1、第十五章第十五章 发酵过程的实验室研究、中试和放大发酵过程的实验室研究、中试和放大 (Research in Lab.and Scale up)1实验室研究实验室研究2微生物摇瓶与罐培养的差异和发酵规模改变的影响微生物摇瓶与罐培养的差异和发酵规模改变的影响3发酵规模的缩小和放大发酵规模的缩小和放大 课程小结课程小结 工业发酵过程的研究，一般分为三种规模或三个阶段：工业发酵过程的研究，一般分为三种规模或三个阶段：实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究；中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件；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：微生物培养过程的研究有
2、两个主要作用：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的生产。一个优秀的工业微生物学家，首先要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
3、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 摇瓶机有往复式往复式和旋转式旋转式两种。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。一一.实验室研究实验室研究1.摇瓶培养装置 摇瓶 大小 每台振荡机 500ml 烧瓶的装置 转速 用途 锥形 大 100-200 筛选和开发 烧瓶 小 10-20 200-500r/min2.实验室-中间工厂设备 搅拌 工作容积 搅拌器 用途 发酵罐 大小 （
4、L）（直径；转速）小 1-3 7-8cm;500-1000r/min 研究试验 中 10-30 10-15cm;250-600 r/min 开发和制备 大 500-2000 开发和提取 发酵装置的类型 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。1.瓶塞对氧传递的阻力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
5、，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。（二）摇瓶试验（二）摇瓶试验 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。氧透过瓶塞的氧传递系数氧透过瓶塞的氧传递系数KC 氧传递与水蒸发（摇瓶）氧传递与水蒸发（摇瓶）不同物质的瓶塞产生不同的阻力
6、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。水水蒸蒸气气透透过过瓶瓶塞塞的的传传递递系系数数KH2O 2.水蒸发的影响水蒸发的影响 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
7、系数(Kc)H2O为1821cm3/min，相当的水蒸发量为0.60.7g/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。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，4
8、00r/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。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
9、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，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612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。停机周期，10min/
10、h 0-6 6-12 12-18 18-24相对产率，正常的相对产率，正常的%95 35 43 75正常数据 菌龄，h 6 12 24 48 72菌浓，g/L 2 3 8 13.5 14金霉素产量，g/L 0 0.1 0.25 1.0 1.6 停机时间对摇瓶金霉素发酵产量、生长和生产模式的影响 微生物发酵的实验室研究有四个目的：1)研究菌种的保藏；2)研究菌株在固体培养基上培养和繁殖条件；3)考查培养基最适组成；4)实验室规模的培养技术。生产菌株在各种保存条件下的稳定性必须经过长时间的考查，才能确定最好的保存方法。同时也要有足够的保存菌株供长时期内的试验使用。菌株繁殖培养基一定要达到菌落生长良
11、好，孢子丰满和菌株稳定三个要求。但菌株和培养条件 （培养基组成、培养温度和培养时间等）是紧密相连的整个系统，故要全面考查。(三三 )实验室研究方法实验室研究方法 在研究初始，要确定培养基组成，保证产量能够重现。所用原材料的品质和用量，以及培养基的制备技术（如灭菌方式等）相应地都要进行校正。还要研究培养基的组成，找出最佳配比量，并在整个培养过程中维持这个最佳值。某些代谢产物的合成，受外界金属的影响，而生产发酵罐是由金属构成的，故要考查发酵罐金属对产物生物合成的影响。可在摇瓶中加入与发酵罐金属表面积与培养液体积的比值相同量的各种不同金属片，对照瓶中加入同样大小的玻璃片进行试验，就可得知何种金属对发
12、酵产生影响。工业生产的最适培养基组成，除要考虑产物产量的高低外，还要考虑其它的因素，如原材料的来源、价格、灭菌稳定性、对后处理的影响等。培养基确定后，还要细心考查其它因素。通气强度对需氧发酵是很重要的影响因素，这可以通过改变摇瓶机的转速、摇瓶的形式和培养基的装量等因素来求得最佳通气范围，其他影响因素，如种子的类型（孢子或菌丝）、种子菌龄和接种量。以及发酵周期等，还须一一进行考查。经过系列的实验，确定了实验室开发研究结果后，还要进一步详细研究影响代谢产物产量的关键因素，以逐步提高生产水平，为决定工业生产最佳条件提供基础。所以实验室摇瓶试验仅仅提供了生产菌株的基本信息和初步的发酵工艺数据，尚待实验
13、室和中间工厂发酵罐进一步考查。需要有个良好的试验方案，才能在有限的时间内获得可靠的结果，为放大生产提供依据。如果按单因素去进行试验，就需要很长的时间和大量的劳力。如考查3个因素、4个水平，则需要进行3333=81次试验如每次试验需要10天，则需要相当长的时间才能获得结果。需要采用统计学的方法：如：正交设计法、响应面法等。摇瓶的试验条件放大到生产罐或小发酵罐的试验条件转移到大发酵罐时，他们所得产物的产量往往不完全一致，特别是产抗生素的新菌株，差异更大，当然也有一致的巧合。引起这种差异的原因本质上是由这两种试验规模变化所引起的。它们引起的差异是很复杂的。二二.微生物摇瓶与罐培养的差异和发酵规模改变
14、的影响微生物摇瓶与罐培养的差异和发酵规模改变的影响(一一)摇瓶和罐培养的差异摇瓶和罐培养的差异 摇瓶和罐培养的差异可能有下列三个方面：1.体积氧传递系数（体积氧传递系数（KL）和溶解氧的差异）和溶解氧的差异 由于微生物发酵多数是需氧发酵，而表示氧溶入培养液速度大小的溶氧系数（Kd）（以大气压作推动力，采用亚硫酸盐氧化法测定的溶氧系数叫做亚硫酸氧化值Kd）在摇瓶发酵和罐发酵中的差异很大，见表。摇瓶装料系数不同，Kd值也可能差几倍。罐中的（Kd）一般都大于摇瓶。由于（Kd）值不同，使各自培养液的溶氧浓度也不同，因而对菌体代谢就会产生重要的影响。特别是对溶氧要求较高而又敏感的菌株，在罐中发酵的生产能
15、力就可能比在摇瓶中高。两种摇瓶机的Kd值 装料体积 Kd10-7 （ml）往复式*旋转式*10 17.92 11.49 20 15.42 6.87 50 11.04 2.96 100 6.51 1.96*系用250ml摇瓶，冲程127mm，96次/min*系用250ml摇瓶，偏心距50mm，251r/min 200L发酵罐平桨型搅拌器不同转速与空气线速度时的Kd值 搅拌速度 四种V*，时Kd值10-7 r/min 5.62 10-3 7.0410-7 8.7910-7 10.5510-8 252 17.6 21.9 25.0 29.2 320 24.2 27.4 37.7 42.2 380 3
16、0.8 37.5 41.9 43.5 *V为发酵罐中空气分布器出口的空气线速度，m/s 2.CO2浓度的差异 发酵液中CO2既可随空气进入，亦是菌体代谢产生的废气。CO2 在水中的溶解度随外界压力的增大而增加。发酵罐处于正压状态，而摇瓶基本上是常压状态，所以罐中培养液的CO2浓度明显大于摇瓶。已知CO2对细胞呼吸和某些微生物代谢产物（如抗生素、氨基酸）的生物合成有较大的影响。3.菌丝受机械损伤的差异 摇瓶培养时，菌体只受到液体的冲击或沿着瓶壁滑动的影响，机械损伤很轻。而发酵罐时，菌体特别是丝状菌，却受到搅拌叶的剪切力的影响而受损。其受损程度远远大于摇瓶发酵，并与搅拌时间的长短成比例。增加培养液
17、的粘度，仅能使损伤程度有所减轻。丝状菌受损伤以前，菌体内的低分子核酸类物质就出现漏失，高分子核酸的量也相对减少，进而影响菌体代谢。核酸类物质的漏出率与搅拌转速、搅拌持续时间、搅拌叶的叶间线速度、培养液单位体积吸收的功率以及体积氧传递系数KL等呈正比关系。也就是说，这些发酵参数的数量增加，其漏出率也增加，菌体受损伤的程度也增加。而漏出率还与菌丝对搅拌的敏感程度有关，如果菌丝的机械强度较大，则漏出率较小，反之则大。搅拌还可造成胞内质粒的流失。但漏出率与通气量的大小无关。摇瓶发酵也有低分子核酸类物质漏出。其漏出率与摇瓶转速、挡板和(KL)有明显关系。但远远低于罐的漏出量。综上所述，上述三个原因就可能
18、造成摇瓶发酵与罐发酵结果之间存在着差异。如果菌丝要求较高的KL值和溶解氧时，罐中生产能力就有可能高于摇瓶，并随KL和溶氧水平上升而提高，如果菌株对机械损伤是比较敏感的，则罐中生产能力就会低于摇瓶，并随搅拌能力增强而降低。有时菌株对溶氧和搅拌强度都敏感，其结果就随发酵罐的特性而不同。消除这种规模发酵结果的差异，使摇瓶发酵结果能反映罐上的结果，是一个很重要的问题。根据已有的实践经验，可以在摇瓶实验中从上述三个方面模拟罐上发酵的条件。为提高摇瓶的Kd和溶氧水平，可以增加摇瓶机的转速和减少培养基的装量。国外已有500r/min转速的摇瓶机，就是为了模拟发酵罐的通气状况。减少培养基的装量也是为此目的，但
19、要注意水分蒸发所引起的误差。还可以直接向摇瓶中通入无菌空气或氧气等措施。为了考察因搅拌所引起的差异，可在摇瓶中加入玻璃珠来模拟发酵罐中的机械搅拌，有人曾在200ml摇瓶中加入一粒直径4.9mm的玻璃珠，可以模拟200ml发酵罐（Di/DT=1/2，搅拌速度为200r/min）搅拌对菌丝所引起的损伤。(二)发酵罐规模改变的影响 发酵罐的规模变化，无论是绝对值或相对值的变化都会引起许多物理和生物参数的改变。利用一系列几何相似的发酵罐进行对比试验，已经得到许多因发酵罐规模改变所引起的参数改变的结果改变的主要因素有：（1）菌体繁殖代数；（2）种子的形成；（3）培养基的灭菌；（4）通气和搅拌；（5）热传
20、递。1.菌体繁殖代数的差异 发酵达到最后菌体浓度所需的繁殖代数与发酵液体积的对数成直线关系，如下式所示:Ng=1.44(lnV+lnx-lnXo)Ng菌体繁殖代数；V发酵罐体积,m3；X菌体浓度,kg/m3；Xo总菌体量,kg 体积愈大菌体需要繁殖代数也愈多。在菌体增代繁殖过程中有可能出现变株，繁殖代数愈多，出现变株的机率愈多，特别是不稳定或不纯的菌株更是如此。所以发酵液中变株的最后比例是随发酵规模增大而增加，这就可能引起发酵结果的差异。2.培养基灭菌的差异 培养基热灭菌的基本技术是分批灭菌和连续灭菌。分批灭菌的过程分为三个时期：预热期、维持期和冷却期。培养基体积越大，预热期和冷却期也愈长。整
21、个灭菌所耗的时间也因规模增大而延长，致使灭菌后的培养基质量发生改变，特别是热不稳定的时期更易遭到破坏，最终也会引起发酵结果的差异。3.通气与搅拌的差异 发酵规模的改变，发酵参数仍按几何相似放大，其单位体积消耗的功率（影响大小）、搅拌叶的顶端速度（即最大剪切速度）和混合时间均不能在放大后仍保持恒定不变，因而也产生影响。4.热传递的影响 发酵过程中，菌体代谢要释放出热能，量输入的机械功（含搅拌和气体喷射）也要产生热能，由于这两种主要产热机制，使整个发酵过程总是不断的产生热能。所释放出的总热量，又随着发酵罐线形尺寸的立方而增加。罐的面积又随线形尺寸平方而增加。因此罐规模几何尺寸的放大，也会出现热传递
22、的差异。5.种子形成的差异 发酵罐接种的种子也必须要有一定的体积和菌浓。规模愈大，所需种子液体积也愈大。因此，发酵规模的放大，必须要涉及种子培养的级数和菌种繁殖的代数，规模愈大、种子培养液级数也愈多。因而有可能引起种子质量的差异。综上所述，发酵放大过程，不仅是单纯发酵液体积的增大，菌种本身的质量和其它发酵工艺条件也会引起改变。如果不设法消除上述的差异，放大前后的结果就会发生明显的差异。因此，无论在进行发酵设备规模的放大，或者在新菌种（或新工艺）的放大转移中，都必须考虑上述的内在差异，寻找引起差异的主要原因，设法缩小其差异，才能获得良好的结果。三三.发酵规模的缩小和放大发酵规模的缩小和放大 在现
23、成的工厂中，发酵设备和工艺或多或少的都已固定。要是中小型研究的结果与大型生产结果能互相转移，就应当把现行工厂发酵生产设备中已有的环境条件缩小到中小型设备中，作为中小型试验的条件，以保证中小型设备中进行的研究结果能够在生产设备中重现出来。这就是所说的缩小（scale down）。反之，实验室和中间试验车间试验所取得的结果，又应该设法应用到工业性大规模生产中去。这种转移的过程即为放大（scale up）。放大（或缩小）过程所必须的前提是在大型设备和小型设备中的菌体所处的整个环境条件，包括化学因素（基质浓度、前体浓度等）和物理因素（温度、粘度、功率消耗、剪应力等），必须是完全相同的，这样才能构成这两
24、种规模产物积累类型为相同性。化学因素可以通过人为的控制来保持恒定。物理因素却与设备规模的大小关系很大，随着规模的不同而发生改变。环境条件完全相同，有时也不能保证微生物的生理活性完全相同。问题一时还很难解决，因为微生物的生化代谢还受很多生物因素的影响，无法用简单的物理因素来消除。因此，这个问题就不能完全跟化学工程的放大相同，有其特殊的困难。现只简单介绍发酵工现只简单介绍发酵工艺缩小和放大的有关基本问题。艺缩小和放大的有关基本问题。发酵罐设备的放大是属于生化工程，可参见教材中的有关材料。(一)放大的工程 发酵工艺的放大，一般要经过三个步骤：实验室、中间工厂和生产工厂。就大多数情况而言，实验室试验就
25、是利用前述的设备尽可能得到培养新菌株或实施新工艺的最佳发酵条件。中间工厂试验就是使用一定数量的200500L容积的小发酵罐，或进行实际应用的发酵研究。如果用于抽提产物，还要有几个35m3的中型罐。中间工厂的设备最好要有配有高度自动化和计算机化的装置，以考察各种不同的问题，提供相当 广泛的控制参数。对中试效果来说，利用超过3m3d的大罐较之“微型”发酵罐更为有利，特别是在放线菌发酵中更是如此。这对确证株菌和培养基的改进上是必不可少的。工厂生产规模一般是1550m3，有的达150m3或更大。这样规模的试验就将中、小型试 验结果成功的用于大生产的放大试验过程。(二)放大的理论基础 如上所述，放大（或
26、缩小）必须要使菌体在大、中、小型的罐中所处的外界环境完全一致。这就涉及到物理学基础和生物学基础。1.物理学基础 要实现上述整个外界环境一致性的要求，一定要涉及罐的几何图形。首先假定：大小罐的几何图形相似并具有全挡板条件，发酵液的物理性质（如温度、PH、溶解氧浓度等）和培养基成分都相同，微生物在搅拌中已充分分散的条件下来讨论放大的问题。搅拌罐中与液体动态有关的单位体积功率消耗（单位体积功率消耗（P/V）和搅拌器的顶端速度搅拌器的顶端速度等参数，在发酵罐体积放大过程中，并不能同时产生同样程度的变化，而是各自产生不同的变化。如以相等P/V为基础进行放大，由80L小罐放大至10000L的大罐，大罐的P
27、/V与小罐相同，但搅拌器的顶端速度的相对值则由1.0上升至1.7，罐内液体循环速度的相对值由1.0下降至0.34，液体混合时间也必然增加。因此作为放大的参数的挑选要因对象的不同而不同，应该选择对发酵影响比较敏感的参数作为依据。可供选择的放大参数有：液体体积氧传递系数KL；单位体积输入功率 P/V；搅拌器的顶端速度；混合时间；雷诺准数或动量因素；关键外部因素的反馈抑制等。在这些参数中，固定KL是一种较好的放大参数。它是用来比较两种发酵装置的优良方法。但是有一些微生物发酵，特别是丝状菌发酵，剪应力、混合时间与其他因素也是很重要的。在微生物发酵中，单位体积输入功率P/V、液相体积氧传递系数KL以及罐
28、中某一定点的平均液体速度常被用来作为放大的三个参数。其中前二者最为常用，利用这两个参数分别作为发酵罐放大的标准，估计不会有多大差别，因为这两个参数都直接或间接与氧由气泡传递到液体的速度有关。2.生物学基础 放大不仅是个化学工程的问题，而且还涉及到生物学的问题。大多数微生物发酵生产中，其产物的相对浓度既受单位体积发酵液的输入功率P/V的影响，也受液相体积氧传递系数KL的影响。其相对浓度随KL或P/V增大而增大，达到最大值后，即趋向水平，如图所示。不论微生物是细菌、酵母还是真菌，在其发酵过程中一般都显示这样的双曲线类型的特性，选择能使产物浓度达到最高值的操作条件是最适宜的。工艺操作变数（量）对微生
29、物生产工艺操作变数（量）对微生物生产 性能的影响（示意图）性能的影响（示意图）尽管微生物的生理代谢变化被认为是必须考虑的一个放大因素，如：放大后，菌体繁殖代数增多而出现变株增多的可能性问题。从工程角度进行放大，即使得到圆满的结果，仍须研究菌体在大罐和小罐中的代谢变化，以确定代谢产物的产量的P/V或KL等参数变间的相互关系，才能更合理的进行放大。特别是丝状菌发酵的放大更是如此，因为某些发酵液，主要是那些含丝状菌的发酵液，是属于非牛顿型流体的性质。还可调节其他发酵参数来调节微生物的生理活动。(三）放大（或缩小）的方法 常采取用单位体积输入功率相等和保持KL不变为基础的两种方法进行。以单位体积输入功
30、率相等为基础进行放大（或缩小）早期，大多数产品的发酵（如有机酸和青霉素等），均采用几何相似发酵罐和单位体积功率相等来进行放大，以求得搅拌器的转速和直径。在已有的大型生产发酵罐和中间工厂试验罐中进行试验研究，也可以采用这个参数进行试验，即利用现有的几何形状相同的大型生产罐和几个中试罐。生产罐中的通气速度和搅拌速度是固定的。而中试罐的通气速度和生产罐一样，保持恒定不变，但搅拌器的转速，可以用变速电机来调节，在一定范围内能够任意变动。利用改变搅拌器的速度来调节中试罐的功率输入的大小。中试罐中也可安装和使用PH、温度、消泡等控制装置。为了保证大、中发酵罐的发酵培养基的组成、灭菌条件和接种量绝对相同，可
31、将接种后的一部分的生产罐培养基立即输入各个中试罐中，同时开始发酵运转例例 缩小情况缩小情况 经过一系列试验，发现B罐的输入功率-生产效能之间的变化曲线与生产罐完全一致，见图。这就表明，采用这样大小的P/V值进行发酵所得的产率能显示生产罐同样的发酵水平，超过或低于这个P/V数值，就不能重现这就完成了生产罐工艺条件的缩小。以后就可沿用B罐的条件进行试验，中试罐所取得的结果就可直接转移到这个生产罐。当然也可采用其他参数来进行类似的试验，以缩小现用生产罐的工艺条件。利用单位发酵液体积输入功率相等为基础，也能成功地进行放大，例如在青霉素发酵的放大中，成功地利用了这个参数。先在中试罐中试验，求得产物浓度与
32、功率输入之间的关系，如图所示：单位体积输入功率超过一定值（如1.5HP/m3）时，青霉素的效价就达到最高值。在放大10倍的发酵罐中，单位体积输入功率值超过该值时，青霉素的产率仍然能达到最大，低于该值，则效价极剧下降。这个方法用于许多微生物发酵的放大，都取得了成功。但这个方法并不适用于所有发酵。从理论和实践经验来看，单位体积功率放大方法并不完全满意，目前趋向于采用溶氧系数相等的方法。放大情况放大情况不同发酵条件下各种不同的功率输不同发酵条件下各种不同的功率输 入对青霉素产量的影响入对青霉素产量的影响例例2.以保持相等KL或溶解氧浓度为基础进行放大（或缩小）溶氧系数是所有需氧发酵的主要指标，所以，
33、氧的供给能力往往就成为产物形成的限制因素早在50年代，就有一些学者提出以KL或溶解氧浓度为依据进行缩小（或放大）。这样的缩小或放大方法，主要是考虑微生物生理活动条件的一致性，而不考虑发酵罐的几何形状是否相似。事实上，只要KL保持在一定数值上，就能获得较好的效果。链霉素和维生素B12发酵的放大，就使用了这个方法，得到了比较好的结果。例例 已知微生物的摄氧率与溶解氧浓度有关，而溶氧浓度大小又与KL大小有关，因而摄氧率间接与KL有关的搅拌转速有关。在缩小的过程中，可以事先试验描绘出大罐发酵过程中的摄氧率的变化曲线，在小试验罐中进行试验时，可以利用改变搅拌速度来控制摄氧率变化的自动装置（当排气管上氧分
34、析仪显示的折算出的摄氧率易于大罐变化曲线的预定值时，搅拌转速就自动增加；高于预定值，就自动下降）来控制试验罐的摄氧率变化，使之按大罐的轨迹运转，这就实现了发酵罐缩小的目的。该法也可用于放大。这种方法曾用于金霉素链霉菌进行金霉素发酵的缩小过程，其生产罐和试验罐的金霉素的积累和摄氧率的变化曲线彼此之间十分吻合，这就说明所小的条件完全能反映出大罐的代谢规律。例例 利用相同的KL值也可进行生产条件的放大，特别是搅拌转速和功率消耗的放大。其基本步骤是：首先要选择一个合适的KL值，只是放大的关键问题。根据微生物发酵产物的产率与KL大小的关系，选择合适的KL。最优化研究表明，大多数经济上满意的操作点都接近于
35、曲线上的转折点。然后根据KL与通气速率、搅拌转速和发酵罐规模大小等操作变量之间的关系式，计算出搅拌速度、发酵液功率消耗和修正的雷诺准数。然后利用计算的结果，在大罐中进行试验检验。例例 以溶解氧为基础，进行青霉素V发酵的放大。采用了一个几何不相似的发酵系统250ml摇瓶 20L罐 500L罐 1500L发酵罐，以溶解氧作为发酵过程的主要控制参数进行逐步放大，得到了与摇瓶一样的结果。溶氧的控制，使以现有设备的供氧能力为基础，不改变原设备装置的前提下，以工艺调节为手段，使发酵系统中供需氧之间的平衡处于抗生素产生菌生长和分泌产物的最适溶氧范围内。调节的工艺条件有发酵液的菌丝浓度、视粘度、消沫剂、罐压、
36、搅拌转速、补料、以及培养基的组成等。所有的发酵罐的结构和放大试验的结果，分别见下页表。容积 罐体 搅拌器（直径d）挡板 空气 电动机 L 直径（D）形式 d/D d/叶宽/叶高 层数 层距 宽 块数 分布器 容量 是否 高 Kw 变速 1/2.5 平叶涡轮 1/2.1 1/0.27/0.18 3 0.6d 0.09D 4 单管 是 1/2.0 箭叶涡旋 1/2.8 1/0/36/0.24 2 2d 0.11D 4 单管 2.8 否2000 1/1.67 箭叶涡旋 1/3 1/0.16/0.2 2 2d 0.1D 4 单管 7 否15000 1/2.25 箭叶涡旋 1/2.5 1/0.28/0.
37、18 2 2.7d 蛇管换热 4 环形多孔 30 是发酵罐结构发酵罐结构发酵控制与结果发酵控制与结果 DO 控 制 结 果发酵规模 培养基 装液量 方法 饱和度 最适菌丝量 发酵周期 青霉素 放料进料%h V产率 体积250ml摇瓶 摇瓶配方 20ml 改变装料量 5055 160180 100 0.85 250ml摇瓶 摇瓶配方 30ml 改变进料量 160180 88 0.8520L罐 摇瓶配方 60%改变搅拌转 4025 5055 160 102 1.0 速、加水500L罐 摇瓶配方 70%加水、菌丝 4025 4550 160 108 1.03 量2000L罐 摇瓶配方 70%综合调节
38、 10以下 160 30 1.02000L罐 调整配方 70%综合调节 1520 4045 160 90 1.015000L罐 摇瓶配方 70%搅拌转速、4025 4550 160 98 1.1 补糖 实践证明，以溶氧为依据进行抗生素发酵放大的方法，是比较简单易行，可靠性较高，对几何实践证明，以溶氧为依据进行抗生素发酵放大的方法，是比较简单易行，可靠性较高，对几何不相似的发酵系统亦适用，对工业生产较有实际意义。不相似的发酵系统亦适用，对工业生产较有实际意义。思思 考考 题题1.实验室发酵研究与工业规模发酵生产的异同？2.发酵规模改变堆发酵本身的影响表现在哪些方面？3.发酵规模扩大可以理解，为什
39、么还研究缩小？4.发酵放大的原理与方法课程小结见下页课程小结见下页微生物发酵工程课程微生物发酵工程课程1.理论课32课时 课堂教学十五章内容；另外，利用大家的课外学习小组活动进行了七个组的案例教学交流，每个组翻译了两篇发酵工程相关的文献，各组报告人向大家报告了其中一篇的研究内容。同学们踊跃提问取得了很好的效果；2.实验课48课时 微生物发酵工程综合实验二 燃料油的微生物脱硫 （李国强、马挺、邓飞老师）安全教育，仪器使用。配制培养基，划线分离种；种子液制备，脱硫产物 检测方法；配制发酵培养基，发酵罐原理使用方法介绍，上罐发酵，取样监测；离心和超滤法收集菌体，休止细胞脱硫；脱硫产物在油水两相中的分配，样品脱 硫产物检测；底物检测方法及样品中底物浓度分析；气相色谱检测油品变化，讨 论分析等3.实践教学18课时 (王淑芳、蔡峻老师)诺维信天津、天士力药业、金药集团、科学院天津工业生物技术研究所理论课理论课 考核内容 1.期末考试：60（闭卷）2.平时成绩：10%3.案例教学成绩:30%
