发酵机械与设备培训课件.pptx
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- 发酵 机械 设备 培训 课件
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1、第十二章第十二章 发酵机械与设备发酵机械与设备3发酵工艺流程u典型的发酵生产过程包括:菌种的选育确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基;对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌;菌种经逐级扩大培养后,作为生产种子接种于发酵罐中;控制发酵罐中微生物的生长条件,最大程度地获得人们渴望的代谢产物;产物萃取和精制;发酵过程中废弃物的处理与回收.菌种的选育菌种的选育 要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品,最重要的是要有优良的菌种。怎样才能得到优怎样才能得到优良的菌种呢?良的菌种呢?如果生产的是微生如果生产的是微生物直接合成的产物物直接合成的产物可以从自然界中先分离出相可以从自然界中先分
2、离出相应的菌种,再用物理或化学应的菌种,再用物理或化学的方法使菌种产生突变,从的方法使菌种产生突变,从突变个体中筛选出符合生产突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。要求的优良菌种。如果生产的是一般微生如果生产的是一般微生物不能合成的产品物不能合成的产品 可用基因工程、细胞工程的方法可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造,对菌种的遗传特性进行定向改造,以构建工程细胞或工程菌,从而以构建工程细胞或工程菌,从而达到生产相应产品的目的达到生产相应产品的目的 对菌种一般有以下要求:对菌种一般有以下要求:菌种能在较短的发酵过程中菌种能在较短的发酵过程中高产有价值高产有价值的发酵产品。的
3、发酵产品。菌种的发酵菌种的发酵培养基培养基应应价廉价廉,来源充足,被转化为产,来源充足,被转化为产品的效品的效率高率高。如农副产品。如农副产品。菌种对人、动物、植物和环境菌种对人、动物、植物和环境不不应该应该造成危害造成危害,还应注意,还应注意潜在的、慢性的、长期的危害,要严格防护。潜在的、慢性的、长期的危害,要严格防护。菌种发酵后,所产不需要的代谢产物少,且产品相对菌种发酵后,所产不需要的代谢产物少,且产品相对容易容易地与不需要的物质地与不需要的物质分离分离,下游技术下游技术能用于规能用于规模化生产模化生产。菌种菌种的遗传特性稳定的遗传特性稳定,而且易于进行基因操作。,而且易于进行基因操作。
4、培养基的配制培养基的配制 进行发酵生产,有了优良的菌种还需要有与菌种相进行发酵生产,有了优良的菌种还需要有与菌种相适应的培养基。在配制培养基时应该注意适应的培养基。在配制培养基时应该注意:(1)根据不同的菌种,应选择不同的材料配制培养基。)根据不同的菌种,应选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、碳源、氮源、生长因子、水、无机盐水、无机盐等方面的营养要求,并为微生物提供适宜的等方面的营养要求,并为微生物提供适宜的pH、渗透压等。、渗透压等。(2)培养基的)培养基的营养要协调营养要协调,以利于产物的合成。,以利于产物的合成。(3)培养基
5、在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降)培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产成本,以得到更高的低生产成本,以得到更高的经济效益经济效益。灭菌灭菌 发发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种,整个发酵过程酵工程所用的菌种大多是单一的纯种,整个发酵过程中不能混入杂菌中不能混入杂菌。在发酵过程中如混入其他微生物,将与菌种形成在发酵过程中如混入其他微生物,将与菌种形成竞争关系竞争关系,对发酵过程造成不良影响。对发酵过程造成不良影响。例如:在谷氨酸发酵过程中混入放线菌,则放线菌分泌的例如:在谷氨酸发酵过程中混入放线菌,则放线菌分泌的抗抗生素生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡;在青霉素生产过程就会
6、使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡;在青霉素生产过程中污染了杂菌,这些杂菌则会分泌中污染了杂菌,这些杂菌则会分泌青霉素酶青霉素酶,将合成的青霉,将合成的青霉素分解掉。素分解掉。灭菌灭菌 那如何防止杂菌的污染呢?那如何防止杂菌的污染呢?要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。灭菌处理。怎样才算灭菌彻底呢怎样才算灭菌彻底呢?用高温、高压的方式,杀死所有杂菌的用高温、高压的方式,杀死所有杂菌的胞体、芽孢胞体、芽孢和孢子。和孢子。扩大培养和接种扩大培养和接种 如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短生产周期?生产周期?经过经过多
7、次多次的扩大培养。的扩大培养。如何对菌种进行扩大培养如何对菌种进行扩大培养?扩大培养是将培养到扩大培养是将培养到对数期对数期的菌体分开,分头进的菌体分开,分头进行培养,以促使菌体数量行培养,以促使菌体数量快速快速增加,能在增加,能在短时间短时间里得到大量的菌体。里得到大量的菌体。扩大培养和接种扩大培养和接种 扩大培养与发酵生产过程中的培养不同扩大培养与发酵生产过程中的培养不同:扩大培养是为了让扩大培养是为了让菌体菌体在短时期内在短时期内快速增殖快速增殖,而发酵过程中,而发酵过程中的培养是为了获得的培养是为了获得代谢产物代谢产物,目的不同采用的培养条件就有,目的不同采用的培养条件就有可能不同。可
8、能不同。例如:在酒精发酵过程中,扩大培养是为了促使酵母菌快速例如:在酒精发酵过程中,扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖,因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程增殖,因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。有了用于生产的充足的菌体,接种过程中要注意防止杂有了用于生产的充足的菌体,接种过程中要注意防止杂菌污染菌污染。发酵过程发酵过程 为什么将菌体接种到装有培养液的发酵罐中,还需要为什么将菌体接种到装有培养液的发酵罐中,还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制?对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制?
9、发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。因此,要在发酵发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。因此,要在发酵过程中随时过程中随时取样检测取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程,及时添加必需的培养基成分发酵进程,及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳来延长菌体生长稳定期的时间定期的时间,以得到更多的发酵产物。同时,还应对发酵,以得到更多的发酵产物。同时,还应对发酵条件进行严格控制。条件进行严格控制。发酵过程发酵过程 哪些条件能影响菌体的发酵?哪些条件能影响菌体的发酵?发酵生产中发酵罐发酵生产中发酵罐内部的代谢变化内部的代谢变化,如菌体形态,如菌体形态、菌体浓度
10、、营养物质的浓度、温度、菌体浓度、营养物质的浓度、温度、pH、溶、溶氧量、产物浓度、以及发酵罐氧量、产物浓度、以及发酵罐搅拌转速等搅拌转速等对发酵对发酵过程都有重大影响。过程都有重大影响。分离、提纯分离、提纯 代谢产物代谢产物 采用采用离心、过滤、沉淀离心、过滤、沉淀等方法将菌体从培养等方法将菌体从培养液中分离出来。液中分离出来。菌体本身,如酵母菌和细菌等菌体本身,如酵母菌和细菌等 采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。发酵罐发酵罐概念:概念:指工业上用来进行微生物发酵的装置。其主体一般为指工业上用来进行微生物发酵的装置。其主体一般为用不锈钢板制成的主式
11、圆筒,其容积在用不锈钢板制成的主式圆筒,其容积在1m3至数百至数百m3。发酵罐的功能:发酵罐的功能:按照发酵过程的要求,保证和控制各种发酵条件,主要按照发酵过程的要求,保证和控制各种发酵条件,主要是适宜微生物生长和形成产物的条件,促进生物体的新陈代是适宜微生物生长和形成产物的条件,促进生物体的新陈代谢,使之在低消耗下,获得较高的产量。谢,使之在低消耗下,获得较高的产量。发酵设备需要具有的条件:发酵设备需要具有的条件:(1)良好的传递性能来传递动量、质量、热量;)良好的传递性能来传递动量、质量、热量;(2)能量消耗低;)能量消耗低;(3)结构简单,操作方便,易于控制;)结构简单,操作方便,易于控
12、制;(4)便于灭菌和清洗,能维持不同程度的无菌度;)便于灭菌和清洗,能维持不同程度的无菌度;(5)能适应特定要求的各种发酵条件,以保证微生物正常)能适应特定要求的各种发酵条件,以保证微生物正常的生长代谢的生长代谢一、发酵罐的发展史一、发酵罐的发展史 发酵罐的发展经历了五个阶段:发酵罐的发展经历了五个阶段:第一阶段第一阶段1900年以前年以前 人们用木制容器来制造酒。这是现代发酵罐的人们用木制容器来制造酒。这是现代发酵罐的雏形,它带有简单的温度和热交换仪器。雏形,它带有简单的温度和热交换仪器。第二阶段第二阶段19001940年年 出现了钢制的发酵罐,开始使用空气分布器,出现了钢制的发酵罐,开始使
13、用空气分布器,在小型的发酵罐中,开始使用机械搅拌。在小型的发酵罐中,开始使用机械搅拌。第三阶段第三阶段19401960年年 第一个大规模工业生产青霉素的工厂于第一个大规模工业生产青霉素的工厂于1944年年1月月30日在美国日在美国Terre Haute投产,其发酵罐的体投产,其发酵罐的体积积 54m3。此阶段随着以青霉素为代表的抗生素工业的兴此阶段随着以青霉素为代表的抗生素工业的兴起,引起了工业发酵的一场变革。起,引起了工业发酵的一场变革。第四阶段第四阶段19601979年年 发酵罐的容积增大到发酵罐的容积增大到80150m3。出现了压力循环出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐,这种发酵罐可以克
14、服气和压力喷射型的发酵罐,这种发酵罐可以克服气体交换和热交换上的问题。体交换和热交换上的问题。第五阶段第五阶段1979年至今年至今 大规模的发酵罐应运而生。大规模的发酵罐应运而生。如废水处理的发酵罐容积达到如废水处理的发酵罐容积达到27,000m3,英国英国帝国化学公司单细胞蛋白生产罐有帝国化学公司单细胞蛋白生产罐有30层楼高,达层楼高,达100m,罐容近罐容近3500m3,且自动化程度越来越高。且自动化程度越来越高。二、发酵罐的类型二、发酵罐的类型 1.按微生物生长代谢需要分为:按微生物生长代谢需要分为:通风发酵罐通风发酵罐如抗生素、酶制剂、氨基酸、如抗生素、酶制剂、氨基酸、维生素等产品的生
15、产维生素等产品的生产 嫌气发酵罐嫌气发酵罐如酒精、啤酒、丙酮、丁醇等如酒精、啤酒、丙酮、丁醇等产品的生产产品的生产 2.按发酵罐设备的特点分为:按发酵罐设备的特点分为:机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐如通用式发酵罐、自如通用式发酵罐、自吸式发酵罐、伍氏发酵罐等。吸式发酵罐、伍氏发酵罐等。非机械搅拌通风发酵罐非机械搅拌通风发酵罐如气提式、液提式、如气提式、液提式、喷射式等。喷射式等。3.按容积分为:按容积分为:实验室发酵罐实验室发酵罐100L以下以下 中试发酵罐中试发酵罐1001000L 生产规模的发酵罐生产规模的发酵罐1000L以上以上 4.按操作方式分为:按操作方式分为:分批发酵的发酵罐
16、分批发酵的发酵罐 连续发酵的发酵罐连续发酵的发酵罐 在这些众多的发酵罐中,主要给同学们介绍目前在这些众多的发酵罐中,主要给同学们介绍目前在发酵工业中应用最多的一种发酵罐在发酵工业中应用最多的一种发酵罐通用式发通用式发酵罐酵罐。(一)、通风发酵设备(一)、通风发酵设备 通风固相发酵设备通风固相发酵设备自吸式发酵罐自吸式发酵罐气升环流发酵罐气升环流发酵罐机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐常用通风发酵罐常用通风发酵罐大多数的生化反应都是需氧的,故通气发酵设备大多数的生化反应都是需氧的,故通气发酵设备是需氧生化反应设备的核心和基础。是需氧生化反应设备的核心和基础。设备需要具有的特点:设备需要具有的特点:(1
17、)良好的传质和传热性能、结构严密、防杂菌污染;)良好的传质和传热性能、结构严密、防杂菌污染;(2)培养基流动与混合良好、有配套的检测与控制、设)培养基流动与混合良好、有配套的检测与控制、设备较简单;备较简单;(3)设备较简单、方便维护检修以及能耗低等特点。)设备较简单、方便维护检修以及能耗低等特点。通风发酵罐 机械搅拌发酵罐 工作原理 结构及几何尺寸 溶氧速率、通气与搅拌 热量传递 气升式发酵罐 工作原理 气升环流式发酵罐 典型的气升式发酵罐 自吸式发酵罐 机械搅拌自吸式 喷射自吸式 溢流喷射自吸式机械搅拌发酵罐(TRC)工作原理:工作原理:利用机械搅拌器的作用,使空气和发酵液充分利用机械搅拌
18、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。生长繁殖、发酵所需要的氧气。(1)具有适宜的径高比;具有适宜的径高比;(2)能够承担一定压力;能够承担一定压力;(3)保证必需的溶解氧;保证必需的溶解氧;(4)具有足够的冷却面积;具有足够的冷却面积;(5)尽量减少死角,灭菌彻底,避免染菌;尽量减少死角,灭菌彻底,避免染菌;(6)轴封严密。轴封严密。之机械搅拌发酵罐 发酵罐的基本条件:发酵罐的基本条件:之机械搅拌发酵罐 大型发酵罐结构大型发酵罐结构231轴封轴封;2、20人孔;人孔;3梯;梯;4联轴;联轴;
19、5中间轴承;中间轴承;6温度计接口;温度计接口;7搅拌叶轮;搅拌叶轮;8进风管;进风管;9放料口;放料口;10底轴承;底轴承;11热电偶接口;热电偶接口;12冷却管;冷却管;13搅拌轴;搅拌轴;14取样管;取样管;15轴承座;轴承座;16传动皮带;传动皮带;17电机;电机;18压力表;压力表;19取样口;取样口;21进料口;进料口;22补料口;补料口;23排气口;排气口;24回流口;回流口;25视镜;视镜;图图12.1 大型发酵罐结构图大型发酵罐结构图机械搅拌发酵罐的结构机械搅拌发酵罐的结构之机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐的结构 小型发酵罐结构图图12.2 小型发酵罐结构图小型发酵罐结构图之机械
20、搅拌发酵罐图图12.3 自动玻璃发酵罐自动玻璃发酵罐 图图12.4 玻璃搅拌发酵罐玻璃搅拌发酵罐 图图12.5 不锈钢搅拌发酵罐不锈钢搅拌发酵罐 由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成,材料为碳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,通常要求耐受下操作,罐为一个受压耐温容器,通常要求耐受130和和0.25MPa(绝对压力绝对压力)。之机械搅拌发酵罐 罐 体受内压的壁厚:受内压的壁厚:)(2301mmCppD)(2002mmCpDy受外压的壁厚:受外压的壁厚:)(112400
21、3mmCHDpHpD之机械搅拌发酵罐 搅拌器和挡板 搅拌器: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。装方便,大型搅拌器可做成两半型,用螺栓联成整体。图图12.6 发酵罐搅拌叶轮结构图发酵罐搅拌叶轮结构图1-六直叶涡轮式;六直叶涡轮式;2-推进式推进式3-Lightni
22、n A-315式式图图12.7 不同搅拌器的流型不同搅拌器的流型 挡板:挡板:改变液流的方向,由径向流改为轴向流,促使液改变液流的方向,由径向流改为轴向流,促使液体激烈翻动,增加溶解氧。通常挡板宽度取体激烈翻动,增加溶解氧。通常挡板宽度取(0.10.12)D,装设,装设46块即可满足全挡板条件。块即可满足全挡板条件。所谓所谓“全挡板条件全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。附件而轴功率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求:要达到全挡板条件必须满足下式要求:5.012.01.0nDDnDb之机械搅拌发酵罐 无挡板的搅拌器形成的流型无挡板的
23、搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型有挡板的搅拌器形成的流型之机械搅拌发酵罐 轴 封 填料函轴封填料函轴封:由填料箱体,填料底衬套,填料压盖和由填料箱体,填料底衬套,填料压盖和压紧螺栓待零件构成,使旋转轴达到密封的效果。压紧螺栓待零件构成,使旋转轴达到密封的效果。作用:作用:使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封,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。防止泄露和污染杂菌。端面式轴封又称机械轴封:端面式轴封又称机械轴封:密封作用是靠弹性元件(弹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
24、相互贴合,并作相对转动而达到密封。互贴合,并作相对转动而达到密封。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。压紧螺栓压紧螺栓填料箱体填料箱体图图12.10 填料函填料函转轴转轴填料压盖填料压盖铜环铜环填料填料转轴转轴图图12.11 端面封轴端面封轴动环动环静环静环堆焊硬质堆焊硬质O形环形环图图12.12 双双 端面封轴端面封轴密封环密封环搅拌轴搅拌轴罐体罐体齿轮箱齿轮箱传动齿轮箱传动齿轮箱之机械搅拌发酵罐 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,常用的分分布。分布装置的形式有
25、单管及环形管等,常用的分布装置有单管式。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。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。同时由于喷孔容易被堵塞,已很少采用。布装置。同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底腐蚀,在空气
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