優(yōu)化通氣及攪拌模式提升阿卡波糖發(fā)酵水平

王子寶

（杭州中美華東制藥有限公司，浙江杭州 310000）

主要基于阿卡波糖生產(chǎn)中實(shí)際，研究了如何對(duì)空氣流量、通氣形式、攪拌組合進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)提升阿卡波糖發(fā)酵水平、降低生產(chǎn)成本具有重大的意義。

1 材料與方法

1.1 菌種

游動(dòng)放線菌（Actinoplanes sp.），華東醫(yī)藥股份有限公司保藏。

1.2 培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件

種子培養(yǎng)基：黃豆粉7%，甘油2%，淀粉2%，碳酸鈣0.2%。

發(fā)酵培養(yǎng)基：水解糖 3%，葡萄糖3%，甘油0.5%，黃豆粉 1.5%，碳酸鈣0.25%，氯化鈣0.25%，磷酸二氫鉀 0.1%。

種子培養(yǎng)條件：搖瓶種子接入種子罐，30℃罐上培養(yǎng)2d。發(fā)酵培養(yǎng)條件：接種量10%，30℃罐上培養(yǎng)9d。

1.3 主要儀器

1m3發(fā)酵罐，10m3發(fā)酵罐，60m3發(fā)酵罐，高效液相色譜儀，離心機(jī)。

1.4 檢測(cè)方法

阿卡波糖測(cè)定：HPLC 法測(cè)定；色譜條件：色譜柱（NH2柱，4.6×250mm，5μm），流動(dòng)相0.01mol/L 磷酸鹽緩沖液：乙腈（30 ∶70），流速 1.5mL/min，進(jìn)樣量10μL，柱溫40 ℃。

菌濃測(cè)定：準(zhǔn)確吸取發(fā)酵液10mL，3 000r/min 離心5min，測(cè)定離心菌濃。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣流量及壓力對(duì)阿卡波糖發(fā)酵水平的影響

具體結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 空氣流量及空氣壓力對(duì)溶氧及效價(jià)的影響

由圖1～a 和圖1～b 可知，在發(fā)酵前期，由于發(fā)酵還未補(bǔ)料，發(fā)酵液較稀且罐內(nèi)液位不高，空氣壓力對(duì)空氣流量的影響不顯著，不同空氣壓力下，各實(shí)驗(yàn)組能維持相似的空氣流量，但隨著補(bǔ)料帶來(lái)的發(fā)酵液液位的升高，結(jié)合圖1～c，當(dāng)空氣壓力低于0.160MPa，明顯影響空氣流量，空氣推動(dòng)力減弱，從而導(dǎo)致發(fā)酵液中溶氧顯著下降。由圖1～d 可知，實(shí)驗(yàn)2組在發(fā)酵后期因空氣流量不足導(dǎo)致溶氧明顯下降，致使效價(jià)增幅明顯減緩，放罐水平較對(duì)照組明顯偏低，實(shí)驗(yàn)1組在發(fā)酵后期仍能保持較高的空氣流量，溶氧水平仍維持在較高水平，能確保較高的效價(jià)增幅。

綜合圖1a～圖1d，阿卡波糖發(fā)酵過(guò)程中，當(dāng)發(fā)酵培養(yǎng)空氣進(jìn)氣壓力維持在0.160～0.165MPa，瞬時(shí)空氣流量在45～50m3/min 時(shí)，能較好的滿足發(fā)酵過(guò)程菌體生產(chǎn)和合成目標(biāo)產(chǎn)物對(duì)空氣的需求，放罐效價(jià)較現(xiàn)有水平提升3%左右。

2.2 空氣分布形式對(duì)阿卡波糖發(fā)酵水平的影響

保持發(fā)酵空氣進(jìn)氣壓力在0.160-0.165MPa，控制發(fā)酵過(guò)程空氣流量在45-50m3/min 時(shí)，采用不同的空氣進(jìn)氣方式：對(duì)照組為罐底單根空氣進(jìn)氣，實(shí)驗(yàn)1組為環(huán)管式空氣分布器（空氣向罐底噴射），實(shí)驗(yàn)2組為噴環(huán)式空氣分布器，考察其對(duì)放罐時(shí)菌濃、溶氧、效價(jià)等參數(shù)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同空氣進(jìn)氣方式對(duì)菌濃、溶氧、效價(jià)的影響

由圖2可知，采用環(huán)管式空氣分布圈對(duì)溶氧改善效果不明顯，放罐效價(jià)略有提升。采用噴管式空氣分布圈，能有效改善發(fā)酵后期溶氧緊張的現(xiàn)象，且放罐效價(jià)較單管進(jìn)氣提升4.3%。噴環(huán)式空氣分布器，利用空氣原有的推動(dòng)力，經(jīng)噴嘴高速?lài)姵鏊a(chǎn)生的負(fù)壓和卷吸作用將罐中的液體吸入混合器中，在混合器中與氣體劇烈混合并達(dá)到乳化的效果，從而增加了氣體與液體的接觸面積，減緩了氣體在液體中的逸出時(shí)間，提高了溶氧的傳質(zhì)系數(shù)，使發(fā)酵液中溶氧明顯改善。采用噴環(huán)式空氣分布器，由于氣液劇烈混合，對(duì)菌絲產(chǎn)生了一定的剪切力，減緩了菌絲快速生長(zhǎng)，導(dǎo)致放罐時(shí)菌濃較對(duì)照組下降10%，這為進(jìn)一步延長(zhǎng)發(fā)酵提供了潛能。因此，采用噴環(huán)式空氣分布器，能有效改善發(fā)酵后期溶氧，明顯提升發(fā)酵水平，放罐效價(jià)提升4%左右。

2.3 攪拌形式對(duì)阿卡波糖發(fā)酵水平的影響

攪拌類(lèi)型及控制是決定阿卡波糖發(fā)酵發(fā)酵水平的關(guān)鍵因素之一，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，除了要滿足氧被充分溶解的同時(shí)要降低攪拌功率?？疾炝瞬煌瑪嚢栊问降膬?yōu)化組合對(duì)阿卡波糖溶氧、效價(jià)、能耗的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。對(duì)照組，下攪拌為六葉拋物線圓盤(pán)攪拌，中上攪拌為四寬葉螺旋槳攪拌；實(shí)驗(yàn)1組，下攪拌為六葉半圓圓盤(pán)攪拌，中上攪拌為四寬葉螺旋槳攪拌；實(shí)驗(yàn)2組，下中攪拌為六葉拋物線圓盤(pán)攪拌，上攪拌為四寬葉螺旋槳攪拌。

圖3 不同攪拌組合對(duì)菌濃、溶氧、效價(jià)、能耗的影響

由圖3表明，實(shí)驗(yàn)1組將下攪拌由6葉拋物線圓盤(pán)攪拌調(diào)整為6葉半圓圓盤(pán)攪拌，對(duì)放罐時(shí)菌濃、效價(jià)、溶氧與對(duì)照相比均無(wú)明顯的差異，但能耗較對(duì)照下降25%；實(shí)驗(yàn)2組將下中攪拌均改為6葉拋物線圓盤(pán)攪拌，由于發(fā)酵液的徑向流動(dòng)增加，至放罐時(shí)仍保持較高的溶氧，但由于徑向剪切的增加，多數(shù)菌絲均被打碎，顯著影響菌絲正常生長(zhǎng)及代謝，導(dǎo)致放罐效價(jià)明顯下降，同時(shí)兩檔圓盤(pán)攪拌大幅增加了攪拌能耗，能耗增加50%。

因此，采用實(shí)驗(yàn)1組的攪拌組合，能在維持放罐水平的同時(shí)節(jié)省能耗20%左右。

2.4 延長(zhǎng)發(fā)酵周期對(duì)阿卡波糖發(fā)酵水平的影響

阿卡波糖整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，空氣壓力為0.160～0.165MPa，空氣流量維持在45～50m3/min，采用噴環(huán)式空氣分布圈，能有效改善發(fā)酵后期菌絲代謝對(duì)氧的需求，又因噴環(huán)式空氣分布圈帶來(lái)了氣液劇烈混合，對(duì)菌絲產(chǎn)生了一定的剪切力，減緩了菌絲快速生長(zhǎng)，這都為延長(zhǎng)發(fā)酵周期，提升單罐發(fā)酵水平提供了有利因素。

考察了現(xiàn)生產(chǎn)工藝與優(yōu)化空氣攪拌模式后工藝發(fā)酵8d、優(yōu)化空氣攪拌模式后發(fā)酵周期延長(zhǎng)1d，對(duì)放罐菌濃、效價(jià)、雜質(zhì)含量等參數(shù)進(jìn)行了考察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 延長(zhǎng)發(fā)酵周期后菌濃、效價(jià)、雜質(zhì)與現(xiàn)有工藝比較

表1結(jié)果表明，對(duì)空氣壓力、空氣流量、進(jìn)氣方式、攪拌葉優(yōu)化組合等因素優(yōu)化后，與優(yōu)化前工藝比較，首先該優(yōu)化方案不但能提升放罐效價(jià)，因整個(gè)發(fā)酵過(guò)程溶氧較為充裕，合成的主要雜質(zhì)也明顯下降。同時(shí)又為延長(zhǎng)周期提供了有利因素，從上表可知，周期延長(zhǎng)兩天，在主要雜質(zhì)保持較好水平的情況下，發(fā)酵效價(jià)提升了15%左右，對(duì)生產(chǎn)成本下降帶來(lái)顯著的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)阿卡波糖發(fā)酵生產(chǎn)中空氣壓力、空氣流量、空氣進(jìn)氣方式、最優(yōu)攪拌模式進(jìn)行了研究，確定較佳的空氣及攪拌控制模式，發(fā)酵水平可提升7%左右，能耗可節(jié)約20%。然而空氣攪拌模式的優(yōu)化，為生產(chǎn)延長(zhǎng)發(fā)酵周期提供了可能，發(fā)酵周期延長(zhǎng)1～2d，發(fā)酵水平較優(yōu)化前的模式可提升15%左右。