发酵工艺控制

第九章发酵工艺控制第一节温度对发酵的影响及其控制一、发酵热------发酵过程中释放出的净热量。[J/m3·h]或------单位体积的发酵液在单位时间内释放出来的净热量。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显–Q辐射1、生物热（Q生物）◇产生菌在生长繁殖过程中本身会产生大量的热，此为生物热。◇这种热的主要来源是培养基中的碳水化合物、脂肪和蛋白质等的分解。◇释放出的能量部分用来合成高能化合物(ATP),部分用来合成产物，其余的则以热的形式散发出来影响生物热的因素：菌株特性培养基成分和浓度发酵时期◇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它时间的生物热（四环素20-50小时；苏云金杆菌10-18小时）2、搅拌热（Q搅拌）搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间、液体和设备之间的摩擦，产生数量可观的热。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：Q=P×860×4186.8(J/h)P---搅拌轴功率，kW860×4186.8---机械能转变为热能的热功当量，J/kW.h影响因素：搅拌器的类型及搅拌速度3、蒸发热（Q蒸发)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。4、显热（Q显）排出气体所带的热5、辐射热（Q辐射）◇因罐内外的温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。◇辐射热的大小决定于罐内外的温差1）菌种特性2）培养基（成分及配比）3）发酵阶段4）搅拌类型及搅拌速度5）通气速度（影响Q蒸发和Q显）6）罐内外的温差影响发酵温度的因素：由于Q生物、Q蒸发、Q显在发酵过程中随时间而变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化。为了使发酵在一定温度下进行，必须采取措施加以控制。二、发酵热的测定方法一：通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热：Q发酵=GC(t2-t1)/V(J/m3·h)G---冷却水流量，kg/hC---水的比热，J/kg·℃t1、t2---进、出口的冷却水温度，℃V----发酵液体积，m3方法二：通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制装置测得温度随时间上升的速率S,按下式可求得发酵热：Q发酵=K·SS---温度随时间上升的速率，℃/hK---总参数，代表系统的热容量，J/L·℃K值可由下式求得：K=(MCp)发酵液+(MCp)容器+(MCp)附件M—以每升发酵液计的发酵液、容器、附件的重量Cp—代表各自的比热一般微生物发酵过程中的最大发酵热约为4.186×(3000～8000)kJ/m3·h三、温度与发酵的关系1、温度对微生物生长的影响◇嗜冷菌在温度低于20℃下生长速率最大嗜中温菌在30-35℃左右生长速率最大嗜热菌在50℃以上生长速率最大◇曲线形状相似；当温度增加10℃，生长速率大致增长一倍。◇当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅速下降微生物产物的生成与微生物的生长一样受温度的影响，但适于生长和适于产物合成的温度不一定相同；必须分别考察，在考虑培养温度时需要采用折中的办法。温度也会影响微生物培养的其它重要方面，如细胞得率系数等。当温度超过一定数值，细胞得率降低。主要原因是生命活动维持方面的需求增加2、温度对发酵的影响●温度对发酵的影响是各种因素综合表现的结果从酶动力学来看，温度升高，反应速率加大，代谢加快，生产期提前；但因酶本身很易因热而失去活性，温度越高，酶的失活也越快，表现在菌体易于衰老，发酵周期缩短，影响产物的最终产量。1）温度影响产物合成的速率及产量●温度除了直接影响发酵过程中各种反应速率外，还通过改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。2）温度可能会影响终产物的质量例如：苏云金杆菌的发酵，一般在30-31℃进行，这样形成的晶体毒力强。若发酵温度提高到37℃以上，虽然菌体生长繁殖较快，最终含菌数也较高，但生物毒力较低，直接影响产品的质量。3）温度还可能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℃下，该菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例提高；在温度达到35℃时，则只产生四环素，金霉素的合成停止四、最适温度的选择◇最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的形成。◇在发酵的整个周期内仅选一个温度不一定好。因为最适合菌生长的温度不一定适合产物的合成。例如：青霉素产生菌的最适生长温度是30℃，而最适于青霉素合成的温度是20℃。发酵过程中，在生长初期抗生素还未开始合成，菌丝还未长浓，这时的温度应适于微生物的生长；到抗生素分泌期，菌丝已长到一定浓度，积累抗生素是重点考虑，此时应满足生物合成的最适温度。温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握●通气条件在通气条件差的情况下，最适的发酵温度应比在正常良好通气条件下低一些；这是由于在较低的温度下，氧溶解度相应大些，菌的生长速率相应小些，从而弥补可能因通气不足而造成的代谢异常。●培养基成分和浓度在使用较稀薄或较易利用的培养基时，提高培养温度则养料往往过早耗竭，导致菌丝过早自溶，使抗生素产量降低。利用计算机模拟确定最佳发酵条件，正逐步得到推广应用。●根据模拟计算机对发酵温度最佳点的计算，得到青霉素发酵的最适温度是：起初5h维持在30℃；随后降到25℃，培养35h；再降到20℃培养85h；最后回升到25℃培养40h放罐。●采用这种变温培养，比在25℃恒温培养青霉素产量提高15%。五、温度的控制方法：罐壁调温夹层调温罐内调温第二节pH对发酵的影响及其控制一、pH对菌体生长和产物合成的影响1）pH影响酶的活性当pH抑制菌体中某些酶的活性时，使菌体的新陈代谢受阻2）pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄，因此影响代谢的正常进行。4）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。3）影响培养基某些组分和中间产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用。●例如：黑曲霉在pH2-3时，发酵产生柠檬酸，在pH接近中性时，则产生草酸。●又如：丙酮丁醇发酵中，发酵后期pH为4.3-5.3时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。二、发酵过程中pH的变化及影响pH变化的因素1、发酵过程中pH的变化1）生长阶段pH有上升或下降趋势（相对于接种后起始pH而言）如：利福霉素B发酵起始pH为中性，但生长初期由于菌体产生的蛋白酶水解蛋白胨而生成铵离子，使pH上升至碱性；接着，随着铵离子的利用及葡萄糖利用过程中产生的有机酸使pH下降到酸性范围。2）生产阶段在生产阶段，pH趋于稳定，维持在最适产物合成的范围3）自溶阶段菌丝自溶阶段，随着基质的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH上升，此时菌丝趋于自溶而代谢活动终止。2、引起发酵液中pH变化的因素◇发酵过程中pH的变化取决于微生物的种类、培养基的组成和发酵条件。◇在菌体代谢过程中，菌体本身有建成其生长最适pH的能力，但外界条件发生较大变化时，pH将会不断波动。引起pH下降的因素：（凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗的发酵，其pH都会下降）1）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大量积累而pH下降。2）消泡油加得过多3）生理酸性物质的存在，氨被利用，pH下降引起pH上升的因素：（凡是导致碱性物质生成或释放及酸性物质消耗的发酵，其pH都会下降）1）培养基中碳氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放，使pH上升。2）生理碱性物质存在3）中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH上升。三、最适pH的选择1、微生物生长和产物合成的最适pH●大多数细菌生长的最适pH6.3～7.5●霉菌最适生长pH3～6●放线菌生长最适pH7～8微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH往往不同，这不仅与菌种特性有关，也取决于产物的化学性质。例如：一般产生碱性抗生素的，如灰色链霉菌生产链霉素、红色链霉菌产生红霉素，其合成产物的最适pH为6.8-7.3，中性偏碱；而产生两性抗生素的，如金色链霉菌生产金霉素，其合成产物的最适pH为5.9-6.3,弱酸性。2、最适pH的选择◇选择合适pH值的准则是有利于菌的生长和产物的合成，以获得较高的产量◇生长期和生产期的pH不一定相同例如利福霉素B发酵的最佳pH方案是：生长期pH保持在6.5，生产期pH为7.0。四、pH的控制1、在基础培养基配方中考虑到维持pH的需要例如加入CaCO3，使用缓冲液等2、通过补加酸、碱来调节控制3、通过中间补料来控制例如可以根据生产菌的代谢需要用改变加糖速率来控制pH,也可通过中间补加尿素或硫酸铵等调节第三节基质浓度对发酵的影响及其控制一、基质浓度对发酵的影响1、对生长的影响可用Monod方程来描述基质浓度与生长速率的关系=maxSKs+S---比生长速率max---最大比生长速率S---基质浓度Ks---饱和常数（=0.5max时的基质浓度）●S＞＞Ks，趋向于max●然而，由于代谢产物或基质浓度过浓可能会导致抑制作用，出现比生长速率下降●当浓度超过某值，还可能导致细胞脱水2、对产物形成的影响●基质浓度对产物形成的影响类似于生长●在一定范围内，基质浓度大，通常产物产量高●过浓，使菌体生长过于旺盛，发酵液非常粘稠，传质状况差，对产物的合成不利例如：以乙醇为碳源发酵谷氨酸，当乙醇浓度达35g/L，可延长谷氨酸生产时间，提高产量；但在更高浓度下，菌体生长受到抑制，产量降低二、基质浓度的控制——补料控制为解除基质过浓的抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖效应，以及避免在分批发酵中因一次性投糖（料）过多造成细胞大量生长，耗氧过多而供氧不足的状况，通常采用中间补料工艺。补料的方式：1）于预定时间一次性补料或间歇补料2）连续恒速补料3）变速补料（指数流加）为有效地进行中间补料，须选择恰当的反馈控制参数；掌握这些参数与微生物生长、基质利用和产物形成之间的关系。反馈控制操作分直接法和间接法1）直接法：◇直接以限制性营养物质浓度作为反馈控制参数例如碳源、氮源、碳氮比◇由于缺乏直接测量重要参数的传感器，该法的使用受到一定限制。目前只有少数基质，如甲醇、乙醇、葡萄糖等可直接测量2）间接法以溶氧、呼吸商、代谢物浓度等作为反馈控制参数第四节溶氧浓度对发酵的影响及控制一、溶氧测定的意义1、溶氧作为发酵中氧是否足够的度量，了解菌对氧利用的规律。2、溶氧作为发酵异常情况的指示溶氧一反往常，在较短的时间内跌到零附近，且跌零后长时间不回升，这很可能说明污染了好气菌如发酵过程中溶氧迅速回升，发酵液变稀，则很可能是污染了噬菌体3、溶氧作为发酵中间控制的手段之一补糖后，溶氧出现明显下降的趋势因此可利用溶氧作为参数来控制加料的次数、流加速度和加入量4、溶氧作为考查设备、工艺条件对氧供需与产物形成影响的指标之一二、适当溶解氧的选择◆在好氧微生物反应中，一般取[DO]＞[DO]cri以保证反应的正常进行。临界氧浓度是不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度。◆氧的满足度——实际溶解氧浓度与临界氧浓度之比。合适溶解氧选择的原则：如果要使菌体快速生长繁殖（如发酵前期），则应达到临界氧浓度；如果要促进产物的合成，则应根据生产的目的不同，使溶解氧控制在最适浓度（不同的满足度）例如：黄色短杆菌可生产多种氨基酸，但要求的氧浓度可能不同对谷氨酸和天门冬氨酸的生产，当溶解氧浓度低于临界氧浓度时，氨基酸产量下降，也就是说要求氧的满足度=1但对于苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的生产，则在低于临界氧浓度时获得最大生产能力，它们的最佳氧浓度分别为临界氧浓度的0.55、0.66、0.85。三、发酵液中溶解氧的控制培养液中溶解氧浓度的任何变化都是供需平衡的结果，因此调节发酵液中溶氧量不外乎从供、需两方面考虑、着手G/=KLa·V·(C*-CL)G---溶解于液体中的氧量，mmol---气-液接触时间，hV---培养液的体积，LCL---液相中氧的浓度，mmol/LC*---与气相中氧分压相平衡的液