一种微生物复合菌剂的生产工艺流程及详细设计要求

〔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者被杂菌污染， 还需要进行菌种 的纯化或者或者复壮。

〔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份与比例；生长曲 线的绘制与最适培养时间确实定。

我们普通选取对数生长期的菌 体〔丝〕做为生产发酵用的菌种。

最正确接种量与装液量的控制。

〔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者菌种斜面。

〔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 250 mL 三 角瓶中。

置于 180 r/ min 摇床中 培养〔37℃ 24h 〕 。

接种量为三
白 Nacl 琼脂
0.5% 2.0-2.5%
斜面培养基成
份
组成比例
葡 萄
糖
0.1% 肉 蛋
胨
1%
牛
膏
1% PH
工艺流程
工艺条件
中控
121℃~125℃
0. 103MPa~0. 168 MPa 0.5h~1.0h
加料体积 50%~75%，实际为 60%
PH6.5~7.5
121℃~125℃
0. 103MPa~0. 168 MPa 0.5h~1.0h
25℃~35℃ 常压
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：
玉
摇瓶种子培 葡萄 尿 硫酸 磷酸氢 硫酸 硫酸
米 PH
养基成份 糖 素 镁 二钾 亚铁 锰
浆
各组成成份
2.5 0.5 0.04 0.1 2ppm 2ppm 7.0
比例〔%〕
〔注； 1ppm=1mg/l)
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
一级种子罐降
温
种子罐 培养基
灭菌空气
蒸汽
物料量的 0.5-5%.实际接种量为 1%
25℃~35℃ 24~36h
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%摆布。

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份应尽可能的接近主体发酵罐培养基成份。

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 的发酵菌体或者菌丝。

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份如下表
摇瓶菌种
一级种子罐接
种
一级种子罐发
酵
消泡剂
灭菌空气 镜检：
〔1〕发酵罐主要部件的设计与选型〔具体设计局部见附页〕 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:最正确装液量为〔50%-75%〕罐体 公尺容积； 最正确接种量〔1%-5%)实际装液量； 发酵温度控 制在 25℃~35℃；PH 控制在；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 因为溶解氧缺乏而影响微生物的生长繁殖。

〔3〕具体发酵时间和发酵终点确实定，以及芽孢形成 率≧
80%。

最终来确定发酵时间和发酵终点。

我们普通选取对数生长末期 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份及比例:
培 养 水 甘 尿 素 磷酸 硫 硫 酸 硫 酸 水 PH
培养基成 分
百 分 含
量〔%〕
锰 元 素 PH
(mg/l)
2
铁 元 素
(mg/l)
2 磷 酸 二 氢
钾
0.15 硫酸
镁
0.04 水 解
糖
2.5
玉
米
浆
尿
素
0.4
〔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
121℃~125℃
0. 103MPa~0. 168 MPa 0.5h~1.0h
25℃~35℃ 常压
灭菌空气
25℃~35℃ 24~36h
芽孢形成率≧80%
储罐 常温常压 液态菌剂固形物含量 10~20%
锰
(ppm)
2 80-90 6.8-7.2
基 成 解 分 糖
含 量 13
〔%)
亚 铁
(ppm)
2 〔 初 尿〕
0.6
氢二
钾
0.17 蔗
蜜
糖
酸
镁
0.15 0.06 发酵罐灭菌
发酵罐降温
发酵罐发酵
灭菌空气
PH6.5~7.5
消泡剂
镜检：
蒸汽
发酵罐的种类不少，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。

设计月生产量 270 吨，那末日平均产量为 9 吨。

设计有效装液 量为罐体公称容积的 60%。

那末可知 V=15000L
普通 H/D=2.5 较好，现在开展趋势是 H/D 越来越小，已达 1.8 摆布。

现 设计 H/D=2( 其 中 H 罐体 高度 ,D 为 发酵罐 内径〕，那 么 由
V = D 2 [H + 2(h + 1
D)] 必 D 2 H + 0 . 15D 2 ； H/D=2. 可 知 罐 体 高 度
4 b 6 4
H=4m;发酵罐内径 D=2m 。

罐体各局部材料多采用不锈钢，如 1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9,或者瑞典 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。

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 。

采用椭圆形或者碟形封头， 当 V ＜5m 3 时， 封头与罐
体 间采用法兰连接；当 V ＞5m 3 时，封头与罐体间采用焊接；
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
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 摆布， 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，也可开在罐身或者 罐顶，由一根管插入接近罐底最底处。

补料管：消泡、流加糖从罐顶参加；补氨水、液氨从空气管 道参加。

消泡电极:接口在罐顶封头上。

公称容积：罐身局部和底封头的容积之和〔与贮罐相区 别〕。

V=V 1+V 2= π · D 2(H 0+h a +D/6)/4 〔h a 可忽稍不计〕
罐实际装料量： V 0=V · η ( η =0.6-0.85) 圆筒局部装料高度： H L =4〔 V · η 封〕/ πD 2
液柱高度： H= H L + h a +h b
(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，气体分布比拟均匀，但易使物料阻塞小孔，引起灭菌不彻底；
(3) 环形多支管：在环形管底部设置4-6 根“ 型支管，开口均朝发酵罐中心线，结构简单．但对罐底沉积物的去除往往不彻底。

(4)普通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 摆布计算。

〔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：合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者板式换热器补偿。

可增大罐内有效容积，减少死角，此为将来开展趋势。

除以上换热方式外，还可采用安装在罐外的板式或者螺旋 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-t 1)/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 1C 1t)/V
3 、通过生物合成热进行计算：
Q =Q +Q －Q
总 发 搅 汽
Q =Q +Q
发 呼 代
Q =15659W 〔KJ/h 〕
呼 呼
Q =4857W 〔KJ/h 〕
代 代
Q =4. 186×860P 〔KJ/h 〕
搅
Q =4. 186G(I －I ) 〔KJ/h 〕 W —单位时间耗糖量〔kg/h 〕
P —搅拌功率〔KW 〕
汽 出 进
I —空气的热焓〔KJ/kg〕
(4) 通过燃烧热进行计算：
Q = ∑Q －∑Q
总作用物燃烧产物燃烧
〔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：
PD
S= 2 [Θ ] P + C
封头壁厚: S= S=
2K
[Θ
P
设]
D
g
.5 P
+ 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；
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者法兰连接；
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，或者隔膜阀；
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
〔3〕消泡装置
泡沫形成的因素有：通气和搅拌、培养基成份、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；
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、别离泡沫，
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，假设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。

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：普通为实心轴，为了降低分量和功率输出也可采用空心轴，轴的长度普通在3-4m 为一段，通过联轴器将各段轴进行联接。

3、轴承：老式发酵罐普通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，液体味对它的摆动产生阻尼作用，使得最终摆动住手。

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，普通在罐内使用刚性联轴器，
罐外使用三分式联轴器。

5
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，但体积及分量都太大， 效率低。

现改为立式摆线针轮减速机和行星齿轮减速机。

7 、机电：
采用 4 级〔1440rpm 〕或者 6 级(960rpm)交流机电， 用变频 器进行调速，减少发酵过程中的功率消耗。

目前，大局部 工厂使用的是双级机电，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： P 0=kN p · n 3D 5 ρ
K —档数
n —转数〔r/s 〕
N p —功率准数
D —桨叶直径〔m 〕
ρ—kg/m 3〕 P 0—功率〔W 〕 通气时：
P g =2.25×10-3 ( Q P g 、 P 0—〔KW 〕 D —〔cm 〕
)0.39
n —〔r/min 〕
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.
选用设 备数量
250ml 三角瓶 12
上海鼎国生物技术
40L 发酵罐 1
上海联环生物工程设备
750L 发酵罐 1
上海联环生物工程设备
理论装 发酵液 液系数
总量
8%-20%
0.225L
60%-70%
22.5L
60%-70%
450L
需要设 备容量
250mL 三角瓶 37.5L
一级种 子罐 750L
二级种 子罐
发酵级 别
摇瓶种 子
一级种 子
二级种 子
实际 装液 率
8%
60%
60%
60%-70%
15000L
9000L 60% 主体发
酵
酵罐
容积 流量 /蒸发 量
喷油螺杆回转式 空压机
卧式 1/2 吨燃油 /气锅炉/蒸汽锅 炉
15000LSDL 系列不锈钢多联发酵系统
上海联环生物工程设备
上海华征特种锅 炉创造
SA-75A/W12.3/ 0.8
使用煤气， 天然气 空气压缩机
60m 3/min
上海复生
设备名称
500kg/h 生产发 备注
厂家 1。