发酵与设备的总结

发酵与设备的总结

第一章狭义“发酵”的定义

在生物化学或生理学上发酵是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳，同时获得能量。丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等。广义“发酵”的定义泛指指微生物进行的一切活动。

泛指利用生物细胞（含动、植物细胞和微生物）获得产品的所有过程。

它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮、丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。

发酵工艺研究、优化和控制微生物发酵过程中的各种参数、以利于提高微生物的发酵能力和产品得率的工艺技术。

二、食品发酵的历史

（一）天然发酵阶段（二）纯培养阶段

1680年，列文虎克——第一台显微镜。1859年，巴斯德——发酵是微生物作用的结果。发酵的本质

特点：科赫纯培养技术建立。 1905年诺贝尔生理学及医学奖。

第一次发现了炭疽热的病原细菌。第一次分离出结核病细菌。

发酵的化学反应本质？产品：酒精、丙酮、丁醇等。

单种微生物分离和纯培养技术的建立是食品发酵技术发展的第一个转折点。

（三）通气培养阶段 1928年弗莱明发现青霉素。

1941年英美两国联合对青霉素进行生产研究，发明了一个2吨的通气搅拌发酵罐。

特点：采用通气搅拌发酵罐，连续发酵。

产品：抗生素、有机酸、酶制剂、维生素等。

好氧性发酵工程技术是食品发酵技术发展的第二个转折点。

（四）代谢控制阶段特点：用人工诱变的方法选育代谢调节缺陷型菌株。产品：氨基酸、核苷酸等。

1956年，日本首先利用生物缺陷菌株进行谷氨酸发酵生产。

人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术是食品发酵技术发展的第三个转折点。

（五）全面发展阶段特点：使用其它碳源进行生产，生物反应器连续化、自动化。产品：有机酸等

化学合成与微生物发酵相结合的工程技术的建立是食品发酵技术发展的第四个转折点。

（六）基因工程阶段

特点：传统的发酵工艺的意义开始转变——从利用微生物个体及酶生产转变到利用细胞进行生产的阶段；生物反应器概念的广义化。产品：胰岛素、干扰素等。如基因工程菌构建，绵羊多莉产生。

1982年，首例基因工程产品——人胰岛素投放市场。

三、食品发酵工业的特点

与化学工业的区别：利用生物体或其产生的酶进行的化学反应。

安全简单：常温下进行，过程安全，条件简单。

原料广泛：通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品主原料，此外，矿产资源和石油产品都可以作为原料。

反应专一：生物体的自动调节方式来完成的，反应专一性强。

代谢多样：生物体代谢方式、代谢过程多样化；生物体化学反应的高度选择性。

易受污染：发酵培养基营养丰富。

菌种选育：优良菌种，检测变异，保持菌种的基本特征和优良性状。

四、食品发酵的发展趋势

利用基因工程技术，人工选育和改良菌种。

结合细胞工程技术，用发酵技术进行动植物细胞培养——次生代谢产物的生产。

应用酶工程技术，将固定化酶或细胞广泛用于发酵工业。

重视生化工程在发酵业的应用：生化工程是生化反应器、生物传感器和生化产品的分离提取纯化等下游工程。发酵法生产单细胞蛋白——人类粮食、动物饲料。加强代谢研究，进一步搞好代谢控制，开发更多代谢产品。第二章发酵罐

(一）广义的发酵罐是指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。工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备。

（二）发酵设备的类型

1. 按微生物生长代谢分类：

1）非通风发酵罐：酒精发酵罐、啤酒发酵罐 2）通风发酵罐：机械搅拌、气升式、伍式、自吸式等

2. 按发酵罐设备特点分类：

1）机械搅拌通风发酵罐：伍式、文式、自吸式等2）非机械搅拌通风发酵罐：气提式、液提式等

3. 按操作方式分类：

1）分批发酵——在一个培养体积中接种细胞和添加培养基后，中途不添加也不更换培养基的方式。

优点：污染杂菌比例小，操作灵活，可进行不同产品的生产。

缺点：效率低，非稳态工艺过程设计和操作困难（培养过程中细胞生长、产物积累、以及培养基的物理状态常常随时间变化而变化）。

2）连续发酵——在培养过程中，不断向反应器中流加新鲜培养基，同时以相同的流量从系统中取出培养液，从而维持培养系统内在细胞密度、产物浓度以及物理状态相对平衡的培养方式。

优点：——增加目的产物产量（细胞培养周期延长，导致目的产物积累时间延长）；

——便于对系统的检测（系统进入稳定状态后，细胞密度、基质、产物浓度等趋于恒定）。

缺点：装置较复杂，容易污染杂菌。

（三）通风发酵罐——又称好气性发酵罐，需要将空气不断通入发酵液中，以供微生物所消耗的氧。通入发酵液中的气泡越小，气泡与液体的接触面积就越大，液体中的氧的溶解速率也越快。

类型：包括：机械搅拌式、自吸式、气升式、伍式、文氏罐等类型的发酵罐。

（四）发酵罐的基本条件

机械搅拌发酵罐是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、发酵所需的氧气。又称通用式发酵罐。

（五）通用式发酵罐的主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布管、消泡器、冷却管（或夹套）、联轴器、中间轴承、人孔、管路等

（六）发酵罐的结构

（1）罐体：由圆柱体和椭圆形或碟形封头焊接而成。

材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力，2.5kg/cm2。

罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。

罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温度计管和测控仪表接口。

2）搅拌器：作用：使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使氧溶解于发酵液中。

形式：径向式（蜗轮式）----平叶式、弯叶式和箭叶式轴向式（推进式）----螺旋桨式、浆叶式

径向式搅拌器优点：气体分散能力强缺点：功耗较大,作用范围小。

轴向式搅拌器优点：轴向混合性能较好，功耗低，作用范围大缺点：对气体的控制能力弱。

（3）挡板的作用：

——改变液流的方向，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。

——防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不到搅拌作用。

竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用。

挡板与罐壁之间的距离：(1/5-1/8)D，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。

全挡板条件：能消除液面漩涡的最低挡板条件。

（4）消泡器：