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4发酵过程
为什么要研究发酵过程 本章讲述的内容 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。 了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化,有利于人们对生产的控制。 代谢曲线 ■发酵过程按进行过程有三种方式: 分批发酵(Batch fermentation) 补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 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。在这一过程中,除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外,不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少,微生物得到繁殖。 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 Gadens fermentation classification(按照菌体生长,碳源利用和产物生成的变化) 第一类型 第二类型 第三类型 Pirets fermentation classification (按照产物生成与菌体生长是否同步) 生长关联型 (第一类型) 生长无关联型(第二,三类型) ■分批发酵的分类对实践的指导意义 ■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 补料方式 连续流加 不连续流加 多周期流加 补料成分 单一组分流加 多组分流加 控制方式 反馈控制 无反馈控制 四、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)下生长的发酵方式。 2、连续发酵的优缺点 优点 能维持低基质浓度; 可以提高设备利用率和单位时间的产量; 便于自动控制。 缺点 菌种发生变异的可能性较大; 要求严格的无菌条件。 3、连续发酵的类型 恒化培养 使培养基中限制性基质的浓度保持恒定 恒浊培养 使培养基中菌体的浓度保持恒定 4、连续发酵的代谢曲线 第二节 发酵工艺的控制 发酵热 发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射 生物热:生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物,脂肪,蛋白质等物质被分解为CO2,NH3时释放出的大量能量。 用途:合成高能化合物, 供微生物生命代谢活动 热能散发 影响生物热的因素:生物热随菌株,培养基,发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。 搅拌热:通风发酵都有大功率搅拌,搅拌的机械运动造成液体之间,液体与设备之间的摩擦而产生的热 。 Q搅拌=3600(P/V) 3600:热功当量(kJ/(kW.h)) (P/V):通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率( kW/m3) 蒸发热:通入发酵罐的空气,其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后,就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发;蒸发所需的热量即为蒸发热。 蒸发热的计算: Q蒸发=G(I2-I1) G:空气流量,按干重计算,kg/h I1 、 I2 :进出发酵罐的空气的热焓量,J/kg(干空气) 辐射热:由于发酵罐内外温度差,通过罐体向外辐射的热量。 辐射热可通过罐内外的温差求得,一般不超过发酵热的5%。 发酵热的测定 (1)通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度,由下式求得这段时间内的发酵热。 (2)通过罐温的自动控制,先使罐温达到恒定,再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率S,按下式可求得发酵热: 影响各种酶的反应速率和蛋白质性质 影响发酵液的物理性质 影响生物合成的方向。 例如,四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于30 ℃温度下,该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高,合成四环素的
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