《發(fā)酵工藝過程控制》ppt課件

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1、第七章發(fā)酵工藝過程控制微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平不僅取決于生產(chǎn)菌種本身的性能，而且要賦以合適的環(huán)境條件才能使它的生產(chǎn)能力充分表達出來；必須了解有關(guān)生產(chǎn)菌種對環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、pH、氧的需求等，并深入了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過程中的代謝調(diào)控機制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)；通過各種監(jiān)測手段如取樣測定隨時間變化的菌體濃度，糖、氮消耗及產(chǎn)物，以及采用傳感器測定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度、pH、溶解氧等參數(shù)情況，并予以有效地控制，使生產(chǎn)菌種處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境中。第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變化與控制參數(shù)一、發(fā)酵工藝過程控制的

2、重要性從產(chǎn)物形成來說，代謝變化就是反映發(fā)酵中的菌體生長、發(fā)酵參數(shù)的變化（培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件）和產(chǎn)物形成速率這三者之間的關(guān)系。二、發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律這里介紹分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵及連續(xù)發(fā)酵四種類型的操作方式下的代謝特征。1、分批發(fā)酵指在一個封閉的培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)含有初始限制量的基質(zhì)的發(fā)酵方式。即一次性投料，一次性收獲產(chǎn)品的發(fā)酵方式。延滯期指數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期時間（t）菌體濃度分批培養(yǎng)條件下的典型生長曲線在分批培養(yǎng)過程中根據(jù)產(chǎn)物生成是否與菌體生長同步的關(guān)系，將微生物產(chǎn)物形成動力學(xué)分為①生長關(guān)聯(lián)型和②非生長關(guān)聯(lián)型。A（葡萄糖異構(gòu)酶）B（菌

3、體濃度）B（菌體濃度）A（殺念珠菌素）生長關(guān)聯(lián)型非生長關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率成正比。這種產(chǎn)物通常是微生物分解基質(zhì)的直接產(chǎn)物，如酒精，但也有某些酶類，如脂肪酶和葡萄糖異構(gòu)酶產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率成無關(guān)，而與菌體量的多少有關(guān)。對于生長關(guān)聯(lián)型產(chǎn)品，可采用有利于細胞生長的培養(yǎng)條件，延長與產(chǎn)物合成有關(guān)的對數(shù)生長期。對于非生長關(guān)聯(lián)型產(chǎn)品，則宜縮短菌體的對數(shù)生長期，并迅速獲得足夠量的菌體細胞后，延長穩(wěn)定期，從而提高產(chǎn)量。2、補料－分批發(fā)酵是指分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，優(yōu)點在于使發(fā)酵系統(tǒng)

4、中維持很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點：①可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；②克服養(yǎng)分的不足，避免發(fā)酵過早結(jié)束。３、半連續(xù)發(fā)酵是指在補料－分批發(fā)酵的基礎(chǔ)上，間歇地放掉部分發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。優(yōu)點：①可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；②克服養(yǎng)分的不足，避免發(fā)酵過早結(jié)束；③緩解有害代謝產(chǎn)物的積累。４、連續(xù)發(fā)酵又稱連續(xù)流動培養(yǎng)或開放型培養(yǎng)，即培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時放出含有產(chǎn)品的發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。在這樣的環(huán)境中培養(yǎng)，所提供的基質(zhì)對菌的生長就受到限制，培

5、養(yǎng)液中的菌體濃度能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，連續(xù)培養(yǎng)有以下優(yōu)點：①維持低基質(zhì)濃度：可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；②避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物；③可以提高設(shè)備利用率和單位時間的產(chǎn)量，節(jié)省發(fā)酵罐的非生產(chǎn)時間；④便于自動控制。但連續(xù)培養(yǎng)也有缺點：長時間的連續(xù)培養(yǎng)難以保證純種培養(yǎng)，并且菌種發(fā)生變異的可能性較大，故在工業(yè)規(guī)模上很少采用。生產(chǎn)上只有丙酮丁醇厭氧發(fā)酵、紙漿液生產(chǎn)飼料酵母、以及活性污泥處理各種廢水等才使用連續(xù)培養(yǎng)工藝，此方法多數(shù)用于實驗室以研究微生物的生理特性。三、發(fā)酵過程的主

6、要控制參數(shù)pH值（酸堿度）溫度（℃）溶解氧濃度基質(zhì)含量空氣流量壓力攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率粘度濁度料液流量產(chǎn)物濃度氧化還原電位廢氣中的氧含量廢氣中的CO2含量菌絲形態(tài)菌體濃度第二節(jié)溫度對發(fā)酵的影響及其控制一、溫度對發(fā)酵的影響微生物發(fā)酵所用的菌體絕大多數(shù)是中溫菌，如霉菌、放線菌和一般細菌。它們的最適生長溫度一般在20～40℃。溫度會影響各種酶反應(yīng)的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機制。影響發(fā)酵液的理化性質(zhì)，進而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。在發(fā)酵過程中，需要維持適當(dāng)?shù)臏囟?，才能使菌體生長和代謝產(chǎn)物的合成順利進行。二、影

7、響發(fā)酵溫度變化的因素產(chǎn)熱因素：生物熱（Q生物）、攪拌熱（Q攪拌）散熱因素：蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）、輻射熱（Q輻射）、顯熱（Q顯）發(fā)酵熱（Q發(fā)酵）是發(fā)酵溫度變化的主要因素。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射－Q顯為了使發(fā)酵能在一定溫度下進行，要設(shè)法進行控制。由于Q生物、Q蒸發(fā)和Q顯，特別是Q生物在發(fā)酵過程中隨時間變化，因此發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中也隨時間變化，引起發(fā)酵溫度發(fā)生波動。三、溫度的控制最適溫度的選擇溫度的控制在生長階段，應(yīng)選擇最適生長溫度；在產(chǎn)物分泌階段，應(yīng)選擇最適生產(chǎn)溫度。發(fā)酵溫度可根據(jù)不同菌種、不同產(chǎn)品進行選擇。工業(yè)生產(chǎn)上，所用的

8、大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況較多。利用自動控制或手動調(diào)整的閥門，將冷卻水通入發(fā)酵罐的夾層或蛇行管中，通過熱交換來降溫，保持恒溫發(fā)酵。如果氣溫較