发酵工程第5讲.ppt

2013.3.28 第五讲 第七章 发酵过程的工艺控制 第七章 发酵过程的工艺控制 1、温度对发酵过程的影响及其控制 2、CO2对发酵过程的影响及其控制 3、泡沫对发酵的影响 4、O2对发酵过程的影响及其调控 5、pH对发酵过程的影响及其控制 发酵的过程实质上是在分子水平的遗传特性，细胞水平的代谢调节和工程水平的传递特性三个不同水平上发生调控的。发酵过程受到多因素交叉的影响具有不确定性和复杂性。 1.1 温度对发酵的影响 温度是影响有机体生长繁殖最重要的因素之一，因为微生物的生长和代谢产物的合成都是在各种酶的催化下进行的，温度是保证酶活性的重要条件。发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。 温度对发酵的影响是多方面的。 1.1.1 温度对微生物细胞生长的影响： 在适合微生物生长的范围内，温度高微生物生长速度快、呼吸强，酶失活速度快，菌体提前衰老。温度低，发酵周期延长，影响设备的利用率。不同生长阶段的微生物对温度的反应也不一样。 如延滞期的细菌对温度很敏感，最适温度时，可以缩短其生长的延滞期，低于最适温度，延滞期就会延长。微生物的共同特点是：对低温的适应力要强于对高温的适应力。 1.1.2 温度对产物形成的影响： 温度对产物的影响因种而异，如：柠檬酸生产，黑曲霉的生长最适温度33 ℃~37 ℃，积累酸的最适温度为32 ℃ ，若温度高于32 ℃ ，菌体生长快，糖被利用于生成菌体和呼吸作用，产酸降低。 如：青霉素的发酵生产： 0～5小时 30℃， 6 ～35小时 25℃ 36 ～85小时 20℃ ， 86 ～126小时 25℃ 四环素生长阶段28℃，合成期26℃后期再升温；黑曲霉生长37℃，产糖化酶32～34℃。 但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长30～32℃，产酸34～37℃。 最适温度选择要根据菌种与发酵阶段通过试验确定。 另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。 Q发酵热 =（M1C1 +M2C2 ）S M1 系统中发酵液的质量（ kg）， M2发酵罐的质量（ kg）， C1 发酵液的比热， C2发酵罐材料的比热， S温度上升的速率（ ℃/ h） 2 CO2浓度对发酵的影响及其控制 2.1 CO2浓度对发酵的影响： CO2是微生物呼吸和分解代谢的终产物，同时也是某些合成代谢的一种基质，几乎所有的发酵都会产生CO2 溶解在发酵液中的CO2对氨基酸、抗生素微生物的发酵具有刺激和抑制作用，大多数微生物适应低浓度的CO2 （ 0.02%—0.04% V/V ）。 当发酵液CO2浓度达到1.6 ×10-2 mol/L时，就会严重抑制酵母菌的生长， CO2分压达0.08 ×105P，青霉素的比生长速率降低50%，出现膨胀菌丝，青霉素合成受阻。 对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含5%的CO2 。 2.2 CO2影响微生物发酵的机制： CO2主要是影响细胞膜的结构，溶解在发酵液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质（脂肪酸核心部位），当细胞膜的脂质相中CO2的浓度达到临界值时，膜的流动性及表面电荷就发生改变，使许多基质的运输受到阻碍，影响细胞膜的运输效率，导致细胞生长受到抑制，形态发生改变。 此外， CO2影响发酵液的酸碱平衡，或与其它物质发生化学反应，形成碳酸盐沉淀。 2.3 CO2浓度的控制 CO2溶解度比氧大，因此随着发酵罐罐压的增加其含量比氧增加得更快。 CO2浓度的变化受许多因素的影响。如：细胞呼吸强度、发酵液流变学特征、通气搅拌程度、罐压大小等。 2.3.1 发酵过程通过通气量的控制，可以调节CO2浓度的大小，通气量大搅拌速度快CO2浓度就会减小。如：四环素发酵前40小时采用较小的通气量和较低搅拌速度，增加发酵液中CO2的含量，40小时后再降低CO2的