發(fā)酵過程控制與優(yōu)化課件

第四章發(fā)酵工藝過程控制第一節(jié)發(fā)酵的操作方式分批培養(yǎng)補料分批培養(yǎng)（半連續(xù)培養(yǎng)）一、分批培養(yǎng)

（batchcultureorfermentation）1.概念：在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進行培養(yǎng)，在特定的條件下只完成一個生長周期的微生物培養(yǎng)方法。分批培養(yǎng)中微生物的生長遲滯期對數(shù)生長期穩(wěn)定期死亡期3.分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點:操作簡單，周期短，染菌機會少，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。缺點:產(chǎn)率低。二、連續(xù)培養(yǎng)（continuousculture）1.概念：微生物培養(yǎng)到對數(shù)生長期時，在發(fā)酵罐中不斷添加新鮮的培養(yǎng)基，同時不斷放出代謝物，使微生物細胞在近似恒定狀態(tài)下生長的培養(yǎng)方式。2.特點：菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度均處于恒定狀態(tài)。三、補料分批培養(yǎng)（fed-batchculture）介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的操作方法。1.概念：根據(jù)菌體生長和初始培養(yǎng)基的特點，在分批培養(yǎng)的某些階段適當(dāng)補加培養(yǎng)基，使菌體或其代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時間延長。2.補料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點

優(yōu)點：

與分批培養(yǎng)相比(1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)。(2)延長次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時間。與連續(xù)培養(yǎng)相比(1)降低了染菌，避免了遺傳不穩(wěn)定性。(2)最終產(chǎn)物濃度較高，有利于產(chǎn)物的分離。(3)使用范圍廣。3.幾個實例：產(chǎn)物補料物酵母菌麥芽汁、氮、磷、鎂谷氨酸氨水或尿素檸檬酸銨鹽、糖蘋果酸葡萄糖淀粉酶葡萄糖青霉素葡萄糖、氨水、苯乙酸第二節(jié)溫度變化及其控制一、溫度對發(fā)酵的影響1.影響反應(yīng)速率2.影響發(fā)酵方向另外，還影響發(fā)酵液的粘度、溶氧和傳遞速率。二、最適溫度的選擇最適發(fā)酵溫度是既適合菌體的生長又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。隨菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生長階段不同而改變。

四、溫度的控制一般不需加熱，因釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況多。用夾套或蛇形管，通冷卻水。

第三節(jié)pH變化及其控制一、pH變化的原因

1.基質(zhì)代謝

（1）糖代謝糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補料的標(biāo)志之一。（2）氮代謝氨基酸中的-NH2被利用，pH下降；尿素被分解成NH3，pH上升。（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后，pH上升或下降。

2.產(chǎn)物形成3.菌體自溶pH上升二、pH對發(fā)酵的影響1.影響酶的活性。2.影響微生物細胞的結(jié)構(gòu)。3.影響微生物對基質(zhì)的利用速率。4.影響代謝方向。舉例：Aspergillusniger在pH2~2.5范圍時有利于合成檸檬酸，當(dāng)在pH2.5~6.5范圍內(nèi)時以菌體生長為主，而在pH7.0時，則以合成草酸為主。

生長的最適pH值與發(fā)酵的最適pH值2.pH的控制

(1)調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)培養(yǎng)基的pH。若控制消后pH在6.0，消前pH往往要調(diào)到6.56.8。(2)通過加酸堿和中間補料來控制。a.過去直接加酸（H2SO4）或堿（NaOH），現(xiàn)常用：生理酸性物質(zhì)：(NH4)2SO4生理堿性物質(zhì)：氨水b.補料既調(diào)節(jié)了pH值，又補充了營養(yǎng)，還可減少阻遏作用。如：味精廠普遍采用流加尿素，有兩個作用:

調(diào)節(jié)pH值補充氮源二、溶氧濃度的控制溶氧濃度決定因素：供氧和需氧兩方面。（一）供氧方面：1.調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速2.調(diào)節(jié)通氣速率（二）需氧方面：1.菌體濃度和菌齡2.基質(zhì)種類和濃度以菌濃影響最明顯。3.培養(yǎng)條件控制方法：通過控制基質(zhì)濃度。第五節(jié)泡沫的形成與控制一、泡沫產(chǎn)生的原因1.通風(fēng)攪拌程度及菌體新陳代謝產(chǎn)生的CO2。2.培養(yǎng)基性質(zhì)二、泡沫的危害1.降低生產(chǎn)能力（裝料系數(shù)減少）引起原料浪費2.造成大量逃液引起染菌3.影響菌的呼吸三、泡沫的控制調(diào)整培養(yǎng)基成分（如少加或緩加易起泡的原材料）改變某些物理化學(xué)參數(shù)（如pH值、溫度、通氣和攪拌）改變發(fā)酵工藝（采用分批投料）1.機械消泡：（物理方法）利用機械振動或壓力變化使泡沫破裂。罐內(nèi)消泡:靠罐內(nèi)消泡漿打碎泡沫。罐外消泡：靠噴嘴的加速作用消除泡沫。2.消泡劑消泡機理:降低液膜的機械強度降低液膜的表面粘度（1）天然油脂類：豆油、玉米油、棉子油、菜籽油（還可作為碳源），用量大，0.1%0.2%。（2）聚醚類：又稱泡敵，消泡能力為豆油的1020倍，用量少，0.02%-0.03%。

第六節(jié)發(fā)酵染菌及其防治一、染菌的檢查、判斷（一）觀察法1.菌體濃度（OD值）異常（OD:opticaldensity）2.溶解氧（DO）異常3.pH值異常4.泡沫過多（二）鏡檢法（三）平板劃線培養(yǎng)法（四）酚紅肉湯培養(yǎng)法二、發(fā)酵染菌的原因1.種子帶菌2.空氣帶菌3.設(shè)備滲漏4.培養(yǎng)基滅菌不徹底5.技術(shù)管理不善三、染菌情況分析1.單罐染菌罐本身而非系統(tǒng)問題。如種子帶菌、培養(yǎng)基滅菌不徹底、罐有滲漏、分過濾器失效。2.多罐染菌系統(tǒng)問題，如空氣過濾系統(tǒng)有問題，特別是總過濾器長期沒有檢查，可能受潮失效；移種或補料的分配站有滲漏或滅菌不徹底。3.前期染菌種子帶菌、培養(yǎng)基滅菌不徹底。4.中后期染菌補料的料液滅菌不徹底或補料管道、閥門滲漏，一般不會是種子問題。四、噬菌體（phage）染菌及其防治（一）phage