生物反應(yīng)與設(shè)備-發(fā)酵罐的操作（生物制藥設(shè)備課件）

自吸式發(fā)酵罐任務(wù)

發(fā)酵罐是微生物大量生長繁殖的場所，是一類重要的生物反應(yīng)器。發(fā)酵罐厭氧式發(fā)酵罐不需要通入氧氣好氧式發(fā)酵罐通氧氣好氧發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐鼓泡塔式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐

不需要壓縮空氣，利用特殊的機械攪拌吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置，將無菌空氣吸入罐中，同時實現(xiàn)發(fā)酵液的混合與溶氧傳質(zhì)。

吸氣轉(zhuǎn)子由三棱空心葉輪與固定導(dǎo)輪組成，攪拌軸為中空，與進氣管相連，在空心葉輪快速旋轉(zhuǎn)時，液體被甩出，在葉輪中心形成負壓，將罐外的無菌空氣吸到罐內(nèi)，吸入的氣體在葉輪周圍分散成細碎的氣泡，形成了強烈的氣液湍流，氣泡中的氧氣隨之擴散到發(fā)酵液中，在攪拌下氧氣溶解。自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)和工作原理優(yōu)點：

抽吸力不強，吸程不高，適用于對氧氣需要量較低的醋酸和酵母的發(fā)酵生產(chǎn)。機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的葉輪轉(zhuǎn)速較高，在轉(zhuǎn)子周圍形成較強烈的剪切區(qū)，不適用于對剪切力敏感的微生物。缺點氣液固三相混合均勻，分散度高，溶氧速率高，傳熱性能好，結(jié)構(gòu)簡單，附屬設(shè)施少，投資省，能耗低。氣升式發(fā)酵罐任務(wù)三

氣升式發(fā)酵罐由罐體、導(dǎo)流筒、循環(huán)管、空氣噴嘴等部件組成。在氣升式發(fā)酵罐中沒有機械攪拌器及相關(guān)裝置，采用高速氣流和密度差帶動發(fā)酵液流動、混合。有環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等氣升發(fā)酵罐。

按發(fā)酵液流動方式，環(huán)流式發(fā)酵罐又可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。內(nèi)循環(huán)方式中，又有中央導(dǎo)流筒式和雙帶導(dǎo)流式1.氣升式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)

潔凈空氣以250～300m/s，的速度從噴嘴噴出，并以氣泡的形式分散于液體中，含氣發(fā)酵液沿循環(huán)管上升，氧氣溶解，形成富氧的液體。在密度差和重力作用下，上部液體沿循環(huán)管下降，下部液體上升，形成循環(huán)流動，空氣噴嘴高速噴出的空氣推動循環(huán)管流動。結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、剪切作用小，氧的傳遞能力比機械攪拌式發(fā)酵罐要高。氣升式發(fā)酵罐不適用于黏度高或固含量大的發(fā)酵液。鼓泡塔式發(fā)酵罐任務(wù)四鼓泡塔式發(fā)酵罐

鼓泡塔式發(fā)酵罐由塔體、篩板、空氣分布器、降液管組成

泡塔式發(fā)酵罐的高徑比約為7左右，罐內(nèi)安裝有篩板和空氣分布器，降液管具有液封的作用。

壓縮空氣由罐底導(dǎo)入，經(jīng)空氣分布器后穿過篩板氣孔，逐板上升。發(fā)酵液充滿塔體。在空氣泡上升的過程中，密度小的含氣發(fā)酵液也隨之上升，上升后的發(fā)酵液釋放空氣泡，密度增大，在密度差和重力作用下又沿降液管下降，從而形成循環(huán)?？諝馀莸纳仙桶l(fā)酵液的循環(huán)流動，產(chǎn)生氣液混合效果，促進了氧氣的溶解。

鼓泡式發(fā)酵罐省去了機械攪拌裝置，造價低，又不會產(chǎn)生液封導(dǎo)致的染菌問題，因而使用范圍較廣。如果培養(yǎng)液濃度適宜，操作得當，在不增加空氣流量的情況下，基本上可達到通用發(fā)酵罐的發(fā)酵水平。發(fā)酵罐信號控制系統(tǒng)任務(wù)五在線檢測:將檢測儀器安裝在系統(tǒng)中直接測試生產(chǎn)過程各參數(shù)的過程發(fā)酵過程在線檢測儀器:溫度傳感器、pH電極、溶氧電極、轉(zhuǎn)速測定儀等1.發(fā)酵液中溫度的調(diào)控

溫度傳感器感應(yīng)罐內(nèi)溫度，將信號傳遞至溫度控制儀，經(jīng)與設(shè)定溫度進行比較后，由溫度控制儀發(fā)出調(diào)節(jié)信號，冷卻水閥門和加熱裝置相機動作，調(diào)節(jié)發(fā)酵液溫度。溫度傳感器

培養(yǎng)基滅菌和發(fā)酵過程溫度的檢測范圍是0～150℃熱電偶半導(dǎo)體熱敏電阻鉑電阻溫度傳感器鉑電阻溫度傳感器是當前生物反應(yīng)器的標準配置。鉑金屬的電阻值與溫度的變化成正比關(guān)系，具有精度高、穩(wěn)定性強，輸出線性好的優(yōu)點。2.發(fā)酵液中pH的調(diào)控發(fā)酵罐pH的控制是依靠向罐內(nèi)滴加酸或者堿來完成。

pH電極感知酸堿性，以電信號傳遞到放大控制儀，啟動并控制酸、堿泵動作，向罐內(nèi)滴加酸、堿液，實時調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH值。pH電極

發(fā)酵罐pH值檢測電極是玻璃氫電極，是復(fù)合電極。在使用玻璃電極時要加裝不銹鋼保護套，電極與發(fā)酵罐壁之間使用“O”形環(huán)密封。金屬外套電極金屬安裝附件耐高溫PH玻璃電極3.發(fā)酵液溶氧濃度的調(diào)控

發(fā)酵過程中通過改變參數(shù)影響溶氧的可變因素主要是攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量。罐壓影響發(fā)酵液中溶氧濃度。在發(fā)酵過程中，通過調(diào)節(jié)控制通風(fēng)量和攪拌轉(zhuǎn)速的方法達到對溶氧濃度的調(diào)控。溶氧電極（Do）

原電池溶氧電極采用一對不同金屬材質(zhì)制作的兩個電極，將其浸沒在發(fā)酵液中，溶解氧得電子所產(chǎn)生的電流強度與氧氣的濃度成正比，電信號經(jīng)變送器輸送，并在顯示器上顯示出溶解氧濃度。有原電池溶氧電極和極譜溶氧電極溶氧電極

原電池電極在測量之前無需預(yù)熱就可對溶液中的溶解氧濃度改變作出快速響應(yīng)，系統(tǒng)只需40～50秒就可以達到實際讀數(shù)的95％。

極譜溶氧電極采用金、鉑等金屬和Ag/AgCl構(gòu)成的電解池系統(tǒng)，需要在電極兩端加上一恒定的極化電壓。當氧分子滲透過隔膜后，在陰極被還原，從陽極到陰極的電流與電解液中溶解氧的濃度成正比。

溶氧電極在使用前，必須進行原位標定。在發(fā)酵罐的安裝位置上，取發(fā)酵過程中最大和最小的氧飽和條件作為溶氧值的零及飽和濃度條件進行校正稱為原位校正。常用工業(yè)溶氧電極4.消泡電極

常用的消泡電極有電容電極和電阻電極。電容電極由兩部分組成，分別安裝于罐內(nèi)反應(yīng)液的上方，當泡沫出現(xiàn)時，在兩個電極之間產(chǎn)生與泡沫量呈正比關(guān)系的電容變化，從而可以定量測出泡沫量；電阻電極利用泡沫與電極接觸構(gòu)成電流回路的特點來檢測泡沫，只能定性檢測泡沫的生成與否。機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐任務(wù)一

發(fā)酵罐是微生物大量生長繁殖的場所，是一類重要的生物反應(yīng)器。發(fā)酵罐厭氧式發(fā)酵罐不需要通入氧氣好氧式發(fā)酵罐通氧氣好氧發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐鼓泡塔式發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的主要部件有罐體、攪拌器、擋板、空氣分布器、換熱器、消泡器、人孔、視鏡等.1.罐體

罐體是空心圓柱體上下兩底焊接封頭后所構(gòu)成的容器。圓柱體高徑之比為1.7～3。

罐體一般采用衛(wèi)級不銹鋼，要求能耐受130℃的高溫和的絕對壓力。

封頭上設(shè)置有進料管、無菌呼吸口、接種管、人孔、視鏡、壓力表和取樣管等。罐側(cè)壁上設(shè)計有各種檢測儀器接口以及換熱器的進出口。無菌壓縮空氣從罐底部通入，經(jīng)空氣分布管進入發(fā)酵液。2.攪拌器

攪拌器安裝在攪拌軸上，起著將空氣分散成氣泡并與發(fā)酵液充分混合，提高溶氧速率的作用。攪拌器的葉輪有多種形式，有渦輪式和螺旋槳式兩種。（1）渦輪式攪拌器

中央圓盤上設(shè)置六個葉片，可分為平葉式和彎葉式兩種。（2）螺旋槳式攪拌器

采用類似螺旋推進器的結(jié)構(gòu)，在發(fā)酵罐內(nèi)形成由下向上的軸向螺旋運動。（3）兩類攪拌器的攪拌效果

可產(chǎn)生較強的渦流擴散效果，氣泡分散性好，但主體對流混合較差，容易產(chǎn)生層流。渦輪式攪拌器

可在軸向產(chǎn)生較好的主體對流混合，但渦流擴散效果較差，即氣泡分散性較弱。螺旋槳式攪拌器兩類攪拌器組合使用，既強化氣泡的分散，又增強了發(fā)酵液的整體混合效果。3.軸封

連接攪拌器的攪拌軸在電動機的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，攪拌軸與罐體間的縫隙通過軸封實現(xiàn)密閉。發(fā)酵罐上常采用端面機械軸封。端面機械軸封由動環(huán)和靜環(huán)構(gòu)成靜環(huán)由聚四氟乙烯制成動環(huán)由碳化鎢鋼制成，動環(huán)和靜環(huán)具有導(dǎo)熱性能好，摩擦系數(shù)小等特性。4.空氣分布器

通常有單管式和環(huán)管式兩種結(jié)構(gòu)，管上密布了直徑約2～3㎜的噴氣孔，其作用是使空氣分布均勻。

單管式是大型發(fā)酵罐中經(jīng)常采用的形式，管口正對發(fā)酵罐的底部，與罐底距離約40㎜。

環(huán)管式結(jié)構(gòu)簡單，由一根環(huán)形管道制成，其上也分布有噴氣孔，常固定在罐體底部，其噴氣孔應(yīng)向下，以減少發(fā)酵液在分布管上滯留。5.消泡器

通氣攪拌條件下的發(fā)酵經(jīng)常會產(chǎn)生大量的泡沫，嚴重時會導(dǎo)致發(fā)酵液外溢，增加染菌機會。消泡法化學(xué)消泡法機械消泡法耙式消泡器渦輪消泡器

離心式消