第六章-发酵罐操作与灭菌技术

第六章发酵罐操作与灭菌技术第一节发酵设备概述发酵主要设备为发酵罐和种子罐，它们各自都附有原料(培养基)调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气调节和除菌设备，以及搅拌器等。种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。发酵罐：承担产物的生产任务。它必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，从而获得高产。一、发酵罐

发酵罐的定义：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。

发酵罐系统

一个优良的发酵罐装置和组成（1）应具有严密的结构（2）良好的液体混合特性（3）好的传质相传热速率（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表发酵罐发展历史

第一阶段:1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。第二阶段:1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。发酵罐的特点

（1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛如pH电极、溶解氧电极、溶解CO2电极等的在线检测在国外巳相当成熟。国内目前尚处于起步阶段，发酵检测参数还只限于温度、压力、空气流量等一些最常规的参数。发酵罐的种类

发酵工业上最常用的是通风搅拌罐。除了通风搅拌发酵罐外，其它型式的发酵罐如：气提式发酵罐、压力循环发酵罐、带超滤膜的发酵罐等。典型发酵设备

种子制备设备主发酵设备辅助设备(无菌空气和培养基的制备)发酵液预处理设备粗产品的提取设备产品精制与干燥设备流出物回收、利用和处理设备发酵罐工艺操作条件

1.温度：25～40℃。2.压力：0～1kg/cm3(表压)。3.灭菌条件；温度100～140℃，压力0～3kg/cm3(表压).4.pH：2～11。5.需氧量：0.05～0.3kmo1/m3·h。6.通气量：0.3～2VVM。7.功率消耗：0.5～4kW/m。8.发酵热量：5000～20000kcal/m..h。发酵罐的类型

1．按微生物生长代谢需要分类：好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数；厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。机械搅拌通风发酵罐：包括循环式，如伍式发酵罐，文氏管发酵罐，以及非循环式的通风式发酵罐和自吸式发酵罐等。非机械搅拌通风发酵罐：包括循环式的气提式、液提式发酵罐，以及非循环式的排管式和喷射式发酵罐。这两类发酵罐是采用不同的手段使发酵罐内的气、固、液三相充分混合，从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求。2.按照发酵罐设备特点分类：3．按容积分类：一般认为500L以下的是实验室发酵罐；500-5000L是中试发酵罐；5000L以上是生产规模的发酵罐。第二节嫌气发酵设备密闭厌氧发酵罐对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受一定压力；有冷却设备；罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因不需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。它的容积常大于50m3，H:Dt=1-2，罐的上、下部都是锥形的。上部有物料口，冷却水口，CO2和气体出口、入孔和压力表开口等。温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水喷淋相结合，排料管在罐的底部。一、酒精发酵罐酵母将糖转化为酒精高转化率条件(1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件(2)一定的生化反应时间(3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热酒精发酵罐的结构要求满足工艺要求，有利于发酵热的排出从结构上有利于发酵液的排出有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。酒精发酵罐筒体结构为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。在酒精发酸过程中，为了回收CO2气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。罐底装有排料口和排污口；罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有入孔。发酵的冷却装置对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置，为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。采用罐外列管式喷淋冷却的方法，具有冷却发酵液均匀，冷却效率高等优点。酒精发酵罐的洗涤过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而且CO2气体一旦末彻底排除，工人入罐清洗会发生中毒事故。近年来，酒精发酵罐巳逐步采用水力喷射洗涤装置，从而改善了工人的劳动强度和提高了操作效率。大型发酵罐采用这种水力洗涤装置尤为重要。水力喷射装置是由一根两头装有喷嘴的洒水管组成两头喷水管弯有一定的弧度喷水管上均匀地钻有一定数量的小孔喷水管安装时呈水平喷水管借活接头和固定供水管相连接它是借喷水管两头喷嘴以一定喷出速度而形成的反作用力，使喷水管自动旋转。对于120m3的酒精发酵耀，采用36×3mm的喷水管，管上开有44×30个小孔，两头喷嘴口径为9mm。高压强的水力喷射洗涤装置它是一根直立的喷水管，沿轴向安装于罐的中央，在垂直喷水管上按一定的间距均匀地钻有4-6mm的小孔，孔与水平呈20度角，水平喷水管借活接头，上端和供水总管，下端相垂直分配管相连接，洗涤水压为0.6-0.8MPa。水流在较高压力下，由水平喷水管出口处喷出，使其以每分钟48—56转自动旋转，并以极大的速度喷射到罐壁各处，而垂直的喷水管也以同样的水流速度喷射到罐体四壁和罐底。约5min时间即可完成洗涤作业。洗涤水若用废热水，还可提高洗涤效果。发酵罐三、发酵罐的结构1、罐体

2、搅拌器和挡板

3、消泡器

4、联轴器及轴承

5、变速装置

6、空气分布装置7、轴封8、冷却装置

三、发酵罐的结构

罐体：由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2-3毫米。为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。搅拌器搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种其作用是打碎气泡，使氧溶解于醪液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。通用发酵罐的搅拌桨类型

（1）通用发酵罐的搅拌桨最广泛使用的是平叶涡轮搅拌桨，国内采用的大多数是六平叶式，其各部分尺寸比例已规范化。这种搅拌桨具有很大的循环液体输送量，功率消耗大。因此特别适用于丝状菌发酵。（2）船用螺旋搅拌器，它具有比涡轮桨更为强烈的轴向流动，但是氧传递效率低。（3）振动混合器，尽管可以提供较高的氧传递效率，但剪切力较低。（4）多棒搅拌桨，已用于粘稠的丝状链霉菌发酵的发酵罐中。这种搅拌桨具有较好的剪切分散能力和较低的功率消耗，在整个发酵过程中功率变化相对涡轮桨要小的多。（5）气体导入式搅拌器，是由一个空心的搅拌桨组成，安装在空心的搅拌轴上。搅拌桨上至少有一个暴露在液体中的开口。由于搅拌桨转动，开口处的压力随之减少，使导入的气体沿着搅拌轴向下流动。它适应于低粘度的发酵液。消泡方式有两种：一是加入化学消泡剂消除泡沫，但高浓度的化学消泡剂会对发酵产生抑制作用，故不能添加太多；第二种方式，即机械消泡。机械消泡装置主要有四种。一是锯齿式消泡桨．它安装于罐内顶部、高出液面的位置，固定在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。二是半封闭式涡轮消泡器，它是由前者发展改进而来，泡沫可直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。

消泡装量三是离心式消泡器，它们置于发酵罐的顶部，利用高速旋转产生的离心力将泡沫破碎，液体仍然返回罐内。第四种是刮板式消泡器，它安装于发酵罐的排气口处，泡沫从气液进口进到高速旋转的刮板中，刮板转速为1000—1450rpm，泡沫迅速被打碎，由于离心力作用，液体被甩向壳体壁上，返回罐内，气体则由汽孔排出。挡板挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装