发酵过程控制2015.ppt

发酵体系特征 1 微生物细胞内部结构及代谢反应复杂； 2 生物反应器环境复杂； 3 系统状态时变性及包含参数复杂性。 第八节 高密度发酵 高密度发酵：应用一定的培养技术和设备来提高菌体生物量和目标产物产率的发酵技术。 一般认为，细胞密度接近理论值的培养为高密度发酵。 提高发酵罐内菌体密度；提高产物细胞水平量； 减少生物反应器体积；提高单位体积设备生产能力； 降低生物量分离费用；降低成本；提高生产效率。 一、高密度发酵策略 （1）使用最低合成培养基； （2）充分利用碳源； （3）碳源作为限制性养分。 二、影响高密度发酵的因素 （1）培养基： 如碳源与氮源的比例小，会导致菌体生长旺盛，造成菌体提前衰老自溶；比例偏大，菌体数量少，细胞代谢不平衡，不利于产物积累。 微量元素和无机盐对细菌的生长繁殖和外源蛋白的表达有很大影响。 （2）溶氧 随着发酵时间的延长，菌体密度迅速增加，溶氧浓度随之降低，细胞生长减慢，特别是后期，由于菌体密度扩增，耗氧量极大，氧气供给严重不足，从而导致菌体生长及其缓慢。 （3）温度 培养温度随菌种、培养基成分和细胞生长阶段的不同而不同，温度不仅影响发酵液的理化性质，还对外源蛋白的表达和活性有很大影响。 细胞密度较高时，呼吸作用释放大量热量导致发酵液温度升高。因此需要快速有效的降温散热系统。 （4）pH 在发酵过程中需防止有机酸的大量积累而影响菌体的生长和外源蛋白的表达。 （5）副产物 应避免有毒副产物对菌体及产物的不利作用。 三、高密度发酵存在问题 （1）基质对菌体生长的抑制作用； （2）基质与产物的不稳定性； （3）产物或副产物累积对菌体的抑制； （4）高浓度的CO2与热的释放速率； （5）高氧需求及培养基黏度不断增加。 四、解决手段 1 改进发酵条件 （1）选择合适的培养基 （2）建立流加式培养 （3）提高供氧能力 2 构建产副产物少的工程菌 （1）天然油脂 最早消泡剂，来源容易，价格低，使用简单，一般来说没有明显副作用，如豆油、菜油、鱼油等。 分子中无亲水基团，在发酵液中难铺展，所以消泡活性差，用量大，一般为发酵液的0.1-0.2%。 近年来出于对环境保护的重视，天然产物消泡剂的地位又有些提高，而且还在研究新的天然消泡剂。 油的质量、新鲜程度：油新鲜，消泡能力强，副作用也小； 在甘油分子上加成聚合环氧丙烷的产物叫聚氧丙烯甘油定名为GP型消泡剂； GP：亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，适用于稀薄发酵液。其抑泡性能比消泡性能好，适宜用于基础培养基中抑制泡沫的产生。如用于链霉素的基础培养基中，抑泡效果明显，可全部代替食用油，也未发现不良影响，消泡效力一般相当于豆油的60～80倍。 （2）聚醚类消泡剂 在GP型消泡剂的聚丙二醇链节末端再加成环氧乙烷，成为链端是亲水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPE型消泡剂（泡敌）。按照环氧乙烷加成量为10%，20%，……50%分别称为GPE10，GPE20，……GPE50。 GPE：亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，作用快，溶解度大，所以消泡活性维持时间短，适用于黏稠发酵液。用于四环类抗生素发酵中消泡效果很好，用量为0.03％～0.035％，消泡能力一般相当于豆油的10～20倍。 GPES型消泡剂：新的聚醚类消泡剂，在GPE型消泡剂链端用疏水基硬脂酸酯封头，便形成两端是疏水链，当中间隔有亲水链的嵌段共聚物。这种结构的分子易于平卧状聚集在气液界面，因而表面活性强，消泡效率高。 应结合具体产品发酵，试验上述各种消泡剂的消泡效果，以获得良好的消泡作用。 值得注意的是：消泡剂有选择性。消泡剂用多了有毒性，而且还影响通气和气体分散，因此要少量地加。 消泡的效果 消泡剂：种类、性质、分子量大小、消泡剂亲油亲水基 使用方法：加入方法、使用浓度、温度等 机械消泡 化学消泡最显著的缺点是影响氧气的溶解，使其减少1/3～1/5，这对微生物供氧极为不利；机械消泡能克服这一缺点，但其应用效果不如化学消泡迅速可靠，不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。 消泡装置设计依据：①动力小；②结构简单；③易清洁；④运行可靠；⑤维护费用低； 机械消泡 物理学原理；可在罐内或罐外进行。 机械消泡的特点 优点：不需外加物质；节省原材料；减少污染机会。 缺点：不能从根本上消除引起泡沫稳定的原因。 方法 罐外 旋转叶片式 喷雾式 离心式 转向板式 罐内 耙式 旋转圆盘式 流体吹入式 冲击反射板式 碟片式 超声波 第七节 补料的控制 补料分批发酵(fed-batch