发酵工艺的过程控制课件(48页)

D m 根据D 公 m 式 m (1
K S ) K SS0
不同菌，不同基质K，S不同
三、连续发酵优点：
• 1、提高了生产率，一般至少几倍至十多倍。 • 原因①提高了发醇罐的利用率，其表示用两种： • 生产单位重量的产品每日所需发醇罐的立方米。 • 或单位积的发醇罐每日生产的产品重量。 • ②便于管理控制 • 由于上面原因，生产成本大大降低，水、电、气平衡
（二）类型II
1特点：
– ①分成两个时期：菌体生长和产物形成在不同时期，分别 在菌生长期产物形成期。
– ②碳源利用的比速度有两个高峰，分别在两个时期，第一 个高峰用于菌体生长，第二个高峰用于产物合成（在产物形 成期可能还有菌体第二次生长）。
– ③碳源利用和产物形成无明确的化学剂量关系，但还是有一 定关系的。
• ②菌体生长和碳源利用没有第二个高峰。
• ③产物的形成和碳源利用无量上的关系，都是属于次级代谢产物，产物量占 发酵液中的0.1~2%。
• 链霉素发酵(用灰色链霉菌生产)
2、产物类型:分为三种类型，知道发酵的类型
• ①将预知某个发酵将按什么情况进展
• ②可作为发酵的中间控制的理论基础，在实践上指导生产监督生产，如控制 流加糖。根据菌体生产和产物形成是否同步的，可控制不同的发酵条件，如 Ⅱ、Ⅲ型可在不同时期，为不同目的（菌体或产物），控制不同发酵条件， 从营养上说，生长的营养条件和产物的营养条件有区别。
第四节 温度对发酵的影响及其控制
• 温度是保证酶活性的重要条件，因此在发酵系统中，必须保证 稳定而合适的温度环境。
• 一、影响发酵温度的因素。 • （1）产热因素：生物热和搅拌热。 • （2）散热因素：蒸发热和辐射热。
Q 发 酵 Q 生 物 Q 搅 拌 Q 蒸 发 Q 显 Q 辐
• 发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。
• 例：青霉菌生产青霉素 • 青霉菌生长活化能E=34kJ/mol • 青霉素合成活化能E=112kJ/mol
• 青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当 重要。
• 五、最适温度的确定
• 发酵过程中，微生物生长速率变化
• dX/dt =μX-αX
• 式中 μ：比生长速率
•
α：比死亡速率
• 当处于生长状态时，μ>>α，α可忽略。
• μ与 α与温度有关
• 根据Arrenhnius公式
• μ= Ae-E/RT
• α= A’e-E’/RT
• 通常E’大于E，所以 α比 μ对温度变化更为敏感。
• 反应
化学因素 研 究 则化学反应动力学
• 酶→酶反应动力学
发酵：1、速度：表征是什么？几个表征间关系；
2、影响因素：其如何影响，怎样控制这些因素
• 现主要讨论第1个问题
• 将培养基灭菌，加入菌种，在一定容器中发酵，将其动态变化 画成曲线，此为发酵曲线图
• 所以影响因素为：
a 基质中糖或碳源
b 菌种
• 发酵过程状态：
• 1、间歇：（1）培养基加入和发酵液放出是一致的；
（2）发酵一次一次进行。
• 2、连续：（1）培养液加入到放出是连续的；
（2）培养罐中处于稳定状态。
• 3、半连续发酵：培养基连续加入发酵液分批或分别放出
I→II→III
整个系统培养液连续加入，但各罐的发酵液分别放出。
第二节 发酵过程的动力学类型
2、产物类型
• ①有中间产物积累：产物在合成过程中先积累一定产物，再由 中间产物转化为最终产物。如丙酮丁醇发醇，丙酮丁醇发酵分 为三个时期。
• 增酸期：0~18h 有机酸大量积累，菌体大量生长 产物溶剂形 成少
• 减酸期：18~40h菌体长到最大期，溶剂就大量形成，培养液中 pH值上升
• 后发酵：40~72h 菌体不增长，甚至有些下降，溶剂增长到最 大值，酸降低到最小值。
FSm1VddsntFns
d dns tD S n S n 1•••••• 3 6
• Yx/s为以消耗基质基准的菌生长得率常数。
•
Yx / s
dx ds
•
dSn
dxn YX /S
将其代(3-6)
dxn Yx/s
D(sn sn1)
把dxn dt
nsn代入得
nsn
YX/S
D(Sn
Sn1)
SnSn 1D 1•Y n X X /Sn式 (37
m (K S S S)(39)
变 形 D S 为 S K SK • Sm • m D
代入 3 公 8 ） X （ 式 S0S （ ） Y X/S得
X （ S0K S m D D ） YX/S
X （ S0K S D Dm） YX/S
调节 D当 Dm则 X （将其
则罐内菌全洗出。
例m 题 1 0 h 1 ， ： Y X /S 0 5 ， 设 K S 0 （ 2 g /
• 四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程
• 1：效价；2：呼吸强度；3：生物热；4：糖浓 度
• ②搅拌热
• 定义：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运 动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生 的热 。
• 搅拌热的计算： • Q搅拌=3600（P/V） • 式中 3600：热功当量（kJ/（kW.h）） • （P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗
仪器（如光电效应）控制菌的流量，使菌的浓度保持一致，在 此培养基的各种养料是充足过量的，菌都在最大生长速度，菌 浓度被控制，适用于动力学类型Ⅰ。 • 2、恒化法：培养基中有一种可限制菌的生长速度，此为限制 性基质，如培养基中糖的含量很低，还可用氨基酸，无机氮等 而别的成分不是过量的，培养基的流量一定，这种方法，菌的 生长速度不是在最大生长速度，以此控制菌的浓度一定，采用 这种方法适于动力学Ⅱ、Ⅲ型。
• （2）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定 再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率S， 按下式可求得发酵热：
• 二、温度对微生物影响。 • 分为嗜冷菌，嗜中温菌，嗜热菌 • 生长活化能25~33 104KJ/mol小于死亡的活化能
104~122KJ/mol • ∴死亡速率比生产速度对温度更敏感 • 三、温度对发醇影响 • 温度低，反应速度低，周期长 • 温度高，反应速度快，但菌易衰老，影响产量 • 菌合成与产物合成温度要求不同。
（一）类型I
菌生长 产物形成
碳源利用
（一）类型I 1、特点 • ①菌生长比速度µC、µP都有一个高峰 • ②三者的高峰同时出现，三者基本平行 • ③产物的量和碳源利用量有一定的化学剂量关系可进行理论计
算。
2、产物类型 此一类型产物主要有两大类：
• ①菌体 产量常数在一定条件下，用一定菌体产量常数相对稳定。故知 产量常数可控制流加糖的量，还可利用产量常数检查，发酵条 件的控制是否合适。
• 对单级罐而言
则 SS 0 Y X x/s X （ S 0 S ） Y X /（ S3
xo0,同理 D
（单罐 PX： •YP/X
S
S0
X YX /S
X（S0S）YX/S）
根据Michadis--mentem公式
• 饱和常数 K,为S 1/2 m 时基质浓度
• m为最大比生长速率
• Monod公式
• ①生物热：
• 定义：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。 培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为 CO2,NH3时释放出的大量能量。
• 用途：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动，热能 散发。
• 影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期 的不同而不同。一般，菌株对营养物质利用的速率越大 培养基成分越丰富，生物热也就越大。发酵旺盛期的生 物热大于其他时间的生物热。生物热的大小还与菌体的 呼吸强度有对应关系。
• 实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的 生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛
• 发酵过程中生物热的变化
• 在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度 的变化有对应关系，特别是在80小时以前。从 此实验中还可看到，当产生的生物热达到高峰时 糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可从菌 体的耗氧率来衡量生物热的大小。
章发酵工艺控制
第一节 发酵生产方法的类型
厌气性固态 饲料酿酒
培养基状 固态 态 厌 是氧 否 好 酒 需气 精 氧 ,丙性 酮固 浅 深 丁 ,态 啤 层 层 醇酒酒 柠曲 檬 (5c(原 酸 m)1020cm
液态 好气 性 浅 深盘 层 ((现 20c主 m以 )要 下 )
• 温度通过以下方式影响发酵过程
• （1）影响各种酶的反应速率和蛋白质性质
• （2）影响发酵液的物理性质
• （3）影响生物合成的方向。
• 例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金 霉素。在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素 能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也 提高。在温度达35℃则只产生四环素而金霉素 合成几乎停止。
S 0 1 （ g /0 L ） D 0 5 ， h 1 求 S ？ X ？ ， D
解 S ： K S•m D D 0 2•1 0 0 5 5 0 （ 2g/l）
X （ S 0 S ） Y X /S （ 1 0 0 2 ） • 0 5 4 （ 9 g /l）
DX 05•4924（ 5g/l•h）得下
二、动力学
• 下面以多罐，开放式（相对于菌体截留的密闭 式）混合均匀为例
• F 流量 L/h • X 菌浓度 g/L • S 基质浓度 g/L • P 产物浓度 g/L • 每一罐流量一样为F • 要保持连续发酵系统的稳定
1.菌的情况 流入量十生长菌量=流出菌量 即：
3、对基质情况
• 同理
• •
易于控制。
四、存在的问题
• 1、理论上：菌体生长与产物形成的关系， • 最适D、最适菌浓度的掌握理论上的推导不 • 完全符合实际生产。 • 2、退化与变异：连续发酵时间越长越好， • 但许多菌会发生退化，表现在生产能力上退 • 化，合成产物上发生变换。解决方法，更换 • 菌种或种子。 • 3、染菌问题：要解决之，对设备严密度、无菌操作 • 严格，及好气气体供给。 • 4、均匀度：与输送能否顺利进行，主要是丝状菌。
• ②代谢产物：酵母的酒精发酵、乳酸发酵 另部分次级代谢产物也属此型，但大多数属类型III ③次级代谢产物，杆菌肽、氯霉素。
（一）类型I
乳酸发酵
浓 度
菌体 乳酸 时间
（一）类型I
菌 体
乳酸发酵
乳 酸 时 间
（一）类型I 杆菌肽发酵
比
速
度
杆菌肽
菌体
糖利用
时间
（二）类型II
产物
碳源利用 菌合成
时间
• I2 、 I1 ：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气 • （4）辐射热
• 定义：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热 量。
• 辐射热的计算：辐射热可通过罐内外的温差求得，一般 不超过发酵热的5%。
• 3，发酵热的测定
• （1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却 水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热
的功率（ kW/m3）
源自文库
• ③蒸发热
• 定义：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制 条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发酵 液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发； 蒸发所需的热量即为蒸发热。
• 蒸发热的计算：
• Q蒸发=G（I2-I1） • 式中 G：空气流量，按干重计算，kg/h
• ③在连续发酵的设计上，类型Ⅰ可用单级，如为类型Ⅱ、Ⅲ就要采用二级以 上的连续发酵，使菌体生长和产物形成都得到保证。
（三）类型Ⅲ 链霉素发酵（用灰色链霉素生产）
• 浓度
链霉菌
比速度
菌体
链霉素
糖
菌
糖
第三节 连续发酵动力学
• 一、控制方法 • 1、恒浊法：根据培养液的浊度与菌的浓度成正，比通过一种
②无中间产物积累
• 如：延胡索酸发酵 用黑根霉 谷氨酸发酵 用棒状杆菌
柠檬酸发酵 用黑曲霉
土霉素发酵 金色链霉菌（四环类抗生等）
土霉素生产因其菌生长，C利用有两个高峰而划入Ⅱ型， 产物产量较高。
（三）类型Ⅲ
碳源利用
产物合成
菌
（三）类型Ⅲ 1.特点：
• ①分成两个时期，但产物形成比类型Ⅱ早，在菌体接近或达到最大值时，产 物开始生长。
c 产物
从此三个因素分析发酵速度。
发酵曲线图
浓 度
微生物量
糖或碳原 耗量
产物量
糖减量
时间
• 从此三个因素分析发酵速度。
• 所以研究发酵速度就是研究
1．碳源利用速度
ds
dt
2．菌生长速度
dx
dt
3．产物形成速度
dp
dt
4．上述三者之间关系 • 根据以上四个条件将所有发酵过程分为三大类型
发酵过程分为三大类型