发酵过程控制与优化

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1、第四章发酵工艺过程控制第一节发酵的操作方式分批培养补料分批培养（半连续培养）连续培养一、分批培养（batchcultureorfermentation）1.概念：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，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。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2.特点：(1)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）(2)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。3.分批培养的优缺点优点:操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质

2、量容易掌握。缺点:产率低。二、连续培养（continuousculture）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，同时不断放出代谢物，使微生物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式。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:控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，产量高。缺点:长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。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。三、补料分批培养（fed-batchculture）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

3、养基的特点，在分批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其代谢产物的生产时间延长。2.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。(2)延长次级代谢产物的生产时间。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)由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。(2)由于物料的加入增加了染菌机会。应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。3.几个实例：产物补料物酵母菌麦芽汁、氮、磷、镁谷氨酸氨水或尿素柠檬酸铵盐、糖苹果酸葡萄糖淀粉酶葡萄糖青霉素葡萄糖、氨水

4、、苯乙酸第二节温度变化及其控制一、温度对发酵的影响1.影响反应速率2.影响发酵方向另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率。二、最适温度的选择最适发酵温度是既适合菌体的生长又适合代谢产物合成的温度。随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。三、发酵过程引起温度变化的因素——发酵热Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射四、温度的控制一般不需加热，因释放了大量的发酵热，需要冷却的情况多。用夹套或蛇形管，通冷却水。第三节pH变化及其控制一、pH变化的原因1.基质代谢（1）糖代谢糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一。（2）氮代谢氨基

5、酸中的-NH2被利用，pH下降；尿素被分解成NH3，pH上升。（3）生理酸碱性物质利用后，pH上升或下降。2.产物形成3.菌体自溶pH上升二、pH对发酵的影响1.影响酶的活性。2.影响微生物细胞的结构。3.影响微生物对基质的利用速率。4.影响代谢方向。三、pH值的确定和控制1.pH的确定微生物发酵的最适pH范围一般在58之间，根据实验确定，即配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况。举例：Aspergillusniger在pH2~2.5范围时有利于合成柠檬酸，当在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主，而在pH7.0时，则以合成草酸为主。生长的最适pH值与发酵的

6、最适pH值2.pH的控制(1)调节好基础培养基的pH。若控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.56.8。(2)通过加酸碱和中间补料来控制。a.过去直接加酸（H2SO4）或碱（NaOH），现常用：生理酸性物质：(NH4)2SO4生理碱性物质：氨水b.补料既调节了pH值，又补充了营养，还可减少阻遏作用。如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用:调节pH值补充氮源第四节溶解氧及其控制一、溶解氧（dissolvedoxygen,DO）对发酵的影响溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。（1）最适氧浓度（optimaloxygenconcentration）：——菌体生

7、长或产物合成最适浓度范围。（2）临界氧浓度（criticalvalueofdissolvedoxygenconcentration）：——满足微生物呼吸的最低氧浓度。二、溶氧浓度的控制溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。（一）供氧方面：1.调节搅拌转速2.调节通气速率（二）需氧方面：1.菌体浓度和菌龄2.基质种类和浓度以菌浓影响最明显。3.培养条件控制方法：通过控制基质浓度。大型发酵罐搅拌装置温度传感器、耐高温pH和溶氧（DO）传感器第五节泡沫的形成与控制一、泡沫产生的原因1.通风搅拌程度及菌体新陈代谢产生的CO2。2.培养基性质二、泡沫的危害1.降