发酵设备和代表性发酵产品工艺过程

关于发酵设备和代表性发酵产品工艺过程第一页，共五十八页，2022年，8月28日本章内容第一节发酵设备；第二节代表性发酵产品工艺过程第二页，共五十八页，2022年，8月28日发酵工程实验室包括：无菌室准备室湿地板区通用实验区分析区接种操作菌种培养等发酵发酵液的分析配制培养基等第三页，共五十八页，2022年，8月28日无菌室拉门更衣室缓冲间消毒间拱形顶，水滴会滑下来，不会直接滴下来坡形地面，便于泻水高度：一人加一手，便于消毒清扫；墙面涂上漆，最好不锈钢材料，光滑；顶上安紫外灯，高出操作台30cm工作台第四页，共五十八页，2022年，8月28日第五页，共五十八页，2022年，8月28日第六页，共五十八页，2022年，8月28日超净工作台超净台是80年代开始问世的一种防止污染的装置。其主要功能是利用空气层流装置排除工作台面上部包括微生物在内的各种微小尘埃。通过电动装置使空气通过高效过滤器具后进入工作台面，使台面始终保持在流动无菌空气控制之下。而且在接近外部的一方有一道高速流动的气帘防止外部带菌空气进入。第七页，共五十八页，2022年，8月28日第八页，共五十八页，2022年，8月28日操作人员的穿着第九页，共五十八页，2022年，8月28日准备室天平、灭菌锅、培养箱、pH计摇床灭菌消毒：KMnO4和甲醛熏蒸，比例根据污染程度而定；注意安全，关好窗防止MnO2跑掉。往复式——供氧比较好，但培养液容易溅起、易污染旋转式——溶解氧较少，培养液不容易溅起第十页，共五十八页，2022年，8月28日通用试验区培养基的配制、细胞干重以及普通的测定（粘度等）第十一页，共五十八页，2022年，8月28日湿地板区发酵罐、蒸馏装置、灭菌设施等地板可以承载一定的负荷第十二页，共五十八页，2022年，8月28日分析区气相色谱仪、液相色谱仪、分光光度计等避免潮湿、振动，保证读数的准确性和仪器的使用寿命第十三页，共五十八页，2022年，8月28日第一节发酵设备发酵主要设备:为发酵罐和种子罐，它们各自都附有原料（培养基）调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气调节和除菌设备，以及搅拌器等。种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。发酵罐：承担产物的生产任务。它必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，从而获得高产。第十四页，共五十八页，2022年，8月28日14一、发酵罐

发酵罐的定义：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。第一节发酵设备第十五页，共五十八页，2022年，8月28日15发酵罐系统

一个优良的发酵罐装置和组成：（1）应具有严密的结构（2）良好的液体混合特性（3）好的传质相传热速率（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表第一节发酵设备第十六页，共五十八页，2022年，8月28日16发酵罐发展历史

第一阶段：1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。第二阶段：1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。第一节发酵设备第十七页，共五十八页，2022年，8月28日17第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。第一节发酵设备第十八页，共五十八页，2022年，8月28日18发酵罐的特点：

（1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。

第一节发酵设备第十九页，共五十八页，2022年，8月28日19发酵罐的类型：

好气发酵罐：

抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数；厌气发酵罐：

丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。1．按微生物生长代谢需要分类：第一节发酵设备第二十页，共五十八页，2022年，8月28日20机械搅拌通风发酵罐：包括通风式发酵罐和自吸式发酵罐等。非机械搅拌通风发酵罐：包括鼓泡式发酵罐、液体循环式发酵罐。这两类发酵罐是采用不同的手段使发酵罐内的气、固、液三相充分混合，从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求。2.按照发酵罐设备特点分类：第一节发酵设备第二十一页，共五十八页，2022年，8月28日21固体发酵量少浅盘，帘子量多厚层通风发酵设备液体发酵厌氧发酵好氧发酵机械搅拌风搅非循环式——通用式机械搅拌发酵罐、自吸式循环式伍氏（内循环）、泵循环、文氏管循环（外循环）非循环式——循环式——空气带升式喷射式排管式三、按发酵基质状态分类第二十二页，共五十八页，2022年，8月28日排管传热气通式发酵罐

机械搅拌通气式发酵罐又称为通用式发酵罐，是工业上最常用的一种微生物反应器。

优点是：发酵液的pH值和温度易于控制；适合连续培养。①优点②缺点⑴通气式发酵罐

主要缺点是：设备结构复杂，难以清洗；在丝状菌的培养过程中，细胞易受损伤。1、机械搅拌通风发酵罐第二十三页，共五十八页，2022年，8月28日通用式机械搅拌发酵罐结构

设备主要部件包括：罐身电机搅拌轴轴封消泡器搅拌器联轴器中间轴承空气吹泡管（或空气喷射器）挡板冷却（传热）装置人孔以及视镜其它第二十四页，共五十八页，2022年，8月28日⑵自吸式发酵罐

不需要空压机供应压缩空气，它是利用搅拌器旋转时产生的负压吸入空气。

搅拌与供空气均由机械搅拌器完成，省去空压机。①优点

吸程不高，须采用低阻力高效空气除菌装置，对无菌要求高的发酵不适应；由于空气在搅拌时直接进入发酵罐，故对厌氧菌的发酵不适应。②缺点第二十五页，共五十八页，2022年，8月28日2.鼓泡式发酵罐

鼓泡式发酵罐是借助鼓入空气而提供混合与传质所需的功率。排气排料进料进料空气

鼓泡式发酵罐的结构如右图所示，空气与培养液由下部鼓入罐体，并以分散系通过筛板鼓泡。

鼓泡式发酵罐结构简单，造价低，动力消耗较小，避免了机械搅拌因轴封不严带来的杂菌污染，减小了对丝状菌培养过程中的细胞易受损伤。鼓泡式发酵罐一般较适用于，培养液粘度低、固含量低、需氧量较低的发酵过程。第二十六页，共五十八页，2022年，8月28日3.液体循环式发酵罐

与鼓泡式发酵罐相似，不设机械搅拌，但在罐外设体外循环管，或在罐内设导流筒（拉力筒）。

气升式发酵罐结构简单，造价低，动力消耗较小，避免了机械搅拌因轴封不严带来的杂菌污染，减小了对丝状菌培养过程中的细胞易受损伤。气升式发酵罐一般较适用于，粘度低、固含量低的培养液。⑴气升环流式发酵罐排气排料进料空气排气排料进料空气第二十七页，共五十八页，2022年，8月28日⑵喷嘴环流式发酵罐采用机械泵引射压缩空气，在喷嘴处形成剪切力场，将射入的空气在液相中分散为小气泡。这些小气泡在罐内开始会积聚出较大的气泡，通过环流后将重新分散，从而加快了传质速率。

与机械搅拌式发酵罐相比，在同样耗能的前提下，喷嘴环流式发酵罐的氧传质速率要高得多。与气升式发酵罐比较，喷嘴环流式发酵罐的适用氛围相对较广。排气排料进料空气外循环支路喷嘴第二十八页，共五十八页，2022年，8月28日⑶连续管道发酵器

连续管道发酵器有多种多样，可以是直管也可以是蛇管。培养液和种子液不断流入发酵器进行发酵。连续管道发酵器主要用于厌氧发酵。种子罐管道发酵器培养液种子液第二十九页，共五十八页，2022年，8月28日一般认为50L以下的是实验室发酵罐；50-5000L是中试发酵罐；5000L以上是生产规模的发酵罐。3．按容积分类：第一节发酵设备第三十页，共五十八页，2022年，8月28日30小试机械搅拌通气式发酵罐（实验室用，1L-50L）第三十一页，共五十八页，2022年，8月28日中试机械搅拌通气式发酵罐（50L-5000L）第三十二页，共五十八页，2022年，8月28日第三十三页，共五十八页，2022年，8月28日⑴青霉素又被称为青霉素G、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾等。青霉素－CH2－C－NH－OONCOOHCH3CH3S氨苄青霉素－CH－C－NH－OONCOOHCH3CH3SNH2第二节代表性发酵产品生产工艺过程第三十四页，共五十八页，2022年，8月28日青霉素的理化性质1、稳定性

固体青霉素盐的稳定性与其含水量和纯度有很大的关系.2、溶解度

青霉素游离酸在水中溶解度很小，易溶于有机溶剂如醋酸乙酯、苯、氯仿、丙酮和乙醚中，而其钾盐、钠盐易溶于水和甲醇，可溶于乙醇。3、降解反应

青霉素是很不稳定的化合物，遇酸碱或加热易分解而失去活性，并发生分子重排。4、紫外吸收5、过敏反应第三十五页，共五十八页，2022年，8月28日青霉素发酵工艺1.发酵工艺流程第三十六页，共五十八页，2022年，8月28日（1）菌种（a）最早发现的产生青霉素的原始菌种是点青霉菌，生产能力很低，不能满足工业生产要求，所以被淘汰。现在主要采用的是产黄青霉菌。（b）为了提高产黄青霉的青霉素产量使用的诱变剂如：二环氧丁烷、甲磺酸乙酯、乙烯亚胺、亚硝酸、X射线等。（2）孢子制备将沙土孢子先在用甘油、葡萄糖、蛋白胨组成的培养基进行斜面培养，经传代活化。最适生长温度25~26ºC，培养6~8天，得单菌落，再传斜面，培养7天，制得斜面孢子。再移植到优质小米或大米固体培养基上，25ºC，相对湿度45%-50%，生长7天，制得小米孢子。孢子成熟后进行真空干燥，低温保存备用。第三十七页，共五十八页，2022年，8月28日（3）种子罐培养工艺一级种子发酵：发芽罐，孢子萌发，形成菌丝。培养基：葡萄糖，玉米浆，碳酸钙，玉米油,消沫剂等；接种量：>200亿孢子/t培养基空气流量：1：3（m3/m3·min）；搅拌转速：300-350r/min；pH：自然；温度：27±1℃；时间：40h。第三十八页，共五十八页，2022年，8月28日二级种子罐：繁殖罐，大量繁殖。培养基：葡萄糖、玉米浆，玉米油，消沫剂等；接种量：10％；空气流量：1:1-1.5（m3/m3·min）；搅拌转速：250-280r/min；pH：自然；温度：25±1℃；时间：10-14h；第三十九页，共五十八页，2022年，8月28日（4）生产罐培养工艺三级罐：生产罐；培养基：花生饼粉，葡萄糖，尿素，硝酸铵，硫代硫酸钠，苯乙酰胺，CaCO3,玉米油，硅油.第四十页，共五十八页，2022年，8月28日温度控制变温控制：不同阶段不同温度。生长阶段：较高温度，缩短生长时间；生产阶段适当降低温度，以利于青霉素合成。前期控制26℃左右，后期降温控制22℃。pH控制合成适宜pH6.4－6.6左右，避免超过7.0直接加酸或碱：自动控制流加葡萄糖：恒速；变速，依赖pH变化快慢。pH下降：补加CaCO3、通氨、尿素或提高通气量pH上升：补加糖、生理酸性物质（硫酸铵、油脂）恒速补糖，用酸或碱控制方式。根据pH补糖变温控制：第四十一页，共五十八页，2022年，8月28日溶氧控制＜30％饱和度，产率急剧下降；＜10％，造成不可逆的损害。临界溶氧浓度：30％。通气比：1:0.8－1.5vvm。适宜的搅拌速度：保证气液混合，提高溶氧。第四十二页，共五十八页，2022年，8月28日菌丝生长速度与形态、浓度发酵稳定期，湿菌浓度可达15%~20%，丝状菌干重约3%，球状菌干重在5%左右。在发酵中后期一般每天放一次，每次放掉总发酵液的10%左右。消泡天然油脂：玉米油；化学消沫剂：泡敌。前期：主间歇搅拌，少加油中期：搅拌、加油、稍微降低通气量（必要时）策略：少量多次。后期：尽量少加消沫剂。第四十三页，共五十八页，2022年，8月28日二、提炼工艺过程在提炼过程中要遵循下面四个原则：1、时间短2、温度低3、pH适中4、勤清洗消毒第四十四页，共五十八页，2022年，8月28日（1）预处理青霉素的存在部位：发酵液浓度较低：10－30Kg/m3含有大量杂质：菌体细胞、核酸、杂蛋白质、细胞壁多糖等、残留的培养基、色素、盐离子、代谢产物等目的：浓缩目的产物，去除大部分杂质，改变发酵液的流变学特征，利于后续的分离纯化过程。预处理：发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白。第四十五页，共五十八页，2022年，8月28日（2）过滤鼓式真空过滤机过滤：一次滤液：，略浑，棕黄或绿色，蛋白质含量0.5-2.0%。板框式过滤机过滤：硫酸调节，加入0.07%溴代十五烷吡啶，0.07%硅藻土为助虑剂。二次滤液：澄清透明，用于提取（收率90％）第四十六页，共五十八页，2022年，8月28日（3）溶剂萃取原理：青霉素游离酸易溶于有机溶剂，而青霉素盐易溶于水。萃取剂：青霉素分配系数高的有机溶剂。工业上通常用：醋酸丁酯和醋酸戊酯。除去蛋白质：加0.05-0.1%去乳化剂PPB。萃取：2－3次。多级逆流萃取方式第四十七页，共五十八页，2022年，8月28日（4）脱色和去热原质1.萃取液中添加活性炭，除去色素。2.过滤，除去活性炭。第四十八页，共五十八页，2022年，8月28日（5）结晶——直接结晶加醋酸钠－乙醇溶液反应：得到结晶钠盐。加醋酸钾－乙醇溶液：得到青霉素钾盐薄膜蒸发工艺图第四十九页，共五十八页，2022年，8月28日(2)谷氨酸的发酵工艺第五十页，共五十八页，2022年，8月28日

谷氨酸非必须氨基酸，是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，在代谢上具有重要意义。在医学上主要用于治疗肝性昏迷；另外谷氨酸作为神经中枢及大脑皮质的补剂，对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫以及对弱智儿童均有一定疗效。①谷氨酸（L-GLU）HOOC—CH2—CH2—CH—COOHNH2

谷氨酸钠是由钠离子与谷氨酸根离子形成的盐，是食品工业调味料味精的主要成分，也是鸡精的重要成分。HOOC—CH2—CH2—CH—COONaNH2谷氨酸钠晶体第五十一页，共五十八页，2022年，8月28日淀粉液化（水解）α－淀粉酶水解液糊精、低聚糖糖化（水解）糖化酶糖化液（葡萄糖）

发酵法生产谷氨酸一般采用淀粉或糖蜜，我国大多数厂家是采用淀粉为原材料。在发酵法工艺中，几乎所有的氨基酸产生菌都不能直接利用淀粉或糊精，需对淀粉进行水解处理。淀粉的水解可采用酸解法或酶解法。目前，国内外厂家多以酶解法为主。其流程如下：【淀粉的糖化】85℃，pH=6.060℃，24h

过去氨基酸都是从蛋白质水解液中分离提取。自1965年日本采用发酵法生产谷氨酸后，发酵法生产氨基酸逐步取代了传统的水解法工艺，使得发酵法在氨基酸生产中占主导的地位。②生产工艺流程第五十二页，共五十八页，2022年，8月28日【菌种扩大培养及发酵】发酵30-37℃，30h发酵液北京棒杆菌斜面培养32℃，18-24h菌种一级种子培养32℃，12h二级种子培养32℃，7-10h★斜面培养基蛋白胨、牛肉膏、NaCl、琼脂；

pH=7.0-7.2★一级种子培养基葡萄糖、玉米浆、尿素、KH2PO4、MgSO4、Fe2(SO4)3及MnSO4；

pH=6.5－6.8★二级种子培养基糖化液(葡萄糖)、玉米浆、尿素、KH2PO4、MgSO4、Fe2(SO4)3及MnSO4；

pH=6.5－6.8（振荡）（通气、搅拌）第五十三页，共五十八页，2022年，8月28日谷氨酸发酵液丙酮酸北京棒杆菌菌种扩大培养淀粉酶解糖化液EMP酵解菌种接种三羧酸循环谷氨酸脱氢酶转氨基发酵★EMP酵解在细胞浆内所发生的，由葡萄糖直接分解为丙酮酸的过程。该途径又称Embden-Meyerhof-Parnus途径，简称EMP酵解。★三羧酸循环

由乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸，柠檬酸经一系列反应，再氧化脱羧，经α-酮戊二