发酵过程控制23课件.ppt
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- 发酵 过程 控制 23 课件
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1、第九章第九章 发酵过程控制发酵过程控制第第1 1节节 温度对发酵的影响温度对发酵的影响及其控制及其控制第第2 2节节 pHpH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制第第3 3节节 溶解氧对发酵的影响及其控制溶解氧对发酵的影响及其控制第第4 4节节 COCO2 2和呼吸商对发酵的影响及其控制和呼吸商对发酵的影响及其控制第第5 5节节 基质浓度对发酵的影响及其控制基质浓度对发酵的影响及其控制第第6 6节节 通气搅拌对发酵的影响及其控制通气搅拌对发酵的影响及其控制第第7 7节节 泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制第第8 8节节 高密度发酵及控制过程高密度发酵及控制过程第第9 9节节
2、发酵终点的检测与控制发酵终点的检测与控制第第1010节节 自动控制技术在发酵过程控制中的应用自动控制技术在发酵过程控制中的应用重点掌握重点掌握:温度、温度、pHpH、溶解氧、菌体浓度、溶解氧、菌体浓度、基质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵过基质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵过程的影响程的影响一、发酵过程的主要控制参数一、发酵过程的主要控制参数 (1)(1)温度温度 最适生长温度与最佳次级代谢产最适生长温度与最佳次级代谢产物合成温度物合成温度往往不同往往不同。(2 2)pH pH 菌体的代谢影响培养基的菌体的代谢影响培养基的pHpH,培养,培养基的基的pHpH又影响菌体的又影响菌体的生长生长和
3、酶系统活性和酶系统活性、代谢、代谢途径途径.(3 3)溶解氧的浓度()溶解氧的浓度(DODO)溶解氧是需氧菌溶解氧是需氧菌发酵的必要条件。发酵的必要条件。(4 4)基质含量基质含量 要保证菌体生长、维持生存、要保证菌体生长、维持生存、避免抑制、合成产物等不同目的和阶段的工艺避免抑制、合成产物等不同目的和阶段的工艺需要。需要。(5 5)空气流量空气流量 空气灭菌系统、流量、温空气灭菌系统、流量、温度、目的是供氧。度、目的是供氧。(6 6)罐压)罐压 正压防止空气中的杂菌侵入正压防止空气中的杂菌侵入发酵液,罐压过高时发酵液,罐压过高时COCO2 2 浓度陡增,负面作浓度陡增,负面作用。用。(7 7
4、)搅拌速度)搅拌速度 延长空气的停留时间,提延长空气的停留时间,提高溶氧;促进菌体与培养基之间的质量传递。高溶氧;促进菌体与培养基之间的质量传递。过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫。(8 8)搅拌功率)搅拌功率 其成本比重较大。其成本比重较大。(9 9)粘度)粘度 菌体浓度增大时,粘度增加,菌体浓度增大时,粘度增加,溶氧下降。溶氧下降。(1010)浊度)浊度 能直接反应菌体的浓度,但能直接反应菌体的浓度,但不能区分菌体的死活。不能区分菌体的死活。(1111)料液流量)料液流量 连续发酵时,涉及稀释连续发酵时,涉及稀释率。率。(1212)产物浓度)产物浓度 生产目标
5、生产目标(1313)氧化还原电位)氧化还原电位 其原因往往十分复其原因往往十分复杂。测量手段有待开发。杂。测量手段有待开发。(1414)废气中的氧含量)废气中的氧含量 (1515)废气中的)废气中的COCO2 2 从中可了解生产菌从中可了解生产菌株的呼吸代谢规律。株的呼吸代谢规律。(1616)菌丝形态)菌丝形态 判别种子质量、区分判别种子质量、区分发酵阶段、确认染菌的重要依据。发酵阶段、确认染菌的重要依据。(1717)菌体浓度)菌体浓度 是确定补料量、供气量、是确定补料量、供气量、阶段转换的重要依据。阶段转换的重要依据。发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数 pH值(酸碱度)值(酸碱度)
6、1.温度(温度()2.溶解氧浓度溶解氧浓度3.基质含量基质含量4.空气流量空气流量5.压力压力6.搅拌转速搅拌转速7.搅拌功率搅拌功率8.粘度粘度浊度浊度料液流量料液流量产物浓度产物浓度氧化还原电位氧化还原电位废气中的氧含量废气中的氧含量废气中的废气中的CO2含量含量菌丝形态菌丝形态菌体浓度菌体浓度二、发酵过程的参数检测二、发酵过程的参数检测1.1.直接状态参数直接状态参数2.2.间接状态参数间接状态参数3.3.离线发酵分析方法离线发酵分析方法1.1.直接状态参数直接状态参数直接反映发酵过程微生物生理代谢状况的参直接反映发酵过程微生物生理代谢状况的参数。如数。如pHpH、DODO、溶解、溶解C
7、OCO2 2、尾气、尾气O O2 2、尾气、尾气COCO2 2、黏度等。黏度等。在线检测在线检测传感器传感器2.2.间接状态参数间接状态参数指那些采用直接状态参数计算求得的参数。指那些采用直接状态参数计算求得的参数。比生长速率,摄氧率(比生长速率,摄氧率(OUROUR),CO,CO2 2释放速率,释放速率,呼吸商(呼吸商(RQRQ),),KLaKLa。可以提供反应过程状态、反应速率、设备性可以提供反应过程状态、反应速率、设备性能、设备利用效率等信息。能、设备利用效率等信息。3 3、离线发酵分析方法、离线发酵分析方法从发酵液中取出样品进行离线分析从发酵液中取出样品进行离线分析,分析菌体浓度,形态
8、、培养基成分和产物成分析菌体浓度,形态、培养基成分和产物成分及含量分及含量。显微观察,细胞体积,干重,光密度,平板显微观察,细胞体积,干重,光密度,平板计数及基质及产物分析等。计数及基质及产物分析等。第第1 1节节 温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制一、影响发酵温度的因素一、影响发酵温度的因素 二、温度对微生物的生长的影响二、温度对微生物的生长的影响三、温度对发酵的影响三、温度对发酵的影响四、最适温度的选择四、最适温度的选择一、影响发酵温度的因素一、影响发酵温度的因素发酵热:发酵过程中释放出来的发酵热:发酵过程中释放出来的净热量净热量。菌分解基质产生热量,菌分解基质产生热量,搅拌
9、产生热量,搅拌产生热量,罐壁散热,罐壁散热,水分蒸发、空气排气带走热量,水分蒸发、空气排气带走热量,发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大,温度发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大,温度上升快;发酵热小,温度上升慢。上升快;发酵热小,温度上升慢。生物热生物热Q Q生物生物 微生物微生物在生长繁殖过程中,产生热量,部分用在生长繁殖过程中,产生热量,部分用来合成高能化合物,供微生物合成和代谢活动来合成高能化合物,供微生物合成和代谢活动的需要,部分用来合成产物,其余部分则以的需要,部分用来合成产物,其余部分则以热热的形式的形式散发出来,这部分热叫散发出来,这部分热叫生物热生物热。例如例如一摩尔葡萄糖彻底氧
10、化成水和二氧化碳一摩尔葡萄糖彻底氧化成水和二氧化碳好氧:产生好氧:产生287.2287.2千焦热量千焦热量 183183千焦转变为高能化合物千焦转变为高能化合物 104.2104.2千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放厌氧:产生厌氧:产生22.622.6千焦的热量千焦的热量 9.69.6千焦转变为高能化合物千焦转变为高能化合物 1313千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放二例中葡萄糖转化为高能化合物的热量分别占二例中葡萄糖转化为高能化合物的热量分别占63.7%63.7%和和42.6%42.6%,放出的热量分别为,放出的热量分别为104.2104.2千焦和千焦和1313千焦。千焦。微生物的好氧培
11、养产生的热比厌氧培养多。微生物的好氧培养产生的热比厌氧培养多。生物热的产生具有强烈的时间性生物热的产生具有强烈的时间性1.1.初初 期:适应期,菌量少,呼吸慢,热量少期:适应期,菌量少,呼吸慢,热量少2.2.对数期:菌量大,呼吸旺盛,热量多对数期:菌量大,呼吸旺盛,热量多3.3.合成期:菌体合成减缓,靠已合成的酶进行合成期:菌体合成减缓,靠已合成的酶进行反应,产热减少,温升小。反应,产热减少,温升小。如果培养前期温度上升过缓,发酵不正常;若培如果培养前期温度上升过缓,发酵不正常;若培养前期温度上升过于剧烈,有可能染菌。养前期温度上升过于剧烈,有可能染菌。此外培养基营养越丰富,生物热也越大。此外
12、培养基营养越丰富,生物热也越大。搅拌热搅拌热Q Q搅拌搅拌 搅拌热与搅拌功率有关,可用下式计算:搅拌热与搅拌功率有关,可用下式计算:Q Q搅拌搅拌=P=P*860860*4186.8J/h4186.8J/hP P搅拌轴功率搅拌轴功率860860*4186.84186.8机械能转变为热能的热功当机械能转变为热能的热功当量量蒸发热蒸发热Q Q蒸发蒸发 通气时引起发酵液的水分蒸发所需的热量叫蒸发热,通气时引起发酵液的水分蒸发所需的热量叫蒸发热,此外排气也会带走部分热量叫显热此外排气也会带走部分热量叫显热Q Q显显,显热很小,显热很小,一般可忽略。一般可忽略。辐射热辐射热Q Q辐射辐射 发酵罐内温度与
13、环境温度不同,发酵液中有部分热发酵罐内温度与环境温度不同,发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐内与环通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐内与环境的温差。冬天大一些,夏天小一些。境的温差。冬天大一些,夏天小一些。Q Q发酵发酵=Q=Q生物生物+Q+Q搅拌搅拌-Q-Q蒸发蒸发-Q-Q辐射辐射二、温度对微生物的生长的影响二、温度对微生物的生长的影响微生物生长对温度要求不同,大致可分为:微生物生长对温度要求不同,大致可分为:嗜冷菌:嗜冷菌:20 20 最大最大 002626生长,生长,嗜温菌:嗜温菌:303035 1535 154343生长,生长,嗜热菌:嗜热菌:50 3750 3
14、76565生长。生长。最适温度最适温度最高温度最高温度最低温度最低温度在最适温度范围内,微生物生长迅速,生长在最适温度范围内,微生物生长迅速,生长速率随温度升高而增加,温度增加速率随温度升高而增加,温度增加1010,生,生长速率增长一倍。长速率增长一倍。超过最高温度微生物即受到抑制或死亡,在超过最高温度微生物即受到抑制或死亡,在最低温度范围内微生物尚能生长,但生长速最低温度范围内微生物尚能生长,但生长速度非常缓慢,世代时间无限延长。度非常缓慢,世代时间无限延长。如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为3737。谷氨酸棒状杆菌生谷氨酸棒状杆菌生长温度为长温度为303032 32。青霉菌生长温度为。青
15、霉菌生长温度为3030。为什么不同微生物对温度要求不同呢?为什么不同微生物对温度要求不同呢?根据根据细胞膜脂质成分细胞膜脂质成分分析表明不同最适温度分析表明不同最适温度生长的微生物,其膜内磷脂组成有很大区别。生长的微生物,其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸嗜热菌只含饱和脂肪酸,嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。三、温度对发酵的影响温度影响反应速率温度影响反应速率发酵过程的反应速率实际是酶反应速率,酶反发酵过程的反应速率实际是酶反应速率,酶反应有一个最适反应温度,低于最适温度,反应应有一个最适反应温度,低于最适温度,反应速率随温度升高而上升,高于最适温度,发
16、酵速率随温度升高而上升,高于最适温度,发酵速率随温度升高而下降。速率随温度升高而下降。阿累尼乌斯方程式阿累尼乌斯方程式 发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解吸收速率等,都和传递速率、某些基质的分解吸收速率等,都受温度变化的影响,进而影响发酵动力学特性受温度变化的影响,进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。和产物的生物合成。根据菌的生长特性,菌体生长快,维持较高根据菌的生长特性,菌体生长快,维持较高温度时间要短些,菌体生长慢,维持较高温温度时间要短些,菌体生长慢,维持较高温度时间可长些度时间可长些温度影响细胞生长,也影响细胞
17、得率,因为温度影响细胞生长,也影响细胞得率,因为在高温下细胞维持生命活动的消耗增加。在高温下细胞维持生命活动的消耗增加。在生长的不同阶段所控制的最适温度也不同。在生长的不同阶段所控制的最适温度也不同。在发酵前期在发酵前期,由于菌量少,培养目的是尽快达,由于菌量少,培养目的是尽快达到大量的菌体,因此取稍高的温度,促使菌的到大量的菌体,因此取稍高的温度,促使菌的生长及代谢。生长及代谢。中期菌量中期菌量已达到合成产物的最适量,发酵需要已达到合成产物的最适量,发酵需要延长中期,从而提高产量,因此中期温度要稍延长中期,从而提高产量,因此中期温度要稍低些,可以推迟菌体衰老。在稍低温度下,氨低些,可以推迟菌
18、体衰老。在稍低温度下,氨基酸合成蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较基酸合成蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较严密,有利于产物合成。严密,有利于产物合成。发酵后期,产物合成能力降低,没有必要延发酵后期,产物合成能力降低,没有必要延长发酵周期,所以提高温度刺激产物合成到长发酵周期,所以提高温度刺激产物合成到放罐。放罐。温度影响发酵方向温度影响发酵方向影响关键酶活性改变发酵途径影响关键酶活性改变发酵途径.如如四环素产生菌四环素产生菌金色链霉菌金色链霉菌低于低于30 30 0 0C C时合成金霉素能力较强。时合成金霉素能力较强。温度提高温度提高,合成四环素的比例提高。合成四环素的比例提高。温度达到温度达到
19、35 35 0 0C C时金霉素的合成几乎停止,只时金霉素的合成几乎停止,只产生四环素。产生四环素。四、最适温度的选择1)1)最适温度,最适于菌的生长或产物的生成的最适温度,最适于菌的生长或产物的生成的温度,温度,适合菌体的生长的最适温度适合菌体的生长的最适温度发酵产物合成的最适温度发酵产物合成的最适温度2)2)二阶段的发酵二阶段的发酵青霉素产生菌最适的生长温度青霉素产生菌最适的生长温度3030,而青霉素,而青霉素合成分泌的最适温度合成分泌的最适温度2020。(3 3)其他发酵条件)其他发酵条件根据培养条件综合考虑,灵活选择温度。根据培养条件综合考虑,灵活选择温度。1 1通气条件差时可适当通气
20、条件差时可适当降低降低温度,使菌呼吸速温度,使菌呼吸速率降低些,溶氧浓度提高一些;率降低些,溶氧浓度提高一些;2 2培养基稀薄时,温度也该低些,因为温度高培养基稀薄时,温度也该低些,因为温度高营养利用快,会使菌过早自溶。营养利用快,会使菌过早自溶。4 4)变温培养)变温培养在抗生素发酵过程中,采用变温培养往往会在抗生素发酵过程中,采用变温培养往往会比恒温培养获得的产物更多。比恒温培养获得的产物更多。青霉素发酵青霉素发酵0 05h,30,55h,30,535h 25,3535h 25,3585h,20,85h,20,最最后回升到后回升到2525培养培养4040小时放罐小时放罐,比恒温比恒温252
21、5培培养提高养提高14.7%14.7%工业生产上,所用的大发酵罐在发酵过程中工业生产上,所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热,因发酵中释放了大量的发一般不需要加热,因发酵中释放了大量的发酵热,需要冷却的情况较多。酵热,需要冷却的情况较多。利用自动控制或手动调整的阀门,将冷却水利用自动控制或手动调整的阀门,将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中,通过热交换通入发酵罐的夹层或蛇行管中,通过热交换来降温,保持恒温发酵。来降温,保持恒温发酵。如果气温较高(特别是我国南方的夏季气如果气温较高(特别是我国南方的夏季气温),冷却水的温度又高,致使冷却效果很温),冷却水的温度又高,致使冷却效果很差,达不到预定
22、的温度,就差,达不到预定的温度,就可采用冷冻盐水可采用冷冻盐水进行循环式降温,进行循环式降温,以迅速降到最适温度。因以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站,提高冷却能力,此大工厂需要建立冷冻站,提高冷却能力,以保证在正常温度下进行发酵。以保证在正常温度下进行发酵。第第2 2节节 pHpH值对发酵的影响及其控制值对发酵的影响及其控制一、发酵过程中一、发酵过程中pHpH值变化的规律值变化的规律二、最适二、最适pHpH值的选择值的选择三、三、pHpH值的调控策略值的调控策略一、发酵过程中一、发酵过程中pHpH值变化的规律值变化的规律1.1.基质代谢基质代谢(1 1)糖代谢糖代谢 特别是快速利用
23、的糖,分解成特别是快速利用的糖,分解成小分子酸、醇,使小分子酸、醇,使pHpH下降下降(2 2)氮代谢氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH-NH2 2被利用后被利用后pHpH会下降,尿素被分解成会下降,尿素被分解成NHNH3 3,pHpH上升,上升,NHNH3 3利用利用后后pHpH下降,当碳源不足时氮源当碳源利用下降,当碳源不足时氮源当碳源利用pHpH上上升。升。(3 3)生理酸碱性物质利用后)生理酸碱性物质利用后pHpH会上升或下降,会上升或下降,生理酸性物质(如生理酸性物质(如(NH(NH4 4)2 2SOSO4 4)和生理碱性物质)和生理碱性物质(如(如NaNONaNO3 3)。)。
24、2.2.产物形成产物形成某些产物本身呈酸性或碱性,使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性,使发酵液pHpH变变化。化。如有机酸类产生使如有机酸类产生使pHpH下降,红霉素、洁霉素、下降,红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性,使螺旋霉素等抗生素呈碱性,使pHpH上升。上升。3.3.菌体自溶,菌体自溶,pHpH上升,发酵后期,上升,发酵后期,pHpH上升。上升。二、最适二、最适pHpH值的选择值的选择选择最适发酵选择最适发酵pHpH的准则是获得最大比生产速的准则是获得最大比生产速率和合适的菌体量率和合适的菌体量,以获得最高产量。以获得最高产量。利福霉素利福霉素,最适最适pHpH值值7.0-7.57.0
25、-7.50481216206.06.56.87.07.27.58.0种子培养基初始pH值糖酸转化率/%L-亮氨酸产量/gL-1L-亮氨酸糖酸转化率简述一般发酵过程简述一般发酵过程pH值如何变化?值如何变化?在发酵过程中,随着菌种对培养基种碳、氮源的在发酵过程中,随着菌种对培养基种碳、氮源的利用,随着有机酸和氨基酸的积累,会使利用,随着有机酸和氨基酸的积累,会使pH值值产生一定的变化。产生一定的变化。1 1、生长阶段、生长阶段:菌体产生蛋白酶水解培养基中的:菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质,生成铵离子,使蛋白质,生成铵离子,使pHpH上升至碱性;随着上升至碱性;随着菌体量增多,铵离子的消耗也增
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