全 文 ：第 １２卷第 ２期
２０１４年 ３月
生　 物　 加　 工　 过　 程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ􀆰 １２ Ｎｏ􀆰 ２
Ｍａｒ􀆰 ２０１４
ｄｏｉ：１０􀆰 ３９６９ ／ ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １６７２－３６７８􀆰 ２０１４􀆰 ０２􀆰 ０１２
收稿日期：２０１２－０９－１３
作者简介：陆　 彬（１９８２—），男，安徽亳州人，工程师，研究方向：生物制品的发酵及提取；Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｕ＿ｂｉｎ１９８２＠ １２６．ｃｏｍ
木聚糖酶发酵工艺在 ５０ Ｌ罐中的放大
陆　 彬１，万红贵２
（１􀆰 江苏同凯兆丰生物科技有限公司 南京，２１１８００；
２􀆰 南京工业大学 江苏省工业生物技术创新中心 南京，２１１８００）
摘　 要：自制的酵母水解液成功替代有机 Ｎ源酵母浸膏被应用于木聚糖酶发酵，大大降低了原料成本。 在此基础
上，于 ５０ Ｌ罐中进行发酵工艺放大，得到最佳发酵条件：搅拌转速 ２２０ ｒ ／ ｍｉｎ、空气流量 ２３ Ｌ ／ ｍｉｎ、初始 ｐＨ ５􀆰 ５、温度
３０ ℃、罐压 ０􀆰 ０４ ＭＰａ，最终发现产酶水平可达到 ２ ８６４ Ｕ ／ ｍＬ，用箭叶圆盘涡轮搅拌桨代替上层平叶圆盘涡轮搅拌
桨，产酶水平无显著变化，搅拌功率节约 １１％。
关键词：发酵；毕赤酵母；放大；木聚糖酶
中图分类号：ＴＱ９２５　 　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 　 文章编号：１６７２－３６７８（２０１４）０２－００６３－０３
Ｓｃａｌｅ⁃ｕｐ ｏｆ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｆｏｒ ｘｙｌａｎａｓｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ ５０ Ｌ ｆｅｒｍｅｎｔｅｒ
ＬＵ Ｂｉｎ１，ＷＡＮ Ｈｏｎｇｇｕｉ２
（１􀆰 Ｊｉａｎｇｓｕ Ｔｏｎｇ Ｋａｉ Ｚｈａｏ Ｆｅｎｇ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ􀆰 ，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１８００，Ｃｈｉｎａ；
２􀆰 Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｔｅｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１８００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｙｅａｓｔ ｈｙｄｒｏｌｙｓａｔｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｙｅａｓｔ ｅｘｔｒａｃｔ ａｓ ｏｒｇａｎｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎ ｘｙｌａｎａｓｅ
ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｔｈｕｓ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｓｔｓ􀆰 Ｓｃａｌｅ⁃ｕｐ ｏｆ ｔｈｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ ５０ Ｌ ｆｅｒｍｅｎｔｅｒ ｗａｓ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｒａｔｅ，ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ，ｉｎｉｔｉａｌ ｐＨ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ａｎｄ ｔａｎｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｗｅｒｅ ２２０ ｒ ／ ｍｉｎ，２３ Ｌ ／ ｍｉｎ，５􀆰 ５，３０ ℃ ａｎｄ ０􀆰 ０４ ＭＰａ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ􀆰 Ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｘｙｌａｎａｓｅ ｒｅａｃｈｅｄ ２ ８６４
Ｕ ／ ｍＬ􀆰 Ｔａｋｉｎｇ ａｒｒｏｗ ｌｅａｆ ｄｉｓｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｇｉｔａｔｏｒ ｉｎ ｐｌａｃｅ ｏｆ ｆｌａｔ ｌｅａｆ ｄｉｓｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｇｉｔａｔｏｒ ａｔ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｏｆ ａｇｉｔａｔｏｒ
ｓｈａｆｔ，ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｘｙｌａｎａｓｅ ｈａｄ ｎｏ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｃｈａｎｇｅ，ｂｕｔ ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｈａｄ ｄｅｃｌｉｎｅｄ ｂｙ １１％􀆰
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ；Ｐｉｃｈｉａ ｐａｓｔｏｒｉｓ；ｓｃａｌｅ⁃ｕｐ；ｘｙｌａｎａｓｅ
　 　 木聚糖酶是将木聚糖分解成低聚糖和木糖的
酶系，被广泛应用于造纸、纺织、饲料、食品和医药
等行业［１－４］。 生产木聚糖酶的微生物有很多，如曲
霉属、木酶属和链酶属等，随着基因工程的发展，利
用基因重组技术来生产木聚糖酶已逐渐成为热
点［５－６］。 我国对木聚糖酶的研究集中于对菌株的改
造，仍停留在摇瓶尺度上的优化和筛选，关于其产
业化的研究比较少。
笔者主要研究木聚糖酶在产业化中所遇到的
问题，包括原料价格成本、发酵工艺的优化放大（如
搅拌转速、空气流量）及搅拌器类型的选择等，以期
为木聚糖酶的放大积累经验，将来在较短的时间以
较低的成本实现产品的工业化生产。
１　 材料与方法
１􀆰 １　 菌种
所用菌种为产木聚糖酶毕赤酵母，由南京工业
大学菌种保藏室提供。
１􀆰 ２　 仪器及材料
桦木木聚糖购自 Ｓｉｇｍａ 公司；３，５ 二硝基水杨
酸（ＤＮＳ）购自中国医药集团上海化学试剂公司；废
啤酒酵母水解液，参照文献［７］自制；其他试剂为食
用级或工业级。
初始种子培养基（ｇ ／ Ｌ）：葡萄糖 ２０、酵母膏 １０、
蛋白胨 ２０，１２１ ℃灭菌 ３０ ｍｉｎ。
初始发酵培养基（ ｇ ／ Ｌ）：麦麸 ２００、酵母膏 ４０、
吐温－８０ ２，１２１ ℃灭菌 ３０ ｍｉｎ。
５０ Ｌ发酵罐为南京新凯龙生物工程有限公司提供。
１􀆰 ３　 酶活的测定
采用 ＤＮＳ法，参照文献［８］。
１􀆰 ４　 培养方法
１􀆰 ４􀆰 １　 种子培养
取培养斜面 １支，用无菌水冲洗出来，通过火焰
接种法接入 ５ Ｌ 罐中，通过摇瓶实验发现种子和发
酵的培养条件基本相同，故采用 ５ Ｌ 罐的发酵培养
条件来培养种子［９］。
１􀆰 ４􀆰 ２　 发酵培养
种子液以 １０％的接种量压入 ５０ Ｌ发酵罐，初始
ｐＨ为 ５􀆰 ５，在 ３０ ℃培养 １８ ｈ 后流加甲醇。
１􀆰 ５　 原料替代
酵母浸膏在种子培养基和发酵培养基中的含
量很高，其市场均价在 ２０ ０００ 元 ／ ｔ 左右，将造成原
料成本过大，并且酵母浸膏因厂家和生产工艺的不
同，质量也有差异，易造成发酵不稳定。 因此本实
验对采购的啤酒酵母进行酸水解用以制备酵母水
解液［７］，取代酵母浸膏。 发现产生的水解液在低 ｐＨ
下可长时间保存，发酵时用 ＣａＯ 代替 ＮａＯＨ 溶液调
解 ｐＨ，一方面可以降低成本，另一方面能中和产生
的 ＣａＳＯ４，可以保持发酵液盐浓度的稳定。
设置水解液的质量浓度分别为 ７５、８２、８９、９６ ｇ ／ Ｌ
在 ５ Ｌ罐中进行优化，发酵 ８０ ｈ 后每隔 ４ ｈ 取样，根
据酶活最大原则确定最优替代浓度和发酵时间。
１􀆰 ６　 搅拌转速的放大和优化
根据不同的放大原则，计算的转速也不同，首
先根据不通气条件下等体积功率进行放大，按式
（１） ［１０］计算，得出转速为 ２４２ ｒ ／ ｍｉｎ；如根据发酵液
最大线速度相等的原则按式（２） ［１０］进行放大，则运
算出的转速为 １６７ ｒ ／ ｍｉｎ。 设计 ４ 组实验对转速进
行优化，分别为 １６０、１９０、２２０、２５０ ｒ ／ ｍｉｎ。
Ｐ１ ／ Ｖ１ ＝Ｐ２ ／ Ｖ２ ＝ＫＤ５１Ｎ３１ρ ／ Ｖ１ ＝ＫＤ５２Ｎ３２ρ ／ Ｖ２ （１）
Ｓ１ ＝Ｓ２ ＝πＤ１Ｎ１ ＝πＤ２Ｎ２ （２）
式（１）和（２）中：Ｐ１ 和 Ｐ２ 为搅拌功率，Ｗ；Ｖ１ 和 Ｖ２ 为
装料体积，ｍ３； Ｋ 为功率常数因子； Ｄ１ 和 Ｄ２ 为搅拌
直径，ｍ；Ｎ１ 和 Ｎ２ 为搅拌转速，ｒ ／ ｓ；Ｓ１ 和 Ｓ２ 为搅拌器
末端线速度，ｍ ／ ｍｉｎ； ρ为流体密度，ｋｇ ／ ｍ３。
１􀆰 ７　 通气流量的放大和优化
空气流量若根据单位体积流量相等的原则进
行放大，则空气流量根据式（３）计算为 ３０ Ｌ ／ ｍｉｎ，如
根据单位为面积通量相等的原则按式（４）计算，则
为 ９􀆰 ３ Ｌ ／ ｍｉｎ。 因此设计 ４组实验对流量进行优化，
分别为 ９、１６、２３、３０ Ｌ ／ ｍｉｎ。
Ｑ１ ／ Ｖ１ ＝Ｑ２ ／ Ｖ２ （３）
Ｑ１ ／ ［π ／ （Ｄ１ ／ ２）］ ２ ＝Ｑ２ ／ ［π ／ （Ｄ１ ／ ２）］ ２ （４）
式中：Ｑ１ 和 Ｑ２ 为通气流量，Ｌ ／ ｍｉｎ。
１􀆰 ８　 搅拌器的节能组合
引入轴流搅拌器，对降低能耗和改善轴向混合
能力进行探索，为后续放大积累经验。 底层搅拌采
用六平叶涡轮搅拌器，上层搅拌分别采用三叶螺旋
桨和六箭叶圆盘涡轮搅拌器。
２　 结果与讨论
２􀆰 １　 最佳酵母水解液添加量的实验
根据 １􀆰 ５安排实验，结果见表 １。
表 １　 水解液含量对木聚糖酶发酵的影响
Ｔａｂｌｅ １　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｌｙｓａｔｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｎ
ｘｙｌａｎａｓｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ
ρ（水解液） ／
（ｇ·Ｌ－１）
最高酶活 ／
（Ｕ·ｍＬ－１） 时间 ／ ｈ
７５ ２ ５５０ １２４
８２ ２ ８１６ １２０
８９ ２ ７５９ １２０
９６ ２ ６７４ １１６
由表 １可知：用 ８２ ｇ ／ Ｌ 酵母水解液替代 ４０ ｇ ／ Ｌ
的酵母浸膏产酶最高，达到 ２ ８１６ Ｕ ／ ｍＬ，发酵时间比
使用酵母浸膏提前 １４ ｈ［９］。 这可能是因为酸水解酵
母比酶水解更彻底，水解液中含有的游离氨基酸、小
肽等小分子更多，更易被毕赤酵母快速利用。
啤酒酵母粉市场价格在 ４ ０００ ～ ６ ０００ 元 ／ ｔ，而
每吨酵母粉能生产 ７ ｔ 左右的水解液，加上其他辅
助材料，每吨啤酒酵母水解液的成本为 ７００ ～ １ ０００
元，因此取代后，有机 Ｎ 源的原料成本可节约 ９０％
以上。
２􀆰 ２　 ５ Ｌ搅拌罐中毕赤酵母的生长曲线
酵母水解液取代种子培养基中的酵母浸膏，按
１􀆰 ４􀆰 １方式培养，结果见图 １。
图 １中显示，在 ５ Ｌ罐中，种子在 ８ ｈ 左右进入
４６ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １２卷　
图 １　 ５ Ｌ罐中种子生长曲线
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ｇｒｏｗｔｈ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｅｅｄ ｉｎ ５ Ｌ ｆｅｒｍｅｎｔｅｒ
快速生长期，在 １９ ｈ减缓，过了 ２０ ｈ 后增速大幅下
降，Ａ６００也超过了 ３０，因此选用 ２０ ｈ左右接种。
２􀆰 ３　 搅拌转速的优化
根据 １􀆰 ４􀆰 ２ 所述的条件，在通气量 １ ∶１条件下
进行优化转速，结果见表 ２。
表 ２　 搅拌转速对木聚糖酶发酵的影响
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｎ ｘｙｌａｎａｓｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ
搅拌转速 ／ （ ｒ·ｍｉｎ－１） 最高酶活 ／ （Ｕ·ｍＬ－１）
１６０ ２ ２５０
１９０ ２ ６９５
２２０ ２ ８０８
２５０ ２ ７３４
由表 ２可知：转速在 ２２０ ｒ ／ ｍｉｎ 时的酶活最高，
即最佳搅拌转速高于依搅拌末端线速度相等计算
的搅拌转速，而低于并且较接近于无通气条件下的
单位体积搅拌功率相等而计算的搅拌转速，因此在
更大级别上的优化将依据后者进行放大。
２􀆰 ４　 空气流量的优化
在搅拌转速为 ２２０ ｒ ／ ｍｉｎ 条件下进行通气量优
化，结果见表 ３。
表 ３　 通气速率对木聚糖酶发酵的影响
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｎ ｘｙｌａｎａｓｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ
通气速率 ／ （Ｌ·ｍｉｎ－１） 最高酶活 ／ （Ｕ·ｍＬ－１）
９ ２ １１７
１６ ２ ７５５
２３ ２ ８６４
３０ ２ ８０８
由表 ３ 可知：通气量在 ２３ Ｌ ／ ｍｉｎ 条件下，发酵
酶活最高为 ２ ８６４ Ｕ ／ ｍＬ，在此条件下的泡沫产生量
少。 通气比由 ５ Ｌ玻璃罐中的 １ ∶１下降到０􀆰 ７７ ∶１［９］，
可能与反应器的高度增加有关，另一方面 ５０ Ｌ或以
上发酵罐为了达到更好的无菌要求，罐内都会保持
０􀆰 ０４ ＭＰａ左右的压力，压力的提高有助于增加氧在
发酵液中的溶解度，从而提高溶氧。
２􀆰 ５　 搅拌器的节能组合
按照 １􀆰 ８所述的搅拌器组合进行试验。 发现上
层采用三叶螺旋型搅拌桨时，发酵液液面大幅升高，
虽然降低了功率，但装液系数大幅下降；而采用箭叶
涡轮搅拌器，液面升高不明显，搅拌功率由 ０􀆰 ４１ ｋＷ
降低到 ０􀆰 ３６ ｋＷ，连续发酵两罐，发酵酶活分别为
２ ８５８和 ２ ８７６ Ｕ ／ ｍＬ，与原发酵单位无显著差别。
３　 结　 论
在 ５０ Ｌ发酵罐上对毕赤酵母产木聚糖酶进行
放大，为将来大规模的放大和生产提供经验上的指
导，实验也表明搅拌转速易采用等体积功率进行放
大，然后逐步降低转速进行优化，通气量随着液位
的升高和罐中压力增大可适当降低。
笔者采用啤酒酵母水解液代替微生物专用级
的酵母浸膏，使有机 Ｎ 源的原料成本降低 ９０％以
上，而搅拌器组合的改变，可以节省搅拌功率 １１％。
由于条件限制，在搅拌器节能上的组合实验还有所
欠缺，鉴于轴向搅拌器在节能上的巨大优势，当条
件适合时，还是值得尝试的，这将成为低碳节能中
一个新的研究方向。
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［１０］ 　 刘振宇．发酵工程技术与实践［Ｍ］．上海：华东理工大学出版
社，２００７􀆰
（责任编辑　 周晓薇）
５６　 第 ２期 陆　 彬等：木聚糖酶发酵工艺在 ５０ Ｌ罐中的放大