05 第四章 发酵工艺过程控制.ppt

第1页：发酵的操作方式

第四章 发酵工艺过程控制　第一节 发酵的操作方式

• 分批培养
• 补料分批培养（半连续培养）
• 连续培养

第2页：分批培养的概念

一、分批培养（batch culture or fermentation）

1. 概念

在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。

第3页：分批培养中的生长阶段

分批培养中微生物的生长阶段：

1. 迟滞期
2. 对数生长期
3. 稳定期
4. 死亡期

第4页：分批培养的特点

2. 特点

1. 整个培养系统与外界没有其它物质交换（O₂、CO₂、消泡剂、酸碱除外）。
2. 整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法。

第5页：分批培养的优缺点

3. 分批培养的优缺点

优点

操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握。

缺点

产率低。

第6页：连续培养的概念

二、连续培养（continuous culture）

1. 概念

微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物，使微生物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式。

第7页：连续培养的特点

2. 特点：菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒定状态。

第8页：连续培养的优缺点与应用

3. 连续培养的优缺点

优点

控制稀释速率可以使发酵过程最优化；发酵周期长，产量高。

缺点

长期连续培养会引起菌种退化，降低产量；染菌机会增加。

应用

废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工业中。

第9页：补料分批培养的概念

三、补料分批培养（fed-batch culture）

介于分批培养和连续培养之间的操作方法。

1. 概念

根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其代谢产物的生产时间延长。

第10页：与分批培养相比的优点

2. 补料分批培养的优缺点——优点：与分批培养相比

1. 解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。
2. 延长次级代谢产物的生产时间。

第11页：与连续培养相比的优点

与连续培养相比：

1. 降低了染菌，避免了遗传不稳定性。
2. 最终产物浓度较高，有利于产物的分离。
3. 使用范围广。

第12页：补料分批培养的缺点与应用

缺点：

1. 由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。
2. 由于物料的加入增加了染菌机会。

应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。

第13页：补料分批培养的几个实例

3. 几个实例

第14页：温度对发酵的影响

第二节 温度变化及其控制　一、温度对发酵的影响

1. 影响反应速率
2. 影响发酵方向

另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率。

第15页：最适温度的选择

二、最适温度的选择

最适发酵温度是既适合菌体的生长又适合代谢产物合成的温度，随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。

第16页：发酵热

三、发酵过程引起温度变化的因素——发酵热

Q_发酵 ＝ Q_生物 ＋ Q_搅拌 － Q_蒸发 － Q_辐射

第17页：温度的控制

四、温度的控制

一般不需加热，因释放了大量的发酵热，需要冷却的情况多。用夹套或蛇形管，通冷却水。

第18页：pH 变化的原因

第三节 pH 变化及其控制　一、pH 变化的原因

1. 基质代谢

（1）糖代谢：糖分解成小分子酸、醇，使 pH 下降；糖缺乏，pH 上升，是补料的标志之一。（2）氮代谢：氨基酸中的 -NH₂ 被利用，pH 下降；尿素被分解成 NH₃，pH 上升。（3）生理酸碱性物质利用后，pH 上升或下降。

2. 产物形成

引起 pH 变化。

3. 菌体自溶

pH 上升。

第19页：pH 对发酵的影响

二、pH 对发酵的影响

1. 影响酶的活性。
2. 影响微生物细胞的结构。
3. 影响微生物对基质的利用速率。
4. 影响代谢方向。

第20页：pH 的确定

三、pH 值的确定和控制　1. pH 的确定

微生物发酵的最适 pH 范围一般在 5～8 之间，根据实验确定，即配制不同初始 pH 的培养基，摇瓶考察发酵情况。

第21页：黑曲霉 pH 与代谢方向

举例：Aspergillus niger（黑曲霉）在不同 pH 下的代谢差异

第22页：pH 的控制

2. pH 的控制

1. 调节好基础培养基的 pH。若控制消后 pH 在 6.0，消前 pH 往往要调到 6.5～6.8。
2. 通过加酸碱和中间补料来控制。

第23页：加酸碱与流加尿素调 pH

• a. 过去直接加酸（H₂SO₄）或碱（NaOH），现常用：生理酸性物质 (NH₄)₂SO₄；生理碱性物质：氨水。
• b. 补料既调节了 pH 值，又补充了营养，还可减少阻遏作用。如味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用：调节 pH 值；补充氮源。

第24页：溶解氧对发酵的影响

第四节 溶解氧及其控制　一、溶解氧（dissolved oxygen, DO）对发酵的影响

溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。

（1）最适氧浓度

菌体生长或产物合成最适浓度范围。

（2）临界氧浓度

满足微生物呼吸的最低氧浓度。

第25页：供氧方面

二、溶氧浓度的控制：溶氧浓度决定因素为供氧和需氧两方面。

（一）供氧方面

1. 调节搅拌转速　2. 调节通气速率

第26页：需氧方面

（二）需氧方面

1. 菌体浓度和菌龄　2. 基质种类和浓度（以菌浓影响最明显）　3. 培养条件

控制方法

通过控制基质浓度。

第27页：大型发酵罐搅拌装置

本页为大型发酵罐搅拌装置的实景照片，建议对照原图补充搅拌桨型式与层数说明。

第28页：发酵检测传感器

本页展示温度传感器、耐高温 pH 和溶氧（DO）传感器等发酵过程在线检测元件。

第29页：泡沫产生的原因

第五节 泡沫的形成与控制　一、泡沫产生的原因

1. 通风搅拌程度及菌体新陈代谢产生的 CO₂。
2. 培养基性质。

第30页：泡沫的危害

二、泡沫的危害

1. 降低生产能力（装料系数减少）引起原料浪费
2. 造成大量逃液引起染菌
3. 影响菌的呼吸

第31页：泡沫的工艺控制措施

三、泡沫的控制

• 调整培养基成分（如少加或缓加易起泡的原材料）
• 改变某些物理化学参数（如 pH 值、温度、通气和搅拌）
• 改变发酵工艺（采用分批投料）

第32页：机械消泡

1. 机械消泡（物理方法）：利用机械振动或压力变化使泡沫破裂。

罐内消泡

靠罐内消泡浆打碎泡沫。

罐外消泡

靠喷嘴的加速作用消除泡沫。

第33页：消泡剂及其机理

2. 消泡剂消泡机理：降低液膜的机械强度，降低液膜的表面粘度。

（1）天然油脂类

豆油、玉米油、棉子油、菜籽油（还可作为碳源），用量大，0.1%～0.2%。

（2）聚醚类

又称泡敌，消泡能力为豆油的 10～20 倍，用量少，0.02%～0.03%。

第34页：染菌的检查判断

第六节 发酵染菌及其防治　一、染菌的检查、判断（一）观察法

1. 菌体浓度（OD 值）异常（OD: optical density）
2. 溶解氧（DO）异常
3. pH 值异常
4. 泡沫过多

第35页：染菌检查的其他方法

2. 镜检法
3. 平板划线培养法
4. 酚红肉汤培养法

第36页：发酵染菌的原因

二、发酵染菌的原因

1. 种子带菌
2. 空气带菌
3. 设备渗漏
4. 培养基灭菌不彻底
5. 技术管理不善

第37页：染菌情况分析

三、染菌情况分析

1. 单罐染菌

罐本身而非系统问题。如种子带菌、培养基灭菌不彻底、罐有渗漏、分过滤器失效。

2. 多罐染菌

系统问题，如空气过滤系统有问题，特别是总过滤器长期没有检查，可能受潮失效；移种或补料的分配站有渗漏或灭菌不彻底。

第38页：不同时期染菌分析

3. 前期染菌

种子带菌、培养基灭菌不彻底。

4. 中后期染菌

补料的料液灭菌不彻底或补料管道、阀门渗漏，一般不会是种子问题。

第39页：噬菌体的检查

四、噬菌体（phage）染菌及其防治（一）phage 的检查

1. 单层琼脂法
2. 双层琼脂法
3. 平板交叉划线法
4. 液体培养检查法

第40页：噬菌体的防治

（二）phage 的防治

工艺角度

1. 消灭环境中的 phage　2. 药物防治

菌种选育

1. 轮换菌种　2. 选育抗 phage 的菌株