第二節發酵罐及發酵工程應用實例一、發酵罐二、發酵工程應用實例Fermentthebottleandfermenttheengineeringappliedsolidexample一、發酵罐由于氧在培養液中的溶解度較小，為了增加培養液中氧的濃度，滿足微生物的需求，保持培養液的均勻懸浮狀態，促使發酵熱散失，往往需要在發酵罐中通氣、攪拌。在發酵生產中，除了某些溶劑（如：乙醇、丙酮、丁醇）及乳酸等少數產品是厭氧發酵外，多數發酵產品都是好氧培養得到的。生物化工生產中常用的發酵罐可根據其攪拌的方式不同，將其分為機械攪拌、壓縮空氣鼓泡攪拌和強制液體循環攪拌三種類型。1.機械攪拌式發酵罐機械攪拌式發酵罐可根據其攪拌形式分為，通氣式發酵罐、自吸式發酵罐等。排管傳熱氣通式發酵罐機械攪拌通氣式發酵罐又稱為通用式發酵罐，是工業上最常用的一種微生物反應器。通氣式發酵罐的主要優點是：發酵液的pH值和溫度易于控制；適合連續培養。①優點②缺點⑴通氣式發酵罐通氣式發酵罐的主要缺點是：設備結構復雜，難以清洗；在絲狀菌的培養過程中，細胞易受損傷。⑵自吸式發酵罐自吸式發酵罐不需要空壓機供應壓縮空氣，它是利用攪拌器旋轉時產生的負壓吸入空氣。攪拌與供空氣均由機械攪拌器完成，省去空壓機。①優點吸程不高，須采用低阻力高效空氣除菌裝置，對無菌要求高的發酵不適應；由于空氣在攪拌時直接進入發酵罐，故對厭氧菌的發酵不適應。②缺點一、KRH-PJ發酵罐系列產品基本性能發酵罐的控制是液晶觸摸屏操作界面，PLC控制器。該設備對溫度、攪拌轉速、PH值、DO值、消泡、多路補料、加酸、加堿、壓力、通氣量等參數實時測量和自動控制。兩種市售機械攪拌發酵罐二、30BS-100JS-3000發酵罐罐體材料——不銹鋼。

攪拌系統——采用上懸掛強磁力攪拌系統，無機械密封不易泄漏，底部無頂針罐底磁力攪拌。控制系統——自動、手動。泡沫控制——全自動PID測控與報警，蠕動泵自動添加消泡劑。2.鼓泡式發酵罐

鼓泡式發酵罐是借助鼓入空氣而提供混合與傳質所需的功率。排氣排料進料進料空氣

鼓泡式發酵罐的結構如右圖所示，空氣與培養液由下部鼓入罐體，并以分散系通過篩板鼓泡。鼓泡式發酵罐結構簡單，造價低，動力消耗較小，避免了機械攪拌因軸封不嚴帶來的雜菌污染，減小了對絲狀菌培養過程中的細胞易受損傷。鼓泡式發酵罐一般較適用于，培養液粘度低、固含量低、需氧量較低的發酵過程。3.液體循環式發酵罐氣升式發酵罐與鼓泡式發酵罐相似，不設機械攪拌，但在罐外設體外循環管，或在罐內設導流筒（拉力筒）。氣升式發酵罐結構簡單，造價低，動力消耗較小，避免了機械攪拌因軸封不嚴帶來的雜菌污染，減小了對絲狀菌培養過程中的細胞易受損傷。氣升式發酵罐一般較適用于，粘度低、固含量低的培養液。⑴氣升環流式發酵罐排氣排料進料空氣排氣排料進料空氣⑵噴嘴環流式發酵罐噴嘴環流式發酵罐采用機械泵引射壓縮空氣，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。這些小氣泡在罐內開始會積聚出較大的氣泡，通過環流后將重新分散，從而加快了傳質速率。與機械攪拌式發酵罐相比，在同樣耗能的前提下，噴嘴環流式發酵罐的氧傳質速率要高得多。與氣升式發酵罐比較，噴嘴環流式發酵罐的適用氛圍相對較廣。排氣排料進料空氣外循環支路噴嘴一、光照氣升式發酵罐

KRH-WQ發酵罐系列產品基本性能發酵罐的控制是光照氣升式反應器采用外循環，由罐體和外掛式提升管組成，在提升管內置為冷光源的光照系統，光照時間可根據工藝要求而定。該設備配有多個發酵罐專用標準接口，如pH接口、DO接口、溫控接口、接種口、消泡報警口等。兩種市售氣升式發酵罐二、氣升內環流發酵罐

AIF發酵罐系列產品特點：氣流攪拌，剪切力小，特別適用于霉菌菌絲體和動植物細胞等剪切敏感體系的純培養。無機械密封，具有可靠的抗污染密封性能。⑶連續管道發酵器連續管道發酵器有多種多樣，可以是直管也可以是蛇管。培養液和種子液不斷流入發酵器進行發酵。連續管道發酵器主要用于厭氧發酵。種子罐管道發酵器培養液種子液資料卡片1.抗生抗生是生物之間的一種相互關系，即一種生物通過分泌化學物質來抑制、排斥另一種生物的現象。此現象主要發生于微生物之間，也見于某些植物和動物。

2.抗生素抗生素是指由微生物（包括細菌、真菌、放線菌屬）或高等動植物在生活過程中，所產生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產物，能干擾或抑制其它生物活細胞發育功能的化學物質。二、發酵工程應用實例1.抗生素的發酵生產問題：什么是抗生(antibiosis)？什么是抗生素(antibiotics)？⑴抗生素的種類抗生素的種類繁多（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生的，后者是對天然抗生素進行結構改造獲得的部分合成產品。

例如：由真菌產生的抗生素——青霉素。青霉素－CH2－C－NH－OONCOOHCH3CH3S氨芐青霉素－CH－C－NH－OONCOOHCH3CH3SNH2孢子制備種子罐（一級）種子罐（二級）種子培養25℃40-45h種子培養25℃13-15h種子種子制備發酵的上游工程發酵發酵罐（一級）發酵罐（二級）發酵罐（三級）22－26℃40－45h發酵13－15h發酵液放罐過濾pH=5.015℃濾液萃取萃取液濃縮、脫色結晶、干燥青霉素鹽（產品）醋酸丁酯（BA萃取液）發酵的下游工程（提煉）①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25℃6-7天孢子培養25℃6-7天成熟孢子⑵青霉素的發酵生產基質濃度在分批發酵過程中，常因前期基質量濃度過高，對生物合成酶系產生阻遏（或抑制）或對菌絲生長產生抑制（如葡萄糖和錢的阻遏或抑制，苯乙酸的生長抑制）；而后期基質濃度低限制了菌絲生長和產物合成，為了避免這一現象，在青霉素發酵中通常采用補料分批操作法，緩慢流加基質以維持一定的最適濃度。在基質流加中特別注意的是葡萄糖的流加。因為葡萄糖即使是超出最適濃度范圍較小的波動，都將引起嚴重的阻遏或限制，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行，故葡萄糖的流加不是依據糖濃度控制，而是間接根據pH值、溶氧或C02釋放率予以調節。【基質濃度】①工藝控制在青霉素發酵工程中，其主要工藝控制因素有基質濃度、溫度、pH值和溶氧等。青霉素發酵的最適溫度隨所用菌株的不同可能稍有差別，但一般認為應在25℃左右較好。溫度過高將明顯降低發酵產率，同時增加葡萄糖的維持消耗，降低葡萄糖至青霉素的轉化率。【溫度】對于好氧的青霉素發酵來說，溶氧濃度是影響發酵過程的一個重要因素。當溶氧濃度降到30%飽和度以下時，青霉素產率急劇下降；低于10%飽和度時，則造成不可逆的損害。當溶氧濃度過高，說明菌絲生長不良或加糖率過低，造成呼吸強度下降，同樣影響生產能力的發揮。【溶氧】青霉素發酵的最適pH值一般認為在6.5左右較好，有時也可以略高或略低一些，但應盡量避免pH>7.0。因為青霉素在堿性條件下不穩定，容易加速其水解。【pH值】⑶紅霉素的發酵生產①紅霉素紅霉素是由紅色鏈霉菌（Streptomyces

erythreus）所產生的大環內酯（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（NarrowSpectrumAntibiotics）。紅霉素HCH3H3CHH3COHOHOHHOH3COHC2H5OHCH3HHHCH3CH3N(CH3)2OHOOOCH3H3COOHOCH3紅霉素分子中含有一個大環內酯作為配糖體，并以糖苷鍵和2個分子的糖相連。其中糖的二甲胺基顯堿性。多氧大環內酯②生產工藝流程菌種紅色鏈霉菌孢子制備發酵液種子種子制備發酵孢子制備種子制備溫度：37℃培養基：淀粉、(NH4)2SO4、NaCl、CaCO3、玉米漿、瓊脂pH=7.0－7.2培養基：花生餅粉、蛋白凍、(NH4)2SO4、淀粉、葡萄糖溫度：33－35℃發酵培養基：黃豆餅粉、玉米漿、淀粉、葡萄糖、(NH4)2SO4、CaCO3、KH2PO4pH=6.5－7.2有氧發酵菌種紅色鏈霉菌孢子培養發酵液種子種子培養發酵發酵液處理甲醛ZnSO4調酸堿度pH=8.0NaOH過濾過濾液材料的預處理層析醋酸丁酯BA萃取液離心分離乳酸鹽沉淀過濾洗滌濕晶體干燥<55℃H2OpH=7-8產品（紅霉素堿）2.氨基酸的發酵生產氨基酸(aminoacid)是指，含有“氨基”和“羧基”一類有機化合物的通稱，是蛋白質的基本組成單位，是構成動物營養所需蛋白質的基本物質。例如：在氨基酸分子中，氨基為堿性基團，羧基為酸性基團。天然氨基酸均為α－氨基酸。NH2R—CH—COOHα－氨基酸NH2R—CH—CH2—COOHβ－氨基酸⑴氨基酸我們知道，生物大分子的各種蛋白質在生命活動中表現出的各種各樣生理功能，主要取決于蛋白質中氨基酸的組成。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。⑵谷氨酸的生產谷氨酸非必須氨基酸，是生物機體內氮代謝的基本氨基酸之一，在代謝上具有重要意義。在醫學上主要用于治療肝性昏迷；另外谷氨酸作為神經中樞及大腦皮質的補劑，對于治療腦震蕩或神經損傷、癲癇以及對弱智兒童均有一定療效。①谷氨酸（L-GLU）HOOC—CH2—CH2—CH—COOHNH2谷氨酸鈉是由鈉離子與谷氨酸根離子形成的鹽，是食品工業調味料味精的主要成分，也是雞精的重要成分。HOOC—CH2—CH2—CH—COONaNH2谷氨酸鈉晶體淀粉液化（水解）α－淀粉酶水解液糊精、低聚糖糖化（水解）糖化酶糖化液（葡萄糖）發酵法生產谷氨酸一般采用淀粉或糖蜜，我國大多數廠家是采用淀粉為原材料。在發酵法工藝中，幾乎所有的氨基酸產生菌都不能直接利用淀粉或糊精，需對淀粉進行水解處理。淀粉的水解可采用酸解法或酶解法。目前，國內外廠家多以酶解法為主。其流程如下：【淀粉的糖化】85℃，pH=6.060℃，24h過去氨基酸都是從蛋白質水解液中分離提取。自1965年日本采用發酵法生產谷氨酸后，發酵法生產氨基酸逐步取代了傳統的水解法工藝，使得發酵法在氨基酸生產中占主導的地位。②生產工藝流程【菌種擴大培養及發酵】發酵30-37℃，30h發酵液北京棒桿菌斜面培養32℃，18-24h菌種一級種子培養32℃，12h二級種子培養32℃，7-10h★斜面培養基蛋白胨、牛肉膏、NaCl、瓊脂；

pH=7.0-7.2★一級種子培養基

葡萄糖、玉米漿、尿素、KH2PO4、MgSO4、Fe2(SO4)3及MnSO4；

pH=6.5－6.8★二級種子培養基

糖化液(葡萄糖)、玉米漿、尿素、KH2PO4、MgSO4、Fe2(SO4)3及MnSO4；

pH=6.5－6.8（振蕩）（通氣、攪拌）谷氨酸發酵液丙酮酸北京棒桿菌菌種擴大培養淀粉酶解糖化液EMP酵解菌種接種三羧酸循環谷氨酸脫氫酶轉氨基發酵★EMP酵解在細胞漿內所發生的，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。★三羧酸循環由乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸，檸檬酸經一系列反應，再氧化脫羧，經α-酮戊二酸、琥珀酸，再降解成草酰乙酸。HOOOOOHα－酮戊二酸HOOOOHNH2谷氨酸脫氫酶NH4+谷氨酸三羧酸循環示意圖α-酮戊二酸+NH4+

谷氨酸谷氨酸脫氫酶NADH+H+NAD+【谷氨酸的提取】過濾谷氨酸發酵液濾液等電點沉淀酸化pH=4-4.5HClpH=3.22HCl離心分離溶解、脫色沉淀物產品（L-谷氨酸）結晶谷氨酸納（味精）送制劑谷氨酸的提取可采用等電點法或離子交換法。等電點法操作簡單，收率60％，周期長，占地面積大；離子交換法的收率相對較高，可達80～90％。【生物素】作為催化脂肪酸生物合成最初反應的關鍵酶乙酰CoA的輔酶，參與脂肪酸的生物合成，進而影響磷酯的合成。②發酵的控制【種齡和種量】一級種子控制在11-12h，二級控制在7-8h。接種量為1％。過多，菌體嬌嫩，不強壯，提前衰老自溶，后期產酸量不高。【pH值】發酵前期，幼齡細胞對pH較敏感，pH過低，菌體生長旺盛，營養成分消耗大，轉入正常發酵慢，長菌不長酸。谷氨酸脫氫酶最適pH為7.0-7.2，轉氨酶最適pH7.2-7.4。在發酵中后期，保持pH不變。過高轉為谷氨酰胺，過低氨離子不足。【通風量】不同種齡、種量，培養基成分，發酵階段及發酵罐大小要求通風量不同。在長菌體階段，通風過大，生物素缺乏，抑制菌體生長；在發酵產酸階段，需要大量通風供氧，以防過量生成乳酸和琥珀酸，但通風過大，則大量積累a-酮戊二酸。⑶賴氨酸的發酵生產①賴氨酸（LYS）CH2—CH2—CH2—CH2—CH—COOH

NH2NH2賴氨酸屬于必須氨基酸（essentialaminoacid），在醫藥上除了用于治療有關賴氨酸缺乏癥外，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象，還可與酸性藥物（如水楊酸等）生成鹽來減輕不良反應，與蛋氨酸合用則可抑制重癥高血壓病。②賴氨酸的發酵生產