第12章--发酵机械与设备

第十二章发酵机械与设备从自然界分离的菌种产品基因工程诱变育种细胞工程生产用菌种扩大培养原料微生物菌体代谢产物分离提纯发酵罐发酵条件控制接种培养基配置灭菌3发酵工艺流程典型的发酵生产过程包括：菌种的选育确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基；对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌；菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子接种于发酵罐中;控制发酵罐中微生物的生长条件，最大程度地获得人们渴望的代谢产物;产物萃取和精制;发酵过程中废弃物的处理与回收.菌种的选育•要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的菌种。怎样才能得到优良的菌种呢？•如果生产的是微生物直接合成的产物可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。•如果生产的是一般微生物不能合成的产品可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的对菌种一般有以下要求：菌种能在较短的发酵过程中高产有价值的发酵产品。菌种的发酵培养基应价廉，来源充足，被转化为产品的效率高。如农副产品。菌种对人、动物、植物和环境不应该造成危害，还应注意潜在的、慢性的、长期的危害，要严格防护。菌种发酵后，所产不需要的代谢产物少，且产品相对容易地与不需要的物质分离，下游技术能用于规模化生产。菌种的遗传特性稳定，而且易于进行基因操作。培养基的配制•进行发酵生产，有了优良的菌种还需要有与菌种相适应的培养基。在配制培养基时应该注意：–（1）根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH、渗透压等。–（2）培养基的营养要协调，以利于产物的合成。–（3）培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。灭菌•发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。–在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。–例如：在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡；在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。灭菌•那如何防止杂菌的污染呢？–要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。•怎样才算灭菌彻底呢？–用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。扩大培养和接种•如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短生产周期？–经过多次的扩大培养。•如何对菌种进行扩大培养？–扩大培养是将培养到对数期的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的菌体。扩大培养和接种•扩大培养与发酵生产过程中的培养不同：–扩大培养是为了让菌体在短时期内快速增殖，而发酵过程中的培养是为了获得代谢产物，目的不同采用的培养条件就有可能不同。–例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。•有了用于生产的充足的菌体，接种过程中要注意防止杂菌污染。发酵过程•为什么将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制？–发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。因此，要在发酵过程中随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。同时，还应对发酵条件进行严格控制。发酵过程•哪些条件能影响菌体的发酵？–发酵生产中发酵罐内部的代谢变化，如菌体形态、菌体浓度、营养物质的浓度、温度、pH、溶氧量、产物浓度、以及发酵罐搅拌转速等对发酵过程都有重大影响。分离、提纯•代谢产物–采用离心、过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来。•菌体本身，如酵母菌和细菌等–采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。发酵罐概念：指工业上用来进行微生物发酵的装置。其主体一般为用不锈钢板制成的主式圆筒，其容积在1m3至数百m3。发酵罐的功能：按照发酵过程的要求，保证和控制各种发酵条件，主要是适宜微生物生长和形成产物的条件，促进生物体的新陈代谢，使之在低消耗下，获得较高的产量。发酵设备需要具有的条件：（1）良好的传递性能来传递动量、质量、热量；（2）能量消耗低；（3）结构简单，操作方便，易于控制；（4）便于灭菌和清洗，能维持不同程度的无菌度；（5）能适应特定要求的各种发酵条件，以保证微生物正常的生长代谢一、发酵罐的发展史•发酵罐的发展经历了五个阶段：•第一阶段～1900年以前•人们用木制容器来制造酒。这是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。•第二阶段1900~1940年•出现了钢制的发酵罐，开始使用空气分布器，在小型的发酵罐中，开始使用机械搅拌。•第三阶段1940~1960年•第一个大规模工业生产青霉素的工厂于1944年1月30日在美国TerreHaute投产，其发酵罐的体积54m3。•此阶段随着以青霉素为代表的抗生素工业的兴起，引起了工业发酵的一场变革。•第四阶段1960~1979年•发酵罐的容积增大到80~150m3。出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，这种发酵罐可以克服气体交换和热交换上的问题。•第五阶段1979年～至今•大规模的发酵罐应运而生。•如废水处理的发酵罐容积达到27,000m3，英国帝国化学公司单细胞蛋白生产罐有30层楼高，达100m，罐容近3500m3，且自动化程度越来越高。二、发酵罐的类型•1.按微生物生长代谢需要分为：•通风发酵罐——如抗生素、酶制剂、氨基酸、维生素等产品的生产•嫌气发酵罐——如酒精、啤酒、丙酮、丁醇等产品的生产•2.按发酵罐设备的特点分为：•机械搅拌通风发酵罐——如通用式发酵罐、自吸式发酵罐、伍氏发酵罐等。•非机械搅拌通风发酵罐——如气提式、液提式、喷射式等。•3.按容积分为：•实验室发酵罐－100L以下•中试发酵罐－100~1000L•生产规模的发酵罐－1000L以上•4.按操作方式分为：分批发酵的发酵罐连续发酵的发酵罐•在这些众多的发酵罐中，主要给同学们介绍目前在发酵工业中应用最多的一种发酵罐－通用式发酵罐。（一）、通风发酵设备通风固相发酵设备自吸式发酵罐气升环流发酵罐机械搅拌发酵罐常用通风发酵罐大多数的生化反应都是需氧的，故通气发酵设备是需氧生化反应设备的核心和基础。设备需要具有的特点：（1）良好的传质和传热性能、结构严密、防杂菌污染；（2）培养基流动与混合良好、有配套的检测与控制、设备较简单；（3）设备较简单、方便维护检修以及能耗低等特点。通风发酵罐机械搅拌发酵罐•工作原理•结构及几何尺寸•溶氧速率、通气与搅拌•热量传递气升式发酵罐•工作原理•气升环流式发酵罐•典型的气升式发酵罐自吸式发酵罐•机械搅拌自吸式•喷射自吸式•溢流喷射自吸式机械搅拌发酵罐(TRC)•工作原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。(1)具有适宜的径高比；(2)能够承担一定压力；(3)保证必需的溶解氧；(4)具有足够的冷却面积；(5)尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；(6)轴封严密。之机械搅拌发酵罐•发酵罐的基本条件：之机械搅拌发酵罐•大型发酵罐结构231－轴封；2、20－人孔；3－梯；4－联轴；5－中间轴承；6－温度计接口；7－搅拌叶轮；8－进风管；9－放料口；10－底轴承；11－热电偶接口；12－冷却管；13－搅拌轴；14－取样管；15－轴承座；16－传动皮带；17－电机；18－压力表；19－取样口；21－进料口；22－补料口；23－排气口；24－回流口；25－视镜；图12.1大型发酵罐结构图机械搅拌发酵罐的结构之机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐的结构•小型发酵罐结构图12.2小型发酵罐结构图之机械搅拌发酵罐图12.3自动玻璃发酵罐图12.4玻璃搅拌发酵罐图12.5不锈钢搅拌发酵罐由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130℃和0.25MPa(绝对压力)。之机械搅拌发酵罐•罐体受内压的壁厚：)(2301mmCppD)(2002mmCpDy受外压的壁厚：)(1124003mmCHDpHpD之机械搅拌发酵罐•搅拌器和挡板•搅拌器：有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。图12.6发酵罐搅拌叶轮结构图1-六直叶涡轮式；2-推进式3-LightninA-315式图12.7不同搅拌器的流型•挡板：改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取(0.1～0.12)D，装设4~6块即可满足全挡板条件。•所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。•要达到全挡板条件必须满足下式要求：5.012.0~1.0nDDnDb之机械搅拌发酵罐无挡板的搅拌器形成的流型有挡板的搅拌器形成的流型之机械搅拌发酵罐•轴封•填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。•作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。•端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。•常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。压紧螺栓填料箱体图12.10填料函转轴填料压盖铜环填料转轴图12.11端面封轴动环静环堆焊硬质O形环图12.12双端面封轴密封环搅拌轴罐体齿轮箱传动齿轮箱之机械搅拌发酵罐•空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分布装置有单管式。•空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。•环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。•通常通风管的空气流速取20m/s。•为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命•空气分布器之机械搅拌发酵罐•消泡装置•消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的。•两种消泡方法:(1)加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置•化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如猪油等；高分子化合物。•机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。旋风离心式叶轮离心式耙式消泡器碟片式消泡器刮板式消泡器之机械搅拌发酵罐•大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。之机械搅拌发酵罐•联轴器及轴承•小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。•常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。联轴器法兰•中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；•大型发酵罐装有中间轴承。•罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。之机械搅拌发酵罐•轴承底轴承中间轴承之机械搅拌发酵罐•冷却装置夹套冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却适用范围5m3以下小发酵罐大型发酵罐大型发酵罐气温较高的地区优点结构简单，加工容易，罐内死角少，容易清洗灭菌流速大，传热系数大，降温效果较好。加工方便，提高传热推动力的温差。缺点传热壁较厚，冷却水流速低，降温效果差。冷却水较高时，降温困难，弯曲位置易腐蚀。用水量较大。在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液进行循环冷却。图1