發(fā)酵工藝第三篇1

1、發(fā)酵的全過程發(fā)酵的全過程培養(yǎng)基培養(yǎng)基第一節(jié) 概述一、概念 培養(yǎng)基：供給微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物所需要的按一定比例配制的多種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。二、培養(yǎng)基條件與微生物生理和形態(tài)的關(guān)系1.培養(yǎng)基條件可改變細(xì)胞表面組成而影響菌體形態(tài) 2.培養(yǎng)基組成可改善細(xì)胞的通透性三、配制工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基的要求1.營養(yǎng)物質(zhì)組成豐富、恰當(dāng)2.原材料理化性質(zhì)穩(wěn)定3.粘度適中，具有適當(dāng)?shù)臐B透壓4.利于產(chǎn)物的生物合成，并能保持較高的生產(chǎn)速率5.產(chǎn)物易于分離提取，廢液廢渣易于處理6.原料因地制宜，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉第二節(jié) 培養(yǎng)基的成分和種類一、微生物細(xì)胞的化學(xué)組成細(xì)菌酵母霉菌水分蛋白質(zhì)碳水化合物類脂物質(zhì)核酸無機(jī)鹽7585508

2、012285201020230708032752763215683.87859014157404401612二、培養(yǎng)基的成分碳源糖、脂肪、有機(jī)酸、碳?xì)浠衔锏从袡C(jī)氮源（黃豆粉）、無機(jī)氮源無機(jī)鹽和微量元素 無機(jī)鹽、微量元素水深井水、自來水、地表水前體例如：苯乙酸、外源性前體消泡劑植物或動(dòng)物油脂、高分子化合物其他成分生長因子、促進(jìn)劑、抑制劑三、培養(yǎng)基的種類與選擇1.種類按培養(yǎng)基組分分類：合成、天然按用途分類：孢子、種子、發(fā)酵、鑒別、分離等A.孢子培養(yǎng)基：B.種子培養(yǎng)基C.發(fā)酵培養(yǎng)基2.培養(yǎng)基設(shè)計(jì)3.培養(yǎng)基的篩選第三節(jié) 影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素1.原材料質(zhì)量的影響工業(yè)用原材料多為有機(jī)成分，質(zhì)量難以控制

3、2.水質(zhì)影響3.滅菌影響： 糖，無機(jī)鹽4.其他影響因素： pH 值、粘度滅菌滅菌第一節(jié) 滅菌的基本原理1.概念滅菌：用化學(xué)的和物理的方法殺滅或除掉無聊或設(shè)備中所有所有的有生命的有機(jī)體的工藝過程。滅菌的方法主要有：化學(xué)滅菌、輻射滅菌、干熱滅菌、濕熱滅菌2.濕熱滅菌的原理（1）概念致死溫度：殺死微生物的極限溫度。致死時(shí)間：在致死溫度下，殺死全部微生物所用的時(shí)間。熱阻：微生物在某一特定條件下（主要指溫度和加熱方式）的致死時(shí)間。（2）滅菌的指標(biāo)（3）對數(shù)殘留定律第二節(jié) 培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌一、培養(yǎng)基滅菌溫度的選擇1. 影響滅菌條件選擇的因素溫度/ 滅菌時(shí)間/min養(yǎng)分的破壞/%10011012013

4、0140150400300400.50.080.0199.3672782C長臨4.培養(yǎng)條件5.有毒產(chǎn)物的形成與積累例如：CO2、NH3等3.發(fā)酵液理化性質(zhì)6.揮發(fā)性中間產(chǎn)物的損失 如糖代謝中，揮發(fā)性有機(jī)酸因大量通氣而引起損失，也會影響呼吸代謝。第二節(jié) 氧在溶液中的傳遞一、氧傳遞的阻力二、雙膜理論三、氧的傳遞方程式 N= KLa（ C* -CL）(1)當(dāng)發(fā)酵液中的溶解氧濃度不是限制因素： N= Qm X = .(2)當(dāng)發(fā)酵液中的溶氧濃度不隨時(shí)間變化時(shí)： KLa（ C* -CL）= Qm X = Kla = /（ C* -CL）(3)第三節(jié) 發(fā)酵液的流變學(xué)一、液流類型 流體動(dòng)力粘度（）：剪切力T與

5、剪切速度之間的比值。 = T / 1.牛頓型流體2.平漢塑性流體3.擬塑性流體和漲塑性流體二、發(fā)酵液的流變學(xué)第四節(jié) 影響供氧的因素一、影響氧傳遞推動(dòng)力的因素1.提高C* 的方法降低溫度、降低營養(yǎng)物質(zhì)含量、提高氧分壓等，最可行的就是采用富集氧的方法。2.降低CL二、影響Kla的因素1.攪拌a.攪拌的作用b.攪拌功率2.空氣流速空氣流速增大，可提高Kla，但過大則不利于空氣在罐內(nèi)的分散與停留，在發(fā)酵過程中應(yīng)使攪拌軸附近的液面沒有大氣泡逸出4.泡沫的影響泡沫的產(chǎn)生將影響微生物的呼吸，可使用適量的消泡劑。5.空氣分布器形式與發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的生產(chǎn)中多采用多孔環(huán)型鼓泡器第五節(jié) Kla的測定一、 CL的測定

6、二、攝氧率的測定三、 Kla的測定1.亞硫酸鹽法利用氧化還原反應(yīng)測定。2.取樣法發(fā)酵液中的溶氧可用極譜儀來測定3.排氣法4.直接測定法5.動(dòng)態(tài)測定法6.覆膜氧電極法發(fā)酵動(dòng)力學(xué)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)第一節(jié) 概述一、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容二、研究的方法1.宏觀處理法 2.質(zhì)量平衡法三、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)與過程優(yōu)化控制第二節(jié) 質(zhì)量與能量平衡一、得率與維持因數(shù)1.維持因數(shù)維持：活細(xì)胞群體在沒有實(shí)質(zhì)性的生長和沒有胞外代謝產(chǎn)物合成情況下的生命活動(dòng)維持代謝：用于“維持”的物質(zhì)代謝。維持因數(shù)：單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)因維持代謝消耗的基質(zhì)量。2.生長得率生長得率：菌體的生長量相對于基質(zhì)消耗量的收得率。生長得率分為理論生長得率（Yg

7、s）和實(shí)際生長得率（Yx/s），一般Ygs Yx/s3.產(chǎn)物得率分為：理論和實(shí)際得率4.實(shí)際得率與菌體生長速率的關(guān)系公式二、有機(jī)化合物中的化學(xué)能三、發(fā)酵過程的化學(xué)計(jì)量式四、質(zhì)量平衡1.碳平衡 2.氮平衡 3.基質(zhì)平衡 4.氧平衡5.CO2平衡五、能量平衡六、質(zhì)量平衡與能量平衡的統(tǒng)一第三節(jié) 微生物生長與產(chǎn)物合成動(dòng)力學(xué)一、微生物生長動(dòng)力學(xué)1.Monod方程2.其他生長動(dòng)力學(xué)方程A.雙基質(zhì)限制生長動(dòng)力學(xué)B.基質(zhì)抑制生長動(dòng)力學(xué)C.產(chǎn)物抑制生長動(dòng)力學(xué)D.Contois方程式二、產(chǎn)物合成動(dòng)力學(xué)第四節(jié) 發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)模擬與優(yōu)化一、分批發(fā)酵1.簡單分批發(fā)酵簡單分批發(fā)酵：將全部物料一次投入，經(jīng)過若干時(shí)間的發(fā)酵后

8、，將發(fā)酵液一次放出的操作類型。2.補(bǔ)料分批發(fā)酵這類操作可分為兩個(gè)階段：簡單分批發(fā)酵的生長階段和補(bǔ)料分批發(fā)酵的生產(chǎn)階段。3.反復(fù)補(bǔ)料分批發(fā)酵可分為三個(gè)階段：簡單分批發(fā)酵階段，補(bǔ)料分批發(fā)酵階段，反復(fù)補(bǔ)料分批發(fā)酵階段二、連續(xù)發(fā)酵1.概述A.設(shè)備與條件控制B.優(yōu)缺點(diǎn)2.基本動(dòng)力學(xué)方程式A.生長限制基質(zhì)濃度與菌體 濃度B.菌體產(chǎn)率C.代謝產(chǎn)物濃度與產(chǎn)率D.臨界稀釋率3.連續(xù)發(fā)酵操作點(diǎn)的選擇三、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確定1.Monod方程式中m和Ks的確定2.維持因數(shù)ms和得率常數(shù)Ygs、Yps的確定四、補(bǔ)料分批發(fā)酵過程的優(yōu)化1.微生物生長模型的建立發(fā)酵工藝的控制發(fā)酵工藝的控制第一節(jié) 發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)一、研究

9、發(fā)酵過程控制的意義二、物理參數(shù)1.溫度 2.壓力 3.攪拌轉(zhuǎn)數(shù) 4.攪拌功率5.空氣流量 6.粘度 7.濁度 8.料液流量三、化學(xué)參數(shù)1.pH 2.基質(zhì)濃度 3.溶解氧濃度 4.氧化還原電位 5.產(chǎn)物的濃度 6.廢氣中的氧濃度7.廢氣中的CO2濃度四、生物參數(shù)1.菌絲形態(tài) 2.菌體濃度 3.菌體比生長速率第二節(jié) 發(fā)酵過程中的代謝變化一、概述1.代謝曲線：根據(jù)發(fā)酵過程中菌體生長、發(fā)酵參數(shù)、產(chǎn)物形成速度隨時(shí)間變化的過程繪制成的曲線。2.發(fā)酵類型的分類：A.生長期和產(chǎn)物形成期不分開B.形成次級代謝產(chǎn)物C.初級代謝和產(chǎn)物形成完全分開二、初級代謝的代謝變化三、次級代謝的代謝變化次級代謝的代謝變化一般分為

10、菌體生長、產(chǎn)物合成和菌體自溶3個(gè)階段1.菌體生長階段2.產(chǎn)物合成階段3.菌體自溶階段第三節(jié) 菌體濃度的影響和控制一、菌體濃度對發(fā)酵的影響1.菌體濃度2.菌體濃度對發(fā)酵的影響A、菌體濃度的大小與生長速度密切相關(guān)B、菌體濃度對發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率密切相關(guān)二、菌體濃度的控制1、以菌體作為產(chǎn)品的菌體濃度的控制2、以代謝產(chǎn)物作為產(chǎn)品的菌體濃度的控制?第四節(jié) 基質(zhì)的影響及控制一、碳源種類、濃度的影響和控制二、氮源種類、濃度的影響和控制1.補(bǔ)加有機(jī)氮源2.補(bǔ)加無 機(jī)氮源三、磷酸鹽濃度的影響和控制第五節(jié)第五節(jié) 溫度的影響和控制溫度的影響和控制一、溫度對發(fā)酵的影響1.酶反應(yīng)速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)2.發(fā)酵液的物理性質(zhì)3.代謝

11、產(chǎn)物的方向4.多組分次級代謝產(chǎn)物的組分比例5.微生物代謝調(diào)控機(jī)制二、影響發(fā)酵溫度變化的因素1.生物熱 2.攪拌熱 3.蒸發(fā)熱 4.輻射熱三、溫度的控制1.最適溫度的選擇 在工業(yè)發(fā)酵中，常只采用一個(gè)較合適的溫度，在可能的條件下，適當(dāng)調(diào)整2.溫度的控制第六節(jié)第六節(jié) pH的影響和控制的影響和控制一、 pH對發(fā)酵的影響1.pH影響代謝活動(dòng)的機(jī)理2. pH對產(chǎn)物穩(wěn)定性的影響二、 pH的變化1.菌體有一定的調(diào)節(jié)能力2.物質(zhì)代謝的影響三、發(fā)酵pH的確定和控制1.發(fā)酵 pH的確定2. pH的控制第七節(jié)第七節(jié) 溶氧的影響和控制溶氧的影響和控制一、溶氧的影響1.對菌體生長和產(chǎn)物的性質(zhì)及產(chǎn)量的影響2.溶氧的確定二、

12、發(fā)酵過程的溶氧變化1.發(fā)酵過程的溶氧變化：菌體生長，溶氧下降(前期)溶氧較穩(wěn)定(中后期) 菌體衰老，溶氧上升(后期)2.引起溶氧異常的原因三、溶氧濃度的控制第八節(jié)第八節(jié) CO2的影響及控制的影響及控制一、 CO2的影響1. CO2的影響2. CO2對細(xì)胞的作用機(jī)理二、 CO2濃度的控制其控制隨它對發(fā)酵的影響而定第九節(jié)第九節(jié) 補(bǔ)料的作用和控制補(bǔ)料的作用和控制一、補(bǔ)料分批培養(yǎng)（FBC）的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1.FBC：在分批培養(yǎng)過程中，間接或連續(xù)補(bǔ)加一種或多種成分的新鮮培養(yǎng)基的方法2.優(yōu)點(diǎn)二、FBC的作用1.控制抑制性底物的濃度2.解除或減弱分解產(chǎn)物阻遏3.使發(fā)酵過程最佳化三、FBC的補(bǔ)料方式和控制1.補(bǔ)料

13、方式2.控制系統(tǒng)A. 反饋控制系統(tǒng)B. 無反饋控制系統(tǒng)補(bǔ)料方式每次流加發(fā)酵體積反應(yīng)器數(shù)目培養(yǎng)基成分補(bǔ)料方式連續(xù)流加快速 變體積單級單組分補(bǔ)料不連續(xù)流加恒速多周期流加指數(shù)速率恒體積多級多組分補(bǔ)料變速第十節(jié)第十節(jié) 泡沫的影響和控制泡沫的影響和控制一、泡沫的分類液面上的泡沫，流態(tài)泡沫二、起泡的方式三、泡沫對發(fā)酵的影響四、泡沫的控制1.調(diào)整培養(yǎng)基中的成分2.機(jī)械消沫或消沫劑消沫A.機(jī)械消沫B.消沫劑消沫：表面活性劑、天然油脂、聚醚類消泡劑等第十一節(jié)第十一節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的判斷發(fā)酵終點(diǎn)的判斷1.經(jīng)濟(jì)因素提高發(fā)酵生產(chǎn)率，降低成本2.產(chǎn)品提煉質(zhì)量因素3.特殊因素幾種主要抗生素發(fā)酵pH控制范圍品種最適pH產(chǎn)物合成

14、pH青霉素鏈霉素四環(huán)素土霉素紅霉素灰黃霉素慶大霉素6.5-6.96.3-6.66.1-6.66.0-6.66.6-7.06.4-7.06.5-7.06.2-6.86.7-7.35.9-6.35.8-6.16.8-7.16.2-6.56.8-7.5大豆發(fā)酵飲料大豆發(fā)酵飲料1.大豆中的營養(yǎng)物質(zhì)大豆中的營養(yǎng)物質(zhì)2.酸豆奶的工藝流程酸豆奶的工藝流程大豆大豆去種皮去種皮浸泡浸泡磨漿磨漿除臭除臭均質(zhì)均質(zhì)配料配料*接種接種發(fā)酵發(fā)酵冷卻冷卻冷藏冷藏成品成品發(fā)酵過程檢測與自控發(fā)酵過程檢測與自控第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵過程檢測發(fā)酵過程檢測一、概述1.檢測的目的2.檢測的方法3.分批發(fā)酵過程中，各種變量檢測系統(tǒng)的配置(p

15、190)二、發(fā)酵傳感器（一）發(fā)酵過程對傳感器的要求1.可靠性 2.準(zhǔn)確性 3.精確度 4.響應(yīng)時(shí)間5.分辨能力 6.靈敏度 7.測量范圍 8.特異性9.可維修性 10.特殊要求（二）發(fā)酵傳感器的分類1.按測量方式A.離線傳感器 B.在線傳感器 C.原位傳感器2.按測量原理A.力敏元件 B.熱敏元件C.光敏元件 D.磁敏元件E.電化學(xué)傳感器（三）發(fā)酵過程的主要傳感器1.PH：常采用可原位滅菌的復(fù)合PH傳感器2.溶氧： 一般采用復(fù)膜溶氧探頭，其實(shí)際測量的是氧分壓，與溶氧濃度并不直接相關(guān)，故測量結(jié)果稱為溶氧壓（DOT）3.氧化還原電位4.溶CO2（四）發(fā)酵檢測用新型傳感器1.離子選擇電極原理：能對某種離子成特異反應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)：靈敏度高，但不能蒸汽滅菌，膜易被發(fā)酵液中蛋白質(zhì)和細(xì)胞阻塞，因而難于在線應(yīng)用。2.生物傳感器原理：將生物學(xué)敏感材料固定化，把它與適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換系統(tǒng)相連，就可以將生物信號轉(zhuǎn)化為電信號組成：由三部分組成三、其他重要檢測技術(shù)（一）生物量分析1.干細(xì)胞濃度 2.DNA含量 3.沉降量或壓縮細(xì)胞體積 4.粘度 5.濁度6.過濾探頭 7.熒光（二）尾氣分析1.紅外CO2分析儀 2.順磁O2分析儀3.質(zhì)譜：優(yōu)點(diǎn)、分類及注意事項(xiàng)（三）發(fā)酵液成分分析四、發(fā)酵過程檢測的可靠性1.各種傳感器和儀器的可靠性2.分析數(shù)據(jù)的確認(rèn)A.校準(zhǔn)B.數(shù)據(jù)解析C.噪聲分析第二節(jié)第