第八章发酵工艺的控制.ppt

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1、第八章第八章 发酵工艺控制发酵工艺控制思考题思考题n n发酵过程中需要控制的参数有哪些？n n分析发酵过程中产生泡沫的原因及对发酵过程的影响。n npH对发酵的影响表现在哪些方面？发酵过程的pH控制可以采取哪些措施？培养工艺的控制方法培养工艺的控制方法n npH值值n n温度温度n n氧氧n n种龄种龄n n接种量接种量pH值对发酵过程的影响值对发酵过程的影响微生物细胞生长最适微生物细胞生长最适pHn n微生物的正常生长需要一定的pH值，不同微生物对pH值的要求也不同。大多数细菌的最适pH值为6.5-7.5；霉菌的最适pH值为4.0-5.8；酵母的最适pH值为3.8-6.0；放线菌的最适pH值

2、为6.5-8.0。pH值对发酵过程的影响值对发酵过程的影响n n代谢产物生成的最适代谢产物生成的最适pHn npHpH值不仅影响微生物的生长，还会影响到代谢产值不仅影响微生物的生长，还会影响到代谢产物的形成。对于同一种微生物，由于物的形成。对于同一种微生物，由于pHpH值不同，值不同，形成的产物也会不同。例如，形成的产物也会不同。例如，黑曲霉在黑曲霉在黑曲霉在黑曲霉在pHpH值值值值2-32-3的的的的情况下，产物是柠檬酸，而情况下，产物是柠檬酸，而情况下，产物是柠檬酸，而情况下，产物是柠檬酸，而pHpH值接近中性时，生值接近中性时，生值接近中性时，生值接近中性时，生成草酸成草酸成草酸成草酸。

3、pH值对发酵过程的影响值对发酵过程的影响pH值对微生物生长和代谢产物形成产生影响值对微生物生长和代谢产物形成产生影响1 1）pHpH值影响微生物细胞值影响微生物细胞原生质膜的电荷原生质膜的电荷原生质膜的电荷原生质膜的电荷，引起原生，引起原生质膜对个别离子渗透性的改变，从而影响到微生物质膜对个别离子渗透性的改变，从而影响到微生物对营养物质的吸收和代谢产物的渗漏。对营养物质的吸收和代谢产物的渗漏。2 2）pHpH值会直接影响到微生物细胞内的值会直接影响到微生物细胞内的酶活性酶活性酶活性酶活性3 3）pHpH值会影响到培养基中某些重要的值会影响到培养基中某些重要的营养物质和中营养物质和中营养物质和中

4、营养物质和中间代谢产物的解离间代谢产物的解离间代谢产物的解离间代谢产物的解离，从而影响到对这些物质的吸收，从而影响到对这些物质的吸收和利用。和利用。发酵过程发酵过程pH的调控的调控n n微微生生物物的的生生长长繁繁殖殖或或产产物物的的合合成成往往往往需需要要一一定定的的pHpH环环境境，在在最最适适pHpH值值下下有有利利于于加加快快各各种种酶酶的的反反应应。因因此此在在整整个个发发酵酵过过程程中中应应使使培培养养基基的的pHpH适适合于微生物生长或产物合成所需。合于微生物生长或产物合成所需。pH值值的控制方法的控制方法n1.在配制培养基时考虑所用营养物质的组成成分，使其pH值适合该微生物生长

5、或合成代谢产物的需要。n2.在发酵过程中根据pH值的变化可用流加氨水的方法来解决。同时又把氨水作为氮源来供给。pH值值的控制方法的控制方法n3.控制pH最常用的方法是在培养基中添加具有一定缓冲能力的物质作为营养物，如以磷酸盐作为磷的成分；避免使用容易产生生理酸性或碱性物质，如生理酸性铵盐作为氮源，由于NH4+被利用后剩余大量酸根，引起发酵液的pH下降。pH值值的控制方法的控制方法n4、以尿素作为氮源进行流加控制pH，是目前国内味精厂普遍采用的方法。当流加尿素后，尿素被微生物的脲酶分解放出氨，使pH上升，氨被微生物利用和形成代谢产物后，使pH下降，再次反复流加就可维持一定的pH值。温度对发酵过程

6、的影响及控制温度对发酵过程的影响及控制n n任任何何微微生生物物的的生生长长都都需需要要有有最最适适的的生生长长温温度度，在在此温度范围内微生物生长繁殖最快。此温度范围内微生物生长繁殖最快。n如果所培养的微微生生物物能能承承受受稍稍高高一一些些的的温温度度进行生长和繁殖，这对生产有很大的好处，即可减少污染杂菌的机会，也可以减少夏季培养所需降温的辅助设备，因此培养耐高温的菌种有一定的生产现实意义。温度对发酵过程的影响温度对发酵过程的影响n1、温度对微生物的影响，不仅表现为对微生物表面的作用，对微生物内部的所有结构物质都有作用。n2、温度对酶的影响，酶很容易受热失活，温度越高，失活越快，从而影响发

7、酵过程的最终产物产量。温度对发酵过程的影响温度对发酵过程的影响n3、温度可以通过改变培养液的物理性质，间接影响微生物细胞的生长，如，溶解氧浓度。n4、温度影响到微生物的生物合成方向，温度低于温度低于30度，金色链霉菌生成金霉素度，金色链霉菌生成金霉素，温度高于温度高于35度，度，金色链霉菌生成四环素金色链霉菌生成四环素。温度对发酵过程的影响及控制温度对发酵过程的影响及控制n n发酵热发酵热发酵热发酵热：发酵过程中释放出来的引起温度变化的：发酵过程中释放出来的引起温度变化的净热量，包括生物热、搅拌热、蒸发热和辐射热。净热量，包括生物热、搅拌热、蒸发热和辐射热。温度对发酵过程的影响及控制温度对发酵

8、过程的影响及控制n生物热生物热：微生物细胞在生长繁殖过程中本身产生的大量热称为生物热。培养基中碳水化合物、脂肪和蛋白质等被利用后，分解成CO2、NH3、水和其他物质时释放出大量生物热，部分用于合成细胞内的高能化合物，供微生物细胞合成和代谢活动需要，部分用于合成代谢产物外，其余以热的形式散发出来。温度对发酵过程的影响及控制温度对发酵过程的影响及控制n搅拌热搅拌热：对于机械搅拌通气式发酵罐，由于机械搅拌带动液体作比较剧烈的运动，造成液体之间、液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生大量的热量。搅拌热与搅拌功率有关：nQ搅拌热=P3601nP-发酵罐的搅拌功率（kw）n3601-机械能转变为热能的热功当量

9、（kJ/kw h）温度对发酵过程的影响及控制温度对发酵过程的影响及控制n蒸发热蒸发热：发酵过程中被空气和蒸发的水分带走的热量称为蒸发热。nQ蒸发=G（I出-I进）nG-通入发酵罐的空气流量（kg干空气/h）nI出、I进-发酵罐排气、进气的热焓（kJ/kg干空气）温度对发酵过程的影响及控制n辐射热辐射热：是指因发酵罐温度与罐外环境温度不同，而使发酵液通过罐体向外辐射的热量。辐射热的大小取决于发酵罐内外的温度差的大小，受环境温度变化的影响。温度对发酵过程的影响及控制温度对发酵过程的影响及控制nQ发酵发酵=Q生物生物+Q搅拌搅拌-Q蒸发蒸发-Q辐射辐射n发酵是一个复杂的生化过程，底物和生成物很多，但

10、是发酵热的计算以主要的物质即在反应中起决定作用的物质来近似计算。发酵过程温度的控制发酵过程温度的控制n在生产上，为了使发酵温度控制在一定的范围，常在发酵设备上装有热交换设备，例如采用夹套、排管或蛇管进行调温，冬季发酵时空气还需要进行加热。发酵过程中溶解氧的控制发酵过程中溶解氧的控制n n由由于于依依赖赖获获得得能能量量的的代代谢谢方方面面的的差差异异，微微生生物物对对氧氧的的需需要要也也存存在在不不同同。好好气气菌菌主主要要是是有有氧氧呼呼吸吸，厌厌气气菌为厌气发酵，兼性厌气菌则两者兼而有之。菌为厌气发酵，兼性厌气菌则两者兼而有之。n n不不同同微微生生物物或或同同一一微微生生物物的的不不同同

11、生生长长阶阶段段对对通通风风量量的要求也不相同。的要求也不相同。n n呼吸商（呼吸商（Respiratory quotient,RQ）通风和搅拌通风和搅拌n通气量与菌种、培养基性质、培养阶段菌种、培养基性质、培养阶段有关。n通气量的多少，最好按溶解氧的多少来决定。只有氧溶解的速度大于菌体的吸氧量时，菌体才能正常地生长、繁殖。因此随着菌体繁殖，呼吸增强，必须按菌体的吸氧量加大通气量，以增加溶解氧的量。通风和搅拌通风和搅拌n搅拌则能使氧气更好地与培养液混合，保证氧的最大限度溶解;n搅拌有利于热交换，使培养液的温度一致;n还有利于营养物质和代谢物的分散;n此外，挡板则有助于搅拌，使其效果更好。通风和

12、搅拌通风和搅拌n一般来说，若发酵罐深，搅拌转速大，通气管开孔小，气泡在培养液内停留时间就长，氧的溶解速度就大，而且在这些因素确定的情况下，培养基的粘度越小，氧的溶解速度也越大。n搅拌可以提高通气效果，但是过度地剧烈搅拌会导致培养液大量涌泡，容易增加杂菌污染的机会，微生物细胞也不宜剧烈搅拌。种龄与接种量种龄与接种量n n种种子子培培养养期期应应取取菌菌种种的的对对数数生生长长期期为为宜宜，菌菌种种过过嫩嫩或或过过老老，不不但但延延长长发发酵酵周周期期，而而且且会会降降低低产量。产量。n n接种量的大小直接影响发酵周期。接种量的大小直接影响发酵周期。种龄与接种量种龄与接种量n大量地接入培养成熟的菌

13、种的优点：大量地接入培养成熟的菌种的优点：n1.可可以以缩缩短短生生长长过过程程的的延延缓缓期期，因因而而缩缩短短了了发发酵酵周周期期，提提高高了了设备利用率，节约了发酵培养的动力消耗；设备利用率，节约了发酵培养的动力消耗；n2.有利于减少染菌机会。有利于减少染菌机会。n一般将菌种扩大培养，进行两级发酵或三级发酵。一般将菌种扩大培养，进行两级发酵或三级发酵。n接种量与菌种生长过程的延缓期长短呈反比。接种量与菌种生长过程的延缓期长短呈反比。n接接种种量量过过多多也也无无必必要要。因因培培养养种种子子费费时时，而而且且过过多多地地移移人人代代谢废物，反而谢废物，反而会影响正常发酵。会影响正常发酵。

14、发酵过程泡沫的影响及控制发酵过程泡沫的影响及控制n泡沫的副作用泡沫的副作用n1）使发酵罐的装填系数减少；n2）造成大量逃液，导致产物损失；n3）泡沫“顶罐”有可能使培养基从搅拌的轴封渗出，增加染菌机会；n4）由于泡沫的液位变动，以及不同生长周期的微生物随泡沫漂浮或黏附在罐盖或罐壁上，使微生物生长的环境发生了变化，影响了微生物群体的效果，增加了微生物群体的非均一性；发酵过程泡沫的影响及控制发酵过程泡沫的影响及控制n5）影响通气搅拌的正常进行，妨碍了微生物的呼吸，造成发酵异常，导致最终发酵产物产量下降;n6）使微生物菌体提早自溶，这一过程的发展又会促进更多泡沫的生成。泡沫产生原因泡沫产生原因n产生

15、泡沫的原因产生泡沫的原因：n1）通气和机械搅拌使液体分散形成气泡；n2）培养基中某些成分的变化或微生物的代谢活动产生气泡；n3）培养基中某些成分(如蛋白质及其他胶体物质)的分子，在气泡表面排列形成坚固的薄膜。因此，气泡不易破裂，聚成泡沫层。发酵过程对泡沫的控制发酵过程对泡沫的控制n机机械械法法：靠机械强烈振动和压力的变化，促使气泡破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收，达到消泡作用。n优优点点：不需在发酵液中加入其它物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后继分离工艺的影响。n缺缺点点：效果不如化学消泡迅速、可靠、不能根本上消除引起稳定泡沫的因素，同时它还需要设备和消耗动力。发

16、酵过程对泡沫的控制发酵过程对泡沫的控制n化化学学法法：发酵工业常用的消泡剂，有各种天然的动动植植物物油油及来自石油化工生产的矿矿物物油油、改改性性油油、表表面面活活性性剂剂等。而新型的有有机机硅硅聚聚合合物物如硅硅油油、硅硅树树脂脂等，具有效率高、用量省、无毒性、无代谢性是一类有发展前途的消泡剂。n泡沫的控制除了添加消泡剂外，改进培养基成分也是相辅相成的一个重要方面。发酵过程对泡沫的控制发酵过程对泡沫的控制n n化学消泡的机理化学消泡的机理：n n、消泡剂是表面活性剂，加到发酵液中，由于消、消泡剂是表面活性剂，加到发酵液中，由于消泡剂本身的表面张力相对于发酵液来说是比较低的，泡剂本身的表面张力

17、相对于发酵液来说是比较低的，一旦接触到气泡表面，将会使气泡膜局部的表面张一旦接触到气泡表面，将会使气泡膜局部的表面张力降低，平衡受到破坏，因而使气泡破裂或合并。力降低，平衡受到破坏，因而使气泡破裂或合并。发酵过程对泡沫的控制发酵过程对泡沫的控制n、对于泡沫表面存在着极性的表面活性物质而对于泡沫表面存在着极性的表面活性物质而形成形成双电层双电层双电层双电层时，加入时，加入带相反电荷带相反电荷带相反电荷带相反电荷的表面活性剂，的表面活性剂，可以降低液膜的弹性（机械强度），或加入某些可以降低液膜的弹性（机械强度），或加入某些具有具有强极性强极性强极性强极性的物质与起泡沫剂争夺液膜上的空间，的物质与起泡沫剂争夺液膜上的空间，并使液膜的机械强度降低，进而促使泡沫破裂。并使液膜的机械强度降低，进而促使泡沫破裂。发酵过程对泡沫的控制发酵过程对泡沫的控制n、当泡沫的液膜具有较大的表面黏度表面黏度时，加入某些分子内聚力较弱分子内聚力较弱的物质，可降低膜的表观黏度，从而促使液膜的液体流失而使泡沫破裂。