發(fā)酵工藝學(xué)發(fā)酵工藝過(guò)程控制

1、發(fā)酵工藝學(xué)發(fā)酵工藝過(guò)程控制第1頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二一、 分批培養(yǎng) （batch culture or fermentation）1.概念：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)，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。第2頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二分批培養(yǎng)中微生物的生長(zhǎng)遲滯期對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期穩(wěn)定期死亡期第3頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二2.特點(diǎn)：(1)整個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)與外界沒(méi)有其它物質(zhì)交換（O2、CO2、消泡劑、酸堿除外）(2)整個(gè)過(guò)程中菌的濃度、營(yíng)養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)

2、物濃度不斷變化，是一種非穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)方法。第4頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二3.分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 操作簡(jiǎn)單，周期短，染菌機(jī)會(huì)少， 生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。缺點(diǎn): 產(chǎn)率低。第5頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二二、連續(xù)培養(yǎng)（continuous culture） 1. 概念： 微生物培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，在發(fā)酵罐中不斷添加新鮮的培養(yǎng)基，同時(shí)不斷放出代謝物，使微生物細(xì)胞在近似恒定狀態(tài)下生長(zhǎng)的培養(yǎng)方式。第6頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二2. 特點(diǎn)： 菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度均處于恒定狀態(tài)。第7頁(yè)，共40頁(yè)

3、，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二3. 連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 控制稀釋速率可以使發(fā)酵過(guò)程最優(yōu)化。 發(fā)酵周期長(zhǎng)，產(chǎn)量高。缺點(diǎn): 長(zhǎng)期連續(xù)培養(yǎng)會(huì)引起菌種退化，降低 產(chǎn)量。染菌機(jī)會(huì)增加。應(yīng)用：廢水處理、葡萄糖酸發(fā)酵、酒精發(fā)酵等工業(yè)中。第8頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二三、補(bǔ)料分批培養(yǎng)（fed-batch culture） 介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的操作方法。1.概念：根據(jù)菌體生長(zhǎng)和初始培養(yǎng)基的特點(diǎn)，在分批培養(yǎng)的某些階段適當(dāng)補(bǔ)加培養(yǎng)基，使菌體或其代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)。第9頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二2.補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)

4、點(diǎn)： 與分批培養(yǎng)相比(1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)。(2)延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時(shí)間。第10頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二 與連續(xù)培養(yǎng)相比(1)降低了染菌，避免了遺傳不穩(wěn)定性。(2)最終產(chǎn)物濃度較高，有利于產(chǎn)物的分離。(3)使用范圍廣。第11頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二 缺點(diǎn)：(1)由于沒(méi)有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致 比生產(chǎn)速率的下降。(2)由于物料的加入增加了染菌機(jī)會(huì)。 應(yīng)用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工業(yè)。第12頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二3. 幾個(gè)實(shí)例：產(chǎn)物補(bǔ)料物酵母菌麥芽汁、氮、磷、鎂谷

5、氨酸氨水或尿素檸檬酸銨鹽、糖蘋(píng)果酸葡萄糖淀粉酶葡萄糖青霉素葡萄糖、氨水、苯乙酸第13頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二 第二節(jié) 溫度變化及其控制一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響 1.影響反應(yīng)速率 2.影響發(fā)酵方向另外，還影響發(fā)酵液的粘度、溶氧和傳遞速率。第14頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二二、最適溫度的選擇 最適發(fā)酵溫度是既適合菌體的生長(zhǎng)又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。 隨菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生長(zhǎng)階段不同而改變。 第15頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二三、發(fā)酵過(guò)程引起溫度變化的因素發(fā)酵熱Q發(fā)酵Q生物Q攪拌Q蒸發(fā)Q輻射第16

6、頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二四、溫度的控制 一般不需加熱，因釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況多。 用夾套或蛇形管，通冷卻水。第17頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二 第三節(jié) pH變化及其控制一、pH變化的原因 1.基質(zhì)代謝 （1）糖代謝 糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。 糖缺乏，pH上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。 （2）氮代謝 氨基酸中的-NH2被利用，pH下降； 尿素被分解成NH3，pH上升。 （3）生理酸堿性物質(zhì)利用后，pH上升或下降。 2.產(chǎn)物形成 3.菌體自溶 pH上升第18頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二二

7、、pH對(duì)發(fā)酵的影響 1.影響酶的活性。 2.影響微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。 3.影響微生物對(duì)基質(zhì)的利用速率。 4.影響代謝方向。第19頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二三、pH值的確定和控制 1.pH的確定 微生物發(fā)酵的最適pH范圍一般在58之間，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，即配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況。第20頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二舉例：Aspergillus niger在pH22.5范圍時(shí)有利于合成檸檬酸，當(dāng)在pH2.56.5范圍內(nèi)時(shí)以菌體生長(zhǎng)為主，而在pH7.0時(shí)，則以合成草酸為主。 生長(zhǎng)的最適pH值與發(fā)酵的最適pH值第21頁(yè)，共40頁(yè)

8、，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二2.pH的控制 (1)調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)培養(yǎng)基的pH。 若控制消后pH在6.0，消前pH往往要調(diào)到6.56.8。 (2)通過(guò)加酸堿和中間補(bǔ)料來(lái)控制。第22頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二a.過(guò)去直接加酸（H2SO4）或堿（NaOH），現(xiàn)常用： 生理酸性物質(zhì)：(NH4)2SO4 生理堿性物質(zhì)：氨水b.補(bǔ)料既調(diào)節(jié)了pH值，又補(bǔ)充了營(yíng)養(yǎng)，還可減少阻 遏作用。如：味精廠普遍采用流加尿素，有兩個(gè)作用: 調(diào)節(jié)pH值 補(bǔ)充氮源第23頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二 第四節(jié) 溶解氧及其控制一、溶解氧（dissolved

9、oxygen,DO）對(duì)發(fā)酵的影響 溶氧要適量，大小與產(chǎn)物的生物合成途徑有關(guān)。（1）最適氧濃度（optimal oxygen concentration）： 菌體生長(zhǎng)或產(chǎn)物合成最適濃度范圍。（2）臨界氧濃度（critical value of dissolved oxygen concentration）： 滿足微生物呼吸的最低氧濃度。第24頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二二、溶氧濃度的控制 溶氧濃度決定因素：供氧和需氧兩方面。（一）供氧方面： 1.調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速 2.調(diào)節(jié)通氣速率第25頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二（二）需氧方面： 1.菌體濃

10、度和菌齡 2.基質(zhì)種類和濃度 以菌濃影響最明顯。 3.培養(yǎng)條件 控制方法：通過(guò)控制基質(zhì)濃度。第26頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二大型發(fā)酵罐攪拌裝置第27頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二溫度傳感器、耐高溫pH和溶氧（DO）傳感器第28頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二 第五節(jié) 泡沫的形成與控制一、泡沫產(chǎn)生的原因 1.通風(fēng)攪拌程度及菌體新陳代謝產(chǎn)生的CO2。 2.培養(yǎng)基性質(zhì)第29頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二二、泡沫的危害 1.降低生產(chǎn)能力（裝料系數(shù)減少） 引起原料浪費(fèi) 2.造成大量逃液 引起

11、染菌 3.影響菌的呼吸第30頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二三、泡沫的控制調(diào)整培養(yǎng)基成分（如少加或緩加易起泡的原材料）改變某些物理化學(xué)參數(shù)（如pH值、溫度、通氣和攪拌）改變發(fā)酵工藝（采用分批投料）第31頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二1.機(jī)械消泡：（物理方法） 利用機(jī)械振動(dòng)或壓力變化使泡沫破裂。 罐內(nèi)消泡: 靠罐內(nèi)消泡漿打碎泡沫。 罐外消泡：靠噴嘴的加速作用消除泡沫。第32頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二2.消泡劑消泡機(jī)理: 降低液膜的機(jī)械強(qiáng)度 降低液膜的表面粘度（1）天然油脂類：豆油、玉米油、棉子油、菜籽油（還可作

12、為碳源），用量大，0.1% 0.2%。（2）聚醚類：又稱泡敵，消泡能力為豆油的1020倍，用量少，0.02%-0.03%。第33頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二 第六節(jié) 發(fā)酵染菌及其防治一、染菌的檢查、判斷 （一）觀察法 1. 菌體濃度（OD值）異常（OD:optical density） 2. 溶解氧（DO）異常 3. pH值異常 4. 泡沫過(guò)多第34頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二（二） 鏡檢法（三） 平板劃線培養(yǎng)法（四） 酚紅肉湯培養(yǎng)法第35頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二二、發(fā)酵染菌的原因 1.種子帶菌 2.空氣帶菌 3.設(shè)備滲漏 4.培養(yǎng)基滅菌不徹底 5.技術(shù)管理不善第36頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二三、染菌情況分析1.單罐染菌罐本身而非系統(tǒng)問(wèn)題。如種子帶菌、培養(yǎng)基滅菌不徹底、罐有滲漏、分過(guò)濾器失效。2.多罐染菌系統(tǒng)問(wèn)題，如空氣過(guò)濾系統(tǒng)有問(wèn)題，特別是總過(guò)濾器長(zhǎng)期沒(méi)有檢查，可能受潮失效；移種或補(bǔ)料的分配站有滲漏或滅菌不徹底。第37頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)42分，星期二3.前期染菌 種子帶菌、培養(yǎng)基滅菌不徹底。4.中后期染菌 補(bǔ)料的料液滅菌不徹底或補(bǔ)料管道、閥門(mén)滲漏，一般不會(huì)是種子問(wèn)題。第38頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，18