发酵工业与发酵工程_06发酵过程控制1-3节.pptx
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1、第六章第六章发酵过程控制发酵过程控制1.过程控制的重要性过程控制的重要性菌株特性菌株特性(营养要求、生长速率、营养要求、生长速率、呼吸强度、产物合成速率呼吸强度、产物合成速率)传递性能传递性能物理:物理:n、T、Ws化学:化学:pH、DO、浓度、浓度过程控制的意义:过程控制的意义:最佳工艺条件的优选(即最佳工艺参数最佳工艺条件的优选(即最佳工艺参数的确定)以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的的确定)以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的控制。控制。决定发决定发酵水平的酵水平的因素因素外部环境因素外部环境因素工艺条件工艺条件生物因素:生物因素:设备性能:设备性能:2.发酵过程控制的一般
2、步骤发酵过程控制的一般步骤 研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制,获取最适水平或最佳范围其机制,获取最适水平或最佳范围确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系系通过计算机实施在线自动检测和控制,验证各种控制通过计算机实施在线自动检测和控制,验证各种控制模型的可行性及其适用范围,实现发酵过程最优控制模型的可行性及其适用范围,实现发酵过程最优控制 3.参数检测参数检测代谢参数按性质可分为三类:代谢参数按性质可分为
3、三类:物理参数:物理参数:温度、搅拌转速、罐压、空气流量、表观温度、搅拌转速、罐压、空气流量、表观粘度、排气氧(二氧化碳)浓度等粘度、排气氧(二氧化碳)浓度等化学参数:化学参数:基质浓度(包括糖、氮、磷)、基质浓度(包括糖、氮、磷)、溶溶氧浓度、氧浓度、pH、产物浓度、核酸量等、产物浓度、核酸量等生物参数:生物参数:菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等参数按获取方式可分为两类:参数按获取方式可分为两类:直直接接参参数数:如如T、pH、罐罐压压、空空气气流流量量、搅搅拌拌转速、溶氧浓度等转速、溶氧浓度
4、等间间接接参参数数:将将直直接接参参数数通通过过公公式式计计算算获获得得的的参参数数,如如摄摄氧氧率率()、呼呼吸吸强强度度(QO2)、比比生生长长速速率率()、体体积积溶溶氧氧系系数数(KLa)、呼呼吸吸商商(RQ)等等。离离线线测测量量:基基质质(糖糖、脂脂类类、无无机机盐盐等等)、前前体体和和代代谢谢产产物物(抗抗生生素素、酶酶、有有机机酸酸、氨氨基基酸等)酸等)在在线线测测量量:如如T、pH、DO、溶溶解解CO2、尾尾气气CO2、黏度、搅拌转速等黏度、搅拌转速等参数的测量方法参数的测量方法伴随发酵的进行而产生的热量叫伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热发酵热;发酵热;发酵热的产生引起发酵
5、液温度变化。在发酵过程中,某些因的产生引起发酵液温度变化。在发酵过程中,某些因素导致热的产生,另外一些因素又导致热量散失。素导致热的产生,另外一些因素又导致热量散失。产热产热散热散热净热量堆积净热量堆积发酵液的温度上升;发酵液的温度上升;相反,产热小于耗热,温度下降。相反,产热小于耗热,温度下降。第一节第一节温度控制温度控制1、发酵热、发酵热生物热(生物热(Q Q生物生物)在发酵过程中,菌体不断利用培养基中的营养物质,在发酵过程中,菌体不断利用培养基中的营养物质,将其分解氧化而产生的能量,其中一部分用于合成高能将其分解氧化而产生的能量,其中一部分用于合成高能化合物(如化合物(如ATP)提供细胞
6、合成和代谢产物合成需要的)提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量,其余一部分以热的形式散发出来,这散发出来的能量,其余一部分以热的形式散发出来,这散发出来的热就叫热就叫生物热生物热。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。产热的情况产热的情况:具有时间性;具有时间性;具有生物特异性;具有生物特异性;与营养有关;与营养有关;特点:特点:搅拌热(搅拌热(Q Q搅拌搅拌)在机械搅拌通气发酵罐中,由于机械搅拌在机械搅拌通气发酵罐中,由于机械搅拌带动发酵液作机械运动,造成液体之间,液体带动发酵液作机械运动,造成液体之间,液体与搅拌器等设备之间的摩擦,
7、产生可观的热量。与搅拌器等设备之间的摩擦,产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关,可用下式计算:搅拌热与搅拌轴功率有关,可用下式计算:Q Q搅拌搅拌P8604186.8P8604186.8(焦耳(焦耳/小时)小时)P P搅拌轴功率搅拌轴功率 1 1千瓦时千瓦时8604186.88604186.8焦耳焦耳蒸发热:蒸发热:空气经发酵液时,发酵液中有部分水汽化,空气经发酵液时,发酵液中有部分水汽化,变成水蒸气,随空气一起排出罐外,这部分水汽化时变成水蒸气,随空气一起排出罐外,这部分水汽化时带走的热量用带走的热量用Q蒸发蒸发表示,假设进出口气体温度相同,表示,假设进出口气体温度相同,则由通气带走的热量
8、为:则由通气带走的热量为:Q蒸发蒸发=G(I出出-I进进),),G:空气流量;:空气流量;I:气体热焓;:气体热焓;散热的情况散热的情况:散热的情况散热的情况:辐射辐射热:热:因发酵罐液体温度与罐外周围因发酵罐液体温度与罐外周围环境温度不同,发酵液中一部分热通过环境温度不同,发酵液中一部分热通过罐体向大气辐射即称为罐体向大气辐射即称为辐射热辐射热。温度影响微生物生长的机理温度影响微生物生长的机理 (1)(1)影响酶活性。影响酶活性。(2)(2)影响细胞膜的流动性。影响细胞膜的流动性。(3)(3)影响物质的溶解度。影响物质的溶解度。2.温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响嗜冷菌适应于嗜冷
9、菌适应于0 02626生长,嗜温菌适应于生长,嗜温菌适应于15154343生长,生长,嗜热菌适应于嗜热菌适应于37376565生长,嗜高温菌适应于生长,嗜高温菌适应于6565上生长上生长 (1)(1)有最适宜温度范围。有最适宜温度范围。(2)(2)高温使蛋白质凝固。耐热能力与高温使蛋白质凝固。耐热能力与pHpH值有关。值有关。T TV V最低最低最适最适最高最高温度对微生物生长的影响具体表现在:温度对微生物生长的影响具体表现在:微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。相一致。液晶状态液晶状态是指某些有机物在发生固相是指某些有机物在发生固相到液相转变时
10、的过渡状态称为到液相转变时的过渡状态称为液晶态液晶态。酶在低温条件下的结构完整性和催化功能。酶在低温条件下的结构完整性和催化功能。不能低温合成蛋白质。不能低温合成蛋白质。低温微生物可合成冷休克蛋白。低温微生物可合成冷休克蛋白。微生物受高温的伤害比低温的伤害大,低于最微生物受高温的伤害比低温的伤害大,低于最低温度,微生物代谢受到很大抑制,并不马上死低温度,微生物代谢受到很大抑制,并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。亡。这就是菌种保藏的原理。(1 1)影响发酵过程中各种反应速率,从而影响微生物的)影响发酵过程中各种反应速率,从而影响微生物的生长代谢与产物生成。生长代谢与产物生成。(2 2)改变发酵
11、液的物理性质,间接影响菌的生物合成。)改变发酵液的物理性质,间接影响菌的生物合成。(3 3)影响生物合成方向。)影响生物合成方向。(4 4)温度对菌的调节机制关系密切。)温度对菌的调节机制关系密切。(5 5)影响酶系组成及酶的特性。)影响酶系组成及酶的特性。4.温度对发酵的影响温度对发酵的影响5.温度的控制温度的控制最适温度的选择最适温度的选择1 1)根据菌种及生长阶段选择)根据菌种及生长阶段选择微生物种类不同,所具有的酶系及其性质不同,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。所要求的温度范围也不同。u前期前期菌量少,取稍高的温度,使菌生长迅速;菌量少,取稍高的温度,
12、使菌生长迅速;u中期中期菌量已达到合成产物的最适量,发酵需要延长中菌量已达到合成产物的最适量,发酵需要延长中期,从而提高产量,因此温度要稍低一些;期,从而提高产量,因此温度要稍低一些;u后期后期产物合成能力降低,延长发酵周期没有必要,就产物合成能力降低,延长发酵周期没有必要,就又提高温度,刺激产物合成。又提高温度,刺激产物合成。2 2)根据培养条件选择)根据培养条件选择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。培养基稀薄时,温度也该低些。因为温度高营养培养基稀薄时,温度也该低些。因为温度高营养利用快,会使
13、菌过早自溶。利用快,会使菌过早自溶。菌生长快,维持在较高温度时间要短些;菌生长慢,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。培养条件适宜,如营养丰维持较高温度时间可长些。培养条件适宜,如营养丰富,通气能满足,那么前期温度可髙些,以利于菌的富,通气能满足,那么前期温度可髙些,以利于菌的生长。生长。总的来说,温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件总的来说,温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。3 3)根据菌生长情况)根据菌生长情况第二节第二节pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制微生物代谢
14、对微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生:影响主要在两种情况下发生:酸性或碱性代谢产物的生成或释放;酸性或碱性代谢产物的生成或释放;菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。一、发酵液中一、发酵液中pH变化的基本原理变化的基本原理(1)C/N过高,或中间补糖过多,溶氧不足,致使过高,或中间补糖过多,溶氧不足,致使有机酸积累,有机酸积累,pH下降;下降;(2)消泡剂加得过多:脂肪酸增加;)消泡剂加得过多:脂肪酸增加;(3)生理酸性盐的利用;)生理酸性盐的利用;(4)酸性产物形成:如有机酸发酵。)酸性产物形成:如有机酸发酵。引起发酵液中引起发酵液中pH下降的
15、因素下降的因素(1)C/N过低(过低(N源过多),氨基氮(源过多),氨基氮(NH4)释放;)释放;(2)中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多;)中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多;(3)生理碱性盐的利用;)生理碱性盐的利用;(4)碱性产物形成。)碱性产物形成。引起发酵液中引起发酵液中pH上升的因素上升的因素二、发酵过程中二、发酵过程中pH的变化规律的变化规律生长阶段:生长阶段:pH相对于起始相对于起始pH有上升或下降的趋势;有上升或下降的趋势;生产阶段:生产阶段:pH趋于稳定,维持在最适于产物合成的趋于稳定,维持在最适于产物合成的范围;范围;自溶阶段:自溶阶段:pH又上升。又上升。1.p
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- 发酵 工业 工程 _06 过程 控制
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