lecture 7 Fermentation controll(1).ppt

1、Lecture 7Fermentation process control,发酵的定义,Fermentation 原本指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。 现在从广义将发酵看作是微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经特定的代谢转变成所需产物的过程。,发酵工艺,手艺？,繁琐劳动？,高技术？,艺术？,发酵工艺,控制发酵，让微生物的活动按照人的意志转移？,Networks,发酵过程控制是发酵的重要部分 控制难点：过程的不确定性和参数的非线性 同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同批次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响因素是复杂的，比如设备的差别、水的差别、培养基灭菌

2、的差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程的细微差别都会引起微生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的一般方法对于控制代谢是十分必要的,发酵过程的代谢控制,发酵工艺的控制,微观调控 宏观调控 多尺度调控,分批发酵,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。 一次投料，一次接种，一次收获 间歇培养,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,初级代谢产物,初级代谢是生命细胞在生命活动过程中所进行的代谢活动，其产物为初级代谢产物。菌体的生长过程显示生长史的特征。 但在发酵过程中，即使是

3、同一种菌体，由于菌体的生理状态和培养条件的不同，各期的生长长短就有所不同。生产中要求在对数期接种原因就在此。,初级代谢没有明显的产物形成期，产物随着菌体生长在不断的进行合成，有的与菌体的生长呈平行关系。如乳酸、醋酸，与p顶峰几乎在同一时期出现，而氨基酸、酶、核酸的发酵过程比前者复杂，它的与p的大小则随培养基成分、碳源、温度、菌株等不同而变化。,次级代谢产物变化,次级代谢产物包括大多数的抗生素、生物碱和微生物毒素等物质。它们的发酵属于生长与产物非偶联的类型，一般分为菌体生长、产物合成和菌体自溶个阶段。,菌体生长阶段： 接种后，菌体开始生长，直达到菌体的临界浓度。同时，营养物质进行分解代谢，不断的

4、消耗，浓度明显减少，溶氧浓度逐渐降低到一定的水平，其中某一参数可能成为菌体生长的限制因素，使菌体生长速度减慢，积累了相当量的某些代谢中间体，原有的酶活力下降，出现了与次级代谢有关的酶，其酶解除了控制等原因，导致菌体的生理状况发生改变，菌体就从生长阶段转入产物合成阶段。 这一阶段又称为菌体的生长期或发酵前期。,产物合成阶段： 产物数量逐渐增多，直至达到高峰，生产速率也达到最大，直至产物合成能力衰减。此阶段，营养物质不断被消耗，产物不断被合成。环境因素很重要，发酵条件应严格控制，方有利于产物合成。 营养物质过多，菌体就进行生长繁殖，抑制产物合成，使产物量降低；如果过少，菌体就衰老，产物合成能力就下

5、降，产量减少。 这一阶段又称为产物分泌期或发酵中期。,菌体自溶阶段： 菌体衰老，细胞开始自溶，氨氮含量增加，p上升，产物合成能力衰退，生产速率下降，此时应必须结束发酵，否则，影响产品的提取。 这一阶段又称为菌体的自溶期或发酵后期。,分批发酵的优缺点：,操作简单、周期短 染菌的机会减少 生产过程、产品质量易掌握 不适用于测定过程动力学 对基质浓度敏感的产物，用分批发酵不合适,补料分批发酵,一种介于分批培养和连续培养之间的操作方式。 在进行分批培养的过程中，向反应器内加入培养基的一种或多种成分，以达到延长生产期和控制培养过程的目的。 没有输出或间歇放掉部分发酵液（半连续发酵）,补料分批发酵与传统分

6、批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点： 1）可解除底物抑制，产物的反馈抑制和快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧的矛盾； 2）可降低培养基的黏度，并尽可能地延长产物的形成时间。 3）避免培养基积累有毒代谢物。 与连续发酵相比，补料分批发酵不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问题。,不足：,1）放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体； 2）定期补充和带放使发酵液稀释，送去提取的发酵液体积更大； 3）发酵液被稀释后可能产生更多的代谢有害物，最终限制发酵产物的合成； 4）一些经代谢产生的前体可能丢失； 5）有

7、利于非产生菌突变株的生长,连续发酵,连续培养或连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，使培养系统内培养液的液量维持恒定的微生物培养方式。,连续培养,优点：控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，得到高的产量。由于D，通过改变稀释速率可以比较容易的研究菌生长的动力学,缺点：菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增加。,分批、连续、补料操作方式的比较,发酵过程研究的方法,单因子实验：对实验中要考察的因子逐个进行试验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验 优点：一次可以进行多种条件的实验，可以在较快时间内得到的

8、结果。 缺点：如果考察的条件多，实验时间会比较长各因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性,数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、均匀设计、响应面设计。 优点：同时进行多因子试验。用少量的实验，经过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，大大提高了实验效率。 缺点：但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存在较大的误差就会得出错误的结果。,发酵过程研究的方法,初级层次的研究： 一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最适温度、最适pH等要求。 摇瓶研究的优

9、点是工作量大，可以一次试验几十种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较高的效率。,发酵工程研究的层次,代谢及工程参数层次研究： 一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数，以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以得到的代谢情况比较可信。,发酵工程研究的层次,生产规模放大： 在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优化条件在大型反应器上得以实现,达到产业化的实现。 一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速率是不同的，原因可能

10、是，罐的深度造成氧的溶解度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同所致。,发酵工程研究的层次,发酵过程的中间分析,发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛。 这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等。,发酵过程控制参数：物理参数,发酵过程控制参数：化学参数,发酵过程控制参数：生物参数,比生产速率（） 摄氧率（OUR） CO2释放速率（CER） 呼吸熵（RQ） 氧得率系数（YX/O） 氧体积传质速率（KL） 基质消耗速率（QS） 产物合成速率（QV）,发酵过程控制参数:间接状态参数,小型发酵罐,常用发酵参数控制,温度 Temperature 氧气（溶解氧）Dissolved oxygen pH 二氧化碳 Carbon dioxide 基质浓度 Substrate concentration 泡沫 Foam,控制面板,蠕动泵,补料瓶,搅拌电机,溶氧电极,pH电极,保温夹套,补料口,温度电极,7L 发酵罐,接口,空气流量计,搅拌桨,冷却盘管,气体分布器,接种口,电极插孔,补料口