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發(fā)酵設備：發(fā)酵罐改造方案
眾所周知發(fā)酵是一個(gè)無(wú)菌的通氣(或厭氧) 的復雜生化過(guò)程,需要無(wú)菌的空氣和培養基的純種浸沒(méi)培養,因而發(fā)酵罐的設計,不僅僅是單體設備的設計而且涉及培養基滅菌、無(wú)菌空氣的制備、發(fā)酵過(guò)程的控制和工藝管道配制的系統工程。
發(fā)酵罐的改造可分為以下幾個(gè)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(wú)菌狀態(tài)的安全性，保證罐體的安全，系統控制能力的提高，最重要的是溶氧能力的提升。
1 罐體鈍化的處理(防腐蝕)
2 特殊物料的預處理(配液系統)
3 補料管道插入液面以下(補料系統)
4 多頭進(jìn)料裝置(補料系統，可拆卸改裝)
5 增加電極插口(檢測)
6 臨時(shí)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(jìn)(溶氧)
10 空氣滅菌能力的提升(雜菌，噬菌體)
11 傳熱傳能系統(缺陷改進(jìn))
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(shí)間比較長(cháng)的罐子也需要進(jìn)行罐體處理，對此項性能的改在方案詳見(jiàn)公眾號《發(fā)酵工程》往期歷史發(fā)布：
發(fā)酵設備：不銹鋼鈍化工藝(passivation process )對發(fā)酵罐內外表面的保護技術(shù)整理
2 特殊物料的預處理(配液系統)
粘性物料進(jìn)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 罐內補料管道(補料系統)
對于易揮發(fā)的流加項目，如果采用持續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定。效果見(jiàn)下圖：
4 多頭進(jìn)料裝置(補料系統，可拆卸改裝)
對于復雜的補料工藝，有時(shí)候罐上需要臨時(shí)添加補料進(jìn)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(gè)電極，分別是：pH，DO，和T,對于常規的發(fā)酵來(lái)說(shuō)是夠用的，但對于某些特殊類(lèi)型的發(fā)酵來(lái)說(shuō)，電極插口少了點(diǎn)，比如甲醇誘導型的發(fā)酵，你可能需要增加甲醇膜透器，然后甲醇補料泵在線(xiàn)偶聯(lián)控制，只需要設定點(diǎn)濃度即可，不需要取樣檢測甲醇濃度然后間歇補料或連續流加調速，所以大生產(chǎn)規�？梢钥紤]改進(jìn)罐體，增加電極插口，提高生產(chǎn)效率。
6 臨時(shí)改取樣口(取樣，電極插口，可拆卸改裝)
對于沒(méi)有底閥和中間取樣口的小罐，在進(jìn)行長(cháng)時(shí)間發(fā)酵時(shí)候，在中后期可能出現取樣困難的情況，如果按照下圖對不用的電極插口進(jìn)行取樣改造就可以解決這個(gè)問(wèn)題，此方案簡(jiǎn)單可行，取樣損失小且可拆卸，優(yōu)點(diǎn)明顯。
7 增加底閥(放料，清洗)
有些罐子設計有缺陷，如圖下所示，竟然沒(méi)有底閥，排水放料依靠加壓空氣打出，這種設備洗罐水排不干凈，放料放不徹底，改造增加底閥是很有必要的了。
上圖小罐無(wú)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?chē)乐亍?
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(huì )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(jiàn)公眾號《發(fā)酵工程》往期歷史發(fā)布：
發(fā)酵設備：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(jìn)(溶氧)
發(fā)酵罐內安裝攪拌器首先用來(lái)分散氣泡以得到盡可能高的傳質(zhì)系數KLa 。此外還要使被攪拌的發(fā)酵液循環(huán)來(lái)增加氣泡的平均停留時(shí)間,并在整個(gè)系統中均勻分布,阻止其聚并。早先在機械攪拌式發(fā)酵罐通常裝有數個(gè)徑向圓盤(pán)渦輪攪拌器,但容易使被攪拌的介質(zhì)分層而形成幾個(gè)區,因而在罐下部和上部之間形成氧分壓梯度,導致罐內上、下部之間的KLa 值的差異。近來(lái)發(fā)酵罐的攪拌系統多采用在罐底部安裝一個(gè)用來(lái)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(lái)循環(huán)培養介質(zhì)、均勻分布氣泡、加強熱量傳遞和消除罐內上、下部之間含氧量梯度差。
攪拌葉形式：
(1) 帶圓盤(pán)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(gè)向上,二個(gè)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)酵設備：攪拌器(stirrers)的選擇標準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(guò)空氣系統進(jìn)入罐體，如果做細菌類(lèi)發(fā)酵，建議在發(fā)酵空氣系統設置加熱滅菌環(huán)節
比較經(jīng)濟的做法是利用空壓機壓縮產(chǎn)熱進(jìn)行保溫殺菌，進(jìn)口溫度21-22℃，出口溫度187-189℃，壓力0.7 Mpa。
11 傳熱傳能系統(缺陷改進(jìn))
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)酵系統對于熱量控制很?chē)栏瘛?
曾經(jīng)有家甘肅的獸藥發(fā)酵企業(yè)，竟然在擴培罐沒(méi)有加熱進(jìn)水裝置，轉罐之后打算靠微生物產(chǎn)熱維持系統的能量，但是一到冬天(甘肅冬天比較冷)，這個(gè)方案就行不通了，所以對于能量系統的改造加強也是每個(gè)發(fā)酵工程師應該考慮的重點(diǎn)。
12攪拌功率的提升(DO)
此項涉及攪拌電機的選擇，電機的轉速并不是攪拌軸的轉速，電機到攪拌軸之間還有一個(gè)減速機，涉及到速比換算，電機功率太小會(huì )影響到溶氧能力，根據手中的微生物特性，適時(shí)換裝更高轉速或速比的電機是個(gè)不錯的選擇。
另外皮帶減速機外形尺寸較大,傳動(dòng)效率相對較低,速比也不能?chē)栏窨刂�。所�?近年來(lái)有些工程設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(jìn)罐之后很快運動(dòng)至液面以上，為了溶氧可增加空氣分布器到進(jìn)氣管末端(有些小罐廠(chǎng)家沒(méi)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。
