2发酵工程(第三次课)

1第二章发酵工程2本章内容第一节发酵工程概述第二节工业微生物菌种第三节微生物培养基第四节微生物的接种与培养第五节发酵操作方法和工艺控制3发酵种类根据对氧的需要：有（好）氧发酵和厌氧发酵根据培养方式：分批发酵和连续发酵根据培养基物理性状：液体发酵和固体发酵第五节发酵操作方法和工艺控制4一、发酵操作方法分批发酵：营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排出，与外部没有物料交换。连续发酵：以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。补料分批发酵：又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，是指在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。5种子培养典型分批发酵工艺流程图锅炉空气过滤器蒸汽灭菌pH调节液微生物反应培养基原料培养基配料罐菌种6分批发酵其优点是：对温度的要求低，工艺操作简单；比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题；营养物利用率较高，产物浓度也比连续发酵要高。缺点：人力、物力、动力消耗较大；生产周期较长；生产效率低7生长曲线(growthcurve)Ⅱ.指数期Ⅲ.稳定期Ⅳ.衰亡期Ⅰ.延滞期总菌数活菌数培养时间/h细胞数（个/ml）对数ⅡⅢⅣⅠ89连续发酵•连续发酵，是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。10单罐式连续发酵发酵罐细胞分离器非循环循环11管式连续发酵培养液种子罐管式反应器12连续发酵的优点①可以维持稳定的条件，有利于微生物的生长代谢，从而使产率和产品质量也相应保持稳定；②能够更有效地实现机械化和自动化，降低劳动强度，减少操作人员与病原微生物和毒性产物接触的机会；③减少设备清洗、准备和灭菌等非生产占用时间，提高设备利用率，节省劳动力和工时；④由于灭菌次数减少，测量仪器探头的寿命延长；⑤容易对过程进行优化，有效地提高发酵产率。13连续发酵的缺点①由于是开放系统，发酵周期长，容易造成杂菌污染；②在长周期连续发酵中，微生物容易发生变异；③对设备、仪器及控制元器件的技术要求较高；④粘性丝状菌菌体容易附着在器壁上生长和在发酵液内结团，给连续发酵操作带来困难。14补料分批发酵•补料分批发酵又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，是指在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。15补料分批发酵的类型单一补料分批发酵在开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳源或（和）氮源或（和）其他必需基质，直到发酵液体积达到发酵罐最大操作容积后，停止补料，最后将发酵液一次全部放出。反复补料分批发酵在单一补料分批发酵的基础上，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操作容积，从而在理论上可以延长发酵周期，直至发酵产率明显下降，才最终将发酵液全部放出。16补料分批发酵的优点同传统的分批发酵相比：它可以解除营养物基质的抑制。对于好氧发酵，它可以避免在分批发酵中因一次性投入糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况，还可以在某些情况下减少菌体生成量，提高有用产物的转化率。与连续发酵相比：它不会产生菌种老化和变异问题，其适用范围也比连续发酵广。17设计发酵操作方法应考虑的指标（1）底物转化为产品的比率，按比率就能够确定原料对产品成本的影响。（2）产率，即发酵罐在单位时间内、单位体积内制造的成品和半成品的数量。（3）发酵产物的浓度，据此就能够确定一个提取和精制费用。（4）残留底物量，据此确定实际的转化率和防治杂菌的费用。18•影响微生物生长的因素：营养、温度、氧气、pH、二氧化碳、水分、渗透压、辐射、超声波、微波、电磁、紫外线、高压、化学抑制剂等温度pH溶解氧泡沫二、发酵工艺控制19直接参数：直接采用特定的传感器检测的参数。包括反映物理环境和化学环境变化的参数，如温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、pＨ、离子浓度、溶解氧、基质浓度等。间接参数：难于用传感器来检测的参数，包括细胞生长速率、产物合成速率和呼吸熵等。这些参数需要根据一些直接检测出来的参数，借助于电脑计算和特定的数学模型才能得到。20•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。1.温度温度对发酵的影响21•微生物可生长的温度范围较广，总体说在-10—95℃。•微生物的生长温度：最低、最高、最适合•最适温度：最适生长温度和最适发酵温度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22发酵罐：夹套（10M3以下）盘管（蛇管）（10M3以上）温度的控制23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解离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2.pHpH对发酵的影响24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，培养条件有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围。最适pH的选择25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pH的控制263.溶解氧溶解氧对发酵过程的影响•不同微生物对氧的需求是不同的，根据微生物对氧的需求，可将微生物分为好氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌。•好微生物深层培养时，需要适量的溶解氧以维持其呼吸、代谢和某些产物的合成，氧的不足会造成代谢异常，产量降低。•同一微生物的不同生长阶段对通风量的要求也不相同。27溶氧的控制调节通风与搅拌限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。溶氧系数的测定亚硫酸盐氧化法极谱法覆膜电极法28泡沫的性质泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。4.泡沫控制29降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难4.泡沫对发酵的不利影响305.泡沫的消除机械法：靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。化学法：加入具有相反电荷的表面活性剂，降低泡沫的机械强度或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。消泡剂:天然油脂、聚醚类、高级醇类、硅酮类31化学法原理：当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。32消泡剂的种类：天然油脂：玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。聚醚类：聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌)。高级醇类：十八醇、聚二酵硅酮类：硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。泡沫的控制除了添加消泡剂外，改进培养基成分也是相辅相成的一个重要方面。33复习题•1.根据发酵的操作方法可将发酵分为哪三类？•2.绘出单细胞微生物在分批发酵过程中的生长曲线，并标注各个时期的名称。•3.一般发酵过程中需要控制哪些参数？如何控制？34作业1.举例说明微生物发酵产物的类型。2.绘图说明发酵的一般工艺过程。3.微生物发酵培养基的成分有哪些？4.发酵工艺控制应主要控制哪些条件？5.比较分批发酵、连续发酵和补料分批发酵的优缺点。