Hầu hết quá trình lên men yêu cầu môi trường lỏng, thường được gọi là broth, mặc dù một số môi trường cơ chất rắn cũng được sử dụng. Môi trường lên men phải đảm bảo tất cả các nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật và đáp ứng các mục tiêu kỹ thuật của quá trình. Các chất dinh dưỡng cần được xây dựng để thúc đẩy sự tổng hợp các sản phẩm đích , sinh khối tế bào hoặc một sản phẩm chuyển hóa cụ thể. Trong hầu hết các quá trình lên men công nghiệp có nhiều giai đoạn mà môi trường là bắt buộc. Các quá trình đó  có thể bao gồm các bước nhân giống ban đầu (giống khởi động), qui mô lên men thử nghiệm và quá trình sản xuất lên men chính. Các mục tiêu kỹ thuật của nhân giống ban đầu và quá trình lên men chính thường rất khác nhau, có thể được phản ánh qua khác biệt lớn trong công thức môi trường của chúng. Khi sinh khối hoặc các chất chuyển hóa chính - là các sản phẩm đích , mục đích (của môi trường) là cung một môi trường sản xuất cho phép sự sinh trưởng tối đa của vi sinh vật. Đối với sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp, chẳng hạn như thuốc kháng sinh, sự tổng hợp chúng không liên quan đến quá trình sinh trưởng do vậy, môi trường nuôi cấy được thiết kế để cung cấp một giai đoạn sinh trưởng ban đầu của tế bào, tiếp theo là các điều kiện tối ưu cho sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp. Tại thời điểm này, việc cung cấp một hoặc nhiều chất dinh dưỡng (nguồn carbon, phốt pho hoặc nitơ) nên giới hạn lại và sự tăng trưởng nhanh chóng nên chấm dứt.

Hầu hết các quá trình lên men, ngoại trừ những quá trình lên men cần cơ chất rắn, yêu cầu một lượng nước lớn trong công thức môi trường. Các yêu cầu cơ bản của môi trường bao gồm một nguồn carbon, mà hầu như trong tất cả các quá trình lên men công nghiệp chúng cung cấp cả năng lượng và các đơn vị carbon cho quá trình sinh tổng hợp, và các nguồn nitơ và phốt pho, lưu huỳnh. Các yếu tố vi lượng và đánh dấu cũng phải được cung cấp, và một số vi sinh vật đòi hỏi bổ sung vitamin, chẳng hạn như biotin và riboflavin.

Các quá trình lên men hiếu khí phụ thuộc vào việc cung cấp liên tục khí oxo, và thậm chí một số quá trình lên men yếm khí đòi hỏi phải thông khí ban đầu cho môi trường nuôi cấy, ví dụ như quá trình lên men bia . Thông thường, môi trường kết hợp với các chất đệm, pH được kiểm soát bằng cách bổ sung axit và kiềm, và chất chống tạo bọt có thể cũng cần thiết. Đối với một số quá trình, các tiền chất, chất cảm ứng hoặc chất ức chế phải được thêm vào ở các giai đoạn nhất định của quá trình lên men.

Các bước đầu tiên trong xây dựng công thức môi trường chủ yếu liên quan đến việc xem xét các đầu vào của nguồn carbon và nitơ, khoáng chất và oxy, và chuyển đổi sinh khối tế bào, các sản phẩm trao đổi chất, carbon dioxide, nước và nhiệt. Từ thông tin này có thể để tính toán số lượng tối thiểu của mỗi yếu tố cần thiết để sản xuất một số lượng nhất định của sinh khối hoặc chất chuyển hóa.

The initial step in media formulation is the examina- tion of the overall process based on the stoichiometry for growth and product formation. This primarily involves consideration of the input of the carbon and nitrogen sources, minerals and oxygen, and their conversion to cell biomass, metabolic products, carbon dioxide, water and heat. From this information it should be possible to calculate the minimum quantities of each element required to produce a certain quantity of biomass or metabolite. Typically, the main elemental

formula of microbial cells is approximately C4H7O2N, which on a basis of dry weight is 48% C, 7% H, 32%

O and 14% N. The elemental composition of baker’s

yeast, for example, is C3.72 H6.11 O1.95 N0.61 S 0.017 P0.035 and K0.056. Elemental composition varies slightly with growth rate, but the range is relatively small compared

with interspecies differences, particularly between bacteria and fungi. Ideally, a knowledge of the com- plete elemental composition of the specific industrial microorganism allows further media refinement. This ensures that no element is limiting, unless this is desired for a specific purpose.

Once the elemental requirements of a microorganism have been established, suitable nutrient sources can be incorporated into the media to fulfil these demands. However, it is important to be aware of potential problems that can arise when using certain compounds. For example, those that are rapidly metabolized may repress product formation. To overcome this, intermittent or continuous addition of fresh medium may be carried out to maintain a relatively low concentration that is not repressive. Certain media nutrients or environmental conditions may affect not only the physiology and biochemistry, but also the morphology of the microor- ganism. In some yeasts the single cells may develop into pseudo-mycelium or flocculate, and filamentous fungi may form pellets. This may or may not be desirable, as such morphological changes can influence product yield and other fermentation properties.

Một khi các nguyên tố cần thiết cho vi sinh vật đã được thành lập, các nguồn dinh dưỡng phù hợp có thể được tích hợp vào môi trường để đáp ứng những yêu cầu này. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải nhận thức được vấn đề tiềm ẩn có thể phát sinh khi sử dụng một số hợp chất. Ví dụ, những hợp chất nhanh chóng chuyển hóa có thể gây ức chế sự hình thành sản phẩm. Để khắc phục điều này, sự bổ sung gián đoạn hoặc liên tục các môi trường mới có thể được thực hiện để duy trì một nồng độ tương đối thấp đủ để không gây ức chế. Một số chất dinh dưỡng môi trường hoặc các điều kiện môi trường nhất định có thể không chỉ ảnh hưởng đến sinh lý học và hóa sinh, mà còn là hình thái của vi sinh vật. Ở một số nấm men, các tế bào đơn lẻ có thể phát triển thành giả sợi nấm hoặc kết bông, và nấm sợi nhỏ có thể tạo thành bột viên. Đây có thể là điều mong muốn hoặc không mong muốn, ví như sự thay đổi hình thái như vậy có thể ảnh hưởng đến sản lượng sản phẩm và các thuộc tính lên men khác.

The media adopted also depend on the scale of the fermentation. For small-scale laboratory fermentations pure chemicals are often used in well-defined media. However, this is not possible for most industrial-scale fermentation processes, simply due to cost, as media components may account for up to 60–80% of process expenditure. Industrial-scale fermentations primarily use cost-effective complex substrates, where many car- bon and nitrogen sources are almost undefinable. Most are derived from natural plant and animal materials, often byproducts of other industries, with varied and variable composition. The effects of such batch- to-batch mẻ này đến mẻ khác variations must be determined. Small-scale trials are usually performed with each new batch of sub- strate, particularly to examine the impact on product yield and product recovery.

Môi trường đã được chấp nhận cũng phụ thuộc vào quy mô của quá trình lên men. Đối với quá trình lên men mức độ phòng thí nghiệm quy mô nhỏ hoá chất tinh khiết thường được sử dụng trong môi trường được xác định rõ ràng . Tuy nhiên, điều này không thích hợp cho hầu hết các quá trình lên men quy mô công nghiệp, chỉ đơn giản là do chi phí, như các thành phần môi trường có thể chiếm đến 60-80% chi tiêu quá trình. Quá trình lên men quy mô công nghiệp chủ yếu sử dụng chi phí hiệu quả chất nền phức tạp, nơi mà nhiều carbon và nguồn nitơ là gần như không xác định đc rõ ràng. Hầu hết có nguồn gốc từ thực vật và động vật nguyên vật liệu tự nhiên, thường là sản phẩm phụ của các ngành công nghiệp khác, với thành phần đa dạng và biến. Các tác động của hàng loạt hàng loạt các biến thể phải được xác định.Thử nghiệm quy mô nhỏ thường được thực hiện với từng lô mới bề mặt, đặc biệt là kiểm tra tác động đến sản lượng sản phẩm và thu hồi sản phẩm.

The main factors that affect the final choice of individual raw materials are as follows.

1 Cost and availability: ideally, materials should be inexpensive, and of consistent quality and year round availability.

2 2 Ease of handling in solid or liquid forms, along with associated transport and storage costs, e.g.

require- ments for temperature control.

3 3 Sterilization requirements and any potential denatu- ration problems.

4 4 Formulation, mixing, complexing and viscosity characteristics that may influence agitation,

aeration and foaming during fermentation and downstream processing stages.

5 5 The concentration of target product attained, its rate of formation and yield per gram of substrate utilized.

6 6 The levels and range of impurities, and the potential for generating further undesired products during

the process.

7 7 Overall health and safety implications.8 The final composition of industrial media is not solely the concern of the fermentation stage. Crude

substrates provide initial cost savings, but their higher levels of im- purities may necessitate more costly

and complex recovery and purification steps downstream, and possibly increased waste treatment

costs. Also, the physical and chemical properties of the formulated medium can influence the

sterilization operations employed. A medium that is easily sterilized with minimum thermal damage is

vitally important. Thermal damage not only reduces the level of specific ingredients, but can also produce

potentially inhibitory byproducts that may also interfere with downstream processing. Other media

characteristics can affect product recovery and purification, and the ease with which the cells are

separated from the spent medium (see Chapter 7).

9 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự lựa chọn cuối cùng của nguyên vật liệu cá nhân như sau.

10 1 Chi phí và tính sẵn có: lý tưởng, tài liệu nên không tốn kém, và chất lượng phù hợp và sẵn có quanh

năm.

11 2 2 Dễ xử lý ở dạng rắn hoặc lỏng, cùng với liên quan đến giao thông vận tải và chi phí lưu trữ, ví dụ như

yêu cầu các kiểm soát nhiệt độ.

12 3 3 yêu cầu khử trùng và bất kỳ vấn đề tiềm năng hợp lý denatu.

13 4 4 Xây dựng, trộn, đặc điểm phức và độ nhớt có thể ảnh hưởng đến kích động, thông khí và tạo bọt trong

các giai đoạn chế biến lên men và hạ lưu.

14 5 5 nồng độ đạt được mục tiêu sản phẩm, tỷ lệ hình thành và sản lượng mỗi gram bề mặt sử dụng.

15 6 6 cấp và phạm vi của các tạp chất và tiềm năng để tạo ra thêm các sản phẩm không mong muốn trong

quá trình này.

16 7 7 tác động tổng thể sức khỏe và an toàn.

17 8 Thành phần cuối cùng của các phương tiện truyền thông công nghiệp là không chỉ đơn thuần là mối

quan tâm của giai đoạn lên men. Chất nền thô cung cấp tiết kiệm chi phí ban đầu, nhưng mức độ cao hơn

của im-tịnh có thể cần phải phục hồi tốn kém và phức tạp hơn và các bước thanh lọc hạ lưu, và có thể tăng

chi phí xử lý chất thải. Ngoài ra, các tính chất vật lý và hóa học của môi trường xây dựng có thể ảnh

hưởng đến các hoạt động khử trùng dụng. Một phương tiện được dễ dàng khử trùng với những thiệt hại

nhiệt tối thiểu là cực kỳ quan trọng. Nhiệt thiệt hại không chỉ làm giảm mức độ của các thành phần cụ thể,

nhưng cũng có thể sản xuất các sản phẩm phụ có khả năng ức chế cũng có thể can thiệp với chế biến sâu.

Các phương tiện truyền thông các đặc tính khác có thể ảnh hưởng đến thu hồi sản phẩm và thanh lọc, và

sự dễ dàng mà các tế bào được tách ra từ các phương tiện chi tiêu (xem Chương 7).

Pure glucose and sucrose are rarely used for industrial- scale fermentations, primarily due to cost.

Molasses, a byproduct of cane and beet sugar production, is a cheaper and more usual source of

sucrose. This material is the residue remaining after most of the sucrose has been crystallized

from the plant extract. It is a dark coloured viscous syrup containing 50–60% (w/v) car- bohydrates,

primarily sucrose, with 2% (w/v) nitroge- nous substances, along with some vitamins and

minerals. Overall composition varies depending upon the plant source, the location of the crop, the

climatic conditions under which it was grown and the factory where it was processed. The

carbohydrate concentra- tion may be reduced during storage by contaminating microorganisms. A

similar product, hydrol molasses, can also be used. This byproduct of maize starch

processing primarily contains glucose

Glucose và sucrose tinh khiết ít được sd cho các quá trình lên men ở quy mô CN, thông thường do chi

phí. Rỉ đường, sp phụ của quá trình sản xuất đường của cải hoặc đường mía, là nguồn sucrose rẻ và phổ

biến hơn. Nguyên liệu này là bã còn lại sau khi hầu hết sucrose đã được kết tinh từ dịch chiết thực vật.

Đây là một chất siro sền sệt tối màu có chứa … các carbohydrate, thường là sucrose, với 2% các cơ chất

chứa ni tơ, cùng với một vài vitamin và các chất khoáng. Thành phần chung phụ thuộc và nguồn thực

vật, vị trí địa lý của cây, các điều kiện thời tiết mà tại nơi trồng và nhà máy tiến hành sản xuất. nồng độ

carbohydrate có thể bị giảm xuống trong quá trình lưu trữ bởi các vi sinh vật nhiễm vào. Một sản phẩm

tương tự, rỉ đường dạng nước, có thể cũng được sử dụng. Sản phẩm phụ này của quá trình tinh bột ngô

Aqueous extracts of malted barley can be concentrated to form syrups that are particularly useful

carbon sources for the cultivation of filamentous fungi, yeasts and actinomycetes. Extract preparation

is essentially the same as for malt wort production in beer brewing (Chapter 12). The composition of

malt extracts varies to some extent, but they usually contain approximately 90% carbohydrate, on

a dry weight basis. This com- prises 20% hexoses (glucose and small amounts of fruc- tose), 55%

disaccharides (mainly maltose and traces of sucrose), along with 10% maltotriose, a trisaccharide. In

addition, these products contain a range of branched and unbranched dextrins (15–20%), which may or

may not be metabolized, depending upon the microorgan- ism. Malt extracts also contain some

vitamins and approximately 5% nitrogenous substances, proteins, peptides and amino acids

Dịch chiết mạch nha từ lúa mạch có thể được cô đặc để tạo siro thường là các nguồn carbon cho sự nuôi

cấy nấm sợi, nấm men và xạ khuẩn. Chế phẩm chiết cũng cần thiết như sự ủ mạch nha trong lên men

bia. Thành phần của dịch chiết mạch nha thay đổi

C VI

Microbiologists use the term fermentation in two different contexts. First, in metabolism,

fermentation refers to energy generating processes where organic compounds act as both electron

donor and acceptor (see Chapter 3). Second, in the context of industrial microbiology, the term also

refers to the growth of large quantities of cells under aerobic or anaerobic conditions, within a

vessel referred to as a fermenter or bioreactor. Apart from their use for cell cultivation, and for live

vegetative cell and spore biotransformations, similar vessels are used in processes involving cell-free

and immobilized enzyme transformations. However, here we will be considering fermenters for

microbial, plant and animal cell culture.

Vi sinh vật sử dụng quá trình lên men dài trong hai bối cảnh khác nhau. Đầu tiên, trong quá trình trao

đổi chất, quá trình lên men đề cập đến quá trình năng lượng tạo ra các hợp chất hữu cơ hoạt động như

các nhà tài trợ điện tử và chấp nhận (xem Chương 3). Thứ hai, trong bối cảnh công nghiệp vi sinh vật

học, thuật ngữ này cũng đề cập đến sự tăng trưởng của số lượng lớn của các tế bào trong điều kiện hiếu

khí hay kỵ khí, trong vòng một tàu gọi là lên men hoặc lò phản ứng sinh học. Ngoài việc sử dụng để

canh tác tế bào và tế bào thực vật sống và biotransformations bào tử, tàu thuyền tương tự được sử dụng

trong các quá trình liên quan đến biến đổi tế bào miễn phí và cố định enzyme. Tuy nhiên, ở đây chúng

tôi sẽ xem xét men nuôi cấy tế bào vi sinh vật, thực vật và động vật.

Although we will be primarily examining conventional fermenters, it must be remembered that,

particularly with the advent of recombinant DNA technology, alternate systems for producing specific

cell products are now available. Monoclonal antibodies are already extracted from the ascitic fluid

of rodents (see Chapter 17), vaccines can be produced in sheep’s milk or in fruit (e.g. biosynthesis of

malaria vaccine in bananas) and various other recombinant prod- ucts may be manufactured in

agricultural plants.

Mặc dù chúng tôi sẽ chủ yếu kiểm tra men thông thường, nó phải được nhớ rằng, đặc biệt là với sự ra

đời của công nghệ DNA tái tổ hợp, hệ thống thay thế để sản xuất các sản phẩm tế bào cụ thể hiện nay có

sẵn. Kháng thể đơn dòng được đã được chiết xuất từ các chất lỏng ascitic của loài gặm nhấm (xem

Chương 17), loại vắc-xin có thể được sản xuất trong sữa cừu hoặc trong trái cây (ví dụ như sinh tổng

hợp của thuốc chủng ngừa bệnh sốt rét trong chuối) và khác nhau khác tái tổ hợp sản-phẩm có thể được

sản xuất trong các cây nông nghiệp.

Although solid-substrate fermentations are operated (see p. 105), most fermentations use liquid media,

often referred to as broth, under aerobic or anaerobic conditions. Some, like beer and wine

fermentations, are non-stirred, non-aerated and are not operated aseptically (see Chapter 12),

whereas many others are stirred, aerated and aseptic (Table 6.1).

Mặc dù quá trình lên men-chất nền rắn được vận hành (xem trang 105), hầu hết các quá trình lên men sử

dụng phương tiện truyền thông chất lỏng, thường được gọi là nước dùng, trong điều kiện hiếu khí hay

kỵ khí.Một số, như quá trình lên men bia và rượu vang, không khuấy, không có ga và không hoạt động

vô trùng (xem Chương 12), trong khi nhiều người khác được khuấy động, thông thoáng và vô trùng

(Bảng 6.1).

Fermentations are also broadly classified according to the organization of the biological phase (Table

6.2), whether it is in suspension or in the form of a supported film. For suspended growth, the cells

are freely dispersed in the growth medium and interact as individual or flocculated units. These

systems may appear simple, but in reality nutrient and oxygen gradients may develop. In

supported growth, the cells develop as a biofilm, normally on an inert support material and result in the

formation of a complex interacting community of cells. Supported growth systems can be subdivided

into fixed film processes, where the medium flows over the static support material; and fluidized/expanded

systems, where particles of support material are suspended in a liquid medium. Also, some microorganisms can

be grown as unattached surface films at a liquid–air interface.

Quá trình lên men cũng được phân loại theo tổ chức của giai đoạn sinh học (Bảng 6,2), cho dù đó là đình chỉ

hoặc trong các hình thức của một bộ phim được hỗ trợ. Đối với sinh trưởng lơ lửng, các tế bào được tự do phân

tán trong môi trường tăng trưởng và tương tác như các đơn vị cá nhân hoặc flocculated. Các hệ thống này có thể

xuất hiện đơn giản, nhưng trong chất dinh dưỡng thực tế và gradient oxy có thể phát triển. Trong tăng trưởng hỗ

trợ, các tế bào phát triển như một màng sinh học, thông thường trên một vật liệu trơ và hỗ trợ kết quả trong sự

hình thành của một cộng đồng tương tác phức tạp của các tế bào. Hỗ trợ các hệ thống tăng trưởng có thể được

chia thành quá trình bộ phim cố định, nơi trung bình dòng chảy trên các vật liệu hỗ trợ tĩnh và hệ thống hoá

lỏng / mở rộng, nơi mà các hạt của vật liệu hỗ trợ bị đình chỉ trong môi trường lỏng.Ngoài ra, một số vi sinh vật

có thể được phát triển như phim bề mặt tự do tại giao diện chất lỏng không khí.

Fermenter design and construction

The main function of a fermenter is to provide a suitable environment in which an organism can

efficiently produce a target product that may be cell biomass, a metabolite or bioconversion product.

Most are designed to maintain high biomass concentrations, which are essential for many fermentation

processes, whereas control strategies largely depend on the particular process and its specific objectives.

The performance of any fermenter depends on many factors, but the key physical and chemical

parameters that must be con-trolled are agitation rate, oxygen transfer, pH, temperature and foam production.

Chức năng chính của lên men một là để cung cấp một môi trường thích hợp, trong đó một sinh vật một cách hiệu

quả có thể sản xuất một sản phẩm mục tiêu đó có thể là tế bào sinh khối, một sản phẩm chất chuyển hóa hoặc

bioconversion. Nhất được thiết kế để duy trì nồng độ sinh khối cao, đó là điều cần thiết cho nhiều quá trình lên

men, trong khi chiến lược kiểm soát phần lớn phụ thuộc vào quá trình cụ thể và các mục tiêu cụ thể của nó. Việc

thực hiện bất kỳ lên men phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng các thông số vật lý và hóa học quan trọng cần phải

được kiểm soát tỷ lệ kích động, chuyển oxy, pH, nhiệt độ và sản xuất xốp.

Laboratory fermentations may be performed in bottles or conical flasks that can be shaken to provide aeration

where necessary. These vessels are normally plugged with cotton wool or a styrofoam bung to prevent microbial

contamination, but this can lead to evaporation losses and restricted exchange of gases. Consequently, even

on a laboratory scale, vessels specifically constructed for fermentations are usually preferred. For industrial

processes, fermenters with capacities up to several hundred thousand litres are used. These are mostly purpose

built and designed for a specific process, although some flexibility may be necessary in certain instances. Their

design, quality of construction, mode of operation and the level of sophistication largely depend upon the

production organism, the optimal operating conditions required for target product formation, product value

and the scale of production. Overriding considerations are reliability and the need to minimize capital investment

and running costs.

Quá trình lên men trong phòng thí nghiệm có thể được thực hiện trong chai hoặc bình hình nón có thể bị lay

chuyển để cung cấp thông khí ở những nơi cần thiết.Những con tàu thường được cắm với bông gòn hoặc bung

xốp để ngăn chặn ô nhiễm vi sinh vật, nhưng điều này có thể dẫn đến thiệt hại bốc hơi và trao đổi hạn chế của

các loại khí. Do đó, ngay cả trên một quy mô phòng thí nghiệm, các mạch đặc biệt xây dựng cho quá trình lên

men thường được ưa chuộng. Đối với các quy trình công nghiệp, men với công suất lên đến hàng trăm nghìn lít

được sử dụng. Đây là những chủ yếu là mục đích xây dựng và được thiết kế cho một quá trình cụ thể, mặc dù

một số linh hoạt có thể cần thiết trong một số trường hợp nào đó. Chất lượng thiết kế, xây dựng, phương thức

hoạt động và mức độ tinh tế của họ phần lớn phụ thuộc vào các sinh vật sản xuất, điều kiện hoạt động tối ưu cần

thiết cho sự hình thành sản phẩm mục tiêu, giá trị sản phẩm và quy mô sản xuất.Cân nhắc trọng là độ tin cậy và

sự cần thiết để giảm thiểu vốn đầu tư và chi phí vận hành.

Large volume, low value products that include many of the traditional fermentation products, such as alcoholic

beverages, are usually produced using relatively simple fermenters and may not operate under aseptic

conditions. There are often fewer risks when operating such non-aseptic fermentations at extreme pH or high

temperatures, or where protected substrates are used. These are substrates that few microorganisms will

utilize. Nevertheless, strict adherence to good manufacturing practices reduces the risk of microbial

contamination of pure culture (axenic) fermentations. Other fermentations do not involve pure culture inoculum

and actively encourage the development of indigenous microorganisms, e.g. some food fermentations and

waste-water treatment. Conversely, fermentations producing high value, relatively low volume products,

especially pharmaceuticals, invariably demand more elaborate systems and operate under strict aseptic

conditions.

Khối lượng lớn, sản phẩm có giá trị thấp mà bao gồm rất nhiều các sản phẩm lên men truyền thống, chẳng hạn

như đồ uống có cồn, thường được sản xuất bằng cách sử dụng men tương đối đơn giản và có thể không hoạt

động trong điều kiện vô trùng. Thường có những rủi ro ít hơn khi hoạt động quá trình lên men như vậy không vô

trùng cực kỳ ở pH hay nhiệt độ cao, hoặc nơi các chất nền được bảo hộ.Đây là những chất có vài vi sinh vật sẽ

sử dụng. Tuy nhiên, nghiêm ngặt tuân thủ thực hành sản xuất tốt làm giảm nguy cơ ô nhiễm vi sinh vật của nền

văn hóa thuần túy (axenic) quá trình lên men. Quá trình lên men khác không liên quan đến chất tiêm chủng văn

hóa tinh khiết và tích cực khuyến khích sự phát triển của vi sinh vật bản địa, ví dụ như một số thực phẩm quá

trình lên men và xử lý nước thải. Ngược lại, quá trình lên men sản xuất có giá trị cao, các sản phẩm khối lượng

tương đối thấp, đặc biệt là dược phẩm, luôn yêu cầu các hệ thống phức tạp hơn và hoạt động dưới các điều kiện

vô trùng nghiêm ngặt.

Traditionally, fermenters have been open cylindrical or rectangular vessels made from wood or stone. Some of

these are still used, particularly for certain food and beverage fermentations. However, most fermentations are

now performed in closed vessels designed to exclude microbial contamination. These fermenters must with stand

repeated sterilization and cleaning, and should be constructed from non-toxic, corrosion-resistant materi- als.

Small fermentation vessels of a few litres capacity are constructed from glass and/or stainless steel. Pilot-scale

and many production vessels are normally made of stainless steel with polished internal surfaces, whereas very

large fermenters are often constructed from mild steel lined with glass or plastic, in order to reduce the cost. If

aseptic operation is required, all associated pipelines transporting air, inoculum and nutrients for the

fermentation need to be sterilizable, usually by steam.

Theo truyền thống, men đã được tàu mở, hình trụ hoặc hình chữ nhật được làm từ gỗ hoặc đá.Một số trong số

này vẫn được sử dụng, đặc biệt cho quá trình lên men thực phẩm nhất định và nước giải khát. Tuy nhiên, hầu hết

các quá trình lên men được thực hiện trong mạch kín được thiết kế để loại trừ nhiễm khuẩn. Các men phải khử

trùng đứng lặp đi lặp lại và làm sạch, và nên được xây dựng từ không độc hại, không bị ăn mòn vật liệu học.Tàu

nhỏ của quá trình lên men có công suất vài lít được xây dựng từ thủy tinh và / hoặc thép không gỉ. Mạch sản xuất

qui mô thử nghiệm và nhiều thường được làm bằng thép không gỉ với các bề mặt được đánh bóng nội bộ, trong

khi men rất lớn thường được xây dựng từ thép nhẹ lót bằng thủy tinh hoặc nhựa, để giảm chi phí. Nếu hoạt động

vô trùng là cần thiết, tất cả các đường ống dẫn liên quan đến vận chuyển không khí, nguồn bệnh và các chất dinh

dưỡng cho quá trình lên men cần phải được sterilizable, thường là bằng hơi nước.

Normally, fermenters up to 1000 L capacity have an external jacket, and larger vessels have internal coils.

Both provide a mechanism for vessel sterilization and temperature control during the fermentation.

As previously stated, fermentations can be carried out under non-aseptic conditions where the risk of

contamination is not a major concern. However, many fermenters must be designed for prolonged

aseptic operation (Table 6.1). The design rules for an aseptic bioreactor demand that there is no direct

contact between the sterile and non-sterile sections to eliminate microbial contamination. Any connections

to the fermenter should be suitable for steam treatment to kill any resident microorganisms and systems must be

designed to allow aseptic inoculation, sampling and harvesting. Every individual part should be easily

maintained, cleaned and independently steam sterilizable, particularly valves. Most vessel cleaning

operations are now automated using spray jets, which are located within the vessels. They efficiently disperse

cleaning fluids and this cleaning mechanism is referred to as cleaning-in-place (CIP)

Thông thường, các men lên đến 1000 công suất L có một chiếc áo khoác bên ngoài, và các tàu lớn hơn

có cuộn dây nội bộ.Cả hai cung cấp một cơ chế cho việc khử trùng tàu và kiểm soát nhiệt độ trong quá

trình lên men.

Như đã nói, quá trình lên men có thể được thực hiện theo điều kiện vô trùng không nguy cơ ô nhiễm

không phải là một mối quan tâm lớn. Tuy nhiên, nhiều men phải được thiết kế cho các hoạt động vô

trùng kéo dài (Bảng 6.1). Các quy tắc thiết kế cho một nhu cầu lò phản ứng sinh học vô trùng là không

có tiếp xúc trực tiếp giữa các phần vô trùng và không tiệt trùng để loại bỏ nhiễm khuẩn. Bất kỳ kết nối

để lên men nên phù hợp để xử lý hơi nước để tiêu diệt bất kỳ vi sinh vật cư trú và hệ thống phải được

thiết kế để cho phép tiêm vô trùng, lấy mẫu và thu hoạch. Mỗi một phần cá nhân phải được dễ dàng duy

trì, làm sạch và sterilizable hơi nước độc lập, đặc biệt là van. Hầu hết các vụ vệ sinh tàu được tự động sử

dụng máy bay phản lực phun, được đặt bên trong các mạch. Họ có hiệu quả phân tán chất lỏng làm sạch

và cơ chế này làm sạch được gọi là làm sạch tại chỗ (CIP).

Associated pipework must also be designed to reduce the risk of microbial contamination. There should

be no horizontal pipes or unnecessary joints and dead stagnant spaces where material can

accumulate, otherwise this may lead to ineffective sterilization. Overlapping joints are unacceptable

and flanged connections should be avoided as vibration and thermal expansion can result in

loosening of the joints to allow ingress of microbial contaminants. Buttwelded joints with

polished inner surfaces are preferred

Hệ thống đường ống liên quan cũng phải được thiết kế để giảm nguy cơ nhiễm khuẩn. Có phải là không

có đường ống ngang hoặc khớp nối không cần thiết và không gian chết ứ đọng vật liệu có thể tích lũy,

hoặc nếu không có thể dẫn đến khử trùng không hiệu quả. Khớp chồng chéo là không thể chấp nhận

được và kết nối mặt bích nên tránh rung động và mở rộng nhiệt có thể dẫn đến việc nới lỏng các khớp

để cho phép sự xâm nhập của các chất gây ô nhiễm vi sinh vật.Nhưng khớp twelded với bề mặt bên

trong đánh bóng được ưa thích

Other features that must be incorporated are pressure gauges and safety pressure valves, which are

required during sterilization and operation. The safety valves prevent excess pressurization, thus reducing

potential safety risks. They are usually in the form of a metal foil disc held in a holder set into the wall of the

fermenter. These discs burst at a specified pressure and present a much lower contamination risk than

spring-loaded valves. Pumps should be avoided if aseptic operation is required, as they can be a major source of

contamination. Centrifugal pumps may be used, but their seals are potential routes for contamination.

These pumps generate high shear forces and are not suitable for pumping suspensions of shear-sensitive

cells

Các tính năng khác mà phải được kết hợp đồng hồ đo áp lực và van xả áp an toàn, được yêu cầu trong

quá trình khử trùng và hoạt động. Các van an toàn ngăn chặn áp lực lên dư thừa, do đó giảm thiểu rủi ro

an toàn tiềm năng.Họ thường là dưới hình thức của một đĩa lá kim loại được tổ chức trong một chủ đặt

vào bức tường lên men.Những đĩa vỡ ở áp suất quy định và trình bày một nguy cơ ô nhiễm thấp hơn

nhiều so van mùa xuân nạp.Máy bơm nên tránh nếu hoạt động vô trùng là cần thiết, vì chúng có thể là

một nguồn chính gây nhiễm bẩn. Máy bơm ly tâm có thể được sử dụng, nhưng con dấu của họ là các

tuyến đường tiềm năng cho ô nhiễm.Các máy bơm này tạo ra lực cắt cao và không phù hợp cho bơm

huyền phù của các tế bào nhạy cảm cắt

Other pumps used include magnetically coupled, jet and peristaltic pumps. Alternate methods of liquid

transfer are gravity feeding or vessel pressurization. In fermentations operating at high temperatures or

containing volatile compounds, a sterilizable condenser may be required to prevent evaporation loss. For safety

reasons, it is particularly important to contain any aerosols generated within the fermenter by filter sterilizing the

exhaust gases. Also, fermenters are often operated under posi- tive pressure to prevent entry of contaminants.

However, this may not be applicable if pathogens or certain recombinant DNA microorganisms are being used

(see Chapter 8

Máy bơm khác được sử dụng bao gồm từ tính cùng, máy bay phản lực và máy bơm nhu động.Phương

pháp thay thế chuyển chất lỏng là lực hấp dẫn cho bé ăn hay áp lực lên tàu. Trong quá trình lên men

hoạt động ở nhiệt độ cao hoặc có chứa các hợp chất dễ bay hơi, một bình ngưng sterilizable có thể được

yêu cầu để tránh mất mát bay hơi. Vì lý do an toàn, nó là đặc biệt quan trọng để chứa bất kỳ các sol khí

tạo ra trong lên men bởi các bộ lọc khử trùng các chất khí thải. Ngoài ra, men thường hoạt động dưới áp

lực tích cực để ngăn chặn xâm nhập của các chất gây ô nhiễm. Tuy nhiên, điều này không thể được áp

dụng nếu tác nhân gây bệnh hoặc vi sinh vật tái tổ hợp DNA nhất định đang được sử dụng.

Control of chemical and physical conditions

The basic concept of a bioreactor is to separate, by use of boundaries, the internal fermentation environment

from the external environment. Therefore, anything entering or leaving the fermentation can be monitored and

this introduces the basic notion of ‘energy and mass balances’. However, some parameters in a system cannot be

balanced. These are intensive properties (temperature, concentration, pressure and specific heat) whose

properties are independent of the size of the system, whereas extrinsive properties (mass, volume, entropy and

energy) can be balanced. For example, if 10 g of water at 30°C is added to 35 g of water at 30°C, the

resulting water has a temperature (intensive property) of 30°C not 60°C, but the mass of water (extrinsive

property) is additive at 45 g

Kiểm soát hóa chất và các điều kiện vật chất

Khái niệm cơ bản của một lò phản ứng sinh học là để tách, bằng cách sử dụng các ranh giới, môi trường

lên men nội bộ từ môi trường bên ngoài. Vì vậy, bất cứ điều gì vào hoặc rời khỏi quá trình lên men có

thể được theo dõi và điều này giới thiệu các khái niệm cơ bản của cân bằng năng lượng và khối lượng.

Tuy nhiên, một số thông số trong một hệ thống có thể không được cân bằng. Đây là những tính chất

chuyên sâu (nhiệt độ, nồng độ, áp suất và nhiệt độ cụ thể) có tính chất độc lập của các kích thước của hệ

thống, trong khi tài sản extrinsive (khối lượng, khối lượng, entropy và năng lượng) có thể được cân

bằng. Ví dụ, nếu 10 g nước ở 30 ° C được thêm vào 35 g nước ở 30 ° C, nước có nhiệt độ (thâm canh tài

sản) của 30 ° C không 60 ° C, nhưng khối lượng nước (extrinsive tài sản) là phụ gia ở mức 45 g.

The key extrinsive parameters are mass and energy, consequently the number of atoms of carbon,

nitrogen, oxygen, etc., and the energy present in the system at the start of the operation, and any further

input during the fermentation, must all be accounted for at the end of the process. If the inventory

for mass and energy in the system at the start and finish balance, then the system is understood. This

provides a powerful analytical tool, especially when combined with the determination of

thermodynamic properties (heat transfer, density, rheology and temperature) and rate equations

(biomass production, nutrient utilization and waste product formation). Together this

information can be used to build mathematical and computer models that may be used to monitor and

control future fermentations

Các thông số extrinsive chính là khối lượng và năng lượng, do đó số lượng của các nguyên tử carbon,

nitơ, oxy, vv, và hiện tại năng lượng trong hệ thống bắt đầu hoạt động, và đầu vào bất kỳ hơn nữa trong

quá trình lên men, tất cả đều phải được hạch toántrong thời gian cuối của quá trình. Nếu hàng tồn kho

cho khối lượng và năng lượng trong hệ thống cân bằng lúc bắt đầu và kết thúc, sau đó hệ thống được

hiểu rõ.Này cung cấp một công cụ phân tích hiệu quả, đặc biệt là khi kết hợp với việc xác định tính chất

nhiệt động lực học (truyền nhiệt, mật độ, lưu biến và nhiệt độ) và phương trình tốc độ (sinh khối sản

xuất, sử dụng chất dinh dưỡng và sự hình thành sản phẩm chất thải). Cùng thông tin này có thể được sử

dụng để xây dựng các mô hình toán học và máy tính có thể được sử dụng để theo dõi và kiểm soát quá

trình lên men trong tương lai.

Agitation

Agitation of suspended cell fermentations is performed in order to mix the three phases within a

fermenter. The liquid phase contains dissolved nutrients and metabo- lites, the gaseous phase is

predominantly oxygen and carbon dioxide, and the solid phase is made up of the cells and any solid

substrates that may be present. Mixing should produce homogeneous conditions and pro- mote nutrient,

gas and heat transfer. Heat transfer is necessary during both sterilization and for temperature

maintenance during operation. Efficient mixing is particularly important for oxygen transfer in aerobic

fer- mentations, as microorganisms can take up oxygen only from the liquid phase. Transfer into

liquid from the gaseous phase is enhanced by agitation. It prolongs retention of air bubbles in

suspension, reduces bubble size to increase the surface area for oxygen transfer, prevents bubble

coalescence and decreases the film thick- ness at the gas-liquid interface (see p. 99, Aeration).

However, maintenance of suitable shear conditions dur- ing the fermentation is very important, because

certain agitation systems develop high shear that may damage shear-sensitive cells. Conversely, low

shear systems can lead to cell flocculation or unwanted growth on sur- faces, such as on the vessel

walls, stirrer and electrodes.

Fermenter agitation requires a substantial input of energy and there are three principal

mechanisms that may be used.

kích động

Kích động của quá trình lên men tế bào bị đình chỉ được thực hiện để kết hợp ba giai đoạn trong lên

men. Giai đoạn chất lỏng có chứa các chất dinh dưỡng hòa tan và chuyển hóa-lites, giai đoạn khí chủ

yếu là oxy và carbon dioxide, và pha rắn được tạo thành từ các tế bào và chất nền vững chắc rằng có thể

có mặt. Trộn nên tạo điều kiện đồng nhất và chất dinh dưỡng thân vướng bụi trần, khí đốt và truyền

nhiệt. Truyền nhiệt là cần thiết trong quá trình khử trùng cả hai và cho nhiệt độ duy trì trong quá trình

hoạt động. Hiệu quả pha trộn đặc biệt quan trọng để chuyển oxy trong aerobic fer-mentations, như các

vi sinh vật có thể mất oxy chỉ từ pha lỏng. Chuyển thành chất lỏng từ giai đoạn khí được tăng cường bởi

kích động. Kéo dài thời gian lưu giữ của các bong bóng khí bị đình chỉ, làm giảm kích thước bong bóng

để tăng diện tích bề mặt để chuyển oxy, trước lỗ thông hơi bong bóng sự hợp nhất và làm giảm sự dày

phim tại giao diện chất lỏng khí (xem trang 99, sục khí). Tuy nhiên, duy trì các điều kiện phù hợp cắt

trong quá trình lên men là rất quan trọng, bởi vì hệ thống kích động nhất định phát triển cắt cao có thể

gây tổn hại đến cắt tế bào nhạy cảm. Ngược lại, hệ thống cắt thấp có thể dẫn đến kết bông hoặc tăng

trưởng tế bào không mong muốn trên sur-khuôn mặt, chẳng hạn như trên các thành mạch, máy khuấy và

các điện cực.

Lên men kích động đòi hỏi một đóng góp đáng kể năng lượng và có ba cơ chế chủ yếu có thể sẽ được sử

dụng.

1 Stirred tank reactors (STRs) have mechanically mov- ing agitators or impellers within a baffled

cylindrical vessel (Fig. 6.1). Baffles are usually flat vertical plates whose width is about one-tenth

of the vessel diameter. Normally, 4–6 baffle plates are fitted to the inside vessel walls to aid mixing and

mass transfer by increasing tur- bulence, preventing vortex formation and eliminating

VII

Industrial fermentations comprise both upstream pro- cessing (USP) and downstream processing (DSP)

stages (Fig. 7.1). USP involves all factors and processes leading to, and including, the fermentation, and

consists of three main areas. The first relates to aspects associated with the producer microorganism.

They include the strategy for initially obtaining a suitable microorganism, industrial strain

improvement to enhance productivity and yield, maintainance of strain purity, preparation of a

suitable inoculum and the continuing development of selected strains to increase the economic

efficiency of the process (see Chapter 4). The second aspect of USP involves fermentation media (see

Chapter 5), especially the selection of suitable cost-effective carbon and energy sources, along with

other essential nutrients. This media optimization is a vital aspect of process development to ensure

maximization of yield and profit. The third component of USP relates to the fermentation (see Chapter

6), which is usually performed under rigorously controlled conditions, developed to optimize the

growth of the organism or the production of a target microbial product

Quá trình lên men công nghiệp bao gồm cả cessing pro thượng nguồn (USP) và hạ lưu chế biến (DSP)

giai đoạn (Hình 7,1).USP liên quan đến tất cả các yếu tố và các quá trình dẫn đến, và bao gồm quá trình

lên men, và bao gồm ba lĩnh vực chính. Đầu tiên liên quan đến các khía cạnh liên quan với vi sinh vật

sản xuất.Chúng bao gồm các chiến lược ban đầu có được một vi sinh vật phù hợp, cải thiện căng thẳng

công nghiệp để nâng cao năng suất và sản lượng, bảo trì độ tinh khiết căng thẳng, chuẩn bị một nguồn

bệnh phù hợp và phát triển liên tục của các chủng được lựa chọn để tăng hiệu quả kinh tế của quá trình

(xem Chương 4).Khía cạnh thứ hai của USP liên quan đến phương tiện truyền thông lên men (xem

Chương 5), đặc biệt là việc lựa chọn carbon hiệu quả về chi phí và các nguồn năng lượng thích hợp,

cùng với các chất dinh dưỡng thiết yếu khác. Tối ưu hóa các phương tiện truyền thông là một khía cạnh

quan trọng của quá trình phát triển để đảm bảo tối đa hóa năng suất và lợi nhuận.Thành phần thứ ba của

USP liên quan đến quá trình lên men (xem Chương 6), được thường được thực hiện dưới các điều kiện

kiểm soát một cách chặt chẽ, phát triển để tối ưu hóa sự phát triển của sinh vật hoặc sản xuất của một

sản phẩm vi sinh vật mục tiêu

DSP encompasses all processes following the fermentation. It has the primary aim of efficiently,

reproducibly and safely recovering the target product to the required specifications (biological activity,

purity, etc.), while maximizing recovery yield and minimizing costs. The target product may be

recovered by processing the cells or the spent medium depending upon whether it is an intracellular or

extracellular product. The level of purity that must be achieved is usually determined by the

specific use of the product. Often, a product’s purity will be defined by what is not present rather

than what is. Purity of an enzyme, for example, is expressed as units of enzyme activity per unit of

total protein. Not only is it important to reduce losses of product mass, but in many cases retention of

the product’s biological activity is vitally important

DSP bao gồm tất cả các quy trình sau quá trình lên men. Nó nhắm tới mục tiêu chính về tính hiệu quả,

khả năng tái sản xuất và thu hồi một cách an toàn các sản phẩm đích với các thông số kỹ thuật cần thiết

(hoạt động sinh học, độ tinh khiết, ...), đồng thời tối đa hóa năng suất phục hồi và giảm thiểu chi phí.Các

sản phẩm mục tiêu có thể được phục hồi bằng cách xử lý các tế bào hoặc trung bình chi tiêu tùy thuộc

vào việc nó là một sản phẩm nội bào hoặc ngoại bào. Mức độ tinh khiết cần được thực hiện thường được

xác định bằng cách sử dụng cụ thể của sản phẩm. Thông thường, độ tinh khiết của sản phẩm sẽ được xác

định bởi những gì không phải là hiện tại chứ không phải là những gì được. Độ tinh khiết của một

enzyme, ví dụ, được thể hiện là đơn vị hoạt động enzyme trên một đơn vị tổng lượng protein.Không chỉ

là nó quan trọng để giảm tổn thất khối lượng sản phẩm, nhưng trong nhiều trường hợp duy trì các hoạt

động sinh học của sản phẩm là cực kỳ quan trọng.

Each stage in the overall recovery procedure is strongly dependent on the protocol of the

preceding fermentation. Fermentation factors affecting DSP include the properties of microorganisms,

particularly morphology, flocculation characteristics, size and cell wall rigidity. These factors have

major influences on the filterability, sedimentation and homogenization efficiency. The presence of

fermentation byproducts, media impurities and fermentation additives, such as anti- foams, may

interfere with DSP steps and accompanying product analysis. Consequently, a holistic approach is

required when developing a new industrial purification strategy. The whole process, both upstream

and downstream factors, needs to be considered. For example, the choice of fermentation substrate

influences subsequent DSP. A cheap carbon and energy source containing many impurities may

provide initial cost savings, but may necessitate increased DSP costs. Hence overall cost savings may

be achieved with a more expensive but purer substrate. Also, adopting methods that use existing

available equipment may be more cost- effective than introducing more efficient techniques

necessitating investment in new facilities.

Mỗi giai đoạn trong các thủ tục phục hồi tổng thể là phụ thuộc mạnh mẽ trên giao thức của quá trình lên

men trước.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men DSP bao gồm các thuộc tính của vi sinh vật,

hình thái đặc biệt, đặc điểm keo tụ, kích thước và độ cứng tế bào. Những yếu tố này có ảnh hưởng lớn

đến bồi lắng, filterability và hiệu quả đồng nhất. Sự hiện diện của sản phẩm phụ của quá trình lên men,

phương tiện truyền thông, tạp chất và phụ gia quá trình lên men, chẳng hạn như chống bọt, có thể can

thiệp với DSP bước và phân tích sản phẩm đi kèm.Do đó, một cách tiếp cận toàn diện là cần thiết khi

phát triển một chiến lược thanh lọc công nghiệp mới. Toàn bộ quá trình, cả hai yếu tố thượng nguồn và

hạ nguồn, cần được xem xét. Ví dụ, sự lựa chọn của chất nền lên men ảnh hưởng DSP tiếp theo. Carbon,

giá rẻ và nguồn năng lượng có chứa nhiều tạp chất có thể cung cấp các khoản tiết kiệm chi phí ban đầu,

nhưng có thể đòi hỏi phải tăng chi phí DSP.Do đó tiết kiệm chi phí tổng thể có thể đạt được với một chất

nền tinh khiết hơn nhưng đắt tiền hơn. Ngoài ra, việc áp dụng các phương pháp sử dụng thiết bị sẵn có

hiện tại có thể được nhiều chi phí hiệu quả hơn so với giới thiệu nhiều kỹ thuật hiệu quả đòi hỏi phải

đầu tư trang thiết bị mới.

The physical and chemical properties of the product, along with its concentration and location, are

obviously key factors as they determine the initial separation steps and overall purification strategy. It

may be the whole cells themselves that are the target product or an intracellular product, possibly

located within an organelle or in the form of inclusion bodies. Alternatively, the target product may

have been secreted into the periplasmic space of the producer cells or the fermentation medium.

Stability of the product also influences the requirement for any pretreatment necessary to prevent

product inactivation and/or degradation.

Các tính chất vật lý và hóa học của sản phẩm, cùng với nồng độ và vị trí của nó, rõ ràng là những yếu tố

quan trọng khi họ quyết định các bước tách ban đầu và chiến lược tổng thể thanh lọc.Nó có thể là toàn

bộ các tế bào tự là sản phẩm mục tiêu hoặc là một sản phẩm nội bào, có thể nằm trong một cơ quan hoặc

trong các hình thức của các cơ quan bao gồm. Ngoài ra, các sản phẩm mục tiêu có thể được tiết vào

không gian periplasmic của các tế bào sản xuất hoặc trung bình quá trình lên men.Sự ổn định của sản

phẩm cũng ảnh hưởng đến các yêu cầu cho bất kỳ tiền xử lý cần thiết để ngăn chặn bất hoạt sản phẩm và

/ hoặc suy thoái.

DSP can be divided into a series of distinct unit processes linked together to

achieve product purification (Fig. 7.2). Examples of the purification strategies for two products

are shown in Fig. 7.3. Usually, the number of steps is kept to a minimum. This is not only because of

cost, but because even though individual steps may obtain high yields, the overall losses of multistage

purification processes may be prohibitive (Fig. 7.4). The specific unit steps chosen will be influ- enced

by the economics of the process, the required purity of the product, the yield attainable at each step and

safety aspects. In many cases, integration of fermenta- tion and DSP is now preferred. Integration

can often increase productivity, decrease the number of unit operations and reduce both the

overall process time and costs

DSP có thể được chia thành một loạt các quá trình đơn vị riêng biệt được liên kết với nhau để thanh lọc

sản phẩm (Hình 7,2). Ví dụ về các chiến lược thanh lọc cho hai sản phẩm được thể hiện trong hình.7,3.

Thông thường, số lượng các bước được giữ ở mức tối thiểu.Điều này không chỉ vì chi phí, nhưng bởi vì

mặc dù bước cá nhân có thể có được năng suất cao, thiệt hại tổng thể của quá trình thanh lọc nhiều tầng

có thể bị cấm (Hình 7.4).Các bước đơn vị cụ thể được lựa chọn sẽ ảnh hưởng enced bởi tính kinh tế của

quá trình, yêu cầu độ tinh khiết của sản phẩm, năng suất đạt được ở mỗi bước và các khía cạnh an toàn.

Trong nhiều trường hợp, hội nhập của các fermenta và DSP được ưa thích. Tích hợp thường có thể tăng

năng suất, giảm số lượng các hoạt động đơn vị và giảm cả thời gian toàn bộ quá trình và chi phí.

Physical process integration may be achieved by placing separation units inside the fermenter or

by directly linking the two systems together. Where product formation is coupled with growth, i.e.

primary metabolites, higher productivity may be achieved by using integrated systems that

maintain high cell densities through cell retention or recycling. Where products are inhibitory, a wide

range of methods have been employed to partition bioreactors to allow the rapid in situ

removal of products by extraction, adsorption or stripping, often increasing yield and

productivity. Alter- natively, the processing can be ex situ, where the product is removed outside the

fermenter and the processed medium is returned to the fermentation. Such processes have been

particularly successful for removing alcohols and solvents, but it is now also possible to extract some

proteins. This mode of product removal can often im- prove raw material conversion, particularly where

there are unfavourable thermodynamic equilibria, i.e. product removal ‘pulls’ the reaction in the

direction of further product formation. Early product extraction can also enhance the yield for

those products sensitive to prolonged exposure to the fermentation environment, where shear,

proteolytic enzymes, oxidation, etc., may be destructive

Quá trình hội nhập vật lý có thể đạt được bằng cách đặt các đơn vị tách biệt bên trong lên men hoặc

bằng cách trực tiếp liên kết hai hệ thống với nhau.Trường hợp hình thành sản phẩm cùng với sự tăng

trưởng, tức là chất chuyển hóa chính, năng suất cao hơn có thể đạt được bằng cách sử dụng hệ thống

tích hợp để duy trì mật độ tế bào cao thông qua việc duy trì tế bào hoặc tái chế.Trường hợp sản phẩm ức

chế, một loạt các phương pháp đã được sử dụng để phản ứng sinh học phân vùng để cho phép nhanh

chóng loại bỏ tại chỗ các sản phẩm bằng cách chiết xuất, hấp phụ, năng suất tước thường và năng suất

ngày càng tăng. Làm thay đổi nguyên bản, quá trình xử lý có thể bảo tồn chuyển vị, nơi mà sản phẩm

được lấy ra ngoài lên men và các phương tiện xử lý được trả lại cho quá trình lên men.Quá trình như

vậy đã đặc biệt thành công để loại bỏ rượu và các dung môi, nhưng giờ đây nó còn có thể trích xuất một

số protein.Chế độ này loại bỏ sản phẩm thường có thể im chứng minh chuyển đổi nguyên liệu, đặc biệt

là nơi có không thuận lợi nhiệt động lực cân bằng, tức là sản phẩm loại bỏ 'kéo' phản ứng theo hướng

hình thành sản phẩm hơn nữa. Sản phẩm khai thác sớm cũng có thể nâng cao năng suất cho các sản

phẩm nhạy cảm với thời gian dài tiếp xúc với môi trường lên men, cắt, enzyme phân giải protein, quá

trình oxy hóa, vv, có thể phá hoại

Cell harvesting

The first step in the downstream processing of suspend- ed cultures is a solid–liquid separation to

remove the cells from the spent medium. Each fraction can then undergo further processing,

depending on whether the product is intracellularly located, or has been secreted into the periplasmic

space or the medium. Choice of solid–liquid separation method is influenced by the size and

morphology of the microorganism (single cells, aggregates or mycelia), and the specific gravity,

viscosity and rheology of the spent fermentation medium. These factors can also have major influences

on the transfer of the liquid through pumps and pipes

Thu hồi tế bào

Bước đầu tiên trong việc xử lý sau lên men của các quá trình nuôi cấy huyền phù là sự phân tách pha

rắn-lỏng để loaij bỏ các tế bào từ môi trường đã sử dụng. Sau đó, mỗi phần nhỏ có thể trải qua chế biến

tiếp, tùy thuộc vào việc sản phẩm nằm trong tế bào, hoặc đã bị bài tiết vào gian bảo hay hoặc môi

trường. Sự lựa chọn của phương pháp tách chất rắn-lỏng chịu ảnh hưởng bởi kích thước và hình thái của

vi sinh vật (một tế bào, kết chùm hoặc hệ sợi), và trọng lượng riêng, độ nhớt và tính lưu biến của môi

trường lên men. Những yếu tố này cũng có thể có ảnh hưởng lớn về việc lưu chuyển của môi trường

thông qua máy bơm và ống dẫn

Broth conditioning techniques are mostly used in association with sedimentation and

centrifugation for the separation of cells from liquid media. They alter or exploit some property of a

microorganism, or other suspended material, such that it flocculates and usually precipitates. However,

in certain cases it may be used to promote flotation. This uses the ability of some cells to adsorb to

the gas–liquid interfaces of gas bubbles and float to the surface for collection, which occurs

naturally in traditional ale and baker’s yeast fermenta- tions (see Chapter 12, Beer brewing). Certain floc

precipitation methods are also used at the end of many traditional beer and wine fermentation

processes, where the addition of finings (egg albumen, isinglass, etc.) may be employed to

precipitate yeast cells. Major advantages of these techniques are their low cost and ability to

separate microbial cells from large volumes of medium.

Kỹ thuật tác động canh trường chủ yếu được sử dụng kết hợp giữa ly tâm và lắng cặn cho việc tách các

tế bào từ môi trường lỏng. Người ta này thay đổi hoặc lợi dụng một số đặc tính của vi sinh vật, hoặc vật

chất huyền phù, như vậy mà nó kết bông lại và thường kết tủa. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, nó

có thể được sử dụng để thúc đẩy nổi. Này sử dụng khả năng của một số tế bào để hấp thụ với các giao

diện chất lỏng khí của bong bóng khí và nổi lên bề mặt để thu thập, xảy ra tự nhiên trong ale truyền

thống và nấm men bánh mì fermenta chức (xem Chương 12, sản xuất bia).Một số phương pháp mưa

floc cũng được sử dụng ở phần cuối của nhiều bia truyền thống và quá trình lên men rượu vang, nơi việc

bổ sung các finings (lòng trắng trứng, isinglass, vv) có thể được sử dụng để tế bào nấm men tủa. Lợi thế

chính của những kỹ thuật này là chi phí thấp và khả năng của họ để phân tách các tế bào vi sinh vật từ

các khối lượng lớn trung bình.

some organisms naturally flocculate, which can be enhanced by chemical, physical and biological

treatments. Such treatments can also be effective with cells that would not otherwise form flocs.

Coagulation, the formation of small flocs from dispersed colloids, cells or other suspended material, can

be promoted using coagulating agents (simple electrolytes, acids, bases, salts, multivalent ions and

polyelectrolytes). Subsequent flocculation, the agglomeration of these smaller flocs into larger settleable

particles, is often aided by inorganic salts (e.g. calcium chloride) or polyelectrolytes. These are high

molecular weight, water soluble, anionic, cationic or non-ionic organic compounds, such as

polyacrylamide and polystyrene sulphate.

một số sinh vật tự nhiên la m tha nh tư ng cục, có thể được tăng cường bằng phương pháp điều trị hóa

học, vật lý và sinh học.Phương pháp điều trị như vậy cũng có thể có hiệu quả với các tế bào sẽ không

nếu không hình thành flocs.Đông máu, sự hình thành của flocs nhỏ từ các chất keo phân tán, các tế bào

hoặc các tài liệu bị đình chỉ khác, có thể được thúc đẩy bằng cách sử dụng các tác nhân làm đông (điện

đơn giản, axit, bazơ, muối, các ion đa hóa trị và polyelectrolytes).Sau đó keo tụ, tích tụ của các flocs

nhỏ thành lớn hơn hạt settleable, được hỗ trợ bằng các muối vô cơ (ví dụ như canxi clorua) hoặc

polyelectrolytes.Đây là những trọng lượng phân tử cao, tan trong nước, anion, cation hoặc không ion

hợp chất hữu cơ, chẳng hạn như polyacrylamide và sulphate polystyrene..

Sedimentation

Sedimentation is extensively used for primary yeast separation in the production of alcoholic beverages,

and in waste-water treatment. This low-cost technology is relatively slow and is suitable only for large

flocs (greater than 100µm diameter). The rate of particle sedimentation is a function of both size and

density. Hence, the larger the particle and the greater its density, the faster the rate of sedimentation. The

basis of this method of separation is sedimentation under gravity, which for a spherical particle can be

represented by Stokes’ Law

where Vg = rate of particle sedimentation (m/s); dp = diameter of the particle (m); ps – pl = difference

indensity between the particle and surrounding medium

(kg/m3); g = gravitational acceleration (m/s2); and h= viscosity (Pascal seconds (Pa s)). Therefore, for

rapid sedimentation the difference indensity between the particle and the medium needs to be large, and

the medium viscosity must be low.

Bồi lắng

Lắng được sử dụng rộng rãi để tách nấm men chính trong sản xuất đồ uống có cồn, và trong xử lý nước

thải. Công nghệ này chi phí thấp là tương đối chậm và chỉ thích hợp cho flocs lớn (lớn hơn 100μm

đường kính). Tỷ lệ lắng đọng trầm tích hạt là một chức năng của cả hai kích thước và mật độ. Do đó,

các hạt lớn hơn mật độ của nó lớn hơn, nhanh hơn tốc độ lắng đọng trầm tích. Các cơ sở của phương

pháp này tách lắng đọng trầm tích dưới lực hấp dẫn, cho một hạt hình cầu có thể được đại diện bởi luật

Stokes

nơi VG = tỷ lệ lắng đọng trầm tích hạt (m / s); dp = đường kính của hạt (m); ps - pl = indensity sự khác

biệt giữa các hạt và môi trường xung quanh

(kg/m3); g = gia tốc trọng trường (m/s2) và h = độ nhớt (Pascal (Pa s)). Do đó, để lắng nhanh chóng

indensity sự khác biệt giữa các hạt và môi trường cần được lớn, và độ nhớt vừa phải thấp.

Centrifugation

If instead of simply using gravitational force to separate suspended particles, a centrifugal field is

applied, the rate of solid–liquid separation is significantly increased and much smaller particles can be

separated. Centrifu- gation may be used to separate particles as small as

0.1 µm diameter and is also suitable for some liquid– liquid separations. Its effectiveness, too,

depends on particle size, density difference between the cells and the medium, and medium

viscosity

ly tâm

Nếu thay vì chỉ đơn giản bằng cách sử dụng lực hấp dẫn để tách các hạt lơ lửng, một lĩnh vực ly tâm

được áp dụng, tỷ lệ tách rắn-lỏng được tăng lên đáng kể và các hạt nhỏ hơn nhiều có thể được tách ra.

Centrifu-gation có thể được sử dụng vào các phân tử riêng biệt nhỏ như 0,1 mm đường kính và cũng là

phù hợp đối với một số phân ly lỏng-lỏng. Cũng vậy, hiệu quả của nó phụ thuộc vào kích thước hạt, mật

độ khác biệt giữa các tế bào và môi trường, và độ nhớt trung bình

In a centrifuge, the terminal velocity of a particle is 7.2 where Vc = centrifugal sedimentation rate or

particle velocity (m/s); w= angular velocity of the centrifuge (rad/s); and r = distance of the particle

from the centre of rotation (m) (for h, ps – pl and dp, see equation 7.1).

Hence, the faster the operating speed (w) and the greater the distance from the centre of rotation, the

faster the sedimentation rate (Vc). Centrifuges can be compared using the relative centrifugal force

(RCF) or g number (the ratio of the velocity in a centrifuge to the velocity under gravity =w2 r/g). The

choice of entrifuge depends on the particle size and density, and the viscosity of the medium. Higher-

speed centrifuges are required for the separation of smaller microorganisms, such as bacteria, compared

with yeasts. For example, relatively slow centrifugation effectively recovers residual yeast cells

remaining in beer after the bulk has sedimented out. Conversely, an RCF of 20000g may be required to

recover suspended bacterial cells, cell debris and protein recipitates from liquid media.

Trong một máy ly tâm, vận tốc thiết bị đầu cuối của một hạt là 7,2 Vc = ly tâm tỉ lệ lắng đọng hoặc hạt

vận tốc (m / s); w = góc vận tốc của các máy ly tâm (rad / s); và r = khoảng cách của các hạt từ tâm của

vòng quay (m) (cho h, ps - pl và dp, xem phương trình 7,1).

Do đó, nhanh hơn tốc độ hoạt động (w) và lớn hơn khoảng cách từ trung tâm quay, nhanh hơn tốc độ

lắng (Vc). Máy ly tâm có thể được so sánh bằng cách sử dụng lực lượng tương đối ly tâm (RCF) hoặc số

g (tỉ số vận tốc trong một máy ly tâm với vận tốc dưới lực hấp dẫn = w2 r / g). Sự lựa chọn của entrifuge

phụ thuộc vào kích thước hạt và mật độ, và độ nhớt của môi trường. Cao hơn tốc độ máy ly tâm được

yêu cầu cho việc tách các vi sinh vật nhỏ hơn, chẳng hạn như vi khuẩn, so với nấm men. Ví dụ, hiệu quả

tương đối chậm ly tâm phục hồi các tế bào nấm men còn lại còn lại trong bia sau khi phần lớn đã

sedimented. Ngược lại, một RCF 20000g có thể được yêu cầu để khôi phục lại bị đình chỉ tế bào vi

khuẩn, mảnh vụn tế bào và protein recipitates từ các phương tiện truyền thông lỏng.

Advantages of centrifugation include the availability of fully continuous systems that can rapidly

process large volumes in small volume centrifuges. Centrifuges are steam sterilizable, allowing aseptic

processing, and there are no consumable costs for membranes, chemi- cals or filter aids. However,

the disadvantages of centrifugation are the high initial capital costs, the noise generated during

operation and the cost of electricity. Also, physical rupture of cells may occur due to high shear

and the temperature may not be closely control- lable, which can affect temperature-sensitive products.

Bioaerosol generation is a further major disadvantage, particularly when centrifuges are used for

certain recombinant DNA organisms or pathogens. Under these circumstances the equipment must be

contained (see Chapter 8).

Ưu điểm của ly tâm bao gồm sự sẵn có của hệ thống hoàn toàn liên tục mà có thể nhanh chóng xử lý

khối lượng lớn trong máy ly tâm khối lượng nhỏ. Máy ly tâm là hơi sterilizable, cho phép xử lý vô

trùng, và không có chi phí tiêu hao cho màng, hóa chất cals hoặc bộ lọc hỗ trợ.Tuy nhiên, nhược điểm

của ly tâm là chi phí đầu tư ban đầu cao, tiếng ồn phát sinh trong quá trình hoạt động và chi phí điện.

Ngoài ra, vỡ vật chất của các tế bào có thể xảy ra do cắt cao và nhiệt độ có thể không được kiểm soát

chặt chẽ lable, mà có thể ảnh hưởng đến các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ. Bioaerosol thế hệ là một

bất lợi lớn hơn nữa, đặc biệt là khi máy ly tâm được sử dụng cho một số sinh vật DNA tái hoặc các tác

nhân gây bệnh combinant. Trong những trường hợp này, thiết bị phải được chứa đựng (xem Chương 8).

INDUSTRIAL CENTRIFUGES

Centrifuges can be divided into small-scale laboratory units and larger pilot- and industrial-scale

centrifuges. Laboratory batch centrifuges include, in ascending order of speed attainable: bench-

top, high-speed and ultracentrifuges, capable of applying RCFs of 5000–500 000 g. Although

industrial batch centrifuges are available, for most industrial purposes emicontinuous and continuous

centrifuges are required to process the large volumes involved. However, the RCFs achieved are

relatively low.

Four main types of industrial centrifuge are com- monly used.

1 Tubular centrifuges usually produce the highest cen- trifugal force of 13 000–17 000 g. They have

hollow tubular rotor bowls providing a long flow path for the suspension, which is pumped in at the

bottom and flows up through the rotor (Fig. 7.5). Particulate material is thrown to the side of the

bowl, and clarified liquid passes out at the top for continuous collection. As the particulate material

accumulates on the inside of the bowl, the operating diameter becomes reduced. Conse- quently,

there must be periodic removal of solids.

2 Multichamber bowl centrifuges consist of a bowl that is divided by vertically mounted

interconnecting cylin- ders and are capable of operating at 5000–10 000 g (Fig.7.6). The liquid feed

passes from the centre through each chamber in turn, and the smaller particles collect in the outer

chambers.

3 Disc stack centrifuges can operate at 5000–13 000 g. The centrifuge bowl contains a stack of

conical discs whose close packing aids separation (Fig. 7.7). As liquid enters the centrifuge particulate

material is thrown out- wards, impinging on the underside of the cone discs. Particles then travel

outwards to the bowl wall where they accumulate. These centrifuges usually have the fa- cility to

discharge the collected material periodically during operation.

4 Screw-decanter centrifuges operate continuously at 1500–5000 g and are suitable for dewatering

coarse solid materials at high solids concentrations. They are used in sewage systems for the separation

of sludge, and for harvesting yeasts and fungal mycelium

CÔNG NGHIỆP Máy ly tâm

Máy ly tâm có thể được chia thành các đơn vị phòng thí nghiệm quy mô nhỏ và lớn hơn thí điểm và quy

mô công nghiệp máy ly tâm. Phòng thí nghiệm hàng loạt máy ly tâm bao gồm trong thứ tự tăng dần của

tốc độ đạt được:-top băng ghế dự bị, cao tốc độ và ultracentrifuges, có khả năng áp dụng RCFs 000

5000-500 g. Mặc dù công nghiệp hàng loạt máy ly tâm có sẵn, hầu hết các mục đích công nghiệp

emicontinuous và liên tục máy ly tâm được yêu cầu phải xử lý khối lượng lớn có liên quan. Tuy nhiên,

RCFs đạt được là tương đối thấp.

Bốn loại máy ly tâm công nghiệp chính của com-monly sử dụng.

1 ống ly tâm thường sản xuất các lực lượng trung tâm trifugal cao nhất của 13 g 000 000-17. Họ đã bát

rotor hình ống rỗng cung cấp một dòng chảy dài cho hệ thống treo, được bơm vào ở phía dưới và chảy

qua các cánh quạt (Hình 7,5). Tài liệu hạt được ném về phía bên của bát, và làm rõ chất lỏng thoát ra

khỏi đầu cho bộ sưu tập liên tục. Theo tài liệu hạt tích tụ bên trong tô, đường kính điều hành của họ

giảm. Hậu quả đó, thì phải được định kỳ loại bỏ các chất rắn.

2 Multichamber bát máy ly tâm bao gồm một bát mà được chia bởi kết nối theo chiều dọc gắn cylin-ders

và có khả năng hoạt động tại 5000-10 000 g (Hình

7,6). Thức ăn lỏng đi từ trung tâm thông qua mỗi buồng lần lượt, và các hạt nhỏ hơn thu thập trong các

phòng bên ngoài.

3 Disc ngăn xếp máy ly tâm có thể hoạt động tại g 000 5000-13. Bát máy ly tâm có chứa một chồng đĩa

hình nón có gần đóng gói viện trợ tách (Hình 7.7). Như chất lỏng vào máy ly tâm hạt vật liệu được ném

ra phường, tác động đến trên mặt dưới của đĩa hình nón. Hạt sau đó đi ra ngoài bức tường tô nơi họ tích

lũy. Các máy ly tâm thường có fa-cility xả định kỳ các tài liệu thu thập được trong quá trình hoạt động.

4 trục vít-chai máy ly tâm hoạt động liên tục 1500-5000 g và thích hợp cho việc khử nước các vật liệu

thô rắn ở nồng độ chất rắn cao. Chúng được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải cho việc tách

bùn, và cho thu hoạch nấm men và sợi nấm nấm