發(fā)酵設(shè)備：發(fā)酵罐改造方案

　　眾所周知發(fā)酵是一個無菌的通氣(或厭氧) 的復(fù)雜生化過程,需要無菌的空氣和培養(yǎng)基的純種浸沒培養(yǎng),因而發(fā)酵罐的設(shè)計,不僅僅是單體設(shè)備的設(shè)計而且涉及培養(yǎng)基滅菌、無菌空氣的制備、發(fā)酵過程的控制和工藝管道配制的系統(tǒng)工程。

　　發(fā)酵罐的改造可分為以下幾個方面：補料，放料，空氣，檢測，溶氧能力，罐體性質(zhì)，改造的目的包括，投料放料的易操作性，保持無菌狀態(tài)的安全性，保證罐體的安全，系統(tǒng)控制能力的提高，最重要的是溶氧能力的提升。

　　1 罐體鈍化的處理(防腐蝕)

　　2 特殊物料的預(yù)處理(配液系統(tǒng))

　　3 補料管道插入液面以下(補料系統(tǒng))

　　4 多頭進料裝置(補料系統(tǒng)，可拆卸改裝)

　　5 增加電極插口(檢測)

　　6 臨時取樣口(取樣，電極插口，可拆卸改)

　　7 增加底閥(放料，清洗)

　　8 旋風(fēng)分離器的使用(逃液，消泡)

　　9 攪拌槳葉改進(溶氧)

　　10 空氣滅菌能力的提升(雜菌，噬菌體)

　　11 傳熱傳能系統(tǒng)(缺陷改進)

　　12 攪拌功率的提升(DO)

　　13 空氣分布器(DO)

　　1 罐體的鈍化處理(防腐蝕)

　　罐體的鈍化處理是為了提高罐體的抗腐蝕能力，尤其是對微藻發(fā)酵工藝中存在較多Cl-比較多的發(fā)酵體系很有必要，使用時間比較長的罐子也需要進行罐體處理，對此項性能的改在方案詳見公眾號《發(fā)酵工程》往期歷史發(fā)布：

　　發(fā)酵設(shè)備：不銹鋼鈍化工藝(passivation process )對發(fā)酵罐內(nèi)外表面的保護技術(shù)整理

　　2 特殊物料的預(yù)處理(配液系統(tǒng))

　　粘性物料進罐可采用均質(zhì)機或均質(zhì)泵，葡萄糖最好增加糖罐單消。

　　3 罐內(nèi)補料管道(補料系統(tǒng))

　　對于易揮發(fā)的流加項目，如果采用持續(xù)低速流加最好改造流加管道插入液面以下，防止空氣帶走造成物料損失和工藝的不穩(wěn)定。效果見下圖：

　　4 多頭進料裝置(補料系統(tǒng)，可拆卸改裝)

　　對于復(fù)雜的補料工藝，有時候罐上需要臨時添加補料進口，如果是小試，可改造使用多快接頭方式，工藝固定之后可打孔增加快接頭。

　　5 增加電極插口(檢測)

　　圖上共接有三個電極，分別是：pH，DO，和T,對于常規(guī)的發(fā)酵來說是夠用的，但對于某些特殊類型的發(fā)酵來說，電極插口少了點，比如甲醇誘導(dǎo)型的發(fā)酵，你可能需要增加甲醇膜透器，然后甲醇補料泵在線偶聯(lián)控制，只需要設(shè)定點濃度即可，不需要取樣檢測甲醇濃度然后間歇補料或連續(xù)流加調(diào)速，所以大生產(chǎn)規(guī)模可以考慮改進罐體，增加電極插口，提高生產(chǎn)效率。

　　6 臨時改取樣口(取樣，電極插口，可拆卸改裝)

　　對于沒有底閥和中間取樣口的小罐，在進行長時間發(fā)酵時候，在中后期可能出現(xiàn)取樣困難的情況，如果按照下圖對不用的電極插口進行取樣改造就可以解決這個問題，此方案簡單可行，取樣損失小且可拆卸，優(yōu)點明顯。

　　7 增加底閥(放料，清洗)

　　有些罐子設(shè)計有缺陷，如圖下所示，竟然沒有底閥，排水放料依靠加壓空氣打出，這種設(shè)備洗罐水排不干凈，放料放不徹底，改造增加底閥是很有必要的了。

　　上圖小罐無底閥，底下只有一根夾套循環(huán)管，罐體臭不可聞，正是因為怎么洗都洗不干凈，物料殘留很嚴(yán)重。

　　8旋風(fēng)分離器的使用(逃液，消泡)

　　旋風(fēng)的作用就是消除泡沫，限制逃液，不會有化學(xué)消泡劑的對菌體的毒害作用，效率也比物理消泡方案更高效，具體參見公眾號《發(fā)酵工程》往期歷史發(fā)布：

　　發(fā)酵設(shè)備：發(fā)酵逃液(escaping of fermentation broth)控制之旋風(fēng)分離器

　　9 攪拌槳葉改進(溶氧)

　　發(fā)酵罐內(nèi)安裝攪拌器首先用來分散氣泡以得到盡可能高的傳質(zhì)系數(shù)KLa 。此外還要使被攪拌的發(fā)酵液循環(huán)來增加氣泡的平均停留時間,并在整個系統(tǒng)中均勻分布,阻止其聚并。早先在機械攪拌式發(fā)酵罐通常裝有數(shù)個徑向圓盤渦輪攪拌器,但容易使被攪拌的介質(zhì)分層而形成幾個區(qū),因而在罐下部和上部之間形成氧分壓梯度,導(dǎo)致罐內(nèi)上、下部之間的KLa 值的差異。近來發(fā)酵罐的攪拌系統(tǒng)多采用在罐底部安裝一個用來分散空氣的渦輪攪拌器,其上再安裝一組軸流式攪拌器,用來循環(huán)培養(yǎng)介質(zhì)、均勻分布?xì)馀荨⒓訌姛崃總鬟f和消除罐內(nèi)上、下部之間含氧量梯度差。

　　攪拌葉形式：

　　(1) 帶圓盤敞式渦輪攪拌葉———高湍流,徑向流。

　　(2) 傾斜葉片(pitchedbiade) 渦輪(p - 4) ———45°四葉片,軸向流。

　　(3) 反向傾斜(Reversingpitch) 攪拌葉———二個向上,二個向下,徑向流。

　　(4) 高效軸流式攪拌葉———A310 ,軸向流。

　　(5) 混合流攪拌葉———A315 ,軸向流,少量徑向流。

　　(6) 凹葉徑流式攪拌葉( Concaveblade radial) ———CD - 6 ,徑向流。

　　具體形式參加公眾號《發(fā)酵工程》往期歷史發(fā)布：

　　發(fā)酵設(shè)備：攪拌器(stirrers)的選擇標(biāo)準(zhǔn)及攪拌器不同葉形對發(fā)酵醪的影響

　　10 空氣滅菌能力的提升(雜菌，噬菌體)

　　噬菌體極小但也易熱變性，它們可以很輕松的通過空氣系統(tǒng)進入罐體，如果做細(xì)菌類發(fā)酵，建議在發(fā)酵空氣系統(tǒng)設(shè)置加熱滅菌環(huán)節(jié)

　　比較經(jīng)濟的做法是利用空壓機壓縮產(chǎn)熱進行保溫殺菌，進口溫度21-22℃，出口溫度187-189℃，壓力0.7 Mpa。

　　11 傳熱傳能系統(tǒng)(缺陷改進)

　　2方以上焊接封頭，2方一下法蘭封頭，5方以下夾套加熱，5方以上蛇形管加熱，微生物發(fā)酵系統(tǒng)對于熱量控制很嚴(yán)格。

　　曾經(jīng)有家甘肅的獸藥發(fā)酵企業(yè)，竟然在擴培罐沒有加熱進水裝置，轉(zhuǎn)罐之后打算靠微生物產(chǎn)熱維持系統(tǒng)的能量，但是一到冬天(甘肅冬天比較冷)，這個方案就行不通了，所以對于能量系統(tǒng)的改造加強也是每個發(fā)酵工程師應(yīng)該考慮的重點。

　　12攪拌功率的提升(DO)

　　此項涉及攪拌電機的選擇，電機的轉(zhuǎn)速并不是攪拌軸的轉(zhuǎn)速，電機到攪拌軸之間還有一個減速機，涉及到速比換算，電機功率太小會影響到溶氧能力，根據(jù)手中的微生物特性，適時換裝更高轉(zhuǎn)速或速比的電機是個不錯的選擇。

　　另外皮帶減速機外形尺寸較大,傳動效率相對較低,速比也不能嚴(yán)格控制。所以,近年來有些工程設(shè)計人員采用立式齒輪減速機

　　13 空氣分布器(DO)

　　小罐徑高比不及大罐，通氣進罐之后很快運動至液面以上，為了溶氧可增加空氣分布器到進氣管末端(有些小罐廠家沒有做分布器)，需要注意發(fā)酵液的性質(zhì)，太黏有可能堵塞空氣分布器的小孔。