發(fā)酵罐及發(fā)酵工程應(yīng)用實(shí)例

關(guān)于發(fā)酵罐及發(fā)酵工程應(yīng)用實(shí)例第1頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月一、發(fā)酵罐

由于氧在培養(yǎng)液中的溶解度較小，為了增加培養(yǎng)液中氧的濃度，滿足微生物的需求，保持培養(yǎng)液的均勻懸浮狀態(tài)，促使發(fā)酵熱散失，往往需要在發(fā)酵罐中通氣、攪拌。

在發(fā)酵生產(chǎn)中，除了某些溶劑（如：乙醇、丙酮、丁醇）及乳酸等少數(shù)產(chǎn)品是厭氧發(fā)酵外，多數(shù)發(fā)酵產(chǎn)品都是好氧培養(yǎng)得到的。

生物化工生產(chǎn)中常用的發(fā)酵罐可根據(jù)其攪拌的方式不同，將其分為機(jī)械攪拌、壓縮空氣鼓泡攪拌和強(qiáng)制液體循環(huán)攪拌三種類型。1.機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐

機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐可根據(jù)其攪拌形式分為，通氣式發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐等。第2頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月排管傳熱氣通式發(fā)酵罐

機(jī)械攪拌通氣式發(fā)酵罐又稱為通用式發(fā)酵罐，是工業(yè)上最常用的一種微生物反應(yīng)器。

通氣式發(fā)酵罐的主要優(yōu)點(diǎn)是：發(fā)酵液的pH值和溫度易于控制；適合連續(xù)培養(yǎng)。①優(yōu)點(diǎn)②缺點(diǎn)⑴通氣式發(fā)酵罐

通氣式發(fā)酵罐的主要缺點(diǎn)是：設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以清洗；在絲狀菌的培養(yǎng)過程中，細(xì)胞易受損傷。第3頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵自吸式發(fā)酵罐

自吸式發(fā)酵罐不需要空壓機(jī)供應(yīng)壓縮空氣，它是利用攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓吸入空氣。

攪拌與供空氣均由機(jī)械攪拌器完成，省去空壓機(jī)。①優(yōu)點(diǎn)

吸程不高，須采用低阻力高效空氣除菌裝置，對無菌要求高的發(fā)酵不適應(yīng)；由于空氣在攪拌時(shí)直接進(jìn)入發(fā)酵罐，故對厭氧菌的發(fā)酵不適應(yīng)。②缺點(diǎn)第4頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月一、KRH-PJ發(fā)酵罐系列產(chǎn)品基本性能發(fā)酵罐的控制是液晶觸摸屏操作界面，PLC控制器。該設(shè)備對溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、PH值、DO值、消泡、多路補(bǔ)料、加酸、加堿、壓力、通氣量等參數(shù)實(shí)時(shí)測量和自動(dòng)控制。兩種市售機(jī)械攪拌發(fā)酵罐二、30BS-100JS-3000發(fā)酵罐罐體材料——不銹鋼。

攪拌系統(tǒng)——采用上懸掛強(qiáng)磁力攪拌系統(tǒng)，無機(jī)械密封不易泄漏，底部無頂針罐底磁力攪拌?？刂葡到y(tǒng)——自動(dòng)、手動(dòng)。泡沫控制——全自動(dòng)PID測控與報(bào)警，蠕動(dòng)泵自動(dòng)添加消泡劑。第5頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.鼓泡式發(fā)酵罐

鼓泡式發(fā)酵罐是借助鼓入空氣而提供混合與傳質(zhì)所需的功率。排氣排料進(jìn)料進(jìn)料空氣

鼓泡式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)如右圖所示，空氣與培養(yǎng)液由下部鼓入罐體，并以分散系通過篩板鼓泡。

鼓泡式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，動(dòng)力消耗較小，避免了機(jī)械攪拌因軸封不嚴(yán)帶來的雜菌污染，減小了對絲狀菌培養(yǎng)過程中的細(xì)胞易受損傷。鼓泡式發(fā)酵罐一般較適用于，培養(yǎng)液粘度低、固含量低、需氧量較低的發(fā)酵過程。第6頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月3.液體循環(huán)式發(fā)酵罐

氣升式發(fā)酵罐與鼓泡式發(fā)酵罐相似，不設(shè)機(jī)械攪拌，但在罐外設(shè)體外循環(huán)管，或在罐內(nèi)設(shè)導(dǎo)流筒（拉力筒）。

氣升式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，動(dòng)力消耗較小，避免了機(jī)械攪拌因軸封不嚴(yán)帶來的雜菌污染，減小了對絲狀菌培養(yǎng)過程中的細(xì)胞易受損傷。氣升式發(fā)酵罐一般較適用于，粘度低、固含量低的培養(yǎng)液。⑴氣升環(huán)流式發(fā)酵罐排氣排料進(jìn)料空氣排氣排料進(jìn)料空氣第7頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵噴嘴環(huán)流式發(fā)酵罐

噴嘴環(huán)流式發(fā)酵罐采用機(jī)械泵引射壓縮空氣，在噴嘴處形成剪切力場，將射入的空氣在液相中分散為小氣泡。這些小氣泡在罐內(nèi)開始會(huì)積聚出較大的氣泡，通過環(huán)流后將重新分散，從而加快了傳質(zhì)速率。

與機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐相比，在同樣耗能的前提下，噴嘴環(huán)流式發(fā)酵罐的氧傳質(zhì)速率要高得多。與氣升式發(fā)酵罐比較，噴嘴環(huán)流式發(fā)酵罐的適用氛圍相對較廣。排氣排料進(jìn)料空氣外循環(huán)支路噴嘴第8頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光照氣升式發(fā)酵罐KRH-WQ發(fā)酵罐系列產(chǎn)品基本性能發(fā)酵罐的控制是光照氣升式反應(yīng)器采用外循環(huán)，由罐體和外掛式提升管組成，在提升管內(nèi)置為冷光源的光照系統(tǒng)，光照時(shí)間可根據(jù)工藝要求而定。該設(shè)備配有多個(gè)發(fā)酵罐專用標(biāo)準(zhǔn)接口，如pH接口、DO接口、溫控接口、接種口、消泡報(bào)警口等。兩種市售氣升式發(fā)酵罐二、氣升內(nèi)環(huán)流發(fā)酵罐AIF發(fā)酵罐系列產(chǎn)品特點(diǎn)：氣流攪拌，剪切力小，特別適用于霉菌菌絲體和動(dòng)植物細(xì)胞等剪切敏感體系的純培養(yǎng)。無機(jī)械密封，具有可靠的抗污染密封性能。第9頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶連續(xù)管道發(fā)酵器

連續(xù)管道發(fā)酵器有多種多樣，可以是直管也可以是蛇管。培養(yǎng)液和種子液不斷流入發(fā)酵器進(jìn)行發(fā)酵。連續(xù)管道發(fā)酵器主要用于厭氧發(fā)酵。種子罐管道發(fā)酵器培養(yǎng)液種子液第10頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月資料卡片1.抗生抗生是生物之間的一種相互關(guān)系，即一種生物通過分泌化學(xué)物質(zhì)來抑制、排斥另一種生物的現(xiàn)象。此現(xiàn)象主要發(fā)生于微生物之間，也見于某些植物和動(dòng)物。

2.抗生素抗生素是指由微生物（包括細(xì)菌、真菌、放線菌屬）或高等動(dòng)植物在生活過程中，所產(chǎn)生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產(chǎn)物，能干擾或抑制其它生物活細(xì)胞發(fā)育功能的化學(xué)物質(zhì)。二、發(fā)酵工程應(yīng)用實(shí)例1.抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)問題：什么是抗生(antibiosis)？什么是抗生素(antibiotics)？第11頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴抗生素的種類

抗生素的種類繁多（目前已知天然抗生素不下萬種）。從合成的角度來看，抗生素可簡單地分為天然品和人工合成品，前者由微生物代謝產(chǎn)生的，后者是對天然抗生素進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造獲得的部分合成產(chǎn)品。

例如：由真菌產(chǎn)生的抗生素——青霉素。青霉素－CH2－C－NH－OONCOOHCH3CH3S氨芐青霉素－CH－C－NH－OONCOOHCH3CH3SNH2第12頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月孢子制備種子罐（一級）種子罐（二級）種子培養(yǎng)25℃40-45h種子培養(yǎng)25℃13-15h種子種子制備發(fā)酵的上游工程發(fā)酵發(fā)酵罐（一級）發(fā)酵罐（二級）發(fā)酵罐（三級）22－26℃40－45h發(fā)酵13－15h發(fā)酵液放罐過濾pH=5.015℃濾液萃取萃取液濃縮、脫色結(jié)晶、干燥青霉素鹽（產(chǎn)品）醋酸丁酯（BA萃取液）發(fā)酵的下游工程（提煉）①工藝流程菌種黃青霉素冷凍管斜面母瓶大米孢子孢子培養(yǎng)25℃6-7天孢子培養(yǎng)25℃6-7天成熟孢子⑵青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)第13頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

基質(zhì)濃度在分批發(fā)酵過程中，常因前期基質(zhì)量濃度過高，對生物合成酶系產(chǎn)生阻遏（或抑制）或?qū)z生長產(chǎn)生抑制（如葡萄糖和錢的阻遏或抑制，苯乙酸的生長抑制）；而后期基質(zhì)濃度低限制了菌絲生長和產(chǎn)物合成，為了避免這一現(xiàn)象，在青霉素發(fā)酵中通常采用補(bǔ)料分批操作法，緩慢流加基質(zhì)以維持一定的最適濃度。在基質(zhì)流加中特別注意的是葡萄糖的流加。因?yàn)槠咸烟羌词故浅鲎钸m濃度范圍較小的波動(dòng)，都將引起嚴(yán)重的阻遏或限制，使生物合成速度減慢或停止。由于目前糖濃度的檢測尚難在線進(jìn)行，故葡萄糖的流加不是依據(jù)糖濃度控制，而是間接根據(jù)pH值、溶氧或C02釋放率予以調(diào)節(jié)?！净|(zhì)濃度】①工藝控制

在青霉素發(fā)酵工程中，其主要工藝控制因素有基質(zhì)濃度、溫度、pH值和溶氧等。第14頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

青霉素發(fā)酵的最適溫度隨所用菌株的不同可能稍有差別，但一般認(rèn)為應(yīng)在25℃左右較好。溫度過高將明顯降低發(fā)酵產(chǎn)率，同時(shí)增加葡萄糖的維持消耗，降低葡萄糖至青霉素的轉(zhuǎn)化率?！緶囟取?/p>

對于好氧的青霉素發(fā)酵來說，溶氧濃度是影響發(fā)酵過程的一個(gè)重要因素。當(dāng)溶氧濃度降到30%飽和度以下時(shí)，青霉素產(chǎn)率急劇下降；低于10%飽和度時(shí)，則造成不可逆的損害。當(dāng)溶氧濃度過高，說明菌絲生長不良或加糖率過低，造成呼吸強(qiáng)度下降，同樣影響生產(chǎn)能力的發(fā)揮。【溶氧】

青霉素發(fā)酵的最適pH值一般認(rèn)為在6.5左右較好，有時(shí)也可以略高或略低一些，但應(yīng)盡量避免pH>7.0。因?yàn)榍嗝顾卦趬A性條件下不穩(wěn)定，容易加速其水解?！緋H值】第15頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶紅霉素的發(fā)酵生產(chǎn)①紅霉素

紅霉素是由紅色鏈霉菌（Streptomyceserythreus）所產(chǎn)生的大環(huán)內(nèi)酯（macrolide）系的代表性的抗生素。其抗菌譜主要是部分革蘭陰性桿菌，與青霉素同屬于窄譜抗生素（NarrowSpectrumAntibiotics）。紅霉素HCH3H3CHH3COHOHOHHOH3COHC2H5OHCH3HHHCH3CH3N(CH3)2OHOOOCH3H3COOHOCH3

紅霉素分子中含有一個(gè)大環(huán)內(nèi)酯作為配糖體，并以糖苷鍵和2個(gè)分子的糖相連。其中糖的二甲胺基顯堿性。多氧大環(huán)內(nèi)酯第16頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月②生產(chǎn)工藝流程菌種紅色鏈霉菌孢子制備發(fā)酵液種子種子制備發(fā)酵孢子制備種子制備溫度：37℃培養(yǎng)基：淀粉、(NH4)2SO4、NaCl、CaCO3、玉米漿、瓊脂pH=7.0－7.2培養(yǎng)基：花生餅粉、蛋白凍、(NH4)2SO4、淀粉、葡萄糖溫度：33－35℃發(fā)酵培養(yǎng)基：黃豆餅粉、玉米漿、淀粉、葡萄糖、(NH4)2SO4、CaCO3、KH2PO4pH=6.5－7.2有氧發(fā)酵第17頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月菌種紅色鏈霉菌孢子培養(yǎng)發(fā)酵液種子種子培養(yǎng)發(fā)酵發(fā)酵液處理甲醛ZnSO4調(diào)酸堿度pH=8.0NaOH過濾過濾液材料的預(yù)處理層析醋酸丁酯BA萃取液離心分離乳酸鹽沉淀過濾洗滌濕晶體干燥<55℃H2OpH=7-8產(chǎn)品（紅霉素堿）第18頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.氨基酸的發(fā)酵生產(chǎn)

氨基酸(aminoacid)是指，含有“氨基”和“羧基”一類有機(jī)化合物的通稱，是蛋白質(zhì)的基本組成單位，是構(gòu)成動(dòng)物營養(yǎng)所需蛋白質(zhì)的基本物質(zhì)。例如：在氨基酸分子中，氨基為堿性基團(tuán)，羧基為酸性基團(tuán)。天然氨基酸均為α－氨基酸。NH2R—CH—COOHα－氨基酸NH2R—CH—CH2—COOHβ－氨基酸⑴氨基酸

我們知道，生物大分子的各種蛋白質(zhì)在生命活動(dòng)中表現(xiàn)出的各種各樣生理功能，主要取決于蛋白質(zhì)中氨基酸的組成。目前，我們所知道的天然氨基酸有300多種，其中人體所需的氨基酸有22種。根據(jù)人體所需氨基酸的情況，常將其分為必須氨基酸和非必須氨基酸兩類。第19頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵谷氨酸的生產(chǎn)

谷氨酸非必須氨基酸，是生物機(jī)體內(nèi)氮代謝的基本氨基酸之一，在代謝上具有重要意義。在醫(yī)學(xué)上主要用于治療肝性昏迷；另外谷氨酸作為神經(jīng)中樞及大腦皮質(zhì)的補(bǔ)劑，對于治療腦震蕩或神經(jīng)損傷、癲癇以及對弱智兒童均有一定療效。①谷氨酸（L-GLU）HOOC—CH2—CH2—CH—COOHNH2

谷氨酸鈉是由鈉離子與谷氨酸根離子形成的鹽，是食品工業(yè)調(diào)味料味精的主要成分，也是雞精的重要成分。HOOC—CH2—CH2—CH—COONaNH2谷氨酸鈉晶體第20頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月淀粉液化（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）

發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸一般采用淀粉或糖蜜，我國大多數(shù)廠家是采用淀粉為原材料。在發(fā)酵法工藝中，幾乎所有的氨基酸產(chǎn)生菌都不能直接利用淀粉或糊精，需對淀粉進(jìn)行水解處理。淀粉的水解可采用酸解法或酶解法。目前，國內(nèi)外廠家多以酶解法為主。其流程如下：【淀粉的糖化】85℃，pH=6.060℃，24h

過去氨基酸都是從蛋白質(zhì)水解液中分離提取。自1965年日本采用發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸后，發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸逐步取代了傳統(tǒng)的水解法工藝，使得發(fā)酵法在氨基酸生產(chǎn)中占主導(dǎo)的地位。②生產(chǎn)工藝流程第21頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月【菌種擴(kuò)大培養(yǎng)及發(fā)酵】發(fā)酵30-37℃，30h發(fā)酵液北京棒桿菌斜面培養(yǎng)32℃，18-24h菌種一級種子培養(yǎng)32℃，12h二級種子培養(yǎng)32℃，7-10h★斜面培養(yǎng)基蛋白胨、牛肉膏、NaCl、瓊脂；

pH=7.0-7.2★一級種子培養(yǎng)基

葡萄糖、玉米漿、尿素、KH2PO4、MgSO4、Fe2(SO4)3及MnSO4；

pH=6.5－6.8★二級種子培養(yǎng)基

糖化液(葡萄糖)、玉米漿、尿素、KH2PO4、MgSO4、Fe2(SO4)3及MnSO4；

pH=6.5－6.8（振蕩）（通氣、攪拌）第22頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月谷氨酸發(fā)酵液丙酮酸北京棒桿菌菌種擴(kuò)大培養(yǎng)淀粉酶解糖化液EMP酵解菌種接種三羧酸循環(huán)谷氨酸脫氫酶轉(zhuǎn)氨基發(fā)酵★EMP酵解在細(xì)胞漿內(nèi)所發(fā)生的，由葡萄糖直接分解為丙酮酸的過程。該途徑又稱Embden-Meyerhof-Parnus途徑，簡稱EMP酵解?！锶人嵫h(huán)由乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸，檸檬酸經(jīng)一系列反應(yīng)，再氧化脫羧，經(jīng)α-酮戊二酸、琥珀酸，再降解成草酰乙酸。HOOOOOHα－酮戊二酸HOOOOHNH2谷氨酸脫氫酶NH4+谷氨酸第23頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月三羧酸循環(huán)示意圖α-酮戊二酸+NH4+

谷氨酸谷氨酸脫氫酶NADH+H+NAD+第24頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月【谷氨酸的提取】過濾谷氨酸發(fā)酵液濾液等電點(diǎn)沉淀酸化pH=4-4.5HClpH=3.22HCl離心分離溶解、脫色沉淀物產(chǎn)品（L-谷氨酸）結(jié)晶谷氨酸納（味精）送制劑

谷氨酸的提取可采用等電點(diǎn)法或離子交換法。等電點(diǎn)法操作簡單，收率60％，周期長，占地面積大；離子交換法的收率相對較高，可達(dá)80～90％。第25頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月【生物素】

作為催化脂肪酸生物合成最初反應(yīng)的關(guān)鍵酶乙酰CoA的輔酶，參與脂肪酸的生物合成，進(jìn)而影響磷酯的合成。②發(fā)酵的控制【種齡和種量】

一級種子控制在11-12h，二級控制在7-8h。接種量為1％。過多，菌體嬌嫩，不強(qiáng)壯，提前衰老自溶，后期產(chǎn)酸量不高?！緋H值】

發(fā)酵前期，幼齡細(xì)胞對pH較敏感，pH過低，菌體生長旺盛，營養(yǎng)成分消耗大，轉(zhuǎn)入正常發(fā)酵慢，長菌不長酸。谷氨酸脫氫酶最適pH為7.0-7.2，轉(zhuǎn)氨酶最適pH7.2-7.4。在發(fā)酵中后期，保持pH不變。過高轉(zhuǎn)為谷氨酰胺，過低氨離子不足?！就L(fēng)量】

不同種齡、種量，培養(yǎng)基成分，發(fā)酵階段及發(fā)酵罐大小要求通風(fēng)量不同。在長菌體階段，通風(fēng)過大，生物素缺乏，抑制菌體生長；在發(fā)酵產(chǎn)酸階段，需要大量通風(fēng)供氧，以防過量生成乳酸和琥珀酸，但通風(fēng)過大，則大量積累a-酮戊二酸。第26頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶賴氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)①賴氨酸（LYS）CH2—CH2—CH2—CH2—CH—COOH

NH2NH2

賴氨酸屬于必須氨基酸（essentialaminoacid），在醫(yī)藥上除了用于治療有關(guān)賴氨酸缺乏癥外，還可作為利尿劑的輔助藥物，治療因血中氯化物減少而引起的鉛中毒現(xiàn)象，還可與酸性藥物（如水楊酸等）生成鹽來減輕不良反應(yīng)，與蛋氨酸合用則可抑制重癥高血壓病。第27頁，課件共31頁，創(chuàng)作于20