操作失誤設(shè)備滲漏或“死角” 有時(shí)發(fā)酵罐偶而染菌，原因一時(shí)又找不出，一般可以采取以下措施： (1)連續(xù)滅菌系統(tǒng)前的料液貯罐在每年4一10月份(雜菌較旺盛生長的時(shí)間)加入0.2%甲醛，加熱至80°C，存放處理4小時(shí)，以減少帶入培養(yǎng)液中的雜菌數(shù)。 (2)對染菌的罐，在培養(yǎng)液滅菌前先加甲醛進(jìn)行空消處理。甲醛用量每立方米罐的體積0.12~0.17升。 (3)對染菌的種子罐可在罐內(nèi)放水后進(jìn)行滅菌，滅菌后水量占罐體的三分之二以上。這是因?yàn)榧?xì)菌芽孢較耐干熱而不耐濕熱的緣故。 六、染菌后的挽救措施 種子培養(yǎng)或種子罐中發(fā)現(xiàn)污染 。發(fā)酵早期染菌可以適當(dāng)添加營養(yǎng)物質(zhì)，重新滅菌后再接種發(fā)酵。 中后期染菌，如果雜菌的生長將影響發(fā)酵的正常進(jìn)行或影響產(chǎn)物的提取時(shí)，應(yīng)該提早放罐。 有些發(fā)酵染菌后發(fā)酵液中的碳、氮源還較多，如果提早放罐，這些物質(zhì)會(huì)影響后處理提取使產(chǎn)品取不出，此時(shí)應(yīng)先設(shè)法使碳、氮源消耗，再放罐提取。七、噬菌體感染和處理方法利用細(xì)菌或放線菌進(jìn)行的發(fā)酵容易感染噬菌體。 噬菌體是病毒的一種，直徑約0.1微米，可以通過細(xì)菌過濾器，所以通用的空氣過濾器不易將其除去。 1、引起噬菌體感染的原因設(shè)備的滲漏 空氣系統(tǒng)、培養(yǎng)基滅菌不徹底 2、預(yù)防噬菌體感染的措施發(fā)酵罐的排氣管要用汽封或引入藥液(如高錳酸鉀、漂白粉或石灰水等溶液)槽中。取樣、洗罐或倒罐的帶菌液體要處理后才允許排入下水道。把好種子關(guān)，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的無菌操作。搞好生產(chǎn)場地的環(huán)境衛(wèi)生。車間四周要經(jīng)常進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)噬菌體即時(shí)用藥液噴灑。 3、感染噬菌體后采用的理方法 選育抗性菌株。輪換使用專一性不同的菌株。加化學(xué)藥物(如谷氨酸發(fā)酵可加2~4ppm氯霉素，0.1%三聚磷酸鈉，0.6%檸檬酸鈉或銨等)。將培養(yǎng)液重新滅菌再接種(噬菌體不耐熱，70~80˚C經(jīng)5分鐘即可殺死)。其他方法。如谷氨酸發(fā)酵在初期感染噬茵體，可以利用噬菌體只能在生長階段的細(xì)胞(即幼齡細(xì)胞)中繁殖的特點(diǎn)，將發(fā)酵正常并已培養(yǎng)了16~18小時(shí)(此時(shí)菌體己生長好并肯定不染菌)的發(fā)酵液加入感染噬菌體的發(fā)酵液中，以等體積混合后再分開發(fā)酵。實(shí)踐證明，在谷氨酸發(fā)酵中，采用這個(gè)方法可獲得較好的效果。 第三節(jié) 通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備生物反應(yīng)器是發(fā)酵工程中最重要的設(shè)備之一大型發(fā)酵罐攪拌裝置一個(gè)優(yōu)良的培養(yǎng)裝置應(yīng)具有：嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)良好的液體混合性能高的傳質(zhì)和傳熱速率靈敏的檢測和控制儀表 一、 發(fā)酵罐（Fermenter） 1. 基本概念發(fā)酵設(shè)備中最重要、應(yīng)用最廣的設(shè)備，是發(fā)酵工業(yè)的心臟，廣義的發(fā)酵罐是指為一個(gè)特定生物化學(xué)過程的操作提供良好而滿意的環(huán)境的容器。工業(yè)發(fā)酵中一般指進(jìn)行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備，在有些情況下，密閉容器，簡單容器發(fā)酵罐的(fermenter)定義：為一個(gè)特定生物化學(xué)過程的操作提供良好而滿意的環(huán)境的容器。對于某些工藝來說，發(fā)酵罐是個(gè)密閉容器，同時(shí)附帶精密控制系統(tǒng)；而對于另一些簡單的工藝來說，發(fā)酵罐只是個(gè)開口容器，有時(shí)甚至簡單到只要有一個(gè)開口的坑。 第一階段:1900年以前，是現(xiàn)代發(fā)酵罐的雛形，它帶有簡單的熱交換儀器。第二階段:1900-1940年，出現(xiàn)了200m3的鋼制發(fā)酵罐，在面包酵母發(fā)酵罐中開始使用空氣分布器，機(jī)械攪拌開始用在小型的發(fā)酵罐中。第三階段：1940-1960年，機(jī)械攪拌、通風(fēng)，無菌操作和純種培養(yǎng)等一系列技術(shù)開始完善，發(fā)酵工藝過程的參數(shù)檢測和控制方面已出現(xiàn)，耐蒸汽滅菌的在線連續(xù)測定的pH電極和溶氧電極，計(jì)算機(jī)開始進(jìn)行發(fā)酵過程的控制。發(fā)酵產(chǎn)品的分離和純化設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)商品化。 第四階段：1960-1979年，機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的容積增大到80-150m3。由于大規(guī)模生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的需要，又出現(xiàn)了壓力循環(huán)和壓力噴射型的發(fā)酵罐，它可以克服一些氣體交換和熱交換問題。計(jì)算機(jī)開始在發(fā)酵工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。第五階段：1979年至今。生物工程和技術(shù)的迅猛發(fā)展，給發(fā)酵工業(yè)提出了新的課題。于是，大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)酵罐應(yīng)運(yùn)而生，胰島素，干擾素等基因工程的產(chǎn)品走上商品化。發(fā)酵罐的特點(diǎn) （1）發(fā)酵罐與其他工業(yè)設(shè)備的突出差別是對純種培養(yǎng)的要求之高，幾乎達(dá)到十分苛刻的程度。因此，發(fā)酵罐的嚴(yán)密性，運(yùn)行的高度可靠性是發(fā)酵工業(yè)的顯著特點(diǎn)。（2）現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)為了獲取更大的經(jīng)濟(jì)利益，發(fā)酵罐更加趨向大型化和自動(dòng)化發(fā)展。 在發(fā)酵罐的自動(dòng)化方面，作為參數(shù)檢測的眼睛如pH電極、溶解氧電極、溶解二氧化碳電極等的在線檢測etc。 1. 按微生物生長：厭氧和好氧發(fā)酵設(shè)備 2. 按發(fā)酵罐攪拌方式： 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 非機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 3. 按溶積分類 實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵罐 中試發(fā)酵罐 生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐 4. 按微生物生長環(huán)境 懸浮生長系統(tǒng) 支持生長系統(tǒng) 5. 按操作方式 分批發(fā)酵 連續(xù)發(fā)酵 一、機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 （一）概況 1. 基本結(jié)構(gòu) 利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液混合并溶解在發(fā)酵液中，基本要求： 1）適宜的徑高比，罐身較長，氧利用率較高 2）能耐受一定的壓力 3）攪拌通風(fēng)裝置 4）足夠的冷卻面積 5）罐內(nèi)要減少死角 6）攪拌器的軸封要嚴(yán)密，以減少泄露 2，機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)罐身軸封消泡器攪拌器聯(lián)軸器中間軸承擋板空氣分布器換熱裝置人孔以及管路等 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵罐的幾何尺寸 H/D=1.7~4 d/D=1/2~1/3 W/D=1/8~1/12 B/D=0.8~1.0 (s/d)2=1.5~2.5 (s/d)3=1~2 2. 罐體： 培養(yǎng)微生物的巨大容器，密閉式的，在發(fā)酵過程中要保持一定的罐壓，通常滅菌的壓力約為2.5×105Pa 形狀，圓柱形，兩端橢圓形--受力均勻，減少死角，物料容易排除， 高度與直徑比1.7~4：1，有利于提高空氣利用率 中大型發(fā)酵罐裝有供維修、清洗的人孔罐頂裝有窺鏡和孔燈，在其內(nèi)面裝有壓縮空氣或蒸汽吹管罐頂接管：進(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管、壓力表接管罐身接管：冷卻水進(jìn)出管、空氣進(jìn)管、溫度計(jì)管和測控儀器接口 軸向式攪拌器槳葉式螺旋槳式徑向式（渦輪式）攪拌器（Disc turbine）平直葉彎葉箭葉 5. 檔板(Baffle) 克服攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)液體產(chǎn)生的渦流，將徑向流動(dòng)改變?yōu)檩S向流動(dòng)，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶氧速率通常擋板寬度�。�0.1-0.12）D，裝設(shè)4-6塊即可滿足全擋板條件。 9. 聯(lián)軸器大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對正。 10. 變速裝置試驗(yàn)罐采用無級變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動(dòng)，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動(dòng)較為簡便。 11. 發(fā)酵罐的換熱裝置夾套式換熱裝置多應(yīng)用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐；夾套的高度比靜止液面高度稍高即可，無須進(jìn)行冷卻面積的設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；加工容易，罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。缺點(diǎn)：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時(shí)降溫效果差， 豎式蛇管換熱裝置 是豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，有四組、六組或八組不等，根據(jù)管的直徑大小而定，容積5米3以上的發(fā)酵罐多用這種換熱裝置。優(yōu)點(diǎn)：冷卻水在管內(nèi)的流速大；傳熱系數(shù)高。這種冷卻裝置適用于冷卻用水溫度較低的地區(qū)，水的用量較少。但是氣溫高的地區(qū)，冷卻用水溫度較高，則發(fā)酵時(shí)降溫困難，發(fā)酵溫度經(jīng)常超過40˚C，影響發(fā)酵產(chǎn)率，因此應(yīng)采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻，這樣就增加了設(shè)備投資及生產(chǎn)成本。此外，彎曲位置比較容易蝕穿。其他發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機(jī)，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。與機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的主要區(qū)別： ①有一個(gè)特殊的攪拌器，攪拌器由轉(zhuǎn)子和定子組成； ②沒有通氣管。應(yīng)用： 醫(yī)藥工業(yè)、酵母工業(yè)、生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復(fù)霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等。取得了良好的成績。 氣提塔式發(fā)酵罐 空氣壓縮機(jī)是氣提式發(fā)酵罐的重要組成部分，它的效率決定于它的形式。壓縮氣體通過空氣分布器進(jìn)入液體后，最初形成的氣泡是由液體劇烈翻動(dòng)來分散的，所以氣泡的分散程度決定于功率消耗速率。 液提式發(fā)酵罐 液提發(fā)酵罐是液體借助于一個(gè)液體泵進(jìn)行輸送，同時(shí)氣體在液體的噴嘴處被吸入發(fā)酵罐。噴嘴是這類發(fā)酵罐的一個(gè)特殊部件，制造要求精密。 帶升式發(fā)酵罐 帶升式發(fā)酵罐也稱為氣流攪拌發(fā)酵罐，不用機(jī)械攪拌，借通風(fēng)起到攪拌作用并供給氧氣。小結(jié)：發(fā)酵罐的類型及其優(yōu)缺點(diǎn)；各類發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)；發(fā)酵罐各附件的結(jié)構(gòu)及其作用。 發(fā)酵罐設(shè)計(jì)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐主要由攪拌裝置、軸封和罐體三部分組成。三個(gè)組成部分各起如下的作用: 攪拌裝置：由傳動(dòng)裝置、攪拌軸、攪拌器組成 ，由電動(dòng)機(jī)和皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)攪拌軸使攪拌器按照一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)攪拌的目的。軸封：為攪拌罐和攪拌軸之間的動(dòng)密封，以封住罐內(nèi)的流體不致泄漏。罐體：罐體、加熱裝置及附件。一、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)計(jì)算 1，罐容積的計(jì)算根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和發(fā)酵水平計(jì)算每日所需發(fā)酵液的量，再根據(jù)這一數(shù)據(jù)確定發(fā)酵罐的容積。 例如，一年產(chǎn)5萬噸檸檬酸的發(fā)酵廠，發(fā)酵產(chǎn)酸水平平均為14%，提取總收率90%，年生產(chǎn)日期為300天，發(fā)酵周期為96小時(shí)。每日的產(chǎn)量=50000/300=166.7 噸每日所需發(fā)酵液的量=166.7/(0.14×0.9) =1322.8 米3 假定發(fā)酵罐的裝液系數(shù)為85% 則每日所需發(fā)酵罐容積=1322.8/0.85=1556米3 取發(fā)酵罐的公稱容積為250米3 則每日需要6個(gè)發(fā)酵罐發(fā)酵周期為4天，考慮放罐、洗罐等輔助時(shí)間，整個(gè)周期為5天。則所需發(fā)酵罐的總數(shù)=5×6+2=32個(gè) 2，結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算根據(jù)已確定的發(fā)酵罐公稱容積，可由下式計(jì)算發(fā)酵罐圓柱體的直徑。 封頭的容積的計(jì)算橢圓形封頭的容積可查手冊或按下式計(jì)算： 封頭的容積的計(jì)算 罐的全容積 液柱高度： 裝料容積 發(fā)酵罐的容積裝料系數(shù) 二、附屬結(jié)構(gòu)的計(jì)算擋板數(shù)量和尺寸計(jì)算 攪拌器的設(shè)計(jì)計(jì)算 首先根據(jù)生產(chǎn)菌種和發(fā)酵類型選定攪拌器的類型，再從已計(jì)算出的發(fā)酵罐的直徑計(jì)算攪拌器相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸。攪拌器軸功率的計(jì)算攪拌器輸入攪拌液體的功率：是指攪拌器以既定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，用以克服介質(zhì)的阻力所需的功率，簡稱軸功率。它不包括機(jī)械傳動(dòng)的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動(dòng)機(jī)的軸功率或耗用功率。發(fā)酵罐液體中的溶氧速率以及氣液固相的混合強(qiáng)度與單位體積液體中輸入的攪拌功率有很大關(guān)系。 1，單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計(jì)算一個(gè)具體的攪拌器所輸入攪拌液體的功率取決于下列因素：葉輪和罐的相對尺寸攪拌器的轉(zhuǎn)速N 液體粘度 μ 液體密度 ρ 擋板的尺寸和數(shù)目w P＝f(N，d， ρ， μ，w) 全檔板條件下，對于牛頓型流體通過因次分析，得： 式中 P0：不通氣時(shí)攪拌器輸入液體的功率（瓦） ρ：液體的密度（公斤/米3） μ：液體的粘度（牛.秒/米2） D：渦輪直徑（米） N：渦輪轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/秒） K，m：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及 流體的流態(tài) 是一個(gè)無因次數(shù)，可定義為功率準(zhǔn)數(shù)NP。該準(zhǔn)數(shù)表征著機(jī)械攪拌所施與單位體積被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性之比。 　 NP ~ ReM 的關(guān)系：實(shí)測找出規(guī)律，即經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K，m 當(dāng)ReM＜10時(shí)，液體為層流狀態(tài)，m=-1； 當(dāng)ReM＞104時(shí)，液體為湍流狀態(tài)， m=0； 多數(shù)發(fā)酵罐攪拌器在此范圍，故Np=常數(shù)＝K，查圖得Np 。 攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)。 ReM＞104，達(dá)到充分湍流之后，ReM增加， 攪拌功率P0雖然將隨之增大，但NP保持不變，即施加于單位體積液體的外力與其慣性力之比為常數(shù)，此時(shí) P0=NPD5N3ρ 2，多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計(jì)算使用多個(gè)渦輪時(shí)，兩者間的距離S，對非牛頓型流體可取為2D， 對牛頓型流體可取2.5~3.0D； 靜液面至上渦輪的距離可取0.5~2D，下渦輪至罐底的距離C可取0.5~1.0D。符合上述條件的發(fā)酵罐，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或?qū)崪y結(jié)果都表明，多個(gè)渦輪輸出的功率近似等于單個(gè)渦輪的功率乘以渦輪的個(gè)數(shù)。 3，通氣液體機(jī)械攪拌功率的計(jì)算同一攪拌器在相等的轉(zhuǎn)速下輸入于通氣液體的攪拌功率比不通氣液體的低。這可以解釋為：通氣使液體的密度降低。功率的降低，不僅與液體平均重度的降低有關(guān)，而且主要取決于渦輪周圍氣液接觸的狀況。 邁凱爾用六平葉渦輪將空氣分散于液體中，測量其輸出功率，在雙對數(shù)坐標(biāo)上將Pg標(biāo)繪成渦輪直徑D，轉(zhuǎn)速，空氣流量Q和P0的函數(shù)，得出以下關(guān)系式： 福田秀雄在100升至42000升的系列設(shè)備里，對邁凱爾關(guān)系式進(jìn)行了校正，得 將多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別標(biāo)出 ，與實(shí)測的對應(yīng)的Pg在雙對數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪。 圖中的直線斜率為0.39，截距為2.4× 10-3 由此得出邁凱爾的修正關(guān)系式 計(jì)算舉例某細(xì)菌醪發(fā)酵罐罐直徑T＝1.8(米) 圓盤六彎葉渦輪直徑D＝0.60米，一只渦輪罐內(nèi)裝四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板 攪拌器轉(zhuǎn)速N＝168轉(zhuǎn)／分通氣量Q＝1.42米3／分(已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量) 罐壓P＝1.5絕對大氣壓醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2 醪液密度ρ＝1020公斤／米3 要求計(jì)算Pg (1)計(jì)算ReM ReM=5.25× 104 (2)由NP~ ReM查NP ， NP =4.7 (3)計(jì)算P0 P0=NPD5N3ρ= 8.07（千瓦） (4)計(jì)算Pg 三、冷卻面積的計(jì)算 1，發(fā)酵過程的熱量計(jì)算 通常以一年中最熱的半個(gè)月中每小時(shí)放出的熱量作為設(shè)計(jì)冷卻面積的根據(jù)。 發(fā)酵過程中放出熱量的計(jì)算方法有：通過冷卻水帶走的熱量進(jìn)行計(jì)算；通過發(fā)酵液的溫度升高進(jìn)行計(jì)算；通過生物合成熱進(jìn)行計(jì)算；通過燃燒熱進(jìn)行計(jì)算 根據(jù)不同類型的發(fā)酵液測得每米3發(fā)酵液每小時(shí)傳給冷卻器最大的熱量為：對青霉素的發(fā)酵約為4.186×6000Kj/m3·h，對鏈霉素的發(fā)酵約為4.186×4500Kj/m3·h，對四環(huán)素發(fā)酵約為4.186×5000Kj/m3·h 對肌苷發(fā)酵約為4.186×4200Kj/m3·h，對谷氨酸發(fā)酵約為4.186×7500Kj/m3·h。熱量傳遞 2，冷卻面積的計(jì)算 冷卻排管的傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算：發(fā)酵過程的放大常規(guī)放大進(jìn)程實(shí)驗(yàn)室：菌種篩選和培養(yǎng)基研究小試：中試規(guī)模：確定菌種培養(yǎng)的最佳操作條件工廠規(guī)模：大規(guī)模生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益 一. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備二. 搖瓶實(shí)驗(yàn)短期內(nèi)可以獲得大量數(shù)據(jù) 1. 瓶塞是氧傳遞的限制因素 2. 水蒸發(fā)的影響影響培養(yǎng)液的體積，改變氧傳遞效率，改變菌體產(chǎn)物濃度 3. 比表面積的影響搖床振蕩的頻率與振幅的大小培養(yǎng)基體積與搖瓶總體積的比率搖瓶的形式 先確定培養(yǎng)基組分通氣強(qiáng)度影響代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素?fù)u瓶實(shí)驗(yàn)：提供基本信息和初步發(fā)酵工藝數(shù)據(jù) 通過正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 一般實(shí)驗(yàn)時(shí)間、勞動(dòng)力消耗大，如要考察 3個(gè)因素和4個(gè)水平需要做3×3 ×3 ×3=81次實(shí)驗(yàn) （因素）34（水平）溫度(C) pH 濃度(mg/ml) 15 6.5 1.0 20 7.0 1.5 25 7.5 2.0 30 8.0 2.5 正交實(shí)驗(yàn)應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，作少量次數(shù)實(shí)驗(yàn)，求出各參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系確定因素和水平的數(shù)目確定進(jìn)行幾次實(shí)驗(yàn)從正交表中查設(shè)計(jì)方案正交表一般在《試驗(yàn)設(shè)計(jì)》等一類書的附錄中都可以找到搖瓶培養(yǎng)與罐培養(yǎng)的差異和發(fā)酵規(guī)模改變的影響一. 搖瓶和罐培養(yǎng)的差異 1. 體積氧傳遞系數(shù)(KLa)和溶解氧的差異 2. CO2濃度的差異 罐中CO2濃度明顯大于搖瓶，而CO2濃度對細(xì)胞呼吸和某些微生物代謝產(chǎn)物有影響 3. 菌絲受機(jī)械損傷的差異 如果菌株要求較高的Kla，罐中的生產(chǎn)能力就高于搖瓶如果菌株對機(jī)械損傷比較敏感，罐中生產(chǎn)能力就低于搖瓶 二. 發(fā)酵罐規(guī)模改變的影響引起許多物理和生物參數(shù)的改變主要因素：菌體繁殖代數(shù)：種子的形成培養(yǎng)基的滅菌通氣和攪拌熱傳遞 發(fā)酵規(guī)模的縮小和放大一. 概述使小型規(guī)模實(shí)驗(yàn)所取得的結(jié)果在大生產(chǎn)規(guī)模上重現(xiàn) ？大、小規(guī)模實(shí)驗(yàn)中菌體所處的外界環(huán)境能保持完全一致縮�。╯cale down）：大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)條件作為中小型實(shí)驗(yàn)條件放大（scale up）：實(shí)驗(yàn)室和中試車間結(jié)果應(yīng)用到大規(guī)模發(fā)酵工業(yè)中 化學(xué)因素：基質(zhì)濃度、前體濃度等物理因素：溫度、粘度、功率消耗等 化學(xué)因素可以通過人為控制來保持恒定物理因素與設(shè)備規(guī)模的大小關(guān)系很大 三. 放大的過程 1. 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)：搖瓶獲得最佳發(fā)酵工藝條件 2. 中間工廠實(shí)驗(yàn)（中試）：用一定數(shù)量的 10~15L小型發(fā)酵罐進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用研究 抽提產(chǎn)物還要有幾個(gè)3~4m3的中型罐 中試設(shè)備要自動(dòng)化程度高 3. 工廠生產(chǎn)規(guī)模：15~50m3，有的可達(dá) 300m3 放大的理論基礎(chǔ)（一）物理學(xué)基礎(chǔ) 1、單位體積液體的攪拌消耗功率 2、攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù) 3、溶氧系數(shù) 4、攪拌槳末端線速度 5、混合時(shí)間 機(jī)械攪拌罐放大過程例：機(jī)械攪拌罐經(jīng)驗(yàn)放大法某廠在100L機(jī)械攪拌罐中進(jìn)行淀粉酶生產(chǎn)試驗(yàn)，所用的菌種為枯草桿菌，獲得良好的發(fā)酵效果，擬放大至20 m3 生產(chǎn)罐，粘度μ =2.25×10-3Pa·S，密度ρL=1020　kg/m3。試驗(yàn)罐的尺寸為:直徑D=375mm，攪拌葉輪d=125mm (D/d=3.0)，高徑比H/D＝2.4，，液深HL=1.5D，4塊檔板的W/D=0.1，裝液量為60L，通氣速率1.0vvm，使用2檔圓盤六直角葉渦輪攪拌器，轉(zhuǎn)速n=350r/min。通過實(shí)驗(yàn)，證明此發(fā)酵為高耗氧的生物反應(yīng)，故可按體積溶氧系數(shù)相等之原則進(jìn)行放大。 以體積溶氧系數(shù)相等為基準(zhǔn)以體積溶氧系數(shù)相等為基準(zhǔn) 試驗(yàn)罐與放大計(jì)算結(jié)果比較 以P/VL相等為基準(zhǔn)利用經(jīng)驗(yàn)公式求解kLa往往會(huì)有較大的誤差，因此對某些發(fā)酵系統(tǒng)并不理想。而單位體積發(fā)酵液的攪拌功率P/VL與kLa有密切的關(guān)系且容易測量和計(jì)算。實(shí)踐表明，對于溶氧速率控制發(fā)酵反應(yīng)的非牛頓發(fā)酵液，把P/VL相等作為放大準(zhǔn)則效果較好。 仍以上一例的數(shù)據(jù)為依據(jù)，以P/VL相等為基準(zhǔn)進(jìn)行放大計(jì)算。 試驗(yàn)罐與放大計(jì)算結(jié)果比較以攪拌葉尖線速度相等為基準(zhǔn)應(yīng)用絲狀菌進(jìn)行發(fā)酵，因這類微生物細(xì)胞受攪拌剪切的影響較明顯，而攪拌葉尖線速度πdn是決定攪拌剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵。若僅考慮維持kLa或P/VL相等而不考慮攪拌剪切的影響，可能導(dǎo)致放大設(shè)計(jì)失誤。在P/VL相等的條件下，d/D越小，攪拌剪切越強(qiáng)烈，這有利于菌絲體的分散和氣泡的破裂細(xì)碎，有利于溶氧傳質(zhì)。但是若攪拌葉輪直徑(d/D)過小，則攪拌泵送能力下降，混合時(shí)間加長，這會(huì)影響反應(yīng)溶液混合的均勻性。通常對大多數(shù)的生物發(fā)酵，攪拌葉尖線速度宜取2.5~5.0 m/s. 小結(jié)：研究工業(yè)發(fā)酵過程的三個(gè)階段: 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模 中試工廠規(guī)模 工廠生產(chǎn)規(guī)模 放大的方法： 剪切作用對生物過程的影響對微生物的影響細(xì)菌一般是1~2mm，對剪切不敏感的。具有堅(jiān)硬的細(xì)胞壁，受剪切力影響較小。酵母一般為5mm，細(xì)胞壁厚，但出芽點(diǎn)和疤點(diǎn)是細(xì)胞壁的弱處。有報(bào)道證明酵母出芽繁殖受到機(jī)械攪拌的影響。霉菌和放線菌(菌團(tuán)形式和自由絲狀形式) 不同形式對發(fā)酵液的粘度及氧傳質(zhì)的影響是不同的。剪切會(huì)打破菌團(tuán)和菌絲體，對菌絲形態(tài)、生長、和產(chǎn)物合成造成影響，還可能導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)的釋放。剪切作用對動(dòng)物細(xì)胞的影響氣升式反應(yīng)器的放大沒有機(jī)械攪拌裝置壓縮空氣的壓強(qiáng)、流量及空壓機(jī)的型號規(guī)格是決定反應(yīng)器能耗的關(guān)鍵反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、發(fā)酵液的物化特性也起著重要的作用鼓泡式反應(yīng)器常以空截面氣速為基準(zhǔn)氣升式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)雖然生物氣升式反應(yīng)器是氣液非均相體系，但是其最基本的原理和最重要的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)是與純水的液體噴射循環(huán)反應(yīng)器相似的。結(jié)構(gòu)尺寸：反應(yīng)器高H‘ 液位高H 反應(yīng)器內(nèi)徑Dt 噴射管內(nèi)徑D1 循環(huán)管高LE 循環(huán)管直徑Dr 循環(huán)管距底部Au 基本設(shè)計(jì)參數(shù)反應(yīng)器高徑比：s=H/Dt H是液位高反應(yīng)器體積：VR=Dt2Hp/4 反應(yīng)液質(zhì)量：MR=rVR=rsDt3p/4 循環(huán)比：g=M3/M1=(M1+M2)/M1=1+M2/M1 M3是總質(zhì)量流率， M2是循環(huán)質(zhì)量流率，M1是進(jìn)出口質(zhì)量流率平均循環(huán)速率：um=8M3/rpDt2=8M1g/rpDt2 循環(huán)空速：gU=M3/MR=um/2H=tUm-1 平均循環(huán)時(shí)間：tUm=gU-1 平均停留時(shí)間：tm=MR/M1=gtUm=g/gU 噴嘴出口液體流速：u1=4V1/pD12=4M1/rpD12 噴嘴雷諾準(zhǔn)數(shù)：Re1=u1D1/m1=4M1/m1r1pD1 平均雷諾準(zhǔn)數(shù)Rem=umDt/mm=8M1g/mmpDt 其它的設(shè)計(jì)參數(shù)還有：氣含率 e 平均體積氣含率 e=Vg/(Vg+VL) Vg是氣泡總體積 混合時(shí)間 tm 體積傳氧系數(shù) kLa 對于氣泡非并合液相，體積溶氧系數(shù)kLa完全取決于從空氣分布器進(jìn)入發(fā)酵液后的氣泡大小。循環(huán)阻力驅(qū)動(dòng)循環(huán)的功率和效率 因氣升式反應(yīng)器沒有機(jī)械攪拌，故對于生物細(xì)胞的剪切作用相對較弱，除了動(dòng)物細(xì)胞外，可不必考慮其剪切作用。 氣升式反應(yīng)器在單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)及污水處理中用得最多，也廣泛應(yīng)用于植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)。用于污水處理的氣升式豎井循環(huán)反應(yīng)器已有100~300m深的規(guī)模。 反應(yīng)器的放大和設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是使生物反應(yīng)迅速達(dá)到預(yù)期的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算包括能量消耗、混合與溶氧傳質(zhì)、熱量傳遞、培養(yǎng)基配方等。 第四節(jié) 通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備一、自然通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備二、機(jī)械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備 (1)通過冷卻水帶走的熱量進(jìn)行計(jì)算 根據(jù)工藝設(shè)計(jì)的要求，選定同類型的發(fā)酵罐，于氣溫最熱的季節(jié)，選擇主發(fā)酵期產(chǎn)生熱量最快最大的時(shí)刻，測定冷卻水進(jìn)口的水溫及冷卻水出口的水溫，并測定此時(shí)每小時(shí)冷卻水的用量，按下式計(jì)算單位體積發(fā)酵液每小時(shí)傳給冷卻器的最大熱量。 (2)通過發(fā)酵液的溫度升高進(jìn)行計(jì)算 于氣溫最熱的季節(jié)選擇主發(fā)酵期產(chǎn)生熱量最快最大的時(shí)刻，通過罐溫的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，關(guān)閉冷卻水，觀察罐內(nèi)發(fā)酵液在半小時(shí)內(nèi)上升的溫度，再換算為一小時(shí)內(nèi)上升的溫度，則可按下式計(jì)算出單位體積發(fā)酵液每小時(shí)放出最大熱量的近似值。 (3)通過生物合成進(jìn)行計(jì)算 發(fā)酵過程中的熱量包括發(fā)酵過程散發(fā)熱和攪拌熱。總發(fā)酵熱可按下式計(jì)算： 攪拌器所產(chǎn)生的熱量可用下列近似公式計(jì)算: 汽化熱Q3的計(jì)算： (4) 通過燃燒熱進(jìn)行計(jì)算根據(jù)赫斯定律：熱效應(yīng)決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化的途徑無關(guān)。反應(yīng)的熱效應(yīng)，等于產(chǎn)物的生成熱的總和減去作用物的生成熱的總和。 The End Thanks! 五、染菌對產(chǎn)物提取和產(chǎn)品質(zhì)量的影響 1、對過濾的影響：發(fā)酵液的粘度加大菌體大多自溶由于發(fā)酵不徹底，基質(zhì)的殘留濃度增加 2、造成的后果：過濾時(shí)間拉長，影響設(shè)備的周轉(zhuǎn)使用，破壞生產(chǎn)平衡大幅度降低過濾收率 3、提�。河袡C(jī)溶劑萃取工藝：染菌的發(fā)酵液含有更多的水溶性蛋白質(zhì)，易發(fā)生乳化，使水相和溶劑相難以分開 4、離子交換雜菌易粘附在離子交換樹脂表面或被離子交換樹脂吸附，大大降低離子交換樹脂的交換量 對產(chǎn)品質(zhì)量的影響對內(nèi)在質(zhì)量的影響：染菌的發(fā)酵液含有較多的蛋白質(zhì)和其它雜質(zhì)。對產(chǎn)品的純度有較大影響。對產(chǎn)品外觀的影響：一些染菌的發(fā)酵液經(jīng)處理過濾后得到澄清的發(fā)酵液，放置后會(huì)出現(xiàn)混濁，影響產(chǎn)品的外觀。 判斷發(fā)酵是否染菌應(yīng)以無菌試驗(yàn)結(jié)果為根據(jù)無菌試驗(yàn)的目的： 1、監(jiān)測培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及附屬設(shè)備滅菌是否徹底 2、監(jiān)測發(fā)酵過程中是否有雜菌從外界侵入 3、了解整個(gè)生產(chǎn)過程中是否存在染菌的隱患和死角ISv紅軟基地