发酵过程的控制优秀PPT.ppt

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1、第七章 发酵过程的限制主要的限制参数n1、pH值（酸碱度）n2、温度n3、溶解氧浓度n4、基质含量n5、空气流量n6、压力n7、搅拌转速n8、搅拌功率n9、黏度n10、浊度n11、料液流量n12、产物的浓度n13、氧化还原电位n14、废气中的氧含量n15、废气中的CO 2含量n16、菌丝形态n17、菌体浓度 第一节 温 度 控 制n一、发酵热n伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热 n1、生物热n微生物在生长繁殖过程中，本身产生的热n2、搅拌热n Q搅拌=P 3061（kJ/h）n3、蒸发热nQ蒸发=qm（H出-H进），qm：空气流量；I：气体热焓；n4、辐射热nQ发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q

2、辐射n二、发酵热的测量及计算n发酵热的测定可接受以下几种方法：n利用热交换原理，测量确定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，依据n Q发酵=qvC（t2 t1）/V；n 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，m3n利用温度变更率：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，依据nQ发酵=（M1C1+M2C2）V；nM1：发酵液质量 kg M2：发酵罐质量kgnC1 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/hn热力学方法：n三、温度对微生物生长的影响n 不同微生物的生长对温度的要求不同，依据它们对温度的要求

3、大致可分为四类：n 嗜冷菌适应于026生长，嗜温菌适应于1543 生长，嗜热菌适应于3765 生长，嗜高温菌适应于65 以上生长 n影响酶的活性、影响细胞内各种反应速度n最低生长温度、最高生长温度、最适生长温度n在最适范围内生长速度随温度上升而增加，生长周期缩短n不同生长阶段的微生物对温度的反应不同n四、温度对发酵的影响n1、影响反应速度n2、温度影响酶系的组成及酶的特性n3、温度影响发酵的方向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，这种菌合成金霉素实力较强；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 4、温度还影

4、响基质溶解度n 在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸取。因此对发酵过程中的温度要严格限制。n五、最适温度的限制n1、依据菌种及生长阶段来选择n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。n如黑曲霉生长温度为37，n谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为3032 ，n青霉菌生长温度为30 。n2、依据培育条件选择、依据培育条件选择n温度选择还要依据培育条件综合考虑，敏捷选择。温度选择还要依据培育条件综合考虑，敏捷选择。n通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降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。低些，溶氧浓度也可髙些。n培育基淡薄时，温度也

5、该低些。因为温度高养分培育基淡薄时，温度也该低些。因为温度高养分利用快，会使菌过早自溶。利用快，会使菌过早自溶。n3、依据菌生长状况、依据菌生长状况n 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。培育条件适宜，长慢，维持较高温度时间可长些。培育条件适宜，如养分丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，如养分丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。以利于菌的生长。n 总的来说，温度的选择依据菌种生长阶段及培总的来说，温度的选择依据菌种生长阶段及培育条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温育条件综合考虑。要通过反复实践来定

6、出最适温度度例子1：利用热冲击处理技术来提高甘油的产量n背景：n（1）酵母在比常规发酵温度髙1020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。n（2）Lewis发觉热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力n（3）Toshiro发觉热冲击可使胞内3磷酸甘油脱氢酶的活力提高1525，并导致甘油产量提高n试验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量n正交条件A 冲击温度（）40，45，50n B 起先时机（h）8，16，30n C 冲击时间（分）15，30，60n结果发酵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，n（A）16h,45,

7、30minn（B）12h,45,30minn例子2：温度对透亮质酸发酵的影响及动力学模型n例子3：两阶段温度限制策略提高 L a c t o b a c i u s k e f i r a n o f a c i o n s n 发酵生产 K e f i r a n 其次节 pH 值 的 限制n一、pH值对菌体生长和代谢产物合成的影响n菌种不同，对pH要求不同n菌种相同，pH不同，形成的产物不同n菌种生长和发酵的最适pH不同，形成的产物不同pH对微生物生长繁殖和代谢产物形成影响的主要缘由：1、影响原生质膜的性质2、影响酶的活性3、影响养分物质和中间代谢产物的解离n二、影响pH值变更的因素n1、

8、基质代谢n（1）糖代谢 特殊是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标记之一n（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。n（3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降 2、产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变更。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。n三、发酵过程pH值的调整及限制n1、调整培育基的组分n2、在发酵过程中进行限制n添加CaCO3：n氨水流加法 n尿素流

9、加法 n3、通过补料调pHn4、当补料与调pH发生冲突时，加酸碱调pH例：例：配制不同初始配制不同初始pH的培育基，摇瓶考察发酵状况的培育基，摇瓶考察发酵状况pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响 不同pH限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限制pH值，“2”表示只加尿素限制，“3”表示CaC03和尿素联合限制pH值。异亮氨酸发酵异亮氨酸发酵 不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于75时，菌体易于老化，呈现球状；当pH值低于65时菌体同样受抑制，易于老化。而在72左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在69左右时，菌

10、体处于生长期，呈“八”字形态并占有确定的优势。pH6 pH69 9时，菌体生长旺盛，时，菌体生长旺盛，pH7.15pH7.15时，对菌体的产酸有利。时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。接受阶段因此，在发酵的产酸期产酸较高。接受阶段pHpH限制模式进行限制模式进行发酵，在发酵中前期限制发酵，在发酵中前期限制pH6.9pH6.9，到，到48h48h后后pHpH值为值为7.157.15，到，到80h80h后后pHpH值为值为7.257.25。产率。产率22.27g/L22.27g/L，产酸率提高，产酸率提高12.2312.23。第 三 节 泡 沫 的 控 制n一、泡沫的性质n1、泡沫

11、产生n通气搅拌；微生物代谢产生n2、泡沫带来的危害n削减发酵的有效容积n液体溢出，增加染菌机会n降低菌体利用率n影响通气搅拌 n3、泡沫的性质n 泡沫事实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。n二、发酵过程泡沫的变更n1、通气和搅拌的影响n2、培育基组成的影响n3、菌体的影响n三、化学消泡n优点：来源广泛、消泡效果好，作用快速牢靠，用量少，简洁实现自动限制n1、化学消泡机理n 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n2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类n（1）选用依据：n表面活性剂n对气-液界面的散布

12、系数必需足够大n无毒害性，且不影响发酵菌体；n不干扰各种测量仪表的运用；n在水中的溶解度较小n来源便利，成本低n（2）消泡剂种类：n自然油脂；n高碳醇、脂肪酸和酯类；n聚醚类；n硅酮类；n3、消泡剂的应用和增效作用n消泡剂+载体n复合消泡剂n消泡剂+乳化剂n四、机械消泡n 1、消泡机理n 靠机械猛烈振动、压力的变更，促使气泡裂开，或借机械力将排出气体中的液体加以分别回收n2、优点n节约原料，削减由于消泡剂所引起的污染机会n3、缺点n须要确定的设备和消耗确定的动力n不能从根本上消退引起泡沫稳定的因素n4、机械消泡装置的选择依据n动力小；n结构简洁；n易清洁；n运行牢靠；n维护费用低；n5、消泡方

13、式n（1）罐内消泡n耙式消泡浆的机械消泡n旋转圆板式的机械消泡n流体吹入式消泡n气体吹入管内吸引消泡n冲击反射板消泡n超声波消泡n碟片式消泡器的机械消泡n（2）罐外消泡n旋转叶片罐外消泡n喷雾消泡n离心力消泡n旋风分别器消泡n转向板消泡 第 四 节 补 料 的 控 制n补料培育（fedbatch culture，FBC）的优点:n1、可以解除底物抑止、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏n2、削减细胞对发酵液流变学的影响n3、限制细胞质量的手段n4、理论探讨的手段，为自动限制和最优限制供应试验基础n一、FBC的作用n1、可以限制抑制性底物的浓度n2、可以解除或减弱分解代谢物的阻遏n3、可以使发酵过程

14、最佳化n二、补料的内容n（1）补充微生物能源和碳源n（2）补充菌体所须要的氮源n（3）加入某些微生物生长或合成所须要的微量元素或无机盐n（4）加入某些诱导酶的作用底物n三、补料的原则n1、依据菌体本身的遗传特性、生长代谢规律n2、依据生产须要n四、补糖的限制n1、补糖的时间n与培育基中的碳源种类、用量、消耗速度、前期发酵条件、菌种特性、种子质量等有关n2、补糖的方式和限制指标n例：n方式A：12h补加 方式B：24h补加n方式C：12h起先，间隔8h 分4次补加n方式D：12h起先，间隔4h，分8次补加n五、补充氮源和无机盐n方式A：发酵24h，一次性补充酵母粉 0.3gn方式B：于12h、2

15、4h、36h分次补加0.1n方式C：从12h后，每隔4h补加，共8次n方式D：从24h后，每隔4h补加，共6次n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五节 菌体浓度与基质对发酵的影响n一、菌体浓度对发酵的影响n菌体浓度与菌体生长速率干脆相关n菌体浓度的大小影响产物的得率n 限制培育基中养分物质的含量来限制菌体浓度n二、基质对发酵的影响及限制n1、碳源对发酵的影响及限制n 不同碳源对毛霉产蛋白酶的影响n不同浓度麦芽糖对产酶的影响n2、氮源的种类和浓度对发酵的影响及限制n不同氮源对毛霉产蛋白酶的影响n3、磷酸盐浓度对发酵的影响及限制n思索题：n 温度对微生物的生长和发酵有何影响。n pH对微生物生长和代谢产物形成影响的缘由。