發酵設備：發酵罐改造方案
發酵設備：發酵罐改造方案
發酵是一個無菌的通氣(或厭氧) 的復雜生化過程,需要無菌的空氣和培養基的純種浸沒培養,因而發酵罐的設計,不僅僅是單體設備的設計而且涉及培養基滅菌、無菌空氣的制備、發酵過程的控制和工藝管道配制的系統工程。
發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，改造的目的包括，投料放料的易操作性，保持無菌狀態的安全性，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 多頭進料裝置(補料系統，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(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，尤其是對微藻發酵工藝中存在較多Cl-比較多的發酵體系很有必要，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《發酵工程》往期歷史發布：
發酵設備：不銹鋼鈍化工藝(passivation process )對發酵罐內外表面的保護技術整理
2 特殊物料的預處理(配液系統)
粘性物料進罐可采用均質機或均質泵，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。效果見下圖：
4 多頭進料裝置(補料系統，可拆卸改裝)
對于復雜的補料工藝，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,對于常規的發酵來說是夠用的，但對于某些特殊類型的發酵來說，電極插口少了點，比如甲醇誘導型的發酵，你可能需要增加甲醇膜透器，然后甲醇補料泵在線偶聯控制，只需要設定點濃度即可，不需要取樣檢測甲醇濃度然后間歇補料或連續流加調速，所以大生產規模可以考慮改進罐體，增加電極插口，提高生產效率。
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，在進行長時間發酵時候，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，優點明顯。
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*，改造增加底閥是很有必要的了。
小罐無底閥，底下只有一根夾套循環管，罐體臭不可聞，正是因為怎么洗都洗不干凈，物料殘留很嚴重。
8旋風分離器的使用(逃液，消泡)
旋風的作用就是消除泡沫，限制逃液，不會有化學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《發酵工程》往期歷史發布：
發酵設備：發酵逃液(escaping of fermentation broth)控制之旋風分離器
9 攪拌槳葉改進(溶氧)
發酵罐內安裝攪拌器首先用來分散氣泡以得到盡可能高的傳質系數KLa 。此外還要使被攪拌的發酵液循環來增加氣泡的平均停留時間,并在整個系統中均勻分布,阻止其聚并。早先在機械攪拌式發酵罐通常裝有數個徑向圓盤渦輪攪拌器,但容易使被攪拌的介質分層而形成幾個區,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。近來發酵罐的攪拌系統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,用來循環培養介質、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《發酵工程》往期歷史發布：
發酵設備：攪拌器(stirrers)的選擇標準及攪拌器不同葉形對發酵醪的影響
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進入罐體，如果做細菌類發酵，建議在發酵空氣系統設置加熱滅菌環節
比較經濟的做法是利用空壓機壓縮產熱進行保溫殺菌，進口溫度21-22℃，出口溫度187-189℃，壓力0.7 Mpa。
11 傳熱傳能系統(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，微生物發酵系統對于熱量控制很嚴格。
曾經有家甘肅的獸藥發酵企業，竟然在擴培罐沒有加熱進水裝置，轉罐之后打算靠微生物產熱維持系統的能量，但是一到冬天(甘肅冬天比較冷)，這個方案就行不通了，所以對于能量系統的改造加強也是每個發酵工程師應該考慮的重點。
12攪拌功率的提升(DO)
此項涉及攪拌電機的選擇，電機的轉速并不是攪拌軸的轉速，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，根據手中的微生物特性，適時換裝更高轉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,速比也不能嚴格控制。所以,近年來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)，需要注意發酵液的性質，太黏有可能堵塞空氣分布器的小孔。
