第九章 发酵罐及其附属设备1

第九章发酵罐及其附属设备发酵罐发酵罐：进行液体深层培养的生物反应器。大型发酵罐1、发酵罐的特点（1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。2、发酵罐的类型发酵工业最常用的是通风搅拌罐。除了通风搅拌发酵罐外，其它型式的发酵罐。（1）按微生物生长代谢需要分类好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数；厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。（2）按照发酵罐设备特点分类机械搅拌通风发酵罐：循环式：伍式发酵罐，文氏管发酵罐；非循环式：通风式发酵罐和自吸式发酵罐等。非机械搅拌通风发酵罐：循环式：气升式发酵罐；非循环式：排管式和喷射式发酵罐。这两类发酵罐是采用不同的手段使发酵罐内的气、固、液三相充分混合，从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求。（3）按容积分类一般认为500L以下的是实验室发酵罐；500-5000L是中试发酵罐；5000L以上是生产规模的发酵罐。生物反应器第一节密闭厌氧发酵罐酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因不需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。第一节密闭厌氧发酵罐对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受一定压力；有冷却设备；罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。一、酒精发酵罐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。基本结构冷却装置洗涤装置1，基本结构酒精发酵罐筒体为圆柱形底盖和顶盖均为碟形或锥形的立式金属容器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对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。罐身上下部装有取样口和温度计接口为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。2，发酵罐的冷却装置中小型发酵罐：多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；大型发酵罐：由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。酒精发酵罐的洗涤过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而且CO2气体一旦未彻底排除，工人入罐清洗会发生中毒事故。目前，酒精发酵罐已采用水力喷射洗涤装置，从而改善了工人的劳动强度和提高了操作效率。大型发酵罐采用这种水力洗涤装置尤为重要。高压水力喷射洗涤装置（如图），一根直立的喷水管，安装于罐中央，在垂直喷水管上钻小孔，水平喷水管借活接头，上端和供水管，下端和垂直分配管连接。水流在较高压力下，由水平喷水管出口处喷出，并以极大的速度喷射到罐壁，而垂直喷水管也以同样的水流速度喷射到罐体和罐底。传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池和贮酒间内的贮酒罐组成的。目前圆筒体锥底罐（C.C.T)在露天大罐工艺中使用最为普遍．简称露天锥形发酵罐。二、啤酒发酵设备近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500吨。大型化的目的：(1)使啤酒质量均一化(2)由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，降低了主要设备的投资。(1)发酵容器材料的变化由陶器向木材---水泥----金属材料演变现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。我国大多数啤酒发酵容器为内有涂料的钢筋水泥槽，新建的大型容器一般使用不锈钢。啤酒发酵容器的变迁过程（2）开放式发酵容器向密闭式转变小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理、泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便。随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，并为密闭式。（3）密闭容器的演变原来是在开放式长方形容器上面加弓形盖子的密闭发酵槽；随着技术革新过渡到用钢板、不锈钢或铝制的卧式圆筒形发酵罐。后来出现的是立式圆筒体锥底发酵罐。目前使用的大型发酵罐主要是立式罐，如奈坦罐、联合罐、朝日罐等。由于发酵罐容量的增大，要求清洗设备装置也有很大的改进，大都采用CIP自动清洗系统。原位清洗（CleaningInPlace）简称CIP，又称在位清洗或自动清洗。指无需拆卸设备或设备部件即可在内部循环自动清洗。用途：CIP清洗系统适用于各种饮料、乳品、果汁、啤酒、生物制药等生产线设备和管道的就地清洗。可提供酸洗，碱洗以及热洗三个程序，并且可自动设置酸液，碱液浓度以及热水的温度。CIP清洗系统配置：清水罐，酸液罐，碱液罐，离心泵，控制柜等CIP清洗程序及要求a、水洗，循环5min。b、碱洗（NaOH），循环10min，碱液浓度3%，温度80℃。c、水洗，循环5min至中性止。d、酸洗（HNO3），循环10min，酸液浓度1.5%，温度80℃。e、水洗，至中性澄清止(pH6.8-7.2)。g、用清水冲洗，将残留于罐表面及管线中的碱液冲洗干净。h、最后用酸性水冲洗循环，以中和残留的碱性，放走洗水，使罐保持弱酸状况。至此完成了全部清洗过程。优点：均匀处理所有接触产品的表面避免设备部件在拆卸时可能受到的机械磨损排除打开设备或使用清洗仪器可能造成污染的意外可重复生产步骤的自动流程和在运行数据采集中的控制参数检测圆筒体锥底罐（C.C.T)设备的结构特点C．C．T发酵最大特点在于大型化，容积从100~600m3(国内也有60m3小型的)。1，设备的外型特点外筒体：蝶形或拱形盖，锥形体底，罐筒体壁和锥底有各种形式的冷却夹套。筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。对单酿罐一般是D：H＝1:1~2。对两罐法发酵罐D：H＝1:3~4贮酒罐D：H＝1:1~2H/D=1.7-3H—筒身高度HL/D=2-2.5HL按照装料VL=70%V总计算d/D=1/3-1/2d-搅拌器直径W/D=1/12-1/8（取0.1,并留1-2cm间隙,以防死角）W—档板宽度B/D=0.8-1.0B—下搅拌器距底间距(s/d)2=1.5-2.5可以取相同值，1.5≤s/d≤2(s/d)3=1-2s—搅拌器间距发酵罐外形、结构及几何尺寸要求发酵罐锥底角，考虑到发酵中酵母自然沉降最有利，取排出角为73~75°(一定体积沉降酵母在锥底中占有最小比表面积时摩接力最小)；对于贮酒罐，因沉淀物很少，主要考虑材料利用率常取锥角为120~150°。2，罐材料大型C．C．T均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。3，冷却夹套冷却夹套的发酵罐或单酿罐内一般分成三段：上段距发酵液面15cm向下排列；中段在筒体的下部距支撑裙座15cm向上排列；锥底段尽可能接近排酵母口，向上排列。冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可使用氨(直接蒸发)作冷媒；由于啤酒冰点温度为-2.0~-2.7℃。为了防止啤酒在罐内局部结冰，冷媒温度应在-3℃左右。4，隔热层和防护层绝热层材料应具有：导热系数低、体积质量低、吸水小、不易燃等特性。啤酒C．C．T常用如下材料：绝热材料聚酰氨树脂，可现场喷涂发泡，施工方便，价格中等，但易燃。自熄式聚苯乙烯泡沫塑料是最佳绝热材料，但价格贵。采用上述两种绝热材料只需厚度150~200mm。膨胀珍珠岩粉和矿渣棉价格低，因吸水性大需增加厚度200~250mm。外防护层一般采用0.7~1.5mm厚的合金铝板或0.5~0.7mm的不锈钢板，特别是瓦楞型板更受欢迎。5，罐主要附件在上中下三段冷却介质进口位置下装智能型铂温度传感器。在圆筒形下部装可清洗取样阀。罐顶部应有安全阀、真空破坏阀。在液面上150mm装有CIP装置。还应装上视镜、灯镜、空气和二氧化碳排出管等装置。锥底有直径500mm的快开人孔。如做单酿罐应具有深入锥底800-1200mm的出酒管和排酵母底阀及四通视镜。圆筒体锥底发酵罐的优点加速发酵C.C.T发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦汁)和酵母对流获得强化，可加速发酵。厂房投资节省。冷耗节省。C.C.T发酵可依赖CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。圆筒体锥底发酵罐的缺点由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比传统低(只能使用5~6代)；贮酒时，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤必须强化；若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要5~7d以上，短期贮酒不能保证温度一致第二节通风发酵设备四十年代中期，青霉素的工业化生产，深层通风培养技术的出现，标志近代通风发酵工业的开始。在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。在发酵罐中，微生物在适当的环境中进行生长、新陈代谢和形成发酵产物。一、通风发酵罐及结构通风发酵罐又称好气性发酵罐，如谷氨酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵母等发酵用的发酵罐。好气性发酵需要将空气不断通入发酵液中，以供微生物所消耗的氧。常用通风发酵罐有以下几种类型：机械搅拌发酵罐气升式发酵罐自吸式发酵罐伍式发酵罐文氏管发酵罐（一）、机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂最常用类型。它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、发酵所需要的氧气。1，机械搅拌通风发酵罐的基本要求一个性能优良的机械搅拌通风发酵罐必须满足以下基本要求：（1）发酵罐应具有适宜的径高比；发酵罐的高度与直径之比一般为2.5~4倍左右，罐身越长，氧的利用率较高（2）发酵罐能承受一定压力；（3）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧；（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，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌；（6）搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。2，机械搅拌发酵罐的结构机械搅拌通风发酵罐是一种密封式受压设备，其主要部件包括：（1）罐体发酵罐的罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成；小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接材料一般为不锈钢。为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。中大型发酵罐则装有快开人孔及清洗用的快开手孔。罐顶还装有视镜及灯镜。在发酵罐的罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口。（2）．发酵罐罐体的尺寸比例H/D=2.5~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/d=0.8~1.0(s/d)2=1.5~2.5(s/d)3=1~2搅拌的目的打碎气泡，增加气液接触面积，即a↑产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，KL↑动量传递（N、Ws），有利于混合及固体物料保持悬浮状态搅拌的效果:原生流→圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流速V原∝n挡板作用：次生流→轴向运动、翻动，决定混合好坏，V次∝n2搅拌效果评价：传质，传热及混合效果效果的改善：转速，搅拌器（桨）的形式和数量搅拌器的形式：通用式发酵罐大多采用涡轮式搅拌器，而又以圆盘涡轮搅拌器为主。桨叶型式：圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。α：弯平箭；β：弯箭平在相同的搅拌功率PG下，粉碎气泡能力：平弯箭综合传质+混合，翻动流体能力：箭弯平弯叶最好（对于KLa）。搅拌桨的层数：根据H/D及（s/d）n的要求进行计算。一般3-4层，底层搅拌最重要，占轴功率的40%，所具叶片数最多（6-8片）。蜗轮搅拌器平叶箭叶弯叶通用式发酵罐大多采用涡轮式搅拌器，而又以圆盘涡轮搅拌器为主。大型发酵罐搅拌装置搅拌桨搅拌电机上封头