維生素C的發(fā)酵生產(chǎn)

1、。湖北大學(xué)發(fā)酵工程與設(shè)備課程設(shè)計(jì)題目維生素 c 的發(fā)酵生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)年級(jí)2008級(jí)生物工程學(xué)生姓名陳盛學(xué)號(hào)2008221107100130指導(dǎo)老師倪紅2011年6月 10日。1。目錄1. 前言 -11.1 維生素 C的性質(zhì) -11.2 維生素 C的功能與用途 -11.3 維生素 C的生產(chǎn)現(xiàn)狀 -11.4 維生素 C的研究發(fā)展 -12. 發(fā)酵機(jī)制2.1 我國(guó)維生素 C 二步發(fā)酵法發(fā)酵機(jī)理-23. 發(fā)酵工藝及特點(diǎn) -33.1二步發(fā)酵法 -33.2二步發(fā)酵法生產(chǎn)維生素C的工藝流程-43.2.1加熱沉淀法 -63.2.2化學(xué)凝聚法 -63.2.3超濾 -64. 菌種培養(yǎng)基及種子的擴(kuò)大培養(yǎng) -64.1第一步發(fā)

2、酵 -64.1.1菌種 -64.1.2一級(jí)種子擴(kuò)大培養(yǎng) -74.1.3第一步發(fā)酵培養(yǎng) -74.2第二步發(fā)酵 - -74.2.1菌種 -74.2.2二級(jí)種子擴(kuò)大培養(yǎng) -74.2.3第二步發(fā)酵培養(yǎng) -75. 發(fā)酵工藝中的部分設(shè)備 -75.1機(jī)械攪拌罐 -7。2。5.2 氣升式發(fā)酵罐 -76. 無(wú)菌空氣制備系統(tǒng) -96.1發(fā)酵空氣的標(biāo)準(zhǔn) -96.2空氣預(yù)處理與設(shè)備 -96.3空氣過(guò)濾滅菌的工藝流程 -97. 部分工藝計(jì)算 -107.1物料衡算 -107.2每天發(fā)酵液體積 -107.3發(fā)酵罐公稱(chēng)體積 -107.4種子罐容積和臺(tái)數(shù) -107.5種子罐公稱(chēng)體積 -107.6發(fā)酵罐發(fā)酵過(guò)程中熱效應(yīng)計(jì)算 -1

3、08. 三廢處理 -118.1三廢生物處理的目的 -118.2廢水處理方法 -128.3生物濾過(guò)法凈化處理 -128.4生物濾過(guò)池法的基本流程 - -139 參考文獻(xiàn) - -14。3。維生素 C的發(fā)酵生產(chǎn)1 前言1.1 維生素 C 的性質(zhì)1.1.1維生素 C（ Vitamin C ， Ascorbic Acid ） 又叫 L- 抗壞血酸，是一種水溶性維生素。1.1.2化學(xué)性質(zhì)分子式： C6H8O6；分子量： 176.12u ；酸性，具有較強(qiáng)的還原性，加熱或在溶液中易氧化分解，在堿性條件下更易被氧化。1.1.3物理性質(zhì)外觀：無(wú)色晶體；熔點(diǎn)：190 - 192；沸點(diǎn)：（無(wú)）；紫外吸收最大值：245

4、nm；熒光光譜：激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)nm，熒光波長(zhǎng)無(wú)nm；溶解性：水溶性維生素。1.1.4代謝食物中的維生素C 被人體小腸上段吸收。一旦吸收， 就分布到體內(nèi)所有的水溶性結(jié)構(gòu)中，正常成人體內(nèi)的維生素C 代謝活性池中約有1500mg維生素 C，最高儲(chǔ)存峰值為3000mg維生素 C。正常情況下，維生素 C 絕大部分在體內(nèi)經(jīng)代謝分解成草酸或與硫酸結(jié)合生成抗壞血酸-2- 硫酸由尿排出；另一部分可直接由尿排出體外。1.2 維生素 C 的功能與用途1.2.1膠原蛋白的合成需要維生素C 參加，所以VC缺乏食用富含維生素C 的食物可防曬，膠原蛋白不能正常合成，導(dǎo)致細(xì)胞連接障礙。人體由細(xì)胞組成，細(xì)胞靠細(xì)胞間質(zhì)把它們聯(lián)系起來(lái)

5、，細(xì)胞間質(zhì)的關(guān)鍵成分是膠原蛋白。膠原蛋白占身體蛋白質(zhì)的1/3 ，生成結(jié)締組織，構(gòu)成身體骨架。如骨骼、血管、韌帶等，決定了皮膚的彈性，保護(hù)大腦，并且有助于人體創(chuàng)傷的愈合。1.2.2壞血病血管壁的強(qiáng)度和VC有很大關(guān)系。微血管是所有血管中最細(xì)小的，管壁可能只有一個(gè)細(xì)胞的厚度，其強(qiáng)度、彈性是由負(fù)責(zé)連接細(xì)胞具有膠泥作用的膠原蛋白所決定。當(dāng)體內(nèi)VC 不足，微血管容易破裂，血液流到鄰近組織。這種情況在皮膚表面發(fā)生，則產(chǎn)生淤血、紫癍；在體內(nèi)發(fā)生則引起疼痛和關(guān)節(jié)漲痛。嚴(yán)重情況在胃、腸道、鼻、腎臟及骨膜下面均可有出血現(xiàn)象，乃至死亡。1.2.3牙齦萎縮、出血預(yù)防動(dòng)脈硬化可促進(jìn)膽固醇的排泄，防止膽固醇在動(dòng)脈內(nèi)壁沉積，

6、甚至可以使沉積的粥樣斑塊溶解。1.2.4抗氧化劑可以保護(hù)其它抗氧化劑，如維生素A、維生素E、不飽和脂肪酸，防止自由基對(duì)人體的傷害。1.2.5治療貧血使難以吸收利用的三價(jià)鐵還原成二價(jià)鐵，促進(jìn)腸道對(duì)鐵的吸收，提高肝臟對(duì)鐵的利用率，有助于治療缺鐵性貧血。1.2.6防癌豐富的膠原蛋白有助于防止癌細(xì)胞的擴(kuò)散；VC的抗氧化作用可以抵御自由基對(duì)細(xì)胞的傷害防止細(xì)胞的變異；阻斷亞硝酸鹽和仲胺形成強(qiáng)致癌物亞硝胺。曾有人對(duì)因癌癥死亡病人解剖發(fā)現(xiàn)病。4。人體內(nèi)的 VC含量幾乎為零。1.2.7保護(hù)細(xì)胞、解毒，保護(hù)肝臟在人的生命活動(dòng)中，保證細(xì)胞的完整性和代謝的正常進(jìn)行至關(guān)重要。為此，谷胱甘肽和酶起著重要作用。谷胱甘肽是由

7、谷氨酸、胱氨酸和甘氨酸組成的短肽，在體內(nèi)有氧化還原作用。 它有兩種存在形式，即氧化型和還原型，還原型對(duì)保證細(xì)胞膜的完整性起重要作用。VC 是一種強(qiáng)抗氧化劑，其本身被氧化，而使氧化型谷胱甘肽還原為還原型谷胱甘肽，從而發(fā)揮抗氧化作用。酶是生化反應(yīng)的催化劑，有些酶需要有自由的巰基（-SH）才能保持活性。VC能夠使雙硫鍵（ -S-S ）還原為 -SH，從而提高相關(guān)酶的活性，發(fā)揮抗氧化的作用。從以上可知，只要VC 充足，則VC、谷胱甘肽、 -SH 形成有力的抗氧化組合拳，清除自由基，阻止脂類(lèi)過(guò)氧化及某些化學(xué)物質(zhì)的毒害作用，保護(hù)肝臟的解毒能力和細(xì)胞的正常代謝。1.2.8提高人體的免疫力白細(xì)胞含有豐富的VC

8、，當(dāng)機(jī)體感染時(shí)白細(xì)胞內(nèi)的VC急劇減少。 VC可增強(qiáng)中性粒細(xì)胞的趨化性和變形能力，提高殺菌能力。 促進(jìn)淋巴母細(xì)胞的生成，提高機(jī)體對(duì)外來(lái)和惡變細(xì)胞的識(shí)別和殺滅。參與免疫球蛋白的合成。提高CI 補(bǔ)體酯酶活性，增加補(bǔ)體CI 的產(chǎn)生。 促進(jìn)干擾素的產(chǎn)生，干擾病毒mRNA的轉(zhuǎn)錄，抑制病毒的增生。1.2.9提高機(jī)體的應(yīng)急能力人體受到異常的刺激，如劇痛、寒冷、缺氧、精神強(qiáng)刺激，會(huì)引發(fā)抵御異常刺激的緊張狀態(tài)。該狀態(tài)伴有一系列身體，包括交感神經(jīng)興奮、腎上腺髓質(zhì)和皮質(zhì)激素分泌增多。腎上腺髓質(zhì)所分泌的腎上腺素和去甲腎上腺素是有酪氨酸轉(zhuǎn)化而來(lái)，在次過(guò)程需要VC的參與。13 國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)現(xiàn)狀目前，我國(guó)的二步發(fā)酵法與國(guó)外的

9、萊氏法共存，各有優(yōu)勢(shì)，隨著對(duì)vc發(fā)酵工藝研究深入，將進(jìn)一步提高底物濃度、降低生產(chǎn)成本和提高發(fā)酵收率。而新二步發(fā)酵法和一步發(fā)酵法為以后的科研生產(chǎn)開(kāi)辟了一條新的途徑，但離實(shí)際應(yīng)用尚有距離，從基因工程的研究來(lái)看，不是短期可以奏效的，只有科研單位和工廠的合作，才能及早實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化。隨著全球范圍對(duì)Vc 需求量的不斷增長(zhǎng) , 其生產(chǎn)工藝也得到不斷的改進(jìn)。Vc 生產(chǎn)最早是使用萊氏法, 此法早在30 年代就研究成功。 D-葡萄糖H2/cat高壓D- 山梨醇黑醋菌OL- 山梨糖CH3COCH3H2SO4·SO3 雙丙酮 -L- 山梨糖NaOClNiSO4雙丙酮 -2- 酮-L- 古洛糖酸 H+3O2-

10、酮 -L- 古洛糖酸1 化學(xué)轉(zhuǎn)化維生素C。此法存在著工序繁多、勞動(dòng)、強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。國(guó)外在此基礎(chǔ)上已作改進(jìn), 尤其是在裝備工程上的優(yōu)勢(shì), 當(dāng)前還用于生產(chǎn)。但國(guó)內(nèi)已采用我國(guó)自己發(fā)明的發(fā)酵法代替萊氏法生產(chǎn)Vc。發(fā)酵法生產(chǎn)Vc 可以分為發(fā)酵、提取和轉(zhuǎn)化三大步驟。即先從D-山梨醇發(fā)酵 , 提取出 Vc 前體 2- 酮 -L- 古洛糖酸 (2- 酮基 -L- 古龍酸 ,1) 再用化學(xué)法將 1 轉(zhuǎn)化為 Vc。國(guó)內(nèi)外為提高Vc 的質(zhì)量和收率對(duì)發(fā)酵法的生產(chǎn)工藝一直在進(jìn)行不斷的改進(jìn)。14 維生素 C 的研究發(fā)展VC是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)開(kāi)發(fā)的首批西藥之一，也是我國(guó)最主要的出口刨匯原料藥之一。二步發(fā)酵法是我國(guó)VC生產(chǎn)的

11、主要工藝方法，然而該法不能直接以葡萄糖為發(fā)酵料，且涉及二步發(fā)酵三種菌，工序繁瑣。采用基因工程等先進(jìn)技術(shù)，選育直接以葡萄糖為發(fā)酵原料的。5。優(yōu)良菌株和優(yōu)化發(fā)酵條件將是我國(guó)VC生產(chǎn)技術(shù)研究的主要方向。此外，目前世界上很多國(guó)家正嘗試以真核生物為研究對(duì)象，利用它們合成VC的代謝途徑開(kāi)發(fā)更加環(huán)保的生物合成方法。從我國(guó)的二步發(fā)酵法推廣后逐步取代萊氏法這一過(guò)程可以預(yù)測(cè)，隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和更具優(yōu)勢(shì)的生物合成VC方法的不斷涌現(xiàn)， 生物法必將完全取代化學(xué)法在VC生產(chǎn)中的地位。為了保持我國(guó)在世界VC生產(chǎn)上的優(yōu)勢(shì)地位，必須加強(qiáng)VC生產(chǎn)的基礎(chǔ)研究工作。2 發(fā)酵機(jī)制（二步發(fā)酵法）2.1 我國(guó)維生素 C二步發(fā)酵法發(fā)酵

12、機(jī)理20 世紀(jì) 70 年代初，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所和北京制藥廠合作，研制成功了“二步發(fā)酵法”制備VC的新工藝。該法以生物氧化過(guò)程代替萊氏路線中的部分純化過(guò)程， 簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本，減少了 “三廢” 污染多年以來(lái)一直被國(guó)內(nèi)廠家使用。二步發(fā)酵法生產(chǎn)VC可以分為發(fā)酵、提取和轉(zhuǎn)化三大步驟即D-山梨醇先經(jīng)細(xì)菌氧化為L(zhǎng) 一山梨糖，再通過(guò)細(xì)菌發(fā)酵生成VC前體 2-KLG，最后用化學(xué)法將 2-KLG 轉(zhuǎn)化為 VC。在幾十年的工藝發(fā)展中，二步發(fā)酵法工藝不斷地得到了改進(jìn)。2.1.1 混合發(fā)酵中大菌和小菌的關(guān)系我國(guó)維生素 C 二步發(fā)酵法涉及小菌和大菌2 個(gè)菌株。其中小菌為產(chǎn)酸菌，但單獨(dú)培養(yǎng)傳代困難，且

13、產(chǎn)酸能力很低; 大菌不產(chǎn)酸，但可促進(jìn)小菌生長(zhǎng)和產(chǎn)酸，為小菌的伴生菌。 魏東芝等曾提出大菌為小菌提供某種生長(zhǎng)因子促進(jìn)小菌生長(zhǎng)的設(shè)想。馮樹(shù)等川研究證實(shí)，大菌胞內(nèi)液和胞外液均可促進(jìn)小菌生長(zhǎng)，縮短小菌生長(zhǎng)的延遲期; 大菌的胞外液可促進(jìn)小菌產(chǎn)酸，表明大菌通過(guò)釋放某些代謝活性物質(zhì)促進(jìn)小菌產(chǎn)酸，并已從大菌胞外液中分離出一種可促進(jìn)小菌產(chǎn)酸的蛋白。該活性蛋白的形成規(guī)律和作用機(jī)制尚在探索中。在混合發(fā)酵中，大菌不代謝L 一山梨糖，其 I洲一山梨糖的消耗是小菌生長(zhǎng)和代謝的結(jié)果。L 一山梨糖在轉(zhuǎn)化合成 2 一酮基一 L 一古龍酸的同時(shí)也可形成其它副產(chǎn)物或代謝為c( 無(wú)和踐 <) 川。李強(qiáng)等報(bào)道 23 ，該混合發(fā)酵

14、體系中氮源代謝與單一菌種發(fā)酵相比有其特殊性， 尿素的加入有 2 個(gè)作用 : 作為生理堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)pH 值和為菌體代謝提供一部分氮源。巨大芽抱桿菌由營(yíng)養(yǎng)體轉(zhuǎn)變?yōu)檠勘?，體系蛋白含量隨發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增加。體系中17 種氨基酸按其變化規(guī)律分為3 類(lèi)，其變化規(guī)律與混菌的生長(zhǎng)規(guī)律相吻合。2.1.2 L 一山梨糖代謝途徑及酶學(xué)研究我國(guó)維生素 C 二步發(fā)酵中 L 一山梨糖的代謝途徑尚無(wú)報(bào)道。有關(guān)的酶學(xué)研究進(jìn)行得很少。蔣宇揚(yáng)等從維生素 c 生產(chǎn)菌中分離出 2 一酮基一 L 一占龍酸還原酶， 并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行了研究。該酶存在于小菌胞質(zhì)中，分子量為90KDa，由 2 個(gè)分別為53K和 32KI)a 的亞基組成。在

15、整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中其活性和比活與生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)保持同步，其合成不受L 一山梨糖和 ZK6A的誘導(dǎo)，為小菌的組成酶。 趙巍等已得到2 一酮基一 L 一古龍酸還原酶的基因片段并對(duì)其進(jìn)行了克隆。2.1.3 單菌發(fā)酵 L 一山梨糖生成 ZKGA的研究中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)所焦鵬、王書(shū)錦等近年致力。6。于 vc 二步發(fā)酵法第二步單菌發(fā)酵L 一山梨糖生成 ZKGA的研究。他們采用高效快速分離篩選新體系，從 103 個(gè)樣品中分離篩選到 J26， 91 一 2， 91一 4 等多株可單獨(dú)利用 L 一山梨糖產(chǎn) ZKGA的新菌株。初步發(fā)酵實(shí)驗(yàn)表明 :J26 經(jīng) 10 批次發(fā)酵平均產(chǎn)ZKGA達(dá) 57 以 L，轉(zhuǎn)化率達(dá) 6

16、6.4%;91-2 ，91 一 4 菌株的搖瓶發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)酸量分別達(dá)到45以 L和29酬 L，轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到 52%和 34%。3 發(fā)酵工藝及特點(diǎn)3.1 二步發(fā)酵法20 世紀(jì) 70 年代初，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所和北京制藥廠合作，研制成功了 “二步發(fā)酵法”制備VC的新工藝。該法以生物氧化過(guò)程代替萊氏路線中的部分純化過(guò)程，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本，減少了“三廢”污染多年以來(lái)一直被國(guó)內(nèi)廠家使用。二步發(fā)酵法生產(chǎn)VC可以分為發(fā)酵、提取和轉(zhuǎn)化三大步驟即D-山梨醇先經(jīng)細(xì)菌氧化為L(zhǎng) 一山梨糖，再通過(guò)細(xì)菌發(fā)酵生成VC前體 2-KLG，最后用化學(xué)法將 2-KLG 轉(zhuǎn)化為 VC。在幾十年的工藝發(fā)展中， 二步

17、發(fā)酵法工藝不斷地得到了改進(jìn)。3.2 二步發(fā)酵法生產(chǎn)維生素C 的工藝流程3.2.1加熱沉淀法加熱沉淀法是2-KLG 分離提純的傳統(tǒng)工藝，分離手段較為落后。此工藝通用氫型樹(shù)脂，調(diào)pH 至蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)后加熱除蛋白。采用此工藝會(huì)造成有效成分在高溫下降解損失，且發(fā)酵液直接通過(guò)樹(shù)脂柱，造成樹(shù)脂表面污染，降低樹(shù)脂的交換容量和收率。兩次通過(guò)樹(shù)脂柱帶進(jìn)了大量水分，也增大了濃縮耗能。3.2.2化學(xué)凝聚法化學(xué)凝聚法是通過(guò)加入化學(xué)絮凝劑來(lái)除去蛋白質(zhì)、菌體、色素等雜質(zhì)，避免了加熱沉淀時(shí)有效成分的損失。季光輝等采用化學(xué)凝聚法對(duì)VC發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理，使2-KLG 的濾液質(zhì)量提高，提取前步收率提高52，VC總收率提高25

18、以上。陳雷等以殼聚糖為主凝劑，聚丙烯酰胺為助凝劑，通過(guò)化學(xué)凝聚法除蛋白工藝，提取收率由原來(lái)的76 提高到 82，古龍酸優(yōu)級(jí)品率由原來(lái)的。7。35 提高到 6O，成本比原來(lái)降低2O。但是，化學(xué)凝聚法也存在不足，主要表現(xiàn)在處理后的發(fā)酵液離心后所得的上清液中仍然存在一定量的蛋白，如發(fā)酵液染菌則處理的效果更不明顯，上清液渾濁， 嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和收率。此外，所用的化學(xué)絮凝劑也可能對(duì)環(huán)境造成污染。3.2.3超濾超濾是一種新興的膜處理技術(shù)，此法具有操作方便、節(jié)能、不造成新的環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，因此在 2-KLG 的分離提純中的應(yīng)用日益廣泛。此法與加熱沉淀法不同的是，可在常溫下操作，可減少有效成分的損失；在用

19、膜除蛋白的過(guò)程中，無(wú)任何新的化學(xué)物質(zhì)加入，可減少對(duì)樹(shù)脂的污染和損耗，降低酸堿用量，減少三廢排放。 與化學(xué)凝聚法不同的是，在處理染菌的發(fā)酵液時(shí)仍可達(dá)到較好的處理效果。我國(guó)的東北制藥廠1995 年從丹麥引進(jìn)目前全國(guó)最大膜面積的平板超濾裝置后，2-KLG 的分離提純成本比原先的化學(xué)凝聚法節(jié)約了600 萬(wàn)元，其收率和生產(chǎn)的自動(dòng)化、連續(xù)化程度也明顯提高。隨著新型膜材料技術(shù)的開(kāi)發(fā)，如陶瓷膜、不銹鋼膜等的應(yīng)用，超濾法的應(yīng)用效果會(huì)有進(jìn)一步的提高。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外正在探索反滲透、納濾等后序處理新工藝的應(yīng)用，以完善工藝聯(lián)結(jié)。4 菌種的制備及種子的擴(kuò)大培養(yǎng)（此部分介紹實(shí)驗(yàn)室種子的制備、種子罐種子的制備工藝及技術(shù)參數(shù)要求

20、）4.1 第一步發(fā)酵4.1.1 菌種 一步發(fā)酵中所用菌種為生黑葡萄糖酸桿菌(Gluconobacter melagenus)，簡(jiǎn)稱(chēng)黑醋菌。最常用的生產(chǎn)菌株為 R30，其主要特征是： 細(xì)胞橢圓至短桿狀， 革蘭氏染色陽(yáng)性， 無(wú)芽孢大小為 (0.5一 0.8)um x(1.0-2.2)um。端生草根鞭毛運(yùn)動(dòng)，菌落邊緣整介，微顯淺褐色。生長(zhǎng)最適溫度為34±l ，氧化 D-山梨醇的發(fā)酵收率可達(dá)98以上。4.1.2 一級(jí)種子擴(kuò)大培養(yǎng)種子培養(yǎng)基成分為：山梨醇20，酵母膏 0.7 ，碳酸鈣0.15%，無(wú)機(jī)鹽溶液 0.4 。其中，無(wú)機(jī)鹽溶液的組成為：MgSO4· 7H2O1.25g 100

21、mL， (NH 4)H2PO47 5g 100mL，KH2PO45g 100mI,K 2SO41.25g 100ml.PH6.7,121 ,30min 滅菌。4.1.3第一步發(fā)酵培養(yǎng)發(fā)酵液培養(yǎng)基成分為：酵母膏0.035 ，碳酸鈣 0.1 ，玉米漿0.1 ，復(fù)合維生素 B 0.001 ，山梨醇濃度視需要而定。在發(fā)酵過(guò)程中， 控制發(fā)酵溫度 （34± 1），初始 PH5.15.3 。該氧化反應(yīng)的耗氧量較大，所以通氣比要求1:1VVM 以上。即使在通氣量較大，且攪拌轉(zhuǎn)速較高的條件下，發(fā)酵至4h 后溶解氧濃度急劇下降，甚至接近于零。直到10h 左右才逐漸回升。當(dāng)溶解氧濃度回復(fù)至最高點(diǎn)，成水平直

22、線時(shí)，表示該反應(yīng)已達(dá)終點(diǎn)。D- 山梨醇轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)- 山梨糖的生物轉(zhuǎn)化率達(dá) 98%以上。發(fā)酵液經(jīng)低溫60滅菌 20min, 冷卻至 30，作為第二步發(fā)酵的原料。4.2 第二步發(fā)酵法。8。4.2.1菌種第二步發(fā)酵采用的菌種為由大、小兩株細(xì)菌組成的混合菌種。小菌為氧化葡萄糖酸桿菌（ Gluconobacter Oxydans） , 大菌可采用巨大芽孢桿菌（Bacillus megateriam） , 稱(chēng) 2980 菌，或蠟狀芽孢桿菌（ Bacilluscereus ） , 稱(chēng) 152 菌，或浸麻芽孢桿菌（Bacillusmacerans ） , 稱(chēng) 169 菌。也可采用其他一些桿菌與小菌混合培養(yǎng)。但工

23、業(yè)上使用最多的是2980 及 152 菌混合菌。氧化葡萄糖酸桿菌的主要特征為：細(xì)胞橢圓至短桿狀，革蘭氏染色陽(yáng)性，無(wú)芽孢。30培養(yǎng)2d后大小為（ 0.51.7 ） m×（ 0.61.2 ） m，單個(gè)或成對(duì)排列。在葡萄糖培養(yǎng)基上生長(zhǎng)極微弱，甘露醇培養(yǎng)基上生長(zhǎng)良好。4.2.2二級(jí)種子擴(kuò)大培養(yǎng)種子培養(yǎng)基成分為： 酵母膏 0.3%, 牛肉膏 0.3%，玉米漿 0.3%，蛋白胨 1.0%，尿素 0.1%，山梨糖 2.0%，另加某些無(wú)機(jī)鹽。 PH6.7,121 ,30min 滅菌。4.2.3第二步發(fā)酵培養(yǎng)發(fā)酵液培養(yǎng)成分為：玉米漿0.5%，尿素 0.1%，無(wú)機(jī)鹽及山梨糖。第二步發(fā)酵為混合菌種發(fā)酵。由

24、于大、小菌兩者的最適培養(yǎng)條件是不同的，所以操作適宜條件是兼顧大、小菌兩者的條件。通常操作溫度為30；初始 pH 控制在 6.8 左右。該反應(yīng)雖屬氧化反應(yīng)，但對(duì)氧的消耗并不很大。氣升式發(fā)酵罐非常適合該發(fā)酵過(guò)程。溶氧濃度在20%即可。山梨糖的初始濃度對(duì)產(chǎn)物的生成影響較大。間歇發(fā)酵時(shí)初始山梨糖濃度超過(guò)80g/L ，會(huì)對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)生抑制 15 。所以要取得最高濃度2KGA，需采用高濃度山梨糖流加發(fā)酵的方式。若采用建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的流加控制策略，課獲得高濃度的162KGA，二步收率可達(dá) 83% 。5. 發(fā)酵工藝中的部分設(shè)備5.1 機(jī)械攪拌罐第一步發(fā)酵采用機(jī)械攪拌發(fā)酵罐（圖5）。機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐是利用機(jī)

25、械攪拌器的作用， 使空氣和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保證供給微生物生長(zhǎng)繁殖、代謝所需要的氧氣。5.2 氣升式發(fā)酵罐第二步發(fā)酵采用氣升式發(fā)酵罐（圖6）。在反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有攪拌器，其中央有一個(gè)導(dǎo)流筒，將發(fā)酵液分為上升區(qū)（導(dǎo)流筒內(nèi)）和下降區(qū)（導(dǎo)流筒外），在上升區(qū)的下部安裝了空氣噴嘴，或環(huán)型空氣分布管，空氣分布管的下方有許多噴孔。反應(yīng)溶液分布均勻，基質(zhì)和溶氧均勻分散，使基質(zhì)在發(fā)酵罐內(nèi)各處的濃度均勻，溶解氧恒定。9。圖 5機(jī)械攪拌發(fā)酵罐圖 6氣（帶）升式發(fā)酵罐6. 無(wú)菌空氣制備系統(tǒng)。10。微生物在生產(chǎn)過(guò)程中需要氧氣，因此需要通入空氣。然而空氣是氧氣、二氧化碳、氮?dú)獾鹊幕旌衔?，其中還有水汽及懸浮的塵埃

26、，包括各種微粒、 灰塵及微生物。 這就需要對(duì)空氣嚴(yán)格滅菌，達(dá)到無(wú)菌狀態(tài)，才能使用。在發(fā)酵工業(yè)中，大多才用過(guò)濾介質(zhì)滅菌的方法制備無(wú)菌空氣。6.1 發(fā)酵空氣的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵需要連續(xù)的、 一定流量的壓縮無(wú)菌空氣。 空氣流量 VVM，單位時(shí)間 （ min ）單位發(fā)酵液體積 （ m3）內(nèi)通入的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣體積（ m3）一般在 0.1-2.0VVM ，壓強(qiáng)為 0.2-0.4Mpa ，克服下游阻力?？諝赓|(zhì)量要求相對(duì)濕度小于70%，溫度比培養(yǎng)溫度高10-30 ，潔凈度100 級(jí)，或失敗率1/1000 。6.2 空氣預(yù)處理與設(shè)備（ 1）采風(fēng)塔在工廠的上風(fēng)頭，高度一般在10m左右，設(shè)計(jì)流速8m/s?？山ㄔ诟邏簷C(jī)房的

27、屋頂上。（ 2）粗過(guò)濾器安裝在空壓機(jī)吸入口前，前置過(guò)濾器。 作用是截留空氣中較大的灰塵，保護(hù)壓縮機(jī)，減輕總過(guò)濾器的負(fù)擔(dān)，也能起到一定的除菌作用。介質(zhì)為泡沫塑料（平板式）或無(wú)紡布（折疊式），流速 0.1-0.5m/s 。要求是阻力小，灰容量大。（ 3）空氣壓縮機(jī)作用是提供空氣流動(dòng)的動(dòng)力。常用往復(fù)式、螺桿式、渦輪式空壓機(jī)。（ 4）空氣儲(chǔ)罐 消除壓縮空氣的脈動(dòng)，用于往復(fù)式空壓機(jī)。螺桿式和渦輪式空壓機(jī)提供均勻連續(xù)空氣可省去。設(shè)置在空壓站附近。（ 5）冷卻器 空氣壓縮機(jī)出口氣溫一般在120，必須冷卻。在潮濕季節(jié)，除濕。空氣冷卻器的傳熱系數(shù)為 105W/(m2·) 。采用雙程或四程結(jié)構(gòu)， 兩級(jí)串

28、聯(lián)使用。 第一級(jí)循環(huán)水冷卻， 第二級(jí)低溫水 （ 9）冷卻。設(shè)置在發(fā)酵車(chē)間外。壓縮空氣每經(jīng)過(guò)1m管道，溫度下降0.5-1.0。6.3 空氣過(guò)濾滅菌的工藝流程。11。圖 7空氣過(guò)濾滅菌的工藝流程7. 部分工藝計(jì)算7.1 物料衡算根據(jù)質(zhì)量守恒定律，以生產(chǎn)過(guò)程或生產(chǎn)單元設(shè)備為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)出口處進(jìn)行定量計(jì)算，稱(chēng)為物料衡算。通過(guò)物料衡算可以計(jì)算原料與產(chǎn)品間的定量轉(zhuǎn)變關(guān)系，以及計(jì)算各種原料的消耗量，各種中間產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)量、損耗量及組成。物料衡算的基礎(chǔ)：物料衡算的基礎(chǔ)是物質(zhì)的質(zhì)量守恒定律，即進(jìn)入一個(gè)系統(tǒng)的全部物料量必等于離開(kāi)系統(tǒng)的全部物料量，再加上過(guò)程中的損失量和在系統(tǒng)中的積累量。G1=G2+G3+G

29、4G1： 輸人物料量總和；G2： 輸出物料量總和；G3： 物料損失量總和；G4： 物料積累量總和。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)物料積累量為零時(shí)，上式可以寫(xiě)成：G1=G2+G3物料衡算是所有工藝計(jì)算的基礎(chǔ)，通過(guò)物料衡算可確定設(shè)備容積、臺(tái)數(shù)、主要尺寸，同時(shí)可進(jìn)行熱量衡算、管路尺寸計(jì)算等。物料衡算的基準(zhǔn)：(1) 對(duì)于間歇式操作的過(guò)程，常采用一批原料為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。(2) 對(duì)于連續(xù)式操作的過(guò)程，可以采用單位時(shí)間產(chǎn)品數(shù)量或原料量為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。物料衡算的結(jié)果應(yīng)列成原材料消耗定額及消耗量表。消耗定額是指每噸產(chǎn)品或以一定量的產(chǎn)品( 如每千克針劑、每萬(wàn)片藥片等 ) 所消耗的原材料量；而。12。消耗量是指以每年或每日等時(shí)間所消耗的

30、原材料量。制劑車(chē)間的消耗定額及消耗量計(jì)算時(shí)應(yīng)把原料、輔料及主要包裝材料一起算入。例：維生素C的二步發(fā)酵收率為83%，粗維生素C的利用率為80%，成品包裝是的損耗為2%，試計(jì)算生產(chǎn) 1000 噸維生素C 所消耗的原材料？解：物料衡算成品維生素C ： 1000 噸維生素 C：1000÷（ 1-2%） =1020 噸粗維生素 C:1020÷80%=1275噸原材料： 1275 ÷ 83%=1536噸7.2 每天發(fā)酵液體積由年產(chǎn)量決定每天放罐發(fā)酵液體積，在發(fā)酵工段， 每天所需要的放罐發(fā)酵液體積 Vd 可按下式計(jì)算：Vd 1000MUm dq3 /mUfM 所設(shè)計(jì)的年產(chǎn)量，

31、t/a;Uq 成品的純度，mg/mg;m 年工作日， d/a; 提煉總收率，%。7.3 發(fā)酵罐公稱(chēng)體積VdV0n dLVd 每天所需發(fā)酵液體積， m3/d;nd 每天放罐罐數(shù)， 1/d; 發(fā)酵罐裝料系數(shù)，按品種不同，可取70%90%。7.4 種子罐容積和臺(tái)數(shù)發(fā)酵罐臺(tái)數(shù)種子罐周期（ 天 ）種子罐臺(tái)數(shù)發(fā)酵罐周期（ 天 ）7.5 種子罐的公稱(chēng)容積應(yīng)根據(jù)接種比，培養(yǎng)過(guò)程中液體損失率和種子罐的裝料系數(shù)來(lái)計(jì)算。13。發(fā)酵罐計(jì)量體積接種比（1液體損失率)種子罐容積種子罐裝料系數(shù)7.6 發(fā)酵罐發(fā)酵過(guò)程中的熱效應(yīng)計(jì)算Q=QF· VLQ 發(fā)酵罐的熱效應(yīng)，kJ/h;QF 單位體積發(fā)酵液所產(chǎn)生的熱量，又稱(chēng)為發(fā)酵熱，kJ/(m3 · h) ；VL 發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液體積，m3。8. 三廢處理8.1 三廢生物處理的目的l998年我國(guó)食品發(fā)酵企業(yè)已達(dá)7 萬(wàn)多個(gè)， 總產(chǎn)值達(dá)5900 億元， 產(chǎn)值在各產(chǎn)業(yè)部門(mén)中已躍居第一位，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要支柱產(chǎn)業(yè)。然而，隨著這些工業(yè)的飛速發(fā)展，由此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。因此，必須對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)中的三廢進(jìn)行處理。而廢水污染控制首當(dāng)其沖地成為了生產(chǎn)中需要解決的問(wèn)題。8.2廢水處理方法廢水處理的任務(wù)是采用各種技術(shù)措施將廢水中所含有的各種污染物費(fèi)力出來(lái)或?qū)⑵浞纸?、轉(zhuǎn)化為無(wú)害和穩(wěn)定的物質(zhì)，從而使廢水得到凈化?，F(xiàn)代廢水處理技術(shù)