一种微生物复合菌剂的生产工艺流程及详细设计要求.docx

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一种微生物复合菌剂的生产工艺流程及详细设计要求

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

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。

（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

1

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

250 mL 三角瓶中。

置于 180 r/ min 摇床中 培养（37℃ 24h） 。

接种量为三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：

（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

121℃~125℃

蒸汽

种子罐

培养基

蒸汽

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

0.103MPa~0.168 MPa

0.5h~1.0h

加料体积 50%~75%，实际为 60%

PH6.5~7.5

精密试纸或 PH 计

121℃~125℃

0.103MPa~0.168 MPa

0.5h~1.0h

2

灭菌空气

摇瓶菌种

一级种子罐降

温

一级种子罐接

种

25℃~35℃

常压

物料量的 0.5-5%.实际接种量为 1%

一级种子罐发

酵

24~36h     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

3

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

液。

二级种子罐培养基成分如下表

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 25℃~35℃；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。

4

培养

基成

分

水

解

糖

甘

蔗

蜜

糖

尿素

（初

尿）

磷酸

氢二

钾

硫

酸

镁

硫酸

亚铁

（ppm）

硫酸

锰

（ppm）

水

PH

含量

（%）

13

0.15

0.6

0.17

0.06

2

2

80-90

6.8-7.2

（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:

（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

发酵罐配料

加料体积 50%~75%

发酵罐

PH 值检测

发酵罐灭菌

0.103MPa~0.168 MPa

0.5h~1.0h

PH6.5~7.5

精密试纸或 PH 计

灭菌空气

发酵罐降温

25℃~35℃

常压

5

灭菌空气

发酵罐发酵

25℃~35℃       镜检：

消泡剂24~36h菌体的形态、密度

芽孢形成率≧80%

储罐

常温常压          液态菌剂固形物含量 10~20%

附页部分

一。

复合菌剂生产工艺流程简图

二。

发酵罐主体部件的设计

6

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

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

V =

π

4

D2[H + 2（hb +

1

6

D）] ≈

π

4

D2 H + 0.15D2 ；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/D1=3，只能适合罐容积不

太大的场合；当罐较大时，D/D1=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 V＜5m3 时，封头与罐

7

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

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

8

公称容积：

罐身部分和底封头的容积之和（与贮罐相

区别）。

V=V1+V2=π ·D2（H0+ha+D/6）/4

（ha 可忽略不计）

罐实际装料量：

V0=V · η（η =0.6-0.85）

圆筒部分装料高度：

HL=4（ V · η –V 封）/ πD2

液柱高度：

H= HL + 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

9

（1）换热方式：

1、夹套换热：

应用于 V＜20m3，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。

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（t2-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：

10

Q 最大=2×4.186（GCt+G1C1t）/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）

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=

PD

2[σ ]ϕ - P

+ C

封头壁厚:

S=S=

KP设 Dg

2ϕ [σ ]- 0.5P

+ C

（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；

11

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；

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

12

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

13

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 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：

14

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·n3D5ρ

K—档数Np—功率准数

n—转数（r/s）D—桨叶直径（m）

ρ—密度（kg/m3） P0—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。

15

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

设备名称

容积流量/蒸发

量

型号

厂家

备注

空气压缩机

3

60m /min

SA-75A/W12.3/0

上海复生

喷油螺杆回转式

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

附属设备

16

.8

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

18