1、發(fā)酵的本質(zhì)第四章 發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵技術(shù)的起源是大量利用微生物生產(chǎn)食品和飲料，像奶酪、酸乳酪、酒精飲料、醋、泡菜、腌菜及 sausages醬油和很多其他 l n表1。今日這些產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)過程是過去家庭內(nèi)部生產(chǎn)活動的放大版本。與產(chǎn)品形成的進展齊頭并進的是對微生物在除去不寵愛的廢物過程中所扮演的角色的生疏，這使得大規(guī)模世界范圍效勞業(yè)的消滅，包括水的凈化、污水處理及垃圾處理。發(fā)酵技術(shù)的擴展利用微生物 1過量生產(chǎn)重要的特別的代謝物像甘油、醋酸、乳酸、丙酮、 butyl alcohol, butane diol,次級代謝物代謝物群體其在生產(chǎn)它們的微生物的生命中發(fā)揮的作用好似不能很快的被生疏到像青霉素、鏈霉

2、素、土孢菌素、頭孢菌素、赤霉素、生物堿、放線菌素；和 3生產(chǎn)酶作為想要的工業(yè)產(chǎn)品像胞外酶淀粉酶、蛋白酶、果膠酶或者胞內(nèi)酶像轉(zhuǎn)化酶、天冬酰胺酶、尿酸氧化酶、限制性核酸內(nèi)切酶和 DNA 連結(jié)酶。最近，發(fā)酵技術(shù)開頭利用高等植物和動物細胞進展我們所知道的細胞或組織培育。植物細胞培育主要針對生產(chǎn)次級代謝物如生物堿、香水和調(diào)味品， 而動物組織培育開頭關(guān)注的是蛋白質(zhì)分子形成如干擾素、單克隆抗體和很多其它的蛋白質(zhì)。limited exception,通過化學(xué)方法不能經(jīng)濟的生產(chǎn)這些產(chǎn)品。而且，經(jīng)濟性也發(fā)生在基因工程有機體而具有獨特的和更高的生產(chǎn)力量。發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)品的商業(yè)市場是無限的但是最終要取決于經(jīng)濟與安全性方面

3、的考慮。 商業(yè)發(fā)酵過程是 in essence 格外相像的不管選擇的是什么有機體、用的是什么培育基及形成什么產(chǎn)物。在全部的狀況下，大量的具有全都特征的細胞在限制的把握的條件下生長。同一個裝置經(jīng)過微小改動就可以用來生產(chǎn)酶、抗生素、有機化學(xué)試劑或者單細胞蛋白。發(fā)酵過程最簡潔的形式就是僅僅是 with a nutrient broth 微生物的混合，并使組分發(fā)生反響。更為先進和簡單的大規(guī)模生產(chǎn)過程需要對整體環(huán)境的把握從而使發(fā)酵過程能夠有效地進展，更為重要的是，能夠準(zhǔn)確地進展重復(fù)，用一樣量的原料、 broth 和cell inoculum 生產(chǎn)出一樣量的產(chǎn)物。全部的生物工程過程都是在一個容器或者生物反

4、響器中進展的。在過去的三十年里，大局部共同的生物反響器的物理形式?jīng)]有發(fā)生多大的改動。然而，近來，設(shè)計出了很多型的生物反響器，它們將越來越樂觀的參與到生物工程中。生物反響器的主要功能是削減一個產(chǎn)品或這效勞的生產(chǎn)成 本，而位于設(shè)計和功能不斷改進后面的驅(qū)動力是提高產(chǎn)品形成速度和產(chǎn)品或者效勞質(zhì)量的需求。爭辯開頭考慮更好的aseptic 設(shè)計和操作、更好的過程把握包括計算機的使用及怎樣去更好的理解一個系統(tǒng)尤其是熱量和質(zhì)量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的速度把握步驟。在生物工程中，處理過程可認為是本錢轉(zhuǎn)化conversion cost intensive或者本錢回收recovery cost intensive 。對于conv

5、ersion cost intensive ，體積生產(chǎn)力 Qp是重要的，recovery cost intensive，產(chǎn)品的濃度 P是削減本錢的主要標(biāo)準(zhǔn)。表 4.2 列出了生物化工工業(yè)利用生物反響器生產(chǎn)出的各種不同的產(chǎn)品，而表 4.3 區(qū)分了生物工程中所承受的各種培育方法。用于生物工程的生物反響器有三種主要的操作方式和兩種形式的生物催化。生物反響器可在分批式、半連續(xù)分批給料 fed-batch或者連續(xù)根底上進展操作。反響可以在穩(wěn)定的或者攪動的agitated培育液中，在有氧或者無氧、水溶液或者低濕度固體底物發(fā)酵條件下進展。 Biocatalyst可以是處于生長狀態(tài)或者不處于生長狀態(tài)的細胞或者

6、是分 離的酶用作可溶的或固定的catalyst。總體上，生物反響器中發(fā)生的反響是在溫存的 pH近中性和溫度20-65條件下進展的。在大局部生物反響器里，反響過程是在水相中進展的，產(chǎn)品 streams 就相對被稀釋了。對生物反響器過程的優(yōu)化包括削減原料例如，養(yǎng)分、前體、酸/堿、空氣和能量能量消耗以平均每年16%的速度上漲的使用，在回收前提高 broth 中產(chǎn)物的純度和質(zhì)量。過程優(yōu)化是通過把握過程的物理和化學(xué)參數(shù)來實現(xiàn)的。表 4.4 列出了過程變化的范圍它對于過程的進展是重要的并且在后面進展?fàn)庌q。這章余下的內(nèi)容將關(guān)注在生物反響器中微生物進展生長的原理，而且更為關(guān)注的用于產(chǎn)品形成的微生物細胞。不管酶

7、是以水溶液還是固定化形式發(fā)揮作用的，針對于它所承受的生物反響器與特定類型的固定化微生物細胞系統(tǒng)一起將在第五章中表達。水溶液系統(tǒng)中微生物培育的原理有機體的生長可以看作是以質(zhì)量形式或是以細胞數(shù)目形式 所 反映 的細 胞 物質(zhì) 的 增加 ， 而 且 是 高 度 全都coordinated的一系列 series以酶催化的生物步驟的結(jié)果。生長的最正確表達取決于必需養(yǎng)分傳遞到細胞外表質(zhì)量傳遞與維持的最正確環(huán)境參數(shù)如溫度和 pH。生物反響器中細胞物質(zhì) X或者是生物體的數(shù)量由重量 gravimetrically用干重、濕重、DNA 或者蛋白質(zhì)或者數(shù)量 numerically用細胞數(shù)打算。倍增時間 td指生物體

8、重量倍增所需要的時間，而傳代時間 g指細胞數(shù)倍增所需要的時間。在平衡生長或者指數(shù)生長過程中，當(dāng)生長過程只由細胞固有的 intrinsic 活性所把握的話，假設(shè) g= td，則每一個細胞都可以進展分裂。平均倍增時間隨著細胞大小與簡單性的增加而增加；隨后時間里值的范圍可以進展試驗獲得：細菌為 0.25-1、酵母為 1.15-2、霉菌為 2-6.9 以及植物20-40。在抱負條件下，微生物合成的潛力是格外巨大的，對于某些類型的細菌，倍增時間僅為 15min。然而，最正確生長條件不適用于任意時間長度，而且實際中，生長過程取決于一 個限制因素，例如一種關(guān)鍵養(yǎng)分。當(dāng)這個因素的濃度降到 0，那么這個有機體的

9、生長潛力也就下降。Monod1942的經(jīng)典爭辯得到表述生物反響器中微生物生長關(guān)鍵性質(zhì)的數(shù)學(xué)方程。最初數(shù)學(xué)方程描述比生長速率 由 S 的濃度而作用：方程式 1這種狀況下，S 是培育基中一種底物的濃度，與其它重要的養(yǎng)分相比，這種底物的濃度是有限的， max 是有機體的KsKs 為底物濃度，此時=max/2。這樣，假設(shè)把底物濃度始終保持為一個適宜 的值對于連續(xù)培育是重要的，就進展指數(shù)生長，比生長速率的值在 0 到max 之間。對生長過程關(guān)鍵養(yǎng)分的鑒定和進展生長所需要的最正確條件來源于分批式與連續(xù)式生物反響器系統(tǒng)。有機體濃度的增加速率 dx/dt就是生長速率，而比生長速率是有機體濃度的單位增加速率 /

10、dd微生物生長與底物利用之間存在一種簡潔的關(guān)系。在簡潔的Y2Y是生長得率系數(shù) over 生長過程的任何時間段。知道了三種生長常數(shù)maxKsY的意義，方程式1和2就給出了一次分批式發(fā)酵生長周期的完整數(shù)量描述。在分批式發(fā)酵中，在最正確的溫度、 pH 和混合條件下，把生長所需的 inoculum 與養(yǎng)分一同置于一個容器中。這代表了一個封閉的系統(tǒng)除了耗氧有機體，可以連續(xù)不斷的向生物反響器供給空氣。在分批式培育中，生長速率與比生長速率不是一個常圖 4.1 示意了微生物分批生長的簡單的本質(zhì)。最開頭的滯后期是沒有可見的微生物生長的時期，但是化學(xué)分析說明有很多隱蔽的轉(zhuǎn)向代謝示意著細胞正在適應(yīng)的環(huán)境并且將要開頭

11、生長 in due coure。inoculum 的生理條件被認為不僅是滯后期持續(xù)時間的一個主要影響因素而且還影響將來生長過程和形成產(chǎn)物的特征，例如抗生素的合成。在 inoculum 生長之后與指數(shù)生長發(fā)生之前，有一個過渡的加速期。這個時期無法從生理和數(shù)學(xué)上很好的理解，由于細胞群有不同的年齡構(gòu)造和代謝過程。在指數(shù)生長期，在有過量養(yǎng)分和沒有抑制劑存在的條件下，微生物生長是無限制的。比生長速率到達最大值， =max。然而，在大局部分批式培育過程中，指數(shù)生長是短暫的。由于養(yǎng)分被生長細胞群用光，無限制的生長就被有限生長所代替，同時，盡管細胞群仍在增加，但是任何特定點的比生長速率將變得越來越小，D，dx

12、/dt 為正值，細胞濃度上升；當(dāng) D，dx/dt為負值，細胞洗出；當(dāng)=D，dx/dt=0，x 是常數(shù)。在這種狀況下，形成穩(wěn)定狀態(tài)，有機體的濃度隨時間不發(fā)生變化。稀釋率也影響生物反響器中底物的濃度。在生物反響器sR，被有機體消耗流出時的濃度為s。由另一個平衡方程獲得底物濃度變化的 net 速率：增加=輸入-輸出-消耗=輸入-輸出-生長/生長得率系數(shù)dx/dt=DSR-Ds-x/Y當(dāng)稀釋率超過max 時，有機體洗出。當(dāng)一個連續(xù)培育系統(tǒng)被看作一個生產(chǎn)系統(tǒng)例如 SCP過程的時候，它的 performances 用兩個標(biāo)準(zhǔn)來評價：1 ouput 速率；和2單位重量的底物生成的細胞數(shù)有效生長速率或產(chǎn)量系數(shù)

13、。在穩(wěn)定狀態(tài)下，總的 ouput 等于產(chǎn)物流速和有機體的濃度。為了獲得ouput 細胞或者生物體，稀釋率必需高但是它明顯不能超過max。實際上，將高 ouput 與底物的有效利用相連的最大生產(chǎn)效率可以通過流出速度或低于最大 ouput 速率以及可用的最高底物濃度而獲得。這樣的最正確條件只與生物體生成相關(guān)。盡管當(dāng)所想要的產(chǎn)物如乙醇是一個發(fā)酵產(chǎn)物的時候， 可以利用相類似的條件，這個發(fā)酵產(chǎn)物的形成與所消耗的底物的量成比例，但是簡單代謝物如抗生素的生產(chǎn)所需要的條件是很不一樣的。半連續(xù)培育是培育的一種形式，它涉及向初始批次中連續(xù)或者系列的添加培育基或者底物，而沒有任何缺點。這種系統(tǒng)產(chǎn)物的產(chǎn)量有可能 we

14、ll超過傳統(tǒng)的分批培育。這個方法在工業(yè)中被廣泛使用，例如，在面包酵母的生產(chǎn)中。實際中，分批、半連續(xù)以及連續(xù)培育系統(tǒng)用在工業(yè)中生物體的生產(chǎn)或者細胞產(chǎn)物的生產(chǎn)。出于很多的緣由，分批培育技術(shù)代表了工業(yè)生產(chǎn)的主要形式。為了更加充分的理解進展微生物生長的各種技術(shù)的動力學(xué)機制，應(yīng)當(dāng)參考 Pirt 和Fiechter 所編的書。生物反響器設(shè)計生物反響器是生物工程過程中進展生物反響的容器系 統(tǒng)。它為優(yōu)化有機體的生長和代謝活動供給正確的環(huán)境條 件；它必需阻擋四周環(huán)境對生產(chǎn)培育物的污染，同時還要組織培育物釋放到環(huán)境中，而且有關(guān)心的工具或者探針對最優(yōu)過程進展把握4.5 生物反響器設(shè)計的根本標(biāo)準(zhǔn)。很多生物反響器系統(tǒng)需

15、要在 aseptic condition 下進展操作。在很多具有工業(yè)重要性的系統(tǒng)中，使用的是生產(chǎn)有機體的純培育物，而且，不需要的外來污染物的存在會以很多方式影響生產(chǎn)過程例如，用生物催化劑進展干擾，將破壞產(chǎn)物，產(chǎn)生破壞下游處理過程的物質(zhì)，而且還將有毒物質(zhì)引入到系統(tǒng)中。為了防止消滅這個問題，培育基、生物反響器和全部附 屬工具pipework都要進展滅菌常用高壓蒸汽，而且通入的空氣需要通過滅菌玻璃 wool 去除去污染物。在分批發(fā)酵培育基中，通常在生物反響器進展滅菌，而在連續(xù)系統(tǒng)中，進展外部滅菌。在發(fā)酵工業(yè)中，會有污染微生物確實 進入到生物反響器中并產(chǎn)生破壞的偶然狀況發(fā)生。由于這個緣由，在抗生素工業(yè)

16、中，生物反響器很少有大于 200m3 的，緣由就是當(dāng)污染發(fā)生就會造成大量的損失。當(dāng)承受連續(xù)過程，就需要更加嚴格的滅菌操作?；蚬こ涛⑸镌诠I(yè)中期望更大的利用就需要更為昂貴的除菌技術(shù)。對于耗氧過程，設(shè)計必需包括通入空氣和混合物質(zhì)的機制，并且全部的系統(tǒng)都必需供給接種和檢樣及 charging anddischarging the vessel 。需要通過冷卻機制除去來自攪拌、通氣和氧化代謝過程的能量輸入。能量輸入的處理低于打算整個混合和通氣速率是必要的。構(gòu)造材料應(yīng)當(dāng)是無毒的、耐蒸汽壓并能抵擋化學(xué)和電子 腐蝕。工業(yè)生物反響器經(jīng)常用 highly polished 不銹鋼建筑。生物反響器有多種外形和

17、大小，且高徑比是重要的工作參數(shù)。工業(yè)生物反響器的大小受所需要的產(chǎn)物的濃度影響，無論選擇的是分批還是連續(xù)操作。盡管連續(xù)培育技術(shù)在爭辯中使用廣泛，但是覺察它們在工業(yè)中的應(yīng)用是有限的，例如，SCP程承受的是分批或者半連續(xù)培育方法。分批和半連續(xù)培育技術(shù)在工業(yè)中的主導(dǎo)地位出于以下一些緣由或者全部緣由。小。市場要求 can be intermittent某些產(chǎn)物的儲存期限短。需要高的產(chǎn)物濃度以優(yōu)化下游處理過程。某些產(chǎn)物只在生長周期的穩(wěn)定期才產(chǎn)生。某些生產(chǎn)菌株的不穩(wěn)定性需要 regular renewal.連續(xù)過程有很多技術(shù)難題。盡管工業(yè)生物反響器有很多設(shè)計，但是建立已久的連續(xù)攪拌釜式反響器 CSTR或者容

18、器始終被廣泛使用圖)。在沒有機械攪拌的生物反響器中，例如，塔式或者環(huán)路式生物反響器，通過通入氣體來實現(xiàn)攪拌 圖)在大規(guī)模的這些類型的生物反響器的液體發(fā)酵中，已經(jīng)認為這樣的設(shè)計可以經(jīng)濟性的與機械攪拌生物反響器相競爭。然而在全部系統(tǒng)中黏度的提高將產(chǎn)生關(guān)于通氣的主要問題， 由于小的氣泡合并為大的氣泡而外表積削減?？傮w上，發(fā)酵工業(yè)所要求的生物反響器應(yīng)能滿足不同的而實踐中，CSTR 已被廣為承受。打算選擇的一個進一步的考慮是很多工業(yè)需要處理一個植物體內(nèi)不同的產(chǎn)物；因此，可以簡潔的進展改動的可變系統(tǒng)將是人們所寵愛的。CSTR1940s 和1950s霉素。它常為一個完全直立的有擋板 cylinder 而且擋

19、板的寬度為罐直徑的 10%。無菌空氣由容器底部通入，通過一個翻開的管或者環(huán)狀鼓泡器。直立 shaft with overhead drive 帶有一個或者多個攪拌漿葉取決于徑高比。攪拌漿葉經(jīng)常位于中間位置與罐直徑相等 along the shaft 去防止流體湍流運3-5 aremounted 進展良好的攪拌和分散于系統(tǒng)高度圖 4.2(a。這種攪拌器系統(tǒng)需要輸入高的動力，且進展大量的爭辯以查找更為有效的設(shè)計。一個典型的工業(yè) CSTR 如4.3 所示。攪拌漿葉的作用是在生物反響器中進展攪拌和混合并 且使通氣便于進展圖4攪拌和通氣是 R 操作本錢的重要局部。攪拌的主要作用是使細胞和養(yǎng)分懸浮通過培育

20、基，使養(yǎng)分包括氧氣能夠被細胞利用并且使熱量轉(zhuǎn)移。絕大多數(shù)的工業(yè)有機體是好氧的，在大多數(shù)發(fā)酵過程中，有機體是高氧需求。既然氧氣是一種在水溶液中sparingly 可溶的氣體，那么發(fā)酵過程可由 vigorous aretation of the broth來支持。攪拌以三種方式影響氧傳遞系數(shù)KLa1葉將空氣打碎為小的氣泡增大氣體與液體之間的接觸面積，攪拌延緩了空氣從生物反響器中的流失，和turbulent shear 可以削減氣體與液體接觸面的 film 厚度。塔式生物反響器可定義為加長的攪拌容器，徑高比大于1圖)。塔式生物反響器沒有機械攪拌；空氣由塔有機體受 shear 的影響很少。環(huán)路式生物反

21、響器在特定的方 d k 圖)。這通過引入 draft 或者擋板 tubes 產(chǎn)生一種液體“內(nèi)部循環(huán)” 或者通過使用循環(huán)管的“外部循環(huán)”來實現(xiàn)。大量來自生活和工業(yè)用的廢水通常用厭氧和耗氧生物反響器系統(tǒng)來處理。在沒有氧氣的狀況下，某些特地化的微生物能夠?qū)⒖缮锝到獾挠袡C物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和的的微生物細胞。初始有機物質(zhì)中，大約 90%化學(xué)鍵合的能量以甲烷的形式回收， 5-10%的能量用于微生物的形成，而約有 3%作為熱量而鋪張掉。這與好氧降解過程形成鮮亮的比照，好氧過程中，大約有 60%的可利用的能量用于細胞的生長，而約 40%作為過程中熱量而損失。最為典型的厭氧生物反響器或者消化器是CSTR

22、圖)，以連續(xù)或者半連續(xù)方式進展操作。利用這個系統(tǒng)，濃縮的廢水例如，城市污水處理的 sludge與厭氧微生物大約在 30下混合，選擇 the hydraulic retention time (反響器中水滯留的平均時間 )使廢水有效的穩(wěn)定而獲得高的甲烷產(chǎn)量。對于食品和發(fā)酵工業(yè)的強的培育基廢水，技術(shù)設(shè)計要能在連續(xù)操作系統(tǒng)中，維持微生物生物體較長的時段。由此， 固體 retention time 與液體 retention time 無關(guān)uncouopled from 需要格外長的固體 retentiontime，而且這只能通過流淌床過程來實現(xiàn)見第五章。甲烷發(fā)酵最出色的例子就是中國的生物氣生產(chǎn)過程，

23、建立了幾百萬個家庭規(guī)模的厭氧生物反響器。這種生物反響器以及垃圾的凈化，其后來成為一種很好的肥料，每立方米生物反響器每天的體積載量為 4kg，mean 停留時間小至 10 天，整個規(guī)模的甲烷生物反響器可期望每立方米生物反響器生產(chǎn) 1 立方米氣體。激活的污水 sludge 處理過程廣泛用于污水及其他工業(yè)垃圾的氧化處理。這些過程承受的是分批或者連續(xù)攪拌生物反響器系統(tǒng)以增加空氣的通入來優(yōu)化有機物質(zhì)的氧化分解圖)的功能，有一些或者很多的攪拌單元使簡潔的進展混合及很多處理城市污水的植物攝取氧。由于它們開放式的本質(zhì)，有時候會消滅氣味的問題。工業(yè)廢物廢水的厭氧生物處理較為承受的緣由是：通氣時不需要能量；有機物

24、質(zhì)高效的轉(zhuǎn)化為生物氣，用來作為燃料；沒有氣味問題；產(chǎn)生很少的 surplus sludge；經(jīng)過顯微操作，可以生產(chǎn)出高附加值的產(chǎn)物。培育基設(shè)計培育基設(shè)計要滿足生產(chǎn)有機體、生產(chǎn)目的和操作規(guī)模的養(yǎng)分要求。對于很多大規(guī)模的生物工程本錢，培育基組分的可利用性和處理特點是打算選擇的主要因素。對于異氧微生物來說，最根本的養(yǎng)分要求是能量或者碳源、一種可利用的氮源，無機物組分及對于某些微生物還要有生長因子。對于大多數(shù)生物工程過程，碳源及氮源經(jīng)常來源于廉價的自然產(chǎn)物或者副產(chǎn)物的簡單的混合物表 6，而自來水中或者主要的初原料中常含有足量的稀有金屬。當(dāng)經(jīng)常以植物或者動物的提取物來供給。所需要的生長因子的主要的類型是

25、 B某些脂肪酸。假設(shè)不進展 pH 把握，碳源及氮源的適宜的平衡對于過程的 pH 類型是重要的。對大多數(shù)過程而言，養(yǎng)分物質(zhì)必需溶于水。在分批系統(tǒng)中，初體積中經(jīng)常含有全部的養(yǎng)分物質(zhì)。以特定的速率為根底通過添加某些養(yǎng)分物質(zhì)的方式半連續(xù)培育控。通過這種方式，維持了關(guān)鍵的誘導(dǎo)物溶液?？衫玫酿B(yǎng)分物質(zhì)將對發(fā)酵反響和產(chǎn)物形成過程進展強大的生理把握。由于原料占到可變的發(fā)酵本錢的60-80%，那么在按配paramount 考慮的。一個發(fā)酵過程攝入的原料主要取決于特定時期原料的本錢，由于商品的價格隨著季節(jié)和其他變化而上下浮動的。原料的選擇也取決于處理和儲存本錢、配制過程的簡潔性及滅菌，同時還需要考慮到安康和安全性

26、。發(fā)酵過程中培育基的配制和特定養(yǎng)分的可利用性對產(chǎn)物 的優(yōu)化有著極大的影響。因此，假設(shè)發(fā)酵的目的是生物體或 者是一種生長產(chǎn)物growth-asscoiated的話，培育基就必需能進展最大潛能的生長。對不是生長限制性的化合物，例 如有機酸、抗生素等等，在初生長期后，培育基要成為一種 或者多種養(yǎng)分的缺陷型。依據(jù)所爭辯的生產(chǎn)過程的本質(zhì)，尤 碳水化合物或者痕量金屬的限制而實現(xiàn)。某些過程需要培育 集中含有一種誘導(dǎo)物，而其他過程可能被培育基的一種組分 所阻遏。分解代謝物阻遏在酶的生產(chǎn)中是特別普遍的問題， 且證明經(jīng)常發(fā)生在含有葡萄糖的培育基中。阻遏可通過用慢 發(fā)酵的碳水化合物或者特別是水解淀粉取代葡萄糖而避開

27、。 在特定的發(fā)酵過程中，也承受遞增或者連續(xù)的補加一種濃縮 的組分的方式。一種工業(yè)培育基的組成不僅基于發(fā)酵時期的需要而且基于后續(xù)的純化步驟。培育基配制也應(yīng)當(dāng)以生產(chǎn) a finalfermentation brothfinal fermentation broth 要mass)specifications的剩余化合物少。培育基的滅菌方法應(yīng)以對培育基組分或者參與的礦物質(zhì)的最小程度的溫度損害實現(xiàn)最大程度的殺死污染微生物。細菌內(nèi)生孢子對于穩(wěn)定培育基構(gòu)成一個嚴峻的問題，由于它們在超過 100才能被殺死。在這些溫度下，很多培育基組分是脆弱的laible而且會被破壞。在這種狀況下，其他可承受的滅菌方法包括過濾

28、或者射線照耀。對于多數(shù)培育基，分批滅菌仍是所選擇的方法，盡管連續(xù)滅菌已被廣泛承受。連續(xù)滅菌過程在超過 120經(jīng)過短時間處理可有效的殺死孢子，而對培育基養(yǎng)分不產(chǎn)生有害的影響。實際中，連續(xù)滅菌是通過給培育基中穿過一個熱交換器來進展的，在那里 where熱交換器在短時間內(nèi)升至所要求的高溫度。接著培育基穿過一個線圈 holdingcoil，在這個溫度下維持所預(yù)定的時間，最終通過反向循環(huán)的冷培育基的輸入或者冷水快速冷卻。高溫/瞬時滅菌過程提高了生長因子的保存時間且產(chǎn)生很少的顏色變化。熱量的回收是額外的優(yōu)點。直接通入蒸汽也被用來滅菌。儀器化instrumentation和生物反響器的過程把握全部的生命有機

29、體都受到大范圍的 a wide range of 細胞內(nèi)和細胞外調(diào)控因子的作用，像溫度、 pH 及 O2。這些每個因子的鑒定和作用都源于傳統(tǒng)的生理和生化爭辯。在全部的生物工程過程中，關(guān)鍵的是優(yōu)化生產(chǎn)力。這只能依靠鑒別和把握這很多的調(diào)整有機體活性的因子來實現(xiàn)。把握生物活性的環(huán)境特征參數(shù)可以是物理的、化學(xué)的和生物化學(xué)的，而且不總是那么簡潔的區(qū)分和處理見表4。生物反響器的儀器化對于把握特定參數(shù)、對它們進展記錄、然后用這些信息提高和優(yōu)化過程已經(jīng)越來越重要了表7。實際中，過程把握的一種措施是利用傳感器，它然后與固定值進展比較。這兩項值之間的差異discrepancy 用來改動對過程進展操作的鼓勵器的位置

30、，這樣確保改動的值更接近于固定值。實現(xiàn)這種改動measurement與固定值進展比較的物理設(shè)備是把握器，而且通過這樣的方式，由傳感器、把握器和鼓勵器組成的可以調(diào)整特定因子的把握環(huán)路就構(gòu)成了。生物反響器把握措施可以以在線或者離線方式進展。對于在線把握，傳感器直接安裝在過程流 process stream中，然而對于離線把握，一個樣品從過程流中取出并進展分析。一種抱負的傳感器是經(jīng)過蒸汽滅菌的、可產(chǎn)生牢靠的連續(xù)的信號并且能進展在線操作。它應(yīng)當(dāng)簡潔進展標(biāo)定、智能的而且對過程無影響。缺乏有效的用于把握的傳感器是發(fā)酵技術(shù)進展中的一個主要的障礙bottleneck。在線把握的比較典型的傳感器類型有那些用于溫

31、度、pH、壓力、液體和氣體流速、CO2 及 O2 測定的傳感器。完整的生物反響器過程仍由于缺乏能夠?qū)ο?DNA、RNA、酶及生物體這些重要的變量進展把握的牢靠工具而受到嚴峻限制。離線分析對這些化合物仍為重要，而由于這些分析結(jié)果經(jīng)常在檢樣幾小時后才可以利用，所以它們不能用來進展快速把握。一些已證明比較好的在線系統(tǒng)將通過某些將來的工程化在線把握技術(shù)來進展檢驗。把握技術(shù)溫度溫度通過對反映速率的動力學(xué)作用和對酶活性和穩(wěn) 定的催化作用影響生物過程。有很多能調(diào)整生物反響器溫度的 傳 感 器 類 型 包 括thermocouples,resistancethermometers, thermistors a

32、nd capillaries. 他們都是通過產(chǎn)生一個輸出信號而發(fā)揮作用，這個信號用在把握環(huán)路中。大體積的生物反響器需要一些溫度傳感器以確保發(fā)酵體積中合理的溫度安排。pH 大多數(shù)有機體的生長對于 pH 的變化是敏感的，每群有機體有特定的最優(yōu)的 pH 值。產(chǎn)物形成的最正確 pH 值與生長pHpH 確信它主要影響細胞壁的通透性及有鍵合于細胞壁外的酶參與的反響速率。 pH 傳感器或者離子-選擇性電極在生物反響器中廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代 pH 探頭可以耐受蒸汽滅菌和某些高程度的處理。溶解氧生物反響器中應(yīng)用的多數(shù)有機體需要氧的連續(xù)供 應(yīng)。溶解氧DO探針測量過程中液體中溶解的氧的含量。有機體活性與溶解氧之間的關(guān)系經(jīng)

33、常作為多數(shù)生物工程過程最終成功與否的主要打算因素。有兩種 DO 探頭，原電池型和質(zhì)譜型。設(shè)計上兩者沒多大的區(qū)分，每種探頭都帶有兩個位于玻璃或者不銹鋼中的電極。 DO 探頭的最大的問題是它們應(yīng)變慢而且在低 DO 濃度下格外不穩(wěn)定。需要耗掉大量的時間而且不耐受反復(fù)的滅菌。生物反響器的攝氧速率可承受順磁氧分析儀或者質(zhì)譜儀來測定輸入與輸出氣流氧的濃度而獲得，質(zhì)譜儀速度很快但是格外昂貴。溶解 CO2fermentation broth 中 CO2 的溶解水平供給了這個過程的大量的信息。膜包裹的酶電極現(xiàn)在用于溶解的 CO2CO2spectrophotometric, 氣相色譜或者質(zhì)譜的方法。固定化酶探頭這

34、些一代的探頭是將酶固定于靠近一種電化學(xué)傳感器的外表上而制造出來的，經(jīng)常是 DO 或者 CO2探頭。酶可以與一種特別的分子反響產(chǎn)生能被電化學(xué)傳感器檢測的應(yīng)答。酶電極原型樣品反映了很多化合物包括葡萄糖、sucrose、urea烷、膽固醇及一些氨基酸。這些酶電極是高度專一的，不受其他化合物的影響，簡潔校難用于在線把握環(huán)路。但是，確定的是，酶探頭的專一性與無限的應(yīng)用空間使它成為將來發(fā)酵技術(shù)進展的一個令人振奮的領(lǐng)域。生物體在現(xiàn)有本錢根底上，還無法實現(xiàn)對生物體的在線自動分析?？紤]承受基于氧氣與二氧化碳物質(zhì)平衡的間接方DNA 和 RNA 仍是耗時的離線測定。數(shù)據(jù)處理從各種在線和離線處理獲得的數(shù)據(jù)最初存儲在筆

35、記本或者記錄表里，而現(xiàn)在經(jīng)常存儲在電腦或是磁帶和磁盤中。一個特定的發(fā)酵過程的數(shù)據(jù)以文件的形式存儲在電腦里，它實際上涵蓋培育基的配制、發(fā)酵過程及簡單的下游處理過程。數(shù)據(jù)的存儲和組織現(xiàn)在是多數(shù)工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中一個主要的操作步驟。計算機已經(jīng)成為一種有價值的、確實必不行少的了解和把握發(fā)酵過程的手段。這樣，一個作用單元就可能包括過程調(diào)控、挨次把握、連續(xù)把握、計算、數(shù)據(jù)的儲存、數(shù)據(jù)的供給與報告。計算機在生物技術(shù)中的進一步應(yīng)用還包括核酸和蛋白質(zhì)序列分析、限制性圖譜的繪制、分子過程的加速及試驗設(shè)計和調(diào)試。質(zhì)量和能量傳遞在生物反響系統(tǒng)中，有機體的生長和代謝需要連續(xù)供給和攝入重要的養(yǎng)分，同時排解有毒的代謝廢物。有機

36、體外表和它的內(nèi)環(huán)境之間發(fā)生的物質(zhì)交換是我們所知道的質(zhì)量轉(zhuǎn) concomitant生長及有機體的生物活動只有向生物反響系統(tǒng)中供給或者從其中排解肯定形而對生物反響中物質(zhì)的攪拌和混合就需要機械能：生物活動的結(jié)果是產(chǎn)生代謝能。質(zhì)量和能量的傳遞過程是一切發(fā)酵過程的主要局部。促進furtherance對它們的理解對于擴大生物工程過程是格外重要的。把握質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)移的原則來源于化學(xué)工程實 踐。質(zhì)量傳遞一切生物反響過程的中心是供給適量的養(yǎng)分以倒裝一種養(yǎng)分組分在從原料相例如氧氣鼓泡器、養(yǎng)分給料輸入口進入到微生物相的過程中 ，需要穿越一 些障礙resistances。這些相將是連續(xù)的或是分散的。連續(xù)相經(jīng)常是液體水

37、溶液或者非水溶液 但也可以是氣體的，而分散相可以是氣體空氣、 CO2、甲烷等等、液體碳水化合物或者固體微生物 pellets者固體基質(zhì)，質(zhì)量傳遞的障礙位置如圖5所示。在生物工程中應(yīng)用的微生物大多是需氧微生物，因而在設(shè)計生物反響器時，氧的質(zhì)量傳遞是一個重要的應(yīng)當(dāng)考慮的問題。氣體與液體之間質(zhì)量傳遞速率受氣體組分在液體中溶解性的重要影響。不幸的是，氧只微溶于水，這就意味著要進展氧的分散技術(shù)以增大生物反響中氧對于微生物的可利 用性。把握水溶液與氣相中溶解的氧的方法已經(jīng)得到了很好k La 或溶氧濃度的測定對于獲知過程中氧對于微生物的可利用性是重要的。承受 orifice 產(chǎn)生氣泡的方式將空氣或者氧氣導(dǎo)入

38、到生物反響器中， 氣泡的大小與發(fā)酵液中它們上升的速度velocity一同打算了氧的傳遞速率。在沒有機械攪拌的系統(tǒng)中，例如塔式反響器，氣泡的直徑打算了接觸外表的區(qū)域 R氣泡的大小由 bulk 湍流程度及液體的物理性質(zhì)而不是設(shè)計orifice 或鼓泡器而打算。液體的過度粘稠將反作用于氧的傳遞。/液間阻礙的質(zhì)量傳遞不受到整個系統(tǒng)水解動力學(xué)的嚴峻影響。全部的傳遞過程都是經(jīng)過分子滲透diffusion實現(xiàn)的，氧分包括氧滲入細胞的速率及細胞代謝物滲出細胞的速率將限制生物活動的速率。滲透過程始終伴隨有反響的發(fā)生，像滲透分子的消耗與產(chǎn)生。需氧發(fā)酵可視為氣/液間質(zhì)量傳遞步驟、液 /固間質(zhì)量傳遞步驟及化學(xué)或生物化

39、學(xué)反響步驟。混合作用對于氣/液間質(zhì)量傳遞步驟的影響大于液/固間質(zhì)量傳遞步驟。隨著生物反響體積的不斷增大，要使生物反響中培育基組分到達完全全都的分散和混合也變得越來越更為簡單。分散于整個生物反響體積的機制涉及液體的 bulk 流淌伴隨著混合過程，通過經(jīng)由機械攪拌或者液體湍流運動而產(chǎn)生的湍流 eddies培育與連續(xù)培育中添加空氣與養(yǎng)分尤為重要。混合作用的目的是優(yōu)化 axial and radial dispersion 以確保完全保存全部生物反響局部中的發(fā)酵組分培育基和微生物。很少能夠完全的保存這些組分，而且在大規(guī)模的發(fā)酵過程中，快速和近乎全都的uniform分散添加的組分要通過很屢次輸入至生物反

40、響器的過程才能實現(xiàn)。利用甲醇為基質(zhì)的大型 ICI Pruteen 生物反響器涉及了 2600 個單獨的entry pointsbroth is non-Newtonian 牛頓型且高黏stagnant 而且不能充axial dispersion 近于零而 radial 為無限大infiniteplug flow 生物反響就發(fā)生了。發(fā)酵 broth 的充分混合會產(chǎn)生良好的質(zhì)量傳遞速率和隨后高的生產(chǎn)力。實際中，在大多數(shù)工業(yè)發(fā)酵中，高的生產(chǎn)力必需 paralleled 通過降低操作本錢以增大經(jīng)濟回報。傳統(tǒng)的R 設(shè)計需要輸入高能量r，由此，很多的生物反響器設(shè)計嘗試降低特定的能量的攝入，且優(yōu)化能量的輸入

41、與生產(chǎn)力。這些型生物反響器中，某些可以在低的能量輸入下供給大的接觸面積氣泡柱等等，并且能夠?qū)τ靡粋€插入的通流管環(huán)路反響hold up 的氣體的流淌形式進展有力的把握。能量傳遞 生物反響過程中能量由四種主要的來源而產(chǎn)生。：電力的輸入或者攪拌將會轉(zhuǎn)化為液體運動的動能，其通過各種途徑而消散最終以熱量的形式表達出來。gassing and：某些能量在鼓泡器的洞口處消散，并產(chǎn)生湍流 eddies，盡管很多這種類型的能量是當(dāng)氣體向上運動時，所受液體靜壓頭減小而膨脹的結(jié)果。：生物反響中的微生物氧化有機物分子并且某些這樣的能量以熱量的形式消散。Enthalpies：生物反響中可以產(chǎn)生熱量假設(shè)在比生物反響器中的

42、物質(zhì)更高的溫度下輸入 stream。在一個生物反響中產(chǎn)生熱量就會引起發(fā)酵 broth 的溫度超過最適的生產(chǎn)溫度。因此，必需將熱量從生物反響器中除去?？缭焦腆w邊界將熱量排解到四周空氣中或者內(nèi)部線圈、外殼或者外部熱交換器的冷水中。生物反響器的冷卻系統(tǒng)的例子如4.6 所示。當(dāng)生物反響器在超過 ambient 的溫度下運行的時候，甚至允許通過上述機制產(chǎn)生熱量，也要求熱量維持一個最適的溫度。放大多數(shù)進展的生物工程過程都是試驗室規(guī)模的，商業(yè)化成功主要取決于將過程首先放大到pilot 植物水平而后是商業(yè)規(guī)模的力量。過程放大的成功實現(xiàn)必需遵守物理和經(jīng)濟規(guī) 則。到現(xiàn)在為止，還沒有建立起一個統(tǒng)一的設(shè)計程序或者一種

43、簡潔的方法來進展過程放大。對于多數(shù)有著商業(yè)興趣的產(chǎn)微生物、動物細胞等將對生產(chǎn)進展優(yōu)化，在限制某種養(yǎng)分的狀況下或者依據(jù)不利的環(huán)境條件。微生物培育系統(tǒng)經(jīng)常是異種的，而且過程中的問題主要來自養(yǎng)分的傳遞及小范圍的來自產(chǎn)物的傳遞圖 7。通常可以承受試驗室規(guī)模的生物反響器 5-10L對某些把握因子進展鑒定，而另一些則需要 pilot 規(guī)模的生物反響器。在從一種規(guī)模的操作轉(zhuǎn)變到另一種規(guī)模的操作的過程中，某些方面將保持恒定表8；另一些則因規(guī)模增大的直接結(jié)果而發(fā)生變化表8，而另一些則可以由工程人員進展把握?，F(xiàn)實中的 pilot plant 就是一個大規(guī)模的試驗室，它能彈性的容納儀器設(shè)備電的和 piping 效勞

44、，等等 并且適于過程操作。工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)包括操作簡便、經(jīng)濟且容納空氣和廢水廢物。每一種 pilot plant 都有各自的特點和設(shè)計要求。pilot plant 生物反響器的總體積由 100 到 10000L且較大一些的 pilot 生物反響器有時候被用作生產(chǎn)單元。完全工業(yè)化規(guī)模的生物反響器的體積范圍是 40000 到400000L當(dāng)從試驗室規(guī)模轉(zhuǎn)到工業(yè)規(guī)模的時候，消滅的主要問題有熱量的排解、氧的傳遞及培育基中組分的可利用性與不充分的滲透，例如，養(yǎng)分、有毒代謝產(chǎn)物、酸或者堿。解決放大過程中消滅的問題需要在混合和通氣、調(diào)控設(shè)備及嚴格的保持無菌過程中投入大量的資本。固體基質(zhì)發(fā)酵固體基質(zhì)發(fā)酵是微生物在

45、不含自由水和幾乎不含自由 水的固體物質(zhì)上進展生長表9段例如，在明顯的消滅自由水之前是吸取作用，由此含12%的時候，生物活動停頓進展，因此當(dāng)靠近這個值的過程中，微生物活動被大大減緩retarded。固體基質(zhì)發(fā)酵不是漿狀物的發(fā)酵像含有大量不溶性固體的液體也不是在液體培育基中固體物質(zhì)的發(fā)酵 。固體基質(zhì)發(fā) 酵中最普遍應(yīng) 用的是cereal grains, legume seeds,和秸稈以及很多其他植物和動物物質(zhì)。這些化合物是不行變是濃縮的養(yǎng)分原料。固體基質(zhì)發(fā)酵有著悠久的歷史，在東方已經(jīng)進展了幾百年。很多東方食品的發(fā)酵像醬油、日本豆面醬和豆豉，都包含重要的固體基階段，而其他固體基質(zhì)過程用來生產(chǎn)酶和化學(xué)

46、物質(zhì)像檸檬酸。在西半球，固體基質(zhì)發(fā)酵主要以植物和動ensiling素的固體基質(zhì)發(fā)酵將會成為將來的重要工業(yè)，生產(chǎn)生物體、乙醇、甲烷和很多其他商業(yè)價值的產(chǎn)品。大多數(shù)基于微生物的生物工程產(chǎn)品可以通過固體基質(zhì)發(fā)酵而生產(chǎn)。這種實際生產(chǎn)過程的打算因素取決于當(dāng)于液體發(fā)酵相比時的經(jīng)濟性。在固體基質(zhì)發(fā)酵下生長良好的微生物類型主要由水活 度因子aw打算。底物的 aw 從數(shù)量上反映了進展微生物公式式中 = 形成的離子數(shù)，m= 溶液的摩爾濃度， = 摩爾滲透系數(shù)，而 55.5 = 純水溶液的摩爾濃度。純水的aw = 1.00，aw 隨著溶液的參加而下降。覺察細胞的 aw 值大多較高，而某些真菌和少數(shù)酵母在值為 0.6

47、-0.7aw 水平下能夠耐受和生殖的微生物總體上是消滅在固體基質(zhì)發(fā)酵中的主要微生物。微生物類型 固體基質(zhì)發(fā)酵以多種不同的形式進展，取決于應(yīng)用的微生物是本地生長的，還是純培育物或者是混合培育物。應(yīng)用本地生長的微生物區(qū)系進展的發(fā)酵主要是ensiling and composting。Ensiling 是涉及農(nóng)作物的厭氧過程，而且在25-30下進展1-2 周Lactobacillus bulgarius是主要的微生物，生產(chǎn)乳酸，隨后抑制潛在的引起腐爛的細菌，而且由于沒有氧氣厭氧霉菌無法生長50-65%的濕度是關(guān)鍵的， 這樣保證耐滲透的乳酸桿菌是活潑的并且占主導(dǎo)地位。相反的 ， composting涉

48、 及 從 嗜 溫 細 菌 、 酵 母 和 霉 菌 到thermophilic actinomycetes 及真菌的一系列微生物生物活動產(chǎn)生的熱量是一個嚴峻的問題，compost 應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)為避開進展滅菌。蘑菇生產(chǎn)的 Composting 是最為成功的制造性的應(yīng)用木素纖維素物質(zhì)的手段之一。利用真菌的純培育物進展的固體基質(zhì)發(fā)酵最好的說明是用真菌 Aspergillus oryzae發(fā)酵谷物和黃豆這個古老的 KojiAoryzaetrays 窄層中進展生長或者在一種特別的旋轉(zhuǎn)生物反響器中生長以生產(chǎn)出淀粉酶和蛋白酶分解基質(zhì)中的多聚物分子。 Koji 過程是其他 類型發(fā)酵的根底包括商品酶的生產(chǎn)、有機酸和乙醇

49、。 Koji 過程也正在尋求的應(yīng)用以從淀粉類物質(zhì)Raimbault/Alazard processWaterloo process生產(chǎn)生物體。某些固體基質(zhì)發(fā)酵能夠奇異的利用混合培育物接種以實現(xiàn)優(yōu)化的終產(chǎn)物形成。這樣利用 Chaetomium cellulolyticumand Candiada lipolytica 的混合培育物而不是單獨應(yīng)用其中一種真菌，就能將秸稈有效的轉(zhuǎn)化為真菌。認為這種發(fā)酵對于木素纖維素物質(zhì)的低技術(shù)轉(zhuǎn)化有巨大的潛力。很多固體基質(zhì)發(fā)酵的一個特征是需要對原料進展預(yù)處理以提高養(yǎng)分的可利用性，或者減小微粒的大小來優(yōu)化發(fā)酵過程的物理參數(shù)。多聚物分子要進展局部水解以利于微生物的生長，

50、而通過大量形式的物理處理而獲得適宜的微粒大小，ball milling固體基質(zhì)發(fā)酵過程的設(shè)計進一步受到創(chuàng)立良好的質(zhì)量和熱量傳遞特點的需求的把握。微粒間的質(zhì)量傳遞和微粒內(nèi)部的滲透是限制固體基質(zhì)發(fā)酵的兩種主要的質(zhì)量傳遞步驟。 微粒間的質(zhì)量傳遞在固體基質(zhì)發(fā)酵過程中，微粒的大小打算基質(zhì)中可被空氣占據(jù)的空間的數(shù)量有效空間 。多數(shù)發(fā)酵應(yīng)用的是厭氧微生物并且把氧運送到有效空間是把握著 順當(dāng)進展生長和產(chǎn)物形成的關(guān)鍵參數(shù)。氧傳遞到有效空間與濕度水平親熱相關(guān)，由于受趕出空氣影響的高的自由濕度水平確保了低的有效空間。實際中，令人滿足的微粒間氧的傳遞 通過留神的混合和通氣來實現(xiàn)。基質(zhì)中氧的水平可以進展調(diào)控，當(dāng)需要的時

51、候就進展混合和通氣。在有效空間中防止CO2的形成也是關(guān)鍵的。微粒內(nèi)的質(zhì)量傳遞微粒內(nèi)的質(zhì)量傳遞涉及發(fā)酵基質(zhì)中養(yǎng)分和酶的傳遞過程。在利用真菌進展的固體基質(zhì)發(fā)酵過程 中，菌絲在滲入到基質(zhì)中的同時也在微粒外表進展生長。厭氧菌絲需要氧的滲入以支持它們的連續(xù)生長。氧在這些簡單的固體基質(zhì)載體上的滲入動力學(xué)機制還遠遠無法被了解。微粒內(nèi)的質(zhì)量傳遞還涉及將不溶于水的多聚物水解為能被生長的真菌利用的可溶性物質(zhì)過程中酶的作用。因此這些水解酶在基質(zhì)的降解和利用中有著重要的作用。有著開放的、空隙porous構(gòu)造的基質(zhì)比那些有著較少空隙外表的基質(zhì)更簡潔被降解。纖維素類物質(zhì)酶的水解已經(jīng)用固體基質(zhì)系統(tǒng)進展密集的爭辯，而且已經(jīng)說明依靠酶復(fù)合物纖維素酶的作用，包括三種類型的反響：內(nèi)切-1，4 葡聚糖酶隨機的水解纖維素以生產(chǎn)葡萄糖和纖維二糖為終產(chǎn)物。外切-1，4 葡聚糖酶攻擊纖維素多聚鏈的未復(fù)原的末端，產(chǎn)生纖維二糖。纖維二糖酶或者而形成