第八章发酵过程的优化和控制概述.ppt

第八章 发酵过程 发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。 第一节 发酵过程的代谢变化规律 代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。 代谢曲线：把菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者随时间变化的过程所绘制成的曲线。 发酵过程按进行过程有三种方式： （1）分批发酵(Batch fermentation) （2）补料分批发酵(Fed-batch fermentation) （3）连续发酵(Continuous fermentation) 一、分批发酵 1. 分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。 2、分批发酵的特点 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。 3、分批发酵的优缺点 优点：操作简单；操作引起染菌的概率低；不会产生菌种老化和变异等问题。 缺点：非生产时间较长、设备利用率低 4. 分批发酵的生长曲线（1）单细胞微生物的生长曲线 （2）丝状真菌的生长曲线 ①生长延滞期 生长延滞的原因： 一是孢子萌发前的真正的延滞期; 二是生长已开始但却无法测量。 ②迅速生长期 此时菌丝体干重迅速增加，其立方根与时间成直线关系。因为真菌不是单细胞，其繁殖不以几何倍数增加，故而没有对数生长期。 在迅速生长期中，碳、氮、磷被迅速利用，呼吸强度达到顶峰，代谢产物如酸类可出现或不出现。 ③衰退期 真菌生长进入衰退期的标志，是菌丝干重下降。 一般是在一短期内失重很快，以后不再变化。 但有些真菌则发生菌丝体自溶，由于其自身所产生的酶类催化几丁质、蛋白质、核酸等分解而释放出氨、游离氨基酸、有机磷化物和有机硫化合物等。 处于衰退期的菌丝体的细胞，除顶端较幼细胞的原生质比较稠密均匀外，大多数细胞都出现大的空泡。 生长的停止由以下两种因素之一所决定： （1）在高浓度培养基中，可能是因为有毒代谢产物的积累而阻碍生长，如在高浓度碳水化合物的培养基中可积累有机酸；在含有机氮高的培养基中可积累氨。 （2）在较稀释的、营养物质平衡良好的培养基中，生长停止的主要因素是碳水化合物的耗尽。当生长停止后，菌丝体的自溶裂解的程度，因菌种的本性和培养条件而异。 5. 分批发酵的类型 （1）Gaden‘s fermentation classification（按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化） ①第一类型（生长关联型） 其动力学方程为：  ②第二类型（部分生长关联型） 其动力学方程为：  ③第三类型  其动力学方程为： （2）Pirets fermentation classification （按照产物生成与菌体生长是否同步） ①生长关联型 (第一类型) 形成与生长有关，如酒精、某些酶等。 其动力学方程为： ②生长无关联型（第二，三类型） 6. 分批发酵的分类对实践的指导意义 （1）生长关联型，则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期； （2）非生长关联型，则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。 7. 典型的分批发酵工艺流程 二、补料分批发酵 1. 定义 补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。 2. 补料分批发酵的优缺点 优点： 使发酵系统中维持很低的基质浓度； 和连续发酵比、不需要严格的无菌条件； 不会产生菌种老化和变异等问题。 缺点： 存在一定的非生产时间； 和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。 3. 补料分批发酵的类型 按补料方式不同可分为： （1）连续流加 （2）不连续流加 （3）多周期流加 按补料成分的不同可分为： （1）单一组分流加 （2）多组分流加 按控制方式的不同可分为： （1）反馈控制 （2）无反馈控制 三、连续发酵 1. 定义 培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发