发酵罐的操作.ppt

综合实训 二 发酵罐的操作 发酵罐 发酵罐概述通风发酵设备嫌气发酵设备 发酵罐概述 一 基本概念 发酵设备中最重要 应用最广的设备 是发酵工业的心脏 是连接原料和产物的桥梁 广义的发酵罐是指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 工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备 二 发展过程 1 1900年以前 木制容器造酒 2 1900 1940 钢制发酵罐 开始使用空气分布器 机械搅拌开始应用 3 1940 1960 青霉素 通风 无菌操作 纯培养等一系列技术开始应用 计算机用于发酵控制 产物分离纯化商业化 4 1960 1979 机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80 150m3 出现压力循环和压力喷射型发酵罐 克服一些气体交换和热交换问题 计算机广泛应用 5 1979 今 大规模细胞培养发酵罐 胰岛素 干扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展 三 发酵设备的类型 1 按微生物生长代谢分类 1 非通风发酵罐 酒精发酵罐 啤酒发酵罐2 通风发酵罐 机械搅拌 气升式 伍式 自吸式等2 按发酵罐设备特点分类 1 机械搅拌通风发酵罐 伍式 文式 自吸式等2 非机械搅拌通风发酵罐 气提式 液提式等 3 按操作方式分类 1 分批发酵 在一个培养体积中接种细胞和添加培养基后 中途不添加也不更换培养基的方式 优点 污染杂菌比例小 操作灵活 可进行不同产品的生产 缺点 效率低 非稳态工艺过程设计和操作困难 培养过程中细胞生长 产物积累 以及培养基的物理状态常常随时间变化而变化 2 连续发酵 在培养过程中 不断向反应器中流加新鲜培养基 同时以相同的流量从系统中取出培养液 从而维持培养系统内在细胞密度 产物浓度以及物理状态相对平衡的培养方式 优点 增加目的产物产量 细胞培养周期延长 导致目的产物积累时间延长 便于对系统的检测 系统进入稳定状态后 细胞密度 基质 产物浓度等趋于恒定 缺点 装置较复杂 容易污染杂菌 通风发酵设备 机械搅拌通风发酵罐气升式发酵罐自吸式发酵罐 通风发酵罐 又称好气性发酵罐 需要将空气不断通入发酵液中 以供微生物所消耗的氧 通入发酵液中的气泡越小 气泡与液体的接触面积就越大 液体中的氧的溶解速率也越快 类型 包括 机械搅拌式 自吸式 气升式 伍式 文氏罐等类型的发酵罐 一 机械搅拌发酵罐 1 发酵罐的基本条件机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用 使空气和发酵液充分混合 促使氧在发酵液中溶解 以保证供给微生物生长繁殖 发酵所需的氧气 又称通用式发酵罐 2 发酵罐的基本要求 1 结构严密 经得起蒸汽的反复灭菌 内壁光滑 耐腐蚀性能好 以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响 2 有良好的气 液 固接触和混合性能与高效的热量 质量 动量传递性能 3 在保持生物反应要求的前提下 降低能耗 4 有良好的热量交换性能 以维持生物反应最适温度 5 有可行的管路比例和仪表控制 适用于灭菌操作和自动化控制 发酵罐是一种圆柱形的容器 容量从几升到几百万升不等 发酵罐应用广泛 可用于啤酒发酵 白酒发酵 柠檬酸发酵 生物发酵等 发酵罐上面连接有通气 搅拌 接种 加料 冷却 pH检测等装置 通用式发酵罐的主要部件 罐体搅拌器挡板轴封空气分布管消泡器 冷却管 或夹套 联轴器中间轴承人孔管路等 3 发酵罐的结构 1 罐体 由圆柱体和椭圆形或碟形封头焊接而成 材料为炭钢或不锈钢 且应有一定的承压能力 2 5kg cm2 罐顶上的接管有 进料管 补料管 排气管 接种管和压力表接管 罐身上的接管有 冷却水进出管 进空气管 温度计管和测控仪表接口 2 搅拌器 作用 使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合 使氧溶解于发酵液中 大型搅拌器一般做成两半型 用螺栓连成整体装配于搅拌轴上 便于拆卸 径向式搅拌器 优点 气体分散能力强 缺点 功耗较大 作用范围小 轴向式搅拌器 优点 轴向混合性能较好 功耗低 作用范围大 缺点 对气体的控制能力弱 怎么样实现高效搅拌 通常采用径向式搅拌器和轴向式搅拌器组合实现高效搅拌混合和节能降耗 对于组合形式 根据发酵罐一般是下部通气的特点 下层搅拌器选择径向式搅拌器 上层搅拌器采用轴向式搅拌器 3 挡板挡板的作用 改变液流的方向 促使液体激烈翻动 增加溶解氧 防止搅拌过程中漩涡的产生 而导致搅拌器露在料液以上 起不到搅拌作用 竖立的蛇管 列管 排管也可以起挡板作用 挡板与罐壁之间的距离 1 5 1 8 D 避免形成死角 防止物料与菌体堆积 4 消泡器 发酵液中含有蛋白质等发泡物质 通气搅拌是会产生气泡 发泡严重时会使发酵液随排气而外溢 增加杂菌污染的机会 消泡方法 化学法 天然油脂 聚醚类 高级醇类等 物理法 机械消泡装置 常用耙式消泡器 消泡器的作用 将泡沫打破 消泡器位于液面上10cm 长度约为0 65D 耙式消泡器 5 联轴器及轴承 用联轴器使几段搅拌轴上下成牢固的刚性联接 为了减少震动 中型发酵罐装有底轴承 大型发酵罐装有中间轴承 6 空气分布装置空气分布装置的作用 吹入无菌空气 使空气分布均匀 形式 单管和环形管 常用单管 简单实用 单次通入量较大 环形管属于多孔管式 空气分布较均匀 但喷气孔容易被堵塞 7 轴封定义 运动部件与静止部件之间的密封叫作轴封 如搅拌轴与罐盖或罐底之间 作用 使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封 防止泄漏和污染杂菌 形式 填料函和端面轴封两种 目前多用端面式轴封 端面式轴封又称机械轴封 密封作用是靠弹性元件 弹簧 波纹管等 的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密的相互贴合 并作相对转动而达到密封 动静环材料要有良好的耐磨性 摩擦因数小 导热性能好 结构紧密 且动环的硬度应比静环大 填料函式轴封是由填料箱体 填料底衬套 填料压盖和压紧螺栓等零件构成 使旋转轴达到密封的效果 缺点 死角多 很难彻底灭菌 易磨损 渗漏 8 变速装置 二 气升式发酵罐 ALR 气升式发酵罐也是应用最广泛的生物反应设备 特点 结构简单 不易染菌 溶氧效率高和耗能低等 类型 气升环流式 鼓泡式 空气喷射式等 原理 把无菌空气通过喷嘴喷射进发酵液中 通过气液混合物的湍流作用而使空气泡打碎 同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动 而含气率小的发酵液则下沉 形成循环流动 实现混合与溶氧传质 气升环流式反应器的特点 反应溶液分布均匀 较高的溶氧速率和溶氧效率 剪切力小 传热良好 结构简单 操作和维修方便 自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机 而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐 与通用发酵罐的区别 有一个特殊的搅拌器 没有通气管 缺点 罐为负压 易染菌 转速较大 会打碎丝状菌 三 自吸式发酵罐 自吸式发酵罐的充气原理 搅拌器由罐底向上伸入的主轴带动 叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空 由导气管吸入罐外空气 吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出 并立即通过导轮向罐壁分散 经挡板折流涌向液面 均匀分布 嫌气发酵设备 酒精发酵罐啤酒发酵罐 满足酒精发酵的工艺要求 满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件 将发酵产生的热量及时移走 有利于发酵液的排出 设备的清洗 维修以及设备制造安装方便等问题 一 酒精发酵罐 1 罐型酒精发酵罐筒体为圆柱形 底盖和顶盖均为碟形或锥形 罐顶装有废汽回收管 进料管 按种管 压力表 各种测量仪表接口管及供观察清洗和检修罐体内部的人孔等 罐底装有排料口和排污口 罐身上下装有取样口和温度计接口 对于大型发酵罐 为了便于维修和清洗 在近罐底装有人孔 2 发酵的冷却装置 中小型发酵罐 多采用罐顶喷水淋于罐外表面进行膜状冷却 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 为了避免发酵车间的潮湿和积水 要求在罐底部沿罐体四周装有集水槽 3 洗涤装置 组成及原理 由一根两头装有喷嘴的洒水管组成 两头的喷水管弯有一定的弧度 喷水管上均匀的钻有一定数量的小孔 喷水管安装时呈水平 借活接头和固定供水管相连接 借喷水管两头喷嘴以一定喷出速度而形成的反作用力使其自动旋转 过去由人工操作 劳动强度大 易中毒 水力喷射装置 改善劳动强度 提高效率 在水压不大的情况下 水力喷射强度和均匀度都不理想 以致洗涤不彻底 采用高压强的水力喷射洗涤装置 组成及原理 直立的喷水管 沿轴向安装于罐的中央 在垂直喷水管上钻有小孔 孔与水平呈20 角 水平喷水管借活接头 上端与供水总管 下端与垂直分配管相连接 二 啤酒发酵罐 啤酒发酵设备的发展 1 木材 水泥 金属2 开放式 向密闭式3 方形 圆形卧式 立式圆筒锥底罐4 人工洗涤 CIP自动清洗系统 一 啤酒前 后发酵设备 1 前发酵设备长 正方形开放式 密闭式控温 槽内控温 发酵室控温 降温 绝热 室内CO2浓度应控制 开放式前发酵槽 2 后发酵槽 后发酵阶段 残糖继续发酵 饱和CO2 澄清 成熟贮酒罐卧式 立式温度维持在0 2 二 新型啤发酵设备 锥底 便于酵母沉淀回收冷却套 分为2 3段 很大的罐可分为四段 圆筒体锥底发酵罐 发酵罐的操作 5L玻璃发酵罐的结构 见实训材料 第一步 罐检 目的 快速检查发酵罐 确保发酵罐正常 可以上罐 检查项目 阀门 所有阀门是否处于正确的位置 压力表 压力表是否归零 PH和溶氧电极 电极是否拔出并正确保养 罐体 罐内是否清洗干净 搅拌电机 点动电机 看电机运转是否正常 第二步 空消 空消主要目的是在进罐生产前对设备清洁和杀灭其他微生物 防止因设备清洁不彻底或设备停用时间过久 微生物滋生 从而对生产造成影响 空消操作流程 第三步 电极标定 目的 为了确保电极准确测量 必须在使用前对电极进行标定 注意事项 新电极或放置很久的电极必须激活以后才可以进行标定和使用 PH电极用3moL L的KCl溶液浸泡6小时激活 溶氧电极通电6小时激活 PH电极标定的时候需要将接地电极放入盛放标准液的烧杯内 接种以后设定好发酵参数 然后进行溶氧电极百分百标定 电极标定所需试剂 电极标定参数 PH电极的校准1由于电极的内容物会随使用时间或高温灭菌而不断变化 因而在每次使用前均需用标准的pH缓冲液校准 以确保测量精度 碱性 中性缓冲液能吸取空气中的二氧化碳 造成缓冲液pH值变化 故必须确保所用缓冲液在使用期限内 并且储存于密闭容器中 电极在缓冲液中放置1min后再进行后继操作 4如果被测的是微酸性溶液 建议用pH6 86和pH4 00的标准缓冲液进行校准 如果是微碱性溶液 建议用pH6 86和pH9 18的标准缓冲液校准 5通常先用pH6 86缓冲液校零点 再用pH4 00或9 18缓冲液确定斜率 溶氧电极的标定1每次使用电极前都必须进行校准 校准介质可以是空气或饱和介质 电极校准前必须按2 1的要求进行充分极化 2电极校准通常先用新配的5 亚硫酸钠溶液校准 零点 再用空气或饱和介质校准 100点 3如果以空气为校准介质 即用纯净水冲洗电极并用软纸巾吸干膜体上的水珠后 将电极放在空气中 待读数稳定后即可开始校准 4发酵培养一般以饱和介质为校准介质 即在实消后接种前 待培养基冷却到培养温度 启动电机至正常转速 在操作压力下按最大通气时进行校准 并将此时溶液定义为100 饱和 第四步 配料 增容 实消过程中部分蒸汽会冷凝形成冷凝水进入培养基中 从而导致培养基体积变大 变大的部分即为增容 不同的地区 不同的气候 增容量都会不同的 需要通过多次实消灭菌总结才能得到一个经验值 配料操作流程 第五步 实消 发酵罐实消是对发酵培养基进行彻底的灭菌处理 利用高温过饱和蒸汽的强穿透能力使各种细菌 真菌蛋白质凝固而死亡 实消结束以后罐内是无菌的环境 需通入无菌空气进行保压直到培养结束 实消操作流程 第六步 接种 接种方法 压差接种法接种材料 种子液 火焰圈 95 酒精 酒精棉 镊子 打火机 石棉手套注意事项 环境 关闭车间门窗和排气扇 接种环境周围禁止人员来回走动 降低空气流动性 无菌 拔接种针护套时需靠在火焰附近 接种壶不可倾斜过度 避免种子液流出 接种操作过程中罐压不能掉零 安全 拔出接种壶时接种针不可以指向人员 避免接种针飞出后造成人员受伤 点燃火焰圈不可随处乱扔 熄灭以后才可以继续操作 接种操作 准备准备好接种所需材料关闭门窗 排气扇操作人员合理分工 一个为主操作 一个为副操作消毒副操作用酒精棉擦拭接种口进行消毒消毒以后用火焰圈保护好接种口接种主操作在火焰掩护下拔掉接种针护套 快速插入接种口 双手摁住接种壶副操作调节罐内压力慢慢升到0 15MPa 然后快速降到0 05MPa 进行接种消毒接种完以后主操作快速拔出接种壶副操作用酒精棉擦拭接种口消毒以后迅速盖上接种盖 设置好参数后进行培养 第七步 培养 工艺控制与记录每间隔1小时记录一次参数 主要参数有PH值 溶氧值 温度 发酵罐压力和过滤器压力 取样依据工艺要求按时取样送交化验部并做好镜检工作 设备巡查检查搅拌电机 看电机有没有异响 过热等 检查酸碱罐 消泡罐和补料罐装液量 及时补充 检查管道 阀门 看有无外漏 第八步 放罐 菌体生长情况符合下罐条件以后即可放罐 放罐操作流程如下 提前1小时通知后提取车