发酵工艺过程控制.doc

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1、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

2、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。这种产物通常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，

3、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）可以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）可以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、。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：可以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）可以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

5、）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CO2含量；菌丝形态；菌体浓度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

6、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

7、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，通过热交换来降温，保持恒温发酵。如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却

8、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