第五章 發(fā)酵工藝的控制課件

發(fā)酵工藝的控制第五章第五章發(fā)酵工藝的控制第五章發(fā)酵工藝的控制1.概述２.溫度的影響及其控制３.pH的影響及控制４.溶氧的影響和控制５.泡沫的作用和控制６.補料的作用和控制７.發(fā)酵終點的判斷第五章發(fā)酵工藝的控制發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分控制難點：過程的不確定性和參數(shù)的非線性發(fā)酵過程的影響因素是復雜的，比如設備的差別、水的差別、培養(yǎng)基滅菌的差別，菌種保藏時間的長短，發(fā)酵過程的細微差別都會引起微生物代謝的不同。了解和掌握分析發(fā)酵過程的一般方法對于優(yōu)化發(fā)酵是十分必要的1.概述

一、發(fā)酵過程的方式二、發(fā)酵過程的代謝參數(shù)第五章發(fā)酵工藝的控制一、發(fā)酵過程的方式分批培養(yǎng)補料分批培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)第五章發(fā)酵工藝的控制分批培養(yǎng)中微生物的生長規(guī)律遲滯期對數(shù)生長期穩(wěn)定期死亡期第五章發(fā)酵工藝的控制遲滯期：菌體沒有分裂只有生長，因為當菌種接種入一個新的環(huán)境，細胞內的核酸、酶等稀釋，這時細胞不能分裂。對數(shù)生長期：當細胞內的與細胞分裂相關的物質濃度達到一定程度，細胞開始分裂，這時細胞生長很快，對于初級代謝產物，在對數(shù)生長期初期就開始合成并積累，穩(wěn)定期：隨著細胞生長，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物減少，廢物積累，導致細胞生長速率下降，進入減速期死亡期：最后當細胞死亡速率大于生成速率，進入死亡期，而次級代謝產物則在對數(shù)生長期后期和穩(wěn)定期大量合成。第五章發(fā)酵工藝的控制1、分批發(fā)酵(間隙發(fā)酵)最簡單的發(fā)酵過程，培養(yǎng)基滅菌后,接入菌種，進行發(fā)酵,除了空氣的通入和排氣外,沒有物料的加入和取出。整個過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產物濃度等參數(shù)都隨時間變化。優(yōu)點：操作簡單，周期短，染菌機會少，生產過程容易掌握缺點：產率低

分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點：第五章發(fā)酵工藝的控制2、補料分批培養(yǎng)

在分批培養(yǎng)過程中補入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不足而導致的發(fā)酵過早結束的缺點。在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出，在工廠的實際生產中采用這種方法很多。補料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點:優(yōu)點:在這樣一種系統(tǒng)中可以維持低的基質濃度，避免快速利用碳源的阻遏效應；可以通過補料控制達到最佳的生長和產物合成條件。缺點:由于沒有物料取出，產物的積累最終導致比生產速率的下降;增加了染菌機會第五章發(fā)酵工藝的控制3、半連續(xù)培養(yǎng)在補料分批培養(yǎng)的基礎上間歇放掉部分發(fā)酵液（帶放）稱為半連續(xù)培養(yǎng)。半連續(xù)培養(yǎng)的特點放掉部分發(fā)酵液，再補入部分料液，使代謝有害物得以稀釋有利于產物合成，提高了總產量。第五章發(fā)酵工藝的控制4、連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵過程中一邊補入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內的體積維持恒定。達到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中菌的濃度，產物濃度，基質濃度都是恒定的。連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點：控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)酵周期長，得到高的產量。缺點：菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌種退化，降低產量。長時間補料染菌機會大大增加。第五章發(fā)酵工藝的控制

發(fā)酵過程的分析是生產控制的眼睛，它顯示了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變化。微生物個體極微小，肉眼無法看見，要了解它的代謝狀況，只能從分析一些參數(shù)來判斷。二、發(fā)酵過程的代謝參數(shù)代謝參數(shù)按性質分可分三類：物理參數(shù)：溫度、轉速、壓力、空氣流量、粘度等化學參數(shù)：基質濃度（包括糖、氮、磷）、溶解氧、pH、產物濃度等生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌濃度、呼吸強度、關鍵酶活力等第五章發(fā)酵工藝的控制發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)1.物理參數(shù)（1）溫度（℃）直接影響發(fā)酵過程的酶反應速率，氧的溶解度和傳遞速率，菌體生長速率和合成速率。（2）壓力（Pa）影響發(fā)酵過程氧和CO2的溶解度，正壓防止外界雜菌污染。罐壓一般控制在0.2×105～0.5×105Pa。第五章發(fā)酵工藝的控制（3）攪拌速度（r/min）攪拌器在發(fā)酵過程中的轉動速度。其大小影響發(fā)酵過程氧的傳遞速率，還受發(fā)酵罐的容積限制（見下表）發(fā)酵罐容積(L)攪拌轉速范（r/min）備注3200~2000實驗室研究10150~1000實驗室，小試50100~800中試20050~400中試或生產1000025~200生產5000025~160生產第五章發(fā)酵工藝的控制（5）空氣流量（m3空氣/（m3發(fā)酵液·min））單位時間內單位體積發(fā)酵液里通入空氣的體積，一般控制在0.5～1.0（m3空氣/（m3發(fā)酵液·min））（6）粘度（Pa·s）細胞生長或細胞形態(tài)的一種標志，反映發(fā)酵罐中的菌絲分裂情況，表示菌體的濃度。第五章發(fā)酵工藝的控制2.化學參數(shù)（1）pH（酸堿度）發(fā)酵工藝重要的參數(shù)之一，與菌體生長和產物合成有密切關系。包括起始pH，發(fā)酵過程中的pH。（2）基質濃度（g/L）發(fā)酵液中糖、氮、磷等重要營養(yǎng)物質的濃度，對菌體的生長和代謝合成有重要影響，是產物代謝控制的重要手段。（3）溶解氧濃度（飽和度，％）溶解氧是好氧發(fā)酵的必備條件，通常用飽和百分度表示。第五章發(fā)酵工藝的控制（5）產物濃度（μg（u）/ml）檢驗發(fā)酵是否正常與否的重要參數(shù)，是決定發(fā)酵周期長短的根據(jù).第五章發(fā)酵工藝的控制3.生物參數(shù)（1）菌絲形態(tài)菌絲形態(tài)是衡量種子質量、區(qū)分發(fā)酵階段、控制發(fā)酵過程的代謝變化和決定發(fā)酵周期的依據(jù)之一。（2）菌體濃度菌體濃度是控制微生物發(fā)酵的重要參數(shù)之一。生產上，常常根據(jù)菌體濃度來決定補料量和供氧量，以保證生產達到預期水平。第五章發(fā)酵工藝的控制2.溫度的影響及其控制一、溫度對發(fā)酵的影響（1）影響微生物各種酶催化反應的速度微生物可生長的溫度范圍較廣，總體說在-10—95℃。在生物學范圍內溫度每升高10℃，生長速度通常就加快一倍；溫度每升高10℃酶反應速度增加2～3倍；菌體生長的酶反應和產物合成酶反應溫度往往是不同的，因而發(fā)酵過程的溫度直接影響產率；（2）影響產物合成的方向金霉素鏈霉菌四環(huán)素發(fā)酵時，30℃一下時金霉素增多，35℃時只生產四環(huán)素；（3）影響發(fā)酵液的物理性質第五章發(fā)酵工藝的控制二、影響發(fā)酵溫度的因素發(fā)酵液的溫度變化受生物熱、攪拌熱、蒸發(fā)熱、輻射熱和顯熱的影響，用公式表示為：Q發(fā)酵＝Q生物+Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射－Q顯第五章發(fā)酵工藝的控制（1）生物熱、攪拌熱

生物熱：是菌體在生長繁殖過程中產生的熱能，來自菌體的分解代謝，生物熱的大小和菌種、培養(yǎng)基成分和菌體的呼吸強度有關。培養(yǎng)基愈豐富，生物熱愈大；細胞數(shù)量愈多，生物熱愈大；呼吸強度愈高，生物熱愈大。攪拌熱：攪拌器轉動引起的液體之間和液體與設備之間的摩擦所產生的熱量，第五章發(fā)酵工藝的控制（2）蒸發(fā)熱、顯熱和輻射熱蒸發(fā)熱：空氣進入發(fā)酵罐，與醪液充分混合，引起水分蒸所需的熱能為顯熱：水分蒸發(fā)、進氣和廢氣排出因溫度差異所帶走的部分熱能為輻射熱：發(fā)酵罐外壁與大氣間的溫度差異使發(fā)酵罐中的部分熱能通過罐體向大氣輻射的熱能為第五章發(fā)酵工藝的控制三、溫度的控制（1）最適溫度的選擇最適發(fā)酵溫度使既適合菌體生長，又適合代謝產物合成的溫度。兩個溫度往往不一致。如：乳酸鏈霉菌發(fā)酵生產乳酸，最適菌體生長溫度為34℃，最適產物合成溫度為30℃；最適發(fā)酵溫度隨菌種、基質成分、培養(yǎng)條件和菌體生長階段而異；理論上講，發(fā)酵過程可以設置不同的發(fā)酵溫度時段，包括菌體生長發(fā)酵溫度和產物合成發(fā)酵溫度等。生產上，由于發(fā)酵液體積大，少則幾十立方米，多則上百上千立方米，升降溫度時間長，難度大，通常采用一個發(fā)酵溫度。第五章發(fā)酵工藝的控制（2）溫度的控制發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需加熱，選用微生物能承受稍高一些的溫度進行生長和繁殖，這對生產有很大的好處，即可減少污染雜菌的機會和夏季培養(yǎng)所需降溫的輔助設備，因此培養(yǎng)耐高溫的菌種有一定的現(xiàn)實意義。生產中，溫度的控制是采用冷卻水通入發(fā)酵罐的蛇管或夾套中，熱交換保持恒溫發(fā)酵的。第五章發(fā)酵工藝的控制3.pH的影響及控制（1）pH的影響培養(yǎng)基中的pH值與微生物生命活動有著密切關系，各種微生物有其可以生長的和最適生長和最適生產的pH范圍。一般微生物的最適生長pH范圍為：細菌：pH7.0~8.0、霉菌：pH4.0~5.8、酵母菌：pH3.8~6.0產物的合成也有最適pH，青霉素合成最適pH為6.5～6.8。發(fā)酵過程中，控制發(fā)酵液的pH值是控制生產的指標之一，pH值過高、過低都會影響微生物的生長繁殖以及代謝產物的積累?？刂苝H值不但可以保證微生物良好的生長，而且可以防止雜菌的污染。在發(fā)酵工業(yè)中，維持適宜的pH已成為生產成敗的關鍵因素之一。第五章發(fā)酵工藝的控制（2）pH的變化因素發(fā)酵過程中，pH的變化與菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件有關。微生物通過其活動也能改變環(huán)境的pH值，菌體本身具有調節(jié)周圍pH的能力。例：地中海諾卡氏發(fā)酵利福霉素SV時，起始pH為6.8及7.5時，最終pH均達7.5，產率正常；起始pH為6.0時，最終pH為4.5，產率減少；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(如醋酸根、磷酸根)被吸收或氮源被利用后產生NH3

，則pH上升；陽離子(如NH4、K+)被吸收或有機酸的積累，使pH下降。一般來說，高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性pH轉移，高氮源培養(yǎng)基傾向于向堿性pH轉移，這都跟碳氮比直接有關。第五章發(fā)酵工藝的控制

（3）發(fā)酵pH的確定和控制（1）根據(jù)實驗確定最佳發(fā)酵pH，正交試驗。（2）pH的控制考慮培養(yǎng)基成分的生理酸性鹽和生理堿性鹽的緩沖作用；生產中常用補加酸堿來控制，如氨水，尿素，硫酸銨等。第五章發(fā)酵工藝的控制4.溶氧的影響和控制

（1）溶氧對發(fā)酵的影響溶氧是需氧發(fā)酵控制的重要參數(shù)之一，氧的溶解度很小，氧的溶解度僅為6.4mg/L，溶氧大小對菌體生長和產物的性質和產量產生不同影響；例如，谷氨酸發(fā)酵時，通氣不足會積累大量乳酸和琥珀酸；不同微生物或同一微生物的不同生長階段對通風量的要求也不相同。例如，天氡酰胺酶發(fā)酵，前期為好氣培養(yǎng)，后期為厭氧培養(yǎng)，產酶能力會大大提高。第五章發(fā)酵工藝的控制（2）發(fā)酵過程的溶氧變化發(fā)酵前期，菌體繁殖迅速，菌體攝氧率增加，需氧量增加，溶氧下降。發(fā)酵中期，需氧量在有所減少，菌體和發(fā)酵液粘度均達到峰值；溶氧在較低水平維持一段時間后，開始上升；發(fā)酵后期，產物大量合成，呼吸強度比較穩(wěn)定，溶氧增加，發(fā)酵過程中有時會發(fā)生溶氧異常情況（異常下降或升高）異常下降原因可能有：污染好氧菌；或菌體向好氧代謝途徑遷移，或供氧設備發(fā)生故障等。異常上升原因可能有：污染噬菌體，菌體完全被裂解；或菌體向厭氧代謝途徑遷移第五章發(fā)酵工藝的控制（3）溶氧的控制溶氧濃度的控制可從供氧和需氧兩方面著手，其中供氧是主要的：需氧方面：需氧量與菌體濃度，基質濃度和種類，培養(yǎng)條件有關。供氧方面：生產中常采用加大通氣速率，或提高攪拌轉速，或適當增加罐壓；第五章發(fā)酵工藝的控制通氣可以供給大量的氧：通氣量與菌種、培養(yǎng)基性質、培養(yǎng)階段有關。攪拌則能使新鮮氧氣更好地與培養(yǎng)液混合，保證氧的最大限度溶解，罐壓方面，一般來說，若培養(yǎng)罐深，攪拌轉速大，通氣管開孔小或多，氣泡在培養(yǎng)液內停留時間就長，氧的溶解速度就大。攪拌可以提高通氣效果，但是過度地劇烈攪拌會導致培養(yǎng)液大量涌泡，容易增加雜菌污染的機會，微生物細胞也不宜劇烈攪拌第五章發(fā)酵工藝的控制5.補料的作用和控制1.分批補料培養(yǎng)（fed-batchculture）的優(yōu)點和應用分批補料培養(yǎng)是先投入一定量底物裝入罐內，到發(fā)酵過程的適當時期，開始連續(xù)補加碳-能源或氮源或其他基質，使發(fā)酵過程中，限制性底物濃度在罐內保持一定；發(fā)酵液體積達到最大工作體積時，終止發(fā)酵，醪液一次全部取出的發(fā)酵方法；介于分批發(fā)酵與相連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術，在發(fā)酵工業(yè)中普遍應用。第五章發(fā)酵工藝的控制分批補料發(fā)酵的優(yōu)點（1）可以解除底物抑制，產物反饋抑制，分解代謝產物抑制；（2）可避免菌體過量生長，能改善發(fā)酵液性質；（3）能有效控制菌濃度，菌體細胞的質量第五章發(fā)酵工藝的控制2.分批補料發(fā)酵的補料方式和控制補料方式有單組分補料（限制性因子）和多組分補料；反饋控制系統(tǒng)包括傳感器、控制器、驅動器三個單元組成；既可以直接控制限制性因子（碳源、氮源或碳氮比）的濃度，也可以間接控制溶氧、pH、呼吸強度、CO2濃度、產物濃度第五章發(fā)酵工藝的控制6.泡沫的影響和控制1.泡沫的影響泡沫是發(fā)酵醪液中具有表面活性蛋白類表面活性劑物質，在通氣條件下形成的。泡沫是一種膠體體系；面上泡沫，分布在醪液上面，氣液界面明顯，氣相比例大；面下泡沫，又稱流態(tài)泡沫，分布在醪液中，氣液界面不明顯，體系穩(wěn)定；泡沫的負面影響：減少發(fā)酵罐工作體積，引起醪液逃液；降低溶氧，減少氧傳遞系數(shù)；引起污染，嚴重時會導致倒罐；第五章發(fā)酵工藝的控制2.泡沫的控制（1）調整培養(yǎng)基成分避免或減少一起泡沫的培養(yǎng)基成分；改善發(fā)酵工藝，采用分批補料方法發(fā)酵；改變發(fā)酵的部分物理化學參數(shù)，如溫度，pH值，通氣和攪拌（2）機械消泡增加消泡裝置，內消法和外消法，（3）消沫劑消泡法消泡劑是抑制底表面張力的表面活性劑，天然油脂類：豆油，玉米油，棉籽油，菜子油，豬油等；聚醚類：GP型聚合物（氧化丙烯和甘油聚合物，）；GPE型聚合物（氧化丙烯、環(huán)氧乙烷和甘油聚合物，親水性，泡敵）；硅酮類：高碳醇、脂肪酸和酯類第五章發(fā)酵工藝的控制7.發(fā)酵終點的判斷1.發(fā)酵過程的優(yōu)化主要指標有：①產物得率最大（或產量最大），②經濟效益最大③成本最低④產品質量最好2.發(fā)酵終止時間的確定是以上指標的綜合考慮，生產力高、成本低、利潤大為準則確定放罐時間。3.特殊因素第五章發(fā)酵工藝的控制染菌的控制（1）染菌的原因設備、管道、閥門漏損、滅菌不徹底；空氣凈化不好；無菌操作不嚴或菌種不純等。（2）染菌的控制嚴格無菌操作技術前期污染，重新滅菌后期污染，即使停止第五章發(fā)酵工藝的控制習題：發(fā)酵的四種方式及特點微生物在密閉狀態(tài)的生長規(guī)律及其原理發(fā)酵過程的幾個重要參數(shù)及其控制第五章發(fā)酵工藝的控制（1）菌體生長階段（發(fā)酵前期或平衡期）碳源和氮源等進行分解代謝，基質不斷被消耗，菌體不斷繁殖，菌濃不斷增加；菌體攝氧率增加，溶解氧濃度下降，菌體達到臨界濃度時，氧濃度達最?。籶H發(fā)生一些變化，或先升后降，或先降后升；發(fā)酵體系出現(xiàn)某一限制因子，菌體生長速率下降，中間代謝產物大量積累；菌體生理發(fā)生變化，與次級代謝相關的酶被解除控制，菌體進入產物合成階段。第五章發(fā)酵工藝的控制（2）產物合成階段（分泌期或發(fā)酵中期）發(fā)酵過程中代謝變化如下：菌體達到臨界濃度，菌體基本不繁殖，但細胞內含物仍在增加，菌體干重增加；總DNA含量達定值；基質繼續(xù)被消耗，產物不斷被合成，代謝仍然包括基質的分解代謝和產物合成代謝；但菌體的呼吸強度不變；環(huán)境條件對產物合成很敏感，需嚴加控制溫度，pH/，基質濃度和溶解氧濃度；基質濃度不能過高或過低，過高則會引起菌體繁殖，過低會加速菌體老化；第五章發(fā)酵工藝的控制第五章發(fā)酵工藝的控制（3）菌體自溶階段（自溶期或發(fā)酵后期）發(fā)酵過程中代謝變化如下：菌體細胞衰老，細胞開始自溶；氨氮含量增加，pH上升；產物合成能力衰退，生產速率下降；發(fā)酵一旦進入自溶階段必須結束，否則產物會被破壞，還會給后續(xù)工藝帶來困難。第五章發(fā)酵工藝的控制第三節(jié)菌體濃度的影響及其控制菌體細胞濃度（cellconcentration）是指單位體積醪液中菌體的含量，反映菌體細胞的多少、菌體的分化階段，與菌體的生長速率有密切關系。1.影響菌濃的因素（1）微生物種類菌體的繁殖速率與微生物的自身遺傳特性有關，取決于細胞結構的復雜性和生長機制。典型的細菌、酵母、霉菌和原生動物的倍增時間為：細菌············45分鐘酵母············90分鐘霉菌············3小時原生動物·····6小時第五章發(fā)酵工藝的控制（2）基質濃度由Monod關系式得出，生長速率取決于基質濃度。當基質濃度S＞10Ks時，比生長速率就接近最大值。第五章發(fā)酵工藝的控制基質抑制效應：所有營養(yǎng)物質均存在一個上限濃度，在此限度內，菌體的比生長速率隨濃度增加而增加，但超過此濃度，濃度繼續(xù)增加會引起生長速率下降的現(xiàn)象（可能時基質濃度過高，形成高滲透壓，引起細胞脫水而抑制微生物生長）。一些營養(yǎng)物質的上限濃度為：NH4+·······5g/L，PO43-·······10g/L，葡萄糖·······100g/L第五章發(fā)酵工藝的控制（3）其他環(huán)境條件溫度pH值滲透壓水分活度第五章發(fā)酵工藝的控制2.菌濃對發(fā)酵的影響（1）對代謝產物得率的影響初級代謝發(fā)酵產物與菌濃成正比關系，Rp=Qpm·X，如氨基酸、維生素，菌濃越大，產率越高；（2）對溶解氧的影響菌濃越大，能提高攝氧率（OUR），使攝氧率按比例增加（OUR＝QO2·X），菌濃越大，表觀粘度增加，降低氧傳遞速率（OTR），使溶解氧減少。第五章發(fā)酵工藝的控制3.菌濃的控制控制基質濃度，調節(jié)基質組成；中間不料控制（補加磷酸鹽提高菌濃）。第五章發(fā)酵工藝的控制第四節(jié)基質的影響及其控制基質即培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物質，供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產物所需要的按一定比例配制的多種營養(yǎng)物質混合物。基質的種類和濃度與發(fā)酵代謝有著密切關系，控制基質的種類和濃度是提高代謝產物的重要方法。第五章發(fā)酵工藝的控制1.碳源的種類和濃度快速利用碳源能迅速參與代謝、菌體繁殖、產生能量，并產生分解代謝產物（如丙酮酸），有利于菌體生長。緩慢利用碳源多為聚合物，為菌體緩慢利用，有利于延長產物合成，特別有利于延長