09 发酵过程控制.ppt

第1页：发酵过程的控制

发酵过程的控制：第七章发酵过程的控制

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第2页：发酵过程的主要控制参数

• 主要的控制参数
• 1、pH值（酸碱度）
• 2、温度
• 3、溶解氧浓度
• 4、基质含量
• 5、空气流量
• 6、压力
• 7、搅拌转速
• 8、搅拌功率
• 9、黏度
• 10、浊度
• 11、料液流量
• 12、产物的浓度
• 13、氧化还原电位
• 14、废气中的氧含量
• 15、废气中的CO 2含量
• 16、菌丝形态
• 17、菌体浓度

第3页：发酵热的组成

发酵热的组成

一、发酵热

伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热

1、生物热

微生物在生长繁殖过程中，本身产生的热

2、搅拌热

Q搅拌=P×3061（kJ/h）

第4页：蒸发热与辐射热

• 3、蒸发热
• Q蒸发=qm（H出-H进），qm：空气流量；I：气体热焓；
• 4、辐射热
• Q发酵= Q生物+ Q搅拌-Q蒸发-Q辐射

第5页：发酵热的测定（冷却水量热法）

• 二、发酵热的测量及计算
• 发酵热的测定可采用以下几种方法：
• ①利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，根据
• Q发酵= qvC（t2–t1）/V；qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg ℃；V为发酵液体积，m3

第6页：发酵热的测定（升温速率法）

• ②利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率，根据
• Q发酵= （M1C1+ M2C2）V；
• M1：发酵液质量kg M2：发酵罐质量kg
• C1 发酵液的比热容，kJ/kg℃C2发酵罐的比热容，kJ/kg℃V为温度上升速率℃/h
• ③热力学方法：

第7页：温度对微生物生长的影响

温度对微生物生长的影响：三、温度对微生物生长的影响不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～26℃生长，嗜温菌适应于15～43 ℃生长，嗜热菌适应于37～65 ℃生长，嗜高温菌适应于65 ℃以上生长

第8页：温度对酶与生长速度的影响

• 影响酶的活性、影响细胞内各种反应速度
• 最低生长温度、最高生长温度、最适生长温度
• 在最适范围内生长速度随温度升高而增加，生长周期缩短
• 不同生长阶段的微生物对温度的反应不同

第9页：温度对发酵的影响

• 1、影响反应速度
• 2、温度影响酶系的组成及酶的特性

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第10页：温度影响发酵的方向

温度影响发酵的方向：3、温度影响发酵的方向四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于30 ℃时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到35 ℃时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。4、温度还影响基质溶解度在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。

第11页：最适温度与菌种生长阶段

• 五、最适温度的控制1、根据菌种及生长阶段来选择
• 微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。
• 如黑曲霉生长温度为37℃，
• 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30～32 ℃，
• 青霉菌生长温度为30 ℃。

第12页：培养条件与温度选择

• 2、根据培养条件选择
• 温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。
• 通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。
• 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。

第13页：菌生长情况与温度控制

• 3、根据菌生长情况
• 菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。
• 总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度

第14页：热冲击处理技术的背景

• 例子：利用热冲击处理技术来提高甘油的产量
• 背景：
• （1）酵母在比常规发酵温度髙10～20℃的温度下经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。
• （2）Lewis发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力
• （3）Toshiro发现热冲击可使胞内3－磷酸甘油脱氢酶的活力提高15～25％，并导致甘油产量提高

第15页：热冲击的正交实验与结果

正交试验考察冲击温度、开始时机与冲击时间三因素，结果以发酵16小时、45℃冲击30分钟最佳，发酵96小时后甘油浓度提高32.6%。

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第18页：pH值对菌体生长和产物合成的影响

• 第二节pH 值的控制
• 一、pH值对菌体生长和代谢产物合成的影响
• 菌种不同，对pH要求不同
• 菌种相同，pH不同，形成的产物不同
• 菌种生成和发酵的最适pH不同，形成的产物不同

第19页：pH影响的主要原因

pH影响的主要原因：pH对微生物生长繁殖和代谢产物形成影响的主要原因：1、影响原生质膜的性质2、影响酶的活性3、影响营养物质和中间代谢产物的解离

第20页：基质代谢引起pH变化

• 二、影响pH值变化的因素
• 1、基质代谢
• （1）糖代谢特别是快速利用的糖，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）氮代谢当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。
• （3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降

第21页：产物形成与菌体自溶对pH的影响

• 2、产物形成
• 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。
• 3、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。

第22页：发酵过程pH的调节

• 三、发酵过程pH值的调节及控制
• 1、调整培养基的组分
• 2、在发酵过程中进行控制
• ①添加CaCO3：
• ②氨水流加法
• ③尿素流加法
• 3、通过补料调pH
• 4、当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH

第23页：初始pH对产酶的影响

初始pH对产酶的影响：例：配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况pH对产海藻酸裂解酶的影响

第24页：不同调pH方法的酶活力比较

分别在四种缓冲介质中于pH 6.50～9.50测定天冬酰胺酶活力，酶活顺序为1＞2＞4＞3。

第25页：pH控制方式对异亮氨酸发酵的影响

pH控制方式对异亮氨酸发酵的影响：不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。“1”表示只加CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素联合控制pH值。异亮氨酸发酵

第26页：pH值对菌体形态的影响

• 不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于7．5时，菌体易于老化，呈现球状
• 当pH值低于6．5时菌体同样受抑制，易于老化。而在7．2左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形
• 在6．9左右时，菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优势。

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第28页：阶段pH控制模式

• pH6．9时，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值为7.15，到80h后pH值为7.25。产率22.27g
• /L，产酸率提高12.23％。

第29页：泡沫的产生与危害

泡沫的产生与危害

一、泡沫的性质

1、泡沫产生

通气搅拌；微生物代谢产生

2、泡沫带来的危害

①减少发酵的有效容积

②液体溢出，增加染菌机会

③降低菌体利用率

④影响通气搅拌

第30页：泡沫的胶体性质

• 3、泡沫的性质
• 泡沫实际上是气溶胶构成的胶体系统，其分散相是空气和代谢气，连续相是发酵液，泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通。

第31页：泡沫变化与化学消泡机理

• 二、发酵过程泡沫的变化
• 1、通气和搅拌的影响
• 2、培养基组成的影响
• 3、菌体的影响
• 三、化学消泡
• 优点：来源广泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易实现自动控制
• 1、化学消泡机理
• 消泡剂表面张力低，使气泡膜局部的表面张力降低，使得平衡受到破坏

第32页：消泡剂的选择依据与种类

• 2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类
• （1）选用依据：
• ①表面活性剂
• ②对气-液界面的散布系数必须足够大
• ③无毒害性，且不影响发酵菌体；
• ④不干扰各种测量仪表的使用；
• ⑤在水中的溶解度较小
• ⑥来源方便，成本低

第33页：消泡剂的种类与应用

• （2）消泡剂种类：
• ①天然油脂；
• ②高碳醇、脂肪酸和酯类；
• ③聚醚类；
• ④硅酮类；
• 3、消泡剂的应用和增效作用
• ①消泡剂+ 载体
• ②复合消泡剂
• ③消泡剂+ 乳化剂

第34页：机械消泡的原理与优缺点

• 四、机械消泡
• 1、消泡机理
• 靠机械强烈振动、压力的变化，促使气泡破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收
• 2、优点
• 节省原料，减少由于消泡剂所引起的污染机会
• 3、缺点
• 需要一定的设备和消耗一定的动力
• 不能从根本上消除引起泡沫温定的因素

第35页：机械消泡装置的选择依据

• ①动力小；
• ②结构简单；
• ③易清洁；
• ④运行可靠；
• ⑤维护费用低；

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第36页：罐内耙式消泡浆

• 5、消泡方式
• （1）罐内消泡
• ①耙式消泡浆的机械消泡

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第37页：旋转圆板式机械消泡

旋转圆板式机械消泡：②旋转圆板式的机械消泡

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第38页：流体吹入式消泡

流体吹入式消泡

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第39页：气体吹入管内吸引消泡

气体吹入管内吸引消泡

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第40页：冲击反射板消泡

冲击反射板消泡

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第41页：超声波消泡

超声波消泡

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第42页：碟片式消泡器

碟片式消泡器：⑦碟片式消泡器的机械消泡

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第43页：罐外旋转叶片消泡

• （2）罐外消泡
• ①旋转叶片罐外消泡

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第44页：喷雾消泡

喷雾消泡

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第45页：离心力消泡

离心力消泡

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第46页：旋风分离器消泡

旋风分离器消泡

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第47页：转向板消泡

转向板消泡

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第48页：补料培养的优点

• 第四节补料的控制
• 补料培养（fed－batch culture，FBC）的优点:
• 1、可以解除底物抑止、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏
• 2、减少细胞对发酵液流变学的影响
• 3、控制细胞质量的手段
• 4、理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础

第49页：补料培养的作用

• 一、FBC的作用
• 1、可以控制抑制性底物的浓度
• 2、可以解除或减弱分解代谢物的阻遏
• 3、可以使发酵过程最佳化

第50页：补料的内容

补料的内容：（1）补充微生物能源和碳源（2）补充菌体所需要的氮源（3）加入某些微生物生长或合成所需要的微量元素或无机盐（4）加入某些诱导酶的作用底物

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第51页：补料的原则与补糖控制

• 三、补料的原则
• 1、根据菌体本身的遗传特性、生长代谢规律
• 2、根据生产需要
• 四、补糖的控制
• 1、补糖的时间
• 与培养基中的碳源种类、用量、消耗速度、前期发酵条件、菌种特性、种子质量等有关
• 2、补糖的方式和控制指标

第52页：补糖方式示例

补糖可按下列方式安排时机与频次，以控制抑制性底物浓度。

第53页：补充氮源和无机盐

氮源与无机盐可按下列方式补充，用以调节菌体生长与产物合成。

第54页：次黄嘌呤对鸟苷产量的影响

次黄嘌呤对鸟苷产量的影响：在发酵30h，一次性加入0.1%、0.2％、0.3％、0.4％的次黄嘌呤对鸟苷产量的影响

第55页：菌体浓度对发酵的影响

菌体浓度对发酵的影响：第五节菌体浓度与基质对发酵的影响菌体浓度与菌体生长速率直接相关菌体浓度的大小影响产物的得率控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓度

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第56页：碳源对发酵的影响及控制

• 二、基质对发酵的影响及控制
• 不同碳源对毛霉产蛋白酶的影响

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第57页：麦芽糖浓度对产酶的影响

麦芽糖浓度对产酶的影响：不同浓度麦芽糖对产酶的影响

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第58页：氮源的种类和浓度影响

• 2、氮源的种类和浓度对发酵的影响及控制
• 不同氮源对毛霉产蛋白酶的影响

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第59页：

第60页：磷酸盐浓度对发酵的影响

磷酸盐浓度对发酵的影响：3、磷酸盐浓度对发酵的影响及控制

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第61页：本章思考题

• 思考题：
• 温度对微生物的生长和发酵有何影响。
• pH对微生物生长和代谢产物形成的原因。