发酵工艺控制PPT课件

. 1、第7章发酵过程的控制、温度、pH、氧、二氧化碳、泡沫发酵染菌的预防和处理终点的判断等，发酵是一个非常复杂的生产过程，其好坏涉及菌种的生产性能、培养基的配合、原料质量、灭菌条件、种子质量、发酵条件和过程的控制等多种因素无论是旧品种还是新品种，都要经过发酵研究阶段，考察影响代谢规律、产物合成的因素，优化发酵工艺条件。 因为高产菌种比低产菌种对工艺条件的变动更敏感，所以掌握生产菌种的代谢规律和发酵控制的基本知识对稳定和提高生产有重要意义。 3，一，发酵过程的操作类型，1，分批发酵2，补充分批发酵3，连续发酵，4，1，分批发酵，是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，加入少量的微生物菌种培养，使微生物繁殖，在特定条件下只完成一个生长周期的微生物培养一次原料投入、一次接种、一次收获的间歇培养、5、分批发酵过程一般可以细分为适应(停滞)期、对数生长期、生长稳定期和死亡期的停滞期、加速期、对数期、减速期、静止期、死亡期6期。6、一、一次代谢的代谢变化：一次代谢是生命细胞在生命活动过程中进行的代谢活动，其产物是一次代谢产物。 菌体的生长过程显示出成长史的特征。 但是，在发酵过程中，即使是同一菌体，根据菌体的生理状态和培养条件，各期的生长长度也不同。 生产中要求在对数期接种的理由就在这里。7、初级代谢没有明显的产物形成期，产物是随着菌体的生长而合成的，有些与菌体的生长呈平行关系。 例如乳酸、醋酸几乎同时出现，氨基酸、酶、核酸的发酵过程比前者复杂，根据培养基成分、碳源、温度、菌株等而变化。8、2、2次代谢产物发生变化，2次代谢产物中含有很多抗生素、生物碱、微生物毒素等物质。 这些发酵是生长和产物的非偶联型，一般分为菌体生长、产物合成和菌体自溶解三个阶段。9、菌体生长阶段：接种后，菌体开始生长到菌体的临界浓度。 同时，营养物质进行分解代谢，不断消耗，浓度明显减少，溶解氧浓度逐渐下降到一定水平，其中的参数成为菌体生长的限制因素，减慢菌体生长速度，积累相当量的代谢中间体，降低原来的酶活力，出现与次代谢相关的酶，该酶控制这个阶段也称为菌体的生长期或发酵期。10、产物合成阶段：产物数量逐渐增加，达到顶峰，生产速度也达到最大，直到产物合成能力衰减。 在这个阶段，营养物质不断地被消耗，生成物不断地合成。 环境因素很重要，发酵条件必须严格控制，有利于产物的合成。 营养物质过多时，菌体会增殖，抑制生成物的合成，降低生成物的量过少时，菌体老化，生成物的合成能力降低，产量减少。 这个阶段也称为产物分泌期或发酵中期。11、菌体自溶阶段：菌体老化，细胞开始自溶，氨氮含量增加，pH上升，生成物合成能力衰退，生产速度降低时，必须终止发酵。 否则，会影响产品的提取。 这个阶段也称为菌体的自溶解期和发酵后期。12、分批发酵的优缺点：操作简单，周期短，减少了染菌的机会，容易掌握产品质量对基质浓度敏感的产物，不适合分批发酵，13、2，是辅料分批发酵，分批培养与连续培养之间的操作方式。在分批培养过程中，在反应器内加入一种或多种培养基成分，以延长生产期间和控制培养过程。 不输出或间歇地抽出发酵液的一部分(半连续发酵)，14、辅助原料的分批发酵与传统的分批发酵相比，具有保持发酵系统中的基质浓度低的优点。 低基质浓度的优点： (1)可以解除基质抑制，迅速利用生成物的反馈抑制和碳源的抑制效果，维持适当的菌体浓度，不恶化氧供给矛盾；(2)降低培养基的粘度，尽可能延长生成物的形成时间。 (3)防止有毒代谢物在培养基中蓄积。 与连续发酵相比，辅助原料分批发酵不需要严格的无菌条件，也不会发生菌种老化和变异等问题。15、2、连续发酵、连续培养或连续发酵是指在培养系统内以一定的速度添加新鲜培养基的同时，使培养液以相同的速度流出，使培养系统内的培养液的液量维持一定的微生物培养方式。16、连续发酵的优缺点： (1)提高设备利用率和单位时间产量，节省发酵罐的非生产时间(2)容易自动控制(3)增加了染色机会：长时间向发酵系统供给无菌空气和培养基，(4)菌种很有可能发生变异。17、二、发酵条件的影响及其控制，微生物发酵的生产水平取决于生产菌种的特性和发酵条件的控制。 了解发酵工艺条件对工艺的影响，掌握反映细菌生理代谢和发酵工艺变化的规律，有助于有效控制微生物的生长和生产。18、通常发酵条件：罐温、搅拌转速、搅拌电力、空气流量、罐压、液位、补充剂、糖、油和前体、氨的通过速度、水补给等。 表示工艺性质的状态参数： pH、溶解氧(DO )、溶解CO2、氧化还原电位、废气O2和CO2的含量、基质或生成物浓度、代谢中间物或前体浓度、菌浓度等。 间接状态参数：比增长率、氧摄取率、释放率(CER )、呼吸器(RQ )、基质消耗率和生成物合成率等。 在.19、分批发酵中，基质过剩的话，菌体的生长速度与营养成分的浓度无关。 :菌体生长速度Ks :半饱和常数s :限制基质浓度max:最大比生长速度sks时，比生长速度与基质浓度呈线性关系。1、基质浓度对发酵的影响，20、S10ks的情况下，比生长速度更接近最大值。 营养物质存在上限浓度，在该浓度以内，菌体的比生长速度随着浓度的增加而增加，但如果浓度持续增加超过该限度，则生长速度降低的效果被称为基质的抑制作用。21、正常情况下可以达到最大比增长率，但由于代谢产物及其基质过浓，引起抑制作用，有比增长率下降的倾向。 在e.g.G100150g/l下，不出现抑制G350500g/l，很多微生物无法生长，细胞脱水。 关于生成物的形成，培养基过多的话，菌体的生长变得过活跃，粘度变高，遗传变差，菌体需要使用很多能量来维持其生存环境，即非生产的能量大幅度增加，不利于生成物的合成。 (1)碳源的种类和浓度的影响和控制碳源分为快速利用的碳源和缓慢利用的碳源。 快速利用的碳源迅速参与代谢、菌体的合成、能量的产生，分解产物(丙酮酸等)，有利于菌体的生长。 但是，分解代谢产物可能阻碍产物的合成。 缓慢利用的碳源是菌体的缓慢利用，有利于代谢产物的合成(如抗生素)的延长，许多药物被发酵采用。 例如乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油分别是青霉素、头孢菌素c、盐酸霉素、核黄素和生物碱发酵的最佳碳源。 因此，选择最佳碳源对提高代谢产物产量至关重要。工业上，发酵培养基采用快速缓慢利用的混合碳源，控制菌体的生长和生成物的合成。 24、碳源的浓度也影响发酵。 过度丰富引起的菌体异常繁殖，对菌体的代谢、生成物的合成和氧的传递产生不良影响。 如果引起阻碍作用的碳源的使用量过多，生成物的合成就会被显着抑制。 为了控制碳源的浓度，采用经验法和动力学法，即在发酵过程中采用中间补科的方法。 (2)也有快速利用的氮源和缓慢利用的氮源，如氮源的种类和浓度的影响和控制氮源的碳源。 快速利用的氮源是氨基酸态氮的氨基酸、硫酸铵、玉米淀粉。 慢速利用的氮源是大豆饼粉、落花生饼粉、棉籽饼粉等蛋白质。26、快速利用氮源容易被菌体利用，促进菌体的生长，但对某些代谢产物的合成，尤其是某些抗生素的合成产生调节作用，影响产量。 比如链霉菌的赤霉素发酵，可以使用促进菌体生长的铵盐来刺激菌丝的生长，但抗生素产量下降。 缓慢利用的氮源有利于延长次代谢产物的分泌期，提高产物产量。 但是，一次投入，菌体的生长和养分就会迅速枯竭，菌体快速老化，自我溶解，产物的分泌期间会变短。27、发酵培养基一般选择混合氮源，包括快速和低速利用。 例如氨基酸发酵用铵盐和面筋水解液、玉米淀粉； 链霉素发酵采用硫酸铵和大豆派粉。 但是，也有使用单一的铵盐和有机氮源(大豆饼粉等)的情况。 为了调节菌体的生长，防止菌体老化的自溶解，在发酵过程中补充氮源控制浓度。 (3)磷酸盐浓度的影响和控制，磷是微生物繁殖所必需的成分，也是代谢产物的合成所必需的。 微生物生长良好，允许的磷酸盐浓度为0.32-300mmol，次代谢产物合成良好，允许的最高平均浓度仅为1.0mmol，上升到10mmol，对其合成有显着的影响。29、磷酸盐浓度对初级代谢的要求比次级代谢要求更严格。 抗生素常用生长亚适量磷酸盐浓度，其最佳浓度取决于菌种特征、培养条件、培养基组成和来源等因素。 30、2、灭菌情况，随着灭菌温度的上升和灭菌时间的延长，养分的破坏变大。 例如，葡萄糖氧化酶活性随着温度的上升和灭菌时间的延长而下降。31、3、种子质量、接种菌龄：一般对数生长后期接种量：一般5%-10%接种量的大小由菌的生长速度决定。 种子多，占优势，防止杂菌污染，但过多则粘度增加，溶解氧不足，影响生成物的合成。32、4、温度对发酵的影响及其控制、微生物的生长和产物的合成都是在各种酶的催化下进行的，温度是保证酶活性的重要条件，因此必须在发酵系统中保证稳定合适的温度环境。 由于温度对微生物生长的影响，许多微生物在20-40的温度范围内生长。 好冷菌在温度不足20时生长速度最大，好中温菌在30-35左右生长，好热菌在50以上生长。34、(2)温度对发酵过程的影响，温度对青霉生长速度、呼吸强度和青霉素生产速度的影响如前图所示。 发现温度对参与增殖、呼吸、青霉素形成的各种酶的影响不同。35、青霉素：生长E=34kJ/mol呼吸E=71kJ/mol产物的合成E=112kJ/mol青霉素的形成速度对温度最敏感，从最佳温度的生产率降低比其他两个参数的变化更为严重。 活化能e反映了温度变化对酶反应速度的影响，36、(3)温度对发酵液的物理性质的影响，#氧在发酵液中的溶解度温度溶解氧#影响基质的分解速度，例如菌体吸收硫酸盐到25时为最小，、37、(4)温度对生物合成方向的影响例如，在20下，氨基酸末端产物的合成途径对最初酶的反馈抑制作用大于通常的生长温度37。 因此，考虑在抗生素发酵后期降低温度，加强氨基酸的反馈抑制作用，快速关闭蛋白质和核酸的正常合成途径，将发酵代谢转化为抗生素的合成。38，(5)影响发酵温度的因素，发酵热，发酵热是发酵过程释放的净热量，用J/(m3h )单位表示。 生物热：生产菌繁殖过程中产生的热称为生物热。 营养基质被菌体分解产生大量热能，一部分合成高能化合物ATP，提供代谢所需的能量，多馀的热能作为热能放出，形成生物热。 搅拌热：由搅拌机的旋转产生的液体、液体和机器的摩擦产生的热能。 蒸发热：空气进入发酵槽，与发酵液广泛接触后，进行热交换，必然引起水分的蒸发，被空气和蒸发水分夺走的热量。 q蒸发=G(I出-I进)辐射热：根据罐外壁和大气的温度差，发酵液中的一部分热能通过罐放射到大气中的热量。 显热：废气因温差而夺走的热量。 发酵热在整个发酵过程中随时间变化。 因此，为了在一定的温度下进行发酵，必须在夹克和蛇管内通过冷水进行控制(在小型发酵罐中，在冬季和发酵初期发热量比发热量多的情况下，需要用温水保温)。41、(6)最佳温度的选择、最佳温度是指在该温度下菌的生长和生成物的合成的最佳温度。 根据菌种、培养条件、酶反应、生长阶段不同，最佳温度也不同。42、最佳生长温度和最佳生产温度往往不一致。 乳酸发酵时，链球菌最佳生长温度为34c，产酸最多的温度为30c，发酵速度最高的温度达到40c。 青霉素产生菌的最佳生长温度为30，而青霉素产生的最佳温度为24.7。 根据发酵时间的不同，必须选择不同的培养温度。 在生长阶段选择最佳生长温度，在产物分泌阶段选择最佳生产温度。 即，变温控制。 e.g青霉素温度变化发酵：最初保持5小时，30c，然后下降到25c培养5小时，再下降到20c培养28小时，最后上升到25c，培养40小时，装罐。 青霉素产量在25c恒温发酵条件下提高了14.7%。 在不同的发酵阶段选择不同的温度，43、考虑培养基的成分和浓度，如使用比较稀薄或容易利用的培养基时，提高温度会导致养分过早枯竭，菌丝过早自溶解，产量降低。 以其他发酵条件为参考，如通气条件差，可以适当降低温度，增加溶解氧浓度，同时降低菌体的生长速度，弥补通气不足引起的代谢异常。44、发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是重要的发酵参数，对菌体的生长和产品积累有很大的影响。 5、pH对发酵的影响及其控制，45，(1)pH对发酵过程的影响，pH影响菌体的生长和产物的合成： (1)影响酶的活性，pH抑制菌体中的酶的活性，阻碍菌体的新陈代谢；(2)菌体的形态： pH值，细胞壁的厚度，菌丝的直径等(3)细胞膜的电荷状态：引起膜通透性的变化，细菌影响养分的吸收和代谢产物的分泌；(4)产物的稳定性(5)对某些生物合成途径有显着的影响： pH值常常引起菌体代谢过程的差异，改变代谢产物的产量和比例。、46、微生物生长和生物合成的最佳pH值、微生物生长：细菌(6.37.5 )、霉菌和酵母菌(36)、放线菌(78)的微生物生长阶段和产物合成阶段的最佳pH值通常不同，这不仅取决于菌种的特性，也取决于产物的化学性质。47、e.g.clotridiumacetobelicumfentontition : ph在中