发酵工业与发酵工程_06发酵过程控制1-3节

第六章发酵过程控制1.过程控制的重要性菌株特性(营养要求、生长速率、呼吸强度、产物合成速率)传递性能物理：n、T、Ws化学：pH、DO、浓度过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的控制。决定发酵水平的因素外部环境因素工艺条件生物因素：设备性能：2.发酵过程控制的一般步骤研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制，获取最适水平或最佳范围确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制3.参数检测•代谢参数按性质可分为三类：物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、溶氧浓度、pH、产物浓度、核酸量等生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等•参数按获取方式可分为两类：直接参数：如T、pH、罐压、空气流量、搅拌转速、溶氧浓度等间接参数：将直接参数通过公式计算获得的参数，如摄氧率(γ)、呼吸强度(QO2)、比生长速率（μ)、体积溶氧系数(KLa)、呼吸商(RQ)等。离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）在线测量：如T、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、搅拌转速等参数的测量方法伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热；发酵热的产生引起发酵液温度变化。在发酵过程中，某些因素导致热的产生，另外一些因素又导致热量散失。产热散热净热量堆积发酵液的温度上升；相反，产热小于耗热，温度下降。第一节温度控制1、发酵热①生物热（Q生物）在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。产热的情况：•具有时间性；•具有生物特异性；•与营养有关；特点：②搅拌热（Q搅拌）在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：Q搅拌＝P×860×4186.8（焦耳/小时）P——搅拌轴功率1千瓦时＝860×4186.8焦耳③蒸发热：空气经发酵液时，发酵液中有部分水汽化，变成水蒸气，随空气一起排出罐外，这部分水汽化时带走的热量用Q蒸发表示，假设进出口气体温度相同，则由通气带走的热量为：Q蒸发=G（I出-I进），G：空气流量；I：气体热焓；散热的情况：散热的情况：④辐射热：因发酵罐液体温度与罐外周围环境温度不同，发酵液中一部分热通过罐体向大气辐射即称为辐射热。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.温度对微生物生长的影响嗜冷菌适应于0～26℃生长，嗜温菌适应于15～43℃生长，嗜热菌适应于37～65℃生长，嗜高温菌适应于65℃上生长(1)有最适宜温度范围。(2)高温使蛋白质凝固。耐热能力与pH值有关。TV最低最适最高温度对微生物生长的影响具体表现在：①微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的过渡状态称为液晶态。②酶在低温条件下的结构完整性和催化功能。③不能低温合成蛋白质。④低温微生物可合成冷休克蛋白。⑤微生物受高温的伤害比低温的伤害大，低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。（1）影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生长代谢与产物生成。（2）改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。（3）影响生物合成方向。（4）温度对菌的调节机制关系密切。（5）影响酶系组成及酶的特性。4.温度对发酵的影响5.温度的控制最适温度的选择1）根据菌种及生长阶段选择微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速；中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此温度要稍低一些；后期产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成。2）根据培养条件选择通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。3）根据菌生长情况第二节pH对发酵的影响及其控制•微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生：①酸性或碱性代谢产物的生成或释放；②菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。一、发酵液中pH变化的基本原理（1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机酸积累，pH下降；（2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加；（3）生理酸性盐的利用；（4）酸性产物形成：如有机酸发酵。引起发酵液中pH下降的因素（1）C/N过低（N源过多），氨基氮（NH4＋）释放；（2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；（3）生理碱性盐的利用；（4）碱性产物形成。引起发酵液中pH上升的因素二、发酵过程中pH的变化规律•生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的趋势；•生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合成的范围；•自溶阶段：pH又上升。1.pH对微生物生长的影响每一类菌都有其最适pH和能耐受的pH范围细菌:pH6.3～7.5；霉菌和酵母菌：pH3～6；放线菌：pH7～8三、pH值对发酵过程的影响2.pH对产物合成的影响产物合成阶段的最适pH值和微生物生长阶段的最适pH往往不一定相同，这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学特性。e.g.丙酮丁醇菌：生长pH为5.5～7.0；合成pH为4.3～5.3青霉素产生菌：生长pH为6.5～7.2，合成pH为6.2～6.8链霉素产生菌：生长pH为6.3～6.9，合成pH为6.7～7.3pH影响代谢方向：pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。e.g.黑曲霉发酵：pH2~3,柠檬酸；pH接近中性，草酸酵母菌发酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸和甘油谷氨酸发酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；pH5.0~5.8,谷酰胺和N-乙酰谷酰胺①影响酶的活性。②影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜的渗透性的变化，因而影响菌体对营养的吸收和代谢产物的形成。③影响培养基某些重要的营养物质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。④影响代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生变化。pH对微生物生长和发酵产物合成的影响机制有：四、最适pH的选择•选择pH准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量。①调节好基础料的pH。②在基础料中加入维持pH的物质，如CaCO3，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等。③通过补料调节pH。五、pH的控制方法在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH，如（1）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH（2）当NH2-N低，pH低时补氨水；当NH2-N低，pH高时补(NH4)2SO4④当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH•改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，控制有机酸的积累量及其代谢速度；•改变温度，以控制微生物代谢速度；•改变罐压及通气量，降低CO2的溶解量；•改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；应急措施：1、泡沫的产生、性质及变化形成条件：–气-液两相共存；–表面张力大的物质存在；第三节泡沫的控制•一种是发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期的泡沫；•另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫，分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显的界限。发酵过程中泡沫有两种类型：发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度发酵前期培养基成分丰富，易起泡。采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。也可在基础料中加入消泡剂。（2）培养基配比与原料组成前期培养基营养丰富粘度大，产泡沫多而持久。例：在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900rpm，通气，泡沫生成量为培养基的2倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易搅拌开。（3）菌种、种子质量和接种量菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量。（4）灭菌质量培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。•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；•发酵开始起泡能力低，以后上升；•以上类型的综合方式。泡沫的形成一般有以下几种规律：2.泡沫对发酵的影响1）降低生产能力2）引起原料浪费3）影响菌的呼吸4）引起染菌①调整培养基中的成分(如少加或缓加易起泡的原材料)或改变某些物理化学参数(如pH值、温度、通气和搅拌)或者改变发酵工艺(如采用分次投料)来控制，以减少泡沫形成的机会。但这些方法的效果有一定的限度。3.泡沫的控制②采用机械消泡或消泡剂消泡这两种方法来消除已形成的泡沫：③采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素–当泡沫的表层存在着极性的表面活性物质而形成双电层时，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剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，导致泡沫破裂。–当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某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，导致泡沫破裂。化学消泡•消泡机理–来源广泛；–作用迅速可靠，消泡效率高；–不需改造现有设备；–容易实现自动控制。•化学消泡的优点①表面活性剂，具有较低的表面张力（内聚力弱），消泡效果明显。②对气-液界面的散布系数必须足够大，才能迅速消泡；③无毒害性，且不影响发酵菌体；不会在使用、运输中引起任何危害；④不干扰各种测量仪表的使用；⑤在水中的溶解度较小，以保持持久的消泡性能；消泡剂选用依据：⑥应该在低浓度时具有消泡活性；⑦应该对产物的提取不产生任何影响；⑧应该对氧传递不产生影响；⑨能耐高温灭菌。⑩来源方便，使用成本低；①天然油脂：②高碳醇、脂肪酸和酯类：十八醇是常用的一种，它可以单独或与载体一起使用。③聚醚类；④硅酮类；主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物。适用于微碱性发酵，对于微酸性发酵较差。常用的一些消泡剂：•其他的消泡剂，如：聚乙二醇等高碳醇消泡剂多适用于霉菌发酵，硅酮类较适用于微碱性的细菌发酵。所以，应结合具体产品发酵，试验上述各种消泡剂的消泡效果，以获得良好的消泡作用。①消泡剂+载体：惰性载体(如矿物油、植物油等)②复合消泡剂：如GP和GPE以l:1混合使用于土霉素发酵，结果比单独使用GP的效力提高2倍；③消泡剂+乳化剂：适用于亲水性差的消泡剂。如用吐温80制成的乳剂，用于庆大霉素发酵，效力提高1～2倍。消泡剂的使用有以下几种形式：(1)种类的选择：不影响发酵和提取，能力持久。(2)用量的选择：0.003-0.025%(3)方法的选择：使用要考虑的因素：①动力小；②结构简单；③易清洁；④运行可靠；⑤维护费用低；机械消泡消泡装置设计依据：•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。物理学原理；可在罐内或罐外进行。–罐内消泡：耙式消泡桨、旋转圆板式、气流吸入式、冲击反射板式、碟式及超声波等机械消泡装置。–罐外消泡：旋转叶片式、喷雾式、离心式及转向板式等机械消泡装置。机械消泡方法方法罐外