发酵过程工艺控制PPT课件

1 第九章发酵工艺过程控制 2 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 3 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 4 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 产物合成情况细胞形态取样 离线了解生长情况 5 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 6 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20 40 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 对氧的溶解 进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成 7 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 8 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 9 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 10 三 温度的控制 最适温度的选择温度的控制 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 11 三 pH值对发酵的影响及其控制 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 12 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 13 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 14 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 15 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pH 4 3 5 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 16 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 17 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 18 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5 8之间 最适pH值是根据实验结果来确定的 19 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 20 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 21 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 22 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 23 起泡带来的不利影响 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 24 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 来消除起泡的内在因素 25 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 26 27 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 28 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 应该对氧传递不产生影响 能耐高温灭菌 29 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 30 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 31 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 32 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 33 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 则会使菌体过分生长 超