《发酵工艺过程控制》课件.ppt
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1、第七章第七章 发酵工艺过程控制发酵工艺过程控制n微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能,微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能,而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来;出来;n必须了解有关生产菌种对环境条件的要求,如培养基、培必须了解有关生产菌种对环境条件的要求,如培养基、培养温度、养温度、pH、氧的需求等,并深入了解生产菌在合成产、氧的需求等,并深入了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径,为设计合物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径,为设计合理的生产工艺提供理论基础;理的生产工艺提供
2、理论基础;n通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度,糖、通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度,糖、氮消耗及产物,以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、氮消耗及产物,以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、pH、溶解氧等参数情况,并予以有效地控制,使生产菌、溶解氧等参数情况,并予以有效地控制,使生产菌种处于产物合成的优化环境中。种处于产物合成的优化环境中。一、发酵工艺过程控制的重要性一、发酵工艺过程控制的重要性从产物形成来说,代谢变化就是反映发酵中的从产物形成来说,代谢变化就是反映发酵中的菌体菌体生长生长、发酵参数的变化发酵参数的变化(培养基和培养条件)和(培养基和培养条件)和产
3、物形成速率产物形成速率这三者之间的关系。这三者之间的关系。二、发酵过程的代谢变化规律二、发酵过程的代谢变化规律这里介绍这里介绍分批发酵分批发酵、补料分批发酵、半连续发补料分批发酵、半连续发酵酵及及连续发酵连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征。四种类型的操作方式下的代谢特征。1、分批发酵、分批发酵指在一个封闭的培养系统内含有指在一个封闭的培养系统内含有初始限制量的基质初始限制量的基质的发酵的发酵方式。即一次性投料,一次性收获产品的发酵方式。方式。即一次性投料,一次性收获产品的发酵方式。延滞期延滞期指数期指数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期时间(时间(t)菌体菌体浓度浓度分分批批培培养养条条件件下下的
4、的典典型型生生长长曲曲线线在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系,将在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系,将微生物产物形成动力学分为微生物产物形成动力学分为 生长关联型生长关联型 和和 非生长关联型非生长关联型。A(葡萄糖异构酶)(葡萄糖异构酶)B(菌体浓度)(菌体浓度)B(菌体浓度)(菌体浓度)A(杀念珠菌素)(杀念珠菌素)生长关联型生长关联型非生长关联型非生长关联型产物的生成速率与菌体生长速率成正产物的生成速率与菌体生长速率成正比。这种产物通常是微生物分解基质比。这种产物通常是微生物分解基质的直接产物,如酒精,但也有某些酶的直接产物,如酒精,但也有某些酶类,如
5、脂肪酶和葡萄糖异构酶类,如脂肪酶和葡萄糖异构酶产物的生成速率与菌体生长速率产物的生成速率与菌体生长速率成无关,而与菌体量的多少有关。成无关,而与菌体量的多少有关。对于生长关联型产品,可对于生长关联型产品,可采用有利于细胞生长的培采用有利于细胞生长的培养条件,延长与产物合成养条件,延长与产物合成有关的对数生长期。有关的对数生长期。对于非生长关联型产品,则对于非生长关联型产品,则宜缩短菌体的对数生长期,宜缩短菌体的对数生长期,并迅速获得足够量的菌体细并迅速获得足够量的菌体细胞后,延长稳定期,从而提胞后,延长稳定期,从而提高产量。高产量。2、补料分批发酵、补料分批发酵是指分批培养过程中,间歇或连续地
6、补加新鲜培养基的培是指分批培养过程中,间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。养方法。与传统的分批发酵相比,优点在于使发酵系统中维持与传统的分批发酵相比,优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点:很低的基质浓度。低基质浓度的优点:可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾;克服养分的不足,避免发酵过早结束克服养分的不足,避免发酵过早结束。、半连续发酵、半连续发酵是指在补料分批发酵的基础上,间歇地放掉部分发酵液是指在补料分批发酵的基础上,间歇地放掉部分发酵液的培养方法。的培
7、养方法。优点:优点:可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾;菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾;克服养分的不足,避免发酵过早结束;克服养分的不足,避免发酵过早结束;缓解有害代谢产物的积累。缓解有害代谢产物的积累。、连续发酵、连续发酵又称连续流动培养或开放型培养,即培养基料液连续输入又称连续流动培养或开放型培养,即培养基料液连续输入发酵罐,并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。在这发酵罐,并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。在这样的环境中培养,所提供的基质对菌的生长就受到限制,样的环境中培养,所提供的基质对菌的生长
8、就受到限制,培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态。培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态。与传统的分批发酵相比,连续培养有以下优点:与传统的分批发酵相比,连续培养有以下优点:维持低基质浓度:可以除去快速利用碳源的阻遏效应,维持低基质浓度:可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾;并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾;避免培养基积累有毒代谢物;避免培养基积累有毒代谢物;可以提高设备利用率和单位时间的产量,节省发酵罐的可以提高设备利用率和单位时间的产量,节省发酵罐的非生产时间;非生产时间;便于自动控制。便于自动控制。但连续培养也有缺点:但连续培养也有缺
9、点:长时间的连续培养难以保证纯种培养,并且菌种发生长时间的连续培养难以保证纯种培养,并且菌种发生变异的可能性较大,故在工业规模上很少采用。生产变异的可能性较大,故在工业规模上很少采用。生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、以上只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺,此及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺,此方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。三、发酵过程的主要控制参数三、发酵过程的主要控制参数1.pH值(酸碱度)值(酸碱度)2.温度(温度()3.溶解氧浓度溶解氧浓度4.基质含量基质含
10、量5.空气流量空气流量6.压力压力7.搅拌转速搅拌转速8.搅拌功率搅拌功率9.粘度粘度10.浊度浊度11.料液流量料液流量12.产物浓度产物浓度13.氧化还原电位氧化还原电位14.废气中的氧含量废气中的氧含量15.废气中的废气中的CO2含量含量16.菌丝形态菌丝形态17.菌体浓度菌体浓度第二节第二节 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、温度对发酵的影响一、温度对发酵的影响v微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌,如霉菌、放线微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌,如霉菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在2040。v温度会影响各种酶反应
11、的速率,改变菌体代谢产物的合成温度会影响各种酶反应的速率,改变菌体代谢产物的合成方向,影响微生物的代谢调控机制。影响发酵液的理化性质,方向,影响微生物的代谢调控机制。影响发酵液的理化性质,进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。v在发酵过程中,需要维持适当的温度,才能使菌体生长和在发酵过程中,需要维持适当的温度,才能使菌体生长和代谢产物的合成顺利进行。代谢产物的合成顺利进行。二、影响发酵温度变化的因素二、影响发酵温度变化的因素产热因素:产热因素:生物热(生物热(Q生物生物)、搅拌热()、搅拌热(Q搅拌搅拌)散热因素:散热因素:蒸发热(蒸发热(Q蒸发蒸
12、发)、辐射热()、辐射热(Q辐射辐射)、显热()、显热(Q显显)发酵热(发酵热(Q发酵发酵)是发酵温度变化的主要因素。)是发酵温度变化的主要因素。Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射Q显显为了使发酵能在一定温度下进行,要设法进行控制。为了使发酵能在一定温度下进行,要设法进行控制。由于由于Q生物生物、Q蒸发蒸发和和Q显显,特别是,特别是Q生物生物在发酵过程中随时间变化,因在发酵过程中随时间变化,因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化,引起发酵温度发生波动。此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化,引起发酵温度发生波动。三、温度的控制三、温度的控制1.最适温度的选择最适温度的选择2.温度
13、的控制温度的控制在生长阶段,应选择最适生长温度;在生长阶段,应选择最适生长温度;在产物分泌阶段,应选择最适生产温度。在产物分泌阶段,应选择最适生产温度。发酵温度可根据不同菌种、不同产品进行选择。发酵温度可根据不同菌种、不同产品进行选择。v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,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酵热,需要冷却的情况较多。因发酵中释放了大量的发酵热,需要冷却的情况较多。v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,通过热交换来降温,保持恒温发酵。或蛇
14、行管中,通过热交换来降温,保持恒温发酵。v如果气温较高(特别是我国南方的夏季气温),冷却水的温度如果气温较高(特别是我国南方的夏季气温),冷却水的温度又高,致使冷却效果很差,达不到预定的温度,就又高,致使冷却效果很差,达不到预定的温度,就可采用冷冻可采用冷冻盐水进行循环式降温,盐水进行循环式降温,以迅速降到最适温度。因此大工厂需要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,以保证在正常温度下进行发酵。建立冷冻站,提高冷却能力,以保证在正常温度下进行发酵。第三节第三节 pH值对发酵的影响及其控制值对发酵的影响及其控制一、一、pH值对发酵的影响值对发酵的影响1.影响酶的活性,当影响
15、酶的活性,当pH值抑制菌体中某些酶的活性时,值抑制菌体中某些酶的活性时,会阻碍菌体的新陈代谢;会阻碍菌体的新陈代谢;2.影响微生物细胞膜所带电荷的状态,改变细胞膜的通影响微生物细胞膜所带电荷的状态,改变细胞膜的通透性,影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄;透性,影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄;影响培养基中某些组分的解离,进而微生物对这些成影响培养基中某些组分的解离,进而微生物对这些成分的吸收;分的吸收;3.pH值不同,往往引起菌体代谢过程的不同,使代谢产值不同,往往引起菌体代谢过程的不同,使代谢产物的质量和比例发生改变。物的质量和比例发生改变。二、发酵过程二、发酵过程pH值的变化
16、值的变化在发酵过程中,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,会使和氨基酸的积累,会使pH值产生一定的变化。值产生一定的变化。1、生长阶段:菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质,、生长阶段:菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质,生成铵离子,使生成铵离子,使pH上升至碱性;随着菌体量增多,铵离上升至碱性;随着菌体量增多,铵离子的消耗也增多,另外糖利用过程中有机酸的积累使子的消耗也增多,另外糖利用过程中有机酸的积累使pH值下降。值下降。2、生产阶段:这个阶段、生产阶段:这个阶段pH值趋于稳定。值趋于稳定。3、自溶阶段:随着养
17、分的耗尽,菌体蛋白酶的活跃,培、自溶阶段:随着养分的耗尽,菌体蛋白酶的活跃,培养液中氨基氮增加,致使养液中氨基氮增加,致使pH又上升,此时菌体趋于自溶又上升,此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。而代谢活动终止。pH值值培养时间培养时间培养过程中培培养过程中培养液养液pH值的大值的大致变化趋势致变化趋势由此可见,在适合于菌生长及合成产物的环境条件下,由此可见,在适合于菌生长及合成产物的环境条件下,菌体本身具有一定的调节菌体本身具有一定的调节pH的能力,但是当外界条件变的能力,但是当外界条件变化过于剧烈,菌体就失去了调节能力,培养液的化过于剧烈,菌体就失去了调节能力,培养液的pH就会就会波动。波动。三
18、、引起发酵液三、引起发酵液pH值异常波动的因素值异常波动的因素pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。1、pH下降:下降:培养基中碳、氮比例不当。碳源过多,特别是葡萄糖过量,或者培养基中碳、氮比例不当。碳源过多,特别是葡萄糖过量,或者中间补糖过多加上溶氧不足,致使有机酸大量积累而中间补糖过多加上溶氧不足,致使有机酸大量积累而pH下降;下降;消泡剂加得过多;消泡剂加得过多;生理酸性物质的存在,铵被利用,生理酸性物质的存在,铵被利用,pH下降。下降。2、pH上升:上升:培养基中碳、氮比例不当。氮源过多,氨基氮释放,使培养基中碳、氮比例
19、不当。氮源过多,氨基氮释放,使pH上升;上升;生理碱性物质存在;生理碱性物质存在;中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多。中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多。四、发酵四、发酵pH值的确定和控制值的确定和控制1.发酵发酵pH值的确定值的确定v微生物发酵的最适微生物发酵的最适pH值范围一般是在值范围一般是在58之间。之间。v最适最适pH值是根据实验结果来确定的。值是根据实验结果来确定的。a.将发酵培养基调节成不同的出发将发酵培养基调节成不同的出发pH值,进行发酵,在发酵过程中,值,进行发酵,在发酵过程中,定时测定和调节定时测定和调节pH值,以分别维持出发值,以分别维持出发pH值,或者利用缓冲液来配
20、值,或者利用缓冲液来配制培养基来维持。制培养基来维持。b.到时观察菌体的生长情况,以菌体生长达到最高值的到时观察菌体的生长情况,以菌体生长达到最高值的pH值为菌体生值为菌体生长的合适长的合适pH值。值。c.用同样的方法,可测得产物合成的合适用同样的方法,可测得产物合成的合适pH值。值。d.同一产品的合适同一产品的合适pH值,与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。值,与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。e.在确定合适发酵在确定合适发酵pH值时,不定期要考虑培养温度的影响,若温度提值时,不定期要考虑培养温度的影响,若温度提供或降低,合适供或降低,合适pH值也可能发生变动。值也可能发生变动。2
21、.pH值的控制值的控制a.首先考虑和试验发酵培养基的基础配方,使它们有个首先考虑和试验发酵培养基的基础配方,使它们有个适当的配比,使发酵过程中的适当的配比,使发酵过程中的pH值变化在合适的范值变化在合适的范围内。围内。b.在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制;在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制;补充生理酸性物质(如补充生理酸性物质(如(NH4)2SO4)和生理碱性物质)和生理碱性物质(如(如NaNO3)来控制。)来控制。第四节第四节 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一、溶解氧对发酵的影响一、溶解氧对发酵的影响在发酵过程中,影响耗氧的因素有以下几方面:在发酵
22、过程中,影响耗氧的因素有以下几方面:(1)培养基的成分和浓度)培养基的成分和浓度(2)菌龄)菌龄(3)发酵条件)发酵条件二、溶解氧浓度的控制二、溶解氧浓度的控制在供氧方面,主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积氧传递系数。在供氧方面,主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积氧传递系数。调节搅拌转速或通气速率来控制供氧;调节搅拌转速或通气速率来控制供氧;控制补料速度来控制基质的浓度,从而达到最适的菌体浓控制补料速度来控制基质的浓度,从而达到最适的菌体浓度,保证产物的比生长速率维持在最大值,又不会使需氧度,保证产物的比生长速率维持在最大值,又不会使需氧大于供氧。大于供氧。采用调节温度(降低培养温度可
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