發(fā)酵工藝控制2

1、第四章 發(fā)酵工藝控制.第一節(jié) 發(fā)酵消費(fèi)方法的類型 發(fā)酵過(guò)程形狀： 1、間歇：1培育基參與和發(fā)酵液放出是一致的； 2發(fā)酵一次一次進(jìn)展。 2、延續(xù)：1培育液參與到放出是延續(xù)的； 2培育罐中處于穩(wěn)定形狀。3、半延續(xù)發(fā)酵：培育基延續(xù)參與發(fā)酵液分批或分別放出 IIIIII 整個(gè)系統(tǒng)培育液延續(xù)參與，但各罐的發(fā)酵液分別放出。.第二節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的動(dòng)力學(xué)類型反響 化學(xué)要素 那么化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)酶酶反響動(dòng)力學(xué) 發(fā)酵：1、速度：表征是什么？幾個(gè)表征間關(guān)系； 2、影響要素：其如何影響，怎樣控制這些要素現(xiàn)主要討論第1個(gè)問(wèn)題將培育基滅菌，參與菌種，在一定容器中發(fā)酵，將其動(dòng)態(tài)變化畫(huà)成曲線，此為發(fā)酵曲線圖所以影響要素為： a

2、基質(zhì)中糖或碳源 b 菌種 c 產(chǎn)物 從此三個(gè)要素分析發(fā)酵速度。.發(fā)酵曲線圖.從此三個(gè)要素分析發(fā)酵速度。所以研討發(fā)酵速度就是研討 1碳源利用速度 2菌生長(zhǎng)速度 3產(chǎn)物構(gòu)成速度 4上述三者之間關(guān)系根據(jù)以上四個(gè)條件將一切發(fā)酵過(guò)程分為三大類型.發(fā)酵過(guò)程分為三大類型.一類型I.一類型I 1、特點(diǎn)菌生長(zhǎng)比速度C、P都有一個(gè)頂峰三者的頂峰同時(shí)出現(xiàn)，三者根本平行產(chǎn)物的量和碳源利用量有一定的化學(xué)劑量關(guān)系可進(jìn)展實(shí)際計(jì)算。2、產(chǎn)物類型 此一類型產(chǎn)物主要有兩大類：菌體 產(chǎn)量常數(shù)在一定條件下，用一定菌體產(chǎn)量常數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。故知產(chǎn)量常數(shù)可控制流加糖的量，還可利用產(chǎn)量常數(shù)檢查，發(fā)酵條件的控制能否適宜。代謝產(chǎn)物：酵母的酒精發(fā)酵

3、、乳酸發(fā)酵 另部分次級(jí)代謝產(chǎn)物也屬此型，但大多數(shù)屬類型III 次級(jí)代謝產(chǎn)物，桿菌肽、氯霉素。.一類型I 乳酸發(fā)酵.一類型I 乳酸發(fā)酵.一類型I 桿菌肽發(fā)酵. 二類型II . 二類型II 1特點(diǎn)： 分成兩個(gè)時(shí)期：菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物構(gòu)成在不同時(shí)期，分別在菌生長(zhǎng)期產(chǎn)物構(gòu)成期。 碳源利用的比速度有兩個(gè)頂峰，分別在兩個(gè)時(shí)期，第一個(gè)頂峰用于菌體生長(zhǎng)，第二個(gè)頂峰用于產(chǎn)物合成在產(chǎn)物構(gòu)成期能夠還有菌體第二次生長(zhǎng)。碳源利用和產(chǎn)物構(gòu)成無(wú)明確的化學(xué)劑量關(guān)系，但還是有一定關(guān)系的。2、產(chǎn)物類型有中間產(chǎn)物積累：產(chǎn)物在合成過(guò)程中先積累一定產(chǎn)物，再由中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物。如丙酮丁醇發(fā)醇，丙酮丁醇發(fā)酵分為三個(gè)時(shí)期。.增酸期：018

4、h 有機(jī)酸大量積累，菌體大量生長(zhǎng) 產(chǎn)物溶劑構(gòu)成少減酸期：1840h菌體長(zhǎng)到最大期，溶劑就大量構(gòu)成，培育液中pH值上升后發(fā)酵：4072h 菌體不增長(zhǎng)，甚至有些下降，溶劑增長(zhǎng)到最大值，酸降低到最小值。無(wú)中間產(chǎn)物積累如：延胡索酸發(fā)酵 用黑根霉 谷氨酸發(fā)酵 用棒狀桿菌 檸檬酸發(fā)酵 用黑曲霉 土霉素發(fā)酵 金色鏈霉菌四環(huán)類抗生等 土霉素消費(fèi)因其菌生長(zhǎng)，C利用有兩個(gè)頂峰而劃入型，產(chǎn)物產(chǎn)量較高。 .三類型. 三類型1.特點(diǎn)：分成兩個(gè)時(shí)期，但產(chǎn)物構(gòu)成比類型早，在菌體接近或到達(dá)最大值時(shí)，產(chǎn)物開(kāi)場(chǎng)生長(zhǎng)。菌體生長(zhǎng)和碳源利用沒(méi)有第二個(gè)頂峰。產(chǎn)物的構(gòu)成和碳源利用無(wú)量上的關(guān)系，都是屬于次級(jí)代謝產(chǎn)物，產(chǎn)物量占發(fā)酵液中的0.1

5、2%。鏈霉素發(fā)酵(用灰色鏈霉菌消費(fèi))2、產(chǎn)物類型:分為三種類型，知道發(fā)酵的類型將預(yù)知某個(gè)發(fā)酵將按什么情況進(jìn)展可作為發(fā)酵的中間控制的實(shí)際根底，在實(shí)際上指點(diǎn)消費(fèi)監(jiān)視消費(fèi)，如控制流加糖。根據(jù)菌體消費(fèi)和產(chǎn)物構(gòu)成能否同步的，可控制不同的發(fā)酵條件，如、型可在不同時(shí)期，為不同目的菌體或產(chǎn)物，控制不同發(fā)酵條件，從營(yíng)養(yǎng)上說(shuō)，生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)條件和產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)條件有區(qū)別。在延續(xù)發(fā)酵的設(shè)計(jì)上，類型可用單級(jí)，如為類型、就要采用二級(jí)以上的延續(xù)發(fā)酵，使菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物構(gòu)成都得到保證。.三類型 鏈霉素發(fā)酵用灰色鏈霉素消費(fèi) .第三節(jié) 延續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)一、控制方法1、恒濁法：根據(jù)培育液的濁度與菌的濃度成正，比經(jīng)過(guò)一種儀器如光電效應(yīng)控制菌的

6、流量，使菌的濃度堅(jiān)持一致，在此培育基的各種養(yǎng)料是充足過(guò)量的，菌都在最大生長(zhǎng)速度，菌濃度被控制，適用于動(dòng)力學(xué)類型。2、恒化法：培育基中有一種可限制菌的生長(zhǎng)速度，此為限制性基質(zhì)，如培育基中糖的含量很低，還可用氨基酸，無(wú)機(jī)氮等而別的成分不是過(guò)量的，培育基的流量一定，這種方法，菌的生長(zhǎng)速度不是在最大生長(zhǎng)速度，以此控制菌的濃度一定，采用這種方法適于動(dòng)力學(xué)、型。.二、動(dòng)力學(xué)下面以多罐，開(kāi)放式相對(duì)于菌體截留的密閉式混合均勻?yàn)槔鼺 流量 L/hX 菌濃度 g/LS 基質(zhì)濃度 g/LP 產(chǎn)物濃度 g/L每一罐流量一樣為F要堅(jiān)持延續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定.1.菌的情況 流入量十生長(zhǎng)菌量=流出菌量 即：.3、對(duì)基質(zhì)情況同理

7、 Yx/s為以耗費(fèi)基質(zhì)基準(zhǔn)的菌生長(zhǎng)得率常數(shù)。 將其代(3-6) . 對(duì)單級(jí)罐而言 根據(jù)Michadis-mentem公式. 飽和常數(shù) ,為1/2 時(shí)基質(zhì)濃度 為最大比生長(zhǎng)速率 Monod公式.三、延續(xù)發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)：1、提高了消費(fèi)率，普通至少幾倍至十多倍。緣由提高了發(fā)醇罐的利用率，其表示用兩種：消費(fèi)單位分量的產(chǎn)品每日所需發(fā)醇罐的立方米?；騿挝环e的發(fā)醇罐每日消費(fèi)的產(chǎn)品分量。便于管理控制由于上面緣由，消費(fèi)本錢(qián)大大降低，水、電、氣平衡易于控制。.四、存在的問(wèn)題1、實(shí)際上：菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物構(gòu)成的關(guān)系， 最適D、最適菌濃度的掌握實(shí)際上的推導(dǎo)不 完全符合實(shí)踐消費(fèi)。2、退化與變異：延續(xù)發(fā)酵時(shí)間越長(zhǎng)越好， 但許多菌會(huì)

8、發(fā)生退化，表如今消費(fèi)才干上退 化，合成產(chǎn)物上發(fā)生變換。處理方法，改換 菌種或種子。3、染菌問(wèn)題：要處理之，對(duì)設(shè)備嚴(yán)密度、無(wú)菌操作 嚴(yán)厲，及好氣氣體供應(yīng)。4、均勻度：與保送能否順利進(jìn)展，主要是絲狀菌。.第四節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制溫度是保證酶活性的重要條件，因此在發(fā)酵系統(tǒng)中，必需保證穩(wěn)定而適宜的溫度環(huán)境。一、影響發(fā)酵溫度的要素。1產(chǎn)熱要素：生物熱和攪拌熱。2散熱要素：蒸發(fā)熱和輻射熱。發(fā)酵熱就是發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量。.生物熱：定義：生物熱是消費(fèi)菌在生長(zhǎng)繁衍時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。培育基中碳水化合物，脂肪，蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO2,NH3時(shí)釋放出的大量能量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代

9、謝活動(dòng)，熱能分發(fā)。影響生物熱的要素：生物熱隨菌株，培育基，發(fā)酵時(shí)期的不同而不同。普通，菌株對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用的速率越大，培育基成分越豐富，生物熱也就越大。發(fā)酵旺盛期的生物熱大于其他時(shí)間的生物熱。生物熱的大小還與菌體的呼吸強(qiáng)度有對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抗生素高產(chǎn)量批號(hào)的生物熱高于低產(chǎn)量批號(hào)的生物熱。闡明抗生素合成時(shí)微生物的新陳代謝非常旺盛。. 發(fā)酵過(guò)程中生物熱的變化在四環(huán)素發(fā)酵中，還發(fā)現(xiàn)生物熱和菌的呼吸強(qiáng)度的變化有對(duì)應(yīng)關(guān)系，特別是在80小時(shí)以前。從此實(shí)驗(yàn)中還可看到，當(dāng)產(chǎn)生的生物熱到達(dá)頂峰時(shí)，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可從菌體的耗氧率來(lái)衡量生物熱的大小。四環(huán)素生物合成過(guò)程中系列參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程1

10、：效價(jià)；2：呼吸強(qiáng)度；3：生物熱；4：糖濃度.攪拌熱定義：通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動(dòng)呵斥液體之間，液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱 。攪拌熱的計(jì)算： Q攪拌=3600P/V式中 3600：熱功當(dāng)量kJ/kW.h P/V：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所耗費(fèi)的功率 kW/m3 .蒸發(fā)熱定義：通入發(fā)酵罐的空氣，其溫度和濕度隨季節(jié)及控制條件的不同而有所變化。空氣進(jìn)入發(fā)酵罐后，就和發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)展熱交換。同時(shí)必然會(huì)引起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。蒸發(fā)熱的計(jì)算： Q蒸發(fā)=GI2-I1式中 G：空氣流量，按干重計(jì)算，kg/h I2 、 I1 ：進(jìn)出發(fā)酵罐的空氣的熱焓量，J/kg干空氣4輻射

11、熱定義：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，經(jīng)過(guò)罐體向外輻射的熱量。輻射熱的計(jì)算：輻射熱可經(jīng)過(guò)罐內(nèi)外的溫差求得，普通不超越發(fā)酵熱的5%。.3，發(fā)酵熱的測(cè)定1經(jīng)過(guò)測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度，由下式求得這段時(shí)間內(nèi)的發(fā)酵熱。2經(jīng)過(guò)罐溫的自動(dòng)控制，先使罐溫到達(dá)恒定，再封鎖自控安裝測(cè)得溫度隨時(shí)間上升的速率S，按下式可求得發(fā)酵熱：.二、溫度對(duì)微生物影響。分為嗜冷菌，嗜中溫菌，嗜熱菌生長(zhǎng)活化能2533 104KJ/mol小于死亡的活化能104122KJ/mol死亡速率比消費(fèi)速度對(duì)溫度更敏感三、溫度對(duì)發(fā)醇影響溫度低，反響速度低，周期長(zhǎng)溫度高，反響速度快，但菌易衰老，影響產(chǎn)量。菌合成與產(chǎn)物合成溫度要求不同。

12、.溫度經(jīng)過(guò)以下方式影響發(fā)酵過(guò)程1影響各種酶的反響速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)2影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)3影響生物合成的方向。例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時(shí)能產(chǎn)生金霉素。在低于30溫度下，該菌種合成金霉素才干較強(qiáng)。當(dāng)溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度達(dá)35那么只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停頓。.發(fā)酵過(guò)程中，微生物生長(zhǎng)速率變化 dX/dt =X-X 式中 ：比生長(zhǎng)速率 ：比死亡速率當(dāng)處于生長(zhǎng)形狀時(shí)，可忽略。與 與溫度有關(guān)根據(jù)Arrenhnius公式= Ae-E/RT= Ae-E/RT通常E大于E，所以 比 對(duì)溫度變化更為敏感。.例：青霉菌消費(fèi)青霉素青霉菌生長(zhǎng)活化能E=34kJ/mol青霉素合成活化能E=112kJ/mol青霉素合成速率對(duì)溫度較敏感，溫度控制相當(dāng)重要。.五、最適溫度確實(shí)定在發(fā)酵過(guò)程中，最適溫度是一種相對(duì)概念，是指在該溫度下最適于菌的生長(zhǎng)或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。最適發(fā)酵溫度與菌種，培育基成分，培育條件和菌體生長(zhǎng)階段有關(guān)。最適發(fā)酵溫度的選擇：在發(fā)酵的整個(gè)周期內(nèi)僅選一個(gè)最適培育溫度不一定好。溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件。溫度的選擇還應(yīng)思索培育基成分和濃度六、溫度的控制發(fā)酵罐：夾套10M3以下 盤(pán)管蛇管 10M3以上.第五節(jié) 微生物的