发酵工艺过程控制-l

第六章发酵工艺过程控制微生物与发酵工艺第六章发酵工艺过程控制第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数第二节温度对发酵的影响及其控制第三节pH值对发酵的影响及其控制第六章发酵工艺过程控制第四节溶解氧对发酵的影响及其控制第五节菌体浓度与基质对发酵的影响及其控制第六节CO2和呼吸商第六章发酵工艺过程控制第七节补料的控制第八节泡沫对发酵的影响及其控制第九节发酵终点的判断第十节发酵过程检测与自控第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数微生物发酵有三种方式即分批发酵(batchfermentation)、补料分批发酵(fed-batchfermentation)和连续发酵(continuousfermentation)。工业上为了防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题，大都采用分批发酵或补料分批发酵这两种方式。一、初级代谢的代谢变化生长过程仍显示停滞期（1、2）、对数期（3、4）、稳定期（5）和衰亡期（6）等生长史的特征。工业发酵中往往要接入处于对数期(特别是中期)的菌体，以尽量缩短停滞期。二、次级代谢的代谢变化次级代谢产物的发酵属于菌体的生长与产物非偶联的类型，菌体生长繁殖阶段(又称生长期)与产物生成阶段(又称生产期)是分开的。UAA—可利用的氨基酸⒈菌体生长阶段菌体DNA含量达到定值，即不进行繁殖，细胞数量恒定，但多元醇、脂类等细胞内含物仍在积累，使菌体干重增加，此时开始合成产物，此刻的菌体浓度称为临界浓度。这个阶段一般又称为菌体生长期或发酵前期，也有人称为平衡期⒉产物生成阶段这阶段一般称为产物生产期或发酵中期。⒊菌体自溶阶段这个阶段一般称为菌体自溶期或发酵后期。根据发酵过程中的参数变化绘制出的次级代谢的代谢曲线，可清楚地说明过程中的代谢变化，并反映出碳源、氮源的利用和pH值、菌体浓度和产物浓度等参数之间的相互关系。分析研究代谢曲线，还有利于掌握发酵代谢变化的规律和发现工艺控制中存在的问题，有助于改进工艺，提高产物的产量。051015202530048121620242832364044485256606468发酵时间/h020406080100120140菌体量L-亮氨酸产量残糖浓度三、发酵过程的主要控制参数⑴pH值(酸碱度)⑽浊度（OD值）⑵温度(℃)(11)料液流量⑶溶氧浓度（DO值，简称溶氧）⑷基质含量(12)产物的浓度⑸空气流量(13)氧化还原电位⑹压力(14)废气中的氧含量⑺搅拌转速(15)废气中的CO2含量⑻搅拌功率(16)菌丝形态⑼黏度(17)菌体浓度（简称菌浓）小型发酵罐第二节温度对发酵的影响及其控制一、温度对发酵的影响温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q10）（温度每升高10℃，化学反应速度所增加的倍数）来表示。发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。81216202426283032种子培养温度/℃糖酸转化率/%L-亮氨酸/g•L-1L-亮氨酸糖酸转化率二、影响发酵温度变化的因素产热的因素有生物热(Q生物)和搅拌热(Q搅拌)；散热因素有蒸发热(Q蒸发)、辐射热(Q辐射)和显热(Q显)。产生的热能减去散失的热能，所得的净热量就是发酵热[Q发酵，kJ／(m3·h)]，即Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射。这就是发酵温度变化的主要因素。⒈生物热(Q生物)；⒉搅拌热(Q搅拌)；⒊蒸发热(Q蒸发)；⒋辐射热(Q辐射)三、温度的控制⒈最适温度的选择最适生长温度与最适生产温度往往是不一致的，可采用变温发酵。⒉温度的控制通用式发酵罐通用式发酵罐第三节pH值对发酵的影响及其控制一、pH值对发酵的影响①影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；②影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄；③影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收；④pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。0481216206.06.56.87.07.27.58.0种子培养基初始pH值糖酸转化率/%L-亮氨酸产量/g•L-1L-亮氨酸糖酸转化率二、发酵过程pH值的变化三、发酵pH值的确定和控制⒈发酵pH值的确定同一菌种，生长最适pH值可能与产物合成的最适pH值是不一样的。同一产物的最适pH值，还与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。⒉pH值的控制在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适pH值、菌体的比生长速率(μ)和产物比生成速率(Qp)等3个参数的相互关系有四种情况①第一种情况是μ和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内(a)，这种发酵过程易于控制；②第二种情况是Qp(或μ)的最适pH值范围很窄，而μ(或Qp)的范围较宽(b)；③第三种情况是μ和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的(c)，第二、第三种情况的发酵pH值应严格控制；④第四种情况更复杂，μ和Qp有各自的最适pH值(d)，应分别严格控制各自的最适pH值，才能优化发酵过程。补料方法，既可以达到稳定pH值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。最成功的例子就是青霉素的补料工艺，利用控制葡萄糖的补加速率来控制pH值的变化范围(现已实现自动化)，其青霉素产量比用恒定的加糖速率和加酸或碱来控制pH值的产量高25％。第四节溶解氧对发酵的影响及其控制一、溶解氧对发酵的影响影响耗氧的因素有以下几方面：⑴培养基的成分和菌浓显著影响耗氧⑵菌龄影响耗氧⑶发酵条件影响耗氧满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度(criticalvalueofdissolvedoxygenconcentration)，用c临界表示81216201520253035500mL三角瓶装液量/mL糖酸转化率/％L-亮氨酸/g•L-1L-亮氨酸糖酸转化率初级代谢的氨基酸发酵，需氧量的大小与氨基酸的合成途径密切相关。根据发酵需氧要求不同可分为三类第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经过TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。由此可知，供氧大小是与产物的生物合成途径有关。二、供氧与微生物呼吸代谢的关系微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率两种方法来表示。呼吸强度又称氧比消耗速率，是指单位质量的干菌体在单位时间内所吸取的氧量，以QO2表示，单位为mmolO2／(g干菌体·h)。耗氧速率又称摄氧率，是指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，以r表示，单位为mmolO2／(L·h)。式中r——微生物的耗氧速率，mmolO2／(L·h)；——菌体的呼吸强度，mmolO2／(g干菌体·h)；c(X)——发酵液中菌体的浓度，g干菌体／L。2O(X)rQc2OQ三、发酵过程溶氧的变化谷氨酸发酵时正常和异常的溶氧曲线红霉素发酵过程中溶氧和黏度的曲线引起溶氧异常下降，可能有下列几种原因：①污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在较短时间内下降到零附近，如果杂菌本身耗氧能力不强，溶氧变化就可能不明显；②菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降；③某些设备或工艺控制发生故障或变化，也可能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。四、溶氧浓度控制㈠氧的传递方程式液相体积氧传递系数KLα代表氧由气相至液相传递的难易程度，它与发酵过程控制、放大和反应器设计密切相关。当发酵液中溶氧浓度保持稳定，即发酵过程中的氧传递量与氧消耗量达到平衡时，KLα可由下式确定：当微生物的耗氧速率r不变，同时液相饱和溶氧浓度c*不变，KLα愈大，液相实际溶氧浓度cL愈高，故可用KLα的变化来衡量发酵罐的通气效率。式中OTR——氧由气相向液相的传递速率(传氧速率，oxygentakerate)，mmolO2／(L·h)；KLα——液相体积氧传递系数，1／h；c*——液相饱和溶氧浓度，mmolO2／L；cL——液相实际溶氧浓度，mmolO2／L；OUR——菌的耗氧速率(摄氧速率，oxygenuptakerate)，mmolO2／(L·h)。LLOTR()Kcc2OOUR(X)QcLLOTROUR()KccLL()Kcc㈡溶氧浓度控制在供氧方面，主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积氧传递系数KLα值。发酵液的需氧量，受菌浓、基质的种类和浓度以及培养条件等因素的影响，其中以菌浓的影响最为明显。临界比生长速率，以μ临表示最适菌浓，即c(X)临第五节菌体浓度与基质对发酵的影响及其控制一、菌体浓度对发酵的影响及控制P=QPmc(X)式中P——发酵产物的产率(产物最大生成速率或生产率)，g／(L·h)；QPm——产物最大比生成速率，h-1；c(X)——菌体浓度，g／L。影响菌体生长的环境条件有温度、pH值、渗透压和水分活度等因素。按照Monod方程式来看，生长速率取决于基质的浓度，当基质浓度c(S)10Ks时，比生长速率就接近最大值。对抗生素这类次级代谢产物来说，控制菌体的比生长速率μ比μ临略高一点的水平，达到最适菌浓[即c(X)临]，菌体的生产率最高。在微生物发酵的研究和控制中，营养条件(含溶氧)的控制至关重要。为了获得最高的生产率，需要采用摄氧速率OUR与传氧速率OTR相平衡时的菌体浓度，也就是传氧速率随菌浓变化的曲线和摄氧速率随菌浓变化的曲线的交点所对应的菌体浓度，即临界菌体浓度c(X)临。二、基质对发酵影响及其控制⒈碳源对发酵的影响及其控制按菌体利用快慢而言，分为迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源。前者(如葡萄糖)能较迅速地参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解代谢产物，因此有利于菌体生长，但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用；后者(如乳糖)为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的生产期，也为许多微生物药物的发酵所采用。选择最适碳源对提高代谢产物产量是很重要的糖对青霉素生物合成的影响试验⒉氮源对发酵的影响及其控制氮源有无机氮源和有机氮源两类如谷氨酸发酵，当NH4+供应不足时，就促使形成α-酮戊二酸；过量的NH4+，反而促使谷氨酸转变成谷氨酰胺发酵培养基一般是选用含有快速利用和慢速利用的混合氮源。如氨基酸发酵用铵盐(硫酸铵或醋酸铵)和麸皮水解液、玉米浆⑴补加有机氮源根据产生菌的代谢情况，可在发酵过程中添加某些具有调节生长代谢作用的有机氮源，如酵母粉、玉米浆、尿素等152025301:01:0.401:0.671:0.750:1玉米浆:豆饼水解液L-亮氨酸产量/g•L-1⑵补加无机氮源补加氨水或硫酸铵是工业上的常用方法。氨水既可作为无机氮源，又可调节pH值。在抗生素发酵工业中，通氨是提高发酵产量的有效措施。当pH