綜合實訓(xùn)(二)發(fā)酵罐的操作

發(fā)酵罐發(fā)酵罐概述通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備嫌氣發(fā)酵設(shè)備目前一頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點發(fā)酵罐概述目前二頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點一、基本概念發(fā)酵設(shè)備中最重要、應(yīng)用最廣的設(shè)備，是發(fā)酵工業(yè)的心臟，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。廣義的發(fā)酵罐是指為一個特定生物化學(xué)過程的操作提供良好而滿意的環(huán)境的容器。工業(yè)發(fā)酵中一般指進行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備。目前三頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點二、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(yīng)用。3）1940-1960，青霉素，通風(fēng)，無菌操作，純培養(yǎng)等一系列技術(shù)開始應(yīng)用，計算機用于發(fā)酵控制，產(chǎn)物分離純化商業(yè)化。目前四頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點4）1960-1979，機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的容積增大到80-150m3，出現(xiàn)壓力循環(huán)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(yīng)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(chǎn)品商業(yè)化發(fā)酵罐更加趨向大型化和自動化發(fā)展。目前五頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點三、發(fā)酵設(shè)備的類型1.按微生物生長代謝分類：

1）非通風(fēng)發(fā)酵罐：酒精發(fā)酵罐、啤酒發(fā)酵罐

2）通風(fēng)發(fā)酵罐：機械攪拌、氣升式、伍式、自吸式等2.按發(fā)酵罐設(shè)備特點分類：

1）機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐：伍式、文式、自吸式等

2）非機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐：氣提式、液提式等目前六頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點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(chǎn)品的生產(chǎn)。缺點：效率低，非穩(wěn)態(tài)工藝過程設(shè)計和操作困難（培養(yǎng)過程中細胞生長、產(chǎn)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）。目前七頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點2）連續(xù)發(fā)酵——在培養(yǎng)過程中，不斷向反應(yīng)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(nèi)在細胞密度、產(chǎn)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(chǎn)物產(chǎn)量（細胞培養(yǎng)周期延長，導(dǎo)致目的產(chǎn)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(zhì)、產(chǎn)物濃度等趨于恒定）。缺點：裝置較復(fù)雜，容易污染雜菌。目前八頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐目前九頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點通風(fēng)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。目前十頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點一、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。目前十一頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點2、發(fā)酵罐的基本要求：1）結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，經(jīng)得起蒸汽的反復(fù)滅菌，內(nèi)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(yīng)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(zhì)量、動量傳遞性能；3）在保持生物反應(yīng)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(yīng)最適溫度；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。目前十二頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點發(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(yīng)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。目前十三頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點目前十四頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點通用式發(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目前十五頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點123456789101112131415161718192021溫度計接口目前十六頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點3、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)（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(yīng)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。目前十七頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點目前十八頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點（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、漿葉式形式目前十九頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點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目前二十頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點徑向式攪拌器

——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。目前二十一頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點怎么樣實現(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。目前二十二頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點（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(chǎn)生，而導(dǎo)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。目前二十三頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點擋板空氣分布器目前二十四頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點（4）消泡器：發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)，通氣攪拌是會產(chǎn)生氣泡，發(fā)泡嚴(yán)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(xué)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。消泡器位于液面上10cm，長度約為0.65D。目前二十五頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點耙式消泡器目前二十六頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點（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。目前二十七頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點（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(fēng)管目前二十八頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點（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。目前二十九頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點端面式軸封又稱機械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、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(zhuǎn)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(dǎo)熱性能好，結(jié)構(gòu)緊密，且動環(huán)的硬度應(yīng)比靜環(huán)大。目前三十頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點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(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達到密封的效果。缺點：死角多，很難徹底滅菌，易磨損，滲漏。目前三十一頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點（8）變速裝置目前三十二頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點二、氣升式發(fā)酵罐（ALR）氣升式發(fā)酵罐也是應(yīng)用最廣泛的生物反應(yīng)設(shè)備。特點：結(jié)構(gòu)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。目前三十三頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點原理：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(zhì)。目前三十四頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點氣升環(huán)流式反應(yīng)器的特點：反應(yīng)溶液分布均勻；較高的溶氧速率和溶氧效率；剪切力??；傳熱良好；結(jié)構(gòu)簡單；操作和維修方便。目前三十五頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點自吸式發(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(zhuǎn)速較大，會打碎絲狀菌。三、自吸式發(fā)酵罐目前三十六頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點自吸式發(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(zhuǎn)時葉片不斷排開周圍的液體使其背側(cè)形成真空，由導(dǎo)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(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布。目前三十七頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點馬達轉(zhuǎn)子軸封目前三十八頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點嫌氣發(fā)酵設(shè)備酒精發(fā)酵罐啤酒發(fā)酵罐目前三十九頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點滿足酒精發(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?！獙l(fā)酵產(chǎn)生的熱量及時移走。有利于發(fā)酵液的排出，設(shè)備的清洗、維修以及設(shè)備制造安裝方便等問題。一、酒精發(fā)酵罐目前四十頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點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(nèi)部的人孔等。目前四十一頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點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。目前四十二頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點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(nèi)裝有冷卻蛇管或罐內(nèi)蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻。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目前四十三頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點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(zhuǎn)。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。目前四十四頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點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，下端與垂直分配管相連接。目前四十五頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點二、啤酒發(fā)酵罐啤酒發(fā)酵設(shè)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)目前四十六頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點一、啤酒前、后發(fā)酵設(shè)備1、前發(fā)酵設(shè)備長、正方形開放式、密閉式控溫：槽內(nèi)控溫、發(fā)酵室控溫（降溫、絕熱）室內(nèi)CO2濃度應(yīng)控制開放式前發(fā)酵槽目前四十七頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點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℃目前四十八頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點二、新型啤發(fā)酵設(shè)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)酵罐目前四十九頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點目前五十頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點發(fā)酵罐的操作目前五十一頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點5L玻璃發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)，見實訓(xùn)材料。目前五十二頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點第一步：罐檢目的：快速檢查發(fā)酵罐，確保發(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(nèi)是否清洗干凈。攪拌電機：點動電機，看電機運轉(zhuǎn)是否正常。目前五十三頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點第二步：空消

空消主要目的是在進罐生產(chǎn)前對設(shè)備清潔和殺滅其他微生物，防止因設(shè)備清潔不徹底或設(shè)備停用時間過久，微生物滋生，從而對生產(chǎn)造成影響。目前五十四頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點空消操作流程目前五十五頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點第三步：電極標(biāo)定目的：為了確保電極準(zhǔn)確測量，必須在使用前對電極進行標(biāo)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(biāo)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(biāo)定的時候需要將接地電極放入盛放標(biāo)準(zhǔn)液的燒杯內(nèi)。接種以后設(shè)定好發(fā)酵參數(shù)，然后進行溶氧電極百分百標(biāo)定。目前五十六頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點

電極標(biāo)定所需試劑：

目前五十七頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點電極標(biāo)定參數(shù)：PH電極的校準(zhǔn)1由于電極的內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的pH緩沖液校準(zhǔn)，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(nèi)，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。4如果被測的是微酸性溶液，建議用pH6.86和pH4.00的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液進行校準(zhǔn)。如果是微堿性溶液，建議用pH6.86和pH9.18的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液校準(zhǔn)。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。目前五十八頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點溶氧電極的標(biāo)定1每次使用電極前都必須進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)介質(zhì)可以是空氣或飽和介質(zhì)，電極校準(zhǔn)前必須按2.1的要求進行充分極化。2電極校準(zhǔn)通常先用新配的5%亞硫酸鈉溶液校準(zhǔn)“零點”，再用空氣或飽和介質(zhì)校準(zhǔn)“100點”。3如果以空氣為校準(zhǔn)介質(zhì)，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(zhǔn)。4發(fā)酵培養(yǎng)一般以飽和介質(zhì)為校準(zhǔn)介質(zhì)，即在實消后接種前，待培養(yǎng)基冷卻到培養(yǎng)溫度，啟動電機至正常轉(zhuǎn)速，在操作壓力下按最大通氣時進行校準(zhǔn)，并將此時溶液定義為100%飽和。目前五十九頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點第四步：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(dǎo)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(jié)才能得到一個經(jīng)驗值。目前六十頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點配料操作流程：目前六十一頁\總數(shù)六十六頁\編于十七點第五步：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的強穿透能力使各種