发酵过程的实验室研究、中试和放大
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一是将科研所得的新方法应用于工业生产； 二是通过试验找到更好的菌种、更佳的培养基和培养条件以及更好的设备去改进现行在实验室对已筛出的新菌种（或改良后的新菌 株）进行开发研究，获得高产基因表达的最佳条件，再逐步转移到工厂生产中去，并能 得到重现，也就是所说的新发酵工艺的放大；或者是，在现有生产中如何将实验室所取 得的培养数据转化（或放大）成生产工艺，达到工艺改革的目的。无论是何种情况，都 要涉及到实验室的研究和研究结果的放大。
一. 实验室研究
(一) 实验设备 实验室研究所用的培养仪器和设备，如培养皿、培养箱等，已在微生物教科书和实验中介绍和 使用过，这里就不再叙述。绝大多数是需氧发酵，所以，对沉没(深层）液体培养来说，有气体自 然交换的摇瓶发酵和强制通气的发酵罐发酵。前者需要摇瓶机，后者需要容量大小不同的发酵罐 摇瓶机有往复式和旋转式两种。它们由3-4 个主要部件所构成，有支持台、电动机、控制系统 等可装有不同数量和不同大小的摇瓶，有250，500，1000ml的摇瓶，还有供种子液的4L大的摇瓶 。
1. 瓶塞对氧传递的阻力 为了保证瓶内是纯种培养，必须在瓶口配有一定厚度的棉花或多层纱布等过滤介质，以杜绝外
界空气中的杂菌或杂质进入瓶内。瓶外的氧气通过过滤介质，一定有传递阻力。Hara采用不同物质 的瓶塞，在转速为210r/min, 偏心距为3.5cm的摇瓶机上，29-30 0C下进行试验，采用外界氧扩散进入 取代空瓶中CO2的方法，测定氧透过瓶塞的氧传递系数(KC) O2(cm3/min)。结果见下页图。
第十五章 发酵过程的实验室研究、中试和放大
(Research in Lab. and Scale up) 第一讲
一.实验室研究 二.微生物摇瓶与罐培养的差异和发酵规模改变的影响（上）
工业发酵过程的研究，一般分为三种规模或三个阶段： ① 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究； ② 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件； ③ 工厂生产规模，进行大规模生产，取得经济过程。 微生物培养过程的研究有两个主要作用：
从图得知，氧传递速率在一定程度上与培养 基的装量呈反比关系，装量愈大，氧传递速率就 愈小，反之就大。这可以由自由表面积的变化来 说明，当装料体积减少，瓶中的比表面积就增加， 反之就降低，因而影响氧的传递。在实际工作中， 往往是通过试验来求得培养基的最适装入量。曾 改变摇瓶的形状或在瓶中不同位置上增加挡板， 氧的传递速率都得到了提高。平底摇瓶的氧传递 速率比圆底高，加挡板的比不加的高。但是挡板 可能引起培养液产生泡沫，表面泡沫反而会降低 气体交换速率，所以很少使用。
摇瓶机在长期运转中，除了要求稳定（无摆动）和安全可靠外，还要保证摇瓶机在运转中的回 转速度（或往复频率）和偏心距（或冲程）不要发生变化。至于微生物培养过程中的影响因素就更 多了，如培养基加入的体积、瓶塞材料的透气性、培养温度、停机时间、接种量大小等等都会对发 酵结果产生影响。
摇瓶机停止运转的影响也很明显，从曾对金霉素链霉菌进行停机试验，其结果见下页表，在 6~12小时之间，每小时停机10分钟，可使发酵单位降低65%，这说明这个时间的代谢最为重要，停 机影响也为最大，产生了持续性的影响。青霉素发酵，停机5分钟，也是结果发生变化。培养温度 和装量等其它因素也会产生不同程度的影响。因此。在试验过程中，要认真控制和管理，方能得到 可靠的结果。
2. 水蒸发的影响 摇瓶在振荡期间, 其中的水分经由瓶塞而蒸发的问题不能忽视。由于水分的蒸发，往往产生各种不同
的影响，既影响培养液的体积与摇瓶体积的比值，继而改变氧传递速率，又改变菌体产物的浓度。水蒸 发量与发酵温度、周围空气的相对湿度和水汽的传递系数等因素有关。
如同上述试验，与300C，相对湿度为29%的室中进行试验，通过摇瓶内水重量的减少测定棉塞的水 汽传递系数 (Kc)H2O为18~21cm3/min，相当的水蒸发量为0.6~0.7g/d。具体结果见上图。各种菌株摇瓶发 酵的水蒸发量需由试验来测定。如红霉素链霉菌于340C，100ml摇瓶中装入20ml培养基，经162小时振荡 培养，测定的水蒸发量约为10ml，在发酵起始时，补加10ml水，取得的红霉素产物的最高发酵单位。同 时发现，接种后的水蒸发量常常高于没有接种的蒸发量。
摇 瓶 试 验 就 是 在 一 定 大 小 体 积 的 锥 形 烧 瓶 中 装 入 一 定 量 的 培 养 基 （ 一 般 为 瓶 体 积 的 10%-20%），配上瓶塞（如棉塞、纱布、纤维纸、特殊的聚乙烯醇等滤器），经灭菌后，接入菌种，在 摇瓶机上进行恒温振荡培养。培养一定时间后，分析测定培养液中的有关参数和产物得量。
3. 比表面积的影响 摇瓶发酵所需的氧是由表面通气供给的。它的
氧传输速率的大小是由： 1）摇瓶机振荡的频率和振幅的大小； 2）摇瓶内培养基体积与摇瓶总体积的比率； 3）摇瓶的形式等三方面因素所决定的。 曾 于 500ml 摇 瓶 中 装 入 不 同 体 积 的 培 养 基 ，
400r/min的转速下振荡，利用亚硫酸盐氧化法测定 氧传递速率，其结果见图。
水 蒸 气 透 过 瓶 塞 的 传 递 系 数
KH2O
氧传递与水蒸发（摇瓶）
氧透过瓶塞的氧传递系数KC
不同物质的瓶塞产生不同的阻力和不同的(Kc)O2。这表明，氧气经过过滤介质的传递阻力，在 某些情况下可能是氧传递的限制因素。因此，在实际工作中，在保证除去杂菌的前提下，尽量选用
传递阻力小的瓶塞材质和厚度。
200 - 500r/min
2. 实验室-中间工厂设备
搅拌
工作容积
搅拌器
发酵罐 大小 （L）
（直径；转速）
小 1-3
7-8cm; 500-1000r/min
中 10-30
10-15cm; 250-600 r/min
大 500-2000
用途 筛选和开发
用途
研究试验 开发和制备 开发和提取
（二）摇瓶试验
一般 3L 发酵罐用于制备种子和适应性试验；4- 20L 发酵罐适用于基础考查实验；30 200L 或更大的发酵罐适用于中间放大试验等。经过这样的试验，即可为生产放大提供试验 数据。
发酵装置的类型
1. 摇瓶培养装置
摇瓶 大小 每台振荡机 500ml 烧瓶的装置
转速
锥形 大
100-200
烧瓶 小
10-20
一. 实验室研究
(一) 实验设备 实验室研究所用的培养仪器和设备，如培养皿、培养箱等，已在微生物教科书和实验中介绍和 使用过，这里就不再叙述。绝大多数是需氧发酵，所以，对沉没(深层）液体培养来说，有气体自 然交换的摇瓶发酵和强制通气的发酵罐发酵。前者需要摇瓶机，后者需要容量大小不同的发酵罐 摇瓶机有往复式和旋转式两种。它们由3-4 个主要部件所构成，有支持台、电动机、控制系统 等可装有不同数量和不同大小的摇瓶，有250，500，1000ml的摇瓶，还有供种子液的4L大的摇瓶 。
1. 瓶塞对氧传递的阻力 为了保证瓶内是纯种培养，必须在瓶口配有一定厚度的棉花或多层纱布等过滤介质，以杜绝外
界空气中的杂菌或杂质进入瓶内。瓶外的氧气通过过滤介质，一定有传递阻力。Hara采用不同物质 的瓶塞，在转速为210r/min, 偏心距为3.5cm的摇瓶机上，29-30 0C下进行试验，采用外界氧扩散进入 取代空瓶中CO2的方法，测定氧透过瓶塞的氧传递系数(KC) O2(cm3/min)。结果见下页图。
第十五章 发酵过程的实验室研究、中试和放大
(Research in Lab. and Scale up) 第一讲
一.实验室研究 二.微生物摇瓶与罐培养的差异和发酵规模改变的影响（上）
工业发酵过程的研究，一般分为三种规模或三个阶段： ① 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究； ② 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件； ③ 工厂生产规模，进行大规模生产，取得经济过程。 微生物培养过程的研究有两个主要作用：
从图得知，氧传递速率在一定程度上与培养 基的装量呈反比关系，装量愈大，氧传递速率就 愈小，反之就大。这可以由自由表面积的变化来 说明，当装料体积减少，瓶中的比表面积就增加， 反之就降低，因而影响氧的传递。在实际工作中， 往往是通过试验来求得培养基的最适装入量。曾 改变摇瓶的形状或在瓶中不同位置上增加挡板， 氧的传递速率都得到了提高。平底摇瓶的氧传递 速率比圆底高，加挡板的比不加的高。但是挡板 可能引起培养液产生泡沫，表面泡沫反而会降低 气体交换速率，所以很少使用。
摇瓶机在长期运转中，除了要求稳定（无摆动）和安全可靠外，还要保证摇瓶机在运转中的回 转速度（或往复频率）和偏心距（或冲程）不要发生变化。至于微生物培养过程中的影响因素就更 多了，如培养基加入的体积、瓶塞材料的透气性、培养温度、停机时间、接种量大小等等都会对发 酵结果产生影响。
摇瓶机停止运转的影响也很明显，从曾对金霉素链霉菌进行停机试验，其结果见下页表，在 6~12小时之间，每小时停机10分钟，可使发酵单位降低65%，这说明这个时间的代谢最为重要，停 机影响也为最大，产生了持续性的影响。青霉素发酵，停机5分钟，也是结果发生变化。培养温度 和装量等其它因素也会产生不同程度的影响。因此。在试验过程中，要认真控制和管理，方能得到 可靠的结果。
2. 水蒸发的影响 摇瓶在振荡期间, 其中的水分经由瓶塞而蒸发的问题不能忽视。由于水分的蒸发，往往产生各种不同
的影响，既影响培养液的体积与摇瓶体积的比值，继而改变氧传递速率，又改变菌体产物的浓度。水蒸 发量与发酵温度、周围空气的相对湿度和水汽的传递系数等因素有关。
如同上述试验，与300C，相对湿度为29%的室中进行试验，通过摇瓶内水重量的减少测定棉塞的水 汽传递系数 (Kc)H2O为18~21cm3/min，相当的水蒸发量为0.6~0.7g/d。具体结果见上图。各种菌株摇瓶发 酵的水蒸发量需由试验来测定。如红霉素链霉菌于340C，100ml摇瓶中装入20ml培养基，经162小时振荡 培养，测定的水蒸发量约为10ml，在发酵起始时，补加10ml水，取得的红霉素产物的最高发酵单位。同 时发现，接种后的水蒸发量常常高于没有接种的蒸发量。
摇 瓶 试 验 就 是 在 一 定 大 小 体 积 的 锥 形 烧 瓶 中 装 入 一 定 量 的 培 养 基 （ 一 般 为 瓶 体 积 的 10%-20%），配上瓶塞（如棉塞、纱布、纤维纸、特殊的聚乙烯醇等滤器），经灭菌后，接入菌种，在 摇瓶机上进行恒温振荡培养。培养一定时间后，分析测定培养液中的有关参数和产物得量。
3. 比表面积的影响 摇瓶发酵所需的氧是由表面通气供给的。它的
氧传输速率的大小是由： 1）摇瓶机振荡的频率和振幅的大小； 2）摇瓶内培养基体积与摇瓶总体积的比率； 3）摇瓶的形式等三方面因素所决定的。 曾 于 500ml 摇 瓶 中 装 入 不 同 体 积 的 培 养 基 ，
400r/min的转速下振荡，利用亚硫酸盐氧化法测定 氧传递速率，其结果见图。
水 蒸 气 透 过 瓶 塞 的 传 递 系 数
KH2O
氧传递与水蒸发（摇瓶）
氧透过瓶塞的氧传递系数KC
不同物质的瓶塞产生不同的阻力和不同的(Kc)O2。这表明，氧气经过过滤介质的传递阻力，在 某些情况下可能是氧传递的限制因素。因此，在实际工作中，在保证除去杂菌的前提下，尽量选用
传递阻力小的瓶塞材质和厚度。
200 - 500r/min
2. 实验室-中间工厂设备
搅拌
工作容积
搅拌器
发酵罐 大小 （L）
（直径；转速）
小 1-3
7-8cm; 500-1000r/min
中 10-30
10-15cm; 250-600 r/min
大 500-2000
用途 筛选和开发
用途
研究试验 开发和制备 开发和提取
（二）摇瓶试验
一般 3L 发酵罐用于制备种子和适应性试验；4- 20L 发酵罐适用于基础考查实验；30 200L 或更大的发酵罐适用于中间放大试验等。经过这样的试验，即可为生产放大提供试验 数据。
发酵装置的类型
1. 摇瓶培养装置
摇瓶 大小 每台振荡机 500ml 烧瓶的装置
转速
锥形 大
100-200
烧瓶 小
10-20