一種發(fā)酵罐概述

1、發(fā)酵罐綜述學院：生命科學學院專業(yè)：生物工程班級：2016級學號：2016021168學生姓名：汪裕強任課教師：謝和2016年1月5日摘要：本文闡述了發(fā)酵罐的結構、操作、規(guī)范及保養(yǎng)等，介紹了酶工程在食品加工的應用現(xiàn)狀，并對發(fā)酵罐的作用和發(fā)展作出了展望。關鍵詞：發(fā)酵罐、結構、操作引言：發(fā)酵罐是微生物工程中最重要的設備之一，一個優(yōu)良的培養(yǎng)裝置應設計為具有嚴密的結構，良好的液體混合性能，高的傳質和傳熱速率，以及可靠的檢測及控制儀表，才能獲得最大的生產效率。一、發(fā)酵罐的主要類型：(1) 通氣機械攪拌罐通氣機械攪拌罐是許多發(fā)酵過程的首選設備，具有高傳質和傳熱能力，理想的氣液混合效果，較長的液體停留時間和較

2、寬的操作氣速。但缺點也明顯，剪切力較大，損害許多剪切敏感型微生物能耗大，混合不均。因此，發(fā)揚通風攪拌罐的優(yōu)勢，克服其缺點是當前發(fā)酵罐研究的重點之一。通風攪拌罐改進工作主要在攪拌系統(tǒng)，包括攪拌器和多層攪拌系統(tǒng)的優(yōu)化，攪拌器主要是采用新型攪拌器或改進標準攪拌器，目的是減少槳葉尾流的漩渦以便節(jié)能，或者改變反應器的流態(tài)，使得剪切力可以均勻的分布，保護反應器中的微生物。多層攪拌系統(tǒng)很早就開始使用，但由于對其工作機理研究不夠深人，多年來一直采用簡單的經驗設計方法，沒有發(fā)揮其應有的優(yōu)勢。(2) 氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐有明顯的優(yōu)點，在生產SCR絲狀真菌、廢水處理中已獲得廣泛應用。氣升式發(fā)酵罐是應用最廣泛的生

3、物反應設備。這類反應器具有結構簡單、不易染菌、溶氧效率局、能耗低等優(yōu)點。有多種類型，常見的有氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等，生物工業(yè)已經大量應用的氣升式發(fā)酵罐有氣升內環(huán)流發(fā)酵罐、氣液雙噴射氣升環(huán)流發(fā)酵罐、設有多層分布板的塔式氣升發(fā)酵罐。而鼓泡罐則是最原始的通氣發(fā)酵罐，當然鼓泡式反應器內沒有設置導流筒，故未控制液體的主體定向流動。(3) 白吸式發(fā)酵罐白吸式發(fā)酵罐罐體的結構白吸式發(fā)酵罐罐體的結構白吸式發(fā)酵罐罐體的結構白吸式發(fā)酵罐罐體的結構大致上與通用式發(fā)酵罐相同，主要區(qū)別在于攪拌器的形狀和結構不同。白吸式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器。攪拌器由從罐底向上伸人的主軸帶動，葉輪旋轉時葉片不斷排開

4、周圍的液體使其背形成真空，于是將罐外空氣通過攪拌器中心的吸氣管而吸人罐內，吸人的空氣與發(fā)酵液充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導輪向罐壁分散，經擋板折流涌向液面，均勻分布?？諝馕斯芡ǔＳ靡欢嗣孑S封與葉輪連接，確保不漏氣。由于空氣靠發(fā)酵液高速流動形成的真空白行吸人，氣液接觸十分良好，氣泡分散較細，從而提高了氧在發(fā)酵液中的溶解速率。以下以機械攪拌發(fā)酵罐為例，介紹其主要結構部件及其主要功能：二、發(fā)酵罐的基本條件機械攪拌發(fā)酵罐也稱標準式或通用式發(fā)酵罐，它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，并溶解在發(fā)酵液中，以保證微生物的生長繁殖所需要的氧氣。為了使發(fā)酵罐發(fā)揮最大的生產效率，發(fā)酵罐必須滿

5、足幾個要求： 發(fā)酵罐必須能承受一定的壓力。 發(fā)酵罐要有適宜的徑高比。 發(fā)酵罐的攪拌通風設備能使氣液成分混合，實現(xiàn)傳質傳熱作用,保證微生物發(fā)酵過程中所需的溶解氧。 發(fā)酵罐應具有足夠的冷卻面積。 發(fā)酵罐內應盡量減少死角，避免藏污積垢，保證滅菌徹底，防止染菌。 攪拌器的軸封要嚴密，減少泄露。機械攪拌發(fā)酵罐的幾何尺寸要求：H/D=1.7s4,d/D=1/2s1/3,W/D=1/A1/12,B/D=0.8s1.0,（s/d）2=1.5s2.5,（s/d）3=1s2式中：h-發(fā)酵罐筒身高度（m；d-發(fā)酵罐內徑（m；d-攪拌器直徑（m；w擋板的高度（m；b-下攪拌槳距底部的間距（而；s-兩攪拌槳的間距（而；

6、hl-液位高度（m。三、發(fā)酵罐的結構機械攪拌通風發(fā)酵罐主要部件包括罐身，攪拌器，擋板，冷卻裝置，空氣分布裝置。軸封等。3.1 罐體是根據(jù)最大使用壓力來設計。(1) 首先罐體要密封，能承受一定的壓力。(2) 形狀為圓柱狀，兩端用橢圓型或碟形封頭焊接而成，這樣發(fā)酵罐受力均勻，死角少，物料容易排出。(3) 材料為不銹鋼或復合不銹鋼制成。(4) 高度與直徑比為1.7s4:1。(5) 除此外，在罐體的上面還有一些附屬設備如排氣孔，接料孔等。罐設計總的原則是罐體上接孔越少越好，能合并就合并。攪拌器作用：將空氣打碎成小的氣泡。增加氣液接觸界面，提高氧的傳質速率，同時使發(fā)酵液充分混合，發(fā)酵液中的固型物質保持選

7、否浮狀態(tài)。結構：包括攪拌軸和攪拌葉，在攪拌軸的中央裝有圓盤，圓盤上裝有攪拌葉。攪拌葉的形狀：平葉式，彎葉式和箭葉式三種，葉片一般為六個，少至三個，多至八個。一般而言，在相同攪拌功率下比較粉碎氣泡的能力，平葉攪拌器大于彎葉攪拌器，彎葉攪拌器大于箭葉攪拌器，但是翻動液體的能力與以上相反。在軸上多配置幾個攪拌器對發(fā)酵有好處，但是配置的數(shù)量是根據(jù)罐內液位高度，發(fā)酵液的特性和攪拌器直徑等因素來決TEo圖1機械攪捽通風發(fā)mUttfi節(jié)海蜻何1一項嘴2混合管管4一環(huán)陌無san總管5一冷卻暮置is拌器7-發(fā)醇單雄體3.2 擋板作用：克服攪拌器運轉時液體產生的渦流，將徑向流動改為軸向流動，促使液體激烈翻動，增加

8、溶氧速率。全擋板條件：指在一定轉速下再增加罐內擋板或其它附件時，而攪拌功率保持不變，旋渦基本消失。擋板寬度一般取0.1-0.2D,裝設4-6塊即可滿足全擋板條件。滿足全擋板條件的擋板數(shù)及寬度，可由下式計算：（W/D*mb=0.4式中：W谷板寬度（m;D-罐直徑（m;mb主I板數(shù)。但是在實際中，罐中的擋板數(shù)一般安裝四快，這主要是因為發(fā)酵罐內除擋板外，立式冷卻蛇管等裝置也起到了一定擋板的作用。擋板的寬度為1/8-1/12已足夠滿足全擋板條件。3.3 機械消泡器作用：將泡沫打碎。因為發(fā)酵液中的蛋白質等發(fā)泡物質量很多，在強烈的通氣攪拌下會產生大量的炮沐，導致發(fā)酵液外溢和增加染菌機會。按分布的位置分：發(fā)

9、酵罐內的消泡器和發(fā)酵罐外的消泡器。發(fā)酵罐內的有鋸齒式，梳狀式及孔板式。發(fā)酵罐外的一般是利用離心力將泡沫粉碎，液體仍然返回罐內，如離心式消泡器，也可采用電極帶動的碟片式離心消泡器。按消泡器形狀分：靶式消泡器，半封閉式渦輪消泡器，離心式消泡器和碟片式離心消泡器等。3.4 連軸器及軸承類型：鼓型和夾殼型連接方式：大的發(fā)酵罐攪拌軸長，分2-3段，中間還裝有中間軸承，用連軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性連接，中間軸承和底軸承的水平位置應能適當調節(jié)。中型的發(fā)酵罐一般在罐底裝有底軸承。小的發(fā)酵罐采用發(fā)蘭將攪拌器連接。罐內軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦，軸瓦與軸瓦之間的間隙常取軸徑的0.4%-0.7%

10、。3.5 空氣分布裝置作用：吹入空氣，并使空氣均勻分布。分布裝置的形式：單管式和環(huán)形管式。單管式的管口正對罐底中央，罐口與罐底的距離越為40nm這樣空氣分散效果好。環(huán)形管式的分布裝置以環(huán)徑為攪拌器的0.8倍較有效，罐口向下，但是這種空氣分布裝置空氣分散效果不及單管式分布裝置，同時由于噴口容易堵塞，故現(xiàn)在很少用這種類型的空氣分布裝置。分散器：在空氣分布裝置下部，為不銹綱，是為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，起到延長罐底壽命的作用。一般而言，噴口的直徑越小，氣泡直徑越小，而氧的傳質系數(shù)也越大。3.6 軸封作用：是發(fā)酵罐與轉動的攪拌軸之間能夠密封，防止泄露及雜菌污染。類型：(1)、填

11、料函式軸封：有填料箱底，填料底承套，填料壓蓋等不見構成。優(yōu)點：結構簡單。缺點：死角多，彳艮難徹底滅菌，容易泄露及染菌軸的磨損情況嚴重，功率消耗大，壽命短，耗工時多，需經常維修。(2)、端面軸封：密封作用是靠彈性元件如彈簧的壓力是垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密配合，并做相對運動起到密封作用。優(yōu)點：清潔，密封可靠，無死角，不易發(fā)生泄露和染菌的現(xiàn)象，使用壽命長，功率消耗少。換熱裝置類型：(1)、夾層式換熱裝置：多用于容積較小的發(fā)酵罐和種子罐。夾層的高度比靜止液面高度高即可，無須進行冷卻面積的設計。優(yōu)點：結構簡單，加工容易，罐內無冷卻裝置，死角少，容易進行清潔滅菌工作。缺點：傳熱壁較厚，冷卻水流速

12、低，降溫效果差。、蛇形管換熱裝置：容積在5m3(50升)以上的發(fā)酵罐采用。分組分裝在發(fā)酵罐內，一般分四組，六組或八組。優(yōu)點：冷卻水流速大，傳熱系數(shù)高。連續(xù)滅菌的保溫和冷卻設備保溫設備：罐式保溫設備和管式保溫設備。冷卻設備：噴淋冷卻設備，真空冷卻器，板式冷卻器，螺旋板冷卻器等。3.7 附屬系統(tǒng)：包括視鏡，進料和出料口，同時還有補料口等四、發(fā)酵罐的操作在進行發(fā)酵罐操作之前必需仔細閱讀發(fā)酵罐操作使用說明。并熟悉管路系統(tǒng)的各個閥門的作用，以及熟悉控制面板上各鍵盤的正確使用。另外對空壓機，蒸汽發(fā)生器等的使用方法做全面的了解。A、發(fā)酵罐的滅菌操作：1、檢查相關的設備，空氣壓縮機，蒸汽發(fā)生器，檢查水壓是否正

13、常，一般氣壓0.2MPa2、開機：打開下位機的電源開關和上位機軟件，顯示過程參數(shù)。并進彳fPH電極的標定。3、打開蒸汽發(fā)生器和空氣壓縮機電源。4、開始滅菌操作：a、啟動轉速：控制在200轉/分b、將5號放空閥稍微打開，將7號排水閥全部打開。c、將1號打開，使夾套壓力表示數(shù)升為0.2MPa,此時罐壓慢慢上升，當罐壓升到0.1MPa時，要控制1號閥，將夾套壓力調整到0.14MPa左右，罐溫穩(wěn)定在滅菌溫度120度d、過濾器及管路的滅菌稍微打開2號蒸汽閥，把排水閥4號打開一點，將8號隔膜閥打開，使蒸汽進入罐內?？捎檬钟|摸來判斷蒸汽是否進入罐內e、確定滅菌時間，一般為30分鐘，在此滅菌時間內應控制好滅菌

14、溫度在120度以上，如果控制不當，溫度下降低于118度以下，則需重新開始計時。f、滅菌結束后的操作滅菌時間到，將8號隔膜閥，4號過濾器排水閥關閉，再將1號、2號蒸汽閥關閉，同時打開3號空氣閥，應注意過濾器上的壓力表是否在0.2MPa,g、注意點：在滅菌結束，關閉蒸汽閥門的同時打開3號空氣閥。此時需注意罐內壓力要維持在0.05MPa左右，不能過高，（注意放空閥5的開度）。也不能太低，如果低于0.02MPa就不太好了。B、發(fā)酵罐操作步驟1、滅菌過程結束，開始冷卻降溫，將顯示畫面切換至溫度控制畫面，進行白動溫度控制2、設定攪拌速度3、接種后，先按“S/E”鍵，再按“確認”鍵，開始發(fā)酵，上位機記錄數(shù)據(jù)

15、五、操作過程中易出現(xiàn)的問題及處理。1、罐壓控制問題由于罐壓是手動控制的，因此操作人員應耐心的調節(jié)閥門5,在正常情況下，進口空氣壓力比較穩(wěn)定。閥門5的調節(jié)不會很頻繁。但有時會由于電壓不穩(wěn)或壓縮機出問題而影響進口壓力，則罐壓波動較大。也有可能跌下來，所以需經常留意罐壓。2、突然停電如果遇到突然停電，操作人員首先應立即關閉閥門5和隔膜閥8。然后立即聯(lián)系供電部門，給予迅速解決。否則壓力跌零后，發(fā)酵操作就完了。當然，長時間斷電也就另當別論了。3、要對過濾器放水閥門4經常開啟一點，把其中的積水放掉，如果發(fā)酵周期較長時，更要注意排水。但不要常開為好，否則會影響發(fā)酵過程的通氣量測定。六、發(fā)酵罐的維護和保養(yǎng)為了

16、保證發(fā)酵罐的正常運行，用戶除了必須熟悉系統(tǒng)的各部件結構，性能，以及管路，閥門的作用外，還應該重視系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)。發(fā)酵罐系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)可以分為日常和定期兩種方式，二者缺一不可。1、發(fā)酵罐罐體的維護，清洗和保養(yǎng)。發(fā)酵罐罐體是直接與物料接觸的場所，其表面光潔度的程度，以及內部構件的清潔度是被免染菌的主要因素。所以在每次發(fā)酵結束后，必須把頂蓋連同攪拌一起垂直向上拆卸下來，把所有電極取下來，放在安全的地方。用中性洗滌劑洗刷罐體及內部構件。（空氣分布器清洗見無菌空氣系統(tǒng)的維護）。在清洗的同時，應對罐及出口閥的一些O型密封圈進行檢查，如發(fā)現(xiàn)永久變形，老化，有劃傷等現(xiàn)象，需及時更換。在清洗完畢，重新安裝后

17、，應對其外表面及罐架等用干凈抹布擦干凈，保證在待用的狀態(tài)。如果發(fā)酵罐將長期不使用時，則取下所有的電極，按要求規(guī)定存放，然后把罐內的存水及所有管路的存水放光，關閉閥門，用防塵布保護發(fā)酵罐。2、攪拌系統(tǒng)的維護攪拌系統(tǒng)包括攪拌軸、攪拌器、機械密封、軸承、聯(lián)軸器和電機等。由于是轉動部件，而且往往是變速轉動部件，周期也很長。所以在日常運轉中應經常注意軸的運轉情況，電機的發(fā)熱情況以及異常噪聲的發(fā)生，經常檢查有關的螺栓是否松動。每年要定期檢查機械密封的磨損情況。如有必要可更換動環(huán)，以保證機械密封的正常運轉，避免不必要的染菌可能。如果采用雙端面機械密封時，要經常注意無菌水液面的變化，如果發(fā)生液面下降，說明密封

18、泄漏，應在發(fā)酵結束后立即處理。每年定期檢查電機的碳刷磨損情況，以及軸承的轉動情況。3、無菌空氣系統(tǒng)的維護無菌空氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機、粗過濾器、精過濾器、隔膜伐和空氣分布器。在日常維護中需注意空氣壓縮機的運轉情況，在發(fā)酵過程中應每天對貯氣罐的放水伐排放兩次。(1) 過濾器的維護和保養(yǎng)：首先在滅菌過程中要注意過濾器的滅菌溫度宜控制在125C以下。因為過濾器材質在太高溫度下，其粘結劑會產生脫落而使過濾器失效。其次，過濾器在使用一段時間后，其濾芯的微孔會逐漸堵塞，導致阻力增大，從而影響通氣量。因此在使用一年后，最好更換濾芯。(2) 每次發(fā)酵結束，需對空氣分布器進行清洗。如果發(fā)酵液的性質與水相似，可在罐

19、內加水，然后通壓縮空氣進行清洗。如果發(fā)酵液較粘稠，或含有細小顆粒，則最好把空氣分布器拆下，然后把堵頭擰下，用水沖洗。同時保證小孔通氣暢通。4、蒸汽系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)蒸汽系統(tǒng)包括蒸汽發(fā)生器，蒸汽過濾器和蒸汽管路閥門等。在使用過程中要經常注意保證蒸汽壓力的恒定和蒸汽的情況。(1) 蒸汽發(fā)生器的維護和保養(yǎng)在使用前應仔細閱讀該產品的使用說明書。根據(jù)發(fā)酵罐滅菌溫度的需要，通?？刂破湎孪逓橐员ＷC滅菌壓力較為平穩(wěn)。由于蒸汽發(fā)生器的氣包不是不銹鋼的，因此在每次使用前最好將存水放掉，并沖洗干凈，然后再使用。同時注意進水情況，即注意水箱的工作情況，因為有時會發(fā)生浮球卡住的情況，應及時處理。(2) 蒸汽過濾器的濾芯同樣在使用一段時間后會堵塞，通常每年要更換一次。在操作中注意開放蒸汽閥門時不要立即全開，這樣會沖擊蒸汽過濾器濾芯，嚴重時會把濾芯沖斷或泄露而使其失效。5、控制系統(tǒng)的維護與保養(yǎng)控制系統(tǒng)包括電極，控制器，執(zhí)行機構和上位機等。其日常維護特別重要。(1) 首先應保持工作環(huán)境的清潔與干燥，控制箱和一些電器接口不能受潮。尤其在清洗過程中要特別注意。同時要求操作場所的溫度不宜太冷和太熱，通常能保持在20C至30C之間為宜。(2) 定期(宜三個月)進行檢查維修。檢查控制箱內器件的開關，按鈕，固定螺絲有否松動，箱內