第五章 发酵控制1~4节.ppt

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第五章 发酵控制1~4节

为什么要研究发酵工艺过程 (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。 4、分批发酵的生长曲线 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 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 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 (三)、连续发酵 1、定义 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。 连续培养在生产上的应用还很有限的原因: ①许多方法只能连续运转20~200小时,而工业系统则要求必须能稳定运行500~1000小时以上; ②工业生产规模长时间保持无菌状态有一定困难; ③连续培养所用培养基的组成要保持相对稳定,这样才能取得最大产量,而工业培养基的组成成分,如玉米浆、蛋白胨和淀粉等,在每批次之间有时会有较大差异; ④当使用高产菌株进行生产时,回复突变可能发生。在连续培养过程中,回复突变的菌株有可能会取代生产菌株而成为优势菌株。 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 连续发酵类型 4、连续发酵的代谢曲线 一、 微生物对氧的需求 1. 描述微生物需氧的物理量 比耗氧速率或呼吸强度(QO2):单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气,mmol O2·g菌-1·h-1 摄氧率(r):单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2·L-1·h-1 。 r= QO2 .X 2. 溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响 CCr QO2 CL CCr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。 一般对于微生物: CCr: =1~15%饱和浓度 例:酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8% 定义:氧饱和度=发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度 所以对于微生物生长,只要控制发酵过程中氧饱和度1 注意:产物的形成和菌体最适的生长条件,常常不一样: 头孢菌素 卷须霉素 生长 5% (相对于饱和浓度) 13% 产物 13% 8% 3. 影响需氧的因素 r= QO2 .X 菌体浓度 QO2 遗传因素 菌龄 营养的成分与浓度 有害物质的积累 培养条件 P.175 二、 反应器中氧的传递 1. 发酵液中氧的传递方程 C Ci P Pi 气膜 液膜 N:传氧速率 kmol/m2.h kg: 气膜传质系数 kmol/m2.h.atm Kl: 液膜传质系数 m/h C*:与气相中氧分压相平衡的液体(水)中氧的浓度, Kl: 以氧浓度为推动力的总传递系数 (m/h) 再令:单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3) Nv:体积传氧速率 kmol/m3.h Kla: 以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1 2. 发酵液中氧的平衡 发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中 传递:

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