发酵工程2

发酵工程6.3发酵工程的中游技术•具有相同特性的微生物在控制条件（培养基组分、菌种质量、温度、pH值、溶解氧浓度、菌体浓度、补料）和发酵方法（分批发酵、补料分批发酵、连续发酵）下培养，通过微生物的细胞培养，利用细胞中的酶系，将适宜培养基中的物质通过复杂的生化反应转化成新的细胞或产物。6.3.1发酵方法及操作方式•发酵方法厌氧发酵(静置发酵)：不通气、密闭厌氧菌和兼性厌氧菌好氧发酵：供氧好氧菌和兼好厌氧菌浅盘培养固体厚层通风培养深层通气培养6.3.1发酵方法及操作方式•操作方式分批发酵法（batchfermentation）环境条件不断变化；容易处置；原料简单补料分批发酵法(fed-batchfermentation)基质浓度低；易控制发酵液性质；控制细胞质量连续发酵法(continuousfermentation)微生物细胞处于恒定状态；高生产效率和设备利用率6.3.2发酵过程的工艺控制•培养基包括微生物生长繁殖和合成各种代谢产物需要的碳源、氮源、无机营养、水和生长物质。培养基的组成对菌体的生长繁殖、产物的生物合成、产品的分离精制有重要影响。快速利用碳源/慢速利用碳源比例碳源/氮源比例6.3.2发酵过程的工艺控制•温度温度对菌体生长和代谢产物的形成都有影响。最适发酵温度:既适合菌体的生长,又适合代谢产物合成的温度。发酵不同阶段,选择不同的培养温度。最适生长温度最适生产温度控温措施：制冷循环系统、冷水（冷盐水）6.3.2发酵过程的工艺控制•pH值pH值对菌体生长和代谢产物的形成都有影响。发酵pH值的变化乃是菌体代谢的综合结果。生长最适pH值生产最适pH值调控措施：基础配方比例、缓冲盐、酸/碱液6.3.2发酵过程的工艺控制•溶解氧是好氧发酵控制最重要的参数之一。液体中的微生物只能利用溶解氧，发酵液中的溶解度为0.22mmol/L。临界溶解氧浓度最适溶氧浓度管理措施：通风和搅拌6.3.2发酵过程的工艺控制•CO2CO2是微生物的代谢产物，对菌体生长和生产有明显影响。CO2在发酵液中溶解度高于O2。调控措施：通气量、搅拌、罐压6.3.2发酵过程的工艺控制•泡沫在通气条件下发酵液中产生许多泡沫。泡沫对发酵带来负面影响，降低发酵罐的装料系数、氧传递系数，造成“逃液”，引起杂菌污染，通气困难，菌体代谢异常。调控措施：机械消泡、化学消泡6.3.2发酵过程的工艺控制•发酵参数优化发酵过程参数量大,相关情况复杂,必须借助于数学模型对过程进行综合观察,采用辩识方法对过程变量进行估计（状态估计和模型参数估计），然后通过计算机实现过程优化，进一步采用“直接数值控制”、“给定值控制”或自适应控制方法对过程进行平稳控制或优化控制。6.3.2发酵过程的工艺控制•过程变量估算自动控制方案要成功实施必须能够获得在线的可靠的过程变量的信息。状态变量：表示系统动态过程所需的一组数目最少的变量。随时间变化。参数：指数学模型方程中待定的未知系数。不随时间变化或变化很小。在线估计：在线对系统进行观测后做出状态估计。离线估计：离线对系统的一些量进行观测后做出状态估计6.3.2发酵过程的工艺控制•发酵过程的最优控制静态过程最优控制：不考虑时间因素下进行控制。不理想，但简单易行。动态过程最优控制：考虑时间因素下进行控制。符合实际，但复杂。6.4发酵罐•发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏.•广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备•发酵设备是发酵工厂中的主要设备，为微生物的生命活动和代谢提供适宜的场所。•PetriDisks(培养皿)•ShakeFlasks(锥形瓶)•Fermentor(发酵罐)优良的发酵设备应具有的特性•严密的结构•良好的液体混合性能•高的传质和传热速率•灵敏的检测和控制仪表6.4.1发酵罐发展史•1）1900年以前，木制容器造酒•2）1900~1940，钢制发酵罐，开始使用空气分布器，机械搅拌开始应用•3）1940~1960，青霉素，通风，无菌操作，纯培养等一系列技术开始应用，计算机用于发酵控制，产物分离纯化商业化发酵罐发展史4）1960~1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80~150m3，出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交换问题，计算机广泛应用5）1979~今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展•6.4.2.发酵设备的类型1).按微生物生长：厌氧和好氧发酵设备2).按发酵罐设备特点：(1)机械搅拌通风发酵罐循环式：伍式、文氏管式发酵罐非循环式：通风式、自吸式发酵罐(2)非机械搅拌通风发酵循环式：气提式、液提式发酵罐非循环式：排管式、喷射式发酵罐•3).按溶积分类500L以下的是实验室发酵罐500~50000L是中试发酵罐50000以上是生产规模的发酵罐•4).按微生物生长环境悬浮生长系统支持生长系统•5).按操作方式分批发酵和连续发酵6.4.3发酵罐的比拟放大发酵罐放大的目的一个生物反应过程的开发，通常是在实验室规模、中试规模优化研究的基础上最后才在大型生产设备中投入生产的。但在不同大小的反应器中进行相同的生物反应时，在发酵罐质量、热量和动量传递上的差别，有可能导致反应速率以及反应时具体过程的差异，从而导致反应的异化。因此，发酵罐的比拟放大是生物化学工业中的一个重要研究课题。发酵罐的放大原则（一）•发酵罐的类型很多，所适用的体系也各异，因此发酵罐的放大是比较复杂的。下面就介绍一些放大准则。（1）几何相似即按小的与大的装置各部分几何尺寸比例大致相同放大。但是，为了避免设备直径过大，大设备的高径比往往大一些。（2）恒定等体积功率放大由Pg/V恒定而确定搅拌转速。发酵罐的放大原则（二）（3）恒定传氧系数kLa放大这个方法抓住了传氧这一关键因素，目前应用很多。具体应用中要注意几个问题。①.小试中要测得准确的kLa值，选择合适的计算公式。②.注意各计算kLa公式在放大中参数的变化及适用范围。③按照计算P0/Pg选择通气比，计算Vs求kL来计算发酵罐的放大原则（三）（4）恒定剪切力恒定叶端速度放大剪切力与搅拌桨叶端速度成正比，在恒定体积功率放大时一般维持n3d2不变（n为搅拌桨转速、d为搅拌桨直径）（5）恒定的混合时间tM放大混合时间主要与发酵液的粘度有关，通常，低粘度的液体混合时间要少于高粘度的液体。另外，放大罐的体积越大，混合时间就越长。发酵罐的放大方法•发酵罐的比拟放大，要对具体情况做具体分析。根据不同的需要来确定放大准则，再选取合适的方法。具体的放大方法主要有以下几种：（1）以kLa为基准的比拟放大法（2）以Po/V相等为准则的比拟放大（3）其他的比拟放大方法6.4.4厌氧发酵罐•对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受一定压力；有冷却设备；罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。•酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因不需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。6.4.4厌氧发酵罐•酒精发酵设备结构：圆柱型,底盖和顶盖为碟形或锥形。冷却装置：中小型发酵罐：罐顶喷水罐表膜状冷却；大型发酵罐：罐内冷却罐+罐外喷淋酒精发酵设备结构：圆柱型,底盖和顶盖为碟形或锥形。冷却装置：中小型发酵罐：罐顶喷水罐表膜状冷却；大型发酵罐：罐内冷却蛇罐+罐外喷淋发酵的冷却装置•对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；•对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置，•为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。•采用罐外列管式喷淋冷却的方法，具有冷却发酵液均匀，冷却效率高等优点。发酵罐的清洗水力喷射装置•是由一根两头装有喷嘴的洒水管组成•两头喷水管弯有一定的弧度•喷水管上均匀地钻有一定数量的小孔•喷水管安装时呈水平•喷水管借活接头和固定供水管相连接•它是借喷水管两头喷嘴以一定喷出速度而形成的反作用力，使喷水管自动旋转。•对于120m3的酒精发酵罐，采用36×3mm的喷水管，管上开有44×30个小孔，两头喷嘴口径为9mm。6.4.3厌氧发酵设备•啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500吨。立式圆筒体锥底发酵罐已灭菌的新鲜麦汁与酵母由底部进入罐内；发酵最旺盛时，使用全部冷却夹套，维持适宜的发酵温度。冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可使用氨(直接蒸发)作冷媒；CO2气体由罐顶排出。罐身和罐盖上均装有人孔，罐顶装有压力表、安全阀和玻璃视镜。在罐底装有净化的CO2充气管。罐身装有取样管和温度计接管。设备外部包扎良好的保温层，以减少冷量损耗。6.4.5好氧发酵罐•好氧发酵罐采用通风和搅拌来增加氧的溶解速度，从而满足好氧微生物生长和代谢产物积累的需要。•按能量输入的方式，分为三类：内部机械搅拌型、外部液体搅拌型和空气喷射提升式。•(一)机械搅拌发酵罐利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液混合并溶解在发酵液中，基本要求：1）适宜的径高比，罐身较长，氧利用率较高2）能耐受一定的压力3）搅拌通风装置4）足够的冷却面积5）罐内要减少死角6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露6.4.5好氧发酵罐•1.标准发酵罐的几何尺寸•H/D=1.7~4•d/D=1/2~1/3•W/D=1/8~1/12•B/D=0.8~1.0•(s/d)2=1.5~2.5•(s/d)3=1~22.罐体：培养微生物的巨大容器，密闭式的，在发酵过程中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为2.5×105Pa形状，圆柱形，两端椭圆形,受力均匀，减少死角，物料容易排除，高度与直径比1.7~4：1，有力空气利用率3.罐体表面各种装置：•中大型发酵罐装有供维修、清洗的入孔•罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或蒸汽吹管•罐顶接管：进料管、补料管、排气管（位置）、接种管、压力表接管•罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管和测控仪器接口4.搅拌器•将空气打碎成小气泡，增加气-液接触面积，提高氧的传质效率•使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮状态•使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，希望以径向液流为主•在搅拌轴上配置多个搅拌器•轴的位置5.档板•克服搅拌器运转时液体产生的涡流，将径向流动改变为轴向流动，促使液体激烈翻动，增加溶氧速率•从液面至灌底•与罐壁之间的距离为1/5~1/8W，避免形成死角，防止物料与菌体堆积搅拌装置6.消泡器•锯齿式、梳状式及孔板式•装于搅拌轴上，齿面略高于液面•直径罐径的0.8~0.97.连轴器及轴承•大型发酵罐的搅拌轴常分为2~3段，用连轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性连接，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，大型发酵罐还装有中间轴承8.空气分布装置•吹入无菌空气并使空气均匀分布•单管及环形管式(二)气提式发酵罐•带升式发酵罐也称为气流搅拌发酵罐，不用机械搅拌，借通风起到搅拌作用并供给氧气。•空气压缩机是气提式发酵罐的重要组成部分，它的效率决定于它的形式。•压缩气体通过空气分布器进入液体后，最初形成的气泡是由液体剧烈翻动来分散的，所以气泡的分散程度决定于功率消耗速率。•结构简单，无搅拌传动设备，节省动力约50%•节约钢材•操作时无噪音•料液可装80~90%，无需加消泡剂•维修、操作及清洗简单，减少杂菌污染•对于粘度较大的发酵液溶解氧系数较低