發(fā)酵工程專業(yè)資料模板

資料內容僅供您學習參考，如有不當或者侵權，請聯(lián)系改正或者刪除。第六章發(fā)酵工程與食品產(chǎn)業(yè)1、發(fā)酵工程概述1.1發(fā)酵的定義傳統(tǒng)發(fā)酵用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象,或者是指酒的生產(chǎn)過程。生理學上的發(fā)酵指微生物的有氧呼吸和無氧呼吸以外的一種生物氧化作用,經(jīng)過底物水平磷酸化來獲得代謝能ATP,同時將內源的有機化合物還原成發(fā)酵產(chǎn)物。工業(yè)上的發(fā)酵泛指利用微生物生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一種生產(chǎn)方式。1.2發(fā)酵工程的應用范圍1.3發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展歷史天然發(fā)酵時代發(fā)酵工業(yè)第一個轉折期:純培養(yǎng)技術發(fā)酵工業(yè)第二個轉折期:通風攪拌技術發(fā)酵工業(yè)第三個轉折期:代謝控制發(fā)酵技術發(fā)酵工業(yè)第四個轉折期:發(fā)酵原料的轉變發(fā)酵工業(yè)第五個轉折期:遺傳工程技術1.4發(fā)酵過程的組成部分2、發(fā)酵設備與基本工藝過程2.1生物反應器發(fā)酵罐是供微生物在滅菌后的培養(yǎng)基中進行生命活動和代謝的設備。要求:能夠提供微生物生命活動和代謝所要求的條件,并便于操作和控制,保證工藝條件的實現(xiàn),從而獲得高產(chǎn)。2.1.1厭氧發(fā)酵設備對這類發(fā)酵罐的要求:能封閉;能承受一定壓力;罐內應盡量減少死角;有冷卻設備2.1.2好氧發(fā)酵設備2.1.2.1機械攪拌式發(fā)酵罐原理:利用機械攪拌器的作用,使空氣和發(fā)酵液充分混合,促使氧在發(fā)酵液中溶解,以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。典型類型:通用式發(fā)酵罐和自吸式發(fā)酵罐。1)通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐是指既具有機械攪拌,又有壓縮空氣分布裝置的發(fā)酵罐。它是利用機械攪拌器的作用使通入的無菌空氣和發(fā)酵液充分混合,促使氧在發(fā)酵液中溶解,滿足微生物生長繁殖和發(fā)酵所需要的氧氣,同時強化熱量的傳遞。通用式發(fā)酵罐的基本要求:發(fā)酵罐罐體各部分的尺寸應具有適宜的比例;發(fā)酵罐的攪拌通風裝置能使氣液充分混合,保證發(fā)酵液必須的溶解氧;發(fā)酵罐應具足夠冷卻面積;攪拌器的軸封應嚴密,盡量減少泄漏。發(fā)酵罐的結構:(1)罐體的尺寸比例(2)攪拌器作用:使空氣與溶液均勻接觸,使氧溶解于發(fā)酵液中。類型:軸向式和徑向式。軸向式攪拌器:槳葉式、螺旋槳式徑向式(渦輪式)攪拌器:平直葉、彎葉、箭葉(3)擋板作用:改變液流的方向,促使液體劇烈翻動,增加溶解氧。擋板條件:能達到消除液面旋渦的最低條件。(4)軸封作用:使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封,防止泄漏和污染雜菌。常見的軸封有填料函和端面軸封兩種。①填料函式軸封:是由填料箱體、填料底襯套、填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構成,使旋轉軸達到密封的效果。用作填料的材料應具備如下特性:有一定的彈塑性;化學穩(wěn)定性;不滲透性;自潤滑性;耐溫性;制造簡單,價格低廉。優(yōu)點:結構簡單。主要缺點:容易滲漏及染菌;軸的磨損情況較嚴重;填料壓緊后摩擦功率消耗大;壽命短,經(jīng)常維修,耗工時多。②端面式軸封密封作用是靠彈性元件的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合,并作相對轉動而達到密封。優(yōu)點:密封可靠;摩擦功率耗損小,使用壽命長;對軸的磨損極微;對軸的震動敏感性小缺點:結構比填料密封復雜,裝拆不便;對動環(huán)及靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高。(5)發(fā)酵罐的換熱裝置①夾套式換熱裝置適用:容積較小的發(fā)酵罐、種子罐優(yōu)點:結構簡單;加工容易,罐內無冷卻設備,死角少,容易進行清潔滅菌工作,有利于發(fā)酵。缺點:傳熱壁較厚,冷卻水流速低,發(fā)酵時降溫效果差。②豎式蛇管換熱裝置適用:容積5米3以上的發(fā)酵罐優(yōu)點:冷卻水在管內的流速大;傳熱系數(shù)高。缺點:氣溫高的地區(qū),應采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻,這樣就增加了設備投資及生產(chǎn)成本。(2)自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機,而在攪拌過程中自動吸入空氣的發(fā)酵罐。自吸式發(fā)酵罐罐體的結構與通用式發(fā)酵罐主要區(qū)別在于攪拌器的形狀和結構不同。自吸式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器(轉子)。轉子由箱底向上升入的主軸帶動,當轉子轉動時空氣則由導氣管吸入。優(yōu)點:動能消耗較小,一般只為通用式發(fā)酵罐的攪拌功率與壓縮空氣動力消耗之和的2/3左右;溶氧效果好,自吸式發(fā)酵罐氣-液混合情況較好,氣泡分散較細,能在較低的通氣量情況下,使氧的吸收系數(shù)達到通用發(fā)酵罐的水平。缺點:罐壓較低、易起泡沫。2.1.2.2氣升式發(fā)酵罐工作原理是在罐內或罐外設上升管,上升管兩端分別與罐底及罐上部連接,形成循環(huán)系統(tǒng)。在液體循環(huán)的中途使發(fā)酵液獲得氧氣,在整個循環(huán)周期中予以消耗,到第二次循環(huán)時再重新獲得氧。如此周而復始直到完成整個發(fā)酵過程。與通用式發(fā)酵罐相比,氣升式發(fā)酵罐優(yōu)點:沒有攪拌裝置,結構簡單,冷卻面積小,清洗方便,減少雜菌感染;無攪拌傳動設備,節(jié)省動力約50%;操作時無噪音;料液裝料系數(shù)達80-90％,而不須加消泡劑。缺點:對于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。2.2基本工藝2.2.1微生物發(fā)酵動力學2.2.2工業(yè)微生物菌種的擴大培養(yǎng)種子擴大培養(yǎng):將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后,在經(jīng)過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級放大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質量的純種過程。2.2.3培養(yǎng)基滅菌方法:分批法和連續(xù)法兩種。分批滅菌是將配制好的培養(yǎng)基放入發(fā)酵罐中,通入蒸汽,使培養(yǎng)基和所有設備一起滅菌。這一過程也稱為實罐滅菌。連續(xù)滅菌是在配制好的培養(yǎng)基向發(fā)酵罐輸送的同時加熱、保溫和冷卻,完成整個滅菌過程。連續(xù)滅菌優(yōu)點:可減少對營養(yǎng)物質的破壞,滅菌效果優(yōu)于分批式。缺點:滅菌設備較復雜,投資大,而且所有設備須事先進行空罐滅菌。連續(xù)滅菌的基本設備:配料預熱罐:避免連續(xù)滅菌時由于培養(yǎng)基與蒸汽溫度相差過大而產(chǎn)生水汽撞擊連消塔:使培養(yǎng)基的溫度快速升高到滅菌溫度維持罐:使培養(yǎng)基保持在滅菌溫度,從而徹底滅菌冷卻管:冷卻培養(yǎng)基,為接種做準備。2.2.4空氣除菌目的:除去空氣中含有的微生物,為好氧性發(fā)酵過程提供無菌空氣。無菌空氣:經(jīng)過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個極低的百分數(shù),從而能控制發(fā)酵污染至極小機會。(1)空氣除菌方法①輻射滅菌:α射線、X射線、β射線、γ射線、紫外線、超聲波等從理論上講都能起到殺菌作用。②加熱滅菌:利用空氣壓縮時產(chǎn)生的熱對無菌要求不高的發(fā)酵過程進行滅菌。③靜電除菌:利用靜電引力來吸附帶電粒子而達到除塵、除菌的目的。④介質過濾:采用定期滅菌的干燥介質來阻截流過的空氣中所含的微生物,從而制得無菌空氣。(2)空氣過濾除菌的流程空氣過濾除菌工藝的核心:提高壓縮前空氣的質量(潔凈度);去除壓縮空氣中所帶的水和油。3.發(fā)酵過程控制發(fā)酵生產(chǎn)水平主要取決于生產(chǎn)菌種特性和發(fā)酵條件的適合程度。3.1溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制3.1.1微生物的耗氧量常見耗氧速率和呼吸強度兩種方法來表示。耗氧速率是指單位體積培養(yǎng)液在單位時間內的吸氧量,以r表示,單位為mmol/(Lh)。呼吸強度是指單位質量干菌體在單位時間內所吸取的氧量,以QO2表示,單位為mmol/(gh)。3.1氧是一種難溶性氣體,因此在發(fā)酵過程中有效而經(jīng)濟地供氧極為重要。各種微生物對發(fā)酵液中溶氧濃度有一個最低要求,這一溶氧濃度叫做臨界氧濃度,以C臨界表示。好氣性微生物的臨界氧濃度一般為0.003～0.05mmol/L。氧從空氣泡(氣相)進入液體(液相)的傳遞速率(即氧的傳遞速率)能夠表示為方程:KLa(溶氧系數(shù))能夠反映發(fā)酵罐的通氣能力。3.1.3溶氧(1)亞硫酸鹽氧化法原理:當用銅或鎂離子作為接觸劑時,亞硫酸鹽在有氧條件下會快速氧化,利用亞硫酸鹽的這種特性能夠測定反應器中的溶氧濃度,進而估計設備的通氣效率。每分鐘溶解氧的摩爾數(shù):將實驗測定的Nv代入式可算出KLa。亞硫酸鹽氧化法的優(yōu)點:操作簡便,不需要特殊儀器。缺點:耗時;測定的準確性易受影響;廢水污染。(2)取樣極譜法原理:當電解電壓為0.6-0.8V時,其擴散電流的大小隨液體中溶解氧的濃度呈正比變化。具體測定方法:將從發(fā)酵罐中取出的樣品置入極譜儀的電解池中,并記下隨時間而下降的發(fā)酵液中氧的濃度CL的數(shù)值。用外推曲線的方法求得發(fā)酵液中氧的飽和濃度C*,同時曲線斜率的負數(shù)即為溶氧變化速率。(3)復膜電極法原理:發(fā)酵過程中停止通氣片刻,溶解氧濃度因菌的利用而立即迅速下降,人為地制造一個不穩(wěn)定狀態(tài)(即溶氧速率和耗氧速率不平衡)來求KLa。3.1(1)改變通氣速率:增加液體中夾持氣體體積的平均成分。(2)改變攪拌速度:攪拌充分破碎泡沫,增加了有效氣液接觸面積,延長了氣泡在液體中的停留時間,減少了氣泡周圍液膜厚度和菌絲表面液膜厚度,從而有效提高了系統(tǒng)的溶解氧濃度。(3)改變氣體組成中的氧分壓:采用富氧氣體以改進供氧狀況 (4)改變罐壓:經(jīng)過改變氧的分壓來提高溶解氧的濃度(5)發(fā)酵液的黏度:經(jīng)過改變培養(yǎng)基的豐富程度,達到限制菌對氧的大量消耗,從而提高溶氧水平。(6)加入中間傳氧介質:添加傳氧中間介質,來提高氧在氣液相之間的傳遞。3.2泡沫對發(fā)酵的影響及其控制3.2泡沫產(chǎn)生的原因包括:①外界引入②由發(fā)酵液內部產(chǎn)生③發(fā)酵液的理化性質對泡沫的形成起決定性作用。④培養(yǎng)基的滅菌方法、滅菌溫度和時間也會改變培養(yǎng)基的性質,從而影響培養(yǎng)基的起泡能力。泡沫的負面影響:①降低了發(fā)酵罐的裝料系數(shù)。②增加了菌群的非均一性。③泡沫可能從罐頂?shù)妮S封處滲出罐外,這就增加了染菌的機會④大量起泡,控制不及時會引起”逃液”,導致產(chǎn)物的流失。⑤泡沫嚴重時,會影響通氣攪拌的正常進行,妨礙代謝氣的排出,對菌體呼吸造成影響,甚至使菌體代謝異常,影響生產(chǎn)率。⑥消泡劑的加入有時會影響發(fā)酵產(chǎn)量或給下游分離純化與精制工序帶來麻煩。3.2控制泡沫的目的在于打碎泡沫液膜,使氣相和液相分離?？山?jīng)過化學方法,降低泡沫液膜的表面張力,使泡沫破滅。可利用物理方法,使泡沫液膜的某些部分局部受力,打破液膜原來的受力平衡而破裂?？蓮纳a(chǎn)菌種本身的特性著手,預防泡沫的形成。如在單細胞蛋白生產(chǎn)中,篩選在生長期不易形成泡沫的突變株。(1)消泡劑消泡化學消泡原理:降低氣泡膜局部的表面張力,力的平衡受到破壞,導致氣泡破裂;降低液膜的表面粘度。在工業(yè)發(fā)酵過程中,一般利用添加消泡劑的方式來消除泡沫。發(fā)酵工業(yè)常見的消泡劑有天然油脂類、聚醚類、高級醇類等。天然油脂類:常見的天然油脂有玉米油、豆油等。消泡能力不強,使用時需要注意油脂的新鮮程度。聚醚類:聚氧乙烯氧丙烯甘油(俗稱泡敵),親水性好,在發(fā)泡介質中易鋪展,消泡能力強,但其溶解度大,消泡活性維持時間較