《發(fā)酵機制及控制》課件

發(fā)酵機制及控制發(fā)酵是指微生物在無氧條件下將有機物質(zhì)分解成簡單物質(zhì)的過程。發(fā)酵過程受多種因素影響，如溫度、pH值、氧氣濃度、底物濃度等。引言古老的工藝發(fā)酵是人類利用微生物進行生產(chǎn)的古老技術，已有數(shù)千年的歷史。重要的作用發(fā)酵在食品、醫(yī)藥、化工等領域發(fā)揮著重要作用，為人類社會提供了豐富的物質(zhì)和能量?，F(xiàn)代科技近年來，發(fā)酵技術不斷發(fā)展，現(xiàn)代生物反應器和基因工程等技術的應用，使發(fā)酵生產(chǎn)效率顯著提高。發(fā)酵概述發(fā)酵是一種由微生物引起的生物化學過程。在發(fā)酵過程中，微生物利用有機物質(zhì)作為碳源和能源，通過酶催化一系列反應，生成各種代謝產(chǎn)物。發(fā)酵廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化工等領域，是重要的生物技術。發(fā)酵的定義與分類定義發(fā)酵是一種由微生物介導的生物化學過程。微生物通過代謝活動將有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，例如酒精、乳酸或醋酸。這通常涉及復雜的有機分子的分解。分類發(fā)酵可以根據(jù)參與的微生物、底物和產(chǎn)物進行分類。常見類型包括酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、醋酸發(fā)酵和丙酮丁醇發(fā)酵。發(fā)酵的工藝流程1菌種準備選擇適合的發(fā)酵菌種，進行培養(yǎng)和擴增。2培養(yǎng)基配制根據(jù)發(fā)酵菌種的營養(yǎng)需求，配制合適的培養(yǎng)基。3發(fā)酵罐接種將培養(yǎng)好的菌種接種到發(fā)酵罐中。4發(fā)酵過程控制控制溫度、pH值、溶氧量等關鍵參數(shù)，以確保發(fā)酵過程的正常進行。5發(fā)酵產(chǎn)物提取完成發(fā)酵后，提取目標產(chǎn)物，進行分離和純化。發(fā)酵原理微生物代謝發(fā)酵利用微生物的代謝活動，將有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為其他有用的產(chǎn)品。酶催化反應微生物產(chǎn)生酶，催化特定反應，將底物轉(zhuǎn)化為發(fā)酵產(chǎn)物。能量獲取微生物通過發(fā)酵過程獲取能量，維持生長和繁殖。環(huán)境條件溫度、pH值、氧氣含量等環(huán)境因素影響發(fā)酵過程的效率和產(chǎn)物生成。微生物代謝過程物質(zhì)代謝微生物通過酶催化的一系列化學反應將營養(yǎng)物質(zhì)分解為能量和細胞組成物質(zhì)。能量代謝微生物利用營養(yǎng)物質(zhì)中的能量進行生命活動，例如生長、繁殖和運動。生物合成微生物利用能量和簡單物質(zhì)合成自身的結(jié)構和功能物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸和細胞壁。代謝產(chǎn)物的生成微生物在代謝過程中還會生成一些副產(chǎn)物，例如酒精、乳酸、抗生素等。發(fā)酵產(chǎn)物的生成代謝產(chǎn)物微生物通過代謝途徑產(chǎn)生各種發(fā)酵產(chǎn)物。生物反應器發(fā)酵產(chǎn)物在生物反應器中被收集和分離。發(fā)酵產(chǎn)品發(fā)酵產(chǎn)物可以是酒精、有機酸、抗生素、酶等。發(fā)酵動力學發(fā)酵動力學是研究發(fā)酵過程速率和效率的科學。它解釋了微生物在發(fā)酵過程中的生長和代謝。在發(fā)酵動力學中，主要考慮三個關鍵指標:比生長速率單位時間內(nèi)微生物生物量的增加產(chǎn)物生成速率單位時間內(nèi)目標產(chǎn)物的生成量基質(zhì)消耗速率單位時間內(nèi)發(fā)酵基質(zhì)的消耗量發(fā)酵反應動力學模型11.Monod模型描述微生物生長速率與基質(zhì)濃度之間的關系，是常用的模型之一。22.Logistic模型描述發(fā)酵過程中微生物生長呈S型曲線變化，更符合實際情況。33.競爭模型描述多個微生物種群在同一環(huán)境中競爭資源的情況，適用于混合發(fā)酵。44.其他模型根據(jù)特定發(fā)酵過程的特點，還可以建立其他模型，例如Luedeking-Piret模型等。發(fā)酵系統(tǒng)參數(shù)控制溫度控制溫度直接影響微生物的生長和代謝，因此需嚴格控制。溫度過低會導致酶活性降低，生長速度減緩。溫度過高則可能導致酶失活甚至微生物死亡。pH控制pH值對酶活性、微生物生長和代謝都有重要影響。大多數(shù)微生物在特定pH范圍內(nèi)生長良好，過高或過低都會抑制生長。溶氧控制溶解氧對好氧微生物的生長至關重要，需根據(jù)微生物種類和培養(yǎng)階段調(diào)整溶氧濃度，以確保最佳生長條件。其他參數(shù)除了以上參數(shù)外，發(fā)酵系統(tǒng)還需控制壓力、攪拌速度等參數(shù)，以維持最佳的發(fā)酵環(huán)境。pH控制pH測量使用pH計實時監(jiān)測發(fā)酵液的pH值，確保發(fā)酵過程處于最佳pH范圍內(nèi)。酸堿調(diào)節(jié)根據(jù)實際情況，添加酸或堿來調(diào)整發(fā)酵液的pH值，維持微生物的最佳生長環(huán)境。pH影響不同的微生物對pH的耐受范圍不同，pH值會影響酶活性、代謝產(chǎn)物生成等。溫度控制溫度的影響溫度對發(fā)酵過程至關重要。最佳溫度下，微生物生長迅速，產(chǎn)物產(chǎn)量高。溫度過低會減緩微生物代謝，溫度過高會造成微生物死亡，影響發(fā)酵效率?？刂品绞綔囟瓤刂仆ǔＭㄟ^恒溫水浴、恒溫培養(yǎng)箱等設備實現(xiàn)。發(fā)酵過程中需要監(jiān)測并實時調(diào)整溫度，以維持最佳溫度范圍，保證發(fā)酵順利進行。溶氧控制溶氧探頭發(fā)酵罐內(nèi)溶氧的實時監(jiān)測，確保微生物生長所需的氧氣。鼓泡器通過氣體鼓泡，增加罐內(nèi)溶氧濃度，滿足微生物生長需求。攪拌器攪拌作用可均勻分布溶氧，提高溶氧效率。控制系統(tǒng)通過控制面板調(diào)節(jié)氣體流量、攪拌速度等，維持溶氧水平。發(fā)酵基質(zhì)的選擇11.碳源碳源是微生物生長和代謝的主要來源，例如葡萄糖、淀粉、纖維素等。22.氮源氮源是微生物合成蛋白質(zhì)和核酸的必需物質(zhì)，例如酵母提取物、蛋白胨、氨基酸等。33.無機鹽無機鹽是微生物生長和代謝的必需成分，例如磷酸鹽、硫酸鹽、鉀鹽等。44.生長因子生長因子是微生物生長和代謝必需的微量有機物質(zhì)，例如維生素、氨基酸等。營養(yǎng)成分的調(diào)控碳源發(fā)酵過程中，微生物生長和代謝的關鍵物質(zhì)。氮源提供微生物合成蛋白質(zhì)和其他生物大分子的必要元素。無機鹽維持微生物的正常生長和代謝，促進酶的活性。生長因子微生物生長所需的特定有機物，例如維生素和氨基酸。發(fā)酵過程監(jiān)測與分析1在線監(jiān)測實時監(jiān)控發(fā)酵過程關鍵參數(shù)，如pH值、溫度、溶氧量等。2離線分析定期采集樣品進行化學分析，例如糖濃度、產(chǎn)物濃度等。3數(shù)據(jù)分析利用數(shù)據(jù)分析工具，分析發(fā)酵過程數(shù)據(jù)，揭示發(fā)酵過程規(guī)律。通過監(jiān)測和分析，可以及時了解發(fā)酵過程的狀態(tài)，并根據(jù)需要調(diào)整發(fā)酵條件，提高發(fā)酵效率和產(chǎn)品質(zhì)量。發(fā)酵過程中的檢測指標微生物生長情況監(jiān)測發(fā)酵過程中微生物的生長情況，例如細胞密度、菌體濃度和生物量。發(fā)酵產(chǎn)物濃度監(jiān)控目標產(chǎn)物的濃度，如酶、抗生素、酒精等，以確定發(fā)酵的效率和成功率。發(fā)酵過程分析儀器在線分析儀在線分析儀可以實時監(jiān)測發(fā)酵過程中的關鍵參數(shù)，例如pH、溫度、溶氧濃度和CO2濃度。離線分析儀離線分析儀用于測量發(fā)酵液中的各種成分，例如細胞密度、產(chǎn)物濃度和營養(yǎng)物質(zhì)濃度。色譜儀色譜儀可用于分離和定量分析發(fā)酵液中的不同物質(zhì)，包括產(chǎn)物、代謝物和雜質(zhì)。質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀可以確定發(fā)酵液中不同物質(zhì)的分子量，并用于識別和分析新的產(chǎn)物或代謝物。發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化實驗設計通過實驗來確定最佳發(fā)酵參數(shù)，如溫度、pH值和攪拌速度。數(shù)學建模建立數(shù)學模型來描述發(fā)酵過程，并使用優(yōu)化算法來確定最佳參數(shù)。響應面法利用響應面法來優(yōu)化多個參數(shù)，提高發(fā)酵效率。自動化控制通過自動化控制系統(tǒng)實時調(diào)整發(fā)酵參數(shù)，提高發(fā)酵效率。反應器類型與選擇1攪拌式反應器廣泛應用于生物發(fā)酵生產(chǎn)，適合菌體濃度高、混合均勻的培養(yǎng)過程。2氣升式反應器利用氣體提升液體，提供混合和傳質(zhì)，適用于高通氣量、低攪拌強度發(fā)酵過程。3固定床反應器微生物固定在固體載體上，適合連續(xù)發(fā)酵，可提高生物量和產(chǎn)物濃度。4膜反應器利用膜分離技術，實現(xiàn)細胞與產(chǎn)物的分離，適用于對細胞敏感或產(chǎn)物易失的體系。發(fā)酵反應器的設計發(fā)酵反應器是發(fā)酵過程中最為重要的設備之一，其設計需根據(jù)發(fā)酵工藝要求進行優(yōu)化。反應器設計需要考慮多個因素，例如培養(yǎng)基體積、攪拌方式、通氣效率、溫度控制和壓力控制等。根據(jù)不同發(fā)酵工藝的需求，發(fā)酵反應器種類繁多，包括攪拌式反應器、氣升式反應器、固定化細胞反應器等。選擇合適的反應器類型，并進行合理的設計，對于提高發(fā)酵效率和產(chǎn)物產(chǎn)量至關重要。發(fā)酵產(chǎn)品的分離和純化細胞分離發(fā)酵液中含有大量的細胞，必須通過離心或過濾等方法將其去除，獲得澄清的發(fā)酵液。目標產(chǎn)物提取根據(jù)產(chǎn)品性質(zhì)，可采用吸附、沉淀、萃取等方法提取發(fā)酵液中的目標產(chǎn)物，并將其與其他雜質(zhì)分離。純化經(jīng)過提取后，產(chǎn)品可能仍包含雜質(zhì)，需要進一步純化，常用的方法包括色譜分離、結(jié)晶、超濾等。干燥和包裝純化后的產(chǎn)品需要干燥，以確保其穩(wěn)定性，最后進行包裝，以便于儲存和運輸。生物反應器的放大規(guī)模擴大實驗室規(guī)模的生物反應器難以滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，需進行放大。工藝參數(shù)優(yōu)化放大過程中需優(yōu)化溫度、pH、溶氧等參數(shù)，以確保發(fā)酵效率。反應器設計設計滿足生產(chǎn)要求的反應器，包括體積、攪拌方式、物料輸送等。發(fā)酵工藝的開發(fā)與放大1實驗室研究優(yōu)化工藝參數(shù)2小型試生產(chǎn)驗證可行性3中試放大規(guī)模化生產(chǎn)4工業(yè)化生產(chǎn)商業(yè)化應用發(fā)酵工藝的開發(fā)與放大是一個循序漸進的過程，從實驗室研究開始，經(jīng)過小型試生產(chǎn)、中試放大，最終實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。每個階段都需要根據(jù)具體的工藝需求和生產(chǎn)規(guī)模進行優(yōu)化調(diào)整，以確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和效率。發(fā)酵過程的模擬與優(yōu)化1模型建立建立發(fā)酵過程的數(shù)學模型，可以模擬發(fā)酵過程，并預測發(fā)酵結(jié)果。2參數(shù)優(yōu)化通過優(yōu)化模型參數(shù)，可以提高發(fā)酵效率，降低生產(chǎn)成本。3過程控制利用模型進行過程控制，可以提高發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)風險。發(fā)酵工藝的應用領域11.食品發(fā)酵發(fā)酵在食品生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，例如酸奶、泡菜、面包、酒和醬油。22.醫(yī)藥發(fā)酵發(fā)酵工藝用于生產(chǎn)各種藥物，包括抗生素、疫苗和酶。33.工業(yè)發(fā)酵發(fā)酵被用于生產(chǎn)生物燃料、生物塑料和其他工業(yè)產(chǎn)品。44.環(huán)境發(fā)酵發(fā)酵在污水處理、廢物回收和生物修復中發(fā)揮著重要作用。食品發(fā)酵傳統(tǒng)發(fā)酵酸奶、泡菜等傳統(tǒng)發(fā)酵食品，口感獨特、營養(yǎng)豐富，深受人們喜愛。微生物在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生各種有益物質(zhì)，如乳酸、醋酸、酒精等?，F(xiàn)代發(fā)酵面包、啤酒等現(xiàn)代食品發(fā)酵，利用現(xiàn)代技術提高效率，控制發(fā)酵過程。酶制劑、生物催化等技術，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。醫(yī)藥發(fā)酵抗生素生產(chǎn)利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)抗生素，如青霉素和鏈霉素，用于治療細菌感染。疫苗生產(chǎn)微生物發(fā)酵生產(chǎn)疫苗，如流感疫苗和乙肝疫苗，預防疾病。生物制藥利用發(fā)酵技術生產(chǎn)各種生物藥物，如胰島素、干擾素和生長激素，治療各種疾病。工業(yè)發(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)發(fā)酵應用于生產(chǎn)各種產(chǎn)品，包括生物燃料、生物塑料、酶、維生素和抗生素。優(yōu)化流程工業(yè)發(fā)酵過程需要嚴格控制，以確保高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。持續(xù)改進工業(yè)發(fā)酵工藝不斷改進，以提高效率、減少成本和降低環(huán)境影響。環(huán)境發(fā)酵1廢水處理利用微生物降解污染物，轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，改善水質(zhì)。2土壤修復通過微生物活動，去除土壤中的重金屬、有機污染物等，恢復土壤肥力。3生物降解利用微生物分解塑料、農(nóng)藥等難降解物質(zhì)，減少環(huán)境污染。4生物能源利用微生物將廢棄