【正文】 際上可用于工業(yè)規(guī)模的培養(yǎng)基組成的品種是有限的。甜菜糖、蔗糖和谷物等碳水化合物是大多數(shù)培養(yǎng)基的主要碳源和能源。可按照經(jīng)濟(jì)上和第四章的原則，從中選擇。 近年來(lái)，熱衷于用石油化工產(chǎn)物作為碳源的嘗試。首先是作為單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)時(shí)的底物。但距工業(yè)實(shí)踐還有一段距離，而甲烷和甲醇用于大規(guī)模發(fā)酵過(guò)程中是十分經(jīng)濟(jì)的。 多種廢棄物似乎也可以作為碳源，但是因?yàn)榕c其他適當(dāng)?shù)牡孜锏膬r(jià)格上的競(jìng)爭(zhēng)，使它的應(yīng)用受到限制，在加上其他一系列的問(wèn)題如物料的波動(dòng)性、夾雜的雜質(zhì)使工藝難以正常進(jìn)行、含水量高的增加了運(yùn)輸費(fèi)用、產(chǎn)地 的地理位置、產(chǎn)量的不穩(wěn)定性和季節(jié)性等，更增加其擴(kuò)大使用的困難。對(duì)于工業(yè)廢棄物利用的可能性，取決于所選擇的處理方法的成本，或達(dá)到政府允許污染限度之內(nèi)的可能性。 無(wú)機(jī)組分只占培養(yǎng)基總成本中較小的比例。如在單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)中，它只占制造成本的 414%。雖然等級(jí)品比肥料級(jí)磷酸鹽的價(jià)格貴得多，但不含鐵、砷和氟化物等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的含量在制造食品和藥物時(shí)，都受到嚴(yán)格的控制。鉀、鎂、錳、鋅和鐵的氫氧化物和硫酸鹽對(duì)不銹鋼的腐蝕較氯化物小。這些堿性物質(zhì)可以引起產(chǎn)物生產(chǎn)能力明顯波動(dòng)。 第七節(jié) 空氣滅菌 供應(yīng)大量的滅菌空 氣，是需要發(fā)酵時(shí)所具有的獨(dú)特的問(wèn)題。雖然又可能利用熱滅菌技術(shù)，但一般認(rèn)為其全部操作費(fèi)用過(guò)于昂貴。 Richards 曾設(shè)計(jì)過(guò)利用熱對(duì)空氣進(jìn)行滅菌的方案。他估計(jì)處理每分鐘 283M3 的空氣，所需的熱量為每分鐘33000CHU；并且還需相同的冷卻負(fù)荷，每小時(shí)的操作費(fèi)用為 5~10 英鎊。 Stark和 Pohler 發(fā)現(xiàn)可以利用壓縮空氣的熱量對(duì)空氣進(jìn)行滅菌。他們認(rèn)為如采用往復(fù)式空氣壓縮機(jī)，其壓力為 ，不加過(guò)濾器，最經(jīng)濟(jì)的供氣范圍是每分鐘 ~。單級(jí)空氣壓縮機(jī)，加有過(guò)濾器，最經(jīng)濟(jì)的供氣范圍是 每分鐘 ~566M3 。而渦輪式空氣壓縮機(jī)的最大經(jīng)濟(jì)效益的供氣范圍為707849M3。 將壓縮空氣通過(guò)纖維或顆粒物質(zhì)的深床過(guò)濾，是最普通的空氣除菌方式。它是可供選擇的除菌方法中較為經(jīng)濟(jì)和簡(jiǎn)單的。過(guò)濾器的投資費(fèi)用取決于它的大小，主要是截面積。而對(duì)同一大小的過(guò)濾器的操作費(fèi)用，則取決于空氣通過(guò)過(guò)濾器后的壓力降。增加過(guò)濾器的截面積，勢(shì)必增加投資費(fèi)用，用低的操作成本，勢(shì)必使空氣的表觀速度和壓力下降。另一些過(guò)濾器的設(shè)計(jì)是減少過(guò)濾面積。有人曾報(bào)道每分鐘供應(yīng) 8470M3 空氣，用羊毛狀樹(shù)脂濾氣罐時(shí)，需要的過(guò)濾面積為 325M2；而用質(zhì)子型石棉布作過(guò)濾介質(zhì)，過(guò)濾面積可減至 ，如用石棉紙型“絕對(duì)”過(guò)濾器時(shí)，則只需 . 操作費(fèi)用還取決于過(guò)濾器的壽命。在工廠中還要包括更換過(guò)濾器或過(guò)濾介質(zhì)的成本和維修及勞務(wù)費(fèi)用。即使過(guò)濾介質(zhì)是可以清洗后重復(fù)使用，則還有正常的損耗和破裂而應(yīng)考慮折舊費(fèi)用。如果壓縮空氣在進(jìn)入過(guò)濾器以前，預(yù)先經(jīng)過(guò)不同程度的粗濾，以除去空氣流中的異物，可減少價(jià)格昂貴的高效過(guò)濾介質(zhì)的更新。 第八節(jié) 加熱和冷卻 理想的發(fā)酵過(guò)程是省略了加熱和冷卻，但這是不可能的。所以設(shè)計(jì)時(shí)要注意如何保存熱量和最小的 冷卻量。發(fā)酵過(guò)程包括下列加熱和冷卻步驟： 將培養(yǎng)基加熱到 100℃和 100℃以上，然后冷卻到 35℃或更低； 將發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備加熱滅菌后再冷卻； 發(fā)酵時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，必須將這些熱量輸出，即用冷卻處理，使溫度保持在微生物生長(zhǎng)的規(guī)定范圍之內(nèi)； 發(fā)酵結(jié)束后，還需加熱將產(chǎn)品中的水分除去。 有關(guān)滅菌方面的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，在本章內(nèi)前已論述，而冷卻的需要量，則隨工藝的類(lèi)型及大小而異。英國(guó)石油公司曾對(duì)一個(gè)用正烴或汽油作底物，年產(chǎn)量為 10 萬(wàn)噸的單細(xì)胞蛋白質(zhì)工廠的冷卻量作出估計(jì)為 11 億千卡。用氣升式發(fā)酵罐時(shí)，由于它的比能量輸入量最小， 因而減少了冷卻的需要量。在單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)工廠的投資中，冷卻設(shè)備費(fèi)用約占總投資數(shù)的 10~15%。另一條減少冷卻成本的途徑，是如有可能，盡可能選用最適溫度較高的微生物。篩選并使用嗜熱和耐熱的微生物，能明顯地節(jié)省冷卻費(fèi)用。 第九節(jié) 通氣和攪拌 幾乎所有的發(fā)酵都需要各種形式的混合，以保持培養(yǎng)環(huán)境的均一性；而且也需要通入空氣。按照通氣的情況，可以將發(fā)酵粗略地分為： 厭氧發(fā)酵，即在發(fā)酵時(shí)不宜有游離氧存在，如丁醇丙酮發(fā)酵； 發(fā)酵時(shí)只需要供應(yīng)少量氧氣，如乙醇發(fā)酵； 需氧發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)需要大量氧，如抗生素、乙酸和單細(xì)胞 蛋白質(zhì)發(fā)酵。 在第一、第二種發(fā)酵中，通氣費(fèi)用不是經(jīng)濟(jì)上主要考慮的問(wèn)題。在丁醇丙酮發(fā)酵時(shí)，放出二氧化碳和氫，這些氣體一旦形成，是有助于保持厭氧條件。同時(shí)，發(fā)酵液自動(dòng)翻騰，而不需要附加機(jī)械攪拌。為保持發(fā)酵罐內(nèi)部的正壓，在發(fā)酵開(kāi)始時(shí)，可從另一個(gè)發(fā)酵罐中引入經(jīng)過(guò)過(guò)濾的二氧化碳和氫。 在乙醇生產(chǎn)中，將酵母接入容器中以后，開(kāi)始時(shí)，通入壓縮空氣或機(jī)械攪拌使酵母分散。當(dāng)菌體達(dá)到預(yù)定的濃度后，即停止通氣或攪拌。當(dāng)劇烈的厭氧發(fā)酵開(kāi)始時(shí)，所產(chǎn)生的二氧化碳?xì)馀葑阋允构迌?nèi)的培養(yǎng)液翻騰，并使酵母細(xì)胞分散。因而不再需要機(jī)械攪拌。所以在該 生產(chǎn)工藝中，通氣攪拌的費(fèi)用只占生產(chǎn)總成本極小一部分。 需氧量較高的發(fā)酵，必需有適當(dāng)功率的攪拌以保持均一的發(fā)酵環(huán)境，并分散引入的空氣流。在早期的資料中，酵母生產(chǎn)時(shí)，所需要的壓縮空氣能量支出占生產(chǎn)總成本的 10~20%。根據(jù)六十年代的報(bào)道，青霉素發(fā)酵時(shí)，通氣量為 ~1vvm時(shí)，每小時(shí)，每 455 升培養(yǎng)基的攪拌成本為 ~ 便士。為獲得最佳發(fā)酵條件，每分鐘通氣量 ~，攪拌葉的輸入功率（對(duì) 455 升發(fā)酵液）為 ~焦耳。在這類(lèi)發(fā)酵中，攪拌和氧傳遞費(fèi)用仍只占生產(chǎn)總成本的 %。即 使其費(fèi)用只占生產(chǎn)總成本中一小部分，但研究人員普遍認(rèn)為氧的供應(yīng)是這類(lèi)發(fā)酵的限制因素。他們引用一種抗生素發(fā)酵的例子，如將攪拌的電動(dòng)機(jī)從 745 焦耳放大到1860 焦耳以增加氧的傳遞速率，即可節(jié)約通氣攪拌費(fèi)用 25%。在單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)中，碳源底物生產(chǎn)系數(shù)與生理狀態(tài)有十分密切的關(guān)系，并且證實(shí)用甲烷或正烴代替碳水化合物可以獲得較高的碳源底物的生產(chǎn)系數(shù)（見(jiàn)下表），但是細(xì)胞在碳?xì)浠衔镏猩L(zhǎng)時(shí)，需要較高的氧的供應(yīng)量。要產(chǎn)生同等數(shù)量的酵母，要求氧的供應(yīng)量增加三倍。因此如果有效地利用碳?xì)浠衔镒鞯孜飼r(shí)，生產(chǎn)總成本增加50%以上， 而且發(fā)酵罐要具有高效的氧的傳遞能力。用碳?xì)浠衔镒鳛榈孜锏陌l(fā)酵罐的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。同時(shí)由于放出的熱量較多，要保持發(fā)酵溫度的恒定，需要更好的冷卻效果。 有幾家公司采用的發(fā)酵罐是帶有空氣分布管和機(jī)械攪拌。英國(guó)石油公司在他們的撒丁島意大利蛋白質(zhì)規(guī)劃中，用正烴為底物、發(fā)酵罐的容積達(dá) 1000M3。在瑞典的粗蛋白質(zhì)生產(chǎn)計(jì)劃，估計(jì)年產(chǎn) 10 萬(wàn)噸單細(xì)胞蛋白質(zhì)時(shí)，包括通氣攪拌在內(nèi)的公用系統(tǒng)費(fèi)用只占生產(chǎn)總成本的 16%（按 1978 年的價(jià)格計(jì)算）。 包括 ICI 公司和 Hoechst 公司在內(nèi)，在少數(shù)公司決定發(fā)展氣升式發(fā)酵罐。這類(lèi)發(fā)酵罐 的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約能源和冷卻水費(fèi)用，這種發(fā)酵罐所需能量只有壓縮空氣。關(guān)鍵是所設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐要在菌體產(chǎn)生時(shí)所需的能量降至最低，但要有較高的氧傳遞能力，以保證對(duì)底物有效地利用。在 ICI 公司所用的公用系統(tǒng)費(fèi)用只占制造成本的 14%。而通氣費(fèi)用卻占發(fā)酵公用系統(tǒng)費(fèi)用的 70%。 第十節(jié) 分批發(fā)酵的周期 分批發(fā)酵的生產(chǎn)能力取決于整個(gè)過(guò)程的周期。生產(chǎn)能力的定義是每小時(shí)每升發(fā)酵罐容積所產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)。生產(chǎn)能力還基于實(shí)驗(yàn)發(fā)酵時(shí)數(shù)，加上為下一批發(fā)酵所作的準(zhǔn)備時(shí)數(shù)。所以發(fā)酵總時(shí)數(shù) t 應(yīng)按下列公式計(jì)算。 在這個(gè)公式中，還 可以測(cè)出操作過(guò)程的變化對(duì)總生產(chǎn)能力的影響。如用較大的接種量，即增加 X0，可以縮短全過(guò)程的時(shí)間。活力強(qiáng)的接種物，可以縮短延滯期tL；這也相當(dāng)于分離得一株生長(zhǎng)速度快或高產(chǎn)菌株。有許多過(guò)程，采用分批或連續(xù)補(bǔ)料以延長(zhǎng)生長(zhǎng)期或生產(chǎn)期，以提高生產(chǎn)能力。 短周期的發(fā)酵，如面包酵母（ 12~24 小時(shí)），在二批之間的輔助時(shí)間長(zhǎng)短，是至關(guān)重要的；而在長(zhǎng)周期的發(fā)酵，比如青霉素（ 6~7 天），多增加幾個(gè)小時(shí)的輔助時(shí)間，對(duì)總生產(chǎn)能力的影響是很小的。 第十一節(jié) 連續(xù)發(fā)酵 至今為止，大規(guī)模的連續(xù)發(fā)酵工廠仍在運(yùn)轉(zhuǎn)的為數(shù)極少，而且只限 于微生物細(xì)胞的生產(chǎn)。對(duì)分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵的生產(chǎn)能力可利用 Wang 等的公式作出比較。 在一個(gè)實(shí)例中，接種量為 5%（ X0/Xm=），輔助時(shí)間為 10 小時(shí)，細(xì)胞產(chǎn)量為每克底物產(chǎn)生 ，細(xì)胞的最大濃度為 30g/升，從一系列最大比生長(zhǎng)速率可計(jì)算出生產(chǎn)能力（見(jiàn)下表）。從這些數(shù)據(jù)中，可以清楚地看到生長(zhǎng)較快的微生物更適宜于連續(xù)培養(yǎng)。 考慮采用連續(xù)培養(yǎng)生產(chǎn)產(chǎn)物時(shí)，必需首先了解單位體積的生產(chǎn)能力，培養(yǎng)基中價(jià)格最貴的組分的轉(zhuǎn)化產(chǎn)量以及產(chǎn)物的濃度。在細(xì)胞的生產(chǎn)過(guò)程中，有些醇類(lèi)和有機(jī)酸是發(fā)酵時(shí)的主要生產(chǎn)成本，其轉(zhuǎn)化 產(chǎn)量更為重要。如果是高的轉(zhuǎn)化率，并有較高的生產(chǎn)能力時(shí)，則采用連續(xù)培養(yǎng)較分批培養(yǎng)更為經(jīng)濟(jì)。但是在連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中放出的培養(yǎng)液中，最終產(chǎn)物濃度是低于分批培養(yǎng)的。這就造成在提取和收集產(chǎn)品時(shí)需要更多的濃縮操作過(guò)程。 在抗生素和其他次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)中，提取和收集產(chǎn)品階段的費(fèi)用將成為生產(chǎn)成本中的主要部分。最終產(chǎn)物的濃縮費(fèi)用在很大程度上影響產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。但要看到提取收集系統(tǒng)的操作費(fèi)用是和液體的體積成反比。 抗生素和其他不與菌體同時(shí)形成的產(chǎn)物的生產(chǎn)，采用分批培養(yǎng)法的生產(chǎn)效益不斷取得改善，使得生產(chǎn)廠不愿從根本上改變已經(jīng)建立 完備的方法而引用連續(xù)培養(yǎng)法。 第十二節(jié) 產(chǎn)物提取和收集的成本 雖然對(duì)某些過(guò)程中產(chǎn)物的提取和收集成本作過(guò)討論，但發(fā)表的資料極少。 Stowell和 Bateson 指出一些工廠中影響這方面成本的因素有： 產(chǎn)物的損失，即使是提取收集過(guò)程中每一步中有些微小的損失； 過(guò)濾和離心設(shè)備的能量消耗和維修費(fèi)用高； 在過(guò)程中是使用價(jià)格較高的熔劑和其他原料。 Atkinson 和 Mavituna 指出按照工藝流程提取檸檬酸將造成 8%的損失，芐青霉素在轉(zhuǎn)化成鉀鹽前就已經(jīng)損失 4%。他們強(qiáng)調(diào)要研究減少流程中的操作步驟，以盡可能地降低設(shè)備投 資和操作成本。 使用大型轉(zhuǎn)鼓式過(guò)濾機(jī)或離心機(jī)的工廠，其折舊、投資的回收和維修費(fèi)用共占總成本 80%以上。用過(guò)濾法除去培養(yǎng)液中的細(xì)胞所消耗的能量較用離心法為小。如加入助濾劑，即使加入的濃度達(dá)到培養(yǎng)液的 10%，其價(jià)格為每噸 9 英鎊時(shí)，仍不失為十分經(jīng)濟(jì)的方法。 不論產(chǎn)物是用微生物合成或是用其他方法制備的，都會(huì)受到產(chǎn)物的提取與收集的成本限制。 Atkinson 和 Mavituna（ 1983）曾提出： 1，乙醇的售價(jià)為 220 英鎊 /噸，使用當(dāng)?shù)氐奶妓衔锷a(chǎn)、培養(yǎng)液中乙醇含量在 7%（ W/V）時(shí)，提取產(chǎn)物的費(fèi)用限于 40 英鎊 /噸 以下； 2，單細(xì)胞蛋白質(zhì)的售價(jià)為 300 英鎊噸，以石油為基本底物，轉(zhuǎn)化產(chǎn)率為 3%（ W/V）時(shí)，收集產(chǎn)物的費(fèi)用限于 100 英鎊噸以下； 3，有機(jī)酸或甘油的售價(jià)為 700 英鎊 /噸，在碳水化合物培養(yǎng)基中產(chǎn)物濃度為 10%時(shí)，提取收集產(chǎn)物的費(fèi)用限于 300 英鎊 /噸以下。 當(dāng)生產(chǎn)高產(chǎn)值的最終產(chǎn)物時(shí)，可以考慮增加助濾劑的用量，使用在過(guò)程的初期就除去少量固體。在萃取時(shí)所使用的有機(jī)熔劑，則交由高能耗蒸餾工廠回收。這種情況，才能使制造工廠獲得與其他發(fā)酵公司相似的經(jīng)濟(jì)效益。 第十三節(jié) 水的消耗和重復(fù)利用 許多發(fā)酵工廠的 水的消耗量很大（見(jiàn)下表）。往往由于單位體積產(chǎn)物所消耗的水太多，而使得一些生產(chǎn)工藝在成本上具有弱點(diǎn)?，F(xiàn)在，已對(duì)減少水的消耗具有廣泛的興趣。 Bernstein 等曾為奶酪發(fā)酵設(shè)計(jì)一個(gè)閉路循環(huán)系統(tǒng)使水完全反復(fù)利用。在大規(guī)模的單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)年產(chǎn)量 10 萬(wàn)噸的工廠，將水重復(fù)利用，可使水的消耗量降低至每天 10 萬(wàn)噸。同時(shí)減少?gòu)U棄物的處理費(fèi)用，改善對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的利用和整個(gè)生產(chǎn)。 第十四節(jié) 廢棄物的處理 大多數(shù)的發(fā)酵過(guò)程不可能將廢棄物的處理費(fèi)用降到零。不論是采用焚燒、在荒蕪地上堆存，或傾倒入下水道、河流或潮水中。 但必需為這些處理付出代價(jià)以保證環(huán)境只受到最少的污染。在英國(guó)，允許，直接倒入河流中的廢棄物必需保證在 5天內(nèi)的生物需氧量低于 20mg/升，固體含量低于 30mg/升，而廢棄物還要預(yù)先經(jīng)8 倍的稀釋。顯然，只有極少數(shù)的未經(jīng)處理的廢棄物是符合這個(gè)嚴(yán)格的規(guī)定。 在多種處理方法能符合經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)。 Pape 指出最廉價(jià)的處理方法是控制堆積量，隨后再予以焚燒，或堆放在廢棄的鹽礦中。廢水的生物降解是工廠中最昂貴的處理方法，但卻是常用的方法。因?yàn)樵趶U水中只含有少量的有機(jī)物，如將它分離、濃縮和焚燒，將是一筆更大的支出 / 直接想海洋傾倒廢棄 物的可能性極小。雖然在英國(guó)許多發(fā)酵工廠都建立在沿海的海岸上。另外的方法是將廢棄物直接放入下水道，而付給污水處理廠一定的費(fèi)用；或廠內(nèi)自行處理?；蚨咄瑫r(shí)并用。在某些實(shí)例中，污水處理工廠 第一部分 啤酒工藝綜合實(shí)驗(yàn) 目 錄 實(shí)驗(yàn)講義 實(shí)驗(yàn)一 還原糖的測(cè)定 3 實(shí)驗(yàn)二 α 氨基氮的測(cè)定（茚三酮法） 4 實(shí)驗(yàn)三 雙乙酰（紫外分光光度法） 5 實(shí)驗(yàn)四 總酸（電位滴定法） 6 實(shí)驗(yàn)五 酒精度 7 實(shí)驗(yàn)六 原麥汁濃度（蒸餾 —— 密度法） 9 實(shí)驗(yàn)七 真正發(fā)酵度 (實(shí)際發(fā)酵度 ) 10 實(shí)驗(yàn)八 協(xié)定法糖化和外加酶糖化法 11 第二部分 通風(fēng)發(fā)酵綜合實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)一 淀粉質(zhì)原料的水分測(cè)定