發(fā)酵罐以及發(fā)酵工程應(yīng)用實(shí)例

1、關(guān)于發(fā)酵罐及發(fā)酵工程應(yīng)用實(shí)例第一張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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。第二張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月排管

2、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)。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)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。第三張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月自吸式發(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)。優(yōu)點(diǎn) 吸程不高，須采用低阻力高效空氣除菌裝置，對(duì)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(duì)厭氧菌的發(fā)酵不適應(yīng)。缺點(diǎn)第四張，

3、PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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(duì)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。 第五張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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)

4、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(duì)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。第六張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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(duì)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

5、般較適用于，粘度低、固含量低的培養(yǎng)液。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)料空氣第七張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月噴嘴環(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(duì)較廣。排氣排料進(jìn)料空氣外循環(huán)支路噴嘴第八張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、光照氣升式發(fā)酵罐 KRH-WQ 發(fā)酵罐系列產(chǎn)品基

6、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。第九張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月連續(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

7、子罐管道發(fā)酵器培養(yǎng)液種子液第十張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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(jí)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)？第十一張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月抗生素的種類 抗生素

8、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(duì)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CH2CNHOONCOOHCH3CH3S氨芐青霉素CHCNHOONCOOHCH3CH3SNH2第十二張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月孢子制備種子罐（一級(jí)）種子罐（二級(jí)）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(jí)）發(fā)酵罐（二級(jí)）發(fā)酵罐（三級(jí)）22264045h發(fā)酵1315h發(fā)酵液放罐過濾pH = 5.015濾液萃取萃取液濃縮、

9、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）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天成熟孢子青霉素的發(fā)酵生產(chǎn)第十三張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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(duì)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)，

10、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】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。第十四張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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?對(duì)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

11、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?！救苎酢?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pH7.0。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】第十五張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月紅霉素的發(fā)酵生產(chǎn)紅霉素 紅霉素是由紅色鏈霉菌（Streptomyces erythreus）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（Narrow Spectrum Antib

12、iotics）。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)酯第十六張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月生產(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

13、萄糖、(NH4)2SO4、CaCO3、KH2PO4pH = 6.5 7.2有氧發(fā)酵第十七張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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 55H2OpH = 7-8產(chǎn)品（紅霉素堿）第十八張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2.氨基酸的發(fā)酵生產(chǎn) 氨基酸(amino acid)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

14、團(tuán)，羧基為酸性基團(tuán)。天然氨基酸均為氨基酸。NH2R CH COOH氨基酸NH2R CH CH2 COOH氨基酸氨基酸 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。第十九張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月谷氨酸的生產(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(duì)于治療腦震蕩或神經(jīng)損傷、癲

15、癇以及對(duì)弱智兒童均有一定療效。谷氨酸（L-GLU）HOOCCH2CH2CHCOOHNH2 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。 HOOCCH2CH2CHCOONaNH2谷氨酸鈉晶體第二十張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月淀粉液化（水解）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(duì)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：【

16、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。生產(chǎn)工藝流程第二十一張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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(jí)種子培養(yǎng)32，12h二級(jí)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(jí)種子培養(yǎng)基 葡萄糖、玉米漿、尿素、KH2PO4、MgSO4、Fe2(SO4)3 及MnSO4； pH = 6.5

17、6.8二級(jí)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 = 6.56.8（振蕩）（通氣、攪拌）第二十二張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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。三羧酸循環(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)- 酮戊二酸、琥珀酸，再降解成草酰乙酸。HOOOOOH酮戊二酸

18、HOOOOHNH2谷氨酸脫氫酶NH4+谷氨酸第二十三張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三羧酸循環(huán)示意圖- 酮戊二酸 + NH4+ 谷氨酸谷氨酸脫氫酶NADH + H+NAD+第二十四張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6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(duì)較高，可達(dá)8090。第二十五張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月【生物素】 作為

19、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。發(fā)酵的控制【種齡和種量】 一級(jí)種子控制在11-12h，二級(jí)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。 【pH值】 發(fā)酵前期，幼齡細(xì)胞對(duì)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pH 7.2-7.4。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。【通風(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。第二十六張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月賴氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)賴氨酸（LYS）CH2CH2CH2CH2CHCOOH NH2NH2 賴氨酸屬于必須氨基酸（essential amino acid），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