《發(fā)酵工藝過程控制》ppt課件

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1、第七章發(fā)酵工藝過程控制微生物發(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)物過程中的代謝調控機制以及可能的代謝途徑，為設計合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎；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

2、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系。二、發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律這里介紹分批發(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下的代謝特征。1、分批發(fā)酵指在一個封閉的培養(yǎng)系統(tǒng)內含有初始限制量的基質的發(fā)酵方式。即一次性投料，一次性收獲產(chǎn)品的發(fā)酵方式。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系，將微生物產(chǎn)物形成動力學分為①生長關聯(lián)型和②非生長關聯(lián)型。A（葡萄糖異構酶）B（菌

3、體濃度）B（菌體濃度）A（殺念珠菌素）生長關聯(lián)型非生長關聯(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酶產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率成無關，而與菌體量的多少有關。對于生長關聯(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)物合成有關的對數(shù)生長期。對于非生長關聯(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后，延長穩(wěn)定期，從而提高產(chǎn)量。2、補料－分批發(fā)酵是指分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，優(yōu)點在于使發(fā)酵系統(tǒng)

4、中維持很低的基質濃度。低基質濃度的優(yōu)點：①可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；②克服養(yǎng)分的不足，避免發(fā)酵過早結束。３、半連續(xù)發(fā)酵是指在補料－分批發(fā)酵的基礎上，間歇地放掉部分發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。優(yōu)點：①可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；②克服養(yǎng)分的不足，避免發(fā)酵過早結束；③緩解有害代謝產(chǎn)物的積累。４、連續(xù)發(fā)酵又稱連續(xù)流動培養(yǎng)或開放型培養(yǎng)，即培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時放出含有產(chǎn)品的發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。在這樣的環(huán)境中培養(yǎng)，所提供的基質對菌的生長就受到限制，培

5、養(yǎng)液中的菌體濃度能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，連續(xù)培養(yǎng)有以下優(yōu)點：①維持低基質濃度：可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；②避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物；③可以提高設備利用率和單位時間的產(chǎn)量，節(jié)省發(fā)酵罐的非生產(chǎn)時間；④便于自動控制。但連續(xù)培養(yǎng)也有缺點：長時間的連續(xù)培養(yǎng)難以保證純種培養(yǎng)，并且菌種發(fā)生變異的可能性較大，故在工業(yè)規(guī)模上很少采用。生產(chǎn)上只有丙酮丁醇厭氧發(fā)酵、紙漿液生產(chǎn)飼料酵母、以及活性污泥處理各種廢水等才使用連續(xù)培養(yǎng)工藝，此方法多數(shù)用于實驗室以研究微生物的生理特性。三、發(fā)酵過程的主

6、要控制參數(shù)pH值（酸堿度）溫度（℃）溶解氧濃度基質含量空氣流量壓力攪拌轉速攪拌功率粘度濁度料液流量產(chǎn)物濃度氧化還原電位廢氣中的氧含量廢氣中的CO2含量菌絲形態(tài)菌體濃度第二節(jié)溫度對發(fā)酵的影響及其控制一、溫度對發(fā)酵的影響微生物發(fā)酵所用的菌體絕大多數(shù)是中溫菌，如霉菌、放線菌和一般細菌。它們的最適生長溫度一般在20～40℃。溫度會影響各種酶反應的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調控機制。影響發(fā)酵液的理化性質，進而影響發(fā)酵的動力學特性和產(chǎn)物的生物合成。在發(fā)酵過程中，需要維持適當?shù)臏囟?，才能使菌體生長和代謝產(chǎn)物的合成順利進行。二、影

7、響發(fā)酵溫度變化的因素產(chǎn)熱因素：生物熱（Q生物）、攪拌熱（Q攪拌）散熱因素：蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）、輻射熱（Q輻射）、顯熱（Q顯）發(fā)酵熱（Q發(fā)酵）是發(fā)酵溫度變化的主要因素。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射－Q顯為了使發(fā)酵能在一定溫度下進行，要設法進行控制。由于Q生物、Q蒸發(fā)和Q顯，特別是Q生物在發(fā)酵過程中隨時間變化，因此發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中也隨時間變化，引起發(fā)酵溫度發(fā)生波動。三、溫度的控制最適溫度的選擇溫度的控制在生長階段，應選擇最適生長溫度；在產(chǎn)物分泌階段，應選擇最適生產(chǎn)溫度。發(fā)酵溫度可根據(jù)不同菌種、不同產(chǎn)品進行選擇。工業(yè)生產(chǎn)上，所用的

8、大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況較多。利用自動控制或手動調整的閥門，將冷卻水通入發(fā)酵罐的夾層或蛇行管中，通過熱交換來降溫，保持恒溫發(fā)酵。如果氣溫較