发酵工程书稿Fermentation engineering manuscript http://ftcbag.en.alibaba.com/# http://www.ftc-furniture.com/ http://xw-alu.en.alibaba.com/ http://www.aliexpress.com/store/all-wholesale-products/105606.html
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- 1. 第一章!发酵工程概述 第一节!发酵工程的概念 一!发酵的概念 发酵!!"#$"%&’&()%"最初来自拉丁语#发泡$!!"#*"#""这个词%是指酵母作用于 果汁或发芽谷物产生 +,- 的现象&巴斯德研究了酒精发酵的生理意义%认为发酵 是酵母在无氧条件下的呼吸过程%是#生物获得能量的一种形式$&也就是说%发酵 是在厌氧条件下%糖在酵母菌等生物细胞的作用下进行分解代谢%向菌体提供能 量%从而得到产物酒精和 +,- 的过程&对生物化学家来说%关于发酵的定义是指 微生物在无氧条件下分解代谢有机物质释放能量的过程&然而%发酵对不同的对 象具有不同意义%发酵形式多样化%新的发酵产品不断涌现%除有机酸外%出现了氨 基酸’抗生素’核苷酸’酶制剂’维生素’多糖’色素’生物农药’植物生长促进剂’免 疫促进剂’单细胞蛋白’生物碱等发酵&而生物学家把利用微生物在有氧或无氧条 件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵& 二!发酵工程的概念 发酵工程!!"#$"%&’&()%"%.(%""#(%."是利用微生物特定性状和功能%通过现 代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系%是将传统发酵 与现代的 /01 重组’细胞融合’分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的发酵 技术&也可以说是渗透有工程学的微生物学%是发酵技术工程化的发展&由于主 要利用的是微生物发酵过程来生产产品%因此也可称为微生物工程& 发酵工程基本上可分为发酵和提取两大部分&发酵部分是微生物反应过程% 提取部分也称为后处理或下游加工过程&虽然发酵工程的生产是以发酵为主%发 酵的好坏是整个生产的关键%但后处理在发酵生产中也占有很重要的地位&往往 有这样的情况(发酵产率很高%但因为后处理操作和设备选用不当而大大降低了总 得率%所以发酵过程的完成并不等于工作的结束&完整的发酵工程应该包括从投 入原料到获得最终产品的整个过程&发酵工程就是要研究和解决整个过程的工艺
- 4. 用轻症天花病人的痘!人痘"对健康人进行接种以防传染%这种接痘方法后来传到 国外%比 2798 年 英 国 的 琴 纳 !;<="%%"#"发 明 的 牛 痘 接 种 约 早 了 8:: 年&在 约 35::年前的商代%就开始用人畜的粪便和秸秆’杂草沤制堆肥&约在-:::前的西 汉后期就提倡采用豆粮隔年轮作的方法来提高粮食的产量!当时并不知道根瘤菌 的存在及其固氮作用"等等& 在当时人们并不知道微生物与发酵的关系%对发酵的原因根本不清楚%只是依 靠口传心授%一代代的传授着这种发酵的工艺&这一时期被称为自然发酵时期& 因此在其后相当长的时期中传统发酵工艺并没有获得很大的突破&尽管如此%这 些经验对后来的微生物学的发展及发酵工程的建立发挥了重要的作用& 268:年%荷 兰 博 物 学 家 安 东 . 列 文 虎 克 !1%&>#?*’%@""A"%>)BC%263-) 27-3"发明了显微镜!放大倍数27:倍"%人类历史上第一次看到大量活的微生物& 29世纪中叶!2859年"%法国科学家路易.巴斯德!@)D(EF’E&"D#%28--)2895"用 著名的 F’E&"D#实验证明发酵原理%找到了葡萄酒和啤酒酸败的本质%发明了著名 的低温杀菌法!G’E&"D#(H’&()%"&从而揭示了微生物和发酵之间的关系%这样人们 对发酵的认识就发生了质的飞跃& 二!纯培养技术的建立 29世纪末到-:世纪 3:年代%出现的发酵产品有嫌气的乳酸’酒精’面包酵 母’丙酮I丁醇等/好气的柠檬酸’淀粉酶’蛋白酶等&该时期特点是表面培养%生产 过程简单%对 生 产 设 备 要 求 不 高%生 产 规 模 不 大&287- 年%英 国 的 布 雷 菲 尔 德 !J#"!"KL"创建了霉菌纯培养技术%被称为近代细菌学之父&2882年%曾获得29:5 年诺贝尔奖的德国利斯特.柯赫等!M)N"%O)B>%2843)292:"完成了细菌纯培养 技术%被称为微生物纯培养技术的先驱&他利用明胶冷凝热熔的特性%制成了固体 培养基%第一次分离得到了微生物纯种&2878年%丹麦的汉逊!P’%E"%"建立了啤 酒酵母的纯培养方法&2897年%法国布赫纳!JDB>%"#%286:)2927"发现细胞萃取 液仍有发酵现象%证明了任何生物都有引起产生发酵的物质)))酶的存在%导致了 生物化学的出现&-:世纪初%人们用纯培养技术发现了梭菌能生产丙酮I丁醇&丙 酮是制作炸药的原料%丁醇是重要的化工原料&第一次世界大战中%英国Q"(H$’%发 明了丙酮I丁醇发酵%并实现工业化%服务于战争&第一次和第二次世界大战中%日本 藤弁三郎发明了用砂糖发酵制取正丁醇%再通过化学反应生成异辛烷& 三!通气搅拌发酵技术的建立 通气搅拌发酵技术被称为发酵工程的第一次飞跃&29-8年%英国细菌学家弗 4 发酵工程
- 5. 莱明发现了能抑制葡萄球菌生长的点青霉%其产物称为青霉素&这一发现在当时 并没有引起人们的高度重视&到了-:世纪4:年代%第二次世界大战爆发%对抗 感染药物的极大需 求 促 使 人 们 重 新 研 究 了 青 霉 素&由 于 青 霉 素 生 产 是 需 氧 发 酵%很容易受到杂菌污染%所以就借鉴了丙酮I丁醇发酵的经验%成功地建立起深 层通气培养法和一整套培养技术%其中包括向发酵罐内通入大量的无菌空气’通 过搅拌器将无菌空气打成气泡并均匀分布’培养基的灭菌和无菌接种等%使培养 过程中的温度’GP 值’通气量和营养物的供给等都得到了控制&这些技术为以 后的微生物工业提供了新的概念和模式%成为当代微生物工业兴旺发达的开端& 青霉素发酵从最初的表面培养发展成为深层培养%并不断改善培养条件&为了 提高菌种的生产能力%同时开展了改良菌种的技术并获得很大成功&其间%青霉 素的提取工艺也取得了迅速进展&经过半个世纪多的努力%目前青霉素的发酵 水平’提取收率和质量有了大幅度的提高%从而推动了抗生素工业乃至整个发酵 工业的快速发展%这是发酵工业的一个里程碑&2944 年%瓦克斯曼发现了由链 霉菌产生的链霉素%用于治疗结核杆菌引起的感染有特效&这个发现使人们对 从土壤中寻找放线菌产生的新型抗生素充满了信心&此后陆续发现了抗革兰氏 阴性’抗革兰氏阳性’抗病毒的广谱抗生素如氯霉素’金霉素和土霉素%抗真菌的 制霉菌素%对青霉素耐药菌有一定疗效的红霉素以及抗肿瘤抗生素丝裂霉素 + 等&29-9)2959年的3:年间%从土壤中分离得到的能用于医 疗 的抗生素 就 有 3:多种& 四!现代发酵工程技术的发展 现代发酵工程时期是指利用现代分子生物技术即 /01 重组技术所获得的 #工程菌$’细胞融合所得的#杂交$细胞以及动植物细胞或固定化活细胞等%使发酵 工业的范畴突破了利用天然微生物的传统发酵%逐步建立起新型的发酵体系%生产 天然微生物或人体及其他动植物所不能产生或产量很少的特殊产物&这方面最重 要的产品就是基因工程药品&所用的发酵设备是各种类型的新型生物反应器%甚 至直接用转基因动植物作生物反应器& 2956年%日本木下祝郎发明了代谢控制发酵技术%使谷氨酸发酵生产实现产 业化&代谢控制发酵技术是应用动态生物化学的知识和遗传学的理论选育微生物 突变株%从 /01 分子水平上%控制生物的代谢途径%进行最合理的代谢%积累大量 有用发酵产物的技术&295:)296:年%发酵工业两个显著进步(一是采用微生物 进行甾体化合物的转化技术/二是以谷氨酸和赖氨酸发酵生产成功为契机的代谢 控制发酵技 术 的 出 现&工 业 上 微 生 物 转 化 用 于 甾 体 化 合 物 的 脱 氢’22I!I羟 化’ 5第一章!发酵工程概述
- 9. 工程和细胞工程创造出许许多多的具有特殊功能的#工程菌$%用发酵技术可以生 产出更多更好的产品%发挥更大的经济效益& !六"动物#植物细胞大规模培养的产物 如利用木瓜细胞大规模培养生产木瓜蛋白酶%利用植物细胞培养技术生产天 然食用色素等& 二!发酵工程的应用领域 人类利用微生物生产各种产品已有数千年的历史&最初%微生物的应用仅限 于食品与酿酒发酵&随着近代微生物工程或发酵工程的发展%应用领域逐渐扩展 到环境保护’化工’能源’医药’轻工’农业及冶金等诸多行业& !一"环境保护领域 人类对环境资源的过度利用%严重地破坏了地球的生态环境%如何处理’分解 已经存在并继续产生的垃圾和存在于大气’土壤’水体中的有毒物质%是人类面临 的严峻挑战&利用发酵工程治理环境污染%具有效率高’成本低’不存在二次污染 等特点%受到了人们的广泛关注&特别是生物垃圾又是制造许多有重要经济价值 产品的原料%在当今世界人口膨胀’食品和能源资源不足的情况下%对资源的充分 再利用就显得意义更加重大& 利用微生物可以消除废水’废气’废渣对环境的污染&对有毒废弃物的微生物 处理技术主要包括厌氧发酵法和需氧发酵法&前者利用专性厌氧微生物%如梭菌’ 拟杆菌和丁酸弧菌等/兼性厌氧菌%如大肠埃希氏菌!大肠杆菌"’芽孢杆菌等用于 沼气’肥料和饲料的发酵&后者还可以在有氧条件下%利用某些产生菌胶的细菌和 某些原虫的混合物处理工业和生活污水及废气&此外%发酵工程技术可防治环境 污染%用微生物 从 矿 山 取 宝%利 用 基 因 工 程 菌 进 行 固 氮 等 都 是 发 酵 工 程 的 用 武 之地& !二"化工产品和新能源开发领域 利用微生物可以生产乙醇’甘油’丙酮丁醇等化工原料和一些表面活性剂%还 可以生产乙酸!醋酸"’乳酸’丁酸’苹果酸及水杨酸等有机酸和右旋糖苷等多糖& 现在%生物化工已被列为国家化工领域发展的重点%特别是发展有绿色能源之首的 生物质能%一是气态生物能如沼气’氢气等%研制具有广泛应用潜力的新型燃料电 池/二是利用农业废弃物生产液态生物能%如甲醇’乙醇等/利用微生物和发酵产品 9第一章!发酵工程概述
- 10. 提高石油开采率&这样既可以开发无污染的新能源%又可保护生态环境&我国在 利用废弃有机物发酵生产沼气方面做出了重大贡献%一些发展中国家把我国誉为 #沼气之乡$&据有关部门统计%全国有大型沼气池 2::: 多座%发酵总容积超过 3:万 $ 3 %年产沼气逾2:亿 $ 3 &乙醇纳入能源系统是最理想的再生洁净能源%实 验证明%用乙醇作燃料%可使二氧化碳的排放量减少9:R%有助于减轻温室效应& 在我国%每年有5亿*6亿&农作物秸秆%可利用它制取-亿*3亿&乙醇%潜力非 常大&据报道%基因工程用于乙醇生产取得了重大突破%将运动发酵单胞菌的关键 酶基因同时转入大肠杆菌中%可实现糖化和发酵同时进行的目的& 能源和环境是可持续发展的重要主题%在可再生和洁净的氢能中%生物物质制 氢’储氢具有广阔前景/经基因改良的油料作物%可以生产重要的化工原料&此外% 重组微生物的生物降解污染物技术将成为环保的支柱性产业%现已发现多种微生 物对土壤’水和空气中的多种污染物具有生物降解作用& 在精细化工产品的生产过程中%由于生物催化过程简单’成本低’效益高%使生 物技术成为该领域的一支主力军%为化工企业带来了丰厚的经济效益&发酵生产 过程在常温常压下进行%既省能源也省资源%而且低公害&发酵法生产的丙烯酰胺 可做絮凝剂’土壤调节剂的配料’纸浆胶料等&还可用发酵法生产各种香料’长链 脂肪酸等& !三"农业生产领域 由于 /01 重组技术打破了生物物种间远缘杂交的不亲和性%使其应用范围 更加广泛&在农业上除直接用于改造植物基因%以获得高产’稳产’优良转基因农 作物外%还用于构建抗病虫害农作物及用于防治农作物病虫害的微生物%进行生物 防治&在生物防治中%已知苏云金杆菌 J&杀虫剂可杀死25:多种鳞翅目毛虫%广 泛用于谷物’果树’蔬菜’玉米’烟草及森林多种植物的虫害防治中&近年来%科学 家对其 /01 进行重组%再转化到假单胞菌体细胞内%实现了高效表达基因工程菌 经发酵培养后使菌体灭活%作为杀虫剂获得成功& 近年来%我国科研人员已将水稻’大麦’小麦’棉花’大豆’番茄’白莲和青椒等 3:余种植物种子通过搭载式卫星或高空气球进行了太空育种%取得了理想的效 果&一些微生物经太空育种处理后也获得了新的进展%据报道%一种金针菇经返回 式卫星搭载后%比对照菌提前7*2:L出菇%增产25R&黑曲霉 S2:2经太空旅行 经历25L后%产生较大变异%选育出糖化酶活力比对照高-:R*3:R的变异株%这 样可大幅度提高黑曲霉的糖化酶活力&实验结果证明%该菌生长速度加快%产酶旺 盛期比对照提前2-*-4>&空间农业和空间育种技术尽管处于起步探索阶段%但 :2 发酵工程
- 11. 是已经展现出其未来的发展前景%该项目的发展将会成为未来农业生产实现新飞 跃的巨大动力&培育优质’高产’高效及多抗的农作物新品种是我国农业可持续发 展的关键&菌种选育在提高作物产量’增加品种’改善栽培条件和遗传学研究方面 发挥了重大作用& 利用发酵工程生产出来的抗生素在农业中有广泛的用途&由于抗生素具有内 吸杀菌的特点&所以当抗生素用于防治植物病虫害时%使防病方法从体外保护进 入内吸治疗%是植物病理学的一大发展&如灰黄霉素’放线菌酮等许多抗生素%能 防治植物的真菌病和细菌病%其中大多属于内吸杀菌剂&目前%用抗生素防治水稻 病害%如稻瘟病’纹枯病和白叶枯病等方面取得了很大成绩&用灭瘟素防治稻瘟病 以替代汞’砷等化学农药%用春雷霉素’庆丰霉素防治稻瘟病%用有效霉素防治水稻 纹枯病%用灭胞素防治水稻白叶枯病等&抗生素比有机合成农药喷洒浓度低而疗 效高%并且容易被土壤微生物分解%不致污染环境%对食物的污染危险小%不会在人 体内积累%很有发展前途& !四"药品开发领域 发酵工程可以从各方面改进医药的生产%开发新的产品%提高人类的医疗水 平&所以%在医药卫生领域%发酵工程应用最广泛%发展最迅速%潜力最大&现已从 自然界中发现和分离了43::多种抗生素%并通过化学结构改造%共制备了3::: 余种半合成抗生素&目前世界各国实际生产和应用于医疗的抗生素有2-:多种% 连同各种半合成抗生素衍生物及盐类约35:种&其中包括抗细菌的抗生素%有杆 菌肽’头孢菌素’四环素’链霉素’麦迪霉素和螺旋霉素等/抗真菌的抗生素%有灰黄 霉素’制霉菌素等/抗肿瘤抗生素%有博来霉素’丝裂霉素和光神霉素等&此外%还 有氨基酸’维生素和干扰素等产品& 维生素是六大生命要素之一%为整个生命活动所必需&维生素 1 具有抗#三 +$保健功能之称%即抗癌’抗心血管疾病和抗白内障&维生素 + 和维生素 ; 均系 抗氧化剂&维生素 +可阻止’破坏自由基形成%还具有激活免疫系统细胞的活力% 刺激机体产生干扰素以抵御外来侵染因子等作用(维生素 ; 可产生抗体增强机体 免疫力%长期服用维生素 ;有益于抗衰老和防治前列腺癌及痴呆症等&作为维生 素 1 的前体物质"I胡萝卜素以及维生素 +和维生素 ; 都可以通过微生物发酵获 得&维生素 +的发酵采用大小菌混合培养的方法实现了维生素 + 二步发酵生产 的目标&为了进一步提高维生素 +的产率%应用细胞固定化技术大大提高了维生 素 +的收率%最高可达到8:R以上%而且发酵周期缩短了203&据报道%我国一家 公司引进一种基因工程菌生产维生素 J%已形成工业化生产%生产规模由年产2-:& 22第一章!发酵工程概述
- 14. 代谢调控技术’连续发酵技术’高密度发酵技术’固定化增殖细胞技术’反应器 技术’发酵与分离耦联技术’在线检测技术’自控和计算机控制技术’产物的分离纯 化技术的发展%以及工艺’设备和工程等研究的进步%使发酵工程达到了一个新的 高度& 生物工程的迅速发展提供了多种生物细胞%而这些生物细胞必须通过发酵才 能获得商业化的产品&因此%发酵工程是实现产业化及加快研究成果转化为现实 生产力’获得经济效益的必不可少的手段&生物技术的产生和发展涉及许多学科% 随着遗传学’微生物学’细胞生物学’动物学’植物学’生物化学’分子生物学’化学 与化学工程学’量子生物学’应用物理学’电子学及计算机科学等基础和应用学科 及技术的发展%发酵工程必将发生新的变化并为人类创造出更大的经济效益& 思 考 题 2<何为发酵及发酵工程1 -<发酵工业有何特点1 3<简介发酵工业发展的历史进程’重要历史阶段和人物& 4<简述微生物工业发酵基本过程和主要环节& 5<简述发酵工程的主要类型& 6<什么是分批发酵和补料分批发酵1 分析两种发酵方式各有什么优缺点1 7<简述发酵工程的应用领域和主要产品类型& 8<试述发酵工程的发展趋势& 42 发酵工程
- 15. 第二章!发酵设备 利用生物催化剂进行反应的生物技术过程%发酵设备在整个过程中%具有中心 纽带的作用%是实现生物技术产品产业化的关键设备%是连接原料和产物的桥梁& 在发酵设备内%生物催化剂!酶或细胞"作用于底物或基质合成细胞或产物%将廉价 的原料升值为生化产品& 在生物反应过程中%若采用活细胞!包括微生物’动物或植物细胞"为生物催 化剂%称为发酵过程或细胞培养过程&采用游离或固定化酶%称为酶反应过程& 相应的设备也分为发酵罐’动植物细胞反应器和酶反应器&细胞反应器中的生 物反应通过细胞中精确调控的酶系进行催化%所以比较复杂%经过一系列的生物 反应将培养基的成 分 转 化 为 新 细 胞 或 各 种 代 谢 产 物&生 物 反 应 器 的 设 计 和 操 作%是生物工程中非常重要的工程问题%对产品的成本和质量有很大影响&微生 物细胞反应过程%即发酵过程%以微生物的生命活动来获取各种产品%因此%发酵罐 也围绕微生物的生命代谢活动展开&这就要求细胞生物反应器必须能保证生物体 的生长特性和要求%满足生物体的不同生长阶段对温度’溶解氧’GP 值’渗透压等 的不同要求%同时考虑生物体可能受到的剪应力影响%还要求在运行中达到无菌的 要求& 第一节!通风发酵设备 通风发酵设备是微生物发酵工业中主要的一类反应器&它有机械搅拌式’气 升式’鼓泡式’自吸式等多种类型& 一!机械搅拌式发酵罐 !一"发酵罐的结构 机械搅拌式发酵罐也称标准式或通用式发酵罐%是当前世界各国大多数发酵 工厂所采用的液体深层发酵的主要设备%其结构基本相同&罐身为立式圆筒形%有 椭圆形底盖%圆筒高与直径之比为!-<5*3"T2%其容积为-:@*-::$3 %有的可达 5::$3 &为使通入的空气与培养基密切混合%还装有机械搅拌装置&搅拌器有弯
- 16. 叶’箭叶’平叶涡轮式等多种&从搅拌程度来说%以平叶涡轮式最为激烈%功率消耗 最大%弯叶式次之%箭叶式更次之&搅拌器的叶轮一般为6个&为了提高通气效 果%发酵罐中装有挡板%如用竖型冷却蛇形管代替挡板也可以& 发酵罐设有夹套或蛇管作为灭菌时加热和发酵冷却时用&5$ 3 以下发酵罐 一般用夹套传热/在大型发酵罐中%一般采用水平或垂直的蛇管&夹套结构简单% 但从热交 换 速 度 来 看%蛇 管 比 夹 套 更 有 效&动’植 物 细 胞 培 养 不 带 挡 板%转 速 8*-:#0$(%%3片叶轮& 由于发酵罐是密闭的容器%而微生物的生长繁殖代谢活动需要不断地消耗 氧%要求不断地供给新鲜空气以满足微生物生命活动的需要%因此发酵罐里有通 气管&为保证通气效果%常在通气管末端装一个单管式或环形管式的空气分布 器%它一般装在最低一挡搅拌器的下面’距罐底4:$$ 的地方%喷嘴向下以利于 罐底部分液体的搅动%使固形物不易沉积于罐底&空气由分布管喷出%上升时被 转动的搅 拌 桨 打 碎 成 小 气 泡 并 与 液 体 混 合 和 分 散%因 而 加 强 了 气I液 接 触 的 效果& 微生物在代谢活动中%分泌出一些大分子的并带有一定黏度的物质&这些物 质在通风搅拌的情况下容易形成泡沫%如不及时除去会充满整个发酵罐%从排气管 溢出%影响通风效果%也会造成污染&为避免泡沫产生%一般在培养基里加进消泡 剂&在发酵过程中如泡沫过多%也需要加一定的消泡剂&此外%也可用消泡桨打破 泡沫或装一个超声波发生器%利用超声波进行消泡&目前实际应用中是消泡剂与 消泡装置同时使用& 发酵罐的机械搅拌器是由电动机经过皮带或齿轮减速后带动旋转的&它可装 在顶部或底部&电机是发酵罐搅拌器的动力部分&根据培养基浓度’黏度’搅拌器 的层数与直径来选择一定功率的电动机&功率太大%动力消耗太多%功率太小则带 不动%因此一定要选择合适的电动机&小型发酵罐可以不用轴承/大型发酵罐除下 端有底轴承支撑外%还有中间轴承%这样轴才不会晃动&为使设备运转安全%应有 密封&密封装置有填料匣与端面轴封两种& 除以上结构外%发酵罐还附加有补料罐’酸碱罐’压力表’人孔及视镜等&图 -I2和图-I-分别为小型和大型标准式发酵的结构& !二"发酵罐的几何尺寸 标准式发酵罐是既有机械搅拌%又有压缩空气分布装置的发酵罐%其几何尺寸 及操作条件如图-I3和表-I2所示& 62 发酵工程
- 18. 2<轴封/-%-:<人孔/3<梯子/4<联轴器/5<中间轴承/6<热电偶接口/7<搅拌器/8<通风管/9<放料口/ 2:<底轴承/22<温度计接口/2-<冷却管/23<轴/24%29<取样口/25<轴承柱/26<三角皮带转轴/ 27<电动机/28<接压力表接口/-2<进料口/-3<排气口/-4<回流口/-8<补料口/-5<窥镜 图#"#!大型标准式发酵罐 !参考曹军卫等<微生物工程<-::-" 表#"!!标准式发酵罐的几何尺寸与操作条件 几何尺寸与操作条件 典型数值 奥地利某公司 !-::$3 " 美国某公司 !23:$3 " 日本某公司 !5:$3 " 中国某厂 !2::$3 " $0#U2<7*4 3 2<83 2<8 -<94 "0#U20-*204 :<338 ) :<34 :<-86 %0#U208*202- 203 :<2: &0#U:<8*2<: 202: 2<: ) "2<: ) 搅拌转数 ’U3:*2:::!#0$(%" 9:*23: 7:*23: 245 25: 单位液体积的冷却面积 :<6*2<50!$- 0$3 " 2<5 2<24 搅拌器层数 4层 4层 -层 3层 通气量:<2*:<40**$ :<5 :<3*2<: :<6 :<5 :<- 空气线速度 :<:--0!$0$(%" 2<75 82 发酵工程
- 19. !!续表-I2 几何尺寸与操作条件 典型数值 奥地利某公司 !-::$3 " 美国某公司 !23:$3 " 日本某公司 !5:$3 " 中国某厂 !2::$3 " 单位体积功耗 2*40!CQ0$3 " -<5*3 4*5<4 3 2<3 装料系数#U7:R*8:R - 77 75 88 75 电机功率0CQ 3:: 23:: 25: 23: 注(**$ 是每分钟单位反应器总体积的空气体积& 系数较高&其缺点是%进罐空气处于负压%因而增加了染菌机会/由于搅拌转数较 高%有可能使菌丝被搅拌器切断%使正常生长受到影响&所以在抗生素发酵中很少 采用%但在食醋发酵’酵母菌培养’生化曝气等方面已有成功的实例& $<发酵罐筒身高度/#<发酵罐内径/ "<搅拌排管器内径/% <挡板的厚度/ &<下搅拌桨距底部的间距/(<两搅拌 桨的间距/$@<液位高度 图#"$!标准式发酵罐的几何尺寸 三!气升式发酵罐 机械搅拌发酵罐 结 构 比 较 复 杂%动 力 消 耗 大%而气升式发酵罐可克服上述缺 点&这 种 发 酵罐的特点是结构简单%冷却面积小%无搅拌传 动装置%节省动力约5:R%料液可充满达8:R* 9:R%不需加消泡剂%维 修 操 作 及 清 洗 简 便%杂 菌污染少%操作时无噪声&但它不能 替 代 好 气 量较小的发酵罐%对于黏度较大的发酵液溶氧 系数亦较低&气升式发酵罐有多种 型 式%较 典 型的有 内环流式和外环流式两 种%如 图 -I5 所 示&其工作原理为空气在喷口以-5:*3::$0E 的高速度喷入环流管&由于喷射作 用%气 泡 被 分散于液体中&上升管内的反应液 密 度 较 小% 加上压缩空气的动能使液体上升%罐内培养液 中的溶解氧由于菌体代谢而逐渐减少%在上升 管上部平流口%气液分离%并随着发酵液中的溶氧的不断消耗%发酵液的比重增大% 而从回流管下降到下平流管%进入下一个环流&当其通过环流管时由于气I液接触 而被重新饱和&罐内发酵液在环流管内循环一次所需的时间称循环周期时间%发 酵液的通风量与环流量之比称为气液比&发酵液在环流管内的流速称为环流速 度%环流速度取值范围一般为2<-*2<4$0E& 92第二章!发酵设备
- 21. 喷嘴前后压差和发酵罐罐压与环流量有一定关系&当喷嘴直径一定%发酵 液柱高度也不变时%压差越大%通风量越大%相当于增加了液体的循环量&环流 管高度对环流效率也有影响&实验表明%环流管高度应为4$%罐内液面不能低 于环流管出口%也 不 可 高 于 2<5$%因 过 高 的 液 面 高 度 可 能 产 生 #环 流 短 路$ 现象& 目前气升式发酵罐也已成功地应用于有机酸!柠檬酸’衣康酸等"’酵母菌及氨 基酸’多糖等的工业生产中& 四!通风固体发酵设备 固体发酵设备多用于酱油生产和酿酒%现在也用于农副产品生产微生物饲料& 该设备具有设备简单’投资省’无污染’无废物生产等优点& !一"自然通风发酵设备 自然通风发酵设备要 求 空 气 与 固 体 曲 料 密 切 接 触%以 供 给 空 气 和 带 走 合 成代谢产生的 热 量& 多 采 用 木 制 浅 盘%现 多 用 不 锈 钢 制 作%尺 寸 根 据 需 要 确 定%常用尺寸:<37$V:<54$V:<:6$ 或 2$V2$V:<6$%底 部 和 侧 面 打 孔%放在 架 子 上%架 子 一 般 分 为 数 层%每 层 :<25*:<-5 $%底 层 距 地 面 约 :<5$&设备放在通 风’保 湿’排 潮 的 曲 房 中%曲 房 的 大 小 以 一 批 曲 料 用 一 个 曲房%便于管理& !二"机械通风固体发酵设备 机械通风固体发酵设备%采用鼓风机强化发酵系统的通风%曲层厚度大大增 加%制曲效率提高%同时便于控制曲层的温度%提高成品质量& 2<机械通风固体发酵设备 如图-I6所示%曲料室多采用长方形水泥池%宽约-$%深2$%长度根据生产 场地及产量等选取%但不宜过长%以保持通风均匀/曲室底部高出地面%便于排水% 池底有8W*2:W的倾角%使通风均匀/池底上有一层筛板%发酵固体曲料放在筛板 上%料层厚度:<3*:<5$&曲料室的较低端与风道相连%其间设一风量调节闸门& 曲池通风常采用单向操作%为充分利用冷量和热量%一般把离开曲层的部分空气经循 环风道回到空调室%另吸入新鲜空气&空气通道的风速为2:*25$0E&因通风过程 的阻力损失较低%可选用效率较高的离心式风机%通常选用风压2:::*3:::F’的中 压风机较好& 2-第二章!发酵设备
- 23. 2<气孔/-<安全阀/3%7%2:<空气/4<水/5<鼓风机/6<电动机/8<蒸汽/9<浅盘 图#")!用于生产米曲的多功能浅盘式发酵罐 !参考吴振强等<固态发酵技术与应用<-::6" 为了减少人工操作强度%人们又开发了连续的浅盘发酵罐系统&这种系统从 接种培养物的制备’灭菌’冷却’接种’充填’干燥’粉碎和打包等操作全部连续完 成&近来%在日本一些生产米酒的工厂里%人们已经开始利用电脑控制的机器人来 完成这些操作& 4<箱式发酵装置 箱式发酵装置有几种类型%它包括敞开固定箱式’密闭固定箱式’移动箱式和 多层箱式等&多层箱式发酵装置!图-I9"采用立式分组结构%每一箱体组由若干 只!一般为4只"可活动的箱体组成&箱体规格-$V-$%箱体分成盛料的料床和 通风槽两部分%组成一个可搬动的整体&箱体组和物料进出设备均重叠在一个方 位上%一般出入料设备放在箱体组之下&装置的另一立面为吊梯!电梯"%翻料和出 入料时可将箱体的料床自动搬移至电梯中%进行翻料或送到指定的位置&多层箱 式发酵装置充分利用空间%节省发酵车间面积%在某些厂家有一定的应用价值&但 该装置投资大%操作不便%监测困难& 5<转鼓式固态发酵罐 图-I2:所示的是一个转鼓式发酵罐&培养过程中通过转鼓间歇转动来搅拌 和混合基质&由于转鼓转动与通气是同时进行的%因而促进了基质与新鲜空气接 触%有利 于 热 量 的 快 速 排 除 和 氧 供 应& 空 气 是 循 环 的%在 气 路 中 装 备 增 湿 器 !L’$G"#"对气流进行调节& 3-第二章!发酵设备
- 26. 2<压力表/-<排气/3<安全阀/4<人孔/5<洗涤器/ 6<冰盐水出口/7<冰盐水入口/8<啤酒出口/ 9<洗涤 +,- 入口/2:<取样口 图#"!!!圆筒体锥底发酵罐 一!啤酒发酵罐 啤酒发酵罐应用的主要有露天式锥底 发酵罐%联合罐及朝日罐等%介绍如下( 露天式锥底发酵罐在啤酒行业应用最 广&目前广泛采用的发酵设备是圆筒体锥底 发酵罐 !简 称 锥 形 罐"%发 酵 罐 最 大 容 量 达 25::&&是-:世纪初期瑞士的0’&>’%发明% 所以又称奈坦罐%见图-I22&发酵罐罐体为 圆柱形%罐顶为椭圆封头%罐底圆锥形&锥底 角度一般为6:W*23:W%以7:W角较好&罐高 与直径比例一般为!2<5*6"T2%常采用3T2 或4T2&罐预装有压力表’+,- 排出口’安全 阀’真空阀和人孔%罐内顶部装有清洗器%便 于罐内洗涤%罐体装有温度计插孔’取样口’ 二氧化碳洗涤口’罐底有放料口&发酵罐的 冷却装置一般分-*4段%根据罐体高度而 定&罐锥底部分最好也能冷却&锥型罐的冷 却形式多种多样%如扣槽钢外缠无缝管’冷却夹套内加导向板’罐外加氨管及长方形 薄夹层螺旋’环形冷却带或米勒板式夹套内流动换热等&常用隔热层材料有(聚酰胺 树脂’自熄式聚苯乙烯塑料’膨胀珍珠岩和矿渣棉等&外保护层一般采用:<7* 2<5$$ 厚的合金铝板或:<5*:<7$$ 的不锈钢&由于锥型罐体积大%设备清洗均采 用+XF!BK"’%(%.(%GK’B""清洗系统&锥型罐的优点是发酵速度快%易于沉淀收集酵母% 减少啤酒及其苦味物质的损失%泡沫稳定性得到改善%对啤酒工业的发展极为有利& 联合罐是一种在美国出现的称为 Y%(*"#EL的发酵罐%是由带人孔的薄壳圆柱 体’拱形顶及有足够斜度以排除酵母的锥底组成%如图-I2-所示&一般圆柱部分 高度和直径比为!2*2<3"T2%罐壁设有冷却板%罐体基础采用钢筋混凝圆柱体的 形状按照罐底的斜度确定&圆柱体与罐体之间填入坚固的水泥砂浆%罐底与砂浆 间有一层空心绝缘层&罐体耐压较小%为降低造价一般不设计成耐压罐!+,- 的 饱和是在完成罐进行%否则应考虑适当的耐压"&罐中心设有 +,- 注射圈%高度恰 好在酵母层之上&+,- 注入时%引起啤酒运动%使酵母浓聚于底部出口处%同时啤 酒中的不良挥发成分被注入的 +,- 带着逸出&联合罐可采用机械搅拌%也可通过 对罐体的精心设计达到同样的搅拌作用& 6- 发酵工程
- 27. 朝日罐又称朝日单一酿槽%是日本朝日公司试制成功的前’后酵合一的室外大 型发酵罐%如图-I23所示%罐体为斜底圆柱形发酵罐&高度与直径的比值为!2* -"T2&外都设有冷却夹套包围罐身与罐底&内部设有带转轴的可动排液管%用来 排出酒液&酵母的分离依靠离心机来完成& 图#"!#!联合罐 !!!!! 2<可移动排液管/-<冷却夹套/ 3<发酵液进口/4<发酵液出口 图#"!$!朝日罐 2<压力表/-<排气/3<冷却水/4<进料/5<人孔/ 6<出口/7<温度计/8<冷却盘管/9<出口/ 2:<淋水收集槽/22<冷却水进口/2-<取样口 图#"!%!酒精发酵罐 二!酒精发酵罐 酒精 发 酵 罐%结 构 较 为 简 单%罐 体 采用圆柱形%底盖和顶盖均为碟形或锥 形%如图 -I24 所 示 发 酵 罐 宜 采 用 密 闭 式%便于二氧化碳的回收&罐预装有人 孔’视镜’二氧化碳回收 管’进 料 管’接 种管’压 力 表’测 量 仪 表 接 口 等&罐 底 有排料口’排污口%罐身上下有取样口’ 温度计接口’冷却水进出口等&对于大 型发酵罐%靠 近 罐 底 也 装 有 人 孔%便 于 维修和清洗& 发酵液的冷却%中小型发酵罐多采 用罐顶喷水淋于罐外壁进行膜状冷却% 对于大型发酵罐%罐内装有冷却盘管或 7-第二章!发酵设备
- 28. 盘管冷却与罐外喷淋联合冷却装置%罐外壁底部四周装有集水槽%避免车间积水& 发酵罐的洗涤%采用水力喷射洗涤装置& 第三节!动植物细胞培养反应器 随着生物工程技术的发展%动植物细胞的培养逐渐从实验室规模培养过渡到 生产规模的生物反应器中进行&动植物细胞培养是指动物或植物细胞在体外条件 下进行培养繁殖%此时细胞虽然生长与增多%但不再形成组织& 动植物细胞与微生物细胞有明显的区别%首先动物细胞无细胞壁%动植物细胞 对环境影响十分敏感&培养中动植物细胞对培养基的营养要求相当苛刻%并且生 长缓慢%所以动植物细胞培养体系需要严格防止杂菌污染& 一!动物细胞培养反应器 早期培养动物细胞的生物反应器多半是借用培养细菌的发酵设备&近些年 来%随着动物细胞大量培养技术的发展%新型的生物反应器正在不断出现&这些反 应器都是针对动物细胞无细胞壁%不能耐受强烈搅拌与通风的剪切力而设计制 造的& 图#"!&!液体悬浮培养的培养瓶 !一"动物细胞悬浮培养反应器 由于动物细胞无细胞壁保护%采用一般发酵 罐的搅拌桨叶搅拌液体时%液体间的剪切力往往 过大而破坏细胞%因此%实验室规模的悬浮培养反 应器是 依 靠 磁 力 驱 动 的 搅 拌 器 低 转 速 搅 拌 !如 -:*5:#0$(%"%搅拌桨有用尼龙丝编织带制成船 帆形%或者通过插入溶液中的硅胶管使氧气扩散 到培养液内&图-I25是一种实验室内用于液体悬 浮培养的培养瓶%容积为:<2*:<-@%培养液依靠 磁力驱动的搅拌器低转速搅拌%而溶氧借助于液 体上的空气表面曝气扩散%瓶内空气混有5R的 +,- 调节培养液酸碱度&据报道% 此类培养瓶液体中细胞浓度可达到5V2:5 个0$@& 由于动物细胞对搅拌时产生的剪切力较细菌敏感%因此搅拌速度一般为-:* 2::#0$(%%故多数倾向于采用较大的倾斜式桨叶搅拌器或船舶推进式桨叶搅拌 器&近年来 美 国 0JZ!0"A J#D%EA(BCZB("%&(!(B"公 司 开 发 的 笼 式 通 气 搅 拌 器 8- 发酵工程
- 30. 液连续流加%而流出的培养液则通过旋转过滤器分离细胞后被排出%所以这种培养 系统也称为灌注系统& !二"动物细胞贴壁培养反应器 多数动物细胞需附着在固体或半固体表面才能生长%细胞在载体表面上生长 并扩展成一单层%所以贴壁培养又称单层培养&传统的动物细胞培养反应器是滚 瓶%利用滚瓶的缓慢转动%使动物细胞在滚瓶内壁贴壁生长繁殖&目前很多生物制 品工厂就用4*3:@ 大小的滚瓶进行动物细胞贴壁培养来生产疫苗&-:世纪7: 年代开发出中空纤维培养装置进行动物细胞培养%细胞密度可达2: 9 个0$@ 数量 级&2974年美国 1$(B)%公司设计了第一台中空纤维生物反应器!>)KK)AI!(N"#I N()#"’B&)#"%称为 (&’!(N"#X!图-I27"&至今已有2:多家公司生产和销售类似的 产品%近年来我国也有单位正在试制&该反应器是由数百乃至数千根中空纤维集 束组成&该纤维的材料为聚砜或丙烯共聚物%纤维壁厚为5:*2::+$%呈多孔性% 内层为超滤膜%可以截留相对分子质量为2::::’5::::或2:::::的物质&内腔 直径为-::+$%两端用环氧树脂等材料将纤维粘合在一起%并使内腔开口于外加 的塑料圆筒%使形成两个隔开的腔&内腔用以灌流充以氧气的培养基%外腔用以培 养细胞&该反应器既适于贴壁细胞培养%也适于悬浮细胞培养&当细胞接种于外 腔后%细胞可附着于纤维表面%也可渗入海绵状纤维壁%2*3周后可占据所有纤维 间 空 间%并 在 纤 维 表 面 堆 积 成 数 层%甚 至 2: 多 层 细 胞%细 胞 密 度 可 高 达 2:8 个0B$- %此时细胞的分裂停顿%但其代谢和分化功能可长期保持达数月之久& 细胞可保持较高的存活性’健康的形态和核型& 2<;Z+出口/-<中空纤维/3<细胞接种管/4<培养基进口/ 5<中空纤维外部空间!;Z+"/6<培养基出口 图#"!(!,-./0-1234型圆柱状中空纤维反应器示意图 !参考夏焕章等<生物制药技术<-::6" 该反应器的优点是(!占地空间小/"产品产量’质量高/#生产成本低!生产 :3 发酵工程
- 31. 2.纯化的单克隆抗体的生产成本%为用小鼠腹水生产成本的20-%搅拌式生物反 应器生产成本的206"&其不足之处是(!不能耐高压蒸汽灭菌%需用环氧乙烷或 其他消毒剂灭菌/"难以取样检测/#不能重复使用&动物细胞培养时间要比一般 微生物培养时间长%其灭菌要求更严格&如果因操作不当而污染杂菌后%整个装置 无法灭菌再生而报废%经济损失就较大&这是中空纤维反应器的最大缺点& 为了克服这些不足%OD等在2982年报道了另一种平床式中空纤维生物反应 器!图-I28"&该反应器的核心是中空纤维反应室%它由3:::根长3:B$ 的中空 纤维组成%分成3*4层%每层8::*9::根中空纤维%排成3:B$V3:B$%这样细胞 贴附的总面积为2::::B$ - %两端用硅橡胶或环氧树脂端封%并使纤维内腔开口于 2<反应器下座/-<空气0+,- 进口/3<细胞接种口/4<新鲜培养基进口/5<空气0+,- 出口/ 6<下层不锈钢微孔滤板/7<中空纤维床/8<中空纤维硅胶封口/9<中空纤维开口/ 2:<上层不锈钢微孔滤板/22<垫板/2-<反应器上座/23<用后培养基出口/ 24<反应器前室/25<反应器后室/26<螺栓/27<蝶形螺帽 图#"!)!平床式中空纤维生物反应器示意图 !参考夏焕章等<生物制药技术<-::6" 23第二章!发酵设备
- 32. 两侧室&中空纤维材料为聚砜’聚丙烯酯%或用 1$(B)%]$5:纤维&整个反应器 用326号不锈钢制作%有下座’下层不锈钢微孔!-+$"滤板’中空纤维反应器’反应 器后室’上层不锈钢微孔!-:+$"滤板’垫板和上盖%以及进出培养基的管道接口’ 接种 细 胞 的 管 口 和 空 气 的 管 口&据 报 道%该 反 应 器 已 成 功 地 培 养 了 Z3S3’ QXI38’P"@’’^OI-’JPO 和原代人胚肾细胞&培养原代人胚肾细胞时%用无血 清培养基%细胞在5周内一直很稳定地产生尿激酶& !三"固定床或流化床式生物反应器 固定床或流化床式生物反应器最早也是用于化学工业和废水的处理%以后才 被开发用于动物细胞的培养%用以大量生产疫苗和基因工程产品&固定床反应器 的特点是结构比较简单%装填的材料可以是一切对细胞无毒又有利于细胞贴附的 材料%如不锈钢’玻璃环’玻璃珠’光面陶瓷’塑料等实心的载体/也可以是有孔的陶 瓷’有孔的玻璃’有孔的聚氨酯塑料等&前一类材料%细胞只能生长在表面%因此细 胞密度不会太高%但比较经济%液体流动阻力较小%多数可重复使用%因而被较多采 用%特别是3*5$$ 的玻璃珠%有报道已将该反应器放大至2::@以上%用以生产口 蹄疫疫苗&后者由于有孔%细胞可进入载体内%因而常可获得高密度细胞&但当载体 过大时%在载体内的细胞常因营养物和氧的交换不够充分而影响其生长和代谢&近 年来出现的几种新型生物反应器%在细胞密度和生产效率方面都有了很大的提高& 0JZ公司在原来的笼式通气搅拌式反应器基础上%开发出了 +"KK(."%GKDE生 物反应器&该反应器实际上是将通气搅拌与固定床巧妙结合的一种新型生物反应 器!图-I29"&它在原来的 +"KK(."%罐体中部装一篮筐%中间装填由5:R的聚酯纤 维和5:R的聚丙烯制备的直径为6$$ 的小圆盘%称之为 _(N#’I+"KK%它具有很大 的比表面积!2-:B$- 0B$3 "和空体积!9:R"&既可用于贴壁细胞的附着%又有利于 悬浮细胞在纤维间被固定&由于其特殊设计的搅拌装置%在搅拌中可产生负压%迫 使培养基不断流经填料%有利于营养物和氧的传递&据报道%该反应器可使杂交瘤 细胞和 +P, 工程细胞的密度达到2:8 个0B$3 床体积%单抗和&IF1 的产量较用固 体微载体培养分别高2-和-7倍& 二!植物细胞培养反应器 用于植物细胞培养的核心设备称为植物细胞培养反应器&此类反应器与微生 物发酵用反应器有许多相同之处%也采用通用式发酵罐’鼓泡式发酵罐’气升式反 应器’流化床式反应器’固定床式反应器’膜反应器及振动混合反应器等&植物细 胞培养反应器已从实验室规模的2*3:@放大到工业性试验规模23:*-::::@& -3 发酵工程
- 33. 2<水套出水口/-<无细胞液/3<纤维圆盘篮筐/4<水套/5<抽液管/6<搅拌导流管出口/ 7<加或收 FJZ/8<加培养基/9<进气/2:<收液/22<轴套/2-<可调水平收液管/ 23<进气管线/24<无细胞培养基/25<浸透已通气培养基的圆盘床/ 26<聚酯纤维圆盘/27<筛网内气室中的气泡/28<培养基循环/ 29<加温水套进水 图#"!*!5266-72896:;细胞培养反应器示意图 !参考夏焕章等<生物制药技术<-::5" 植物细胞生物反应器的放大设计应首先考虑植物细胞的剪切力&图-I-:为 大规模植物细胞培养反应器的常用设计图&在非机械搅拌或气体搅拌反应器中% 平均剪切力与界面气速有关&也可用容易测定的传质参数来估算反应的剪切强 度&但是在现阶段%植物细胞培养反应器的放大%在很大程度上是基于大量实验的 经验性结果& 实际生产中%大规模植物细胞培养反应器有用于烟草细胞培养的机械搅拌罐 !图-I-2"&虽然植物细胞培养所需的 ,@! 值小于一般好氧微生物培养时所需的 ,@!值%但高细胞浓度下培养液的黏度加大%因此%宜采用直径较大!搅拌叶直径为 罐径的20-"的角度桨式搅拌器&反应器容积-:$3 %搅拌转速为2:*4:#0$(%%连 续培养%细胞生产能力为5<8-C.0!$3 .L"& 植物细胞培养反应器的设计%可采用通风发酵设备的放大方法来进行&上述 烟草细胞培养用-:$3 反应器就是以 ,@!为基准的比拟放大方法设计制造的& 采用气升式反应器培养植物细胞也有一定的应用前景%与机械搅拌反应器相 比%所受的剪切力低得多/无轴封装置%结构简单%制作方便%灭菌容易/操作费用 低/可通过控制通气速率控制细胞的生长& 33第二章!发酵设备
- 35. 2<培养基配制罐/-<加热器/3<冷却器/4<预热器/5<蓄热器/6<-:$3 培养基贮罐/ 7<-:$3 培养罐/8<贮罐/9<-:::@培养基罐 图#"#!!培养烟草细胞的装置 !参考李艳等<发酵工程原理及技术<-::8" 封闭式光合反应器的研制开发已有几十年历史%但其取得实际研究进展是近 几年的事&封闭式光合反应器与敞开式反应器相比%具有培养效率高’培养条件易 于控制’无污染’生长周期长和适合于所有微藻的培养等优点&封闭式光合反应器 按其接收光的方式可分为两大类(一类是外部光源%另一类是内部光源& 外部光源封闭式光合反应器大部分处于中试规模%体积达2:$3 %面积达几百 平方米%多数为管道式和板式%也有罐式的&内部光源封闭式光合反应器在国外也 有产品出售&这种反应器已全部实现计算机自动控制&反应器型式有多种%如罐 式’管式等& 思 考 题 2<叙述发酵设备的功能和分类& -<设计发酵设备时要本着哪些原则1 反应器必须具备哪些基本条件1 3<试述各种发酵罐的主要类型及其结构参数和性能指标& 4<简述机械搅拌自吸式发酵罐的机构特点及主要优缺点& 5<以液体发酵法生产食醋为例说明机械搅拌自吸式发酵罐的操作状况& 53第二章!发酵设备
- 38. 二!发酵培养基中各种成分的定量 发酵培养基是供微生物生长繁殖和合成大量产物的培养基&所以要求发酵培 养基既要有利于微生物的生长繁殖%防止菌体过早衰老%又要有利于产物的合成& 因此%培养基中营养成分除碳源’氮源’无机盐’生长因子及水等五类物质外/还要 有前体’促进剂和抑制剂等物质& 发酵培养基中的碳源物质除了提供合成细胞结构物质所需碳素外%更重要的 是提供目的产物中的碳及合成产物的能源&所以%碳源物质在发酵培养基中的含 量要远远大于其在种子培养基中的含量&例如%在谷氨酸发酵中%种子培养基中的 糖量为2R*-<5R%而在发酵培养基中总糖量!初糖a流加糖"可以达到26R* 28R%远高于在种子培养基中的含量&发酵培养基的碳源多为淀粉!E&’#B>"’淀粉 水解糖!E&’#B>ED.’#"’糖蜜!$)K’EE"E"’有机酸!)#.’%(B’B(L"’低碳醇’脂质’烃 类等& 氮源物质在发酵培养基中的含量因发酵目的产物不同而不同&如果目的产物 无氮素的存在!如酒精发酵"%培养基中的氮仅够菌体繁殖之用就可以了&但如果 目的产物中有氮素存在!如氨基酸发酵"%发酵对氮源的需求就要大大增加&通常 所用的氮源可分为有机氮源和无机氮源&有机氮源如黄豆饼粉’花生饼粉’棉籽饼 粉’玉米浆粉’蛋白胨’酵母粉’鱼粉’蚕蛹粉’发酵菌丝体和酒糟等/无机氮源如氨 水’液氨’尿素’硝酸盐和铵盐等& 无机盐也是发酵培养基中必需的成分之一%在发酵当中对菌体生长和产物合 成都有十分重要的影响&磷是所有微生物生长所必需的%对微生物的生长有明显 的促进作用&但在有的发酵中%磷过量常会抑制产物的合成&例如%在谷氨酸生产 中%若磷的浓度过高%会抑制6I磷酸葡萄糖脱氢酶的活性%导致代谢转向缬氨酸方 向&许多其他次级代谢产物的产生也都受磷浓度的影响&但也有些产物的生产需 要较高 浓 度 的 磷%如 用 黑 曲 霉 !1EG"#.(KKDE%(."#"和 地 衣 芽 孢 杆 菌 !J’B(KKDE K(B>"%(!)#$(E"对生产!I淀粉酶时%高浓度的磷能显著提高!I淀粉酶的产量&硫是 青霉素’头孢菌素等分子中的组成元素&在这些产物的发酵培养基中%需要加入硫 源&铁也是微生物有氧氧化必不可少的元素&但不同发酵对铁的需求不同&如% 在柠檬酸发酵中%铁离子激活顺乌头酸酶%使柠檬酸转化为异柠檬酸%降低了柠檬 酸的产量%所以柠檬酸发酵培养基中要少含铁&^.’b%’+)’+D’^%等微量元素 是某些酶的辅酶或激活剂&它们对微生物大量合成某些产物如氨基酸’抗生素’维 生素等起到重要的作用&如4*8+.0$@的钴能大大提高庆大霉素的产量&Oa ’ 0’a ’+’-a 等与维持细胞一定的渗透压和细胞透性有关%并且还是许多酶的激活 83 发酵工程
- 39. 剂&生长因子在发酵培养基中也必不可少%但要注意在某些发酵中生长因子的量 需要控制适当%否则对产物合成造成极为不利的影响&最为明显的例子是用生物 素亚适量法的谷氨酸发酵%生物素作为生长因子在培养基中 的 量应控制在 5* 2:+.0@%如果超过此量谷氨酸的产量将大大降低&这是因为只有在生物素不足 时%菌体细胞膜合成才不完整%细胞膜渗透性加大%菌体才能把生成的谷氨酸及时 排除体外%解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反馈抑制作用&有些化合物加入到培养 基后%能够直接在生物合成过程中结合到产物分子中去%而自身的结构并未发生太 大变化%却能提高产物的产量%这类小分子物质被称为前体&这些前体物质有的是 菌体本身能够合成的%如合成青霉素分子所需的缬氨酸和半胱氨酸%合成链霉素的 肌醇等/有的是菌体不能合成或合成的很少%需从外界加入的%如合成青霉素 的 苯氧乙酸等&因此%这些物质也作为发酵培养基的成分之一&前体使用的浓度要 适当&因为虽然前体能促进产物合成%但许多前体对菌体有毒害作用%一般采取流 加方式%减少一次加入量&促进剂是一类刺激因子%它们并不是前体或营养%这类 物质的加入或可以影响微生物的正常代谢%或促进中间代谢产物的积累%或提高次 级代谢产物的产量&而发酵过程中加入抑制剂会抑制某些代谢途径的进行%同时 刺激另一代谢途径%以致可以改变微生物的代谢途径&促进剂和抑制剂的专一性 很强%用量极微%使用得当%效果显著%但必须通过试验选择品种和确定用量%以防 止产生不利影响& 三!工业上常用作碳源的淀粉质原料 !一"淀粉的性质 淀粉呈白色无定形结晶粉末%存在于各种植物组织中&在显微镜下观察淀粉 的颗粒是透明的%大致可分为圆形’椭圆形’多角形三种&淀粉没有还原性%也没有 甜味%不溶于冷水和酒精%淀粉在热水中膨胀%粒度增大%呈胶体状&淀粉可分为直 链淀粉!’$?K)E""和支链淀粉!’$?K)G"B&(%"两种&直链淀粉是葡萄糖经!I2%4I糖 苷键脱水缩聚而成螺旋形不分支长链%聚合度在2::*6:::之间%相对分子质量 达2:::::&用热水溶解时形成黏度较低的不稳定胶体溶液在5:*6:‘静置较长 时间后会析出晶形沉淀&支链淀粉是支叉分子%直链部分的葡萄糖以!I2%4I糖苷 键连接%分支点上葡萄糖以!I2%6I糖苷键连接%聚合度2:::*3::::%相对分子质 量可达6V2:6 &用热水溶解时形成糊状物& 淀粉遇碘液时%碘从螺旋形中间通过%与直链淀粉之间构成吸附化合物而呈蓝 色反应&支链淀粉遇碘液时%碘不能通过!I2%6I糖苷键结合的分支点%只能和支点 外部的二十几个葡萄糖基结合%故呈红到紫红色反应& 93第三章!发酵工业原料和培养基
- 41. 表$"!!各种黄豆粉的成分 R 组分 脱脂黄豆粉 低脂黄豆粉 全脂黄豆粉 蛋白质 48<6:*5-<8: 4:<63*46<32 33<75*38<:: 油脂 :<43*2<59 3<99*24<4: 29<54*-:<46 灰分 5<88*7<-: 5<2:*7<34 4<5-*4<82 水分 6<27*9<48 4<7:*22<:: 8<84*9<-9 玉米浆是玉米淀粉生产的副产品%是用亚硫酸浸泡玉米所得的浸泡液的浓缩 物&固体物质含量在5:R以上%是一种非常容易被微生物利用的氮源%含有丰富 的氨基酸’还原糖’磷’微量元素’生物素等%成分见表3I-& 表$"#!玉米浆的成分 !参考李艳等<发酵工程原理及技术<-::8" 总固体物0R 灰分0R 维生素0!+.0." 乳酸 25<: O -:<: 硫胺素 !42*49 还原糖 5<6 F 2<:*5<: 生物素 :<34*:<38 水解后的自由还原糖 6<8 0’ :<3*2<: 叶酸! :<-6*:<6 总氮 4<: ^. :<::3*:<3: 烟酰胺 !3:*4: !!其中氨基酸占 !!总氮含量 1K’ -5<: _" :<:2*:<3: 核黄素 3<9:*4<7: 1#. 8<: +D :<:2*:<3: cKD 8<: +’ :<:2*:<3: @"D 6<: b% :<::3*:<8: F#) 5<: FN :<::3*:<:2 S># 3<5 Z( :<::3*:<:2 XK" 3<5 +K :<::3*:<:2 ’K 3<5 F>" -<: ^"& 2<: +?" 2<: 玉米浆的用量应根据淀粉原料的不同’糖浓度及发酵条件不同而异&一般用 量为:<4R*:<8R& 蛋白胨’酵母粉’鱼粉’蚕蛹粉等也是很好的有机氮源&蛋白胨由各种动物组 织和植物水解制备&工业上使用的蛋白胨有血胨’肉胨’鱼胨’骨胨等&不同蛋白 胨之间磷含量差异较大%对于需控制磷浓度的发酵来说%要注意品种的选择和使用 效果&酵母粉由水解啤酒酵母和面包酵母制得%其质量和含量与酵母品种有关& 24第三章!发酵工业原料和培养基
- 42. 蚕蛹粉主要用在制霉菌素的发酵中& 需要注意的是(以上各种蛋白质原料均是由天然原料加工制作而成的%成分复 杂%且因原料产地’加工方法’原料品种等不同%营养物质的含量也随之变化%对发 酵有较大影响&因此必须对这些蛋白质原料的来源’品种’质量加以适当的选择& 最好在原料变动时进行小型发酵试验& 五!发酵培养基中的无机盐和生长因子 !一"磷酸盐 磷是某些蛋白质和核酸的组成成分%腺苷二磷酸!1/F"’腺苷三磷酸!1SF" 是重要的能量传递物质%参与一系列的代谢反应&磷酸盐在培养基中还有缓冲作 用&微生物对磷的需要量一般为:<::5*:<:2$)K0@&工业生产上常用 O3F,4. 3P-,’O3F,4 和 0’-PF,4.-P-,’0’P-F,4.-P-, 等磷酸盐%也可用磷酸& !二"硫酸镁 镁是许多重要的酶!如己糖磷酸化酶’异柠檬酸脱氢酶’羧化酶等"的激活剂% 而硫为菌体合成含硫蛋白质提供硫源&所以 ^.Z,4.7P-, 是发酵工业中常用 的无机盐类&^.Z,4.7P-, 中含镁9<87R%发酵培养基配用:<-5*2.0@时%镁 浓度为-5*9:$.0@& !三"钾盐 微生物生长需钾量一般约为:<2.0@!以 O-Z,4 计%以下同"&当培养基磷盐配 用2.0@O3F,4.3P-,时%同时供给了钾%其钾浓度约为:<389.0@&如果磷盐采用 0’-PF,4.2-P-,时%应另外配用:<3*:<6.0@的 O+K%钾浓度为:<35*:<7:.0@& !四"微量元素 一般作为碳源’氮源的农副产品天然原料中本身就含有某些微量元素%不必另 加&但某些发酵可能对某些微量元素有特殊要求%例如以醋酸或石蜡为碳源发酵 谷氨酸时对铜离子含量要求较高&因此%这些发酵需在培养基中补加一些含有微 量元素的无机盐&工业上常用的含微量元素的无机盐有 ^%Z,4.4P-, 等& !五"生长因子 工业上提供生长因子的主要是一些农副产品原料%常用的有玉米浆’麸皮水解 液’糖蜜’酵母水解液等&玉米浆不仅含有丰富的蛋白质’多肽和游离氨基酸%而且 -4 发酵工程
- 43. 含有丰富的维生素’生物素%既可作为有机氮源使用%又可提供生长因子&糖蜜是 苷蔗或甜菜制糖后剩余的母液%其中含有大量的生物素%是作为提供生长因子的最 常用原料&麸皮水解液是干麸皮与水按一定比例配合加压酸解而得%可以代替玉 米浆&有些谷氨酸生产菌以硫胺素!维生素 J2"为生长因子%可在其培养基中添加 硫胺素盐酸盐水溶液&有些生产氨基酸的缺陷型菌种还以油酸’甘油’苏氨酸等为 生长因子& 六!发酵生产的前体物质和促进剂!抑制剂 !一"前体 在有些氨基酸’抗生素和核苷酸的发酵中必须添加前体才能获得较高的产率& 工业上常用的前体见表3I3& 表$"$!几种常用的前体 产物 前体 产物 前体 青霉素 c 苯乙酸等 维生素 J2- 钴化物 青霉素 , 烯丙基I巯基乙酸 丝氨酸 甘氨酸 青霉素 苯氧乙酸 色氨酸 吲哚’氨茴酸 链霉素 肌醇’精氨酸等 蛋氨酸 -I羟基I4I甲基硫代丁酸 金霉素 氯化物 异亮氨酸 #I苏氨酸 红霉素 丙酸’丙醇等 苏氨酸 高丝氨酸 灰黄霉素 氯化物 !二"促进剂 在某些氨基酸’抗生素和酶制剂发酵生产过程中%可以在发酵培养基中加入促 进剂&尤其是在酶制剂发酵过程中%加入促进剂%可以改进细胞的渗透性%同时增 强氧的传递速度%改善了菌体对氧的有效利用%大大增加了产酶量&常用促进剂有 各种表面活性剂!洗净剂’吐温I8:’植酸等"’二乙胺四乙酸’大豆油抽提物’黄血 盐’甲醇等&如栖土曲霉394-生产蛋白酶时%在发酵-*8>添加:<2R@Z洗净剂 !即脂肪酰胺磺酸钠"%就可使蛋白酶产量提高5:R以上&添加培养基:<:-R* 2R的植 酸 盐 可 显 著 地 提 高 枯 草 杆 菌 !&-./001((123/0/("’假 单 胞 菌 !)(41"56 758-("’酵母!9-..+-:57;.4("’曲霉!<(=4:>/001("等的产酶量&在 3536 葡萄糖 氧化酶发酵时%加入金属螯合剂二乙胺四乙酸!;/S1"对酶的形成有显著影响%酶 活力随二乙胺四乙酸用量而递增&又如添加大豆油抽提物%米曲霉蛋白酶可提高 34第三章!发酵工业原料和培养基
- 44. 287R的产量%脂肪酶可提高25:R的产量&抗生素发酵中促进剂也有应用(在四 环素发酵中加入硫氰化苄或-I巯基苯并噻唑可控制 S+1 循环中某些酶的活力% 能增强戊糖循环%促进四环素的合成/巴比妥药物能增加链霉素产生菌丝的抗自溶 能力%对链霉素生物合成有促进作用& !三"抑制剂 有些抑制剂可抑制某些合成产物的途径而使代谢向所需产物的途径转化%常 常被用在抗生素和有机溶剂发酵中&氯霉素’植酸’草酸等能抑制噬菌体的繁殖% 可用于氨基酸发酵&常用的抑制剂见表3I4& 表$"%!发酵工业上常用的抑制剂 产物 被抑制产物 抑制剂 链霉素 甘露糖链霉素 甘露聚糖 去甲基链霉素 链霉素 乙硫氨酸 四环素 金霉素 溴化物’硫脲 去甲基金霉素 金霉素 硫 磺 化 合 物’乙 硫 氨酸 头孢菌素 + 头孢菌素 0 !I蛋氨酸 利福霉素 J 其他利福霉素 巴比妥药物 甘油 乙醇 亚硫酸盐 第二节!发酵工业培养基的种类 发酵中的培养基有很多类型&按照不同的分类依据可以有不同的划分&常用 的划分依据有3种%即按原料的化学纯度不同划分’按培养基的物理状态不同划分 和按培养基的用途不同划分& 一!不同原料纯度的培养基 按照预料化学纯度的不同可以将发酵培养基分成天然培养基’合成培养基和 半合成培养基3种& !一"天然培养基 天然培养基!D%L"!(%"L$"L(D$"是指采用一些化学成分不清楚或化学成分不 恒定的物质作为培养基的原料%主要是一些动’植物组织或微生物的浸出物’水解 44 发酵工程