《发酵过程工艺》PPT课件.ppt
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1、第六章第六章 发酵工艺过程控制发酵工艺过程控制n发酵,原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过发酵,原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。程。在广义的工艺上,则把发酵看做是微在广义的工艺上,则把发酵看做是微生物把一些原料养分在合适的条件下(通生物把一些原料养分在合适的条件下(通常是需氧)经特定的代谢转变成产物的过常是需氧)经特定的代谢转变成产物的过程。程。n发酵是一种很复杂的生化过程,发酵生产发酵是一种很复杂的生化过程,发酵生产受许多因素的影响和工艺条件的制约。需受许多因素的影响和工艺条件的制约。需要多年的经验才能掌握。要多年的经验才能
2、掌握。n生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知识对稳定生产,提高产量意义重大。识对稳定生产,提高产量意义重大。n微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能,微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能,而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来;出来;n必须了解有关生产菌种对环境条件的要求,如必须了解有关生产菌种对环境条件的要求,如培养基、培培养基、培养温度、养温度、pHpH、氧的需求、氧的需求等,并深入了解生产菌在合成产物等,并深入了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途
3、径,为设计合理过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径,为设计合理的生产工艺提供理论基础;的生产工艺提供理论基础;n通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度,糖、通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度,糖、氮消耗及产物,以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、氮消耗及产物,以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、pHpH、溶解氧等参数情况,并予以有效地控制,使生产菌种、溶解氧等参数情况,并予以有效地控制,使生产菌种处于产物合成的优化环境中。处于产物合成的优化环境中。第一节第一节 发酵过程中的代谢变化与控制参数发酵过程中的代谢变化与控制参数一、发酵工艺过程控制的重要性一、发酵工艺过程控制
4、的重要性从产物形成来说,代谢变化就是反映发酵中的从产物形成来说,代谢变化就是反映发酵中的菌体菌体生长生长、发酵参数的变化发酵参数的变化(培养基和培养条件)和(培养基和培养条件)和产物形成速率产物形成速率这三者之间的关系。这三者之间的关系。二、发酵过程的代谢变化规律二、发酵过程的代谢变化规律一般来说,微生物的培养方式分为一般来说,微生物的培养方式分为分批发酵分批发酵、补补料分批发酵、半连续发酵料分批发酵、半连续发酵及及连续发酵连续发酵四种类型四种类型的操作方式。的操作方式。1 1、分批发酵、分批发酵指在一个封闭的培养系统内投入指在一个封闭的培养系统内投入有限数量的营养物质(基质)有限数量的营养物
5、质(基质)后后接入种子进行培养的发酵方式。即一次性投料,一次性收接入种子进行培养的发酵方式。即一次性投料,一次性收获产品的发酵方式。在该系统里种子接种到培养基后,除了获产品的发酵方式。在该系统里种子接种到培养基后,除了气体流通外,发酵液始终留在生物反应器内。气体流通外,发酵液始终留在生物反应器内。延滞期延滞期指数期指数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期时间(时间(t t)菌体菌体浓度浓度分分批批培培养养条条件件下下的的典典型型生生长长曲曲线线n分批培养过程中随着培养基中的营养物质分批培养过程中随着培养基中的营养物质不断减少,微生物生长的环境条件也不断不断减少,微生物生长的环境条件也不断变化,因此,微生
6、物分批培养是一种非稳变化,因此,微生物分批培养是一种非稳态的培养方法。态的培养方法。生长阶段生长阶段细胞特征细胞特征停滞期停滞期为适应新环境的需要,细胞个体增大,合成为适应新环境的需要,细胞个体增大,合成新的酶及细胞物质,细胞数量增加很少,微新的酶及细胞物质,细胞数量增加很少,微生物对不良环境的抵抗力下降。当接种的是生物对不良环境的抵抗力下降。当接种的是老龄化的或饥饿的细胞时,停滞期将延长老龄化的或饥饿的细胞时,停滞期将延长对数生长期对数生长期细胞活力很强,生长速率达到最大值且保持细胞活力很强,生长速率达到最大值且保持稳定、速率大小取决于培养基的营养和环境稳定、速率大小取决于培养基的营养和环境
7、稳定期稳定期随着营养物质的消耗和产物的积累,微生物随着营养物质的消耗和产物的积累,微生物的生长速率下降等于死亡速率,系统中活微的生长速率下降等于死亡速率,系统中活微生物数保持稳定生物数保持稳定衰亡期衰亡期由于自溶酶的作用或有害物质的积累,使细由于自溶酶的作用或有害物质的积累,使细胞破裂死亡胞破裂死亡n2 2、微生物分批培养生长速度的动力学方程、微生物分批培养生长速度的动力学方程19421942年,年,MonodMonod提出了在特定温度、提出了在特定温度、pHpH值、值、营养物类型、营养物浓度条件下,微生物营养物类型、营养物浓度条件下,微生物细胞的比生长速率与限制性营养物浓度之细胞的比生长速率
8、与限制性营养物浓度之间存在如下关系:间存在如下关系:=maxmaxS/S/(Ka+SKa+S)maxmax微生物的最大比生长速率微生物的最大比生长速率SS限制性营养基质的浓度限制性营养基质的浓度KsKs饱和常数饱和常数nMonod方程的几点说明a:分批培养过程的经验方程,在纯培养情况下,只有当微生物细胞生长受一种限制性营养物质制约时,与实验数据相一致。b:Ks反映了微生物对营养物质的吸收的亲和力的大小,数值越小,表明微生物对营养物质的亲和力大。反之则亲和力小。一般微生物的Ks值为0.1120mg/L,是很小的。c:maxmax随微生物的种类和培养条件不同,一般随微生物的种类和培养条件不同,一般
9、来说细菌的来说细菌的maxmax大于霉菌,就同种微生物来大于霉菌,就同种微生物来说,培养温度升高,说,培养温度升高,maxmax增大增大。n3、分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学 在发酵过程中,常用得率系数来描述微生物生长过程的特征,即生成的细胞或产物与消耗的营养物质之间的关系。在实际中,最常用的是细胞得率系数(Yx/s)和产物得率系数(Yp/s),分别定义为消耗1g营养物质生成的细胞的克数和生成产物的克数。工业生产中可通过测定一定时间内细胞和产物的生成量及营养物质的消耗量来进行计算。在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系,将
10、微生物产物形成动力学分为步的关系,将微生物产物形成动力学分为 生长关生长关联型联型 和和 非生长关联型非生长关联型。A(葡萄糖异构酶)(葡萄糖异构酶)B(菌体浓度)(菌体浓度)B(菌体浓度)(菌体浓度)A(杀念珠菌素)(杀念珠菌素)生长关联型生长关联型非生长关联型非生长关联型产物的生成速率与菌体生长产物的生成速率与菌体生长速率成正比。速率成正比。这种产物通常是微这种产物通常是微生物分解基质的直接产物,如酒精,生物分解基质的直接产物,如酒精,但也有某些酶类,如脂肪酶和葡萄糖但也有某些酶类,如脂肪酶和葡萄糖异构酶异构酶产物的生成速率与菌体产物的生成速率与菌体生长速率成无关,而与生长速率成无关,而与
11、菌体量的多少有关。菌体量的多少有关。对于生长关联型产品,可对于生长关联型产品,可采用有利于细胞生长的培采用有利于细胞生长的培养条件,延长与产物合成养条件,延长与产物合成有关的对数生长期。有关的对数生长期。对于非生长关联型产品,则对于非生长关联型产品,则宜缩短菌体的对数生长期,宜缩短菌体的对数生长期,并迅速获得足够量的菌体细并迅速获得足够量的菌体细胞后,延长稳定期,从而提胞后,延长稳定期,从而提高产量。高产量。n(1 1)有关分批发酵的几点讨论)有关分批发酵的几点讨论生产的对象不同,掌握工艺的重点不同生产的对象不同,掌握工艺的重点不同产物为细胞本身产物为细胞本身采用能支持最高生长量的培养条件采用
12、能支持最高生长量的培养条件产物为初级代谢物产物为初级代谢物延长对数生长期延长对数生长期产物为次级代谢物产物为次级代谢物缩短对数生长期,延长稳定期缩短对数生长期,延长稳定期(2 2)分批发酵的优缺点)分批发酵的优缺点优点:操作简单,周期短,染菌的机会减少生优点:操作简单,周期短,染菌的机会减少生产过程易于控制、产品质量易掌握。产过程易于控制、产品质量易掌握。x x 缺点:分批发酵不适于测定过程动力学,存在缺点:分批发酵不适于测定过程动力学,存在基质的抑制问题,出现二次生长现象,对与一基质的抑制问题,出现二次生长现象,对与一些对基质敏感的产物,由于养分易耗尽,产率些对基质敏感的产物,由于养分易耗尽
13、,产率较低。较低。2 2、补料分批发酵(、补料分批发酵(fed-batchfed-batch)由于此过程只有料液的输入没有输出,发酵液的体由于此过程只有料液的输入没有输出,发酵液的体积在增加。积在增加。补料分批培养(补料分批培养(fed-batch culturefed-batch culture,简称,简称FBCFBC),是指在分批),是指在分批培养过程中,间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养培养过程中,间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法,是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养基的培养方法,是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养方式,是一种控制发酵的好方法,现已广泛用于
14、发酵工业。方式,是一种控制发酵的好方法,现已广泛用于发酵工业。可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏;可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏;可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长所引起的影响,改善发酵流变学的性质;所引起的影响,改善发酵流变学的性质;可用作控制细胞质量的手段,以提高发芽孢子的比例;可用作控制细胞质量的手段,以提高发芽孢子的比例;可作为理论研究的手段,为自动控制和最优控制提供实验可作为理论研究的手段,为自动控制和最优控制提供实验基础。基础。(1 1)补料分批培养()补料分批培养(FBCFBC)的优
15、点)的优点(2 2)补料优化方式及控制)补料优化方式及控制u连续流加、不连续流加、多周期流加连续流加、不连续流加、多周期流加u快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加u单组分流加、多组分流加单组分流加、多组分流加补料方式补料方式流加操作控制系统流加操作控制系统u反馈控制反馈控制u无反馈控制无反馈控制直接方法直接方法间接方法间接方法以溶氧、以溶氧、pHpH值、呼吸商、排气中值、呼吸商、排气中COCO2 2分分压及代谢产物浓度等作为控制参数压及代谢产物浓度等作为控制参数直接以限制性营养物浓度作为反馈参数,如直接以限制性营养物浓度作为反馈参数,如控制氮源、
16、碳源、控制氮源、碳源、C/NC/N比等,由于目前缺乏比等,由于目前缺乏能直接测量重要参数的传感器,因此直接方能直接测量重要参数的传感器,因此直接方法的使用受到了限制。法的使用受到了限制。、半连续发酵、半连续发酵是指在补料分批发酵的基础上,间歇地放掉部分发酵液是指在补料分批发酵的基础上,间歇地放掉部分发酵液(行业中称为带放)的培养方法。(行业中称为带放)的培养方法。优点:优点:可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾;菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾;克服养分的不足,避免发酵过早结束;克服养分的不足,避免发酵过早结束
17、;缓解有害代谢产物的积累。缓解有害代谢产物的积累。放掉发酵液的同时也丢放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体于生长旺盛期的菌体丢失前体丢失前体菌体易变异菌体易变异缺点缺点、连续发酵、连续发酵又称连续流动培养或开放型培养,又称连续流动培养或开放型培养,即发酵过即发酵过程中一边补入新鲜的料液,并同时以相近的程中一边补入新鲜的料液,并同时以相近的流速放出含有产品的发酵液的培养方法流速放出含有产品的发酵液的培养方法。在。在这样的环境中培养,所提供的基质对菌的生这样的环境中培养,所提供的基质对菌的生长就受到限制,培养液中的菌体浓度能保持长就受到限制,培养液中的菌体
18、浓度能保持一定的稳定状态(发酵液的体积不变)。一定的稳定状态(发酵液的体积不变)。连续培养系统又称为连续培养系统又称为恒化器恒化器,培养物的生长速率,培养物的生长速率受其周围化学环境,即受培养基组分的限制。受其周围化学环境,即受培养基组分的限制。恒化器:恒化器:一种微生物连续培养器。它以恒定的速一种微生物连续培养器。它以恒定的速度流出培养液,使容器中的微生物生长繁殖始终度流出培养液,使容器中的微生物生长繁殖始终低低于最快生长速度。这种容器反映的是培养基的于最快生长速度。这种容器反映的是培养基的化学环境恒定。化学环境恒定。连续发酵的缺点:连续发酵的缺点:长时间的连续培养难以保证纯种培养,并且菌种
19、发生变异的可长时间的连续培养难以保证纯种培养,并且菌种发生变异的可能性较大,且易污染杂菌。故在工业规模上很少采用。生产上只能性较大,且易污染杂菌。故在工业规模上很少采用。生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、以及活性污泥处理有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺,此方法多数用于实验室以研究各种废水等才使用连续培养工艺,此方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。微生物的生理特性。与传统的分批发酵相比,连续发酵有以下优点:与传统的分批发酵相比,连续发酵有以下优点:维持低基质浓度:可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持低基质浓度:可以除去快速
20、利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾;维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾;避免培养基积累有毒代谢物;避免培养基积累有毒代谢物;可以提高设备利用率和单位时间的产量,节省发酵罐的非可以提高设备利用率和单位时间的产量,节省发酵罐的非生产时间;产物质量比较稳定生产时间;产物质量比较稳定 便于自动控制。便于自动控制。n在发酵工艺中,要想控制发酵,使其按人在发酵工艺中,要想控制发酵,使其按人的意志转移,是很难办到的。因为影响发的意志转移,是很难办到的。因为影响发酵的因素太多,有些因素还是未知的,但酵的因素太多,有些因素还是未知的,但了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反了
21、解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反映菌的生理代谢和发酵过程变化的规律,映菌的生理代谢和发酵过程变化的规律,可以帮助人们有效地控制微生物的生长和可以帮助人们有效地控制微生物的生长和生产。生产。第二节第二节 发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数第二节第二节 发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数1.pH值(酸碱度)值(酸碱度)2.温度(温度()3.溶解氧浓度溶解氧浓度4.基质含量基质含量5.空气流量空气流量6.压力压力7.搅拌转速搅拌转速8.搅拌功率搅拌功率9.粘度粘度10.浊度浊度11.料液流量料液流量12.产物浓度产物浓度13.氧化还原电位氧化还原电位14.废气中的氧含量废气中的
22、氧含量15.废气中的废气中的CO2含量含量16.菌丝形态菌丝形态17.菌体浓度菌体浓度种子扩大培养种子扩大培养培养基配制培养基配制空气除菌空气除菌培养基灭菌培养基灭菌发酵生产发酵生产下游处理下游处理发酵设备发酵设备发酵的一般流程发酵的一般流程发酵工艺中几个最常用的控制点发酵工艺中几个最常用的控制点n n温度控制温度控制n npHpH值控制值控制n n溶氧控制溶氧控制n n二氧化碳控制二氧化碳控制n n泡沫的控制泡沫的控制一、温度对发酵的影响一、温度对发酵的影响n n对细胞生长的影响:温度升高,从酶反应动力学来看,生对细胞生长的影响:温度升高,从酶反应动力学来看,生对细胞生长的影响:温度升高,从
23、酶反应动力学来看,生对细胞生长的影响:温度升高,从酶反应动力学来看,生长代谢加快,但由于酶很容易热失活,所以高温时菌体易长代谢加快,但由于酶很容易热失活,所以高温时菌体易长代谢加快,但由于酶很容易热失活,所以高温时菌体易长代谢加快,但由于酶很容易热失活,所以高温时菌体易于衰老;于衰老;于衰老;于衰老;n n对产物形成的影响:菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物对产物形成的影响:菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物对产物形成的影响:菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物对产物形成的影响:菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物形成速率的最适温度往往是不同的;温度升高,一般产物形成速率的最适温度往往是不同的;温度升高,
24、一般产物形成速率的最适温度往往是不同的;温度升高,一般产物形成速率的最适温度往往是不同的;温度升高,一般产物生成提前;生成提前;生成提前;生成提前;n n对生物合成的方向的影响:反馈抑制随温度变化而改变;对生物合成的方向的影响:反馈抑制随温度变化而改变;对生物合成的方向的影响:反馈抑制随温度变化而改变;对生物合成的方向的影响:反馈抑制随温度变化而改变;n n对发酵液物理性质及溶解氧的影响:影响氧的溶解和传递,对发酵液物理性质及溶解氧的影响:影响氧的溶解和传递,对发酵液物理性质及溶解氧的影响:影响氧的溶解和传递,对发酵液物理性质及溶解氧的影响:影响氧的溶解和传递,影响一些基质的分解,间接影响生物
25、合成。影响一些基质的分解,间接影响生物合成。影响一些基质的分解,间接影响生物合成。影响一些基质的分解,间接影响生物合成。1、影响发酵温度的因素n n发酵热的成分发酵热的成分生物热:微生物生长繁殖过程中的产热生物热:微生物生长繁殖过程中的产热生物热:微生物生长繁殖过程中的产热生物热:微生物生长繁殖过程中的产热搅拌热:机械搅拌造成的摩擦热搅拌热:机械搅拌造成的摩擦热搅拌热:机械搅拌造成的摩擦热搅拌热:机械搅拌造成的摩擦热蒸发热:被通气和蒸发水分带走的热量蒸发热:被通气和蒸发水分带走的热量蒸发热:被通气和蒸发水分带走的热量蒸发热:被通气和蒸发水分带走的热量辐射热:发酵罐罐体向外辐射的热量辐射热:发酵
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