第五章-发酵过程控制与优化

发酵过程控制与优化第五章什么是发酵过程？发酵过程：是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。本章讲述的内容第一节发酵过程技术原理第二节发酵条件的影响及其控制第三节泡沫对发酵的影响及其控制第四节发酵终点的判断与自溶监测第五节发酵染菌的防治及其处理5.1发酵过程技术原理代谢变化: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。目的：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。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)1.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2.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。●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4.分批发酵的生长曲线单细胞微生物5.分批发酵的类型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）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。2.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；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。3.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无反馈控制三、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。2.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。3.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。4.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。5.2发酵条件的影响及其控制发酵条件控制的目的：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。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。发酵热：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。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。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。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%。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：•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最适温度的确定发酵罐：夹套（10M3以下）盘管（蛇管）（10M3以上）4温度的控制二、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。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。1.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2.发酵过程中pH的变化生长阶段生成阶段自溶阶段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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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6pH的控制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1发酵过程的溶氧变化发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降。发酵中后期：溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等。发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升。2溶氧的控制调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍）限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。四、CO2对发酵的影响及控制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。1.CO2对发酵的影响CO2对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度高于4%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1.6×10-1mol，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%。CO2对发酵也有影响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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。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。2.CO2对发酵影响的机理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。五、培养基对发酵的影响发酵培养基必需满足微生物的能量、元素及特殊养分的需求：碳源、氮源、矿物质、特殊养分（嘌呤、嘧啶）基质浓度对发酵的影响：低浓度有诱导作用，高浓度会起分解代谢物阻遏作用；培养基过于丰富中，会使菌体生长过盛，发酵液黏稠，影响传质。六、种子质量、灭菌情况接种种领、接种量灭菌时间越长，对培养基中养分破坏越大。七、加糖补料对发酵的影响5.3发酵过程中的泡沫及其控制1.泡沫的性质泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。2泡沫的类型由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。3泡沫产生的原因降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难4泡沫对发酵的不利影响通气与搅拌的强度培养基的配比及原材料组成培养基的破坏程度接种量的大小培养液本身性质的变化培养基灭菌的方法和操作染菌5影响泡沫稳定的因素不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同浓度蛋白质原科的起泡作用灭菌时间对泡沫稳定性的影响6发酵过程泡沫的变化7发酵过程泡沫控制的方法物理消沫法化学消沫法物理消泡法方法:罐内消沫法,罐外消沫法。原理:靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。优点：不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会。缺点：不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。化学消泡法机理当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲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，使泡沫破裂。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。选择消泡剂的依据对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成。消泡作用迅速，效果高和持久性能好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。不影响以后的提取过程。消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单。不干扰分析系统，如溶解氧、pH测定仪的探头。最好还能做到不影响氧的传递。消泡剂的种类和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌)。高级醇类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。硅酮类硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。5.4发酵终点的判断与自溶监测发酵终点的判断的意义：保证产品质量，提高经济效益；追求