提高发酵产率与速度的方法

专题报告专题名称：提高发酵产率与速度的方法年级：专业班级：姓名：

微生物反应动力学研究各种过程变量在活细胞作用下变化的规律，以及各种反应条件对这些过程变量变化速度的影响。必须注意，微生物反应动力学研究的对象既然时运动着的物质，就不能单纯地用传统的静态变量如质量、溶氧量、菌体量等等进行描述，而必须涉及到许多动态变量，如细胞比生长率、基质比消耗率、CO比生成率、产物比生产率等等。这些动态变量一般不能直接测量，只能根据动力学方程式间接估计。发酵过程的传统控制方法，是凭经验对一些静态变量如pH、溶氧、残余基质浓度等按设定点进行孤立控制，它没有系统考虑各变量之间的内在联系，也未能反映发酵过程的动态特性，因而带有很大的局限性和盲目性。要对发酵过程进行优化控制，必须了解达到高产所必须具备的生产菌株生长状态（生长速率、形态、浓度等），相应的基质和氧的需要率，以及各种发酵条件对这种生长状态和需要量的影响。由于发酵动力学是关于微生物生长率、基质和氧消耗率、产物合成率等动态变量之间关系以及它们与发酵条件之间关系的学问，因而掌握这些学问，就能更加系统（而不是孤立）、有效（而不是盲目）的驾驭这些发酵条件和动态变量，发酵过程的控制问题也就应刃而解了。按发酵动力学原理对发酵过程进行优化控制，涉及到许许多多数据的采集、处理、综合、运算和参数估计，并要求具有实时性，这对于常规检测和控制手段来说是不可能做到的，必须采用在线检测技术和过程控制计算机。反过来，实施计算机系统对发酵过程的参数估计与动态优化控制，也必须以能够描述各变量变化速率之间关系的动力学方程（即数学模型）为基础。通过对发酵过程的知识的学习和资料的阅读，影响发酵产率及速度有以下因素：,发酵罐的温度酵罐,发酵罐的温度酵罐温度对细胞体内各种代谢影响很大，故对细胞的生长繁殖速率作用很大，有利于提高提高发酵产率与速度。温度一方面是培养条件，也可认为是细胞本身特性（相对细胞对最佳温度的选择而言），一般动物细胞的培养温度为34〜37°C，植物细胞培养温度最普遍为28C左右。表3-4微生物生长的温度范围种类最适温度/C最高耐受温度/C范例低温菌10〜2025〜30发光细菌中温菌20〜4040〜45一般霉菌、放线菌、酵母、杆菌等高温菌50〜6070〜80嗜热脂肪芽孢杆菌当细胞培养温度偏离最佳生长温度时，细胞的生长速率与温度有较大关系，随着温度的升高，生长速率增大；当温度超出一定范围时，由于蛋白质等细胞结构物质变性而导致生长速率急速下降。甚至死亡。

二.PH值pH是培养过程的重要参数。对于微生物，能进行生长的pH值范围大约3〜4个pH值单位，最适pH值范围为1〜2个pH值单位。氧传递过程氧是微生物生长、产物合成所必需的，特别是在高发酵单位的生产中，氧的供需矛盾比较突出。供氧的制约因素主要是搅拌转速和空气流量，其中，搅拌转速的影响远大于空气流量的影响。1982年Rol探讨了溶解氧浓度对菌体生长率和产物浓度的影响。从他的研究结果中可看出，甚至在空气饱和度为10%的低溶氧浓度时，比生长速率和菌体产率仍是正常的，从而使搅拌和通气的能耗大大减少［21］；1984年Houwink通过研究谷氨酸产生菌的生长模型和溶解氧的消耗模型，确定了临界溶解氧。愚信的屿递过程营养物质营养物质的种类、浓度都会影响细胞的比生长速率。在指数生长期，虽然基质浓度在发生变化，但比生长速率保持不变。当某种基质浓度下降到一定程度，成为限制性基质时，比生长速率下降，指数生长阶段结束。Monod关系式中p与S的关系图见下图：细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系当S>100Ks时，p接近于虬，只有当S<l°0Ks时，p才随S发生明显的变化。微生物的K一般都很低，所以在分批培养时，尽管由于细胞的生长，基质浓度会不断下降：但在一般时间内比生长速率还是接近pm，保持指数生长。培养方法的选择 "单级连续发酵的设计原则：对于正确设计一种连续发酵方案，重要的是选择适宜的稀释度D，为此必须了解产率Yx/s，生长比速率四，最大比生长速率pm、饱和常数Ks、产物形成速率以及营养消耗速率等。ES。(l+a)Fsjc—l 连续如离器浓细胞液ex多级连续培养动力学：把几个生物反应器串联起来，同一反应时间内，不断地将前一反应器的出料作为下一反应器的进料，反应器体积可以一级比一级大，也可以相同，组成了多级连续系统。ICMQ多级连续培养示意图连续发酵的优点：(1)有利于缩短发酵周期，提高劳动生产率。连续发酵减少分批发酵中的清洗、投料、消毒等辅助时间，大大缩短发酵周期和提高设备利用率。同时连续培养过程始终使细胞生长处于最高生长繁殖状态，因此可明显提高生产效率，特别是对生产周期短的产品，效果更为显著。连续发酵生产过程比较稳定、均衡，各项参数也较恒定，便于自动化控制，产品质量稳定。由于连续发酵采用管道化和自动化生严，明显降低劳动强度。酶的选择微生物的生长需要酶，生化反应也需要酶的催化。表1.1■»的席田值”】嗨基质新萄糖氧化酶D-荀萄糖发酵动力学其他参数 体积生产率或称单位发酵罐生产能力：系指单位容积(m发酵动力学其他参数 体积生产率或称单位发酵罐生产能力：系指单位容积(m3)发酵罐每小时合成产物的能力，它表示单位容积发酵设备合成产物的速度；产物为菌体细胞时，体积生产率等于〃x。这个参数在发酵工业生产上更为直观和方便，因为它不是以细胞浓度而以发酵液体积为基础进行比较的。 发酵周期：实验室中是指接种开始至培养结束放罐这段时间。但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌、