新编生物工艺学第七章发酵工艺控制.ppt

1、7 发酵工艺控制,新编生物工艺学,发酵过程技术原理,2,引言,1,7 发酵工艺控制,泡沫对发酵的影响及其控制,4,发酵条件的影响及其控制,3,发酵染菌的防治及处理,6,发酵终点的判断,5,7 发酵工艺控制,发酵过程参数监测的研究概况,7,7.1 引言,发酵原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。现在从广义将发酵看做是微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经特定的代谢转变成所需产物的过程。,7.2 发酵过程技术原理,1,2,分批发酵,补料(流加）-分批（fed-bath）发酵,3,4,半连续发酵,4,4,连续发酵,7.2.1 分批发酵,1,2,分批发酵的基础理论,重

2、要的生长参数,3,分批发酵的优缺点,3,4,7.2.1.1 分批发酵的基础理论,7.2.1.1 分批发酵的基础理论,图7-1 分批培养中的微生物的典型生长曲线,7.2.1.1 分批发酵的基础理论,7.2.1.1 分批发酵的基础理论,7.2.1.1.1 生长关联型,7.2.1.1 分批发酵的基础理论,7.2.1.1.2 非生长关联型,7.2.1.1 分批发酵的基础理论,图7-2,7.2.1.2 重要的生长参数,7.2.1.2 重要的生长参数,图7-3,7.2.1.2 重要的生长参数,图7-4,7.2.1.3 分批发酵的优缺点,对不同对象，掌握工艺的重点也不同。 分批发酵在工业生产上仍有重要地位。

3、,7.2.2 补料(流加）-分批（fed-bath）发酵,7.2.2.1 补料-分批发酵理论基础,7.2.2 补料(流加）-分批（fed-bath）发酵,7.2.2.2 分批补料的优化 图7-5,7.2.2 补料(流加）-分批（fed-bath）发酵,图7-6,7.2.2 补料(流加）-分批（fed-bath）发酵,7.2.2 补料(流加）-分批（fed-bath）发酵,7.2.3 半连续发酵,半连续发酵也有它的不足： 放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体 定期补充和带放使发酵液稀释 发酵液被稀释后可能产生更多的代谢有害物，最终限制发酵产物的合成 一些经代谢产生的前体可能

4、丢失 有利于非产生菌突变株的生长,7.2.4 连续发酵,7.2.4.1 单级连续发酵的理论基础,7.2.4 连续发酵,7.2.4 连续发酵,图7-8,7.2.4 连续发酵,图7-9,7.2.4 连续发酵,7.2.4.2 多级连续培养 可通过以下两种办法浓缩菌体： 限制菌体从恒化器中排出，让流出的菌体浓度比罐内的小 将流出的发酵液送到菌体分离设备中,7.2.4 连续发酵,图7-10,7.2.4 连续发酵,7.2.4.3 连续培养在工业生产中的应用,7.2.4 连续发酵,图7-11,7.2.4 连续发酵,7.2.4.4 连续培养中存在的问题 （1）污染杂菌问题 （2）生产菌种突变问题,7.2.4

5、连续发酵,图7-12,7.3 发酵条件的影响及其控制,7.3 发酵条件的影响及其控制,1,2,基质浓度对发酵的影响及其控制,灭菌情况,3,4,种子质量,4,4,温度对发酵的影响,4,5,pH的影响,7.3 发酵条件的影响及其控制,6,7,溶氧的影响,二氧化碳和呼吸商,8,4,加糖、补料对发酵的影响及其控制,9,4,比生长速率的作用与控制,4,7.3.1 基质浓度对发酵的影响及其控制,先进的培养基组成和细胞代谢物的分析技术加上统计优化策略和生化研究对于建立能充分支持高产、稳产和经济的发酵过程是关键的因素。,7.3.2 灭菌情况,7.3.3 种子质量,7.3.3.1 接种菌龄 这是指种子罐中培养的

6、菌体开始移种到下一级种子罐或发酵罐的培养时间 7.3.3.2 接种量 这是指移种的种子液体积和培养液体积之比,7.3.4 温度对发酵的影响,7.3.4.1 温度对微生物生长的影响 图7-13,7.3.4 温度对发酵的影响,7.3.4 温度对发酵的影响,图7-14,7.3.4 温度对发酵的影响,图7-15,7.3.4 温度对发酵的影响,7.3.4 温度对发酵的影响,7.3.4.2 温度对发酵的影响 一般，发酵温度升高，酶反应速率增大，生长代谢加快，生产期提前。 7.3.4.3 最适温度的选择,7.3.4 温度对发酵的影响,7.3.5 pH的影响,7.3.5.1 发酵过程中p变化的规律 微生物生长

7、和产物合成阶段的最适p通常是不一样的。这不仅与菌种特性，也与产物的化学性质有关。 7.3.5.2 最适p的选择 选择最适发酵p的准则是获得最大比生产速率和适当的菌量，以获得最高产量。 7.3.5.3 p的监控 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,7.3.4 温度对发酵的影响,图7-16,7.3.4 温度对发酵的影响,图7-17,7.3.6 溶氧的影响,7.3.6.1 临界氧,7.3.6 溶氧的影响,7.3.6.2 溶氧作为发酵异常的指示 （1）有些操作故障或事故引起的发酵异常现象也能从溶氧的变化中得到反映 （2）中间补料是否得当可以从溶氧的变化看出 （3）污染杂菌 （4

8、）作为质量控制的指标,7.3.6 溶氧的影响,图7-18,7.3.6 溶氧的影响,7.3.6.3 溶氧参数在过程控制方面的应用 此控制系统的优点在于 它能使发酵的溶氧控制更符合需求 达到 “ 控制”参数所需时间缩短 可减少由于种子质量的不稳定而导致的批与批间的产量波动 能及时调节搅拌与通气以克服发酵过程中出现的干扰,7.3.6 溶氧的影响,图7-20,7.3.6 溶氧的影响,7.3.6.4 溶氧的控制,7.3.6 溶氧的影响,7.3.6 溶氧的影响,7.3.6 溶氧的影响,7.3.6 溶氧的影响,（1）搅拌转速对溶氧的影响 （2）培养基养分的丰富程度的影响 （3）温度的影响 （4）产中采用控制

9、气体成分的办法既费事又不经济,7.3.6 溶氧的影响,7.3.7 二氧化碳和呼吸商,7.3.7.1 CO 对发酵的影响,7.3.7 二氧化碳和呼吸商,7.3.7.2 呼吸商与发酵的关系,7.3.7 二氧化碳和呼吸商,7.3.8 加糖、补料对发酵的影响及其控制,7.3.8.1 补料的策略,7.3.8 加糖、补料对发酵的影响及其控制,图7-21,7.3.8 加糖、补料对发酵的影响及其控制,图7-22,7.3.8 加糖、补料对发酵的影响及其控制,7.3.8.2 补料的依据和判断,7.3.8 加糖、补料对发酵的影响及其控制,7.3.8 加糖、补料对发酵的影响及其控制,图7-23,7.3.8 加糖、补料

10、对发酵的影响及其控制,图7-24,7.3.9 比生长速率的作用与控制,7.3.9 比生长速率的作用与控制,7.3.8 加糖、补料对发酵的影响及其控制,图7-26,7.3.8 加糖、补料对发酵的影响及其控制,图7-27,7.4 泡沫对发酵的影响及其控制,1,2,泡沫的产生及其影响,发酵过程中泡沫的消长规律,3,4,泡沫的控制,4,4,7.4.1 泡沫的产生及其影响,主要表现在： 降低了发酵罐的装料系数 增加了菌群的非均一性 增加了污染杂菌的机会 大量起泡，控制不及时，会引起逃液 消泡剂的加入有时会影响发酵或给提炼工序带来麻烦,7.4.2 发酵过程中泡沫的消长规律,发酵过程中泡沫的多寡与通气搅拌的

11、剧烈程度和培养基的成分有关，还与配比有关。 在发酵过程中发酵液的性质随菌的代谢活动不断变化，是泡沫消长的重要因素。,7.4.2 发酵过程中泡沫的消长规律,图7-28,7.4.3 泡沫的控制,7.4.3.1 机械消沫 机械消沫是藉机械引力起剧烈振动或压力变化起消沫作用。 7.4.3.2 消泡剂消沫 7.4.3.3 消沫剂的应用 消沫剂或消泡剂，特别是合成消沫剂的消沫效果与使用方式有关。,7.5 发酵终点的判断,发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而对发酵终点的判断标准也应有所不同。,7.5 发酵终点的判断,图7-29,7.6 发酵染菌的防治及处理,1,2,染菌的途径分析,染菌的判断和防治,3

12、,4,生产技术管理对染菌防治的重要性,4,7.6.1 染菌的途径分析,染菌的途径不外有以下几方面 种子包括进罐前菌种室阶段出问题 培养基的配制和灭菌不彻底 设备上特别是空气除菌不彻底和过程控制操作上的疏漏,7.6.2 染菌的判断和防治,杂菌的侵袭如能及时发现，采取适当的措施是可以防止杂菌的发作、减缓其造成的损失。当然，最根本的措施是预防，不让杂菌有机可乘。,7.6.2 染菌的判断和防治,图7-30,7.6.2 染菌的判断和防治,图7-31,7.7 发酵过程参数监测的研究概况,7.7 发酵过程参数监测的研究概况,7.7 发酵过程参数监测的研究概况,7.7.1 设定参数 7.7.2 状态参数 7.7.3 间接参数 7.7