发酵工艺条件确定.ppt

第六章发酵工艺的控制发酵工艺过程，不同于化学反应过程，它既涉及生物细胞的生长、生理和繁殖等生命过程，又涉及生物细胞分泌的各种酶所催化的生化反应过程。
发酵工程是生物应用工程学科，是微生物学在工业生产领域的大规模应用，是化学工程在生物技术领域的延伸，是生物、化学和工程等学科的综合利用。第一节发酵过程的主要控制参数（3）搅拌速度（r/min）
搅拌器在发酵过程中的转动速度。
其大小影响发酵过程氧的传递速率，受醪液的流变学性质影响，还受发酵罐的容积限制（见下表）

（4）搅拌功率（kW）
搅拌器搅拌时所消耗的功率（kW/m3），在发酵过程中的转动速度。
其大小与液相体积氧传递系数有关。
（5）空气流量（m3空气/（m3发酵液·min））
单位时间内单位体积发酵液里通入空气的体积，一般控制在0.5～1.0（m3空气/（m3发酵液·min））（6）粘度（Pa·s）
细胞生长或细胞形态的一种标志，反映发酵罐中的菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。
（7）浊度（％）
反映应单细胞生长情况
（8）料液流量（L/min）
进料参数（5）产物浓度（µg（u）/ml）
检验发酵是否正常与否的重要参数，
是决定发酵周期长短的根据.
（6）废气中的氧浓度（Pa）
废气中的氧浓度与发酵微生物的摄氧率和KLa有关，以此确定发的供氧能力。
（7）废气中的CO2浓度（%）
根据废气中的氧浓度和CO2浓度，以此计算产生菌的呼吸商，了解产生菌的呼吸代谢规律。3.生物参数
（1）菌丝形态
菌丝形态是衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之一。
（2）菌体浓度
菌体浓度是控制微生物发酵的重要参数之一。生产上，常常根据菌体浓度来决定补料量和供氧量，以保证生产达到预期水平。
根据菌体浓度研究菌体比生长率，基质比消耗率等动力学参数，以此确定最佳发酵工艺。第二节发酵过程中的代谢变化Ⅱ型，生长产物合成半偶联类型：
产物的合成来自次级代谢，存在着与生长相联和不相联两个部分，先是基质消耗和菌体生长高峰，后是菌体进入生长静止期，出现产物形成高峰。
如柠檬酸、谷氨酸、赖氨酸、依康酸、丙酮、丁醇发酵
Ⅲ型，生产与产物合成非偶联类型：
菌体生长和产物合成完全分开的，如各种抗生素和微生物毒素等物质的生产速率很难与生长相联系。产物合成速度与碳源利用也不存在定量关系。
产物的合成是在菌体的浓度达到最高之后才开始的，
如青霉素、链霉素、核黄素、糖化酶的发酵。Ⅰ型，生长产物合成偶联型：
Ⅱ型，生长产物合成半偶联类型：
Ⅲ型，生产与产物合成非偶联类型：
1.初级代谢的代谢变化
初级代谢是生物细胞在生命活动中进行的代谢活动，初级代谢产物是菌体生长繁殖所必需的。
初级代谢菌体生长过程呈现延滞期、对数期、静止期和死亡期。除对数期的微生物外，其他时期的微生物作为发酵种子均会出现延滞期。
延滞期的长短还会受菌体的生理状态和发酵条件的影响。
初级代谢Ⅰ型发酵产物与菌体生长成平行关系；
Ⅱ型发酵产物受基质成分、温度、溶氧、菌株影响较大。
下面以谷氨酸发酵为例加以说明
Ⅰ型发酵产物乳酸的生长速率µ与产物的比生产速率Qp几乎同时达到峰值。
Ⅱ型发酵产物谷氨酸生长速率µ比产物的比生产速率Qp几稍快些。2.次级代谢产物的代谢变化
次级代谢产物包括大多数抗生素、生物碱、微生物毒素等
属于Ⅲ型发酵，即生产与产物合成非偶联类型。
发酵分为完全分开的菌体生长阶段，产物合成阶段，和菌体自溶三个阶段。
（1）菌体生长阶段（发酵前期或平衡期）

碳源和氮源等进行分解代谢，基质不断被消耗，菌体不断繁殖，菌浓不断增加；
菌体摄氧率增加，溶解氧浓度下降，菌体达到临界浓度时，氧浓度达最小；
pH发生一些变化，或先升后降，或先降后升；
发酵体系出现某一限制因子，菌体生长速率下降，中间代谢产物大量积累；
菌体生理发生变化，与次级代谢相关的酶被解除控制，菌体进入产物合成阶段。（2）产物合成阶段（分泌期或发酵中期）
发酵过程中代谢变化如下：
菌体达到临界浓度，菌体基本不繁殖，但细胞内含物仍在增加，菌体干重增加；总DNA含量达定值；

基质继续被消耗，产物不断被合成，代谢仍然包括基质的分解代谢和产物合成代谢；但菌体的呼吸强度不变；

环境条件对产物合成很敏感，需严加控制温度，pH/，基质浓度和溶解氧浓度；

基质浓度不能过高或过低，过高则会引起菌体繁殖，过低会加速菌体老化；（3）菌体自溶阶段（自溶期或发酵后期）
发酵过程中代谢变化如下：
菌体细胞衰老，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；
发酵一旦进入自溶阶段必须结束，否则产物会被破坏，还会给后续工艺带来困难。第三节菌体浓度的影响及其控制（2）基质浓度

由Monod关系式得出，生长速率取决于基质浓度。
当基质浓度S＞10Ks时，比生长速率就