第九章 发酵设备和代表性发酵产品工艺过程 幻灯片.ppt

第九章发酵设备和代表性发酵产品工艺过程 黄小龙 本章内容 第一节发酵设备 第二节代表性发酵产品工艺过程 发酵工程实验室包括 无菌室 准备室 湿地板区 通用实验区 分析区 接种操作 菌种培养等 发酵 发酵液的分析 配制培养基等 无菌室 高度 一人加一手 便于消毒清扫 墙面涂上漆 最好不锈钢材料 光滑 顶上安紫外灯 高出操作台30cm 工作台 超净工作台 超净台是80年代开始问世的一种防止污染的装置 其主要功能是利用空气层流装置排除工作台面上部包括微生物在内的各种微小尘埃 通过电动装置使空气通过高效过滤器具后进入工作台面 使台面始终保持在流动无菌空气控制之下 而且在接近外部的一方有一道高速流动的气帘防止外部带菌空气进入 操作人员的穿着 准备室 天平 灭菌锅 培养箱 pH计 摇床 灭菌消毒 KMnO4和甲醛熏蒸 比例根据污染程度而定 注意安全 关好窗防止MnO2跑掉 往复式 供氧比较好 但培养液容易溅起 易污染旋转式 溶解氧较少 培养液不容易溅起 通用试验区 培养基的配制 细胞干重以及普通的测定 粘度等 湿地板区 发酵罐 蒸馏装置 灭菌设施等 地板可以承载一定的负荷 分析区 气相色谱仪 液相色谱仪 分光光度计等 避免潮湿 振动 保证读数的准确性和仪器的使用寿命 14 第一节发酵设备 发酵主要设备 为发酵罐和种子罐 它们各自都附有原料 培养基 调制 蒸煮 灭菌和冷却设备 通气调节和除菌设备 以及搅拌器等 种子罐 以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的 发酵罐 承担产物的生产任务 它必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件 并便于操作和控制 保证工艺条件的实现 从而获得高产 15 一 发酵罐 发酵罐的定义 是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 对于某些工艺来说 发酵罐是个密闭容器 同时附带精密控制系统 对于另一些简单的工艺来说 发酵罐只是个开口容器 有时甚至简单到只要有一个开口的坑 第一节发酵设备 16 发酵罐系统 一个优良的发酵罐装置和组成 1 应具有严密的结构 2 良好的液体混合特性 3 好的传质相传热速率 4 具有配套而又可靠的检测 控制仪表 第一节发酵设备 17 发酵罐发展历史 第一阶段 1900年以前 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200m3的钢制发酵罐 在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器 机械搅拌开始用在小型的发酵罐中 第三阶段 1940 1960年 机械搅拌 通风 无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善 发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现 耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极 计算机开始进行发酵过程的控制 发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化 第一节发酵设备 18 第四阶段 1960 1979年 机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80 150m3 由于大规模生产单细胞蛋白的需要 又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐 它可以克服 些气体交换和热交换问题 计算机开始在发酵工业上得到广泛应用 第五阶段 1979年至今 生物工程和技术的迅猛发展 给发酵工业提出了新的课题 于是 大规模细胞培养发酵罐应运而生 胰岛素 干扰素等基因工程的产品走上商品化 第一节发酵设备 19 发酵罐的特点 1 发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求之高 几乎达到十分苛刻的程度 因此 发酵罐的严密性 运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点 2 现代发酵工业为了获取更大的经济利益 发酵罐更加趋向大型化和自动化发展 第一节发酵设备 20 发酵罐的类型 好气发酵罐 抗生素 酶制剂 酵母 氨基酸 维生素等产品是在好气发酵罐中进行的 需要强烈的通风搅拌 目的是提高氧在发酵液中的传质系数 厌气发酵罐 丙酮丁醇 酒精 啤酒 乳酸等采用厌气发酵罐 不需要通气 1 按微生物生长代谢需要分类 第一节发酵设备 21 机械搅拌通风发酵罐 包括通风式发酵罐和自吸式发酵罐等 非机械搅拌通风发酵罐 包括鼓泡式发酵罐 液体循环式发酵罐 这两类发酵罐是采用不同的手段使发酵罐内的气 固 液三相充分混合 从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求 2 按照发酵罐设备特点分类 第一节发酵设备 固体发酵 量少浅盘 帘子量多厚层通风发酵设备 液体发酵 厌氧发酵好氧发酵 三 按发酵基质状态分类 1 机械搅拌通风发酵罐 通用式机械搅拌发酵罐结构 设备主要部件包括 罐身电机搅拌轴轴封消泡器搅拌器联轴器中间轴承空气吹泡管 或空气喷射器 挡板冷却 传热 装置人孔以及视镜其它 自吸式发酵罐 2 鼓泡式发酵罐 3 液体循环式发酵罐 喷嘴环流式发酵罐 连续管道发酵器 30 一般认为50L以下的是实验室发酵罐 50 5000L是中试发酵罐 5000L以上是生产规模的发酵罐 3 按容积分类 第一节发酵设备 小试机械搅拌通气式发酵罐 实验室用 1L 50L 中试机械搅拌通气式发酵罐 50L 5000L 第二节代表性发酵产品生产工艺过程 青霉素的理化性质1 稳定性固体青霉素盐的稳定性与其含水量和纯度有很大的关系 2 溶解度青霉素游离酸在水中溶解度很小 易溶于有机溶剂如醋酸乙酯 苯 氯仿 丙酮和乙醚中 而其钾盐 钠盐易溶于水和甲醇 可溶于乙醇 3 降解反应青霉素是很不稳定的化合物 遇酸碱或加热易分解而失去活性 并发生分子重排 4 紫外吸收5 过敏反应 青霉素发酵工艺1 发酵工艺流程 1 菌种 a 最早发现的产生青霉素的原始菌种是点青霉菌 生产能力很低 不能满足工业生产要求 所以被淘汰 现在主要采用的是产黄青霉菌 b 为了提高产黄青霉的青霉素产量使用的诱变剂如 二环氧丁烷 甲磺酸乙酯 乙烯亚胺 亚硝酸 X射线等 2 孢子制备将沙土孢子先在用甘油 葡萄糖 蛋白胨组成的培养基进行斜面培养 经传代活化 最适生长温度25 26 C 培养6 8天 得单菌落 再传斜面 培养7天 制得斜面孢子 再移植到优质小米或大米固体培养基上 25 C 相对湿度45 50 生长7天 制得小米孢子 孢子成熟后进行真空干燥 低温保存备用 3 种子罐培养工艺一级种子发酵 发芽罐 孢子萌发 形成菌丝 培养基 葡萄糖 玉米浆 碳酸钙 玉米油 消沫剂等 接种量 200亿孢子 t培养基空气流量 1 3 m3 m3 min 搅拌转速 300 350r min pH 自然 温度 27 1 时间 40h 二级种子罐 繁殖罐 大量繁殖 培养基 葡萄糖 玉米浆 玉米油 消沫剂等 接种量 10 空气流量 1 1 1 5 m3 m3 min 搅拌转速 250 280r min pH 自然 温度 25 1 时间 10 14h 4 生产罐培养工艺三级罐 生产罐 培养基 花生饼粉 葡萄糖 尿素 硝酸铵 硫代硫酸钠 苯乙酰胺 CaCO3 玉米油 硅油 温度控制变温控制 不同阶段不同温度 生长阶段 较高温度 缩短生长时间 生产阶段适当降低温度 以利于青霉素合成 前期控制26 左右 后期降温控制22 pH控制合成适宜pH6 4 6 6左右 避免超过7 0直接加酸或碱 自动控制流加葡萄糖 恒速 变速 依赖pH变化快慢 pH下降 补加CaCO3 通氨 尿素或提高通气量pH上升 补加糖 生理酸性物质 硫酸铵 油脂 恒速补糖 用酸或碱控制方式 根据pH补糖变温控制 溶氧控制 30 饱和度 产率急剧下降 10 造成不可逆的损害 临界溶氧浓度 30 通气比 1 0 8 1 5vvm 适宜的搅拌速度 保证气液混合 提高溶氧 菌丝生长速度与形态 浓度发酵稳定期 湿菌浓度可达15 20 丝状菌干重约3 球状菌干重在5 左右 在发酵中后期一般每天放一次 每次放掉总发酵液的10 左右 消泡天然油脂 玉米油 化学消沫剂 泡敌 前期 主间歇搅拌 少加油中期 搅拌 加油 稍微降低通气量 必要时 策略 少量多次 后期 尽量少加消沫剂 二 提炼工艺过程在提炼过程中要遵循下面四个原则 1 时间短2 温度低3 pH适中4 勤清洗消毒 1 预处理青霉素的存在部位 发酵液浓度较低 10 30Kg m3含有大量杂质 菌体细胞 核酸 杂蛋白质 细胞壁多糖等 残留的培养基 色素 盐离子 代谢产物等目的 浓缩目的产物 去除大部分杂质 改变发酵液的流变学特征 利于后续的分离纯化过程 预处理 发酵液加少量絮凝剂沉淀蛋白 2 过滤鼓式真空过滤机过滤 一次滤液 pH6 2 7 2 略浑 棕黄或绿色 蛋白质含量0 5 2 0 板框式过滤机过滤 硫酸调节pH4 5 5 0 加入0 07 溴代十五烷吡啶 0 07 硅藻土为助虑剂 二次滤液 澄清透明 用于提取 收率90 3 溶剂萃取原理 青霉素游离酸易溶于有机溶剂 而青霉素盐易溶于水