1、第 二 章发发 酵酵 设备设备生物工艺实验室包括：生物工艺实验室包括：无菌室无菌室准备室准备室湿地板区湿地板区通用实验区通用实验区分析区分析区接种操作接种操作菌种培养等菌种培养等发酵发酵发酵液的分析发酵液的分析配制培养基等配制培养基等无菌室无菌室拉门拉门更衣室更衣室缓冲间缓冲间消毒间消毒间拱形顶，水滴会滑下来，拱形顶，水滴会滑下来，不会直接滴下来不会直接滴下来坡形地面，便于泻水坡形地面，便于泻水u高度：一人加一手，高度：一人加一手，便于消毒清扫；便于消毒清扫；u墙面涂上漆，最好不墙面涂上漆，最好不锈钢材料，光滑；锈钢材料，光滑；u顶上安紫外灯，高出顶上安紫外灯，高出操作台操作台30cm工作台工
2、作台超净工作台超净工作台l超净台是超净台是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。各种微小尘埃。l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。一方有一道高速流动的气帘防止外部带菌空气进入。操作人员的穿着操作人员的穿着准备室准
3、备室天平、灭菌锅、培养箱、天平、灭菌锅、培养箱、pH计计摇床摇床灭菌消毒：灭菌消毒：KMnO4和甲醛熏蒸，比例根据污染程度而定；和甲醛熏蒸，比例根据污染程度而定；注意安全，关好窗防止注意安全，关好窗防止MnO2跑掉。跑掉。往复式往复式供氧比较好，但培养液容易溅起、供氧比较好，但培养液容易溅起、易污染易污染旋转式旋转式溶解氧较少，培养液不容易溅起溶解氧较少，培养液不容易溅起通用试验区通用试验区培养基的配制、细胞干重以及普通的测定培养基的配制、细胞干重以及普通的测定（粘度等）（粘度等）湿地板区湿地板区发酵罐、蒸馏装置、灭菌设施等发酵罐、蒸馏装置、灭菌设施等地板可以承载一定的负荷地板可以承载一定的负
4、荷分析区分析区气相色谱仪、液相色谱仪、分光光度计等气相色谱仪、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避免潮湿、振动，保证读数的准确性和仪器的使用寿命器的使用寿命固体固体量少量少 浅盘，帘子浅盘，帘子量多量多 厚层通风发酵设备厚层通风发酵设备液体液体厌氧发酵厌氧发酵好氧发酵好氧发酵机械搅拌机械搅拌风搅风搅非循环式非循环式通用式机械搅拌发酵罐、通用式机械搅拌发酵罐、自吸式自吸式循环式循环式伍氏（内循环）、伍氏（内循环）、泵循环、文氏管循环（外循环）泵循环、文氏管循环（外循环）非循环式非循环式循环式循环式空气带升式空气带升式喷射式喷射式排管式排管式小试机械搅拌通气式发酵罐小试机
5、械搅拌通气式发酵罐中试机械搅拌通气式发酵罐中试机械搅拌通气式发酵罐 设备主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴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。置、人孔以及视镜等。一、通用式机械搅拌发酵罐结构一、通用式机械搅拌发酵罐结构l 设备主要部件包括：设备主要部件包括：l 罐身罐身l电机电机l搅拌器搅拌器l轴封轴封l消泡器消泡器l联轴器联轴器l中间轴承中间轴承l空气吹泡管（或空气喷射器）空气吹泡管（或空气喷射器）l挡板挡板l冷却装置冷却装置l人孔以及视镜人孔以及
6、视镜l其它其它发酵罐的基本条件发酵罐的基本条件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。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（发酵罐应具有适宜的径高比（高高/径比约为径比约为2.54）结构严密，耐腐蚀，光滑，附件少，无死角，可反复灭菌，脱落结构严密，耐腐蚀，光滑，附件少，无死角，可反复灭菌，脱落的金属要少的金属要少要有良好的气要有良好的气-液、液液、液-固混合性能（固混合性能（使
7、细胞能获得营养使细胞能获得营养）要尽量少的搅拌和通气的动力消耗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热交换性能，足够的冷却面积良好的消泡性能良好的消泡性能有必要、可靠的检测控制性能有必要、可靠的检测控制性能耐压，耐压，4.5kg/cm2（蒸气压一般（蒸气压一般 34kg/cm2）发酵罐罐体的尺寸比例发酵罐罐体的尺寸比例l罐体各部分的尺寸有一定比例，罐体各部分的尺寸有一定比例，高高/径比约为径比约为2.54。l发酵罐通常装有两组搅拌器，两发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距组搅拌器的间距S约为搅拌器直径约为搅拌器直径的的3倍。倍。l对于大型发酵罐以及液体深度对
8、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较高的，可安装三组或三组以上的搅拌桨叶。搅拌桨叶。l最下面一组搅拌器与风管出口较最下面一组搅拌器与风管出口较接近为好，与罐底的距离接近为好，与罐底的距离C一般等一般等于搅拌器直径于搅拌器直径D，不宜小于，不宜小于0.8D，否则会影响液体的循环。否则会影响液体的循环。1.罐体罐体u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用衬不锈钢或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢厚度为23mm。u为了满足工艺要求，罐需要承
9、受一定压力，通常灭菌压力为为了满足工艺要求，罐需要承受一定压力，通常灭菌压力为0.25MPa。u生产用的发酵罐容积有生产用的发酵罐容积有20m3，30m3，5060m3，75m3，150m3以至以至500m3。u罐壁厚度决定于罐径及罐压的大小。罐壁厚度决定于罐径及罐压的大小。u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。清洗用的手孔。中大型发酵罐装设有快开人孔。u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，罐顶装有视镜及灯镜、进料管、补料管、排气管、
10、接种管和压力表接管，排气管尽可能靠近罐顶中心位置。排气管尽可能靠近罐顶中心位置。u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。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。u取样管可装在罐侧或罐顶，视操作方便而定。取样管可装在罐侧或罐顶，视操作方便而定。u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。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。放料可利用通风管压出。搅拌作用搅拌作用l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；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；l使发酵液充分混和，液体
11、中的固形物料保持悬浮状态。使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。搅拌叶的类型搅拌叶的类型l螺旋桨式螺旋桨式形成轴向螺旋流动，混和效果较好，但对气泡的形成轴向螺旋流动，混和效果较好，但对气泡的分散效果不好，剪切率较低分散效果不好，剪切率较低l平直叶式平直叶式阻力大，能耗大，输出功率大阻力大，能耗大，输出功率大l弯叶式弯叶式径向流动更为强烈，混合效果好，输出功率较低径向流动更为强烈，混合效果好，输出功率较低l箭叶式箭叶式轴向流动较强烈，造成的剪切率较低，输出功率较轴向流动较强烈，造成的剪切率较低，输出功率较低低l栅式栅式提高高粘度发酵液的溶解氧提高高粘度发酵液的溶解氧常用圆盘常用圆盘涡轮
12、式涡轮式齿形圆盘齿形圆盘涡轮式涡轮式斜叶式斜叶式平直叶式平直叶式弯叶式弯叶式翻齿型翻齿型平齿型平齿型贴齿型贴齿型框、锚式框、锚式椭圆底框式椭圆底框式直锥底框式直锥底框式锚式锚式螺带螺杆式螺带螺杆式锥底螺带螺杆式锥底螺带螺杆式螺带螺杆式螺带螺杆式六叶式六叶式四叶式四叶式三叶式三叶式六斜叶式六斜叶式六弯叶式六弯叶式六直叶式六直叶式推进式推进式开启涡轮式开启涡轮式推进式推进式开启涡轮式开启涡轮式异形叶圆异形叶圆盘涡轮式盘涡轮式半圆弧圆盘涡轮式半圆弧圆盘涡轮式箭叶圆盘涡轮式箭叶圆盘涡轮式折叶桨式折叶桨式C型型E型型S型型挡板的作用挡板的作用防止液面中央产生漩涡，促使液体激烈翻动，防止液面中央产生漩涡，
13、促使液体激烈翻动，提高溶解氧。提高溶解氧。挡板宽度约为（挡板宽度约为（0.10.12）D；装设装设46块挡板，可满足全挡板条件。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；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。挡板的长度自液面起至罐底为止。挡板与罐壁之间的距离为（挡板与罐壁之间的距离为（1/5 1/8）D。全挡板条件全挡板条件在一定转速下，再在搅拌罐内增加挡板或其在一定转速下，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。液面漩
14、涡的最低条件即全挡板条件。D罐的直径（罐的直径（mm）Z挡板数挡板数W挡板宽度（挡板宽度（mm）WDZ=（0.10.12）DDZ=0.5有锯齿式、梳式、孔板式、旋桨梳式等；有锯齿式、梳式、孔板式、旋桨梳式等；孔板式的孔径约孔板式的孔径约1020mm。消泡器的长度约为罐径的消泡器的长度约为罐径的0.65倍。倍。消泡叶轮消泡叶轮消泡桨消泡桨轴封的作用是防止泄漏和染菌。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。常用的轴封有填料函和端面轴封两种。轴封部位轴封部位填料函填料函优点：结构简单优点：结构简单缺点：缺点：死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及
15、染菌；轴的磨损情况较严重；轴的磨损情况较严重；填料压紧后摩擦功率消耗大；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，维持工时多。寿命短，维持工时多。端面轴封端面轴封 的作用的作用靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的压靠弹性元件（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。对转动而达到密封。优点：优点：清洁；清洁；密封可靠，使用时间较长，不会泄漏；密封可靠，使用时间较长，不会泄漏；无死角，可防止杂菌污染；无死角，可防止杂菌污染；寿命长，质量好的寿命长，质量好的25年不需修理；年不需修理；摩擦功率耗损小；摩擦功率耗损
16、小；轴或轴套不受磨损；轴或轴套不受磨损；对轴的震动敏感性小。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；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。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。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。若搅拌轴装于罐底，则密封要求高，应选用双端面轴封。端面轴封端面轴封填料函填料函工艺参数工艺参数温度温度压力压力空气流量空气
17、流量液位液位pH值值溶解氧溶解氧参数包括：参数包括：物理参数：物理参数：化学参数：化学参数：间接参数：间接参数：轴的功率、发酵液的粘度、温度、压力轴的功率、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、产物的含量呼吸熵、细胞干重、产物的含量（1）压力表）压力表弯管液封，上面的杂菌不会掉入下面管道中。弯管液封，上面的杂菌不会掉入下面管道中。会有培养基冲入，污染压力表；会有培养基冲入，污染压力表；起不到缓冲作用；起不到缓冲作用；灭菌冷却后有冷凝水（含菌）掉入罐内，污染菌种灭菌冷却后有冷凝水（含菌）掉入罐内，污染菌种直管缺点直
18、管缺点阀门三通，使弯管灭菌彻底阀门三通，使弯管灭菌彻底仪表精度仪表精度=AAA A0 0Q QA 测量值测量值A0 真实值真实值Q 仪表测量范围（量程）仪表测量范围（量程）l精度相同，量程越窄越精确；精度相同，量程越窄越精确；l读数在读数在02/3量程；量程；如种子罐、发酵罐工作压力如种子罐、发酵罐工作压力1 kg/cm2，蒸气压力，蒸气压力23kg/cm2，配，配量程为量程为67kg/cm2的压力表的压力表（2）温度计）温度计（3）流量计）流量计常用的水银、酒精温度计常用的水银、酒精温度计0 0100100，酒精温度计，酒精温度计100100，水银温度计，水银温度计转子流量计转子流量计二、发
19、酵罐的灭菌二、发酵罐的灭菌（在夹套中）（在夹套中）关好空气阀，蒸气上进下出，冲蒸气，压力大于关好空气阀，蒸气上进下出，冲蒸气，压力大于2 2 kg/cmkg/cm2 2（120120），最好是），最好是4 45 kg/cm5 kg/cm2 2（160160）。）。当罐内温度当罐内温度8080，进蒸气口（蒸气阀）关掉，出蒸气口（排气阀），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，关小。打开空气阀，蒸气直接进罐，121121，202030min30min。升温过程中，从升温过程中，从8080100100上升很快，大于上升很快，大于100100后温度上升很慢，后温度上
20、升很慢，到到118118时就开始减小蒸汽通入量并开始计时，计时时就开始减小蒸汽通入量并开始计时，计时25min25min时立即关掉时立即关掉蒸气阀。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）。气不会倒灌入罐内）。（在夹套中）（在夹套中）立即加自来水冷却，从下向上，使温度尽快降到立即加自来水冷却，从下向上，使温度尽快降到5555左左右，到右，到37373838时关掉水，也有缓冲性。时关掉水，也有缓冲性。因为有缓冲性，蒸因为有缓冲性，蒸气会冲到气会冲到121。在在80以上冲入蒸气不容易产生冷凝水
21、，罐内体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。积不会增加很大，培养基不会被稀释很大。过程过程升温降温时注意缓冲性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、容易污染接种、容易污染冬天温度低、散热快，低于冬天温度低、散热快，低于3030需加温。加温时蒸气由下进入、从上而需加温。加温时蒸气由下进入、从上而出。如从出。如从25302530，加热到，加热到2828时即可关蒸气阀时即可关蒸气阀微生物代谢发酵时产生大量热，使温度大于微生物代谢发酵时产生大量热，使温度
22、大于3030，需考虑适当降温。冷，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，不要降至却时冷却水由下进入、从上而出，注意缓冲性，不要降至3030才关才关小型罐小型罐 50L50L7 7吨用夹套系统冷却；大型罐吨用夹套系统冷却；大型罐7 7吨以上，用冷却管（盘肠、吨以上，用冷却管（盘肠、列管系统）列管系统）二、发酵罐的灭菌二、发酵罐的灭菌注意点注意点三、发酵罐的管路和死角的消除三、发酵罐的管路和死角的消除 单罐单罐 多罐多罐发酵罐的出口越少越好，发酵罐的出口越少越好，出料口和进气管可以合并出料口和进气管可以合并接种管、消泡管、补料管可以合并接种管、消泡管、补料管可以合并a.排气管
23、不能合并，易引起交叉污染排气管不能合并，易引起交叉污染出料前后都要消毒，用活（流动）出料前后都要消毒，用活（流动）蒸气消毒蒸气消毒出料管不能合并出料管不能合并三、发酵罐的管路和死角的消除三、发酵罐的管路和死角的消除丝口连接处改用法兰连接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管道转弯有弧度放料管、取料管的阀腔处装小阀放料管、取料管的阀腔处装小阀三、发酵罐的管路和死角的消除三、发酵罐的管路和死角的消除 罐体穿孔罐体穿孔 不锈钢不锈钢 冷却管产生裂缝冷却管产生裂缝 定期更换定期更换 垫圈（法兰连接）松脱垫圈（法
24、兰连接）松脱 拧紧拧紧 轴封渗漏轴封渗漏 轴绝对垂直轴绝对垂直 焊缝渗漏焊缝渗漏 阀杆阀杆四、发酵罐的一些操作四、发酵罐的一些操作接种的三种方法：接种的三种方法：火圈直接倒种火圈直接倒种 注射器接种注射器接种 压力差接种压力差接种小罐小罐接种口用火圈杀菌；接种口用火圈杀菌；橡胶口在火圈上过一下，套入接种口；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；，瓶内种子液进入罐内；一次没有接完再重复。一次没有
25、接完再重复。注意：注意：接种瓶密封、耐高压；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；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进气口压力表一定不能超过1kg/cm2（否则接种瓶会爆炸）；（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。一次接不完反复两三次直至全部种子液接入罐内为止。四、发酵罐的一些操作四、发酵罐的一些操作种子罐种子罐发酵罐发酵罐 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，灭菌15min，关蒸气，关蒸气 种子罐上进气阀打开，排气阀关闭，压
26、力升至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，进气阀发酵罐中保持正压，比空气高一点，排气阀打开，进气阀关小，关小，0.5kg/cm2 打开通向罐的阀门，两罐相通，因压力差，菌液进入发酵打开通向罐的阀门，两罐相通，因压力差，菌液进入发酵罐罐 关掉通向罐的两个阀门，移种管灭菌关掉通向罐的两个阀门，移种管灭菌四、发酵罐的一些操作四、发酵罐的一些操作取样阀取样阀关紧，打开蒸气阀关紧，打开蒸气阀，再打开阀门，再打开阀门，让蒸气冲（消毒杀菌让蒸气冲（消毒杀菌5 510min10min）；）；关上蒸气阀关上蒸气阀，打开取样阀，打开取样阀，培养液因压力，培养液因压力作用流出；作用流出；取样后关闭取样阀取样后关闭取样阀，打开蒸气阀，打开蒸气阀，通蒸气，通蒸气再次消毒，关闭阀门再次消毒，关闭阀门和和。四、发酵罐的一些操作四、发酵罐的一些操作发酵罐上的人孔用于加料和维修。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。出料管可以和进气管合并。一般装料系数为一般装料系数为0.6，占罐总体积的，占罐总体积的2/3。本章要求l了解发酵设备的种类了解发酵设备的种类l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结构l掌握通气式机械搅拌发酵罐的相关操作掌握通气式机械搅拌发酵罐的相关操作
