第二节-发酵罐及发酵工程应用实例

第二节发酵罐及发酵工程应用实例一、发酵罐二、发酵工程应用实例Fermentthebottleandfermenttheengineeringappliedsolidexample一、发酵罐由于氧在培养液中的溶解度较小，为了增加培养液中氧的浓度，满足微生物的需求，保持培养液的均匀悬浮状态，促使发酵热散失，往往需要在发酵罐中通气、搅拌。在发酵生产中，除了某些溶剂（如：乙醇、丙酮、丁醇）及乳酸等少数产品是厌氧发酵外，多数发酵产品都是好氧培养得到的。生物化工生产中常用的发酵罐可根据其搅拌的方式不同，将其分为机械搅拌、压缩空气鼓泡搅拌和强制液体循环搅拌三种类型。1.机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐可根据其搅拌形式分为，通气式发酵罐、自吸式发酵罐等。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。通气式发酵罐的主要优点是：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通气式发酵罐通气式发酵罐的主要缺点是：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。⑵自吸式发酵罐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缺点一、KRH-PJ发酵罐系列产品基本性能发酵罐的控制是液晶触摸屏操作界面，PLC控制器。该设备对温度、搅拌转速、PH值、DO值、消泡、多路补料、加酸、加碱、压力、通气量等参数实时测量和自动控制。两种市售机械搅拌发酵罐二、30BS-100JS-3000发酵罐罐体材料——不锈钢。

搅拌系统——采用上悬挂强磁力搅拌系统，无机械密封不易泄漏，底部无顶针罐底磁力搅拌。控制系统——自动、手动。泡沫控制——全自动PID测控与报警，蠕动泵自动添加消泡剂。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。3.液体循环式发酵罐气升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⑵喷嘴环流式发酵罐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一、光照气升式发酵罐

KRH-WQ发酵罐系列产品基本性能发酵罐的控制是光照气升式反应器采用外循环，由罐体和外挂式提升管组成，在提升管内置为冷光源的光照系统，光照时间可根据工艺要求而定。该设备配有多个发酵罐专用标准接口，如pH接口、DO接口、温控接口、接种口、消泡报警口等。两种市售气升式发酵罐二、气升内环流发酵罐

AIF发酵罐系列产品特点：气流搅拌，剪切力小，特别适用于霉菌菌丝体和动植物细胞等剪切敏感体系的纯培养。无机械密封，具有可靠的抗污染密封性能。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资料卡片1.抗生抗生是生物之间的一种相互关系，即一种生物通过分泌化学物质来抑制、排斥另一种生物的现象。此现象主要发生于微生物之间，也见于某些植物和动物。

2.抗生素抗生素是指由微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在生活过程中，所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物，能干扰或抑制其它生物活细胞发育功能的化学物质。二、发酵工程应用实例1.抗生素的发酵生产问题：什么是抗生(antibiosis)？什么是抗生素(antibiotics)？⑴抗生素的种类抗生素的种类繁多（目前已知天然抗生素不下万种）。从合成的角度来看，抗生素可简单地分为天然品和人工合成品，前者由微生物代谢产生的，后者是对天然抗生素进行结构改造获得的部分合成产品。

例如：由真菌产生的抗生素——青霉素。青霉素－CH2－C－NH－OONCOOHCH3CH3S氨苄青霉素－CH－C－NH－OONCOOHCH3CH3SNH2孢子制备种子罐（一级）种子罐（二级）种子培养25℃40-45h种子培养25℃13-15h种子种子制备发酵的上游工程发酵发酵罐（一级）发酵罐（二级）发酵罐（三级）22－26℃40－45h发酵13－15h发酵液放罐过滤pH=5.015℃滤液萃取萃取液浓缩、脱色结晶、干燥青霉素盐（产品）醋酸丁酯（BA萃取液）发酵的下游工程（提炼）①工艺流程菌种黄青霉素冷冻管斜面母瓶大米孢子孢子培养25℃6-7天孢子培养25℃6-7天成熟孢子⑵青霉素的发酵生产基质浓度在分批发酵过程中，常因前期基质量浓度过高，对生物合成酶系产生阻遏（或抑制）或对菌丝生长产生抑制（如葡萄糖和钱的阻遏或抑制，苯乙酸的生长抑制）；而后期基质浓度低限制了菌丝生长和产物合成，为了避免这一现象，在青霉素发酵中通常采用补料分批操作法，缓慢流加基质以维持一定的最适浓度。在基质流加中特别注意的是葡萄糖的流加。因为葡萄糖即使是超出最适浓度范围较小的波动，都将引起严重的阻遏或限制，使生物合成速度减慢或停止。由于目前糖浓度的检测尚难在线进行，故葡萄糖的流加不是依据糖浓度控制，而是间接根据pH值、溶氧或C02释放率予以调节。【基质浓度】①工艺控制在青霉素发酵工程中，其主要工艺控制因素有基质浓度、温度、pH值和溶氧等。青霉素发酵的最适温度随所用菌株的不同可能稍有差别，但一般认为应在25℃左右较好。温度过高将明显降低发酵产率，同时增加葡萄糖的维持消耗，降低葡萄糖至青霉素的转化率。【温度】对于好氧的青霉素发酵来说，溶氧浓度是影响发酵过程的一个重要因素。当溶氧浓度降到30%饱和度以下时，青霉素产率急剧下降；低于10%饱和度时，则造成不可逆的损害。当溶氧浓度过高，说明菌丝生长不良或加糖率过低，造成呼吸强度下降，同样影响生产能力的发挥。【溶氧】青霉素发酵的最适pH值一般认为在6.5左右较好，有时也可以略高或略低一些，但应尽量避免pH>7.0。因为青霉素在碱性条件下不稳定，容易加速其水解。【pH值】⑶红霉素的发酵生产①红霉素红霉素是由红色链霉菌（Streptomyces

erythreus）所产生的大环内酯（macrolide）系的代表性的抗生素。其抗菌谱主要是部分革兰阴性杆菌，与青霉素同属于窄谱抗生素（NarrowSpectrumAntibiotics）。红霉素HCH3H3CHH3COHOHOHHOH3COHC2H5OHCH3HHHCH3CH3N(CH3)2OHOOOCH3H3COOHOCH3红霉素分子中含有一个大环内酯作为配糖体，并以糖苷键和2个分子的糖相连。其中糖的二甲胺基显碱性。多氧大环内酯②生产工艺流程菌种红色链霉菌孢子制备发酵液种子种子制备发酵孢子制备种子制备温度：37℃培养基：淀粉、(NH4)2SO4、NaCl、CaCO3、玉米浆、琼脂pH=7.0－7.2培养基：花生饼粉、蛋白冻、(NH4)2SO4、淀粉、葡萄糖温度：33－35℃发酵培养基：黄豆饼粉、玉米浆、淀粉、葡萄糖、(NH4)2SO4、CaCO3、KH2PO4pH=6.5－7.2有氧发酵菌种红色链霉菌孢子培养发酵液种子种子培养发酵发酵液处理甲醛ZnSO4调酸碱度pH=8.0NaOH过滤过滤液材料的预处理层析醋酸丁酯BA萃取液离心分离乳酸盐沉淀过滤洗涤湿晶体干燥<55℃H2OpH=7-8产品（红霉素碱）2.氨基酸的发酵生产氨基酸(aminoacid)是指，含有“氨基”和“羧基”一类有机化合物的通称，是蛋白质的基本组成单位，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质。例如：在氨基酸分子中，氨基为碱性基团，羧基为酸性基团。天然氨基酸均为α－氨基酸。NH2R—CH—COOHα－氨基酸NH2R—CH—CH2—COOHβ－氨基酸⑴氨基酸我们知道，生物大分子的各种蛋白质在生命活动中表现出的各种各样生理功能，主要取决于蛋白质中氨基酸的组成。目前，我们所知道的天然氨基酸有300多种，其中人体所需的氨基酸有22种。根据人体所需氨基酸的情况，常将其分为必须氨基酸和非必须氨基酸两类。⑵谷氨酸的生产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【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）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-酮戊二酸、琥珀酸，再降解成草酰乙酸。HOOOOOHα－酮戊二酸HOOOOHNH2谷氨酸脱氢酶NH4+谷氨酸三羧酸循环示意图α-酮戊二酸+NH4+

谷氨酸谷氨酸脱氢酶NADH+H+NAD+【谷氨酸的提取】过滤谷氨酸发酵液滤液等电点沉淀酸化pH=4-4.5HClpH=3.22HCl离心分离溶解、脱色沉淀物产品（L-谷氨酸）结晶谷氨酸纳（味精）送制剂谷氨酸的提取可采用等电点法或离子交换法。等电点法操作简单，收率60％，周期长，占地面积大；离子交换法的收率相对较高，可达80～90％。【生物素】作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响磷酯的合成。②发酵的控制【种龄和种量】一级种子控制在11-12h，二级控制在7-8h。接种量为1％。过多，菌体娇嫩，不强壮，提前衰老自溶，后期产酸量不高。【pH值】发酵前期，幼龄细胞对pH较敏感，pH过低，菌体生长旺盛，营养成分消耗大，转入正常发酵慢，长菌不长酸。谷氨酸脱氢酶最适pH为7.0-7.2，转氨酶最适pH7.2-7.4。在发酵中后期，保持pH不变。过高转为谷氨酰胺，过低氨离子不足。【通风量】不同种龄、种量，培养基成分，发酵阶段及发酵罐大小要求通风量不同。在长菌体阶段，通风过大，生物素缺乏，抑制菌体生长；在发酵产酸阶段，需要大量通风供氧，以防过量生成乳酸和琥珀酸，但通风过大，则大量积累a-酮戊二酸。⑶赖氨酸的发酵生产①赖氨酸（LYS）CH2—CH2—CH2—CH2—CH—COOH

NH2NH2赖氨酸属于必须氨基酸（essentialaminoacid），在医药上除了用于治疗有关赖氨酸缺乏症外，还可作为利尿剂的辅助药物，治疗因血中氯化物减少而引起的铅中毒现象，还可与酸性药物（如水杨酸等）生成盐来减轻不良反应，与蛋氨酸合用则可抑制重症高血压病。②赖氨酸的发酵生产