发酵工艺 课件 项目五 发酵生产工艺过程控制

项目五

发酵生产工艺过程控制发酵工艺1项目五发酵生产工艺过程控制一、发酵过程相关参数二、温度对发酵过程影响与控制三、pH对发酵过程影响与控制四、溶氧对发酵过程影响与控制五、泡沫对发酵过程影响与控制六、基质浓度等对发酵过程影响与控制2一、发酵过程相关参数（一）物理参数1.温度：不同的菌种，不同产品，发酵不同阶段所维持的温

度亦不同。2.罐压：罐压一般维持在0.02～0.05MPa。3.搅拌转速：控制搅拌转速以调节溶氧。以每分钟的转数表示。4.搅拌功率：常指每立方米发酵液所消耗的功率(kW／m3)。35.空气流量：每分钟内每单位体积发酵液通入空气的体积，也叫通风比。一般控制在0.5～1.0L／(L·min)。6.溶氧浓度（DO值，简称溶氧）：一般用绝对含量(mg／L)来表示，有时也用在相同条件下氧在培养液中饱和度的百分数(％)来表示。7.表观黏度：细胞生长或细胞形态的一项标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况，通常用表观黏度表示之。4（二）化学参数1.基质浓度：定时测定糖(还原糖和总糖)、氮(氨基氮或铵氮)等基质的浓度。2.pH值：显示发酵过程中各种生化反应的综合结果。3.DNA：反应菌体生长情况。5（三）生物参数1．菌丝形态：衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期长短的依据之一。2．菌体干重：决定补料量和供氧量。3．菌体比生长速率：单位时间内单位质量菌体所增加的重量。4．氧比消耗速率5．糖比消耗速率6．氮比消耗速率6二、温度对发酵过程影响与控制

71、温度影响微生物生长的机理

(1)影响酶活性。

(2)影响细胞膜的流动性。

(3)影响物质的溶解度。2.影响产物合成：(1)影响产物生成速度(2)影响发酵液性质(3)影响产物种类a.改变体内酶系→中间产物种类→产物种类;b.使代谢比例失调；(4)影响产物特性

83、影响温度变化的因素9

Q发酵

=Q生物

+Q搅拌

-Q蒸发

-Q辐射-Q显4、温度的控制针对所用菌种的特性，在发酵周期的各阶段需要进行温度控制，提供该阶段微生物活动的最适温度。温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。10（一）pH对发酵的影响1．影响酶的活性，及微生物的生长繁殖及产物的形成；2．影响细胞膜电荷状态及通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排出；3．影响培养基某些组分和中间代谢产物的解离，从而对产物形成产生影响；4．影响某些生物合成途径的方向，使最终产物的合成量发生改变。三、pH对发酵过程影响与控制11（二）引起pH值变化的因素1．微生物的自我调节能力，但这种能力是有限的；

2．培养基的组分及营养物质的代谢；

3．培养条件的改变；

4．菌体自溶：

pH上升。5．杂菌污染。

12（三）发酵过程中pH值的调节及控制1.发酵pH值的确定（范围，时间）一般是在5～8之间。随菌种和产品不同而不同。同一菌种，生长最适pH值可能与产物合成的最适pH值是不一样的。随发酵的不同阶段而不同。要分别控制，使产量最大。132、控制和调节发酵液pH的方法（1）选择适当的培养基成分和配比；（2）加入缓冲剂，以控制培养基的pH的变化。（3）中间补料时补充调控pH。（4）直接加入酸或碱类物质加以调节，使之迅速恢复正常，也可用多加糖、油等来降低pH，或加入氨水、尿素等提高pH。14四、溶氧对发酵过程影响与控制（一）溶解氧对发酵的影响溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。（1）最适氧浓度：

——菌体生长或产物合成最适浓度范围。（2）临界氧浓度：

——满足微生物呼吸的最低氧浓度。15（二）溶氧浓度的控制溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。1.供氧方面：（1）调节搅拌转速（2）调节通气速率162.耗氧方面：（1）供氧与微生物呼吸代谢的关系微生物的吸氧量常用呼吸强度和耗氧速率两种方法来表示。呼吸强度又称氧比消耗速率，是指单位质量的干菌体在单位时间内所吸取的氧量，以QO2表示，单位为mmolO2／(g干菌体·h)。耗氧速率又称摄氧率，是指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，以r表示，单位为mmolO2／(L·h)。17（2）耗氧决定因素：

①培养基的成分；

②菌浓和菌龄；

③发酵条件。18（三）发酵过程溶氧的变化

19谷氨酸发酵时正常和异常的溶氧曲线红霉素发酵过程中溶氧和黏度的曲线（四）引起溶氧异常下降原因：①污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在较短时间内下降到零附近。②菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降；③某些设备或工艺控制发生故障或变化，也可能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。20（五）溶氧的控制（1）调节通气量：主要手段（2）调节搅拌转速：与通气量协调（3）调节罐压：罐压很低时，提高罐压，溶氧增加，但要考虑CO2的影响。21五、泡沫对发酵过程影响与控制

（一）泡沫的形成1.形成条件：气-液两相共存；表面张力大的物质存在。222.发酵过程中泡沫形成原因通气及搅拌培养基所用材料的性质培养基灭菌操作培养条件菌体浓度菌体自溶23（二）泡沫对发酵的影响1.降低生产能力在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量。2.引起原料浪费如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，造成浪费。243.影响菌的呼吸如果气泡稳定，不破碎，气泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进行交换，这样就影响了菌的呼吸。4.引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的润滑油可起点消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。5.消泡剂的加入影响提取25（三）泡沫的控制1.调整培养基中的成分(如少加或缓加易起泡的原材料)；2.改变某些物理化学参数(如pH值、温度、通气和搅拌)；3.改变发酵工艺(如分次投料)来控制，以减少泡沫形成的机会。4.采用机械消泡或化学消泡方法来消除已形成的泡沫。

26（1）机械消泡法：优点：不需外加物质；节省原材料；减少污染机会。缺点：不能从根本上消除引起泡沫稳定的原因。2728（2）化学消泡法①天然油脂：豆油、玉米油、用量大②聚醚类：GP、GPE、GPES，③高碳醇、脂肪酸和酯类：单独或与载体一起使用。④硅酮类:主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物，无色液体，不溶于水，适用于微碱性发酵，对于微酸性发酵较差。29六、基质浓度等对发酵过程影响与控制

基质是供微生物生长及生物合成产物的原料，即培养基的组分，是菌种生长代谢的物质基础，又涉及产物的合成，因此，基质的种类和浓度与发酵生产有着密切的联系。基质浓度和补料控制相辅相成，控制发酵代谢的正常进行，基质浓度是原始基础，补料则是有节制的补充，起到有效的控制作用。301.补料内容补料可根据物料的作用性质分为以下情况。（1）补充碳源和能源物质基础培养基内的碳源物质部分被消耗后，浓度会低于规定范围，这就需要添加一些经灭菌的糖类原料，如液化淀粉、糊精、怡糖、葡萄糖等。31（2）补充氮源物质适量补充酵母粉、蛋白陈、玉米浆、尿素、硫酸铵、氯化铵、磷酸铵、硝酸钠、硝酸钾等。有些产品采用通入氨水调节pH值，兼作无机氮源。

（3）补充无机盐、微量元素前体和促进剂硫酸锌、硫酸锰、氯化钻、氯化钙、碳酸钙、硫酸钠及促进剂等。在适当时期补入前体物质，以控制和加强抗生素的生物合成。322.补料的控制补料的目的和原则，就在于有节制的向接近贫乏的罐内补充营养物质，从而控制中间代谢，使之向有利于抗生素等代谢产物合成和积累的方向发展。（