5-1-发酵设备(2)

第五章发酵设备及灭菌第一节发酵设备发酵工业最基本和最主要的是发酵设备，发酵设备必须能够提供：¾适宜于微生物生长和产物形成的各种条件，促进微生物的新陈代谢¾便于操作控制，保证工艺条件的实现¾实现高产，使之能在低能耗下获得高能量因此，优良的发酵设备应具有：¾严密的结构¾良好的液体混合性能¾较高的传质传热速率¾配套而又可靠的检测及控制仪表判断发酵设备好坏的唯一标准：能否适合工艺要求，获得最大生产效率发酵罐根据发酵类型不同分为二类发酵罐好氧发酵罐厌氧发酵罐（嫌气发酵罐）通风搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐通用式发酵罐自吸式发酵罐一、厌氧发酵罐酒精丙酮丁醇乳酸啤酒等酒精发酵罐1冷却水入口2取样口3压力表4CO2出口5喷淋水入口6料液及酒母入口7人孔8冷却水出口9温度计10喷淋水收集槽11喷淋水出口12发酵液及污水排出口（一）形状筒体为圆柱形，底盖和顶盖为锥形或碟形（二）结构尺寸推荐比例H=1.1～1.5Dh1=0.1～0.14Dh2=0.05～0.1DD-----罐的直径H-----圆柱部分的高度h1-----罐底高度h2-----罐盖高度（三）配置人孔视镜进料管压力表和测量仪器的接口CO2出口（回收管）排料口和排污口取样口温度计接口冷却装置洗涤装置人孔（梯子）进料管（培养液，酒母）压力表和测量仪器的接口CO2出口（回收管）排料口和排污口取样口（上、下）温度计接口（上、下、顶）中小型罐,多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却(罐体底部四周有收集槽)大型罐,罐内有冷却蛇管(或与外壁喷淋相结合)冷却装置洗涤装置水力喷射洗涤装置水力喷射洗涤装置活络接头二、好氧发酵罐味精、柠檬酸、抗生素、酶制剂、氨基酸、SCP通风搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐通用式发酵罐自吸式发酵罐气升式发酵罐塔式发酵罐(一)通用式发酵罐（机械搅拌通风发酵罐）基本条件6、轴封应严密，尽量减少泄漏。1、适宜的径高比。[高：直径约为1.7～4]2、能承受一定的压力。3、搅拌通风装置要能使气泡分散细碎、气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高O2的利用率。4、应具有足够的冷却面积。[代谢产热]5、发酵罐内应抛光，尽量减少死角。[避免积污、染菌]机械搅拌通风发酵罐罐体的尺寸比例H----柱体高(m)HL---液位高度（m）D----罐内径(m)d----搅拌器直径s----两搅拌器的间距B----最下一组搅拌器距罐底的距离W----挡板宽度H/D=1.7～4d/D=1/2～1/3W/D=1/8～1/12B/d=0.8～1.0(s/d)2=1.5～2.5(s/d)3=1～2H----柱体高(m)HL---液位高度（m）D----罐内径(m)d----搅拌器直径s----两搅拌器的间距B----最下一组搅拌器距罐底的距离W----挡板宽度发酵罐的部分配件1、搅拌器机械搅拌的作用：（重点）¾打碎空气气泡，增加气液接触面积，以提高气液间的传质速率；¾使发酵液充分混合，液体中的固形物料保持悬浮状态。搅拌器类型螺旋桨式涡轮桨式搅拌器六平叶六弯叶六箭叶螺旋桨涡轮桨六平叶涡轮式六弯叶涡轮式六箭叶涡轮式尺寸六平叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大。叶径:d=(0.3～0.4)D盘径:di=0.75d叶高:h=0.3d叶长:b=0.25d2、挡板作用：改变液体的方向，由径向流改为轴向流，使液体激烈翻动，增加溶解氧。宽度（W)：一般取(1/8～1/12)D片数：4～6长度：自液面至罐底与罐壁的间距：（1/5～1/8)W(避免形成死角，防止物料和菌体堆积）3、空气分布装置作用：通入无菌空气并使分散均匀类型：1）环形管环径=0.8d;多喷孔，向下；易堵2）单管式普遍采用向下的管口距罐底约30～60mm分散器（防止空气喷击、蚀穿罐底）位置：罐底中央环形管式空气分布装置单管式空气分布装置4、换热装置夹套式竖式蛇管竖式列管小型罐夹套式换热装置夹套式换热装置应用：小型罐、种子罐高度：比静止时液面稍高优点：结构简、加工易、死角少、易清洁灭菌缺点：传热壁较厚、冷却水流速低、降温效果差竖式蛇管换热装置分组安装（3～8不等）大型罐多用优点：冷却水流速大、传热系数高缺点：弯曲处易蚀穿竖立列管换热装置以列管形式对称安装于罐内优点：加工方便缺点：传热系数较蛇管低用水量大5、轴封使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封；防止泄漏和染菌上传动下传动6、消泡装置作用是将泡沫打破半封闭涡轮消泡器梳齿式消泡器耙式消泡器7、其它配置罐顶：人孔、视镜（冲洗管）及镜灯、进料管、补料管、排气管、接种管、压力表接管、温度计管视镜小型罐视窗视镜冲洗管罐体：冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计及测量仪器接管等(二)自吸式发酵罐不需空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气20世纪60年代我国某些醋厂、酵母厂已采用自吸式发酵罐的充气原理：启动前转子被液体浸没；转子高速旋转，液体、空气在离心力作用下被甩向外缘，在转子的中心处形成负压；于是将罐外的空气通过搅拌器中心的吸入管而被吸入罐内；通过导轮使气液均匀分布甩出，并使空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡。自吸式发酵罐在搅拌的同时完成了充气作用。优点：1、省却空气压缩机及其辅助设备，减少厂房，减少设备投资约30%。2、设备便于自动化、连续化。3、气泡小、气液均匀接触，溶氧系数高。缺点：装液系数较低（约0.4）进罐空气处于负压，增加了染菌的机会。自吸式发酵罐(三)空气带升式发酵罐（气升式）™没有搅拌器，罐内或罐外设液体循环管（上升管）™空气由特殊结构的喷嘴以250～300m/s的高速喷出内循环带升式发酵罐外循环带升式发酵罐罐内或罐外装设上升管，两端与罐底部和罐上部相连通，构成循环系统；上升管的下部装有空气喷嘴，空气以250-300m/s高速喷入上升管，借喷嘴的作用将空气泡分割成细泡，与上升管内发酵液密切接触；由于上升管内发酵液含气多、比重小，加上压缩空气的喷流动能，因此使上升管的液体上升，罐内液体下降而进入上升管，形成反复的循环，使氧气溶解于发酵液中。原理：特点：结构简单、不易污染、能耗低(四)高位筛板式发酵罐(略)（高位塔式发酵罐）动物细胞反应器5-10升实验室台式发酵罐（嵌入式单片计算机系统）计算机控制与数据处理软件包适应多种反应器特点，融合多种过程理论和控制理论，便于发酵过程工艺分析和优化操作。代谢曲线对照大型发酵罐搅拌装置180M3发酵罐车间大型空气压缩机发酵车间的空气过滤器第二节灭菌空消、实消、连消、空气过滤除菌等一、空罐灭菌1、目的：1）消除罐内死角，确保下一批发酵的成功2）杀灭与罐直接相通的各管路、阀门的微生物2、步骤：（热蒸汽法）1）先彻底清洗作用：a）有利于消除死角b）免于料受热（尤其是干热的部位）干焦于罐体、管或阀门2）从底部通入蒸汽3）排冷气4）升压打开各个需灭菌的管路、放气阀等（如接种管、取样管、空气进管、流量计等）5）保压通常1kg/cm2,30～60min6)降温关闭各放汽阀、进汽阀；然后慢慢放汽，或自然冷却，或泵循环水加速冷却二、实罐灭菌（分批灭菌）一）操作1、在进行培养基灭菌之前，通常应先把发酵罐的分空气过滤器灭菌并用无菌空气吹干。若已先行空罐灭菌，此步可不进行2、预热向夹套或蛇管中通入蒸汽，间接将培养基加热至70℃左右。作用：利于糊化；减少冷凝水的生成；减轻噪音有的工厂省却此步；需通过试验掌握冷凝水的生成量，确保培养基的浓度。3、开启蒸汽管，向培养基中通入蒸汽，升温。4、罐压达1kg/cm2(0.1MPa)时，装在发酵罐封头的接种管、补料管、消泡剂管等应排汽。升温阶段5、保温调节好各进汽和排汽阀门，使罐压和温度保持在一稳定水平，维持一定时间。在保温阶段，凡进口在培养基液面下的各管道都应通入蒸汽；在液面上的其余管道则应排放蒸汽，这样才能保证灭菌彻底，不留死角。保温阶段6、保温结束后，依次关闭各排汽、进汽阀；待罐内压力降至0.5～0.8kg/cm2时，向罐内通入无菌空气，向夹套或蛇管中通入冷水，使培养基降至所需温度。通入无菌空气的作用：加速降温；保持罐内正压降温阶段ABCD升温保温降温小型罐升降温快，可忽略；但大型罐不可忽视℃min二）灭菌时间的计算本章重点•掌握优良发酵设备应具备的条件及其判断标准•掌握酒精发酵罐的构造•掌握通用式发酵罐的基本条件及其构造•理解并掌握发酵罐配件的作用•了解自吸式和气升式发酵罐的工作原理•空罐灭菌和实罐灭菌的操作步骤