衛(wèi)生級(jí)發(fā)酵罐

一、發(fā)酵罐概述

發(fā)酵一般是指通過(guò)對(duì)各類微生物(或動(dòng)植物細(xì)胞)的生長(zhǎng)培養(yǎng)和化學(xué)變化，大量產(chǎn)生和積累專門的代謝產(chǎn)物的反應(yīng)過(guò)程。因此發(fā)酵罐就是為微生物的發(fā)酵過(guò)程完成提供場(chǎng)合和條件的罐。發(fā)酵罐根據(jù)發(fā)酵的產(chǎn)品或發(fā)酵的菌種或發(fā)酵形式等的不同，常見(jiàn)的有機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐、厭氧發(fā)酵罐、固體發(fā)酵罐、液體發(fā)酵罐、全自動(dòng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐、不銹鋼發(fā)酵罐、菌種發(fā)酵罐、小型發(fā)酵罐、啤酒發(fā)酵罐、葡萄酒發(fā)酵罐、食用菌發(fā)酵罐、二聯(lián)發(fā)酵罐、三聯(lián)發(fā)酵罐等。發(fā)酵罐具有加熱、冷卻、滅菌、恒溫等功能，能為微生物生長(zhǎng)提供一個(gè)適宜的發(fā)酵環(huán)境，即適宜的溫度和壓力、營(yíng)養(yǎng)。

發(fā)酵罐內(nèi)的培養(yǎng)基則為微生物生長(zhǎng)提供了所需的碳、氮、氧、生長(zhǎng)因子、水等。發(fā)酵罐罐體主要用來(lái)培養(yǎng)發(fā)酵各種菌體和發(fā)酵各種發(fā)酵制品的。發(fā)酵罐具有自動(dòng)控溫、自動(dòng)調(diào)節(jié)pH、自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、自動(dòng)補(bǔ)料等功能，大大簡(jiǎn)化了操作，減少了染菌的機(jī)會(huì)，是現(xiàn)代發(fā)酵設(shè)備的主要生物反應(yīng)器。

　　二、發(fā)酵罐產(chǎn)品主要用途

用于厭氣發(fā)酵(如生產(chǎn)酒精、溶劑)的發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)可以較簡(jiǎn)單。用于好氧發(fā)酵(如生產(chǎn)抗生素、氨基酸、有機(jī)酸、維生素等)的發(fā)酵罐因需向罐中連續(xù)通入大量無(wú)菌空氣，并為考慮通入空氣的利用率，故在發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，常用的有機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐、鼓泡式發(fā)酵罐和氣升式發(fā)酵罐。

乳制品、酒類發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)無(wú)菌、無(wú)污染的過(guò)程，發(fā)酵罐采用了無(wú)菌系統(tǒng)，避免和防止了空氣中微生物的污染，大大延長(zhǎng)了產(chǎn)品的保質(zhì)期和產(chǎn)品的純正，罐體上特別設(shè)計(jì)安裝了無(wú)菌呼吸氣孔或無(wú)菌正壓發(fā)酵系統(tǒng)。罐體上設(shè)有米洛板或迷宮式夾套，可通入加熱或冷卻介質(zhì)來(lái)進(jìn)行循環(huán)加熱或冷卻。

發(fā)酵罐的容量由300-15000L多種不同規(guī)格。發(fā)酵罐按使用范圍可分為實(shí)驗(yàn)室小型發(fā)酵罐、中試生產(chǎn)發(fā)酵罐、大型發(fā)酵罐等。發(fā)酵罐廣泛應(yīng)用于乳制品、飲料、生物工程、制藥、精細(xì)化工等行業(yè)，罐體設(shè)有夾層、保溫層、可加熱、冷卻、保溫。罐體與上下填充頭(或錐形)均采用旋壓R角加工，罐內(nèi)壁經(jīng)鏡面拋光處理，無(wú)衛(wèi)生死角，而全封閉設(shè)計(jì)確保物料始終處一無(wú)污染的狀態(tài)下混合、發(fā)酵，設(shè)備配備空氣呼吸孔，CIP清洗噴頭，人孔等裝置。

三、發(fā)酵罐的分類

發(fā)酵罐的分類：按照發(fā)酵罐的設(shè)備，分為機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐和非機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐;按照微生物的生長(zhǎng)代謝需要，分為好氧型發(fā)酵罐和厭氣氧型發(fā)酵灌。發(fā)酵罐是一種對(duì)物料進(jìn)行機(jī)械攪拌與發(fā)酵的設(shè)備。該設(shè)備采用內(nèi)循環(huán)方式，用攪拌槳分散和打碎氣泡，它溶氧速率高，混合效果好。罐體采用SUS304或316L進(jìn)口不銹鋼，罐內(nèi)配有自動(dòng)噴淋清洗機(jī)頭，確保生產(chǎn)過(guò)程符合GMP要求。

四、發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)特征
　　1、發(fā)酵罐罐體材質(zhì)均采用高級(jí)不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)外表面均采用拋光處理，拋光精度Ra0.4,可防止物料粘壁，且易清洗；
　　2、攪拌系統(tǒng)采用三層六平葉發(fā)酵專用標(biāo)準(zhǔn)槳，無(wú)級(jí)調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)發(fā)酵攪拌過(guò)程全自動(dòng)控制；
　　3、發(fā)酵罐采用在位高溫蒸汽滅菌，滅菌過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，滅菌溫度精確；
　　4、瑞士梅特勒PH電極及屏蔽導(dǎo)線，范圍在2~12PH，控制精度為±0.02PH；
　　5、自動(dòng)檢測(cè)泡沫，可添加消泡劑，靈敏度為100~10000；空氣流量控制可采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)手動(dòng)調(diào)節(jié)，范圍為0~5000L/min；
　　6、補(bǔ)料系統(tǒng)可通過(guò)蠕動(dòng)泵自動(dòng)流加，范圍為0~5L/min,控制精度±2%。

五、發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)產(chǎn)品組成

　　(1)罐體

　　發(fā)酵罐的罐體由筒體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，小型發(fā)酵罐封頭和筒體采用法蘭連接。罐頂裝有視鏡及燈鏡，方便觀察罐內(nèi)發(fā)酵狀態(tài)。在發(fā)酵罐的罐頂上的接管有：進(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管和壓力表接管。在罐身上的接管有冷卻水進(jìn)出管、進(jìn)空氣管、取樣管、溫度計(jì)管和測(cè)控儀表接口。

　　(2)罐體的尺寸比例

　　罐體各部分的尺寸有一定的比例，發(fā)酵罐一般由于發(fā)酵的特殊需要一般為細(xì)長(zhǎng)型，高度與直徑之比一般為1.7~2.5左右。

　　(3)攪拌器

　　發(fā)酵罐通常裝有兩組攪拌器，兩組攪拌器的間距S約為攪拌器直徑的三倍。對(duì)于大型發(fā)酵罐以及液體深度HL較高的，可安裝三組或三組以上的攪拌器。最下面一組攪拌器通常與風(fēng)管出口較接近為好，與罐底的距離C一般等于攪拌器直徑Di，但也不宜小于0.8Di，否則會(huì)影響液體的循環(huán)。

　　軸向式攪拌器：槳葉式、螺旋槳式

　　徑向式(渦輪式)攪拌器(Disc turbine)：平直葉、彎葉、箭葉

　　(4)擋板

　　擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體劇烈翻動(dòng)，增加溶解氧。

　　全擋板條件：是指在一定轉(zhuǎn)數(shù)下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。要達(dá)到全擋板條件必須滿足下式要求：

　　(5)消泡器

　　消泡器的作用是將泡沫打破。消泡器常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式。孔板式的孔徑約10~20毫米。消泡器的長(zhǎng)度約為罐徑的0.65倍。

　　(6)聯(lián)軸器

　　大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對(duì)正。

　　(7)軸承

　　為了減少震動(dòng)，中型發(fā)酵罐—般在罐內(nèi)裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦(如聚四氟乙烯等)，軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4~0.7%。為了防止軸頸磨損，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個(gè)軸套。

　　(8)變速裝置

　　試驗(yàn)罐采用無(wú)級(jí)變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動(dòng)，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動(dòng)較為簡(jiǎn)便。

　　(9)軸封

　　軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。常用的軸封有填料函和端面軸封兩種，一般用機(jī)械式密封。

　　①填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。

　　填料函式軸封的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。主要缺點(diǎn)是：死角多，很難滅菌，容易滲漏及染菌;軸的磨損情況較嚴(yán)重;填料壓緊后摩擦功率消耗大;壽命短，經(jīng)常維修，耗工時(shí)多。

　　②端面式軸封又稱機(jī)械軸封。密封作用是靠彈性元件(彈簧、波紋管等)的壓力使垂直于軸線的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。

　　(10)發(fā)酵罐的換熱裝置

　　①夾套式換熱裝置

　　這種裝置多應(yīng)用于容積較小的發(fā)酵罐;夾套的高度比靜止液面高度稍高即可。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;加工容易，罐內(nèi)無(wú)冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。其缺點(diǎn) 是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時(shí)降溫效果差。

　　②豎式蛇管換熱裝置

　　這種裝置是豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，有四組、六組或八組不等，根據(jù)管的直徑大小而定，容積5 立方米 以上的發(fā)酵罐多用這種換熱裝置。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：冷卻水在管內(nèi)的流速大;傳熱系數(shù)高。這種冷卻裝置適用于冷卻用水溫度較低的地區(qū)，水的用量較少。但是氣溫高的地區(qū)，冷卻用水溫度較高，則發(fā)酵時(shí)降溫困難，發(fā)酵溫度經(jīng)常超過(guò)40℃， 影響發(fā)酵產(chǎn)率，因此應(yīng)采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻，這樣就增加了設(shè)備投資及生產(chǎn)成本。此外，彎曲位置比較容易蝕穿。

　　③豎式列管(排管)換熱裝置

　　這種裝置是以列管形式分組對(duì)稱裝于發(fā)酵罐內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是：加工方便，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。這種裝置的缺點(diǎn)是：傳熱系數(shù)較蛇管低，用水量較大。

　　　　　　
六、發(fā)酵罐技術(shù)參數(shù)

七、發(fā)酵罐質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

　　設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收?qǐng)?zhí)行：
　　1、《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》
　　2、SFDA 《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》
　　3、TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》
　　4、GB150—2011《壓力容器》
　　5、NB/T47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》
　　6、NB/T47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》
　　7、HG/T20584—2011《鋼制化工容器制造技術(shù)要求》