07 酵工艺控制

12本章讲述的内容•第一节发酵过程的代谢变化规律•第二节发酵工艺的控制•第三节发酵过程的主要控制参数3第一节发酵过程的代谢变化规律•代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。•了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。4代谢曲线代谢变化是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。把它们随时间变化的过程绘制成图，就成为所说的代谢曲线。5■发酵过程按进行过程有三种方式：分批发酵(Batchfermentation)补料分批发酵(Fed-batchfermentation)连续发酵(Continuousfermentation)这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的代谢特征。61、分批发酵的定义•是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。一、分批发酵72、分批发酵的特点•微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。8●优点●操作简单；●操作引起染菌的概率低。●不会产生菌种老化和变异等问题●缺点●非生产时间较长、设备利用率低。3、分批发酵的优缺点94、分批发酵的生长曲线单细胞微生物10丝状真菌和放线菌115、分批发酵的类型•Gaden'sfermentationclassification（按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化）–第一类型–第二类型–第三类型•Piret'sfermentationclassification（按照产物生成与菌体生长是否同步）–生长关联型(第一类型）–生长无关联型（第二，三类型）12■第一类型（生长关联型）产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产物形成不分开。例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵：产物合成的比速率菌体）产物成比例（：生长关联型产物的形或QQPXdtdPPdtdPggx/13■第二类型（部分生长关联型）产物也来源于能量代谢所消耗的基质，但产物的形成在与初级代谢分开的次级代谢中，出现两个峰，菌体生长进入稳定期，出现产物形成高峰。例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。XdtdPPdtdPQXX14■第三类型（非生长关联型）产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应来形成的，即产物的形成和初级代谢是分开的。如抗生素发酵。XdtdPPdtdPQX15产物形成与生长有关，如酒精、某些酶等。）：比生长速率（）物的率（：菌体生长为基准的产）产物形成比速率（hYQYQggLhgxPPxPP1////:■生长关联型（growthassociated）16产物的形成速度与生长无关，只与细胞积累量有关。如，抗生素。）：菌体浓度（）：产物合成速度（比例常数LgXhLgXdtdPdtdP//:■非生长关联型non-growthassociated17■分批发酵的分类对实践的指导意义从上述分批发酵类型可以分析：如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期；如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。18■典型的分批发酵工艺流程19二、补料分批发酵1、定义●补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。202、补料分批发酵的优缺点•优点–使发酵系统中维持很低的基质浓度；–和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；–不会产生菌种老化和变异等问题。•缺点–存在一定的非生产时间；–和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。213、补料分批发酵的类型•补料方式–连续流加–不连续流加–多周期流加•补料成分–单一组分流加–多组分流加•控制方式–反馈控制–无反馈控制22四、连续发酵1、定义●培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。232、连续发酵的优缺点•优点–能维持低基质浓度；–可以提高设备利用率和单位时间的产量；–便于自动控制。•缺点–菌种发生变异的可能性较大；–要求严格的无菌条件。243、连续发酵的类型•恒化培养–使培养基中限制性基质的浓度保持恒定•恒浊培养–使培养基中菌体的浓度保持恒定254、连续发酵的代谢曲线从分批培养出发，无论在哪个时候开始加入新鲜培养基过渡到连续操作，达到一定的菌体浓度及限制基质浓度则培养系统一定能成为稳定状态。26第二节发酵工艺的控制工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。27一、温度对发酵的影响及控制1、影响发酵温度的因素产热因素：生物热搅拌热散热因素：蒸发热辐射热28发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射29生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2,NH3时释放出的大量能量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动热能散发影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。30实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。1、抗生素相对活性为12、抗生素相对活性为0.5发酵过程中生物热的变化31在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度的变化有对应关系，特别是在80小时以前。从此实验中还可看到，当产生的生物热达到高峰时，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可从菌体的耗氧率来衡量生物热的大小。四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程1：效价；2：呼吸强度；3：生物热；4：糖浓度32•搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热。Q搅拌=3600（P/V）3600：热功当量（kJ/（kW.h））（P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（kW/m3）33•蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。•蒸发热的计算：Q蒸发=G（I2-I1）G：空气流量，按干重计算，kg/hI1、I2：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气）34•辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。•辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。35发酵热的测定（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热。36（2）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率S，按下式可求得发酵热：37•影响各种酶的反应速率和蛋白质性质•影响发酵液的物理性质•影响生物合成的方向。–例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。2、温度对发酵的影响38发酵过程，微生物生长速率变化dX/dt=μX-αXμ:比生长速率α：比死亡速率当处于生长状态时，μα,α可忽略。39μ与α与温度有关根据Arrenhnius公式μ=Ae-E/RTα=A’e-E’/RT通常E’大于E，所以α比μ对温度变化更为敏感。40例：青霉菌生产青霉素青霉菌生长活化能E=34kJ/mol青霉素合成活化能E=112kJ/mol青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当重要。41最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。最适发酵温度的选择–在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。–温度的选择要参考其它发酵条件。–温度的选择还应考虑培养基成分和浓度3、最适温度的确定42发酵罐：夹套（10M3以下）盘管（蛇管）（10M3以上）4、温度的控制43二、pH对发酵的影响及控制•发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。尽管多数微生物能在3~4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。441、pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响•pH影响酶的活性•pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态•pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解•pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变452、发酵过程中pH的变化生长阶段生成阶段自溶阶段46碳源过量消泡油添加过量生理酸性物质的存在3、引起pH下降的因素47氮源过多生理碱性物质的存在中间补料，碱性物质添加过多4、引起pH上升的因素48原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。最适pH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围。5、最适pH的选择49最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：菌体比生长速率μ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）；μ较宽，Qp范围较窄，或μ较窄，Qp范围较宽（难控制，应严格控制）；μ和Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）；更复杂，μ和Qp对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）；50调节基础培养基的配方调节碳氮比（C/N）添加缓冲剂补料控制–直接加酸加碱–补加碳源或氮源6、pH的控制51大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：C6H12O6十6O2＝6H2O十6CO2只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为l0mg/L)。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。三、氧对发酵的影响521、发酵过程中氧的需求尽管考虑了呼吸的化学计量而使供氧问题得以正确评价，但由于未曾将转化为生物物质的碳加以考虑而使菌体的真实需氧情况难以表明。许多研究工作者已经考虑到氧、碳源、氮源转化为生物物质的总化学计量关系，并利用这样的关系来预测发酵的需氧情况。从这些测定结果发现菌体的需氧似乎完全取决于培养基中的碳源。53Darlington(1964)以C3.92H6.5O1.94来表述100克酵母菌体(干重)的组分，并对由碳氢化合物和碳水化合物生产酵母推导得到如下方程式：OHCOOHCOOCH2294.15.692.32242.375.21.267.6OHCOOHCOCH2294.15.692.32289.322.3135.614.7根据Darlington方程式，可知同样生100g菌体，用碳氢化合物所需的氧约为用碳水化合物生产时的3倍。54Johnson(1964)得出如下方程：CBYAA为燃烧1g底物成CO2、H2O和NH3（如底物中有氮存在）所需氧的量，此值易于计算获得；B为燃烧1g菌体成CO2、H2O和NH3所需氧的量，如果菌体组分已知的话，则也可计算获得。C为生产1克菌体所需氧的量；Y为1克底物转化成菌体的克数。因此，A/Y为燃烧生成