第 二 章 发 酵 设备

生物工艺实验室包括： 无菌室 分析区 发酵 准备室 通用实验区 发酵液的分析 接种操作 湿地板区 菌种培养等 配制培养基等

无菌室 高度：一人加一手，便于消毒清扫； 墙面涂上漆，最好不锈钢材料，光滑； 顶上安紫外灯，高出操作台30cm 拉门 消毒间 更衣室 缓冲间 工作台 高度：一人加一手，便于消毒清扫； 墙面涂上漆，最好不锈钢材料，光滑； 顶上安紫外灯，高出操作台30cm 拱形顶，水滴会滑下来，不会直接滴下来 坡形地面，便于泻水

超净工作台 超净台是80年代开始问世的一种防止污染的装置。其主要功能是利用空气层流装置排除工作台面上部包括微生物在内的各种微小尘埃。 通过电动装置使空气通过高效过滤器具后进入工作台面，使台面始终保持在流动无菌空气控制之下。而且在接近外部的一方有一道高速流动的气帘防止外部带菌空气进入。

操作人员的穿着

往复式——供氧比较好，但培养液容易溅起、易污染 旋转式——溶解氧较少，培养液不容易溅起 摇床 准备室 灭菌消毒：KMnO4和甲醛熏蒸，比例根据污染程度而定； 注意安全，关好窗防止MnO2跑掉。 天平、灭菌锅、培养箱、pH计 往复式——供氧比较好，但培养液容易溅起、易污染 旋转式——溶解氧较少，培养液不容易溅起 摇床

通用试验区 培养基的配制、细胞干重以及普通的测定（粘度等）

湿地板区 发酵罐、蒸馏装置、灭菌设施等 地板可以承载一定的负荷

分析区 气相色谱仪、液相色谱仪、分光光度计等 避免潮湿、振动，保证读数的准确性和仪器的使用寿命

固体 液体 量少 浅盘，帘子 量多 厚层通风发酵设备 厌氧发酵 好氧发酵 机械搅拌 风搅 非循环式——通用式机械搅拌发酵罐、自吸式 循环式 量少 浅盘，帘子 量多 厚层通风发酵设备 液体 厌氧发酵 好氧发酵 机械搅拌 风搅 非循环式——通用式机械搅拌发酵罐、自吸式 循环式 伍氏（内循环）、 泵循环、文氏管循环（外循环） 非循环式—— 循环式——空气带升式 喷射式 排管式

小试机械搅拌通气式发酵罐

中试机械搅拌通气式发酵罐

一、通用式机械搅拌发酵罐结构 设备主要部件包括： 罐身 电机 搅拌器 轴封 消泡器 联轴器 中间轴承 空气吹泡管（或空气喷射器） 挡板 冷却装置 人孔以及视镜 其它 设备主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、中间轴承、空气吹泡管（或空气喷射器）挡板、冷却装置、人孔以及视镜等。

发酵罐的基本条件 发酵罐应具有适宜的径高比（高/径比约为2.5～4 ） 结构严密，耐腐蚀，光滑，附件少，无死角，可反复灭菌，脱落的金属要少 机械搅拌发酵罐在工厂广泛采用。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧，供给微生物生长繁殖代谢过程所需的氧。 发酵罐应具有适宜的径高比（高/径比约为2.5～4 ） 结构严密，耐腐蚀，光滑，附件少，无死角，可反复灭菌，脱落的金属要少 要有良好的气-液、液-固混合性能（使细胞能获得营养） 要尽量少的搅拌和通气的动力消耗 良好的热交换性能，足够的冷却面积 良好的消泡性能 有必要、可靠的检测控制性能 耐压，4.5kg/cm2（蒸气压一般 3～4kg/cm2）

发酵罐罐体的尺寸比例 罐体各部分的尺寸有一定比例，高/径比约为2.5～4。 发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距S约为搅拌器直径的3倍。 对于大型发酵罐以及液体深度HL较高的，可安装三组或三组以上的搅拌桨叶。 最下面一组搅拌器与风管出口较接近为好，与罐底的距离C一般等于搅拌器直径D，不宜小于0.8D，否则会影响液体的循环。

1. 罐体 罐体由圆柱体或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢，大型发酵罐可用衬不锈钢或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢厚度为2～3mm。 为了满足工艺要求，罐需要承受一定压力，通常灭菌压力为0.25MPa。 生产用的发酵罐容积有20m3，30m3，50～60m3，75m3，150m3以至500m3。 罐壁厚度决定于罐径及罐压的大小。 小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，为了便于清洗，小型发酵罐罐顶设有清洗用的手孔。中大型发酵罐装设有快开人孔。 罐顶装有视镜及灯镜、进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管，排气管尽可能靠近罐顶中心位置。 罐身上有冷却水进出管、进空气管、温度计管和测检仪表接口。 取样管可装在罐侧或罐顶，视操作方便而定。 在罐体上的管路越少越好，进料口、补料口和接种口可合为一个接管口。放料可利用通风管压出。

2. 搅拌器和挡板 －搅拌器 搅拌作用 搅拌叶的类型 打碎空气气泡，增加气液接触界面以提高气液间的传质效率； 使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。 搅拌叶的类型 螺旋桨式——形成轴向螺旋流动，混和效果较好，但对气泡的分散效果不好，剪切率较低 平直叶式——阻力大，能耗大，输出功率大 弯叶式——径向流动更为强烈，混合效果好，输出功率较低 箭叶式——轴向流动较强烈，造成的剪切率较低，输出功率较低 栅式——提高高粘度发酵液的溶解氧

常用圆盘涡轮式 斜叶式 平直叶式 弯叶式 齿形圆盘涡轮式 翻齿型 平齿型 贴齿型

框、锚式 锚式 椭圆底框式 直锥底框式 螺带螺杆式 锥底螺带螺杆式 螺带螺杆式

六叶式 六斜叶式 六弯叶式 六直叶式 四叶式 推进式 开启涡轮式 三叶式 推进式 开启涡轮式

异形叶圆盘涡轮式 半圆弧圆盘涡轮式 箭叶圆盘涡轮式 E型 折叶桨式 C型 S型

2. 搅拌器和挡板 －挡板 挡板的作用——防止液面中央产生漩涡，促使液体激烈翻动，提高溶解氧。 挡板宽度约为（0.1～0.12）D； 装设4～6块挡板，可满足全挡板条件。 竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用； 挡板的长度自液面起至罐底为止。 挡板与罐壁之间的距离为（1/5 ～1/8）D。 全挡板条件——在一定转速下，再在搅拌罐内增加挡板或其他附件，搅拌功率仍保持不变而漩涡基本消失。能达到消除液面漩涡的最低条件即全挡板条件。 D——罐的直径（mm） Z——挡板数 W——挡板宽度（mm） W D Z= （0.1～0.12）D Z= 0.5

3. 消泡器 有锯齿式、梳式、孔板式、旋桨梳式等； 孔板式的孔径约10～20mm。 消泡器的长度约为罐径的0.65倍。

消泡叶轮 消泡桨

4. 轴封 优点：结构简单 填料函 缺点： 轴封的作用是防止泄漏和染菌。 常用的轴封有填料函和端面轴封两种。 死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌； 轴的磨损情况较严重； 填料压紧后摩擦功率消耗大； 寿命短，维持工时多。 4. 轴封 轴封的作用是防止泄漏和染菌。 常用的轴封有填料函和端面轴封两种。 轴封部位

端面轴封 的作用——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表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。 优点： 清洁； 密封可靠，使用时间较长，不会泄漏； 无死角，可防止杂菌污染； 寿命长，质量好的2～5年不需修理； 摩擦功率耗损小； 轴或轴套不受磨损； 对轴的震动敏感性小。

两端面接触的密封构件之一为硬质合金，如高硅铸铁、金属碳化钨等；另一种为软质耐磨材料，如不锈性石墨，用作静环。 两接触面的密封需要有一定的压力，完全由弹簧来保证这种压力——不平衡型。 若搅拌轴装于罐底，则密封要求高，应选用双端面轴封。

填料函 端面轴封

5. 仪表 温度 压力 空气流量 液位 pH值 溶解氧 工艺参数 参数包括： 物理参数： 化学参数： 间接参数： 轴的功率、发酵液的粘度、温度、压力 pH值、糖含量、无机离子浓度、排气中的CO2 呼吸熵、细胞干重、产物的含量

弯管液封，上面的杂菌不会掉入下面管道中。 （1）压力表 会有培养基冲入，污染压力表； 起不到缓冲作用； 灭菌冷却后有冷凝水（含菌）掉入罐内，污染菌种 直管缺点 弯管液封，上面的杂菌不会掉入下面管道中。 阀门三通，使弯管灭菌彻底

仪表精度 γ％ = ％ │A－A0│ Q 精度相同，量程越窄越精确； 读数在0～2/3量程； γ％ = ％ │A－A0│ Q A— 测量值 A0— 真实值 Q— 仪表测量范围（量程） 精度相同，量程越窄越精确； 读数在0～2/3量程； 如种子罐、发酵罐工作压力>1 kg/cm2，蒸气压力2～3kg/cm2，配量程为6～7kg/cm2的压力表

（2）温度计 常用的水银、酒精温度计 0～100℃，酒精温度计 >100℃，水银温度计 （3）流量计 转子流量计

二、发酵罐的灭菌 在80℃以上冲入蒸气不容易产生冷凝水，罐内体积不会增加很大，培养基不会被稀释很大。 过程 （在夹套中）关好空气阀，蒸气上进下出，冲蒸气，压力大于2 kg/cm2（120℃），最好是4～5 kg/cm2（160℃）。 当罐内温度>80℃，进蒸气口（蒸气阀）关掉，出蒸气口（排气阀）关小。打开空气阀，蒸气直接进罐，121℃，20～30min。 升温过程中，从80℃～100℃上升很快，大于100℃后温度上升很慢，到118℃时就开始减小蒸汽通入量并开始计时，计时25min时立即关掉蒸气阀。 关掉蒸气阀后通入无菌空气，使罐内一直保持正压（高于大气压，空气不会倒灌入罐内）。 （在夹套中）立即加自来水冷却，从下向上，使温度尽快降到55℃左右，到37～38℃时关掉水，也有缓冲性。 因为有缓冲性，蒸气会冲到121℃。

二、发酵罐的灭菌 注意点 升温降温时注意缓冲性 灭菌时蒸气先从夹套预热，如直接进罐，蒸气冷凝，产生冷凝水、无法接种、容易污染 冬天温度低、散热快，低于30℃需加温。加温时蒸气由下进入、从上而出。如从25℃→30℃，加热到28℃时即可关蒸气阀 微生物代谢发酵时产生大量热，使温度大于30℃，需考虑适当降温。冷却时冷却水由下进入、从上而出，注意缓冲性，不要降至30℃才关 小型罐 50L～7吨用夹套系统冷却；大型罐7吨以上，用冷却管（盘肠、列管系统）

三、发酵罐的管路和死角的消除 1. 尽量减少管路 单罐 多罐 发酵罐的出口越少越好， 出料口和进气管可以合并 接种管、消泡管、补料管可以合并 排气管不能合并，易引起交叉污染 出料前后都要消毒，用活（流动）蒸气消毒 出料管不能合并

三、发酵罐的管路和死角的消除 2. 消灭死角 丝口连接处改用法兰连接 焊接部位：堆焊、电焊、氧焊、鱼鳞焊，选用鱼鳞焊 管道转弯有弧度 放料管、取料管的阀腔处装小阀

三、发酵罐的管路和死角的消除 3. 消灭渗漏 罐体穿孔—— 不锈钢 冷却管产生裂缝—— 定期更换 垫圈（法兰连接）松脱—— 拧紧 罐体穿孔—— 不锈钢 冷却管产生裂缝—— 定期更换 垫圈（法兰连接）松脱—— 拧紧 轴封渗漏—— 轴绝对垂直 焊缝渗漏 阀杆

四、发酵罐的一些操作 1. 接种 火圈直接倒种 接种的三种方法： 注射器接种 小罐 压力差接种 注意： 接种口用火圈杀菌； 橡胶口在火圈上过一下，套入接种口； 打开进口阀、进气阀打开，排气阀关闭，罐内升压至1kg/cm2； 突然打开排气阀，罐内压力下降至0.5kg/cm2，瓶内种子液进入罐内； 一次没有接完再重复。 注意： 接种瓶密封、耐高压； 接种瓶口上要旋紧、塞子塞紧，防止漏气染菌； 进气口压力表一定不能超过1kg/cm2（否则接种瓶会爆炸）； 一次接不完反复两三次直至全部种子液接入罐内为止。

四、发酵罐的一些操作 2. 移种 种子罐→发酵罐 移种管灭菌：进入罐的管道阀门要关好，移种管中压力>2kg/cm2，灭菌15min，关蒸气 种子罐上进气阀打开，排气阀关闭，压力升至2kg/cm2 发酵罐中保持正压，比空气高一点，排气阀打开，进气阀关小，0.5kg/cm2 打开通向罐的阀门，两罐相通，因压力差，菌液进入发酵罐 关掉通向罐的两个阀门，移种管灭菌

四、发酵罐的一些操作 3. 取样 取样阀①关紧，打开蒸气阀②，再打开阀门③，让蒸气冲（消毒杀菌5～10min）； 关上蒸气阀②，打开取样阀①，培养液因压力作用流出； 取样后关闭取样阀①，打开蒸气阀②，通蒸气再次消毒，关闭阀门②和③。

四、发酵罐的一些操作 4. 进料和出料 发酵罐上的人孔用于加料和维修。 出料管可以和进气管合并。 一般装料系数为0.6，占罐总体积的2/3。

本章要求 了解发酵设备的种类 掌握通气式机械搅拌发酵罐的结构 掌握通气式机械搅拌发酵罐的相关操作