发酵基础知识

发酵基础知识,生化公司发酵车间2013.8,主要内容,1.发酵的定义2.发酵工程的发展历史3.发酵罐相关知识4.衣康酸发酵,发酵一词最初来源于拉丁语“发泡、沸涌”（fervere)的派生词，即指酵母菌在无氧条件下利用果汁或麦芽中的糖类物质进行酒精发酵产生CO2的现象。现代又对发酵重新定义：发酵泛指微生物在无氧或有氧条件下，通过分解代谢或合成代谢或次生代谢等微生物代谢活动，大量积累人类所需的微生物体或微生物酶或微生物代谢产物的过程。（我公司两个产品主要就是通过有氧代谢得到微生物代谢产物的过程）,发 酵 简单的说利用微生物进行产品生产,发酵工程可以分为：上游工程（主要菌种选育）；发酵工程；下游工程（主要目标物质的提取）；我们现在所说是发酵基本是侠义的值发酵生产工段。,2 发酵的发展历史,发酵现象酿造食品工业非食品工业青霉素抗菌素发酵工业氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）基因工程菌动物细胞大规模培养植物细胞大规模培养藻类细胞大规模培养转基因动物,第一个转折点：非食品工业第二个转折点：青霉素抗菌素发酵工业第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏),解除菌体自身的反馈调节, 突变株的应用,前体、终产物、副产物等近代转折点：基因、动物、海洋,发酵现象的早期认识,1680年制成显微镜 微生物的存在1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精 酶,发酵工程的早期阶段,人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。 20世纪初期，1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）由食品工业向非食品工业发展好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。 1933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。,发酵工程的重大转折点,二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。1928年由 Fleming发现青霉素 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 40u/ml1943年沉浸培养： 5m3 200u/ml当今：100m3200m3 5-7万u/ml 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素,主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础,大型发酵罐搅拌装置,180M3发酵罐车间,大型空气压缩机,发酵车间的空气过滤器,14,轴封消泡器联轴器搅拌器中间轴承挡板空气分布管换热装置人孔以及管路等小罐与大罐有不同的设计,一、结构,3.机械搅拌通风发酵罐,15,哪个是小罐？,16,哪个是小罐？,16,台面空间布置,17,发酵罐的几种工作状态,空消装料实消接种发酵放罐清洗,空气蒸汽冷却水物料、补料管接种管取样、放料管,压力温度pH溶氧搅拌速度,18,与不同工作状态相应的，是各种管道和阀门的开、关不仅注意罐的结构，更要注意管道与罐的连接,19,20,大小罐的结构区别,罐径在1米以下的小型发酵罐，罐顶和罐身采用法兰连接大中型发酵罐：整体焊接。5吨以下罐，用夹套加热和冷却5吨以上罐，用罐内的蛇管加热和冷却,21,发酵罐：是 薄壁压力容器,操作不当，会造成失稳，原因较多，主要事故吸壁！,22,某厂曾因蒸汽实罐灭菌后，罐体长时间处于密封状态, 蒸汽冷凝后罐内成真空, 最后导致罐体成外压失稳。,一,我们公司发生过两次发酵罐吸壁事故，这个教训是非常深刻的，这一定要求大家必须按操作规程，安全操作；同时平时工作中需多个心眼，需注意阀门的渗漏检查！,24,罐体的尺寸比例：以罐体直径D、搅拌器直径d为基准,通用发酵罐通常取值系数范围搅拌器直径d =1/3D1/21/3罐筒身高H0 =2 D 1.73挡板宽度B =0.1D1/81/12搅拌器间距S=2d1.52.5下搅拌器距底间距C= d0.81.0HL装料的液面高度ha 封头凸出部分的高度，标准椭圆封头有： ha 0.25DHb封头直边高度，据壁厚一般取25、 40、 50mm,25,26,公称容积：V0,V0定义为：罐圆筒部分容积底封头容积 能装液的体积罐中实际装料体积：V 则有：v/v0=0.7-0.8，即装料系数标准椭圆封头时，取，再取D/H=2时，有,27,H/D的大小会影响。,随着罐体高度和液层增高，氧气的利用率增加, 但增长不是线性关系,随着罐体增高, 增长速率随之减慢。,液柱增高，进罐要求的空气压力必须提高，空压机的能耗增加在罐底气泡受压后体积缩小，气液界面的面积减小过高的液柱高度,虽增加了O2的分压，但同样增加CO2分压，增加了二氧化碳浓度，可能抑制某些发酵菌种而且罐体的高度,同厂房高度密切相关。,过高会如何？,28,2.搅拌器,搅拌器的作用是：产生强大的总体流动：宏观均匀翻动产生强烈的湍动：微观均匀剪切搅拌产生三种基本流型：切向流、 轴向流、 径向流。三种基本流型，同时存在。其中，轴向流与径向流对混合起主要作用而切向流应加以抑制，可通过加入挡板来削弱。,29,流型,径向流（流体流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下两个循环流动。）轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流）切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时流体从浆叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。）,30,径向式搅拌器,涡轮式搅拌器分为：平叶式、弯叶式、箭叶式三种涡轮搅拌器要安一个圆盘为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿轴上升,31,相同半径、转速时，功率消耗：平叶弯叶箭叶相同搅拌功率下，三者的粉碎气泡的能力：平叶弯叶箭叶相同搅拌功率下，三者翻动流体的能力：平叶弯叶箭叶,微观湍动,宏观翻动,32,轴向式搅拌器桨叶式旋桨式Lightnin式,33,工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形的搅拌器上层：以混合为主的轴流型或箭叶搅拌器，下层：以粉碎气泡为主的平叶涡轮搅拌器。,以三层搅拌器为例，最下层仍采用径向型的涡轮搅拌器，其余两层改用轴向流型搅拌器时，与三层均采用径向流搅拌器相比，功率消耗可降低1530。国内医药行业在50m3发酵罐内，上两档改装轴流向型搅拌器，作土霉素发酵试验表明，不但消耗功率下降，发酵指数也提高了近15。,34,3. 挡板,挡板的作用：改变液流的方向，将切向流改为轴向流,防止产生漩涡数目通常为46块，其宽度为0.10.12 D全挡板条件：是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时,搅拌功率不再增加。（消除液面漩涡的最低条件）。,式中 D罐的直径（mm） Z挡板数 W挡板宽度（mm）用来校验档板数是否够,35,4.轴封,轴封的作用：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。形式：填料函轴封、机械轴封两种。 填料函轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。,发酵罐内是正压还是负压？,36,机械轴封,又称端面轴封，由弹性元件、动环和静环组成。动环固定在轴上，随轴一起转动。静环装在壳体上。动环依靠弹簧的压力与静环紧密接触，阻止流体泄漏。由两个环的端面互相密切贴合而达密封目的。,37,5.联轴器及轴承,大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段加工，再用联轴器组成牢固的刚性联接。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。,38,39,作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响转动罐内轴承接触处的轴颈极易磨损，尤可以在与轴承接触处的轴上增加一 个轴套。,轴承结构,40,7.空气分布器,空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管等。常用的分布装置是单管式，单管式管口对正罐底中央，装于最低一挡搅拌器下面，喷口朝下，管口与罐低的距离约40mm通常通风管的空气流速取20米/秒。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，叫补强板。,41,8.消泡装置,泡沫形成的原因发酵液中含有蛋白质等发泡物质。由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）危害降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难,42,发酵罐的冷却,主要是考虑：微生物发酵过程的发酵热机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量此外还要考虑,发酵罐空消、实消后的冷却时间。,9.传热系统（发酵罐需加热还是冷却？）,43,10 测量仪表,发酵罐检测参数有:搅拌速度、罐内压力、温度、空气流量、泡沫度,此外还有pH 值、溶氧值、氧化还原电位等这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能对发酵液产生污染仪表的测量点的位置应根据罐内发酵液的流型进行合理的布点,44,11.发酵罐的管路、接口,罐体上的通道口一般有：进料口放料口接种口取样口消泡剂口补料口进气口排气口,发酵罐的工作周期空消实消降温、通气接种、补料、取样放料清洗,进料管路有时配在罐体上封头,有时位于罐体下部与放料管路共用一个管口有时取样、放料、接种使用一个口,有没有蒸汽进口？,实罐灭菌： “三路进汽”、 “非进即出”“三路进汽”就是在对培养基灭菌时，让蒸汽从空气进口、排料口、取样口进入罐内，由于这三个管都是插入到发酵醪中，若不进蒸汽就会形成灭菌死角。所有进入发酵罐的管道在灭菌过程中如果不进入蒸汽就一定要进行排气，使所有管道都被蒸汽（或二次蒸汽）通过。,尽量减少管路止回阀消灭死角小辫子（在主阀门底部焊上，专门做排气用）阀门反装消灭渗漏灭菌时各蒸汽进口压力均一冷凝水及时排出、蒸汽管道保温灭菌后的管道应汽封或无菌空气保压,11.发酵罐的管路配置、渗漏与死角的排除,阀门,发酵工业中由于使用高温蒸汽对发酵设备进行灭菌, 因此阀门要求是蒸汽级密封。截止阀发酵用阀门开启频繁, 并经常受介质腐蚀、冲刷和气蚀的损害。因此对发酵工业, 阀门阀体材料用不锈钢, 软密封关闭件用可更换的聚四氟乙烯垫片,48,与发酵罐接触的截止阀，应保证阀座与罐相连。以防阀杆处泻露造成污染,安装于一般容器的进料阀方向,安装于发酵罐时的方向,发酵罐的基本条件,（1） 发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率越高。（2） 发酵罐能承受一定的压力。（3）要保证发酵液必须的溶解氧。（4）发酵罐应具有足够的冷却面积。（5） 发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌。（6） 搅拌器的轴封应严密，减少泄漏。,讨论问题：现公司的发酵罐管道设计、阀门安装存在哪些缺陷？请回车间后进行观察，适当时间告诉车间和公司,衣康酸发酵,衣康酸：又称为亚甲基丁二酸、亚甲基琥珀酸，最早是由巴普于1836年在研究柠檬酸的时候分解产物的时候发现的。最早发现用霉菌发酵生产衣康酸是日本木下广野，当时