机械搅拌发酵罐安全生产与发酵产品工艺设计仿真实验教学指导书
机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一，也是微生物学、发酵工程、医药工业等科学研究所必需的设备。机械搅拌通风发酵罐的部件主要包括有：罐身、轴封、搅拌器、轴承、换热装置以及空气分布器等部件，同时配备有控制器和各种电极，可以自动地调控实验所需要的培养条件。机械搅拌发酵罐是利用搅拌器的作用下，使无菌空气和发酵液充分的混合，促使氧气等气体在发酵液中溶解，保证微生物的繁殖、发酵所需的氧，同时对发酵过程的温度、pH 值、溶氧等进行适当的控制，满足微生物代谢需求，提高发酵产物的产量。机械搅拌发酵罐应具备良好的传质和传热性能，结构严密，防止杂菌污染，培养基流动与混合良好，罐内应尽量减少死角，在保持生物反应要求前提下，降低耗能，有可行的管路配置和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。本虚拟仿真实验依据于发酵罐的基本结构、操作要求和操作程序，形成了“发酵罐实验安全操作”、“机械搅拌通风发酵罐系统结构介绍”、“引导式灭菌操作”、“引导式发酵操作”、“典型发酵工艺设计”和“操作测试”等六个教学模块。这些模块基本围绕发酵罐的原理和使用要求展开。其中“发酵罐安全操作”模块核心是体现安全操作。“机械搅拌通风发酵罐系统结构介绍”模块是将发酵罐进行拆解和组装，解决教学中无法让学生深入了解发酵罐内部构造的问题；“引导式灭菌操作”和“引导式发酵操作”模块，可以让使用者在引导下实现灭菌操作和发酵操作过程，强调操作的规范性；发酵产品工艺设计为项目化教学与生产产品的综合设计模块，帮助使用者更多的了解影响发酵产量的因素，提高解决实际生产中问题的能力；发酵罐操作测试模块，为“闯关游戏”式模式，进一步提高发酵罐操作的熟练程度，同时提高学习兴趣。本项目全程实现人机交互，学生通过自主学习，教师线上、线下答疑，实现课堂翻转、项目化教学和综合设计等的一体化操作。
教学目标
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教学内容与教学建议
2实验项目中有帮助指导，通过键盘操作行走（W-前进，A-左移动，D-右移动，S-后退） 和提出疑问或继续实验，鼠标右键可调整视角方向，鼠标左键可以拾取物品、安装物品、快速移动到指定地点（如：橙色脚印处），鼠标滑轮可以放大和缩小视野。点击“关闭提示”，进入实验。在实验过程中，可以随时点击界面左上角的灰白色“？”按钮，再次进入提示界面。让使用者熟悉并熟练掌握操作动作是实验能进行的第一要务，只有熟悉了用鼠标和键盘等工具进行操作才能顺利完成后续实验。
教学内容
3实验开始时，给出一定时间对实验操作进行训练。
教学建议
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实验安全操作
1（1）高温高压蒸汽使用安全。发酵罐上各种设备和培养基需要获得无菌条件，需要通过高温蒸汽进行湿热灭菌操作，湿热灭菌过程温度和热量的维持是由蒸汽供给的，而要获得高温因此蒸汽需要较高的压力，高温高压的蒸汽对于操作者是存在一定危险，因此在操作过程中要避免直接接触高温蒸汽管道。 （2）发酵罐气密性检查：发酵罐进行发酵过程中不能出现砂眼、密封不严等问题，否 则可能会出现染菌现象。因此，在实验室及生产中，发酵罐投入使用前都要进行检查，其中气密性检查就是重要的一项。气密性检查主要通过给罐内或管道维持一定的压力，看压力是否有变化。而对于阀门渗漏可用集气桶法试漏，对于大型发酵罐的列管或盘管可用水压试漏法。 培养基灭菌预热与降温操作要求：培养基在用蒸汽进行灭菌过程中，为了防止加热的蒸汽过量冷凝在培养基中改变培养基的正确体积和浓度，一般都是先用夹套蒸气加热培养基至 100 度左右，再向培养基中通蒸汽加热。而在降温过程中，由于没有蒸汽供给，同时又通冷 却水降温，发酵罐内的压力会急剧下降，可能会到零甚至负压，从而导致外界微生物进入发酵罐内出现染菌现象，为了防止这一现象出现，要通过无菌空气来维持发酵罐内的正压。
教学内容
2重点讲述发酵罐上哪些是蒸汽管道，地方要注意烫伤等安全问题，使学生树立牢固安全意识；强调气密性检查、预热和降温操作要求的重要意义，对于气密性检查、预热和降温操作要求等可采用设问形式进行，加深学生的印象。
教学建议
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机械搅拌通风发酵罐系统结构介绍
1（1）罐体 （2）搅拌器及挡板 （3）消泡装置 （4）联轴器及轴承 （5）变速装置 （6）空气分布装置 （7）轴封 （8）冷却装置
教学内容
2重点讲述发酵罐各个组成部件，各个部件的形式、作用和要求。
教学建议
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引导式灭菌操作
1实罐灭菌是指将配制好的培养基放入发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备加热至灭菌温度后维持一定时间，再冷却到接种温度，也叫间歇灭菌、分批灭菌。实罐灭菌无需专门的灭菌设备，灭菌效果可靠，对灭菌用蒸汽要求低（0.2~0.3MPa）。但同时，实 罐灭菌温度低、时间长而对培养基成份破坏较大，在工业生产中难以实现自动控制。实罐灭菌是中小型发酵罐常采用的一种培养基灭菌方法。 实罐灭菌操作最重要的是要掌握阀门开关的顺序及阀门开启大小的控制。 实罐灭菌操作基本过程。
教学内容
2教师可引导、知识回顾性进行教学，提出为何要灭菌，了解发酵罐灭菌与灭菌锅中灭菌的一些不同。重点讲述发酵罐灭菌操作中的管道、阀门作用，阀门开启关闭顺序及阀门开启大小的控制
教学建议
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引导式发酵操作
1发酵过程中需要维持纯培养过程，各操作过程需要注意无菌操作过程，时刻牢记无菌操作要求。
(1)发酵罐接种操作：一般情况下，发酵罐接种有三种方法:①火圈直接倒种②注射器接 种③压力差接种。前两种方法适用于小型发酵罐，第三种方法适用于大型工业化生产发酵罐。火圈直接倒种法操作规程如下：当发酵液温度降到接种温度时即可进行接种。准备合格的摇床菌种。用酒精棉擦洗罐顶接种口，并在接种口四周围上酒精棉。接种者的双手也需用酒精棉擦洗消毒、惊干。调进气阀，减少进气量（不能关闭，否则罐压跌零，引起污染)，拧松接 种口螺母；检查罐内压力是否在 0.01MPa 以下（如不在应开大排气阀或调进气阀，减少进气 量)，点燃接种口四周的酒精棉；拧下接种口螺母，并将其放入预先准备的盛有洒精的培养 皿中。将菌种瓶口在火焰上烧一会儿，并在火焰下拔下瓶塞，迅速将菌种倒入发酵罐内。盖上接种口螺母，灭火焰，拧紧螺母；并用酒精棉将接种口擦洗干净。调节进气阀及排气阀，达到工艺要求的通气量及保持罐压。 （2）发酵罐取样操作：发酵过程取样操作不当也是发酵染菌的一个重要原因，因此要 进行正确的取样前和取样后对取样管道的灭菌操作。 （3）发酵参数设定：一个良好的发酵过程需要各种正确的发酵过程控制，这些参数对 于不同的菌种会有不同的优化结果，主要在发酵罐上的设定参数有温度、pH 值、转速、罐 压、通风量等参数。
教学内容
2重点强调无菌操作的重要性，引导学生思考在不同的环境下如何做到防止杂菌污染，可进行案例分析讨论，例如发酵罐接种过程、发酵中取样过程。详细讲述为何要对发酵过程参数进行控制。
教学建议
END
典型发酵工艺设计
1一个发酵产品的生产，需要各种条件的配合。不同的菌可能生产不同的代谢产物，而同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同批次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响因素是复杂的，比如设备的差别、水的差别、培养基灭菌的差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程的细微差别都会引起微生物代谢的不同。微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络形式，比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的前体，可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物，而这些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的差异会引发代谢朝不同的方向进行。微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现在菌体量的大小影响产物量的多少，而且菌体生长正常与否，即前期的代谢直接影响中后期代谢的正常与否。特别是 对于次级代谢产物的合成更具有复杂性。发酵过程受到多因素又相互交叉的影响，如菌本身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环境因素等等。因此发酵过程的控制具有不确定性和复杂性。故在生产某一发酵产品时，首先有一个好的菌种，以后要有一个配合菌种生长的最佳条件，如营养要求、发酵温度、pH、渗透压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等， 使菌种的潜能发挥出来。
教学内容
2教师可组织学生进行案例分析，或进行讨论，阐述发酵产品与菌种、营养成分、培养条件的各种关系，如何才能提高发酵产品产量。
教学建议
END
操作测试
1学生进入操作测试，系统在规定的时间内，要求参与测试者必须完全全部测试内容。
教学内容
2教师可组织学生自主测试，根据学生薄弱点进行针对性辅导。
教学建议
END