（制冷及低溫工程專業(yè)論文）微生物發(fā)酵傳熱特性研究及溫度場模擬.pdf

中文摘要 摘。要 生物發(fā)酵技術的應用相當廣泛，能夠緩解能源短缺。毹源嚴峻的形式致使發(fā) l 脬工程技術產業(yè)化勢在必行。進行發(fā)酵過程機理研究，特別是在傳熱方面的研究 和溫度場的模擬，：以提高大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵過程的溫控效率就具有重要的工程應用 意義。 生物發(fā)酵基的制備、發(fā)酵過程控制優(yōu)化、簟殳酵發(fā)生器及其配套設備等技術國 內外都作了一些深入的研究，但是還不完善。斜目應地，誓殳酵工程有很多應用。由 于一些關鍵的技術有待解決，在國內發(fā)酵工程應用相對滯后。對于發(fā)酵傳熱方面 韻研究就更少。本文采用實驗研究、理論分析與數值模擬相結合的方法，研究微 生物發(fā)酵傳熱特性及其溫度場的分布特性。為以后發(fā)酵工程應用提供理論參考。 本文首先選p v c 板制作一個邊長先3 0 0 r a m - 的立方體箱，根據需要布置熱電 偶，做好保溫工作，搭建好發(fā)酵實驗臺。逐步作了柑桔皮渣和葡萄的自然發(fā)酵實 驗。熟悉了發(fā)酵的過程步驟和注意事項。 在線采集溫度數據，發(fā)酵結束進行數據處理，得出溫度時間圖線。通過曲線 圖比較分析，結果表明發(fā)酵具有階段性。溫度隨時間不斷變化。說明發(fā)酵過程中 有內熱源產生，在發(fā)酵期溫度上升明顯，揭示發(fā)酵反應是放熱反應。 對發(fā)酵試樣進行了物性參數測試，從物理性能方面研究發(fā)酵物的特性。由此 對配套設備作出相應的技術處理。發(fā)熱量的大小決定了發(fā)酵后的剩余產物的用途， 合理利用資源。 分析了溫度對發(fā)酵的影響。根據自然發(fā)酵過程的溫度時間回，擬合溫度時間 關聯式。按能量守恒，經過公式推導，引用測試的物性參數，得到內熱源的經驗 公式。 再一次作了葡萄試樣的控溫發(fā)酵實驗。向發(fā)酵箱中間的不銹鋼里面通入冷熱 水源，控制溫度恒定，實時地來控制發(fā)酵過程溫度，：以有利于發(fā)酵的進行。處理 在線采集的溫度數據，得到控溫時的溫度時間圖線。分析表明溫度隨時間變化不 大，；溫度時間圖線幾乎是一條水平直線。，證咀了控溫效果明顯，達到實驗目的。 結合實驗工況、邊界條件，用a n s y s 軟件模擬了溫度場的分布情況。從數值模 t 擬結果和實驗數據結果對比情況看，兩者相近，表明了模擬結果正確，對大型工 業(yè)管網布置提供了理論參考。 關鍵詞：發(fā)酵過程，磚熱，溫度，內熱源 英文摘要 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fb i o l o g i c a lf e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g yi s , q u i t e w i d e s p r e a dw h i c h c a i la l l e v i a t et h ee n e r g yt ob es h o r t t h e ? f o r mo fl a c k 薯皿e r g yc a u s e s , t h e - i m p e r a t i v e d e v e l o p m e n t o ff e r m e n t a t i o ne n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yi n d u s t r y o n d u c t i n g t h e a c a d e m i c r e s e a r c h ；o n ；f e r m e n t a t i v e p r o c e s s ，e s p e c i a l l ys i nt h e h e a t - t r a n s f e ra s p e c t a n d t h e 犯m p e r a t u r e i f i e l ds i m u l a t i o n e n h a n c e s a h ee f f i c i e n c yo f c o n i r o l l i n gt e m p e r a t u r eo n t i l e l a r g e s c a l e 二i n d u s t r i a l - ：f e r m e n a t i o n - ：i ) r o e e s s 之w h i c hd a a v et h e 如p o r t 獅tj p t o j e c t a p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c e r d o m e s t i ea n d ；f o r e i g nt r e s e a r c h e rh a v e ：- a l l 。d o n es o m et h o r o u g h r e s e a r c h o nt h e b i o l o g i c a l 5 ：f e r m e n t a t i o n , b a s e - p r e p a r a t i o n , t h e 。f e r m e n t a t i v ep r o c e s sc o n t r o l o p t i m i z e d ， - t h ef e 加e n t a d o n g e n e r a t o ra n d ，i t ss u p p l e m e n t a r y 。e q u i p m e n t , a n ds oo n ：b u t , i tj s , i m p e r f e c t c o r r e s p o n d i n g l y , t h e - f e r m e n t a t i o n e n g i n e e r i n gh a s 。a p p l i e d ：v e r y ：m u c h b e c a u s es o m ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e sw a i tf o rt h e s o l u t i o n ，t h e d o m e s t i cf e r m e n t a t i o n ；e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i s r e l a t i v e l y i t h a sl e s s b e e nr e s e a r c h e da tt h ea s p e c to f f f e r m e n t a t i o i rh e a tt r a n s f e r t h e a u t h o r , r e s e a r c h e d m i c r o o r g a n i s m 。f e r m e n t a t i o n , h e a t t r a n s f e rp r o p e r t ya n di t st e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t e dc h a r a c t e r i s t i cw i t ht h eu n i o n m e t h o do f o t h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ev a l u es i m u l a t i o n w h i c hp r o v i d et h e ：t h e o r y r e f e r e n c e f f o rt h el a t e rf e r m e n t a t i o ae n l g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i l nt h i sa r t i c l ef i r s tt h e r e d sae u b eb o x ，t om a n u f a c t u r ew i t ht h e 窖v c b o a r dw h o s e s i d el e n g t hi st h e3 0 0 m m a c c o r d i n gt ot h e n e e d s ，t h et h e r m o - e l e m e n ti sa r r a n g e d ，t h e h e a tp r e s e r v a t i o nw o r ki sc o m p l e t e d a n dt h e nt h ef e r m e n t a t i o nl a b o r a t o r yb e n c hw a s d o n ew e l l g r a d u a l l yt h e ya r em a d eo nt h en a t u r a lf e r m e n t a t i o no fo r a n g ep e e l - d r e g s a n dg r a p e sn a t u r e f e r m e n t a t i o nt e s t i th a sb e e n ，f a m i l i a ra b o u t 、t h ef e r m e n t a t i g np r o c e s s s t e pa n d t h em a t t e r sa t t e n t i o nn e e d e d t h eo n l i n eg a t h e r i n g t e m p e r a t u r ed a t aa r ec a r r i e do nt h ep r o c e s s i n ga t t h ee n do f t h ef e r m e n t a t i o n e x p e r i m e n ga n d t h e nt t h e r e s u l t i st h e 。t e m p e r a t u r et i m e g r a p h a c c o r d i n gt t ot h e d i a g r a m o fc u r v e s ：c o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，f i n a l l y1 i t ：i n d i c a t e s t h e ，f e r m e n t a t i o nh a sg r a d u a l n e s s t h et e m p e r a t u r eu n c e a s i n g l yc h a n g e sa s - = n e c e s s a r y , w h i c h * h o w st h ef e r m e n t a t i v ep r o c e s sh a st h e h e a ts o u r c ep r o d u c t i o n t h et e m p e r a t u r er i s ei s o b v i o u si n - t h ef e r m e n t a t i o np r o c e s s i ts h o w st h a t t h e f e r m e n ，t a t i o nr e s p o n s e i st h e e x o t h e r m i cr e a c t i o n t h ea u t h o rh a sc a r r i e do nt h en a t u r a lp a r a m e t e rt e s tt ot h ef e r m e n t a t i o ns p e c i m e n ， l l l 重慶大學碩士學位論文 s t u d i e st h ef e r m e n t a t i o nc h a r a c t e r i s t i cf r o mt h ep h y s i c a lp e r f o r m a n c ea s p e c t ，a n dm a k e s c o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a lp r o c e s s i n gt o t h es u p p l e m e n t a r ye q u i p m e n t t h ec a l o r i f i c c a p a c i t ys i z eh a sd e c i d e dt h eu s eo ff e r m e n t a t i o ns u r p l u sp r o d u c t ，w h i c hr e a s o n a b l y u s e dt h er e s o u r c e s t h ea u t h o rh a sa n a l y z e di n f l u e n c eo ft h et e m p e r a t u r et ot h ef e r m e n t a t i o n a c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r e - t i m ec h a r ti nt h en a t u r ef e r m e n t a t i v ep r o c e s s ，t h ea u t h o r s i m u l a t e st h ef i t t i n gt e m p e r a t u r e t i m et y p ef o r m u l a i na c c o r d i n gt ot h ec o n s e r v a t i o no f e n e r g y , t h ep r o c e s se q u a t i o nd e v e l o p m e n t ，i to b t a i n st h ei n t e r n a lh e a ts o u r c ee m p i r i c a l f o r m u l aa f t e rt h eq u o t a t i o nt e s tn a t u r a lp a r a m e t e r t h ea u t h o rm a d et h ec o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r ef e r m e n t a t i o nt e s to ft h e g r a p e s p e c i m e no n c ea g a i n t h ec o l dh o tw a t e rs o u r c ei sp a s s e dt ot h es t a i n l e s ss t e e li n s i d ei n t h em i d d l eo ff e r m e n t a t i o nb o x t h et e m p e r a t u r eo fw a t e ro ft h es t a i n l e s ss t e e li n s i d ei s i n v a r i a b l e ，w h i c hc a nr e a l t i m e l yc o n t r o lt h ef e r m e n t a t i v ep r o c e s st e m p e r a t u r e ，i ti s a d v a n t a g e o u st of e r m e n t a t i o nc a r r y i n go n p r o c e s s i n gt h eo n l i n eg a t h e r i n gt e m p e r a t u r e d a t a ，i tw i l lo b t a i nt h et e m p e r a t u r et i m eg r a p hu n d e rc o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r e t h e a n a l y s i si n d i c a t e st h et e m p e r a t u r ec h a n g e sa st i m ei sn o ti nab i gw a y , t h et e m p e r a t u r e t i m eg r a p hn e a r l yi sae v e ns t r a j i 曲tl i n e i th a sp r o v e nt h ee f f e c to fc o n t r o l l i n g t e m p e r a t u r ei so b v i o u s ，a c h i e v e st h ee x p e r i m e n t a lg o a l a c c o r d i n gt ot h eu n i o n o fe x p e r i m e n to p e r a t i n gm o d e sa n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n ， t h ea u t h o rh a ss i m u l a t e dt h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t e ds i t u a t i o nw i t ha n s y ss o f t w a r e f r o mt w ov a l u ea n a l o g u er e s u l t so ft h ec o n t r a s tb e t w e e ns i m u l a t i o nd a t aa n de m p i r i c a l d a t a ，i th a di n d i c a t e st h es i m u l a t i o ni sc o r r e c t ，h a sp r o v i d e dt h et h e o r yr e f e r e n c et ot h e m a j o ri n d u s t r yp i p en e t w o r ka r r a n g e m e n t k e y w o r d s ：f e r m e n t a t i o np r o c e s s ，h e a tt r a n s f e r , t e m p e r a t u r e ，i n t e r n a lh e a ts o u r c e 主要符號表 效率 功，j 密度，竄m 3 溫度， 相關系數 內熱源，w 矗 體積變化， 形函數 主要符號表 i x 口 熱能，j a e能量變化，j c 比熱容，k j 殛 f 時間，s t節(jié)點溫度， a 導熱系數，w ( m k l 日焓變化，j 田胃p。rei斛n 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取 得的研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文 中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得重麼盍堂 或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本 研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名：防守叫弓簽字日期：沙。e 年j 月7 。日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解重龐太堂有關保留、使用學位論文的 規(guī)定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許 論文被查閱和借閱。本人授權重慶盔堂可以將學位論文的全部或部 分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段 保存、匯編學位論文。 保密() ，在年解密后適用本授權書。 本學位論文屬于， 不保密( ) 。 ( 請只在上述一個括號內打“4 ”) 學位論文作者簽名：防扣啼弓 簽字日期：弘6b 年1 月7 。日 導師簽名：協辭 簽字日期：伽，g 年，月歲。日 1 緒言 1 緒言 1 1 課題背景及意義 2 1 世紀的工業(yè)生物技術產業(yè)是什么樣的格局，作為工業(yè)生物技術基礎的發(fā)酵 工程在已經開始的生物經濟時代所處的狀態(tài)，所起的作用，面臨的課題都是人們 所關注的問題。 發(fā)酵是微生物在一定的培養(yǎng)環(huán)境中生長并形成代謝產物的過程。原本發(fā)酵是 指微生物在厭養(yǎng)條件下，將有機物不完全氧化為一些代謝產物而獲取能量進行生 長的過程，不過現在把微生物的好氣培養(yǎng)也歸入發(fā)酵。隨著人類對微生物的認識 的加深，微生物資源的開發(fā)日益深入，發(fā)酵工業(yè)提供了越來越豐富的產品，為人 類生活質量的提高作出了重大貢獻。 幾千年前，現代人的祖先已經掌握了釀酒、發(fā)面、制醋等技術，經過一代一 代作業(yè)者的改良，改善了人類的生活。不過，根本不了解發(fā)酵機理，發(fā)酵技術的 進步受到很大的限制。1 8 世紀微生物的發(fā)現，大大促進了發(fā)酵業(yè)的發(fā)展。2 0 世紀 4 0 年代由微生物學家和化學工程師的通力合作實現了青霉素的產業(yè)化h 。極大地 推動了現代發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展，并促進生化工程這一學科的誕生。近年來，分子生 物學和基因重組技術的發(fā)展為利用微生物生產異源蛋白質和構建高產菌種創(chuàng)造了 條件，給發(fā)酵工業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇。 與傳統(tǒng)的化學工程相比，發(fā)酵工程有某些突出特點：主要以可再生資源作 原料；反應條件溫和，多為常溫常壓、能耗低、選擇性好、效率高的生產過程： 環(huán)境污染較少；投資較??；能生產目前不能生產的或用化學法生產較困難 的性能優(yōu)異的產品。由于這些特點，發(fā)酵工程己成為工業(yè)領域重點發(fā)展的行業(yè)， 發(fā)酵工程產品包括各種抗生素、氨基酸、維生素、有機酸等與人們日常生活息息 相關的產品。 發(fā)酵工程技術主要包括提供高性能生產菌種技術、實現降低成本大規(guī)模生產 產品的發(fā)酵技術及最終獲得合格產品的分離提取技術。進行發(fā)酵工程關鍵技術及 重大產品的研究開發(fā)，將發(fā)揮中國豐富的生物資源優(yōu)勢，提高發(fā)酵技術的水平， 促進食品加工、生物化工、生物醫(yī)藥等相關行業(yè)的產品競爭力和可持續(xù)發(fā)展。 作為全世界最大的發(fā)展中國家，當前中國工業(yè)化階段正處于資源消耗的高峰 期，面臨的問題尤為突出：資源缺乏、能源短缺、石油資源短缺、環(huán)境污染等己 成為中國經濟可持續(xù)發(fā)展的障礙。發(fā)酵工程是解決以上問題的重要手段，發(fā)展生 物工業(yè)產業(yè)是有效利用中國豐富生物資源的重要手段。中國擁有十分豐富的微生 物和動植物等生物資源，為發(fā)酵工程技術產業(yè)發(fā)展提供了得天獨厚的有利條件。 重慶大學碩士學位論文 中國是一個農產品生產和消費大國。目前，中國糧食年總產量為5 億噸左右，其 中稻谷1 9 5 億噸，小麥為1 2 3 億噸，均為世界之首。中國陳年糧的數量巨大，處 理任務艱巨。據統(tǒng)計，在釀酒、氨基酸、有機酸、酶制劑、淀粉糖、酵母等幾個 主要產業(yè)中。每年的糧食加工量接近全國糧食總產量的5 左右【“。提高發(fā)酵工程 技術水平，利用基因技術等擴大結構調整、提高農副產品附加值和增加農民收入 都具有十分重要的意義。不少專家預測，全世界探明的石油可開采儲量為1 0 0 0 億 噸1 4 0 9 億噸，按目前的采油速度，只能開采4 0 年左右。中國石油緊缺尤為突出。 隨著未來經濟的快速發(fā)展和能源結構的調整，中國對石油的需求還會增大。另外， 石化能源燃燒后產生的二氧化碳、氧化氮、氧化硫以及排放的黑煙是導致嚴重環(huán) 境污染如溫室效應、全球氣候變暖等的主要原因。嚴重的能源危機和環(huán)境問題促 使人們進行石油替代能源的研究和開發(fā)。中國和發(fā)達國家相比，發(fā)展發(fā)酵工業(yè)具 有勞動力成本低、投資成本低等諸多優(yōu)勢，將有利于中國兩大支柱產業(yè)一化學 工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)的產業(yè)升級和國際競爭力的提升【。利用發(fā)酵工程，以農副產品為 原料生產具有高技術含量、高附加值的產品，是中國農產品的主要出路之一。利 用淀粉發(fā)酵燃料乙醇部分代替石油是新能源研究與開發(fā)的一個重要項目，目前燃 料乙醇在北美洲和南美洲己占相當比例，裝備燃料乙醇的發(fā)動機的汽油車已投入 市場1 4 j ；以農產品為原料利用發(fā)酵工程技術生產化工原料可以減輕傳統(tǒng)化學工業(yè) 的污染，實現資源的再生利用?？傊罅﹂_發(fā)發(fā)酵工程技術，對于有效利用中 國豐富的生物資源、增加農產品轉化、提高農產品的附加值、減少環(huán)境污染、提 高民族工業(yè)的國際競爭力、實現國民經濟的持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的意義。 因此生物發(fā)酵技術的產業(yè)化就勢在必行，進行發(fā)酵過程機理研究，特別是在 傳熱方面的研究和溫度場的模擬，以提高大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵過程的溫控效率就具有 重要的工程應用意義。 1 2 發(fā)酵技術 發(fā)酵技術包括發(fā)酵培養(yǎng)基制備技術、發(fā)酵過程控制優(yōu)化技術及與發(fā)酵過程配 套的技術( 空氣壓縮、攪拌、制冷等技術) 。 對于發(fā)酵基制各技術，國內企業(yè)及其研發(fā)機構通常主要考慮以發(fā)酵生產成本 最低為目標進行開發(fā)，即采用最低的成本制備發(fā)酵所需的大量營養(yǎng)物質，包括兩 方面的內容：以最低的價格購買發(fā)酵原材料；以最低的成本對原材料進行滅 菌。而目前世界上的技術發(fā)展趨勢是將發(fā)酵和提取結合起來綜合考慮產品的生產 成本來開發(fā)培養(yǎng)基的技術。合成培養(yǎng)基由于成分簡單，含雜質少，有利于后提取 的產品分離，已逐漸成為國外大公司的首選。雖然這樣發(fā)酵成本略有上升，但是 提取成本卻因為工藝的簡化而大大降低，并且合成培養(yǎng)基由于成分清晰，發(fā)酵結 2 1 緒言 果重復性好，這一動態(tài)值得國內同行關注和借鑒。 發(fā)酵過程控制優(yōu)化指的是在已經提供的菌種或基因工程菌基礎上，在發(fā)酵發(fā) 生器中通過操作條件的控制或發(fā)酵發(fā)生器裝備的選型改造，達到發(fā)酵成品最優(yōu)， 即生產能力最大、成本消耗量最低或產品質量最高。當前中國在傳統(tǒng)生物技術產 業(yè)上有關發(fā)酵產品的品種和生產量已經處于世界第一的地位，但是由于發(fā)酵過程 控制優(yōu)化技術研究和應用滯后的原因，許多產品的生產水平不高，與國際差距大， 因而生產成本很高，市場競爭能力弱。 隨著在發(fā)酵發(fā)生器中微生物大規(guī)模培養(yǎng)技術的深入研究，以及對以批式培養(yǎng) 為主要對象的發(fā)酵過程參數的時變性、多樣性、耦合性和不確定性的認識，建立 了以過程動力學為基礎的數學模型，又引入了一系列現代控制理論，其中有靜態(tài) 和動態(tài)優(yōu)化、系統(tǒng)識別、自適應控制、專家系統(tǒng)、模糊控制、神經元網絡直到各 種混沌現象的研究，以實現過程優(yōu)化。這種適應發(fā)酵過程的非線性特征的研究方 法對深入開展微生物培養(yǎng)技術研究以及提高學術研究水平起了很大作用【“。但在 實際工業(yè)生產上仍有很大局限性，效果不明顯。近年來有關代謝工程研究的文獻 大量報道，這些研究還與生化研究結合起來，由宏觀走向微觀把代謝網絡中的代 謝流分配與化學計量結合起來，并通過計算機仿真得到許多有價值的結果。這些 在基因水平和細胞水平的代謝調控研究為深入理解微生物過程起著重要作用，但 是在發(fā)酵發(fā)生器的實際操作中，由于發(fā)酵過程酶學研究的困難，以及過程特征數 據采集和處理的困難，發(fā)酵工藝優(yōu)化研究的基本思路仍舊時尋求培養(yǎng)基配方和最 佳溫度、p h 、溶解氧等采用動力學為基礎的以最佳工藝控制點為依據的靜態(tài)操作 方法，實際上這只是化學工程的動力學概念在發(fā)酵工程上的延伸【。長期以來， 無論是商業(yè)化或工業(yè)規(guī)模的發(fā)酵發(fā)生器的傳感器與計算機配置都是以宏觀動力學 為理論指導，因而有很大的局限性。隨著對發(fā)酵代謝流為核心的發(fā)酵過程多尺度 問題認識的增加，傳感器與計算機軟硬件配置除考慮動力學的概念外，還加強了 發(fā)酵發(fā)生器物料流和代謝流的檢測。在發(fā)酵發(fā)生器中設計、利用各種傳感技術， 把各種檢測參數的多樣性、時變性、相關耦合性和不確定性，通過這些特性就可 以得到生物反應器中多尺度問題有意義的研究內容。目前國外已普遍使用尾氣分 析儀對發(fā)酵過程中菌體的代謝情況并作出相應的工藝調整，確保了小試規(guī)模的發(fā) 酵工藝能夠成功放大，目前普遍使用2 0 0 - 3 0 0 n ，的發(fā)酵裝置進行產品的發(fā)酵生產， a m d 公司進行黃原膠生產的發(fā)酵罐甚至達到4 5 0 的規(guī)模，而國內發(fā)酵廠1 0 0 彳以 上的很少。普遍使用的是3 0 5 0 口的發(fā)酵罐進行生產，使得產品的生產規(guī)模難以 擴大，成本高據不下。 發(fā)酵技術中的配套設備對于發(fā)酵產品成本的降低極為重要。發(fā)酵產品的成本 中有4 0 6 0 9 6 是設備使用的動力成本( 包括水、電、汽、氣) ，然而在這方面長 3 重慶大學碩士學位論文 期為國人所忽視，發(fā)酵工程所需使用配套的開發(fā)遠遠落后于國外同行。以最簡單 的發(fā)酵攪拌為例，國內發(fā)酵規(guī)模長期停滯不前的一個主要原因就是攪拌軸機械加 工技術落后、難以生產出適合大規(guī)模發(fā)酵攪拌所需要的攪拌軸，缺少有實力的企 業(yè)投入資金人力開發(fā)。發(fā)酵工業(yè)中發(fā)酵罐配套設備國產化，需要各個部門的合作 攻關。 1 3 發(fā)酵過程機理國內外研究現狀 幾千年來，采用微生物發(fā)酵技術來生產各種酒類、醋、泡菜及各種奶制品等 的過程一直是采用經驗法，而對其中的原理知之甚少。在1 9 世紀的后5 0 年中， 對有關發(fā)酵機理的爭論促使目前作為應用微生物學和生物化學科學基礎的一系列 研究的進行。 數個世紀以來，人們一直把發(fā)酵過程等同于今天所稱的化學反應，其主要誤 解可能是由于發(fā)酵過程會產生劇烈的氣泡。1 9 世紀早期有一些證據進一步支持了 發(fā)酵過程是嚴格意義上的化學反應這一觀點。由l a v o i s i e r 和g a y l u s s a c 所領導的 法國化學家得出酒精發(fā)酵能被描述為一分子葡萄糖轉化成兩分子乙醇和兩分子二 氧化碳的過程，當然，需要將酵母加入葡萄糖溶液以確?？芍貜图翱焖俚陌l(fā)酵過 程能夠進行。按照化學家的說法，酵母僅僅作為一種化學催化劑。1 8 3 7 年，t h e o d o r s c h w a n n 和c h a r l e sc a g n i a r d - - l a t o u r 各自發(fā)表了有關酵母是一種生物體的研究報 道，在他們的論文發(fā)表之前，酵母一直僅被認為是一種含蛋白質的化學物質。難 以確定酵母是一種活體的一個理由是其像大多數真菌一樣不能動的。酵母細胞的 性質是在改良型的顯微鏡出現后才被發(fā)現的【。s c h w a n n 和c a g n i a r d - - l a t o u r 也觀 察到酒精發(fā)酵總是在有酵母存在時才會發(fā)生。且隨著酵母的繁殖而不斷進行，并 在酵母生長停止后即終止，因而這兩個科學家后來推出的發(fā)酵的生物學原理對當 時主要的化學家們提出了挑戰(zhàn)。1 8 5 7 年，巴斯德發(fā)表了他在發(fā)酵領域的第一篇論 文，該文章所研究的時有關乳酸發(fā)酵，而不是酒精發(fā)酵。采用當時最精細的顯微 鏡，巴斯德發(fā)現牛奶變酸與微生物的生長有關，在隨后的數年中，巴斯德將其研 究擴展到其他發(fā)酵過程中，乳酸發(fā)酵是不動細菌。巴斯德的發(fā)現為生物學原理提 供了有力證據。在1 8 6 0 年巴斯德總結得出：發(fā)酵是一種生物過程，不同的發(fā)酵過 程是由不同的微生物產生的。沒有細胞的繁殖及其持續(xù)的活動，酒精的發(fā)酵是不 可能進行的。在確證活酵母能產生酒精發(fā)酵之后，分離和鑒定負責其它類型發(fā)酵 的微生物也取得了很快的進展【8 j 。大量實踐經驗的積累、商業(yè)化培養(yǎng)基的開發(fā)及生 產菌種的改良，促使發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展趨于多元化。隨著生產菌種的改良技術的成 熟和完善，各種新型、高效生物反應器的研究與開發(fā)，反應器中供氧、傳質的改 善，等一系列問題的解決，微生物發(fā)展工業(yè)進入了一個嶄新的發(fā)展階段。 4 1 緒言 發(fā)酵過程產物的生產水平取決于所用菌種的生產能力、發(fā)酵的工藝條件和發(fā) 酵罐的操作性能。對于給定的菌株，通過建立適當的發(fā)酵工藝，給微生物提供良 好的環(huán)境，可以充分發(fā)揮所用菌株的生產能力，提高發(fā)酵的水平。發(fā)酵過程的工 藝控制，則有賴于發(fā)酵罐的操作性和過程控制。例如青霉素發(fā)酵，現在的水平已 經超過5 0 9 l ，比原來提高了4 0 0 0 倍以上【9 j ，取得這樣的成果依靠菌種選育、發(fā) 酵工藝改進和發(fā)酵罐的操作性能和過程控制。獲得一個生產菌株后，需要確定發(fā) 酵的工藝條件，如種子的培養(yǎng)、溫度、培養(yǎng)基、p h 、通氣、補料等。例如，在早 期的青霉素發(fā)酵中采用乳酸為碳源，若以易利用的葡萄糖為碳源則菌種生長旺盛， 但嚴重影響青霉素的生成。發(fā)酵中通過緩慢補加葡萄糖可有效避免碳源代謝無阻 遏【，從而替代了乳酸的使用。在進行發(fā)酵的工藝研究時，很多采用了實驗設計 和統(tǒng)計學的方法，如正交設計、均勻設計、響應面法等，收到很好的效果。 發(fā)酵的本質是化學反應，伴隨著菌體的生長，營養(yǎng)物質濃度和代謝產物濃度 響應發(fā)生變化，這些變化間存在一定的關系，從物料平衡、能量平衡和反應動 力學的角度研究發(fā)酵過程的特點和規(guī)律，是發(fā)酵過程優(yōu)化的重要手段。在發(fā)酵過 程中，產物的合成與微生物的生長速率往往有密切的關系，一些初級代謝發(fā)酵過 程中，菌體的生長速率長于產物的合成速率有關，而次代謝產物的合成則一般與 菌體的生長不相關。如許多抗生素發(fā)酵顯示兩個階段，即生長階段和生產階段。 在生長階段中，菌體生長素率高，但抗生素合成速率很低或不合成抗生素，隨著 菌體生長速率的下降，抗生素大量合成，進入生產階段，因此在這兩個階段中， 發(fā)酵條件的控制是不同的。 然而，微生物在代謝產物合成中受到自身的調節(jié)。研究有關產物的合成途徑 及代謝調節(jié)，對于高手菌種的選育和發(fā)酵過程的控制有重要的指導作用【。例如 氨基酸的合成收到自身嚴密的調控，通常不會過量生產，通過對微生物氨基酸合 成調控的研究，選育出能積累各種氨基酸的突變菌株。隨著基因工程技術的發(fā)展 普及，和我們自己有罐發(fā)酵機理盼更過研究，有助于建立合理的發(fā)酵工藝，提高 發(fā)酵生產水平【1 3 在國內有關發(fā)酵傳熱及其內熱源的有無、公式的擬合等研究出現的比較少。 在某種意義上說，對此相關研究還有許多工作要做，需要建立在實驗的基礎上完 成理論論證。隨著發(fā)酵技術的發(fā)展相關的機理分析會逐漸增多。 數學模型和計算能夠幫助人們加深對生物過程的認識【。在對發(fā)酵過程的研 究中，研究人員很早就關注菌體生長、底物消耗和產物生成速率的定量規(guī)律。由 于微生物代謝的復雜性和計算機能力的限制，菌體內部的代謝反應通常作為黑箱 處理。盡管如此，仍然還有許多研究致力于微生物宏觀代謝特性與細胞水平的代 謝規(guī)律的關聯。例如，1 9 7 4 年日本的井上一朗等根據物料平衡的原理研究了酵母 5 重慶大學碩士學位論文 菌在連續(xù)培養(yǎng)中用于菌體生長、二氧化碳生成和乙醇生長的葡萄糖消耗分配；1 9 7 6 年v e r h o f f ”叫等根據檸檬酸發(fā)酵涉及的代謝反應的計量關系，分析了檸檬酸和草 酸可能的合成途徑；1 9 8 4 年p a p o u t s a k i s 根據丁酸菌發(fā)酵的代謝反應和化學計量關 系，對文獻報道的不同丁酸發(fā)酵數據進行了計算u 7 j ；d u b a c h ”等根據化學計量關 系考慮了菌體大分子結構的前體化合物合成，從而對大腸桿菌在基本培養(yǎng)基中的 生長進行模擬；1 9 9 3 年v a l l i n o 【1 9 等采用包括3 4 個代謝反應和3 7 個代謝物的化學 計量關系，計算了包括菌體生長的谷氨酸棒桿菌發(fā)酵生產賴氨酸的代謝流的分布。 這些以細胞為反應器的研究，對提高細胞的生物反應效率重建細胞的代謝網絡等 研究具有深遠的意義。 近年來還有人采用由許多不同化學氣體傳感器組成的電子鼻，用于對發(fā)酵過 程產生的揮發(fā)性化合物進行檢測。由于化學氣體傳感器對發(fā)酵產生的揮發(fā)性代謝 產物響應沒有專一性，所以用來跟蹤發(fā)酵過程的變化需采用有關數學方法，如用 主元分析法選擇具有代表性的傳感器響應數據，用人工神經網絡對發(fā)酵過程進行 模擬?，F有研究表明，電子鼻能夠對發(fā)酵中菌體生長等進行模擬，而且可以及時 發(fā)現雜菌污染和進行微生物鑒別等。 發(fā)酵過程中變量的檢測不僅為過程特征的研究提供了大量信息，也為對其進 行控制創(chuàng)造條件。通過反饋控制，發(fā)酵溫度、p h 、溶氧等均能控制在所需的范圍 內，保證發(fā)酵的順利進行。同時，隨著計算機技術和相關的控制技術的發(fā)展，工 業(yè)發(fā)酵中計算機的應用也越來越普遍。 2 0 世紀4 0 年代青霉素發(fā)酵的產業(yè)化，催生了生物化學工程學科，為發(fā)酵工業(yè) 的發(fā)展提供了堅實的基礎。同時，得益于化學工程、自動控制、計算機技術、分 析測定技術等方面的研究成果發(fā)酵過程的面貌發(fā)生了巨大變化。發(fā)酵不再完全進 行，計算機已在發(fā)酵工廠中普遍應用。隨著對微生物遺傳學的深入了解和基因操 作技術的普及，高產菌種和生產新產物菌種的構建，以及生物合成所具有的低能 耗、低污染的特點，給發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展提供了無窮的機會。發(fā)酵過程的工藝控制， 提高了產物的生產速率和產物關于主要底物的轉化率。發(fā)酵過程的放大，以便了 解在不同培養(yǎng)條件下微生物代謝的變化，為過程的工藝提供了依據。過去由于技 術上的限制在研究發(fā)酵過程時，多將細胞內的反應作為黑箱處理，對于所得到的 技術較成熟，將發(fā)酵過程中微生物顯示的宏觀代謝特征研究與細胞水平的代謝特 征研究相結合，深入認識發(fā)酵的機理，對于發(fā)酵過程的優(yōu)化和放大具有重要意義。 另外，細胞對周圍環(huán)境如溫度、p h 、營養(yǎng)濃度具有檢測并反應的能力，近年來還 發(fā)現細胞和細胞之間通過信號物質會對細胞的代謝進行調控【，有人發(fā)現與細胞 濃度有關的信號分子對基因工程菌外源基因的表達也產生影響l “。因此，在對發(fā) 酵研究中，注意與基因組和生物信息學的研究成果相結合，在分子水平上了解發(fā) 6 1 緒言 酵過程所顯示規(guī)律的機理，有助于更有效地進行發(fā)酵過程優(yōu)化。 1 4 發(fā)酵工程發(fā)展現狀 1 4 1 國外發(fā)酵工程現狀 發(fā)酵工程技術經過了5 0 多年的發(fā)展，目前已經形成了一個完整的工業(yè)體系， 整個發(fā)酵工程行業(yè)也出現了一些新的發(fā)展趨勢。 由于發(fā)酵工業(yè)工程應用面廣，涉及行業(yè)多，所以應用發(fā)酵工業(yè)的企業(yè)較多。 據報道，目前美國生物技術的企業(yè)有1 2 0 0 多家，西歐有5 8 0 多家，日本有3 0 0 多 家。其中既有a d m 公司、諾維信公司等專門以發(fā)酵工程居多和生產部分產品的公 司，也有d s m 公司、漢高公司等利用大規(guī)模發(fā)酵技術生產部分產品的公司，還有 在某一方面有專長的公司如生產基因重組蛋白質的a m g e n 公司等。進入2 1 世 紀，生命科學己成為新世紀最具活力的領域之一，世界大公司正在把注意力向生 命科學轉移，生物技術正在從食品、醫(yī)藥、農產品這些傳統(tǒng)領域向化工、塑料、 燃料和溶劑等工業(yè)領域擴展，尤其是發(fā)酵工程技術在向傳統(tǒng)的化學工業(yè)延伸，這 必將化學工業(yè)帶來巨大變革。 在傳統(tǒng)化學工業(yè)中，化學反應一直依賴高溫條件和以化學品作為催化劑。而 現在，這些工藝正在向采用生物催化劑的方向發(fā)展。隨這更加穩(wěn)定、形式多樣的 各種頹品種酶不斷被開發(fā)出來，酶可以安全的起到工業(yè)催化劑的作用。目前世界 工業(yè)酶的市場銷售總額為2 6 億美元年且年均增長率在1 1 以上。特別是酶能夠 產生活性分子這一能力將使得采用酶的工藝路線成為精細化工的首選技術。在最 近幾年里，纖維酶和脂肪酶以及植物酶的使用量增長迅速。傳統(tǒng)合成方法生產的 藥品，現在已經改成采用酶工程工藝生產。德國巴斯夫公司建設一家r 一苯乙醇酸 生產廠，采用使生物催化工藝，產品純度達9 9 h 。美國一家公司將一種酶的熱 穩(wěn)定性比其自然狀態(tài)下提高了3 萬倍，使這種酶可以反復地加熱和冷卻而不失去 活力。德國的酶生產廠家r o c h e 診斷公司與美國加州的生物催化劑公司采用遺傳 工程的發(fā)放開發(fā)用于生產工藝的酶，特別是用于醫(yī)藥工業(yè)的手性藥物。而酶工程 技術得以迅速發(fā)展的前提條件就是發(fā)酵工程的日趨成熟，使各種工業(yè)用酶的生產 成本大幅度降低，工業(yè)應用得以實現。， 近年來許多國家對利用生物技術生產塑料和燃料的研究力度都在加大。對于 塑料生產廠家而言，用植物這樣的可再生資源來取代以石油為基礎的原料。發(fā)展 前景極為誘人。樹脂生產廠家不在依靠化石燃料的有限供應，可降解性的生物高 分子可以變成肥料，不僅節(jié)省了填埋場所占的土地面積，而且更有利于環(huán)境保護 和工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。從玉米、高粱和其他植物獲得的淀粉和糖，是目前正在開 發(fā)的幾種生物化學新工藝的基礎原料。例如，日本三井正在生產應于農用地膜、 7 重慶大學碩七學位論文 瓶子和耐熱容器等生物包裝材料的l a c e a p l a 。他們還在研究完全由氨基酸、二醇、 二羧酸等共聚單體生產聚酯。另外，環(huán)保型的酯類溶劑也可以來自植物，它們將 取代大約8 0 的現有的有毒溶劑。國外科學家于1 9 9 9 年就已經獲得這項技術的專 利權。這項專利技術可從碳水化合物原料中提取出高純度乳酸酯，并使生產成本 降低一半，大大節(jié)約了能源，減少了揮發(fā)性排放物。 據統(tǒng)計，2 0 0 0 年美國的1 2 9 0 家生物技術公司實現銷售收入1 4 6 億美元，比 1 9 9 5 年增加了1 5 。而且這個行業(yè)還在不斷地擴大，預計在未來5 年里，美國在 這一領域的業(yè)務年均增長率將達到1 1 。同時，生物技術在歐洲的發(fā)展速度也極為 迅猛，整個歐洲新創(chuàng)立的生物技術公司數量已經超過1 5 0 0 個。在過去3 年里，德 國新建的公司已經增加了1 5 0 9 6 以上，成為歐洲生物技術公司最多的國家。近年來， 歐美許多傳統(tǒng)的化學公司已將重點轉向生物技術，包括美國的孟山都公司、德國 的赫司特公司和法國的羅納普朗克公司等。由此可以看到，生物技術已經成為新 世紀最具有活力和生命力的領域之一，其突飛猛進的發(fā)展是各國的產業(yè)結構發(fā)生 了巨大變化，必將給傳統(tǒng)工業(yè)尤其是化學工業(yè)帶來革命性的影響。生物技術用于 精細化工是2 1 世紀世界范圍內重點發(fā)展的高新技術領域之一，將其用于生產農用 抗生素、細胞農藥、真菌農藥和病毒農藥等生物農藥，具有安全性好、選擇性高、 易于溶解、污染小、用量少等優(yōu)點；用于食品添加劑生產，可代替化學合成方法 生產向景象料，如聚基丁酸酯及聚乳酸等。以生物為基礎的手性化合物在精細化 工產品中占有重要地位，目前世界上正在開發(fā)的1 2 0 0 中新藥中有2 3 是手性藥物， 預計2 0 0 5 年全球新_ 市的化學藥品中將有6 0 為單一異構體【2 4 , 2 5 j 。利用生物催化 劑制備手性化合物具有廣闊的應用前景，用于不對稱合成、對映體拆分，不僅可 以催化很多的化學反應，還可以合成結構復雜、具有生物活性的大分子和高分子 化合物，同時可以解決利用化學法進行不對稱合成與拆分所需的壽星員以及產生 的無效對映體和環(huán)保問題。隨著現代生物技術的興起，發(fā)酵工程的應用已經涉及 到國計民生的方方面面，包括農業(yè)生產、輕化工原料生產、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、環(huán) 境保護、資源和能源的開發(fā)等各領域。當代，隨著生物工程上游技術的進步以及 化學工程、信息工程和生物信息學等學