發(fā)酵工程專業(yè)資料模板

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請(qǐng)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(xué)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(shí)將內(nèi)源的有機(jī)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(yīng)用范圍1.3發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展歷史天然發(fā)酵時(shí)代發(fā)酵工業(yè)第一個(gè)轉(zhuǎn)折期:純培養(yǎng)技術(shù)發(fā)酵工業(yè)第二個(gè)轉(zhuǎn)折期:通風(fēng)攪拌技術(shù)發(fā)酵工業(yè)第三個(gè)轉(zhuǎn)折期:代謝控制發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵工業(yè)第四個(gè)轉(zhuǎn)折期:發(fā)酵原料的轉(zhuǎn)變發(fā)酵工業(yè)第五個(gè)轉(zhuǎn)折期:遺傳工程技術(shù)1.4發(fā)酵過程的組成部分2、發(fā)酵設(shè)備與基本工藝過程2.1生物反應(yīng)器發(fā)酵罐是供微生物在滅菌后的培養(yǎng)基中進(jìn)行生命活動(dòng)和代謝的設(shè)備。要求:能夠提供微生物生命活動(dòng)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(shí)現(xiàn),從而獲得高產(chǎn)。2.1.1厭氧發(fā)酵設(shè)備對(duì)這類發(fā)酵罐的要求:能封閉;能承受一定壓力;罐內(nèi)應(yīng)盡量減少死角;有冷卻設(shè)備2.1.2好氧發(fā)酵設(shè)備2.1.2.1機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐原理:利用機(jī)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(jī)械攪拌,又有壓縮空氣分布裝置的發(fā)酵罐。它是利用機(jī)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(shí)強(qiáng)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(yīng)具有適宜的比例;發(fā)酵罐的攪拌通風(fēng)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(yīng)具足夠冷卻面積;攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密,盡量減少泄漏。發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu):(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(dòng),增加溶解氧。擋板條件:能達(dá)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(gòu)成,使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。用作填料的材料應(yīng)具備如下特性:有一定的彈塑性;化學(xué)穩(wěn)定性;不滲透性;自潤滑性;耐溫性;制造簡單,價(jià)格低廉。優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單。主要缺點(diǎn):容易滲漏及染菌;軸的磨損情況較嚴(yán)重;填料壓緊后摩擦功率消耗大;壽命短,經(jīng)常維修,耗工時(shí)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(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合,并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。優(yōu)點(diǎn):密封可靠;摩擦功率耗損小,使用壽命長;對(duì)軸的磨損極微;對(duì)軸的震動(dòng)敏感性小缺點(diǎn):結(jié)構(gòu)比填料密封復(fù)雜,裝拆不便;對(duì)動(dòng)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(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單;加工容易,罐內(nèi)無冷卻設(shè)備,死角少,容易進(jìn)行清潔滅菌工作,有利于發(fā)酵。缺點(diǎn):傳熱壁較厚,冷卻水流速低,發(fā)酵時(shí)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(diǎn):冷卻水在管內(nèi)的流速大;傳熱系數(shù)高。缺點(diǎn):氣溫高的地區(qū),應(yīng)采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻,這樣就增加了設(shè)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(jī),而在攪拌過程中自動(dòng)吸入空氣的發(fā)酵罐。自吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)與通用式發(fā)酵罐主要區(qū)別在于攪拌器的形狀和結(jié)構(gòu)不同。自吸式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器(轉(zhuǎn)子)。轉(zhuǎn)子由箱底向上升入的主軸帶動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)空氣則由導(dǎo)氣管吸入。優(yōu)點(diǎn):動(dòng)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(dòng)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(xì),能在較低的通氣量情況下,使氧的吸收系數(shù)達(dá)到通用發(fā)酵罐的水平。缺點(diǎn):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(nèi)或罐外設(shè)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(gè)循環(huán)周期中予以消耗,到第二次循環(huán)時(shí)再重新獲得氧。如此周而復(fù)始直到完成整個(gè)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(diǎn):沒有攪拌裝置,結(jié)構(gòu)簡單,冷卻面積小,清洗方便,減少雜菌感染;無攪拌傳動(dòng)設(shè)備,節(jié)省動(dòng)力約50%;操作時(shí)無噪音;料液裝料系數(shù)達(dá)80-90％,而不須加消泡劑。缺點(diǎn):對(duì)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(dòng)力學(xué)2.2.2工業(yè)微生物菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)種子擴(kuò)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(jí)放大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)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(shè)備一起滅菌。這一過程也稱為實(shí)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(shí)加熱、保溫和冷卻,完成整個(gè)滅菌過程。連續(xù)滅菌優(yōu)點(diǎn):可減少對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的破壞,滅菌效果優(yōu)于分批式。缺點(diǎn):滅菌設(shè)備較復(fù)雜,投資大,而且所有設(shè)備須事先進(jìn)行空罐滅菌。連續(xù)滅菌的基本設(shè)備:配料預(yù)熱罐:避免連續(xù)滅菌時(shí)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(zhǔn)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(gè)極低的百分?jǐn)?shù),從而能控制發(fā)酵污染至極小機(jī)會(huì)。(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(shí)產(chǎn)生的熱對(duì)無菌要求不高的發(fā)酵過程進(jìn)行滅菌。③靜電除菌:利用靜電引力來吸附帶電粒子而達(dá)到除塵、除菌的目的。④介質(zhì)過濾:采用定期滅菌的干燥介質(zhì)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(zhì)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(duì)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(qiáng)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(shí)間內(nèi)的吸氧量,以r表示,單位為mmol/(Lh)。呼吸強(qiáng)度是指單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)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(jì)地供氧極為重要。各種微生物對(duì)發(fā)酵液中溶氧濃度有一個(gè)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(jìn)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(dāng)用銅或鎂離子作為接觸劑時(shí),亞硫酸鹽在有氧條件下會(huì)快速氧化,利用亞硫酸鹽的這種特性能夠測定反應(yīng)器中的溶氧濃度,進(jìn)而估計(jì)設(shè)備的通氣效率。每分鐘溶解氧的摩爾數(shù):將實(shí)驗(yàn)測定的Nv代入式可算出KLa。亞硫酸鹽氧化法的優(yōu)點(diǎn):操作簡便,不需要特殊儀器。缺點(diǎn):耗時(shí);測定的準(zhǔn)確性易受影響;廢水污染。(2)取樣極譜法原理:當(dāng)電解電壓為0.6-0.8V時(shí),其擴(kuò)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(shí)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(shí)曲線斜率的負(fù)數(shù)即為溶氧變化速率。(3)復(fù)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(gè)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(shí)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(jìn)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(dá)到限制菌對(duì)氧的大量消耗,從而提高溶氧水平。(6)加入中間傳氧介質(zhì):添加傳氧中間介質(zhì),來提高氧在氣液相之間的傳遞。3.2泡沫對(duì)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(nèi)部產(chǎn)生③發(fā)酵液的理化性質(zhì)對(duì)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(shí)間也會(huì)改變培養(yǎng)基的性質(zhì),從而影響培養(yǎng)基的起泡能力。泡沫的負(fù)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(jī)會(huì)④大量起泡,控制不及時(shí)會(huì)引起”逃液”,導(dǎo)致產(chǎn)物的流失。⑤泡沫嚴(yán)重時(shí),會(huì)影響通氣攪拌的正常進(jìn)行,妨礙代謝氣的排出,對(duì)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(shí)會(huì)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(xué)方法,降低泡沫液膜的表面張力,使泡沫破滅?？衫梦锢矸椒?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(yù)防泡沫的形成。如在單細(xì)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(xué)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(dǎo)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(jí)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(qiáng),使用時(shí)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(zhì)中易鋪展,消泡能力強(qiáng),但其溶解度大,消泡活性維持時(shí)間較