《發(fā)酵工藝控制》PPT課件(I)

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1、第七章發(fā)酵工藝控制發(fā)酵工藝控制的基礎(chǔ)：了解產(chǎn)生菌生長(zhǎng)、發(fā)育及代謝情況及動(dòng)力學(xué)模擬了解生物、物理、化學(xué)和工程的環(huán)境條件對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響如何進(jìn)行控制？測(cè)定各種參數(shù)依據(jù)參數(shù)變化，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)關(guān)系獲得發(fā)酵過(guò)程的各項(xiàng)最佳參數(shù)一、發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)1、物理參數(shù)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法單位影響溫度鉑電阻熱敏電阻℃μqPc*罐壓(0.20.5×105Pa)隔膜傳感器壓敏電阻Pa保持正壓，防止染菌O2及CO2的溶解度攪拌轉(zhuǎn)數(shù)頻率計(jì)數(shù)器r/minKla發(fā)酵液的均勻性攪拌功率(2-4KW/m3)功率計(jì)KwKla空氣流量浮子流量計(jì)孔板差壓計(jì)m3?h-1vvmKla粘度旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)Pa?sKla濁度濁度計(jì)

2、%反映單細(xì)胞的生長(zhǎng)料液的流量蠕動(dòng)泵荷重傳感器量筒L?h-1S發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)2、化學(xué)參數(shù)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法單位影響及作用PH復(fù)合玻璃電極菌體和產(chǎn)物合成速度酶促反應(yīng)的方向基質(zhì)濃度產(chǎn)物濃度HPLC離子選擇電極生物傳感器取樣g?L-1μqP發(fā)酵周期的長(zhǎng)短氧化還原電位氧化還原電位電極mV生長(zhǎng)和生化活性溶氧濃度覆膜氧電極%qo2氣相O2含量順磁氧分析儀Pa反映OUR和Kla氣相CO2含量紅外氣體分析儀%反映OUR和Kla發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)3、生物參數(shù)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法單位影響菌絲形態(tài)攝像顯微鏡取樣鏡檢反映菌體發(fā)育階段和正常與否菌體濃度取樣：干重、濁度、活菌計(jì)數(shù)、離心沉降g

3、?L-1影響菌體的生化反應(yīng)Kla二、控制方式一般檢控系統(tǒng)包括3個(gè)部分。1．測(cè)定元件：如溫度計(jì)、壓力表、電流計(jì)、pH計(jì)直接測(cè)定發(fā)酵過(guò)程的各種參數(shù)，并輸出相應(yīng)信號(hào)。2．控制部分：其功能主要是將測(cè)定元件測(cè)出的各種參數(shù)信號(hào)與預(yù)先確定值進(jìn)行比較，并且輸出信號(hào)指令執(zhí)行元件進(jìn)行調(diào)整控制。3．執(zhí)行元件：它接受控制部分的指令開(kāi)啟、或關(guān)閉有關(guān)閥門(mén)、泵、開(kāi)關(guān)等調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)，使有關(guān)參數(shù)達(dá)到預(yù)定位置。手動(dòng)控制和自動(dòng)控制第一節(jié)溫度的影響及控制一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響：影響各種酶促反應(yīng)的速度酶活溫度發(fā)酵溫度升高，生長(zhǎng)代謝加快，生產(chǎn)期提前。發(fā)酵溫度太高，菌體容易衰老，發(fā)酵周期縮短。改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)：溫度影響基質(zhì)

4、和氧的吸收速度影響飽和溶氧濃度改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向例：溫度小于30℃，合成金霉素的能力強(qiáng)溫度等于35℃，只合成四環(huán)素二、影響發(fā)酵溫度變化的因素：發(fā)酵熱（KJ/m3h）發(fā)酵熱=生物熱+攪拌熱-蒸發(fā)熱-顯熱-輻射熱生物熱：產(chǎn)生菌在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中，釋放的大量熱量。影響生物熱的因素：與菌種遺傳特性有關(guān)與菌齡有關(guān)：對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期生物熱最大。與營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)有關(guān)與產(chǎn)量有關(guān)攪拌熱：由于攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)引起液體的摩擦產(chǎn)生的熱量。蒸發(fā)熱：發(fā)酵液蒸發(fā)水分帶走的熱量。攪拌熱=P3600/V顯熱：發(fā)酵排氣散發(fā)帶走的熱量。輻射熱：由于罐內(nèi)外的溫差，輻射帶走的熱量。三、最適發(fā)酵溫度的選擇選擇既適合菌體生長(zhǎng)又適合代

5、謝產(chǎn)物合成的溫度可實(shí)行變溫控制：在生長(zhǎng)階段選擇適合菌體生長(zhǎng)的溫度，在產(chǎn)物合成階段，選擇適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。確定最適發(fā)酵溫度還應(yīng)參考其它發(fā)酵條件：在較差通氣條件下，降低發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵有利培養(yǎng)基成分較易被利用或較稀薄時(shí)，降低發(fā)酵溫度有利四、發(fā)酵溫度的控制在發(fā)酵罐上安裝夾套和蛇罐，通過(guò)循環(huán)冷卻水控制。冷卻介質(zhì)：深井水或冷凍水控制方式：手動(dòng)控制或自動(dòng)控制溫度計(jì)溫度控制器調(diào)節(jié)閥第二節(jié)pH的影響及控制一、pH對(duì)發(fā)酵的影響：影響菌體生長(zhǎng)代謝的酶活性影響代謝產(chǎn)物的合成方向影響菌體原生質(zhì)膜電荷的改變，引起膜對(duì)離子的滲透作用，影響了營(yíng)養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌。pHGrowth2-3pHunit

6、spH的變化決定于所用的生產(chǎn)菌：培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝引起pH的變化：培養(yǎng)基pH在發(fā)酵過(guò)程中能被菌體代謝所改變。若陰離子氮源被利用后產(chǎn)生NH3，則pH上升；有機(jī)酸的積累，使pH下降。一般來(lái)說(shuō)，高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性pH轉(zhuǎn)移，高氮源培養(yǎng)基傾向于向堿性pH轉(zhuǎn)移，這都跟碳氮比直接有關(guān)。生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)的消耗二、影響發(fā)酵pH變化的因素：根據(jù)不同菌種的生理特性，確定不同的最適pH同一菌種根據(jù)不同階段，生長(zhǎng)期采用最適生長(zhǎng)的pH，在產(chǎn)物采用最適產(chǎn)物合成的pH。三、最適pH的選擇幾種具體情況的調(diào)節(jié)方法當(dāng)pH低，氨基氮含量低時(shí)當(dāng)pH高，氨基氮含量低時(shí)當(dāng)pH高，氨基氮含量高時(shí)當(dāng)pH由于多

7、加了削沫劑而下降時(shí)pH的控制系統(tǒng)pH電極設(shè)定控制器調(diào)節(jié)閥6.5pHUncontrolledControlled經(jīng)消毒的pH電極裝入發(fā)酵罐內(nèi)定時(shí)直接測(cè)定培養(yǎng)基的pH，同時(shí)還可以與控制儀表連結(jié)，通過(guò)回路系統(tǒng)控制閥門(mén)或泵進(jìn)行pH調(diào)節(jié)。菌體濃度的增加速度（生長(zhǎng)速度）與微生物的種類(lèi)和自身的遺傳特性有關(guān)第三節(jié)菌體生長(zhǎng)速度和菌體濃度的影響及控制影響菌體濃度的因素菌體濃度的增加速度（生長(zhǎng)速度）與營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的種類(lèi)和濃度有關(guān)（μ正比于S）當(dāng)存在基質(zhì)抑制作用時(shí)或造成高滲透壓時(shí)，高濃度營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)引起生長(zhǎng)速率