发酵工艺控制

1、第七章 发酵工艺控制.种子扩展培育培育基配制空气除菌培育基灭菌发酵消费下游处置发酵设备发酵的普通流程.提纲温度控制pH值控制溶氧控制二氧化碳控制泡沫的控制.1、温度对发酵的影响对细胞生长的影响：温度升高，从酶反响动力学来看，生长代谢加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易于衰老；对产物构成的影响：菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物构成速率的最适温度往往是不同的；温度升高，普通产物生成提早；对生物合成的方向的影响：反响抑制随温度变化而改动；对发酵液物理性质及溶解氧的影响：影响氧的溶解和传送，影响一些基质的分解，间接影响生物合成。.2、影响发酵温度的要素发酵热的成分生物热：微生物生长繁衍过程中的

2、产热搅拌热：机械搅拌呵斥的摩擦热蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量显 热：空气流动过程夹带着的热量Q发酵= Q生物+ Q搅拌- Q蒸发Q显-Q辐射 .3、发酵热的测定经过冷却水进出口温度和流量测定：Q发酵=Gcw(t1-t2)/V G冷却水流量； Cw水的比热； V发酵液体积。经过发酵液温度随时间上升的速率测定：Q发酵=(M1c1+ M2c2)S M1、c1 发酵液质量、比热； M2、c2 发酵罐质量、比热； S温度上升速率。.4、最适温度选择与发酵温度控制温度变化的普通规律与控制的普通原那么接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度，以利于孢子萌生和菌体的生

3、长繁衍；待发酵液温度开场上升后，应坚持在菌体的最适生长温度；到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低些，即代谢产物合成的最适温度；到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。选择是相对的，要思索培育基成分、浓度；溶氧温升氧降；生长阶段；培育条件等。.4、最适温度选择与发酵温度控制最适温度选择最适温度分最适生长温度和最适产物合成温度，两者往往不同，各阶段可用不同温度。 如：青霉素分别为： 30和 24.7 。青霉素发酵的温度控制0-5h：30C6-35h：25C36-85h：20C86-125h：25C05358512530252025.4、最适温度选择与发酵温度控制发酵温度控制进展温度

4、控制时应思索的要素不同菌种在不同生长阶段的生长和消费特性参考其它发酵条件通气、培育基成分和浓度、pH值等，如通气条件差时，那么最适发酵温度比通气良好时低。.4、最适温度选择与发酵温度控制发酵温度控制温度控制的方法冷却是主要的方法，通常是利用发酵罐的热交换安装进展降温，假设气温较高，冷却水温度也较高时，多采用冷媒(盐水)进展降温。发酵罐的热交换安装：罐外夹套罐内蛇管、列管.二、pH值对发酵的影响及控制发酵液pH对菌体生长、繁衍和产物积累影响较大。消费前应进展实验和研讨。菌体生长、繁衍和产物积累的最适pH不一定一样。整个发酵过程的pH是变化的。 1、 pH对发酵的影响 2、影响发酵pH的要素 3、

5、最适pH的选择和调理.1、 pH对发酵的影响微生物生长最适pH值范围 不同的微生物具有不同的最适生长的pH值。 细菌6.5-7.5； 放线菌6.5-8.0； 霉菌4.0-5.8； 酵母菌3.8-6.0产物构成最适pH值范围 微生物的生长和产物构成的最适pH值往往不同。 少数一致，大多不同； 有的偏高，有的偏低。.1、 pH对发酵的影响pH对微生物生长和产物构成影响的缘由：pH值影响菌体形状，如壁厚薄、长径比； pH值改动使原生质膜电荷发生改动，影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的排出；pH值直接影响酶活性；pH值影响某些重要营养物质和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用。pH影响

6、生物合成的途径。 如：黑曲霉pH=2-3时产柠檬酸；近中性时产草酸、 葡萄糖酸。.2、影响发酵pH的要素影响pH值的要素：培育基成份、微生物代谢特性决议发酵过程的pH变化。综合反映此外，通气情况的变化，菌体自溶和杂菌污染都能够引起发酵液pH的变化。微生物改动培育液pH以适宜本身生长的才干很强。发酵液的实践pH是“成分和“途径的一致。确定和有效控制pH在菌体生长或产物积累的最适范围是高产的保证。.2、影响发酵pH的要素生理碱性物质和生理酸性物质生理碱性物质：经微生物代谢后，导致pH上升碱性物质生成或酸性物质耗费的物质。 如：有机氮源，硝酸盐，有机酸。 产NH3、NaOH生理酸性物质：经微生物代谢

7、后，导致pH下降酸性物质生成或碱性物质耗费的物质。 如：糖类产有机酸，脂肪产脂肪酸，铵盐 氧化产硫酸。.3、最适pH的选择和调理最适pH的选择和调理的原那么：既有利于菌体的生长繁衍，又可最大限制的获得高产。根据不同微生物的特性，在发酵过程中随时检查pH 值的变化，选用适当的方法进展调理。生长最适pH和产物构成最适pH的相互关系： 两者一样，范围都宽；容易控制。 两者一样，范围都窄；必需严厉控制。 两者一样，范围一宽一窄；必需严厉控制。 两者不同，范围都窄；分别严厉控制。.3、最适pH的选择和调理选择pH值的方法：经过实验确定。 配制并一直调理控制不同pH，检出菌体或产物最大值。调理pH值的方法

8、： 主要思索培育基中生理酸、碱性物质的配比；补料调理：调理通气量、调整盐类、氮源、碳源的配比平衡； 如：青霉素消费的葡萄糖补加控制pH。 按需补糖比恒速补糖效果好。添加弱酸或弱碱、加缓冲剂。普通效果不好 .三、氧对发酵的影响氧是制约发酵进展的重要要素氧难溶于水，培育基中储存的氧量很少； 【纯氧溶纯水，1.26mmol/L；空气氧溶纯水，0.25；培育基更低】高产株和加富培育基的采用以及发酵周期的缩短 加剧了对氧的需求；构成产物的最正确氧浓度和生长的最正确氧浓度有可 能是不同的；发酵罐中氧的吸收率很低；多数 2%；通常 1%加大通气量会引起过多泡沫；消泡剂不利于氧的溶解。.1、氧的传送和传质方程

9、式氧传送的阻力： 气相到气液界面； 气液界面； 经过液膜； 液相； 细胞或细胞团外表液膜； 固液界面； 细胞团内； 细胞壁； 反响生化阻力。从空气泡到细胞内总阻力为上述阻力之和。 即1/kt=1/kG+1/kI+1/kL+1/kLB+1/kLC+1/kIS+1/kA+1/kW+ 1/kR液相主体到细胞壁，氧的浓度差很小。 细胞不结团时，壁氧的浓度与液膜接近。 .1、氧的传送和传质方程式氧传送的总推进力： 气相与细胞内的氧分压差和浓度差。减小阻力方法： 液膜，气液混合所生湍动； 细胞团外表液膜，搅拌减小外径，减少阻力； 细胞团内阻力和壁阻力，搅拌减少逆向分散梯度； 反响阻力，培育基成分，培育条件

10、，产物移去。.1、氧的传送和传质方程式气液相间的氧传送和氧传质方程式。 氧分压和浓度变化图7-7氧传送的主要阻力存在于气膜和液膜中。 单位体积培育液中的氧传送速率 ： OTR=KLC*-CL KL 容积传送系数； 比外表积； KL以氧浓度为推进力的总传送系数； C*气液平衡的液相氧浓度应有； CL液相主体氧浓度存在。 .气液相间的氧传送和氧传质方程式 培育物处于富余的通气情况下， CL会逐渐接近C*，氧传送速率渐小； 而处于不富余的通气情况下， CL下降趋于0，氧传送速率最大。 C*-CL推进力.2、影响微生物对氧需求的要素 不同微生物对氧的需求不同，其耗氧速度用呼吸强度比耗氧速率来表示： C

11、L QO2 =( QO2 )m (当氧是限制性基质时 ) K0 + CL ( QO2 )m最大比耗氧速率； CL溶解氧浓度； K0氧的米氏常数。 各种菌的K0和( QO2 )m有定值表7-3；表7-4。.影响微生物对氧需求的要素菌的呼吸强度与菌种种类K0， ( QO2 )m和培育液中溶解氧浓度有关。 CL添加，QO2 加强；直至到达 CL / K0 + CL 1 临界值，再不加大。 如：图7-8。.2、影响微生物对氧需求的要素摄氧率： 单位体积培育液，在单位时间内耗氧量。r = QO2X X细胞浓度。氧的满足度： 溶解氧浓度与临界氧浓度之比。产物构成的最正确氧浓度有时与细胞生长最正确氧浓度不同

12、，需氧量差别较大，各有不同。.影响微生物摄氧率的要素 菌种； 溶解氧浓度； 细胞浓度； 培育基成分和浓度： 如：碳源，利用速度不同摄氧率不同； pH； 温度：温度高，临界值增高； 有毒物积累。抑制呼吸； 挥发性中间物有机酸，加强。.3、培育基的流变特性 培育基的流变特性影响： 动量、热量、质量传送，继而影响各种发酵条件。如： 溶氧速率、气体交换、发酵温度、营养物补充、PH值的调理等。 培育液是 一多相体系，由液相、固相菌体，不溶性培育基组分和气相构成。.牛顿流体和非牛顿流体 牛顿型流体：服从牛顿黏性定律，黏度只是温度的函数，与流变形状无关。即发酵罐中任何部分黏度一样，与搅拌速度、半径无关。 清

13、细菌、酵母液非牛顿型流体：不服从牛顿黏性定律，其黏度不仅受温度影响，而且随流动形状而异。可分为几种类型的流体。与切变率r有关。 放线菌、霉菌、高浓度细菌、酵母培育液.非牛顿流体的搅拌功率罐中非牛顿流体的平均切变率与搅拌速 度成正比。 _ 平均切变率 r = k N k无因次常数 N搅拌器转速 对不同的非牛顿流体，采用不同型式和大小的搅拌器，k值普通在10-13之间。在发酵过程中，培育液的黏度系数K、流变特征指数n表现出时变性。.4、影响供氧的要素 由氧传质方程式： OTR=KLC*-CL 可知，以下要素影响氧传送速率：1影响KL的要素 ；2影响推进力C*-CL的要素 。.1影响KL的要素搅拌：

14、 汽泡变小，增大汽液相接触面积；延伸汽泡在液体中的停留时间；添加湍动程度，减小气泡外液膜厚度，减小阻力；使培育基成分和细胞均匀分布，利于营养物吸收，代谢物分散。搅拌比通气速度对KL的影响更明显。 但搅拌速度过高，会对细胞呵斥损伤，并会添加传热的负担。 通气效率还与罐体积越小越好、罐外形、构造、搅拌器方式、挡板有关。.1影响KL的要素空气流量： 供氧，带走废气。 KL随空气流量添加而添加，但有限制。 如超越限制，搅拌器在空气泡中空转，不能分散空气，搅拌功率下降。气沿轴逸出。.1影响KL的要素培育液性质的影响： 微生物生长繁衍和代谢可引起发酵液密度、黏度、外表张力、分散系数的变化。这些性质的变化都

15、会影响KL值。 如：黏度增大，滞留液膜厚度添加，传质阻力增大；同时黏度影响分散系数，使通气效率降低。 综合操作条件和流体性质对KL的影响，有： KL=f(Di,N,s,DL,g).1影响KL的要素微生物生长的影响： 细胞浓度添加， KL值变小，细胞浓度一样时，球状菌悬液的KL值是丝状菌悬液KL值的两倍。 流动特性，稠度差别较大 .1影响KL的要素 消沫剂的影响： 分布于气液截界面，增大传送阻力，使KL下降虽使 增大。 产生泡沫缘由多样，其中发酵性泡沫氧低，CO2高，不易破，“逃液。 消沫剂虽然使KL下降，但最终会有 效的改善发酵液的通气效率。 消泡沫的重要手段 .1影响KL的要素离子强度的影响

16、： 气泡在电解质溶液中，比在水中小很多， 较大， KL值也比水大。并随浓度添加而增大。 丙酮、乙醇、甲醇等有机溶剂也有类似情况。.2影响推进力的要素 提高推进力实践上是添加氧的饱和度C*。影响要素有：温度：常压下，随温度升高而降低。溶质的影响：随浓度添加氧饱和度下降。电解质，因盐析作用而降低；有机溶液，升高。罐压：罐压添加，溶解氧浓度添加，但CO2也添加且更快。不利于液相中CO2排出。对细胞浸透压有不利影响。纯氧：富氧通气、溶解氧添加。但消费本钱提高，不够经济。.5、液相体积氧传送系数KL的测定常握供氧，需氧情况，要测定： 溶解氧浓度，摄氧率和液相体积氧传送系数KL。1.摄氧率的测定： 先用纯

17、水标定电极，得单位电流值代表的溶解氧浓度；测定时、关气、除气、坚持搅拌；细胞耗氧，培育基氧降，电流值降，摄氧率 r 求出。.5、液相体积氧传送系数KL的测定2.液相体积氧传送系数KL的测定： 可用直接测定法，动态测定法。 用复膜氧电极测定，停气、N气、除气，保搅拌；溶氧下降， 到呼吸临界氧浓度时，恢复通气。溶解氧浓度为纵坐标，测定时间为横坐标。制得曲线，其斜率=-1/ KL；延伸线与纵轴的截距为C* 。.6、提高溶氧的方法加强搅拌；适当的空气流量；减小培育基粘度；提高氧分压；调理微生物呼吸强度的临界值；适宜的细胞浓度、碳源种类、pH、温度。.四、二氧化碳对发酵的影响及控制二氧化碳的来源： 是微

18、生物的代谢产物，也是某些合成 代谢的一种基质。二氧化碳对发酵的影响： 1、对菌体； 2、对产物。.二氧化碳对发酵的影响1、对菌体： CO2效应：在发酵消费中不同微生物或某终身长阶段对二氧化碳有着特殊的要求促进或必需； 通常对菌体生长有抑制造用。排气中高于4时，糖代谢和呼吸速率下降。2、对产物： 需占一定的比例或分压，过高、过低产量都会下降； CO2对某些发酵产生抑制造用。 如：抗生素，组氨酸等； 二氧化碳可经过改动pH而影响发酵消费。.四、二氧化碳对发酵的影响及控制缘由： CO2作用膜脂质中心部位，改动膜流动性及外表电荷密度，影响膜运输效率，导致细胞生长受限制，形状改动；HCO3- 影响细胞膜

19、的膜蛋白 也可产生反响作用，使PH下降，与其他物质反响，与生长必需金属离子构成碳酸盐沉淀，过分耗氧，引起溶解氧下降等，影响菌体生长和产物合成。.四、二氧化碳对发酵的影响及控制发酵液中CO2浓度的影响要素： 细胞呼吸强度； 发酵液流变学特性； 通气搅拌程度； 罐压大小； 设备规模。二氧化碳浓度的控制方法：调理罐压、通气量和搅拌速度；补料。青霉素：补糖，添加CO2 产生，降低PH。.五、泡沫对发酵的影响及控制泡沫产生的缘由泡沫过多对发酵的危害泡沫的消长规律泡沫的消除和防止.1、泡沫产生的缘由充气产生泡沫微生物代谢气体构成泡沫泡沫的产生与培育基性质有关 蛋白质原料、蜜糖水解原料，淀粉水解不完全时易发

20、泡.2、泡沫过多对发酵的危害使装量减少，或呵斥跑液，使产量降低；经过轴封走漏，污染设备，添加染菌时机；菌体粘附罐顶、罐壁，发酵液中菌体量减少；影响通气搅拌的进展，呵斥减产或菌体提早自溶；菌体提早自溶会促使更多泡沫构成，恶性循环；减风量，影响溶解氧浓度，影响生长、代谢；加消泡剂，给提取工艺带来困难。.3、泡沫的消长规律通气和搅拌： 随通气和搅拌添加而添加，搅拌比通气影响大；培育基原料性质： 蛋白胨、玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉等蛋白质原料是主要发泡物质；培育基灭菌方法： 温度过高，构成蛋白黑色素，5羟甲基糖醛，泡沫增多；细胞代谢活动： 初期，高粘度、低张力，泡多；中期，粘度降、张力升，泡少；后期，自溶，泡上升。.4、泡沫的消除和防止消泡方法：改动培育基成份，减少通气，选育新消费种化学法：添加消泡剂油类等，运用面广机械法：靠机械剧烈振动，压力的变化，使 气泡破裂，或借助机械力将排出气 体中的液体加以分别回收.4、泡沫的消除和防止化学消泡法机理：由于消泡剂本身的外表张力较低，当其与气泡膜外表接触时，使气泡膜部分的外表张力降低，从而使气泡破裂。消泡剂的特点：是外表活性剂，具有一定的亲水性，溶解度较小，无毒，不干扰溶氧、pH值等测定仪表的运用，来源广，价廉。缺陷：1