發(fā)酵工藝過(guò)程控制ppt課件.ppt

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1、發(fā)酵工藝過(guò)程控制發(fā)酵過(guò)程控制是發(fā)酵的重要部分控制難點(diǎn)：過(guò)程的不確定性和參數(shù)的非線性。同樣的菌種，同樣的培養(yǎng)基在不同工廠，不同批次會(huì)得到不同的結(jié)果，可見發(fā)酵過(guò)程的影響因素是復(fù)雜的，比如設(shè)備的差別、水的差別、培養(yǎng)基滅菌的差別，菌種保藏時(shí)間的長(zhǎng)短，發(fā)酵過(guò)程的細(xì)微差別都會(huì)引起微生物代謝的不同。了解和掌握分析發(fā)酵過(guò)程的一般方法對(duì)于控制代謝是十分必要的第一節(jié)發(fā)酵的操作方式分批培養(yǎng)補(bǔ)料分批培養(yǎng)（半連續(xù)培養(yǎng)）連續(xù)培養(yǎng)一、分批培養(yǎng)（batchcultureorfermentation）1.概念：培養(yǎng)基中接入菌種以后，沒有物料的加入和取出，除了空氣的通入和排氣。整個(gè)過(guò)程中菌的濃

2、度、營(yíng)養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)都隨時(shí)間變化。在特定的條件下只完成一個(gè)生長(zhǎng)周期的微生物培養(yǎng)方法。分批培養(yǎng)中微生物的生長(zhǎng)遲滯期對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期穩(wěn)定期死亡期在遲滯期，菌體沒有分裂只有生長(zhǎng)，因?yàn)楫?dāng)菌種接種入一個(gè)新的環(huán)境，細(xì)胞內(nèi)的核酸、酶等稀釋，這時(shí)細(xì)胞不能分裂。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的與細(xì)胞分裂相關(guān)的物質(zhì)濃度達(dá)到一定程度，細(xì)胞開始分裂，這時(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)很快，比生長(zhǎng)速率幾近常數(shù)。這個(gè)時(shí)期稱為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。隨著細(xì)胞生長(zhǎng)，培養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)物減少，廢物積累，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)速率下降，進(jìn)入減速期和穩(wěn)定期。最后當(dāng)細(xì)胞死亡速率大于生成速率，進(jìn)入死亡期。對(duì)于初級(jí)代謝產(chǎn)物，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期初期就開始合成并積累，而次

3、級(jí)代謝產(chǎn)物則在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期后期和穩(wěn)定期大量合成。初級(jí)代謝與初級(jí)代謝產(chǎn)物？次級(jí)代謝與次級(jí)代謝產(chǎn)物？2.特點(diǎn)：(1)整個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)與外界沒有其它物質(zhì)交換（O2、CO2、消泡劑、酸堿除外）(2)整個(gè)過(guò)程中菌的濃度、營(yíng)養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度不斷變化，是一種非穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)方法。3.分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)單，周期短，染菌機(jī)會(huì)少，生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。缺點(diǎn):產(chǎn)率低。二、連續(xù)培養(yǎng)（continuousculture）1.概念：微生物培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，在發(fā)酵罐中不斷添加新鮮的培養(yǎng)基，同時(shí)不斷放出代謝物，使微生物細(xì)胞在近似恒定狀態(tài)下生長(zhǎng)的培養(yǎng)方式。2.特點(diǎn)：菌的濃度，產(chǎn)

4、物濃度，限制性基質(zhì)濃度均處于恒定狀態(tài)。3.連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):控制稀釋速率可以使發(fā)酵過(guò)程最優(yōu)化。發(fā)酵周期長(zhǎng)，產(chǎn)量高。缺點(diǎn):長(zhǎng)期連續(xù)培養(yǎng)會(huì)引起菌種退化，降低產(chǎn)量。染菌機(jī)會(huì)增加。應(yīng)用：廢水處理、葡萄糖酸發(fā)酵、酒精發(fā)酵等工業(yè)中。三、補(bǔ)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(zhǎng)和初始培養(yǎng)基的特點(diǎn)，在分批培養(yǎng)的某些階段適當(dāng)補(bǔ)加培養(yǎng)基，使菌體或其代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)。2.補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：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(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時(shí)間。與連續(xù)培養(yǎng)相比(1

5、)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。缺點(diǎn)：(1)由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比生產(chǎn)速率的下降。(2)由于物料的加入增加了染菌機(jī)會(huì)。應(yīng)用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工業(yè)。3.幾個(gè)實(shí)例：產(chǎn)物補(bǔ)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淀粉青霉素葡萄糖、氨水、苯乙酸第二節(jié)溫度變化及其控制一、溫度對(duì)生長(zhǎng)的影響根據(jù)微生物對(duì)溫度的要求大致可分為四類：嗜冷菌適應(yīng)于0～26℃生長(zhǎng)，嗜溫菌適應(yīng)于15～43℃生長(zhǎng)，嗜熱菌適應(yīng)于37～65℃生長(zhǎng)，嗜高溫菌適應(yīng)于65℃以上生長(zhǎng)。溫度對(duì)

6、發(fā)酵的影響主要表現(xiàn)：1.影響反應(yīng)速率（菌體生長(zhǎng)）2.影響發(fā)酵方向（產(chǎn)物合成）3.對(duì)發(fā)酵液理化性質(zhì)的影響另外，還影響發(fā)酵液的粘度、溶氧和傳遞速率。溫度對(duì)產(chǎn)物合成的影響主要表現(xiàn)在以下方面：各種微生物的合成有一定的最適溫度，在最適溫度范圍內(nèi)，溫度升高，產(chǎn)物合成速度增加。溫度能改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向。如，谷氨酸發(fā)酵中，擴(kuò)展短桿菌在30℃培養(yǎng)后，在37℃發(fā)酵，如果其他條件不予改變，就積累過(guò)量的乳酸，這是由于溫度提高，糖的酵解速度加快，而引起乳酸的積累。二、微生物與溫度相關(guān)性的原理1、微生物對(duì)溫度的要求不同，與它們的膜結(jié)構(gòu)物理化學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系根據(jù)細(xì)胞膜的液體鑲嵌模

7、型，細(xì)胞在正常生理?xiàng)l件下，膜中的脂質(zhì)成分應(yīng)保持液晶狀態(tài)，只有當(dāng)細(xì)胞膜處于液晶狀態(tài)，才能維持細(xì)胞的正常生理功能，使細(xì)胞處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。微生物的生長(zhǎng)溫度與細(xì)胞膜的液晶溫度范圍相一致。什么是液晶狀態(tài)？液晶狀態(tài)是指某些有機(jī)物在發(fā)生固相到液相轉(zhuǎn)變時(shí)的過(guò)渡狀態(tài)稱為液晶態(tài)。由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕B(tài)的溫度稱為熔點(diǎn)，以T1表示；由液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度稱為清亮點(diǎn)，以T2表示。T1與T2之間的溫度稱為液晶溫度范圍。那么為什么不同微生物對(duì)溫度的要求不同呢？根據(jù)細(xì)胞膜脂質(zhì)成分分析表明，不同最適溫度生長(zhǎng)的微生物，其膜內(nèi)磷脂組成有很大區(qū)別。嗜熱菌只含飽和脂肪酸，而嗜冷菌含有較高的不飽和脂肪

8、酸。2、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)嗜冷酶的蛋白質(zhì)模型和x一射線