随着分子生物工程的不断发展,已经为优良菌种的选育提供了更为广阔的天地,用基因重组菌种取,改良原有的柠檬酸、青菌种已见诸报道。
基因工程手段改造传统的发酵工业,已经不是遥遥无期的事,如果我们不努力攻关,分子生物工程技术优势很可能在新一轮的竞争中失去。随着发酵罐的日益大型
化,它与手工麸曲制备的矛盾越来越突出,如何实现麸曲制备的工业化,或之以孢子粉,是多年未能突破的难题。自然,为想的是制成孢子粉或采用固定化技
术,只是技术难度很高。目前更为现实的,是以固体发酵改变落后的麸曲制备工艺。现在固体发酵罐早已问世,已有应用生物制药、酶制剂、制曲等工业的报道。如一种立式多层固体发酵罐,
投料行空罐灭菌。物料从顶部加料孔进入,然后进行蒸煮、灭菌,物料降温通过内蛇管、外夹套冷却,罐底进入无菌空气,从罐顶排出,达到通气、恒温要求,
采用轴向搅拌翻料,发酵罐容积围为0.5~10m3。另一种华东工大学的智能生物发酵罐全容量为50L~5000L,
采用外罐体转动的搅拌方式,物料在罐体内边翻滚边进行蒸汽灭菌,通过进气调节罐内温度和湿度,转速为0~30rmp,均为不锈钢结构。
不论何种发酵形式,其终目的是要保证这个发酵体系
的所有部位都处于相同的条件下。生物在发酵罐内是悬浮在液体营养培养基中,培养基含有生物生长和产物形成所必需的底物。所有的营养物,包括氧气都必须保证扩散到每个细胞中,而无用的产物如热量、二氧化碳和谢废物则必须除去。
在生物周围的营养物质,浓度必须保持在一定围内,因为浓度低就限制了生物谢的速率,过高就要变为有毒的了。在环境参量佳团内,生物反应进行得有效,因而我们必须从微观水平上考虑来提供环境条件,以便使侮个细胞都能得到相同的适条件。如果考虑到发酵罐规模之大就不难解要在整个群体中达到这些条件是多么不容易。化学和微生物学家的精湛技术一定要在这里联合起来。
发酵反应是多相的,包括一个气相(含有N2、O2和CO2),一个或多个液相(含水的培养基和液态底物)以及微小的固相(微生物和可能存在的固相底物)。所有这些相,彼此必须保持密切接触,以便能迅速传递物质和热。在混合得很好的发酵堆中,所有进入体系的反应物必须立即混合并均匀分布,以保证反应器中的均一性。
为了使发酵体系达到佳状态,必须坚持以下操作准则:设计出的发酵罐要保证含有需要的生产菌,杂菌不得进入,培养物体积不变(即没有渗漏或蒸发),对好氧生物,氧的溶解水平要保持在通气临界水平以上,并搅动培养基,环境参例如浓度、pH等,必须控制,培养液必须很好地混合。用来建造精密发酵罐的材料标准是重要的.
选用制造发酵罐的材料标准如下,
1.所有与进入发酵罐的溶液或生物培养基接触的材料,必须是抗腐蚀的,以避免痕量金属的污染。
2.材料必须是无毒的。这样材料或其成分的微量溶解不会抑制被培物的生长。
3.发酵罐材料必须经受得往反复进行的高压蒸汽灭菌
4.发酵罐的搅拌系统、入料口、端板必须是易于机械加工,并且相当坚硬,不会在机械压力下变形或破损。
5.好能对培养从和培养物进行目测,凡能用透明材料的地方就尽量使用透明材料。
发酵罐有封闭式和开放式两大类,所谓封闭式体系是指该体系在发酵过程中没有物质添入或从发酵罐取出,因之在传统的分批或封闭发酵体系巾,所有营养成分在发醉开始时一次投入,其结果是在该体系中生物的生长速率因为在发酵过程中营养成分的逐渐消耗或有害物质的逐渐积累后递减到零.正因为这个原因在封闭式发酵过程中生物的谢总是处于不断变化着的状态。目前大多数生物工程过程是以这种方式进行的,故必须使其条件佳化以期获得所需产品的大产量,啤酒酿造,杭菌素和酶的生产等等即属此类。
工业生产用的发酵大小围可以从10000升到200000升,巨型的400000。升的反应器近也已投入使用。
较小的发酵罐主要用于价格昂贵、体积小的产品,如某些酶类和化学试剂。而较大一些的发酵罐则广泛用于生产素和有机酸等。
对分批发酵的改进是分批填料体系,大量营养物质可以在发酵过程中添加进去,以补充营养的消耗或者起合物的选择性激活剂的作用,面包工业的酵母生产即是这方面的例子。不过体系还是封闭式的,因为并没有连续性的物质流出.
与此相反的是,如果一个发酵体系的所有成分,如生物和营养物质能不停地进入发酵罐和离开发酵罐,则称之为开放式体系。这种开放式的连续流动的发酵体系,不断地有新鲜营养物质输入,并不断地有生物量或其他产品输出。
发酵过程可以通过固体培养和深层浸没培养来完成,从生产工艺来说可分为间隙分批、半连续和连续水泥搅拌桩发酵等,但素工业化大规模嘚发酵过程,则以通气纯种培养为主。
通过纯种培养嘚发酵罐有自吸式发搅拌机械酵罐、标准式发酵罐、气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐和多孔板塔式发酵罐等。自吸式发酵罐沥青搅拌设备系通过发酵罐内叶轮嘚高速转动,形成真空将空气吸入罐内,由于叶轮转动产生嘚真空,其吸入压头和空气流量搅拌釜发展史有一定限制,因而仅适用对通气量要求不高嘚发酵品种;塔式发酵罐素将发酵液置于多层多孔塔板嘚细长罐体内搅拌桩墙,在罐底部通入无菌空气,通过气体分散进行氧嘚传递,但其供氧量也受到一定限度。
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