发酵工程第6章.ppt

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1第六章发酵条件及过程控制第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制第二节 温度的影响及其控制第三节 pH的影响和控制第四节 通气和搅拌第五节 泡沫的影响和控制第六节 二氧化碳和呼吸商第七节 发酵终点的判断第八节 发酵的优化控制第九节 发酵过程的计算机控制第十节 发酵过程的精确检测2第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制一、碳源的种类和浓度对发酵过程的影响及控制（一）碳源的种类对发酵的影响及控制（二）碳源的浓度对发酵的影响及控制二、氮源的种类及浓度的影响及控制（一）氮源的种类对发酵的影响及控制（二）氮源的浓度对发酵的影响及控制三、磷酸盐浓度的影响及控制生长亚适量四、菌体浓度的影响及控制3第一节 营养基质和菌体浓度的影响及控制 种类：葡萄糖 优点： 吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量 缺点： 有些品种产生分解产物 阻遏效应一）碳源种类的影响及控制迅速利用的碳源缓慢利用的碳源n种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油n优点： 不易产生分解产物阻遏效 应有利于延长次级代谢 产物的分泌期n缺点： 溶解度低，发酵液粘度大 一、碳源4发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源的混合碳源。

迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可解除葡萄糖效应碳源种类的控制5（二）碳源浓度的影响S过小 CqP随减小而减小S过大 CX X COUR增大CL CL CqP减小粘度增大Kla减小产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成 6（三）碳源浓度的控制在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度补料的类型：1、流加2、少量多次的加入3、多量少次的加入7 残糖量 pH值 菌体浓度 （ X ） 粘度 溶氧 尾气中O2和CO2的含量 发酵液的总体积补糖的依据：8 根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正例：青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%, pH开始回升时补糖补糖量以最高罐批经验量为参考每小时 前期040h 中期4090h 后期90h以后 加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18% 补糖量的控制 经验法 9补糖量的控制-动力学方法依据、 qP 、 qC等动力学参数 之间的关系，计算加糖量以次级代谢产物为例：、 qP 、 qC之间的关系： X qp qCS控制原则：以维持临界生长限制基质浓度、临界菌体浓度和临界比生长速率为指标的基质流加速率与消耗速率的平衡。

10补糖的控制把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加料装置精确控制加入的糖量11二、氮源的影响和控制 种类：氨水、铵盐和玉米浆 优点： 易被菌体利用，明显促进菌体生长 缺点： 对于有些品种高浓度的铵离子抑制产物合成迅速利用的氮源缓慢利用的氮源n种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和棉子饼粉n优点： 利用缓慢，有利于延长次 级代谢产物的分泌期 防止早衰n缺点： 溶解度低，发酵液粘度大 （一）氮源的种类影响12发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源的混合氮源迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的氮源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期二）氮源种类的控制13（三）氮源浓度的影响控制补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响氮源浓度的控制：控制基础培养基中的配比通过补加氮源14补氮量的控制 经验法：依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算依据残氮量和工艺控制残氮量来计算 动力学方法；通过qN、 qP ，计算每小时的补氮量15 磷酸盐能明显促进产生菌的生长0.32-300mM） 对于次级代谢产物，高浓度的磷酸盐能抑制产物合成 （10mM以下） 一般在基础培养基中采用适宜浓度。

对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量 一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷量达不到最适量 要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量 当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌体生长三、磷酸盐的影响和控制16 菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种类和自身的遗传特性有关四、 菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制影响菌体浓度的因素n菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的种类和浓度有关 （ 正比于S ）n当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓度营养基质引起生长速率下降n菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的影响17最适菌体浓度的确定 优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的产物dP/dtMAX)ndP/dt =qP XnqP=f X， ， qO 2 qS CL18以青霉素发酵为例qP / qPm / m1.0-1.0青霉素发酵的qP与的关系C C qP可维持在qPmax C qP随减小而减小要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的比生长速率但是，过高的比生长速率造成过高的菌体浓度，造成不利影响：19过高的比生长速率和过高的菌体浓度造成的不利影响：1、 过高，S消耗过快，有限的营养基质只能用于生长，而不足于产物合成。

2、有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢途径，抑制产物合成3、 X过高，增加OUR，且发酵液粘度增大，减小OTRCL减小，抑制菌体生长和产物合成最适X？最适为等于或稍大于C20青霉素发酵的qP、OUR、OTR与X的关系1.0-X / Xm1.0OURqP / qPmOTRdp/dtXCOUR=OTR时的菌体浓度为最适菌体浓度，在发酵过程中，控制目标为保持稳定的临界菌体浓度和临界比生长速率，以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧速率与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率和比速率达到最大值 21生长速度和菌体浓度的控制方法 确定基础培养基的适当配比，防止培养基过于丰富或过于稀薄 通过调节中间补料的速度和量来控制22第二节 温度的影响及控制一、温度对发酵的影响：影响各种酶促反应的速度酶活温度发酵温度升高，生长代谢加快，生产期提前发酵温度太高，菌体容易衰老，发酵周期缩短改变发酵液的物理性质：温度影响基质和氧的吸收速度影响饱和溶氧浓度改变菌体代谢产物的合成方向例：温度小于30，合成金霉素的能力强温度等于35，只合成四环素多组分次级代谢产物的组分比例黄曲霉毒素，在20、25和30发酵所产生的黄曲霉毒素G1和B1比例分别为3:1、1:2、1:1。

同一微生物的生长和代谢产物积累的最适温度不同如：青霉素最适生长温度30，产生青霉素的最适温度为25影响微生物的代谢机制23二、影响发酵温度变化的因素发酵热 =生物热 + 搅拌热 -蒸发热 -显热 -辐射热生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量影响生物热的因素：与菌种遗传特性有关与菌龄有关：对数生长期生物热最大与营养基质有关与产量有关搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量搅拌热=P /V3601（kJ/h）P/V-通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率，kw/m33601-机械能转变为热能的热功当量，Kj/（kwh）显热：发酵排气散发带走的热量辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量 Q蒸发=G(I出-I进)G-空气重量流量，kg干空气/h；I进、I出-发酵罐进气、排气的热焓，KJ/Kg干空气24三、最适发酵温度的选择选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件：在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利25四、发酵温度的控制在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。

冷却介质：深井水或冷冻水控制方式：手动控制或自动控制温度计温度控制器调节阀26第三节 pH对发酵的影响及其控制1.发酵对pH的影响2. pH值对发酵过程的影响3. 最适pH的选择 4. 发酵过程中pH的调节与控制271）发酵液中pH变化的基本原理 微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生：酸性或碱性代谢产物的生成或释放；菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用 引起发酵液中pH下降的因素 （1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机酸积累，pH下降； （2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加； （3）生理酸性盐的利用； （4）酸性产物形成：如有机酸发酵 281）发酵液中pH变化的基本原理（续） 引起发酵液中pH上升的因素 （1）C/N过低（N源过多），氨基氮（NH4）释放； （2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多； （3）生理碱性盐的利用； （4）碱性产物形成 29 2）发酵过程中pH的变化规律 生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的趋势 生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合成的范围 自溶阶段：pH又上升 30（1）pH对微生物生长的影响 每一类菌都有其最适pH和能耐受的pH范围 细菌:pH6.37.5；霉菌和酵母菌：pH36；放线菌：pH78 控制一定的pH值，不仅保证微生物生长，而且防止 杂菌感染 e.g.石油代腊酵母：pH3.55.0：生长良好且不易染菌pH5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌pH0.5%低pH6.8控制加糖7%0.2%最高速率恒定(0.055%/h)*采用pH控制补糖速率的意义353.最适pH的选择 选择pH准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量。

pH对产海藻酸裂解酶的影响配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况36（1）pH调节方法 配制合适的培养基，有很好的缓冲能力； 发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂(NaOH、HCl、CaCO3)； 发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH；酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4) 碱性基质：NO3盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素 原则:残糖高时，不用糖调pH 残N高时，不用生理盐调pH pH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH37（2）pH控制方法比较 以青霉素发酵为例，最适pH为6.66.9控制方案：方案一：培养基中供应充足的糖，并配用pH缓冲剂方案二：培养基中供应充足的糖，以非基质NaOH调节pH方案三：在发酵过程中恒速补糖，以NaOH、H2SO4调节pH方案四：改变补糖速率来控制pH为6.66.938 （3）pH控制系统 执行单元调节器pH变选器给定值补料pH电极mA420mA39第四节 通气和搅拌大多数工业发酵属于好氧发酵提供氧的方法：实验室阶段摇床的转动中试及生产规模通入无菌空气搅拌好氧微生物缺氧不行兼性厌氧微生物有氧无氧均可生长厌氧微生物氧有害40一、微生物对氧的需求溶氧(DO，dissolvedoxyen)是需氧微生物生长所必需。

在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素在28氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有7mg.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍在对数生即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素第四节 通气和搅拌41在培养液中氧的溶解度比水中还小.因为氧的溶解度随着温度的升高和培养液固形物的增多或粘度的增大而下降氧在水中的溶解度因此，必须向发酵液中补充足够的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵液中的溶解度42（一）微生物的临界氧浓度CC:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度对产物而言，是不影响产物合成所允许的最低浓度.第四节 通气和搅拌43（一）微生物的临界氧浓度 呼吸临界溶氧浓度测法：将供氧充分的微生物培养体系停止通风，检测培养系统的溶氧浓度变化情况 首先是加强搅拌，使溶氧上升到最高值，然后中止通气，继续搅拌，在罐顶空间充氮溶氧浓度这时呈直线下降趋势，下降到一定程度后，开始呈缓慢下降趋势，溶氧。