發(fā)酵工藝控制

1、第七章 發(fā)酵工藝控制發(fā)酵工藝控制的基礎(chǔ)：了解產(chǎn)生菌生長、發(fā)育及代謝情況及動力學模擬了解生物、物理、化學和工程的環(huán)境條件對發(fā)酵過程的影響如何進行控制？測定各種參數(shù)依據(jù)參數(shù)變化，并通過動力學關(guān)系獲得發(fā)酵過程的各項最佳參數(shù)1一、發(fā)酵過程檢測控制的主要的參數(shù)1、物理參數(shù)檢測參數(shù)檢測方法 單位 影響溫度鉑電阻 熱敏電阻 qP c*罐壓(0.20.5105Pa)隔膜傳感器壓敏電阻Pa保持正壓，防止染菌O2 及 CO2 的溶解度 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)頻率計數(shù)器 r/min Kla 發(fā)酵液的均勻性 攪拌功率(2 -4KW/m3)功率計KwKla空氣流量浮子流量計 孔板差壓計 m3h-1vvm Kla粘度旋轉(zhuǎn)粘度計 Pas

2、 Kla濁度濁度計%反映單細胞的生長 料液的流量蠕動泵 荷重傳感器量筒 Lh-1 S 2發(fā)酵過程檢測控制的主要的參數(shù)2、化學參數(shù)檢測參數(shù)檢測方法 單位 影響及作用PH復(fù)合玻璃電極 菌體和產(chǎn)物合成速度酶促反應(yīng)的方向基質(zhì)濃度產(chǎn)物濃度HPLC 離子選擇電極 生物傳感器 取樣gL-1 qP發(fā)酵周期的長短氧化還原電位氧化還原電位電極 mV 生長和生化活性溶氧濃度覆膜氧電極 % qo2氣相O2含量 順磁氧分析儀 Pa反映OUR 和 Kla氣相CO2含量 紅外氣體分析儀 %反映OUR 和 Kla3發(fā)酵過程檢測控制的主要的參數(shù)3、生物參數(shù)檢測參數(shù)檢測方法 單位 影響菌絲形態(tài)攝像顯微鏡 取樣鏡檢 反映菌體發(fā)育階

3、段和正常與否菌體濃度取樣 ：干重、濁度、活菌計數(shù)、離心沉降gL-1 影響菌體的生化反應(yīng)Kla4二、控制方式 一般檢控系統(tǒng)包括3個部分。 1測定元件：如溫度計、壓力表、電流計、pH計直接測定發(fā)酵過程的各種參數(shù)，并輸出相應(yīng)信號。 2控制部分：其功能主要是將測定元件測出的各種參數(shù)信號與預(yù)先確定值進行比較，并且輸出信號指令執(zhí)行元件進行調(diào)整控制。3執(zhí)行元件：它接受控制部分的指令開啟、或關(guān)閉有關(guān)閥門、泵、開關(guān)等調(diào)節(jié)控制機構(gòu)，使有關(guān)參數(shù)達到預(yù)定位置。手動控制和自動控制5第一節(jié) 溫度的影響及控制一、溫度對發(fā)酵的影響：影響各種酶促反應(yīng)的速度酶活溫度發(fā)酵溫度升高，生長代謝加快，生產(chǎn)期提前。發(fā)酵溫度太高，菌體容易衰

4、老，發(fā)酵周期縮短。改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)：溫度影響基質(zhì)和氧的吸收速度影響飽和溶氧濃度改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向例：溫度小于30，合成金霉素的能力強溫度等于35，只合成四環(huán)素6二、影響發(fā)酵溫度變化的因素：發(fā)酵熱（KJ/m3 h）發(fā)酵熱 =生物熱 +攪拌熱 -蒸發(fā)熱 -顯熱 -輻射熱生物熱：產(chǎn)生菌在生長繁殖過程中，釋放的大量熱量。影響生物熱的因素：與菌種遺傳特性有關(guān)與菌齡有關(guān)：對數(shù)生長期生物熱最大。與營養(yǎng)基質(zhì)有關(guān)與產(chǎn)量有關(guān)攪拌熱：由于攪拌器的轉(zhuǎn)動引起液體的摩擦產(chǎn)生的熱量。蒸發(fā)熱：發(fā)酵液蒸發(fā)水分帶走的熱量。攪拌熱=P 3600/V顯熱：發(fā)酵排氣散發(fā)帶走的熱量。輻射熱：由于罐內(nèi)外的溫差，輻射帶走的熱量。

5、7三、最適發(fā)酵溫度的選擇選擇既適合菌體生長又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度可實行變溫控制：在生長階段選擇適合菌體生長的溫度，在產(chǎn)物合成階段，選擇適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。確定最適發(fā)酵溫度還應(yīng)參考其它發(fā)酵條件：在較差通氣條件下，降低發(fā)酵溫度對發(fā)酵有利培養(yǎng)基成分較易被利用或較稀薄時，降低發(fā)酵溫度有利8四、發(fā)酵溫度的控制在發(fā)酵罐上安裝夾套和蛇罐，通過循環(huán)冷卻水控制。冷卻介質(zhì)：深井水或冷凍水控制方式：手動控制或自動控制溫度計溫度控制器調(diào)節(jié)閥9第二節(jié) pH的影響及控制一、pH對發(fā)酵的影響：影響菌體生長代謝的酶活性影響代謝產(chǎn)物的合成方向影響菌體原生質(zhì)膜電荷的改變，引起膜對離子的滲透作用，影響了營養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物

6、的分泌。pHGrowth2-3 pH units10pH的變化決定于所用的生產(chǎn)菌：培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的代謝引起pH的變化：培養(yǎng)基pH在發(fā)酵過程中能被菌體代謝所改變。若陰離子氮源被利用后產(chǎn)生NH3 ，則pH上升；有機酸的積累，使pH下降。一般來說，高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性pH轉(zhuǎn)移，高氮源培養(yǎng)基傾向于向堿性pH轉(zhuǎn)移，這都跟碳氮比直接有關(guān)。生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)的消耗二、影響發(fā)酵pH變化的因素：11根據(jù)不同菌種的生理特性，確定不同的最適pH同一菌種根據(jù)不同階段，生長期采用最適生長的pH，在產(chǎn)物采用最適產(chǎn)物合成的pH。三、最適pH的選擇12幾種具體情況的調(diào)節(jié)方法當pH低，氨基氮含量低時當pH高，氨基

7、氮含量低時當pH高，氨基氮含量高時當pH由于多加了削沫劑而下降時13pH的控制系統(tǒng)pH電極設(shè)定控制器調(diào)節(jié)閥6.5pHUncontrolledControlled經(jīng)消毒的pH電極裝入發(fā)酵罐內(nèi)定時直接測定培養(yǎng)基的pH，同時還可以與控制儀表連結(jié)，通過回路系統(tǒng)控制閥門或泵進行pH調(diào)節(jié)。14菌體濃度的增加速度（生長速度）與微生物的種類和自身的遺傳特性有關(guān)第三節(jié) 菌體生長速度和菌體濃度的影響及控制影響菌體濃度的因素菌體濃度的增加速度（生長速度）與營養(yǎng)基質(zhì)的種類和濃度有關(guān) （ 正比于S ）當存在基質(zhì)抑制作用時或造成高滲透壓時，高濃度營養(yǎng)基質(zhì)引起生長速率下降。菌體濃度的增加速度（生長速度）受環(huán)境條件的影響15

8、最適菌體濃度的確定優(yōu)化控制的目標：在最短的時間內(nèi)產(chǎn)生最大量的產(chǎn)物。(dP/dtMAX)dP/dt =qP XqP=f X， ， qO 2 qS CL16生長速度和菌體濃度的控制方法確定基礎(chǔ)培養(yǎng)基的適當配比，防止培養(yǎng)基過于豐富或過于稀薄。通過調(diào)節(jié)中間補料的速度和量來控制。17第四節(jié) 營養(yǎng)基質(zhì)的影響及控制一、碳源種類：葡萄糖優(yōu)點： 吸收快，利用快，能迅速參加代謝合成菌體和產(chǎn)生能量缺點： 有些品種產(chǎn)生分解產(chǎn)物 阻遏效應(yīng)。一）、碳源種類的影響及控制迅速利用的碳源緩慢利用的碳源種類：淀粉、乳糖、蔗糖、麥芽糖、玉米油優(yōu)點： 不易產(chǎn)生分解產(chǎn)物 阻遏效應(yīng)。 有利于延長次級代謝產(chǎn)物的分泌期缺點：溶解度低，發(fā)酵液

9、粘度大。 18發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的碳源和緩慢利用的碳源的混合碳源。迅速利用的碳源滿足菌體生長的消耗，緩慢利用的碳源，滿足產(chǎn)物合成，可延長合成期，提高產(chǎn)量，并可解除葡萄糖效應(yīng)。碳源種類的控制19二）、碳源濃度的影響S過小 CqP隨減小而減小S過大 CX X COUR增大CL CL CqP減小粘度增大Kla減小產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏作用的碳源濃度過大，會抑制產(chǎn)物合成。 20三）、碳源濃度的控制在發(fā)酵過程中，補加糖類控制碳源濃度補料的類型：1、流加2、少量多次的加入3、多量少次的加入21殘?zhí)橇縫H值QcX粘度溶氧尾氣中O2和CO2的含量發(fā)酵液的總體積補糖的依據(jù)：22根據(jù)經(jīng)驗，以最高產(chǎn)量的罐批的加糖

10、率為指標，并依據(jù)菌體濃度、一定時間內(nèi)的糖比消耗速率和殘?zhí)堑燃右孕拚?。例：青霉素發(fā)酵開始補糖在殘?zhí)墙抵?.5%, pH開始回升時補糖。補糖量以最高罐批經(jīng)驗量為參考。每小時 前期040h 中期4090h 后期90以后 加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18% 補糖量的控制：經(jīng)驗法：23補糖的控制把計算的加糖量，輸入計算機，由計算機控制加料裝置精確控制加入的糖量。24二、氮源的影響和控制一）氮源的種類影響種類：氨水、銨鹽和玉米漿優(yōu)點： 易被菌體利用，明顯促進菌體生長缺點： 對于有些品種高濃度的銨離子抑制產(chǎn)物合成迅速利用的氮源緩慢利用的氮源種類：黃豆餅粉、花

11、生餅粉、和棉子餅粉優(yōu)點：利用緩慢，有利于延長次級代謝產(chǎn)物的分泌期。防止早衰。缺點：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。 25發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的氮源和緩慢利用的氮源的混合氮源。迅速利用的氮源促進菌體生長繁殖，緩慢利用的碳源，滿足產(chǎn)物合成，可延長合成期，延緩自溶期。二）氮源種類的控制26三）氮源濃度的影響控制補氮的依據(jù)：殘氮量、pH值、菌體量氮源濃度對菌體生長和產(chǎn)物合成的量與方向都有影響。氮源濃度的控制：控制基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的配比。通過補加氮源。27補氮量的控制：經(jīng)驗法：依據(jù)使pH升高0.1而通入氨水的量來計算。依據(jù)殘氮量和工藝控制殘氮量來計算。例：土霉素發(fā)酵50m3發(fā)酵罐使pH升高0.1通氨量為10升

12、。使氨基氮上升0.004%-0.005%。動力學方法；通過qN、 qP ，計算每小時的補氮量。28一、泡沫對發(fā)酵的影響泡沫的持久存在影響著微生物對氧的吸收，妨礙二氧化碳的排除，因而破壞其生理代謝的正常進行，不利于發(fā)酵；使發(fā)酵液的裝料系數(shù)減少。由于泡沫大量生成，致使培養(yǎng)液的容量一般只能等于種子罐容量的一半左右，大大影響了設(shè)備的利用率。大量的泡沫易造成逃液。增加污染雜菌的機會。造成巨大損失。第五節(jié) 泡沫的影響及其控制29二、泡沫的控制方法減少培養(yǎng)基中易起泡的成分減少培養(yǎng)基中粘度大的成分適當減少通氣量及攪拌轉(zhuǎn)速采用機械消泡（罐內(nèi)裝置和罐外裝置）采用削沫劑消泡30工業(yè)上常用的消泡劑天然油脂類 玉米油、

13、豆油、棉籽油、魚油等高碳醇類 十八醇、乙二醇聚合物聚醚類 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油硅酮類 聚二甲基硅氧烷31泡沫的檢測和控制最簡單的檢測是定時在發(fā)酵罐視孔上觀察泡沫產(chǎn)生情況，發(fā)現(xiàn)泡沫持續(xù)上升時，開啟消泡劑貯罐的閥門，流加少量消泡劑，使泡沫消失即可。也可在罐內(nèi)頂部裝液位儀與控制儀表連結(jié)，用以控制消泡貯率閥門的開啟。當泡沫上升接觸探頭頂端時產(chǎn)生的信號，通過控制裝置，指令打開泵開關(guān)或閥門，自動加入消泡劑，泡沫消失，信號也隨之消失，閥門關(guān)閉。32消泡劑使用的注意事項：不能用量過大細密地擴散到泡沫效果好加入土溫-80具有增效作用多種消泡劑并用33 溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過程中有

14、多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。 在28氧在發(fā)酵液中的100的空氣飽和濃度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達到100空氣飽和度，若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。 第六節(jié) 氧的供需及對發(fā)酵的影響34第一節(jié) 微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強度（QO2）：單位時間內(nèi)單位體積重量的細胞所消耗的氧氣，mmol O2g菌-1h-1 攝氧率(r)：單位時間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X35二、溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)

15、物形成的影響CCrQO2CLCCr: 臨界溶氧濃度, 指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。36一般對于微生物： CCr: 115%飽和濃度例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度1.37問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052 mmol O2L-1S-1 計， 0.25/0.052=4.8秒注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣： 頭孢菌素 卷須霉素生長 5% (相

16、對于飽和濃度） 13%產(chǎn)物 13% 8%38二、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個動態(tài)的平衡中傳遞：消耗：r= QO2 .X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面39三、供氧的調(diào)節(jié)C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla 和C*來調(diào)節(jié)其中C*P/HNvHPKla第六章 氧的供需及對發(fā)酵的影響40調(diào)節(jié)Kla是最常用的方法，kla反映了設(shè)備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。 45升 1噸 10噸攪拌速度 250 rpm 120 120供氧速率 7.6 10.7 20.141第三節(jié) 影響Kla的因素 Kla反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖瓶與發(fā)酵罐。一、影響搖瓶kla的因素為裝液

17、量和搖瓶機的種類搖瓶機往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)述250rpm42裝液量，一般取1/10左右： 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例： 500 ml 搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響 裝液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 9243例 某一產(chǎn)品的發(fā)酵 d n p0/v c 產(chǎn)量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例 黑曲霉生產(chǎn)糖化酶 n 230 230 270 通氣比

18、 1:0.8 1:1.2 1:0.8 產(chǎn)量 1812 2416 2846提高d、n顯著提高C,提高了產(chǎn)量提高N, 比提高Q有效442、實際上：對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時是有限度的通風的增加也是有限的蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走453、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)kla的特點 小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào) 大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào) 大型反應(yīng)器的合理設(shè)計 對現(xiàn)有設(shè)備一定要注意工藝配套464、影響Kla的其它因素空氣分布器液體的粘度傳質(zhì)介質(zhì)47菌體生長期：酶系統(tǒng) 酶系統(tǒng) 關(guān)鍵因子開始的細胞生長好后的細胞產(chǎn)物合成48產(chǎn)物形成期：底物產(chǎn)物酶系統(tǒng) 反應(yīng)動力學問題 49發(fā)酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體生長，中后期有利用產(chǎn)物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于臨溶氧濃度，中后期滿足產(chǎn)物的形成。50 一般認為，發(fā)酵初期較大的通風和攪拌而產(chǎn)生過大的剪切力，對菌體的生長有時會產(chǎn)生不利的影響，所以有時發(fā)酵初期采用小通風，停攪拌，不但有利于降低能耗，而且在工藝上也