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电加热发酵罐是一种广泛应用于生物工程、制药、食品、化工等领域的重要设备,它通过电加热的方式为微生物的生长和代谢提供适宜的环境条件,从而实现各种生物制品或化学产品的生产。
二、电加热发酵罐的结构
(一)罐体
- 材料选择
- 电加热发酵罐的罐体通常采用不锈钢材质,如 304、316L 等,以确保良好的耐腐蚀性和卫生性能。
- 不锈钢具有高强度、耐高温、易清洁等优点,能够满足发酵过程中对容器材质的严格要求。
- 形状与尺寸
- 罐体的形状一般为圆柱形,顶部为椭圆形或碟形封头,底部为锥形封头。这种设计有利于物料的流动、混合以及排放。
- 罐体的尺寸根据生产规模和工艺要求而定,从几升到数千升甚至更大容积均有应用。
- 接口与附件
- 罐体上设置有多个接口,包括进料口、出料口、取样口、人孔、视镜等。
- 进料口用于添加培养基、菌种等物料;出料口用于排出发酵产物;取样口用于定期抽取发酵液进行检测分析;人孔便于人员进入罐体进行清洗、维护和检修;视镜则用于观察罐内的物料状态。
(二)搅拌系统
- 搅拌器类型
- 常见的搅拌器类型有涡轮式搅拌器、桨式搅拌器、锚式搅拌器等。
- 涡轮式搅拌器具有较高的剪切力,适用于需要强烈搅拌和分散的发酵过程;桨式搅拌器则适用于低粘度物料的搅拌;锚式搅拌器常用于高粘度物料的搅拌。
- 搅拌轴与支撑
- 搅拌轴通常由不锈钢制成,通过联轴器与电机相连。
- 为保证搅拌轴的稳定运行,在罐体内部设置有支撑装置,以减少搅拌轴的挠度和振动。
- 电机与传动装置
- 电机提供搅拌所需的动力,通常采用变频调速电机,可根据工艺要求灵活调节搅拌速度。
- 传动装置包括减速器、皮带传动或齿轮传动等,将电机的高速旋转转换为搅拌轴的合适转速。
(三)电加热系统
- 加热元件
- 电加热发酵罐的加热元件主要有电加热管、电加热板等。
- 电加热管通常安装在罐体的夹套或内盘管中,通过电阻发热将热量传递给发酵液;电加热板则可以安装在罐体的底部或侧面。
- 温度控制
- 为实现准确的温度控制,电加热系统配备有温度传感器、控制器和调节装置。
- 温度传感器实时监测罐内温度,并将信号反馈给控制器。控制器根据设定的温度值与实际温度的差异,控制电加热元件的通断或功率大小,从而调节加热量,使罐内温度保持在设定范围内。
(四)冷却系统
- 冷却方式
- 冷却系统用于在发酵过程中控制温度过高,常见的冷却方式有夹套冷却和内盘管冷却。
- 夹套冷却通过在罐体外部的夹套中通入冷却水来带走热量;内盘管冷却则是在罐体内设置冷却盘管,通过盘管内的冷却水进行冷却。
- 冷却介质
- 冷却介质一般为自来水、冷冻水或冷却剂等。
- 选择冷却介质时需考虑其冷却效果、成本和环保要求等因素。
(五)通气系统
- 通气方式
- 通气系统为微生物提供氧气,同时排出二氧化碳等气体。通气方式包括鼓泡通气和搅拌通气。
- 鼓泡通气是将无菌空气通过分布器以气泡的形式通入发酵液中;搅拌通气则是在搅拌过程中使空气卷入发酵液,实现氧气的溶解和传递。
- 空气过滤与除菌
- 为保证通入发酵罐的空气无菌,需要经过多级过滤和除菌处理。
- 常用的空气过滤设备有空气过滤器、膜过滤器等,能够有效去除空气中的微生物和杂质。
(六)控制系统
- 参数监测
- 控制系统用于监测和控制发酵过程中的各种参数,如温度、pH 值、溶氧、搅拌速度、通气量等。
- 相应的传感器将这些参数转换为电信号,并传输给控制器。
- 控制策略
- 控制器根据预设的控制策略和参数设定值,对发酵过程进行自动控制。
- 例如,当温度超过设定上限时,控制器会自动启动冷却系统;当溶氧低于设定值时,会增加通气量或提高搅拌速度。
- 数据记录与分析
- 控制系统还具备数据记录和分析功能,能够实时记录发酵过程中的参数变化,并对数据进行分析和处理,为优化发酵工艺提供依据。
三、电加热发酵罐的工作原理
(一)灭菌与准备
- 清洗与消毒
- 在使用前,需要对电加热发酵罐进行彻底的清洗和消毒,以去除残留的物料和微生物。
- 通常采用化学清洗剂和高温蒸汽进行清洗和消毒。
- 培养基配制与灭菌
- 根据发酵工艺要求,配制合适的培养基,并将其加入发酵罐中。
- 然后通过电加热将培养基升温至灭菌温度,保持一定时间,以杀灭培养基中的杂菌和芽孢。
(二)接种与培养
- 菌种接种
- 在灭菌后的培养基冷却至适宜温度后,通过无菌操作将菌种接入发酵罐中。
- 培养条件控制
- 启动搅拌系统和通气系统,使菌种与培养基充分混合,并提供充足的氧气。
- 电加热系统根据设定的温度曲线,控制发酵液的温度,使其保持在微生物生长和代谢的范围内。
- 同时,通过调节 pH 值、溶氧等参数,为微生物创造良好的生长环境。
(三)发酵过程
- 微生物生长与代谢
- 接种后的微生物在适宜的环境条件下开始生长和代谢,消耗培养基中的营养物质,并产生目标产物。
- 物质传递与热量传递
- 搅拌系统促进了发酵液中的物质传递,使营养物质和氧气均匀分布,同时也有利于代谢产物的扩散。
- 电加热系统和冷却系统协同工作,维持发酵液的温度稳定,确保微生物的生长和代谢不受温度波动的影响。
- 参数监测与调整
- 控制系统实时监测发酵过程中的各项参数,如温度、pH 值、溶氧、搅拌速度、通气量等。
- 当参数偏离设定值时,控制系统会自动调整相应的设备,如启动加热或冷却、增加或减少通气量、调节搅拌速度等,以使发酵过程保持在预定的轨道上。
(四)产物收获
- 发酵终点判断
- 通过对发酵液中的产物浓度、微生物生长状态、代谢产物等指标的检测和分析,判断发酵能否达到终点。
- 产物提取与分离
- 发酵结束后,采用合适的方法从发酵液中提取和分离目标产物,如过滤、离心、萃取、蒸馏等。