发酵工艺的过程控制课件

第四章发酵工艺控制

第一节发酵生产方法的类型

发酵过程状态：1、间歇：（1）培养基加入和发酵液放出是一致的；（2）发酵一次一次进行。2、连续：（1）培养液加入到放出是连续的；（2）培养罐中处于稳定状态。3、半连续发酵：培养基连续加入发酵液分批或分别放出I→II→III整个系统培养液连续加入，但各罐的发酵液分别放出。第二节发酵过程的动力学类型反应化学因素则化学反应动力学酶→酶反应动力学发酵：1、速度：表征是什么？几个表征间关系；2、影响因素：其如何影响，怎样控制这些因素现主要讨论第1个问题将培养基灭菌，加入菌种，在一定容器中发酵，将其动态变化画成曲线，此为发酵曲线图所以影响因素为：

a基质中糖或碳源

b菌种c产物从此三个因素分析发酵速度。发酵曲线图从此三个因素分析发酵速度。所以研究发酵速度就是研究1．碳源利用速度

2．菌生长速度

3．产物形成速度

4．上述三者之间关系根据以上四个条件将所有发酵过程分为三大类型发酵过程分为三大类型（一）类型I

（一）类型I

1、特点①菌生长比速度µC、µP都有一个高峰②三者的高峰同时出现，三者基本平行③产物的量和碳源利用量有一定的化学剂量关系可进行理论计算。2、产物类型此一类型产物主要有两大类：①菌体产量常数在一定条件下，用一定菌体产量常数相对稳定。故知产量常数可控制流加糖的量，还可利用产量常数检查，发酵条件的控制是否合适。②代谢产物：酵母的酒精发酵、乳酸发酵另部分次级代谢产物也属此型，但大多数属类型III③次级代谢产物，杆菌肽、氯霉素。（一）类型I乳酸发酵（一）类型I乳酸发酵（一））类型型I杆菌肽肽发酵酵（二））类型型II（二））类型型II1特点：：①分成成两个个时期期：菌菌体生生长和和产物物形成成在不不同时时期，，分别别在菌菌生长长期产产物形形成期期。②碳源源利用用的比比速度度有两两个高高峰，，分别别在两两个时时期，，第一一个高高峰用用于菌菌体生生长，，第二二个高高峰用用于产产物合合成（（在产产物形形成期期可能能还有有菌体体第二二次生生长））。③碳源源利用用和产产物形形成无无明确确的化化学剂剂量关关系，，但还还是有有一定定关系系的。。2、产物物类型型①有中中间产产物积积累：：产物在在合成成过程程中先先积累累一定定产物物，再再由中中间产产物转转化为为最终终产物物。如如丙酮酮丁醇醇发醇醇，丙丙酮丁丁醇发发酵分分为三三个时时期。。增酸期期：0~18h有机酸酸大量量积累累，菌菌体大大量生生长产产物物溶剂剂形成成少减酸期期：18~40h菌体长长到最最大期期，溶溶剂就就大量量形成成，培培养液液中pH值上升升后发酵酵：40~72h菌体不不增长长，甚甚至有有些下下降，，溶剂剂增长长到最最大值值，酸酸降低低到最最小值值。②无中中间产产物积积累如：延延胡索索酸发发酵用用黑黑根霉霉谷氨酸酸发酵酵用用棒棒状杆杆菌柠檬酸酸发酵酵用用黑黑曲霉霉土霉素素发酵酵金金色色链霉霉菌（（四环环类抗抗生等等）土霉素素生产产因其其菌生生长，，C利用有有两个个高峰峰而划划入Ⅱ型，产产物产产量较较高。。（三））类型型Ⅲ（三））类型型Ⅲ1.特点：：①分成成两个个时期期，但但产物物形成成比类类型Ⅱ早，在在菌体体接近近或达达到最最大值值时，，产物物开始始生长长。②菌体体生长长和碳碳源利利用没没有第第二个个高峰峰。③产物物的形形成和和碳源源利用用无量量上的的关系系，都都是属属于次次级代代谢产产物，，产物物量占占发酵酵液中中的0.1~2%。链霉素素发酵酵(用灰色色链霉霉菌生生产)2、产物物类型型:分为三三种类类型，，知道道发酵酵的类类型①将预预知某某个发发酵将将按什什么情情况进进展②可作作为发发酵的的中间间控制制的理理论基基础，，在实实践上上指导导生产产监督督生产产，如如控制制流加加糖。。根据据菌体体生产产和产产物形形成是是否同同步的的，可可控制制不同同的发发酵条条件，，如Ⅱ、Ⅲ型可在在不同同时期期，为为不同同目的的（菌菌体或或产物物），，控制制不同同发酵酵条件件，从从营养养上说说，生生长的的营养养条件件和产产物的的营养养条件件有区区别。。③在连连续发发酵的的设计计上，，类型型Ⅰ可用单单级，，如为为类型型Ⅱ、Ⅲ就要采采用二二级以以上的的连续续发酵酵，使使菌体体生长长和产产物形形成都都得到到保证证。（三））类型型Ⅲ链霉素素发酵酵（用用灰色色链霉霉素生生产））第三节节连连续发发酵动动力学学一、控控制方方法1、恒浊浊法：：根据培培养液液的浊浊度与与菌的的浓度度成正正，比比通过过一种种仪器器（如如光电电效应应）控控制菌菌的流流量，，使菌菌的浓浓度保保持一一致，，在此此培养养基的的各种种养料料是充充足过过量的的，菌菌都在在最大大生长长速度度，菌菌浓度度被控控制，，适用用于动动力学学类型型Ⅰ。2、恒化化法：：培养基基中有有一种种可限限制菌菌的生生长速速度，，此为为限制制性基基质，，如培培养基基中糖糖的含含量很很低，，还可可用氨氨基酸酸，无无机氮氮等而而别的的成分分不是是过量量的，，培养养基的的流量量一定定，这这种方方法，，菌的的生长长速度度不是是在最最大生生长速速度，，以此此控制制菌的的浓度度一定定，采采用这这种方方法适适于动动力学学Ⅱ、Ⅲ型。二、动动力学学下面以以多罐罐，开开放式式（相相对于于菌体体截留留的密密闭式式）混混合均均匀为为例F流量L/hX菌浓度度g/LS基质浓浓度g/LP产物浓浓度g/L每一罐罐流量量一样样为F要保持持连续续发酵酵系统统的稳稳定1.菌的情情况流流入入量十十生长长菌量量=流出菌菌量即即：：3、对基基质情情况同理Yx/s为以消消耗基基质基基准的的菌生生长得得率常常数。。将其代代(3-6)对单级级罐而而言根据Michadis--mentem公式饱和常常数,为1/2时基质质浓度度为最大大比生生长速速率Monod公式三、连连续发发酵优优点：：1、提高高了生生产率率，一一般至至少几几倍至至十多多倍。。原因①提高了了发醇醇罐的的利用用率，，其表表示用用两种种：生产单单位重重量的的产品品每日日所需需发醇醇罐的的立方方米。。或单位位积的的发醇醇罐每每日生生产的的产品品重量量。②便于管管理控控制由于上上面原原因，，生产产成本本大大大降低低，水水、电电、气气平衡衡易于于控制制。四、存存在的的问题题1、理论论上：：菌体体生长长与产产物形形成的的关系系，最适D、最适适菌浓浓度的的掌握握理论论上的的推导导不完全符符合实实际生生产。。2、退化化与变变异：：连续续发酵酵时间间越长长越好好，但许多多菌会会发生生退化化，表表现在在生产产能力力上退退化，合合成产产物上上发生生变换换。解解决方方法，，更换换菌种或或种子子。3、染菌菌问题题：要要解决决之，，对设设备严严密度度、无无菌操操作严格，，及好好气气气体供供给。。4、均匀匀度：：与输输送能能否顺顺利进进行，，主要要是丝丝状菌菌。第四节节温温度度对发发酵的的影响响及其其控制制温度是是保证证酶活活性的的重要要条件件，因因此在在发酵酵系统统中，，必须须保证证稳定定而合合适的的温度度环境境。一、影影响发发酵温温度的的因素素。（1）产热热因素素：生生物热热和搅搅拌热热。（2）散热热因素素：蒸蒸发热热和辐辐射热热。发酵热热就是是发酵酵过程程中释释放出出来的的净热热量。。①生物物热：：定义：生物物热是是生产产菌在在生长长繁殖殖时产产生的的大量量热量量。培培养基基中碳碳水化化合物物，脂脂肪，，蛋白白质等等物质质被分分解为为CO2,NH3时释放放出的的大量量能量量。用途：合成成高能能化合合物，，供微微生物物生命命代谢谢活动动，热热能散散发。。影响生生物热热的因因素：生物物热随随菌株株，培培养基基，发发酵时时期的的不同同而不不同。。一般般，菌菌株对对营养养物质质利用用的速速率越越大，，培养养基成成分越越丰富富，生生物热热也就就越大大。发发酵旺旺盛期期的生生物热热大于于其他他时间间的生生物热热。生生物热热的大大小还还与菌菌体的的呼吸吸强度度有对对应关关系。。实验发发现抗抗生素素高产产量批批号的的生物物热高高于低低产量量批号号的生生物热热。说说明抗抗生素素合成成时微微生物物的新新陈代代谢十十分旺旺盛。。发酵过过程中中生物物热的的变化化在四环环素发发酵中中，还还发现现生物物热和和菌的的呼吸吸强度度的变变化有有对应应关系系，特特别是是在80小时以以前。。从此此实验验中还还可看看到，，当产产生的的生物物热达达到高高峰时时，糖糖的利利用速速度也也最大大。另另外也也有人人提出出，可可从菌菌体的的耗氧氧率来来衡量量生物物热的的大小小。四环素素生物物合成成过程程中系系列参参数的的动态态变化化过程程1：效效价价；；2：呼呼吸吸强强度度；；3：生生物物热热；；4：糖糖浓浓度度②搅搅拌拌热热定义义：通通风风发发酵酵都都有有大大功功率率搅搅拌拌，，搅搅拌拌的的机机械械运运动动造造成成液液体体之之间间，，液液体体与与设设备备之之间间的的摩摩擦擦而而产产生生的的热热。。搅拌拌热热的的计计算算：Q搅拌拌=3600（P/V）式中中3600：热热功功当当量量（（kJ/（kW.h）））（P/V）：：通通气气条条件件下下单单位位体体积积发发酵酵液液所所消消耗耗的的功功率率（（kW/m3）③蒸蒸发发热热定义义：通通入入发发酵酵罐罐的的空空气气，，其其温温度度和和湿湿度度随随季季节节及及控控制制条条件件的的不不同同而而有有所所变变化化。。空空气气进进入入发发酵酵罐罐后后，，就就和和发发酵酵液液广广泛泛接接触触进进行行热热交交换换。。同同时时必必然然会会引引起起水水分分的的蒸蒸发发；；蒸蒸发发所所需需的的热热量量即即为为蒸蒸发发热热。。蒸发发热热的的计计算算：Q蒸发发=G（I2-I1）式中中G：空空气气流流量量，，按按干干重重计计算算，，kg/hI2、I1：进进出出发发酵酵罐罐的的空空气气的的热热焓焓量量，，J/kg（干干空空气气））（4）辐辐射射热热定义义：由由于于发发酵酵罐罐内内外外温温度度差差，，通通过过罐罐体体向向外外辐辐射射的的热热量量。。辐射射热热的的计计算算：辐辐射射热热可可通通过过罐罐内内外外的的温温差差求求得得，，一一般般不不超超过过发发酵酵热热的的5%。3，发发酵酵热热的的测测定定（1）通通过过测测定定一一定定时时间间内内冷冷却却水水的的流流量量和和冷冷却却水水进进出出口口温温度度，，由由下下式式求求得得这这段段时时间间内内的的发发酵酵热热。。（2）通通过过罐罐温温的的自自动动控控制制，，先先使使罐罐温温达达到到恒恒定定，，再再关关闭闭自自控控装装置置测测得得温温度度随随时时间间上上升升的的速速率率S，按按下下式式可可求求得得发发酵酵热热：：二、、温温度度对对微微生生物物影影响响。。分为为嗜嗜冷冷菌菌，，嗜嗜中中温温菌菌，，嗜嗜热热菌菌生长长活活化化能能25~33104KJ/mol小于于死死亡亡的的活活化化能能104~122KJ/mol∴死亡亡速速率率比比生生产产速速度度对对温温度度更更敏敏感感三、、温温度度对对发发醇醇影影响响温度度低低，，反反应应速速度度低低，，周周期期长长温度度高高，，反反应应速速度度快快，，但但菌菌易易衰衰老老，，影影响响产产量量。。菌合合成成与与产产物物合合成成温温度度要要求求不不同同。。温度度通通过过以以下下方方式式影影响响发发酵酵过过程程（1）影影响响各各种种酶酶的的反反应应速速率率和和蛋蛋白白质质性性质质（2）影影响响发发酵酵液液的的物物理理性性质质（3）影影响响生生物物合合成成的的方方向向。。例如如，，四四环环素素发发酵酵中中金金色色链链霉霉菌菌同同时时能能产产生生金金霉霉素素。。在在低低于于30℃℃温度度下下，，该该菌菌种种合合成成金金霉霉素素能能力力较较强强。。当当温温度度提提高高，，合合成成四四环环素素的的比比例例也也提提高高。。在在温温度度达达35℃℃则只只产产生生四四环环素素而而金金霉霉素素合合成成几几乎乎停停止止。。发酵酵过过程程中中，，微微生生物物生生长长速速率率变变化化dX/dt=μμX-ααX式中中μ：比比生生长长速速率率α：比比死死亡亡速速率率当处处于于生生长长状状态态时时，，μ>>αα，α可忽忽略略。。μ与α与温温度度有有关关根据据Arrenhnius公式式μ=Ae-E/RTα=A’’e-E’’/RT通常常E’’大于于E，所所以以α比μ对温温度度变变化化更更为为敏敏感感。。例：：青青霉霉菌菌生生产产青青霉霉素素青霉霉菌菌生生长长活活化化能能E=34kJ/mol青霉霉素素合合成成活活化化能能E=112kJ/mol青霉霉素素合合成成速速率率对对温温度度较较敏敏感感，，温温度度控控制制相相当当重重要要。。五、、最最适适温温度度的的确确定定在发发酵酵过过程程中中，，最最适适温温度度是是一一种种相相对对概概念念，，是是指指在在该该温温度度下下最最适适于于菌菌的的生生长长或或发发酵酵产产物物的的生生成成。。最最适适发发酵酵温温度度与与菌菌种种，，培培养养基基成成分分，，培培养养条条件件和和菌菌体体生生长长阶阶段段有有关关。。最适适发发酵酵温温度度的的选选择择：：在在发发酵酵的的整整个个周周期期内内仅仅选选一一个个最最适适培培养养温温度度不不一一定定好好。。温温度度的的选选择择要要参参考考其其它它发发酵酵条条件件。。温温度度的的选选择择还还应应考考虑虑培培养养基基成成分分和和浓浓度度六、、温温度度的的控控制制发酵酵罐罐：：夹夹套套（（10M3以下下））盘管（蛇蛇管）（（10M3以上）第五节微微生物物的耗氧氧与氧的的供给∴谷氨酸发发醇氧供供应要适适量——合理供氧氧一、微生生物的需需氧量，，即微生生物的耗耗氧量，，Oxypenconsumcd微生的耗耗氧量用用：1、耗氧速速率来表表示单位体积积的培养养液在单单位时间间的耗氧氧量叫耗耗氧速率率（r）单位毫毫摩分子子/升·小时mM/l·h耗氧速率率与培养养液中微微生物的的呼吸强强度和细细胞浓度度有关R=QO2*CCQO2－－－g/lCC－－－mM/hl呼吸强度度与菌特特性有关关如青霉素素菌4.2mM/hl链霉菌4.0mM/hl9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。20:39:5220:39:5220:3912/28/20228:39:52PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2220:39:5220:39Dec-2228-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。20:39:5220:39:5220:39Wednesday,December28,202213、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。12月-2212月-2220:39:5220:39:52December28,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。28十二月月20228:39:52下午20:39:5212月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月228:39下下午12月-2220:39December28,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2820:39:5220:39:5228December202217、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。8:39:52下午8:39下下午20:39:5212月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。20:39:5220:39:5220:3912/28/20228:39:52PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2220:39:5220:39Dec-2228-Dec-2212、世间成成事，不不求其绝绝对圆满满，留一一份不足足，可得得无限完完美。。。20:39:5220:39:5220:39Wednesday,December28,202213、不知香香积寺，，数里入入云峰。。。12月-2212月-2220:39:5220:39:52December28,202214、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。28十二二月20228:39:52下下午20:39:5212月-2