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简介
这是一个关于好氧处理工艺PPT，包括了好氧发酵产物的生物合成机制，发酵过程的工艺控制，发酵染菌及防治，通风发酵设备，其他发酵罐，发酵罐设计，发酵过程的放大，通风固相发酵设备等内容。第一节 好氧发酵产物的生物合成机制一、谷氨酸发酵机制二、柠檬酸发酵机制三、其他好氧发酵产物的合成 2. 亨利定律(Henry's law) 在等温等压下，某种气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的平衡压力成正比。这就是亨利定律，物理化学的基本定律之一．（二）微生物的耗氧------ 供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系氧是细胞的组成成分和各种产物的构成元素，又是生物能量代谢的必需元素。氧是好气性微生物氧化代谢的电子最终受体，同时通过氧化磷酸化反应生成生物体生命活动过程中所需要的能量。 氧在液体中的溶解特性温度溶液性质氧分压 二、氧的传质理论 气体吸收 气体吸收是气相成分单向往液相扩散溶解的物质传递过程。物质传递速度的机理，主要模型有根据Whiteman建议的稳定模型(1923年提出)与Higbie提供的不稳定模型(1935年提出)，前者以双膜学说(two-film theory)，欢迎点击下载好氧处理工艺PPT哦。
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第一节 好氧发酵产物的生物合成机制一、谷氨酸发酵机制二、柠檬酸发酵机制三、其他好氧发酵产物的合成 2. 亨利定律(Henry's law) 在等温等压下，某种气体在溶液中的溶解度与液面上该气体的平衡压力成正比。这就是亨利定律，物理化学的基本定律之一．（二）微生物的耗氧------ 供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系氧是细胞的组成成分和各种产物的构成元素，又是生物能量代谢的必需元素。氧是好气性微生物氧化代谢的电子最终受体，同时通过氧化磷酸化反应生成生物体生命活动过程中所需要的能量。 氧在液体中的溶解特性温度溶液性质氧分压 二、氧的传质理论 气体吸收 气体吸收是气相成分单向往液相扩散溶解的物质传递过程。 物质传递速度的机理，主要模型有根据Whiteman建议的稳定模型(1923年提出)与Higbie提供的不稳定模型(1935年提出)，前者以双膜学说(two-film theory)。 三、 影响氧传递速率的因素 一般而言，通气时，会降低发酵液粘度，降低搅拌功率，增加KLa 在特定的条件下，通人发酵罐的空气流速增加时，搅拌功率会下降， KLa会增加；当空气流速达某一值时，增加空气流速，搅拌功率不再下降， KLa不再增加，此时的空气流速称为气泛点(Flooding point) 经验得出，对KLa的影响，搅拌功率远远大于空气流速，如图示 3、发酵液理化性质的影响 KLa与发酵液的粘度成反比关系，在发酵过程中，微生物不断改变发酵液基质浓度，菌丝形态，菌体浓度及产物浓度，进而改变发酵液粘度，使KLa处于动态变化之中，尤其是放线菌，霉菌的发酵液，如图示: 四、液相体积氧传递系数KLa的测定（一）发酵液中溶解氧浓度的测定 ①亚硫酸盐氧化法 ②溶氧电极法 ③ 氧的物料衡算法 （二）摄氧率的测定用复膜氧电极停气法测定。 单位电流值代表的溶氧浓度=C*/(i饱-i残) 其中， C* 饱和溶氧浓度，mmolO2/L i饱 在饱和溶氧浓度时的电流值，mV i残 残余电流，在溶氧浓度为零时的电流值，mV 标定后的电极便可用于测定。 某一发酵时间的菌体摄氧率： r = C*/(i饱-i残)∙(-∆i/∆t) ∆t 停止供气后溶氧浓度下降至最低点所用的时间(h); ∆i 在∆t 时间内电流的变化值，mV 方法： ①亚硫酸盐氧化法 ②直接测定---氧的物料衡算法 ③动态测定---溶氧电极法 1、亚硫酸盐氧化法（经典方法） 原理：常用Na2SO3，它在溶液中浓度1M左右时，在相当大的范围内，在Cu2+催化下，被氧化的速度很快，氧溶解速度控制了氧化反应。 每分钟溶解氧的摩尔数： 用亚硫酸盐氧化法测体积溶氧系数kLa 将实验测定的Nv代入 式可算出kLa。在整个氧化过程中，溶液中溶氧的浓度为0，即C=0。在亚硫酸盐氧化法的具体条件下，规定。 已知： ∴ 2、直接测定---氧的物料衡算法求KLa值 例题 一个装料7L的实验罐，通气量1L/min，操作压力为0.3kg/cm2，在某发酵时间内，发酵液的溶氧饱和度为25%。空气进口氧含量21%，排出废气中氧含量19.8%。求此时的摄氧率r及体积氧传递系数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、动态测定---溶氧电极法优点：①耐高温 ②连续测量 1、原理：把溶解氧转化为 电流信号。 阳极：Pb 阴极：Ag/Pt 电流直接指示溶解氧浓度。 只用复膜氧电极，暂时停气，只适用于试验罐的测定。 停气后，发酵液中溶氧浓度的变化速率： （四）测定KLa的三个用途 1．对生物反应器的传氧性能进行测定，以便选择最佳条件进行操作，并对其进行评价。 2．对发酵过程传氧情况进行了解，以便判断发酵过程的供氧情况。 3．为通风罐的研究过程找出设备参数(如D/T、Ni )，操作变数(如N，Q)与KLa的关系，以便进行通用发酵罐的放大和合理设计。 （五）提高溶氧的措施进行液体培养时，一般可通过增加液体与氧的接触面积或提高氧分压来提供溶氧速率： ①浅层液体培养； ②利用往复式或旋转式摇床(shaker)对三角瓶培养物作振荡培养； ③在深层液体培养器的底部通入加压空气，并用气体分布器使其以小气泡形式均匀喷出； ④对培养液进行机械搅拌，并在培养器的壁上设置阻挡装置。 第二节 发酵过程的工艺控制 二、二氧化碳和呼吸熵对发酵的影响及其控制二氧化碳的影响（1）CO2是微生物在生长繁殖过程中的代谢产物，也是某些合成代谢的基质，对微生物生长和发酵具有刺激作用。如环状芽孢杆菌 发芽需要CO2；大肠杆菌和链孢霉变株的生长因子（30％CO2）。（2）CO2对菌体生长还具有抑制作用，排气中CO2浓度高于4％时，菌体的糖代谢和呼吸速率都下降。（3）CO2对微生物发酵也有影响。 如牛链球菌发酵生产多糖（5％的CO2）和精氨酸发酵均需要有一定的CO2。 紫苏霉素 （1％ CO2 ）和红霉素（11％ CO2 ）产量下降（4）酸碱平衡 三、温度对发酵的影响及其控制 发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如: 四环素生长阶段28℃，合成期26 ℃后期再升温；黑曲霉生长37 ℃ ，产糖化酶32～34 ℃ 。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如：谷氨酸产生菌生长30～32 ℃ ，产酸34～37 ℃ 。 最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。 （二）碳源的影响及其控制（三）氮源的影响及其控制 1、FBC的作用可以控制抑制性底物的浓度 可以解除或减弱分解产物阻遏可以使发酵过程最佳化 优点： ①可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解产物阻遏； ②可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长所引起的一切影响，改善发酵液流变学的性质； ③可用作控制细胞质量的手段，以提高发芽孢子的比例； ④可作为理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础。 缺点：存在一定的非生产时间；和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。 FBC的补料方式 有连续流加、不连续流加或多周期流加。每次流加又可分为快速流加，恒速流加，指数速率流加和变速流加。从反应器中发酵体积来分，又有变体积和恒体积之分。从反应器数目分类又有单级和多级之分。从补加培养基的成分来分，又可分为单组分补料和多组分补料。 补料方式连续流加不连续流加多周期流加补料成分单一组分流加多组分流加控制方式反馈控制无反馈控制 （二）泡沫的控制调整培养基成分消除形成的泡沫（1）机械消沫（2）加入消沫剂 （3）对消泡剂的要求在气-液界面上有足够大的铺展系数，要有一定的亲水性；低浓度时就起作用；持久性；无毒；不影响下游分离；成本；不影响氧传递；能高温灭菌。 七、发酵终点的确定放罐时间确定的依据（1）考虑经济因素生产能力：实际发酵时间、准备时间的综合。生产率：（2）产品质量因素 后续工艺和产品质量的影响（3）特殊因素染菌、代谢异常等情况第四节 发酵染菌及防治一、发酵过程中染菌的检查判断 1、杂菌的检查方法 目前生产上常用的杂菌检查方法有： ①显微镜检查：染色 镜检 ②平板划线检查：到平板 空培养 待测样品划线 培养观察 ③酚红肉汤培养检查：无菌肉汤培养基空培养 接入样品 培养观察 各种检查方法的比较：显微镜检查方法简便、快速，能及时发现杂菌，但由于镜检取样少，视野的观察面也小，因此不易检出早期杂菌。平板划线法和肉汤培养方法的缺点是需经较长时间培养(一般要过夜)才能判断结果，且操作较繁琐，但它要比显微镜能检出更少的杂菌，而且结果也更为准确 杂菌检查中的问题： 检查结果应以平板划线和肉汤培养结果为主要根据平板划线和肉汤培养应做三个平行样要定期取样酚红肉汤和平板划线培养样品应保存至放罐后12小时，确定为无菌时方可弃去取样时防止外界杂菌混入的措施 检查的工序和时间： 选择那些生产工序和时间的样品检查也是十分重要的问题。科学合理的选择检查工序和时间，对于除去已污染杂菌的物料，避免下道工序再遭染菌，有着直接的指导意义。有时即使由于检查时间较长，未能及时据导本批生产，但对于找出造成染菌事故的环节，分析染菌原因，杜绝染菌漏洞也是不可缺少的。由于生产菌种相产品的不同，检查的时间也不完全一样：但总的原则是一致的，即每个工序或经一定时间都应进行取样检查。发酵过程的杂菌检查 除了以上的方法外，在实际生产中还可以根据以下参数的异常变化来判断是否染菌溶解氧 pH值尾气中CO2含量 2、发酵染菌率和染菌原因的分析（1）发酵染菌率总染菌率：指一年内发酵染菌的批次与总投料批次数的百分率设备染菌率：统计发酵罐或其他设备的染菌率，有利于查找因设备缺陷而造成的染菌原因不同品种发酵的染菌率：统计不同品种发酵的染菌率，有助于查找不同品种发酵染菌的原因 不同发酵阶段的染菌率：将整个发酵周期分成前期、中期和后期三个阶段，分别统计其染菌率。有助于查找染菌的原因。季节染菌率：统计不同季节的染菌率，可以采取相应的措施制服染菌。操作染菌率：统计操作工的染菌率，一方面可以分析染菌原因，另一方面可以考核操作工的灭菌操作技术水平。（2）染菌原因的分析避免在发酵生产中污染杂菌应以预防为主。 ③从染菌的规模来分析染菌原因 大批发酵罐染菌 ：空气系统部分发酵罐(或罐组)染菌：前期可能是种子带杂菌，或灭菌不彻底，中后期则可能是中间补料系统或油管路系统发生问题所造成的个别发酵罐连续染菌：设备问题(如阀门的渗漏或罐体腐蚀磨损)，设备的腐蚀磨损所引起的染菌会出现每批发酵的染菌时间向前推移的现象个别发酵罐偶然染菌：原因比较复杂，因为各种染菌途径都可能引起。 ④从染菌的时间来分析发酵早期染菌：种子带菌、培养基和设备灭菌不彻底、设备或管道有死角中、后期染菌：中间补料、设备渗漏、操作不合理 ⑤从染菌的类型来分析 耐热性芽抱杆菌：死角或灭菌不彻底球菌、酵母：可能是从蒸汽的冷凝水或空气中带来的浅绿色菌落(革兰氏阴性杆菌) ：发酵罐的冷却管或夹套渗漏霉菌：灭菌不彻底或无菌操作不严格二、不同种类的杂菌对发酵的影响青霉素发酵：污染细短产气杆菌比粗大杆菌的危害大；链霉素发酵：污染细短杆菌、假单孢杆菌和产气杆菌比粗大杆菌的危害大；四环素发酵：污染双球菌、芽孢杆菌和夹膜杆菌的危害较大；柠檬酸发酵：最怕污染青霉菌；肌苷、肌苷酸发酵：污染芽孢杆菌的危害最大；谷氨酸发酵：最怕污染噬菌体；高温淀粉酶发酵：污染芽孢杆菌和噬菌体的危害较大。 三、不同染菌时间对发酵的影响种子培养期染菌：发酵前期染菌：杂菌与生产菌争夺营养成分，干扰生产菌的繁殖和产物的形成发酵中期染菌：严重干扰生产菌的繁殖和产物的生成发酵后期染菌：如杂菌量不大，可继续发酵。如污染严重，可采取措施提前放罐不同染菌途径对发酵的影响种子带菌：种子带菌可使发酵染菌具有延续性空气带菌：空气带菌也使发酵染菌具有延续性，导致染菌范围扩大至所有发酵罐培养基或设备灭菌不彻底：一般为孤立事件，不具有延续性设备渗漏：造成染菌的危害性较大四、发酵异常现象及原因分析五、杂菌污染的防治种子带菌及其防治空气带菌及其防治操作失误设备渗漏或“死角” 有时发酵罐偶而染菌，原因一时又找不出，一般可以采取以下措施： (1)连续灭菌系统前的料液贮罐在每年4一10月份(杂菌较旺盛生长的时间)加入0.2%甲醛，加热至80°C，存放处理4小时，以减少带入培养液中的杂菌数。 (2)对染菌的罐，在培养液灭菌前先加甲醛进行空消处理。甲醛用量每立方米罐的体积0.12~0.17升。 (3)对染菌的种子罐可在罐内放水后进行灭菌，灭菌后水量占罐体的三分之二以上。这是因为细菌芽孢较耐干热而不耐湿热的缘故。 六、染菌后的挽救措施 种子培养或种子罐中发现污染 。发酵早期染菌可以适当添加营养物质，重新灭菌后再接种发酵。 中后期染菌，如果杂菌的生长将影响发酵的正常进行或影响产物的提取时，应该提早放罐。 有些发酵染菌后发酵液中的碳、氮源还较多，如果提早放罐，这些物质会影响后处理提取使产品取不出，此时应先设法使碳、氮源消耗，再放罐提取。七、噬菌体感染和处理方法利用细菌或放线菌进行的发酵容易感染噬菌体。 噬菌体是病毒的一种，直径约0.1微米，可以通过细菌过滤器，所以通用的空气过滤器不易将其除去。 1、引起噬菌体感染的原因设备的渗漏 空气系统、培养基灭菌不彻底 2、预防噬菌体感染的措施发酵罐的排气管要用汽封或引入药液(如高锰酸钾、漂白粉或石灰水等溶液)槽中。取样、洗罐或倒罐的带菌液体要处理后才允许排入下水道。把好种子关，实现严格的无菌操作。搞好生产场地的环境卫生。车间四周要经常进行检查，如发现噬菌体即时用药液喷洒。 3、感染噬菌体后采用的理方法 选育抗性菌株。轮换使用专一性不同的菌株。加化学药物(如谷氨酸发酵可加2~4ppm氯霉素，0.1%三聚磷酸钠，0.6%柠檬酸钠或铵等)。将培养液重新灭菌再接种(噬菌体不耐热，70~80˚C经5分钟即可杀死)。其他方法。如谷氨酸发酵在初期感染噬茵体，可以利用噬菌体只能在生长阶段的细胞(即幼龄细胞)中繁殖的特点，将发酵正常并已培养了16~18小时(此时菌体己生长好并肯定不染菌)的发酵液加入感染噬菌体的发酵液中，以等体积混合后再分开发酵。实践证明，在谷氨酸发酵中，采用这个方法可获得较好的效果。 第三节 通风发酵设备生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一大型发酵罐搅拌装置一个优良的培养装置应具有：严密的结构良好的液体混合性能高的传质和传热速率灵敏的检测和控制仪表 一、 发酵罐（Fermenter） 1. 基本概念发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏，广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备，在有些情况下，密闭容器，简单容器发酵罐的(fermenter)定义：为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。 第一阶段:1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的热交换仪器。第二阶段:1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。 第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服一些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。发酵罐的特点 （1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。 在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛如pH电极、溶解氧电极、溶解二氧化碳电极等的在线检测etc。 1. 按微生物生长：厌氧和好氧发酵设备 2. 按发酵罐搅拌方式： 机械搅拌通风发酵罐 非机械搅拌通风发酵罐 3. 按溶积分类 实验室发酵罐 中试发酵罐 生产规模的发酵罐 4. 按微生物生长环境 悬浮生长系统 支持生长系统 5. 按操作方式 分批发酵 连续发酵 一、机械搅拌发酵罐 （一）概况 1. 基本结构 利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液混合并溶解在发酵液中，基本要求： 1）适宜的径高比，罐身较长，氧利用率较高 2）能耐受一定的压力 3）搅拌通风装置 4）足够的冷却面积 5）罐内要减少死角 6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露 2，机械搅拌发酵罐的结构罐身轴封消泡器搅拌器联轴器中间轴承挡板空气分布器换热装置人孔以及管路等 标准发酵罐的几何尺寸 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. 罐体： 培养微生物的巨大容器，密闭式的，在发酵过程中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为2.5×105Pa 形状，圆柱形，两端椭圆形--受力均匀，减少死角，物料容易排除， 高度与直径比1.7~4：1，有利于提高空气利用率 中大型发酵罐装有供维修、清洗的人孔罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或蒸汽吹管罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管、压力表接管罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管和测控仪器接口 轴向式搅拌器桨叶式螺旋桨式径向式（涡轮式）搅拌器（Disc turbine）平直叶弯叶箭叶 5. 档板(Baffle) 克服搅拌器运转时液体产生的涡流，将径向流动改变为轴向流动，促使液体激烈翻动，增加溶氧速率通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4-6块即可满足全挡板条件。 9. 联轴器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。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。 10. 变速装置试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动较为简便。 11. 发酵罐的换热装置夹套式换热装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐；夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。优点：结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行清洁灭菌工作，有利于发酵。缺点：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差， 竖式蛇管换热装置 是竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组或八组不等，根据管的直径大小而定，容积5米3以上的发酵罐多用这种换热装置。优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。这种冷却装置适用于冷却用水温度较低的地区，水的用量较少。但是气温高的地区，冷却用水温度较高，则发酵时降温困难，发酵温度经常超过40˚C，影响发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，这样就增加了设备投资及生产成本。此外，弯曲位置比较容易蚀穿。其他发酵罐自吸式发酵罐 自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。与机械搅拌发酵罐的主要区别： ①有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定子组成； ②没有通气管。应用： 医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵母、蛋白酶等。取得了良好的成绩。 气提塔式发酵罐 空气压缩机是气提式发酵罐的重要组成部分，它的效率决定于它的形式。压缩气体通过空气分布器进入液体后，最初形成的气泡是由液体剧烈翻动来分散的，所以气泡的分散程度决定于功率消耗速率。 液提式发酵罐 液提发酵罐是液体借助于一个液体泵进行输送，同时气体在液体的喷嘴处被吸入发酵罐。喷嘴是这类发酵罐的一个特殊部件，制造要求精密。 带升式发酵罐 带升式发酵罐也称为气流搅拌发酵罐，不用机械搅拌，借通风起到搅拌作用并供给氧气。小结：发酵罐的类型及其优缺点；各类发酵罐的基本结构；发酵罐各附件的结构及其作用。 发酵罐设计机械搅拌发酵罐的设计机械搅拌发酵罐主要由搅拌装置、轴封和罐体三部分组成。三个组成部分各起如下的作用: 搅拌装置：由传动装置、搅拌轴、搅拌器组成 ，由电动机和皮带传动驱动搅拌轴使搅拌器按照一定的转速旋转，以实现搅拌的目的。轴封：为搅拌罐和搅拌轴之间的动密封，以封住罐内的流体不致泄漏。罐体：罐体、加热装置及附件。一、发酵罐的结构计算 1，罐容积的计算根据生产规模和发酵水平计算每日所需发酵液的量，再根据这一数据确定发酵罐的容积。 例如，一年产5万吨柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平平均为14%，提取总收率90%，年生产日期为300天，发酵周期为96小时。每日的产量=50000/300=166.7 吨每日所需发酵液的量=166.7/(0.14×0.9) =1322.8 米3 假定发酵罐的装液系数为85% 则每日所需发酵罐容积=1322.8/0.85=1556米3 取发酵罐的公称容积为250米3 则每日需要6个发酵罐发酵周期为4天，考虑放罐、洗罐等辅助时间，整个周期为5天。则所需发酵罐的总数=5×6+2=32个 2，结构尺寸的计算根据已确定的发酵罐公称容积，可由下式计算发酵罐圆柱体的直径。 封头的容积的计算椭圆形封头的容积可查手册或按下式计算： 封头的容积的计算 罐的全容积 液柱高度： 装料容积 发酵罐的容积装料系数 二、附属结构的计算挡板数量和尺寸计算 搅拌器的设计计算 首先根据生产菌种和发酵类型选定搅拌器的类型，再从已计算出的发酵罐的直径计算搅拌器相应的结构尺寸。搅拌器轴功率的计算搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅拌器以既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。发酵罐液体中的溶氧速率以及气液固相的混合强度与单位体积液体中输入的搅拌功率有很大关系。 1，单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算一个具体的搅拌器所输入搅拌液体的功率取决于下列因素：叶轮和罐的相对尺寸搅拌器的转速N 液体粘度 μ 液体密度 ρ 挡板的尺寸和数目w P＝f(N，d， ρ， μ，w) 全档板条件下，对于牛顿型流体通过因次分析，得： 式中 P0：不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦） ρ：液体的密度（公斤/米3） μ：液体的粘度（牛.秒/米2） D：涡轮直径（米） N：涡轮转数（转/秒） K，m：决定于搅拌器的型式，挡板的尺寸及 流体的流态 是一个无因次数，可定义为功率准数NP。该准数表征着机械搅拌所施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性之比。 NP ~ ReM 的关系：实测找出规律，即经验系数K，m 当ReM＜10时，液体为层流状态，m=-1； 当ReM＞104时，液体为湍流状态， m=0； 多数发酵罐搅拌器在此范围，故Np=常数＝K，查图得Np 。 搅拌功率准数NP是搅拌雷诺数ReM的函数。 ReM＞104，达到充分湍流之后，ReM增加， 搅拌功率P0虽然将随之增大，但NP保持不变，即施加于单位体积液体的外力与其惯性力之比为常数，此时 P0=NPD5N3ρ 2，多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算使用多个涡轮时，两者间的距离S，对非牛顿型流体可取为2D， 对牛顿型流体可取2.5~3.0D； 静液面至上涡轮的距离可取0.5~2D，下涡轮至罐底的距离C可取0.5~1.0D。符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功率乘以涡轮的个数。 3，通气液体机械搅拌功率的计算同一搅拌器在相等的转速下输入于通气液体的搅拌功率比不通气液体的低。这可以解释为：通气使液体的密度降低。功率的降低，不仅与液体平均重度的降低有关，而且主要取决于涡轮周围气液接触的状况。 迈凯尔用六平叶涡轮将空气分散于液体中，测量其输出功率，在双对数坐标上将Pg标绘成涡轮直径D，转速，空气流量Q和P0的函数，得出以下关系式： 福田秀雄在100升至42000升的系列设备里，对迈凯尔关系式进行了校正，得 将多组实验数据分别标出 ，与实测的对应的Pg在双对数坐标上标绘。 图中的直线斜率为0.39，截距为2.4× 10-3 由此得出迈凯尔的修正关系式 计算举例某细菌醪发酵罐罐直径T＝1.8(米) 圆盘六弯叶涡轮直径D＝0.60米，一只涡轮罐内装四块标准挡板 搅拌器转速N＝168转／分通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量) 罐压P＝1.5绝对大气压醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2 醪液密度ρ＝1020公斤／米3 要求计算Pg (1)计算ReM ReM=5.25× 104 (2)由NP~ ReM查NP ， NP =4.7 (3)计算P0 P0=NPD5N3ρ= 8.07（千瓦） (4)计算Pg 三、冷却面积的计算 1，发酵过程的热量计算 通常以一年中最热的半个月中每小时放出的热量作为设计冷却面积的根据。 发酵过程中放出热量的计算方法有：通过冷却水带走的热量进行计算；通过发酵液的温度升高进行计算；通过生物合成热进行计算；通过燃烧热进行计算 根据不同类型的发酵液测得每米3发酵液每小时传给冷却器最大的热量为：对青霉素的发酵约为4.186×6000Kj/m3·h，对链霉素的发酵约为4.186×4500Kj/m3·h，对四环素发酵约为4.186×5000Kj/m3·h 对肌苷发酵约为4.186×4200Kj/m3·h，对谷氨酸发酵约为4.186×7500Kj/m3·h。热量传递 2，冷却面积的计算 冷却排管的传热系数可按下式计算：发酵过程的放大常规放大进程实验室：菌种筛选和培养基研究小试：中试规模：确定菌种培养的最佳操作条件工厂规模：大规模生产，经济效益 一. 实验设备二. 摇瓶实验短期内可以获得大量数据 1. 瓶塞是氧传递的限制因素 2. 水蒸发的影响影响培养液的体积，改变氧传递效率，改变菌体产物浓度 3. 比表面积的影响摇床振荡的频率与振幅的大小培养基体积与摇瓶总体积的比率摇瓶的形式 先确定培养基组分通气强度影响代谢产物产量的关键因素摇瓶实验：提供基本信息和初步发酵工艺数据 通过正交实验进行实验设计 一般实验时间、劳动力消耗大，如要考察 3个因素和4个水平需要做3×3 ×3 ×3=81次实验 （因素）34（水平）温度(C) pH 浓度(mg/ml) 15 6.5 1.0 20 7.0 1.5 25 7.5 2.0 30 8.0 2.5 正交实验应用数理统计原理，作少量次数实验，求出各参数之间的数量关系确定因素和水平的数目确定进行几次实验从正交表中查设计方案正交表一般在《试验设计》等一类书的附录中都可以找到摇瓶培养与罐培养的差异和发酵规模改变的影响一. 摇瓶和罐培养的差异 1. 体积氧传递系数(KLa)和溶解氧的差异 2. CO2浓度的差异 罐中CO2浓度明显大于摇瓶，而CO2浓度对细胞呼吸和某些微生物代谢产物有影响 3. 菌丝受机械损伤的差异 如果菌株要求较高的Kla，罐中的生产能力就高于摇瓶如果菌株对机械损伤比较敏感，罐中生产能力就低于摇瓶 二. 发酵罐规模改变的影响引起许多物理和生物参数的改变主要因素：菌体繁殖代数：种子的形成培养基的灭菌通气和搅拌热传递 发酵规模的缩小和放大一. 概述使小型规模实验所取得的结果在大生产规模上重现 ？大、小规模实验中菌体所处的外界环境能保持完全一致缩小（scale down）：大规模发酵生产条件作为中小型实验条件放大（scale up）：实验室和中试车间结果应用到大规模发酵工业中 化学因素：基质浓度、前体浓度等物理因素：温度、粘度、功率消耗等 化学因素可以通过人为控制来保持恒定物理因素与设备规模的大小关系很大 三. 放大的过程 1. 实验室实验：摇瓶获得最佳发酵工艺条件 2. 中间工厂实验（中试）：用一定数量的 10~15L小型发酵罐进行实际应用研究 抽提产物还要有几个3~4m3的中型罐 中试设备要自动化程度高 3. 工厂生产规模：15~50m3，有的可达 300m3 放大的理论基础（一）物理学基础 1、单位体积液体的搅拌消耗功率 2、搅拌雷诺准数 3、溶氧系数 4、搅拌桨末端线速度 5、混合时间 机械搅拌罐放大过程例：机械搅拌罐经验放大法某厂在100L机械搅拌罐中进行淀粉酶生产试验，所用的菌种为枯草杆菌，获得良好的发酵效果，拟放大至20 m3 生产罐，粘度μ =2.25×10-3Pa·S，密度ρL=1020 kg/m3。试验罐的尺寸为:直径D=375mm，搅拌叶轮d=125mm (D/d=3.0)，高径比H/D＝2.4，，液深HL=1.5D，4块档板的W/D=0.1，装液量为60L，通气速率1.0vvm，使用2档圆盘六直角叶涡轮搅拌器，转速n=350r/min。通过实验，证明此发酵为高耗氧的生物反应，故可按体积溶氧系数相等之原则进行放大。 以体积溶氧系数相等为基准以体积溶氧系数相等为基准 试验罐与放大计算结果比较 以P/VL相等为基准利用经验公式求解kLa往往会有较大的误差，因此对某些发酵系统并不理想。而单位体积发酵液的搅拌功率P/VL与kLa有密切的关系且容易测量和计算。实践表明，对于溶氧速率控制发酵反应的非牛顿发酵液，把P/VL相等作为放大准则效果较好。 仍以上一例的数据为依据，以P/VL相等为基准进行放大计算。 试验罐与放大计算结果比较以搅拌叶尖线速度相等为基准应用丝状菌进行发酵，因这类微生物细胞受搅拌剪切的影响较明显，而搅拌叶尖线速度πdn是决定搅拌剪切强度的关键。若仅考虑维持kLa或P/VL相等而不考虑搅拌剪切的影响，可能导致放大设计失误。在P/VL相等的条件下，d/D越小，搅拌剪切越强烈，这有利于菌丝体的分散和气泡的破裂细碎，有利于溶氧传质。但是若搅拌叶轮直径(d/D)过小，则搅拌泵送能力下降，混合时间加长，这会影响反应溶液混合的均匀性。通常对大多数的生物发酵，搅拌叶尖线速度宜取2.5~5.0 m/s. 小结：研究工业发酵过程的三个阶段: 实验室规模 中试工厂规模 工厂生产规模 放大的方法： 剪切作用对生物过程的影响对微生物的影响细菌一般是1~2mm，对剪切不敏感的。具有坚硬的细胞壁，受剪切力影响较小。酵母一般为5mm，细胞壁厚，但出芽点和疤点是细胞壁的弱处。有报道证明酵母出芽繁殖受到机械搅拌的影响。霉菌和放线菌(菌团形式和自由丝状形式) 不同形式对发酵液的粘度及氧传质的影响是不同的。剪切会打破菌团和菌丝体，对菌丝形态、生长、和产物合成造成影响，还可能导致胞内物质的释放。剪切作用对动物细胞的影响气升式反应器的放大没有机械搅拌装置压缩空气的压强、流量及空压机的型号规格是决定反应器能耗的关键反应器的结构、发酵液的物化特性也起着重要的作用鼓泡式反应器常以空截面气速为基准气升式反应器的设计虽然生物气升式反应器是气液非均相体系，但是其最基本的原理和最重要的流体动力学参数是与纯水的液体喷射循环反应器相似的。结构尺寸：反应器高H‘ 液位高H 反应器内径Dt 喷射管内径D1 循环管高LE 循环管直径Dr 循环管距底部Au 基本设计参数反应器高径比：s=H/Dt H是液位高反应器体积：VR=Dt2Hp/4 反应液质量：MR=rVR=rsDt3p/4 循环比：g=M3/M1=(M1+M2)/M1=1+M2/M1 M3是总质量流率， M2是循环质量流率，M1是进出口质量流率平均循环速率：um=8M3/rpDt2=8M1g/rpDt2 循环空速：gU=M3/MR=um/2H=tUm-1 平均循环时间：tUm=gU-1 平均停留时间：tm=MR/M1=gtUm=g/gU 喷嘴出口液体流速：u1=4V1/pD12=4M1/rpD12 喷嘴雷诺准数：Re1=u1D1/m1=4M1/m1r1pD1 平均雷诺准数Rem=umDt/mm=8M1g/mmpDt 其它的设计参数还有：气含率 e 平均体积气含率 e=Vg/(Vg+VL) Vg是气泡总体积 混合时间 tm 体积传氧系数 kLa 对于气泡非并合液相，体积溶氧系数kLa完全取决于从空气分布器进入发酵液后的气泡大小。循环阻力驱动循环的功率和效率 因气升式反应器没有机械搅拌，故对于生物细胞的剪切作用相对较弱，除了动物细胞外，可不必考虑其剪切作用。 气升式反应器在单细胞蛋白生产及污水处理中用得最多，也广泛应用于植物细胞和动物细胞的培养。用于污水处理的气升式竖井循环反应器已有100~300m深的规模。 反应器的放大和设计的最终目标是使生物反应迅速达到预期的技术与经济目标，技术经济指标计算包括能量消耗、混合与溶氧传质、热量传递、培养基配方等。 第四节 通风固相发酵设备一、自然通风固体曲发酵设备二、机械通风固体曲发酵设备 (1)通过冷却水带走的热量进行计算 根据工艺设计的要求，选定同类型的发酵罐，于气温最热的季节，选择主发酵期产生热量最快最大的时刻，测定冷却水进口的水温及冷却水出口的水温，并测定此时每小时冷却水的用量，按下式计算单位体积发酵液每小时传给冷却器的最大热量。 (2)通过发酵液的温度升高进行计算 于气温最热的季节选择主发酵期产生热量最快最大的时刻，通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，关闭冷却水，观察罐内发酵液在半小时内上升的温度，再换算为一小时内上升的温度，则可按下式计算出单位体积发酵液每小时放出最大热量的近似值。 (3)通过生物合成进行计算 发酵过程中的热量包括发酵过程散发热和搅拌热。总发酵热可按下式计算： 搅拌器所产生的热量可用下列近似公式计算: 汽化热Q3的计算： (4) 通过燃烧热进行计算根据赫斯定律：热效应决定于系统的初态和终态，而与变化的途径无关。反应的热效应，等于产物的生成热的总和减去作用物的生成热的总和。 The End Thanks! 五、染菌对产物提取和产品质量的影响 1、对过滤的影响：发酵液的粘度加大菌体大多自溶由于发酵不彻底，基质的残留浓度增加 2、造成的后果：过滤时间拉长，影响设备的周转使用，破坏生产平衡大幅度降低过滤收率 3、提取：有机溶剂萃取工艺：染菌的发酵液含有更多的水溶性蛋白质，易发生乳化，使水相和溶剂相难以分开 4、离子交换杂菌易粘附在离子交换树脂表面或被离子交换树脂吸附，大大降低离子交换树脂的交换量 对产品质量的影响对内在质量的影响：染菌的发酵液含有较多的蛋白质和其它杂质。对产品的纯度有较大影响。对产品外观的影响：一些染菌的发酵液经处理过滤后得到澄清的发酵液，放置后会出现混浊，影响产品的外观。 判断发酵是否染菌应以无菌试验结果为根据无菌试验的目的： 1、监测培养基、发酵罐及附属设备灭菌是否彻底 2、监测发酵过程中是否有杂菌从外界侵入 3、了解整个生产过程中是否存在染菌的隐患和死角
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