工業(yè)發(fā)酵主要類型及主要控制參數(shù)精

1、生物制藥工藝技術(shù)課程教學(xué)方案教師：蘇艷 授課專業(yè)生物技術(shù)及應(yīng)用、生物制藥技術(shù)上課地點(diǎn) 授課時(shí)間第 周學(xué)習(xí)內(nèi)容項(xiàng)目6、發(fā)酵過(guò)程控制（2）工業(yè)發(fā)酵主要類型及主要控制參數(shù)課時(shí)8教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)v 了解發(fā)酵過(guò)程中各參數(shù)：溫度、pH、泡沫等對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響。技能目標(biāo)v 能根據(jù)不同發(fā)酵過(guò)程控制發(fā)酵參數(shù)。v 能處理發(fā)酵過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。素質(zhì)目標(biāo)v 培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際動(dòng)手操作能力、自主性、創(chuàng)造性、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度；v 吃苦耐勞、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，良好的職業(yè)素養(yǎng)。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：發(fā)酵過(guò)程中參數(shù)的控制。難點(diǎn)：發(fā)酵過(guò)程中參數(shù)的選擇。目標(biāo)群體學(xué)生在前面學(xué)習(xí)了“發(fā)酵罐及附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)”，具備了應(yīng)用微生物技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。教

2、學(xué)環(huán)境教室教學(xué)方法理論講授 時(shí)間安排教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)課型 理論課：多媒體輔助講授組織教學(xué) 5分鐘演講，1分鐘安全教育實(shí)施新課講授：項(xiàng)目6 發(fā)酵過(guò)程的控制知識(shí)目標(biāo): 了解發(fā)酵過(guò)程中各參數(shù)對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響。 掌握發(fā)酵過(guò)程中各發(fā)酵參數(shù)的控制。能力目標(biāo): 能根據(jù)不同發(fā)酵過(guò)程控制發(fā)酵參數(shù)。 能處理發(fā)酵過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。素質(zhì)目標(biāo): 培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際動(dòng)手操作能力、自主性、創(chuàng)造性、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度；吃苦耐勞、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神 。任務(wù)1工業(yè)發(fā)酵主要類型及主要控制參數(shù)一、概述發(fā)酵：指在厭氧條件下葡萄糖通過(guò)酵解途徑生成乳酸或乙醇等的分解代謝過(guò)程。廣義上將發(fā)酵看作是微生物把一些原料養(yǎng)分在合適的發(fā)酵條件下經(jīng)過(guò)特定的代謝轉(zhuǎn)變成

3、所需產(chǎn)物的過(guò)程。微生物培養(yǎng)亦稱微生物發(fā)酵，發(fā)酵生產(chǎn)按微生物培養(yǎng)工藝不同可以分為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵兩種類型。兩者在工藝過(guò)程上大體相同，主要工藝過(guò)程為：斜面菌種培養(yǎng)-菌體或孢子懸浮液制備-種子擴(kuò)大培養(yǎng)-發(fā)酵培養(yǎng)-發(fā)酵產(chǎn)物與發(fā)酵基質(zhì)分離-提純與精制-成品。固態(tài)發(fā)酵是將微生物接種到經(jīng)過(guò)處理的固體發(fā)酵基質(zhì)上，或?qū)l(fā)酵原料及菌體吸附在疏松的固體支撐物上，通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)，使發(fā)酵原料轉(zhuǎn)化成發(fā)酵產(chǎn)品。采用固態(tài)發(fā)酵工藝所需設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)酵堆；操作方法簡(jiǎn)單，能耗較低，不需要大量的通風(fēng)和攪拌。但是固態(tài)發(fā)酵不宜采用自動(dòng)化控制，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，生產(chǎn)率較低。液態(tài)發(fā)酵是將物料首先制備成液態(tài)，再將微生物接入進(jìn)

4、行發(fā)酵。液態(tài)發(fā)酵容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。深層培養(yǎng)可分為分批培養(yǎng)、補(bǔ)料-分批（流加培養(yǎng)）培養(yǎng)、半連續(xù)培養(yǎng)（發(fā)酵液帶放）、連續(xù)培養(yǎng)和灌注培養(yǎng)五種方式。以發(fā)酵方式可分為分批發(fā)酵、補(bǔ)料-分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵等。二、分批發(fā)酵1.分批發(fā)酵的理論基礎(chǔ)分批發(fā)酵是指在一個(gè)密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，使微生物生長(zhǎng)繁殖，在特定的條件下只完成一個(gè)生長(zhǎng)周期的微生物培養(yǎng)方法。分批培養(yǎng)的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，易于掌握，是最常見(jiàn)的操作方式。分批發(fā)酵過(guò)程一般可粗分為四期：即適應(yīng)期（也有稱停滯期或延滯期的）、對(duì)數(shù)（指數(shù)）生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)穩(wěn)定期和死亡期；也可細(xì)分為六期：即停滯期、加速期、對(duì)數(shù)期、減

5、速期、靜止期和死亡（衰亡）期2. 重要的生長(zhǎng)參數(shù)得率系數(shù)Y 在濃度較低的范圍內(nèi)，靜止期的細(xì)胞濃度與初始基質(zhì)濃度成正比，可用下式表示： XY（So一St） 式中 so初始基質(zhì)濃度，g/L; st經(jīng)培養(yǎng)時(shí)間t時(shí)基質(zhì)濃度；Y得率系數(shù)，g細(xì)胞/g基質(zhì)當(dāng)生長(zhǎng)停止時(shí)，st等于零。方程可用于預(yù)測(cè)用多少初始基質(zhì)便能得到相應(yīng)的菌量。比生長(zhǎng)速率 用Monod方程可描述比生長(zhǎng)速率和殘留的限制性基質(zhì)濃度之間的關(guān)系 max s（KsS） 式中 比生長(zhǎng)速率，h-1； max最大比生長(zhǎng)速率，h-1；S基質(zhì)濃度，g/L;Ks基質(zhì)利用常數(shù)，相當(dāng)于max /2時(shí)的基質(zhì)濃度，g/L，是菌對(duì)基質(zhì)的親和力的一種度量。3.分批發(fā)酵的優(yōu)缺

6、點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是：周期短，培養(yǎng)基一次滅菌，一次投料，容易實(shí)現(xiàn)無(wú)菌狀態(tài)；操作簡(jiǎn)單，易于操作控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；培養(yǎng)濃度較高，易于產(chǎn)品分離。分批培養(yǎng)的輔助時(shí)間較多，設(shè)備生產(chǎn)能力低。分批發(fā)酵不適用于測(cè)定其過(guò)程動(dòng)力學(xué)，因使用復(fù)合培養(yǎng)基，不能簡(jiǎn)單地運(yùn)用Monod方程來(lái)描述生長(zhǎng)，存在基質(zhì)抑制問(wèn)題，出現(xiàn)二次生長(zhǎng)現(xiàn)象。對(duì)基質(zhì)濃度敏感的產(chǎn)物，或次級(jí)代謝物，如對(duì)基質(zhì)濃度敏感的產(chǎn)物，或次級(jí)代謝物，比如抗生素，用分批發(fā)酵不合適，因其周期較短，一般在12天，產(chǎn)率較低。在目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)發(fā)酵生產(chǎn)中，都是采用分批培養(yǎng)的方法。三、補(bǔ)料（流加）分批發(fā)酵1.補(bǔ)料-分批發(fā)酵理論基礎(chǔ)補(bǔ)料-分批發(fā)酵是指先將一定量的培養(yǎng)液裝入反應(yīng)器，在適宜的

7、條件下接種細(xì)胞，進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)胞不斷生長(zhǎng)，產(chǎn)物也不斷形成。目前國(guó)內(nèi)外的酵母生產(chǎn)行業(yè)大多采用這種操作方法。目前補(bǔ)料-分批發(fā)酵的類型很多，就補(bǔ)料的方式而言，有連續(xù)補(bǔ)料、不連續(xù)補(bǔ)料和多周期補(bǔ)料；每次補(bǔ)料又可分為快速補(bǔ)料、恒速補(bǔ)料、指數(shù)速度補(bǔ)料和變速補(bǔ)料；按反應(yīng)器中發(fā)酵液體積區(qū)分，又有變體積和恒體積之分；從反應(yīng)器數(shù)目分類又有單級(jí)和多級(jí)之分；從補(bǔ)加的培養(yǎng)基成分來(lái)分，又可分為單一組分補(bǔ)料和多組分補(bǔ)料。補(bǔ)料-分批發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)在于它能在這樣一種系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度，從而避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)和能夠按設(shè)備的通氣能力去維持適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵條件，并且能減緩代謝有害物的不利影響。四、半連續(xù)發(fā)酵 半連續(xù)培養(yǎng)又稱為反復(fù)分批

8、培養(yǎng)或換液培養(yǎng)，在補(bǔ)料-分批發(fā)酵的基礎(chǔ)上加上間歇放掉部分發(fā)酵液（帶放）便可稱為半連續(xù)發(fā)酵。半連續(xù)發(fā)酵也有它的不足：放掉發(fā)酵液的同時(shí)也丟失了未利用的養(yǎng)分和處于生產(chǎn)旺盛期的菌體；定期補(bǔ)充和帶放使發(fā)酵液稀釋，送去提煉的發(fā)酵液體積更大；發(fā)酵液被稀釋后可能產(chǎn)生更多的代謝有害物，最終限制發(fā)酵產(chǎn)物的合成；一些經(jīng)代謝產(chǎn)生的前體可能丟失；有利于非產(chǎn)生菌突變株的生長(zhǎng)。據(jù)此，在采用此工藝時(shí)必須考慮上述的技術(shù)上限制，不同的品種應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。五、連續(xù)發(fā)酵1.單級(jí)連續(xù)發(fā)酵的理論基礎(chǔ)流入罐內(nèi)的料液使得發(fā)酵液變稀，流量與培養(yǎng)液體積之比可用D來(lái)表示，稱為稀釋率（h-1），表示單位時(shí)間內(nèi)加入的培養(yǎng)基體積占發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基體積的分率，其倒數(shù)表示培養(yǎng)液在發(fā)酵罐內(nèi)平均停留時(shí)間。2多級(jí)連續(xù)培養(yǎng)3連續(xù)培養(yǎng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用（1）酵母、細(xì)菌等單細(xì)胞蛋白產(chǎn)品（2）酒精、啤酒、醋酸等一次代謝產(chǎn)物（3）污水的生化處理4.連續(xù)培養(yǎng)中存在的問(wèn)題（1）污染雜菌問(wèn)題（2）生產(chǎn)菌種突變問(wèn)題六、灌注培養(yǎng)灌注培養(yǎng)是指細(xì)胞接種后進(jìn)行培養(yǎng)，一方面新鮮培養(yǎng)基不斷加入反應(yīng)器，另一方面又將反應(yīng)液連續(xù)不斷地取出，但細(xì)胞留在反應(yīng)器內(nèi)，使細(xì)胞處于一種不斷的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。七、發(fā)