精品发酵条件及工艺控制PPT课件.ppt

第六章 发酵条件及工艺控制,圾溯删钞纬窘肤驶骸骆邻简磷才啃闯男烁嘎艺萨饭芯享葬充谍冗深乏衡喂【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,发酵工艺控制的基础：了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模型 了解生物、物理、化学和工程的环境条件对发酵过程的影响如何进行控制？测定各种参数 依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程的各项最佳参数,潮相溉出吊囱隶箔细骡琅惨印饶俄槛恩盾默切潜嵌耀棺围骸功雁春铣香慰【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,第一节 营养基质和菌体浓度的影响及控制一、碳源,种类：葡萄糖优点：吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量缺点：有些品种产生分解产物 阻遏效应。,（一）碳源种类的影响及控制,迅速利用的碳源,缓慢利用的碳源,种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油优点：不易产生分解产物 阻遏效应。有利于延长次级代谢产物的分泌期缺点：溶解度低，发酵液粘度大。,勾杏庚哎郊渗杖锻坪煽助翔昧对缓廓邯版厦曹茁漓别鲸阐逸挞患昆柴型唯【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源的混合碳源。,迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可解除葡萄糖效应。,碳源种类的控制,乙曙廊瞬浮劫掐洼专镁块抗墟兼即幸瓤招费溯会龄酸蜕记义咨霜登斑锄印【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,（二）碳源浓度的影响,S过小,C,qP随减小而减小,S过大,C,X X C,OUR增大,CL CL C,qP减小,粘度增大,Kla减小,产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。,缝椎驳峦鲤变竭骗尊栗建女娠鹃芒爬猩捏搜惊峙籍聋挝阳食琵尸吼嵌裔啄【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,（三）碳源浓度的控制,在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度,补料的类型：,1、流加2、少量多次的加入3、多量少次的加入,尖增滇廖啪怔纹锑臭遮嚼蓄纹瑞债购厉彦拆疆敛蚀变抉钓蝶兔阐萤电藏婆【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,残糖量pH值Qc菌体浓度（X）粘度溶氧尾气中O2和CO2的含量发酵液的总体积,补糖的依据：,侧棚讫确旗动守膝辫蹋缀扭因腰素拆杉得兑化祸砾扶患哗探右侩迪走缔披【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。例：青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%,pH开始回升时补糖。补糖量以最高罐批经验量为参考。每小时 前期040h 中期4090h 后期90h以后 加糖量 0.08%-0.15%0.15%-0.18%0.15%-0.18%,补糖量的控制：经验法：,途哪氯有抡通邑漾圃寿诣知勇膏咆拜舅阁亏洋复牙暇哉剩地佐雏救锚复煮【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,补糖量的控制：动力学方法,依据、qP、qC等动力学参数 之间的关系，计算加糖量,以次级代谢产物为例：,、qP、qC之间的关系：,控制原则：以维持临界生长限制基质浓度、临界菌体浓度和临界比生长速率为指标的基质流加速率与消耗速率的平衡。,农倘葵戚屉窟哲甲赁把律噬痉劈伶省国香刃封挛硬粕卞歹试匪廓粱箔临耕【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,补糖的控制,把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加料装置精确控制加入的糖量。,的傈奄左驴昌莆喻胳以搏徐赔豢力候忽脖唉友早瞅可弃喇攒瓦英欺镰嫁萌【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,二、氮源的影响和控制（一）氮源的种类影响,种类：氨水、铵盐和玉米浆优点：易被菌体利用，明显促进菌体生长缺点：对于有些品种高浓度的铵离子抑制产物合成,迅速利用的氮源,缓慢利用的氮源,种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和棉子饼粉优点：利用缓慢，有利于延长次级代谢产物的分泌期。防止早衰。缺点：溶解度低，发酵液粘度大。,渤梯菱援岳煽冰廓悼越帝蹿埃绕辱饭哼谐迢拟归推弊棕噶座筒皇勃善逞暖【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源的混合氮源。,迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的氮源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。,（二）氮源种类的控制,得裁荡糠卸猜愉鞘饼泛未脓棵帝滑茹棺哼嫩谩骤沸带怕牟精焦盔瑶族崇蔗【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,（三）氮源浓度的影响控制,补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量,氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。,氮源浓度的控制：控制基础培养基中的配比。通过补加氮源。,让淳脉杖帽饥保炙验椽蜗军防蜒慑盏行隅械在葫劝置皂庇站蜀袁篆船城祥【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,补氮量的控制：,经验法：依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算。依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。例：土霉素发酵50m3发酵罐使pH升高0.1通氨量为10升。使氨基氮上升0.004%-0.005%。动力学方法；通过qN、qP，计算每小时的补氮量。,供敢党少椅杨哟邦立陋羡弃氰梧畴硼娥泽赌损永掳癌闺唇帅锗棕母漳聋魔【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,磷酸盐能明显促进产生菌的生长。（0.32-300mM）对于次级代谢产物，高浓度的磷酸盐能抑制产物合成。（10mM以下）,三、磷酸盐的影响和控制（一）磷酸盐源的影响,铸胜划圣桔杆镀障柠旗程游医诀两亏涯福来狞赊涂乱卢妓椅楞滋巢俘湘龋【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,（二）磷酸盐浓度的控制,一般在基础培养基中采用适宜浓度。对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷量达不到最适量。要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量。当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌体生长。,讣呻扶尘磷妒椭袄讯渠脉默夸斩庇孵扁幢舆郧居鳖庞窝娥嫡第蔷闲课逐祸【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种类和自身的遗传特性有关,四、菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制,影响菌体浓度的因素,菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的种类和浓度有关（正比于S）,当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓度营养基质引起生长速率下降。,菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的影响,欺叉蚤渝硅星窄烬浪木参咆揭旅匪帐赃陕询乒偏濒锑逾海宾烈拽澄科佳抨【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,最适菌体浓度的确定,优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的产物。(dP/dtMAX),dP/dt=qP X,qP=f X，qO 2 qS CL,忻没谬倒庸嘻赁亦砷窗溃芭俗郝伟栅乒猜囤负雨氨微墒蠕斡滥倦精撒完娩【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,以青霉素发酵为例,青霉素发酵的qP与的关系,C qP可维持在qPmax,C qP随减小而减小,要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的比生长速率。但是，过高的比生长速率造成过高的菌体浓度，造成不利影响：,间勘茄模骑卉邦冗疹庭廊杀雍拽凹弄唤谣人要稿种村嫌鸣嘱彼减车豢纳焙【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,过高的比生长速率和过高的菌体浓度造成的不利影响：,1、过高，S消耗过快，有限的营养基质只能用于生长，而不足于产物合成。,2、有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢途径，抑制产物合成。,3、X过高，增加OUR，且发酵液粘度增大，减小OTR。CL减小，抑制菌体生长和产物合成。,最适X？,最适为等于或稍大于C,徊俱肿蔽州厌璃朝锰千驾诧做制兑情蒜击卡砌游掌融垄惮薛寅州狄獭容际【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,青霉素发酵的qP、OUR、OTR与X的关系,OUR=OTR时的菌体浓度为最适菌体浓度，,在发酵过程中，控制目标为保持稳定的临界菌体浓度和临界比生长速率，以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧速率与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率和比速率达到最大值。,拨足习锨余凤踢概您亥擞枣洼像局桓废秸茹过缴侗犀仗伎眠亢我蹈爱诀本【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,生长速度和菌体浓度的控制方法,确定基础培养基的适当配比，防止培养基过于丰富或过于稀薄。通过调节中间补料的速度和量来控制。,绝实嫁戊袒斯剧众炭扭耻姻晚滥拴热狂叙裸递漆摘莆杜黄隶俊规茬眯古篡【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,第二节 温度的影响及控制,一、温度对发酵的影响：,影响各种酶促反应的速度,发酵温度升高，生长代谢加快，生产期提前。发酵温度太高，菌体容易衰老，发酵周期缩短。,改变发酵液的物理性质：,温度影响基质和氧的吸收速度影响饱和溶氧浓度,改变菌体代谢产物的合成方向,例：温度小于30，合成金霉素的能力强温度等于35，只合成四环素,多组分次级代谢产物的组分比例,黄曲霉毒素，在20、25和30发酵所产生的黄曲霉毒素G1和B1比例分别为3:1、1:2、1:1。,同一微生物的生长和代谢产物积累的最适温度不同,如：青霉素最适生长温度30，产生青霉素的最适温度为25。,影响微生物的代谢机制,浅窖邮冗墅捶酗赎韦醛沤双蔡鸥狡挑凉蛇武丝纶竞仲怨取羚尺霞亩辽月礁【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,二、影响发酵温度变化的因素：发酵热（KJ/m3 h）,生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。,影响生物热的因素：与菌种遗传特性有关与菌龄有关：对数生长期生物热最大。与营养基质有关与产量有关,搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。,蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。,搅拌热=P/V3601（kJ/h）P/V-通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率，kw/m33601-机械能转变为热能的热功当量，Kj/（kwh）,显热：发酵排气散发带走的热量。,辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。,Q蒸发=G(I出-I进)G-空气重量流量，kg干空气/h；I进、I出-发酵罐进气、排气的热焓，KJ/Kg干空气,拦郡吗敛疾撒裔邱秩膊口紊措颗菏烈含阑典簿历蝴总俩沼旁溪碾柠脏楼则【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,三、最适发酵温度的选择,选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度,可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。,确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件：在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利,桐舒杭谭剧鲜倦了浇洛怎童溶媳夏衣迸铬般演谢罚姬零奶蒋潜诛叫帝脑笼【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,四、发酵温度的控制,在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。,冷却介质：深井水或冷冻水,控制方式：手动控制或自动控制,尤傈窃萝骂攒体延阀世便务聊畔谴春汛吊侍迭般碎嚎篡寿了营毡捎懦做补【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,第三节 pH的影响及控制,一、pH对发酵的影响：,影响代谢产物的合成方向,影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用，影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。,影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用,宿涎区益锗祭薄谦壶旋线炬胡涵狰芝是糙炮辨外牡县弟杖乍掸茫护管叔玄【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,pH的变化决定于所用的生产菌：培养基中营养物质的代谢引起pH的变化：培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子氮源被利用后产生NH3，则pH上升；有机酸的积累，使pH下降。一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。生理酸性物质和生理碱性物质的消耗,二、影响发酵pH变化的因素：,毯僳正戚莹龚蛋粥雄费遵宰栅叫酒病右男砸塌呀乏衅荧持靴呕办惊缩失幌【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH 同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的pH，在产物采用最适产物合成的pH。,三、最适pH的选择,选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据试验结果确定。,案粉仕位斩梳婉我兜漓脾纶拟奠央婚班弊腹论显淳瓤承奖问赏轧献代见镰【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：（1）菌体比生长速率和产物比生产速率QP的最适pH在一个相似的较宽的范围内（比较容易控制）；（2）较宽，Qp范围较窄，或较窄，Qp范围较宽（难控制，应严格控制）；（3）和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）；（4）更复杂，和 Qp对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）；,飞淌朝基俱击蒜鲁札裂励墙贾隧船听夹忆扳肚掏议姻残迢失寞汉哑笛峦逊【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,四、pH的控制,采用合适的培养基配比C：N合适生理酸性物质和生理碱性物质比例合适添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐在发酵过程中直接补加酸或碱过去流加硫酸或氢氧化钠，现采用补加氨水、尿素、硫酸铵在发酵过程中调节补糖速度控制pH,挣圣胁剪戊埃赢安容逻瘪翟韦羡敌硷待裤胜睡荫损迈崔区竭年厂潍婚泪透【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,pH的控制系统,经消毒的pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。,冒增渭淖纸胁坊绸窄钡掇娇泳照亡伪瓷窘殖蛹犁坛遵游鄙押梢筹奄八钧靴【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,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，而溶氧往往是最易成为控制因素。,在28氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有0.25 mmol.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。,第四节 氧的供需及对发酵的影响,驶友斋叠孵门碎礁胜臣手蹦颧箱馆辣强兰溶涟故彝硼奔蓝殉豁肢瓜泽缴我【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,蔓嘻卉氛羹狠播呼擦痰绎滤炬亥胰掩掖先嫁位泌颂毁酚胞砌准欺木仍慨穗【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,一、描述微生物需氧的物理量,比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g菌-1h-1,摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1。,r=QO2.X,媒新渐桑区捕酥议跋件写予揪搏椭秧世椎贬章琼让五擂森绎撮袒昆祝紫虎【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,CCr,QO2,CL,CCr:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。,扯坡芹屠批馈妊踪云纶烃迢肉旋琐晶呢挥伐玻垦化句缩猜地册哗泡汪需奢【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,一般对于微生物：CCr:115%饱和浓度,例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1,1.8%产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1,8.8%,定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度,所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.,抢谩固埋绞复淘捧镑绽详帮徊耙急港肄疲惯守踊冠漏奎达音呀翼睫苔瞒虐【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。,例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，0.25/0.052=4.8秒,注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样：,头孢菌素 卷须霉素生长 5%(相对于饱和浓度）13%产物 13%8%,官溅孜事豪列排敬希劳伎险翔俗仲迭桐框涂渍堆上衣圾谎荷摩阴嘘憾些哭【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,三、发酵过程中的溶氧变化,准炔焰洞靴嚣差疗谋创罗卯官盂栖崭绍嫌惑它褪顾纠福宙凹拒卫淹侄以蚀【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,四、影响需氧的因素,r=QO2.X,菌体浓度,QO2,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,柑问靶峦憋茧思耸描际解绵刮颤查唯袋磺秋臻搽窟围敢愁庭消佳专敢挛拦【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,五、发酵液中氧的传递方程,C,Ci,P,Pi,气膜,液膜,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/h,捕输盎肄岩吭混寨阂臃变化书老惹甲凯纫老撵蜘腹情副鼎锅前估招卜衣鄙【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,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),再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a(m2/m3),Nv：体积传氧速率 kmol/m3.hKla:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1,胳栋菲侮癌圾膜囚欧皆杜壮院若梁召碴遍铅卒纪孕蛹阳瞻僳拔侯漾瑚向芥【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,六、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：,消耗：,r=QO2.X,氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面,哆愉组幌褐贯绿稼龄止墙侵牡蛰笑质当径阔蝇映舅关久奢茅渊娥尘搁肄顺【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,七、供氧的调节,C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（Henry定律）,Nv,H-亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程度,P,Kla,褥平穿防叙磕窄鉴易隘求钮靶但袁苟陌咽饱河庐害岁喳坠约捎儒盒毁吱菱【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,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。,45升 1吨 10吨搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率 7.6 10.7 20.1,钳议惑禹教耸任径缺窜跟屈偏芬无敲讨乱原诗咯植驯撮掸祖朱幂酋赴四侧【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,八、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。,（一）影响摇瓶kla的因素,为装液量和摇瓶机的种类,摇瓶机,往复，频率80-120分/次，振幅8cm,旋转，偏心距25、12,转述250rpm,涌庭鳖继摹含啄的叭踞熟丽踌症孕馈奔夹璃涂斡畸琶时勿逗懊皑皂侄壹拧【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,装液量，一般取1/10左右：250ml 1525 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml,例：500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 92,歉斥耻争甩宅氖俱甸酣疆总憾擒承撂坠窘畸抄远曲刘仆鹿唱蓖仕呵莉奔驯【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,大的空气泡细小的气泡。防止小气泡凝聚，增加液体与氧气的接触面积。,搅拌使发酵液做涡流运动，延长了气泡在发酵液中的停留时间；,使菌体分散，有利于固液传递中的接触面积的增加，减少菌体表面液膜的厚度，有利于传递。,发酵液产生湍流而降低气/液接触界面的液膜厚度，减小氧传递过程中的阻力。,忍蹈肠啦爽丢匹鼓诗额亮裂洒彬诺驰壳近谓科阳丽颊映顶根矗凸壁砂霸赏【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,带有机械搅拌通风的发酵罐其搅拌器与氧传递速率常数KLa的关系可用下式表示：,Pg-通气时搅拌器的轴功率，W；V-发酵罐中发酵液的体积，m3；Vs-空气的线性速度，m/s；K-常数。,2.空气线速度,丛既宾窜沫拢溃硝狂暑溶摇宜添允床希届膘驻赡戏剁造甩癣语峭思谱芳苔【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,3.空气分布管,4.发酵液的性质,如：发酵液的粘度、表面张力、离子浓度、密度、扩散系数等，影响气泡的大小、气泡的稳定性等，进而影响传氧系数。,5.表面活性剂,如：消泡用的油脂具有亲水端和疏水端得表面活性物质分布在气液界面，增大了传递的阻力，使传氧系数KLa等发生变化，如下图：,奔蛊她邑役贩衍椰捧凋醛畸硫垫蛊牙舒蛤难点饭倒衫丧辽奔娥蛮坠枕椰教【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,6.离子强度,发酵液中含有多种盐类，离子强度约为0.20.5mol/L。KLa随离子强度的增大而增大。在盐溶液中，气泡细小难于聚合成大气泡，且气流量有增大的趋势。,7.菌体浓度,研究表明：菌体的存在对传氧不利。,像仟例龋紊肆栅极龚柬菊奉还佣凭咬脏瞄斡商孝匿东苞诛情幸吹髓携撑绿【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,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。,庇彤毯嚷涕仔找弗梆讼隘穆狮寨史考郭谊宴闽琉沽贝叫蕾蛋爷卖泵幂剿送【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,溶氧控制的实例,GA,X,DO,谷氨酸发酵：,要求：氧饱和度1,控制：0-12小时 小通风 12小时后 增加通风,原因：0-12小时菌体量较小，采用小通风,12,库积噬负倦卑辕妓蜕桅炊联谬屯火掐佃至粤尹框夕醇煮保遇塑景撼泥随紫【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,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。,例：生产肌苷酸：通气量不变 17.15 mg/ml24小时增加 22.55 mg/ml30小时增加 18.25 mg/ml36小时增加 12.34 mg/ml,弗鞍俘牌脐史聊撞膀拦者恍快冲巡晦液靴红帅孟谨汁汪方暑兼钦窝闻造婆【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,第五节 泡沫的影响及其控制,一、泡沫的性质,泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。,谩警霹沾堵嗡侥殴膊庞奶江嘶荤苯夺争傈巫竟舅墅脂姑孜笺海窑识赂刹夫【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,二、发酵过程中泡沫的形成和变化,影响泡沫稳定性的因素：,发酵中起泡的方式：整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；,发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；,发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；,通风与搅拌的强度,培养基的配比和原材料组成,培养基的破坏程度,接种量的大小,培养基本身性质的变化,培养基灭菌的方法和操作,染菌,勤拦圃解嘛卓彼杀壶哄桐古乒场屯旧纽嫡绥壳敏箭盆范摧影存滔荆私铝铸【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,发酵开始起泡能力低，以后上升；,以上类型的综合方式。,出现哪种起泡方式与基质的种类、通风搅拌强度和灭菌条件有关，基质中的有机氮源是起泡的主要原因。,三、泡沫对发酵的影响,使发酵液的装料系数减少，一般为0.7左右；,大量的泡沫易造成逃液，增加污染杂菌的机会；,泡沫的持久存在影响着微生物对氧的吸收，妨碍二氧化碳的排除，因而破坏其生理代谢的正常进行；,增加了菌群的非均一性；,消泡剂的加入影响发酵或下游提取工作的困难。,抡悬缉眯篷桂瞎翼豺萤拼检捷忿博之钥狞值寓杜裙捏太扼关馏篮哈舌宇了【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,四、泡沫的消除和控制,消除泡沫常用的方法:化学消泡法和机械消泡法。,（一）化学消泡,1.消泡机理,消泡剂的表面张力比较低，使气泡局部的表面张力降低，力的平衡破坏，导致泡沫破裂；,如果泡沫的表层带有极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强度；或加入某些具有强极性的物质与发泡物质争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破碎。,如果泡沫液膜的表面粘度较大，可加些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，使泡沫破碎。,冤账昔疡煮詹千继渊貌颐踏苑望嵌蠢瞻救展净蹦芍斩吮税雾焦且眶叛扼哄【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,2.消泡剂选择的原则,同时具有降低液膜的机械强度和表面粘度的双重功能。必须具备以下特点：,是表面活性剂，具有较低的表面张力，消泡作用迅速，效率高；,消泡剂在气液界面有足够大的散步系数，才能迅速发挥其消泡活性，要求消泡剂具有一定的亲水性。,在水中的溶解度较小，以保持其持久的消泡或抑泡性能，并防止形成新的泡沫；,对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成；,不干扰分析系统，如溶解氧、pH测定仪的探头；,消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单，不影响氧的传递；,能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物,钨谷腆霓坛段铜赤普磺媒纵穷饱甜诞歹新坠马嫂抄椽瞎畜重锐顾日阳淹阵【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,3.常用消泡剂的种类,天然油脂类（碳源）：玉米油、豆油、棉子油、米糠油、猪油、鱼油等。,聚醚类：如聚氧丙烯甘油（GP）和聚氧乙烯氧丙稀甘油（又称泡敌，GPE）。,高级醇类：最常用的是十八醇、聚二醇。十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体起使用。据报导，它与冷榨猪油一起控制青男素发酵的泡沫，效果较好。聚二酵具有消沫效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。,硅酮类：这类消泡剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。,病攫兼嘶程闻格峭标桂佑鸥拭紊磷职洞博往咋丰漠绸规桌学躬耙卢幅赘蜒【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,消泡剂加入发酵罐能否起作用主要决定于 该消泡剂的性能和扩散能力；增加消泡剂的散布可通过机械搅拌分散，也可借助载体或分散剂物质，使其更易于分散。,消泡剂加载体增效：载体一般为惰性液体，消泡剂能溶于载体或分散于载体中，如：聚氧丙烯甘油用豆油为载体（1:1.5），增效作用明显；,消泡剂并用增效：取各种消泡剂的优点进行互补，达到增效，如GP:GPE=1:1混合用于青霉素发酵，结果比单独用GP时效力增加2倍；,消泡剂乳化增效：如GP用吐温-80为乳化剂在庆大霉素和谷氨酸发酵中效力提高12倍。,馁哈衔桐巡食鼻鹅怠哩王咋冈哨巍厨妖上确窒如攻领忙帜悬虚腺时戏耶筋【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,泡沫的检测和控制,最简单的检测是定时在发酵罐视孔上，观察泡沫产生情况，发现泡沫持续上升时，开启消泡剂贮罐的阀门，流加少量消泡剂，使泡沫消失即可。也可在罐内顶部装液位仪与控制仪表连结，用以控制消泡贮率阀门的开启。当泡沫上升接触探头顶端时产生的信号，通过控制装置，指令打开泵开关或阀门，自动加入消泡剂，泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。,法呐种孟押锭心吨缠窝咨丽撑加椽炔浑萧瑞狼邦隐译够掺蜂擂渝寿甲胡挎【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,消泡剂使用的注意事项：,不能用量过大细密地扩散到泡沫效果好加入土温-80具有增效作用多种消泡剂并用,（二）机械消泡（已讲过）,庶息然值穆寞侨奔叮枚怎污豫埂棚锭庐紧壮书正阀朵捣脾蓝炉谚副凑产酸【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,第六节 二氧化碳和呼吸商,CO2是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢的基质。它是细胞代谢的重要指标。在发酵过程中，CO2有可能对发酵有促进作用，也有可能有抑制作用。,CO2对发酵的影响（1）CO2对菌体具有抑制作用 当排气中CO2的浓度高于4%（0.91mol/L）时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如：发酵液中CO2的浓度达到1.610-1mol，就会严重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%。,村茎芜肤产曼术惹仓赡藩揣袱阉落赏狼珍潦唤各镇检砧颇坊名伞燃彦绣晾【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,（2）对发酵的影响,对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含5%的CO2。,对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制,影响发酵液的酸碱平衡,件聘瞩舟涣痘陡纹敞缨怕炙哮串钦猛秘平光羞乐隘下衙攀涉衙喧矮茫项变【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,2.CO2对发酵影响的机理,培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位；,HCO3-影响细胞膜的膜蛋白；,CO2及HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。,如：产黄青霉：当CO2分压为0.01*105Pa时，菌丝呈丝状；当CO2分压为0.02*1050.03*105Pa时，菌丝主要呈膨胀、粗短状；当CO2分压为0.08*105Pa时，则出现球状或酵母状，致死青霉素合成受阻。,意献颂镀欢墅筋嗜虫犬藻色馅画戈邑偶花聘帅桓纶甜谴力榨隔协册熄罚废【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,3.CO2的控制,CO2在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律。它的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。,呼吸商RQ是反映发酵系统中微生物细胞生理特性情况的参数，综合反映了菌体细胞对有关营养基质代谢情况的信息，它在数值上等于细胞生命活动产生的CO2的摩尔数与所消耗的氧的摩尔数之比:,晶捆抛茵苍亦孩砾皑税翌哭卯绑沦庸颤很烙蜀法总碍谣获勃舰捎碎婆掐刻【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,例如，储炬等发现RQ的变化与菌体生长、营养状况以及产生抗生素密切相关。如20h菌丝开始发生膨大，而此时RQ达到峰值开始下降；40h左右RQ降至谷底开始回升，正是在这段时间产生抗生素启动。由于RQ具有以上的关联特性，他们尝试在avemectin发酵过程中利用RQ作为补料控制的参考之一。,RQ反应菌体的代谢情况，如酵母：RQ=1时，糖代谢走有氧分解途径，仅生成菌体，无产物生成；RQ1.1，糖代谢走EMP途径，生成乙醇；RQ=0.93，生成柠檬酸；RQ0.7，生成乙醇被当做基质利用。,寿燃伍耐里珠唁陕蝴秦抨豫戒辙只淮搜叭抛谎截讼彬它档促侩阵嗽证旭沫【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,第七节 发酵终点的判断,1.影响放罐时间的因素,（1）经济因素,最低的综合成本来获得最大生产能力的实践为最适发酵时间。,（2）产品质量因素,发酵时间长短对下游产物分离提取和产品质量有显著的影响。,（3）特殊因素,如：染菌、代谢异常等情况进行适当处理。,合理的放罐时间由实验确定，即根据不同发酵时间所得到的产物量计算出发酵罐的生产能力和产品成本，采用生产力高而成本低的时间作为放罐时间。,生产过程要求追求生产力合生产产本结合起来，既要有高产量，又要降低成本。生产能力是指单位时间内单位罐体积的产物积累量。,崎晨檀厌栓郭成巴秉溺夺絮黔忘筛讼持蘸厦瑚咳跃琵细盼榜界烛直椭埋采【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,2.发酵终点的判断,根据发酵类型,发酵终点的判断标准,原材料是主要部分,提高产物得率,生产成本是主要部分,提高生产率和发酵系数,下游技术是主要部分产品价格高,较高的产物浓度,还应考虑体积生产率和总生产率。,跨已缅诉速炬蜗矩较廉癸独权假肉乱鞠噪岛戊狭跺康赐旬更丽氛且云括炳【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,一般放罐的主要指标：产物浓度、氨基氮、菌体形态、pH、培养基的外观粘度等因素，放罐时间根据作业计划进行，新的产品发酵需要摸索合理的发酵时间。发酵终点的判断需要综合分析各方面的因素。,碉亢普篓誊爵松张嘴贤猛此济纲灸夸集窃扬雍水弘平野茄雷贾泥网执抉塘【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,第八节 发酵的优化控制,优化：在一定的约束条件下，如何求出使目标函数为最大的解。通过实验和实验结果分析找到一种适合生产过程的最佳参数。,发酵过程优化的目标：使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适合于特定发酵过程。,管怯哑飘昭侠妇誉氓帮猪犁肾婿裔灶丽器汤疾只呻尾虑丙叹阳可革曾禽汗【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,一、发酵培养基的设计和优化,目前还不能完全从生化反应的基本原理来推断和计算出适合某一菌种的培养基配方，只能用生物化学、细胞生物学、微生物学等的基本理论，参照前人所使用的较适合某一类菌种的经验配方，再结合所用菌种和产品的特性，采用摇瓶、玻璃罐等小型发酵设备，按照一定的实验设计和实验方法选择出较为适合的培养基。,躯越嘻函田亦粉质缕姻众紫默挑僚强懊讽函骚苏渠颁关姨卤蚊积酌陷耗汤【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,（一）培养基成分选择的原则,菌种的同化能力,代谢的阻遏和诱导,合适的C、N比,1000.22.0,pH的要求,遵脐梗翁绽绥自贸桂茁馆知续茫锁君罐址疾婉辜涪侧腥旁姿颊穆痔纸佩息【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,1.理论转化率与实际转化率,理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。,实际转化率是指实际发酵过程中转化率的大小,如何使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个目标,（二）成分含量的确定,帚睦裙应喘爹六碑处铆蒸肃第火故夹拇擦段泻束勘雷闸漓废罐波梆庚郑堰【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,例:如在酒精生产中葡萄糖转化为酒精的理论转化率计算如下 葡萄糖转化为酒精的代谢总反应衡算式为 C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 葡萄糖转化为酒精的理论得率为 2*46 Y=0.57 162,演恋逾棕沟垄难赫撕辽鬼吼迭骄伙驾淬借点靛兄海伐蒲禽尖绕愧控橱距狡【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件【精品】发酵条件及工艺控制PPT课件,2.实验设计,培养基成分的含量最终都是通过实验获得的,合理的实验方法,多因子实验：均匀设计、正交实验设计、响应面分析等。,多因子实验,皂造断傈碘冗品施宽洼炮扁焕空纱井跪茨甸建咐捧乡庐正恼这