发酵设备 教学目的:1、了解发酵设备的种类;2、掌握通气式机械搅拌发酵罐的结构;3 掌握通气式机械搅拌发酵罐的相关操作。 教学方法:讲授 教学手段:使用多媒体课件 教学内容 生物工艺实验室包括: 无菌室(接种操作)、准备室(菌种培养等)、湿地板区(发酵)、通用实验区(配制培养基 等)、分析区(发酵液的分析)。 通用式机械搅拌发酵罐 窥镜 手孔 取样口 冷却水出口一 夹套 压力表接口 温度计接口 挡板 热电偶接口 搅拌轴 搅拌器 通风管 底轴承 1、发酵罐的基本条件: 冷却水进口 (1)发酵罐应具有适 放料口 宜的径高比(高/径比 约为25~4) (2)结构严密,耐腐蚀,光滑,附件少,无死角,可反复灭菌,脱落的金属要少 (3)要有良好的气-液、液-固混合性能(使细胞能获得营养) (4)要尽量少的搅拌和通气的动力消耗 (5)良好的热交换性能,足够的冷却面积 (6)良好的消泡性能 (7)有必要、可靠的检测控制性能 (8)耐压,45kgcm2(蒸气压一般3~4kg/cm2) 2、发酵罐罐体的尺寸比例 (1)罐体各部分的尺寸有一定比例,高/径比约为2.5~4。 (2)发酵罐通常装有两组搅拌器,两组搅拌器的间距S约为搅拌器直径的3倍。 (3)对于大型发酵罐以及液体深度ⅢL较高的,可安装三组或三组以上的搅拌桨叶 4)最下面一组搅拌器与风管出口较接近为好,与罐底的距离C一般等于搅拌器直径D 不宜小于0.8D,否则会影响液体的循环。 3、罐体 (1)罐体由圆柱体或碟形封头焊接而成,材料为碳钢或不锈钢,大型发酵罐可用衬不锈钢 或复合不锈钢制成,衬里用的不锈钢厚度为2~3mm。 (2)为了满足工艺要求,罐需要承受一定压力,通常灭菌压力为025MPa。 (3)生产用的发酵罐容积有20m3,30m3,50~60m3,75m3,150m3以至500m3。 (4)罐壁厚度决定于罐径及罐压的大小。 5)小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接,为了便于淸洗,小型发酵罐罐顶设有淸洗用的手
发 酵 设备 教学目的：1、了解发酵设备的种类；2、掌握通气式机械搅拌发酵罐的结构；3、 掌握通气式机械搅拌发酵罐的相关操作。 教学方法：讲授 教学手段：使用多媒体课件 教学内容： 一、生物工艺实验室包括： 无菌室（接种操作）、准备室（菌种培养等）、湿地板区（发酵）、通用实验区（配制培养基 等）、分析区（发酵液的分析）。 二、通用式机械搅拌发酵罐 1、发酵罐的基本条件： （1）发酵罐应具有适 宜的径高比（高/径比 约为 2.5～4 ） （2）结构严密，耐腐蚀，光滑，附件少，无死角，可反复灭菌，脱落的金属要少 （3）要有良好的气-液、液-固混合性能（使细胞能获得营养） （4）要尽量少的搅拌和通气的动力消耗 （5）良好的热交换性能，足够的冷却面积 （6）良好的消泡性能 （7）有必要、可靠的检测控制性能 （8）耐压，4.5kg/cm2（蒸气压一般 3～4kg/cm2） 2、发酵罐罐体的尺寸比例 （1）罐体各部分的尺寸有一定比例，高/径比约为 2.5～4。 （2）发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距 S 约为搅拌器直径的 3 倍。 （3）对于大型发酵罐以及液体深度 HL 较高的，可安装三组或三组以上的搅拌桨叶。 （4）最下面一组搅拌器与风管出口较接近为好，与罐底的距离 C 一般等于搅拌器直径 D， 不宜小于 0.8D，否则会影响液体的循环。 3、 罐体 （1）罐体由圆柱体或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢，大型发酵罐可用衬不锈钢 或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢厚度为 2～3mm。 （2）为了满足工艺要求，罐需要承受一定压力，通常灭菌压力为 0.25MPa。 （3）生产用的发酵罐容积有 20m3，30m3，50～60m3，75m3，150m3 以至 500m3。 （4）罐壁厚度决定于罐径及罐压的大小。 （5）小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，为了便于清洗，小型发酵罐罐顶设有清洗用的手
孔。中大型发酵罐装设有快开人孔 6)罐顶装有视镜及灯镜、进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管,排气管尽可 能靠近罐顶中心位置。 (⑦)罐身上有冷却水进出管、进空气管、温度计管和测检仪表接口。 取样管可装在罐侧或罐顶,视操作方便而定。 8〕在罐体上的管路越少越好,进料口、补料口和接种口可合为一个接管口。放料可利用 通风管压出 2.搅拌器和挡板 (1)搅拌器 搅拌的作用:打碎空气气泡,增加气液接触界面以提高气液间的传质效率;使发酵液充分混 和,液体中的固形物料保持悬浮状态。 搅拌叶的类型: 螺旋桨式一—混和性能不太好 极式一一阻力大,能耗大 弯叶式一一阻力比极式小,功率比较大 箭叶式——径向流动好,能耗小(培养液翻腾剧烈) 栅式一—提高高粘度发酵液的溶解氧 (2)挡板 挡板的作用:防止液面中央产生漩涡,促使液体激烈翻动,提高溶解氧 挡板宽度约为(0.1~0.12)D 装设4~6块挡板,可满足全挡板条件 竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用 挡板的长度自液面起至罐底为山 挡板与罐壁之间的距离为(1/5~1/8)D 全挡板条件——在一定转速下,再在搅拌罐内增加挡板或其他附件,搅拌功率仍保持不变而 漩涡基本消失。能达到消除液面漩涡的最低条件即全挡板条件 3、消泡器 有锯齿式、梳式、孔板式、旋桨梳式等:; 孔板式的孔径约10~20mm 消泡器的长度约为罐径的0.65倍 4、轴封 轴封的作用是防止泄漏和染菌 常用的轴封有填料函和端面轴封两种。 1)端面轴封 作用:靠弹性元件(弹簧、波纹管等)的压力使垂直于轴线的动环和静环表面紧密地相互贴 合,并作相对转动而达到密封。 优点:清洁:密封可靠,使用时间较长,不会泄漏:无死角,可防止杂菌污染;寿命长,质 量好的2~5年不需修理:摩擦功率耗损小;轴或轴套不受磨损;对轴的震动敏感性小 (2)填料函 5、仪表 (1)压力表 (2)温度计 (3)流量计 三、发酵罐的灭菌 1、(在夹套中)关好空气阀,蒸气上进下出,冲蒸气,压力大于2kg/cm2(120℃),最好是 4~5kgcm2(160℃)。 2、当罐内温度>80℃,进蒸气口(蒸气阀)关掉,出蒸气口(排气阀)关小。打开空气阀, 蒸气直接进罐,121℃,20~30min (从80℃~100℃上升很快,大于100℃后温度上升很慢,到118℃时就开始计时,到计时 25min时立即关掉蒸气阀。) 3、关掉蒸气阀后通入无菌空气,使罐内一直保持正压(高于大气压,空气不会倒灌入罐内)
孔。中大型发酵罐装设有快开人孔。 （6）罐顶装有视镜及灯镜、进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管，排气管尽可 能靠近罐顶中心位置。 （7）罐身上有冷却水进出管、进空气管、温度计管和测检仪表接口。 取样管可装在罐侧或罐顶，视操作方便而定。 （8）在罐体上的管路越少越好，进料口、补料口和接种口可合为一个接管口。放料可利用 通风管压出。 2. 搅拌器和挡板 （1）搅拌器 搅拌的作用：打碎空气气泡，增加气液接触界面以提高气液间的传质效率；使发酵液充分混 和，液体中的固形物料保持悬浮状态。 搅拌叶的类型： 螺旋桨式——混和性能不太好 极式——阻力大，能耗大 弯叶式——阻力比极式小，功率比较大 箭叶式——径向流动好，能耗小（培养液翻腾剧烈） 栅式——提高高粘度发酵液的溶解氧 （2）挡板 挡板的作用：防止液面中央产生漩涡，促使液体激烈翻动，提高溶解氧。 挡板宽度约为（0.1～0.12）D； 装设 4～6 块挡板，可满足全挡板条件。 竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用； 挡板的长度自液面起至罐底为止。 挡板与罐壁之间的距离为（1/5 ～1/8）D。 全挡板条件——在一定转速下，再在搅拌罐内增加挡板或其他附件，搅拌功率仍保持不变而 漩涡基本消失。能达到消除液面漩涡的最低条件即全挡板条件。 3、消泡器 有锯齿式、梳式、孔板式、旋桨梳式等； 孔板式的孔径约 10～20mm。 消泡器的长度约为罐径的 0.65 倍。 4、轴封 轴封的作用是防止泄漏和染菌。 常用的轴封有填料函和端面轴封两种。 （1）端面轴封 作用：靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的压力使垂直于轴线的动环和静环表面紧密地相互贴 合，并作相对转动而达到密封。 优点：清洁；密封可靠，使用时间较长，不会泄漏；无死角，可防止杂菌污染；寿命长，质 量好的 2～5 年不需修理；摩擦功率耗损小；轴或轴套不受磨损；对轴的震动敏感性小。 （2）填料函 5、仪表 （1）压力表 （2）温度计 （3）流量计 三、发酵罐的灭菌 1、（在夹套中）关好空气阀，蒸气上进下出，冲蒸气，压力大于 2 kg/cm2（120℃），最好是 4～5 kg/cm2（160℃）。 2、当罐内温度>80℃，进蒸气口（蒸气阀）关掉，出蒸气口（排气阀）关小。打开空气阀， 蒸气直接进罐，121℃，20～30min。 （从 80℃～100℃上升很快，大于 100℃后温度上升很慢，到 118℃时就开始计时，到计时 25min 时立即关掉蒸气阀。） 3、关掉蒸气阀后通入无菌空气，使罐内一直保持正压（高于大气压，空气不会倒灌入罐内）
(在夹套中)立即加自来水冷却,从下向上,使温度尽快降到55℃左右,到37~38℃时关 掉水,也有缓冲性。 注意事项:升温降温时注意缓冲性:灭菌时蒸气从夹套中进去,如从罐中进去,蒸气冷凝, 产生冷凝水、无法接种、容易污染;冬天温度低、散热快,低于30℃需加温,加温时蒸气 由下进入、从上而出,;微生物代谢发酵时产生大量热,使温度大于30℃,需考虑适当降温 冷却时冷却水由下进入、从上而出,注意缓冲性,不要降至30℃才关;小型罐50L~7吨 用夹套系统冷却;大型罐7吨以上,用冷却管(盘肠、列管系统)。 四、发酵罐的管路和死角的消除 、尽量减少管路 单罐: 发酵罐的出口越少越好; 出料口和进气管可以合并 接种管、消泡管、补料管可以合并; 排气管不能合并,易引起交叉污染 多罐 出料前后都要消毒,用活(流动)蒸气消毒 出料管不能合并 2、消灭死角 丝口连接处改用法兰连接: 焊接部位选用鱼鳞焊; 管道转弯有弧度 放料管、取料管的阀腔处装小阀 3、消灭渗漏 罐体穿孔-不锈钢 冷却管产生裂缝定期更换; 垫圈(法兰连接)松脱-拧紧 轴封渗漏-轴绝对垂直 焊缝渗漏: 阀杆。 五、发酵罐的管道布置 1、保证蒸气在管道中畅通,有排气口(小阀),接种管、中间补料管、放料管都要有排气口 (小阀) 2、避免冷凝水排入已灭菌的罐体或空气,加止逆阀(单向阀 3、灭菌后的管道用无菌空气保压 4、单向阀位置正确 5、蒸气总管道要有分气缸、排气阀、减压阀、安全阀 6、相邻罐不联通 六、发酵罐的一些操作 1、接种 (1)火圈直接倒种法 (2)注射器接种法 (3)压力差接种法 接种口用火圈杀菌: 橡胶口在火圈上过一下,套入接种口 进气阀打开,排气阀关闭,罐内和种子瓶同时升压至 Ikg/cm2 关闭发酵罐和种子瓶之间的阀门,打开发酵罐排气阀,罐内压力下降至0.5kg/cm2,倒置种 子瓶,打开发酵罐和种子瓶之间的阀门,瓶内种子液进入罐内 次没有接完再重复。 注意事项:接种瓶密封、耐高压;接种瓶口要旋紧、塞子塞紧,防止漏气染菌;进气口压力 表一定不能超过1kg/cm2(否则接种瓶会爆炸) 接不完反复两三次直至全部种子液接 入罐内为止
（在夹套中）立即加自来水冷却，从下向上，使温度尽快降到 55℃左右，到 37～38℃时关 掉水，也有缓冲性。 注意事项：升温降温时注意缓冲性；灭菌时蒸气从夹套中进去，如从罐中进去，蒸气冷凝， 产生冷凝水、无法接种、容易污染；冬天温度低、散热快，低于 30℃需加温，加温时蒸气 由下进入、从上而出，；微生物代谢发酵时产生大量热，使温度大于 30℃，需考虑适当降温， 冷却时冷却水由下进入、从上而出，注意缓冲性，不要降至 30℃才关；小型罐 50L～7 吨 用夹套系统冷却；大型罐 7 吨以上，用冷却管（盘肠、列管系统）。 四、发酵罐的管路和死角的消除 1、尽量减少管路 单罐： 发酵罐的出口越少越好； 出料口和进气管可以合并； 接种管、消泡管、补料管可以合并； 排气管不能合并，易引起交叉污染。 多罐： 出料前后都要消毒，用活（流动）蒸气消毒； 出料管不能合并。 2、消灭死角 丝口连接处改用法兰连接； 焊接部位选用鱼鳞焊； 管道转弯有弧度； 放料管、取料管的阀腔处装小阀。 3、消灭渗漏 罐体穿孔-不锈钢； 冷却管产生裂缝-定期更换； 垫圈（法兰连接）松脱-拧紧； 轴封渗漏-轴绝对垂直； 焊缝渗漏； 阀杆。 五、发酵罐的管道布置 1、保证蒸气在管道中畅通，有排气口（小阀），接种管、中间补料管、放料管都要有排气口 （小阀） 2、避免冷凝水排入已灭菌的罐体或空气，加止逆阀（单向阀） 3、灭菌后的管道用无菌空气保压 4、单向阀位置正确 5、蒸气总管道要有分气缸、排气阀、减压阀、安全阀 6、相邻罐不联通 六、发酵罐的一些操作 1、接种 （1）火圈直接倒种法 （2）注射器接种法 （3）压力差接种法 接种口用火圈杀菌； 橡胶口在火圈上过一下，套入接种口； 进气阀打开，排气阀关闭，罐内和种子瓶同时升压至 1kg/cm2 ； 关闭发酵罐和种子瓶之间的阀门，打开发酵罐排气阀，罐内压力下降至 0.5kg/cm2，倒置种 子瓶，打开发酵罐和种子瓶之间的阀门，瓶内种子液进入罐内； 一次没有接完再重复。 注意事项：接种瓶密封、耐高压；接种瓶口要旋紧、塞子塞紧，防止漏气染菌；进气口压力 表一定不能超过 1kg/cm2（否则接种瓶会爆炸）；一次接不完反复两三次直至全部种子液接 入罐内为止
2、移种(种子罐→发酵罐) (1)移种管灭菌:进入罐的管道阀门要关好,移种管中压力>2kg/cm32,灭菌15min,关蒸 气 (2)种子罐上进气阀打开,排气阀关闭,压力升至2kgm2 (3)发酵罐中保持正压,比空气高一点,排气阀打开,进气阀关小,压力降至0.5kg/cm2 (4)打开通向罐的阀门,两罐相通,因压力差,菌液进入发酵罐 (5)关掉通向罐的两个阀门,移种管灭菌 3、取样 4、进料和出料 发酵罐上的人孔用于加料和维修: 出料管可以和进气管合并; 一般装料系数为0.6,占罐总体积的2/3
2、移种（种子罐→发酵罐） （1）移种管灭菌：进入罐的管道阀门要关好，移种管中压力>2kg/cm2，灭菌 15min，关蒸 气 （2）种子罐上进气阀打开，排气阀关闭，压力升至 2kg/cm2 （3）发酵罐中保持正压，比空气高一点，排气阀打开，进气阀关小，压力降至 0.5kg/cm2 （4）打开通向罐的阀门，两罐相通，因压力差，菌液进入发酵罐 （5）关掉通向罐的两个阀门，移种管灭菌 3、取样 4、进料和出料 发酵罐上的人孔用于加料和维修； 出料管可以和进气管合并； 一般装料系数为 0.6，占罐总体积的 2/3