提高好氧发酵生产质量不可小视设备改进
在制药工业中，对于好氧的生物发酵生产，长期以来人们一直极其重视微生物菌种的开发和改良，而对生产设备方面重视得不够。但是，一些生产的成功事例表明，设备的改进在很大程度上可改善产品的质量，提高产量，起到上游生物工程技术无法实现的作用。
■保证氧供给对醚醴⒔椭凉刂匾?br> 在好氧的发酵生产过程中，氧的适度供给是保证菌种良好生长和代谢产物高产的必要条件。然而，在25℃和1×105帕时，空气中的氧在纯水中的溶解度仅为0.25摩尔/立方米。如果外界不能及时地供给氧，水中的溶解氧仅能维持发酵液中微生物菌体15~20秒的正常呼吸，氧不足会造成代谢异常、产量降低。因此，需要不断地给发酵系统通入无菌空气，通过发酵罐的搅拌进一步分散，使发酵液中保持适度的溶解氧浓度(DO)。
发酵液中的溶解氧是供氧和需氧这一矛盾平衡的结果。通入发酵罐的气态氧必须先溶解于发酵液中，然后才能传递到细胞表面，再经过扩散进入到细胞内，参与菌体的一系列生化反应。氧从气泡传递到细胞内需要克服供氧方面和需氧方面的各种阻力才能完成。
, 百拇医药
对于好氧的发酵生产，主要应考虑如何通过供氧来提高溶解氧浓度。影响发酵过程中供氧的主要因素有推动力和容量传递系数(Kla)，所以可以从提高氧传递推动力和容量传递系数来提高氧的传递速率，从而提高发酵液中的溶解氧浓度。同时，鉴于发酵液的氧传递比较复杂，如何合理地设计通气搅拌系统，使之既能保证足够的氧供应，又尽可能地节省能量，且不使微生物和代谢产物受到强剪切而失活，是好氧发酵生产过程的关键。
■搅拌和通气过犹不及
长期的生产实践证实，带有机械搅拌的通气培养装置，其搅拌器是影响发酵液中氧传递的重要因素。因此，长期以来，人们都只从加大通气量和搅拌转速这两方面来改善发酵液的溶解氧，提高发酵单位。在提高Kla上，搅拌器的作用有：使通入发酵液的空气分散成细小的气泡，并防止小气泡的凝聚，从而增大气液相的接触面积，提高Kla；强化发酵液的湍流程度，降低气泡周围的液膜厚度和湍流中的阻力，促进氧的传递；减少菌体结团，降低细胞周围的液膜阻力，促进菌体对氧的吸收。然而，虽然在一定限度的通气量范围内，Kla随通气量的增加而增大。但当超过一定限度时，大量气体会不经分散而直接穿过搅拌器以大气泡形态向上浮升，出现“气泛”现象，搅拌功率会大大下降，Kla也不再增加。因此，盲目增加通气量不一定就能增加溶氧，反而会增加空气过滤器的负担和染菌的可能。
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搅拌功率也不是越大越好，过于激烈地搅拌会产生很大的剪切力，导致微生物菌种和产物的失活。另外，搅拌功率过大，也会导致系统运行不经济，造成资源浪费。例如，在WB-1-2.5型4升发酵罐中进行黄原胶发酵生产，当通气量超过0.8vvm后，再增加通气量就不能使溶解氧浓度提高，只能通过提高搅拌转速来改善溶氧，提高产量。在7升全自动发酵罐中用产朊假丝酵母生产谷胱甘肽时，在一定的空气流量下，当搅拌转速低于250转/分时，供氧速率不能满足细胞生长要求；当搅拌转速高于300转/分时，供氧速率完全满足细胞生长代谢的要求；但当搅拌转速从300转/分提高到350转/分时，体系过高的剪切力会导致细胞干重减少8%。在10升发酵罐生产谷氨酰胺转氨酶时，随着通气量和搅拌转速的提高，产酶水平也明显提高，这表明溶解氧对产酶非常重要。在通气量一定时(1.25vvm)，随着搅拌转速的提高(250~300转/分)，酶活逐渐升高；但当搅拌转速升高到400转/分时，酶活反而下降，镜检发现菌球已被打碎，菌丝断裂。
■平直叶搅拌桨气液分散能力更强
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近年来，随着发酵生产工艺技术取得的一些重大进展，发酵罐的容积越来越大，发酵过程的原材料和动力消耗都有很大程度的增加。即使在通气比不变的情况下，发酵罐的通气量也在增加，何况由于发酵技术水平的不断发展，特别是发酵过程中间补料系统的普遍采用，使得发酵过程对空气的需求量又有了较大的增加。这种通气量的增加，对发酵罐搅拌装置的气液分散能力提出了更高的要求。
传统的发酵罐一直是六箭叶、六弯叶的圆盘涡轮搅拌式，一般在50立方米以下。根据搅拌桨叶排液的主要流向特点，圆盘涡轮桨的流型基本上是径向流。当气体由底层搅拌桨的下部引入时，由于圆盘涡轮的存在，可防止气体沿轴向短路，迫使气体进入桨叶端部的高剪切区，在罐的底部得到良好的气液分散。在罐体积较小且挡板设计较好的情况下，所形成的二次轴向流能够较好地提供工艺所需的循环流动，使空气能在整个发酵罐内得到均匀分散。在这种情况下，如果发酵生产中使用的微生物和所要的代谢产物对高剪切不是很敏感，甚至可以采用气液分散能力更强的平直叶圆盘涡轮搅拌桨。如有关企业在4立方米中试规模的发酵罐上做洛伐他汀生产试验时发现，安装箭叶圆盘涡轮搅拌桨的设备发酵单位比平直叶圆盘涡轮搅拌桨的单位低30%~40%，原因是其不能在菌种的对数生长期时提供不低于30%的溶解氧浓度，而把箭叶改成平直叶后，取得了较好的效果。在该品种大生产时，该企业把36立方米发酵罐的箭叶改成平直叶，投产一年多来，运行较好。在20立方米发酵罐中进行十三碳二元酸的发酵试验中也发现，采用六平直叶涡轮搅拌器比六箭叶涡轮搅拌器平均产酸量提高15.5%。当然，由于提供了较高的剪切力，平直叶涡轮搅拌器比箭叶涡轮搅拌器的功率消耗要大一些，但发酵产品产值的增加远高于能耗成本的增加，所以改进搅拌器也是值得的。
, 百拇医药
■轴流型搅拌器优势凸显 ∷淙焕砺酆褪导急砻鳎才涛新志读餍徒涟杵髂芏越敕⒔凸薜目掌?br>很好的分散。叶轮的型式除了应用较好的箭叶、平直叶，近年来又有新开发的半圆管式和前抛物线式等，较典型的有
Chemineer的CD-6型和BT-6型。但如果在一个发酵罐特别是大型发酵罐(﹥100立方米)中采用全径向流搅拌器组希才叹突岚压弈诜⒔鸵悍殖梢云湮绲?br>上下两个循环区，虽然罐内所装的挡板能够帮助流体形成一定的二次循环流，但这对气液均匀分布的要求相差很远，结果仍是由于圆盘涡轮叶轮区的剪切作用较强，造成叶轮附近形成富氧区，而在远离叶轮区和罐内循环区之间则形成贫氧区，对菌种供氧不足。
相对于径流式搅拌器，轴流式搅拌器不存在分区循环，罐内主体循环良好，并且提高了循环区发酵液流速，抑制了小气泡的聚并。另外，虽然轴流式搅拌器的最大剪切速率比圆盘涡轮桨小，但在整个搅拌罐内的平均剪切速率却比圆盘涡轮桨高出两倍以上，剪切温和，能更好地保护菌种和代谢产物，同时也减少功率消耗，达到节能降耗的目的。比较典型的轴流桨有Lightin315、Chemineer HE-3、Prochem Maxflu轴流桨等，近年来国内也开发了不少轴流桨。
结合径、轴流搅拌器的混合特点和发酵工业对气液分散和液液、液固的混合要求，特别是在大型的发酵罐中，选用径、轴流混编的搅拌系统取得了很好的效果，其底层的径流搅拌能把通入发酵罐的空气迅速分散成小气泡，并在底部均匀分布；上层的轴流搅拌能提供罐内的整体循环混合，使气泡在整个罐内进一步均匀分散，并能有效防止小气泡的聚并，增加了气液混合的时间和空间，因而能更好地提高发酵液中氧的传递速率，增加溶解氧浓度，进而提高发酵单位。
(刘玉平 林建强), 百拇医药(刘玉平；林建强)
■保证氧供给对醚醴⒔椭凉刂匾?br> 在好氧的发酵生产过程中，氧的适度供给是保证菌种良好生长和代谢产物高产的必要条件。然而，在25℃和1×105帕时，空气中的氧在纯水中的溶解度仅为0.25摩尔/立方米。如果外界不能及时地供给氧，水中的溶解氧仅能维持发酵液中微生物菌体15~20秒的正常呼吸，氧不足会造成代谢异常、产量降低。因此，需要不断地给发酵系统通入无菌空气，通过发酵罐的搅拌进一步分散，使发酵液中保持适度的溶解氧浓度(DO)。
发酵液中的溶解氧是供氧和需氧这一矛盾平衡的结果。通入发酵罐的气态氧必须先溶解于发酵液中，然后才能传递到细胞表面，再经过扩散进入到细胞内，参与菌体的一系列生化反应。氧从气泡传递到细胞内需要克服供氧方面和需氧方面的各种阻力才能完成。
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对于好氧的发酵生产，主要应考虑如何通过供氧来提高溶解氧浓度。影响发酵过程中供氧的主要因素有推动力和容量传递系数(Kla)，所以可以从提高氧传递推动力和容量传递系数来提高氧的传递速率，从而提高发酵液中的溶解氧浓度。同时，鉴于发酵液的氧传递比较复杂，如何合理地设计通气搅拌系统，使之既能保证足够的氧供应，又尽可能地节省能量，且不使微生物和代谢产物受到强剪切而失活，是好氧发酵生产过程的关键。
■搅拌和通气过犹不及
长期的生产实践证实，带有机械搅拌的通气培养装置，其搅拌器是影响发酵液中氧传递的重要因素。因此，长期以来，人们都只从加大通气量和搅拌转速这两方面来改善发酵液的溶解氧，提高发酵单位。在提高Kla上，搅拌器的作用有：使通入发酵液的空气分散成细小的气泡，并防止小气泡的凝聚，从而增大气液相的接触面积，提高Kla；强化发酵液的湍流程度，降低气泡周围的液膜厚度和湍流中的阻力，促进氧的传递；减少菌体结团，降低细胞周围的液膜阻力，促进菌体对氧的吸收。然而，虽然在一定限度的通气量范围内，Kla随通气量的增加而增大。但当超过一定限度时，大量气体会不经分散而直接穿过搅拌器以大气泡形态向上浮升，出现“气泛”现象，搅拌功率会大大下降，Kla也不再增加。因此，盲目增加通气量不一定就能增加溶氧，反而会增加空气过滤器的负担和染菌的可能。
, http://www.100md.com
搅拌功率也不是越大越好，过于激烈地搅拌会产生很大的剪切力，导致微生物菌种和产物的失活。另外，搅拌功率过大，也会导致系统运行不经济，造成资源浪费。例如，在WB-1-2.5型4升发酵罐中进行黄原胶发酵生产，当通气量超过0.8vvm后，再增加通气量就不能使溶解氧浓度提高，只能通过提高搅拌转速来改善溶氧，提高产量。在7升全自动发酵罐中用产朊假丝酵母生产谷胱甘肽时，在一定的空气流量下，当搅拌转速低于250转/分时，供氧速率不能满足细胞生长要求；当搅拌转速高于300转/分时，供氧速率完全满足细胞生长代谢的要求；但当搅拌转速从300转/分提高到350转/分时，体系过高的剪切力会导致细胞干重减少8%。在10升发酵罐生产谷氨酰胺转氨酶时，随着通气量和搅拌转速的提高，产酶水平也明显提高，这表明溶解氧对产酶非常重要。在通气量一定时(1.25vvm)，随着搅拌转速的提高(250~300转/分)，酶活逐渐升高；但当搅拌转速升高到400转/分时，酶活反而下降，镜检发现菌球已被打碎，菌丝断裂。
■平直叶搅拌桨气液分散能力更强
, 百拇医药
近年来，随着发酵生产工艺技术取得的一些重大进展，发酵罐的容积越来越大，发酵过程的原材料和动力消耗都有很大程度的增加。即使在通气比不变的情况下，发酵罐的通气量也在增加，何况由于发酵技术水平的不断发展，特别是发酵过程中间补料系统的普遍采用，使得发酵过程对空气的需求量又有了较大的增加。这种通气量的增加，对发酵罐搅拌装置的气液分散能力提出了更高的要求。
传统的发酵罐一直是六箭叶、六弯叶的圆盘涡轮搅拌式，一般在50立方米以下。根据搅拌桨叶排液的主要流向特点，圆盘涡轮桨的流型基本上是径向流。当气体由底层搅拌桨的下部引入时，由于圆盘涡轮的存在，可防止气体沿轴向短路，迫使气体进入桨叶端部的高剪切区，在罐的底部得到良好的气液分散。在罐体积较小且挡板设计较好的情况下，所形成的二次轴向流能够较好地提供工艺所需的循环流动，使空气能在整个发酵罐内得到均匀分散。在这种情况下，如果发酵生产中使用的微生物和所要的代谢产物对高剪切不是很敏感，甚至可以采用气液分散能力更强的平直叶圆盘涡轮搅拌桨。如有关企业在4立方米中试规模的发酵罐上做洛伐他汀生产试验时发现，安装箭叶圆盘涡轮搅拌桨的设备发酵单位比平直叶圆盘涡轮搅拌桨的单位低30%~40%，原因是其不能在菌种的对数生长期时提供不低于30%的溶解氧浓度，而把箭叶改成平直叶后，取得了较好的效果。在该品种大生产时，该企业把36立方米发酵罐的箭叶改成平直叶，投产一年多来，运行较好。在20立方米发酵罐中进行十三碳二元酸的发酵试验中也发现，采用六平直叶涡轮搅拌器比六箭叶涡轮搅拌器平均产酸量提高15.5%。当然，由于提供了较高的剪切力，平直叶涡轮搅拌器比箭叶涡轮搅拌器的功率消耗要大一些，但发酵产品产值的增加远高于能耗成本的增加，所以改进搅拌器也是值得的。
, 百拇医药
■轴流型搅拌器优势凸显 ∷淙焕砺酆褪导急砻鳎才涛新志读餍徒涟杵髂芏越敕⒔凸薜目掌?br>很好的分散。叶轮的型式除了应用较好的箭叶、平直叶，近年来又有新开发的半圆管式和前抛物线式等，较典型的有
Chemineer的CD-6型和BT-6型。但如果在一个发酵罐特别是大型发酵罐(﹥100立方米)中采用全径向流搅拌器组希才叹突岚压弈诜⒔鸵悍殖梢云湮绲?br>上下两个循环区，虽然罐内所装的挡板能够帮助流体形成一定的二次循环流，但这对气液均匀分布的要求相差很远，结果仍是由于圆盘涡轮叶轮区的剪切作用较强，造成叶轮附近形成富氧区，而在远离叶轮区和罐内循环区之间则形成贫氧区，对菌种供氧不足。
相对于径流式搅拌器，轴流式搅拌器不存在分区循环，罐内主体循环良好，并且提高了循环区发酵液流速，抑制了小气泡的聚并。另外，虽然轴流式搅拌器的最大剪切速率比圆盘涡轮桨小，但在整个搅拌罐内的平均剪切速率却比圆盘涡轮桨高出两倍以上，剪切温和，能更好地保护菌种和代谢产物，同时也减少功率消耗，达到节能降耗的目的。比较典型的轴流桨有Lightin315、Chemineer HE-3、Prochem Maxflu轴流桨等，近年来国内也开发了不少轴流桨。
结合径、轴流搅拌器的混合特点和发酵工业对气液分散和液液、液固的混合要求，特别是在大型的发酵罐中，选用径、轴流混编的搅拌系统取得了很好的效果，其底层的径流搅拌能把通入发酵罐的空气迅速分散成小气泡，并在底部均匀分布；上层的轴流搅拌能提供罐内的整体循环混合，使气泡在整个罐内进一步均匀分散，并能有效防止小气泡的聚并，增加了气液混合的时间和空间，因而能更好地提高发酵液中氧的传递速率，增加溶解氧浓度，进而提高发酵单位。
(刘玉平 林建强), 百拇医药(刘玉平；林建强)