发酵工艺过程控制样本

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。这种产物一般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, 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) 能够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) 能够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、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: 能够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) 能够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) 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CO

含量; 菌丝形态; 菌体浓度

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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, 经过热交换来降温, 保持恒温发酵。

如果气温较高( 特别是中国南方的夏季气温) , 冷却水的温度又高, 致使冷却效果很差, 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的状态, 改变细胞膜的通透性, 影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄;

3、影响培养基中某些组分的解离, 进而微生物对这些成分的吸收;

4、 pH值不同, 往往引起菌体代谢过程的不同, 使代谢产物的质量和比例发生改变。