化学参数检测与控制ppt课件

发酵过程控制 （Control of Fermentation Process) 第三章 化学参数的检测与控制（四）,第三章 化学参数的检测与控制,3.1 溶氧浓度 3.2 溶氧系数的测定方法 3.3 pH与氧化还原电位 3.4 二氧化碳与呼吸商 3.5 基质浓度与补料控制,C NO or O2 CO2 是生物发酵和生命活动的基本特征之一！,3.4 二氧化碳与呼吸商,二氧化碳的来源： 1、微生物的代谢产物； 2、通过通气和补料等，溶解在发酵液中的二氧化碳。,3.4 二氧化碳与呼吸商,二氧化碳对微生物的抑制作用主要是影响细胞膜的结构： CO2 作用于脂肪酸的核心部位。 HCO3影响磷脂、亲水头带电荷表面、细胞膜表面蛋白质。,3.4.1 二氧化碳对发酵的影响,当CO2达某一临界值时 膜的流动性及表面电荷密度发生变化 基质运输受阻 细胞处于“麻醉”状态 细胞形态改变 生长与代谢受抑制,正常酵母细胞,CO2“麻醉”状态细胞,3.4.1.1 CO2对生长的影响,1:CO2对菌体生长具有抑制作用 当排气中CO2的浓度高于4时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降 发酵液中CO2的浓度达到1.610-1mol，就会严重抑制酵母菌的生长；当进气口的CO2含量占混合气体的80时，酵母活力与对照相比降低20。,当微生物生长受到抑制时，也阻碍了基质的异化（或分解代谢）和ATP的生成量，由此而影响产物的合成。 在小单孢菌产生紫苏霉素生产中，在300L发酵罐于空气进口通以1CO2，发现微生物对基质的代谢极慢，菌丝增长速度降低，紫苏霉素的产量比对照组降低33。 通入2CO2，紫苏霉素的产量比对比照组降低85， CO2的含量超过3，则不产生紫苏霉素。,2.CO2对菌体生长有时具有刺激作用,环状芽孢杆菌等已经发芽的孢子在开始生长的时候，对CO2有特殊需要。 CO2还是大肠杆菌和链霉菌突变株的生长因子，菌体有时需要含30 CO2的气体才能生长。 以上的这些现象称为CO2效应。,3.4.1.2 CO2对产物形成的影响,例1：青霉素发酵中，当CO2的分压pco2=0.08105 Pa时，合成速度下降40%； 例2：组氨酸发酵中，pco20.05105 Pa时，可得最大产率； 例3：精氨酸发酵中，pco20.15105 Pa时，对产物形成无影响； 例4：四环素发酵，CO2分压的临界值为0.0042105 Pa； 例5：CO2对紫苏霉素生产的影响：,（促进）如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含有5的CO2 （抑制） CO2对某些发酵还能产生抑制作用，如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等的发酵，特别是抗生素发酵中。例如， CO2能够抑制紫苏霉素的合成，在通气中加入11 CO2产生菌对基质的代谢极慢，菌丝生长速率降低，紫苏霉素产量比不加CO2时下降33。,CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的pH值下降，或与其他化学物质发生化学反应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉淀，或氧的过分消耗引起溶氧浓度下降等原因，造成间接作用而影响菌体生长和产物合成。,CO2的抑制作用大多发生在突然停止通风或固态培养中的通风培养不畅。,3.4.1.3尾气中CO2 （1）尾气中CO2与菌体生长的关系,（2）尾气中CO2与pH的关系,对数生长期 pH变小,生长后期,菌体 自溶,铵离子被 释放, pH升高,3.4.1.4 CO2影响菌体形态：,产黄青霉菌接种到溶解不同CO2浓度的培养基中，发现： CO2分压08时，菌丝主要是丝状； CO2分压1522，则膨胀，粗短的菌丝占优势； CO2为0.008 MPa时，则出现球状或酵母状细胞，致使青霉素合成受阻，其比生成速率降低40左右。,CO2在发酵液中的浓度变化没有规律：它的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。 CO2 的溶解度大：比氧气大，所以随着发酵罐压力的增加，其含量比氧气增加的更快。如果当CO2浓度增大时，若通气搅拌不改变， CO2不易排出，在罐底形成碳酸，使pH下降，进而影响微生物细胞的呼吸和产物合成。 控制发酵工艺增加CO2浓度：有时为了防止“逃液”而采用增加罐压消泡的方法，会增加CO2的溶解度，不利于细胞的生长。,发酵罐中二氧化碳的特点：,对CO2浓度的控制主要看其对发酵的影响：如果对发酵有促进作用，应该提高其浓度；反之应设法降低其浓度,3.4.1.5 CO2的控制,（1）通风量控制,（2）罐压控制,（3）液位高度控制,对于大型发酵罐，宜采用高径比较小的反应器。,(4)培养液物理性质控制,研究参数CO2的意义,作为代谢产物或中间前体，尾气中CO2积累与生物量成正比，通过C质量平衡估算生长速率和细胞量。 高浓度CO2对发酵多表现为抑制作用，应实施测量与控制； 尾气CO2不仅直接反映代谢情况，而且和其它参数及补料操作密切相关，可作为工艺优化的指标。,3.4.2 呼吸商与发酵的关系,菌体释放二氧化碳的速率与菌体的耗氧速率之比称为呼吸商：,CERCO2释放速率（molCO2/Lh） OUR耗氧速率（molO2/Lh） QCO2比CO2释放速率（molCO2/gh） QO2比呼吸速率（molO2/gh）,式中：CERCO2释放速率（molCO2/Lh） OUR耗氧速率（molO2/Lh） QCO2比CO2释放速率（molCO2/gh） QO2比呼吸速率（molO2/gh） x菌体干重（g/L） Q通风量（mol/h） V发酵液体积（L） c1、c2进、出口气体中氧的体积百分比（%） c1、c2进、出口气体中CO2的体积百分比（%） c0进口气体中惰性气体的体积百分比（%）,3.4.2.1底物种类与RQ值的关系,一般地，基质的还原性越强，RQ值越低。,例如：大肠杆菌利用不同基质生长时的呼吸商：,基质的还原性增强,3.4.2.2 产物与底物的氧化还 原性与RQ值的关系,当产物的还原性比底物大时RQ 当产物的氧化性比底物大时RQ,RQ=1/1.5=0.667（谷氨酸发酵）,RQ=6/4=1.5（赖氨酸发酵）,3.4.2.3 不同发酵阶段的RQ值,在发酵生产中，由于存在菌体生长、维持及产物形成等不同阶段，其RQ值也不一样。 一般地，若产物的氧化性菌体的氧化性产物形成RQ值菌体生长RQ值。,例如：青霉素发酵,在实际生产中，RQ值有时会偏离理论值，主要是产生了其它中间代谢产物的结果。,3.4.2.4 代谢途径与RQ值,环境条件不同代谢产物的不同RQ值的不同 例：酵母的发酵培养 RQ=1.00，表示糖代谢全部用于有氧分解合成细胞 途径，无产物形成； RQ1.10，生成大量乙醇； RQ=0.93，生成柠檬酸； RQ0.70，表示乙醇被当作底物利用。,通过观察发酵过程中的RQ值即可判断发酵过程是否正常。,3.4.3 CER与RQ作为发酵的指标,3.4.3.1 反映供氧情况 供氧不足易形成还原性强的代谢产物排气中CO2浓度RQ 3.4.3.2 控制糖液流加 例1：在酵母生产中，较高的糖浓度会促使酒精发酵，RQ值上升，因此有人建议通过把RQ值控制在1.01.1范围内来确定糖液流加。 例2：青霉素发酵可通过控制RQ值的大小来控制糖的流加。 糖浓度有机酸形成CERRQ 应适当减少糖液流加,3.4.3.3检测菌体生长与耗糖情况,碳平衡： 基质碳（葡萄糖） 细胞碳 + CO2 + 代谢产物碳,出口气体中CO2的浓度,计算 CER,碳平衡,生长速率、细胞浓度 耗糖速率、糖浓度,指导生产,细胞生长速率,细胞浓度,耗糖速率,底物浓度,其中,计算：某微生物批式生长培养，采用通过检测CER的办法来计算菌体生长与耗糖情况。已知接种时糖浓度S0 = 80 g/L，细胞浓度X0 = 4 g/L，发酵开始时二氧化碳的释放速率CER0= 0.04 molCO2/Lh；且已知YX/S = 0.4g细胞/g糖，YX/CO2 = 20g细胞/molCO2。现测得发酵过程某一时刻的CER=0.20 molCO2/Lh，试问此时的菌体生长速率dX/dt、细胞浓度X、比生长速率、耗糖速率-dS/dt及发酵液中的残糖浓度S各是多少？,解：（1）求微生物的比CO2释放速率,发酵开始时，,molCO2/Lh,于是：,（2）当CER=0.2 molCO2/Lh时，求,RQ的意义：,RQ是碳-能源代谢的指示值，在碳-能源限制及供氧充分的情况下，碳-能源趋于完全氧化，RQ应达到完全氧化的理论值。因此，RQ可反映微生物的代谢情况。如酵母发酵过程的RQ1，表示糖代谢走有氧分解代谢途径，仅生成菌体，无产物形成。如RQ1.1，表示菌体进行EMP途径，生成乙醇；当RQ0.93，则菌体生成柠檬酸；RQ0.7，表示菌体生成的乙醇被当作基质利用。菌体在利用不同基质时，其RQ值也不相同。,在实际生产中所测出的RQ值明显低于理论值说明发酵过程中存在不完全氧化的中间代谢物和除葡萄糖以外的其他碳源。,如在青霉素发酵中添加天然油脂作碳源，由于油具有不饱和性和还原性使RQ值大大低于葡萄糖为唯一碳源的RQ值。试验结果表明，RQ值在0.50.7范围，且随葡萄糖和油加入量的相对比例而波动。 如在发酵初期即菌体生长期，在碳源总量不变，提高油对葡萄糖的比例，结果OUR和CER上升的速度减慢，且菌浓度增加也慢；若降低其比例，OUR和CER则快速上升，菌浓度迅速增加。 这说明葡萄糖有利于生长，油不利于生长。由此根据RQ值及OUR和CER的变化情况可得知，油的加入主要用于控制生长，并作为合成产物的碳源。,瓦勃呼吸仪,3.5 CO2检测,在试验室小型培养中应用 较为普遍,红外气体分析仪,二氧化碳传感器,一般仅用于气相中二氧化碳,气体质谱仪,