发酵工艺控制.docx
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发酵工艺控制
发酵工艺控制
发酵的一般流程
培养基配制
发酵生产
下游处理
提纲
・温度控制
・pH值控制
・溶氧控制
・二氧化碳控制
・泡沫的控制
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2、影响发酵温度的因素
•发酵热的成分
•生物热：
微生物生长繁殖过程中的产热
•搅拌热：
机械搅拌造成的摩擦热
•蒸发热：
被通气和蒸发水分带走的热量
•辐射热：
发酵罐罐体向外辐射的热量
•显热：
空气流动过程夹带着的热量
3、发酵热的测定
①通过冷却水进出口温度和流量测定:
Q发酵虫％（32）"
G—冷却水流量；
Cw—水的比热；
v_发酵液体积。
②通过发酵液温度随时间上升的速率测定:
Q发酵=（M〔Ci+M2c2）-S
Mi、s—发酵液质量、比热；
M2、C2—发酵罐质量、比热；
S—温度上升速率。
最适温度选择与发酵温度控制
・温度变化的一般规律与控制的一般原则
•接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度，以利于抱子萌发和菌体的生长繁殖；
•待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温度；
•到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低
些，即代谢产物合成的最适温度;
•到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。
•选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温
升氧降）；生长阶段；培养条件等。
4、最适温度选择与发酵温度控制
—最适温度选择
•最适温度分最适生长温度和最适产物合成温度，两者往往不同，各阶段可用不同温度。
如：
青霉素分别为：
30°C和24.7°Co
•青霉素发酵的温度控制
—发酵温度控制
・进行温度控制时应考虑的因素
•参考其它发酵条件（通气、培养基成分和浓度、pH值等），如通气条件差时，则最适发酵温度比通气良好时低。
・温度控制的方法
•冷却是主要的方法，通常是利用发酵罐的热
交换装置进行降温，如果气温较高，冷却水温度也较高时，多釆用冷媒（盐水）进行降温。
•发酵罐的热交换装置:
•罐外夹套•罐内蛇管、列管
二、pH值对发酵的影响及控制
・发酵液pH对菌体生长、繁殖和产物积累影响较大o生产前应进行试验和研究。
・菌体生长、繁殖和产物积累的最适pH不一定相同・整个发酵过程的pH是变化的。
1>pH对发酵的影响
2、影响发酵pH的因素
3、最适pH的选择和调节
•微生物生长最适pH值范围
不同的微生物具有不同的最适生长的pH值o
细菌6.575；放线菌6.5・&0；
•产物形成最适pH值范围
微生物的生长和产物形成的最适pH值往往不同。
少数一致，大多不同;
有的偏高，有的偏低。
pH对微生物生长和产物形成影响的原因:
•pH值影响菌体形态，如壁厚薄、长径比;
•pH值改变使原生质膜电荷发生改变，影响菌体对营养
物质的吸收和代谢产物的排出;
•pH值直接影响酶活性;
•pH值影响某些重要营养物质和中间代谢产物的离解,
从而影响微生物对这些物质的利用o
•pH影响生物合成的途径。
如：
黑曲霉pH=2-3时产柠檬酸；近中性时产草酸、
葡萄糖酸。
2、影响发酵pH的因素
・影响pH值的因素：
培养基成份、微生物代谢特性决定发酵过程的pH变化。
（综合反映）
・此外，通气状况的变化，菌体自溶和杂菌污染都可
能引起发酵液pH的变化。
・微生物改变培养液pH以适合自身生长的能力很强。
・发酵液的实际pH是“成分”和“途径”的统一。
・确定和有效控制pH在菌体生长或产物积累的最适范
围是高产的保证。
2、影响发酵pH的因素
・生理碱性物质和生理酸性物质
・生理碱性物质：
经微生物代谢后，导致pH上升（碱性物质生成或酸性物质消耗）的物质。
如：
有机氮源，硝酸盐，有机酸。
（产N%、NaOH）・生理酸性物质：
经微生物代谢后，导致pH下降（酸性物质生成或碱性物质消耗）的物质。
如：
糖类（产有机酸），脂肪（产脂肪酸），钱盐（氧化产硫酸）。
最适pH的选择和调节
・最适pH的选择和调节t
•既有利于菌体的生•!
•根据不同微生物的4
值的变化，选用适1・生长最适pH和产物形丿
1两者相同，范围都7
2两者相同，范围都夕
3两者相同，范围一了
4两者不同，范围都夕
图74pJI芍丰和Op之间关系的几荊不同概
3、最适pH的选择和调节
•补料调节：
调节通比平衡；
如：
青霉素生产（按需补糖
•添加弱酸或弱碱、
三、氧对发酵的影响
・氧是制约发酵进行的重要因素
•氧难溶于水，培养基中贮存的氧量很少;
【纯氧溶纯水，1.26mmol/L；空气氧溶纯水，0.25；培养基更低】
•高产株和加富培养基的采用以及发酵周期的缩短
加剧了对氧的需求;
•形成产物的最佳氧浓度和生长的最佳氧浓度有可
能是不同的;
•加大通气量会引起过多泡沫;
•消泡剂不利于氧的溶解。
1、氧的传递和传质方程式
EM氧传迎的各种且力示識图
1、氧的传递和传质方程式
・氧传递的总推动力：
气相与细胞内的氧分压差和浓度差。
・减小阻力方法：
液膜，气液混合所生湍动;
细胞团表面液膜，搅拌减小外径，减少阻力;
细胞团内阻力和壁阻力，搅拌减少逆向扩散梯度;
反应阻力，培养基成分，培养条件，产物移去。
1＞氧的传递和传质方程式
②气液相间的氧传递和嗥（氧分压和浓度变屮・氧传递的主要阻力存彳单位体积培养液中的辜
O1
氐一以氧浓度为彳
c*一气液平衡的V
Cl—液相主体氧材
S7.7气就弊両附迫的耳分臓辎度变化
气液相间的氧传递和氧传质方程式
培养物处于充裕的通气情况下,
Cl会逐渐接近C*,氧传递速率渐小;
下降趋于0,氧传递速率最大。
（C*・Cl一推动力）
2、影响微生物对氧需求的因素
・不同微生物对氧的需求不同，其耗氧速度用呼吸强度（比耗氧速率）来表示：
CL
Qo2=（Qo2）m（当氧是限制性基质时）
k0+cl
（Qo2）m——最大比耗氧速率；
CL——溶解氧浓度；
Ko——氧的米氏常数。
各种菌的K。
和（Qo2）m有定值（表7・3；表7-4）。
影响微生物对氧需求的因素
图7-6酵毋呼吸强度与溶解氧浓度的关乘
2、影响微生物对氧需求的因素
X—细胞浓卫・氧的满足度：
溶解氧浓度占・产物形成的最启不同，需氧量窘
影响微生物摄氧率的因素
1菌种；
2溶解氧浓度；
3细胞浓度；
4培养基成分和浓度：
如：
碳源，利用速度不同摄氧率不同;
5
pH；
⑦有毒物积累。
抑制呼吸;
⑧挥发性中间物（有机酸），加强。
・培养基的流变特性影响：
动量、热量、质量传递，继而影响各种发酵条件。
如：
溶氧速率、气体交换、发酵温度、营养物补充
、PH值的调节等。
•培养液是一多相体系，由液相、固相（菌体，不
溶性培养基组分）和气相构成。
①牛顿流体和非牛顿流体
・牛顿型流体：
服从牛顿黏性定律，黏度只是温
度的函数，与流变状态无关。
即发酵罐中任何局部黏度相同，与搅拌速度、半径无关。
（清细菌、酵母液）
・非牛顿型流体：
不服从牛顿黏性定律，其黏度不仅受温度影响，而且随流动状态而异。
可分为几种类型的流体。
与切变率r有关。
（放线菌、霉菌、高浓度细菌、酵母培养液）
②非牛顿流体的搅拌功率
7-13金色链丑繭培莽灌的骷度系数、流变持性
衢歌葩培养时间的空化
4、影响供氧的因素
・由氧传质方程式：
OTR=KLa（C*-CL）
可知，以下因素影响氧传递速率：
（1）影响KlQ的因素；
（2）影响推动力（C*-CL）的因素o
①搅拌:
汽泡变小，增大汽液相接触面积；延长汽泡在液体中
阻力；使培养基成分和细胞均匀分布，利于营养物吸收,
代谢物扩散。
搅拌比通气速度对Kg的影响更明显。
但搅拌速度过高，会对细胞造成损伤，并会增加传热
的负担。
通气效率还与罐体积（越小越好）、罐形状、结构、
搅拌器形式、挡板有关。
②空气流量:
增加，但有限度。
如超过限度，搅拌器在空气泡中空转，不能分散空气，搅拌功率下降。
气沿轴逸出。
③培养液性质的影响:
微生物生长繁殖和代谢可引起发酵液密度、黏度
、表面张力.扩散系数的变化。
这些性质的变化都会
影响Kg值。
如：
黏度增大，滞留液膜厚度增加，传质阻力增大；同时黏度影响扩散系数，使通气效率降低。
综合操作条件和流体性质对Kg的影响，有:
KLa=f（DhN,3》Dl出p,o,g）
④微生物生长的影响:
细胞浓度增加，KlCI值变小，细胞浓度相同时，球状菌悬液的Kg值是丝状菌悬液Kg值的两倍。
（流动特性，稠度差别较大）
（1）影响Ke的因素
⑤消沫剂的影响：
分布于气液截界面，增大传递阻力，使Kl下
降（虽使a增大）o
产生泡沫原因多样，其中发酵性泡沫氧低,消沫剂虽然使Kl下降，但最终会有效的改
善发酵液的通气效率。
（消泡沫的重要手段）
⑥离子强度的影响：
气泡在电解质溶液中，比在水中小很多，a较大，Kl（j值也比水大。
并随浓度增加而增大。
丙酮、乙醇、甲醇等有机溶剂也有类似情况。
影响因素有:
①温度：
常压下，随温度升高而降低。
②溶质的影响：
随浓度增加氧饱和度下降。
电解质，因盐
析作用而降低；有机溶液，升高。
快。
不利于液相中CO2排出。
对细胞渗透压有不利影响
④纯氧：
富氧通气、溶解氧增加。
但生产成本提高，不够
经济。
5、液相体积氧传递系数KLa的测定
・常握供氧，需氧情况，要测定:
溶解氧浓度，摄氧率和液相体积氧传递系数Ke。
1•摄氧率的测定：
先用纯水标定电极，得单位电流值代表的溶解氧浓度；测定时、关气、除气、保持搅拌；细胞耗氧，培养基氧降，电流值降，摄氧率r求出。
5、液相体积氧传递系数KLa的测定
6、提高溶氧的方法
・加强搅拌；
・适当的空气流量;
・减小培养基粘度；
・提高氧分压；
・调节微生物呼吸强度的临界值；
・合适的细胞浓度、碳源种类、pH、温度。
四、二氧化碳对发酵的影响及控
・二氧化碳的来源：
是微生物的代谢产物，也是某些合成代谢的一种基质。
・二氧化碳对发酵的影响：
1、对菌体；
2、对产物。
二氧化碳对发酵的影响
1＞对菌体：
♦CO2效应：
在发酵生产中不同微生物或某一生长阶段对二氧化碳有着特殊的要求（促进或必须）；
♦通常对菌体生长有抑制作用。
排气中高于4%时，糖代谢和呼吸速率下降。
2、对产物：
♦需占一定的比例（或分压），过高、过低产量都会下降；
♦CO?
对某些发酵产生抑制作用。
如：
抗生素，组氨酸等；
li
♦二氧化碳可通过改变pH而影响发酵生产。
四、二氧化碳对发酵的影响及控制
・原因:
（HC03•影响细胞膜
的膜蛋白）
C02作用膜脂质核心部位，改变膜流动性及表面电荷密度，影响膜运输效率，导致细胞生长受限制，形态改变;
四、二氧化碳对发酵的影响及控制
・发酵液中C02浓度的影响因素：
♦细胞呼吸强度；
♦发酵液流变学特性；♦通气搅拌程度;
♦罐压大小;
♦设备规模。
・二氧化碳浓度的控制方法:
♦调节罐压、通气量和搅拌速度;
五、泡沫对发酵的影响及控制
・泡沫产生的原因
・泡沫过多对发酵的危害
・泡沫的消长规律
・泡沫的消除和防止
泡沫产生的原因
・充气产生泡沫
・微生物代谢气体形成泡沫・泡沫的产生与培养基性质有关
（蛋白质原料、蜜糖水解原料，淀粉水解不完全时易发泡）
2、泡沫过多对发酵的危害
使装量减少，或造成跑液，使产量降低;
通过轴封泄漏，污染设备，增加染菌机会;
菌体粘附罐顶、罐壁，发酵液中菌体量减少;
影响通气搅拌的进行，造成减产或菌体提前自溶;
菌体提前自溶会促使更多泡沫形成，恶性循环;
减风量，影响溶解氧浓度，影响生长、代谢;
加消泡剂，给提取工艺带来困难。
3、泡沫的消长规律
・通气和搅拌：
随通气和搅拌增加而增加，搅拌比通气影响大;
・培养基原料性质：
蛋白腺、玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉等蛋白质原料是主要发泡物质；
・培养基灭菌方法：
温度过高，形成蛋白黑色素，5—径甲基糖醛，泡沫增多；
・细胞代谢活动：
初期，高粘度、低张力，泡多；中期，粘度降、张力升，泡少；后期，自溶，泡上升。
・消泡方法:
•改变培养基成份，减少通气，选育新生产种•化学法：
添加消泡剂（油类等），应用面广•机械法：
靠机械强烈振动，压力的变化，使
气泡破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收
・化学消泡法
•机理：
由于消泡剂本身的表面张力较低，当其与气泡
膜表面接触时，使气泡膜局部的表面张力降低，从而使气泡破裂。
•消泡剂的特点：
是表面活性剂，具有一定的亲水性,
溶解度较小，无毒，不干扰溶氧、pH值等测定仪表的使用，来源广，价廉。
•缺点：
1、消耗多种油类或化工原料;
2、使发酵液中氧的吸收减少1/5-1/3o
・工业上常用的消泡剂
•天然油脂类
•高碳醇、脂肪酸和酯类
•聚瞇类
•硅酮类（聚硅油类）
・消泡剂的增效
•增强消泡剂的散布：
载体增效、乳化增效、
并用增效
•机械消泡
•优点：
节省原料、减少了染菌机会
•缺点：
不能从根本上消除引起气泡的原因,
不如化学消泡迅速可靠，需设备，耗能。
•机械消泡装置的选择依据:
动力小、结构简单、坚固耐用、清洁（杀菌）容易、维修（保养）费用少
・机械消泡方法
•罐内消泡：
在发酵罐内消除泡沫
•耙式消泡桨、碟式消泡器等
•罐外消泡：
将泡沫引出发酵罐外，消泡后再返回罐内
•旋转叶片消泡器、离心式消泡器等
・耙式消泡桨
・碟片式消泡器
・优点：
消泡能力强，功耗小缺点：
结构复杂，维护麻烦
・旋转叶片罐外消泡
（b）泡•沫
马达
搅拌叶片
・离心力罐外消泡
泡沫
马达
泡沫
r旋转筐
马达
中间控制一补料
•补料的内容
•补充能源和碳源
•补充氮源
•补充微量元素和无机盐
•补充诱导酶的作用底物
•补料的原则：
根据微生物的生长代谢与生物合成规
律，控制微生物的中间代谢，使之向有利于生产的方
向发展。
通常中间补料的数量为基础料的"3倍。
中间控制一补料
・补料中应注意的问题
•选择合适的补料的时机、方式和控制指标•料液的配比要恰当（如C/N等）•注意对培养基性质的改变（如pH值等）
•加强无菌控制•经济、节约
温度对发酵的影响及调节控制
PH对发酵的影响及控制氧对发酵的影响及控制
氧的传递与传质方程式;
影响供氧的因素
二氧化碳对发酵的影响及控制泡抹对发酵的影响及控制
升级会员 