發(fā)酵工藝的過程控制課件(共48頁).ppt

1、第四章 發(fā)酵工藝控制第一節(jié) 發(fā)酵生產(chǎn)方法的類型 發(fā)酵過程狀態(tài)： 1、間歇：1培養(yǎng)基參加和發(fā)酵液放出是一致的； 2發(fā)酵一次一次進行。 2、連續(xù)：1培養(yǎng)液參加到放出是連續(xù)的； 2培養(yǎng)罐中處于穩(wěn)定狀態(tài)。3、半連續(xù)發(fā)酵：培養(yǎng)基連續(xù)參加發(fā)酵液分批或分別放出 IIIIII 整個系統(tǒng)培養(yǎng)液連續(xù)參加，但各罐的發(fā)酵液分別放出。)()20(,)2010()5(現(xiàn)主要深層以下淺盤好氣性啤酒丙酮丁醇酒精厭氧液態(tài)原檸檬酸深層酒曲淺層好氣性固態(tài)飼料釀酒厭氣性固態(tài)固態(tài)是否需氧培養(yǎng)基狀態(tài)cmcmcm第二節(jié) 發(fā)酵過程的動力學類型 反響 化學因素 那么化學反響動力學 酶酶反響動力學 發(fā)酵：1、速度：表征是什么？幾個表征間關(guān)系；

2、2、影響因素：其如何影響，怎樣控制這些因素 現(xiàn)主要討論第1個問題 將培養(yǎng)基滅菌，參加菌種，在一定容器中發(fā)酵，將其動態(tài)變化畫成曲線，此為發(fā)酵曲線圖 所以影響因素為： a 基質(zhì)中糖或碳源 b 菌種 c 產(chǎn)物 從此三個因素分析發(fā)酵速度。研究發(fā)酵曲線圖微生物量糖或碳原耗量產(chǎn)物量糖減量濃度時間 從此三個因素分析發(fā)酵速度。 所以研究發(fā)酵速度就是研究 1碳源利用速度 2菌生長速度 3產(chǎn)物形成速度 4上述三者之間關(guān)系 根據(jù)以上四個條件將所有發(fā)酵過程分為三大類型dtdsdtdxdtdp發(fā)酵過程分為三大類型一類型I菌生長產(chǎn)物形成碳源利用一類型I 1、特點菌生長比速度C、P都有一個頂峰三者的頂峰同時出現(xiàn)，三者根本平

3、行產(chǎn)物的量和碳源利用量有一定的化學劑量關(guān)系可進行理論計算。2、產(chǎn)物類型 此一類型產(chǎn)物主要有兩大類：菌體 產(chǎn)量常數(shù)在一定條件下，用一定菌體產(chǎn)量常數(shù)相對穩(wěn)定。故知產(chǎn)量常數(shù)可控制流加糖的量，還可利用產(chǎn)量常數(shù)檢查，發(fā)酵條件的控制是否適宜。代謝產(chǎn)物：酵母的酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵 另局部次級代謝產(chǎn)物也屬此型，但大多數(shù)屬類型III 次級代謝產(chǎn)物，桿菌肽、氯霉素。一類型I 乳酸發(fā)酵菌體乳酸濃度時間一類型I 乳酸發(fā)酵菌體乳酸時間一類型I 桿菌肽發(fā)酵比速度時間桿菌肽菌體糖利用 二類型II 產(chǎn)物碳源利用菌合成時間 二類型II 1特點： 分成兩個時期：菌體生長和產(chǎn)物形成在不同時期，分別在菌生長期產(chǎn)物形成期。 碳源利用的比

4、速度有兩個頂峰，分別在兩個時期，第一個頂峰用于菌體生長，第二個頂峰用于產(chǎn)物合成在產(chǎn)物形成期可能還有菌體第二次生長。碳源利用和產(chǎn)物形成無明確的化學劑量關(guān)系，但還是有一定關(guān)系的。2、產(chǎn)物類型有中間產(chǎn)物積累：產(chǎn)物在合成過程中先積累一定產(chǎn)物，再由中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物。如丙酮丁醇發(fā)醇，丙酮丁醇發(fā)酵分為三個時期。 增酸期：018h 有機酸大量積累，菌體大量生長 產(chǎn)物溶劑形成少 減酸期：1840h菌體長到最大期，溶劑就大量形成，培養(yǎng)液中pH值上升 后發(fā)酵：4072h 菌體不增長，甚至有些下降，溶劑增長到最大值，酸降低到最小值。 無中間產(chǎn)物積累 如：延胡索酸發(fā)酵 用黑根霉 谷氨酸發(fā)酵 用棒狀桿菌 檸檬酸發(fā)酵

5、 用黑曲霉 土霉素發(fā)酵 金色鏈霉菌四環(huán)類抗生等 土霉素生產(chǎn)因其菌生長，C利用有兩個頂峰而劃入型，產(chǎn)物產(chǎn)量較高。 三類型碳源利用產(chǎn)物合成菌 三類型1.特點：分成兩個時期，但產(chǎn)物形成比類型早，在菌體接近或到達最大值時，產(chǎn)物開始生長。菌體生長和碳源利用沒有第二個頂峰。產(chǎn)物的形成和碳源利用無量上的關(guān)系，都是屬于次級代謝產(chǎn)物，產(chǎn)物量占發(fā)酵液中的0.12%。鏈霉素發(fā)酵(用灰色鏈霉菌生產(chǎn))2、產(chǎn)物類型:分為三種類型，知道發(fā)酵的類型將預(yù)知某個發(fā)酵將按什么情況進展可作為發(fā)酵的中間控制的理論根底，在實踐上指導(dǎo)生產(chǎn)監(jiān)督生產(chǎn)，如控制流加糖。根據(jù)菌體生產(chǎn)和產(chǎn)物形成是否同步的，可控制不同的發(fā)酵條件，如、型可在不同時期，為

6、不同目的菌體或產(chǎn)物，控制不同發(fā)酵條件，從營養(yǎng)上說，生長的營養(yǎng)條件和產(chǎn)物的營養(yǎng)條件有區(qū)別。在連續(xù)發(fā)酵的設(shè)計上，類型可用單級，如為類型、就要采用二級以上的連續(xù)發(fā)酵，使菌體生長和產(chǎn)物形成都得到保證。三類型 鏈霉素發(fā)酵用灰色鏈霉素生產(chǎn) 鏈霉菌菌體糖濃度比速度菌糖鏈霉素第三節(jié) 連續(xù)發(fā)酵動力學 一、控制方法 1、恒濁法：根據(jù)培養(yǎng)液的濁度與菌的濃度成正，比通過一種儀器如光電效應(yīng)控制菌的流量，使菌的濃度保持一致，在此培養(yǎng)基的各種養(yǎng)料是充足過量的，菌都在最大生長速度，菌濃度被控制，適用于動力學類型。 2、恒化法：培養(yǎng)基中有一種可限制菌的生長速度，此為限制性基質(zhì)，如培養(yǎng)基中糖的含量很低，還可用氨基酸，無機氮等而別

7、的成分不是過量的，培養(yǎng)基的流量一定，這種方法，菌的生長速度不是在最大生長速度，以此控制菌的濃度一定，采用這種方法適于動力學、型。二、動力學 下面以多罐，開放式相對于菌體截留的密閉式混合均勻為例 F 流量 L/h X 菌濃度 g/L S 基質(zhì)濃度 g/L P 產(chǎn)物濃度 g/L 每一罐流量一樣為F 要保持連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定1.菌的情況 流入量十生長菌量=流出菌量 即：3、對基質(zhì)情況 同理 Yx/s為以消耗基質(zhì)基準的菌生長得率常數(shù)。 將其代(3-6) nnmFsdtdsVFS1631nnnSSDdtdsdsdxYsx/SXnnYdxdS/)(1/nnsxnssDYdx代入得把nnnsdtdx)(1/

8、nnSXnnSSDYs)73(1/1式SXnnnnYXDSS 對單級罐而言 根據(jù)Michadis-mentem公式D同理, 0 xo）（）（則83/0/0SXsxYSSXYXSSXPYXP/（單罐：SXYXSS/0）（SXYSSX/0 飽和常數(shù) ,為1/2 時基質(zhì)濃度 為最大比生長速率 Monod公式SKm)93()SKS(SmmmSKS變形為DKSDmS得）（）代入公式（SXYSSX/083SXmSYDDKSX/0）（SXmSYDDKSX/0）（將其看作零）則當調(diào)節(jié)XDDm則罐內(nèi)菌全洗出。）（，例題：設(shè)lgKYhSSXm/205001/1？，？，求），（DXXShDgS1050L/10）（解

9、：lgDDKSmS/205015020）（）（）（lgYSSXSX/94502010/0）得下圖規(guī)律（hlgDX/4529450)1(D0mSKKDSSmm根據(jù)公式不同不同菌，不同基質(zhì)，SK三、連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點： 1、提高了生產(chǎn)率，一般至少幾倍至十多倍。 原因提高了發(fā)醇罐的利用率，其表示用兩種： 生產(chǎn)單位重量的產(chǎn)品每日所需發(fā)醇罐的立方米。 或單位積的發(fā)醇罐每日生產(chǎn)的產(chǎn)品重量。 便于管理控制 由于上面原因，生產(chǎn)本錢大大降低，水、電、氣平衡易于控制。四、存在的問題 1、理論上：菌體生長與產(chǎn)物形成的關(guān)系， 最適D、最適菌濃度的掌握理論上的推導(dǎo)不 完全符合實際生產(chǎn)。 2、退化與變異：連續(xù)發(fā)酵時間越長越好，

10、 但許多菌會發(fā)生退化，表現(xiàn)在生產(chǎn)能力上退 化，合成產(chǎn)物上發(fā)生變換。解決方法，更換 菌種或種子。 3、染菌問題：要解決之，對設(shè)備嚴密度、無菌操作 嚴格，及好氣氣體供給。 4、均勻度：與輸送能否順利進行，主要是絲狀菌。第四節(jié) 溫度對發(fā)酵的影響及其控制 溫度是保證酶活性的重要條件，因此在發(fā)酵系統(tǒng)中，必須保證穩(wěn)定而適宜的溫度環(huán)境。 一、影響發(fā)酵溫度的因素。 1產(chǎn)熱因素：生物熱和攪拌熱。 2散熱因素：蒸發(fā)熱和輻射熱。 發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。輻射顯蒸發(fā)攪拌生物發(fā)酵QQQQQQ 生物熱： 定義定義：生物熱是生產(chǎn)菌在生長繁殖時產(chǎn)生的大量熱量。培養(yǎng)基中碳水化合物，脂肪，蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO2

11、,NH3時釋放出的大量能量。 用途用途：合成高能化合物，供微生物生命代謝活動，熱能散發(fā)。 影響生物熱的因素影響生物熱的因素：生物熱隨菌株，培養(yǎng)基，發(fā)酵時期的不同而不同。一般，菌株對營養(yǎng)物質(zhì)利用的速率越大，培養(yǎng)基成分越豐富，生物熱也就越大。發(fā)酵旺盛期的生物熱大于其他時間的生物熱。生物熱的大小還與菌體的呼吸強度有對應(yīng)關(guān)系。 實驗發(fā)現(xiàn)抗生素高產(chǎn)量批號的生物熱高于低產(chǎn)量批號的生物熱。說明抗生素合成時微生物的新陳代謝十分旺盛。 發(fā)酵過程中生物熱的變化 在四環(huán)素發(fā)酵中，還發(fā)現(xiàn)生物熱和菌的呼吸強度的變化有對應(yīng)關(guān)系，特別是在80小時以前。從此實驗中還可看到，當產(chǎn)生的生物熱到達頂峰時，糖的利用速度也最大。另外也

12、有人提出，可從菌體的耗氧率來衡量生物熱的大小。 四環(huán)素生物合成過程中系列參數(shù)的動態(tài)變化過程 1：效價；2：呼吸強度；3：生物熱；4：糖濃度 攪拌熱 定義：通風發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機械運動造成液體之間，液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱 。 攪拌熱的計算： Q攪拌=3600P/V 式中 3600：熱功當量kJ/kW.h P/V：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率 kW/m3 蒸發(fā)熱 定義：通入發(fā)酵罐的空氣，其溫度和濕度隨季節(jié)及控制條件的不同而有所變化?？諝膺M入發(fā)酵罐后，就和發(fā)酵液廣泛接觸進行熱交換。同時必然會引起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。 蒸發(fā)熱的計算： Q蒸發(fā)=GI2-I1 式

13、中 G：空氣流量，按干重計算，kg/h I2 、 I1 ：進出發(fā)酵罐的空氣的熱焓量，J/kg干空氣 4輻射熱 定義：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過罐體向外輻射的熱量。 輻射熱的計算：輻射熱可通過罐內(nèi)外的溫差求得，一般不超過發(fā)酵熱的5%。 3，發(fā)酵熱的測定 1通過測定一定時間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進出口溫度，由下式求得這段時間內(nèi)的發(fā)酵熱。 2通過罐溫的自動控制，先使罐溫到達恒定，再關(guān)閉自控裝置測得溫度隨時間上升的速率S，按下式可求得發(fā)酵熱： 二、溫度對微生物影響。 分為嗜冷菌，嗜中溫菌，嗜熱菌 生長活化能2533 104KJ/mol小于死亡的活化能104122KJ/mol 死亡速率比生產(chǎn)速度對溫度更

14、敏感 三、溫度對發(fā)醇影響 溫度低，反響速度低，周期長 溫度高，反響速度快，但菌易衰老，影響產(chǎn)量。 菌合成與產(chǎn)物合成溫度要求不同。溫度通過以下方式影響發(fā)酵過程1影響各種酶的反響速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)2影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)3影響生物合成的方向。例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時能產(chǎn)生金霉素。在低于30溫度下，該菌種合成金霉素能力較強。當溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度達35那么只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停止。 發(fā)酵過程中，微生物生長速率變化 dX/dt =X-X 式中 ：比生長速率 ：比死亡速率 當處于生長狀態(tài)時，可忽略。 與 與溫度有關(guān) 根據(jù)Arrenhnius公式 = Ae-E/RT = Ae-E/RT 通常E大于E，所以 比 對溫度變化更為敏感。 例：青霉菌生產(chǎn)青霉素 青霉菌生長活化能E=34kJ/mol 青霉素合成活化能E=112kJ/mol 青霉素合成速率對溫度較敏感，溫度控制相當重要。 五、最適溫度確實定 在發(fā)酵過程中，最適溫度是一種相對概念，是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān)。 最適發(fā)酵溫度的選擇：在發(fā)酵的整個周期內(nèi)僅選一個最適培養(yǎng)溫度不一定好。溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件。溫度的選擇還應(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度 六、溫度的控制 發(fā)酵罐：