《發(fā)酵過程工藝》PPT課件

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1、第六章發(fā)酵工藝過程控制發(fā)酵，原本是指在厭氧條件下葡萄糖通過酵解途徑生成乳酸或乙醇等的分解代謝過程。在廣義的工藝上，則把發(fā)酵看做是微生物把一些原料養(yǎng)分在合適的條件下（通常是需氧）經(jīng)特定的代謝轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物的過程。發(fā)酵是一種很復雜的生化過程，發(fā)酵生產(chǎn)受許多因素的影響和工藝條件的制約。需要多年的經(jīng)驗才能掌握。生產(chǎn)菌種的代謝規(guī)律和發(fā)酵調(diào)控的基本知識對穩(wěn)定生產(chǎn)，提高產(chǎn)量意義重大。微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平不僅取決于生產(chǎn)菌種本身的性能，而且要賦以合適的環(huán)境條件才能使它的生產(chǎn)能力充分表達出來；必須了解有關(guān)生產(chǎn)菌種對環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、pH、氧的需求等，并深入了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過程中的代謝

2、調(diào)控機制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)；通過各種監(jiān)測手段如取樣測定隨時間變化的菌體濃度，糖、氮消耗及產(chǎn)物，以及采用傳感器測定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度、pH、溶解氧等參數(shù)情況，并予以有效地控制，使生產(chǎn)菌種處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境中。第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變化與控制參數(shù)一、發(fā)酵工藝過程控制的重要性從產(chǎn)物形成來說，代謝變化就是反映發(fā)酵中的菌體生長、發(fā)酵參數(shù)的變化（培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件）和產(chǎn)物形成速率這三者之間的關(guān)系。二、發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律一般來說，微生物的培養(yǎng)方式分為分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵及連續(xù)發(fā)酵四種類型的操作方式。1、分批發(fā)酵指在一個封閉的培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)投入有限

3、數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)（基質(zhì)）后接入種子進行培養(yǎng)的發(fā)酵方式。即一次性投料，一次性收獲產(chǎn)品的發(fā)酵方式。在該系統(tǒng)里種子接種到培養(yǎng)基后，除了氣體流通外，發(fā)酵液始終留在生物反應器內(nèi)。延滯期指數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期時間（t）菌體濃度分批培養(yǎng)條件下的典型生長曲線分批培養(yǎng)過程中隨著培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)不斷減少，微生物生長的環(huán)境條件也不斷變化，因此，微生物分批培養(yǎng)是一種非穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)方法。生長階段細胞特征停滯期為適應新環(huán)境的需要，細胞個體增大，合成新的酶及細胞物質(zhì)，細胞數(shù)量增加很少，微生物對不良環(huán)境的抵抗力下降。當接種的是老齡化的或饑餓的細胞時，停滯期將延長對數(shù)生長期細胞活力很強，生長速率達到最大值且保持穩(wěn)定、速率

4、大小取決于培養(yǎng)基的營養(yǎng)和環(huán)境穩(wěn)定期隨著營養(yǎng)物質(zhì)的消耗和產(chǎn)物的積累，微生物的生長速率下降等于死亡速率，系統(tǒng)中活微生物數(shù)保持穩(wěn)定衰亡期由于自溶酶的作用或有害物質(zhì)的積累，使細胞破裂死亡2、微生物分批培養(yǎng)生長速度的動力學方程1942年，Monod提出了在特定溫度、pH值、營養(yǎng)物類型、營養(yǎng)物濃度條件下，微生物細胞的比生長速率與限制性營養(yǎng)物濃度之間存在如下關(guān)系：μ=μmaxS/（Ka+S）μmax——微生物的最大比生長速率S——限制性營養(yǎng)基質(zhì)的濃度Ks——飽和常數(shù)Monod方程的幾點說明a：分批培養(yǎng)過程的經(jīng)驗方程，在純培養(yǎng)情況下，只有當微生物細胞生長受一種限制性營養(yǎng)物質(zhì)制約時，與實驗數(shù)據(jù)相一致

5、。b：Ks反映了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收的親和力的大小，數(shù)值越小，表明微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的親和力大。反之則親和力小。一般微生物的Ks值為0.1—120mg/L，是很小的。c：μmax隨微生物的種類和培養(yǎng)條件不同，一般來說細菌的μmax大于霉菌，就同種微生物來說，培養(yǎng)溫度升高，μmax增大。3、分批培養(yǎng)時微生物細胞的生長與產(chǎn)物形成的動力學在發(fā)酵過程中，常用得率系數(shù)來描述微生物生長過程的特征，即生成的細胞或產(chǎn)物與消耗的營養(yǎng)物質(zhì)之間的關(guān)系。在實際中，最常用的是細胞得率系數(shù)（Yx/s）和產(chǎn)物得率系數(shù)（Yp/s），分別定義為消耗1g營養(yǎng)物質(zhì)生成的細胞的克數(shù)和生成產(chǎn)物的克數(shù)。工業(yè)生產(chǎn)中可通過測定一

6、定時間內(nèi)細胞和產(chǎn)物的生成量及營養(yǎng)物質(zhì)的消耗量來進行計算。在分批培養(yǎng)過程中根據(jù)產(chǎn)物生成是否與菌體生長同步的關(guān)系，將微生物產(chǎn)物形成動力學分為①生長關(guān)聯(lián)型和②非生長關(guān)聯(lián)型。A（葡萄糖異構(gòu)酶）B（菌體濃度）B（菌體濃度）A（殺念珠菌素）生長關(guān)聯(lián)型非生長關(guān)聯(lián)型產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率成正比。這種產(chǎn)物通常是微生物分解基質(zhì)的直接產(chǎn)物，如酒精，但也有某些酶類，如脂肪酶和葡萄糖異構(gòu)酶產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率成無關(guān)，而與菌體量的多少有關(guān)。對于生長關(guān)聯(lián)型產(chǎn)品，可采用有利于細胞生長的培養(yǎng)條件，延長與產(chǎn)物合成有關(guān)的對數(shù)生長期。對于非生長關(guān)聯(lián)型產(chǎn)品，則宜縮短菌體的對數(shù)生長期，并迅速獲得足夠量的菌體細胞

7、后，延長穩(wěn)定期，從而提高產(chǎn)量。（1）有關(guān)分批發(fā)酵的幾點討論生產(chǎn)的對象不同，掌握工藝的重點不同產(chǎn)物為細胞本身——采用能支持最高生長量的培養(yǎng)條件產(chǎn)物為初級代謝物——延長對數(shù)生長期產(chǎn)物為次級代謝物——縮短對數(shù)生長期，延長穩(wěn)定期（2）分批發(fā)酵的優(yōu)缺點優(yōu)點：操作簡單，周期短，染菌的機會減少生產(chǎn)過程易于控制、產(chǎn)品質(zhì)量易掌握。x缺點：分批發(fā)酵不適于測定過程動力學，存在基質(zhì)的抑制問題，出現(xiàn)二次生長現(xiàn)象，對與一些對基質(zhì)敏感的產(chǎn)物，由于養(yǎng)分易耗盡，產(chǎn)率較低。2、補料－分批發(fā)酵（fed-b