发酵工艺过程及其控制ppt课件.ppt

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1、第5章发酵工艺过程及其控制5.1概述1．发酵主要操作方式：根据发酵过程操作方式将工业发酵分为三种模式，即间歇发酵，连续发酵和流加发酵。（1）间歇发酵：是最常见的工业发酵方式，也称分批发酵或批式发酵。将发酵罐和培养基灭菌后，向发酵罐中接入种子、开始发酵过程。操作简单、不容易染菌、投资低；但生产能力低、劳动强度大产品质量不稳定。典型分批发酵工艺流程分批发酵中微生物细胞的生长曲线（2）连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。可长期连续进行，生产能力高；但

2、操作控制要求高，投资高、杂菌污染、微生物菌种变异。主要用于实验室进行发酵动力学研究，在工业发酵中应用不多见，只应用于菌种的遗传性质比较稳定的发酵，如酒精发酵等。（3）流加发酵又称补料分批发酵，是介于间歇发酵与连续发酵的一种操作方式。它同时具备两者的部分优点，是一种在工业上比较常用的操作方式。流加发酵的特点是在流加阶段按一定的规律向发酵罐中连续地补加营养物或(和)前体，由于发酵罐不向外排放产物，罐中的发酵体积将不断增加，直到规定体积后放罐。补料分批发酵可分为两种类型：单一补料分批发酵和反复补料分批发酵。在开始时投入一定量的基础培养基，到发酵

3、过程的适当时期，开始连续补加碳源或(和)氮源或(和)其他必须基质，直到发酵液体积达到发酵罐最大操作容积后，停止补料，最后将发酵液一次全部放出，这种操作方式称为单一补料分批发酵。反复补料分批发酵是在单一补料分批发酵的基础上，每隔一定时间按一定比例放出一部分发酵液，使发酵液体积始终不超过发酵罐的最大操作容积，从而在理论上可以延长发酵周期，直至发酵产率明显下降，才最终将发酵液全部放出。补料分批发酵作为分批发酵向连续发酵的过渡，兼有两者优点，且克服了两者缺点：可解除营养物基质的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应；可避免好氧发酵在分批发酵中因一

4、次性投入糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况；可在某些情况下减少菌体生成量，提高有用产物的转化率。补料分批发酵技术在生产和科研上被广泛运用，包括单细胞蛋白、氨基酸、生长激素、抗生素、维生素、酶制剂、核苷酸、有机酸等几乎整个发酵工业。2．发酵过程中的代谢变化参数发酵的各种工艺参数分为物理参数、化学参数和生物学参数。（1）物理参数：包括温度、压力、流量、转速、补料和泡沫等，可直接在线测量和控制。发酵过程中的物理参数的测量方法和意义①温度：是指发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。其高低与发酵中酶反应速率、氧在培养液

5、中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物合成速率等有密切关系。不同产品，发酵不同阶段所维持的温度亦不同。②压力：是发酵过程中发酵罐维持的压力。罐内正压可防止外界空气中的杂菌侵入，同时与氧和二氧化碳在培养液中的溶解度有关。③搅拌转速：与培养基中氧的传递、发酵液的均一性等有关。④搅拌功率：是指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率(kW·m-3)。大小与氧容量传递系数KLa有关。⑤空气流量：是指每分钟内每单位体积发酵液通入空气的体积，也叫通风比。一般控制在0.5L·L-1·min-1~1.0L·L-1·min-1。⑥粘度：是

6、细胞生长及形态的一项指标，其大小可改变氧的传递阻力，也可表示菌体的相对浓度。（2）化学参数：包括pH、溶解氧、氧化还原电势、二氧化碳溶解量、排气组分〔二氧化碳、氧气)和溶液成分(总糖、总氨、各种无机离子等)，有些可直接在线检测，如pH、溶解氧和排气组分，有些不能或难以在线捡测。发酵过程中的化学参数的测量方法和意义①基质浓度：是发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的浓度。②pH：其高低与菌体的生长和产物合成有着重要的关系。③溶解氧:（3）生物参数发酵过程中的主要生物学参数包括生物量、细胞数、细胞形态和大小、生物素、酶活性、辅酶、ATP、ADP、

7、AMP、蛋白质、核酸、细胞活力等，它们一般不能在线检测。①菌丝形态：菌丝形态的改变是生化代谢变化的反映。一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程代谢变化和决定发酵周期的依据之一。②菌体浓度：其大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响，与补料量、供气量、培养液的表观粘度和溶解氧浓度有关。③脱氧核糖核酸(DNA)：以DNA为参数可以区分发酵的各个阶段。根据发酵液的菌体量和单位时间的菌体浓度、溶氧浓度、糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值，即可分别算出菌体的比生长速率、氧化消耗速率、糖化消耗速率、氮化消耗速率的产物比生成速率。这

8、些参数也是控制生长菌的代谢，决定补料和供氧工艺条件的主要依据，多用于发酵动力学的研究中。5.2温度对发酵的影响及其控制1．温度对发酵的影响（1）温度对微生物细胞生长的影响；（2）温度对产物形成