一种发酵罐概述.docx

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一种发酵罐概述

发酵罐综述

学院：

生命科学学院

专业：

生物工程

班级：

2016级

学号：

2016021168

学生姓名：

汪裕强

任课教师：

谢和

2016年1月5日

摘要：

本文阐述了发酵罐的结构、操作、规范及保养等，介绍了酶工程在食品加工的应用现状,并对发酵罐的作用和发展作出了展望。

关键词：

发酵罐、结构、操作

引言：

发酵罐是微生物工程中最重要的设备之一，一个优良的培养装置应设计为具有严密的结构，良好的液体混合性能，高的传质和传热速率，以及可靠的检测及控制仪表，才能获得最大的生产效率。

1、发酵罐的主要类型：

（1）通气机械搅拌罐 

  通气机械搅拌罐是许多发酵过程的首选设备，具有高传质和传热能力，理想的气液混合效果，较长的液体停留时间和较宽的操作气速。

但缺点也明显，剪切力较大，损害许多剪切敏感型微生物能耗大，混合不均。

因此，发扬通风搅拌罐的优势，克服其缺点是当前发酵罐研究的重点之一。

通风搅拌罐改进工作主要在搅拌系统，包括搅拌器和多层搅拌系统的优化，搅拌器主要是采用新型搅拌器或改进标准搅拌器，目的是减少桨叶尾流的漩涡以便节能，或者改变反应器的流态，使得剪切力可以均匀的分布，保护反应器中的微生物。

多层搅拌系统很早就开始使用，但由于对其工作机理研究不够深人，多年来一直采用简单的经验设计方法，没有发挥其应有的优势。

（2）气升式发酵罐 

气升式发酵罐有明显的优点，在生产SCP、丝状真菌、废水处理中已获得广泛应用。

气升式发酵罐是应用最广泛的生物反应设备。

这类反应器具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等优点。

有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，生物工业已经大量应用的气升式发酵罐有气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐。

而鼓泡罐则是最原始的通气发酵罐，当然鼓泡式反应器内没有设置导流筒，故未控制液体的主体定向流动。

（3）自吸式发酵罐 

  自吸式发酵罐罐体的结构自吸式发酵罐罐体的结构自吸式发酵罐罐体的结构自吸式发酵罐罐体的结构大致上与通用式发酵罐相同，主要区别在于搅拌器的形状和结构不同。

自吸式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。

搅拌器由从罐底向上伸人的主轴带动，叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背形成真空，于是将罐外空气通过搅拌器中心的吸气管而吸人罐内，吸人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。

空气吸人管通常用一端面轴封与叶轮连接，确保不漏气。

 由于空气靠发酵液高速流动形成的真空白行吸人，气液接触十分良好，气泡分散较细，从而提高了氧在发酵液中的溶解速率。

以下以机械搅拌发酵罐为例，介绍其主要结构部件及其主要功能：

二、 发酵罐的基本条件 

机械搅拌发酵罐也称标准式或通用式发酵罐，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，并溶解在发酵液中，以保证微生物的生长繁殖所需要的氧气。

为了使发酵罐发挥最大的生产效率，发酵罐必须满足几个要求：

①发酵罐必须能承受一定的压力。

 ②发酵罐要有适宜的径高比。

③发酵罐的搅拌通风设备能使气液成分混合，实现传质传热作用，保证微生物发酵过程中所需的溶解氧。

④发酵罐应具有足够的冷却面积。

⑤发酵罐内应尽量减少死角，避免藏污积垢，保证灭菌彻底，防止染菌。

⑥搅拌器的轴封要严密，减少泄露。

机械搅拌发酵罐的几何尺寸要求：

H/D=1.7∽4, d/D=1/2∽1/3, W/D=1/8∽1/12, 

B/D=0.8∽1.0, （s/d）2 =1.5∽2.5,（s/d）3=1∽2

式中：

 H-发酵罐筒身高度（m）；D-发酵罐内径（m）；

d-搅拌器直径（m）；W-挡板的高度（m）； B-下搅拌桨距底部的间距（m）；s-两搅拌桨的间距（m）；HL-液位高度（m）。

三、发酵罐的结构 

机械搅拌通风发酵罐主要部件包括罐身，搅拌器，挡板，冷却装置，空气分布装置。

轴封等。

 3.1 罐体 是根据最大使用压力来设计。

（1） 首先罐体要密封，能承受一定的压力。

（2） 形状为圆柱状，两端用椭圆型或碟形封头焊接而成，这样发酵罐受力均匀，死角少，物料容易排出。

（3） 材料为不锈钢或复合不锈钢制成。

（4） 高度与直径比为1.7∽4∶1。

（5） 除此外，在罐体的上面还有一些附属设备如排气孔，接料孔等。

罐设计总的原则是罐体上接孔越少越好，能合并就合并。

3.2 搅拌器 

作用：

将空气打碎成小的气泡。

增加气液接触界面，提高氧的传质速率，同时使发酵液充分混合，发酵液中的固型物质保持选否浮状态。

结构：

包括搅拌轴和搅拌叶，在搅拌轴的中央装有圆盘，圆盘上装有搅拌叶。

搅拌叶的形状：

平叶式，弯叶式和箭叶式三种，叶片一般为六个，少至三个，多至八个。

一般而言，在相同搅拌功率下比较粉碎气泡的能力，平叶搅拌器大于弯叶搅拌器，弯叶搅拌器大于箭叶搅拌器，但是翻动液体的能力与以上相反。

在轴上多配置几个搅拌器对发酵有好处，但是配置的数量是根据罐内液位高度，发酵液的特性和搅拌器直径等因素来决定。

 3.3 挡板 

作用：

克服搅拌器运转时液体产生的涡流，将径向流动改为轴向流动，促使液体激烈翻动，增加溶氧速率。

全挡板条件：

指在一定转速下再增加罐内挡板或其它附件时，而搅拌功率保持不变，旋涡基本消失。

挡板宽度一般取0.1-0.2D，装设4-6块即可满足全挡板条件。

满足全挡板条件的挡板数及宽度，可由下式计算：

          （W/D）*mb=0.4 

式中：

W-挡板宽度（m）；D-罐直径（m）；mb-挡板数。

但是在实际中，罐中的挡板数一般安装四快，这主要是因为发酵罐内除挡板外，立式冷却蛇管等装置也起到了一定挡板的作用。

挡板的宽度为1/8-1/12已足够满足全挡板条件。

3.4 机械消泡器

 作用：

将泡沫打碎。

因为发酵液中的蛋白质等发泡物质量很多，在强烈的通气搅拌下会产生大量的炮沐，导致发酵液外溢和增加染菌机会。

按分布的位置分：

发酵罐内的消泡器和发酵罐外的消泡器。

发酵罐内的有锯齿式，梳状式及孔板式。

发酵罐外的一般是利用离心力将泡沫粉碎，液体仍然返回罐内，如离心式消泡器，也可采用电极带动的碟片式离心消泡器。

按消泡器形状分：

靶式消泡器，半封闭式涡轮消泡器，离心式消泡器和碟片式离心消泡器等。

3.5 连轴器及轴承 

类型：

鼓型和夹壳型 

连接方式：

大的发酵罐搅拌轴长，分2-3段，中间还装有中间轴承，用连轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性连接，中间轴承和底轴承的水平位置应能适当调节。

中型的发酵罐一般在罐底装有底轴承。

小的发酵罐采用发兰将搅拌器连接。

罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦，轴瓦与轴瓦之间的间隙常取轴径的0.4%-0.7%。

3.6 空气分布装置 

作用：

吹入空气，并使空气均匀分布。

 分布装置的形式：

单管式和环形管式。

  单管式的管口正对罐底中央，罐口与罐底的距离越为40nm，这样空气分散效果好。

环形管式的分布装置以环径为搅拌器的0.8倍较有效，罐口向下，但是这种空气分布装置空气分散效果不及单管式分布装置，同时由于喷口容易堵塞，故现在很少用这种类型的空气分布装置。

分散器：

在空气分布装置下部，为不锈纲，是为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，起到延长罐底寿命的作用。

 一般而言，喷口的直径越小，气泡直径越小，而氧的传质系数也越大。

3.7 轴封  

作用：

是发酵罐与转动的搅拌轴之间能够密封，防止泄露及杂菌污染。

类型：

（1）、填料函式轴封：

有填料箱底，填料底承套，填料压盖等不见构成。

优点：

结构简单。

缺点：

死角多，很难彻底灭菌，容易泄露及染菌轴的磨损情况严重，功率消耗大，寿命短，耗工时多，需经常维修。

（2）、端面轴封：

密封作用是靠弹性元件如弹簧的压力是垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密配合，并做相对运动起到密封作用。

优点：

清洁，密封可靠，无死角，不易发生泄露和染菌的现象，使用寿命长，功率消耗少。

3.8 换热装置 

类型：

（1）、夹层式换热装置：

多用于容积较小的发酵罐和种子罐。

夹层的高度比静止液面高度高即可，无须进行冷却面积的设计。

优点：

结构简单，加工容易，罐内无冷却装置，死角少，容易进行清洁灭菌工作。

缺点：

传热壁较厚，冷却水流速低，降温效果差。

（2）、蛇形管换热装置：

容积在5m3（50升）以上的发酵罐采用。

分组分装在发酵罐内，一般分四组，六组或八组。

优点：

冷却水流速大，传热系数高。

（3）

3.9连续灭菌的保温和冷却设备

保温设备：

罐式保温设备和管式保温设备。

冷却设备：

喷淋冷却设备，真空冷却器，板式冷却器，螺旋板冷却器等。

3.10附属系统：

包括视镜，进料和出料口，同时还有补料口等。

四、发酵罐的操作

在进行发酵罐操作之前必需仔细阅读发酵罐操作使用说明。

并熟悉管路系统的各个阀门的作用，以及熟悉控制面板上各键盘的正确使用。

另外对空压机，蒸汽发生器等的使用方法做全面的了解。

A、发酵罐的灭菌操作：

1、检查相关的设备，空气压缩机，蒸汽发生器，检查水压是否正常，一般气压0.2MPa

2、开机：

打开下位机的电源开关和上位机软件，显示过程参数。

并进行PH电极的标定。

3、打开蒸汽发生器和空气压缩机电源。

4、开始灭菌操作：

a、启动转速：

控制在200转/分

b、将5号放空阀稍微打开，将7号排水阀全部打开。

c、将1号打开，使夹套压力表示数升为0.2MPa，此时罐压慢慢上升，当罐压升到0.1MPa时，要控制1号阀，将夹套压力调整到0.14MPa左右，罐温稳定在灭菌温度120度

d、过滤器及管路的灭菌

稍微打开2号蒸汽阀，把排水阀4号打开一点，将8号隔膜阀打开，使蒸汽进入罐内。

可用手触摸来判断蒸汽是否进入罐内。

e、确定灭菌时间，一般为30分钟，在此灭菌时间内应控制好灭菌温度在120度以上，如果控制不当，温度下降低于118度以下，则需重新开始计时。

f、灭菌结束后的操作

灭菌时间到，将8号隔膜阀，4号过滤器排水阀关闭，再将1号、2号蒸汽阀关闭，同时打开3号空气阀，应注意过滤器上的压力表是否在0.2MPa，

g、注意点：

在灭菌结束，关闭蒸汽阀门的同时打开3号空气阀。

此时需注意罐内压力要维持在0.05MPa左右，不能过高，（注意放空阀5的开度）。

也不能太低，如果低于0.02MPa就不太好了。

B、发酵罐操作步骤

1、灭菌过程结束，开始冷却降温，将显示画面切换至温度控制画面，进行自动温度控制

2、设定搅拌速度

3、接种后，先按“S/E”键，再按“确认”键，开始发酵，上位机记录数据

五、操作过程中易出现的问题及处理。

1、罐压控制问题

由于罐压是手动控制的，因此操作人员应耐心的调节阀门5，在正常情况下，进口空气压力比较稳定。

阀门5的调节不会很频繁。

但有时会由于电压不稳或压缩机出问题而影响进口压力，则罐压波动较大。

也有可能跌下来，所以需经常留意罐压。

2、突然停电

如果遇到突然停电，操作人员首先应立即关闭阀门5和隔膜阀8。

然后立即联系供电部门，给予迅速解决。

否则压力跌零后，发酵操作就完了。

当然，长时间断电也就另当别论了。

3、要对过滤器放水阀门4经常开启一点，把其中的积水放掉，如果发酵周期较长时，更要注意排水。

但不要常开为好，否则会影响发酵过程的通气量测定。

六、发酵罐的维护和保养

为了保证发酵罐的正常运行，用户除了必须熟悉系统的各部件结构，性能，以及管路，阀门的作用外，还应该重视系统的维护和保养。

发酵罐系统的维护和保养可以分为日常和定期两种方式，二者缺一不可。

1、发酵罐罐体的维护，清洗和保养。

发酵罐罐体