发酵过程的控制

第七章发酵过程的控制主要的控制参数1、pH值（酸碱度）2、温度3、溶解氧浓度4、基质含量5、空气流量6、压力7、搅拌转速8、搅拌功率9、黏度10、浊度11、料液流量12、产物的浓度13、氧化还原电位14、废气中的氧含量15、废气中的CO2含量16、菌丝形态17、菌体浓度第一节温度控制一、发酵热伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热1、生物热微生物在生长繁殖过程中，本身产生的热2、搅拌热Q搅拌=P×3061（kJ/h）3、蒸发热Q蒸发=qm（H出-H进），qm：空气流量；I：气体热焓；4、辐射热Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射二、发酵热的测量及计算发酵热的测定可采用以下几种方法：①利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，根据Q发酵=qvC（t2–t1）/V；qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg℃；V为发酵液体积，m3②利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率，根据Q发酵=（M1C1+M2C2）V；M1：发酵液质量kgM2：发酵罐质量kgC1发酵液的比热容，kJ/kg℃C2发酵罐的比热容，kJ/kg℃V为温度上升速率℃/h③热力学方法：反应物产物000ffHHH三、温度对微生物生长的影响不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～26℃生长，嗜温菌适应于15～43℃生长，嗜热菌适应于37～65℃生长，嗜高温菌适应于65℃以上生长影响酶的活性、影响细胞内各种反应速度最低生长温度、最高生长温度、最适生长温度在最适范围内生长速度随温度升高而增加，生长周期缩短不同生长阶段的微生物对温度的反应不同四、温度对发酵的影响1、影响反应速度2、温度影响酶系的组成及酶的特性05001000150022263034温度（℃）酶活（u/g）中性条件下酶活碱性条件下酶活3、温度影响发酵的方向四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于30℃时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到35℃时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。4、温度还影响基质溶解度在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。五、最适温度的控制1、根据菌种及生长阶段来选择微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。如黑曲霉生长温度为37℃，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30～32℃，青霉菌生长温度为30℃。2、根据培养条件选择温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。3、根据菌生长情况菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度例子1：利用热冲击处理技术来提高甘油的产量背景：（1）酵母在比常规发酵温度髙10～20℃的温度下经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。（2）Lewis发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力（3）Toshiro发现热冲击可使胞内3－磷酸甘油脱氢酶的活力提高15～25％，并导致甘油产量提高实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量正交条件A冲击温度（℃）40，45，50B开始时机（h）8，16，30C冲击时间（分）15，30，60结果发酵16小时，45℃冲击30分钟最佳，发酵96小时后甘油浓度提高32.6％，（A）16h,45℃,30min（B）12h,45℃,30min例子2：温度对透明质酸发酵的影响及动力学模型例子3：两阶段温度控制策略提高Lactobaci／uskefiranofacions发酵生产Kefiran第二节pH值的控制一、pH值对菌体生长和代谢产物合成的影响菌种不同，对pH要求不同菌种相同，pH不同，形成的产物不同菌种生长和发酵的最适pH不同，形成的产物不同pH对微生物生长繁殖和代谢产物形成影响的主要原因：1、影响原生质膜的性质2、影响酶的活性3、影响营养物质和中间代谢产物的解离二、影响pH值变化的因素1、基质代谢（1）糖代谢特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一（2）氮代谢当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。（3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降2、产物形成某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。3、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。三、发酵过程pH值的调节及控制1、调整培养基的组分2、在发酵过程中进行控制①添加CaCO3：②氨水流加法③尿素流加法3、通过补料调pH4、当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH例：配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况pH对产海藻酸裂解酶的影响不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。“1”表示只加CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素联合控制pH值。异亮氨酸发酵不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于7．5时，菌体易于老化，呈现球状；当pH值低于6．5时菌体同样受抑制，易于老化。而在7．2左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在6．9左右时，菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优势。pH6．9时，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值为7.15，到80h后pH值为7.25。产率22.27g·/L，产酸率提高12.23％。第三节泡沫的控制一、泡沫的性质1、泡沫产生通气搅拌；微生物代谢产生2、泡沫带来的危害①减少发酵的有效容积②液体溢出，增加染菌机会③降低菌体利用率④影响通气搅拌3、泡沫的性质泡沫实际上是气溶胶构成的胶体系统，其分散相是空气和代谢气，连续相是发酵液，泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通。二、发酵过程泡沫的变化1、通气和搅拌的影响2、培养基组成的影响3、菌体的影响三、化学消泡优点：来源广泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易实现自动控制1、化学消泡机理消泡剂表面张力低，使气泡膜局部的表面张力降低，使得平衡受到破坏2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类（1）选用依据：①表面活性剂②对气-液界面的散布系数必须足够大③无毒害性，且不影响发酵菌体；④不干扰各种测量仪表的使用；⑤在水中的溶解度较小⑥来源方便，成本低（2）消泡剂种类：①天然油脂；②高碳醇、脂肪酸和酯类；③聚醚类；④硅酮类；3、消泡剂的应用和增效作用①消泡剂+载体②复合消泡剂③消泡剂+乳化剂四、机械消泡1、消泡机理靠机械强烈振动、压力的变化，促使气泡破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收2、优点节省原料，减少由于消泡剂所引起的污染机会3、缺点需要一定的设备和消耗一定的动力不能从根本上消除引起泡沫稳定的因素4、机械消泡装置的选择依据①动力小；②结构简单；③易清洁；④运行可靠；⑤维护费用低；5、消泡方式（1）罐内消泡①耙式消泡浆的机械消泡②旋转圆板式的机械消泡③流体吹入式消泡④气体吹入管内吸引消泡⑤冲击反射板消泡⑥超声波消泡⑦碟片式消泡器的机械消泡（2）罐外消泡①旋转叶片罐外消泡②喷雾消泡③离心力消泡④旋风分离器消泡⑤转向板消泡第四节补料的控制补料培养（fed－batchculture，FBC）的优点:1、可以解除底物抑止、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏2、减少细胞对发酵液流变学的影响3、控制细胞质量的手段4、理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础一、FBC的作用1、可以控制抑制性底物的浓度2、可以解除或减弱分解代谢物的阻遏3、可以使发酵过程最佳化二、补料的内容（1）补充微生物能源和碳源（2）补充菌体所需要的氮源（3）加入某些微生物生长或合成所需要的微量元素或无机盐（4）加入某些诱导酶的作用底物三、补料的原则1、根据菌体本身的遗传特性、生长代谢规律2、根据生产需要四、补糖的控制1、补糖的时间与培养基中的碳源种类、用量、消耗速度、前期发酵条件、菌种特性、种子质量等有关2、补糖的方式和控制指标例：方式A：12h补加方式B：24h补加方式C：12h开始，间隔8h分4次补加方式D：12h开始，间隔4h，分8次补加五、补充氮源和无机盐方式A：发酵24h，一次性补充酵母粉0.3g方式B：于12h、24h、36h分次补加0.1方式C：从12h后，每隔4h补加，共8次方式D：从24h后，每隔4h补加，共6次在发酵30h，一次性加入0.1%、0.2％、0.3％、0.4％的次黄嘌呤对鸟苷产量的影响第五节菌体浓度与基质对发酵的影响一、菌体浓度对发酵的影响菌体浓度与菌体生长速率直接相关菌体浓度的大小影响产物的得率控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓度二、基质对发酵的影响及控制1、碳源对发酵的影响及控制不同碳源对毛霉产蛋白酶的影响外加碳源对产酶的影响01002003004005006007008009001000空白葡萄糖麦芽糖蔗糖玉米粉酶活（u/g）中性条件下酶活碱性条件下酶活不同浓度麦芽糖对产酶的影响0200400600800100012001400空白0.20%0.50%1%2%麦芽糖浓度酶活（u/g）中性条件下酶活碱性条件下酶活2、氮源的种类和浓度对发酵的影响及控制不同氮源对毛霉产蛋白酶的影响020040060080010001200空白鱼粉废酵母豆泊粉玉米黄粉蛋白胨酶活（u/g）中性条件下酶活碱性条件下酶活020040060080010001200空白脲硝酸铵硝酸钠硫酸铵酶活（u/g）中性条件下酶活碱性条件下酶活3、磷酸盐浓度对发酵的影响及控制0200400600800100012001400空白磷酸二氢钾磷酸二氢钠磷酸氢二钠磷酸钠盐（1：1）酶活（u/g）中性条件下酶活碱性条件下酶活思考题：温度对微生物的生长和发酵有何影响。pH对微生物生长和代谢产物形成影响的原因。