发酵过程工艺控制 (2)精选PPT.ppt
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1、发酵过程工艺控制第1页,此课件共36页哦一、一、发酵过程的测量参数发酵过程的测量参数通常把决定发酵过程状态的各种参数或变量分为通常把决定发酵过程状态的各种参数或变量分为物理参数、化学参数或生物参数。物理参数、化学参数或生物参数。物理参数物理参数:参数名称参数名称 单位单位 测定方法测定方法 意义及主要作用意义及主要作用温度温度 传感器传感器 维持生长、合成维持生长、合成罐压罐压 pa 压力表压力表 维持正压、增加溶氧维持正压、增加溶氧空气流量空气流量 m/h 传感器传感器 供氧、排出废气供氧、排出废气 搅拌转速搅拌转速 r/min 传感器传感器 物料混合物料混合搅拌功率搅拌功率 kw 传感器传
2、感器 反映搅拌情况反映搅拌情况粘度粘度 pa.s 粘度粘度 反映菌体生长反映菌体生长密度密度 g/cm 传感器传感器 反映发酵液性质反映发酵液性质装量装量 m,L 传感器传感器 反映发酵液数量反映发酵液数量浊度浊度 透光度透光度%传感器传感器 反映菌体生长情况反映菌体生长情况泡沫泡沫 传感器传感器 反映发酵代谢情况反映发酵代谢情况传质系数传质系数 1/h 间接计算或在线检测间接计算或在线检测 反映供氧情况反映供氧情况加糖速度加糖速度 kg/h 传感器传感器 反映好氧情况反映好氧情况加消泡剂速率加消泡剂速率 kg/h 传感器传感器 反映泡沫情况反映泡沫情况加中间体或前体速率加中间体或前体速率kg
3、/h传感器传感器 反映前体和基质利用情况反映前体和基质利用情况加其它基质速率加其它基质速率 kg/h 传感器传感器 反映基质利用情况反映基质利用情况第2页,此课件共36页哦化学参数:化学参数:参数名称参数名称 单位及测定方法单位及测定方法 意义及主要作用意义及主要作用 酸碱度酸碱度 pH 传感器传感器 反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况 溶氧溶氧 ppm 传感器传感器 反映氧的供给和消耗情况反映氧的供给和消耗情况 排气氧浓度排气氧浓度 pa 传感器传感器 了解好氧情况了解好氧情况 氧化还原电位氧化还原电位 mV 传感器传感器 反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况 溶解溶解CO2浓度浓度%饱和度饱和度
4、 传感器传感器 了解了解CO2对发酵的影响对发酵的影响 排气排气CO2浓度浓度%传感器传感器 了解菌的呼吸情况了解菌的呼吸情况总糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉总糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉 kg/m 取样取样 了解在发酵过程了解在发酵过程 中的变化中的变化前体或中间体浓度前体或中间体浓度 mg/ml 取样取样 产物合成情况产物合成情况氨基酸浓度氨基酸浓度 mg/ml 取样取样 了解氨基酸等含量变化情况了解氨基酸等含量变化情况矿物盐浓度矿物盐浓度 mol,%取样取样 了解这些离子含量对发酵的影响了解这些离子含量对发酵的影响第3页,此课件共36页哦生物参数:生物参数:参数名称参数名称 单位及测定方法单位及测定方
5、法 意义及主要作用意义及主要作用菌体浓度菌体浓度 g(DCW)/L 取样取样 了解生长情况了解生长情况菌体中菌体中RNA,DNA 含量含量 mg(DCW)/g 取样取样 了解生长情况了解生长情况菌体中菌体中ATP,ADP,AMP量量 mg(DCW)/g 取样取样 了解菌的能了解菌的能 量代谢情况量代谢情况菌体中菌体中NADH量量 mg(DCW)/g 在线荧光法在线荧光法 了解菌的合了解菌的合 成能力成能力菌体中蛋白质量菌体中蛋白质量 mg(DCW)/g 取样取样 了解生长和产物了解生长和产物 情况情况效价或产物浓度效价或产物浓度 g/mL 取样(传感器)取样(传感器)产物合成情况产物合成情况细
6、胞形态细胞形态 取样,离线取样,离线 了解生长情况了解生长情况第4页,此课件共36页哦发酵过程的发酵过程的主要控制参数主要控制参数1.1.pHpH值(酸碱度)值(酸碱度)值(酸碱度)值(酸碱度)2.2.温度(温度(温度(温度()3.3.溶解氧浓度溶解氧浓度溶解氧浓度溶解氧浓度4.4.基质含量基质含量基质含量基质含量5.5.空气流量空气流量空气流量空气流量6.6.压力压力压力压力7.7.搅拌转速搅拌转速搅拌转速搅拌转速8.搅拌功率搅拌功率9.粘度粘度10.浊度浊度11.料液流量料液流量12.产物浓度产物浓度13.氧化还原电位氧化还原电位14.废气中的氧含量废气中的氧含量15.废气中的废气中的CO
7、2含量含量16.菌丝形态菌丝形态17.菌体浓度菌体浓度第5页,此课件共36页哦二、二、温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制(一)(一)温度温度对发酵的影响对发酵的影响v微生物发酵所用的菌体绝大多数是微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌中温菌,如霉菌、放线菌,如霉菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在和一般细菌。它们的最适生长温度一般在2040。v在发酵过程中,需要维持适当的在发酵过程中,需要维持适当的温度温度,才能使菌体生长和代,才能使菌体生长和代谢产物的合成顺利进行。谢产物的合成顺利进行。v温度会影响各种温度会影响各种酶酶反应的速率,改变菌体代谢产物的反应的速率,改变菌体
8、代谢产物的合成方向合成方向,影响微生物的影响微生物的代谢调控代谢调控机制。影响发酵液的机制。影响发酵液的理化性质理化性质(对氧的对氧的溶解溶解),进而影响,进而影响发酵的动力学特性发酵的动力学特性和和产物的生物合成产物的生物合成。第6页,此课件共36页哦l四环素发酵中四环素发酵中,l 35,只产生四环素只产生四环素温度升高温度升高,气体在溶液中的溶解度,气体在溶液中的溶解度减小减小,氧传递,氧传递速率改变,影响基质的速率改变,影响基质的分解分解速率速率.温度升高温度升高,生长快生长快,反应速度快反应速度快,酶失活酶失活快快,菌体衰老菌体衰老快快,发酵提前结束发酵提前结束.第7页,此课件共36页
9、哦(二)影响发酵温度变化的因素(二)影响发酵温度变化的因素产热因素:产热因素:生物热(生物热(Q生物生物)、搅拌热()、搅拌热(Q搅拌搅拌)散热因素:散热因素:蒸发热(蒸发热(Q蒸发蒸发)、辐射热()、辐射热(Q辐射辐射)发酵热发酵热(Q发酵发酵)是发酵温度变化的主要因素)是发酵温度变化的主要因素,即发酵过程即发酵过程中释放出来的净热量中释放出来的净热量,以以J/(m3 h)为单位。为单位。Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射为了使发酵能在一定温度下进行,要设法进行控制。为了使发酵能在一定温度下进行,要设法进行控制。由于由于Q生物生物和和Q蒸发蒸发,特别是,特别是Q生物生物在发酵
10、过程中随时间变化,在发酵过程中随时间变化,因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化,引起发酵因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化,引起发酵温度发生波动。温度发生波动。第8页,此课件共36页哦l生物热生物热-微生物在生长繁殖过程中微生物在生长繁殖过程中,本身产生的大量本身产生的大量热热.培养基成分越丰富培养基成分越丰富,营养被利用的速度越快营养被利用的速度越快.搅拌热搅拌热-机械搅拌机械搅拌(增加溶解氧增加溶解氧增加溶解氧增加溶解氧)的动能以摩擦放热的方的动能以摩擦放热的方的动能以摩擦放热的方的动能以摩擦放热的方式式式式,使热量散发在发酵液中使热量散发在发酵液中.蒸发热蒸发热蒸发热蒸发热-通气时
11、,进入发酵罐的空气与发酵液可以进行通气时,进入发酵罐的空气与发酵液可以进行热交换,使温度下降热交换,使温度下降.并且空气带走了一部分水蒸气并且空气带走了一部分水蒸气并且空气带走了一部分水蒸气并且空气带走了一部分水蒸气,这些水这些水这些水这些水蒸气由发酵液中蒸发时,带走发酵液中的热量蒸气由发酵液中蒸发时,带走发酵液中的热量蒸气由发酵液中蒸发时,带走发酵液中的热量蒸气由发酵液中蒸发时,带走发酵液中的热量,也使温度下降。也使温度下降。也使温度下降。也使温度下降。被排出的水蒸气和空气夹带着部分显热被排出的水蒸气和空气夹带着部分显热被排出的水蒸气和空气夹带着部分显热被排出的水蒸气和空气夹带着部分显热(Q
12、(Q显显)散失到罐外的散失到罐外的热量称为蒸发热热量称为蒸发热.辐射热辐射热辐射热辐射热-因发酵罐温度与罐外温度不同,即存在着温差,发因发酵罐温度与罐外温度不同,即存在着温差,发因发酵罐温度与罐外温度不同,即存在着温差,发因发酵罐温度与罐外温度不同,即存在着温差,发酵液中有部分热量通过罐壁向外辐射,这些热量称为辐射热酵液中有部分热量通过罐壁向外辐射,这些热量称为辐射热酵液中有部分热量通过罐壁向外辐射,这些热量称为辐射热酵液中有部分热量通过罐壁向外辐射,这些热量称为辐射热.第9页,此课件共36页哦(三)温度的控制(三)温度的控制1.最适温度的选择最适温度的选择2.温度的控制温度的控制在生长阶段,
13、应选择在生长阶段,应选择最适生长温度最适生长温度;在产物分泌阶段,应选择在产物分泌阶段,应选择最适生产温度最适生产温度。例如例如:青霉素产生菌青霉素产生菌生长的最适温度为生长的最适温度为30,但但产生青霉素的最适温度是产生青霉素的最适温度是2020.看生长与生物合成哪一个是主要方面看生长与生物合成哪一个是主要方面.v工业生产上,所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热,因发酵中释放了工业生产上,所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热,因发酵中释放了大量的发酵热,大量的发酵热,需要冷却需要冷却的情况较多。的情况较多。v利用自动控制或手动调整的阀门,将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中,通过热交换
14、利用自动控制或手动调整的阀门,将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中,通过热交换来降温,保持恒温发酵。来降温,保持恒温发酵。v如果气温较高(特别是我国南方的夏季气温),冷却水的温度又高,就如果气温较高(特别是我国南方的夏季气温),冷却水的温度又高,就可采用可采用冷冻盐水进行循环式降温,冷冻盐水进行循环式降温,以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站,提高冷冷冻站,提高冷却能力,以保证在正常温度下进行发酵。却能力,以保证在正常温度下进行发酵。第10页,此课件共36页哦三、三、pH值对发酵的影响及其控制值对发酵的影响及其控制(一)(一)pH值对发酵的影响值对发
15、酵的影响1、影响、影响酶的酶的活性,当活性,当pH值抑制菌体值抑制菌体中某些酶的活性时,会阻碍菌体的中某些酶的活性时,会阻碍菌体的新陈代谢;新陈代谢;第11页,此课件共36页哦2、影响微生物细胞膜所带、影响微生物细胞膜所带电荷电荷的状态,改的状态,改变细胞膜的变细胞膜的通透性通透性,影响微生物对营养,影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄物的吸收和代谢产物的排泄3、pH影响培养基中某些组分的影响培养基中某些组分的解离解离,进而,进而微生物对这些成分的吸收、利用微生物对这些成分的吸收、利用第12页,此课件共36页哦4、pH值不同,往往引起菌体值不同,往往引起菌体代谢过程代谢过程的的不同,使代谢
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