發(fā)酵基礎(chǔ)知識

1、生化公司生化公司發(fā)酵車間發(fā)酵車間2013.82013.81.1.發(fā)酵的定義發(fā)酵的定義2.2.發(fā)酵工程的發(fā)展歷史發(fā)酵工程的發(fā)展歷史3.3.發(fā)酵罐相關(guān)知識發(fā)酵罐相關(guān)知識4.4.衣康酸發(fā)酵衣康酸發(fā)酵l發(fā)酵一詞最初來源于拉丁語“發(fā)泡、沸涌”（fervere)的派生詞，即指酵母菌在無氧條件下利用果汁或麥芽中的糖類物質(zhì)進行酒精發(fā)酵產(chǎn)生CO2的現(xiàn)象。l現(xiàn)代又對發(fā)酵重新定義：發(fā)酵泛指微生物在無氧或有氧條件下，通過分解代謝或合成代謝或次生代謝等微生物代謝活動，大量積累人類所需的微生物體或微生物酶或微生物代謝產(chǎn)物的過程。（我公司兩個產(chǎn)品主要就是通過有氧代謝得到微生物代謝產(chǎn)物的過程）l發(fā)酵工程可以分為：上游工程（主

2、要菌種選育）；發(fā)酵工程；下游工程（主要目標物質(zhì)的提取）；我們現(xiàn)在所說是發(fā)酵基本是俠義的值發(fā)酵生產(chǎn)工段。發(fā)酵現(xiàn)象發(fā)酵現(xiàn)象釀造食品工業(yè)釀造食品工業(yè)非食品工業(yè)非食品工業(yè)青霉素青霉素抗抗菌素發(fā)酵工業(yè)菌素發(fā)酵工業(yè)氨基酸氨基酸, ,核酸發(fā)酵（代謝控制發(fā)酵）核酸發(fā)酵（代謝控制發(fā)酵）基因工程菌基因工程菌動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)植物細胞大規(guī)植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)模培養(yǎng)藻類細胞大規(guī)模培養(yǎng)藻類細胞大規(guī)模培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因動物轉(zhuǎn)基因動物第一個轉(zhuǎn)折點：第一個轉(zhuǎn)折點：非食品工業(yè)非食品工業(yè)第二個轉(zhuǎn)折點：第二個轉(zhuǎn)折點：青霉素青霉素抗菌素發(fā)酵工業(yè)抗菌素發(fā)酵工業(yè)第三個轉(zhuǎn)折點：第三個轉(zhuǎn)折點：切斷支路代謝切斷支路代謝: :酶的活力調(diào)

3、控酶的活力調(diào)控, ,酶的合成調(diào)控酶的合成調(diào)控( (反饋控制和反饋控制和反饋阻遏反饋阻遏),),解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié)解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié), , 突變株的應(yīng)用突變株的應(yīng)用, ,前體、終產(chǎn)物、副產(chǎn)物等前體、終產(chǎn)物、副產(chǎn)物等近代轉(zhuǎn)折點：近代轉(zhuǎn)折點：基因、動物、海洋基因、動物、海洋l16801680年制成顯微鏡年制成顯微鏡 微生物的存在微生物的存在l18571857年巴斯德證明了酒精是由活的酵毋發(fā)酵引起的年巴斯德證明了酒精是由活的酵毋發(fā)酵引起的l18971897年畢希納發(fā)現(xiàn)磨碎的酵母仍使糖發(fā)酵形成酒精年畢希納發(fā)現(xiàn)磨碎的酵母仍使糖發(fā)酵形成酒精 酶酶 人們的對發(fā)酵技術(shù)的認識起始于人們的對發(fā)酵技術(shù)的認識起

4、始于1919世紀末，主要來自于世紀末，主要來自于厭氧發(fā)酵，厭氧發(fā)酵，如利用酵母菌、乳酸菌生產(chǎn)酒精、乳酸和各種發(fā)如利用酵母菌、乳酸菌生產(chǎn)酒精、乳酸和各種發(fā)酵食品。酵食品。 2020世紀初期，世紀初期，19161916年英國采用梭狀芽孢桿菌生產(chǎn)丙酮丁年英國采用梭狀芽孢桿菌生產(chǎn)丙酮丁醇，德國采用亞硫酸鹽法生產(chǎn)甘油（第一次世界大戰(zhàn)）醇，德國采用亞硫酸鹽法生產(chǎn)甘油（第一次世界大戰(zhàn)）由食品工業(yè)向非食品工業(yè)發(fā)展由食品工業(yè)向非食品工業(yè)發(fā)展好氧發(fā)酵技術(shù)：好氧發(fā)酵技術(shù)：速釀法從乙醇生產(chǎn)醋酸，通氣法大量繁殖酵速釀法從乙醇生產(chǎn)醋酸，通氣法大量繁殖酵母，用米曲霉的麩曲代替麥芽糖作糖化劑生產(chǎn)酒靖，用微小母，用米曲霉的麩曲

5、代替麥芽糖作糖化劑生產(chǎn)酒靖，用微小毛霉生產(chǎn)干酪。毛霉生產(chǎn)干酪。 19331933年等人發(fā)明了搖瓶培養(yǎng)法代替了傳統(tǒng)的靜置培養(yǎng)年等人發(fā)明了搖瓶培養(yǎng)法代替了傳統(tǒng)的靜置培養(yǎng)法。生長均勻，增殖時間短。法。生長均勻，增殖時間短。 二十世紀四十年代初，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，青霉素二十世紀四十年代初，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，青霉素的發(fā)現(xiàn)，迅速形成工業(yè)大規(guī)摸生產(chǎn)。的發(fā)現(xiàn)，迅速形成工業(yè)大規(guī)摸生產(chǎn)。l19281928年由年由 FlemingFleming發(fā)現(xiàn)青霉素發(fā)現(xiàn)青霉素 l19411941年美國和英國合作對青霉素進行生產(chǎn)研究年美國和英國合作對青霉素進行生產(chǎn)研究 表面培養(yǎng)：表面培養(yǎng)：1 1升扁瓶或錐形瓶，內(nèi)裝升扁瓶或錐

6、形瓶，內(nèi)裝200mL200mL麥麩培養(yǎng)基麥麩培養(yǎng)基 40u/ml40u/mll19431943年沉浸培養(yǎng)：年沉浸培養(yǎng)： 5m5m3 3 200u/ml 200u/mll當今：當今：100m100m3 3200m200m3 3 5-7 5-7萬萬u/mlu/ml 鏈霉素、金霉素、新霉索、紅霉素鏈霉素、金霉素、新霉索、紅霉素主要的技術(shù)進展：主要的技術(shù)進展：l通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)時的供氧問題。通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)時的供氧問題。l抗雜菌污染的純種培養(yǎng)技術(shù)：無菌空氣、培養(yǎng)抗雜菌污染的純種培養(yǎng)技術(shù)：無菌空氣、培養(yǎng) 基滅菌、無基滅菌、無污染接種、大型發(fā)酵罐的密封與抗污染設(shè)計制造。污染接種、大型發(fā)

7、酵罐的密封與抗污染設(shè)計制造。意義：意義：l抗生素工業(yè)的發(fā)展抗生素工業(yè)的發(fā)展l建立了一套完整的好氧發(fā)酵技術(shù)，大型攪拌發(fā)酵罐培養(yǎng)方法建立了一套完整的好氧發(fā)酵技術(shù)，大型攪拌發(fā)酵罐培養(yǎng)方法l推動了整個發(fā)酵工業(yè)的深入發(fā)展推動了整個發(fā)酵工業(yè)的深入發(fā)展l為現(xiàn)代發(fā)酵工程奠定了基礎(chǔ)為現(xiàn)代發(fā)酵工程奠定了基礎(chǔ)大型空氣壓縮機大型空氣壓縮機14n軸封n消泡器n聯(lián)軸器n攪拌器n中間軸承n擋板n空氣分布管n換熱裝置n人孔以及管路等小罐與大罐有不同的設(shè)計一、結(jié)構(gòu)3.機械攪拌通風發(fā)酵罐151616臺面臺面空間空間布置布置17l空消l裝料l實消l接種l發(fā)酵l放罐l清洗空氣蒸汽冷卻水物料、補料管接種管取樣、放料管壓力溫度pH溶氧攪

8、拌速度181920l罐徑在1米以下的小型發(fā)酵罐，罐頂和罐身采用法蘭連接l大中型發(fā)酵罐：整體焊接。l5噸以下罐，用夾套加熱和冷卻l5噸以上罐，用罐內(nèi)的蛇管加熱和冷卻21操作不當，會造成失穩(wěn)，原因較多，主要事故吸壁！22l某廠曾因蒸汽實罐滅菌后，罐體長時間處于密封狀態(tài), 蒸汽冷凝后罐內(nèi)成真空, 最后導致罐體成外壓失穩(wěn)。一l我們公司發(fā)生過兩次發(fā)酵罐吸壁事故，這個教訓是非常深刻的，這一定要求大家必須按操作規(guī)程，安全操作；同時平時工作中需多個心眼，需注意閥門的滲漏檢查！24l通用發(fā)酵罐通常取值系數(shù)范圍通用發(fā)酵罐通常取值系數(shù)范圍l攪拌器直徑攪拌器直徑d =1/3D 1/21/3l罐筒身高罐筒身高H0 =2

9、 D 1.73l擋板寬度擋板寬度B =0.1D 1/81/12l攪拌器間距攪拌器間距S=2d1.52.5l下攪拌器距底間距下攪拌器距底間距C= d0.81.0lHL裝料的液面高度裝料的液面高度lha 封頭凸出部分的高度，標準橢圓封頭凸出部分的高度，標準橢圓封封頭有：頭有： ha 0.25DlHb封頭直邊高度，據(jù)壁厚一般取封頭直邊高度，據(jù)壁厚一般取25、 40、 50mm2526lV0定義為：罐圓筒部分容積底封頭容積 能裝液的體積l罐中實際裝料體積：V 則有：v/v0=0.7-0.8，即裝料系數(shù)l標準橢圓封頭時，l取，再取D/H=2時，有 DhHDVb61420307.1VD 313. 0DVb

10、27l隨著罐體高度和液層增高，氧氣的利用率增加, 但增長不是線性關(guān)系,隨著罐體增高, 增長速率隨之減慢。n液柱增高，進罐要求的空氣壓力必須提高，空壓機的能耗增加n在罐底氣泡受壓后體積縮小，氣液界面的面積減小n過高的液柱高度,雖增加了O2的分壓，但同樣增加CO2分壓，增加了二氧化碳濃度，可能抑制某些發(fā)酵菌種n而且罐體的高度,同廠房高度密切相關(guān)。過高會如何？28l攪拌器的作用是：產(chǎn)生強大的總體流動：宏觀均勻翻動產(chǎn)生強烈的湍動：微觀均勻剪切l(wèi)攪拌產(chǎn)生三種基本流型：切向流、 軸向流、 徑向流。l三種基本流型，同時存在。其中，軸向流與徑向流對混合起主要作用而切向流應(yīng)加以抑制，可通過加入擋板來削弱。29l

11、徑向流（流體流動的方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個循環(huán)流動。）l軸向流（流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再翻上，形成上下循環(huán)流）l切向流（無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運動，流速高時液體表面會形成旋渦，此時流體從漿葉周圍周向卷吸至槳葉區(qū)的流量很小，混合效果很差。）30徑向式攪拌器徑向式攪拌器n渦輪式攪拌器分為：平葉式、彎葉式、箭葉式三種渦輪式攪拌器分為：平葉式、彎葉式、箭葉式三種n渦輪攪拌器要安一個圓盤q為了避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部分沿軸上升31l相同半徑、轉(zhuǎn)速時，功率

12、消耗：平葉彎葉箭葉l相同攪拌功率下，三者的粉碎氣泡的能力：平葉彎葉箭葉l相同攪拌功率下，三者翻動流體的能力：平葉彎葉箭葉微觀湍動宏觀翻動32軸向式攪拌器軸向式攪拌器b槳葉式槳葉式b旋槳式旋槳式bLightninLightnin式式33l工廠多采用在同一攪拌軸上安裝不同葉形工廠多采用在同一攪拌軸上安裝不同葉形的攪拌器的攪拌器上層：以混合為主的軸流型或箭葉攪拌器，下層：以粉碎氣泡為主的平葉渦輪攪拌器。q以三層攪拌器為例，最下層仍采用徑向型的渦輪攪拌器，其余兩層改用軸向流型攪拌器時，與三層均采用徑向流攪拌器相比，功率消耗可降低1530。q國內(nèi)醫(yī)藥行業(yè)在50m3發(fā)酵罐內(nèi)，上兩檔改裝軸流向型攪拌器，作土

13、霉素發(fā)酵試驗表明，不但消耗功率下降，發(fā)酵指數(shù)也提高了近15。34l擋板的作用：改變液流的方向，將切向流改為軸向流,防止產(chǎn)生漩渦l數(shù)目通常為46塊，其寬度為0.10.12 Dl全擋板條件：是指在攪拌罐中再增加擋板或其它附件時,攪拌功率不再增加。（消除液面漩渦的最低條件）。5 . 0)12. 01 . 0()(ZDDZDW式中式中 D罐的直徑（罐的直徑（mm） Z擋板數(shù)擋板數(shù) W擋板寬度（擋板寬度（mm）用來校驗檔板數(shù)是否夠用來校驗檔板數(shù)是否夠35l 軸封的作用：使罐頂或罐底與軸與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。l形式：填料函軸封、機械軸封兩種。 l填料函軸封填料函軸封是由填料箱體，填料

14、底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達到密封的效果。發(fā)酵罐內(nèi)是正壓還是負壓？36機械軸封機械軸封n又稱端面軸封，由彈性元件、動環(huán)和靜環(huán)組成。n動環(huán)固定在軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動。靜環(huán)裝在殼體上。動環(huán)依靠彈簧的壓力與靜環(huán)緊密接觸，阻止流體泄漏。n由兩個環(huán)的端面互相密切貼合而達密封目的。37l 大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段加工，再用聯(lián)軸器組成牢固的剛性聯(lián)接。l小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對正。3839n作用：對軸固定，防止擺動，同時又不影響轉(zhuǎn)動q罐內(nèi)軸承接觸處的軸頸極易磨損，尤可以在與軸承接觸處的軸上增加一 個軸套。 40l空氣分布裝置的作用是吹入無菌空氣

15、，并使空氣均勻分布。l分布裝置的形式有單管及環(huán)形管等。l常用的分布裝置是單管式，單管式管口對正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，噴口朝下噴口朝下，管口與罐低的距離約40mml通常通風管的空氣流速取20米/秒。為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補強。可延長罐底壽命，叫補強板。41l泡沫形成的原因泡沫形成的原因發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)。發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)。由外界引進的氣流被機械地分散形成（通風、攪拌）由外界引進的氣流被機械地分散形成（通風、攪拌）l危害危害v降低發(fā)酵設(shè)備的利用率降低發(fā)酵設(shè)備的利用率v增加了菌群的非均一性增加了菌群的非

16、均一性v增加了染菌的機會增加了染菌的機會v導致產(chǎn)物的損失導致產(chǎn)物的損失v消泡劑會給后提取工序帶來困難消泡劑會給后提取工序帶來困難42發(fā)酵罐的冷卻,主要是考慮：l微生物發(fā)酵過程的發(fā)酵熱l機械攪拌消耗的功率移送給培養(yǎng)基的熱量l此外還要考慮,發(fā)酵罐空消、實消后的冷卻時間。43l發(fā)酵罐檢測參數(shù)有:攪拌速度、罐內(nèi)壓力、溫度、空氣流量、泡沫度,此外還有pH 值、溶氧值、氧化還原電位等l這些檢測元件必須能滿足蒸汽滅菌和不能對發(fā)酵液產(chǎn)生污染l儀表的測量點的位置應(yīng)根據(jù)罐內(nèi)發(fā)酵液的流型進行合理的布點4411.發(fā)酵罐的管路、接口n罐體上的通道口一般有：進料口放料口放料口接種口取樣口取樣口消泡劑口補料口進氣口進氣口排

17、氣口發(fā)酵罐的工作周期n空消實消降溫、通氣接種、補料、取樣放料清洗進料管路有時配在罐體上封頭,有時位于罐體下部與放料管路共用一個管口有時取樣、放料、接種使用一個口有沒有蒸汽進口？l實罐滅菌： “三路進汽”、 “非進即出”“三路進汽”就是在對培養(yǎng)基滅菌時，讓蒸汽從空氣進口、排料口、取樣口進入罐內(nèi)，由于這三個管都是插入到發(fā)酵醪中，若不進蒸汽就會形成滅菌死角。l所有進入發(fā)酵罐的管道在滅菌過程中如果不進入蒸汽就一定要進行排氣，使所有管道都被蒸汽（或二次蒸汽）通過。l盡量減少管路盡量減少管路l止回閥止回閥l消滅死角小辮子（在主閥門底部焊上，專門做消滅死角小辮子（在主閥門底部焊上，專門做排氣用）排氣用）l閥

18、門反裝閥門反裝l消滅滲漏消滅滲漏l滅菌時各蒸汽進口壓力均一滅菌時各蒸汽進口壓力均一l冷凝水及時排出、蒸汽管道保溫冷凝水及時排出、蒸汽管道保溫l滅菌后的管道應(yīng)汽封或無菌空氣保壓滅菌后的管道應(yīng)汽封或無菌空氣保壓l發(fā)酵工業(yè)中由于使用高溫蒸汽對發(fā)酵設(shè)備進行滅菌, 因此閥門要求是蒸汽級密封。l截止閥截止閥發(fā)酵用閥門開啟頻繁, 并經(jīng)常受介質(zhì)腐蝕、沖刷和氣蝕的損害。因此對發(fā)酵工業(yè), 閥門閥體材料用不銹鋼, 軟密封關(guān)閉件用可更換的聚四氟乙烯墊片48n與發(fā)酵罐接觸的截止閥，應(yīng)保證閥座與罐相連。以防閥桿處瀉露造成污染安裝于一般容器的進料閥方向安裝于發(fā)酵罐時的方向發(fā)酵罐一般容器發(fā)酵罐的基本條件發(fā)酵罐的基本條件（1） 發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比。罐身越發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比。罐身越高，氧的利用率越高。高，氧的利用率越高。（2） 發(fā)酵罐能承受一定的壓力。發(fā)酵罐能承受一定的壓力。（3）要保證發(fā)酵液必須的溶解氧。）要保證發(fā)酵液必須的溶解氧。（4）發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。）發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。（5） 發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌。積污，滅菌能徹底，避免染菌。（6） 攪拌器的軸封應(yīng)嚴密，減少泄漏。攪拌器的軸封應(yīng)嚴密，減少泄漏。l討論問題：l現(xiàn)公司的發(fā)酵罐管道設(shè)計、閥門安裝存在哪些缺陷？l請回車間后進行觀察，適當時間告訴車間和公司l衣