发酵工程教学设计

学习必备--欢迎下载《发酵工程》教学设计内容：第九章第一节氧的供需及对发酵的影响第九章第二节发酵过程的pH控制一教学目标：1、了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念。2、掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定。3、深入理解Kla的意义，了解反应器放大的基本概念。4、掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控溶氧浓度的意义。5、发酵过程pH变化的原因是：基质代谢、产物形成、生理酸碱性物质的代谢。6、pH影响发酵的机理。7、发酵过程pH控制包括静态控制和动态控制。静态控制就是确定最适pH条件，动态控制就是对过程的pH变化进行调控。8、发酵过程调节pH的方法，原则是：在调节pH与补料没有矛盾的情况下用补料调节pH，否则用酸碱调节。二教学重点和难点1、教学重点：了解微生物对氧的需求并掌握一些基本概念；掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法；了解发酵过程pH变化的原因及pH对发酵的影响；掌握发酵过程中调控pH的方法。2、教学难点：理解Kla的意义及反应器中氧的传递及平衡；掌握发酵过程中调控pH的方法。三课时安排：3课时四教学方法：讲授法五教学内容1氧的供需及对发酵的影响溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往最易成为控制因素。28℃时氧在发酵液中的100%的空气饱和浓度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100%空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。微生物对氧的需求学习必备--欢迎下载描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位质量的细胞所消耗的氧气，mmolO2•g菌-1m-1摄氧率（r）：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmolO2-L-1-h-1。r=QO2.X溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响临界溶氧浓度（C&：指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。氧饱和度=发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度。溶解氧浓度对菌体生长速率的关系QO2：比耗氧速度或呼吸强度 CCr:临界溶氧浓度 CL：发酵液中氧的浓度CL>Ccr,QO2保持恒定；CL<Ccr,QO2大大下降。所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.影响需氧的因素菌体浓度QO2影响QO2的因素：遗传因素、菌龄、营养的成分与浓度、有害物质的积累、培养条件菌龄的影响:一般幼龄菌QO2大，晚龄菌QO2小培养基的成分和浓度：不同碳源的耗氧速率：油脂或烃类〉葡萄糖〉蔗糖〉乳糖培养基浓度：浓度大,QO2f;浓度小,QO2；发酵条件的影响：pH值一通过酶活来影响耗氧特征；温度一通过酶活及溶氧来影响耗氧特征：Tf,DO2；代谢类型（发酵类型）的影响：若产物通过TCA循环获取，则QO2高，耗氧量大若产物通过EMP途径获取，则QO2低，耗氧量小反应器中氧的传递

学习必备--欢迎下载1.2.1发酵液中氧的传递方程N=k(P—P)学习必备--欢迎下载1.2.1发酵液中氧的传递方程N=k(P—P)=kJc—c)N：传氧速率kmol/m2.hkg:气膜传质系数kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数m/h1.2.1.2N=Kl(c*-c)C*=P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度Kl:以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)1.2.1.3 令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为a(m2/m3)Nv=Ka(c*-c

INv：体积传氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-11.2.2发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中:传递:Nv=Ka(c*-c)消耗:r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面1.2.3供氧的调节Nv=Ka(c*-c)iC有一定的工艺要求，所以可以通过Kla和C*来调节，其中C*=P/H所以，影响Nv的因素有：P、H、Kla根据亨利定律，与溶解浓度达到平衡的气体分压与该气体被溶解的分子分数成正比，即P=H/C*。H为亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程度，与气体、溶剂种类及温度有关。因此，可以通过控制温度、溶质、溶剂、氧分压来调节Nv调节Kla是最常用的方法，Kla反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。影响Kla的因素Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。影响摇瓶Kla的因素装液量：一般取摇瓶1/10左右摇瓶机：往复，频率80-120分/次，振幅8cm；旋转，偏心距25、12，转速250rpm。

学习必备--欢迎下载学习必备--欢迎下载影响发酵罐中Kla的因素理论上：提高n、d通气量，KlaT实际上：对于转速的调节有时是有限度的、通风的增加也是有限的（通风增大，蒸发量大，中间挥发性代谢产物带走），所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的。发量大，中间挥发性代谢产物带走），所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的。通气、搅拌的关联对Kla的影响：当通气量超过一定上限时，搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中去，而在大量气泡中空转，发生“过载〃现象，此时搅拌功率PG会大大下降,Kla也会大大下降。只有QT,NT同时提高，PG才不会大大下降，Klafo小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点小型发酵罐，转速可调；大型发酵罐，转速往往不可调影响Kla的其它因素：空气分布器、液体的粘度、氧载体溶氧浓度的变化及其控制1.4.1典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定Kla下）:1.4.1典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定Kla下）:1.4.2发酵过程中溶氧的控制一般有一个低谷，在对数生长的末期发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。溶氧控制的实例：谷氨酸发酵的溶氧控制。一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一定要把握好。发酵过程中溶氧浓度监控的意义考察工艺控制是否满足要求；其它异常情况的表征（染菌、噬菌体、设备和操作故障）;间接控制的措施;溶解氧控制的意义溶解氧浓度对细胞生长和产物合成的影响可能是不同的，所以须了解长菌阶段和代谢产物形成阶段的最适需氧量；氧传递速率已成为许多好气性发酵产量的限制因素；目前，在发酵工业上氧的利用率很低，因此提高传氧效率，就能大大降低空气消耗量，从而降低设备费和学习必备--欢迎下载动力消耗，且减少泡沫形成和染菌的机会大大提高设备利用率。2发酵过程的pH控制pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，所以是十分重要的参数。发酵过程中pH是不断变化的，通过观察pH变化规律可以了解发酵的正常与否。发酵过程pH变化的原因基质代谢糖代谢 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。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。生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降。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。菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。pH对发酵的影响221PH对发酵的影响实例：pH对林可霉素发酵的影响林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上，阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵66小时pH达7.93,以后维持在8.0以上至115小时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3,调节这一段的pH值至7.0222PH对发酵的影响 不调pH 调pHpH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对学习必备--欢迎下载营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用pH影响代谢方向pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在pH2~3时发酵产生柠檬酸，在pH近中性时，则产生草酸。谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响pH对菌体生长影响比产物合成影响小。例如青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0，产物合成最适pH7.2~7.4。四环素：菌体生长最适pH6.0~6.8，产物合成最适pH5.8-6.0o最佳pH的确定配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况，从而确定最佳pH值。2.3pH的控制调节好基础料的pH。基础料中若含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH。若要控制消后pH在6.0,消前pH往往要调到6.5~6.8。在基础料中加入维持pH的物质，如CaCO3，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等。通过补料调节pH酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH。例如调节补糖速率，调节空气流量来调节pH；当NH2-N低，pH低时补氨水；当NH2-N低，pH高时补(NH4)2SO4。当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH不同调pH方法的影响发酵的不同阶段采取不同的pH值pH控制是一项非常细致的工作，不仅