搅拌对红霉素发酵的影响

生 物 工 程 学 报 � ��� � � � � � � � � � , � � � ��蔽��� � � � �� � � �� � �� �‘动月 ��� �� 搅拌对红霉素发酵的影响 肖作兵 ’ 戴干策 杨明得 陈剑佩 吴民权 �华东理工大学联合化学反应工程研究所 上海 �。。� � � � 摘 要 在 � �� 工业发酵罐中 , 研究了涡轮桨和翼形轴流桨搅拌对红霉素发酵过程的影响 , 重点考察了粘度 、 溶氧 、 效价 、 搅拌电流和糖代谢等过程参数的变化 , 以及搅拌功耗与发酵 产量之间的关系 � 研究结果表明 � ��� 不同的搅拌桨搅拌其发酵过程参数 �粘度 , 溶氧 , 效 价等� 随时间的变化曲线有明显的差异 , ��� 搅拌功耗同发酵产量之间的关系 , 翼形桨明显 不同于涡轮桨 , �� � 在相同的生产条件下 , 用翼形桨代替涡轮桨可节省搅拌功耗 � 关键词 红霉素 , 搅拌 , 发酵 , 翼形桨 , 节能 不同的搅拌条件将直接影响菌体的生长 、 代谢和最终的结果 。 目前我国发酵工业的 机械搅拌均采用多层涡轮桨 , 而翼形桨的有关报道还未发现 。 涡轮桨的研究结果表明 � 桨 叶型式〔‘, , 搅拌转速 〔‘, , 搅拌功耗 〔幻对红霉素发酵均有一定的影响 。 近年来 , 随着菌种的不断改良和工艺的不断更新 , 发酵对搅拌的要求亦随之提高 , 由 于传统的涡轮桨的缺陷〔� , , 翼形桨 自�� 年代初期问世后 , 已开始广泛应用于发酵生产 , 并 取得了较显著的效果 〔卜 ‘。, 。 为了改变现有的 发酵状况 , 有效地将翼形桨应用于红霉素发 酵生产 , 本文对 �� � 红霉素发酵罐中翼形桨 和涡轮浆搅拌的影响进行了对比研究 。 � 实验方法 实验在 �� � 工业发酵罐中进行 , 罐的直 径 � � � � � � � � , 高径比 � � � 一 � � � , 通气采 用单圆管 , 搅拌桨为三层 , 试验中所用桨叶 � 涡轮弯叶桨 � � � � � � � , 翼形轴流桨 � � � � � � � 试验过程中的参数测定 。 粘度 � 用 � � �一� 型改装 的涡轮粘度计和毛细管粘度 计 。 溶氧 � 用溶氧电极和数字显示仪 。 搅拌 功耗 � 用电流 、 电压法和 电表法 。 发酵单位 �效价 � � 用化学法和生物法 。 图 ��� · 发酵罐体结构示意图 � �� � � �� � � � � �� �� � � �� � � � � � � � � , � � �� � � �� � � � � �� � , � � � � � � � �� � �� � ��� � � � � �邓�� , � � � � � � � � � � � � � � � �� � , � � �� � � �� ��� � � �� � � � 绍 � � � �� � � � � � � , � � � � � � �� � � � � � � � �� � �� � �� � , � � � � � � � � �� � �� � � � � � , � � � �� � � � �� � , � � � � ���� � � �� ��� � �� � � , � � � � ��� �� � � �� , � � � � � � � � �� �� �� � � � � 发酵罐体示意图如图 � , 其中试验罐 � � ��� � , � � · � ��� ’� � ��� � , � � · � � � �� �� � ‘� �� 采用两层翼形桨与底层涡轮桨组合搅拌 , 对照罐采用三层涡轮桨搅拌 。 , 联系人 本文干 � � � 年 � 月 �� 日收到 � � 期 肖作兵等 � 搅拌对红称素发醉的影响 � 结果与讨论 �� 一� 搅拌对过程参数值变化的影响 �� � � 粘度曲线 �� 一� � � 图 � 表明 , 在发酵过程中 , 试验罐发酵液的粘度明显高于对照 罐 , 这一现象反映了菌体在不同搅拌条件下的生长情况 。 粘度在一定程度上反映了菌体的浓 度及生长 , 红霉素生产菌属放线菌类 , 形态为丝状 , 过强的剪切易导致菌丝体的伤害 , 从 而抑制菌体的生长 , 翼形桨的剪切温和 , 涡轮桨的剪切作用较强。 ‘, , 可能正是这一因素使 得试验罐中菌体的生长情况优于对照罐 。 表 � 的数据 �表内细胞的体积为取 �� � �发酵液离 心后菌体的体积� 也说明了这一点 。 �� � 的 �� � 叮吸 、、卜 �� � � � � ��� 一� 一�一� 一一一� 一一一一一一一一一, 刁�� � �� � � �� � �� � �� � �� �� � 图 � 发酵液毛细管粘度随时间的变化曲线 � �� � � � ��� �� ��� � � �� � � � � � � ��� � � � � �� � � � �� � � ��� � �� � �卜 向 � �� ��� ��� �� � � � � � � , � � � � � �� � � � � � � � , � � � � �� �� � � �� � � � � � � � 表 � 不同发醉时间菌体且的比较 � � ��� � � � � �� � � �� � � � ��� � � � � � � � �� � � � �� �� �� � � � � �� ��� � � � � �� � � �� � �� � � !∀ #∀∃∃ %& ∃� ∋ #() ∗+(∃ ,∀+& ∀)∗∀+ − ∀. ,∀+& ∀)∗∀+ /∋ 0 1 溶氧浓度曲线 (D O 一 T ) : 图 3表明: (l) 试验罐和对照罐发酵液中均出现溶氧浓 度零点 , 且试验罐中的零点比对照罐提前 6h , ( 2 ) 40 h 后体系的溶氧浓度高于对照罐 , 且 对照罐的溶氧浓度低于临界氧浓度 , 而试验罐则高于临界氧浓度 . 在好氧发酵 中 , 溶氧水平的高低取决于供氧量和耗氧量的相对大小 。 用数学式表示 如下 : d c/dt = kLa (c‘ 一 c) 一 Q ‘ X ( l ) 对于一定的通气 , 搅拌条件 , 供氧量基本上维持在一定的水平 , 溶氧浓度的高低取 决于耗氧量 , 耗氧量在不同发酵时期有明显差异 〔幻 , 其中对数生长期的耗氧量最大 。 对丝 状菌发酵来说 , 对数生长期的耗氧量远大于供氧量 , 系统处于严重的缺氧状态 , 从而出 生 物 工 程 学 报 11卷 .‘ .1!.比比 八日4 饮\O自 , -,·、、几1.、..t.LL. n钊,” 图 3 发酵液中溶氧浓度随时间的变化曲线 F ig. 3 肠sso lve o x ygen eon eertration varied w ith tim e 2.O rig inal ferm entor , 2 . N e w f e r m e n t o r 现溶氧零点的现象 。 试验罐中菌体的旺盛生长 , 对数生长期提前 , 因而溶氧零点也相应 提前 。 40 h 后 , 红霉素发酵进入产物分泌阶段 , 菌体的耗氧量明显下降 , 氧主要消耗于次 级代谢分泌产物 , 体系的溶氧水平较前期出现回升 , 回升的幅度仍取决于耗氧和供氧的 相对大小 , 从试验罐与对照罐的情况来看 , 耗氧量一般不会有太大的差距 , 而供氧量试 验罐明显高于对照罐 。 因此 , 可认为试验罐的溶氧水平高于对照罐 。 实际发酵生产中 , 由于工艺和操作条件是一定的 , 溶氧水平的高低很大程度上取决 于搅拌条件 , 搅拌对于系统的供氧起着决定性的作用 。 因此 , 搅拌条件的确定应尽量避 免出现溶氧水平低于临界值的现象 (红霉素发酵的临界氧浓度为饱和氧浓度的 30 % ) 。 2 . 1 . 3 糖代谢与效价曲线 :图 一 4表明 (l) 4oh 前 , 试验罐的 耗糖量明显高于对照罐 ; (2 ) 二 4 o h 后 , 试验罐的糖耗量反而 乙 低于对照罐 。 图 5表明 : (1)起 雳 步 (4Oh) 效价 , 试验罐明显高 氛 于对照罐 (Y S = 17 20 , Y D 一 吴 1220); (2 )效价增长幅度 (每 24h) , l o o h 前 , 试验罐高于对 照罐 ; l。。h 后 , 试验罐低于对 照罐; (3) looh 左右 , 改变补 料工艺 , 有利于发酵单位的提 .-.闷 . 一 , 护 2 () 4 (〕 6 () 5 () r ·子一 、屯 二护尸 ~ 甲、户 ·‘ ·‘ 心 .J . . … …I(}() 12() 14() }f;()t/h 图 4 发酵过程中糖浓度 ‘ 随时间 t的变化曲线 Fig. 4 Sugar eoneertration varied w ith time 1.N ew ferm entor, 2 . o r i g i n a l f e r m e n t o r 高 。 即相同的补料工艺 , 放罐效价试验罐低于对照罐 , 改变工艺后 , 放罐效价高于对照 罐 。 上述结果表明: 试验罐中的翼形桨搅拌使得菌体生长旺盛 , 对数生长期提前 , 菌体 浓度增大 , 代谢能力增强 , 糖代谢量也随之增大 , 分泌产物量增大 , 因此 , 发酵初期 40h 前 , 试验罐中的耗糖量高于对照罐 , 40 h 左右的起步效价明显高于对照罐. 在整个发酵过程中 , 菌体的生长 、 代谢与其工艺是紧密相关的 , 如果其生长 、 代谢 发生变化 , 其工艺亦随之改变 , 否则会影响其结果 。 在相同的补料工艺时 , 试验罐菌体 期 肖作兵等: 搅拌对红霉素发酵的影响 5连,J。’l。。二[一三.二\1一u口uo-1门lu.任Ž。味 前期的生长 , 代谢旺盛 , 会造成 体系营养物质的阶段性缺乏 , 从而对后期的发酵产生一定的 影响 , 如果适当地改变补料工 艺 , 避免体系营养物质的阶段 性缺乏 , 维持后期发酵过程的 正常代谢 , 有利于后期产物分 泌 量的增大和放罐效价的提 高 . 因此 , 相同的工艺条件 , 1 0 o h 前试验罐的效价增 幅大 于对照罐 , I O O h 后 , 效价增幅 试验罐小于对照罐; 且放罐效 价高于对照罐 (见图 5 , 相同的 4L I()0 1〔;(少 t/ h 图 5 发酵过程中效价 Y 随时间 t的变化曲线 Fig. S F erme ntation unit varied w ith tim e1.N ew fem entor, 2 . C h a n g e d t h e t e e h n o l o g y , 3 . o r i g i n a l f e r m e n t o r 工艺 , 放罐效价 YS 一 4540 , Y D 一 47 5 0 ; 改变工艺后 , 放罐效价 YS 一50 60 ) 。 2. 2 搅拌功耗与发酵产最 2.2.1 搅拌电流随时间的变化 (I一 t) 曲线表明 : (l) 试验罐的搅拌电流基本上不随时间 而变 , 而对照罐的搅拌电流却随时间显著变化; (2) 试验罐的搅拌 电流明显低于对照罐 的搅拌电流 。 搅拌功耗可由搅拌电流通过下式积分求得 : w 一 J l · U 一Q · d ‘ l.六 产 ‘ , ~ 、、 _ _ ..’ 、_ / , 户 … 侣 . J八 .’ 、 , … , 一、 犷 ,卜二、, / 一‘ 丫 v ‘ ’ 2 ‘曰卜一一一今一一一一~一召卜一一~ 书 0nC†001八曰OtlRt‘试女 图 6 F ig · 5 《) 10 0 15 () t/h 发酵过程中搅拌电流 I 随时间 t的变化曲线 6 A gitated eleetrie eurrent varied w ith tim e 1.originalferm entor, 2 . N e w f e r m e n t o r ( 2 ) 从图示的数据可看出: 试验罐 的电流 I一 72 A , 对照罐的电流 I “ 98 A , 从整个发酵过 程来 看 , 试验罐的搅拌功耗比对照 罐约低 20% 。 2. 2. 2 搅拌功耗与发酵产量 之间的关系: 表 2 列出了试验 罐与对照罐不同罐批的搅拌功 耗与发酵总亿数 (注 : 实际功 能为表值的 120 倍 )。 上述数据表明 : (l ) 涡轮 桨搅拌发酵 , 搅拌功耗随发酵 产量的变化而变化 , 这一现象与文献 〔幻 报道的类似; (2 ) 翼形桨搅拌发酵 , 搅拌功耗 与发酵产量基本无关 。 即对于一定的发酵条件 , 尽管产量在一定范围内有所变化 , 而搅 拌功耗基本上维持同样的水平 。 相同的发酵产量所消耗的搅拌功耗 , 试验罐平均比对照 罐低 20 % 以上 。 生 物 工 程 学 报 11卷 表 2 搅拌功耗与产t 的关系 Table 2 R el.U on shiP of ag ita ting PO we r an d outPut NNN ew ferm entorrr originalfe rm entorrr PPPower (kw · h ))) P r 司uet (kg ))) Pow er (k w · 卜))) P r叼uet (kg ))) 4445 。 555 6 1 。 0 6 333 5 1 . 444 5 6 . 0 4 999 444 5 。 222 6 6 . 5 7 000 5 9 。 5 000 5 6 。 7 7 666 444 4 . 9 555 5 5 . 8 5 333 6 0 。 8 000 6 5 3 8 666 444 4 . 2 000 6 3 . 3 9 888 5 7 。 5 000 5 1 . 5 8 444 444 3 。 6 555 6 0 . 3 9 888 5 9 。 3 000 5 7 . 5 7 444 444 5 . 4 555 5 3 . 0 6 888 6 4 。 5 555 6 7 . 5 8 111 444 1 . 6 000 6 3 。 6 2 000 5 8 . 1 000 6 3 。 7 3 333 444 4 6 555 6 0 . 2 5 555 5 7 . 0 000 5 2 . 5 3 222 6666666 0 . 3 000 6 0 . 7 4 000 AAA v e r a g e 4 4 . 4 000 6 0 . 5 9 111 5 8 。 7 222 5 9 . 1 0 666 研究结果说 明采用不同类型的搅拌桨搅拌 , 其过程参数变化规律有差异 , 适当调整 工艺与搅拌桨的特性匹配 , 可望提高发酵单位 。 翼形桨用于红霉素发酵生产 , 维持相同 或略高的效价 , 可明显节省能耗 。 参 考 文 献 〔幻 王孝宜等. 第四届全国抗生索会议论文集 , 1 9 8 9 , p p . 7 9 ~ 85 . 〔2〕P A C A J ‘t a l . J Fe r m e n t T e e h n o l , 1 9 7 8 , 5 2 ( 2 ) : 1 4 4 . 〔3〕旅干策等. 医药工程设计 , 1 9 9 2 , 孰 L 〔4〕 0 ld sh u e et a l. C 卜em ie a l P roc e ssin g , 1 9 8 2 , 4 5 , 7 4 . 〔5〕 K ro n e L “ a l. In : H e n n ik er N H E n g in ee rin g F u n d atio n re住ren c e , 1 9 8 5 . 〔6〕G alin do E , H e : 提功 R C h e m E n g J , 1 9 8 9 , 4 2 , B g 一B 1 4 . 〔7〕 T ylor J . H e n ry W , P a r k J . E n g i n e e r i n g F u n d a t i o n R e fe r e n e e H e n i k e r N . H . 1 9 8 5 . 〔8〕 G b ewo n er K , H u n t G et a l . I n : H e n n ik e r N H , E ” g in e e r in g F u n d a t io n R e fe r e n e e , 1 9 8 5 . 〔9〕 Ba e k la n d B C , G b e wo n y o K , J a i n D 以 a l. Bi o tee h n ol og y a n d B roe n g in ee ri” g , 1 9 8 8 , 3 1 : 7 3 7 ~ 7 4 2 . 〔10〕陈剑佩 , 戴干策等. 《节能与设备》, 1 9 9 3 , 3 0 : 2 〔11〕方夏虹. 华东理工大学博士论文 , x 9 9 3 , p p . 2 7 ~ 2 8 . T h e E f f e c t s o f A g i t a t i o n o n E r y t h r o m y e i n F e r m e n t a t i o n X i a o Z u o b i n g D a i G a n e e Y a n g M i n g d e C h e n J i a n p e i W u M i n g q u a n ( I n s t i t u t o d of U n it e C h e , ic a l R o c t i洲 E ngi , e e ri : g , Ea “ Ch f , a U n it, , r s 艺ty of s c论n e。 丁“h n olo 盯 , S h a , g h a i 2 0 o 2 3 7 ) A b s t r a c t T h e e f f e e t s o f a g i t a t o r t y p e o n e r y t h r o m y e i n f e r m e n t a t i o n , a n d v a r i a t i o n o f f e r m e n t a t i o n p a r a m e t e r s u e h a s b r o t h v i s e o s i t y , d i s s o l v e o x y g e n , f e r 币en tation u nit , p o w - e r e o n s u m p t i o n , e t e w i t h t i m e w e r e s t u d i e d . T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t p r o e e s s p a r a m e t e r s v a r i e d w i t h t i m 之in ferm en tation 15 d istin et for d irreren t agitator , t h e h y d r o f o i l i n , p e 一ler re p lae e th e d is e tu r b in e im p e lle r , m i g h t s i g n i f i e a n t l y r e d u e e p o w e r e o n s u m p t i o n a t t h e S a l n e - K e y w o r d s E r y t h r o m y e i n , a g i t a t i o n , f e r m e n t a t i o n , h y d r o f o i l i m P e l l e r , P o w e r l e s s .