发酵过程控制与优化课件.pptx

本章讲述的内容本章讲述的内容第一节第一节 发酵过程技术原理发酵过程技术原理第二节第二节 发酵条件的影响及其控制发酵条件的影响及其控制第三节第三节 泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制第四节第四节 发酵终点的判断与自溶监测发酵终点的判断与自溶监测第五节第五节 发酵染菌的防治及其处理发酵染菌的防治及其处理第1页/共106页5.1 5.1 发酵过程技术原理发酵过程技术原理 代谢变化代谢变化:就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。成速率三者间的关系。目的：目的：了解生产菌种在具有合适的培养基、了解生产菌种在具有合适的培养基、pHpH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。第2页/共106页发酵过程按进行过程有三种方式：发酵过程按进行过程有三种方式：分批发酵分批发酵(Batch fermentation)补料分批发酵补料分批发酵(Fed-batch fermentation)连续发酵连续发酵(Continuous fermentation)第3页/共106页1 1.分批发酵的定义分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制制pHpH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。一、一、分批发酵分批发酵第4页/共106页2.分批发酵的特分批发酵的特点点 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。第5页/共106页优点优点操作简单；操作简单；操作引起染菌的概率低。操作引起染菌的概率低。不会产生菌种老化和变异等问题。不会产生菌种老化和变异等问题。缺点缺点非生产时间较长、设备利用率低。非生产时间较长、设备利用率低。3.分批发酵的优缺分批发酵的优缺点点第6页/共106页4 4.分批发酵的生长曲分批发酵的生长曲线线单细胞微生物第7页/共106页5.分批发酵的类型分批发酵的类型 Pirets fermentation classification（按照产物生成与菌体生长是否同步（按照产物生成与菌体生长是否同步）生长关联型生长关联型(第一类型）第一类型）生长无关联型（第二，三类型）生长无关联型（第二，三类型）第8页/共106页二、补料分批发酵二、补料分批发酵 1.定义定义:补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。第9页/共106页2.补料分批发酵的优缺点补料分批发酵的优缺点优点优点使发酵系统中维持很低的基质浓度；使发酵系统中维持很低的基质浓度；不会产生菌种老化和变异等问题。不会产生菌种老化和变异等问题。缺点缺点存在一定的非生产时间；存在一定的非生产时间；和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。第10页/共106页3.补料分批发酵的类型补料分批发酵的类型补料方式补料方式连续流加连续流加不连续流加不连续流加多周期流加多周期流加补料成分补料成分单一组分流加单一组分流加多组分流加多组分流加控制方式控制方式反馈控制反馈控制无反馈控制无反馈控制第11页/共106页三、连续发酵三、连续发酵 1 1.定义定义 ：培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的浓度、恒定的pHpH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。下生长的发酵方式。第12页/共106页2.连续发酵的优缺连续发酵的优缺点点优点优点能维持低基质浓度；能维持低基质浓度；可以提高设备利用率和单位时间的产量；可以提高设备利用率和单位时间的产量；便于自动控制。便于自动控制。缺点缺点菌种发生变异的可能性较大菌种发生变异的可能性较大；要求严格的无菌条件。要求严格的无菌条件。第13页/共106页3.连续发酵的类型连续发酵的类型恒化培养：恒化培养：使培养基中限制性基质的浓度保持恒定。使培养基中限制性基质的浓度保持恒定。恒浊培养：恒浊培养：使培养基中菌体的浓度保持恒定。使培养基中菌体的浓度保持恒定。第14页/共106页4.连续发酵的代谢曲线连续发酵的代谢曲线 从分批培养出发，无论在哪从分批培养出发，无论在哪个时候开始加入新鲜培养基过渡个时候开始加入新鲜培养基过渡到连续操作，达到一定的菌体浓到连续操作，达到一定的菌体浓度及限制基质浓度则培养系统一度及限制基质浓度则培养系统一定能成为稳定状态。定能成为稳定状态。第15页/共106页5.2 5.2 发酵条件的影响及其控发酵条件的影响及其控制制 发酵条件控制的目的：就是要为生发酵条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。要的代谢活动得以最充分的表达。第16页/共106页一、温度对发酵的影响及控制一、温度对发酵的影响及控制1.影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素 产热因素：生物热，搅拌热。产热因素：生物热，搅拌热。散热因素：蒸发热，辐射热。散热因素：蒸发热，辐射热。发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射第17页/共106页 生物热：生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为被分解为CO2,NH3时释放出的大量能量。时释放出的大量能量。用途：用途：合成高能化合物，合成高能化合物，供微生物生命代谢活动供微生物生命代谢活动 热能散发热能散发 影响生物热的因素：影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。强度有对应关系。第18页/共106页 实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。新陈代谢十分旺盛。1、抗生素相对活性为12、抗生素相对活性为0.5发酵过程中生物热的变化发酵过程中生物热的变化第19页/共106页 搅拌热：搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热而产生的热。蒸发热：蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。蒸发热。辐射热：辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的一般不超过发酵热的5%。第20页/共106页发酵热的测定发酵热的测定（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热。热。第21页/共106页（2）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率率S，按下式可求得发酵热：按下式可求得发酵热：第22页/共106页影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响发酵液的物理性质影响发酵液的物理性质影响生物合成的方向。影响生物合成的方向。例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于30 30 温度下，该菌种合成温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达金霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达3535则只产生四则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。环素而金霉素合成几乎停止。2 温度对发酵的影响温度对发酵的影响 第23页/共106页 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。最适发酵温度的选择最适发酵温度的选择在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。定好。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择还应考虑培养基成分和浓度温度的选择还应考虑培养基成分和浓度3 3 最适温度的确定最适温度的确定第24页/共106页 发酵罐：夹套（发酵罐：夹套（10 M3以下以下）盘管（蛇管）盘管（蛇管）（10 M3以上以上）4 温度的控制温度的控制第25页/共106页二、二、pH对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制 发酵过程中培养液的发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。尽管多数微生物能在尽管多数微生物能在34个个pH单位的单位的pH范范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保在很窄的范围内保持恒定。持恒定。第26页/共106页1.pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响影响pH影响酶的活性影响酶的活性pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态影响微生物细胞膜所带电荷的状态pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变的质量和比例发生改变第27页/共106页2.发酵过程中发酵过程中pH的变化的变化v生长阶段生长阶段v生成阶段生成阶段v自溶阶段自溶阶段第28页/共106页v碳源过量碳源过量v消泡油添加过量消泡油添加过量v生理酸性物质的存在生理酸性物质的存在3 引起引起pH下降的因素下降的因素第29页/共106页v氮源过多氮源过多v生理碱性物质的存在生理碱性物质的存在v中间补料，碱性物质添加过多中间补料，碱性物质添加过多4 引起引起pH上升的因素上升的因素第30页/共106页 原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。据实验结果确定。最适最适pHpH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pHpH范范围。围。5 最适最适pH的选择的选择第31页/共106页v调节基础培养基的配方调节基础培养基的配方v调节碳氮比（调节碳氮比（C/NC/N）v添加缓冲剂添加缓冲剂v补料控制补料控制直接加酸加碱直接加酸加碱补加碳源或氮源补加碳源或氮源6 pH的控制的控制第32页/共106页n大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：C6H 12O6 十十6O26H2O十十6CO2 n只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。n氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右倍左右(氧在水中氧在水中的饱和度约为的饱和度约为l0mg/L)。许多发酵的生产能力受到氧利用许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。三、氧对发酵的影三、氧对发酵的影响响第33页/共106页1 发酵过程的溶氧变发酵过程的溶氧变化化发酵前期：发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降。需氧超过供氧，溶氧明显下降。发酵中后期：发酵中后期：溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等。数量、时机和方式等。发酵后期：发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升。一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升。第34页/共106页2 溶氧的控制溶氧的控制调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍）调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍）限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。菌体生长率和呼吸率。第35页/共106页四、四、CO2对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制 CO2是微生物的代谢产物，同时也是某是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢的基质。它是细胞代谢的重要指些合成代谢的基质。它是细胞代谢的重要指标。在发酵过程中，标。在发酵过程中，CO2有可能对发酵有促有可能对发酵有促进作用，也有可能有抑制作用。进作用，也有可能有抑制作用。第36页/共106页1 1.COCO2 2对发酵的影对发酵的影响响 CO2对菌体具有抑制作用，当排气中对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度的浓度高于高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中发酵液中CO2的浓度达到的浓度达到1.610-1mol，就会严重抑制就会严重抑制酵母的生长；当进气口酵母的生长；当进气口CO2的含量占混合气体的的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低时，酵母活力与对照相比降低20%。第37页/共106页CO2对发酵也有影响对发酵也有影响对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含中要含5%的的CO2。对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制影响发酵液的酸碱平衡影响发酵液的酸碱平衡第38页/共106页l CO2及及HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。l培养液中的培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位。主要作用于细胞膜的脂质核心部位。lHCO3-影响细胞膜的膜蛋白。影响细胞膜的膜蛋白。2.CO2对发酵影响的机对发酵影响的机理理第39页/共106页3.CO2的控制的控制CO2在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律。它的大小受到许多因素的影响，一定的规律。它的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。在发酵气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。第40页/共106页五、培养基对发酵的影响发酵培养基必需满足微生物的能量、元素及特殊养分的需求：碳源、氮源、矿物质、特殊养分（嘌呤、嘧啶）基质浓度对发酵的影响：低浓度有诱导作用，高浓度会起分解代谢物阻遏作用；培养基过于丰富中，会使菌体生长过盛，发酵液黏稠，影响传质。第41页/共106页六、种子质量、灭菌情况接种种领、接种量灭菌时间越长，对培养基中养分破坏越大。七、加糖补料对发酵的影响第42页/共106页5.3 5.3 发酵过程中的泡沫及其控发酵过程中的泡沫及其控制制1 1.泡沫的性质泡沫的性质 泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。第43页/共106页l一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。体之间有能分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。l另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。下而上地逐渐增加。2 泡沫的类型泡沫的类型第44页/共106页l由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；l发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。3 泡沫产生的原因泡沫产生的原因第45页/共106页v降低发酵设备的利用率降低发酵设备的利用率v增加了菌群的非均一性增加了菌群的非均一性v增加了染菌的机会增加了染菌的机会v导致产物的损失导致产物的损失v消泡剂会给后提取工序带来困难消泡剂会给后提取工序带来困难4 4 泡沫对发酵的不利影响泡沫对发酵的不利影响第46页/共106页v通气与搅拌的强度通气与搅拌的强度v培养基的配比及原材料组成培养基的配比及原材料组成v培养基的破坏程度培养基的破坏程度v接种量的大小接种量的大小v培养液本身性质的变化培养液本身性质的变化v培养基灭菌的方法和操作培养基灭菌的方法和操作v染菌染菌5 5 影响泡沫稳定的因素影响泡沫稳定的因素第47页/共106页不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同搅拌速度和通气量对泡沫影响第48页/共106页不同浓度蛋白质原科的起泡作用不同浓度蛋白质原科的起泡作用第49页/共106页灭菌时间对泡沫稳定性的影响灭菌时间对泡沫稳定性的影响 第50页/共106页6 6 发酵过程泡沫的变化发酵过程泡沫的变化第51页/共106页7 发酵过程泡沫控制的方法发酵过程泡沫控制的方法物理消沫法物理消沫法化学消沫法化学消沫法第52页/共106页物理消泡法物理消泡法方方 法法:罐内消沫法罐内消沫法,罐外消沫法。罐外消沫法。原原 理理:靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。优优 点：不需要引进外界物质、节省原材料、减少污点：不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会。染机会。缺缺 点：不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。点：不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。第53页/共106页化学消泡法化学消泡法 机机 理理n当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲或加入某些具有强极性的物质以降低泡沫的机械强曲或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液与发泡剂争夺液 膜上的空间，降低液膜强度，使泡膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。沫破裂。n当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。液膜的液体流失，导致泡沫破裂。第54页/共106页选择消泡剂的依据选择消泡剂的依据对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成。对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成。消泡作用迅速，效果高和持久性能好消泡作用迅速，效果高和持久性能好能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物。能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物。不影响以后的提取过程。不影响以后的提取过程。消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单。消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单。不干扰分析系统，如溶解氧、不干扰分析系统，如溶解氧、pHpH测定仪的探头。测定仪的探头。最好还能做到不影响氧的传递。最好还能做到不影响氧的传递。第55页/共106页消泡剂的种类和性能消泡剂的种类和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌又称泡敌)。高级醇类高级醇类 十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体起使用。据报导，它与冷榨起使用。据报导，它与冷榨猪油一起控制青男素发酵的泡沫，效果较好。聚二酵具有消沫效果持久的特点，尤其猪油一起控制青男素发酵的泡沫，效果较好。聚二酵具有消沫效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。适用于霉菌发酵。硅酮类硅酮类 硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。第56页/共106页5.4 发酵终点的判断与自溶监测发酵终点的判断的意义：保证产品质量，提高经济效益；追求提高产率（kg产物m3发酵液)h，得率（转化率）（kg产物 kg基质）和发酵系数（kg产物 m3罐容积）h发酵周期 第57页/共106页一、发酵终点的判断合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的生产率和产品成本，采用生产率高而成本又低的时间，作为放罐时间。确定合理放罐时间，需考虑下列几个因素：经济因素、产品质量因素、特殊因素。第58页/共106页二、判断放罐指标产物浓度、过滤速度、氨基氮、菌丝形态，pH、培养液的外观、粘度第59页/共106页无论是初级代谢产物或次级代谢产物发酵，到了末期，菌体的分泌能力都要下降，使产物的生产能力下降或停止，有的生产菌在发酵末期，营养耗尽，菌体衰老而进入自溶，释放出体内的分解酶会破坏已形成的产物。第60页/共106页 菌体自溶：菌体自溶：微生物因营养的缺乏或处在不利的生长环境下受其自身作用开始裂解的过程。造成自溶的因素有：化学物质，如高浓度的乙醇、碳氮源或氧的缺乏。第61页/共106页5.5 染菌的防治及处理染菌的途径：种子包括进罐前菌种室阶段出问题;培养基的配制和灭菌不彻底;空气带菌；设备上特别空气除菌不彻底和过程控制；操作上的疏漏。第62页/共106页染菌对发酵的影响 1、对产品质量的影响 染菌的发酵液含有较多的蛋白质和其它杂质，影响产品纯度；不易澄清，影响产品的外观。2、对过滤的影响 发酵液的粘度加大；菌体大多自溶；造成过滤时间拉长，影响设备的周转使用，3、对提取的影响 染菌的发酵液含有更多的水溶性蛋白质，易发生乳化，不易提取；杂菌易粘附，纯化困难。第63页/共106页 4、由于泡沫大量生成，致使培养液的容量一般只能等于种子罐容量的一半左右，大大影响了设备的利用率，甚至发生跑料，招致染菌，造成巨大损失。n防治措施分析原因，具体解决。第64页/共106页 作 业什么是分批发酵、补料分批发酵和连续发酵，它们各有何优缺点？发酵过程中引起发酵液pH变动的原因有哪些？染菌对发酵有何影响，可能的途径是什么？发酵终点的放罐时间如何确定，需考虑哪些因素？第65页/共106页 第六章第六章 发酵过程的参数检测发酵过程的参数检测物理参数物理参数化学参数化学参数生物参数生物参数第66页/共106页一、物理参数一、物理参数1 1.温度温度 指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。温度的高低与下列参数有密切关系温度的高低与下列参数有密切关系l发酵中的酶反应速度发酵中的酶反应速度l菌体生长速度，产物合成速度菌体生长速度，产物合成速度l氧在培养液中的溶解度，传递速度氧在培养液中的溶解度，传递速度第67页/共106页发酵罐维持的压力。发酵罐维持的压力。l罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培养。纯种培养。l罐压的高低与氧，罐压的高低与氧，CO2在培养液中的溶解度有关，间在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。接影响菌体代谢。l罐压一般维持在罐压一般维持在0.20.5公斤。公斤。2.压力压力第68页/共106页 3.搅拌转速搅拌转速是指搅拌器在发酵是指搅拌器在发酵罐中转动速度。罐中转动速度。搅搅拌拌转转速速大大小小与与发发酵酵液液的的均均匀匀性性和和氧氧在在发发酵酵液液中中的的传传递递速率有关。速率有关。发酵罐的容积发酵罐的容积(L)搅拌转速范围搅拌转速范围(r/min)3200200010200120030150100050100800200504005005030010000252005000025160第69页/共106页指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。一般控制在一般控制在0.11.0 vvm之间。之间。4 4 空气流量空气流量第70页/共106页粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。在发酵过程中通常用表观粘度表示。在发酵过程中通常用表观粘度表示。粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可表示相对菌体浓度。粘度的大小可表示相对菌体浓度。5 粘度粘度第71页/共106页能及时反映单细胞生长状况。能及时反映单细胞生长状况。6 浊度浊度第72页/共106页二、化学参数二、化学参数1 pH发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综合结果，与菌体生长和产物合成有重要发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综合结果，与菌体生长和产物合成有重要的关系的关系。pH的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。第73页/共106页指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的浓度。指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的浓度。基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。2 基质浓度基质浓度第74页/共106页氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质。最终电子受体，也是合成某些产物的基质。利用利用DODO浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。3 溶解氧（溶解氧（DO）浓度浓度第75页/共106页 培养基氧化还原电位是影响微生物生长及培养基氧化还原电位是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。其生化活性的因素之一。4 4 氧化还原电位氧化还原电位第76页/共106页 是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。周期长短的根据。5.产物浓度产物浓度 第77页/共106页尾气中尾气中O O2 2浓度与生产菌的摄氧率和浓度与生产菌的摄氧率和K KLaLa有关。有关。尾气中尾气中COCO2 2是产生菌呼吸放出的是产生菌呼吸放出的COCO2 2 。从尾气中从尾气中O O2 2和和COCO2 2浓度的含量可以算出产生菌的摄氧率、浓度的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力。从而了解产生菌的呼吸代谢呼吸商和发酵罐的供氧能力。从而了解产生菌的呼吸代谢规律。规律。6.尾气尾气O2浓度和浓度和CO2浓度浓度第78页/共106页 菌体菌体RNA,DNARNA,DNA含量，以及含量，以及ATP,ADP,AMPATP,ADP,AMP体系，体系，NAD(P)-NAD(P)HNAD(P)-NAD(P)H体系。分别表示菌体生体系。分别表示菌体生长情况，能量代谢能力，生物合成能力。长情况，能量代谢能力，生物合成能力。7.其它参数其它参数第79页/共106页三、生物参数三、生物参数1.菌（丝）体浓度（生物量菌（丝）体浓度（生物量biomass）菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有影菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有影响，特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵，菌体响，特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵，菌体浓度与培养液的粘度，浓度与培养液的粘度，DO都有关。都有关。第80页/共106页四、间接参数四、间接参数 根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比算出菌体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率。消耗速率和产物比生产速率。第81页/共106页摄氧率摄氧率r：单位体积培养液每小时所消耗的氧量（单位体积培养液每小时所消耗的氧量（mmol/L.h）1 1.摄氧率摄氧率第82页/共106页呼吸强度呼吸强度QO2：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量（量（mmol/g.h）2.呼吸强度呼吸强度第83页/共106页呼吸商呼吸商RQ：发酵过程中氧的消耗比速与二氧化碳发酵过程中氧的消耗比速与二氧化碳生成比速的商生成比速的商 3.呼吸商呼吸商第84页/共106页参数名称参数名称单位单位测试方法测试方法意义、主要作用意义、主要作用温度温度罐压罐压空气流量空气流量搅拌转速搅拌转速搅拌功率搅拌功率粘度粘度浊度浊度泡沫泡沫体积氧传质系数体积氧传质系数KLa CPaV/V.minR/minKWPa.s透光度透光度 l/h 传感器传感器压力表压力表传感器传感器传感器传感器传感器传感器粘度计粘度计传感器传感器传感器传感器间接计算间接计算 维持生长、合成维持生长、合成维持正压、增加溶氧维持正压、增加溶氧供氧、排泄废气、提高供氧、排泄废气、提高KLa物料混合、提高物料混合、提高KLa反映搅拌情况、反映搅拌情况、KLa反映菌的生长、反映菌的生长、KLa反映菌的生长情况反映菌的生长情况反映发酵代谢情况反映发酵代谢情况反映供氧效率反映供氧效率 物理参数物理参数第85页/共106页参数名称单位测试方法意义、主要作用pH基质浓度基质浓度溶解氧浓度溶解氧浓度氧化还原电位氧化还原电位产物浓度产物浓度尾气氧浓度尾气氧浓度尾气尾气CO2浓度浓度菌体浓度菌体浓度RNA、DNA含量含量ATP、ADP、AMPNADH含量含量摄氧率摄氧率呼吸强度呼吸强度呼吸商呼吸商比生长速率比生长速率 g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌菌.h1/h 传感器传感器取样取样传感器传感器传感器传感器取样取样传感器传感器传感器传感器取样取样取样取样取样取样取样取样间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算 了解生长和产物合成了解生长和产物合成了解生长和产物合成了解生长和产物合成反映氧供需情况反映氧供需情况反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况产物合成情况产物合成情况了解耗氧情况了解耗氧情况了解菌的呼吸情况了解菌的呼吸情况了解生长情况了解生长情况了解生长情况了解生长情况了解能量代谢活力了解能量代谢活力了解菌的合成能力了解菌的合成能力了解耗氧速率了解耗氧速率了解比耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代谢途径了解菌的代谢途径了解生长了解生长 化学、生物参数化学、生物参数第86页/共106页目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、转速、pHpH、溶氧、基质浓度、菌体浓度溶氧、基质浓度、菌体浓度(干重、离心压干重、离心压缩细胞体积缩细胞体积%)%)等。等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的O O2 2和和COCO2 2含量等。含量等。参数测定方法有：参数测定方法有：在线测定在线测定取样测定（离线测定）取样测定（离线测定）第87页/共106页参数在线测定的优点及问参数在线测定的优点及问题题优点：优点：主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制。便于用计算机控制。问题：问题：发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三相，发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三相，即液、气、固体不溶物或油；即液、气、固体不溶物或油；发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难。各种传感器的制造带来很大的困难。第88页/共106页发酵工业用的传感器应满足的要求发酵工业用的传感器应满足的要求 1)传感器能经受高压蒸汽灭菌；传感器能经受高压蒸汽灭菌；2)传感器及其二次仪表具有长期稳定性；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；3)最好能在过程中随时校正；最好能在过程中随时校正；4)探头材料不易老化，使用寿命长；探头材料不易老化，使用寿命长；5)探头安装使用和维修方便；探头安装使用和维修方便；6)解决探头敏感部位被物料解决探头敏感部位被物料(反应液反应液)粘住、堵塞问题；粘住、堵塞问题；7)价格合理，便于推广应用。价格合理，便于推广应用。第89页/共106页第四节第四节 发酵过程的自动控制发酵过程的自动控制发酵过程的自动控制是根据过程变量的有效测量和对发酵发酵过程的自动控制是根据过程变量的有效测量和对发酵过程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和计算机组成过程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和计算机组成的控制器，控制一些发酵的关键变量，达到控制发酵过程的控制器，控制一些发酵的关键变量，达到控制发酵过程的目的。包括三方面