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第四章 细胞生物反应器 生物反应器是利用生物催化剂进行化学反应的设备，按照所使用的生物催化剂不同，又可分为酶反应器和细胞生物反应器。 生物反应器和化学反应器的不同： 大多数生物反应器需要不断通入无菌空气。 避免染菌。 第一节 发酵罐 发酵罐是一种重要的生物反应器， 是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件(T、P、O2、防止杂菌污染)，以促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量的一种设备。 分类 微生物有好氧和厌氧两大类，培养这两大类微生物的发酵罐有很大的区别。相应地发酵罐可分为以下两种： 1 好氧发酵罐： 氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白均由此方法制得。在生产过程中需通入无菌空气，因此其设备的结构要比厌氧发酵复杂些。 2 厌氧发酵罐 厌氧发酵也称静止培养，因其不需供氧，所以设备和工艺都较好氧发酵简单。严格的厌氧液体深层发酵的主要特色是排除发酵罐中的氧。罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层气相的影响，有时还需充人非氧气体。发酵罐的排气口要安装水封装置，培养基应预先还原。 好氧发酵罐 生产上根据发酵罐通风和搅拌方式的不同可将其分为：机械搅拌式通风发酵罐、自吸式发酵罐、气升式发酵罐和塔式发酵罐。 一、通用式发酵罐 通用式发酵罐是指既具有机械搅拌又有压缩空气分布装置的发酵罐。由于这种型式的罐是目前大多数发酵工厂最常用的，所以称为“通用式”。 目前最大的通用式发酵罐容积约为480m3。 特点 轴封严密，泄漏少 能承受一定压力、温度 搅拌通风装置保证气液充分混合 具有足够的冷却面积 死角少，灭菌彻底 适宜的径高比（高与直径的比值为2.5—4） 1、几何尺寸 2、装料容积 公称容积V0是指圆筒部分容积Vc和底封头的容积Vb之和。 对于椭圆形封头， 对于标准椭圆形封头， 若罐身高径比H/D=a，则 通常装料系数 在生产设计中，根据年产量和发酵周期可得出V，选择适合的装料系数，可确定V0，再根据上式可求出D，最后按照通用式发酵罐各尺寸与D的关系确定其他几何尺寸。 3、结构 (1)罐体 罐体一般由不锈钢制成，应保证无死角、渗漏、积液。 (2)搅拌装置 机械搅拌罐的混合主要是通过机械搅拌来实现。机械搅拌一方面可以使罐内物料混合良好，液体中的固形物保持悬浮状态，有利于固体和营养物质充分接触，便于营养吸收；另一方面，可以打碎气泡，增加气液接触面积，提高气液间的传质速率，加强氧的传递效果及消除泡沫。 搅拌器型式 搅拌装置由安装在一根轴上的多个搅拌浆组成的，它可以使被搅拌的物料产生轴向和径向流动。 常用的搅拌器型式有：旋桨式、涡轮式、锚式和框式等。 旋桨式搅拌器：又称推进式搅拌器。特点：结构简单、安装容易、转速快、循环量大。 锚式和框式搅拌器：叶片大、转速慢、搅动范围大，适合高黏度物质混合。 涡轮式搅拌器：工作原理与双吸式离心泵相似，适合低黏度和中等黏度液体搅拌。 一般情况下同一搅拌轴要配置多个搅拌器，当容积大于15m3时，采用三层搅拌，小于15m3时，采用二层搅拌。 搅拌功率与搅拌效果 通过搅拌将能量作用液体，使达到混合和分散液团的目的。 在消耗相同的功率的条件下，对不同的搅拌目的，应对功率作不同的分配。 若搅拌器功率不变，增大搅拌器直径，则降低搅拌转速，由此翻动量增加、动压头下降；减小搅拌器直径，则可以增加搅拌转速，由此翻动量下降、动压头增大。 (3)挡板 挡板的作用是防止液面中央产生漩涡，促使液体激烈翻动，提高溶解氧。 增加挡板将增加阻力，使得搅拌功率大大增加，混合效果会相应提高。 全挡板条件：指在一定条件下，再增加挡板数量，功率仍保持不变。要满足全挡板条件，须满足下式要求： (4)通气装置 是从罐的底部向罐内通入无菌空气，一般入口处的压力为0.1-0.2MPa ，罐顶部有空气出口。该设备一般采用空气分布器将无菌空气引入到发酵液中。空气分布器一般用单孔管，开口向下，避免培养液中的固体物料在管口堆积而增加污染的机会。 (5)传热装置 保证发酵过程在恒温条件下进行，将生物氧化和机械搅拌产生的热量及时除去。容积小于5000L的发酵罐一般采用外夹套作为传热装置；容积大于5000L的发酵罐则采用立式蛇管作为传热装置。 (6)机械消沫装置 大量泡沫产生导致发酵液的外溢和染菌机会增大，使得装料系数降低。 消除泡沫的方法是加入消泡剂和使用机械消沫装置。 常用的机械消沫装置为耙式消沫浆。 (7)尾气处理装置 基因工程发酵的尾气必须经过适当处理后才能排放到大气中。 要使尾气无菌，一般采取过滤除菌法。 二、其他类型发酵罐 1、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。该反应器最关键部件是带有中央吸气口的搅拌器。搅拌器叶轮旋转时，叶片不断排开周围的液体