简明微生物工程 6.3 发酵中间控制-泡沫补料ppt精选课件

.,发酵过程控制之四,泡沫与补料的控制,.,.,.,.,发酵过程泡沫的形成与控制,.,一、泡沫形成的原因,.,二、影响发酵过程泡沫产生的因素,.,二、影响发酵过程泡沫产生的因素,.,三、起泡的利弊,有利之处：气体分散、增加气液接触面积,.,四、泡沫的性质,.,表面活性剂示意图,亲水基疏水基,如图所示，表面活性剂是由疏水基与亲水基构成的化合物，在水中，表面活性剂的分子不停地转动在以下两种情况下泡沫才能比较稳定，停留时间比较长：,.,第一种情况表面活性剂的亲水基留在水相，疏水基伸到气相中，形成定向吸附层。第二种情况表面活性剂的疏水基在水相中互相靠在一起，减少疏水基与水的接触，形成“胶束”。胶束的形成需要一定的浓度临界胶束浓度。,胶束,.,溶液中：,.,表面活性剂为什么会定向排列在表面？,.,2、泡沫是热力学不稳定体系,热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态变化。起泡过程中自由能变化如下：,G=AG自由能的变化A表面积的变化比表面能,.,.,3、泡沫体系的三阶段变化,.,.,3、泡沫体系的三阶段变化,.,3、泡沫体系的三阶段变化,.,五、消泡剂消泡,.,（1）使泡沫液局部表面张力降低导致泡沫破灭,希勒（Shearer,L.T）和艾克斯(Akers,W.W.)在油体系中研究聚硅氧烷油的消泡过程。他们对泡沫体系以1/1000秒的速度连续拍照，照片放大100倍,由图可以看出，硅油微粒到达泡沫表面使泡沫破灭，气泡合并，气液迅速分离。,.,日本高野信之提出类似的观点：,把高级醇或植物油洒在泡沫上，当其附着到泡沫上，即溶入泡沫液，会显著降低该处的表面张力。因为这些物质一般对水的溶解度较小，表面张力降低只限于局部，而泡沫周围的表面张力几乎没有发生变化。表面张力降低的部分，被强烈地向四周牵引、延展，最后破裂。,.,泡膜表面因吸附有表面活性剂，具有一定的弹性（机械强度），当受到外部压力时有自愈作用。消泡剂能破坏泡膜的这种弹性。离子型表面活性剂水溶液产生的泡沫，是因为表面活性剂定向排列形成双电层，借助排斥作用阻碍泡沫合并而使泡沫稳定。这种性质的泡沫，只需向体系中加入一种离子电荷相反的表面活性剂，甚至本身也是助泡剂，就可降低泡沫稳定性。这是因为两种表面活性剂彼此干扰，妨碍在气液界面上定向排列，破坏了膜弹性，因而产生消泡作用。,（2）破坏膜弹性导致气泡破灭,.,（3）促使液膜排液导致气泡破灭,.,.,（1）在起泡液中不溶或难溶,为破灭泡沫，消泡剂应该在泡膜上浓缩、集中。所以消泡剂在起泡液中只有不溶或难溶，才易于聚集在气液界面，才易于浓缩在泡膜上，才能在较低浓度下发挥作用。用于水体系消泡剂的活性成分，须为强疏水弱亲水的分子，作用效果才最好。,.,（2）表面张力低于起泡液,只有消泡剂表面张力低于起泡液，消泡剂微粒才能够在泡膜上浸入及扩展。值得注意的是，起泡液的表面张力并非溶液的表面张力，而是助泡溶液的表面张力。,.,（3）与起泡液有一定程度的亲和性,由于消泡过程实际上是泡沫崩溃速度与泡沫生成速度的竞争，所以消泡剂必须能在起泡液中快速分散，以便迅速在起泡液中较广泛的范围内发挥作用。要使消泡剂扩散较快，消泡剂活性成分须与起泡液具有一定程度的亲和性。消泡剂活性成分与起泡液过亲，会溶解；过疏又难于分散。只有亲疏适宜，效力才会好。,.,（4）与起泡液不发生化学反应,消泡剂与起泡液发生反应，一方面消泡剂会丧失作用，另一方面可能产生有害物质，影响微生物的生长。,（5）挥发性小，作用时间长,.,.,3、常用消泡剂的种类和性能,（1）天然油脂,.,.,.,（2）聚醚类消泡剂,聚醚类消泡剂种类很多，我国常用的主要是甘油三羟基聚醚。六十年代发明，美国道康宁化学公司首先投产。它是以甘油为起始剂，由环氧丙烷，或环氧乙烷与环氧丙烷的混合物进行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成聚合环氧丙烷的产物叫聚氧丙烯甘油定名为GP型消泡剂；用于链霉素发酵，代替天然油，加入基础料，效果很好。在GP型消泡剂的聚丙二醇链节末端再加成环氧乙烷，成为链端是亲水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPE型消泡剂。按照环氧乙烷加成量为10%，20%，50%分别称为GPE10，GPE20，GPE50。这类消泡剂称为“泡敌”。用于四环素发酵效果很好，相当于豆油的1020倍。,.,GP型的消泡剂亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以宜使用在稀薄的发酵液中。在基础培养基中加入，可以抑制整个发酵过程的泡沫产生。GPE型消泡剂亲水性较好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，但溶解度也较大，消泡活性维持时间短，因此用在粘稠发酵液中效果较好。有一种新的聚醚类消泡剂，在GPE型消泡剂链端用疏水基硬脂酸酯封头，便形成两端是疏水链，当中间隔有亲水链的嵌段共聚物。这种结构的分子易于平卧状聚集在气液界面，因而表面活性强，消泡效率高。这类化合物叫GPES型消泡剂。,.,高碳醇是强疏水弱亲水的线型分子，在水体系里是有效的消泡剂。C7C9的醇是最有效的消泡剂。C12C22的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为49m、含量为2050%的水乳液，即是水体系的消泡剂。还有些醇酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素发酵中具有消泡作用，后者还可作为前体。,（3）高碳醇,.,（4）硅酮类,最常用的是聚二甲基硅氧烷，也称二甲基硅油。它表面能低，表面张力也较低，在水及一般油中的溶解度低且活性高。它的主链为硅氧键，为非极性分子。与极性溶剂水不亲和，与一般油的亲和性也很小。它挥发性低并具有化学惰性，比较稳定且毒性小。纯粹的聚二甲基硅氧烷，不经分散处理难以作为消泡剂。因此将硅油混入SiO2气溶胶，所构成的复合物，经一定温度、一定时间处理，就可制得。,.,六、机械消泡,.,.,.,尾气吸入管,.,尾气吸入管,.,.,.,.,.,第四节补料的控制,补料：在发酵过程中补充某些养料以维持菌的生理代谢活动和满足产物合成的需要。,.,.,简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。,1、分批培养,对于初级代谢产物，在对数生长期初期就开始合成并积累，而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳定期大量合成。,.,分批培养中微生物的生长,迟滞期,对数生长期,稳定期,死亡期,.,.,2、补料分批培养,在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。,.,补料分批培养的优缺点,.,3、半连续培养,在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发酵,.,4、连续培养,发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。特点：达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。,.,.,.,三、补糖的控制,.,62小时20小时45小时,.,.,四、补充氮源及无机盐,通氨：补充菌体的无机氮源和调节pH值的作用。添加某些具有调节生长代谢作用的物料，如磷酸盐、尿素、硝酸盐、Na2SO4、酵母粉或玉米浆等。如遇生长迟缓、耗糖低，习惯补充适量的磷酸盐，以促进糖的利用。,.,五、补料注意问题,1、料液浓度要适合；2、注意加强无菌控制，对设备和操作都须从严掌握；3、此外应考虑经济核算，节约粮食，注意培养基的碳氮平衡等。,.,菌体浓度：单位体积中菌体的含量。反映了菌体的量反映了所处的发酵阶段菌体浓度主要取决与菌体的生长速率菌种环境条件,第五节菌体浓度对发酵的影响,.,菌体浓度对发酵的影响,初级代谢产物：多多益善受氧限制次级代谢产物：有一定的范围临界菌体浓度摄氧速率与传氧速率相平衡时的菌体浓度,.,菌体浓度控制方法,1、培养基成分2、补料,.,测定菌体生长量的方法？,.,1、直接法：,测体积、称干重,.,2、间接法,比浊法：可用分光光度法对无色的微生物悬浮液进行测定或用带有侧臂的三角烧瓶作原位测定。生理指标法：测含氮量法，一般细菌的含氮量为其干重的12.5%，酵母菌为7.5%，霉菌为6.5%，含氮量乘以6.25即为粗蛋白含量。C、P、DNA、RNA、ATP、DAP（二氨基庚二酸）、几丁质或N乙酰胞壁酸等含量的；产酸、产气、耗氧、粘度和产热等指标，有时也应用于生长量的测定。,.,比浊法,.,第七节基质对发酵的影响,1、碳源对发酵的影响及控制快速利用的碳源缓慢利用的碳源,.,2、氮源对发酵的影响及控制无机氮源：氨水、氨盐有机氮源：尿素、蛋白质快速利用的氮源：NH3、玉米浆缓慢利用的氮源：黄豆饼粉、花生饼粉、鱼粉等,.,3、磷酸盐浓度的控制亚适量生长浓度：0.32300mmol/L次级代谢