《发酵过程工艺》PPT课件

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1、第六章发酵工艺过程控制发酵，原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。在广义的工艺上，则把发酵看做是微生物把一些原料养分在合适的条件下（通常是需氧）经特定的代谢转变成产物的过程。发酵是一种很复杂的生化过程，发酵生产受许多因素的影响和工艺条件的制约。需要多年的经验才能掌握。生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知识对稳定生产，提高产量意义重大。微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来；必须了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入了解生产菌在合成产物过程中的代谢

2、调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础；通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、pH、溶解氧等参数情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境中。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一般来说，微生物的培养方式分为分批发酵、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。1、分批发酵指在一个封闭的培养系统内投入有限

3、数量的营养物质（基质）后接入种子进行培养的发酵方式。即一次性投料，一次性收获产品的发酵方式。在该系统里种子接种到培养基后，除了气体流通外，发酵液始终留在生物反应器内。延滞期指数期稳定期衰亡期时间（t）菌体浓度分批培养条件下的典型生长曲线分批培养过程中随着培养基中的营养物质不断减少，微生物生长的环境条件也不断变化，因此，微生物分批培养是一种非稳态的培养方法。生长阶段细胞特征停滞期为适应新环境的需要，细胞个体增大，合成新的酶及细胞物质，细胞数量增加很少，微生物对不良环境的抵抗力下降。当接种的是老龄化的或饥饿的细胞时，停滞期将延长对数生长期细胞活力很强，生长速率达到最大值且保持稳定、速率

4、大小取决于培养基的营养和环境稳定期随着营养物质的消耗和产物的积累，微生物的生长速率下降等于死亡速率，系统中活微生物数保持稳定衰亡期由于自溶酶的作用或有害物质的积累，使细胞破裂死亡2、微生物分批培养生长速度的动力学方程1942年，Monod提出了在特定温度、pH值、营养物类型、营养物浓度条件下，微生物细胞的比生长速率与限制性营养物浓度之间存在如下关系：μ=μmaxS/（Ka+S）μmax——微生物的最大比生长速率S——限制性营养基质的浓度Ks——饱和常数Monod方程的几点说明a：分批培养过程的经验方程，在纯培养情况下，只有当微生物细胞生长受一种限制性营养物质制约时，与实验数据相一致

5、。b：Ks反映了微生物对营养物质的吸收的亲和力的大小，数值越小，表明微生物对营养物质的亲和力大。反之则亲和力小。一般微生物的Ks值为0.1—120mg/L，是很小的。c：μmax随微生物的种类和培养条件不同，一般来说细菌的μmax大于霉菌，就同种微生物来说，培养温度升高，μmax增大。3、分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学在发酵过程中，常用得率系数来描述微生物生长过程的特征，即生成的细胞或产物与消耗的营养物质之间的关系。在实际中，最常用的是细胞得率系数（Yx/s）和产物得率系数（Yp/s），分别定义为消耗1g营养物质生成的细胞的克数和生成产物的克数。工业生产中可通过测定一

6、定时间内细胞和产物的生成量及营养物质的消耗量来进行计算。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生长关联型和②非生长关联型。A（葡萄糖异构酶）B（菌体浓度）B（菌体浓度）A（杀念珠菌素）生长关联型非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。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

7、后，延长稳定期，从而提高产量。（1）有关分批发酵的几点讨论生产的对象不同，掌握工艺的重点不同产物为细胞本身——采用能支持最高生长量的培养条件产物为初级代谢物——延长对数生长期产物为次级代谢物——缩短对数生长期，延长稳定期（2）分批发酵的优缺点优点：操作简单，周期短，染菌的机会减少生产过程易于控制、产品质量易掌握。x缺点：分批发酵不适于测定过程动力学，存在基质的抑制问题，出现二次生长现象，对与一些对基质敏感的产物，由于养分易耗尽，产率较低。2、补料－分批发酵（fed-b