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发酵设备:发酵罐改造方案——无限制思维创造更大价值

发表时间:2023-02-13 15:30
文章附图

前言:众所周知发酵是一个无菌的通气(或厌氧) 的复杂生化过程,需要无菌的空气和培养基的纯种浸没培养,因而发酵罐的设计,不仅仅是单体设备的设计而且涉及培养基灭菌、无菌空气的制备、发酵过程的控制和工艺管道配制的系统工程。

发酵罐的改造可分为以下几个方面:补料,放料,空气,检测,溶氧能力,罐体性质,改造的目的包括,投料放料的易操作性,保持无菌状态的安全性,保证罐体的安全,系统控制能力的提高,最重要的是溶氧能力的提升。

本文所提供的改造项目目录如下:

1   罐体钝化的处理(防腐蚀)

2   特殊物料的预处理(配液系统)

3   补料管道插入液面以下(补料系统)

4   多头进料装置(补料系统,可拆卸改装)

5   增加电极插口(检测)

6   临时改取样口(取样,电极插口,可拆卸改装)

7   增加底阀(放料,清洗)

8旋风分离器的使用(逃液,消泡)

9   搅拌桨叶改进(溶氧)

10   空气灭菌能力的提升(杂菌,噬菌体)

11   传热传能系统(缺陷改进)

12搅拌功率的提升(DO)

13   空气分布器(DO)


1   罐体的钝化处理(防腐蚀)

罐体的钝化处理是为了提高罐体的抗腐蚀能力,尤其是对微藻发酵工艺中存在较多Cl-比较多的发酵体系很有必要,使用时间比较长的罐子也需要进行罐体处理,对此项性能的改在方案详见公众号《发酵工程》往期历史发布:

发酵设备:不锈钢钝化工艺(passivation process )对发酵罐内外表面的保护技术整理

2   特殊物料的预处理(配液系统)

粘性物料进罐可采用均质机或均质泵,葡萄糖最好增加糖罐单消。

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3   罐内补料管道(补料系统)

对于易挥发的流加项目,如果采用持续低速流加最好改造流加管道插入液面以下,防止空气带走造成物料损失和工艺的不稳定。效果见下图:

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4   多头进料装置(补料系统,可拆卸改装)

对于复杂的补料工艺,有时候罐上需要临时添加补料进口,如果是小试,可改造使用多快接头方式,工艺固定之后可打孔增加快接头。

(此处感谢发酵工程粉丝供图)

5   增加电极插口(检测)

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图上共接有三个电极,分别是:pHDO,和T,对于常规的发酵来说是够用的,但对于某些特殊类型的发酵来说,电极插口少了点,比如甲醇诱导型的发酵,你可能需要增加甲醇膜透器,然后甲醇补料泵在线偶联控制,只需要设定点浓度即可,不需要取样检测甲醇浓度然后间歇补料或连续流加调速,所以大生产规模可以考虑改进罐体,增加电极插口,提高生产效率。

6   临时改取样口(取样,电极插口,可拆卸改装)

对于没有底阀和中间取样口的小罐,在进行长时间发酵时候,在中后期可能出现取样困难的情况,如果按照下图对不用的电极插口进行取样改造就可以解决这个问题,此方案简单可行,取样损失小且可拆卸,优点明显。

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此处感谢发酵工程粉丝供图)

7   增加底阀(放料,清洗)

有些罐子设计有缺陷,如图下所示,竟然没有底阀,排水放料依靠加压空气打出,这种设备洗罐水排不干净,放料放不彻底,改造增加底阀是很有必要的了。

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此处感谢发酵工程粉丝供图)

上图小罐无底阀,底下只有一根夹套循环管,罐体臭不可闻,正是因为怎么洗都洗不干净,物料残留很严重。

8旋风分离器的使用(逃液,消泡)

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旋风的作用就是消除泡沫,限制逃液,不会有化学消泡剂的对菌体的毒害作用,效率也比物理消泡方案更高效,具体参见公众号《发酵工程》往期历史发布:

发酵设备:发酵逃液(escaping of fermentation broth)控制之旋风分离器

9   搅拌桨叶改进(溶氧)

发酵罐内安装搅拌器首先用来分散气泡以得到尽可能高的传质系数KLa 。此外还要使被搅拌的发酵液循环来增加气泡的平均停留时间,并在整个系统中均匀分布,阻止其聚并。早先在机械搅拌式发酵罐通常装有数个径向圆盘涡轮搅拌器,但容易使被搅拌的介质分层而形成几个区,因而在罐下部和上部之间形成氧分压梯度,导致罐内上、下部之间的KLa 值的差异。近来发酵罐的搅拌系统多采用在罐底部安装一个用来分散空气的涡轮搅拌器,其上再安装一组轴流式搅拌器,用来循环培养介质、均匀分布气泡、加强热量传递和消除罐内上、下部之间含氧量梯度差。

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搅拌叶形式:

(1) 带圆盘敞式涡轮搅拌叶———高湍流,径向流。

(2) 倾斜叶片(pitchedbiade) 涡轮(p – 4) ———45°四叶片,轴向流。

(3) 反向倾斜(Reversingpitch) 搅拌叶———二个向上,二个向下,径向流。

(4) 高效轴流式搅拌叶———A310 ,轴向流。

(5) 混合流搅拌叶———A315 ,轴向流,少量径向流。

(6) 凹叶径流式搅拌叶( Concaveblade radial) ———CD – 6 ,径向流。

具体形式参加公众号《发酵工程》往期历史发布:

发酵设备:搅拌器(stirrers)的选择标准及搅拌器不同叶形对发酵醪的影响

10   空气灭菌能力的提升(杂菌,噬菌体)

噬菌体极小但也易热变性,它们可以很轻松的通过空气系统进入罐体,如果做细菌类发酵,建议在发酵空气系统设置加热灭菌环节

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比较经济的做法是利用空压机压缩产热进行保温杀菌,进口温度21-22℃,出口温度187-189℃,压力0.7 Mpa。

11   传热传能系统(缺陷改进)

2方以上焊接封头,2方一下法兰封头,5方以下夹套加热,5方以上蛇形管加热,微生物发酵系统对于热量控制很严格。

曾经有家甘肃的兽药发酵企业,竟然在扩培罐没有加热进水装置,转罐之后打算靠微生物产热维持系统的能量,但是一到冬天(甘肃冬天比较冷),这个方案就行不通了,所以对于能量系统的改造加强也是每个发酵工程师应该考虑的重点。

12搅拌功率的提升(DO

此项涉及搅拌电机的选择,电机的转速并不是搅拌轴的转速,电机到搅拌轴之间还有一个减速机,涉及到速比换算,电机功率太小会影响到溶氧能力,根据手中的微生物特性,适时换装更高转速或速比的电机是个不错的选择。

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(此处感谢发酵工程粉丝供图)

图示电极速比1.48,即电极最大转速1435 r/min到搅拌轴转速970 r/min

另外皮带减速机外形尺寸较大,传动效率相对较低,速比也不能严格控制。所以,近年来有些工程设计人员采用立式齿轮减速机

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13   空气分布器(DO)

小罐径高比不及大罐,通气进罐之后很快运动至液面以上,为了溶氧可增加空气分布器到进气管末端(有些小罐厂家没有做分布器),需要注意发酵液的性质,太黏有可能堵塞空气分布器的小孔。



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