工业谷氨酸加工发酵设备原理

发酵罐广泛应用于乳制品、饮料、生物工程、制药、精细化工等行业，罐体设有夹层、保温层、可加热、冷却、保温。罐体与上下填充头（或锥形）均采用旋压R角加工，罐内壁经镜面抛光处理，无卫生死角，而全封闭设计确保物料始终处一无污染的状态下混合、发酵，设备配备空气呼吸孔，CIP清洗喷头，人孔等装置。
发酵罐的分类：按照发酵罐的设备，分为机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐；
按照微生物的生长代谢需要，分为好气型发酵罐和厌气型发酵灌。
发酵罐是一种对物料进行机械搅拌与发酵的设备。该设备采用内循环方式，用搅拌桨分散和打碎气泡，它溶氧速率高，混合效果好。罐体采用SUS304或316L进口不锈钢，罐内配有自动喷淋清洗机头，确保生产过程符合GMP要求。1.可在线CIP清洗、SIP灭菌(121°C/0.1MPa)。
2.按照卫生级要求设计，结构设计人性化，操作方便。传动平稳，噪音低。
3.适宜的径高比设计，按需定制搅拌装置，节能，搅拌、发酵效果好。
4.内罐体表面镜面抛光处理(粗糙度Ra≤0.4µm)；各进出管口、视镜、人孔等工艺开孔与内罐体焊接处均采用拉伸翻边工艺圆弧过渡，光滑易清洗无死角，保证生产过程的可靠性、稳定性，符合“cGMP”等规范要求。
发酵罐正跟着时代的发展而不断升级。从传统的发酵产业到现代发酵产业，再到微生物工程，它不仅成为生物技术工业的重要支柱，而且和基因工程技术的结合更让它如虎添翼。未来，发酵罐将得到更广泛的应用，客户们也应对其进行更为合理和科学地应用。在生物发酵罐灭菌之前，通常应先将与生物发酵罐相连的空气过滤器用蒸汽灭菌并用空气吹干。实罐灭菌时，先将输料管路内的污水放掉冲净，然后将配制好的培养基泵送至发酵罐内，同时开动搅拌器进行灭菌。
2、生物发酵罐灭菌，先将各排气阀打开，将蒸汽引入夹套或蛇管进行预热，待罐温升至80~90℃，将排气阀逐渐关小。接着将蒸汽从进气口、排料口、取样口直接通入发酵罐中，使罐温上升到118~120℃，发酵罐罐压维持在0.09~0.1Mpa(表压)，并保持30min左右。
3、空发酵罐灭菌即发酵罐罐体的灭菌。空消时一般维持罐压0.15~0.2Mpa，罐温125~130℃，保持30~45min;要求总蒸汽压力不低于0.3~0.35Mpa，使用汽压不低于0.25~0.3MPa。
4、原位灭菌指的是在不改变罐体在生产中的结构进行灭菌，一般采用在线通蒸汽灭菌。离线灭菌可以理解为把发酵罐拆下来灭菌，小型发酵罐可以搬到灭菌箱灭菌。

生物发酵罐是应用广泛的生物反应设备。这类反应器具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等优点。 有多种类型，生物工业已经大量应用的气升式发酵罐有气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐。而鼓泡罐则是原始的通气发酵罐，当然鼓泡式反应器内没有设置导流筒，故未控制液体的主体定向流动。利用空气喷嘴喷出高速的空气，空气以气泡式分散于液体中，在通气的一侧，液体平均密度下1降，在不通气的一侧，液体密度较大，因而产生与通气侧的液体产生密度差，从而形成发酵罐内液体的环流。气升式发酵罐有多种形式,，较常见的有内循环管式，外循环管式、拉力筒式和垂直隔板式。外循环式的循环管设计在罐体外部，内循环管是两根，设计罐体内部。在气升式发酵罐中，循环管的高度一般不高于。罐内液面不高于循环管出口，且不低于环流出口。气升式发酵罐的优点是能耗低，液体中的煎切作用小，结构简单。在同样的能耗下，其氧传递能力比机械搅拌是通气发酵罐要高得多。结构简单， 基本原理也不复杂， 与带搅拌桨的浆式反应器相比能耗较低
（2） 依靠气体产生定向循环， 而非离心泵类机械设备， 流动形式确定， 液体循环强烈， 内部无运动部件，具有较小的剪切应力，能量耗散很均匀，对剪切力敏感物料具有特别重要的意义；
（3） 与传统的鼓泡塔相比， 其可操作量的气体和液体流速范围大得多；
（4） 供气效率高， 升气管中通气可大于鼓泡反应器进气量， 有利于好氧类反应；
（5） 流化效果， 可以是固体颗粒， 甚至较重的颗粒完全保持悬浮状态。

实验室规模的发酵罐一般为每个反应容器配置四路蠕动泵，一般选用固定转速型蠕动泵OEM产品，控制系统通过控制蠕动泵启停时间控制添加量，典型产品是兰格的G*&TH15-12-A。其中两路蠕动泵添加酸、碱：控制系统通过PH值监测、添加酸或碱的闭环控制，将反应环境的PH值控制在设定目标值。
一路蠕动泵添加消泡剂：控制系统通过泡沫监测、添加消泡剂的闭环控制，将反应环境的泡沫量控制在设定目标值。
另一路蠕动泵则添加培养基：控制系统通过营养水平监测、添加营养试剂的闭环控制，将反应环境的营养水平控制在设定目标值。
实验室小型发酵罐发酵实验时的挑战
在进行发酵罐发酵试验时，发酵培养基是供菌种生长、繁殖和合成产物之用。它既要使种子接种后能迅速生长，达到一定的菌丝浓度，又要使长好的菌体能迅速合成需产物。因此，要求发酵培养基的组成应丰富、完全，碳、氮源要注意和迟效的互相搭配，少用营养，多加迟效营养;还要考虑适当的碳氮比，加缓冲剂稳定pH值;并且还要有菌体生长所需的生长因子和产物合成所需要的元素、前体和促进剂等。除有菌体生长所必需的元素和化合物外，还要有产物所需的特定元素、前体和促进剂等。但若因生长和生物合成产物需要的总的碳源、氮源、磷源等的浓度太高，或生长和合成两阶段各需的条件要求不同时，则可考虑培养基用分批补料来加以满足。

需要非常大的空气吞吐量；
相间混和接触较差；
当循环的有机体和操作条件发生变化时， 底物、营养物和氧的量不能保持一致；
混和与通气是耦合问题， 也即很难在不改变通气的条件下改善混和状况。广泛用于大规模生产单细胞蛋白质。但不适用于高黏度或含大量固体的培养液。与机械搅拌式发酵罐相比节电70%-80%，降低成本。
无菌操作可靠性高，该设备没有动密封装置，无泄露，且设备内无死区，灭菌彻底，染杂菌的机会大幅度减少。
传热和传氧效率高，可满足各种好氧性微生物在任何地区和季节里的发酵生产。
提高产率、转化率，设备机械剪切力对微生物的伤害小，加上溶氧充分、热量移走及时，为微生物提供了一个良好的生长环境，有效地促进了新陈代谢，加速产品积累，使产品的产率和转化率均有明显提高。
容易实现大型化和自动化，设备体积可从0.02m3到200m3，没有制造、安装、操作和维修困难。设备的控制因素比搅拌罐少，容易实现自动化控制。
本设备具有工作噪音小，装料系数高，基本不用维修等特点，设备投资比搅拌罐降低20%左右，另外，在不改变外形尺寸的情况下，可对原有机械搅拌罐进行改造。
通气系统：液体深层通气；玻璃转子流量计显示，压力表显，手动阀门调节流量；配备不锈钢外壳的德国sartorius除菌过滤器，过滤精度0.01μm；需外源压缩空气，配备优除水稳压装置，持续稳定供气；可选配质量流量控制器自动控制空气流量。
温度控制：在线检测，数字化设定，自动/手动控制；Pt-100温度探头和数字式温度仪表；内置电加热装置与外源冷却水自动控制温度
溶氧(DO)：在线检测，范围0-或0-200%；进口DO电，可高温蒸汽消毒。补料控制：标配1路蠕动泵时间比例流加补料，流加量累积显示、记录。

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