发酵工艺过程控制PPT课件

.第1、7章发酵过程的控制，2、微生物发酵的生产水平不仅能够理解生产菌种本身的性能，还能够给予适当的环境条件，充分表现其生产能力，如培养基、培养温度、pH、氧气需求等，深入理解生产菌合成产物过程中的代谢调控机制和可能的代谢途径对随时间变化的菌体浓度、糖、氮消耗及产物进行取样测定，用传感器测定发酵罐中培养温度、pH、溶解氧等参数，进行有效控制，使生产菌种成为产物合成的最佳环境。 第一节发酵过程中代谢变化和控制参数，第一、发酵过程控制的重要性，第三、代谢变化反映了发酵过程中菌体生长、发酵参数变化(培养基和培养条件)与产物形成速度的关系。 二、发酵过程的代谢变化规律，在此介绍分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵及连续发酵4种操作方式的代谢特点。4、1、分批发酵是指封闭的培养体系内含有初期限量基质的发酵方式。 即一次投入原料，一次收获产品的发酵方式。 根据，延期，指数期，稳定期，衰退期，时间(t )，菌体浓度，分批培养条件下的典型生长曲线，5，分批培养过程中生成物是否与菌体生长同步的关系，动力学上将微生物生成物分为生长关联型和非生长关联型。，a (葡萄糖异构酶)，b (菌体浓度)，b (菌体浓度)，a (白色念珠菌)生长关联型，非生长关联型，生成物的生成速度与菌体生长速度成正比。 该产物通常是诸如酒精之类的微生物降解基质的直接产物，但也有脂肪酶和葡萄糖异构酶之类的酶类，生成速度与菌体的生长速度无关，与菌体的量有关。 生长相关型产品采用有利于细胞生长的培养条件，可延长与生成物合成相关的对数生长。 在非生长相关型产品中，应当缩短菌体对数生长期，迅速获得足够量的菌体细胞，然后延长稳定期，提高产量。6、2、补品分批发酵是在分批培养过程中间歇或连续补充新鲜培养基的培养方法。 与以往的分批发酵相比，发酵体系中基质浓度保持在较低水平是其优点。 低基质浓度的优点：迅速利用碳源消除抑制效果，维持适当的菌体浓度，避免氧供给矛盾的恶化克服营养成分不足，使发酵不能早日结束。7、3、半连续发酵是指在补充剂-分批发酵的基础上，使发酵液的一部分间歇释放的培养方法。 优点：迅速消除碳源的抑制作用，维持适当的菌体浓度，避免供氧矛盾的恶化；克服营养成分不足，缓解发酵不快结束；缓解有害代谢产物的积累。8、4、连续发酵又称连续流动培养或开放型培养，是将培养基的原料液连续放入发酵槽中，同时释放含有产品的发酵液的培养方法。 在这种环境下培养，供给的基质受菌的生长限制，培养液中的菌体浓度可以保持一定的稳定状态。 与传统的分批发酵相比，连续培养具有以下优点：保持低基质浓度：快速利用碳源消除抑制效应，保持适当的菌体浓度，避免氧气供应矛盾；提高设备利用率和单位时间产量，节约发酵罐的非生产时间；容易自动控制.虽然是9，但连续培养也有缺点。 长期连续培养不能保证纯种培养，菌种变异的可能性高，因此工业规模采用较少。生产中只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、活性污泥处理各种废水等采用连续培养技术，该方法多用于实验室研究微生物的生理特性。 10、3、发酵过程主要控制参数、pH值(酸碱度)温度()含溶解氧浓度基质的空气流量压力搅拌旋转速度搅拌输出粘度、浊度原料液流量产物浓度氧化还原电位排气中的含氧排气中的含CO2菌丝形态菌体浓度、11、第二节温度对发酵的影响及其控制、一方面用于温度对发酵的影响、微生物发酵这些最佳生长温度通常为2040。 温度影响各种酶反应的速度，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，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。 发酵过程中，需要保持适当的温度，顺利进行菌体生长和代谢产物的合成。12、2、影响发酵温度变化的因素、发热因素：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)、显热(q显)、发酵热(q发酵)是发酵温度变化的主要因素。 q发酵=Q生物q搅拌-Q蒸发-Q放射-Q显着，为了在一定温度下进行发酵，必须在控制上下功夫。 q生物，q蒸发和q显，特别是q生物在发酵过程中随时间变化，发酵热也在整个发酵过程中随时间变化，引起发酵温度的变化。 13、3、控制温度、控制最佳温度、在生长阶段必须选择最佳生长温度的产物分泌阶段，必须选择最佳生产温度。 发酵温度可以根据菌种、产品来选择。 工业生产中，发酵过程中不需要加热，发酵过程中会释放出大量的发酵热量，因此大多需要冷却。 利用自动控制和手动调整的阀门，将冷却水通过发酵槽的三明治和蛇行管，通过热交换降温，保持恒温发酵。 气温高(特别是我国南方夏季气温)，冷却水温度高，冷却效果差，达不到预定温度，可用冷冻盐水循环降温。 因此，大工厂需要建设冷冻站，提高冷却能力，保证在正常温度下发酵。14、第三节pH值对发酵的影响及其控制、第一、pH值对发酵的影响、酶的活性影响、pH值抑制菌体中酶的活性时，会影响阻碍菌体新陈代谢的微生物细胞膜带电的电荷状态，改变细胞膜的透过性， 影响微生物营养物的吸收和代谢产物排泄的培养基中某些成分的解离，微生物吸收这些成分的pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，改变代谢产物的质量和比例。15、2、发酵过程中pH值的变化，是由于发酵过程中菌种利用培养基种类的碳、氮源，有机酸和氨基酸的蓄积而使pH值产生一定的变化。 1、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，随着使pH上升至碱性的菌体量增多，铵离子的消耗也增多，糖利用中有机酸的积累也会降低pH。 2、生产阶段：该阶段的pH值稳定。 3、自溶阶段：随着养分的消耗，菌体蛋白酶活跃，培养液中氨基氮增加，pH值上升，此时菌体自溶，代谢活动停止。16、pH值、培养时间、培养中培养液的pH值的大致变化趋势表明，在适合菌生长或合成物的环境条件下菌体本身具有调节pH的能力，但外界条件变化剧烈时菌体失去调节能力，培养液的pH发生变动。、17、3、引起发酵液pH异常变动的因素、pH的变化取决于所用菌种、培养基的成分和培养条件。1、pH降低：培养基中碳、氮的比例不合适。 碳源过多，特别是葡萄糖过多，或者中间补糖过多，溶解氧不足，有机酸大量蓄积，pH降低；消泡剂过多；生理酸性物质的存在，利用铵，pH降低。 2、pH值上升：培养基中碳、氮的比例不合适。 氮源过多，氨基氮释放，pH值上升生理碱性物质的存在中间原料氨水生尿素等碱性物质被过量添加。 18、4、发酵pH值的确定和控制，1 .发酵pH值的确定，微生物发酵的最佳pH值范围一般在58之间。 最佳pH值是根据实验结果确定的。 将发酵培养基调节到不同的起始pH值使其发酵，在发酵过程中，定时测定并调节pH值，使其分别维持起始pH值，或者用缓冲液调制培养基使其维持。 此时，观察菌体的生长情况，将菌体生长最高的pH值作为适合菌体生长的pH值。 同样的方法可以测定适合生成物合成的pH值。 同一产品的合适pH值与所用菌种、培养基的组成和培养条件有关。 在确定适合发酵的pH值时，必须不定期地考虑培养温度的影响，一旦温度供给或降低，适当的pH值也有可能变动。19、2.pH值的控制，首先考虑发酵培养基的基础配方进行试验，使发酵过程中ph值的变化在适当的范围内。 在发酵过程中通过直接补充酸、碱和补充剂的方式控制的生理酸性物质(NH4)2SO4等)和生理碱性物质(NaNO3等)的补充进行控制。20、第四节溶解氧对发酵的影响及其控制，第一、溶解氧对发酵的影响、发酵过程中，影响耗氧的因素有以下几点： (1)培养基成分和浓度(2)菌龄(3)发酵条件、21、第二、溶解氧浓度的控制，供氧方面，主要是促进氧传递和提高液相体积氧传递系数通过调节搅拌转速和通气速度控制供氧控制原料速度控制基质浓度，达到最佳菌体浓度，维持生成物的比生长速度达到最大值，使氧不大于供氧量。 采用温度调节(降低培养温度提高溶解氧浓度)、液化培养基、补充中间水、添加表面活性剂等工艺，改善溶解氧水平。22、第五节菌体浓度和基质对发酵的影响及其控制，第一、菌体浓度对发酵的影响和控制，菌体(细胞)浓度【简称菌浓】是指每单位体积培养液中菌体的含量。 菌浓度的大小在一定条件下不仅反映菌体细胞的数量，还反映菌体细胞的生理特性完全不同的分化阶段。23、通过调节培养基浓度来控制菌的浓度。 首先，确认基础培养基处方有适当的配比，以免产生过浓(或过稀)的菌体量。 其后，通过中间补充材料控制，菌体生长缓慢，菌体浓度过薄时，补充一部分磷酸盐，促进生长，提高菌体浓度，但补充过多时，菌体过度生长，超过临界浓度，具有抑制生成物合成的作用。 利用菌体代谢产生的CO2量控制生产过程中的补糖量，控制菌体的生长和浓度。 24、2、基质对发酵的影响及调控，基质培养微生物营养物质。 1 .碳源对发酵的影响和控制，迅速利用的碳源缓慢利用的碳源、葡萄糖、蔗糖等迅速参与代谢、菌体的合成和能量的产生，产生分解产物，有利于菌体的生长，但分解代谢产物中有些阻碍产物的合成，多为聚合物， 淀粉等作为菌体被缓慢利用，有利于代谢产物的合成延长，特别是有利于抗生素分泌期的延长，多用于微生物药物的发酵。 工业上，发酵培养基常采用快速缓慢利用的混合碳源。、25、2 .氮源对发酵的影响和控制，迅速利用的氮源缓慢利用的氮源、氨基(或铵)态氮的氨基酸(或硫酸铵等)、玉米浆容易利用于菌体，促进菌体的生长，但对某种代谢产物的合成，特别是对某种抗生素的合成有调节作用虽然延长了代谢产物的分泌期，提高了产物的产量，但是一次投入后菌体的生长和养分都会快速枯竭，菌体早衰自溶，缩短了产物的分泌期。 发酵培养基通常选择快速慢速利用的混合氮源，在发酵过程中补充氮源控制浓度。 加入酵母汁、玉米淀粉、尿素等有机氮源，加入氨水、硫酸铵等无机氮源，26、3 .磷酸盐对发酵的影响和控制，磷是微生物菌体繁殖的必要成分，也是代谢产物的合成必要条件。 微生物生长良好而允许的磷酸盐浓度为0.32300mmol/L，二次代谢产物的合成良好而允许的最高平均浓度仅为1.0mmol/L .控制磷酸盐浓度，一般在基础培养基中采用适当的浓度。27、第六节辅料的控制、辅料的分批培养(简称fed-batchculture，FBC )是指在分批培养过程中间歇或连续补充一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法，以分批培养与连续培养之间的过渡培养方式控制发酵的良好方法，目前已广泛应用于发酵工业、28、抑制基质、抑制产物反馈和解除代谢物分解抑制的分批发酵过程中避免一次摄入过多导致细胞大量生长的影响，作为控制可改善发酵流变学性质的细胞质量的手段，可提高孢子比例的理论研究手段，有自动控制和最大限度一、补充剂分批培养(FBC )的优点、29、2、补充剂方式和控制、连续流加、不连续流加、多周期流加快流加、定速流加、指数速度流加、变速流加单组分流加、多组分流加、补充剂方式、流加操作控制系统为氮源、碳源、C/以控制n比等的限制营养物浓度为直接反馈参数，目前能够直接测量重要参数的传感器不足，直接方法的使用受到限制。30、第七节泡沫对发酵的影响及其控制，第一、泡沫的形成和发酵的影响，在许多微生物发酵过程中，通气、搅拌和代谢气体的流出，再加上培养基中糖、蛋白质、代谢物等表面活性剂的存在，培养液中就会形成泡沫。 泡沫数量与搅拌、通风、培养基性质有关。 蛋白质原料如蛋白胨、玉米淀粉、大豆粉、发酵粉等是主要发泡剂。 糊精含量多也会引起泡沫的形成。 发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。31、少量泡沫的作用：一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，氧气传递速度增加的大量泡沫引起大量负作用：发酵槽投入系数减少，氧气传递系统减少的菌群不均匀性增加的大量脱液， 增加染菌机会严重时不能通气搅拌，抑制菌体呼吸，添加代谢异常或菌体自溶的消泡剂给提取工艺带来困难。 32、2、泡沫的去除、调整培养基中的成分(少量加入或放松容易起泡的原料等)、改变某物理化学参数(pH值、温度、通气和搅拌等)、改变发酵工艺(例如采用分批装料等)减少泡沫形成的机会。 采用菌种选育方法，筛选不产生流泡的菌种，去除起泡的内在因素。 使用机械消泡或消泡剂去除形成的泡沫。 3、3、1 .机械消泡、物理消泡方法、利用机械强烈的振动和压力变化使泡沫破裂。 优点：节约原料，减少染菌机会。 缺点：消泡效果不理想，只能作为消泡的辅助方法。、37、2 .消泡剂消泡、a .消泡剂的作用：兼具降低发泡液膜的机械强度、降低液膜的表面粘度两者的作用，达到破裂泡沫的目的。 b .作为生物工业理想的消泡剂，如果在气液界面不具有充分的延伸系数，则不能迅速发挥消泡作用，为了防止在消泡剂必须具备一定亲水性的条件的低浓度下应具有消泡活性的新泡的形成， 应具有持续的消泡或