发酵罐培训材料.doc

发酵罐培训材料

上海世远生物设备工程有限公司制作

2008年3月12日

联系人:黄卫云 联系电话:[phone]

目 录

前言
一、发酵罐发展历史
二、发酵罐简介
三、发酵罐的制造
四、发酵罐的操作
五、发酵罐的维护及保

前 言
发酵罐是提供微生物、基因工程菌，动、植物细胞等生存和代谢的场所。由于微生物有好氧菌和厌氧菌二种。所以发酵罐有好氧发酵罐和厌氧发酵罐，这里主要介绍好氧发酵罐。但在介绍发酵罐发展历史时，仍一并予以叙述。
该教材是应华南农业大学使用5L发酵罐而写的，但也可作为使用其他型号发酵罐人员的培训用。

一、 发酵罐的发展历史
发酵罐的发展是随着发酵产品及发酵工程的发展而发展起来的，最古老的发酵罐可以追溯到远古时代的酿酒。古人用陶罐酿酒。陶罐即是古老的厌氧发酵罐。
若从发酵工业发展历史出发，发酵罐的发展历史可划分为四个阶段：
<1> 第一阶段：
从1900年以前为第一阶段，此时由于产品仅是酒类及醋。所以大多是厌氧发酵罐。
<2> 第二阶段
从1900年到1940年是第二阶段。此阶段中，酵母，甘油，柠檬酸，乳酸等产品的出现，就有了好氧发酵罐。
<3> 第三阶段
从1940年到1970年为第三阶段。随着抗生素工业的发展，发酵罐有着飞速的发展。此时发酵罐的放大，以及发酵罐的研制成为主要一环。发酵罐的生产有专业公司进行系列化生产。其容积范围分成三档。实验室规模为1L至50L。中试工厂规模为50L－5000L。生产规模为5000L以上。其中1L至10L罐大多采用玻璃罐结构。多台一起放在实验台上运转，可以较快地获得一组可靠的实验结果，以供发酵罐的放大。
当时国际上著名的生产厂商有：西德贝朗公司（B.Braun）;美国N.B.S(New_Braunwick Scientific Co.Inc)。日本丸菱公司（B.E.Marubishi）
<4> 第四阶段：从1970年至现在
二十世纪七十年代，DNA重组技术的成功标志着现代生物技术的诞生。发酵罐的发展也到了一个新的时代。从九十年代开始，动物细胞罐的开发，更使发酵罐的生产多样化，发酵罐的控制技术也更加高级如在线气体分析仪和在线自动取样分析装置等。使发酵罐更加完美。
我国在发酵罐发展方面走过了曲折的路程，但目前的发展极为迅速。正在迎头赶上世界先进水平。
解放前虽然已经有啤酒、乙醇和酵母等传统发酵工业和相应的发酵罐。但制造水平低。
解放后，随着发酵工业的发展，发酵罐生产有了较大发展。但实验室规模的发酵罐均是从国外进口的，二十世纪七十年代开始，上海医药工业研究院，华东化工学院（现华东理工大学）等单位对10L玻璃罐进行了研制和生产，但质量不佳。
1985年开始，华东化工学院接受了国家六五攻关项目，从西德贝朗公司技术引进系列实验室发酵罐。组装了多台10L和30L发酵罐，其罐体为国内生产。仪表及控制部分为贝朗公司提供。销售后获得了用户的好评（如1988年供上海第二军医大学生产干扰素用的10L罐）。与此同时，在上海市经委的大力支持下，成立了国内第一家生产发酵罐的公司——上海华东生物技术工程公司。接着该公司接受国家七五攻关项目，完成了实验室发酵罐的国产化。产品供国内大专院校，科研单位和工厂使用。
从廿一世纪开始，发酵罐生产发展到了新的阶段，出现了多家生产系列发酵罐的厂商。随着控制技术和制造技术的发展，国内系列发酵罐的产品质量不断提高。而且价格低廉，且维修方便。所以具有一定的竞争力。

二、 发酵罐简介
发酵罐是发酵产品生产中的核心设备，它必要满足以下一些要求：
<1>结构合理，气密性好，经得起蒸汽的反复灭菌。
内壁光滑。内部附件尽可能少，无死角。耐腐蚀性好。以利于灭菌彻底和减少金属离子对发酵的影响。且安全可靠。
<2>有良好的气液接触界面，以及液固混合性能。
使物质传递有效地进行。因为发酵过程一般是非均相反应。反应过程往往可能被反应底物的扩散速率制约，而不是被反应动力学所控制。因此必需满足物质传递的要求。
<3>在保证发酵要求的前提下，尽可能减少搅拌及通气所消耗的动力。
<4>有良好的热量交换性能。
能迅速地加入或除去热量。以适应灭菌操作和使发酵在最佳温度下进行。
<5>具有必要和可靠的检测和控制装置，使发酵过程达到最佳状态。
<6>便于操作和维修
对于不同的发酵对象，上述这些要求的重要性并不完全相同。从而也发展出各种不同类型的发酵罐。

发酵罐的种类
从发酵罐的结构和原理分类，大致可分为以下几种：
<1>通气机械搅拌罐
它是最通用的一种发酵罐，使用特别广泛。
通气机械搅拌罐通常是一个立式密闭受压容器。使用的空气压力为0.2MPa。在容器顶端或底部安装有搅拌装置，使气、液、固三相能充分混合。
它主要由罐体、传动装置，机架和管路系统组成。另外配有多种电极和控制装置。
a、罐体：
发酵罐罐体的尺寸，最重要的是高径比。通常使用的高径比范围在1.7－4。因为高径比愈大，气体在罐内的停留时间愈长，气液接触愈充分。但对搅拌轴的设计要求也高了。搅拌不容易均匀，造价也高。对实验室发酵罐和中试发酵罐的高径比应控制在2－2.5最为适宜。
罐体内必要的附件有挡板，空气分布器。取样阀（取样管），和出料阀（出料管）等。金属罐则装有视镜。在顶盖上设有接种口，气体出口冷凝器，消泡电极和三通补料管等。
5L和10L玻璃罐的温度电极，pH电极和溶氧电极也插在顶盖上。而金属罐则置于罐的侧面。
挡板共四块，均匀分布于罐壁处，但与壁有一定的间隙，这样的放置是有利于液体和气体及固体的混合。
空气分布器是放置于离罐底一定距离的圆环型分布器。在圆环上设计成向下45度角的若干小孔。在圆环两末端设有二个闷头可以拆卸，便于清洗。
金属罐体内壁需进行抛光成镜面，没有凹坑，便于清洗和灭菌。
对实验室和中试型发酵罐均采用夹套换热。在夹套内设有螺纹导向板，以增加传热效果。
图1为本公司生产的SY－3005型发酵罐

它的结构是玻璃筒体与不锈钢底部相结合的一种发酵罐。即透明直观又利于换热均匀，且可就地灭菌，操作方便。
b、传动装置
机械搅拌罐的传动装置包括搅拌轴，搅拌器，机械密封，密封座，电机座和电机等。搅拌器通常采用涡轮式（平叶）。对于生产型发酵罐，为了节约能源，可采用后弯叶片或剪式叶片。
对实验型发酵罐，一般采用直流电机驱动，便于调速，而大于100L的发酵罐都要采用变频电机。
c、管路系统
为了提供发酵过程需要的上下水，蒸汽和空气。必须要一套完整的管路系统，它是由不锈钢管及各种阀门和管接头组成的管路。详细介绍参见“发酵罐操作”部分。
另外，有关发酵罐测量和控制部分详见“操作说明书”，通气机械发酵罐因其优良的混合性能，通用性好，以及便于逐级放大等优点已广泛应用于科研开发和生产中。

<2>气升式发酵罐
气升式发酵罐是LeFranios于1956年首先开发的，最初被用于生产单细胞蛋白，以后逐步推广至某些产品的生产中，如维生素c生产过程中所用的气升式发酵罐达200立方米。十九世纪九十年代后又使用于培养动、植物细胞。
气升式发酵罐有两种构型，一种是内循环式，另外一种是外循环式。而内循环式应用较广。
图2为本公司生产的30L气升式发酵罐。

图2 30L气升式发酵罐

在圆形罐体（适宜的高径比为6－10）内置有一导流筒，在底部设有气体分布器。此分布器可以装在导流筒内，也可装在环隙间。通常在罐顶有一个扩大区，以利于气液分离。
图2中的分布器是装在导流筒内的，所以通气后就形成一个从导流筒内循环到环隙的气液混合流。因为在导流筒内的液体比重小于循环到环隙的液体比重，从而是气液的混合均匀。循环速度决定于通气速率和内部结构设计。
由于没有搅拌装置，密封性好，不易染菌。对于好氧不大的产品较适用。可节省动力。且其结构简单，制造方便。
与搅拌罐相比，其产生的湍流温和而均匀，剪切力相当小，器内没有机械运动部件，因而活细胞的损坏率较低；其氧传递速率高，供氧充分；液体循环量大，使细胞和营养成分能均匀地分布于培养基中。非常适合动、植物细胞的培养。
其缺点是操作参数仅为气体流量，所以适用性不强，即在开发过程中的实验产品可用。但很难推广到其他产品中。不像机械搅拌罐可以改变转速和通气量，以适用不同的产品需要。
<3>鼓泡式发酵罐
如果把气升式发酵罐的导流筒移走，就成了鼓泡式发酵罐。由于鼓泡式发酵罐结构简单，成本低。已用于面包酵母的工业生产中。其容积可达200立方米。但其使用范围很小。
<4>其他发酵罐
根据不同的发酵过程特点，开发出许多特殊用途的发酵罐，如自吸式发酵罐，膜式发酵罐，固体物料发酵罐等等。
因为通气机械搅拌罐使用最为广泛，产品也最为成熟，故以下仅以机械搅拌罐作详细说明。

三、发酵罐的制造
发酵罐不一定是压力容器。需同时满足下列三个条件的容器，才称之为压力容器：
<1> 最高工作压力大于或等于0.1MPa。
<2> 容积 在25L以上
<3> 介质为气体，液体或最高工作温度高于标准沸点的液体。
所以，全容积30L以上的发酵罐才是属于压力容器。对于压力容器则必须按《钢制压力容器》GB150－1998进行制造，试验和验收。
这里根据本公司制定的规定，对发酵罐的制造、试验和验收作一介绍。
1、发酵罐的材质
发酵罐和附件所用材质的选用，主要是根据发酵罐产品在生产过程中涉及的物料的性质，使用菌种的特性，使用场合等因素考虑而确定的。例如，对实验室及中试发酵罐通常有如下的原则：凡是与发酵物料接触的表面，均采用316L不锈钢。316L能耐酸碱的腐蚀，避免金属离子对菌种的毒害。虽然其价格昂贵，也必须满足此要求。而不与物料接触的部分可采用304不锈钢。如罐体内胆及罐内的所有附件均采用316L。而其夹套部分则可采用304。
在工业生产罐的制造中，在满足发酵过程要求的前提下，应尽可能节约资金。所以工业生产罐除使用316L之外，还可以采用碳钢，或304不锈钢制成。也可采用碳钢为底衬以不锈钢的方法制造。
2、生产和验收
<1> 发酵罐系统生产和检验流程

系统安装
外加工设备和仪表
外加工设备和仪表的验收

自制仪表和软件
自制仪表和软件的检验

管路系统用管件、阀门等
管材、阀门等的验收

系统验收
系统调试
安装结束的验收
验收不合格
合格产品

<2> 发酵罐罐体和附件的加工和验收
在压力容器制造厂进行发酵罐罐体和附件的加工。在加工过程中公司去加工现场了解加工过程。对所用材质，焊接质量等方面进行质量跟踪。并根据图纸的技术要求进行验收。
<3> 外购件的验收
对外购的电机、流量计、过滤器、循环水泵，各种变送器及电极，根据技术要求进行验收。对用户需要配套的空气压缩机、蒸汽发生器、冷水机等，定点采购，跟踪质量
<4> 管路系统的验收
对采购的不锈钢管，管件和各种阀门，按规定验收。
<5> 系统的安装及检验
a、 发酵罐管路系统的安装和检验
根据管路系统图进行安装，在安装完毕后进行保压试验。通常保压在0.15MPa下，经10小时，其泄漏不大于0.02MPa。
b、控制系统的检验
由专人检查接线质量、弱电、强电是否符合技术要求。并通电检验
c、传动装置的运转检验
电机无杂音，运转平稳。搅拌轴无摆动现象。
<6>系统调试及验收
a、 发酵罐
气密性试验
检查对象：发酵罐罐体及空气供气管路
检查方法：
一、罐体密封检查：插上堵头，电极，拧紧罐体上所有的螺纹接口件；开启空压机，打开空气管路上的阀门，关闭尾气排放阀门，往罐体充气加压至1.5公斤（0.15MPa；然后关闭隔膜阀。罐体保压半小时，观察罐体压力表压力是否下降。若无，则罐体密封性能良好；若有，则空气有泄漏，用肥皂水涂抹所有接口，查看哪些有气泡冒出，有气泡冒出的地方是空气泄漏的地方，通过紧固或重新安装排除。
二、空气供气管路所有接口涂抹肥皂水，管路通气，查看是否有气泡冒出。如有，紧固，若无，密封良好。
水压试验
检查对象：供水管路、水循环管路及排放管路
检查方法：排放阀门密闭，其他水路阀门打开，使整个管路充水；检查是否有漏水。若有，通过紧固或重新安装排除，若无，密封良好。
灭菌试验
检查对象，蒸汽发生器、蒸汽管路、温度显示及仪表灭菌计时
检查方法：蒸汽发生器上电通水，查看运行情况：包括面板上指示灯的情况，是否有异常噪声、是否有蒸汽产生。若不能正常运转，查看说明书或咨询厂家排除
联轴器运转
检查对象：联轴器
检查方法：电机上电运转，检查电机运转是否有抖动和噪声；若无，联轴器正常；若有，更换，重新试验
仪表及控制
显示屏
检查方法：观察，屏显示清晰，无乱码或花屏（无显示），则合格。
转速
检查方法：转速范围：50～800r/min，控制精度：±5r/min
温度
检查方法：控温范围：冷却水温5℃以上～65℃，控制精度：±0.1℃
pH
检查方法：首先进行电极标定，按操作说明书进行。在电脑上检查斜率，其大小正常范围：0～10；超出该范围，电极可能老化或不可用了，应更换新电极。测量范围：0～14，控制精度：±0.02pH
溶氧
检查方法：首先进行电极标定，按操作说明书进行。在电脑上检查斜率，其大小正常范围：0～30；超出该范围，电极可能老化或不可用了，应更换新电极。测量范围：0％～150％，控制精度：±2％
消泡电极
检测方法：能否自动消泡，手动设定好控制量，然后切换到自动状态，当有泡沫碰到消泡电极时，消泡泵动作，泡敌泵进罐内，泡沫下降，离开泡沫电极，消泡停止，则消泡控制正常。
断水保换
检查方法：把夹套水排空，然后关掉排放阀门，打开控制器；水位灯变亮，进水电磁阀打开，一段时间后，电磁阀关闭，水位灯灭。则断水保护正常。
蠕动泵调节
检查方法：控制器上电，对四个蠕动泵逐一实验，连接好补料管和装料瓶，手动设置好控制量，观察瓶内物料是否泵进罐内；若物料顺利进罐，蠕动泵工作正常。若物料无法泵进罐内，则调整蠕动泵挤臂上的弹簧螺钉，使蠕动泵的卡管力度增大，使物料泵进罐内。
至此，系统调试及验收合格

四．发酵罐的操作
在进行发酵罐操作之前必需仔细阅读《SY3000发酵罐操作使用说明》。并熟悉管路系统的各个阀门的作用，以及熟悉控制面板上各键盘的正确使用。另外对空压机，蒸汽发生器等的使用方法做全面的了解。
1、 发酵罐的灭菌操作

灭菌操作如下：
1、检查相关的设备，空气压缩机，蒸汽发生器，检查水压是否正常，一般气压0.2MPa
2、开机：打开下位机的电源开关和上位机SY3000E软件，显示过程参数。并进行PH电极的标定。
3、打开蒸汽发生器和空气压缩机电源。
4、开始灭菌操作：
a、启动转速：控制在200转/分
b、将5号放空阀稍微打开，将7号排水阀全部打开。
c、将1号打开，使夹套压力表示数升为0.2MPa，此时罐压慢慢上升，当罐压升到0.1MPa时，要控制1号阀，将夹套压力调整到0.14MPa左右，罐温稳定在灭菌温度120度
d、过滤器及管路的灭菌
稍微打开2号蒸汽阀，把排水阀4号打开一点，将8号隔膜阀打开，使蒸汽进入罐内。可用手触摸来判断蒸汽是否进入罐内。
e、确定灭菌时间，一般为30分钟，在此灭菌时间内应控制好灭菌温度在120度以上，如果控制不当，温度下降低于118度以下，则需重新开始计时。
f、灭菌结束后的操作
灭菌时间到，将8号隔膜阀，4号过滤器排水阀关闭，再将1号、2号蒸汽阀关闭，同时打开3号空气阀，应注意过滤器上的压力表是否在0.2MPa，
g、注意点：在灭菌结束，关闭蒸汽阀门的同时打开3号空气阀。此时需注意罐内压力要维持在0.05MPa左右，不能过高，（注意放空阀5的开度）。也不能太低，如果低于0.02MPa就不太好了。
二、发酵罐操作步骤
<1>灭菌过程结束，开始冷却降温，将显示画面切换至温度控制画面，进行自动温度控制
<2>设定搅拌速度
<3>接种后，先按“S/E”键，再按“确认”键，开始发酵，上位机记录数据
三、操作过程中易出现的问题及处理。
1、 罐压控制问题
由于罐压是手动控制的，因此操作人员应耐心的调节阀门5，在正常情况下，进口空气压力比较稳定。阀门5的调节不会很频繁。但有时会由于电压不稳或压缩机出问题而影响进口压力，则罐压波动较大。也有可能跌下来，所以需经常留意罐压。
2、突然停电
如果遇到突然停电，操作人员首先应立即关闭阀门5和隔膜阀8。然后立即联系供电部门，给予迅速解决。否则压力跌零后，发酵操作就完了。当然，长时间断电也就另当别论了。
3、 要对过滤器放水阀门4经常开启一点，把其中的积水放掉，如果发酵周期较长时，更要注意排水。但不要常开为好，否则会影响发酵过程的通气量测定。

五、发酵罐的维护和保养
为了保证发酵罐的正常运行，用户除了必须熟悉系统的各部件结构，性能，以及管路，阀门的作用外，还应该重视系统的维护和保养。
发酵罐系统的维护和保养可以分为日常和定期两种方式，二者缺一不可。
1、 发酵罐罐体的维护，清洗和保养。
发酵罐罐体是直接与物料接触的场所，其表面光洁度的程度，以及内部构件的清洁度是被免染菌的主要因素。所以在每次发酵结束后，必须把顶盖连同搅拌一起垂直向上拆卸下来，把所有电极取下来，放在安全的地方。用中性洗涤剂洗刷罐体及内部构件。（空气分布器清洗见无菌空气系统的维护在清洗的同时，应对罐及出口阀的一些O型密封圈进行检查，如发现永久变形，老化，有划伤等现象，需及时更换。
在清洗完毕，重新安装后，应对其外表面及罐架等用干净抹布擦干净，保证在待用的状态。
如果发酵罐将长期不使用时，则取下所有的电极，按要求规定存放，然后把罐内的存水及所有管路的存水放光，关闭阀门，用防尘布保护发酵罐。
2、 搅拌系统的维护
搅拌系统包括搅拌轴、搅拌器、机械密封、轴承、联轴器和电机等。由于是转动部件，而且往往是变速转动部件，周期也很长。所以在日常运转中应经常注意轴的运转情况，电机的发热情况以及异常噪声的发生，经常检查有关的螺栓是否松动。
每年要定期检查机械密封的磨损情况如有必要可更换动环，以保证机械密封的正常运转，避免不必要的染菌可能。
如果采用双端面机械密封时，要经常注意无菌水液面的变化，如果发生液面下降，说明密封泄漏，应在发酵结束后立即处理。
每年定期检查电机的碳刷磨损情况，以及轴承的转动情况。
3、 无菌空气系统的维护
无菌空气系统包括空气压缩机、粗过滤器、精过滤器、隔膜伐和空气分布器。
（1） 在日常维护中需注意空气压缩机的运转情况，在发酵过程中应每天对贮气罐的放水伐排放两次。
（2） 过滤器的维护和保养：首先在灭菌过程中要注意过滤器的灭菌温度宜控制在125℃以下。因为过滤器材质在太高温度下，其粘结剂会产生脱落而使过滤器失效。其次，过滤器在使用一段时间后，其滤芯的微孔会逐渐堵塞，导致阻力增大，从而影响通气量。因此在使用一年后，最好更换滤芯。
（3） 每次发酵结束，需对空气分布器进行清洗。如果发酵液的性质与水相似，可在罐内加水，然后通压缩空气进行清洗。如果发酵液较粘稠，或含有细小颗粒，则最好把空气分布器拆下，然后把堵头拧下，用水冲洗。同时保证小孔通气畅通。
4、 蒸汽系统的维护和保养
蒸汽系统包括蒸汽发生器，蒸汽过滤器和蒸汽管路阀门等。在使用过程中要经常注意保证蒸汽压力的恒定和蒸汽的情况。
（1） 蒸汽发生器的维护和保养
在使用前应仔细阅读该产品的使用说明书。根据发酵罐灭菌温度的需要，通常控制其下限为以保证灭菌压力较为平稳。
由于蒸汽发生器的气包不是不锈钢的，因此在每次使用前最好将存水放掉，并冲洗干净，然后再使用。同时注意进水情况，即注意水箱的工作情况，因为有时会发生浮球卡住的情况，应及时处理。
（2） 蒸汽过滤器的滤芯同样在使用一段时间后会堵塞，通常每年要更换一次。
在操作中注意开放蒸汽阀门时不要立即全开，这样会冲击蒸汽过滤器滤芯，严重时会把滤芯冲断或泄露而使其失效。
5、 控制系统的维护与保养
控制系统包括电极，控制器，执行机构和上位机等。其日常维护特别重要。
（1） 首先应保持工作环境的清洁与干燥，控制箱和一些电器接口不能受潮。尤其在清洗过程中要特别注意。同时要求操作场所的温度不宜太冷和太热，通常能保持在20℃至30℃之间为宜。
（2） 定期（宜三个月）进行检查维修。检查控制箱内器件的开关，按钮，固定螺丝有否松动，箱内积尘情况，注意的是在检查时应断电状态下进行。
（3） 有关电极的维护保养请参阅“SY3000发酵罐操作使用说明”。

6、 常见故障与排除方法
现象
原因
排除方法
罐压不能保持
密封损坏
阀、管、各口泄漏
螺丝松动或松紧不一致
检查更换
修理、更换、调整
拧紧或调整紧固
气量不足
过滤器阻塞
管阀泄漏
空压机系统原因
清洗烘干或更换
修理或更换
检修
发酵温度失控
电器控制原因
电加热器损坏
循环泵电磁阀损坏
检查修理
更换
调换
染菌
过滤器失效
罐、管路密封损坏
菌种不纯
灭菌不彻底
操作原因
更换
检查、调换
菌种纯化
严格按工艺要求操作
严格按工艺要求操作
系统控制失灵
接地不良
受强干扰影响
改变接地情况
断电重新开机