第七章发酵工艺控制讲课.ppt

第七章 发酵工艺控制 本章主要内容： 1、工业发酵的主要类型 2、工业发酵的主要控制参数 3、染菌对发酵的影响及防治 4、发酵工艺的放大 5、发酵过程的自动控制 本章重点掌握：菌体浓度、基质、溶氧、PH值、温度、泡沫、CO2等参数对发酵的影响。 第一节 工业发酵的主要类型 一、按投料方式分 1、分批发酵(batch fermentation) 2、补料分批发酵(fed-batch fermentation) 3、连续发酵(continuous fermentation)。 1、分批发酵 概念： 分批发酵：指将微生物和营养物一次性加入发酵罐中，经过培养生长，最后一次收获的培养方式，中间除了空气进入和尾气排出，没有物料交换。 在分批发酵中，培养基是一次性加入，不再补充，随着微生物的生长繁殖活跃，营养物质逐渐消耗，有害代谢产物不断积累，因此其生长速度将随时间发生有规律性的变化。 微生物的生长曲线 延滞期 主要特征：代谢活跃，大量合成细胞分裂所需的酶类、ATP等；体积增大；分裂迟缓。 原因：在新的环境，缺乏分解或催化相关底物的酶。 缩短延滞期的方法有：增加接种量、采用最适种龄、选用繁殖速度快的菌种以及尽量保持接种前后所处的培养基介质和条件一致、保证培养基适宜的营养浓度。 缩短延滞期目的：缩短发酵周期、增加产量和避免染菌。 指数生长期 指数期微生物的生理特征：养分空间充足，排出的代谢废物浓度还不影响生长，此期分裂速度最快、代谢活动旺盛、对环境变化敏感。 作用：作为代谢、生理等研究的好材料和发酵生产中用作种子的最佳时期。 稳定期 特点：新生的细胞和死亡的细胞数目相等、总菌数达到最大值、代谢活力钝化。 原因：营养物质的逐渐消耗以及代谢废物的积累抑制了生长。 功能：产生次生代谢产物（抗生素、生物碱、色素等）、芽孢；对稳定期的研究发展了连续发酵技术。 衰亡期 细胞死亡率增加，明显超过新生率，进入衰亡期。多数发酵在到达衰亡期前就结束。 特点：活的细胞数目以对数速率急剧下降、细胞裂解或自溶。衰亡期比其它期相对较长。 分批发酵优缺点： 优点： 操作简单 周期短 染菌机会少 产品质量易于控制 缺点： 生产能力不是很高 非生产周期较长，使得发酵成本高 缺点: 长期连续培养会引起菌种退化，降低产量， 发酵周期长染菌机会增加。 对设备、仪器及控制器件的技术要求较高。 粘性丝状菌菌体容易附着在器壁上生长和在发酵液中结团，给连续发酵操作带来困难。 应用：常用于研究工作中，废水处理、面包酵母、啤酒发酵等工业中。 补料分批培养分两种类型： ①单一补料分批发酵：指在开始时投入一定数量的基础培养基，到发酵过程的适当时期，开始连续补加一种或多种成分的新鲜培养基，直到发酵液体积达到发酵罐最大操作容积后停止补料，最后将发酵液一次性全部放出。 ②反复补料分批培养：单一补料的基础上，每隔一定时间按一定比例放出一部分发酵液，使发酵液体积始终不超过发酵罐的最大容积。 二、按菌体生长与产物形成关系分 1、生长关联型 特点： 菌体生长、基质消耗和产物合成大体上呈正比关系（菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在相同的时间出现高峰，即表现出产物形成直接与碳源利用有关）。 如：单细胞蛋白、葡糖酸和酒精发酵 2、生长部分关联型 产物形成和菌体的生长是部分分开的。 菌体生长和产物合成是分开的，糖分既供应生长的能量，又充作产物合成的碳源。发酵过程中有两个时期对糖的利用最为迅速，一个是最高生长时期，另一个是最大产物合成时期。 如：柠檬酸和部分氨基酸发酵 3、生长无关联型 发酵过程分两个阶段 特征是产物合成与碳源利用无准量关系；通常产物合成在菌体生长停止及底物耗完后才开始。 如：许多抗生素和色素的发酵 第二节 工业发酵过程的主要控制参数 一、物理参数 1、温度 与温度有关的因素： 氧在培养液中的溶解度和传递速率 菌体生长速率和产物合成速率 测量工具：铂电阻或热敏电阻 2、压力（Pa） 与压力高低有关的因素： 罐压高低与氧和CO2在培养液中的溶解度有关 罐压一般范围： 0.2×105～0.5×105 Pa 测量工具： 隔膜法压力表或压敏电阻压力表 3、搅拌转速（r/min） 影响搅拌转速的因素： 氧和CO2在培养液中的溶解度 发酵液的均匀性 测量工具： 频率计数器或转速表 4、搅拌功率（KW） 指每立方米发酵液所消耗的功率。 5、空气流量（v v m） 指每分钟内向每单位体积发酵液通入的空气体积。 空气流量一般控制在0.5-1.0 v v m 6、黏度（Pa.s） 测黏度的意义：细胞生长活细胞形态的一项标志