发酵工艺过程控制样本
第七章发酵工艺过程控制
教学目的: 1、熟悉发酵过程的主要控制参数; 2、掌握各因素对发酵过程的影响、过程控制方法和原理; 3、熟悉几种发酵操作类型。
教学方法: 讲授
教学手段: 使用多媒体课件
教学内容:
第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数
一、发酵工艺过程控制的重要性
从产物形成来说, 代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化( 培养基和培养条件) 和产物形成速率这三者之间的关系。
二、发酵过程的代谢变化规律
这里介绍分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵及连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征。
1、分批发酵
指在一个封闭的培养系统内含有初始限制量的基质的发酵方式。即一次性投料, 一次性收获产品的发酵方式。
在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系, 将微生物产物形成动力学分为
( 1) 生长关联型
产物的生成速率与菌体生长速率成正比。这种产物一般是微生物分解基质的直接产物, 如酒精, 但也有某些酶类, 如脂肪酶和葡萄糖异构酶
对于生长关联型产品, 可采用有利于细胞生长的培养条件, 延长与产物合成有关的对数生长期。
( 2) 非生长关联型
产物的生成速率与菌体生长速率成无关, 而与菌体量的多少有关。
对于非生长关联型产品, 则宜缩短菌体的对数生长期, 并迅速获得足够量的菌体细胞后, 延长稳定期, 从而提高产量。
2、补料-分批发酵
是指分批培养过程中, 间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。
与传统的分批发酵相比, 优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点:
( 1) 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾;
( 2) 克服养分的不足, 避免发酵过早结束。
３、半连续发酵
是指在补料－分批发酵的基础上, 间歇地放掉部分发酵液的培养方法。
优点:
( 1) 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾;
( 2) 克服养分的不足, 避免发酵过早结束;
( 3) 缓解有害代谢产物的积累。
４、连续发酵
又称连续流动培养或开放型培养, 即培养基料液连续输入发酵罐, 并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。在这样的环境中培养, 所提供的基质对菌的生长就受到限制, 培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态。
与传统的分批发酵相比, 连续培养有以下优点:
( 1) 维持低基质浓度: 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾;
( 2) 避免培养基积累有毒代谢物;
( 3) 能够提高设备利用率和单位时间的产量, 节省发酵罐的非生产时间; ( 4) 便于自动控制。
但连续培养也有缺点:
( 1) 长时间的连续培养难以保证纯种培养;
( 2) 菌种发生变异的可能性较大。
故在工业规模上很少采用。生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺, 此方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。
三、发酵过程的主要控制参数
pH值( 酸碱度) ; 温度( ℃) ; 溶解氧浓度; 基质含量; 空气流量; 压力; 搅拌转速; 搅拌功率; 粘度; 浊度; 料液流量; 产物浓度; 氧化还原电位; 废气中的氧含量; 废气中的CO
含量; 菌丝形态; 菌体浓度
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第二节温度对发酵的影响及其控制
一、温度对发酵的影响
微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌, 如霉菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在20～40℃。
温度会影响各种酶反应的速率, 改变菌体代谢产物的合成方向, 影响微生物的代谢调控机制。影响发酵液的理化性质, 进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。
在发酵过程中, 需要维持适当的温度, 才能使菌体生长和代谢产物的合成顺利进行。
二、影响发酵温度变化的因素
产热因素: 生物热( Q生物) 、搅拌热( Q搅拌)
散热因素: 蒸发热( Q蒸发) 、辐射热( Q辐射) 、显热( Q显)
发酵热( Q发酵) 是发酵温度变化的主要因素。
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射－Q显
为了使发酵能在一定温度下进行, 要设法进行控制。
由于Q生物、 Q蒸发和Q显, 特别是Q生物在发酵过程中随时间变化, 因
此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化, 引起发酵温度发生波动。
三、温度的控制
1、最适温度的选择
在生长阶段, 应选择最适生长温度;
在产物分泌阶段, 应选择最适生产温度。
发酵温度可根据不同菌种、不同产品进行选择。
2、温度的控制
工业生产上, 所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热, 因发酵中释放了大量的发酵热, 需要冷却的情况较多。
利用自动控制或手动调整的阀门, 将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中, 经过热交换来降温, 保持恒温发酵。
如果气温较高( 特别是中国南方的夏季气温) , 冷却水的温度又高, 致使冷却效果很差, 达不到预定的温度, 就可采用冷冻盐水进行循环式降温, 以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站, 提高冷却能力, 以保证在正常温度下进行发酵。
第三节 pH值对发酵的影响及其控制
一、 pH值对发酵的影响
1、影响酶的活性, 当pH值抑制菌体中某些酶的活性时, 会阻碍菌体的新陈代谢;
2、影响微生物细胞膜所带电荷的状态, 改变细胞膜的通透性, 影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄;
3、影响培养基中某些组分的解离, 进而微生物对这些成分的吸收;
4、 pH值不同, 往往引起菌体代谢过程的不同, 使代谢产物的质量和比例发生改变。
二、发酵过程pH值的变化
在发酵过程中, 随着菌种对培养基种碳、氮源的利用, 随着有机酸和氨基酸的积累, 会使pH值产生一定的变化。
1、生长阶段: 菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质, 生成铵离子, 使pH上升至碱性; 随着菌体量增多, 铵离子的消耗也增多, 另外糖利用过程中有机酸的积累使pH值下降。
2、生产阶段: 这个阶段pH值趋于稳定。
3、自溶阶段: 随着养分的耗尽, 菌体蛋白酶的活跃, 培养液中氨基氮增加, 致使pH又上升, 此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。
由此可见, 在适合于菌生长及合成产物的环境条件下, 菌体本身具有一定的调节pH的能力, 可是当外界条件变化过于剧烈, 菌体就失去了调节能力, 培养液的pH就会波动。
三、引起发酵液pH值异常波动的因素
pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。
1、 pH下降:
( 1) 培养基中碳、氮比例不当。碳源过多, 特别是葡萄糖过量, 或者中间补糖过多加上溶氧不足, 致使有机酸大量积累而pH下降;
( 2) 消泡剂加得过多;
( 30生理酸性物质的存在, 铵被利用, pH下降。
2、 pH上升:
( 1) 培养基中碳、氮比例不当。氮源过多, 氨基氮释放, 使pH上升;
( 2) 生理碱性物质存在;
( 3) 中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多。
四、发酵pH值的确定和控制
1、发酵pH值的确定
微生物发酵的最适pH值范围一般是在5～8之间。
最适pH值是根据实验结果来确定的。
将发酵培养基调节成不同的出发pH值, 进行发酵, 在发酵过程中, 定时测定和调节pH值, 以分别维持出发pH值, 或者利用缓冲液来配制培养基来维持。
到时观察菌体的生长情况, 以菌体生长达到最高值的pH值为菌体生长的合适pH 值。
用同样的方法, 可测得产物合成的合适pH值。
同一产品的合适pH值, 与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。
在确定合适发酵pH值时, 不定期要考虑培养温度的影响, 若温度提供或降低, 合适pH值也可能发生变动。
2、 pH值的控制
( 1) 首先考虑和试验发酵培养基的基础配方, 使它们有个适当的配比, 使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。
( 2) 在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制; 补充生理酸性物质( 如(NH4)2SO4) 和生理碱性物质( 如NaNO3) 来控制。
第四节溶解氧对发酵的影响及其控制
一、溶解氧对发酵的影响
在发酵过程中, 影响耗氧的因素有以下几方面:
1、培养基的成分和浓度
2、菌龄
3、发酵条件
二、溶解氧浓度的控制
在供氧方面, 主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积氧传递系数。
1、调节搅拌转速或通气速率来控制供氧;
2、控制补料速度来控制基质的浓度, 从而达到最适的菌体浓度, 保证产物的比生长速率维持在最大值, 又不会使需氧大于供氧。
3、采用调节温度( 降低培养温度可提高溶氧浓度) 、液化培养基、中间补水、