一种微生物复合菌剂的生产工艺流程及详细设计要求剖析.pdf

1 一种微生物复合菌剂的生产工艺流程及设计要求 （附简图 ) 一生产前的准备工作 （1）生产用菌种的鉴定 :主要包括纯度鉴定，生产性能的检查， 有无杂菌污染。还有就是菌种的活性，重要特性有无退化等。 （2）如菌种已发生功能性改变或被杂菌污染，还需要进行菌种 的纯化或或复壮。 （3）其次在规模生产之前，还要通过实验室中试，确定该菌群 的最适生长温度，PH，发酵培养基的最适成分与比例；生长曲 线的绘制与最适培养时间的确定。我们一般选取对数生长期的菌 体（丝）做为生产发酵用的菌种。最佳接种量与装液量的控制。 二实验室菌种的活化与种子培养阶段： （1）将冷冻保藏管中的菌种在斜面中活化（37 24h），并在平板 中进行纯化（ 37 24h）。最终得到斜面菌种或菌种斜面。 斜 面 培 养基 成 份 葡萄 糖 牛肉 膏 蛋白 胨 Nacl 琼脂PH 组成比例0.1% 1% 1% 0.5% 2.0-2.5% 7.0-7.2 （2）摇瓶培养阶段 : 取一环纯化后的的菌种， 接入装量为 20mL种子 培养基的 250mL三角瓶中，置于 180r/min 中摇床中培养 (37 18h) 。 分别取 1mL的种子液 , 接入五个盛有20mL发酵培养基的250 mL 三 角瓶中。置于180 r/ min摇床中 培养（ 37 24h） 。接种量为三 2 角瓶实际培养基装量的4-5%.PH控制在 7.0-7.5之间。 培养基组成见下表： 摇瓶种子 培养基成 分 葡萄 糖 尿 素 硫酸 镁 磷酸 氢二 钾 玉米浆 硫酸 亚铁 硫酸 锰 PH 各组成成 分比例（% ） 2.5 0.5 0.04 0.1 2.5-3.5 2ppm 2ppm 7.0 （注； 1ppm=1mg/l) 三生产车间多级种子罐发酵阶段： 工艺流程工艺条件中控 121125 蒸汽0.103MPa0.168 MPa 0.5h1.0h 种子罐 培养基加料体积50%75%，实际为60% PH6.57.5 精密试纸或PH 计 121 125 蒸汽0.103MPa0.168 MPa 0.5h1.0h 灭菌空气2535 常压 全部设备灭菌 一级种子罐 配料 一级种子罐 PH 值检测 一级种子罐灭 菌 一级种子罐降 温 3 摇瓶菌种 物料量的0.5-5%.实际接种量为1% 灭菌空气2535镜检： 2436h 菌体的形态、密度 消泡剂芽孢形成率 80% 搅拌转速： 180r/min 二级种子罐重复上述操作和参数控制 其中，由摇瓶菌种向一级种子罐的接种量，控制在一级种子罐实 际装料量的0.5%-5.0%;PH 控制在 6.5-7.5;发酵温度控制在25 35；装料量控制在种子罐公称容积的60%左右。搅拌转速控制为 180r/min. 二级种子罐的具体工艺操作和参数控制和一级种子罐大体相同。 二级种子罐培养基成分应尽可能的接近主体发酵罐培养基成分。 通过上述二级种子罐发酵培养，我们大致可以得到450L 的发酵 种子液。 （计算如下： 0.6*0.01*V=0.225L由此可得 V=37.5L 即通 过一级种子发酵，我们可以得到22.5L 的发酵菌体或菌丝。二级 种子罐的接种量为5%。即 0.6*0.05*V=22.5L) 即 V=750L. 即通过 二级种子发酵，我们大致可以得到450L 的二级种子发酵液。 二级种子罐培养基成分如下表 一级种子罐接 种 一级种子罐发 酵 4 培 养 基 成分 水 解 糖 玉米 浆 磷 酸 二 氢 钾 硫 酸 镁 尿 素 铁元 素 (mg/l) 锰元 素 (mg/l) PH 百 分 含 量（ %） 2.5 2.5-3.5 0.15 0.04 0.4 2 2 6.8-7.2 四主体发酵阶段 （1）发酵罐主要部件的设计与选型（具体设计部分见附页） 主要部件包括：罐体，搅拌器，联轴器，轴承，轴封，挡板， 空气分布器，换热装置，传动装置，消泡器，人孔试镜，以 及管路等。 (2)通过实验我们可以知道:最佳装液量为 （50%-75%）罐体公 尺容积； 最佳接种量 （1%-5%)实际装液量； 发酵温度控制在 2535；PH 控制在 6.8-7.2；搅拌转速180-200r/min. 转速 过快会对菌丝体产生破坏，转速过慢易产生发酵泡沫，而且 会因为溶解氧不足而影响微生物的生长繁殖。 （3）具体发酵时间和发酵终点的确定，要通过镜检来观察 微生物菌体的形态，密度，以及芽孢形成率80%。最终来确 定发酵时间和发酵终点。 我们一般选取对数生长末期的菌体菌丝做为 发酵终点。因为此时微生物代谢活性最高，菌体数目最多。 (4)主体发酵罐培养基成分及比例: 培 养水甘尿 素磷酸硫硫酸硫酸水PH 5 基 成 分 解 糖 蔗 蜜 糖 （ 初 尿） 氢二 钾 酸 镁 亚铁 (ppm) 锰 (ppm) 含 量 （%) 13 0.15 0.6 0.17 0.06 2 2 80-90 6.8-7.2 （5）主体发酵罐操作工艺流程框图 二级种子罐发酵液 发酵罐 培养基加料体积50%75% PH6.57.5 精密试纸或PH 计 蒸汽121125 0.103MPa0.168 MPa 0.5h1.0h 2535 灭菌空气常压 灭菌空气 25 35镜检： 消泡剂2436h 菌体的形态、密度 芽孢形成率 80% 常温常压液态菌剂固形物含量1020% 附页部分 发酵罐配料 储罐 发酵罐发酵 发酵罐 PH 值检测 发酵罐灭菌 发酵罐降温 6 一。复合菌剂生产工艺流程简图 二。发酵罐主体部件的设计 发酵罐的种类很多，但是由于其他类型发酵罐应用的产 品范围较窄，其流行程度远不如机械搅拌发酵罐，约92%的 发酵工厂在使用机械搅拌发酵罐。它的主要部件包括： 罐体， 搅拌器，联轴器，轴承，轴封，挡板，空气分布器，换热装 置，传动装置，消泡器，人孔试镜，以及管路等。 (一)几何尺寸 7 1.罐体计算： 设计月生产量270 吨，则日平均产量为9 吨。设计有效装液量 为罐体公称容积的60%。则可知 V=15000L 一般 H/D=2.5 较好，现在发展趋势是H/D 越来越小，已达1.8 左右。 现 设 计H/D=2( 其 中H罐 体 高 度 ,D 为 发 酵 罐 内 径 ） ， 则 由 222 15.0 4 ) 6 1 (2 4 DHDDhHDV b ； H/D=2.可知罐体高度 H=4m; 发酵罐内径 D=2m 。 罐体各部分材料多采用不锈钢，如1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9,或瑞 典 316L。罐体必须能承受发酵工作时和灭菌时的工作压力和温度。 通常要求耐受 130 度和 0.25MPa的绝压。 2、搅拌器直径和几何尺寸 高径比：对于档数：通用罐D/D 1=3，只能适合罐容积不 太大的场合；当罐较大时，D/D 1=3-4。根据需要，现设计采 用圆盘涡轮式搅拌器。搅拌器叶轮直径D1=1/3D=2/3m 。 3、封头： 采用椭圆形或碟形封头，当 V5m3时，封头与罐体 间采用法兰连接；当V 5m3时，封头与罐体间采用焊接； 4、挡板： 挡板的作用是防止液面中央产生旋涡，促使液体激烈 翻动，提高溶解氧。挡板宽度为（0.1-0.12）D。当满足全挡 板条件时，增加罐内附件，轴功率不变。 WZ/D=0.5 即： (0.1-0.12)Z=0.5 即挡板宽度W=0.2m 8 5、管口位置： 人孔：为了便于操作和维修，封头上的人孔离操作层高度在 0.7m 左右，大小为 500×450cm ;封头上其它管口， 在满足工 艺的同时应方便操作。 检测点：在下搅拌与第二档搅拌之间。 空气管：可开在封头上，也可开在罐身上。 取样口：开在罐身上。 冷却水管口：夹套冷却，冷却水进口在罐底，出口在罐身上 部；冷却管冷却，进出口多在上部。 物料出口：开在罐底，稍微偏离罐底中心，也可开在罐身或 罐顶，由一根管插入接近罐底最底处。 补料管：消泡、流加糖从罐顶加入；补氨水、液氨从空气管 道加入。 消泡电极 :接口在罐顶封头上。 6、罐装料容积的计算 公称容积：罐身部分和底封头的容积之和（与贮罐相区 别） 。 V=V 1+V2= · D 2(H 0+ha+D/6)/4 （ha可忽略不计） 罐实际装料量：V 0=V · ( =0.6-0.85) 圆筒部分装料高度： HL=4（ V · V 封）/ D 2 9 液柱高度： H= H L + ha+hb 7、空气分布装置 (1) 单孔管：布置于罐底，结构简单，开口向下式可消除罐 底固形物积淀，但对封头冲蚀严重；开口向上式对罐底物料 混合不好； (2) 多孔环管：在环形管底部钻有许多小孔，气体分布比较 均匀，但易使物料堵塞小孔，引起灭菌不彻底； (3) 环形多支管：在环形管底部设置4-6 根L型支管，开口 均朝发酵罐中心线，结构简单但对罐底沉积物的清除往往 不彻底。 (4)一般在发酵工业中通常采用单管空气分布器。空气分布器 在搅拌器下方的罐底中间位置，管口向下，空气直接通入发 酵罐的底部。管口与罐底距离为40mm,管径可按空气流速 20m/s 左右计算。 (二) 换热装置 （1）换热方式： 1、夹套换热：应用于V20m 3，结构简单，死角少， 但壁厚，降温效果差。加导流板可增大传热系数。 2、罐内竖式蛇管换热：传热系数高，但弯曲部位易蚀 穿。 3、罐内竖式列管换热：适用于水源充足的地方，传热 系数低于蛇管，用水量大。 10 4、罐外半圆管为主，罐内竖式蛇管补偿或板式换热器补 偿。可增大罐内有效容积，减少死角，此为将来发展趋势。 除以上换热方式外，还可采用安装在罐外的板式或螺旋 板式换热器进行换热。 （2）发酵过程热量计算 通常以一年中最热的半个月中每小时放出的热量作为 设计冷却面积的根据。 1、通过冷却水带走的热量进行计算 测定冷却水的流量及进出口的温度，按公式计算： Q最大=4.186WC(t 2-t1)/V 2、通过发酵液温度升高进行计算 在最热季节，选择产热量最大最快的时刻，先控制 温度恒定， 关闭冷却水， 测定发酵液在半小时内升高的温度， 由公式计算： Q最大=2×4.186(GCt+G 1C1t)/V 3、通过生物合成热进行计算： Q 总=Q发+Q搅Q汽 Q 发=Q呼+Q代 Q呼=15659W呼（KJ/h） Q代=4857W代（KJ/h） Q搅=4.186×860P （KJ/h） Q 汽=4.186G(I出I进) （KJ/h） 11 W单位时间耗糖量（kg/h） P搅拌功率（ KW ） I空气的热焓（ KJ/kg） (4) 通过燃烧热进行计算： Q总=Q作用物燃烧 Q产物燃烧 （三）安全生产 （ 1）壁厚的设计： 采用夹套的发酵罐，按外压容器进行壁厚计算： S= 2 PD C P 封头壁厚 : S= S= P 20.5 KDg C P 设 （2）死角和泄漏的消除 1、罐体及封头内壁加工应光滑，焊接时采用双面焊，内 外焊缝应打磨光滑； 2、流加、接种及取样管道应能单独灭菌； 3、排污管和排气管应独立排空； 4、应尽量减少罐内的附件，减少死角； 5、管口连接尽量采用焊接或法兰连接； 6、与罐直接相连的阀门采用抗生素截止阀，在阀门上安 装排汽考克，保证阀门能彻底灭菌，或隔膜阀； 7、发酵过程保持正压，防止微生物渗入； 8、冷却水管采用不锈钢，防止腐蚀穿孔； 12 9、搅拌系统轴密封采用机械密封为好； （3）消泡装置 泡沫形成的因素有：通气和搅拌、 培养基成分、 菌体自溶。 泡沫的危害： 1、减少发酵罐有效容积25-30%； 2、造成大量发酵液逃溢； 3、渗漏后易造成染菌； 4、影响通气和搅拌的效果； 5、妨碍微生物的呼吸，使代谢不正常，导致菌体自溶； 常用消泡方法有化学消泡和机械消泡： 化学消泡：流加泡敌消除泡沫。 机械消泡：利用机械消泡装置来打碎、分离泡沫， 常用的装置有： 耙式消泡器、 离心式消泡器、 刮板式消器、 射流消泡器、碟片式消泡器等。 消泡装置给罐内带来了死角，同时还消耗能量，不如化学 消泡效果好， 若消泡剂对后处理影响较小，可单用化学消泡。 常用的化学消泡剂是天然油脂类和聚醚类物质。 （四）搅拌系统 搅拌系统由轴、搅拌桨、联轴器、轴密封、减速机、电机、 轴承等组成。 1、搅拌桨： 发酵工程中常用的是涡轮搅拌桨，属径向搅拌器，分平 13 叶、弯叶、箭叶，叶片数为3-8，常用的是六叶。 径向混合：平叶弯叶箭叶 轴向混合：平叶弯叶箭叶 功率消耗：平叶弯叶箭叶 由于涡轮搅拌桨功率消耗较大，同时剪切作用对微生物 的损伤也大，现在对轴向流搅拌桨的研究正在展开，如：螺 旋桨搅拌桨和翼型搅拌桨。 由于轴向流搅拌桨的混合效果差于径向流搅拌桨， 容易在罐内造成死区，气泡分散也不好，单纯使用轴向流搅 拌桨的情况不多。研究人员发现对气泡分散效果最好的是 最下档的搅拌桨。因此，在罐内最下档采用涡轮搅拌桨，以 上各档都采用轴向流搅拌桨的形式最好。 2、轴：一般为实心轴，为了降低重量和功率输出也可采用 空心轴，轴的长度一般在3-4m 为一段，通过联轴器将各段 轴进行联接。 3、轴承：老式发酵罐一般采用中间轴承和底轴承，作用是 防止轴剧烈摆动及承重；中间轴承采用的是三拉杆式；底 轴承采用三足式。 由于罐内的轴承死角太多，轴的磨损较大， 功率消耗也打，现为稳定环所代替。稳定环安装在搅拌桨的 下端，当它在液体中随轴转动时，液体会对它的摆动产生阻 尼作用，使得最终摆动停止。 发酵罐采用稳定环后，死角减少，可降低功率输出 14 10-15%，各种维修费用及人力的消耗都降低。 4、联轴器： 用于将各段轴进行联接，一般在罐内使用刚性联轴器， 罐外使用三分式联轴器。 5、轴密封： 过去使用的是填料函密封，缺点是：死角多、易泄漏、 消耗功率大、轴磨损大。 现在多为单端面机械密封，作用原理是利用弹簧的压力 使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作 相对转动而达到密封。其优点较多， 但也有缺点： 结构复杂、 对动静环的表面光滑度和平直度要求高，一般3-4 个月更换 一次。 6、减速机： 老式罐上采用三角皮带减速机，但体积及重量都太大， 效率低。现改为立式摆线针轮减速机和行星齿轮减速机。 7、电机： 采用 4 级（1440rpm）或 6 级(960rpm) 交流电机， 用变频 器进行调速，减少发酵过程中的功率消耗。目前，大部分 工厂使用的是双级电机，即有两档搅拌转速，在发酵的不同 阶段采用不同的档数。 8、轴功率的计算： 不通气时： P0=kNp· n 3D5 15 K档数Np功率准数 n转数（ r/s）D桨叶直径（ m） 密度（ kg/m 3） P 0功率（ W） 通气时： Pg=2.25×10 -3 ( Q ) 0.39 Pg、P0（KW ）n（r/min ） D（cm）Q通气量（ mL/min ） 通气比为发酵液与通气量的比. 通气速率为单位时间、单位体积发酵液通气量（VVM ） 。 牛顿型流体：粘度恒定，不随转数变化的流体。细菌及酵母 菌发酵液属牛顿型流体。 非牛顿型流体：粘度随搅拌转数变化的流体。霉菌、放线菌 发酵液属非牛顿型流体。 当非牛顿型流体的搅拌雷诺数在10-300 区间外时，可按牛顿 型流体计算轴功率. 三。菌剂发酵生产主要设备的选型 16 发酵级 别 发酵液 总量 理论装 液系数 实际 装液 率 需要设 备容量 选用设 备数量 设备型号及厂家 摇瓶种 子 0.225L 8%-20% 8% 250mL 三角瓶 12 250ml 三角瓶 上海鼎国生物技术有限公司 一级种 子 22.5L 60%-70% 60% 37.5L 一级种 子罐 1 40L 发酵罐 上海联环生物工程设备有限公司 二级种 子 450L 60%-70% 60% 750L 二级种 子罐 1 750L 发酵罐 上海联环生物工程设备有限公司 生产发 酵 9000L 60%-70% 60% 15000L 主体发 酵罐 1 15000LSDL 系列不锈钢多联发酵系统 上海联环生物工程设备有限公司 附属设备 设备名称容积 流量 / 蒸 发 量 型号厂家备注 空气压缩机 60m 3/min SA-75A/W12.3/ 0.8 上海复生喷油螺杆回转式 空压机 卧式 1/2 吨燃油 / 气锅炉 / 蒸汽锅 炉 500kg/h WNS1.0-WNS2.0- 1 上海华征特种锅 炉制造有限公司 使用煤气，天然气 17