第六章發酵罐操作與滅菌技術第一節發酵設備概述發酵主要設備為發酵罐和種子罐，它們各自都附有原料(培養基)調制、蒸煮、滅菌和冷卻設備，通氣調節和除菌設備，以及攪拌器等。種子罐：以確保發酵罐培養所必需的菌體量為目的。發酵罐：承擔產物的生產任務。它必須能夠提供微生物生命活動和代謝所要求的條件，并便于操作和控制，保證工藝條件的實現，從而獲得高產。一、發酵罐

發酵罐的定義：是為一個特定生物化學過程的操作提供良好而滿意的環境的容器。對于某些工藝來說，發酵罐是個密閉容器，同時附帶精密控制系統；而對于另一些簡單的工藝來說，發酵罐只是個開口容器，有時甚至簡單到只要有一個開口的坑。

發酵罐系統

一個優良的發酵罐裝置和組成（1）應具有嚴密的結構（2）良好的液體混合特性（3）好的傳質相傳熱速率（4）具有配套而又可靠的檢測、控制儀表發酵罐發展歷史

第一階段:1900年以前，是現代發酵罐的雛形，它帶有簡單的溫度和熱交換儀器。第二階段:1900-1940年，出現了200m3的鋼制發酵罐，在面包酵母發酵罐中開始使用空氣分布器，機械攪拌開始用在小型的發酵罐中。第三階段：1940-1960年，機械攪拌、通風，無菌操作和純種培養等一系列技術開始完善，發酵工藝過程的參數檢測和控制方面已出現，耐蒸汽滅菌的在線連續測定的pH電極和溶氧電極，計算機開始進行發酵過程的控制。發酵產品的分離和純化設備逐步實現商品化。第四階段：1960-1979年，機械攪拌通風發酵罐的容積增大到80-150m3。由于大規模生產單細胞蛋白的需要，又出現了壓力循環和壓力噴射型的發酵罐，它可以克服—些氣體交換和熱交換問題。計算機開始在發酵工業上得到廣泛應用。第五階段：1979年至今。生物工程和技術的迅猛發展，給發酵工業提出了新的課題。于是，大規模細胞培養發酵罐應運而生，胰島素，干擾素等基因工程的產品走上商品化。發酵罐的特點

（1）發酵罐與其他工業設備的突出差別是對純種培養的要求之高，幾乎達到十分苛刻的程度。因此，發酵罐的嚴密性，運行的高度可靠性是發酵工業的顯著特點。（2）現代發酵工業為了獲取更大的經濟利益，發酵罐更加趨向大型化和自動化發展。在發酵罐的自動化方面，作為參數檢測的眼睛如pH電極、溶解氧電極、溶解CO2電極等的在線檢測在國外巳相當成熟。國內目前尚處于起步階段，發酵檢測參數還只限于溫度、壓力、空氣流量等一些最常規的參數。發酵罐的種類

發酵工業上最常用的是通風攪拌罐。除了通風攪拌發酵罐外，其它型式的發酵罐如：氣提式發酵罐、壓力循環發酵罐、帶超濾膜的發酵罐等。典型發酵設備

種子制備設備主發酵設備輔助設備(無菌空氣和培養基的制備)發酵液預處理設備粗產品的提取設備產品精制與干燥設備流出物回收、利用和處理設備發酵罐工藝操作條件

1.溫度：25～40℃。2.壓力：0～1kg/cm3(表壓)。3.滅菌條件；溫度100～140℃，壓力0～3kg/cm3(表壓).4.pH：2～11。5.需氧量：0.05～0.3kmo1/m3·h。6.通氣量：0.3～2VVM。7.功率消耗：0.5～4kW/m。8.發酵熱量：5000～20000kcal/m..h。發酵罐的類型

1．按微生物生長代謝需要分類：好氣：抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸，維生素等產品是在好氣發酵罐中進行的；需要強烈的通風攪拌，目的是提高氧在發酵液中的傳質系數；厭氣：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厭氣發酵罐。不需要通氣。機械攪拌通風發酵罐：包括循環式，如伍式發酵罐，文氏管發酵罐，以及非循環式的通風式發酵罐和自吸式發酵罐等。非機械攪拌通風發酵罐：包括循環式的氣提式、液提式發酵罐，以及非循環式的排管式和噴射式發酵罐。這兩類發酵罐是采用不同的手段使發酵罐內的氣、固、液三相充分混合，從而滿足微生物生長和產物形成對氧的需求。2.按照發酵罐設備特點分類：3．按容積分類：一般認為500L以下的是實驗室發酵罐；500-5000L是中試發酵罐；5000L以上是生產規模的發酵罐。第二節嫌氣發酵設備密閉厭氧發酵罐對這類發酵罐的要求是：能封閉；能承受一定壓力；有冷卻設備；罐內盡量減少裝置，消滅死角，便于清洗滅菌。酒精和啤酒都屬于嫌氣發酵產物，其發酵罐因不需要通入昂貴的無菌空氣，因此在設備放大、制造和操作時，都比好氣發酵設備簡單得多。它的容積常大于50m3，H:Dt=1-2，罐的上、下部都是錐形的。上部有物料口，冷卻水口，CO2和氣體出口、入孔和壓力表開口等。溫度控制采用罐內蛇管和罐外壁直接水噴淋相結合，排料管在罐的底部。一、酒精發酵罐酵母將糖轉化為酒精高轉化率條件(1)滿足酵母生長和代謝的必要工藝條件(2)一定的生化反應時間(3)及時移走在生化反應過程中將釋放的生物熱酒精發酵罐的結構要求滿足工藝要求，有利于發酵熱的排出從結構上有利于發酵液的排出有利于設備清洗、維修以及設備制造安裝方便等問題。酒精發酵罐筒體結構為圓柱形，底蓋和頂蓋均為碟形或錐形。在酒精發酸過程中，為了回收CO2氣體及其所帶出的部分酒精，發酵罐宜采用密閉式。罐頂裝有人孔、視鏡及二氧化碳回收管、進料管、接種管、壓力表和測量儀表接口管等。罐底裝有排料口和排污口；罐身上下部裝有取樣口和溫度計接口，對于大型發酵耀，為了便于維修和清洗，往往在近罐底也裝有入孔。發酵的冷卻裝置對于中小型發酵罐，多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進行膜狀冷卻；對于大型發酵罐，罐內裝有冷卻蛇管或罐內蛇管和罐外壁噴灑聯合冷卻裝置，為避免發酵車間的潮濕和積水，要求在罐體底部沿罐體四周裝有集水槽。采用罐外列管式噴淋冷卻的方法，具有冷卻發酵液均勻，冷卻效率高等優點。酒精發酵罐的洗滌過去均由人工操作，不僅勞動強度大，而且CO2氣體一旦末徹底排除，工人入罐清洗會發生中毒事故。近年來，酒精發酵罐巳逐步采用水力噴射洗滌裝置，從而改善了工人的勞動強度和提高了操作效率。大型發酵罐采用這種水力洗滌裝置尤為重要。水力噴射裝置是由一根兩頭裝有噴嘴的灑水管組成兩頭噴水管彎有一定的弧度噴水管上均勻地鉆有一定數量的小孔噴水管安裝時呈水平噴水管借活接頭和固定供水管相連接它是借噴水管兩頭噴嘴以一定噴出速度而形成的反作用力，使噴水管自動旋轉。對于120m3的酒精發酵耀，采用36×3mm的噴水管，管上開有44×30個小孔，兩頭噴嘴口徑為9mm。高壓強的水力噴射洗滌裝置它是一根直立的噴水管，沿軸向安裝于罐的中央，在垂直噴水管上按一定的間距均勻地鉆有4-6mm的小孔，孔與水平呈20度角，水平噴水管借活接頭，上端和供水總管，下端相垂直分配管相連接，洗滌水壓為0.6-0.8MPa。水流在較高壓力下，由水平噴水管出口處噴出，使其以每分鐘48—56轉自動旋轉，并以極大的速度噴射到罐壁各處，而垂直的噴水管也以同樣的水流速度噴射到罐體四壁和罐底。約5min時間即可完成洗滌作業。洗滌水若用廢熱水，還可提高洗滌效果。發酵罐三、發酵罐的結構1、罐體

2、攪拌器和擋板

3、消泡器

4、聯軸器及軸承

5、變速裝置

6、空氣分布裝置7、軸封8、冷卻裝置

三、發酵罐的結構

罐體：由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼，對于大型發酵罐可用襯不銹鋼板或復合不銹鋼制成，襯里用的不銹鋼板厚為2-3毫米。為了滿足工業要求，在一定壓力下操作、空消或實消，罐為一個受壓容器，通常滅菌的壓力為2.5公斤/厘米2（絕對壓力）。攪拌器攪拌器有平葉式、彎葉式、箭葉式三種其作用是打碎氣泡，使氧溶解于醪液中，從攪拌程度來說，以平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。為了拆裝方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯成整體。通用發酵罐的攪拌槳類型

（1）通用發酵罐的攪拌槳最廣泛使用的是平葉渦輪攪拌槳，國內采用的大多數是六平葉式，其各部分尺寸比例已規范化。這種攪拌槳具有很大的循環液體輸送量，功率消耗大。因此特別適用于絲狀菌發酵。（2）船用螺旋攪拌器，它具有比渦輪槳更為強烈的軸向流動，但是氧傳遞效率低。（3）振動混合器，盡管可以提供較高的氧傳遞效率，但剪切力較低。（4）多棒攪拌槳，已用于粘稠的絲狀鏈霉菌發酵的發酵罐中。這種攪拌槳具有較好的剪切分散能力和較低的功率消耗，在整個發酵過程中功率變化相對渦輪槳要小的多。（5）氣體導入式攪拌器，是由一個空心的攪拌槳組成，安裝在空心的攪拌軸上。攪拌槳上至少有一個暴露在液體中的開口。由于攪拌槳轉動，開口處的壓力隨之減少，使導入的氣體沿著攪拌軸向下流動。它適應于低粘度的發酵液。消泡方式有兩種：一是加入化學消泡劑消除泡沫，但高濃度的化學消泡劑會對發酵產生抑制作用，故不能添加太多；第二種方式，即機械消泡。機械消泡裝置主要有四種。一是鋸齒式消泡槳．它安裝于罐內頂部、高出液面的位置，固定在攪拌軸上，隨攪拌軸轉動，不斷將泡沫打破。二是半封閉式渦輪消泡器，它是由前者發展改進而來，泡沫可直接被渦輪打碎或被渦輪拋出撞擊到罐壁而破碎。

消泡裝量三是離心式消泡器，它們置于發酵罐的頂部，利用高速旋轉產生的離心力將泡沫破碎，液體仍然返回罐內。第四種是刮板式消泡器，它安裝于發酵罐的排氣口處，泡沫從氣液進口進到高速旋轉的刮板中，刮板轉速為1000—1450rpm，泡沫迅速被打碎，由于離心力作用，液體被甩向殼體壁上，返回罐內，氣體則由汽孔排出。擋板擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。通常擋板寬度取（0.1-0.12）D，裝