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第五章发酵设备 第一节通气搅拌式发酵设备第二节厌氧型发酵设备第三节固体发酵设备 1 第一节通气搅拌式发酵设备 一 机械搅拌通气发酵罐是最通用的发酵罐二 气升式通气发酵罐 2 一 机械搅拌通气发酵罐是最通用的发酵罐 1 罐体2 搅拌器和挡板3 换热装置4 轴封5 机械消沫装置6 通气装置 3 机械搅拌通气发酵罐是最通用的发酵罐 冷却水进口 放料口 无菌空气 4 二 气升式通气发酵罐 气升式发酵罐是应用最为广泛的生物反应器 它是利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应液循环流动 来实现液体的搅拌 混合和传递氧 即不用机械搅拌 完全依靠气体的带升使液体产生循环并发生湍动 从而达到气液混合和传递的目的 5 气升式通气发酵罐 气升式发酵罐按其所采取的液体循环方式的不同 可划分为内循环气升式发酵罐和外循环气升式发酵罐 6 气升式通气发酵罐 7 气升式通气发酵罐 8 气升式通气发酵罐 9 气升式通气发酵罐 气升式通气发酵罐的结构较简单 不需搅拌 易于清洗 维修 不易染菌 能耗低 溶氧效率高 目前内循环气升式发酵罐已广泛应用于生物工程领域的好氧发酵方面 如动植物细胞的培养 单细胞蛋白的培养 某些微生物细胞的培养及污水处理等 由此生产的产品有单细胞蛋白 酒精 抗生素 生物表面活性剂等 我国利用生物反应器生产了大量生物制剂 多采用的是气升式细胞培养生物反应器 气升式细胞培养生物反应器是空气提升式生物反应器的简称 10 第二节厌氧型发酵设备 酒精发酵罐和啤酒发酵设备密闭式酒精发酵罐 11 第三节固体发酵设备 固态发酵 solidstatefermentation 又称固体发酵 是指微生物在湿的固体培养基上生长 繁殖 代谢的发酵过程 1 浅盘式固体发酵设备2 转鼓式固体发酵设备 12 1 浅盘式固体发酵设备 浅盘式生物反应器是比较常用的一种固态发酵设备 这种反应器构造简单 由一个密室和许多可移动的托盘组成 托盘可以是木料 金属 铝或铁 塑料等制成 底部打孔 以保证生产时底部通风良好 培养基经灭菌 冷却 接种后装入托盘 托盘放在密室的架子上 一般地托盘在架上层层放置 两托盘间有适当空间 保证通风 发酵过程在可控制湿度的密室中进行 培养温度由循环的冷 热 空气来调节 13 浅盘式固体发酵设备 14 2 转鼓式固体发酵设备 转鼓式固态发酵生物反应器通常为卧式 或略微倾斜 鼓内有带挡板的也有不带挡板的 有通气的 也有不通气的 有连续旋转的 也有间歇旋转的 转鼓的转速通常很低 否则剪切力会使菌体受损 采用转鼓式反应器与填充床相比其优点在于可以防止菌丝体与反应器黏连 转鼓旋转使筒内的基质达到一定的混合程度 菌体所处的环境比较均一 改善传质和传热状况 15 转鼓式固体发酵设备 16 正交试验在培养基确定中的应用 正交表因素水平 17 18 19 20 21 第六章工业发酵污染的防治 第一节工业发酵染菌的危害第二节染菌的检查 原因分析和防治措施 22 第一节工业发酵染菌的危害 一 概述二 不同染菌时间对发酵的影响三 不同染菌途径对发酵的影响四 染菌对产物提取和产品质量的影响 23 一 概述 杂菌 在发酵培养中侵入了妨碍生产的其他微生物 24 二 不同染菌时间对发酵的影响 1 种子培养期染菌2 发酵前期染菌3 发酵中期染菌4 发酵后期染菌 25 三 不同染菌途径对发酵的影响 1 种子带菌2 空气带菌3 培养基或设备灭菌不彻底4 设备渗漏 26 四 染菌对产物提取和产品质量的影响 1 对过滤的影响黏度加大2 对提取的影响乳化3 对产品质量的影响4 对三废处理的影响 27 乳化 一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液体中的作用 乳化是液 液界面现象 两种不相溶的液体 如油与水 在容器中分成两层 密度小的油在上层 密度大的水在下层 若加入适当的表面活性剂在强烈的搅拌下 油被分散在水中 形成乳状液 该过程叫乳化 28 乳状液 乳状液 或称乳化体 是一种 或几种 液体以液珠形式分散在另一不相混容的液体之中所构成的分散体系 乳状液的分散相液珠直径约在0 1 10 m 故乳状液是粗分散体系的胶体 29 第二节染菌的检查 原因分析和防治措施 一 染菌的检查二 染菌的分析三 发酵染菌的防止 30 一 染菌的检查 1 染菌的种类2 染菌检查显微镜检查 平板划线检查 肉汤培养检查 3 检查的工序和时间 31 二 染菌的分析 1 发酵染菌率2 染菌原因的分析种子带菌 设备渗漏 存在设备死角 32 1 发酵染菌率 总染菌率 一年内发酵染菌的批次与总投料批次数之比乘以100得到的百分率 设备染菌率 不同品种发酵的染菌率 不同发酵阶段的染菌率 季节染菌率 操作染菌率 33 2 染菌原因的分析 种子带菌 设备渗漏 存在设备死角 34 法兰 法兰是使管子与管子相互连接的零件 连接于管端 是指由法兰 垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可折连接 管道法兰系指管道装置中配管用的法兰 用在设备上系指设备的进出口法兰 法兰上有孔眼 螺栓使两法兰紧连 法兰间用衬垫密封 法兰分螺纹连接 丝接 法兰和焊接法兰 35 法兰 36 法兰 法兰连接 flange joint 由一对法兰 一个垫片及若干个螺栓螺母组成 垫片放在两法兰密封面之间 拧紧螺母后 垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形 并填满密封面上凹凸不平处 使联接严密不漏 37 压力表 不锈钢压力表由导压系统 包括接头 弹簧管 限流螺钉等 齿轮传动机构 示数装置 指针与度盘 和外壳 包括表壳 表盖 表玻璃等 所组成 38 压力表 39 三 发酵染菌的防止 1 种子带菌的防止2 发酵设备的检查3 设计合理的管道网络4 空气过滤器的检查5 生产环境消毒6 噬菌体污染的处理 40 1 种子带菌的防止 种子容易带杂菌 41 2019 12 27 42 2 发酵设备的检查 冷却管的渗漏 管件的渗漏 罐体的穿孔 43 3 设计合理的管道网络 排气管与下水管 发酵罐的管路 44 4 空气过滤器的检查 氧化铁 45 5 生产环境消毒 石炭酸苯酚 又称石炭酸 可作消毒剂 常用的药皂就含苯酚苯酚为一种原浆毒 能使细菌细胞的原生质蛋白发生凝固或变性而杀菌 浓度约0 2 即有抑菌作用 大于1 能杀死一般细菌 1 3 溶液可杀死真菌 本品稀溶液可使人体感觉神经末梢麻痹 产生局部麻醉作用 可止痒 苯酚对组织的穿透性强 易从皮肤黏膜及创面吸收 故不宜大面积长期使用 酚软膏 2 用于皮肤防腐止痒 石炭酸对组织的穿透力极强 46 6 噬菌体污染的处理 彻底灭菌 更换菌种 47 新洁尔灭 十二烷基二甲基苄基溴化铵苯扎溴铵 溴化苄烷铵新洁尔灭兼有杀菌和去垢效力 作用强而快 对金属无腐蚀作用 不污染衣服 性质稳定 易于保存 属消毒防腐类药 稀释液可用于外科手术前洗手 0 05 0 1 浸泡5分钟 皮肤消毒和霉菌感染 0 1 黏膜消毒 0 01 0 05 器械消毒 置于0 1 的溶液中煮沸15分钟后再浸泡30分钟 48 第七章发酵产物的提取和精制 下游加工过程的特点 1 成分复杂2 产品浓度低3 失活问题 容易失活 4 具有一定的灵活性5 发酵最后产品对于纯度和安全性要求高第一节发酵液的预处理及菌体分离第二节发酵产物的提取第三节发酵产物的精制 49 几种产品在发酵液中的浓度 产品典型浓度 g L 抗生素25氨基酸100酒精100有机酸100酶20蛋白质10 50 第一节发酵液的预处理及菌体分离 一 离心过滤与菌体分离二 发酵液的固 液分离三 细胞的破碎与分离 51 一 离心过滤与菌体分离 1 凝聚和絮凝技术凝聚作用凝聚是在中性盐的作用下 由于胶体粒子之间的双电子层电位降低 使胶体体系变得不稳定的现象 胶体又称胶状分散体 colloidaldispersion 是一种均匀混合物 在胶体中含有两种不同状态的物质 一种分散 另一种连续 分散的一部分是由微小的粒子或液滴所组成 分散质粒子直径在1nm 100nm之间的分散系 胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系 这是一种高度分散的多相不均匀体系 FeSO4 ZnSO4 FeCl3等 52 胶体 胶体的稳定性介于溶液和浊液之间 在一定条件下能稳定存在 属于介稳体系 有丁达尔效应当一束光通过胶体时 从入射光的垂直方向上可看到有一条光带 这个现象叫丁达尔现象 利用此性质可鉴别胶体与溶液 浊液 53 胶体 54 胶体 胶体具有介稳性的两个原因 原因一胶体粒子可以通过吸附而带有电荷 同种胶粒带同种电荷 而同种电荷会相互排斥 要使胶体聚沉 就要克服排斥力 消除胶粒所带电荷原因二胶体粒子在不停的做布朗运动 55 离心过滤与菌体分离 2 絮凝作用是指在某些高分子絮凝剂的作用下 在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的作用 絮凝剂壳聚糖 明胶 海藻酸钠 骨胶 聚丙烯酰胺 聚苯乙烯等 2 去除杂蛋白的其他方法 1 等电点沉淀法 2 变性沉淀 3 加各种蛋白沉淀剂沉淀 4 吸附 56 离心过滤与菌体分离 3 高价态金属离子的去除 1 去除钙离子草酸纳或草酸 2 去除镁离子草酸或磷酸盐 3 去除铁离子黄血盐亚铁氰化钾 黄血盐钾 黄血盐 黄钾 浅黄色结晶颗粒 溶于水 不溶于乙醇 遇酸分解 铁 盐溶液与亚铁氰化钾反应 得到蓝色的普鲁士蓝沉淀 化学式为K Fe CN 6Fe 此反应用于检验Fe3 亚铁氰化钾用于制造蓝色颜料 染料 晒图纸 用作钢铁生产的淬火剂 57 二 发酵液的固 液分离 1 影响固 液分离的因素 1 发酵液中各种悬浮粒子越小 分离的难度越大 费用越高 2 发酵液的黏度 3 发酵液的酸碱度 温度 加热时间等 2 设备 1 板框压滤机 2 真空鼓式过滤机 3 离心分离机 58 三 细胞的破碎与分离 1 机械法 1 高压匀浆 2 珠磨法 高速珠磨机 3 超声波破碎 4 撞击破碎2 物理法 1 渗透压冲击法 2 冻结 融化法 59 细胞的破碎与分离 3 化学法有机溶剂 丙酮 氯仿 丁醇 4 酶解法 溶菌酶葡聚糖酶 60 第二节发酵产物的提取 一 沉淀提取法二 树脂法和吸附法三 萃取法四 蒸馏分离提取法五 凝胶层析法六 膜分离技术 61 一 沉淀提取法 1 盐析法中性盐对蛋白质的溶解度有显著影响 一般在低盐浓度下随着盐浓度升高 蛋白质的溶解度增加 此称盐溶 当盐浓度继续升高时 蛋白质的溶解度不同程度下降并先后析出 这种现象称盐析 将大量盐加到蛋白质溶液中 高浓度的盐离子 如硫酸铵的SO4和NH4 有很强的水化力 可夺取蛋白质分子的水化层 使之 失水 于是蛋白质胶粒凝结并沉淀析出 盐析时若溶液pH在蛋白质等电点则效果更好 由于各种蛋白质分子颗粒大小 亲水程度不同 故盐析所需的盐浓度也不一样 因此调节混合蛋白质溶液中的中性盐浓度可使各种蛋白质分段沉淀 62 2 等电沉淀法 蛋白质在静电状态时颗粒之间的静电斥力最小 因而溶解度也最小 各种蛋白质的等电点有差别 可利用调节溶液的pH达到某一蛋白质的等电点使之沉淀 但此法很少单独使用 可与盐析法结合用 63 3 有机溶剂沉淀法 丙酮 乙醇 甲醇等亲水溶剂 64 二 树脂法和吸附法 1 树脂法应用合成的离子交换树脂作为吸附剂 将溶液中的物质 吸附在树脂上 然后用合适的洗脱剂从上面洗脱下来 达到分离 提纯的目的 2 吸附法溶质从液相转移到固相而达到分离浓缩的现象 65 1 树脂法 1 离子交换树脂 2 树脂的选择及操作方法 66 树脂法 67 2 吸附法 吸附层析 adsorptionchromatography 原理 利用吸附剂对组分吸附能力的差异进行分离 吸附作用是物体表面的一个重要性质 理论上任何俩相都可以形成界面 其中一相或溶于其中或与另一相发生吸附 通过范德华力 静电引力 疏水作用等与待分离物质的极性官能团作用 常用吸附剂 活性炭 氧化铝 碳酸钙 磷酸钙 羟基磷灰石 硅胶等 68 三 萃取法 1 萃取的基本概念 使用一种溶剂将物质从另一种溶剂中提取出来的方法 2 乳化和破乳化乳化 一种液体分散到另一种本不相溶的液体中的现象 1 离心分离 2 升高温度 3 稀释法 4 吸附法 5 转型法 69 萃取法 3 常用的去乳化剂 十二烷基磺酸钠 溴代十五烷基吡啶4 萃取方式 混合 分离 溶剂回收 70 四 蒸馏分离提取法 主要依据混合液中的组分的蒸汽压不同 将混合液加热至沸腾 再冷凝 71 五 凝胶层析法 也称分子排阻层析或分子筛层析 这是根据分子大小分离蛋白质混合物最有效的方法之一 柱中最常用的填充材料是葡萄糖凝胶 Sephadexged 和琼脂糖凝胶 agarosegel 72 六 膜分离技术 膜分离 以压力为动力 依靠膜的选择性 将液体进行分离的方法 特点 1 不涉及相变 对能量要求低 2 条件较温和 适于热敏性物质的分离 微滤 0 2 2mm 0 1MPa超滤 20A 0 2mm 0 1 1 0MPa反渗透 20A 1 0 10MPa透析 73 1 膜分离法的应用 发酵液的过滤 回收小分子产物 浓缩 除热原 74 2 膜的污染与清洗 膜污染膜清洗 75 第三节发酵产物的精制 一 浓缩二 结晶结晶 使溶质呈晶态从溶液中析出的过程 三 成品干