小型发酵罐的特点及使用方法

1.发酵罐的分类和特点

发酵罐是进行大规模悬浮微生物培养的反应器,主要为微生物代谢提供一个优化稳定的物理与化学环境,使得微生物能更快更好地生长,得到更多需要的生物量或目标代谢产物;也是开展生物工程、微生物学、发酵工程、医药工业等科学研究所必需的设备,是发酵工业的心脏,是连接原料和产物的桥梁。工业化的发酵罐容积较大,均用钢板或不锈钢板卷焊而成;而实验室使用的小型发酵罐,其容积可从约1L至数百升。一般来说,10L以下的发酵罐多采用耐压玻璃制作罐体,10L以上的发酵罐则用不锈钢板或普通钢板制作罐体。罐体上设有米洛板或迷宫式夹套,可通入加热或冷却介质来进行循环加热或冷却。发酵罐还配备有控制器和各种电极,可以自动地调控实验所需要的培养条件。

发酵罐种类繁多,根据发酵所用的培养基可分为固体发酵罐和液体发酵罐;根据微生物类型,又分为嫌气和好气两大类,如酒精、啤酒和丙酮等产品需要嫌气发酵罐,谷氨酸、酶制剂和抗生素等好气发酵产品需要通风发酵罐,在发酵过程中需要不断通入无菌空气;根据发酵罐容积,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。

大多数生化反应都是好氧的,因此好气发酵罐是生产和实验室中最常见的发酵罐。好气发酵罐又称通风发酵罐,常见的通风发酵罐可分为机械搅拌式、气升式和自吸式三大类。机械搅拌式发酵罐采用机械搅拌实现反应体系的混合,强化传热和传质,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。它在生产工业和实验室中使用最为广泛,以实用性强、适应性强和放大相对容易著称,因此又称为通用型发酵罐。其主要组成部分有罐体、搅拌装置、传热装置、通气装置、进出料口和测量系统等,结构示意图见图4-1。

4-1 机械搅拌式发酵罐示意图

气升式发酵罐以压缩空气作为动力来源,把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中,通过气液混合物的湍流作用使得空气泡分割细碎,同时由于形成的气液混合物密度降低而向上运动,而气含率小的发酵液则下沉,形成循环流动,实现混合和溶氧传质。气升式发酵罐类型常见的有气升环流式、鼓泡式和空气喷射式等,其主要的结构包括罐体、上升管(通气管)和喷嘴等(图4-2)。

图4-2 气升式发酵罐示意图

1.发酵罐;2.通气管:3.发酵液进口;4.空气分布器;5.空气进口;6.循环泵;7.发酵液出口;8.热交换器:9、11.喷嘴:10.发酵液出料口;12.排气管

自吸式发酵罐的搅拌器由罐底向上伸入的主轴带动,叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空,由导气管吸入罐外空气,吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出,并立即通过导轮(又称定子及转子)向罐壁分散,经挡板折流涌向液面,均匀分布。自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机,而是在搅拌过程中自动吸入空气的发酵罐,这种设备的耗电量较小,能保证发酵所需的空气,并能使气液分离细小,均匀地接触,吸入的空气能被高效地利用,在生产葡萄糖酸钙、利福霉素、酵母等方面应用比较多。其主要组成是罐体、自吸搅拌器和导轮等,见图4-3。

图4-3 自吸式发酵罐示意图

1.带轮;2.排气管;3.消泡器;4.冷却管;5.定子;6.轴;7.双端面式轴封;8.联轴器;9.电动机;10.转子;11.端面式轴封

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