发酵工艺控制

1、模块五 发酵工艺控制 一、发酵条件的影响及其控制1、种子质量（1）种龄太年轻：前期生长缓慢，产物开始形成时间推迟，整个发酵周期延长；太老：菌量虽多，但导致生产能力下降，菌体过早自溶。（2）接种量较大且合适：缩短生长期，产物合成时间提前；过大：生长过快，黏度增加，导致溶氧不足，影响产物合成。1发酵条件的影响及其控制2、温度的影响（P161-162）（1）温度对微生物生长的影响A. 影响微生物的生长繁殖（）；B. 影响碳-能源基质转化为细胞的得率（最适生长温度和产物合成 温度不同）；C. 影响细胞的各种代谢过程（分解代谢和合成代谢） 。2发酵条件的影响及其控制（2 ）温度对发酵的影响 （P163-

2、164）对产物形成的影响；通过影响酶反应速率直接影响过程的各种反应 速率。B. 改变发酵液的物理性质；使氧溶解度减小，氧传递速率被改变；基 质的传质速率改变，使菌体对基质的分解和吸收变小。C. 影响生物合成的方向。（3）影响发酵温度的因素：发酵热生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热。3发酵条件的影响及其控制（4） 最适温度的选择 （发酵温度控制）微生物生长最适温度、产物合成最适温度；考虑的因素：菌种、培养基成分和浓度、菌体生长阶段和培养条件等。3、pH的影响及控制 （P165）（1） pH影响微生物生长 （酶活、基质的利用）；（2） pH对发酵的影响产物合成、菌体的形态、细胞膜的电荷状态、合成途径。

3、4发酵条件的影响及其控制（3） 影响发酵pH的因素 培养基的成分； 微生物的代谢特性； 通气量的变化； 菌体自溶； 杂菌污染5发酵条件的影响及其控制（4）最适pH的选择和调控 生产之前进行生长和产物形成最适pH的研究和试验，掌握发酵过程中 变化的规律； 进行监测； 合理控制； 控制pH在合适范围应首先从基础培养基的配方考虑，然后通过加酸碱 或中间补料来控制。6溶氧的影响及其控制4、氧的供需及对发酵的影响（1）微生物对氧的需求（需氧）；（2）发酵液中氧的供给（供氧）；（3）影响Kla的因素（供氧的调节）；（4）与溶氧相关的参数测定；（5）发酵过程中溶氧监控的意义7微生物对氧的需求（1）微生物对氧

4、的需求A. 描述微生物需氧的物理量r = QO2 X （X为菌浓）摄氧率（r）：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量， mmol O2/（Lh）。比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的 氧气，mmol O2/（g菌h） 。8微生物对氧的需求QO2CCrCLB. 溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCr: 临界溶氧浓度，指不影响呼吸或产物合成所允许的最低溶氧浓度。9微生物对氧的需求r= QO2 XC. 影响需氧（摄氧率r ）的因素菌体浓度X呼吸强度 QO2：遗传因素；发酵液中的溶氧浓度CL；菌龄；营养的成分与浓度；有害物质的积累；培养条件10反应器中氧的传递（2）反

5、应器中氧的传递 （发酵液中氧的供给）传递方程：OTR = KLa （CCL）C与气相中氧分压相平衡的液体中的氧饱和浓度；CL 发酵液中的溶氧浓度；微生物对氧的需要速率，应该是为了避免氧成为限制因素而必须满足的供氧速率，即供氧需氧达到平衡。QO2 X= KLa (CCL)11反应器中氧的传递两种情况： 若供氧速率需氧速率，即KLa (CCL) r此时发酵液中的溶氧浓度CL会不断增加趋近于C 若需氧速率供氧速率，即r KLa (CCL)则 CL会不断下降趋近于0。结论：影响供氧的主要因素是推动力(CCL) 和体积氧传递系数KLa 。12供氧的调控策略（3）供氧的调控 （影响供氧的因素）提高推动力

6、（CCL ） （手段不多） 增加C 的方法 （P169）； 降低CL：可通过减少空气流量来达到，但CL不能低于临界氧浓度(C临界) ，必须略大于C临界；同时减少空气流量本身会使KLa下降。提高体积氧传递系数KLa 搅拌：使液体形成涡流，延长气泡在液体中的停留时间；增加液体湍动程度，减少气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的力；将空气打散成小气泡，防止其凝集，从而增大气液相的有效接触面积；使培养液中的成分分布均匀，细胞在培养液中均匀地悬浮，有利于营养物质的吸收和代谢物的及时分散。13供氧的调控策略 空气流量提供氧气，带走废气；在一定流量范围内， KLa随空气流量增加而增加；当空气流量超过某一限

7、度，搅拌器不能有效地将空气泡分散到液体中，而在大量空气泡中空转，发生”过载“现象，气流形成大的气泡，沿轴的周围出， KLa不能再提高。 培养液性质的影响密度、黏度、表面张力、扩散系数等；液膜厚度增加，传质阻力增大，扩散系数降低，通气效率下降。 微生物生长的影响菌体浓度；菌丝形态：球状菌的KLa是相同浓度丝状菌的2倍；丝状菌的稠度指数是球状菌的10倍。14供氧的调控策略 消泡剂的影响 离子强度的影响消泡剂会分布在气液界面，增大传递阻力，使KL下降；虽然“a”有所增加，但KL下降的影响超过“a”的增加，所以总体是有很大的下降。电解质溶液中生成的气泡比在水中的要小得多，故有较大的“a”。15发酵过程

8、中溶氧监控的意义 （P166）（4） 溶氧（DO）的测定（P166）KLa 的测定：亚硫酸盐法（冷膜）（5）发酵过程中溶氧监控的意义 （P168-169）A. 溶氧作为发酵异常的指示 故障或事故引起发酵异常； 中间补料是否得当； 污染杂菌； 作为质量控制指标；B. 溶氧在过程控制方面的应用16加糖、补料对发酵的影响及其控制5、加糖、补料对发酵的影响及其控制补料控制可调节菌的呼吸，以免过程受氧的限制；补料策略：少量多次；补料速率：可根据KLa 的大小来优化，控制生长和氧耗，使菌处于半饥饿状态，有利于提高产率；补料时机：一般以发酵液中的残糖浓度为依据。6、比生长速率的调控（P176）为维持最大比生

9、长速率，在分批补料中采用指数式补料。17泡沫对发酵的影响及其控制7、泡沫对发酵的影响及其控制（1）泡沫的产生及其影响产生原因：通气搅拌，CO2，稳定泡沫物质；影响(P178) ；5点（2）泡沫的消长规律：发酵液的性质随菌的代谢活动不断变化。 前期：上升；中期：减少；后期：上升。（3）泡沫的控制；机械消泡和消泡剂。18发酵终点判断8、 发酵终点判断产率：产物 g/（发酵液Lh） ；得率（转化率）：kg产物 / kg基质；发酵系数： kg产物 /（罐容积m3发酵周期h） ；产物浓度：产物g / 发酵液 L；发酵终点判断 (放罐时机) 的考虑： 以总产率为主（缩短发酵周期），在此前提下再考虑产物浓度

10、； 放罐时间对下游工序的影响； 临近放罐时，加糖、补料和消泡剂要慎重，以免影响提炼。判断放罐的指标（P181） 19发酵染菌的防治及处理9、发酵染菌的防治及处理（P181）（1）染菌的原因及所占百分比（%）总空气系统带菌 19.96 种子带菌 9.64阀们泄漏 1.45 接种时罐压降至大气压力 0.19搅拌轴封泄漏 2.09 培养基消毒不透 0.79罐盖泄漏 1.54 泡沫升至罐顶 0.48 其它设备泄漏 10.13 操作问题 10.15 夹套穿孔 12.36 原因不明 24.91蛇管穿孔 5.89 接种管穿孔 0.39 20发酵染菌的防治及处理空气系统是染菌的主要原因，但仔细观察，穿孔和泄漏共占33.85%，远超空气系统。归纳染菌的原因：空气、设备、种子和操作的问题。结论：可见设备渗漏占第一位。21发酵染菌的防治及处理（2）染菌的防治及处理 空气系统：提高进口空气洁净度（提高吸气口位置，加强空气 压缩前过滤）； 蒸汽：重视饱和蒸汽质量严防蒸汽中夹带大量冷凝水； 设备：连续灭菌设备，发酵罐，无菌室； 工艺操作：空罐准备、空罐灭菌、实罐灭菌、连续灭菌、补料、 种子、无菌试验(同时用肉汤和双碟或斜面作对照) ； 重视厂区、车间及人员的卫生工作，加强生产技术管理。22发酵过程参数及控制10、发酵过程的自动