发酵过程控制与优化.ppt

第四章第四章 发酵工艺过程控制发酵工艺过程控制 第一节第一节 发酵的操作方式发酵的操作方式分批培养分批培养补料分批培养（半连续培养）补料分批培养（半连续培养）连续培养连续培养一、一、分批培养分批培养 （batch culture or fermentationbatch culture or fermentation）1.1.概念：概念：在一个密闭系统内投入有限数量的营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，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在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法培养方法。分批培养中微生物的生长分批培养中微生物的生长迟滞期迟滞期对数生长期对数生长期稳定期稳定期死亡期死亡期2.2.特点：特点：(1)(1)整个培养系统与外界没有其它物质交换（整个培养系统与外界没有其它物质交换（O O2 2、COCO2 2、消泡剂、酸碱除外）、消泡剂、酸碱除外）(2)(2)整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产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。物浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法。3.分批培养的优缺点分批培养的优缺点优点优点:操作简单，周期短，染菌机会少，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。生产过程和产品质量容易掌握。缺点缺点:产率低。产率低。二、二、连续培养（连续培养（continuous culturecontinuous culture）1.概念：概念：微生物培养到对数生长期时，在发酵罐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谢物，使微生物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式。的培养方式。2.特点：特点：菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒定状态。均处于恒定状态。3.连续培养的优缺点连续培养的优缺点优点优点:控制稀释速率可以使发酵过程最优化。控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，产量高。发酵周期长，产量高。缺点缺点:长期连续培养会引起菌种退化，降低长期连续培养会引起菌种退化，降低 产量。染菌机会增加。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。应用：废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工业中。三、补料分批培养（三、补料分批培养（fed-batch culturefed-batch culture）介于分批培养和连续培养之间的操作方法。介于分批培养和连续培养之间的操作方法。1.1.概念：概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在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。其代谢产物的生产时间延长。2.2.补料分批培养的优缺点补料分批培养的优缺点 优点：优点：与分批培养相比与分批培养相比(1)(1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。(2)(2)延长次级代谢产物的生产时间。延长次级代谢产物的生产时间。与连续培养相比与连续培养相比(1)(1)降低了染菌，避免了遗传不稳定性。降低了染菌，避免了遗传不稳定性。(2)(2)最终产物浓度较高，有利于产物的分离。最终产物浓度较高，有利于产物的分离。(3)(3)使用范围广。使用范围广。缺点：缺点：(1)(1)由于没有物料取出，产物的积累最终导致由于没有物料取出，产物的积累最终导致 比生产速率的下降。比生产速率的下降。(2)(2)由于物料的加入增加了染菌机会。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。应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。3.几个实例：几个实例：产物产物补料物补料物酵母菌酵母菌麦芽汁、氮、磷、镁麦芽汁、氮、磷、镁谷氨酸谷氨酸氨水或尿素氨水或尿素柠檬酸柠檬酸铵盐、糖铵盐、糖苹果酸苹果酸葡萄糖葡萄糖淀粉酶淀粉酶葡萄糖葡萄糖青霉素青霉素葡萄糖、氨水、苯乙酸葡萄糖、氨水、苯乙酸 第二节第二节 温度变化及其控制温度变化及其控制一、温度对发酵的影响一、温度对发酵的影响 1.1.影响反应速率影响反应速率 2.2.影响发酵方向影响发酵方向另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率。另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率。二、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。合代谢产物合成的温度。随菌种、培养基成分、培养条件和菌体随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。生长阶段不同而改变。三、发酵过程引起温度变化的因素三、发酵过程引起温度变化的因素发酵热发酵热Q Q发酵发酵Q Q生物生物Q Q搅拌搅拌Q Q蒸发蒸发Q Q辐射辐射四、温度的控制四、温度的控制 一般不需加热，因一般不需加热，因释放了大量的发酵热，释放了大量的发酵热，需要冷却的情况多。需要冷却的情况多。用夹套或蛇形管，用夹套或蛇形管，通冷却水。通冷却水。第三节第三节 pH pH变化及其控制变化及其控制一、一、pHpH变化的原因变化的原因 1.1.基质代谢基质代谢 （1 1）糖代谢）糖代谢 糖分解成小分子酸、醇，使糖分解成小分子酸、醇，使pHpH下降。下降。糖缺乏，糖缺乏，pHpH上升，是补料的标志之一。上升，是补料的标志之一。（2 2）氮代谢）氮代谢 氨基酸中的氨基酸中的-NH-NH2 2被利用，被利用，pHpH下降；下降；尿素被分解成尿素被分解成NHNH3 3，pHpH上升。上升。（3 3）生理酸碱性物质利用后，）生理酸碱性物质利用后，pHpH上升或下降。上升或下降。2.2.产物形成产物形成 3.3.菌体自溶菌体自溶 pH pH上升上升二、二、pHpH对发酵的影响对发酵的影响 1.1.影响酶的活性。影响酶的活性。2.2.影响微生物细胞的结构。影响微生物细胞的结构。3.3.影响微生物对基质的利用速率。影响微生物对基质的利用速率。4.4.影响代谢方向。影响代谢方向。三、三、pHpH值的确定和控制值的确定和控制 的确定的确定 微生物发酵的最适微生物发酵的最适pHpH范围一般在范围一般在5 5 8 8之间，之间，根据实验确定，即配制不同初始根据实验确定，即配制不同初始pHpH的培养基，的培养基，摇瓶考察发酵情况。摇瓶考察发酵情况。举例：举例：Aspergillus niger在范围时有利于合成柠檬酸，在范围时有利于合成柠檬酸，当在范围内时以菌体生长为主，而在时，则以合成当在范围内时以菌体生长为主，而在时，则以合成草酸为主。草酸为主。生长的最适生长的最适pHpH值与发酵的最适值与发酵的最适pHpH值值的控制的控制 (1)1)调节好基础培养基的调节好基础培养基的pHpH。若控制消后若控制消后pHpH在，消前在，消前pHpH往往要调到往往要调到。(2)(2)通过加酸碱和中间补料来控制。通过加酸碱和中间补料来控制。a.a.过去直接加酸（过去直接加酸（H H2 2SOSO4 4）或碱（）或碱（NaOHNaOH），现常用：），现常用：生理酸性物质：生理酸性物质：(NH(NH4 4)2 2SOSO4 4 生理碱性物质：氨水生理碱性物质：氨水b.b.补料既调节了补料既调节了pHpH值，又补充了营养，还可减少阻值，又补充了营养，还可减少阻 遏作用。遏作用。如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用:调节调节pHpH值值 补充氮源补充氮源 第四节第四节 溶解氧及其控制溶解氧及其控制一、溶解氧（一、溶解氧（dissolved oxygen,DOdissolved oxygen,DO）对发酵的影响）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。溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。（1 1）最适氧浓度（）最适氧浓度（optimal oxygen concentrationoptimal oxygen concentration）：）：菌体生长或产物合成最适浓度范围。菌体生长或产物合成最适浓度范围。（2 2）临界氧浓度（）临界氧浓度（critical value of dissolved critical value of dissolved oxygen concentration oxygen concentration）：）：满足微生物呼吸的最低氧浓度。满足微生物呼吸的最低氧浓度。二、溶氧浓度的控制二、溶氧浓度的控制 溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。（一）供氧方面：（一）供氧方面：1.1.调节搅拌转速调节搅拌转速 2.2.调节通气速率调节通气速率（二）需氧方面：（二）需氧方面：1.1.菌体浓度和菌龄菌体浓度和菌龄 2.2.基质种类和浓度基质种类和浓度 以菌浓影响最明显。以菌浓影响最明显。3.3.培养条件培养条件 控制方法：通过控制基质浓度。控制方法：通过控制基质浓度。大型发酵罐大型发酵罐搅拌装置搅拌装置温度传感器、耐高温温度传感器、耐高温pHpH和溶氧（和溶氧（DODO）传感器）传感器 第五节第五节 泡沫的形成与控制泡沫的形成与控制一、泡沫产生的原因一、泡沫产生的原因 1.1.通风搅拌程度及菌体新陈代谢产生的通风搅拌程度及菌体新陈代谢产生的COCO2 2。2.2.培养基性质培养基性质二、泡沫的危害二、泡沫的危害 1.1.降低生产能力（装料系数减少）降低生产能力（装料系数减少）引起原料浪费引起原料浪费 2.2.造成大量逃液造成大量逃液 引起染菌引起染菌 3.3.影响菌的呼吸影响菌的呼吸三、泡沫的控制三、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）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（如改变某些物理化学参数（如pHpH值、温度、通气和搅拌）值、温度、通气和搅拌）改变发酵工艺（采用分批投料）改变发酵工艺（采用分批投料）1.1.机械消泡：（物理方法）机械消泡：（物理方法）利用机械振动或压力变化使泡沫破裂。利用机械振动或压力变化使泡沫破裂。罐内消泡罐内消泡:靠罐内消泡浆打碎泡沫。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。罐外消泡：靠喷嘴的加速作用消除泡沫。2.2.消泡剂消泡消泡剂消泡机理机理:降低液膜的机械强度降低液膜的机械强度 降低液膜的表面粘度降低液膜的表面粘度（1 1）天然油脂类：豆油、玉米油、棉子油、菜籽）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，油（还可作为碳源），用量大，0.1%0.1%0.2%0.2%。（2 2）聚醚类：又称泡敌，消泡能力为豆油的）聚醚类：又称泡敌，消泡能力为豆油的1010 2020倍，用量少，倍，用量少，0.02%-0.03%0.02%-0.03%。第六节第六节 发酵染菌及其防治发酵染菌及其防治一、染菌的检查、判断一、染菌的检查、判断 （一）观察法（一）观察法 1.1.菌体浓度（菌体浓度（ODOD值）异常（值）异常（OD:optical densityOD:optical density）2.2.溶解氧（溶解氧（DODO）异常）异常 3.pH 3.pH值异常值异常 4.4.泡沫过多泡沫过多（二）（二）镜检法镜检法（三）（三）平板划线培养法平板划线培养法（四）（四）酚红肉汤培养法酚红肉汤培养法二、发酵染菌的原因二、发酵染菌的原因 1.1.种子带菌种子带菌 2.2.空气带菌空气带菌 3.3.设备渗漏设备渗漏 4.4.培养基灭菌不彻底培养基灭菌不彻底 5.5.技术管理不善技术管理不善三、染菌情况分析三、染菌情况分析1.1.单罐染菌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。底、罐有渗漏、分过滤器失效。2.2.多罐染菌多罐染菌系统问题，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。有渗漏或灭菌不彻底。3.3.前期染菌前期染菌 种子带菌、培养基灭菌不彻底。种子带菌、培养基灭菌不彻底。4.4.中后期染菌中后期染菌 补料的料液灭菌不彻底或补料管道、阀门渗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。漏，一般不会是种子问题。四、噬菌体（四、噬菌体（phagephage）染菌及其防治）染菌及其防治（一）（一）phagephage的检查的检查 1.1.单层琼脂法单层琼脂法 2.2.双层琼脂法双层琼脂法 3.3.平板交叉划线法平板交叉划线法 4.4.液体培养检查法液体培养检查法（二）（二）phagephage的防治的防治 工艺角度工艺角度1.1.消灭环境中的消灭环境中的phagephage2.2.药物防治药物防治 菌种选育菌种选育1.1.轮换菌种轮换菌种2.2.选育抗选育抗phagephage的菌株的菌株