發酵罐綜述

發酵罐綜述

學 院： 生命科學學院

專 業： 生物工程

班 級： 2014級

學 號： 2014021168

學生姓名： 汪裕強

任課教師： 謝 和

2015 年 5 月 22 日

摘要：本文闡述了發酵罐的結構、操作、規范及保養等，介紹了酶工程在食品加工的應用現狀,并對發酵罐的作用和發展作出了展望。

關鍵詞：發酵罐、結構、操作

引言：發酵罐是微生物工程中最重要的設備之一，一個優良的培養裝置應設計為具有嚴密的結構，良好的液體混合性能，高的傳質和傳熱速率，以及可靠的檢測及控制儀表，才能獲得最大的生產效率。

一、發酵罐的主要類型：

（1）通氣機械攪拌罐

通氣機械攪拌罐是許多發酵過程的首選設備，具有高傳質和傳熱能力，理想的氣液混合效果，較長的液體停留時間和較寬的操作氣速。但缺點也明顯，剪切力較大，損害許多剪切敏感型微生物能耗大，混合不均。因此，發揚通風攪拌罐的優勢，克服其缺點是當前發酵罐研究的重點之一。通風攪拌罐改進工作主要在攪拌系統，包括攪拌器和多層攪拌系統的優化，攪拌器主要是采用新型攪拌器或改進標準攪拌器，目的是減少槳葉尾流的漩渦以便節能，或者改變反應器的流態，

使得剪切力可以均勻的分布，保護反應器中的微生物。多層攪拌系統很早就開始使用，但由于對其工作機理研究不夠深人，多年來一直采用簡單的經驗設計方法，沒有發揮其應有的優勢。

（2）氣升式發酵罐

氣升式發酵罐有明顯的優點，在生產SCP、絲狀真菌、廢水處理中已獲得廣泛應用。氣升式發酵罐是應用最廣泛的生物反應設備。這類反應器具有結構簡單、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等優點。 有多種類型，常見的有氣升環流式、鼓泡式、空氣噴射式等，生物工業已經大量應用的氣升式發酵罐有氣升內環流發酵罐、氣液雙噴射氣升環流發酵罐、設有多層分布板的塔式氣升發酵罐。而鼓泡罐則是最原始的通氣發酵罐，當然鼓泡式反應器內沒有設置導流筒，故未控制液體的主體定向流動。

（3）自吸式發酵罐

自吸式發酵罐罐體的結構自吸式發酵罐罐體的結構自吸式發酵罐罐體的結構自吸式發酵罐罐體的結構大致上與通用式發酵罐相同，主要區別在于攪拌器的形狀和結構不同。自吸式發酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器。攪拌器由從罐底向上伸人的主軸帶動，葉輪旋轉時葉片不斷排開周圍的液體使其背形成真空，于是將罐外空氣通過攪拌器中心的吸氣管而吸人罐內，吸人的空氣與發酵液充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導輪向罐壁分散，經擋板折流涌向液面，

均勻分布�？諝馕�人管通常用一端面軸封與葉輪連接，確保不漏氣。 由于空氣靠發酵液高速流動形成的真空白行吸人，氣液接觸十分良好，氣泡分散較細，從而提高了氧在發酵液中的溶解速率。以下以機械攪拌發酵罐為例，介紹其主要結構部件及其主要功能：

二、 發酵罐的基本條件

機械攪拌發酵罐也稱標準式或通用式發酵罐，它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發酵液充分混合，并溶解在發酵液中，以保證微生物的生長繁殖所需要的氧氣。為了使發酵罐發揮最大的生產效率，發酵罐必須滿足幾個要求：

①發酵罐必須能承受一定的壓力。

②發酵罐要有適宜的徑高比。

③發酵罐的攪拌通風設備能使氣液成分混合，實現傳質傳熱作用，保證微生物發酵過程中所需的溶解氧。

④發酵罐應具有足夠的冷卻面積。

⑤發酵罐內應盡量減少死角，避免藏污積垢，保證滅菌徹底，防止染菌。

⑥攪拌器的軸封要嚴密，減少泄露。

機械攪拌發酵罐的幾何尺寸要求：

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-發酵罐筒身高度（m）；D-發酵罐內徑（m）；

d-攪拌器直徑（m）；W-擋板的高度（m）； B-下攪拌槳距底部的間距（m）；s-兩攪拌槳的間距（m）；HL-液位高度（m）。

三、發酵罐的結構

機械攪拌通風發酵罐主要部件包括罐身，攪拌器，擋板，冷卻裝置，空氣分布裝置。軸封等。

3.1 罐體 是根據最大使用壓力來設計。

(1) 首先罐體要密封，能承受一定的壓力。

(2) 形狀為圓柱狀，兩端用橢圓型或碟形封頭焊接而成，這樣發酵罐受力均勻，死角少，物料容易排出。

(3) 材料為不銹鋼或復合不銹鋼制成。

(4) 高度與直徑比為1.7∽4∶1。

(5) 除此外，在罐體的上面還有一些附屬設備如排氣孔，接料孔等。罐設計總的原則是罐體上接孔越少越好，能合并就合并。

3.2 攪拌器

作用：將空氣打碎成小的氣泡。增加氣液接觸界面，提高氧的傳質速率，同時使發酵液充分混合，發酵液中的固型物質保持選否浮狀態。

結構：包括攪拌軸和攪拌葉，在攪拌軸的中央裝有圓盤，圓盤上裝有攪拌葉。

攪拌葉的形狀：平葉式，彎葉式和箭葉式三種，葉片一般為六個，少至三個，多至八個。

一般而言，在相同攪拌功率下比較粉碎氣泡的能力，平葉攪拌器大于彎葉攪拌器，彎葉攪拌器大于箭葉攪拌器，但是翻動液體的能力與以上相反。在軸上多配置幾個攪拌器對發酵有好處，但是配置的數量是根據罐內液位高度，發酵液的特性和攪拌器直徑等因素來決定。

3.3 擋板

作用：克服攪拌器運轉時液體產生的渦流，將徑向流動改為軸向流動，促使液體激烈翻動，增加溶氧速率。

全擋板條件：指在一定轉速下再增加罐內擋板或其它附件時，而攪拌功率保持不變，旋渦基本消失。擋板寬度一般取0.1-0.2D，裝設4-6塊即可滿足全擋板條件。滿足全擋板條件的擋板數及寬度，可由下式計算：

（W/D）*mb=0.4

式中：W-擋板寬度（m）；D-罐直徑（m）；mb-擋板數。

但是在實際中，罐中的擋板數一般安裝四快，這主要是因為發酵罐內除擋板外，立式冷卻蛇管等裝置也起到了一定擋板的作用。擋板的寬度為1/8-1/12已足夠滿足全擋板條件。

3.4 機械消泡器

作用：將泡沫打碎。因為發酵液中的蛋白質等發泡物質量很多，在強烈的通氣攪拌下會產生大量的炮沐，導致發酵液外溢和增加染菌機會。

按分布的位置分：發酵罐內的消泡器和發酵罐外的消泡器。發酵罐內的有鋸齒式，梳狀式及孔板式。發酵罐外的一般是利用離心力將泡沫粉碎，液體仍然返回罐內，如離心式消泡器，也可采用電極帶動的碟片式離心消泡器。

按消泡器形狀分：靶式消泡器，半封閉式渦輪消泡器，離心式消泡器和碟片式離心消泡器等。

3.5 連軸器及軸承

類型：鼓型和夾殼型

連接方式：大的發酵罐攪拌軸長，分2-3段，中間還裝有中間軸承，用連軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性連接，中間軸承和底軸承的水平位置應能適當調節。中型的發酵罐一般在罐底裝有底軸承。小的發酵罐采用發蘭將攪拌器連接。罐內軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦，軸瓦與軸瓦之間的間隙常取軸徑的0.4%-0.7%。

3.6 空氣分布裝置

作用：吹入空氣，并使空氣均勻分布。 分布裝置的形式：單管式和環形管式。

單管式的管口正對罐底中央，罐口與罐底的距離越為40nm，這樣空氣分散效果好。環形管式的分布裝置以環徑為攪拌器的0.8倍較有效，罐口向下，但是這種空氣分布裝置空氣分散效果不及單管式分布裝置，同時由于噴口容易堵塞，故現在很少用這種類型的空氣分布裝置。

分散器：在空氣分布裝置下部，為不銹綱，是為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，起到延長罐底壽命的作用。 一般而言，噴口的直徑越小，氣泡直徑越小，而氧的傳質系數也越大。

3.7 軸封

作用：是發酵罐與轉動的攪拌軸之間能夠密封，防止泄露及雜菌污染。

類型：

(1)、填料函式軸封：有填料箱底，填料底承套，填料壓蓋等不見構成。優點：結構簡單。缺點：死角多，很難徹底滅菌，容易泄露及染菌軸的磨損情況嚴重，功率消耗大，壽命短，耗工時多，需經常維修。

(2)、端面軸封：密封作用是靠彈性元件如彈簧的壓力是垂直于軸線的動環和靜環光滑表面緊密配合，并做相對運動起到密封作用。優點：清潔，密封可靠，無死角，不易發生泄露和染菌的現象，使用壽命長，功率消耗少。

3.8 換熱裝置

類型：

(1)、夾層式換熱裝置：多用于容積較小的發酵罐和種子罐。夾層的高度比靜止液面高度高即可，無須進行冷卻面積的設計。優點：結構簡單，加工容易，罐內無冷卻裝置，死角少，容易進行清潔滅菌工作。缺點：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效果差。

(2)、蛇形管換熱裝置：容積在5m3（50升）以上的發酵罐采用。分組分裝在發酵罐內，一般分四組，六組或八組。優點：冷卻水流速大，傳熱系數高。

(3)

3.9 連續滅菌的保溫和冷卻設備

保溫設備：罐式保溫設備和管式保溫設備。

冷卻設備：噴淋冷卻設備，真空冷卻器，板式冷卻器，螺旋板冷卻器等。

3.10 附屬系統：

包括視鏡，進料和出料口，同時還有補料口等。

四、發酵罐的操作

在進行發酵罐操作之前必需仔細閱讀發酵罐操作使用說明。并熟悉管路系統的各個閥門的作用，以及熟悉控制面板上各鍵盤的正確使用。另外對空壓機，蒸汽發生器等的使用方法做全面的了解。

A、發酵罐的滅菌操作：

1、檢查相關的設備，空氣壓縮機，蒸汽發生器，檢查水壓是否正常，一般氣壓0.2MPa

2、開機：打開下位機的電源開關和上位機軟件，顯示過程參數。并進行PH電極的標定。

3、打開蒸汽發生器和空氣壓縮機電源。

4、開始滅菌操作：

a、啟動轉速：控制在200轉/分

b、將5號放空閥稍微打開，將7號排水閥全部打開。

c、將1號打開，使夾套壓力表示數升為0.2MPa，此時罐壓慢慢上升，當罐壓升到0.1MPa時，要控制1號閥，將夾套壓力調整到0.14MPa左右，罐溫穩定在滅菌溫度120度

d、過濾器及管路的滅菌

稍微打開2號蒸汽閥，把排水閥4號打開一點，將8號隔膜閥打開，使蒸汽進入罐內�？捎檬钟|摸來判斷蒸汽是否進入罐內。

e、確定滅菌時間，一般為30分鐘，在此滅菌時間內應控制好滅菌溫度在120度以上，如果控制不當，溫度下降低于118度以下，則需重新開始計時。

f、滅菌結束后的操作

滅菌時間到，將8號隔膜閥，4號過濾器排水閥關閉，再將1號、2號蒸汽閥關閉，同時打開3號空氣閥，應注意過濾器上的壓力表是否在0.2MPa，

g、注意點：在滅菌結束，關閉蒸汽閥門的同時打開3號空氣閥。此時需注意罐內壓力要維持在0.05MPa左右，不能過高，（注意放空閥5的開度）。也不能太低，如果低于0.02MPa就不太好了。

B、發酵罐操作步驟

1、滅菌過程結束，開始冷卻降溫，將顯示畫面切換至溫度控制畫面，進行自動溫度控制

2、設定攪拌速度

3、接種后，先按“S/E”鍵，再按“確認”鍵，開始發酵，上位機記錄數據

五、操作過程中易出現的問題及處理。

1、 罐壓控制問題

由于罐壓是手動控制的，因此操作人員應耐心的調節閥門5，在正常情況下，進口空氣壓力比較穩定。閥門5的調節不會很頻繁。但有時會由于電壓不穩或壓縮機出問題而影響進口壓力，則罐壓波動較大。也有可能跌下來，所以需經常留意罐壓。

2、突然停電

如果遇到突然停電，操作人員首先應立即關閉閥門5和隔膜閥8。然后立即聯系供電部門，給予迅速解決。否則壓力跌零后，發酵操作就完了。當然，長時間斷電也就另當別論了。

3、 要對過濾器放水閥門4經常開啟一點，把其中的積水放掉，如果發酵周期較長時，更要注意排水。但不要常開為好，否則會影響發酵過程的通氣量測定。

六、發酵罐的維護和保養

為了保證發酵罐的正常運行，用戶除了必須熟悉系統的各部件結構，性能，以及管路，閥門的作用外，還應該重視系統的維護和保養。 發酵罐系統的維護和保養可以分為日常和定期兩種方式，二者缺一不可。

1、 發酵罐罐體的維護，清洗和保養。

發酵罐罐體是直接與物料接觸的場所，其表面光潔度的程度，以及內部構件的清潔度是被免染菌的主要因素。所以在每次發酵結束

后，必須把頂蓋連同攪拌一起垂直向上拆卸下來，把所有電極取下來，放在安全的地方。用中性洗滌劑洗刷罐體及內部構件。（空氣分布器清洗見無菌空氣系統的維護）。在清洗的同時，應對罐及出口閥的一些O型密封圈進行檢查，如發現永久變形，老化，有劃傷等現象，需及時更換。

在清洗完畢，重新安裝后，應對其外表面及罐架等用干凈抹布擦干凈，保證在待用的狀態。

如果發酵罐將長期不使用時，則取下所有的電極，按要求規定存放，然后把罐內的存水及所有管路的存水放光，關閉閥門，用防塵布保護發酵罐。

2、 攪拌系統的維護

攪拌系統包括攪拌軸、攪拌器、機械密封、軸承、聯軸器和電機等。由于是轉動部件，而且往往是變速轉動部件，周期也很長。所以在日常運轉中應經常注意軸的運轉情況，電機的發熱情況以及異常噪聲的發生，經常檢查有關的螺栓是否松動。

每年要定期檢查機械密封的磨損情況。如有必要可更換動環，以保證機械密封的正常運轉，避免不必要的染菌可能。

如果采用雙端面機械密封時，要經常注意無菌水液面的變化，如果發生液面下降，說明密封泄漏，應在發酵結束后立即處理。

每年定期檢查電機的碳刷磨損情況，以及軸承的轉動情況。

3、 無菌空氣系統的維護

無菌空氣系統包括空氣壓縮機、粗過濾器、精過濾器、隔膜伐和空氣分布器。

（1） 在日常維護中需注意空氣壓縮機的運轉情況，在發酵過程

中應每天對貯氣罐的放水伐排放兩次。

（2） 過濾器的維護和保養：首先在滅菌過程中要注意過濾器的

滅菌溫度宜控制在125℃以下。因為過濾器材質在太高溫度下，其粘結劑會產生脫落而使過濾器失效。其次，過濾器在使用一段時間后，其濾芯的微孔會逐漸堵塞，導致阻力增大，從而影響通氣量。因此在使用一年后，最好更換濾芯。

（3） 每次發酵結束，需對空氣分布器進行清洗。如果發酵液的

性質與水相似，可在罐內加水，然后通壓縮空氣進行清洗。如果發酵液較粘稠，或含有細小顆粒，則最好把空氣分布器拆下，然后把堵頭擰下，用水沖洗。同時保證小孔通氣暢通。

4、 蒸汽系統的維護和保養

蒸汽系統包括蒸汽發生器，蒸汽過濾器和蒸汽管路閥門等。在使用過程中要經常注意保證蒸汽壓力的恒定和蒸汽的情況。

（1） 蒸汽發生器的維護和保養

在使用前應仔細閱讀該產品的使用說明書。根據發酵罐滅菌溫度的需要，通常控制其下限為以保證滅菌壓力較為平穩。

由于蒸汽發生器的氣包不是不銹鋼的，因此在每次使用前最好將存水放掉，并沖洗干凈，然后再使用。同時注意進水情況，即注意水

箱的工作情況，因為有時會發生浮球卡住的情況，應及時處理。

（2） 蒸汽過濾器的濾芯同樣在使用一段時間后會堵塞，通常每

年要更換一次。

在操作中注意開放蒸汽閥門時不要立即全開，這樣會沖擊蒸汽過濾器濾芯，嚴重時會把濾芯沖斷或泄露而使其失效。

5、 控制系統的維護與保養

控制系統包括電極，控制器，執行機構和上位機等。其日常維護特別重要。

（1） 首先應保持工作環境的清潔與干燥，控制箱和一些電器接口

不能受潮。尤其在清洗過程中要特別注意。同時要求操作場所的溫度不宜太冷和太熱，通常能保持在20℃至30℃之間為宜。

（2） 定期（宜三個月）進行檢查維修。檢查控制箱內器件的開關，

按鈕，固定螺絲有否松動，箱內積塵情況，注意的是在檢查時應斷電狀態下進行。

七、發酵罐的應用現狀

國內上海、江門、周口等地已建造用于酵母、味精工業生產和廢水處理的氣升式罐。對于糖蜜、水解糖、蔗糖等固形物含量少的培養基，采用氣升式發酵罐更有利。這種發酵罐的最適高徑比是4～6，限制高度為22～24m。雖然它對無菌空氣消耗量比較大，但總能量消

耗還是比機械攪拌式發酵罐低。在同樣的能耗下，其氧傳遞能力比機械攪拌發酵罐要高得多，因此，在大規模生產單細胞蛋白時備受重視�，F已有直徑7～13m，高60m、容量達1500m?的大型氣升式發酵罐，用于生產單細胞蛋白，年產量達7萬噸。

八、對發酵罐的展望

目前，用于通風發酵的發酵罐類型有多種多樣并且各自有其優勢和存在問題。在發酵罐設計和改造過程中如何將各種發酵罐的優勢結合起來。在構造原理上強化其溶氧過程和降低發酵的能耗是一個值得研究和探討的問題。生產實踐表明，用由噴嘴、混合管和循環管組成的射流混合器來強化機械攪拌通風發酵罐的第一次氣體分散，使攪拌器的層數減少是機械攪拌通風發酵罐提高溶氧效果、降低能耗的一種有效辦法。

作為重要的反應設備，發酵罐的應用范圍已經從傳統的醫藥、食品拓展到化工、能源、環境、農業等，日常生活中的許多制品，包括我們的衣服，也可以通過發酵物制造。因此，切實提高發酵罐的反應效率，不僅能夠直接促進國民經濟增長，而且有利于人類社會的可持續發展，實實在在造福國家、行業和企業。隨著生產工藝的進步和生產標準的提高，發酵罐的市場前景十分樂觀。國內有關企業應該大力推動技術水平的提高，大力發展生產效率、安全系數更高的發酵罐產品

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