河南科技學(xué)院常景玲第六章7課件

微生物發(fā)酵生產(chǎn)水平取決于:生產(chǎn)菌種性能與合適的環(huán)境條件發(fā)酵過(guò)程各種參數(shù)處于不斷變化狀態(tài)關(guān)鍵在于過(guò)程檢測(cè)與控制6.7發(fā)酵培養(yǎng)工藝控制就地探頭：pH，溶氧，溫度，液位在線儀器：尾氣分析儀離線儀器：基質(zhì)、產(chǎn)物濃度生物學(xué)參數(shù)：菌體濃度，形態(tài)，雜菌物理參數(shù)：溫度，壓力，攪拌，粘度化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度，pH，溶解氧，尾氣，補(bǔ)料消泡檢測(cè)儀器與主要參數(shù)1.細(xì)胞形態(tài)

鏡檢：

顯微鏡檢測(cè)，染色，光學(xué)、熒光，電鏡

應(yīng)用：

是否污染，發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)，菌種的真實(shí)性。6.7.1生物學(xué)檢測(cè)主要的參數(shù)與控制概念：攝氧速率與氧傳遞速率平衡時(shí)的菌體濃度菌體遺傳特性與發(fā)酵罐氧傳質(zhì)特性的綜合反映?？刂撇呗裕褐虚g補(bǔ)料、控制CO2和O2量。臨界菌體濃度控制種子污染培養(yǎng)基滅菌不徹底空氣帶菌設(shè)備及其附件滲漏3.發(fā)酵污染雜菌的檢測(cè)與控發(fā)酵溫度概念:發(fā)酵中的所維持溫度在生長(zhǎng)和生產(chǎn)的最適溫度范圍內(nèi)測(cè)定：熱電阻等熱敏原件測(cè)定，溫度計(jì)上讀出。6.7.2物理參數(shù)的檢測(cè)與控制1.溫度的檢測(cè)與控制概念：菌體生長(zhǎng)過(guò)程中直接釋放到體外的熱能。

影響因素：

培養(yǎng)基成分：越豐富，生物熱越多。菌體濃度、呼吸強(qiáng)度：越大，生物熱越多。不同生長(zhǎng)階段：生物熱也不同。

發(fā)酵熱平衡的主要依據(jù)：對(duì)數(shù)期的生物熱生物熱(biologicalheat)概念：攪拌器引起的液體之間和液體與設(shè)之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量。影響因素：發(fā)酵罐：攪拌設(shè)備、攪拌方式培養(yǎng)基：發(fā)酵液黏度。計(jì)算：?jiǎn)挝惑w積發(fā)酵液的消耗功率與熱功量（3600kJ/kWh）的乘積。攪拌熱(agitationheat)蒸發(fā)熱：空氣進(jìn)入發(fā)酵罐后，引起水分蒸所需的熱能。顯熱：廢氣排出時(shí)帶走的熱能。輻射熱：發(fā)酵液中部分熱能以輻射熱的形通過(guò)罐體輻射到大氣中。影響因素：溫度差異而造成的熱能損失。發(fā)酵溫度、通氣溫度和流量等散失熱選擇最適溫度并嚴(yán)格控制。不同菌種：不同溫度。兩段變溫發(fā)酵培養(yǎng)：生長(zhǎng)階段，選擇適宜的菌體生長(zhǎng)溫度，生產(chǎn)階段選擇最適宜的產(chǎn)物生產(chǎn)溫度。后期降溫控制：避免產(chǎn)物降解。（2）溫度的選擇原則一般不需要加熱，往往經(jīng)常需要降溫冷卻夾套層、蛇形管，熱交換；電熱縟冷卻水降溫：滯后，需要一定的經(jīng)驗(yàn)和技巧冷凍鹽水循環(huán)式降溫：迅速建立冷凍站：提高冷卻能力發(fā)酵溫度與冷卻偶聯(lián)（3）溫度的控制方式概念：罐體內(nèi)的壓力，由壓力表讀出。罐壓的影響：維持正壓，防止污染；CO2和O2

的溶解度,不同生物對(duì)壓力耐受不同控制：進(jìn)或出口閥門(mén)，進(jìn)入或排出氣體或空氣流量

維持工藝所需壓力：0.02－0.05MPa2.壓力的檢測(cè)與控制基質(zhì)濃度pH溶解氧尾氣6.7.3化學(xué)參數(shù)的檢測(cè)與控制基質(zhì)濃度：發(fā)酵液中糖、氮、磷等發(fā)酵液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度檢測(cè)：在線或離線。補(bǔ)料控制：經(jīng)驗(yàn)方法和動(dòng)力學(xué)方法。補(bǔ)料時(shí)間、數(shù)量和方式：代謝類型。動(dòng)力學(xué)方法：菌體比生長(zhǎng)速率、糖比消耗速率、產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率等參數(shù)控制。1.基質(zhì)濃度的檢測(cè)與控制發(fā)酵中pH的變化是酸和堿綜合表現(xiàn)。酸的來(lái)源：糖類原料中的酸性雜質(zhì)；糖在高溫滅菌中氧化或反應(yīng)生成酸；糖被代謝生成有機(jī)酸，分泌到培養(yǎng)液。堿的來(lái)源：水解酪蛋白和酵母粉等作為碳源利用。2.pH檢測(cè)與控制概念：溶于培養(yǎng)液中的氧含量表示：絕對(duì)含量，飽和氧濃度的百分?jǐn)?shù)。檢測(cè)：在線溶氧電極?？刂撇呗裕汗?yīng)量和需要量二個(gè)方面考使之需氧不超過(guò)設(shè)備的供氧能力。3.溶解氧的檢測(cè)與控制氧溶解過(guò)程：氧從空氣氣泡擴(kuò)散到培養(yǎng)液氧溶解速率：dissolvedoxygenrate氧傳遞速率：oxygentransferrate,OTR供氧oxygensupply原理菌體吸收溶解氧的過(guò)程攝氧速率(Oxygenuptakerate，OUR)耗氧速率耗氧oxygenconsumption測(cè)定：尾氣O2變化和通氣量；溶氧電極細(xì)菌和酵母：3－10％放線菌：5－30％霉菌：10－15％。呼吸臨界氧濃度和合成臨界氧濃度可能不一致臨界溶氧測(cè)定增加氧分壓：通入純富氧空氣，增加溶氧濃度，不經(jīng)濟(jì)。提高罐壓：增加CO2濃度，對(duì)設(shè)備要求高改變通氣速率：兩倍，有時(shí)達(dá)5－10倍。降低發(fā)酵溫度影響供氧因素－氧推動(dòng)力廢氣中的氧含量和細(xì)胞的攝氧速率有關(guān)二氧化碳為細(xì)胞呼吸產(chǎn)生并釋放出應(yīng)用于計(jì)算：細(xì)胞的攝氧速率、呼吸速率和發(fā)酵罐的供氧能力。4.廢氣檢測(cè)與控制攝氧率OURCO2釋放率CER概念：產(chǎn)生CO2與吸收O2摩爾比值，正常情況為1。提供耗氧和碳源情況平衡碳源利用維持溶氧水平在臨界值以上保證CO2維持在臨界抑制值以下呼吸熵RQ概念：氣體分散在少量液體中，氣體與液體之間被一層液膜隔開(kāi)就形成了泡沫。液面上的泡沫，氣相所占比例大，與液體有明顯界限。流態(tài)泡沫，分散于發(fā)酵液內(nèi)部，比較穩(wěn)定，與液體之間無(wú)明顯界限。6.7.4泡沫foam的檢測(cè)與控制發(fā)泡物質(zhì)：蛋白質(zhì)類、糖類，黃豆餅粉，代謝產(chǎn)物?？焖贁嚢琛缇w積太大或不徹底。發(fā)泡影響：減少裝料量，降低氧傳遞。逃液，增加了污染，甚至無(wú)法攪拌。菌體呼吸受阻，代謝異?；蜃匀?。1、泡沫形成的原因及其影響培養(yǎng)基調(diào)整與工藝控制：少加或緩加起沫基質(zhì)；改變發(fā)酵條件，如pH、升高溫度、減少通氣、降低攪拌速率;改變發(fā)酵工藝，如分批投料。2、泡沫控制機(jī)械強(qiáng)烈震動(dòng)或壓力變化使泡沫破裂。罐內(nèi)消沫槳轉(zhuǎn)動(dòng)打破泡沫泡沫引出罐外，通過(guò)噴嘴加速力或離心力消除泡沫。消沫轉(zhuǎn)子上添加消沫劑，能增強(qiáng)消沫效果。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省原料，污染機(jī)會(huì)低，但效果不理想。機(jī)械消沫mechanicaldefoaming用消沫劑(defoamingagent)消沫機(jī)理：加入消沫劑，降低了泡沫的液膜強(qiáng)度和表面黏度，使泡沫破裂。種類：天然油脂類：動(dòng)植物油脂高碳醇脂肪酸和酯類：十八醇，聚乙二醇。聚醚類：聚氧乙烯氧丙烯甘油，泡敵硅酮類：不容于水，10％乳液。化學(xué)消沫取決于在發(fā)酵液中擴(kuò)散能力。與惰性載體、乳化劑或分散劑并用消沫劑之間聯(lián)合使用，也能互補(bǔ)增效。消沫劑的添加會(huì)影響發(fā)酵過(guò)程，微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成，要注意其不良影響。消沫劑的使用最低成本獲得最大生產(chǎn)能力的時(shí)間。原料和發(fā)酵成本的影響因素：產(chǎn)率：?jiǎn)挝惑w積、單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量得率：轉(zhuǎn)化率，單位原料生產(chǎn)的產(chǎn)物量發(fā)酵系數(shù)：?jiǎn)挝话l(fā)酵周期內(nèi)發(fā)酵體積生成產(chǎn)物體積產(chǎn)率：發(fā)酵單位除以總發(fā)酵時(shí)間6.7.5發(fā)酵終點(diǎn)的判斷在最大生產(chǎn)率時(shí)，終止發(fā)酵。發(fā)酵總生產(chǎn)周期：最短1、經(jīng)濟(jì)原則對(duì)后續(xù)分離純化的影響：發(fā)酵時(shí)間太短，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)殘留補(bǔ)料或消沫劑的其殘留，以允許的殘量為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵時(shí)間太長(zhǎng)，菌體自溶，改變發(fā)酵液性質(zhì)增加分離純化難度。對(duì)于抗生素，放罐前16小時(shí)停止補(bǔ)料和消沫。2、產(chǎn)品質(zhì)量原則產(chǎn)物濃度，過(guò)濾速度，菌體形態(tài)，氨基氮，pH，DO，發(fā)酵液的外觀和粘度等。一般自溶前放罐。按照常規(guī)經(jīng)驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行作業(yè)。特殊因素染菌、代謝異常等情況。生物、物理、化學(xué)指標(biāo)生物學(xué)參數(shù):形態(tài)，菌濃，污染物