利用酵母菌发酵生产细胞色素C工艺设计—课程设计说明书-目录完整

1、中北大学课程设计说明书 发酵工程课程设计说明书 利用酵母菌发酵生产细胞色素 C的工艺设计 学生姓名： 曹志钦 学号：1104064103 学 院: 专 业: 指导教师： 化工与环境学院 生物工程 贾万利 2013年12月 目录 1 绪论1 1.1 引言1 1.1.1 细胞色素C的作用1 1.1.2 酵母菌的特性1 1.2 课程设计的目的1 1.3 课程设计的任务及要求 2 2酵母菌生产工艺设计 3 2.1 酵母菌的选取3 2.1.1 含微生物材料采集 3 2.1.2 标本材料的预处理 3 2.1.3 所需菌种的分离4 2.1.4 酵母菌菌株纯种的鉴定 4 2.1.5 菌株的诱变处理 4 2.1

2、.6 菌种初筛5 2.1.7 菌种的复筛5 2.2 菌种的保藏5 2.2.1 菌种保藏的意义6 3 培养基的配制7 3.1 培 养基 的营养要求 7 3.1.1 碳源7 3.1.2 氮源7 3.1.3 无机盐及微量元素7 3.1.4 水7 3.1.5 生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂 8 3.2 培养基的种类8 3.2.1 孢子培养基8 3.2.2 种子培 养基 8 3.2.3 发酵培养基8 4 灭菌10 4.1 灭菌的方法10 4.2 培养基的连续灭菌 10 4.3 空气灭菌11 5 种子扩大培养13 5.1 种子制备工艺 13 5.1.1 孢子制备13 5.1.2 实验室种子阶段 13

3、5.1.3 生产车间种子制备阶段 13 5.2 种子质量的控制措施 14 6 发酵工艺控制15 6.1 发酵的分类15 6.2 发酵条件的影响及控制 15 621 基质浓度15 622 灭菌情况15 6.2.3 种子的质量15 6.2.4 温度对发酵过程的影响 16 6.2.5 pH 对发酵过程的影响 16 6.2.6 溶氧对发酵过程的影响 17 6.2.7 CO 2对发酵的影响17 6.2.8 发酵过程泡沫的控制 17 7发酵计算18 7.1 发酵罐的结构18 7.2 细胞色素C发酵通常采用机械搅拌通风发酵罐 18 7.2.1 常用的机械搅拌通风发酵罐几何比例 18 7.2.2 工艺计算18

4、 7.2.3 物料衡算19 7.2.4 种子罐的设计19 8 放罐及染菌防治21 8.1 发酵终点的判断21 8.2 发酵染菌的防治与处理 21 9 下游加工22 9.1发酵液的过滤和预处理 22 9.2 细胞破碎22 9.3 细胞色素C的提纯23 9.4 成品加工与包装 23 10 总结24 参考文献25 1 绪论 1.1 引言 细胞色素C是一种以铁卟啉为辅基的呼吸酶，是细胞呼吸激活剂，属于络合蛋 白质。由多肽与血色素络合而成。血色素是铁的衍生物，具氧化还原的可逆性，从 而导致细胞色素a能在生理氧化反应过程中表现出电子传导，即Fe2u Fe3+的 效能，以促进细胞的氧化反应，达到兴奋呼吸目的

5、。它在生物氧化过程中，是一个 非常重要的电子传递体。亲缘关系越近的生物，其细胞色素 C越相似或相同，比如 人和黑猩猩。而如果在进化史上相去甚远，则其细胞色素 C也相差越远，比如人和 酵母菌。鉴于细胞色素C分子在呼吸电子传递链中不可或缺的地位，其分子结构 是相对保守的。但随着生物的进化，其分子组成结构也必将出现变异，只是相对于 其他蛋白来说，细胞色素C分子的很多变异可能导致生物体的电子传递出现问题而 导致死亡，因此，其分子进化要缓慢而保守。通常外源性细胞色素C不能进入健康 细胞，但在缺氧时，细胞膜的通透性增加，细胞色素 C便有可能进入细胞及线粒体 内，增强细胞氧化，能提高氧的利用。有关细胞凋亡的

6、研究表明，细胞色素C与细 胞凋亡有关，从线粒体中泄露出的细胞色素 C有诱导细胞凋亡的作用。本次设计内 容为利用酵母菌生产细胞色素 C。主要通过采用富集培养、结合平板划线、涂布等 手段成功的从活性污泥中分离筛选到高产细胞色素C的酵母菌，之后发酵生产细胞 色素C,后期采用二氧化碳超声波萃取等方法提取细胞色素C,达到最佳的生产效 果，降低成本。 1.1.1 细胞色素C的作用 【用途一】来自三羧酸循环产生的琥珀酸辅酶A,其肽链仅有104个氨基酸， 体内大量存在，无需外源补充。细胞色素 C是生物氧化的非常重要的电子传递体， 在线粒体崤上与其它氧化酶排列成呼吸链，参与细胞呼吸过程。肝细胞炎症时细胞 膜通透

7、性较高，细胞色素C可进人细胞内。可治疗肝衰竭，增加细胞氧化，提高氧 利用。是含铁的结合蛋白，有抗原。 【用途二】细胞呼吸激活药。对组织中细胞的氧化、还原过程具有迅速的酶促 作用。用于急救或辅助治疗中因各种原因引起的组织缺氧。对抗癌药物引起的白血 球降低，四肢循环障碍，肝疾患，肾炎亦有一定的治疗作用。 1.1.2 酵母菌的特性 酵母菌是人类直接食用量最大的一种微生物。酵母菌体含有丰富的蛋白质、脂 肪、细胞色素C糖分、B族维生素、酶、辅酶、核糖核酸、甾醇和一些新陈代谢 的中间产物。在医药工业中，酵母菌及其制品用于治疗某些消化不良症，并能提高 和调整人体的新陈代谢机能。因此，药用酵母菌的生产在酵母工

8、业中占有重要的地 位。此外，因为酵母菌体内富含细胞色素 C,核酸，谷胱甘肽等生理活性物质，可 以从酵母菌体内提取细胞色素C。利用发酵生产的细胞色素C大大降低了其成本并 且能为医疗方面做出重大贡献。 1.2课程设计的目的 第1页共26页 中北大学课程设计说明书 通过本课程设计，进一步掌握发酵工程课程的基本知识，掌握发酵工艺设 计要点及其相关工程设计要点，具备初步的发酵工程工艺及设备的独立设计能力； 培养生物工程专业学生综合运用所学的理论知识独立分析和解决发酵工程实际问 题的实践能力。 1.3课程设计的任务及要求 设计任务：完成年产5吨细胞色素C发酵的生产工艺，其中包括菌种选育、培 养基的设计及灭

9、菌、空气除菌（如为需氧发酵）、种子的扩大培养、设备的选用、 发酵过程中的控制参数和下游加工等。 设计要求： 按照年产量要求进行工艺设计，不得造成设备浪费，节约人力、 物力和能源。 进行简单的物料衡算。 绘制设计图，要求一张工艺流程图和一张主设备结构图，A4纸 打印。 第#页共26页 中北大学课程设计说明书 2酵母菌生产工艺设计 酵母菌主要的生长环境是潮湿或者液态的环境，有些酵母菌也会在生物体内， 所以需要根据实际需要选取所需的合适菌种，如何从多样的酵母菌中选择一种可以 用于工业生产的，性质稳定的菌株是非常重要的，也是决定工业发酵成败的关键之 。 根据酵母菌发酵生产的总体特点，设计菌株的选择性分

10、离的步骤；含微生物材 料采集T标本材料的预处理T菌种的分离T富集培养菌株诱变T菌种初选菌 种复选f性能鉴定f菌种保藏。 2.1 酵母菌的选取 2.1.1 含微生物材料采集 土壤由于具备了微生物所需的营养、空气和水分等条件，所以是微生物最集中 的地方。从土壤中几乎可以分离到任何所需的菌株，空气、水中的微生物也都来源 于土壤，所以土壤样品往往是首选的采集目标。一般情况下，土壤中含细菌数量最 多，且每克土壤的含菌量大体有如下的递减规律：细菌（108） 放线菌（107） 霉 菌（106） 酵母菌（105） 藻类（104） 原生动物（103），其中放线菌和霉菌指其抱 子数。但各种微生物由于其生理特性不同

11、，在土壤中的分布也随着地理条件、 养分、 水分、土质、季节而有很大的变化。据有关资料的显示，性能研究，性能优异，为 了可以选择好的菌种，潮湿或液态环境土壤是很好的选择。 酵母菌在自然界中分布很广，尤其喜欢在偏酸性且含糖较多的环境中生长。例 如，在水果、蔬菜、花蜜的表面和在果园土壤中最为常见。 取样时先除去表层5cm表土，取515cnm深的土壤，5处采集，每份样品重约500g, 给塑料袋编号并记录地点、土壤质地、植被名称、时间及其他环境条件。得到来自 果树下腐叶土的01号09号土样。 2.1.2 标本材料的预处理 因为我们所选择的菌株是在潮湿或液态环境下有利生存， 因此在对材料的预处 理中，我们

12、应该同样置材料于潮湿或液态环境下， 加入一些物质促进酵母菌的生长， 抑制其它细菌的生长。保证所需菌种的生长条件，阻止其它的菌种的优势生长。 对样品进行处理，调节pH为5.0，在30C条件下，加热20分钟，即可除去部分 细菌，利于分离得到所需要的菌株。 2.1.3 所需菌种的分离 大多数酵母菌为腐生，其生活最适pH为4.5 一 5,常见于含糖分较高的环境中， 例如果园土、菜地土及果皮等植物表面。酵母菌生长迅速，易于分离培养，在液体 培养基 中，酵母菌比霉菌生长得快。 根据酵母菌喜欢酸性环境的特点，利用上述酸性液体培养基（这样做的好处是 酸性培养条件则可抑制细菌的生长），在30r下培养4小时，产生

13、一些菌落，用变色 圈法分离，从培养基中挑取一些较大较厚，呈乳白色或红色，表面湿润、粘稠的菌 株。即得到所需初级菌种。 2.1.4 酵母菌菌株纯种的鉴定 把分离纯化到的酵母菌接到液体培养基平板中,在30r下各培养2448h.若 液体管内不出现浑浊，平板上不长出杂菌菌落，同时菌株在平板培养基上又可形成 均一具特征性的单菌落，再结合镜检无异样细胞发现，即可证明获得的菌株为纯培 养物。 2.1.5 菌株的诱变处理 诱变处理的理论基础是基因突变。所谓突变是指由于染色体和基因本身的遗传 性状的变异。从自然界获得的菌种，通过进一步的菌种选育，可以为发酵提供各种 类型的突变株，提高发酵单位，还可以改进产品质量

14、，去除多余的代谢产物和合成 新品种，有利于经济效益的提高。本次菌株的诱变处理采用物理诱变处理法：紫外 线诱变 菌悬液的制备：选择培养好的斜面，加入10ml无菌水，用吸管将抱子轻 轻刮下后吸出，用研磨器将菌悬液研磨，得到单细胞菌悬液。用血球计数板计算抱 子数在20-30 亿个ml-1。 菌悬液的预培养：取10ml研磨后的菌悬液接入装量为 25ml的液态斜面 培养基中预培养2h。 紫外诱变：将预培养的单细胞菌悬液加入平皿中，每皿 1ml，用磁力搅拌 器缓慢搅拌菌悬液，在红外光下操作，用 30W紫外灯管，距离25cm，照射30sec 5min。在照射受试菌前，灯管须预热20min。照射后平皿用黑布包

15、严，防止发生 可见光的修复作用 培养：用吸管吸取诱变后的抱子悬液， 稀释10-110-3倍涂布细胞色素C 性平皿，用三角耙把菌液涂匀。单菌落于 30 C培养1418天，第二天倒置培养。 得到诱变后的目的的菌株。 2.1.6 菌种初筛 用于生产的菌株必须要有一定的生活能力和生产能力，所获得的菌株需要经过 一定的手段进行检测，其符合规定后才能作为生产菌种来使用。 将各诱变处理后的待测菌株接种在固体培养基斜面上，活化3代（每代24h） o取 各菌株以相同量接种于液体培养基试管中（装样量5mL）,在30C培养箱中静置24h . 再将装有增殖菌株的各试管内液体倒入装有 60 mL发酵培养基的三角烧瓶中，

16、用纱 布封口，于30 C摇床（转速140r/min）培养15h。即可得到一些所需的菌种，挑选性 能优良菌落，传代培养23代，斜面保藏备用。 2.1.7 菌种的复筛 将用分离培养得到的菌种实验室中保藏的某些菌种筛选。选取菌株生长状况比 较好的菌落，分别编号，选取10株，做标记，分别为丫1 - Y10，进行发酵培养基 和发酵条件优化的研究。 2.2 菌种的保藏 菌种保藏主要是根据菌种的生理生化特点，人工创造条件，使抱子或菌体的生 长代谢活动尽量降低，以减少其变异。一般可通过保持培养基营养成分在最低水平、 缺氧状态、干燥和低温，使菌种处于“休眠”状态，抑制其繁殖能力。常用的菌种 宝藏方法有：斜面冰箱

17、保藏法、沙土管保藏法、菌丝速冻法、石蜡油封法、真空冷 冻干燥保藏法、液氮超低温保藏法。 在这里我们采用沙土保藏法。 方法：将需保藏的菌种经斜面培养后用无菌水制成抱子悬液，加入经灭菌处理 的沙和土的混合物（或纯沙亦可）作为载体，减压抽去水分，这些吸附有抱子的干 燥沙土载体，在低温下保存。 操作步骤：斜面抱子先加灭菌蒸馏水22.5ml，沿斜面轻刮抱子后，再吸0.2 0.3 ml到灭菌备用的沙土管中，在真空度 100 Pa以下进行干燥，直至沙土管外貌 呈松散状态，然后低温（4 C）保存。经真空干燥后的沙土管，最好放在密闭容器 内，容器内可放硅胶等，保藏期间整个容器置于冰箱内。一般保存期为一年左右。

18、2.2.1 菌种保藏的意义 菌种保藏是进行微生物研究和微生物育种工作的重要组成部分，其首要任务是 使菌种不死亡，同时还要尽可能设法把菌种的优良特性保持下来而不致向坏的方面 发展。 第9页共26页 3培养基的配制 3.1培养基的营养要求 3.1.1 碳源 碳源是组成培养基的主要成分之一。主要功能有两个：一，为微生物菌种的生 长繁殖提供能源和合成菌体所必需的碳成分；二，为合成目的产物提供所必需的碳 成分。常用的碳源有糖类、油脂、有机酸和低碳醇等，可分为速效碳源和长效碳源。 糖类是发酵培养基中最为广泛应用的碳源，主要有葡萄糖、糖蜜和淀粉糊精等。糖 蜜是制糖生产时的结晶母液，而且它是制糖工业中的副产物

19、。糖蜜中含有丰富的糖、 氮类化合物、无机盐和维生素等，是微生物发酵培养基价廉物美的碳源。这种糖蜜 主要含有蔗糖，总糖可达 50%- 75% 一般地，糖蜜分为甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜，二 者在糖的含量和无机盐的含量上有所不同，即使同一种糖蜜由于其加工方法的不同 其成分也存在或多或少的差异(如下表所示)，因此，要注意合理选择。 3.1.2 氮源 用于构成细胞菌体物质(氨基酸，蛋白质，核酸等)。常用的氮源可分为两类， 有机氮源：黄豆饼粉、玉米浆、蛋白胨、酵母粉、鱼粉等。无机氮源：铵盐、硝酸 铵和氨水等。不同氮源以鱼粉最好，辅加氮源以硝酸铁为佳。氨水在发酵中除可调 节pH外，也是一种容易利用的氮源，在抗生素

20、的生产中得到广泛应用。氨水碱性 较强，使用时要防止局部过碱，应加搅拌的强度，并且注意应该少量多次加入。 3.1.3 无机盐及微量元素 成分：NaCI，其主要作用是改变细胞外的渗透压，从而改善传质效果。但C 或Nsf浓度过高会对微生物产生毒性。CaCQ (517g/L)稳定发酵液的pH值，中 和代谢过程中产生的酸性物质。MgSO (0.253.0 g/L )作为微量元素，可能与 某些酶的活性或一些物质的运输有关。Mg(PC4)2,在0.01.0%的范围内，Mg(PO) 2 浓度越高，细胞色素C发酵效价越高，但更高的Mg(PC4)2加量对细胞色素C发酵的 影响不明显。在生产中需要通过试验预先了解菌

21、种对无机盐和微量元素的最适需求 量，以稳定或提高产量。常用无机盐的浓度查阅新编生物工艺学(P104) 3.1.4 水 水是所有微生物的主要组成成分， 也是微生物机体的重要组成成分。 它还是一 切营养物质传递的介质，而且它还直接参与许多代谢反应。不同来源的水（如深井 水、自来水、地表水）所含的物质不同，因此水的质量对微生物生长会产生一定的 影响。水源质量的主要考虑参数包括pH值、溶解氧、可溶性固体、污染程度以及矿 物质的组成和含量。在发酵工业中，一个高单位的生产菌种也会因水质不同而导致 其在异地不能发挥其生产能力。所以水的选取尤其值得注意，不能大意。 3.1.5 生长因子、前体、产物促进剂和抑制

22、剂 生长因子是微生物生长不可缺少的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素 等均称生长因子。氨基酸是一种有机氮源，同时也可以作为一种生长因子。在生产 实践中因为氨基酸价格比较昂贵，且许多有机氮源中如玉米浆中含有一定量的氨基 酸，能够满足发酵的需要，所以常用玉米浆代替氨基酸在工业生产培养基中使用。 前体是能直接被微生物在生物合成中结合到产物分子中去，而自身的结构没有多大 变化的化合物，但产物的产量却因加入前体而有较大的提高。促进剂：是指那些非 细胞生长所需的营养物质，又非前体，但加入后能提高产品产量的添加剂。 3.2 培养基的种类 培养基可以按照用途可以分成抱子培养基、种子培养基和发酵培养基。 3

23、.2.1 抱子培 养基 抱子培养基配制的目的是供菌体繁殖抱子的，常采用的是固体培养基，对这类 培养基的要求是能使菌体生长快速， 产生数量多而优质的抱子，并且不会引起菌体 变异。对抱子培养基的要求：营养不要太丰富；所用无机盐的浓度要适量； 注意培 养基 的pH和湿度。 斜面、分离培养基（g/L）:蔗糖60,酵母粉20，蛋白胨10,琼脂20，自 来水配制，pH=5 3.2.2 种子培 养基 种子培养基是供抱子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌丝体长得粗壮成为 活力强的种子。对于种子培养基的营养要求比较丰富和完全， 氮源和维生素的含量 也比较高些，浓度以稀薄为好，可以达到较高的溶解氧，供大量菌体生长

24、和繁殖。 细胞色素C的种子培养基的配比为（g/L）:蔗糖10.5，硫酸铵0.1,磷酸二氢 钾0.1%，七水硫酸镁0.04, pH=5。 3.2.3 发酵培 养基 中北大学课程设计说明书 发酵培养基的要求是营养要适当丰富和完全适合于菌种的生理特性和要求，使 菌种迅速生长、健壮，能在比较短的周期内充分发挥产生菌合成发酵产物的能力， 但要注意成本和能耗。 细胞色素C的发酵培养基配比为（g/L）：蔗糖10.5，蛋白胨10，酵母粉5, NaCI 10，KCI 1.8，酵母膏 2.5，醋酸 8.2。 培养基灭菌后，接入种子，搅拌，28E，通风量0.8vvm,培养3d，pH=6. 第#页共26页 中北大学课

25、程设计说明书 4 灭菌 原理：对数残留定律：N=NX ekt，灭菌结束时，培养基中的活微生物数一般为 0.001 个。 4.1 灭菌的方法 化学灭菌，射线灭菌，干热灭菌，湿热灭菌，过滤灭菌 4.2 培养基的连续灭菌 本次条件为在121C（表压约0.1MPS）维持30分钟。 将配制好的培养基在通入发酵罐时进行加热、保温、降温的灭菌过程，称为连 续灭菌，特点是高效、快速。连续灭菌时培养基在短时间内被加热到灭菌温度，短 时间保温后被快速冷却，再进入早已灭完菌的发酵罐，这样可以减少对培养基的破 坏，提高发酵设备利用率，实现自动控制。培养基连续灭菌设备流程如图4.1所示: 配料罐送料泵 预热桶 连消泵

26、加热器维持罐喷淋冷却器 图4.1培养基连续灭菌设备流程 影响灭菌效果的因素 微生物的种类和数量； 培养基性质、浓度、成分; 灭菌的温度、时间。 热阻：微生物对热的阻抗能力。 培养基灭菌之前，先对种子罐、发酵罐等其他设备进行空罐灭菌。灭菌条件为 121C（表压约O.IMPa）维持30分钟 4.3 空气灭菌 细胞色素C的生产属于好氧发酵，所以制备无菌空气至关重要。发酵用的无菌 空气就是将自然界的空气经过压缩、冷却、减湿、过滤等过程。空气除菌的流程图 如图4.2所示： 图4.2空气除菌设备流程图 流程如下：采风塔T空气粗过滤器T空气压缩机T储气罐T冷却器T旋风分离 器一冷却器一丝网除沫器一空气加热器

27、一总空气过滤器。 设备如下： 采风塔：采风塔建在工厂的上风头，高至少10 m,气流速度8 m/s。 粗过滤器：主要作用是拦截空气中较大的灰尘以保护空气压缩机，同时起一 定的除菌作用，减轻总过滤器的负担。 空气压缩机：作用是提供动力，以克服随后各设备的阻力。 空气储罐：作用是消除压缩空气的脉动。 要求：H/B=22.5 V=（0.1 0.2 ） V 其中，H为罐咼； B为罐直径； Vi为空压机每分钟排气量（20C，1X 105Pa状况下）。 旋风分离器：是利用离心力进行气-固或气-液沉降分离的设备。作用是分离 空气中被冷却成雾状的较大的水雾和油雾粒子。 第11页共26页 中北大学课程设计说明书

28、冷却器：空压机出口温度气温在 120C左右，必须冷却。另外在潮湿的地域 和季节还可以达到降湿的目的。 丝网除沫器：可以除去空气中绝大多数的20卩m以上的液滴和1叩以上的雾滴， 一般采用规格为直径0.25 mmX 40孔且高度为150 mm的不锈钢丝网。 空气加热器：列管内走空气，管外走蒸汽。可将空气湿度由100%$低到70% 以下。 总过滤器：填充物按下面顺序安装：孔板f铁丝网f麻布f活性炭f麻布f棉 花一麻布一铁丝网一孔板。介质要紧密均匀，压紧一致，上下棉花层厚度为总过滤 层厚度的1/4，中间活性炭层为1/3。 过滤是空气除菌的主要手段，按过滤介质孔隙将空气过滤器分为两类：绝对过 滤，相对过

29、滤。后者主要原理为：1惯性滞留作用，2拦截滞留作用，3布朗扩散 作用，4重力沉降，5静电作用。 第#页共26页 中北大学课程设计说明书 5种子扩大培养 作为种子的准则是：菌种细胞的生活力强，移种至发酵罐后能迅速生长，迟 缓期短；生理性状稳定；菌种总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求；无杂 菌污染；保持稳定的生产能力。种子的制备主要包括实验室种子的制备和种子的 扩大培养两个阶段。 细胞色素C采用二级发酵。其流程为：沙土管一抱子斜面培养基一摇瓶液体培 养基种子罐发酵罐发酵液 5.1 种子制备工艺 种子扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管处于休眠状态的生产菌种接入 试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及

30、种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量 的纯种的过程。包括：实验室种子制备阶段，包括琼脂斜面、固体培养基扩大培 养或摇瓶液体培养；生产车间种子制备阶段，如种子罐扩大培养。 5.1.1 抱子制备 保藏在沙土管或冷冻干燥管中的菌种经无菌手续接入适合抱子发芽或菌丝生 长的斜面培养基中，培养成熟后挑选菌落正常的抱子用摇瓶液体培养，在摇床上恒 温振荡培养，获得菌丝体作为种子。 5.1.2 实验室种子阶段 取保藏菌种，将其在固体斜面培养基中，23个月移种一次，培养一段时间， 然后再转移到摇瓶培养，然后放在摇床上恒温培养。从活化的斜面上挑取两环菌种 接入种子培养基，摇瓶种子培养采用250mL的锥形瓶，装液量

31、80mL接种量10% (8mL，瓶口用棉花塞住。摇床转速 120rpm,温度30C,培养1824h。 5.1.3 生产车间种子制备阶段 将筛选得到的菌种用于工业生产还必须经过种子的扩大过程，也就是生产种子 的制备。因发酵生产的不同，生产种子一般可分为一级种子制备、二级种子制备和 三级种子制备。本设计的细胞色素 C发酵中采用一级种子制备，二级发酵。 一级种子制备，是指将来自摇瓶培养的菌体，打开接种口在火焰保护下接种到 1n3种子罐中培养，接种量为种子罐内的培养基量的10%培养18h，以备发酵接种 使用。一级种子制备的培养温度均为 30，转速为150rpm,通气量为1vvm 5.2 种子质量的控制

32、措施 种子质量的最终指标是考察其在发酵罐中说表现的生产能力。因此首先必须保 证生产菌种的稳定性，其次是提供种子培养的适宜环境，保证无杂菌侵入，以获得 优良种子。主要包括菌种稳定性检查和无杂菌检查。 在接种过程中所有设备和培养 基必须经过灭菌。在种子罐培养中要严格控制罐温、罐压，并定时取样做无菌试验， 观察菌体形态，测定罐内种子液的发酵单位并对其进行生化分析，观察有无杂菌情 况，只有种子质量合格，浓度达到108个/mL水平时才可移出接种到发酵罐中发酵。 第13页共26页 中北大学课程设计说明书 6发酵工艺控制 6.1 发酵的分类 微生物发酵过程可分为分批、补料-分批、半连续和连续等几种方式。 分

33、批发酵是一种准封闭式系统，种子接种到培养基后除气体流通外发酵液始终 留在生物反应器内。 补料-分批发酵是在分批发酵过程中补入新鲜的料液，以克服由于养分的不足， 导致过早结束。由于只有料液的输入，没有输出，因此，发酵液的体积在不断增加。 半连续发酵是在补料-分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液便可称为半 连续发酵。考虑到补料-分批发酵虽可通过补料补充养分或前体的不足，但由于有 害代谢物的不断积累，产物合成最终难免受到阻遏。放掉部分发酵液，再补入适当 料液不仅补充养分和前体而且代谢有害物被稀释，从而有利于产物的继续合成。 连续发酵是发酵过程中一边补入新鲜的料液，一边以相近的流速放料，维持发 酵液

34、原来的体积。 本设计采用分批发酵。 6.2 发酵条件的影响及控制 6.2.1 基质浓度 基质浓度必须严格控制，培养基过于丰富，会使菌体生长过于旺盛，发酵液非 常粘稠，传质状况很差，细胞不得不花费许多能量来维持其生存环境，即用于非生 产的能量倍增，对发酵不利。 6.2.2 灭菌情况 培养基的灭菌情况对不同品种的发酵生产的影响是不一样的。一般，随着灭菌 温度的升高，时间的延长，对养分的破坏作用越大，从而影响菌体的生长，特别是 葡萄糖，不宜同其它养分一起灭菌。 6.2.3 种子的质量 发酵期间生产菌种生长的快慢很大程度上取决于种子的质和量。具体的反映在 接种龄和接种量上。 接种龄是指种子罐中培养的菌

35、体开始移种到下一级种子罐或发酵罐的培养时 间。一般，接种菌龄以对数生长期的后期，即培养液中菌浓度接近高峰时所需的时 间较为适宜。太年轻的种子接种后往往会出现前期生长缓慢，整个发酵周期延长， 产物开始形成时间推迟。过老的种子虽然菌量较多，但接种后会导致生产能力的下 降，菌体过早自溶。 接种量是指移种的种子液体积和培养液体积之比。一般，发酵常用的接种量为 5%-10%接种量的大小是由发酵罐中菌的生长繁殖速度决定的。通常，采用较大 的接种量可以缩短生长达到高峰的时间，使产物合成提前，比较节省时间。这是由 于种子量多，同时种子液中含有大量胞外水解酶类，有利于基质的利用，并且生产 菌在整个发酵罐内迅速占

36、优势，从而减少杂菌生长的机会。但是，如接种量过大， 也可能使菌种生长过快，培养液粘度增加，导致溶氧不足，影响产物合成，对于大 规模培养有一定的局限性。 624 温度对发酵过程的影响 温度对发酵的影响主要表现在以下四个方面： (1) 温度对微生物菌体的生长、呼吸以及产物合成影响程度不同。 (2) 温度影响发酵过程中基质和营养物溶解的速率和气体的传递效率。 (3) 温度影响生物合成的方向。 (4) 温度影响代谢调控。 在菌体生长期，保持较高的温度，酶反应速率增大，有利于菌体快速生长，从 而可以缩短生长期，但酶本身很容易因过热而失去活性，使菌体容易衰老，发酵周 期缩短；控制发酵024h培养温度为28

37、 C，菌体基础代谢较快，营养物质消耗也 快。所以，要注意营养的及时补充。 6.2.5 pH 对发酵过程的影响 pH是微生物生长和产物合成的最重要的状态参数，pH的变化会影响各种酶活、 菌对基质的利用速率和细胞的结构，从而影响菌的生长和产物的合成。大多数微生 物的生长适应的pH跨度为34个pH单位，最佳生长pH跨度在0.51个单位。 酵母菌的最适范围在45。其生长和产物合成阶段的最适 pH通常是不一样的。控 制pH在合适范围应首先从基础培养基的配方考虑，然后通过加酸或碱或中间补料 来控制，如pH上升超过最适值时，意味着菌体处于饥饿状态，可加葡萄糖；pH下 降时，可加尿素，过滤的氨水。用氨水中和有

38、机酸时需谨慎，过量的氨水会使微生 物中毒，导致呼吸强度急速下降。 626 溶氧对发酵过程的影响 溶氧是微生物生长所必需的，溶氧是影响细胞色素C发酵的重要因素，溶氧太 低会使糖代谢缓慢，菌体生长不良，产物合成受阻。溶氧太高则使菌体生长过于旺 盛，底物完全氧化的比例过高，也不利于细胞色素 C的合成。对溶氧的控制还应考 虑底物的浓度，在不同的底物浓度下应有不同的溶氧水平，底物浓度较高时，增加 DO可以加强菌体的代谢活性，不会因为基质的完全氧化降低产量。底物浓度较低 时，过高的溶氧会导致基质的完全氧化而降低细胞色素C的产量。DO水平应该保 持在50%以下。 6.2.7 CO 2对发酵的影响 溶解在发酵

39、液中的CO对发酵有抑制或刺激作用。大多数微生物适应低浓度CO, 当尾气CO浓度高于4%时，微生物的糖代谢与呼吸速率下降。呼吸商 RQ=C2放率/ 摄氧率，可以判断菌的生长、呼吸情况，还可以反映菌的代谢情况。 6.2.8 发酵过程泡沫的控制 酵母菌的菌体生长过程是好氧性培养，培养过程中要通入大量的无菌空气，为 了增加发酵培养基中溶解氧的浓度，还要进行搅拌，将大气泡打碎成小气泡。同时， 培养基中微生物发酵也会产生气体， 从而在发酵液中形成大量气泡， 培养基中含有 大量的发泡性糖、蛋白质和代谢物，极容易产生泡沫，这就会使发酵液产生大量的 泡沫。 发酵罐中积存大量泡沫对发酵危害极大， 因此，控制泡沫是

40、保证正常发酵的基 本条件。而消除泡沫有许多方法，有消泡剂法消泡，机械消泡，由于现在使用消泡 剂无法确定其对发酵的影响，因此采用机械消泡法进行消泡，本设计采用在发酵罐 中安装消泡耙来达到机械消泡的目的。 第17页共26页 中北大学课程设计说明书 7发酵计算 7.1 发酵罐的结构 1罐体，常为碳钢 2搅拌器 分平叶式，弯叶式，箭叶式，其中平叶式功率最大。 3挡板：防止液面中央产生漩涡，促使发酵液激烈翻动，提高溶氧。一般为 4-6片即可，高度通常为3/4倍罐体。挡板与罐壁间隙和挡板宽度相等。 4消泡器：分锯齿式、梳式、新式的有涡轮式、离心式 。 5联轴器与轴承。 6变速装置。 7空气分布器：单管式，

41、环形管式。 8冷却装置。 9入料孔、视灯、视镜。19 7.2 细胞色素C发酵通常采用机械搅拌通风发酵罐 7.2.1 常用的机械搅拌通风发酵罐几何比例 H/D=1.7 3.5， HL/D=2 - 2.5， d/D=1/3 1/2， B/d=0.8 1.0， W/D=1/12- 1/8(取0.1，并留1 2cm间隙，以防死角)， (s/d) 2=1.5 2.5(2表示搅拌器挡数); (s/d) 3=1 2，1.5 d 2,可以取相同的值。 HL:液位高度，D:发酵罐内径，H:筒身高度，W挡板宽度，B:下搅拌 器距罐底的距离，s:搅拌器间距，d:搅拌器直径，发酵罐的大小用“公称体 积” V0表示，它

42、指发酵罐的筒体体积 Va和底封头体积Vb之和。V0=V+y= ( n /4 ) X D2 X H+0.15D3 7.2.2 工艺计算 年产5吨，一年250个工作日，发酵周期为72h，即3天，清理发酵罐1天， 所生产的产品必须达到GM规定。细胞色素C的产量为0.77g/L，发酵液收率为95% 第18页共26页 中北大学课程设计说明书 预处理收率为90沪品提取率为56%精制得率为95%产品纯度为97%装料系数 为80% 贝 总的提取率为：95% 90% 56% 95%=45% 一年需放罐的次数：250-4=63次 每批次产细胞素色C: 5000/64=79.4kg 发酵罐的体积为：V=79.4/

43、(45% 0.77 0.8 97% =295用 取发酵罐的体积为300mi V0=va+Vb= ( n /4 ) X D 预处理（加热、调PH、絮凝）细胞分离（过 滤、离心） 细胞破碎 （匀浆、研磨） 细胞碎片分离（离心、 过滤、两水相萃取） 初步纯化（沉淀、吸附、离子交换、萃取） 高度 纯化（沉淀、色层分离、结晶）成品加工（浓缩、无菌 过滤、干燥、加工）。 本次细胞色素C的生产工艺流程为 9.1 发酵液的过滤和预处理 预处理就是除去高价离子和蛋白质，对高价离子的去除可以采用草酸或磷酸， 草酸它与钙离子生成的草酸钙，还能促使蛋白质沉淀，加磷酸既能降低钙离子也能 降低镁离子。对于蛋白质的沉淀可以

44、加入絮凝剂，调节pH值或加热。过滤：采用 鼓式真空过滤器，过滤前加去乳化剂并降温。 9.2 细胞破碎 本次工艺利用超声波破碎细胞。超声波处理细胞悬浮液时，破碎作用受到许多 因素的影响，通常声强和振幅影响很大，但强度太高易使蛋白质变性，频率的变化 影响不明显。因此经超声波处理后，原先很粘稠的菌悬液，其流动性明显增强，长 细胞链断裂成短残链，细胞也部分破碎，具有一定的破壁效果。 9.3 细胞色素C的提纯 本次纯化采用离子交换的方法进行提纯。具体方法为：取初步纯化的液体，通 过D132型阳离子交换柱进行吸附，柱直径 2cm高60cm,用新蒸馏水洗涤杂质， 洗至无杂质为止。再用含 NaHPO与Nacl洗脱液洗脱，流速为0.5ml/min，分别收 集浓液和稀液，稀液合并回收，浓液进行精制可得成品。 9.4 成品加工与包装 1无菌过滤，去热原。 2干燥，去除水分。 3