第五章发酵工艺控制07.ppt

第五章发酵的中间控制 1 发酵热与温度控制2 PH的控制3 氧的控制4 二氧化碳的控制 自习 5 泡沫的控制 第一节发酵热与温度控制 思考题 1 发酵热包括哪些 2 简述微生物发酵过程中生物热的来源 走向和特点 3 温度如何影响微生物生长 4 温度与微生物生长关系如何 一 发酵过程中产热与散热 发酵热Q发酵 发酵过程中所产生的热量 是引起发酵过程温度变化的原因 所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量 什么叫净热量呢 在发酵过程中产生菌分解基质产生热量 机械搅拌产生热量 而罐壁散热 水分蒸发 空气排气带走热量 这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量 发酵热引起发酵液的温度上升 发酵热大 温度上升快 发酵热小 温度上升慢 现在来分析发酵热产生和散失的各因素 包括 生物热 搅拌热 蒸发热 辐射热 1 生物热 来源 微生物对有机物的降解走向 合成高能化合物 合成代谢产物 其余以热形式散发特点 a 强烈的时间性b 发酵热随菌株及培养基成份而变化 菌株对营养物质利用的速度越大 培养基成份越丰富 生物热越大 发酵旺盛期生物热大于其他时间 培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性 生物的大小与呼吸作用强弱有关在培养初期 菌体处于适应期 菌数少 呼吸作用缓慢 产生热量较少 菌体在对数生长期时 菌体繁殖迅速 呼吸作用激烈 菌体也较多 所以产生的热量多 温度上升快 必须注意控制温度 培养后期 菌体已基本上停止繁殖 主要靠菌体内的酶系进行代谢作用 产生热量不多 温度变化不大 且逐渐减弱 如果培养前期温度上升缓慢 说明菌体代谢缓慢 发酵不正常 如果发酵前期温度上升剧烈 有可能染菌 此外培养基营养越丰富 生物热也越大 2 搅拌热Q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 Q搅拌 P 860 4186 8 焦耳 小时 P 搅拌轴功率4186 8 机械能转变为热能的热功当量 电机功率P E 额定电压I 额定电流cos 功率因素 1千瓦时 860 4186 8焦耳 3 蒸发热Q蒸发 通气时 引起发酵液的水分蒸发 水分蒸发所需的热量叫蒸发热 此外 排气也会带走部分热量叫显热Q显热 显热很小 一般可以忽略不计 4 辐射热Q辐射 发酵罐内温度与环境温度不同 发酵液中有部分热通过罐体向外辐射 辐射热的大小取决于罐温与环境的温差 冬天大一些 夏天小一些 一般不超过发酵热的5 Q发酵 Q生物 Q搅拌 Q蒸发 Q辐射 二 发酵热的测定 有二种发酵热测定的方法 一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热 在工厂里 可以通过测量冷却水进出口的水温 再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热 Q发酵 GCm T出 T进 Cm 水的比热G 冷却水流量 另一种是根据罐温上升速率来计算 先自控 让发酵液达到某一温度 然后停止加热或冷却 使罐温自然上升或下降 根据罐温变化的速率计算出发酵热 根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值 因为热效应决定于系统的初态和终态 而与变化途径无关 反应的热效应可以用燃烧值来计算 特别是有机化合物 燃烧热可以直接测定 反应热效应等于反应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和 H H 反应物 H 产物如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为 葡萄糖159555 9KJ Kg谷氨酸15449 3KJ Kg玉米浆12309 2KJ Kg菌体20934KJ Kg尿素10634 5KJ Kg 可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热 例如某味精厂50M3发酵罐发酵过程测定结果的主要物质变化如表 发酵12 18小时的生物热为 Q生物 24 159555 9 0 6 12309 2 6 10634 5 1 2 20934 15 4 15449 3 191098 1KJ M3191098 1 6 31849 7每小时的生物热为31849 7KJ M3 由于Q生物和Q蒸发在发酵过程中随时间变化 因此Q发酵随时间变化 为维持适当发酵温度须采取措施散热小型发酵罐 在冬季和发酵初期散热量可能大于产热量 需热水保温 二 温度对微生物生长的影响 不同微生物的生长对温度的要求不同 根据它们对温度的要求大致可分为四类 嗜冷菌适应于0 26 生长 嗜温菌适应于15 43 生长 嗜热菌适应于37 65 生长 嗜高温菌适应于65 以上生长 每种微生物对温度的要求可用最适温度 最高温度 最低温度来表征 在最适温度下 微生物生长迅速 超过最高温度微生物即受到抑制或死亡 在最低温度范围内微生物尚能生长 但生长速度非常缓慢 世代时间无限延长 在最低和最高温度之间 微生物的生长速率随温度升高而增加 超过最适温度后 随温度升高 生长速率下降 最后停止生长 引起死亡 微生物受高温的伤害比低温的伤害大 即超过最高温度 微生物很快死亡 低于最低温度 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 温度直接影响酶反应 因而影响生物体的生命活动高温杀菌的原因低温可保存菌种的原因培养耐高温菌种的意义 三 温度对发酵的影响 是多方面的从酶反应动力学看 温度上升 速度加快 生长代谢快 产物生成提前 但酶易受热失活 温度越高 失活越快 温度影响发酵液物理性质 温度和菌的调节机制关系密切 影响酶系组成和特性 同一种菌 菌体生长和积累代谢物的最适温度往往不同 1 温度影响反应速率发酵过程的反应速率实际是酶反应速率 酶反应有一个最适温度 2 温度影响发酵方向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 这种菌合成金霉素能力较强 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 温度还影响基质溶解度 氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收 因此对发酵过程中的温度要严格控制 四 发酵过程中最适温度的控制 最适生长温度 最适发酵温度往往不能仅选一个最适温度 要参考其他发酵条件 如通气等温度控制得好 可提高发酵产物产量 最适温度的选择 1 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 所要求的温度范围也不同 如黑曲霉生长温度为370C 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30 320C 青霉菌生长温度为300C 在发酵前期由于菌量少 发酵目的是要尽快达到大量的菌体 取稍高的温度 促使菌的呼吸与代谢 使菌生长迅速 在中期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 因此中期温度要稍低一些 可以推迟衰老 因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成 发酵后期 产物合成能力降低 延长发酵周期没有必要 就又提高温度 刺激产物合成到放罐 如四环素生长阶段280C 合成期260C后期再升温 黑曲霉生长370C 产糖化酶32 340C 但也有的菌种产物形成比生长温度高 如谷氨酸产生菌生长30 320C 产酸34 370C 最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验 根据生长阶段选择 例 林可霉素发酵的变温培养 问题的提出接种后10h左右已进入对数生长期 随后是10h左右的加速生长期 在40h左右对数生长期基本完成 在50h左右转入生产期主要问题 如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期 适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相当数量的有强生产能力的菌丝体存在 根据生长阶段选择温度 变温培养的正交设计 结论 前60h按31 控制 缩短了适应期使发酵提前转入生产阶段 同时菌丝体已有相当量的积累 为大量分泌抗生素提供了物质基础60小时后将罐温降至3O 使与抗生素合成有关的酶的活性增强 抗生素分泌量有所增加 同时因分泌期的延长有利于进一步积累抗生素发酵进入后期罐温再回升至31 使生产菌在生命的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物 2 根据培养条件选择 温度选择还要根据培养条件综合考虑 灵活选择 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 培养基稀薄时 温度也该低些 因为温度高营养利用快 会使菌过早自溶 3 根据菌生长情况菌生长快 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 如营养丰富 通气能满足 那么前期温度可髙些 以利于菌的生长 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 小结 微生物最适生长温度微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关 微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关 如蛋白构象稳定性因素改变 活性位点关键区域氨基酸的取代 离子束缚作用 ionbinding 减弱 蛋白核心区域疏水作用下降等 温度对发酵的影响 温度影响反应速率温度影响发酵方向 最适温度的选择 根据菌种生长阶段选择根据培养条件选择菌种的生长情况 第二节pH的控制 一 pH对菌生长和代谢产物形成的影响 1 影响不同种类微生物对pH值要求不同 细菌6 5 7 5 霉菌4 0 5 8 酵母3 8 6 0 放线菌6 5 8 0控制pH 保证正常生长 防治杂菌污染同种微生物pH不同 可能形成不同的发酵产物微生物生长的最适pH和发酵的最适pH往往不同 2 影响原因 pH影响细胞原生质膜的电荷pH影响细胞的酶活性pH影响培养基某些重要营养物质和中间代谢产物的分解 二 发酵过程pH的调节和控制 1 pH变化的原因pH变化的情况决定于菌种特性 培养基组成和工艺条件培养基 酸性物质的生成或碱性物质的消耗引起pH下降 反之 pH上升 一般C N高 发酵液变酸性 C N低 发酵液变碱性通气 充足 取决于营养物分解 不足 pH下降总之 发酵过程中各种反应都影响着发酵液的pH值 不同时间 影响因素所占优势不同 2 GA发酵 pH变化的影响 3 pH调节的方法添加CaCO3法氨水流加法尿素流加法加缓冲剂法pH的测量 用pH连续自动检测装置和pH自动控制 思考题 为何pH值会影响菌体生长和产物形成 调节pH常用方法有哪些 第三节氧对发酵的影响 一 供氧与微生物呼吸代谢的关系二 微生物临界氧浓度三 溶解氧控制的意义 1 供氧与微生物呼吸代谢有何关系 2 供氧对GA发酵有何影响 3 什么叫临界氧浓度 4 了解溶解氧控制的意义 5 影响氧传递速率的因素有哪些 看书掌握1 4问题 四 影响溶氧的主要因素 1 传质理论气体溶解过程的双膜理论单位接触界面氧的传递速率 一 发酵液中氧的传递方程 C Ci P Pi 气膜 液膜 N 传氧速率kmol m2 hkg 气膜传质系数kmol m2 h atmKl 液膜传质系数m h C P H 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度 Kl 以氧浓度为推动力的总传递系数 m h 再令 单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为a m2 m3 Nv 体积传氧速率kmol m3 hKla 以 C C 为推动力的体积溶氧系数h 1 二 发酵液中氧的平衡 发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中 传递 消耗 r QO2 X 氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面 三 供氧的调节 C有一定的工艺要求 所以可以通过Kla和C 来调节其中C P H Nv H P Kla 调节Kla是最常用的方法 kla反映了设备的供氧能力 一般来讲大罐比小罐要好 45升1吨10吨搅拌速度250rpm120120供氧速率7 610 720 1 2 影响氧传递速率的主要因素 N KLa C CL KGa P P 所以影响氧传递速率的因素有KLa和推动力 C CL 与KLa有关的有搅拌 空气线速度 空气分布管的形式 发酵液粘度等与 C CL 有关的 发酵液深度 氧分压 发酵液性质等 影响KLa的因素 KLa反映了设备的供氧能力 发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐 一 影响摇瓶kLa的因素 为装液量和摇瓶机的种类 摇瓶机 往复 频率80 120分 次 振幅8cm 旋转 偏心距25 12 转述250rpm 装液量 一般取1 10左右 250ml15 25ml500ml30ml750ml80ml 例 500ml摇瓶中生产蛋白酶 考察装液量对酶活的影响装液量30ml60ml90ml120ml酶活力71373425392 二 影响发酵罐中KLa的因素 已知在通风发酵罐中 全挡板条件下 1 理论上分析 KLa n d 通气量 提高搅拌 调节kLa的效果显著 例某一产品的发酵dnp0 vc产量4501801 6220 49784502802 1240 55645501802 6160 8455 例黑曲霉生产糖化酶n230230270通气比1 0 81 1 21 0 8产量181224162846 提高d n显著提高C 提高了产量 提高N 比提高Q有效 2 实际上 对于转速的调节有时是有限度的 通风的增加也是有限的 蒸发量大 中间挥发性代谢产物带走 例 红曲霉生产色素用于食品工业 静止培养改为通气培养 比色法测定产量 通气静止1 42 03 16 819 5OD0 280 78 315 614 36 2 提高 下降 所以这些因素的存在 发酵设备的供养是有限的 3 小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点 小型发酵罐 转速可调 大型发酵罐 转速往往不可调 大型反应器的合理设计 对现有设备一定要注意工艺配套 4 影响KLa的其它因素 空气分布器 液体的粘度 CL r和Kla的测定 一 CL的测定 1 化学法 2 溶氧电极 极谱型 阴极 O2 2H 2e H2O2 原电池型 阴极 O2 2H2O 4e 4OH 极谱型电极由于其阴极面积很小 电流输出也相应小 且需外加电压 故需配套仪表 通常还配有温度补偿 整套仪器价格较高 但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响 这点正是原电池型电极所不具备的 原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约5 30 A 主要取决于阴极的表面积和测试温度 可以不用配套仪表 经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用 膜 耐温 透气 不通水 测定 一般是得到相对值 二 r的测定 1 物料衡算 流量 进口空气中氧的氧含量 出口空气中的氧含量 r 发酵液体积 氧的浓度 氧分压仪 2 溶氧电极 停止供气 dCL rdt 三 KLa的测定 1 亚硫酸盐法 冷膜 氧 亚硫酸钠的氧化 Kla C 亚硫酸浓度的降低 Cu2 2Na2SO3 O2 2Na2SO4 2 平衡法 rKLa C CL 例 一个装料为7L的实验室小罐 通气量为1VVM 标态 发酵液的CL 25 空气进入时的氧含量为21 废气排出的氧含量为19 8 求此时菌体的摄氧率和发酵罐的Kla 3 动态法 不同的测定方法得出的kla是不一样的 第四节溶氧浓度的变化及其控制 一 典型的分批发酵中氧浓度的变化规律 一定Kla下 r X Q CL 一般有一个低谷 在对数生长的末期 二 发酵过程中溶氧的控制 1 溶氧控制的策略 微生物反应 XS P X a b 菌体生长期 酶系统 酶系统 关键因子 开始的细胞 生长好后的细胞 产物合成 产物形成期 底物 产物 酶系统 反应动力学问题 发酵过程的控制一般策略 前期有利于菌体生长 中后期有利用产物的合成 溶氧控制的一般策略 前期大于临溶氧浓度 中后期满足产物的形成 2 溶氧控制的实例 GA X DO 谷氨酸发酵 要求 氧饱和度 1 控制 0 12小时小通风12小时后增加通风 原因 0 12小时菌体量较小 采用小通风 12 一般认为 发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力 对菌体的生长有时会产生不利的影响 所以有时发酵初期采用小通风 停搅拌 不但有利于降低能耗 而且在工艺上也是必须的 但是通气增大的时间一定要把握好 例 生产肌苷酸 通气量不变17 15mg ml24小时增加22 55mg ml30小时增加18 25mg ml36小时增加12 34mg ml 例 某厂青霉素发酵的工艺研究 三 发酵过程中溶氧浓度监控的意义 1 考察工艺控制是否满足要求 2 其它异常情况的表征染菌 噬菌体 设备和操作故障 3 间接控制的措施 本章小节 了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念 掌握反应器氧的传递方程 及其参数的测定 深入理解Kla的意义 了解反应器放大的基本概念 掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法 并认识监控溶氧浓度的意义 具体影响因素 1 搅拌一方面增加溶氧速率 另一方面使微生物悬浮液混合一致 促进新陈代谢产物的传递速率转速 组数 类型等均有影响 2 空气线速增加通风 线速增加 增大溶氧增大风量 转速不变 功率会降低 使溶氧系数降低要防止 过载 3 空气分布管 4 氧的分压增大空气中氧分压 可使溶解度增大但压力过大 需耐压设备 费用增加 也影响生理代谢 5 发酵罐内液柱高度在空气流量和单位发酵液体积消耗功率不变时 通风效率是随H D增加而增加一般H D 2 3为宜 6 发酵罐体积罐体积大 氧利用率高 气体接触时间长 溶解率高 7 发酵液物理性质粘度 表面张力 离子浓度等影响气泡大小 气泡的稳定性和氧的传递速率 泡沫大量形成 菌体与泡沫形成稳定的乳浊液 影响氧的传递 第五节泡沫的控制 一 泡沫的形成及其对发酵的影响泡沫 形成的必要条件 气液两相共存有表面张力大的物质存在 单组分的纯液体 一般不形成泡沫 1 影响 泡沫持久存在 妨碍CO2的排除 影响微生物对氧的吸收 破坏正常生理代谢 不利发酵和生物合成 泡沫大量产生 使发酵罐有效容积大大减少 影响设备利用率泡沫过多 控制不好 会引起大量跑料 造成浪费和环境污染泡沫升到灌顶 可能从轴封渗出 增加染菌机会泡沫过多也会影响氧传递 通风与搅拌效果 2 形成原因 1 通气和机械搅拌 2 培养基中某些成分变化或微生物代谢形成气泡 3 培养基中某些成分在气泡表面排列成坚固的薄膜 气泡不易破裂 聚成泡沫层 1 是通风的气