发酵过程工艺控制.ppt

1、第九章 发酵工艺过程控制,一、 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物理参数、化学参数或生物参数。 物理参数： 参数名称 单位 测定方法 意义及主要作用 温度 传感器 维持生长、合成 罐压 pa 压力表 维持正压、增加溶氧 空气流量 m/h 传感器 供氧、排出废气 搅拌转速 r/min 传感器 物料混合 搅拌功率 kw 传感器 反映搅拌情况 粘度 pa.s 粘度 反映菌体生长 密度 g/cm 传感器 反映发酵液性质 装量 m,L 传感器 反映发酵液数量 浊度 透光度% 传感器 反映菌体生长情况 泡沫 传感器 反映发酵代谢情况 传质系数 1/h 间接计算或在线检测 反映

2、供氧情况 加糖速度 kg/h 传感器 反映好氧情况 加消泡剂速率 kg/h 传感器 反映泡沫情况 加中间体或前体速率kg/h传感器 反映前体和基质利用情况 加其它基质速率 kg/h 传感器 反映基质利用情况,化学参数： 参数名称 单位及测定方法 意义及主要作用 酸碱度 pH 传感器 反映菌的代谢情况 溶氧 ppm 传感器 反映氧的供给和消耗情况 排气氧浓度 pa 传感器 了解好氧情况 氧化还原电位 mV 传感器 反映菌的代谢情况 溶解CO2浓度 %饱和度 传感器 了解CO2对发酵的影响 排气CO2浓度 % 传感器 了解菌的呼吸情况 总糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉 kg/m 取样 了解在发酵过程 中的

3、变化 前体或中间体浓度 mg/ml 取样 产物合成情况 氨基酸浓度 mg/ml 取样 了解氨基酸等含量变化情况 矿物盐浓度 mol,% 取样 了解这些离子含量对发酵的影响,生物参数： 参数名称 单位及测定方法 意义及主要作用 菌体浓度 g(DCW)/L 取样 了解生长情况 菌体中RNA,DNA 含量 mg(DCW)/g 取样 了解生长情况 菌体中ATP,ADP,AMP量 mg(DCW)/g 取样 了解菌的能 量代谢情况 菌体中NADH量 mg(DCW)/g 在线荧光法 了解菌的合 成能力 菌体中蛋白质量 mg(DCW)/g 取样 了解生长和产物 情况 效价或产物浓度 g/mL 取样（传感器）

4、产物合成情况 细胞形态 取样，离线 了解生长情况,发酵过程的主要控制参数,pH值（酸碱度） 温度（） 溶解氧浓度 基质含量 空气流量 压力 搅拌转速 搅拌功率 粘度,浊度 料液流量 产物浓度 氧化还原电位 废气中的氧含量 废气中的CO2含量 菌丝形态 菌体浓度,二、 温度对发酵的影响及其控制,（一）温度对发酵的影响,微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌，如霉菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在2040。 在发酵过程中，需要维持适当的温度，才能使菌体生长和代谢产物的合成顺利进行。,温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。影响发酵液的理化性质(对

5、氧的溶解)，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。,四环素发酵中, 35,只产生四环素,温度升高，气体在溶液中的溶解度减小，氧传递速率改变，影响基质的分解速率. 温度升高,生长快,反应速度快,酶失活快,菌体衰老快,发酵提前结束.,（二）影响发酵温度变化的因素,产热因素：生物热（Q生物）、搅拌热（Q搅拌） 散热因素：蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）,发酵热（Q发酵）是发酵温度变化的主要因素,即发酵过程中释放出来的净热量,以J/(m3 h)为单位。,Q发酵Q生物Q搅拌Q蒸发Q辐射,为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。,由于Q生物和Q蒸发，特别是Q生物在发酵过程中随时间变化，因此发酵

6、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。,生物热-微生物在生长繁殖过程中,本身产生的大量热. 培养基成分越丰富,营养被利用的速度越快.,搅拌热-机械搅拌(增加溶解氧)的动能以摩擦放热的方式,使热量散发在发酵液中.,蒸发热-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.并且空气带走了一部分水蒸气,这些水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。被排出的水蒸气和空气夹带着部分显热(Q显)散失到罐外的热量称为蒸发热.,辐射热-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.,（三）温度的控制,最适温度的选择

7、温度的控制,在生长阶段，应选择最适生长温度； 在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。 例如:青霉素产生菌生长的最适温度为30,但产生青霉素的最适温度是20. 看生长与生物合成哪一个是主要方面.,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，需要冷却的情况较多。 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。 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冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。,三、 pH值对发酵的影

8、响及其控制,（一）pH值对发酵的影响,1、影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；,2、影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养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解离，进而微生物对这些成分的吸收、利用,4、pH值不同，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。,黑曲霉在pH=2-3 时产生柠檬酸，近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。 谷氨酸发酵中，微碱时形成谷氨酸，酸性时产生N-乙酰谷酰胺。,pH对生物合成途径影响： 例如：丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH范围是5.5-7.0 为好，发酵后期pH4.3 5

9、.3时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。,乙酰乙酸,5、 pH影响菌体的形态：产黄青霉细胞壁的厚度随pH的增加而减小；pH，菌丝的长度缩短。,（二）发酵过程pH值的变化,在发酵过程中，pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。,（三）发酵pH值的确定和控制,1. 发酵pH值的确定,微生物发酵的最适pH值范围一般是在58之间。 最适pH值是根据实验结果来确定的。,1）将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节pH值，以分别维持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。 2）到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的

10、pH值为菌体生长的合适pH值。 3）用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。,在确定合适发酵pH值时，不定期要考虑培养温度的影响，若温度提高或降低，合适pH值也可能发生变动。,2. pH值的控制,1）首先考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们有个适当的配比，使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。 2）在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制；补充生理酸性物质(NH4)2SO4和生理碱性物质（氨水)来控制。,（六） 泡沫对发酵的影响及其控制,1、泡沫的形成及其对发酵的影响,在大多数微生物发酵过程中，由于培养基中有蛋白质类表面活性剂存在，在通气条件下，培养液中就形成了泡沫。,起泡带来的不利

11、影响： 发酵罐的装料系数减少、氧传递系数减小； 造成大量逃液，增加染菌机会； 严重时通气搅拌无法进行，菌体呼吸受到阻碍，导致代谢异常或菌体自溶。,泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。 蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要的发泡剂。 糊精含量多也引起泡沫的形成。 当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。,2、泡沫的消除,调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原料）或改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制，以减少泡沫形成的机会。 采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫。 采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的

12、内在因素。,1）机械消泡,物理消泡方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。,优点：节省原料，减少染菌机会。 缺点：消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方法。,2） 消泡剂消泡,A.消泡剂的作用： 降低泡沫液膜的机械强度； 降低液膜的表面黏度；,B.作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件： 应该在气液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性； 应该在低浓度时具有消泡活性； 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； 应该对微生物、人类和动物无毒性； 应该对产物的提取不产生影响； 不会在使用、运输中引起任何危害； 来源方便，成本低； 应该对氧传递

13、不产生影响； 能耐高温灭菌。,以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为常用。,豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。 油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。 在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵试验检验。,C.常用的消泡剂种类,发酵工业常用的消泡剂一般可分为有机消泡剂、有机硅消泡剂和聚醚型消泡剂等三类。,天然油脂类：,聚醚类消泡剂品种很多，它们是氧化丙烯或氧化丙烯和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物。 聚氧丙烯甘油（GP型）氧化丙烯和甘油聚合；亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以用于稀薄发酵液中要比用于粘稠发酵液中的效果好；抑泡性能比消泡性能好，适宜用于基础培养基中，以抑制泡沫

14、的产生。 聚氧乙烯氧丙烯甘油（GPE型，泡敌）氧化丙烯、环氧乙烷与甘油聚合；亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，作用快，溶解度大，消泡活性维持时间短，用于粘稠发酵液的效果比用于稀薄的好。,聚醚类消泡剂,一般由二甲基硅油和SiO2按一定比例复合而成。难乳化，表面黏度低，消泡能力强,有机硅消泡剂,五、 菌体浓度和基质对发酵的影响及其控制,(一)菌体浓度对发酵的影响及控制,菌体（细胞）浓度（简称菌浓）是指单位体积培养液中菌体的含量。 菌浓的大小，在一定条件下，不仅反映菌体细胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全相同的分化阶段。,依靠调节培养基的浓度来控制菌浓,首先确定基础培养基配方中有个适当的配比，避免产生过浓（或过稀）的菌体量。 然后通过中间补料来控制，如当菌体生长缓慢、菌浓太稀时，则可补加一部分磷酸盐，促进生长，提高菌浓；但补加过多，