发酵工艺学发酵工艺过程控制

1、发酵工艺学发酵工艺过程控制第1页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二一、 分批培养 （batch culture or fermentation）1.概念：在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。第2页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二分批培养中微生物的生长迟滞期对数生长期稳定期死亡期第3页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二2.特点：(1)整个培养系统与外界没有其它物质交换（O2、CO2、消泡剂、酸碱除外）(2)整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产

2、物浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法。第4页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二3.分批培养的优缺点优点: 操作简单，周期短，染菌机会少， 生产过程和产品质量容易掌握。缺点: 产率低。第5页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二二、连续培养（continuous culture） 1. 概念： 微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物，使微生物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式。第6页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二2. 特点： 菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒定状态。第7页，共40页

3、，2022年，5月20日，18点42分，星期二3. 连续培养的优缺点优点: 控制稀释速率可以使发酵过程最优化。 发酵周期长，产量高。缺点: 长期连续培养会引起菌种退化，降低 产量。染菌机会增加。应用：废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工业中。第8页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二三、补料分批培养（fed-batch culture） 介于分批培养和连续培养之间的操作方法。1.概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其代谢产物的生产时间延长。第9页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二2.补料分批培养的优缺点 优

4、点： 与分批培养相比(1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。(2)延长次级代谢产物的生产时间。第10页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二 与连续培养相比(1)降低了染菌，避免了遗传不稳定性。(2)最终产物浓度较高，有利于产物的分离。(3)使用范围广。第11页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二 缺点：(1)由于没有物料取出，产物的积累最终导致 比生产速率的下降。(2)由于物料的加入增加了染菌机会。 应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。第12页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二3. 几个实例：产物补料物酵母菌麦芽汁、氮、磷、镁谷

5、氨酸氨水或尿素柠檬酸铵盐、糖苹果酸葡萄糖淀粉酶葡萄糖青霉素葡萄糖、氨水、苯乙酸第13页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二 第二节 温度变化及其控制一、温度对发酵的影响 1.影响反应速率 2.影响发酵方向另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率。第14页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二二、最适温度的选择 最适发酵温度是既适合菌体的生长又适合代谢产物合成的温度。 随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。 第15页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二三、发酵过程引起温度变化的因素发酵热Q发酵Q生物Q搅拌Q蒸发Q辐射第16

6、页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二四、温度的控制 一般不需加热，因释放了大量的发酵热，需要冷却的情况多。 用夹套或蛇形管，通冷却水。第17页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二 第三节 pH变化及其控制一、pH变化的原因 1.基质代谢 （1）糖代谢 糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。 糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一。 （2）氮代谢 氨基酸中的-NH2被利用，pH下降； 尿素被分解成NH3，pH上升。 （3）生理酸碱性物质利用后，pH上升或下降。 2.产物形成 3.菌体自溶 pH上升第18页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二二

7、、pH对发酵的影响 1.影响酶的活性。 2.影响微生物细胞的结构。 3.影响微生物对基质的利用速率。 4.影响代谢方向。第19页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二三、pH值的确定和控制 1.pH的确定 微生物发酵的最适pH范围一般在58之间，根据实验确定，即配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况。第20页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二举例：Aspergillus niger在pH22.5范围时有利于合成柠檬酸，当在pH2.56.5范围内时以菌体生长为主，而在pH7.0时，则以合成草酸为主。 生长的最适pH值与发酵的最适pH值第21页，共40页

8、，2022年，5月20日，18点42分，星期二2.pH的控制 (1)调节好基础培养基的pH。 若控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.56.8。 (2)通过加酸碱和中间补料来控制。第22页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二a.过去直接加酸（H2SO4）或碱（NaOH），现常用： 生理酸性物质：(NH4)2SO4 生理碱性物质：氨水b.补料既调节了pH值，又补充了营养，还可减少阻 遏作用。如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用: 调节pH值 补充氮源第23页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二 第四节 溶解氧及其控制一、溶解氧（dissolved

9、oxygen,DO）对发酵的影响 溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。（1）最适氧浓度（optimal oxygen concentration）： 菌体生长或产物合成最适浓度范围。（2）临界氧浓度（critical value of dissolved oxygen concentration）： 满足微生物呼吸的最低氧浓度。第24页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二二、溶氧浓度的控制 溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。（一）供氧方面： 1.调节搅拌转速 2.调节通气速率第25页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二（二）需氧方面： 1.菌体浓

10、度和菌龄 2.基质种类和浓度 以菌浓影响最明显。 3.培养条件 控制方法：通过控制基质浓度。第26页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二大型发酵罐搅拌装置第27页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二温度传感器、耐高温pH和溶氧（DO）传感器第28页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二 第五节 泡沫的形成与控制一、泡沫产生的原因 1.通风搅拌程度及菌体新陈代谢产生的CO2。 2.培养基性质第29页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二二、泡沫的危害 1.降低生产能力（装料系数减少） 引起原料浪费 2.造成大量逃液 引起

11、染菌 3.影响菌的呼吸第30页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二三、泡沫的控制调整培养基成分（如少加或缓加易起泡的原材料）改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通气和搅拌）改变发酵工艺（采用分批投料）第31页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二1.机械消泡：（物理方法） 利用机械振动或压力变化使泡沫破裂。 罐内消泡: 靠罐内消泡浆打碎泡沫。 罐外消泡：靠喷嘴的加速作用消除泡沫。第32页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二2.消泡剂消泡机理: 降低液膜的机械强度 降低液膜的表面粘度（1）天然油脂类：豆油、玉米油、棉子油、菜籽油（还可作

12、为碳源），用量大，0.1% 0.2%。（2）聚醚类：又称泡敌，消泡能力为豆油的1020倍，用量少，0.02%-0.03%。第33页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二 第六节 发酵染菌及其防治一、染菌的检查、判断 （一）观察法 1. 菌体浓度（OD值）异常（OD:optical density） 2. 溶解氧（DO）异常 3. pH值异常 4. 泡沫过多第34页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二（二） 镜检法（三） 平板划线培养法（四） 酚红肉汤培养法第35页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二二、发酵染菌的原因 1.种子带菌 2.空气带菌 3.设备渗漏 4.培养基灭菌不彻底 5.技术管理不善第36页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二三、染菌情况分析1.单罐染菌罐本身而非系统问题。如种子带菌、培养基灭菌不彻底、罐有渗漏、分过滤器失效。2.多罐染菌系统问题，如空气过滤系统有问题，特别是总过滤器长期没有检查，可能受潮失效；移种或补料的分配站有渗漏或灭菌不彻底。第37页，共40页，2022年，5月20日，18点42分，星期二3.前期染菌 种子带菌、培养基灭菌不彻底。4.中后期染菌 补料的料液灭菌不彻底或补料管道、阀门渗漏，一般不会是种子问题。第38页，共40页，2022年，5月20日，18