第六章-發(fā)酵罐操作及滅菌技術(shù)

第六章發(fā)酵罐操作與滅菌技術(shù)第一節(jié)發(fā)酵設(shè)備概述發(fā)酵主要設(shè)備為發(fā)酵罐和種子罐，它們各自都附有原料(培養(yǎng)基)調(diào)制、蒸煮、滅菌和冷卻設(shè)備，通氣調(diào)節(jié)和除菌設(shè)備，以及攪拌器等。種子罐：以確保發(fā)酵罐培養(yǎng)所必需的菌體量為目的。發(fā)酵罐：承擔(dān)產(chǎn)物的生產(chǎn)任務(wù)。它必須能夠提供微生物生命活動(dòng)和代謝所要求的條件，并便于操作和控制，保證工藝條件的實(shí)現(xiàn)，從而獲得高產(chǎn)。一、發(fā)酵罐

發(fā)酵罐的定義：是為一個(gè)特定生物化學(xué)過程的操作提供良好而滿意的環(huán)境的容器。對于某些工藝來說，發(fā)酵罐是個(gè)密閉容器，同時(shí)附帶精密控制系統(tǒng)；而對于另一些簡單的工藝來說，發(fā)酵罐只是個(gè)開口容器，有時(shí)甚至簡單到只要有一個(gè)開口的坑。

發(fā)酵罐系統(tǒng)

一個(gè)優(yōu)良的發(fā)酵罐裝置和組成（1）應(yīng)具有嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)（2）良好的液體混合特性（3）好的傳質(zhì)相傳熱速率（4）具有配套而又可靠的檢測、控制儀表發(fā)酵罐發(fā)展歷史

第一階段:1900年以前，是現(xiàn)代發(fā)酵罐的雛形，它帶有簡單的溫度和熱交換儀器。第二階段:1900-1940年，出現(xiàn)了200m3的鋼制發(fā)酵罐，在面包酵母發(fā)酵罐中開始使用空氣分布器，機(jī)械攪拌開始用在小型的發(fā)酵罐中。第三階段：1940-1960年，機(jī)械攪拌、通風(fēng)，無菌操作和純種培養(yǎng)等一系列技術(shù)開始完善，發(fā)酵工藝過程的參數(shù)檢測和控制方面已出現(xiàn)，耐蒸汽滅菌的在線連續(xù)測定的pH電極和溶氧電極，計(jì)算機(jī)開始進(jìn)行發(fā)酵過程的控制。發(fā)酵產(chǎn)品的分離和純化設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)商品化。第四階段：1960-1979年，機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的容積增大到80-150m3。由于大規(guī)模生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的需要，又出現(xiàn)了壓力循環(huán)和壓力噴射型的發(fā)酵罐，它可以克服—些氣體交換和熱交換問題。計(jì)算機(jī)開始在發(fā)酵工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。第五階段：1979年至今。生物工程和技術(shù)的迅猛發(fā)展，給發(fā)酵工業(yè)提出了新的課題。于是，大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)酵罐應(yīng)運(yùn)而生，胰島素，干擾素等基因工程的產(chǎn)品走上商品化。發(fā)酵罐的特點(diǎn)

（1）發(fā)酵罐與其他工業(yè)設(shè)備的突出差別是對純種培養(yǎng)的要求之高，幾乎達(dá)到十分苛刻的程度。因此，發(fā)酵罐的嚴(yán)密性，運(yùn)行的高度可靠性是發(fā)酵工業(yè)的顯著特點(diǎn)。（2）現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)為了獲取更大的經(jīng)濟(jì)利益，發(fā)酵罐更加趨向大型化和自動(dòng)化發(fā)展。在發(fā)酵罐的自動(dòng)化方面，作為參數(shù)檢測的眼睛如pH電極、溶解氧電極、溶解CO2電極等的在線檢測在國外巳相當(dāng)成熟。國內(nèi)目前尚處于起步階段，發(fā)酵檢測參數(shù)還只限于溫度、壓力、空氣流量等一些最常規(guī)的參數(shù)。發(fā)酵罐的種類

發(fā)酵工業(yè)上最常用的是通風(fēng)攪拌罐。除了通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐外，其它型式的發(fā)酵罐如：氣提式發(fā)酵罐、壓力循環(huán)發(fā)酵罐、帶超濾膜的發(fā)酵罐等。典型發(fā)酵設(shè)備

種子制備設(shè)備主發(fā)酵設(shè)備輔助設(shè)備(無菌空氣和培養(yǎng)基的制備)發(fā)酵液預(yù)處理設(shè)備粗產(chǎn)品的提取設(shè)備產(chǎn)品精制與干燥設(shè)備流出物回收、利用和處理設(shè)備發(fā)酵罐工藝操作條件

1.溫度：25～40℃。2.壓力：0～1kg/cm3(表壓)。3.滅菌條件；溫度100～140℃，壓力0～3kg/cm3(表壓).4.pH：2～11。5.需氧量：0.05～0.3kmo1/m3·h。6.通氣量：0.3～2VVM。7.功率消耗：0.5～4kW/m。8.發(fā)酵熱量：5000～20000kcal/m..h。發(fā)酵罐的類型

1．按微生物生長代謝需要分類：好氣：抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸，維生素等產(chǎn)品是在好氣發(fā)酵罐中進(jìn)行的；需要強(qiáng)烈的通風(fēng)攪拌，目的是提高氧在發(fā)酵液中的傳質(zhì)系數(shù)；厭氣：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厭氣發(fā)酵罐。不需要通氣。機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐：包括循環(huán)式，如伍式發(fā)酵罐，文氏管發(fā)酵罐，以及非循環(huán)式的通風(fēng)式發(fā)酵罐和自吸式發(fā)酵罐等。非機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐：包括循環(huán)式的氣提式、液提式發(fā)酵罐，以及非循環(huán)式的排管式和噴射式發(fā)酵罐。這兩類發(fā)酵罐是采用不同的手段使發(fā)酵罐內(nèi)的氣、固、液三相充分混合，從而滿足微生物生長和產(chǎn)物形成對氧的需求。2.按照發(fā)酵罐設(shè)備特點(diǎn)分類：3．按容積分類：一般認(rèn)為500L以下的是實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵罐；500-5000L是中試發(fā)酵罐；5000L以上是生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐。第二節(jié)嫌氣發(fā)酵設(shè)備密閉厭氧發(fā)酵罐對這類發(fā)酵罐的要求是：能封閉；能承受一定壓力；有冷卻設(shè)備；罐內(nèi)盡量減少裝置，消滅死角，便于清洗滅菌。酒精和啤酒都屬于嫌氣發(fā)酵產(chǎn)物，其發(fā)酵罐因不需要通入昂貴的無菌空氣，因此在設(shè)備放大、制造和操作時(shí)，都比好氣發(fā)酵設(shè)備簡單得多。它的容積常大于50m3，H:Dt=1-2，罐的上、下部都是錐形的。上部有物料口，冷卻水口，CO2和氣體出口、入孔和壓力表開口等。溫度控制采用罐內(nèi)蛇管和罐外壁直接水噴淋相結(jié)合，排料管在罐的底部。一、酒精發(fā)酵罐酵母將糖轉(zhuǎn)化為酒精高轉(zhuǎn)化率條件(1)滿足酵母生長和代謝的必要工藝條件(2)一定的生化反應(yīng)時(shí)間(3)及時(shí)移走在生化反應(yīng)過程中將釋放的生物熱酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)要求滿足工藝要求，有利于發(fā)酵熱的排出從結(jié)構(gòu)上有利于發(fā)酵液的排出有利于設(shè)備清洗、維修以及設(shè)備制造安裝方便等問題。酒精發(fā)酵罐筒體結(jié)構(gòu)為圓柱形，底蓋和頂蓋均為碟形或錐形。在酒精發(fā)酸過程中，為了回收CO2氣體及其所帶出的部分酒精，發(fā)酵罐宜采用密閉式。罐頂裝有人孔、視鏡及二氧化碳回收管、進(jìn)料管、接種管、壓力表和測量儀表接口管等。罐底裝有排料口和排污口；罐身上下部裝有取樣口和溫度計(jì)接口，對于大型發(fā)酵耀，為了便于維修和清洗，往往在近罐底也裝有入孔。發(fā)酵的冷卻裝置對于中小型發(fā)酵罐，多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進(jìn)行膜狀冷卻；對于大型發(fā)酵罐，罐內(nèi)裝有冷卻蛇管或罐內(nèi)蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻裝置，為避免發(fā)酵車間的潮濕和積水，要求在罐體底部沿罐體四周裝有集水槽。采用罐外列管式噴淋冷卻的方法，具有冷卻發(fā)酵液均勻，冷卻效率高等優(yōu)點(diǎn)。酒精發(fā)酵罐的洗滌過去均由人工操作，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且CO2氣體一旦末徹底排除，工人入罐清洗會(huì)發(fā)生中毒事故。近年來，酒精發(fā)酵罐巳逐步采用水力噴射洗滌裝置，從而改善了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高了操作效率。大型發(fā)酵罐采用這種水力洗滌裝置尤為重要。水力噴射裝置是由一根兩頭裝有噴嘴的灑水管組成兩頭噴水管彎有一定的弧度噴水管上均勻地鉆有一定數(shù)量的小孔噴水管安裝時(shí)呈水平噴水管借活接頭和固定供水管相連接它是借噴水管兩頭噴嘴以一定噴出速度而形成的反作用力，使噴水管自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。對于120m3的酒精發(fā)酵耀，采用36×3mm的噴水管，管上開有44×30個(gè)小孔，兩頭噴嘴口徑為9mm。高壓強(qiáng)的水力噴射洗滌裝置它是一根直立的噴水管，沿軸向安裝于罐的中央，在垂直噴水管上按一定的間距均勻地鉆有4-6mm的小孔，孔與水平呈20度角，水平噴水管借活接頭，上端和供水總管，下端相垂直分配管相連接，洗滌水壓為0.6-0.8MPa。水流在較高壓力下，由水平噴水管出口處噴出，使其以每分鐘48—56轉(zhuǎn)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并以極大的速度噴射到罐壁各處，而垂直的噴水管也以同樣的水流速度噴射到罐體四壁和罐底。約5min時(shí)間即可完成洗滌作業(yè)。洗滌水若用廢熱水，還可提高洗滌效果。發(fā)酵罐三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)1、罐體

2、攪拌器和擋板

3、消泡器

4、聯(lián)軸器及軸承

5、變速裝置

6、空氣分布裝置7、軸封8、冷卻裝置

三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)

罐體：由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼，對于大型發(fā)酵罐可用襯不銹鋼板或復(fù)合不銹鋼制成，襯里用的不銹鋼板厚為2-3毫米。為了滿足工業(yè)要求，在一定壓力下操作、空消或?qū)嵪?，罐為一個(gè)受壓容器，通常滅菌的壓力為2.5公斤/厘米2（絕對壓力）。攪拌器攪拌器有平葉式、彎葉式、箭葉式三種其作用是打碎氣泡，使氧溶解于醪液中，從攪拌程度來說，以平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。為了拆裝方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯(lián)成整體。通用發(fā)酵罐的攪拌槳類型

（1）通用發(fā)酵罐的攪拌槳最廣泛使用的是平葉渦輪攪拌槳，國內(nèi)采用的大多數(shù)是六平葉式，其各部分尺寸比例已規(guī)范化。這種攪拌槳具有很大的循環(huán)液體輸送量，功率消耗大。因此特別適用于絲狀菌發(fā)酵。（2）船用螺旋攪拌器，它具有比渦輪槳更為強(qiáng)烈的軸向流動(dòng)，但是氧傳遞效率低。（3）振動(dòng)混合器，盡管可以提供較高的氧傳遞效率，但剪切力較低。（4）多棒攪拌槳，已用于粘稠的絲狀鏈霉菌發(fā)酵的發(fā)酵罐中。這種攪拌槳具有較好的剪切分散能力和較低的功率消耗，在整個(gè)發(fā)酵過程中功率變化相對渦輪槳要小的多。（5）氣體導(dǎo)入式攪拌器，是由一個(gè)空心的攪拌槳組成，安裝在空心的攪拌軸上。攪拌槳上至少有一個(gè)暴露在液體中的開口。由于攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)，開口處的壓力隨之減少，使導(dǎo)入的氣體沿著攪拌軸向下流動(dòng)。它適應(yīng)于低粘度的發(fā)酵液。消泡方式有兩種：一是加入化學(xué)消泡劑消除泡沫，但高濃度的化學(xué)消泡劑會(huì)對發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用，故不能添加太多；第二種方式，即機(jī)械消泡。機(jī)械消泡裝置主要有四種。一是鋸齒式消泡槳．它安裝于罐內(nèi)頂部、高出液面的位置，固定在攪拌軸上，隨攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷將泡沫打破。二是半封閉式渦輪消泡器，它是由前者發(fā)展改進(jìn)而來，泡沫可直接被渦輪打碎或被渦輪拋出撞擊到罐壁而破碎。

消泡裝量三是離心式消泡器，它們置于發(fā)酵罐的頂部，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將泡沫破碎，液體仍然返回罐內(nèi)。第四種是刮板式消泡器，它安裝于發(fā)酵罐的排氣口處，泡沫從氣液進(jìn)口進(jìn)到高速旋轉(zhuǎn)的刮板中，刮板轉(zhuǎn)速為1000—1450rpm，泡沫迅速被打碎，由于離心力作用，液體被甩向殼體壁上，返回罐內(nèi)，氣體則由汽孔排出。擋板擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧。通常擋板寬度取（0.1-0.12）D，裝設(shè)4-6塊即可滿足全擋板條件。所謂“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。要達(dá)到全擋板條件必須滿足下式要求：D—罐的直徑（mm）Z—擋板數(shù)W—擋板寬度（mm）

豎立的列管，排管，也可以起擋板作用，故一般具有冷卻列管或排管的發(fā)酵罐內(nèi)不另設(shè)擋板。（但冷卻管為盤管時(shí)，則應(yīng)設(shè)擋板。）擋板的長度自液面起到罐底為止。擋板與罐壁之間的距離為（1/5~1/9）W，避免形成死角，防止物料與菌體堆積。

聯(lián)軸器及軸承

大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對正。為了減少震動(dòng)，中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，應(yīng)采用液體潤滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4-0.7%，以適應(yīng)溫度差的變化。罐內(nèi)軸承接觸處的軸頸極易磨損，尤其是底軸承處的磨損更為嚴(yán)重，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個(gè)軸套，用緊固螺釘與軸固定，這樣僅磨損軸套而軸不會(huì)磨損，檢修時(shí)只要更換軸套就可以了。變速裝置

試驗(yàn)罐采用無級變速裝置，發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶伸展動(dòng)，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動(dòng)效率較高，但加工，安裝精度要求高。采用變極電動(dòng)機(jī)作階段變速，即在需氧高峰時(shí)采用高轉(zhuǎn)速，而在不需較高溶解氧的階段適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。這樣，發(fā)酵產(chǎn)率并不降低，而動(dòng)力消耗則有所節(jié)約。自動(dòng)化程度較高的發(fā)酵罐，采用可控硅變頻裝置，根據(jù)溶氧測定儀連續(xù)測定發(fā)酵液中溶解氧濃度的情況，并按照微生物生長需要的耗氧及發(fā)酵情況，隨時(shí)自動(dòng)變更轉(zhuǎn)速，這種裝置進(jìn)一步節(jié)約了動(dòng)力消耗，并可相應(yīng)提高發(fā)酵產(chǎn)率，但其裝置頗為復(fù)雜?？諝夥植佳b置

空氣分布裝置的作用是吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。分布裝置的形式有單管及環(huán)形管等。常用的為單管式，管口對正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，管口與罐低的距離約40mm，并且空氣分散效果較好。若距離過大，空氣分散效果較差。該距離可根據(jù)溶氧情況適當(dāng)調(diào)整，空氣由分布管噴出上升時(shí)，被攪拌器打碎成小氣泡，并與醪液充分混合，增加了氣液傳質(zhì)效果。通常通風(fēng)管的空氣流速取20米/秒。為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補(bǔ)強(qiáng)?？裳娱L罐底壽命。通風(fēng)量在0.02~0.5ml/sec時(shí)，氣泡的直徑與空氣噴口直徑的1/3次方成正比。也就是說，噴口直徑越小，氣泡直徑也越小。因而氧的傳質(zhì)系數(shù)也越大。但是生產(chǎn)實(shí)際的通風(fēng)量均超過上述范圍，因此氣泡直徑僅與通風(fēng)量有關(guān)，而與噴口直徑無關(guān)。軸封

軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。常用的軸封有填料函軸封和端面軸封兩種。填料函軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓待零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。安裝在旋轉(zhuǎn)軸與設(shè)備之間的部件，它的作用是阻止工作介質(zhì)（液體、氣體）沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸伸出設(shè)備之處泄漏冷卻裝置

5m3以下發(fā)酵罐一般采用夾套冷卻。大型發(fā)酵罐采用列管冷卻（四至八組）。帶夾套的發(fā)酵罐罐體壁厚要按外壓計(jì)算[即3.5Kg/厘米2（絕對壓力）]夾套內(nèi)設(shè)置螺旋片導(dǎo)板，來增加換熱效果，同時(shí)對罐身起加強(qiáng)作用。冷卻列管極易腐蝕或磨損穿孔，最好用不銹鋼制造。發(fā)酵罐裝料容積發(fā)酵罐裝料容積：在一般情況下，裝料高度取罐圓柱部分高度，但須根據(jù)具體情況而定。采用有效的機(jī)械消渙裝置，可以提高罐的裝料量。二、發(fā)酵輔助設(shè)備

發(fā)酵輔助設(shè)備主要包括：無菌空氣系統(tǒng)，培養(yǎng)基配制和滅菌系統(tǒng)、發(fā)酵車間的管道及閥門等。

（一）空氣除菌流程和設(shè)備空氣預(yù)過濾空氣壓縮機(jī)冷卻器析水器加熱器空氣貯罐空氣過濾器發(fā)酵罐。1．空氣壓縮機(jī)：工業(yè)發(fā)酵用的壓縮空氣是2～3kg／cm2的低壓空氣。目前常用的是往復(fù)式空壓機(jī)，最好選用水冷式和無油潤滑的。渦輪空壓機(jī)能提供大量2～3kg／cm2的壓縮空氣，耗電省，是最理想的設(shè)備。2．過濾器：空氣過濾器的類型很多，有棉花活性炭過濾器、管式過濾器和接送式過濾器等。3．過濾介質(zhì)：空氣除菌用的過濾介質(zhì)有：棉花、活性炭玻璃纖維，超細(xì)玻璃纖維紙，石棉濾板、燒結(jié)材料、聚乙烯醇(PVA)等多孔合成樹脂、素?zé)沾赏埠途厶妓狨サ取?.加熱設(shè)備：在配料罐里培養(yǎng)基被加熱到70℃，然后，用泵送到加熱設(shè)備，在20秒的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)加熱到130～140℃。常用的加熱設(shè)備有塔式和噴射式兩種。塔式加熱設(shè)備又稱連消