發(fā)酵工藝（課堂PPT）

1、1第七章 發(fā)酵過程的控制2主要的控制參數(shù)n1、pH值（酸堿度）n2、溫度n3、溶解氧濃度n4、基質(zhì)含量n5、空氣流量n6、壓力n7、攪拌轉(zhuǎn)速n8、攪拌功率n9、黏度n10、濁度n11、料液流量n12、產(chǎn)物的濃度n13、氧化還原電位n14、廢氣中的氧含量n15、廢氣中的CO 2含量n16、菌絲形態(tài)n17、菌體濃度3 第一節(jié) 溫 度 控 制n一、發(fā)酵熱n伴隨發(fā)酵的進行而產(chǎn)生的熱量叫發(fā)酵熱 n1、生物熱n微生物在生長繁殖過程中，本身產(chǎn)生的熱n2、攪拌熱n Q攪拌=P 3061（kJ/h）4n3、蒸發(fā)熱nQ蒸發(fā)=qm（H出-H進）， qm ：空氣流量；I：氣體熱焓；n4、輻射熱nQ發(fā)酵 = Q生物 +

2、 Q攪拌 - Q蒸發(fā) - Q輻射5n二、發(fā)酵熱的測量及計算n發(fā)酵熱的測定可采用以下幾種方法：n利用熱交換原理，測量一定時間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進出口溫度，根據(jù)n Q發(fā)酵 = qvC（t2 t1）/V； qv為冷卻水體積流量，L/h；C為水的比熱容，kJ/kg ；V為發(fā)酵液體積，m36n利用溫度變化率：先使罐溫恒定，再關閉自控裝置，測量溫度隨時間上升的速率，根據(jù)nQ發(fā)酵 = （M1C1 + M2C2）V；nM1：發(fā)酵液質(zhì)量 kg M2：發(fā)酵罐質(zhì)量kgnC1 發(fā)酵液的比熱容，kJ/kg C2 發(fā)酵罐的比熱容， kJ/kg V為溫度上升速率/hn熱力學方法：反應物產(chǎn)物000ffHHH7n三、溫度對

3、微生物生長的影響 不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據(jù)它們對溫度的要求大致可分為四類： 嗜冷菌適應于026生長，嗜溫菌適應于1543 生長，嗜熱菌適應于3765 生長，嗜高溫菌適應于65 以上生長 8n影響酶的活性、影響細胞內(nèi)各種反應速度n最低生長溫度、最高生長溫度、最適生長溫度n在最適范圍內(nèi)生長速度隨溫度升高而增加，生長周期縮短n不同生長階段的微生物對溫度的反應不同9n四、溫度對發(fā)酵的影響n1、影響反應速度n2、溫度影響酶系的組成及酶的特性10n3、溫度影響發(fā)酵的方向 四環(huán)素產(chǎn)生菌金色鏈霉菌同時產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素，當溫度低于30 時，這種菌合成金霉素能力較強；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提

4、高，溫度達到 35 時，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。 4、溫度還影響基質(zhì)溶解度 在發(fā)酵液中的溶解度也影響菌對某些基質(zhì)的分解吸收。因此對發(fā)酵過程中的溫度要嚴格控制。11n五、最適溫度的控制1、根據(jù)菌種及生長階段來選擇n微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。n如黑曲霉生長溫度為37，n谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長溫度為3032 ，n青霉菌生長溫度為30 。12n2、根據(jù)培養(yǎng)條件選擇、根據(jù)培養(yǎng)條件選擇n溫度選擇還要根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。n通氣條件差時可適當降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。n培養(yǎng)基稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營養(yǎng)利用快，會

5、使菌過早自溶。13n3、根據(jù)菌生長情況、根據(jù)菌生長情況n 菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。培養(yǎng)條件適宜，如營養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長。n 總的來說，溫度的選擇根據(jù)菌種生長階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。要通過反復實踐來定出最適溫度14例子：利用熱沖擊處理技術來提高甘油的產(chǎn)量n背景：n（1）酵母在比常規(guī)發(fā)酵溫度髙1020的溫度下經(jīng)受一段時間刺激后，胞內(nèi)海藻糖的含量顯著增加。n（2）Lewis發(fā)現(xiàn)熱沖擊能提高細胞對鹽滲透壓的耐受力n（3）Toshiro發(fā)現(xiàn)熱沖擊可使胞內(nèi)3磷酸甘油脫氫酶的活力提高1525，并導致甘油產(chǎn)量提高15n實驗：甘油

6、發(fā)酵是在髙滲透壓環(huán)境中進行的，因此可望通過熱沖擊來提高發(fā)酵甘油的產(chǎn)量n正交條件A 沖擊溫度 （ ） 40，45，50n B 開始時機（h） 8，16，30n C 沖擊時間（分） 15，30，60n結果發(fā)酵16小時，45沖擊30分鐘最佳，發(fā)酵96小時后甘油濃度提高32.6，n（A）16h,45,30minn（B）12h,45,30min161718 第二節(jié) pH 值 的 控制n一、pH值對菌體生長和代謝產(chǎn)物合成的影響n菌種不同，對pH要求不同n菌種相同，pH不同，形成的產(chǎn)物不同n菌種生成和發(fā)酵的最適pH不同，形成的產(chǎn)物不同19pH對微生物生長繁殖和代謝產(chǎn)物形成影響的主要原因：1、影響原生質(zhì)膜的性

7、質(zhì)2、影響酶的活性3、影響營養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的解離20n二、影響pH值變化的因素n1、基質(zhì)代謝n（1）糖代謝 特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補料的標志之一n（2）氮代謝 當氨基酸中的-NH2被利用后pH會下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當碳源不足時氮源當碳源利用pH上升。n（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會上升或下降21 2、產(chǎn)物形成 n 某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機酸類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。n3、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。22n三、發(fā)酵過程p

8、H值的調(diào)節(jié)及控制n1、調(diào)整培養(yǎng)基的組分n2、在發(fā)酵過程中進行控制n添加CaCO3： n氨水流加法 n尿素流加法 n3、通過補料調(diào)pHn4、當補料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)pH23例：例： 配制不同初始配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況pH對產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響對產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響24例子：不同調(diào)例子：不同調(diào)pH方法的影響方法的影響n分別在分別在4種緩沖介質(zhì)中，于種緩沖介質(zhì)中，于pH 650一一950測定天冬酰胺酶測定天冬酰胺酶酶活力酶活力n1 甘氨酸介質(zhì)甘氨酸介質(zhì)pH 8.00時酶活力時酶活力最高；最高；n2 硼酸在硼酸在pH 8.50，酶反應最快，酶反應

9、最快n3 磷酸在磷酸在pH 8.50，酶反應最快，酶反應最快n4 Tris在在pH 8.50，酶反應最快，酶反應最快n酶活酶活124325 不同pH控制方式對目的突變株ISw330異亮氨酸搖瓶發(fā)酵的影響，結果如圖所示。 “1”表示只加CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素聯(lián)合控制pH值。異亮氨酸發(fā)酵異亮氨酸發(fā)酵26 不同pH值對菌體的形態(tài)影響很大，當pH值高于75時，菌體易于老化，呈現(xiàn)球狀；當pH值低于65時菌體同樣受抑制，易于老化。而在72左右時，菌體是處于產(chǎn)酸期，呈現(xiàn)長的橢圓形；在69左右時，菌體處于生長期，呈“八”字形狀并占有絕對的優(yōu)勢。2728 pH6

10、9時，菌體生長旺盛，pH7.15時，對菌體的產(chǎn)酸有利。因此，在發(fā)酵的產(chǎn)酸期產(chǎn)酸較高。采用階段pH控制模式進行發(fā)酵，在發(fā)酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值為7.15，到80h后pH值為7.25。產(chǎn)率22.27g/L，產(chǎn)酸率提高12.23。29 第 三 節(jié) 泡 沫 的 控 制n一、泡沫的性質(zhì)n1、泡沫產(chǎn)生n通氣攪拌；微生物代謝產(chǎn)生n2、泡沫帶來的危害n減少發(fā)酵的有效容積n液體溢出，增加染菌機會n降低菌體利用率n影響通氣攪拌 30n3、泡沫的性質(zhì)n 泡沫實際上是氣溶膠構成的膠體系統(tǒng)，其分散相是空氣和代謝氣，連續(xù)相是發(fā)酵液，泡沫間隔著一層液膜而被彼此分開不相連通。31n二、發(fā)酵過程泡沫的變化n1

11、、通氣和攪拌的影響n2、培養(yǎng)基組成的影響n3、菌體的影響n三、化學消泡n優(yōu)點：來源廣泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易實現(xiàn)自動控制n1、化學消泡機理n 消泡劑表面張力低，使氣泡膜局部的表面張力降低，使得平衡受到破壞32n2、消泡劑選擇的依據(jù)及常用的消泡劑種類n（1）選用依據(jù)：n表面活性劑n對氣-液界面的散布系數(shù)必須足夠大n無毒害性，且不影響發(fā)酵菌體；n不干擾各種測量儀表的使用；n在水中的溶解度較小n來源方便，成本低33n（2）消泡劑種類：n天然油脂；n高碳醇、脂肪酸和酯類；n聚醚類；n硅酮類；n3、消泡劑的應用和增效作用n消泡劑 + 載體n復合消泡劑n消泡劑 + 乳化劑34n四、機械消

12、泡n 1、消泡機理n 靠機械強烈振動、壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分離回收n2、優(yōu)點n節(jié)省原料，減少由于消泡劑所引起的污染機會n3、缺點n需要一定的設備和消耗一定的動力n不能從根本上消除引起泡沫溫定的因素35n4、機械消泡裝置的選擇依據(jù)n動力??；n結構簡單；n易清潔；n運行可靠；n維護費用低；36n5、消泡方式n（1）罐內(nèi)消泡n耙式消泡漿的機械消泡37n旋轉(zhuǎn)圓板式的機械消泡38n流體吹入式消泡39n氣體吹入管內(nèi)吸引消泡40n沖擊反射板消泡41n超聲波消泡42n碟片式消泡器的機械消泡43n（2）罐外消泡n旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡44n噴霧消泡45n離心力消泡46n旋風分離器

13、消泡47n轉(zhuǎn)向板消泡48 第 四 節(jié) 補 料 的 控 制n補料培養(yǎng)（fedbatch culture，F(xiàn)BC）的優(yōu)點:n1、可以解除底物抑止、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻遏n2、減少細胞對發(fā)酵液流變學的影響n3、控制細胞質(zhì)量的手段n4、理論研究的手段，為自動控制和最優(yōu)控制提供實驗基礎49n一、FBC的作用n1、可以控制抑制性底物的濃度n2、可以解除或減弱分解代謝物的阻遏n3、可以使發(fā)酵過程最佳化50n二、補料的內(nèi)容n（1）補充微生物能源和碳源n（2）補充菌體所需要的氮源n（3）加入某些微生物生長或合成所需要的微量元素或無機鹽n（4）加入某些誘導酶的作用底物51n三、補料的原則n1、根據(jù)菌體本身

14、的遺傳特性、生長代謝規(guī)律n2、根據(jù)生產(chǎn)需要n四、補糖的控制n1、補糖的時間n與培養(yǎng)基中的碳源種類、用量、消耗速度、前期發(fā)酵條件、菌種特性、種子質(zhì)量等有關n2、補糖的方式和控制指標52n例：n方式A：12h補加 方式B：24h補加n方式C：12h開始，間隔8h 分4次補加n方式D：12h開始，間隔4h，分8次補加53n五、補充氮源和無機鹽n方式A：發(fā)酵24h，一次性補充酵母粉 0.3gn方式B：于12h、24h、36h分次補加0.1n方式C：從12h后，每隔4h補加，共8次n方式D：從24h后，每隔4h補加，共6次54n在發(fā)酵30h，一次性加入0.1%、0.2、0.3、0.4的次黃嘌呤對鳥苷產(chǎn)量的影響55第五節(jié) 菌體濃度與基質(zhì)對發(fā)酵的影響n一、菌體濃度對發(fā)酵的影響n菌體濃度與菌體生長速率直接相關n菌體濃度的大小影響產(chǎn)物的得率n 控制培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的含量來控制菌體濃度56n二、基質(zhì)對發(fā)酵的影響及控制n1、碳源對發(fā)酵的影響及控制n 不同碳源對毛霉產(chǎn)蛋白酶的影響57n不同濃度麥芽糖對產(chǎn)酶的影響0200400600800100012001400空 白0.20%0.50%1%2%麥 芽 糖 濃 度酶活（u/g）中 性 條 件 下 酶 活堿 性 條 件 下 酶 活58n2、