生物工程设备教案.docxVIP

第一章通风发酵设备

利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生物过程中,具有中心的作用,是实现生物技术产品产业化的关键设备,是连接原料和产物的桥梁.在反应器中,通过产物的合成,廉价的原料被升值.在生物反应过程中,若采用活细胞(微生物,动植物细胞)为生物催化剂,称为发酵过程或细胞培养过程.采用游离或固定化酶,称为酶反应过程.

按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同,生物反应器分为酶反应器和细胞生物反应器.酶反应器中的生物反应比较简单,与一般的化学反应器无大区别.细胞生物反应器中的生物反应比较复杂,这些生物反应是通过细胞中精确的酶系进行催化,经过一系列的生物反应将培养基的成分转化为新的细胞个体及各种代谢产物.

生物反应器的分类

(1)按照使用的生物催化剂的不同,分酶催化反应器和细胞生物反应器.

(2)根据反应器的操作方式,分间歇式生物反应器,连续式生物反应器和半间歇式生物反应器.

(3)根据反应器的结构特征,分釜式,管式,塔式,膜式等.它们之间的差别主要反映在外型和内部结构的不同.

(4)根据反应器所需的能量的输入方式,分通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式,利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器.

(5)根据生物催化剂在反应器中的分布方式,分生物团块反应器和生物膜反应器.生物团块反应器按催化剂的运动状态又分为填充床,流化床,生物转盘等.

(6)根据反应物系在反应器内的流动和混合状态,分全混流型和活塞型生物反应器.

第一节?????机械搅拌通风发酵罐

细胞生物反应器搅拌方式有内部机械搅拌型,外部液体搅拌型,气升式发酵罐等三种.。工业规模的微生物细胞反应器多为搅拌型发酵。

一、机械搅拌通风发酵罐的结构

机械搅拌发酵是目前使用最多的一种发酵罐，使用性好、适应性好、放大容易，从小型直至大型的微生物培养过程都可以应用。缺点：罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。

１通用型发酵的几何尺寸比例（图示）

Ｈ/Ｄ＝２.5-4

公称体积：罐的圆柱体积和底封头体积的和。

２罐体

要求罐体设计的使用压力达到０.3ＭＰa以上。小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔用于清洗和配料。

３搅拌器和挡板

搅拌器可以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，它使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气－液界面，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。

搅拌叶轮大多采用涡轮式，涡轮式搅拌器的叶片有平叶片、弯叶片、箭叶式三种。平叶式功率消耗较大，弯叶式较小，箭叶式又次之。涡轮式搅拌器轴向混合较差，搅拌强度随搅拌轴距离增大而减弱。此外还有其他新型搅拌器：Scaba搅拌器其叶片的特殊形状消除了叶片后面的气穴，从而使通气功率下降较小，因此可将电机的设计功率几乎全部用于气-液分散及传质。Prochem轴向流搅拌器，其通气功率下降较小。Lightnin公司的A315轴向流桨，比较适合高粘度非牛顿物系。Intermig搅拌器有较低功率准数，通气功率值较小，在黄原胶发酵中有较好的混合性能，但存在不稳定性问题。

挡板：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。

４消泡器

（1）罐内机械消泡耙式消泡桨

（2）旋转圆板式消泡装置设在发酵罐内的气相中，与发酵液的液面保持平行。圆板旋转的同时将槽内发酵液注入圆板的中央，通过离心力将破碎成微小泡沫散向槽壁，达到消泡的目的。

（3）液体吹入式机械消泡把空气及空气与发酵液吹入发酵罐中形成的泡沫层来进行消泡

（4）气体吹入管内吸引消泡将发酵内形成气泡群吸引到气体吸入管，利用气体流速进行消泡。该装置中在靠近吸入口附近的气体吸入管内形成增速用的喷头，而吸入管用来连接液面上部与增速喷头的负压部位。

（5）冲击反射板机械消泡把气体吹入液面上部，通过在液面上部设置的冲击反射，吹回到液面，而将液面上产生的泡沫击碎的方法。

（6）超声波消泡将空气在１.5－３.0ＭＰa下，以１－２m/s的速度由喷嘴喷入共振室而起消泡的作用。该法目前仅适用于小型发酵过程的消泡，而不适合于大规模工业发酵的消泡。

（7）碟片式消泡器的机械消泡使用时将消泡器安装于发酵的罐顶，使碟片位于罐顶的空间内，用固定法与排气口相连接，当高速旋转时进入碟片间的空气中的气泡被打碎同时甩出液滴，返回发酵罐中，而被分离后的气体由空心轴径排气口排出。

（8）罐外机械消泡

旋转叶片罐外机械消泡将泡沫引出罐外，利用装置中的旋转叶片所产生的冲击力和剪切力进行消泡。