簡明微生物工程 6.3 發(fā)酵中間控制-泡沫補(bǔ)料ppt精選課件

.,發(fā)酵過程控制之四,泡沫與補(bǔ)料的控制,.,.,.,.,發(fā)酵過程泡沫的形成與控制,.,一、泡沫形成的原因,.,二、影響發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的因素,.,二、影響發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的因素,.,三、起泡的利弊,有利之處：氣體分散、增加氣液接觸面積,.,四、泡沫的性質(zhì),.,表面活性劑示意圖,親水基疏水基,如圖所示，表面活性劑是由疏水基與親水基構(gòu)成的化合物，在水中，表面活性劑的分子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)在以下兩種情況下泡沫才能比較穩(wěn)定，停留時(shí)間比較長：,.,第一種情況表面活性劑的親水基留在水相，疏水基伸到氣相中，形成定向吸附層。第二種情況表面活性劑的疏水基在水相中互相靠在一起，減少疏水基與水的接觸，形成“膠束”。膠束的形成需要一定的濃度臨界膠束濃度。,膠束,.,溶液中：,.,表面活性劑為什么會(huì)定向排列在表面？,.,2、泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,熱力學(xué)第二定律指出：自發(fā)過程，總是從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)變化。起泡過程中自由能變化如下：,G=AG自由能的變化A表面積的變化比表面能,.,.,3、泡沫體系的三階段變化,.,.,3、泡沫體系的三階段變化,.,3、泡沫體系的三階段變化,.,五、消泡劑消泡,.,（1）使泡沫液局部表面張力降低導(dǎo)致泡沫破滅,希勒（Shearer,L.T）和艾克斯(Akers,W.W.)在油體系中研究聚硅氧烷油的消泡過程。他們對(duì)泡沫體系以1/1000秒的速度連續(xù)拍照，照片放大100倍,由圖可以看出，硅油微粒到達(dá)泡沫表面使泡沫破滅，氣泡合并，氣液迅速分離。,.,日本高野信之提出類似的觀點(diǎn)：,把高級(jí)醇或植物油灑在泡沫上，當(dāng)其附著到泡沫上，即溶入泡沫液，會(huì)顯著降低該處的表面張力。因?yàn)檫@些物質(zhì)一般對(duì)水的溶解度較小，表面張力降低只限于局部，而泡沫周圍的表面張力幾乎沒有發(fā)生變化。表面張力降低的部分，被強(qiáng)烈地向四周牽引、延展，最后破裂。,.,泡膜表面因吸附有表面活性劑，具有一定的彈性（機(jī)械強(qiáng)度），當(dāng)受到外部壓力時(shí)有自愈作用。消泡劑能破壞泡膜的這種彈性。離子型表面活性劑水溶液產(chǎn)生的泡沫，是因?yàn)楸砻婊钚詣┒ㄏ蚺帕行纬呻p電層，借助排斥作用阻礙泡沫合并而使泡沫穩(wěn)定。這種性質(zhì)的泡沫，只需向體系中加入一種離子電荷相反的表面活性劑，甚至本身也是助泡劑，就可降低泡沫穩(wěn)定性。這是因?yàn)閮煞N表面活性劑彼此干擾，妨礙在氣液界面上定向排列，破壞了膜彈性，因而產(chǎn)生消泡作用。,（2）破壞膜彈性導(dǎo)致氣泡破滅,.,（3）促使液膜排液導(dǎo)致氣泡破滅,.,.,（1）在起泡液中不溶或難溶,為破滅泡沫，消泡劑應(yīng)該在泡膜上濃縮、集中。所以消泡劑在起泡液中只有不溶或難溶，才易于聚集在氣液界面，才易于濃縮在泡膜上，才能在較低濃度下發(fā)揮作用。用于水體系消泡劑的活性成分，須為強(qiáng)疏水弱親水的分子，作用效果才最好。,.,（2）表面張力低于起泡液,只有消泡劑表面張力低于起泡液，消泡劑微粒才能夠在泡膜上浸入及擴(kuò)展。值得注意的是，起泡液的表面張力并非溶液的表面張力，而是助泡溶液的表面張力。,.,（3）與起泡液有一定程度的親和性,由于消泡過程實(shí)際上是泡沫崩潰速度與泡沫生成速度的競爭，所以消泡劑必須能在起泡液中快速分散，以便迅速在起泡液中較廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮作用。要使消泡劑擴(kuò)散較快，消泡劑活性成分須與起泡液具有一定程度的親和性。消泡劑活性成分與起泡液過親，會(huì)溶解；過疏又難于分散。只有親疏適宜，效力才會(huì)好。,.,（4）與起泡液不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),消泡劑與起泡液發(fā)生反應(yīng)，一方面消泡劑會(huì)喪失作用，另一方面可能產(chǎn)生有害物質(zhì)，影響微生物的生長。,（5）揮發(fā)性小，作用時(shí)間長,.,.,3、常用消泡劑的種類和性能,（1）天然油脂,.,.,.,（2）聚醚類消泡劑,聚醚類消泡劑種類很多，我國常用的主要是甘油三羥基聚醚。六十年代發(fā)明，美國道康寧化學(xué)公司首先投產(chǎn)。它是以甘油為起始劑，由環(huán)氧丙烷，或環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷的混合物進(jìn)行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成聚合環(huán)氧丙烷的產(chǎn)物叫聚氧丙烯甘油定名為GP型消泡劑；用于鏈霉素發(fā)酵，代替天然油，加入基礎(chǔ)料，效果很好。在GP型消泡劑的聚丙二醇鏈節(jié)末端再加成環(huán)氧乙烷，成為鏈端是親水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPE型消泡劑。按照環(huán)氧乙烷加成量為10%，20%，50%分別稱為GPE10，GPE20，GPE50。這類消泡劑稱為“泡敵”。用于四環(huán)素發(fā)酵效果很好，相當(dāng)于豆油的1020倍。,.,GP型的消泡劑親水性差，在發(fā)泡介質(zhì)中的溶解度小，所以宜使用在稀薄的發(fā)酵液中。在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入，可以抑制整個(gè)發(fā)酵過程的泡沫產(chǎn)生。GPE型消泡劑親水性較好，在發(fā)泡介質(zhì)中易鋪展，消泡能力強(qiáng)，但溶解度也較大，消泡活性維持時(shí)間短，因此用在粘稠發(fā)酵液中效果較好。有一種新的聚醚類消泡劑，在GPE型消泡劑鏈端用疏水基硬脂酸酯封頭，便形成兩端是疏水鏈，當(dāng)中間隔有親水鏈的嵌段共聚物。這種結(jié)構(gòu)的分子易于平臥狀聚集在氣液界面，因而表面活性強(qiáng)，消泡效率高。這類化合物叫GPES型消泡劑。,.,高碳醇是強(qiáng)疏水弱親水的線型分子，在水體系里是有效的消泡劑。C7C9的醇是最有效的消泡劑。C12C22的高碳醇借助適當(dāng)?shù)娜榛瘎┡渲瞥闪６葹?9m、含量為2050%的水乳液，即是水體系的消泡劑。還有些醇酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素發(fā)酵中具有消泡作用，后者還可作為前體。,（3）高碳醇,.,（4）硅酮類,最常用的是聚二甲基硅氧烷，也稱二甲基硅油。它表面能低，表面張力也較低，在水及一般油中的溶解度低且活性高。它的主鏈為硅氧鍵，為非極性分子。與極性溶劑水不親和，與一般油的親和性也很小。它揮發(fā)性低并具有化學(xué)惰性，比較穩(wěn)定且毒性小。純粹的聚二甲基硅氧烷，不經(jīng)分散處理難以作為消泡劑。因此將硅油混入SiO2氣溶膠，所構(gòu)成的復(fù)合物，經(jīng)一定溫度、一定時(shí)間處理，就可制得。,.,六、機(jī)械消泡,.,.,.,尾氣吸入管,.,尾氣吸入管,.,.,.,.,.,第四節(jié)補(bǔ)料的控制,補(bǔ)料：在發(fā)酵過程中補(bǔ)充某些養(yǎng)料以維持菌的生理代謝活動(dòng)和滿足產(chǎn)物合成的需要。,.,.,簡單的過程，培養(yǎng)基中接入菌種以后，沒有物料的加入和取出，除了空氣的通入和排氣。整個(gè)過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)都隨時(shí)間變化。,1、分批培養(yǎng),對(duì)于初級(jí)代謝產(chǎn)物，在對(duì)數(shù)生長期初期就開始合成并積累，而次級(jí)代謝產(chǎn)物則在對(duì)數(shù)生長期后期和穩(wěn)定期大量合成。,.,分批培養(yǎng)中微生物的生長,遲滯期,對(duì)數(shù)生長期,穩(wěn)定期,死亡期,.,.,2、補(bǔ)料分批培養(yǎng),在分批培養(yǎng)過程中補(bǔ)入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點(diǎn)。在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出，所以發(fā)酵結(jié)束時(shí)發(fā)酵液體積比發(fā)酵開始時(shí)有所增加。在工廠的實(shí)際生產(chǎn)中采用這種方法很多。,.,補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn),.,3、半連續(xù)培養(yǎng),在補(bǔ)料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉部分發(fā)酵液（帶放）稱為半連續(xù)培養(yǎng)。某些品種采取這種方式，如四環(huán)素發(fā)酵,.,4、連續(xù)培養(yǎng),發(fā)酵過程中一邊補(bǔ)入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持恒定。特點(diǎn)：達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，整個(gè)過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度都是恒定的。,.,.,.,三、補(bǔ)糖的控制,.,62小時(shí)20小時(shí)45小時(shí),.,.,四、補(bǔ)充氮源及無機(jī)鹽,通氨：補(bǔ)充菌體的無機(jī)氮源和調(diào)節(jié)pH值的作用。添加某些具有調(diào)節(jié)生長代謝作用的物料，如磷酸鹽、尿素、硝酸鹽、Na2SO4、酵母粉或玉米漿等。如遇生長遲緩、耗糖低，習(xí)慣補(bǔ)充適量的磷酸鹽，以促進(jìn)糖的利用。,.,五、補(bǔ)料注意問題,1、料液濃度要適合；2、注意加強(qiáng)無菌控制，對(duì)設(shè)備和操作都須從嚴(yán)掌握；3、此外應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)核算，節(jié)約糧食，注意培養(yǎng)基的碳氮平衡等。,.,菌體濃度：單位體積中菌體的含量。反映了菌體的量反映了所處的發(fā)酵階段菌體濃度主要取決與菌體的生長速率菌種環(huán)境條件,第五節(jié)菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響,.,菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響,初級(jí)代謝產(chǎn)物：多多益善受氧限制次級(jí)代謝產(chǎn)物：有一定的范圍臨界菌體濃度攝氧速率與傳氧速率相平衡時(shí)的菌體濃度,.,菌體濃度控制方法,1、培養(yǎng)基成分2、補(bǔ)料,.,測(cè)定菌體生長量的方法？,.,1、直接法：,測(cè)體積、稱干重,.,2、間接法,比濁法：可用分光光度法對(duì)無色的微生物懸浮液進(jìn)行測(cè)定或用帶有側(cè)臂的三角燒瓶作原位測(cè)定。生理指標(biāo)法：測(cè)含氮量法，一般細(xì)菌的含氮量為其干重的12.5%，酵母菌為7.5%，霉菌為6.5%，含氮量乘以6.25即為粗蛋白含量。C、P、DNA、RNA、ATP、DAP（二氨基庚二酸）、幾丁質(zhì)或N乙酰胞壁酸等含量的；產(chǎn)酸、產(chǎn)氣、耗氧、粘度和產(chǎn)熱等指標(biāo)，有時(shí)也應(yīng)用于生長量的測(cè)定。,.,比濁法,.,第七節(jié)基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響,1、碳源對(duì)發(fā)酵的影響及控制快速利用的碳源緩慢利用的碳源,.,2、氮源對(duì)發(fā)酵的影響及控制無機(jī)氮源：氨水、氨鹽有機(jī)氮源：尿素、蛋白質(zhì)快速利用的氮源：NH3、玉米漿緩慢利用的氮源：黃豆餅粉、花生餅粉、魚粉等,.,3、磷酸鹽濃度的控制亞適量生長濃度：0.32300mmol/L次級(jí)代謝