现代工业发酵调控学课件储炬发酵过程优化5复习d.ppt

分批发酵的优缺点,对不同对象，掌握工艺的重点也不同 对产物为细胞本身，可采用能支持最高生长量的培养条件； 对产物为初级代谢物，可设法延长与产物关联的对数生长期； 对次级代谢物的生产，可缩短对数生长期，延长生产(静止)期，或降低对数期的生长速率，从而使次级代谢物更早形成分批发酵的优缺点,分批发酵在工业生产上仍有重要地位采用分批作业有技术和生物上的理由，即操作简单，周期短，染菌的机会减少和生产过程，产品质量易掌握 分批发酵不适用于测定其过程动力学，因使用复合培养基，不能简单地运用Monod方程来描述生长，存在基质抑制问题，出现二次生长(diauxic growth) 现象分批发酵的优缺点,如对基质浓度敏感的产物，或次级代谢物，抗生素，用分批发酵不合适，因其周期较短，一般在1－3天，产率较低 由于养分的耗竭，无法维持下去据此，发展了补料-分批发酵补料-分批发酵,补料(流加)-分批(fed-batch)发酵是在分批发酵过程中补入新鲜料液，以克服由于养分的不足，导致发酵过早结束 由于只有料液的输入，没有输出，因此，发酵液的体积在增加除取样外) 目前工厂最常用的操作模式 恒化器的稳态和补料-分批发酵的准稳态的主要区别在于恒化器的 是不变的，而补料-分批发酵的 是降低的。

补料-分批发酵,补料-分批发酵的优点在于它能在这样一种系统中维持很低的基质浓度，从而避免快速利用碳源的阻遏效应和能够按设备的通气能力去维持适当的发酵条件，并且能减缓代谢有害物的不利影响 减少初始配料体积，有利于消毒时液面控制半连续发酵的不足之处,1) 放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体； 2) 定期补充和带放使发酵液稀释，送去提炼的发酵液体积更大； 3)发酵液被稀释后可能产生更多的代谢有害物，最终限制发酵产物的合成；,半连续发酵的不足之处,4) 一些经代谢产生的前体可能丢失； 5) 有利于非产生菌突变株的生长据此，在采用此工艺时必需考虑上述的技术上限制，不同的品种应具体情况具体分析连续培养,连续培养是发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积 连续培养系统又称为恒化器(chemostat)，因培养物的生长速率受其周围化学环境，即受培养基的一种限制性组分控制连续培养中存在的问题,与分批发酵比较，连续发酵过程具有许多优点：在连续发酵达到稳态后，其非生产占用的时间要少许多，故其设备利用率高，操作简单，产品质量较稳定，对发酵设备以外的外围设备(如蒸汽锅炉，泵)的利用率高，可以及时排除在发酵过程中产生的对发酵过程有害的物质。

但连续发酵技术也存在一些问题，如杂菌的污染，菌种的稳定性问题连续培养中存在的问题,对基因工程重组菌而言，连续培养的周期还与质粒稳定性有关 在分批培养中任何能在培养液中生 长的杂菌将存活和增长但在连续培养中杂菌能否积累取决于它在培养系统中的竞争能力故用连续培养技术可选择性地富集一种能有效使用限制性养分的菌种生产菌种突变问题,微生物细胞的遗传物质DNA在复制过程中出现差错的频率为百万分之一尽管自然突变频率很低，一旦在连续培养系统中的生产菌中出现某一个细胞的突变，且突变的结果使这一细胞获得高速生长能力，但失去生产能力的话，它会象图5.30b中的杂菌Z那样，最终取代系统中原来的生产菌株，而使连续发酵过程失败达到细胞高密度的手段,可用于细胞高密度培养的生物反应器类型有常用的搅拌罐，和带有外置式或内置式细胞持留装置的反应器，如透析膜反应器、气升式反应器、气旋式反应器与振动陶瓷瓶等存在问题,高密度细胞培养的主要问题是： 在水溶液中的固体与气体物质的溶解度 基质对生长的限制或抑制作用 基质与产物的不稳定性和挥发性 产物或副产物的积累达到抑制生长的 水平 高的CO2与热的释放速率 高的氧需求 培养基的粘度不断增加,优化能量流的策略：,1)若干类型的生长环境，如钾的限制，导致这种不经济的能量流失。

2)有些微生物在分泌产物时会诱发能量溢出反应优化能量流的策略：,3)向生长培养基添加一些能促进能量浪费的化合物(条件是这类化合物不会干扰下游过程或对产品质量有不利的影响) 4)可用振荡的培养条件，即原则上添加能诱导能量溢出反应的一些化合物，如在碳限制条件下突然添加额外的碳源泡沫对发酵的影响及其控制,发酵过程中因通气搅拌与发酵产生的CO2以及发酵液中糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物质的存在，使发酵液含有一定数量的泡沫 这是正常的现象泡沫的存在可以增加气液接触表面，有利于氧的传递逃液”的副面影响,1)降低了发酵罐的装料系数 2)增加了菌群的非均一性，由于泡沫高低的变化和处在不同生长周期的微生物随泡沫漂浮，或粘附在罐壁上，使这部分菌有时在气相环境中生长，引起菌的分化，甚至自溶，从而影响了菌群的整体效果逃液”的副面影响,3)增加了污染杂菌的机会，发酵液溅到轴封处，容易染菌 4)大量起泡，控制不及时，会引起逃液，招致产物的流失 5)消泡剂的加入有时会影响发酵或给提炼工序惹来麻烦泡沫对发酵的影响及其控制,发酵液中的玉米浆、皂苷、糖蜜所含的蛋白质，和细胞本身具有稳定泡沫的作用多数起泡剂是表面活性物质。

它们具有一些亲水基团和疏水基团分子带极性的一端向着水溶液，非极性一端向着空气，并力图在表面作定向排列，增加了泡沫的机械强度发酵过程中泡沫的消长规律,发酵过程中泡沫的多寡与通气搅拌的剧烈程度和培养基的成分有关 玉米浆、蛋白胨花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉、糖蜜等是发泡的主要因素 其起泡能力随品种、产地、加工、贮藏条件而有所不同，还与配比有关发酵过程中泡沫的消长规律,如丰富培养基，特别是含花生饼粉或黄豆饼粉的培养基，粘度比较大， 产生的泡沫多又持久 糖类本身起泡能力较低，但在丰富培养基中高浓度的糖增加了发酵液的粘度，起稳定泡沫的作用泡沫对发酵的影响及其控制,培养基的灭菌方法、灭菌温度和时间也会改变培养基的性质，从而影响培养基的起泡能力 如糖蜜培养基的灭菌温度从110℃升高到130℃，灭菌时间为半个小时，发泡系数qm几乎增加一倍.,泡沫的控制,泡沫的控制方法可分为机械和消泡剂两大类 近年来也有从生产菌种本身的特性着手，预防泡沫的形成 筛选产泡水平低或不产泡的菌株 单细胞蛋白生产中筛选在生长期不易形成泡沫的突变株 也有用混合培养方法，如产碱菌、土壤杆菌同莫拉氏菌一起培养来控制泡沫的形成一株菌产生的泡沫形成物质被另一种协作菌同化。

消泡剂消沫,发酵工业常用的消泡剂分天然油脂类、聚醚类、高级醇类和硅树脂类常用的天然油脂有玉米油、豆油、米糠油、棉籽油、鱼油和猪油等，除作消泡剂外，还可作为碳源泡沫对发酵的影响及其控制,应用较多的是聚醚类为聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(俗称泡敌) 用量为0.03％左右，消沫能力比植物油大10倍以上泡敌的亲水性好，在发泡介质中易铺展，消沫能力强，但其溶解度也大，消沫活性维持时间较短在粘稠发酵液中使用效果比在稀薄发酵液中更好泡沫对发酵的影响及其控制,现有的实验数据还难以评定消沫剂对微生物的影响过量的消沫剂通常会影响菌的呼吸活性和物质(包括氧)透过细胞壁的运输由电子显微镜观察消沫剂对培养了24 h的短杆菌的生理影响时发现，其细胞形态特征，如膜的厚度、透明度和结构功能与氧受限制条件下的相似泡沫对发酵的影响及其控制,据此，应尽可能减少消沫剂的用量在应用消沫剂前需作比较性试验，找出一种对微生物生理、产物合成影响最小，消沫效果最好，且成本低的消泡剂 一般，消泡剂的加量不超过0.1%。