第五章发酵工艺过程控制.pptx
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第一节 发酵的操作方式
分批发酵 补料分批发酵（半连续发酵） 连续发酵
一、 分批发酵 （batch culture or fermentation）
1.概念： 向反应器中一次投入所需的培养基，然后接种培养，
培养过程中除控制温度和pH外（O2和CO2及消泡剂 除外）不进行其他任何控制，反应结束后将全部培养 液排出进行处理。
3.分批发酵的优缺点
优点: 操作简单；周期短，不会产生菌种老化和变异等 问题；染菌机会少；生产过程和产品质量容易掌握。 缺点: 产率低：非生产时间较长、设备利用率低。
但由于操作相对较易， 目前仍是发酵工业的主要方式
二、连续发酵（continuous culture）
1. 概念： 微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜 的培养基，同时不断放出等量代谢物，使微生物细胞在近似 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）下生长的培养方式。
死亡期：细胞的营养物质和能源储备已消耗殆尽，不能再 维持细胞的生长和代谢，细胞开始死亡。 ➢ 微生物细胞的死亡呈指数比率增加。 ➢ 在发酵工业生产中．在进入死亡期之前应及时将发酵液放 罐处理。
2.特点：
✓ 整个培养系统与外界没有其它物质交换（O2、CO2、消泡剂、 酸碱除外）。
✓ 整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度不断变 化，是一种非稳态的培养方法。
三、补料分批发酵（fed-batch culture）
介于分批培养和连续培养之间的操作方法。
1.概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培养的某 些阶段适当（间歇或连续地）补加培养基，使菌体或其代谢产 物的生产时间延长。
反复补料分批培养
随着补料操作的进行，发酵液的 体积逐渐增大，到了一定时候将 部分发酵Hale Waihona Puke Baidu取出，剩下的发酵液 继续进行补料分批培养，如此可 反复进行多次，称为反复补料分 批培养。
4）营养缺陷型菌株的培养
一些营养缺陷型菌株可以积累某种有用产物，如氨基酸、 核苷、核苷酸等，利用这些菌株进行生产时须补充其不能 合成的物质供生产所需； 但这些物质过量存在时，可能产生反馈抑制或阻遏作用， 影响产物的合成。 采用补料的方法可将这些物质保持在低浓度水平，有助于 提高产物的生产。
在短流指时加数间不流内能得加维到持(最e底x大p物o量n浓e细n度t胞i不a，l-变fl还o，w可底r通a物t过e浓) 变度更会流随
率指时数间来延控长制而比逐生渐长降速低率。；
◇ 但装置相当复杂
3.补料分批培养的优缺点
优点： 与分批培养相比 (1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应(葡萄糖效应）。 (2)延长次级代谢产物的生产时间。
➢ 对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量将加倍。
稳定期：培养基中的底物不断被消耗，一些对微生物生长 代谢有害的物质在不断积累，微生物的生长速率和比生长 速率逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳定期。
➢ 生物量增加十分缓慢或基本不变； ➢ 微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质还
在不断变化。
2）发生底物抑制的过程
一些微生物能利用甲醇、乙醇、乙酸、某些芳香族化合物等， 但它们在较高浓度下会对菌体的生产产生抑制。
3）分解代谢物阻遏
◇ 以某些很容易被微生物利用的物质（如葡萄糖）作为碳源 时，其某些分解代谢物会使细胞某些酶的合成受到阻遏； ◇ 采用补料的手段将葡萄糖逐渐加入反应器中，使发酵液中 的葡萄糖保持在低水平，避免分解代谢物的积累，从而可以 有效去阻遏。
连续不断地补加新鲜培养基，连续 不断地排出培养物
2. 特点：
菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒定状态。
3. 连续培养的优缺点
优点: 1）省去了反复放料、清洗、装料、灭菌等步骤，避免了 延迟期，提高设备的利用率和单位时间产量。 2）发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制； 3）易于分期控制，可以在不同罐中控制不同的条件。
分批培养中微生物的生长
迟滞期 对数生长期
稳定期
死亡期
延滞期（迟滞期）：把微生物从一种培养基中转接到另 一培养基的最初一段时间里，尽管微生物细胞的重量 （W﹠V)有所增加，但细胞的数量没有增加。
指数生长期：如以细胞数目或生物量的对数对时间作一 对数图，将得一直线，因而这一时期称作指数生长期。
➢ 对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间内其细胞 数目将成倍增加。
缺点: 长期连续培养会引起菌种退化；染菌机会增加。 应用：废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工业中。
例题：
B 下列对微生物连续培养优点的叙述，不正确的是( )。
A．能及时连续补充微生物所需的营养物质，提高产量 B．有利于微生物尽快将代谢产物释放到培养基中 C．提高了设备利用率且便于自动控制与管理 D．能及时排除部分有害代谢产物
第五章 发酵工艺过程控制
第一节 发酵的操作方式 第二节 温度变化及其控制 第三节 pH变化及其控制 第四节 溶解氧及其控制 第五节 泡沫对发酵的影响及控制 第六节 发酵染菌及其防治 第七节 发酵终点的判断
工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适 的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。
与连续培养相比 (1)降低了染菌，避免了遗传不稳定性。 (2)最终产物浓度较高，有利于产物的分离。 (3)使用范围广。
缺点： (1)存在一定的非生产时间。 (2)由于物料的加入增加了染菌机会。
4.补料分批培养应用：
应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。
1）细胞的高密度培养
◇ 一般培养基中的营养物质浓度有一定的限度，过高的底 物浓度会抑制菌体的生长； ◇ 采用补料的方法将高浓度的营养物质逐渐加入反应器， 可使发酵液中的菌体浓度达到很高的程度，如大肠杆菌浓 度可达145g/L。
2.补料方式： 间歇添加营养物质后，其在发酵液中的浓度
即会上升，然后随着微生物的利用又下降；
间歇添加法 再次补入料液后，营养物质浓度再次升高，
然后再次下降，呈现较大的波动。
连续流加法
◇ 恒速流加操作的补料速度是定值，操作简
便恒，速设流备加简单(co；ns最ta常nt用-flo；w rate)
◇ 发酵液体积呈线性增长；由于在指数生长 ◇ 指期数，流微加生补物料的的底加物入消量耗呈也指呈数指规数律增增加长，，恒能速
分批发酵 补料分批发酵（半连续发酵） 连续发酵
一、 分批发酵 （batch culture or fermentation）
1.概念： 向反应器中一次投入所需的培养基，然后接种培养，
培养过程中除控制温度和pH外（O2和CO2及消泡剂 除外）不进行其他任何控制，反应结束后将全部培养 液排出进行处理。
3.分批发酵的优缺点
优点: 操作简单；周期短，不会产生菌种老化和变异等 问题；染菌机会少；生产过程和产品质量容易掌握。 缺点: 产率低：非生产时间较长、设备利用率低。
但由于操作相对较易， 目前仍是发酵工业的主要方式
二、连续发酵（continuous culture）
1. 概念： 微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜 的培养基，同时不断放出等量代谢物，使微生物细胞在近似 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）下生长的培养方式。
死亡期：细胞的营养物质和能源储备已消耗殆尽，不能再 维持细胞的生长和代谢，细胞开始死亡。 ➢ 微生物细胞的死亡呈指数比率增加。 ➢ 在发酵工业生产中．在进入死亡期之前应及时将发酵液放 罐处理。
2.特点：
✓ 整个培养系统与外界没有其它物质交换（O2、CO2、消泡剂、 酸碱除外）。
✓ 整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度不断变 化，是一种非稳态的培养方法。
三、补料分批发酵（fed-batch culture）
介于分批培养和连续培养之间的操作方法。
1.概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培养的某 些阶段适当（间歇或连续地）补加培养基，使菌体或其代谢产 物的生产时间延长。
反复补料分批培养
随着补料操作的进行，发酵液的 体积逐渐增大，到了一定时候将 部分发酵Hale Waihona Puke Baidu取出，剩下的发酵液 继续进行补料分批培养，如此可 反复进行多次，称为反复补料分 批培养。
4）营养缺陷型菌株的培养
一些营养缺陷型菌株可以积累某种有用产物，如氨基酸、 核苷、核苷酸等，利用这些菌株进行生产时须补充其不能 合成的物质供生产所需； 但这些物质过量存在时，可能产生反馈抑制或阻遏作用， 影响产物的合成。 采用补料的方法可将这些物质保持在低浓度水平，有助于 提高产物的生产。
在短流指时加数间不流内能得加维到持(最e底x大p物o量n浓e细n度t胞i不a，l-变fl还o，w可底r通a物t过e浓) 变度更会流随
率指时数间来延控长制而比逐生渐长降速低率。；
◇ 但装置相当复杂
3.补料分批培养的优缺点
优点： 与分批培养相比 (1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应(葡萄糖效应）。 (2)延长次级代谢产物的生产时间。
➢ 对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量将加倍。
稳定期：培养基中的底物不断被消耗，一些对微生物生长 代谢有害的物质在不断积累，微生物的生长速率和比生长 速率逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳定期。
➢ 生物量增加十分缓慢或基本不变； ➢ 微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质还
在不断变化。
2）发生底物抑制的过程
一些微生物能利用甲醇、乙醇、乙酸、某些芳香族化合物等， 但它们在较高浓度下会对菌体的生产产生抑制。
3）分解代谢物阻遏
◇ 以某些很容易被微生物利用的物质（如葡萄糖）作为碳源 时，其某些分解代谢物会使细胞某些酶的合成受到阻遏； ◇ 采用补料的手段将葡萄糖逐渐加入反应器中，使发酵液中 的葡萄糖保持在低水平，避免分解代谢物的积累，从而可以 有效去阻遏。
连续不断地补加新鲜培养基，连续 不断地排出培养物
2. 特点：
菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒定状态。
3. 连续培养的优缺点
优点: 1）省去了反复放料、清洗、装料、灭菌等步骤，避免了 延迟期，提高设备的利用率和单位时间产量。 2）发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制； 3）易于分期控制，可以在不同罐中控制不同的条件。
分批培养中微生物的生长
迟滞期 对数生长期
稳定期
死亡期
延滞期（迟滞期）：把微生物从一种培养基中转接到另 一培养基的最初一段时间里，尽管微生物细胞的重量 （W﹠V)有所增加，但细胞的数量没有增加。
指数生长期：如以细胞数目或生物量的对数对时间作一 对数图，将得一直线，因而这一时期称作指数生长期。
➢ 对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间内其细胞 数目将成倍增加。
缺点: 长期连续培养会引起菌种退化；染菌机会增加。 应用：废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工业中。
例题：
B 下列对微生物连续培养优点的叙述，不正确的是( )。
A．能及时连续补充微生物所需的营养物质，提高产量 B．有利于微生物尽快将代谢产物释放到培养基中 C．提高了设备利用率且便于自动控制与管理 D．能及时排除部分有害代谢产物
第五章 发酵工艺过程控制
第一节 发酵的操作方式 第二节 温度变化及其控制 第三节 pH变化及其控制 第四节 溶解氧及其控制 第五节 泡沫对发酵的影响及控制 第六节 发酵染菌及其防治 第七节 发酵终点的判断
工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适 的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。
与连续培养相比 (1)降低了染菌，避免了遗传不稳定性。 (2)最终产物浓度较高，有利于产物的分离。 (3)使用范围广。
缺点： (1)存在一定的非生产时间。 (2)由于物料的加入增加了染菌机会。
4.补料分批培养应用：
应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。
1）细胞的高密度培养
◇ 一般培养基中的营养物质浓度有一定的限度，过高的底 物浓度会抑制菌体的生长； ◇ 采用补料的方法将高浓度的营养物质逐渐加入反应器， 可使发酵液中的菌体浓度达到很高的程度，如大肠杆菌浓 度可达145g/L。
2.补料方式： 间歇添加营养物质后，其在发酵液中的浓度
即会上升，然后随着微生物的利用又下降；
间歇添加法 再次补入料液后，营养物质浓度再次升高，
然后再次下降，呈现较大的波动。
连续流加法
◇ 恒速流加操作的补料速度是定值，操作简
便恒，速设流备加简单(co；ns最ta常nt用-flo；w rate)
◇ 发酵液体积呈线性增长；由于在指数生长 ◇ 指期数，流微加生补物料的的底加物入消量耗呈也指呈数指规数律增增加长，，恒能速