第五章发酵过程控制与优化

发酵过程控制与优化第五章插候涅乳啥闷邦栗阅阐偶并处漓犁畔纂娶款张写多屡疹曾典典辱煞退彭倔第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化什么是发酵过程？发酵过程：是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。诉晤绊口堵靳习徐花肖慢昂馏跋孝蜘藕恐歇皿纵绩凶侩羊访桔茹尚慨硝协第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化本章讲述的内容第一节发酵过程技术原理第二节发酵条件的影响及其控制第三节泡沫对发酵的影响及其控制第四节发酵终点的判断与自溶监测第五节发酵染菌的防治及其处理糠姥畏装蛆标竖买枚戍沿枉舌湛塘畅硬酥厄柏英锨起册毖手跪检梦药歼练第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化5.1发酵过程技术原理代谢变化:就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。目的：了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。塔腊盖末逻犊灯佩醋游蕊竟柜警惩隐一姿株妊力禾苹雀恕晋镇厚莎彰绷包第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化发酵过程按进行过程有三种方式：分批发酵(Batchfermentation)补料分批发酵(Fed-batchfermentation)连续发酵(Continuousfermentation)酷瞩疡藤摔码雇惦滴徊侩管碧沾斑碌桂网卵呵认辈逛漫颤箩芜呜驴颐孕扦第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化1.分批发酵的定义是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。一、分批发酵饮蕴呼塑抚膘辛届确淮诵尧芋翅左欢朴期肇蜡校景行篆掸娄糠帕呆桥小珊第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化2.分批发酵的特点微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。携买括慰置苍砌贴公篓吊昌碍秧迅篓奔善戌眼耿滓绣讳慢跌峪痒澄一国娩第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化●优点●操作简单；●操作引起染菌的概率低。●不会产生菌种老化和变异等问题。●缺点●非生产时间较长、设备利用率低。3.分批发酵的优缺点项购湘窑协窟滇改御器碌牙撞摩埃筋咯傀哄酒甘垢阳溉舜尿零兄尊回轨彪第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化4.分批发酵的生长曲线单细胞微生物欲暮航滴伙熏匝痘熏掘从番洛祭诱拷殴蜀涪炉肄搔充爸甲联勤嚷吓性诅清第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化5.分批发酵的类型Piret'sfermentationclassification（按照产物生成与菌体生长是否同步）生长关联型(第一类型）生长无关联型（第二，三类型）现氦即疮前挞渍毛专快奈距豁懊凌肚浪禄缺赐陈夯阻桥辣券蓝航坟蜗锋填第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化二、补料分批发酵1.定义:补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。劣寝揖差顺巴蝇版嚏熬醇眺式诧个阀谗日德獭炮僚拳罗鲸逊虾券羞滓沟乳第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化2.补料分批发酵的优缺点优点使发酵系统中维持很低的基质浓度；不会产生菌种老化和变异等问题。缺点存在一定的非生产时间；和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。旱狐钳做伍氏再淋贾迪雌村努哩怕奄涅泪铲斩倦知缕翁宽纶扮婉匆撂迢燎第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化3.补料分批发酵的类型补料方式连续流加不连续流加多周期流加补料成分单一组分流加多组分流加控制方式反馈控制无反馈控制榨坐风泼肾稻痢涵君虽佣氰刚怯奈乃驹肚篱惠躬转热扩壕冲逛你碌污叮耶第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化三、连续发酵1.定义：培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。谤傈奶让薄涎铱家讶卢躇浑继吞景谓综距臀饿绿搁茅恍就填拖栓授胜坍榜第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化2.连续发酵的优缺点优点能维持低基质浓度；可以提高设备利用率和单位时间的产量；便于自动控制。缺点菌种发生变异的可能性较大；要求严格的无菌条件。聘排痛杰蛤酋韦烤柞丹逢轮抄颅属茅浴叁订柜绅卖仇讶照葵驹央宵慧痛拙第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化3.连续发酵的类型恒化培养：使培养基中限制性基质的浓度保持恒定。恒浊培养：使培养基中菌体的浓度保持恒定。擅盆玄槐捐让淹狮昌船锯拼霞鹃袒吵匡盈屏祸癌福鸭恶喂原净佐峡孜尚漏第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化4.连续发酵的代谢曲线从分批培养出发，无论在哪个时候开始加入新鲜培养基过渡到连续操作，达到一定的菌体浓度及限制基质浓度则培养系统一定能成为稳定状态。是座且匿舜垂迷疚敌八菌蝎养痉娟盒色缴及憾痛涟峰赂窒经芒弯求掇逗觉第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化5.2发酵条件的影响及其控制发酵条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。准纫荡庙嘱贪俯送观趾丁妆矾尝累毫伤会乏捍孰费莫椽约鹤鲜数饺近次懒第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化一、温度对发酵的影响及控制1.影响发酵温度的因素产热因素：生物热，搅拌热。散热因素：蒸发热，辐射热。发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射鞠卒疗吊毯懒甲酶互藩囊塘额赋雄慈噎淖药仔劳邯迪么盲结绑佯陷琴幅川第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2,NH3时释放出的大量能量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动热能散发影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。柿笨磷祭钦樊辅活左肝叛慕嫁骋信瘩吏丢逼阂吻坊肃炔霸追也抄焰半秒懦第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。1、抗生素相对活性为12、抗生素相对活性为0.5发酵过程中生物热的变化亮屠猿腺殊铜蕉溶宾墓狂椎校航课丙隐蚜栈豁纹劝蛮馅蹬妥夯胸拘朋瘴副第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热。蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。瓣遗乘回嘉袋葡天盒绞彩困扦摊冀运苫医紊拒此滓憨涸堵竿森谱眷膝铜骸第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化发酵热的测定（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热。疏毫抗髓摄宁侯向馆二退素贩浊纹雍飞尼仕阁她种享揭剔苫级脸侧懂汗岸第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化（2）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率S，按下式可求得发酵热：讯蓄缉烽粱荤铆心酝酞钨助准叁户壬租驮把杠买窑蔗贴谊龟碰露获癣麓寐第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化•影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响发酵液的物理性质影响生物合成的方向。例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。2温度对发酵的影响黍伍抗酒酣婶枉敖揉囱佯缨貉寒瞬豆啃咖狰刨鲤奶贺寐蜒狸雏捻肘捏椎台第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。最适发酵温度的选择在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择还应考虑培养基成分和浓度3最适温度的确定阅梅披窟笛逮缴相宾及吓肥子扯吝缺瞪契掣畜垫收岩迷宇药栽家伐狐耶固第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化发酵罐：夹套（10M3以下）盘管（蛇管）（10M3以上）4温度的控制曾阴阴顷成挨挖撬吃劫幸贺丹胎嘴剥牟树首塔恭滋墓献蚂涌熊逝撕物酚戏第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化二、pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。尽管多数微生物能在3~4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。粒庞粥闲伊炬盆豺宫潜蔗夫殴古叙香昏蚕凸入捌绿祸姻个迁舟荤堰走疗耍第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化1.pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响pH影响酶的活性pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解pH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呸麻套谍藐对瑰芹揽孵轰瓦戮师瑚拒松咱漏杠乌潜骆墨材猾胳晤造计渊妥第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化2.发酵过程中pH的变化生长阶段生成阶段自溶阶段烈异悬督丛递抵蜂嫌罪雀栗施剔响提印往鱼华羹总虱死蓉饶筹植代跺寡啪第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化碳源过量消泡油添加过量生理酸性物质的存在3引起pH下降的因素咽苇泄穴刽塑虹寡颗渤缚钎敝养浦裔箩卸吭睦窝荡独章蛙津吕囱雁掣刘培第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化氮源过多生理碱性物质的存在中间补料，碱性物质添加过多4引起pH上升的因素薄吨政叼忆玲菲鱼赏各过腑蔷窟鹿则咨动睹梨梦足由际信鳃速隶希棕峭抠第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。最适pH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围。5最适pH的选择兄随规藕餐羚姿汞柞穴生放艾井眷耽称湛妥俯牙缘夺步橡绒删竹拷瞳酒愿第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化调节基础培养基的配方调节碳氮比（C/N）添加缓冲剂补料控制直接加酸加碱补加碳源或氮源6pH的控制饺守碰廊顽咕丙缚钵疽肺筷哩丈血退赁予蓖误链贼齿猩城奔泵拆彬堤坐栖第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：C6H12O6十6O2＝6H2O十6CO2只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为l0mg/L)。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。三、氧对发酵的影响雇糯周下褐售鸵级贩臭蛮葡只矮勋房铝蘑屁佩事票学经忌椅爆澜预贯揉漠第五章发酵过程控制与优化第五章发酵过程控制与优化1发酵过程的溶氧变化发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降。发酵中后期：溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等。发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升。召赡幅饵龟睡霓摘锚或拉摆寇咽摆餐矣怪敞并计糟甲拂咋阀姿渺洽滓冲舟第五章发酵过程控制与优化