发酵基础知识

1、生化公司生化公司发酵车间发酵车间2013.82013.81.1.发酵的定义发酵的定义2.2.发酵工程的发展历史发酵工程的发展历史3.3.发酵罐相关知识发酵罐相关知识4.4.衣康酸发酵衣康酸发酵l发酵一词最初来源于拉丁语“发泡、沸涌”（fervere)的派生词，即指酵母菌在无氧条件下利用果汁或麦芽中的糖类物质进行酒精发酵产生CO2的现象。l现代又对发酵重新定义：发酵泛指微生物在无氧或有氧条件下，通过分解代谢或合成代谢或次生代谢等微生物代谢活动，大量积累人类所需的微生物体或微生物酶或微生物代谢产物的过程。（我公司两个产品主要就是通过有氧代谢得到微生物代谢产物的过程）l发酵工程可以分为：上游工程（主

2、要菌种选育）；发酵工程；下游工程（主要目标物质的提取）；我们现在所说是发酵基本是侠义的值发酵生产工段。发酵现象发酵现象酿造食品工业酿造食品工业非食品工业非食品工业青霉素青霉素抗抗菌素发酵工业菌素发酵工业氨基酸氨基酸, ,核酸发酵（代谢控制发酵）核酸发酵（代谢控制发酵）基因工程菌基因工程菌动物细胞大规模培养动物细胞大规模培养植物细胞大规植物细胞大规模培养模培养藻类细胞大规模培养藻类细胞大规模培养转基因动物转基因动物第一个转折点：第一个转折点：非食品工业非食品工业第二个转折点：第二个转折点：青霉素青霉素抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业第三个转折点：第三个转折点：切断支路代谢切断支路代谢: :酶的活力调

3、控酶的活力调控, ,酶的合成调控酶的合成调控( (反馈控制和反馈控制和反馈阻遏反馈阻遏),),解除菌体自身的反馈调节解除菌体自身的反馈调节, , 突变株的应用突变株的应用, ,前体、终产物、副产物等前体、终产物、副产物等近代转折点：近代转折点：基因、动物、海洋基因、动物、海洋l16801680年制成显微镜年制成显微镜 微生物的存在微生物的存在l18571857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的l18971897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精 酶酶 人们的对发酵技术的认识起始于人们的对发酵技术的认识起

4、始于1919世纪末，主要来自于世纪末，主要来自于厌氧发酵，厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。酵食品。 2020世纪初期，世纪初期，19161916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）由食品工业向非食品工业发展由食品工业向非食品工业发展好氧发酵技术：好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小母，用米曲霉的麸曲

5、代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。毛霉生产干酪。 19331933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。法。生长均匀，增殖时间短。 二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。的发现，迅速形成工业大规摸生产。l19281928年由年由 FlemingFleming发现青霉素发现青霉素 l19411941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：表面培养：1 1升扁瓶或锥形瓶，内装升扁瓶或锥

6、形瓶，内装200mL200mL麦麸培养基麦麸培养基 40u/ml40u/mll19431943年沉浸培养：年沉浸培养： 5m5m3 3 200u/ml 200u/mll当今：当今：100m100m3 3200m200m3 3 5-7 5-7万万u/mlu/ml 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素链霉素、金霉素、新霉索、红霉素主要的技术进展：主要的技术进展：l通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。l抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。污染接种、大型发

7、酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：意义：l抗生素工业的发展抗生素工业的发展l建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法l推动了整个发酵工业的深入发展推动了整个发酵工业的深入发展l为现代发酵工程奠定了基础为现代发酵工程奠定了基础大型空气压缩机大型空气压缩机14n轴封n消泡器n联轴器n搅拌器n中间轴承n挡板n空气分布管n换热装置n人孔以及管路等小罐与大罐有不同的设计一、结构3.机械搅拌通风发酵罐151616台面台面空间空间布置布置17l空消l装料l实消l接种l发酵l放罐l清洗空气蒸汽冷却水物料、补料管接种管取样、放料管压力温度pH溶氧搅

8、拌速度181920l罐径在1米以下的小型发酵罐，罐顶和罐身采用法兰连接l大中型发酵罐：整体焊接。l5吨以下罐，用夹套加热和冷却l5吨以上罐，用罐内的蛇管加热和冷却21操作不当，会造成失稳，原因较多，主要事故吸壁！22l某厂曾因蒸汽实罐灭菌后，罐体长时间处于密封状态, 蒸汽冷凝后罐内成真空, 最后导致罐体成外压失稳。一l我们公司发生过两次发酵罐吸壁事故，这个教训是非常深刻的，这一定要求大家必须按操作规程，安全操作；同时平时工作中需多个心眼，需注意阀门的渗漏检查！24l通用发酵罐通常取值系数范围通用发酵罐通常取值系数范围l搅拌器直径搅拌器直径d =1/3D 1/21/3l罐筒身高罐筒身高H0 =2

9、 D 1.73l挡板宽度挡板宽度B =0.1D 1/81/12l搅拌器间距搅拌器间距S=2d1.52.5l下搅拌器距底间距下搅拌器距底间距C= d0.81.0lHL装料的液面高度装料的液面高度lha 封头凸出部分的高度，标准椭圆封头凸出部分的高度，标准椭圆封封头有：头有： ha 0.25DlHb封头直边高度，据壁厚一般取封头直边高度，据壁厚一般取25、 40、 50mm2526lV0定义为：罐圆筒部分容积底封头容积 能装液的体积l罐中实际装料体积：V 则有：v/v0=0.7-0.8，即装料系数l标准椭圆封头时，l取，再取D/H=2时，有 DhHDVb61420307.1VD 313. 0DVb

10、27l随着罐体高度和液层增高，氧气的利用率增加, 但增长不是线性关系,随着罐体增高, 增长速率随之减慢。n液柱增高，进罐要求的空气压力必须提高，空压机的能耗增加n在罐底气泡受压后体积缩小，气液界面的面积减小n过高的液柱高度,虽增加了O2的分压，但同样增加CO2分压，增加了二氧化碳浓度，可能抑制某些发酵菌种n而且罐体的高度,同厂房高度密切相关。过高会如何？28l搅拌器的作用是：产生强大的总体流动：宏观均匀翻动产生强烈的湍动：微观均匀剪切l搅拌产生三种基本流型：切向流、 轴向流、 径向流。l三种基本流型，同时存在。其中，轴向流与径向流对混合起主要作用而切向流应加以抑制，可通过加入挡板来削弱。29l

11、径向流（流体流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下两个循环流动。）l轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流）l切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时流体从浆叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。）30径向式搅拌器径向式搅拌器n涡轮式搅拌器分为：平叶式、弯叶式、箭叶式三种涡轮式搅拌器分为：平叶式、弯叶式、箭叶式三种n涡轮搅拌器要安一个圆盘q为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿轴上升31l相同半径、转速时，功率

12、消耗：平叶弯叶箭叶l相同搅拌功率下，三者的粉碎气泡的能力：平叶弯叶箭叶l相同搅拌功率下，三者翻动流体的能力：平叶弯叶箭叶微观湍动宏观翻动32轴向式搅拌器轴向式搅拌器b桨叶式桨叶式b旋桨式旋桨式bLightninLightnin式式33l工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形的搅拌器的搅拌器上层：以混合为主的轴流型或箭叶搅拌器，下层：以粉碎气泡为主的平叶涡轮搅拌器。q以三层搅拌器为例，最下层仍采用径向型的涡轮搅拌器，其余两层改用轴向流型搅拌器时，与三层均采用径向流搅拌器相比，功率消耗可降低1530。q国内医药行业在50m3发酵罐内，上两档改装轴流向型搅拌器，作土

13、霉素发酵试验表明，不但消耗功率下降，发酵指数也提高了近15。34l挡板的作用：改变液流的方向，将切向流改为轴向流,防止产生漩涡l数目通常为46块，其宽度为0.10.12 Dl全挡板条件：是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时,搅拌功率不再增加。（消除液面漩涡的最低条件）。5 . 0)12. 01 . 0()(ZDDZDW式中式中 D罐的直径（罐的直径（mm） Z挡板数挡板数 W挡板宽度（挡板宽度（mm）用来校验档板数是否够用来校验档板数是否够35l 轴封的作用：使罐顶或罐底与轴与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。l形式：填料函轴封、机械轴封两种。 l填料函轴封填料函轴封是由填料箱体，填料

14、底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。发酵罐内是正压还是负压？36机械轴封机械轴封n又称端面轴封，由弹性元件、动环和静环组成。n动环固定在轴上，随轴一起转动。静环装在壳体上。动环依靠弹簧的压力与静环紧密接触，阻止流体泄漏。n由两个环的端面互相密切贴合而达密封目的。37l 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段加工，再用联轴器组成牢固的刚性联接。l小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。3839n作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响转动q罐内轴承接触处的轴颈极易磨损，尤可以在与轴承接触处的轴上增加一 个轴套。 40l空气分布装置的作用是吹入无菌空气

15、，并使空气均匀分布。l分布装置的形式有单管及环形管等。l常用的分布装置是单管式，单管式管口对正罐底中央，装于最低一挡搅拌器下面，喷口朝下喷口朝下，管口与罐低的距离约40mml通常通风管的空气流速取20米/秒。为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命，叫补强板。41l泡沫形成的原因泡沫形成的原因发酵液中含有蛋白质等发泡物质。发酵液中含有蛋白质等发泡物质。由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）l危害危害v降低发酵设备的利用率降低发酵设备的利用率v增加了菌群的非均一性增加了菌群的非

16、均一性v增加了染菌的机会增加了染菌的机会v导致产物的损失导致产物的损失v消泡剂会给后提取工序带来困难消泡剂会给后提取工序带来困难42发酵罐的冷却,主要是考虑：l微生物发酵过程的发酵热l机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量l此外还要考虑,发酵罐空消、实消后的冷却时间。43l发酵罐检测参数有:搅拌速度、罐内压力、温度、空气流量、泡沫度,此外还有pH 值、溶氧值、氧化还原电位等l这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能对发酵液产生污染l仪表的测量点的位置应根据罐内发酵液的流型进行合理的布点4411.发酵罐的管路、接口n罐体上的通道口一般有：进料口放料口放料口接种口取样口取样口消泡剂口补料口进气口进气口排

17、气口发酵罐的工作周期n空消实消降温、通气接种、补料、取样放料清洗进料管路有时配在罐体上封头,有时位于罐体下部与放料管路共用一个管口有时取样、放料、接种使用一个口有没有蒸汽进口？l实罐灭菌： “三路进汽”、 “非进即出”“三路进汽”就是在对培养基灭菌时，让蒸汽从空气进口、排料口、取样口进入罐内，由于这三个管都是插入到发酵醪中，若不进蒸汽就会形成灭菌死角。l所有进入发酵罐的管道在灭菌过程中如果不进入蒸汽就一定要进行排气，使所有管道都被蒸汽（或二次蒸汽）通过。l尽量减少管路尽量减少管路l止回阀止回阀l消灭死角小辫子（在主阀门底部焊上，专门做消灭死角小辫子（在主阀门底部焊上，专门做排气用）排气用）l阀

18、门反装阀门反装l消灭渗漏消灭渗漏l灭菌时各蒸汽进口压力均一灭菌时各蒸汽进口压力均一l冷凝水及时排出、蒸汽管道保温冷凝水及时排出、蒸汽管道保温l灭菌后的管道应汽封或无菌空气保压灭菌后的管道应汽封或无菌空气保压l发酵工业中由于使用高温蒸汽对发酵设备进行灭菌, 因此阀门要求是蒸汽级密封。l截止阀截止阀发酵用阀门开启频繁, 并经常受介质腐蚀、冲刷和气蚀的损害。因此对发酵工业, 阀门阀体材料用不锈钢, 软密封关闭件用可更换的聚四氟乙烯垫片48n与发酵罐接触的截止阀，应保证阀座与罐相连。以防阀杆处泻露造成污染安装于一般容器的进料阀方向安装于发酵罐时的方向发酵罐一般容器发酵罐的基本条件发酵罐的基本条件（1） 发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率越高。高，氧的利用率越高。（2） 发酵罐能承受一定的压力。发酵罐能承受一定的压力。（3）要保证发酵液必须的溶解氧。）要保证发酵液必须的溶解氧。（4）发酵罐应具有足够的冷却面积。）发酵罐应具有足够的冷却面积。（5） 发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌。积污，灭菌能彻底，避免染菌。（6） 搅拌器的轴封应严密，减少泄漏。搅拌器的轴封应严密，减少泄漏。l讨论问题：l现公司的发酵罐管道设计、阀门安装存在哪些缺陷？l请回车间后进行观察，适当时间告诉车间和公司l衣