1、1第六章 发酵工程与食品产业1、发酵工程概述1.1 发酵的定义传统发酵用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。生理学上的发酵指微生物的有氧呼吸和无氧呼吸以外的一种生物氧化作用，通过底物水平磷酸化来获得代谢能 ATP，同时将内源的有机化合物还原成发酵产物。工业上的发酵泛指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。1.2 发酵工程的应用范围1.3 发酵工业的发展历史天然发酵时代发酵工业第一个转折期：纯培养技术发酵工业第二个转折期：通风搅拌技术发酵工业第三个转折期：代谢控制发酵技术发酵工业第四个转折期：发酵原料的转变 发酵工业第五个转折期：遗传工程技术1.4 发酵过程的
2、组成部分2、发酵设备与基本工艺过程2.1 生物反应器发酵罐是供微生物在灭菌后的培养基中进行生命活动和代谢的设备。要求：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。2.1.1 厌氧发酵设备对这类发酵罐的要求：能封闭；能承受一定压力；罐内应尽量减少死角；有冷却设备2.1.2 好氧发酵设备2.1.2.1 机械搅拌式发酵罐 原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。典型类型：通用式发酵罐和自吸式发酵罐。1）通用式发酵罐 通用式发酵罐是指既具有机械搅拌，又有压缩空气分布装置的发酵
3、罐。它是利用机械搅拌器的作用使通入的无菌空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，满足微生物生长繁殖和发酵所需要的氧气，同时强化热量的传递。通用式发酵罐的基本要求：发酵罐罐体各部分的尺寸应具有适宜的比例；发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧；发酵罐应具足够冷却面积；搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。发酵罐的结构：（1）罐体的尺寸比例（2）搅拌器作用：使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。类型：轴向式和径向式。轴向式搅拌器：桨叶式、螺旋桨式径向式（涡轮式）搅拌器：平直叶、弯叶、箭叶2（3）挡板作用：改变液流的方向，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。挡板条件：能达到消除液
4、面旋涡的最低条件。（4）轴封作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函和端面轴封两种。填料函式轴封：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。用作填料的材料应具备如下特性：有一定的弹塑性；化学稳定性；不渗透性；自润滑性；耐温性；制造简单，价格低廉。优点：结构简单。主要缺点：容易渗漏及染菌；轴的磨损情况较严重；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，经常维修，耗工时多。端面式轴封密封作用是靠弹性元件的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。优点：密封可靠；摩擦功率耗损小，使用寿命长；对轴的磨
5、损极微；对轴的震动敏感性小缺点：结构比填料密封复杂，装拆不便； 对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。（5）发酵罐的换热装置夹套式换热装置 适用：容积较小的发酵罐、种子罐优点：结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行清洁灭菌工作，有利于发酵。缺点：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差。竖式蛇管换热装置 适用：容积 5 米 3 以上的发酵罐优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。缺点：气温高的地区，应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，这样就增加了设备投资及生产成本。 （2）自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自动吸入空气的发酵罐。自吸式发酵罐罐体的结构与通用
6、式发酵罐主要区别在于搅拌器的形状和结构不同。 自吸式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器（转子） 。转子由箱底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。优点：动能消耗较小，一般只为通用式发酵罐的搅拌功率与压缩空气动力消耗之和的2/3 左右；溶氧效果好，自吸式发酵罐气 -液混合情况较好，气泡分散较细，能在较低的通气量情况下，使氧的吸收系数达到通用发酵罐的水平。缺点：罐压较低、易起泡沫。2.1.2.2 气升式发酵罐工作原理是在罐内或罐外设上升管，上升管两端分别与罐底及罐上部连接，形成循环系统。在液体循环的中途使发酵液获得氧气，在整个循环周期中予以消耗，到第二次循环时再重新获得氧。如此周而复
7、始直到完成整个发酵过程。3与通用式发酵罐相比，气升式发酵罐优点：没有搅拌装置，结构简单，冷却面积小，清洗方便，减少杂菌感染；无搅拌传动设备，节省动力约 50%；操作时无噪音；料液装料系数达 80-90，而不须加消泡剂。缺点：对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。 2.2 基本工艺2.2.1 微生物发酵动力学2.2.2 工业微生物菌种的扩大培养种子扩大培养：将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，在经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。2.2.3 培养基灭菌方法：分批法和连续法两种。分批灭菌是将配制好的培养基放入发酵罐中，通入蒸汽，使培养基和
8、所有设备一起灭菌。这一过程也称为实罐灭菌。连续灭菌是在配制好的培养基向发酵罐输送的同时加热、保温和冷却，完成整个灭菌过程。连续灭菌优点：可减少对营养物质的破坏，灭菌效果优于分批式。缺点：灭菌设备较复杂，投资大，而且所有设备须事先进行空罐灭菌。连续灭菌的基本设备：配料预热罐：避免连续灭菌时由于培养基与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击 连消塔：使培养基的温度快速升高到灭菌温度 维持罐：使培养基保持在灭菌温度，从而彻底灭菌 冷却管：冷却培养基，为接种做准备。2.2.4 空气除菌 目的：除去空气中含有的微生物，为好氧性发酵过程提供无菌空气。 无菌空气：通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从
9、而能控制发酵污染至极小机会。（1）空气除菌方法辐射灭菌： 射线、X 射线、 射线、 射线、紫外线、超声波等从理论上讲都能起到杀菌作用。加热灭菌：利用空气压缩时产生的热对无菌要求不高的发酵过程进行灭菌。静电除菌：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘、除菌的目的。介质过滤：采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。（2）空气过滤除菌的流程空气过滤除菌工艺的核心：提高压缩前空气的质量(洁净度) ；去除压缩空气中所带的水和油。3. 发酵过程控制发酵生产水平主要取决于生产菌种特性和发酵条件的适合程度。3.1 溶解氧对发酵的影响及其控制3.1.1 微生物的耗氧量 微生物的耗氧
10、量常用耗氧速率和呼吸强度两种方法来表示。耗氧速率是指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，以 r 表示，单位为 mmol/(L h)。 4呼吸强度是指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量，以 QO2 表示，单位为mmol/(g h)。3.1.2 微生物的临界氧浓度氧是一种难溶性气体，因此在发酵过程中有效而经济地供氧极为重要。各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，这一溶氧浓度叫做临界氧浓度，以C 临界 表示。好气性微生物的临界氧浓度一般为 0.003 0.05 mmol/L。 氧从空气泡（气相）进入液体（液相）的传递速率（即氧的传递速率）可以表示为方程：KLa（溶氧系数）可以反映发酵罐的通
11、气能力。3.1.3 溶氧浓度的测定（1）亚硫酸盐氧化法原理：当用铜或镁离子作为接触剂时，亚硫酸盐在有氧条件下会快速氧化，利用亚硫酸盐的这种特性可以测定反应器中的溶氧浓度，进而估计设备的通气效率。每分钟溶解氧的摩尔数： 将实验测定的 Nv 代入 式可算出 KLa。亚硫酸盐氧化法的优点：操作简便，不需要特殊仪器。缺点：耗时；测定的准确性易受影响；废水污染。(2) 取样极谱法原理：当电解电压为 0.6-0.8 V 时，其扩散电流的大小随液体中溶解氧的浓度呈正比变化。具体测定方法：将从发酵罐中取出的样品置入极谱仪的电解池中，并记下随时间而下降的发酵液中氧的浓度 CL 的数值。用外推曲线的方法求得发酵液
12、中氧的饱和浓度 C* ，同时曲线斜率的负数即为溶氧变化速率。5（3）复膜电极法原理：发酵过程中停止通气片刻，溶解氧浓度因菌的利用而立即迅速下降，人为地制造一个不稳定状态（即溶氧速率和耗氧速率不平衡）来求 KLa。3.1.4 增加溶氧的工艺措施(1)改变通气速率：增加液体中夹持气体体积的平均成分。(2)改变搅拌速度：搅拌充分破碎泡沫，增加了有效气液接触面积，延长了气泡在液体中的停留时间，减少了气泡周围液膜厚度和菌丝表面液膜厚度，从而有效提高了系统的溶解氧浓度。(3)改变气体组成中的氧分压：采用富氧气体以改善供氧状况6(4)改变罐压：通过改变氧的分压来提高溶解氧的浓度(5)发酵液的黏度：通过改变培
13、养基的丰富程度，达到限制菌对氧的大量消耗，从而提高溶氧水平。(6)加入中间传氧介质：添加传氧中间介质，来提高氧在气液相之间的传递。3.2 泡沫对发酵的影响及其控制3.2.1 泡沫的产生及其影响泡沫产生的原因包括： 外界引入 由发酵液内部产生 发酵液的理化性质对泡沫的形成起决定性作用。 培养基的灭菌方法、灭菌温度和时间也会改变培养基的性质，从而影响培养基的起泡能力。泡沫的负面影响： 降低了发酵罐的装料系数。 增加了菌群的非均一性。 泡沫可能从罐顶的轴封处渗出罐外，这就增加了染菌的机会 大量起泡，控制不及时会引起“逃液” ，导致产物的流失。 泡沫严重时，会影响通气搅拌的正常进行，妨碍代谢气的排出，
14、对菌体呼吸造成影响，甚至使菌体代谢异常，影响生产率。 消泡剂的加入有时会影响发酵产量或给下游分离纯化与精制工序带来麻烦。3.2.2 泡沫的控制控制泡沫的目的在于打碎泡沫液膜，使气相和液相分离。可通过化学方法，降低泡沫液膜的表面张力，使泡沫破灭。可利用物理方法，使泡沫液膜的某些部分局部受力，打破液膜原来的受力平衡而破裂。可从生产菌种本身的特性着手，预防泡沫的形成。如在单细胞蛋白生产中，筛选在生长期不易形成泡沫的突变株。(1) 消泡剂消泡化学消泡原理：降低气泡膜局部的表面张力，力的平衡受到破坏，导致气泡破裂；降低液膜的表面粘度。 在工业发酵过程中，通常利用添加消泡剂的方式来消除泡沫。发酵工业常用的
15、消泡剂有天然油脂类、聚醚类、高级醇类等。天然油脂类：常用的天然油脂有玉米油、豆油等。消泡能力不强，使用时需要注意油脂的新鲜程度。聚醚类：聚氧乙烯氧丙烯甘油（俗称泡敌） ，亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，但其溶解度大，消泡活性维持时间较短。高级醇类：十八醇是高级醇类中常用的一种，它与冷榨猪油一起能有效控制青霉素发酵的泡沫。化学消泡最显著的缺点是影响氧气的溶解。在生产过程中应尽可能减少消泡剂的用量。在使用天然油脂时一次不能加得太多，过多的油脂会被脂肪酶分解为有机酸、脂肪酸、降低 pH、使 DO 下降，影响发酵的正常进行。(2) 机械消泡机械消泡借助机械搅拌起到破碎气泡消除泡沫的作用。7机械消泡装置可安装在罐内或罐外。机械消泡最大的缺点是不能从根本上消除稳定泡沫的因素，并且需要一定的设备和消耗一定的动力。
