发酵过程的工艺控制-1

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发酵过程 定义发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。 为什么要研究发酵过程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。为此我们必须通过各种研究方法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，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢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。同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。 分批发酵(Batchfermentation)补料分批发酵(Fed-batchfermentation)连续发酵(Continuousfermentation)这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的代谢特征。发酵过程按进行过程有三种方式：第一节发酵过程的代谢变化规律 1、分批发酵的定义是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。一、分批发酵 2、分批发酵的特点微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。 优点操作简单；操作引起染菌的概率低;不会产生菌种老化和变异等问题。缺点非生产时间较长、设备利用率低。3、分批发酵的优缺点 停滞期对数生长期稳定期死亡期单细胞微生物4、分批发酵的生长曲线 微生物生长分为：停滞期、对数生长期、稳定期和死亡期。在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为当菌种接种入一个新的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这时细胞不能分裂。当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很快，比生长速率几近常数，这个时期称为对数生长期。 随着细胞生长，培养液中的营养物减少，废物积累，导致细胞生长速率下降，进入减速期和稳定期。最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入死亡期。对于初级代谢产物，在对数生长期初期就开始合成并积累，而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳定期大量合成。 5、分批发酵的类型Gaden'sfermentationclassification（按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化）第一类型第二类型第三类型 Piret'sfermentationclassification（按照产物生成与菌体生长是否同步）生长关联型(第一类型）生长无关联型（第二，三类型） ■第一类型（生长关联型）产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产物形成不分开。例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵 ■第二类型（部分生长关联型）产物也来源于能量代谢所消耗的基质，但产物的形成在与初级代谢分开的次级代谢中，出现两个峰，菌体生长进入稳定期，出现产物形成高峰。例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。 ■第三类型（非生长关联型）产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应来形成的，即产物的形成和初级代谢是分开的。如抗生素发酵。 产物形成与生长有关，如酒精、某些酶等。■生长关联型（growthassociated） 产物的形成速度与生长无关，只与细胞积累量有关。如，抗生素。■非生长关联型non-growthassociated ■分批发酵的分类对实践的指导意义从上述分批发酵类型可以分析：如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级代谢产物），则宜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；如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。 二、补料分批发酵1、定义补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。 2、补料发酵补加的营养物质有：补充菌体所需的能源和碳源；补充菌体所需氮源；加入某些菌体生长代谢所需的微量元素和无机盐；对于产诱导酶的微生物，常在补料中适当加入该酶的作用底物，以提高酶的产量；对一些抗生素发酵，往往需要补充抗生素形成的前体。 3、补料分批发酵的优缺点优点使发酵系统中维持很低的基质浓度；和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；不会产生菌种老化和变异等问题。缺点存在一定的非生产时间；和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。 三、连续发酵1、定义培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。 2、连续发酵的优缺点优点能维持低基质浓度；可以提高设备利用率和单位时间的产量；便于自动控制。缺点菌种发生变异的可能性较大；要求严格的无菌条件。 3、连续发酵的类型恒化培养使培养基中限制性基质的浓度保持恒定恒浊培养使培养基中菌体的浓度保持恒定 第二节发酵过程动力学的基本概念发酵过程的反应描述及速度概念发酵过程动力学研究的基本内容菌体生长、产物形成、基质消耗动力学的基本概念 一、发酵过程的反应描述及速度概念发酵过程反应的描述XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）发酵研究的内容：菌种的来源——找到一个好的菌种发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力 基质的消耗速度：发酵过程反应速度的描述基质的消耗比速：(g.L-1.s-1)(h-1、s-1)单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念。XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物） 基质的比消耗速度：(h-1)菌体的比生长速度：产物的比形成速度：(h-1)(h-1)发酵过程反应速度的描述XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物） 二、发酵反应动力学的研究内容研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性+反应器的操作模型操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程 已建立动力学模型的类型机制模型：根据反应机制建立几乎没有现象模型（经验模型）：目前大多数模型能定量地描述发酵过程能反映主要因素的影响 三微生物生长动力学的基本概念（一）、微生物在一个密闭系统中的生长情况：时间菌体浓度延迟期对数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：对数生长期:倍增时间：td减速期:静止期：;衰亡期: 典型微生物的生长速度 (二)、微生物的生长动力学、Monod方程微生物的比生长速度：μ＝f(s,p,T,pH,……,)在一定条件下(基质限制)：μ＝f(S) Monod研究了基质浓度与比生长速度的关系———Monod方程(1942)μ米氏方程: μ：菌体的比生长速度S：限制性基质浓度Ks：饱和常数μmax:最大比生长速度μ单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。 Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或：这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。 例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221 μmax，＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h 四产物形成动力学的基本概念（一）、初级代谢产物和次级代谢产物次级代谢产物：还有一类产物，对细胞的代谢功能没有明显的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素等，这一类化合物称为次级代谢产物。初级代谢产物：微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。如氨基酸、核苷酸等，这些物质称为初级代谢产物。 （二）、Gaden对发酵的三分类与Pirt方程：〖一类发酵〗产物的形成和菌体的生长相偶联xp 〖二类发酵〗产物的形成和菌体的生长部分偶联xp 〖三类发酵〗产物的形成和菌体的生长非偶联xp 〖Pirt方程〗π＝a+bμa=0、b≠0：可表示一类发酵a≠0、b≠0：可表示二类发酵a≠0、b=0：可表示三类发酵 五基质消耗动力学的基本概念SS1菌体S2产物S3维持XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+维持维持消耗(m)：指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。 XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+维持m:维持消耗系数YP/s:产物得率系数YX/s:细胞得率系数物料衡算： 小节了解发酵反应动力学研究的基本内容及其中的基本概念掌握MONOD方程，及其参数的求解了解微生物分批发酵、补料分批发酵、连续发酵的区别