发酵工艺过程控制.ppt

第七章 发酵工艺过程控制 第一节 发酵过程中的代谢变化与控制参数 微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来； 必须了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础； 通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、pH、溶解氧等参数情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境中。 1、分批发酵 本章要求 熟悉发酵过程的主要控制参数 掌握各因素对发酵过程的影响、过程控制方法和原理 熟悉几种发酵操作类型 第六节 补料的控制 补料分批培养（fed-batch culture，简称FBC），是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法，是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养方式，是一种控制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。 可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏； 可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长所引起的影响，改善发酵流变学的性质； 可用作控制细胞质量的手段，以提高发芽孢子的比例； 可作为理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础。 一、补料分批培养（FBC）的优点 二、补料方式及控制 连续流加、不连续流加、多周期流加 快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加 单组分流加、多组分流加 补料方式 流加操作控制系统 反馈控制 无反馈控制 直接方法 间接方法 以溶氧、pH值、呼吸商、排气中CO2分压及代谢产物浓度等作为控制参数 直接以限制性营养物浓度作为反馈参数，如控制氮源、碳源、C/N比等，由于目前缺乏能直接测量重要参数的传感器，因此直接方法的使用受到了限制。 第七节 泡沫对发酵的影响及其控制 一、泡沫的形成及其对发酵的影响 在大多数微生物发酵过程中，通气、搅拌以及代谢气体的逸出，再加上培养基中糖、蛋白质、代谢物等表面活性剂的 存在，培养液中就形成了泡沫。 泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。 蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要的发泡剂。 糊精含量多也引起泡沫的形成。 当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。 少量泡沫的作用： 一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，导致氧传递速率增加； 大量的泡沫引起许多负作用： 发酵罐的装料系数减少、氧传递系统减小； 增加了菌群的非均一性； 造成大量逃液，增加染菌机会； 严重时通气搅拌无法进行，菌体呼吸受到阻碍，导致代谢异常或菌体自溶； 消泡剂的添加将给提取工序带来困难。 二、泡沫的消除 调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原料）或改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制，以减少泡沫形成的机会。 采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素。 采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫。 1. 机械消泡 物理消泡方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。 优点：节省原料，减少染菌机会。 缺点：消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方法。 罐内消泡——靠罐内消泡桨转动打碎泡沫。 罐外消泡——将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离心力来消除泡沫。 2. 消泡剂消泡 A.消泡剂的作用： 降低泡沫液膜的机械强度； 降低液膜的表面黏度； 兼有两者的作用，达到破裂泡沫的目的。 B.作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件： 应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性； 应该在低浓度时具有消泡活性； 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； 应该对微生物、人类和动物无毒性； 应该对产物的提取不产生影响； 不会在使用、运输中引起任何危害； 来源方便，成本低； 应该对氧传递不产生影响； 能耐高温灭菌。 C.常用的消泡剂有4大类： 天然油脂类 脂肪酸和酯类 聚醚类 硅酮类 以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为常用。 豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。 油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。 在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵试验检验。 聚醚类消泡剂品种很多，它们是氧化丙稀或氧化丙稀和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物。 聚氧丙稀甘油（GP型）——氧化丙稀和甘油聚合；亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以用于稀薄发酵液中要比用于粘稠发酵液中的效果好；抑泡性能比消泡性能好，适宜用于基础培养基中，以抑制泡沫的产生。 聚氧乙烯氧丙稀甘油（GPE型，泡敌）——氧化丙稀、环氧乙烷与甘油聚合；亲水性好，在发泡介质中