关于发酵过程控制 (2)课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关于发酵过程控制 (2)
发酵是一种很复杂的生产过程，其好坏涉及诸多 因素，如菌种的生产性能、培养基的配比、原料质量、 灭菌条件、种子质量、发酵条件和过程控制等。
不论是老或新品种，都必须经过发酵研究这一阶 段，以考察其代谢规律、影响产物合成的因素，优化 发酵工艺条件。
高产菌种对工艺条件的波动比低产菌种更敏感， 故掌握生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知识对 生产的稳定和提高具有重要的意义。
这一阶段又称为菌体的生长期或发酵前期。
产物合成阶段：
产物数量逐渐增多，直至达到高峰，生产速率也达到 最大，直至产物合成能力衰减。此阶段，营养物质不断被 消耗，产物不断被合成。环境因素很重要，发酵条件应严 格控制，方有利于产物合成。
营养物质过多，菌体就进行生长繁殖，抑制产物合成 ，使产物量降低；如果过少，菌体就衰老，产物合成能力 就下降，产量减少。
二、次级代谢产物变化
次级代谢产物包括大多数的抗生素、生物 碱和微生物毒素等物质。它们的发酵属于生长 与产物非偶联的类型，一般分为菌体生长、产 物合成和菌体自溶３个阶段。
菌体生长阶段：
接种后，菌体开始生长，直达到菌体的临界浓度。 同时，营养物质进行分解代谢，不断的消耗，浓度明 显减少，溶氧浓度逐渐降低到一定的水平，其中某一 参数可能成为菌体生长的限制因素，使菌体生长速度 减慢，积累了相当量的某些代谢中间体，原有的酶活 力下降，出现了与次级代谢有关的酶，其酶解除了控 制等原因，导致菌体的生理状况发生改变，菌体就从 生长阶段转入产物合成阶段。
6.1.2 补料分批发酵
一种介于分批培养和连续培养之间的操作方式。 在进行分批培养的过程中，向反应器内加入培
养基的一种或多种成分，以达到延长生产期和控制 培养过程的目的。
没有输出或间歇放掉部分发酵液（半连续发酵）
补料分批发酵与传统分批发酵相比，其优点在于使发 酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：
一、初级代谢的代谢变化：
初级代谢是生命细胞在生命活动过程中所进行的代谢 活动，其产物为初级代谢产物。菌体的生长过程显示生长 史的特征。
但在发酵过程中，即使是同一种菌体，由于菌体的生 理状态和培养条件的不同，各期的生长长短就有所不同。 生产中要求在对数期接种原因就在此。
初级代谢没有明显的产物形成期，产物随着菌体 生长在不断的进行合成，有的与菌体的生长呈平行关 系。如乳酸、醋酸，与Ｑp顶峰几乎在同一时期出 现，而氨基酸、酶、核酸的发酵过程比前者复杂，它 的与Ｑp的大小则随培养基成分、碳源、温度、菌 株等不同而变化。
这一阶段又称为产物分泌期或发酵中期。
菌体自溶阶段：
菌体衰老，细胞开始自溶，氨氮含量增加，pＨ上 升，产物合成能力衰退，生产速率下降，此时应必须 结束发酵，否则，影响产品的提取。
这一阶段又称为菌体的自溶期或发酵后期。
分批发酵的优缺点：
§操作简单、周期短 §染菌的机会减少 §生产过程、产品质量易掌握 §不适用于测定过程动力学 §对基质浓度敏感的产物，用分批发酵不合适
常规的发酵条件：
罐温、搅拌转速、搅拌功率、空气流量、罐压、液 位、补料、加糖、油或前体，通氨速率以及补水等。
表征过程性质的状态参数： pH、溶氧（DO）、溶解CO2、氧化还原电位、尾气 O2和CO2 含量、基质或产物浓度、代谢中间物或前体 浓度、菌浓等。
间接状态参数： 比生长速率、摄氧率、释放速率（CER）、呼吸商 （RQ）、基质消耗速率和产物合成速率等。
连续发酵的优缺点：
1）可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； 2）便于自动控制； 3）增加了染菌机会：长时间不断地向发酵系统供 给无菌空气和培养基； 4）菌种发生变异的可能性较大。
6.2 发酵条件的影响及其控制
微生物发酵的生产水平取决于生产菌种的特性 和发酵条件的控制。
了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反映菌 的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们 有效地控制微生物的生长和生产。
在S >10ks时，比生长速率就接近最大值。
所以营养物质均存在一个上限浓度，在此 浓度以内，菌体的比生长速率随浓度增加而增 加，但超过此限，浓度继续增加，反而会引起 生长速率下降，这种效应称基质的抑制作用。
在正常的情况下，可达到最大比生长速率，然而 ，由于代谢产物及其基质过浓，而导致抑制作用，出 现比生长速率下降的趋势。
6.2.1 基质浓度wenku.baidu.com发酵的影响及其补料控制
基质是产生菌代谢的物质基础，既涉及菌 体的生长繁殖，又涉及代谢产物的形成。
在分批发酵中，当基质过量时，菌体的生长速率与 营养成分的浓度无关。
max
S Ks S
μ：菌体的生长比速Ks：半饱和常数 S：限制性基质浓度μmax: 最大比生长速度
在S ks的情况下，比生长速率与基质浓度呈线性关系。
1）可解除底物抑制，产物的反馈抑制和快速利用碳 源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加 剧供氧的矛盾；
2）可降低培养基的黏度，并尽可能地延长产物的形 成时间。
3）避免培养基积累有毒代谢物。
与连续发酵相比，补料分批发酵不需要严格的无菌条 件，也不会产生菌种老化和变异等问题。
半连续发酵的不足：
6.1 发酵过程的操作类型
6.1.1 分批发酵
是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后， 接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在 特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。
一次投料，一次接种，一次收获 间歇培养
分批发酵过程一般可粗分为四期，即适应（停滞）期、 对数生长期、生长稳定期和死亡期；也可细分为六期： 即停滞期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡期。
1）放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和 处于生产旺盛期的菌体；
2）定期补充和带放使发酵液稀释，送去提取的 发酵液体积更大；
3）发酵液被稀释后可能产生更多的代谢有害物， 最终限制发酵产物的合成；
4）一些经代谢产生的前体可能丢失； 5）有利于非产生菌突变株的生长
6.1.3 连续发酵
连续培养或连续发酵是指以一定的速度向 培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的 速度流出培养液，使培养系统内培养液的液量 维持恒定的微生物培养方式。
发酵是一种很复杂的生产过程，其好坏涉及诸多 因素，如菌种的生产性能、培养基的配比、原料质量、 灭菌条件、种子质量、发酵条件和过程控制等。
不论是老或新品种，都必须经过发酵研究这一阶 段，以考察其代谢规律、影响产物合成的因素，优化 发酵工艺条件。
高产菌种对工艺条件的波动比低产菌种更敏感， 故掌握生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知识对 生产的稳定和提高具有重要的意义。
这一阶段又称为菌体的生长期或发酵前期。
产物合成阶段：
产物数量逐渐增多，直至达到高峰，生产速率也达到 最大，直至产物合成能力衰减。此阶段，营养物质不断被 消耗，产物不断被合成。环境因素很重要，发酵条件应严 格控制，方有利于产物合成。
营养物质过多，菌体就进行生长繁殖，抑制产物合成 ，使产物量降低；如果过少，菌体就衰老，产物合成能力 就下降，产量减少。
二、次级代谢产物变化
次级代谢产物包括大多数的抗生素、生物 碱和微生物毒素等物质。它们的发酵属于生长 与产物非偶联的类型，一般分为菌体生长、产 物合成和菌体自溶３个阶段。
菌体生长阶段：
接种后，菌体开始生长，直达到菌体的临界浓度。 同时，营养物质进行分解代谢，不断的消耗，浓度明 显减少，溶氧浓度逐渐降低到一定的水平，其中某一 参数可能成为菌体生长的限制因素，使菌体生长速度 减慢，积累了相当量的某些代谢中间体，原有的酶活 力下降，出现了与次级代谢有关的酶，其酶解除了控 制等原因，导致菌体的生理状况发生改变，菌体就从 生长阶段转入产物合成阶段。
6.1.2 补料分批发酵
一种介于分批培养和连续培养之间的操作方式。 在进行分批培养的过程中，向反应器内加入培
养基的一种或多种成分，以达到延长生产期和控制 培养过程的目的。
没有输出或间歇放掉部分发酵液（半连续发酵）
补料分批发酵与传统分批发酵相比，其优点在于使发 酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：
一、初级代谢的代谢变化：
初级代谢是生命细胞在生命活动过程中所进行的代谢 活动，其产物为初级代谢产物。菌体的生长过程显示生长 史的特征。
但在发酵过程中，即使是同一种菌体，由于菌体的生 理状态和培养条件的不同，各期的生长长短就有所不同。 生产中要求在对数期接种原因就在此。
初级代谢没有明显的产物形成期，产物随着菌体 生长在不断的进行合成，有的与菌体的生长呈平行关 系。如乳酸、醋酸，与Ｑp顶峰几乎在同一时期出 现，而氨基酸、酶、核酸的发酵过程比前者复杂，它 的与Ｑp的大小则随培养基成分、碳源、温度、菌 株等不同而变化。
这一阶段又称为产物分泌期或发酵中期。
菌体自溶阶段：
菌体衰老，细胞开始自溶，氨氮含量增加，pＨ上 升，产物合成能力衰退，生产速率下降，此时应必须 结束发酵，否则，影响产品的提取。
这一阶段又称为菌体的自溶期或发酵后期。
分批发酵的优缺点：
§操作简单、周期短 §染菌的机会减少 §生产过程、产品质量易掌握 §不适用于测定过程动力学 §对基质浓度敏感的产物，用分批发酵不合适
常规的发酵条件：
罐温、搅拌转速、搅拌功率、空气流量、罐压、液 位、补料、加糖、油或前体，通氨速率以及补水等。
表征过程性质的状态参数： pH、溶氧（DO）、溶解CO2、氧化还原电位、尾气 O2和CO2 含量、基质或产物浓度、代谢中间物或前体 浓度、菌浓等。
间接状态参数： 比生长速率、摄氧率、释放速率（CER）、呼吸商 （RQ）、基质消耗速率和产物合成速率等。
连续发酵的优缺点：
1）可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； 2）便于自动控制； 3）增加了染菌机会：长时间不断地向发酵系统供 给无菌空气和培养基； 4）菌种发生变异的可能性较大。
6.2 发酵条件的影响及其控制
微生物发酵的生产水平取决于生产菌种的特性 和发酵条件的控制。
了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反映菌 的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们 有效地控制微生物的生长和生产。
在S >10ks时，比生长速率就接近最大值。
所以营养物质均存在一个上限浓度，在此 浓度以内，菌体的比生长速率随浓度增加而增 加，但超过此限，浓度继续增加，反而会引起 生长速率下降，这种效应称基质的抑制作用。
在正常的情况下，可达到最大比生长速率，然而 ，由于代谢产物及其基质过浓，而导致抑制作用，出 现比生长速率下降的趋势。
6.2.1 基质浓度wenku.baidu.com发酵的影响及其补料控制
基质是产生菌代谢的物质基础，既涉及菌 体的生长繁殖，又涉及代谢产物的形成。
在分批发酵中，当基质过量时，菌体的生长速率与 营养成分的浓度无关。
max
S Ks S
μ：菌体的生长比速Ks：半饱和常数 S：限制性基质浓度μmax: 最大比生长速度
在S ks的情况下，比生长速率与基质浓度呈线性关系。
1）可解除底物抑制，产物的反馈抑制和快速利用碳 源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加 剧供氧的矛盾；
2）可降低培养基的黏度，并尽可能地延长产物的形 成时间。
3）避免培养基积累有毒代谢物。
与连续发酵相比，补料分批发酵不需要严格的无菌条 件，也不会产生菌种老化和变异等问题。
半连续发酵的不足：
6.1 发酵过程的操作类型
6.1.1 分批发酵
是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后， 接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在 特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。
一次投料，一次接种，一次收获 间歇培养
分批发酵过程一般可粗分为四期，即适应（停滞）期、 对数生长期、生长稳定期和死亡期；也可细分为六期： 即停滞期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡期。
1）放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和 处于生产旺盛期的菌体；
2）定期补充和带放使发酵液稀释，送去提取的 发酵液体积更大；
3）发酵液被稀释后可能产生更多的代谢有害物， 最终限制发酵产物的合成；
4）一些经代谢产生的前体可能丢失； 5）有利于非产生菌突变株的生长
6.1.3 连续发酵
连续培养或连续发酵是指以一定的速度向 培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的 速度流出培养液，使培养系统内培养液的液量 维持恒定的微生物培养方式。