發(fā)酵工藝過程及其控制ppt課件.ppt

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1、第5章發(fā)酵工藝過程及其控制5.1概述1．發(fā)酵主要操作方式：根據(jù)發(fā)酵過程操作方式將工業(yè)發(fā)酵分為三種模式，即間歇發(fā)酵，連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵。（1）間歇發(fā)酵：是最常見的工業(yè)發(fā)酵方式，也稱分批發(fā)酵或批式發(fā)酵。將發(fā)酵罐和培養(yǎng)基滅菌后，向發(fā)酵罐中接入種子、開始發(fā)酵過程。操作簡單、不容易染菌、投資低；但生產(chǎn)能力低、勞動強度大產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。典型分批發(fā)酵工藝流程分批發(fā)酵中微生物細胞的生長曲線（2）連續(xù)發(fā)酵是指以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。可長期連續(xù)進行，生產(chǎn)能力高；但

2、操作控制要求高，投資高、雜菌污染、微生物菌種變異。主要用于實驗室進行發(fā)酵動力學(xué)研究，在工業(yè)發(fā)酵中應(yīng)用不多見，只應(yīng)用于菌種的遺傳性質(zhì)比較穩(wěn)定的發(fā)酵，如酒精發(fā)酵等。（3）流加發(fā)酵又稱補料分批發(fā)酵，是介于間歇發(fā)酵與連續(xù)發(fā)酵的一種操作方式。它同時具備兩者的部分優(yōu)點，是一種在工業(yè)上比較常用的操作方式。流加發(fā)酵的特點是在流加階段按一定的規(guī)律向發(fā)酵罐中連續(xù)地補加營養(yǎng)物或(和)前體，由于發(fā)酵罐不向外排放產(chǎn)物，罐中的發(fā)酵體積將不斷增加，直到規(guī)定體積后放罐。補料分批發(fā)酵可分為兩種類型：單一補料分批發(fā)酵和反復(fù)補料分批發(fā)酵。在開始時投入一定量的基礎(chǔ)培養(yǎng)基，到發(fā)酵

3、過程的適當時期，開始連續(xù)補加碳源或(和)氮源或(和)其他必須基質(zhì)，直到發(fā)酵液體積達到發(fā)酵罐最大操作容積后，停止補料，最后將發(fā)酵液一次全部放出，這種操作方式稱為單一補料分批發(fā)酵。反復(fù)補料分批發(fā)酵是在單一補料分批發(fā)酵的基礎(chǔ)上，每隔一定時間按一定比例放出一部分發(fā)酵液，使發(fā)酵液體積始終不超過發(fā)酵罐的最大操作容積，從而在理論上可以延長發(fā)酵周期，直至發(fā)酵產(chǎn)率明顯下降，才最終將發(fā)酵液全部放出。補料分批發(fā)酵作為分批發(fā)酵向連續(xù)發(fā)酵的過渡，兼有兩者優(yōu)點，且克服了兩者缺點：可解除營養(yǎng)物基質(zhì)的抑制、產(chǎn)物反饋抑制和葡萄糖分解阻遏效應(yīng)；可避免好氧發(fā)酵在分批發(fā)酵中因一

4、次性投入糖過多造成細胞大量生長，耗氧過多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況；可在某些情況下減少菌體生成量，提高有用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。補料分批發(fā)酵技術(shù)在生產(chǎn)和科研上被廣泛運用，包括單細胞蛋白、氨基酸、生長激素、抗生素、維生素、酶制劑、核苷酸、有機酸等幾乎整個發(fā)酵工業(yè)。2．發(fā)酵過程中的代謝變化參數(shù)發(fā)酵的各種工藝參數(shù)分為物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)和生物學(xué)參數(shù)。（1）物理參數(shù)：包括溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、補料和泡沫等，可直接在線測量和控制。發(fā)酵過程中的物理參數(shù)的測量方法和意義①溫度：是指發(fā)酵整個過程或不同階段中所維持的溫度。其高低與發(fā)酵中酶反應(yīng)速率、氧在培養(yǎng)液

5、中的溶解度和傳遞速率、菌體生長速率和產(chǎn)物合成速率等有密切關(guān)系。不同產(chǎn)品，發(fā)酵不同階段所維持的溫度亦不同。②壓力：是發(fā)酵過程中發(fā)酵罐維持的壓力。罐內(nèi)正壓可防止外界空氣中的雜菌侵入，同時與氧和二氧化碳在培養(yǎng)液中的溶解度有關(guān)。③攪拌轉(zhuǎn)速：與培養(yǎng)基中氧的傳遞、發(fā)酵液的均一性等有關(guān)。④攪拌功率：是指攪拌器攪拌時所消耗的功率，常指每立方米發(fā)酵液所消耗的功率(kW·m-3)。大小與氧容量傳遞系數(shù)KLa有關(guān)。⑤空氣流量：是指每分鐘內(nèi)每單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積，也叫通風(fēng)比。一般控制在0.5L·L-1·min-1~1.0L·L-1·min-1。⑥粘度：是

6、細胞生長及形態(tài)的一項指標，其大小可改變氧的傳遞阻力，也可表示菌體的相對濃度。（2）化學(xué)參數(shù)：包括pH、溶解氧、氧化還原電勢、二氧化碳溶解量、排氣組分〔二氧化碳、氧氣)和溶液成分(總糖、總氨、各種無機離子等)，有些可直接在線檢測，如pH、溶解氧和排氣組分，有些不能或難以在線撿測。發(fā)酵過程中的化學(xué)參數(shù)的測量方法和意義①基質(zhì)濃度：是發(fā)酵液中糖、氮、磷等重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。②pH：其高低與菌體的生長和產(chǎn)物合成有著重要的關(guān)系。③溶解氧:（3）生物參數(shù)發(fā)酵過程中的主要生物學(xué)參數(shù)包括生物量、細胞數(shù)、細胞形態(tài)和大小、生物素、酶活性、輔酶、ATP、ADP、

7、AMP、蛋白質(zhì)、核酸、細胞活力等，它們一般不能在線檢測。①菌絲形態(tài)：菌絲形態(tài)的改變是生化代謝變化的反映。一般都以菌絲形態(tài)作為衡量種子質(zhì)量、區(qū)分發(fā)酵階段、控制發(fā)酵過程代謝變化和決定發(fā)酵周期的依據(jù)之一。②菌體濃度：其大小和變化速度對菌體的生化反應(yīng)都有影響，與補料量、供氣量、培養(yǎng)液的表觀粘度和溶解氧濃度有關(guān)。③脫氧核糖核酸(DNA)：以DNA為參數(shù)可以區(qū)分發(fā)酵的各個階段。根據(jù)發(fā)酵液的菌體量和單位時間的菌體濃度、溶氧濃度、糖濃度、氮濃度和產(chǎn)物濃度等的變化值，即可分別算出菌體的比生長速率、氧化消耗速率、糖化消耗速率、氮化消耗速率的產(chǎn)物比生成速率。這

8、些參數(shù)也是控制生長菌的代謝，決定補料和供氧工藝條件的主要依據(jù)，多用于發(fā)酵動力學(xué)的研究中。5.2溫度對發(fā)酵的影響及其控制1．溫度對發(fā)酵的影響（1）溫度對微生物細胞生長的影響；（2）溫度對產(chǎn)物形成