第四章发酵工艺过程控制.ppt

第四章 发酵工艺过程控制 第一节 发酵的操作方式 分批培养 补料分批培养（半连续培养） 连续培养 ;一、 分批培养 （batch culture or fermentation） 1.概念：在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。;分批培养中微生物的生长;2.特点： (1)整个培养系统与外界没有其它物质交换（O2、CO2、消泡剂、酸碱除外） (2)整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法。;3.分批培养的优缺点;二、连续培养（continuous culture） 1. 概念： 微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物，使微生物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式。;2. 特点： 菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒定状态。;3. 连续培养的优缺点;三、补料分批培养（fed-batch culture） 介于分批培养和连续培养之间的操作方法。 1.概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其代谢产物的生产时间延长。 ;2.补料分批培养的优缺点 优点： 与分批培养相比 (1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。 (2)延长次级代谢产物的生产时间。; 与连续培养相比 (1)降低了染菌，避免了遗传不稳定性。 (2)最终产物浓度较高，有利于产物的分离。 (3)使用范围广。; 缺点： (1)由于没有物料取出，产物的积累最终导致 比生产速率的下降。 (2)由于物料的加入增加了染菌机会。 应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。;3. 几个实例：; 第二节 温度变化及其控制 一、温度对发酵的影响 1.影响反应速率 2.影响发酵方向 另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率。;二、最适温度的选择 最适发酵温度是既适合菌体的生长又适合代谢产物合成的温度。 随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。 ;三、发酵过程引起温度变化的因素——发酵热 ;四、温度的控制 一般不需加热，因释放了大量的发酵热，需要冷却的情况多。 用夹套或蛇形管，通冷却水。; ;二、pH对发酵的影响 1.影响酶的活性。 2.影响微生物细胞的结构。 3.影响微生物对基质的利用速率。 4.影响代谢方向。;三、pH值的确定和控制 1.pH的确定 微生物发酵的最适pH范围一般在5?8之间，根据实验确定，即配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况。 ;举例：Aspergillus niger在pH2~2.5范围时有利于合成柠檬酸，当在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主，而在pH7.0时，则以合成草酸为主。 ;2.pH的控制 (1)调节好基础培养基的pH。 若控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.5?6.8。 (2)通过加酸碱和中间补料来控制。;a.过去直接加酸（H2SO4）或碱（NaOH），现常用： 生理酸性物质：(NH4)2SO4 生理碱性物质：氨水 b.补料既调节了pH值，又补充了营养，还可减少阻 遏作用。 如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用: 调节pH值 补充氮源; 第四节 溶解氧及其控制 一、溶解氧（dissolved oxygen,DO）对发酵的影响 溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。 （1）最适氧浓度（optimal oxygen concentration）： ——菌体生长或产物合成最适浓度范围。 （2）临界氧浓度（critical value of dissolved oxygen concentration）： ——满足微生物呼吸的最低氧浓度。;二、溶氧浓度的控制 溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。 （一）供氧方面： 1.调节搅拌转速 2.调节通气速率;（二）需氧方面： 1.菌体浓度和菌龄 2.基质种类和浓度 以菌浓影响最明显。 3.培养条件 控制方法：通过控制基质浓度。;大型发酵罐搅拌装置;温度传感器、耐高温pH和溶氧（DO）传感器; 第五节 泡沫的形成与控制 一、泡沫产生的原因 1.通风搅拌程度及菌体新陈代谢产生的CO2。 2.培养基性质;二、泡沫的危害 1.降低生产能力（装料系数减少） 引起原料浪费