第四章 发酵工艺控制2

第四章发酵工艺控制第一节发酵生产方法的类型•发酵过程状态：•1、间歇：（1）培养基加入和发酵液放出是一致的；（2）发酵一次一次进行。•2、连续：（1）培养液加入到放出是连续的；（2）培养罐中处于稳定状态。•3、半连续发酵：培养基连续加入发酵液分批或分别放出I→II→III整个系统培养液连续加入，但各罐的发酵液分别放出。)()20(,,)2010()5(现主要深层以下浅盘好气性啤酒丙酮丁醇酒精厌氧液态原柠檬酸深层酒曲浅层好气性固态饲料酿酒厌气性固态固态是否需氧培养基状态cmcmcm第二节发酵过程的动力学类型•反应化学因素则化学反应动力学•酶→酶反应动力学发酵：1、速度：表征是什么？几个表征间关系；2、影响因素：其如何影响，怎样控制这些因素•现主要讨论第1个问题•将培养基灭菌，加入菌种，在一定容器中发酵，将其动态变化画成曲线，此为发酵曲线图•所以影响因素为：a基质中糖或碳源b菌种c产物从此三个因素分析发酵速度。研究发酵曲线图微生物量糖或碳原耗量产物量糖减量浓度时间•从此三个因素分析发酵速度。•所以研究发酵速度就是研究1．碳源利用速度2．菌生长速度3．产物形成速度4．上述三者之间关系•根据以上四个条件将所有发酵过程分为三大类型dtdsdtdxdtdp发酵过程分为三大类型（一）类型I菌生长产物形成碳源利用（一）类型I1、特点•①菌生长比速度µC、µP都有一个高峰•②三者的高峰同时出现，三者基本平行•③产物的量和碳源利用量有一定的化学剂量关系可进行理论计算。2、产物类型此一类型产物主要有两大类：•①菌体产量常数在一定条件下，用一定菌体产量常数相对稳定。故知产量常数可控制流加糖的量，还可利用产量常数检查，发酵条件的控制是否合适。•②代谢产物：酵母的酒精发酵、乳酸发酵另部分次级代谢产物也属此型，但大多数属类型III③次级代谢产物，杆菌肽、氯霉素。（一）类型I乳酸发酵菌体乳酸浓度时间（一）类型I乳酸发酵菌体乳酸时间（一）类型I杆菌肽发酵比速度时间杆菌肽菌体糖利用（二）类型II产物碳源利用菌合成时间（二）类型II1特点：–①分成两个时期：菌体生长和产物形成在不同时期，分别在菌生长期产物形成期。–②碳源利用的比速度有两个高峰，分别在两个时期，第一个高峰用于菌体生长，第二个高峰用于产物合成（在产物形成期可能还有菌体第二次生长）。–③碳源利用和产物形成无明确的化学剂量关系，但还是有一定关系的。2、产物类型•①有中间产物积累：产物在合成过程中先积累一定产物，再由中间产物转化为最终产物。如丙酮丁醇发醇，丙酮丁醇发酵分为三个时期。•增酸期：0~18h有机酸大量积累，菌体大量生长产物溶剂形成少•减酸期：18~40h菌体长到最大期，溶剂就大量形成，培养液中pH值上升•后发酵：40~72h菌体不增长，甚至有些下降，溶剂增长到最大值，酸降低到最小值。②无中间产物积累•如：延胡索酸发酵用黑根霉谷氨酸发酵用棒状杆菌柠檬酸发酵用黑曲霉土霉素发酵金色链霉菌（四环类抗生等）土霉素生产因其菌生长，C利用有两个高峰而划入Ⅱ型，产物产量较高。（三）类型Ⅲ碳源利用产物合成菌（三）类型Ⅲ1.特点：•①分成两个时期，但产物形成比类型Ⅱ早，在菌体接近或达到最大值时，产物开始生长。•②菌体生长和碳源利用没有第二个高峰。•③产物的形成和碳源利用无量上的关系，都是属于次级代谢产物，产物量占发酵液中的0.1~2%。•链霉素发酵(用灰色链霉菌生产)2、产物类型:分为三种类型，知道发酵的类型•①将预知某个发酵将按什么情况进展•②可作为发酵的中间控制的理论基础，在实践上指导生产监督生产，如控制流加糖。根据菌体生产和产物形成是否同步的，可控制不同的发酵条件，如Ⅱ、Ⅲ型可在不同时期，为不同目的（菌体或产物），控制不同发酵条件，从营养上说，生长的营养条件和产物的营养条件有区别。•③在连续发酵的设计上，类型Ⅰ可用单级，如为类型Ⅱ、Ⅲ就要采用二级以上的连续发酵，使菌体生长和产物形成都得到保证。（三）类型Ⅲ链霉素发酵（用灰色链霉素生产）•链霉菌菌体糖浓度比速度菌糖链霉素第三节连续发酵动力学•一、控制方法•1、恒浊法：根据培养液的浊度与菌的浓度成正，比通过一种仪器（如光电效应）控制菌的流量，使菌的浓度保持一致，在此培养基的各种养料是充足过量的，菌都在最大生长速度，菌浓度被控制，适用于动力学类型Ⅰ。•2、恒化法：培养基中有一种可限制菌的生长速度，此为限制性基质，如培养基中糖的含量很低，还可用氨基酸，无机氮等而别的成分不是过量的，培养基的流量一定，这种方法，菌的生长速度不是在最大生长速度，以此控制菌的浓度一定，采用这种方法适于动力学Ⅱ、Ⅲ型。二、动力学•下面以多罐，开放式（相对于菌体截留的密闭式）混合均匀为例•F流量L/h•X菌浓度g/L•S基质浓度g/L•P产物浓度g/L•每一罐流量一样为F•要保持连续发酵系统的稳定1.菌的情况流入量十生长菌量=流出菌量即：3、对基质情况•同理•••Yx/s为以消耗基质基准的菌生长得率常数。••将其代(3-6)nnmFsdtdsVFS1631nnnSSDdtdsdsdxYsx/SXnnYdxdS/)(1/nnsxnssDYdx代入得把nnnsdtdx)(1/nnSXnnSSDYs)73(1/1式SXnnnnYXDSS•对单级罐而言根据Michadis--mentem公式D同理,0xo）（）（则83/0/0SXsxYSSXYXSSXPYXP/（单罐：SXYXSS/0））（SXYSSX/0•饱和常数,为1/2时基质浓度•为最大比生长速率•Monod公式SKm)93()SKS(SmmmSKS变形为DKSDmS得）（）代入公式（SXYSSX/083SXmSYDDKSX/0）（SXmSYDDKSX/0）（（将其看作零）则当调节XDDm则罐内菌全洗出。）（，，例题：设lgKYhSSXm/205001/1？？，？，求），（DXXShDgS1050L/10）（解：lgDDKSmS/205015020）（）（）（lgYSSXSX/94502010/0）得下图规律（hlgDX/4529450)1(D0mSKKDSSmm根据公式不同不同菌，不同基质，SK三、连续发酵优点：•1、提高了生产率，一般至少几倍至十多倍。•原因①提高了发醇罐的利用率，其表示用两种：•生产单位重量的产品每日所需发醇罐的立方米。•或单位积的发醇罐每日生产的产品重量。•②便于管理控制•由于上面原因，生产成本大大降低，水、电、气平衡易于控制。四、存在的问题•1、理论上：菌体生长与产物形成的关系，•最适D、最适菌浓度的掌握理论上的推导不•完全符合实际生产。•2、退化与变异：连续发酵时间越长越好，•但许多菌会发生退化，表现在生产能力上退•化，合成产物上发生变换。解决方法，更换•菌种或种子。•3、染菌问题：要解决之，对设备严密度、无菌操作•严格，及好气气体供给。•4、均匀度：与输送能否顺利进行，主要是丝状菌。第四节温度对发酵的影响及其控制•温度是保证酶活性的重要条件，因此在发酵系统中，必须保证稳定而合适的温度环境。•一、影响发酵温度的因素。•（1）产热因素：生物热和搅拌热。•（2）散热因素：蒸发热和辐射热。•发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。辐射显蒸发搅拌生物发酵QQQQQQ•①生物热：•定义：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。一般，菌株对营养物质利用的速率越大，培养基成分越丰富，生物热也就越大。发酵旺盛期的生物热大于其他时间的生物热。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。•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。•发酵过程中生物热的变化•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•②搅拌热•定义：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。•搅拌热的计算：•Q搅拌=3600（P/V）•式中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）•③蒸发热•定义：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）•式中G：空气流量，按干重计算，kg/h•I2、I1：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气）•（4）辐射热•定义：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。•辐射热的计算：辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。•3，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。•（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：•二、温度对微生物影响。•分为嗜冷菌，嗜中温菌，嗜热菌•生长活化能25~33104KJ/mol小于死亡的活化能104~122KJ/mol•∴死亡速率比生产速度对温度更敏感•三、温度对发醇影响•温度低，反应速度低，周期长•温度高，反应速度快，但菌易衰老，影响产量。•菌合成与产物合成温度要求不同。•温度通过以下方式影响发酵过程•（1）影响各种酶的反应速率和蛋白质性质•（2）影响发酵液的物理性质•（3）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。•发酵过程中，微生物生长速率变化•dX/dt=μX-αX•式中μ：比生长速率•α：比死亡速率•当处于生长状态时，μα，α可忽略。•μ与α与温度有关•根据Arrenhnius公式•μ=Ae-E/RT•α=A’e-E’/RT•通常E’大于E，所以α比μ对温度变化更为敏感。•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。•五、最适温度的确定•在发酵过程中，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•六、温度的控制•发酵罐：夹套（10M3以下）•盘管（蛇管）（10M3以上）第五节微生物的耗氧与氧的供给•∴谷氨酸发醇氧供应要适量——合理供氧•一、微生物的需氧量，即微生物的耗氧量，Oxypenconsumcd•微生的耗氧量用：•1、耗氧速率来表示•单位体积的培养液在单位时间的耗氧量叫耗氧速率（r）•单位毫摩分子/升·小时mM/l·h•耗氧速率与培养液中微生物的呼吸强度和细胞浓度有关•R=QO2*CC•QO2－－－g/l•CC－－－mM/hl•呼吸强度与菌特性有关•如青霉素菌4.2mM/hl链霉菌4.0mM/hl