第五章发酵工艺控制PPT讲稿.ppt

第五章发酵工艺控制第五章发酵工艺控制第1页，共89页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 发酵热与温度控制发酵热与温度控制思考题：n n1、发酵热包括哪些？n n2、简述微生物发酵过程中生物热的来源、走向和特点。n n3、温度如何影响微生物生长？n n4、温度与微生物生长关系如何？第2页，共89页，编辑于2022年，星期三一、发酵过程中产热与散热一、发酵过程中产热与散热发酵热Q发酵发酵过程中所产生的热量。是引起发酵发酵过程中所产生的热量。是引起发酵过程温度变化的原因。过程温度变化的原因。n所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。n现在来分析发酵热产生和散失的各因素。包括：生包括：生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热物热、搅拌热、蒸发热、辐射热第3页，共89页，编辑于2022年，星期三1、生物热、生物热n n来源：微生物对有机物的降解来源：微生物对有机物的降解n n走向：合成高能化合物、合成代谢产物、其余以热走向：合成高能化合物、合成代谢产物、其余以热形式散发形式散发n n特点：特点：a a、强烈的时间性、强烈的时间性 b b、发酵热随菌株及培养基成份而变化，菌株对营养物质利用的速度越大，培养基成份越丰富，生物热越大，发酵旺盛期生物热大于其他时间。第4页，共89页，编辑于2022年，星期三n 培养过程中生物热的产生具有培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性强烈的时间性。生物的大小与呼吸作用强弱有关生物的大小与呼吸作用强弱有关在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。产生热量较少。菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。制温度。培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。渐减弱。如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。养基营养越丰富，生物热也越大。第5页，共89页，编辑于2022年，星期三2 2、搅拌热、搅拌热Q Q搅拌搅拌在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：关，可用下式计算：Q搅拌搅拌P8604186.8（焦耳（焦耳/小时）小时）P搅拌轴功率搅拌轴功率 4186.8机械能转变为热能的热功当量机械能转变为热能的热功当量电机功率电机功率P=E额定电压额定电压I额定电流额定电流cos功率因素，功率因素，1千瓦时千瓦时8604186.8焦耳焦耳第6页，共89页，编辑于2022年，星期三3 3、蒸发热、蒸发热Q Q蒸发蒸发 通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热热Q显热显热，显热很小，一般可以忽略不计。，显热很小，一般可以忽略不计。4 4、辐射热、辐射热Q Q辐射辐射发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。冬体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5。Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射第7页，共89页，编辑于2022年，星期三（二）发酵热的测定（二）发酵热的测定有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进出口温有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却水进度差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量来计出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。算发酵热。Q发酵发酵GCm(T出出T进进)Cm水的比热水的比热G冷却水流量冷却水流量另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。第8页，共89页，编辑于2022年，星期三根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径无因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有机化关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反应物的合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。H（H）反应物反应物（H）产物产物如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：葡萄糖葡萄糖 159555.9KJ/Kg谷氨酸谷氨酸 15449.3KJ/Kg玉米浆玉米浆 12309.2KJ/Kg菌体菌体 20934KJ/Kg尿素尿素 10634.5KJ/Kg第9页，共89页，编辑于2022年，星期三可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例如某味可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例如某味精厂精厂50M3发酵罐发酵过程测定结果的主要物质变化如表：发酵罐发酵过程测定结果的主要物质变化如表：发发发发酵酵酵酵时间时间时间时间（h h）0 06 66 612121212181818183131糖糖糖糖373730.330.324.024.041.741.7谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸 5.95.9 15.415.4 23.923.9尿素尿素尿素尿素2.92.96.06.0菌体菌体菌体菌体 4.8 4.8 6.06.0 1.2 1.2玉米玉米玉米玉米浆浆浆浆2.42.43.03.00.60.6第10页，共89页，编辑于2022年，星期三发酵发酵1218小时的生物热为：小时的生物热为：Q生物生物24159555.90.612309.2610634.51.22093415.415449.3191098.1KJ/M3191098.1631849.7每小时的生物热为每小时的生物热为31849.7KJ/M3第11页，共89页，编辑于2022年，星期三n n由于Q生物和Q蒸发在发酵过程中随时间变化，因此Q发酵随时间变化。n n为维持适当发酵温度须采取措施散热n n小型发酵罐，在冬季和发酵初期散热量可能大于产热量，需热水保温。第12页，共89页，编辑于2022年，星期三二、温度对微生物生长的影响二、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，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：嗜根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于冷菌适应于026生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于1543 生长，嗜热菌适应于生长，嗜热菌适应于3765 生长，生长，嗜高温菌适应于嗜高温菌适应于65 以上生长以上生长 第13页，共89页，编辑于2022年，星期三n每种微生物对温度的要求可用最适温度、每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温度来表征。在最适温最高温度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温度度下，微生物生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度非范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最后停止生长，度升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。引起死亡。第14页，共89页，编辑于2022年，星期三 微生物受高温的伤害比低温的伤害微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高温度，微生物很快死亡；大，即超过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代谢受到很大抑低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。原理。第15页，共89页，编辑于2022年，星期三n n温度直接影响酶反应，因而影响生物体的生命活动n n高温杀菌的原因n n低温可保存菌种的原因n n培养耐高温菌种的意义第16页，共89页，编辑于2022年，星期三三、温度对发酵的影响三、温度对发酵的影响是多方面的是多方面的1.1.从酶反应动力学看，温度上升，速度加快，生长代谢快，产物生成提前，但酶易受热失活，温度越高，失活越快。2.2.温度影响发酵液物理性质。温度影响发酵液物理性质。3.3.温度和菌的调节机制关系密切。4.4.影响酶系组成和特性。影响酶系组成和特性。5.5.同一种菌，菌体生长和积累代谢物的最适温度往同一种菌，菌体生长和积累代谢物的最适温度往往不同。往不同。第17页，共89页，编辑于2022年，星期三1、温度影响反应速率、温度影响反应速率发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。2、温度影响发酵方向、温度影响发酵方向n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。n温度还影响基质溶解度，氧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18页，共89页，编辑于2022年，星期三四、发酵过程中最适温度的控制四、发酵过程中最适温度的控制最适生长温度、最适发酵温度往往不能仅选一个最适温度。要参考其他发酵条件，如通气等温度控制得好，可提高发酵产物产量。第19页，共89页，编辑于2022年，星期三最适温度的选择最适温度的选择1 1、根据菌种及生长阶段选择、根据菌种及生长阶段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。范围也不同。如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为370C，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30320C，青霉菌生长温度为青霉菌生长温度为300C。第20页，共89页，编辑于2022年，星期三在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。物合成。发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段280C，合成期，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖化酶，产糖化酶32340C。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长30320C，产酸，产酸34370C。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。做试验。n根据生长阶段选择根据生长阶段选择第21页，共89页，编辑于2022年，星期三例：例：林可霉素发酵的变温培养林可霉素发酵的变温培养问题的提出问题的提出接种后接种后10h10h左右已进入对数生长期，随后是左右已进入对数生长期，随后是10h10h左右的加速左右的加速生长期，在生长期，在40h40h左右对数生长期基本完成，在左右对数生长期基本完成，在50h50h左右转左右转入生产期入生产期主要问题：主要问题：如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相当数量的有强生产能力的菌丝体存在相当数量的有强生产能力的菌丝体存在根据生长阶段选择温度根据生长阶段选择温度第22页，共89页，编辑于2022年，星期三变温培养的正交设计变温培养的正交设计第23页，共89页，编辑于2022年，星期三第24页，共89页，编辑于2022年，星期三结论：结论：前前60h60h按按3131控制，缩短了适应期使发酵控制，缩短了适应期使发酵提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗生素提供了物质基础积累，为大量分泌抗生素提供了物质基础6060小时后将罐温降至小时后将罐温降至3O3O使与抗生素合成有关使与抗生素合成有关的酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，的酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的延长有利于进一步积累抗生同时因分泌期的延长有利于进一步积累抗生素素发酵进入后期罐温再回升至发酵进入后期罐温再回升至31 31 使生产菌在生使生产菌在生命的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢命的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。产物。第25页，共89页，编辑于2022年，星期三2 2、根据培养条件选择、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。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。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。利用快，会使菌过早自溶。第26页，共89页，编辑于2022年，星期三3 3、根据菌生长情况、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。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。要通过反复实践来及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。定出最适温度。第27页，共89页，编辑于2022年，星期三小小 结结微生物最适生长温度微生物最适生长温度微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关，如蛋白构微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关，如蛋白构象稳定性因素改变，活性位点关键区域氨基酸的取代，离象稳定性因素改变，活性位点关键区域氨基酸的取代，离子束缚作用子束缚作用(ion binding)减弱，蛋白核心区域疏水作用减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等下降等第28页，共89页，编辑于2022年，星期三温度对发酵的影响：温度对发酵的影响：温度影响反应速率温度影响反应速率温度影响发酵方向温度影响发酵方向最最适适温温度度的的选选择择根据菌种根据菌种生长阶段选择生长阶段选择根据培养条件选择根据培养条件选择菌种的生长情况菌种的生长情况第29页，共89页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 pH的控制的控制一、一、pHpH对菌生长和代谢产物形成的影响（1）影响n n不同种类微生物对pHpH值要求不同，细菌值要求不同，细菌6.56.57.57.5，霉菌，霉菌4.05.85.8，酵母，酵母3.83.86.06.0，放线菌，放线菌6.56.58.08.0n n控制pH，保证正常生长，防治杂菌污染，保证正常生长，防治杂菌污染n n同种微生物同种微生物pHpH不同，可能形成不同的发酵产物不同，可能形成不同的发酵产物n n微生物生长的最适微生物生长的最适pHpH和发酵的最适pHpH往往不同第30页，共89页，编辑于2022年，星期三（2）影响原因）影响原因n npH影响细胞原生质膜的电荷n npH影响细胞的酶活性n npH影响培养基某些重要营养物质和中间代谢产物的分解第31页，共89页，编辑于2022年，星期三二、发酵过程二、发酵过程pH的调节和控的调节和控制制（1 1）pHpH变化的原因变化的原因n npH变化的情况决定于菌种特性、培养基组成和工艺条变化的情况决定于菌种特性、培养基组成和工艺条件件n n培养基：酸性物质的生成或碱性物质的消耗引起培养基：酸性物质的生成或碱性物质的消耗引起pHpH下下降，反之，降，反之，pHpH上升。一般上升。一般C/NC/N高，发酵液变酸性，C/NC/N低，发酵液变碱性低，发酵液变碱性n n通气：充足，取决于营养物分解；不足，通气：充足，取决于营养物分解；不足，pHpH下降下降n n总之：发酵过程中各种反应都影响着发酵液的总之：发酵过程中各种反应都影响着发酵液的pHpH值，值，不同时间，影响因素所占优势不同不同时间，影响因素所占优势不同第32页，共89页，编辑于2022年，星期三（2 2）GAGA发酵，发酵，pHpH变化的影响（3）pHpH调节的方法调节的方法n n添加添加CaCOCaCO3 3法n n氨水流加法氨水流加法n n尿素流加法n n加缓冲剂法加缓冲剂法pHpH的测量：用的测量：用pHpH连续自动检测装置和pH自动控制第33页，共89页，编辑于2022年，星期三思考题思考题n n为何pH值会影响菌体生长和产物形成？n n调节pH常用方法有哪些？第34页，共89页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 氧对发酵的影响氧对发酵的影响 一、供氧与微生物呼吸代谢的关系二、微生物临界氧浓度三、溶解氧控制的意义第35页，共89页，编辑于2022年，星期三n n1、供氧与微生物呼吸代谢有何关系？n n2、供氧对GA发酵有何影响？n n3、什么叫临界氧浓度？n n4、了解溶解氧控制的意义？n n5、影响氧传递速率的因素有哪些？看书掌握14问题：第36页，共89页，编辑于2022年，星期三四、影响溶氧的主要因素四、影响溶氧的主要因素1、传质理论气体溶解过程的双膜理论单位接触界面氧的传递速率 第37页，共89页，编辑于2022年，星期三一、发酵液中氧的传递方程一、发酵液中氧的传递方程CCiPPi气膜气膜液膜液膜N：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg:气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数液膜传质系数 m/h第38页，共89页，编辑于2022年，星期三C*P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度Kl:以氧浓度为推动力的总传递系数以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a(m2/m3)Nv：体积传氧速率：体积传氧速率 kmol/m3.hKla:以以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数为推动力的体积溶氧系数 h-1第39页，共89页，编辑于2022年，星期三二、发酵液中氧的平衡二、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：传递：消耗：消耗：r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面第40页，共89页，编辑于2022年，星期三三、供氧的调节三、供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和和C*来调节来调节其中其中C*P/HNvHPKla第41页，共89页，编辑于2022年，星期三调节调节Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一般反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。来讲大罐比小罐要好。45升升 1吨吨 10吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1第42页，共89页，编辑于2022年，星期三2、影响氧传递速率的主要因、影响氧传递速率的主要因素素N KL a（C*CL）KG a（P-P*）所以影响氧传递速率的因素有KL a和推动力（C*CL）n n与KL a有关的有搅拌、空气线速度、空气分布管的形式、发酵液粘度等n n与（C*CL）有关的：发酵液深度、氧分压、发酵液性质等第43页，共89页，编辑于2022年，星期三影响KL L a的因素 KL L a反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。与发酵罐。一、影响摇瓶一、影响摇瓶kL L a的因素的因素为装液量和摇瓶机的种类为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机摇瓶机往复，频率往复，频率80-120分分/次，振幅次，振幅8cm旋转，偏心距旋转，偏心距25、12,转述转述250rpm第44页，共89页，编辑于2022年，星期三装液量，一般取装液量，一般取1/10左右：左右：250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例：例：500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92第45页，共89页，编辑于2022年，星期三二、影响发酵罐中二、影响发酵罐中KL L a的因素的因素已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：第46页，共89页，编辑于2022年，星期三1、理论上分析、理论上分析KL L and通气量提高搅拌，调节提高搅拌，调节kL L a的效果显著的效果显著第47页，共89页，编辑于2022年，星期三例例 某一产品的发酵某一产品的发酵 d n p0/v c 产量产量 450 180 1.62 20%4978 450 280 2.12 40%5564 550 180 2.61 60%8455例例 黑曲霉生产糖化酶黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812 2416 2846提高提高d、n显著提高显著提高C,提高了产量提高了产量提高提高N,比提高比提高Q有效有效第48页，共89页，编辑于2022年，星期三2、实际上：、实际上：对于转速的调节有时是有限度的对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的通风的增加也是有限的蒸发量大蒸发量大中间挥发性代谢产物带走中间挥发性代谢产物带走第49页，共89页，编辑于2022年，星期三例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培 养，比色法测定产量：养，比色法测定产量：通气通气 静止静止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 OD 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2提高提高下降下降所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的第50页，共89页，编辑于2022年，星期三3、小型发酵罐和大型发酵罐调节、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点的特点n 小型发酵罐，转速可调小型发酵罐，转速可调n 大型发酵罐，转速往往不可调大型发酵罐，转速往往不可调n 大型反应器的合理设计大型反应器的合理设计n 对现有设备一定要注意工艺配套对现有设备一定要注意工艺配套第51页，共89页，编辑于2022年，星期三4、影响、影响KL L a的其它因素的其它因素空气分布器空气分布器液体的粘度液体的粘度第52页，共89页，编辑于2022年，星期三CL、r和Kla的测定一、一、CL的测定的测定1、化学法、化学法第53页，共89页，编辑于2022年，星期三2、溶氧电极、溶氧电极n 极谱型极谱型(阴极阴极)：O2+2H+2e H2O2n 原电池型原电池型(阴极阴极)：O2+2H2O+4e 4OH-第54页，共89页，编辑于2022年，星期三 极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应小，且需极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响。较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不具备的。原电池型电极暴露在空气中这点正是原电池型电极所不具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约时其电流输出约530A(主要取决于阴极的表面积和测试温度主要取决于阴极的表面积和测试温度)，可以不用配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。可以不用配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。n 膜：耐温、透气、不通水膜：耐温、透气、不通水n 测定：一般是得到相对值测定：一般是得到相对值第55页，共89页，编辑于2022年，星期三二、二、r的测定的测定1、物料衡算、物料衡算 流量（进口空气中氧的氧含量流量（进口空气中氧的氧含量出口空气中的氧含量）出口空气中的氧含量）r=发酵液体积发酵液体积氧的浓度：氧分压仪氧的浓度：氧分压仪第56页，共89页，编辑于2022年，星期三2、溶氧电极、溶氧电极停止供气停止供气：dCL=-r dt第57页，共89页，编辑于2022年，星期三三、三、KL L a的测定的测定1、亚硫酸盐法（冷膜）、亚硫酸盐法（冷膜）氧氧 亚硫酸钠的氧化亚硫酸钠的氧化Kla.C*=亚硫酸浓度的降低亚硫酸浓度的降低 Cu2+2Na2SO3+O2 2Na2SO4第58页，共89页，编辑于2022年，星期三2、平衡法、平衡法 rKL L a=C*-CL例例：一个装料为：一个装料为7L的实验室小罐，通气量为的实验室小罐，通气量为1VVM（标态），（标态），发酵液的发酵液的CL25%、空气进入时的氧含量为、空气进入时的氧含量为21%，废气排出，废气排出的氧含量为的氧含量为19.8%，求此时菌体的摄氧率和发酵罐的，求此时菌体的摄氧率和发酵罐的Kla第59页，共89页，编辑于2022年，星期三3、动态法、动态法n 不同的测定方法得出的不同的测定方法得出的kla是不一样的是不一样的第60页，共89页，编辑于2022年，星期三第四节 溶氧浓度的变化及其控制一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定Kla下）：下）：rXQCL一般有一个低谷，在一般有一个低谷，在对数生长的末期对数生长的末期第61页，共89页，编辑于2022年，星期三二、发酵过程中溶氧的控制二、发酵过程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略、溶氧控制的策略微生物反应微生物反应:XS P+X=a+b第62页，共89页，编辑于2022年，星期三第63页，共89页，编辑于2022年，星期三菌体生长期：菌体生长期：酶系统酶系统 酶系统酶系统 关键因子关键因子开始的细胞开始的细胞生长好后的细胞生长好后的细胞产物合成产物合成第64页，共89页，编辑于2022年，星期三产物形成期：产物形成期：底物底物产物产物酶系统酶系统 反应动力学问题反应动力学问题 第65页，共89页，编辑于2022年，星期三发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。第66页，共89页，编辑于2022年，星期三2、溶氧控制的实例、溶氧控制的实例GAXDO谷氨酸发酵谷氨酸发酵：要求：氧饱和度要求：氧饱和度1控制：控制：0-12小时小时 小通风小通风 12小时后小时后 增加通风增加通风原因：原因：0-12小时菌体量小时菌体量较小，采用小通风较小，采用小通风12第67页，共89页，编辑于2022年，星期三 一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能耗，而发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一定要把握且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一定要把握好。好。例：例：生产肌苷酸：生产肌苷酸：通气量不变通气量不变 17.15 mg/ml24小时增加小时增加 22.55 mg/ml30小时增加小时增加 18.25 mg/ml36小时增加小时增加 12.34 mg/ml第68页，共89页，编辑于2022年，星期三例例：某某厂厂青青霉霉素素发发酵酵的的工工艺艺研研究究*第69页，共89页，编辑于2022年，星期三三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义1、考察工艺控制是否满足要求、考察工艺控制是否满足要求2、其它异常情况的表征、其它异常情况的表征 染菌、噬菌体、设备和操作故障染菌、噬菌体、设备和操作故障3、间接控制的措施、间接控制的措施第70页，共89页，编辑于2022年，星期三本章小节：了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念 掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定 深入理解Kla的意义，了解反应器放大的基本概念 掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控 溶氧浓度的意义第71页，共89页，编辑于2022年，星期三具体影响因素：具体影响因素：n n（1 1）搅拌）搅拌 一方面增加溶氧速率，另一方面使微一方面增加溶氧速率，另一方面使微生物悬浮液混合一致，促进新陈代谢产物的传递生物悬浮液混合一致，促进新陈代谢产物的传递速率速率 转速、组数、类型等均有影响n n（2 2）空气线速）空气线速 增加通风，线速增加，增大溶氧增加通风，线速增加，增大溶氧 增大风量，转速不变，功率会降低，使溶氧系数增大风量，转速不变，功率会降低，使溶氧系数降低降低 要防止要防止“过载过载”第72页，共89页，编辑于2022年，星期三n n（3）空气分布管n n（4）氧的分压 增大空气中氧分压，可使溶解度增大 但压力过大，需耐压设备，费用增加，也影响生理代谢n n（5）发酵罐内液柱高度 在空气流量和单位发酵液体积消耗功率不变时，通风效率是随H/D增加而增加 一般H/D23为宜第73页，共89页，编辑于2022年，星期三n n（6）发酵罐体积罐体积大，氧利用率高（气体接触时间长，溶解率高）n n（7）发酵液物理性质 粘度、表面张力、离子浓度等影响气泡大小，气泡的稳定性和氧的传递速率。泡沫大量形成，菌体与泡沫形成稳定的乳浊液，影响氧的传递。第74页，共89页，编辑于2022年，星期三第五节第五节 泡沫的控制泡沫的控制一、泡沫的形成及其对发酵的影响泡沫：形成的必要条件：气液两相共存有表面张力大的物质存在，单组分的纯液体，一般不形成泡沫第75页，共89页，编辑于2022年，星期三1、影响、影响n n泡沫持久存在，妨碍泡沫持久存在，妨碍COCO2的排除，影响微生物对氧的吸收，破坏正常生理代谢，不利发酵和生物合成。n n泡沫大量产生，使发酵罐有效容积大大减少，影响设泡沫大量产生，使发酵罐有效容积大大减少，影响设备利用率备利用率n n泡沫过多，控制不好，会引起大量跑料，造成浪费和环境泡沫过多，控制不好，会引起大量跑料，造成浪费和环境污染污染n n泡沫升到灌顶，可能从轴封渗出，增加染菌机会n n泡沫过多也会影响氧传递、通风与搅拌效果。泡沫过多也会影响氧传递、通风与搅拌效果。第76页，共89页，编辑于2022年，星期三2、形成原因、形成原因（1 1）通气和机械搅拌）通气和机械搅拌（2）培养基中某些成分变化或微生物代谢形成气泡）培养基中某些成分变化或微生物代谢形成气泡（3 3）培养基中某些成分在气泡表面排列成坚固的薄膜，气泡不易破裂，聚成泡沫层（1 1）是通风的气流被搅拌器打碎形成（2）、（）、（3 3）是菌体代谢活动过程产生的气体聚结而成，）是菌体代谢活动过程产生的气体聚结而成，叫发酵性泡沫，在发酵旺盛时才明显。叫发酵性泡沫，在发酵旺盛时才明显。第77页，共89页，编辑于2022年，星期三n n糖蜜原料与石油类原料在好气发酵中产生大量泡沫n n在需极高通气搅拌速度的抗生素和单细胞蛋白菌体发酵生产中如何解决好泡沫问题，值得重视。第78页，共89页，编辑于2022年，星期三二、泡沫的特性二、泡沫的特性n n两种类型n n泡沫稳定性与液体表面性质，如表面张力，表面粘度等有关第79页，共89页，编辑于2022年，星期三三、发酵过程泡沫变化的一般规律三、发酵过程泡沫变化的一般规律n n泡沫的多寡一方面与通风、搅拌的剧烈程度有关。搅拌引起的泡沫比通气大，另一方面与培养基所用原料性质有关。n n蛋白质原料是主要气泡因素。n n糖类本身气泡能力差，但增加了培养基粘度，有利于泡沫稳定。n n灭菌方法和操作条件均影响培养基成分变化而影响发酵时泡沫的产生。n n染菌使粘度增加，产生大量泡沫。第80页，共89页，编辑于2022年，星期三四、化学消泡四、化学消泡n n优点：化学消泡剂来源广泛，消泡效果好作用迅速可靠，用量少，不需改造设备，大小规模适用，易实现自动控制。n n消泡机理n n选择依据：6点n n常用消泡剂：4种类型第81页，共89页，编辑于2022年，星期三五、机械消泡五、机械消泡n n优点：不用在发酵液中加其他物质，节省原料，减少由于加消泡剂引起的污染机会。n n缺点：不如化学消泡迅速、可靠，需一定设备及消耗动力，不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。第82页，共89页，编辑于2022年，星期三第六节第六节 补料的控制补料的控制一、补料的作用1.1.生产菌的自溶期推迟，生物合成期延长，提高产量。2.2.纠正异常发酵的重要手段。第83页，共89页，编辑于2022年，星期三二、补料的内容二、补料的内容1.1.C源2.2.N源3.3.微量元素和无机盐4.4.酶的作用底物第84页，共89页，编辑于2022年，星期三三、补料原则三、补料原则n n控制微生物代谢，使之向有利于产物积累的方向发展。n n根据菌体生长代谢、生物合成规律，利用中间补料的措施，给予生产菌适当调节，让它在生物合成阶段有足够而又不过多的养料供给其合成和维持正常代谢需要。第85页，共89页，编辑于2022年，星期三四、补糖方式四、补糖方式n n一般以间歇定时加入为主，近年来也开始注意用定时连续滴加的方法。五、补氮及无机盐第86页，共89页，编辑于2022年，星期三六、补料注意问题六、补料注意问题1.1.料液配比要适合2.2.注意无菌控制3.3.经济核算，节约粮食，碳氮平衡第87页，共89页，编辑于2022年，星期三思考题思考题1.1.泡沫形成的原因及影响2.2.发酵过程中泡沫的多少与哪些因素有关？3.3.消泡方法有哪些?各有