一種發(fā)酵罐概述

1、發(fā)酵罐綜述學(xué)院：生命科學(xué)學(xué)院專業(yè)：生物工程班級(jí)：2016級(jí)學(xué)號(hào)：2016021168學(xué)生姓名：汪裕強(qiáng)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(jié)構(gòu)、操作、規(guī)范及保養(yǎng)等，介紹了酶工程在食品加工的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)發(fā)酵罐的作用和發(fā)展作出了展望。關(guān)鍵詞：發(fā)酵罐、結(jié)構(gòu)、操作引言：發(fā)酵罐是微生物工程中最重要的設(shè)備之一，一個(gè)優(yōu)良的培養(yǎng)裝置應(yīng)設(shè)計(jì)為具有嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)，良好的液體混合性能，高的傳質(zhì)和傳熱速率，以及可靠的檢測(cè)及控制儀表，才能獲得最大的生產(chǎn)效率。一、發(fā)酵罐的主要類型：(1) 通氣機(jī)械攪拌罐通氣機(jī)械攪拌罐是許多發(fā)酵過程的首選設(shè)備，具有高傳質(zhì)和傳熱能力，理想的氣液混合效果，較長(zhǎng)的液體停留時(shí)間和較

2、寬的操作氣速。但缺點(diǎn)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(yáng)通風(fēng)攪拌罐的優(yōu)勢(shì)，克服其缺點(diǎn)是當(dāng)前發(fā)酵罐研究的重點(diǎn)之一。通風(fēng)攪拌罐改進(jìn)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(jìn)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)器的流態(tài)，使得剪切力可以均勻的分布，保護(hù)反應(yīng)器中的微生物。多層攪拌系統(tǒng)很早就開始使用，但由于對(duì)其工作機(jī)理研究不夠深人，多年來一直采用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，沒有發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。(2) 氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐有明顯的優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)SCR絲狀真菌、廢水處理中已獲得廣泛應(yīng)用。氣升式發(fā)酵罐是應(yīng)用最廣泛的生

3、物反應(yīng)設(shè)備。這類反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易染菌、溶氧效率局、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。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(jīng)大量應(yīng)用的氣升式發(fā)酵罐有氣升內(nèi)環(huán)流發(fā)酵罐、氣液雙噴射氣升環(huán)流發(fā)酵罐、設(shè)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(dāng)然鼓泡式反應(yīng)器內(nèi)沒有設(shè)置導(dǎo)流筒，故未控制液體的主體定向流動(dòng)。(3) 白吸式發(fā)酵罐白吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)白吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)白吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)白吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dòng)，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)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(nèi)，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(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)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(dòng)形成的真空白行吸人，氣液接觸十分良好，氣泡分散較細(xì)，從而提高了氧在發(fā)酵液中的溶解速率。以下以機(jī)械攪拌發(fā)酵罐為例，介紹其主要結(jié)構(gòu)部件及其主要功能：二、發(fā)酵罐的基本條件機(jī)械攪拌發(fā)酵罐也稱標(biāo)準(zhǔn)式或通用式發(fā)酵罐，它是利用機(jī)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(zhǎng)繁殖所需要的氧氣。為了使發(fā)酵罐發(fā)揮最大的生產(chǎn)效率，發(fā)酵罐必須滿

5、足幾個(gè)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(fēng)設(shè)備能使氣液成分混合，實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)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(yīng)具有足夠的冷卻面積。 發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)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(yán)密，減少泄露。機(jī)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(nèi)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(jié)構(gòu)機(jī)械攪拌通風(fēng)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(shè)計(jì)。(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(fù)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(shè)備如排氣孔，接料孔等。罐設(shè)計(jì)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(zhì)速率，同時(shí)使發(fā)酵液充分混合，發(fā)酵液中的固型物質(zhì)保持選

7、否浮狀態(tài)。結(jié)構(gòu)：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(gè)，少至三個(gè)，多至八個(gè)。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(dòng)液體的能力與以上相反。在軸上多配置幾個(gè)攪拌器對(duì)發(fā)酵有好處，但是配置的數(shù)量是根據(jù)罐內(nèi)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(jī)械攪捽通風(fēng)發(fā)mUttfi節(jié)海蜻何1一項(xiàng)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)液體產(chǎn)生的渦流，將徑向流動(dòng)改為軸向流動(dòng)，促使液體激烈翻動(dòng)，增加

8、溶氧速率。全擋板條件：指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)擋板或其它附件時(shí)，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(shè)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(jì)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(shí)際中，罐中的擋板數(shù)一般安裝四快，這主要是因?yàn)榘l(fā)酵罐內(nèi)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(jī)械消泡器作用：將泡沫打碎。因?yàn)榘l(fā)酵液中的蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)量很多，在強(qiáng)烈的通氣攪拌下會(huì)產(chǎn)生大量的炮沐，導(dǎo)致發(fā)酵液外溢和增加染菌機(jī)會(huì)。按分布的位置分：發(fā)

9、酵罐內(nèi)的消泡器和發(fā)酵罐外的消泡器。發(fā)酵罐內(nèi)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(nèi)，如離心式消泡器，也可采用電極帶動(dòng)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(zhǎng)，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(yīng)能適當(dāng)調(diào)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(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)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：?jiǎn)喂苁胶铜h(huán)形管式。單管式的管口正對(duì)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(shí)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(zhǎng)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(zhì)系數(shù)也越大。3.6 軸封作用：是發(fā)酵罐與轉(zhuǎn)動(dòng)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(gòu)成。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：死角多，彳艮難徹底滅菌，容易泄露及染菌軸的磨損情況嚴(yán)重，功率消耗大，壽命短，耗工時(shí)多，需經(jīng)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(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密配合，并做相對(duì)運(yùn)動(dòng)起到密封作用。優(yōu)點(diǎn)：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(zhǎng)，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(jìn)行冷卻面積的設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，罐內(nèi)無冷卻裝置，死角少，容易進(jìn)行清潔滅菌工作。缺點(diǎn)：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(nèi)，一般分四組，六組或八組。優(yōu)點(diǎn)：冷卻水流速大，傳熱系數(shù)高。連續(xù)滅菌的保溫和冷卻設(shè)備保溫設(shè)備：罐式保溫設(shè)備和管式保溫設(shè)備。冷卻設(shè)備：噴淋冷卻設(shè)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(jìn)料和出料口，同時(shí)還有補(bǔ)料口等四、發(fā)酵罐的操作在進(jìn)行發(fā)酵罐操作之前必需仔細(xì)閱讀發(fā)酵罐操作使用說明。并熟悉管路系統(tǒng)的各個(gè)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(duì)空壓機(jī)，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(guān)的設(shè)備，空氣壓縮機(jī)，蒸汽發(fā)生器，檢查水壓是否正

13、常，一般氣壓0.2MPa2、開機(jī)：打開下位機(jī)的電源開關(guān)和上位機(jī)軟件，顯示過程參數(shù)。并進(jìn)彳fPH電極的標(biāo)定。3、打開蒸汽發(fā)生器和空氣壓縮機(jī)電源。4、開始滅菌操作：a、啟動(dòng)轉(zhuǎn)速：控制在200轉(zhuǎn)/分b、將5號(hào)放空閥稍微打開，將7號(hào)排水閥全部打開。c、將1號(hào)打開，使夾套壓力表示數(shù)升為0.2MPa,此時(shí)罐壓慢慢上升，當(dāng)罐壓升到0.1MPa時(shí)，要控制1號(hào)閥，將夾套壓力調(diào)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(hào)蒸汽閥，把排水閥4號(hào)打開一點(diǎn)，將8號(hào)隔膜閥打開，使蒸汽進(jìn)入罐內(nèi)?？捎檬钟|摸來判斷蒸汽是否進(jìn)入罐內(nèi)e、確定滅菌時(shí)間，一般為30分鐘，在此滅菌時(shí)間內(nèi)應(yīng)控制好滅菌

14、溫度在120度以上，如果控制不當(dāng)，溫度下降低于118度以下，則需重新開始計(jì)時(shí)。f、滅菌結(jié)束后的操作滅菌時(shí)間到，將8號(hào)隔膜閥，4號(hào)過濾器排水閥關(guān)閉，再將1號(hào)、2號(hào)蒸汽閥關(guān)閉，同時(shí)打開3號(hào)空氣閥，應(yīng)注意過濾器上的壓力表是否在0.2MPa,g、注意點(diǎn)：在滅菌結(jié)束，關(guān)閉蒸汽閥門的同時(shí)打開3號(hào)空氣閥。此時(shí)需注意罐內(nèi)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(jié)束，開始冷卻降溫，將顯示畫面切換至溫度控制畫面，進(jìn)行白動(dòng)溫度控制2、設(shè)定攪拌速度3、接種后，先按“S/E”鍵，再按“確認(rèn)”鍵，開始發(fā)酵，上位機(jī)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(dòng)控制的，因此操作人員應(yīng)耐心的調(diào)節(jié)閥門5,在正常情況下，進(jìn)口空氣壓力比較穩(wěn)定。閥門5的調(diào)節(jié)不會(huì)很頻繁。但有時(shí)會(huì)由于電壓不穩(wěn)或壓縮機(jī)出問題而影響進(jìn)口壓力，則罐壓波動(dòng)較大。也有可能跌下來，所以需經(jīng)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(yīng)立即關(guān)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(dāng)然，長(zhǎng)時(shí)間斷電也就另當(dāng)別論了。3、要對(duì)過濾器放水閥門4經(jīng)常開啟一點(diǎn)，把其中的積水放掉，如果發(fā)酵周期較長(zhǎng)時(shí)，更要注意排水。但不要常開為好，否則會(huì)影響發(fā)酵過程的通氣量測(cè)定。六、發(fā)酵罐的維護(hù)和保養(yǎng)為了

16、保證發(fā)酵罐的正常運(yùn)行，用戶除了必須熟悉系統(tǒng)的各部件結(jié)構(gòu)，性能，以及管路，閥門的作用外，還應(yīng)該重視系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)。發(fā)酵罐系統(tǒng)的維護(hù)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(hù)，清洗和保養(yǎng)。發(fā)酵罐罐體是直接與物料接觸的場(chǎng)所，其表面光潔度的程度，以及內(nèi)部構(gòu)件的清潔度是被免染菌的主要因素。所以在每次發(fā)酵結(jié)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(nèi)部構(gòu)件。（空氣分布器清洗見無菌空氣系統(tǒng)的維護(hù)）。在清洗的同時(shí)，應(yīng)對(duì)罐及出口閥的一些O型密封圈進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)永久變形，老化，有劃傷等現(xiàn)象，需及時(shí)更換。在清洗完畢，重新安裝后

17、，應(yīng)對(duì)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(zhǎng)期不使用時(shí)，則取下所有的電極，按要求規(guī)定存放，然后把罐內(nèi)的存水及所有管路的存水放光，關(guān)閉閥門，用防塵布保護(hù)發(fā)酵罐。2、攪拌系統(tǒng)的維護(hù)攪拌系統(tǒng)包括攪拌軸、攪拌器、機(jī)械密封、軸承、聯(lián)軸器和電機(jī)等。由于是轉(zhuǎn)動(dòng)部件，而且往往是變速轉(zhuǎn)動(dòng)部件，周期也很長(zhǎng)。所以在日常運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)經(jīng)常注意軸的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，電機(jī)的發(fā)熱情況以及異常噪聲的發(fā)生，經(jīng)常檢查有關(guān)的螺栓是否松動(dòng)。每年要定期檢查機(jī)械密封的磨損情況。如有必要可更換動(dòng)環(huán)，以保證機(jī)械密封的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免不必要的染菌可能。如果采用雙端面機(jī)械密封時(shí)，要經(jīng)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(yīng)在發(fā)酵結(jié)束后立即處理。每年定期檢查電機(jī)的碳刷磨損情況，以及軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。3、無菌空氣系統(tǒng)的維護(hù)無菌空氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、粗過濾器、精過濾器、隔膜伐和空氣分布器。在日常維護(hù)中需注意空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在發(fā)酵過程中應(yīng)每天對(duì)貯氣罐的放水伐排放兩次。(1) 過濾器的維護(hù)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?yàn)檫^濾器材質(zhì)在太高溫度下，其粘結(jié)劑會(huì)產(chǎn)生脫落而使過濾器失效。其次，過濾器在使用一段時(shí)間后，其濾芯的微孔會(huì)逐漸堵塞，導(dǎo)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(jié)束，需對(duì)空氣分布器進(jìn)行清洗。如果發(fā)酵液的性質(zhì)與水相似，可在罐

19、內(nèi)加水，然后通壓縮空氣進(jìn)行清洗。如果發(fā)酵液較粘稠，或含有細(xì)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(shí)保證小孔通氣暢通。4、蒸汽系統(tǒng)的維護(hù)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(jīng)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(hù)和保養(yǎng)在使用前應(yīng)仔細(xì)閱讀該產(chǎn)品的使用說明書。根據(jù)發(fā)酵罐滅菌溫度的需要，通常控制其下限為以保證滅菌壓力較為平穩(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(shí)注意進(jìn)水情況，即注意水箱的工作情況，因?yàn)橛袝r(shí)會(huì)發(fā)生浮球卡住的情況，應(yīng)及時(shí)處理。(2) 蒸汽過濾器的濾芯同樣在使用一段時(shí)間后會(huì)堵塞，通常每年要更換一次。在操作中注意開放蒸汽閥門時(shí)不要立即全開，這樣會(huì)沖擊蒸汽過濾器濾芯，嚴(yán)重時(shí)會(huì)把濾芯沖斷或泄露而使其失效。5、控制系統(tǒng)的維護(hù)與保養(yǎng)控制系統(tǒng)包括電極，控制器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和上位機(jī)等。其日常維護(hù)特別重要。(1) 首先應(yīng)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(shí)要求操作場(chǎng)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(gè)月)進(jìn)行檢查維修。檢查控制箱內(nèi)器件的開關(guān)，按鈕，固定螺絲有否松動(dòng)，箱內(nèi)