發(fā)酵罐的操作課件

1、綜合實訓（二）發(fā)酵罐的操作發(fā)酵罐發(fā)酵罐概述通風發(fā)酵設備嫌氣發(fā)酵設備發(fā)酵罐概述一、基本概念發(fā)酵設備中最重要、應用最廣的設備，是發(fā)酵工業(yè)的心臟，是連接原料和產物的橋梁。廣義的發(fā)酵罐是指為一個特定生物化學過程的操作提供良好而滿意的環(huán)境的容器。工業(yè)發(fā)酵中一般指進行微生物深層培養(yǎng)的設備。二、發(fā)展過程1）1900年以前，木制容器造酒。2）1900-1940，鋼制發(fā)酵罐，開始使用空氣分布器，機械攪拌開始應用。3）1940-1960，青霉素，通風，無菌操作，純培養(yǎng)等一系列技術開始應用，計算機用于發(fā)酵控制，產物分離純化商業(yè)化。4）1960-1979，機械攪拌通風發(fā)酵罐的容積增大到80-150 m3，出現(xiàn)壓力循環(huán)

2、和壓力噴射型發(fā)酵罐，克服一些氣體交換和熱交換問題，計算機廣泛應用。5）1979-今，大規(guī)模細胞培養(yǎng)發(fā)酵罐，胰島素、干擾素等基因工程產品商業(yè)化發(fā)酵罐更加趨向大型化和自動化發(fā)展。三、發(fā)酵設備的類型1. 按微生物生長代謝分類： 1）非通風發(fā)酵罐：酒精發(fā)酵罐、啤酒發(fā)酵罐 2）通風發(fā)酵罐：機械攪拌、氣升式、伍式、自吸式等2. 按發(fā)酵罐設備特點分類： 1）機械攪拌通風發(fā)酵罐：伍式、文式、自吸式等 2）非機械攪拌通風發(fā)酵罐：氣提式、液提式等3. 按操作方式分類：1）分批發(fā)酵在一個培養(yǎng)體積中接種細胞和添加培養(yǎng)基后，中途不添加也不更換培養(yǎng)基的方式。優(yōu)點：污染雜菌比例小，操作靈活，可進行不同產品的生產。缺點：效率

3、低，非穩(wěn)態(tài)工藝過程設計和操作困難（培養(yǎng)過程中細胞生長、產物積累、以及培養(yǎng)基的物理狀態(tài)常常隨時間變化而變化） 。2）連續(xù)發(fā)酵在培養(yǎng)過程中，不斷向反應器中流加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同的流量從系統(tǒng)中取出培養(yǎng)液，從而維持培養(yǎng)系統(tǒng)內在細胞密度、產物濃度以及物理狀態(tài)相對平衡的培養(yǎng)方式。優(yōu)點：增加目的產物產量（細胞培養(yǎng)周期延長，導致目的產物積累時間延長）； 便于對系統(tǒng)的檢測（系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)后，細胞密度、基質、產物濃度等趨于恒定）。缺點：裝置較復雜，容易污染雜菌。通風發(fā)酵設備機械攪拌通風發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐通風發(fā)酵罐又稱好氣性發(fā)酵罐，需要將空氣不斷通入發(fā)酵液中，以供微生物所消耗的氧。通入發(fā)酵液中的氣

4、泡越小，氣泡與液體的接觸面積就越大，液體中的氧的溶解速率也越快。 類型：包括：機械攪拌式、自吸式、氣升式、伍式、文氏罐等類型的發(fā)酵罐。一、機械攪拌發(fā)酵罐1、發(fā)酵罐的基本條件機械攪拌發(fā)酵罐是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需的氧氣。又稱通用式發(fā)酵罐。2、發(fā)酵罐的基本要求：1）結構嚴密，經(jīng)得起蒸汽的反復滅菌，內壁光滑，耐腐蝕性能好，以利于滅菌徹底和減小金屬離子對生物反應的影響；2）有良好的氣-液-固接觸和混合性能與高效的熱量、質量、動量傳遞性能；3）在保持生物反應要求的前提下，降低能耗；4）有良好的熱量交換性能，以維持生物反應最適

5、溫度；5）有可行的管路比例和儀表控制，適用于滅菌操作和自動化控制。發(fā)酵罐是一種圓柱形的容器，容量從幾升到幾百萬升不等。發(fā)酵罐應用廣泛：可用于啤酒發(fā)酵、白酒發(fā)酵、檸檬酸發(fā)酵、生物發(fā)酵等。發(fā)酵罐上面連接有通氣、攪拌、接種、加料、冷卻、pH檢測等裝置。通用式發(fā)酵罐的主要部件罐體攪拌器擋板軸封空氣分布管消泡器 冷卻管（或夾套）聯(lián)軸器中間軸承人孔管路等123456789101112131415161718192021溫度計接口 3、發(fā)酵罐的結構（1）罐體：由圓柱體和橢圓形或碟形封頭焊接而成。材料為炭鋼或不銹鋼，且應有一定的承壓能力，2.5kg/cm2。罐頂上的接管有：進料管、補料管、排氣管、接種管和壓力

6、表接管。罐身上的接管有：冷卻水進出管、進空氣管、溫度計管和測控儀表接口。（2）攪拌器：作用：使通入的空氣分散成氣泡并與發(fā)酵液充分混合，使氧溶解于發(fā)酵液中。大型攪拌器一般做成兩半型，用螺栓連成整體裝配于攪拌軸上，便于拆卸。徑向式（蝸輪式）軸向式（推進式）平葉式、彎葉式和箭葉式螺旋槳式、漿葉式形式彎葉式箭葉式平葉式漿葉式螺旋槳式蝸輪式攪拌器推進式攪拌器徑向式攪拌器 優(yōu)點：氣體分散能力強； 缺點：功耗較大,作用范圍小。軸向式攪拌器 優(yōu)點：軸向混合性能較好，功耗低，作用范圍大； 缺點：對氣體的控制能力弱。 怎么樣實現(xiàn)高效攪拌？通常采用徑向式攪拌器和軸向式攪拌器組合實現(xiàn)高效攪拌混合和節(jié)能降耗。對于組合形

7、式，根據(jù)發(fā)酵罐一般是下部通氣的特點，下層攪拌器選擇徑向式攪拌器，上層攪拌器采用軸向式攪拌器。（3）擋板擋板的作用： 改變液流的方向，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。 防止攪拌過程中漩渦的產生，而導致攪拌器露在料液以上，起不到攪拌作用。豎立的蛇管、列管、排管也可以起擋板作用。擋板與罐壁之間的距離：(1/5-1/8)D，避免形成死角，防止物料與菌體堆積。擋板空氣分布器（4）消泡器：發(fā)酵液中含有蛋白質等發(fā)泡物質，通氣攪拌是會產生氣泡，發(fā)泡嚴重時會使發(fā)酵液隨排氣而外溢，增加雜菌污染的機會。消泡方法：化學法天然油脂、聚醚類、高級醇類等。物理法機械消泡裝置，常用耙式消泡器。消泡器的作用：將泡沫打破。消泡器位

8、于液面上10 cm，長度約為0.65 D。耙式消泡器（5）聯(lián)軸器及軸承：用聯(lián)軸器使幾段攪拌軸上下成牢固的剛性聯(lián)接。為了減少震動，中型發(fā)酵罐裝有底軸承，大型發(fā)酵罐裝有中間軸承。 （6）空氣分布裝置空氣分布裝置的作用：吹入無菌空氣，使空氣分布均勻。形式：單管和環(huán)形管。常用單管，簡單實用，單次通入量較大。環(huán)形管屬于多孔管式，空氣分布較均勻，但噴氣孔容易被堵塞。通風管（7）軸封定義：運動部件與靜止部件之間的密封叫作軸封。如攪拌軸與罐蓋或罐底之間。作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。形式：填料函和端面軸封兩種。目前多用端面式軸封。端面式軸封又稱機械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈

9、簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密的相互貼合，并作相對轉動而達到密封。動靜環(huán)材料要有良好的耐磨性，摩擦因數(shù)小，導熱性能好，結構緊密，且動環(huán)的硬度應比靜環(huán)大。填料函式軸封是由填料箱體、填料底襯套、填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構成，使旋轉軸達到密封的效果。缺點：死角多，很難徹底滅菌，易磨損，滲漏。（8）變速裝置二、氣升式發(fā)酵罐（ALR）氣升式發(fā)酵罐也是應用最廣泛的生物反應設備。特點：結構簡單、不易染菌、溶氧效率高和耗能低等。類型：氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等。原理：把無菌空氣通過噴嘴噴射進發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡打碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上

10、運動，而含氣率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質。氣升環(huán)流式反應器的特點：反應溶液分布均勻；較高的溶氧速率和溶氧效率；剪切力?。粋鳠崃己?；結構簡單；操作和維修方便。自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。與通用發(fā)酵罐的區(qū)別：有一個特殊的攪拌器，沒有通氣管。缺點：罐為負壓，易染菌；轉速較大，會打碎絲狀菌。三、自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐的充氣原理：攪拌器由罐底向上伸入的主軸帶動。葉輪旋轉時葉片不斷排開周圍的液體使其背側形成真空，由導氣管吸入罐外空氣。吸入的空氣與發(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(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布。 馬達

11、轉子軸封嫌氣發(fā)酵設備酒精發(fā)酵罐啤酒發(fā)酵罐滿足酒精發(fā)酵的工藝要求: 滿足酒精酵母生長和代謝的必要工藝條件。將發(fā)酵產生的熱量及時移走。 有利于發(fā)酵液的排出，設備的清洗、維修以及設備制造安裝方便等問題。一、酒精發(fā)酵罐1、罐型酒精發(fā)酵罐筒體為圓柱形，底蓋和頂蓋均為碟形或錐形。罐頂裝有廢汽回收管，進料管，按種管，壓力表、各種測量儀表接口管及供觀察清洗和檢修罐體內部的人孔等。罐底裝有排料口和排污口，罐身上下裝有取樣口和溫度計接口。對于大型發(fā)酵罐，為了便于維修和清洗，在近罐底裝有人孔。2、發(fā)酵的冷卻裝置中小型發(fā)酵罐多采用罐頂噴水淋于罐外表面進行膜狀冷卻；大型發(fā)酵罐罐內裝有冷卻蛇管或罐內蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷

12、卻。為了避免發(fā)酵車間的潮濕和積水，要求在罐底部沿罐體四周裝有集水槽3、洗滌裝置組成及原理：由一根兩頭裝有噴嘴的灑水管組成，兩頭的噴水管彎有一定的弧度，噴水管上均勻的鉆有一定數(shù)量的小孔；噴水管安裝時呈水平，借活接頭和固定供水管相連接；借噴水管兩頭噴嘴以一定噴出速度而形成的反作用力使其自動旋轉。過去由人工操作勞動強度大，易中毒。水力噴射裝置改善勞動強度，提高效率。在水壓不大的情況下，水力噴射強度和均勻度都不理想，以致洗滌不徹底。采用高壓強的水力噴射洗滌裝置。組成及原理：直立的噴水管，沿軸向安裝于罐的中央，在垂直噴水管上鉆有小孔，孔與水平呈20角，水平噴水管借活接頭，上端與供水總管，下端與垂直分配管

13、相連接。二、啤酒發(fā)酵罐啤酒發(fā)酵設備的發(fā)展： 1、木材水泥金屬 2、開放式向密閉式 3、方形圓形臥式立式圓筒錐底罐 4、人工洗滌CIP自動清洗系統(tǒng)一、啤酒前、后發(fā)酵設備1、前發(fā)酵設備長、正方形開放式、密閉式控溫：槽內控溫、發(fā)酵室控溫（降溫、絕熱）室內CO2濃度應控制開放式前發(fā)酵槽2、后發(fā)酵槽后發(fā)酵階段：殘?zhí)抢^續(xù)發(fā)酵，飽和CO2 ，澄清、成熟貯酒罐臥式、立式溫度維持在0-2二、新型啤發(fā)酵設備 錐底：便于酵母沉淀回收冷卻套：分為2-3段，很大的罐可分為四段圓筒體錐底發(fā)酵罐發(fā)酵罐的操作罐檢空消電極標定配料實消接種中控培養(yǎng)放罐洗罐檢修5L玻璃發(fā)酵罐的結構，見實訓材料。第一步：罐檢目的：快速檢查發(fā)酵罐，確

14、保發(fā)酵罐正常，可以上罐。檢查項目：閥門：所有閥門是否處于正確的位置。壓力表：壓力表是否歸零。PH和溶氧電極：電極是否拔出并正確保養(yǎng)。罐體：罐內是否清洗干凈。攪拌電機：點動電機，看電機運轉是否正常。第二步：空消 空消主要目的是在進罐生產前對設備清潔和殺滅其他微生物，防止因設備清潔不徹底或設備停用時間過久，微生物滋生，從而對生產造成影響?？障僮髁鞒躺郎貜目諝饴?、取樣路和出料路進蒸汽排凈罐內的冷空氣后關小排氣閥，節(jié)省蒸汽滅菌調節(jié)空氣一閥、取樣一閥、出料一閥和排氣閥控制壓力壓力0.140.16MPa,溫度126128，時間30分鐘降溫排空罐內冷凝水自然冷卻第三步：電極標定目的：為了確保電極準確測量，

15、必須在使用前對電極進行標定。注意事項：新電極或放置很久的電極必須激活以后才可以進行標定和使用。PH電極用3moL/L的KCl溶液浸泡6小時激活，溶氧電極通電6小時激活。PH電極標定的時候需要將接地電極放入盛放標準液的燒杯內。接種以后設定好發(fā)酵參數(shù)，然后進行溶氧電極百分百標定。電極標定所需試劑：電極標定參數(shù)：PH電極的校準1 由于電極的內容物會隨使用時間或高溫滅菌而不斷變化，因而在每次使用前均需用標準的pH緩沖液校準，以確保測量精度。堿性、中性緩沖液能吸取空氣中的二氧化碳，造成緩沖液pH值變化，故必須確保所用緩沖液在使用期限內，并且儲存于密閉容器中。 電極在緩沖液中放置1min后再進行后繼操作。

16、4 如果被測的是微酸性溶液，建議用pH6.86和pH4.00的標準緩沖液進行校準。如果是微堿性溶液，建議用pH6.86和pH9.18的標準緩沖液校準。5 通常先用pH6.86緩沖液校零點，再用pH4.00或9.18緩沖液確定斜率。溶氧電極的標定1 每次使用電極前都必須進行校準，校準介質可以是空氣或飽和介質，電極校準前必須按2.1的要求進行充分極化。2 電極校準通常先用新配的5%亞硫酸鈉溶液校準“零點”，再用空氣或飽和介質校準“100點”。3 如果以空氣為校準介質，即用純凈水沖洗電極并用軟紙巾吸干膜體上的水珠后，將電極放在空氣中，待讀數(shù)穩(wěn)定后即可開始校準。4 發(fā)酵培養(yǎng)一般以飽和介質為校準介質，即

17、在實消后接種前，待培養(yǎng)基冷卻到培養(yǎng)溫度，啟動電機至正常轉速，在操作壓力下按最大通氣時進行校準，并將此時溶液定義為100%飽和。第四步：配料增容： 實消過程中部分蒸汽會冷凝形成冷凝水進入培養(yǎng)基中，從而導致培養(yǎng)基體積變大，變大的部分即為增容。不同的地區(qū)，不同的氣候，增容量都會不同的，需要通過多次實消滅菌總結才能得到一個經(jīng)驗值。配料操作流程：領料正確填寫領料單，從保管處領取原料領料人簽字確認溶料按工藝要求順序溶解各種原料原料全部溶解，無雜質，無硬塊投料確保電極已經(jīng)插上，出料一閥已經(jīng)關閉考慮增容和種子液量，定容到發(fā)酵所需體積第五步：實消 發(fā)酵罐實消是對發(fā)酵培養(yǎng)基進行徹底的滅菌處理, 利用高溫過飽和蒸汽

18、的強穿透能力使各種細菌、真菌蛋白質凝固而死亡。實消結束以后罐內是無菌的環(huán)境，需通入無菌空氣進行保壓直到培養(yǎng)結束。實消操作流程預熱通過夾套通蒸汽進行預熱當溫度升到90時停止預熱，關閉攪拌升溫從空氣路、取樣路和出料路進蒸汽升溫壓力升到0.05MPa以后打開所有和罐體連接的閥門滅菌調節(jié)空氣一閥、取樣一閥、出料一閥和排氣閥控制壓力溫度：123125，壓力：0.120.13MPa，時間30分鐘冷卻通過夾套通冷卻水進行降溫，當溫度低于90時開啟攪拌罐內壓力不能低于0.05MPa第六步：接種接種方法：壓差接種法接種材料：種子液、火焰圈、95%酒精、酒精棉、鑷子、打火機、石棉手套注意事項：環(huán)境：關閉車間門窗和排氣扇，接種環(huán)境周圍禁止人員來回走動，降低空氣流動性；無菌：拔接種針護套時需靠在火焰附近，接種壺不可傾斜過度，避免種子液流出；接種操作過程中罐壓不能掉零；安全：拔出接種壺時接種針不可以指向人員，避免接種針飛出后造成人員受傷；點燃火焰圈不可隨處亂扔，熄滅以后才可以繼續(xù)操作。接種操作：準備準備好接種所需材料關閉門窗、排氣扇操作人員合理分工，一個為主操作，一個為副操作消毒副操作用酒