发酵过程的工艺控制-1

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1、发酵过程定义发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。为什么要研究发酵过程微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来。为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。同时，为了掌握菌种在发酵过程中

2、的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。分批发酵(Batchfermentation)补料分批发酵(Fed-batchfermentation)连续发酵(Continuousfermentation)这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的代谢特征。发酵过程按进行过程有三种方式：第一节发酵过程的代谢变化规律1、分批发酵的定义是指在一封闭系统内含有初始限量

3、基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。一、分批发酵2、分批发酵的特点微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。优点操作简单；操作引起染菌的概率低;不会产生菌种老化和变异等问题。缺点非生产时间较长、设备利用率低。3、分批发酵的优缺点停滞期对数生长期稳定期死亡期单细胞微生物4、分批发酵的生长曲线微生物生长分为：停滞期、对数生长期、稳定期和死亡期。在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为当菌种接种入一个新

4、的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这时细胞不能分裂。当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很快，比生长速率几近常数，这个时期称为对数生长期。随着细胞生长，培养液中的营养物减少，废物积累，导致细胞生长速率下降，进入减速期和稳定期。最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入死亡期。对于初级代谢产物，在对数生长期初期就开始合成并积累，而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳定期大量合成。5、分批发酵的类型Gaden'sfermentationclassification（按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化）第一类型第二

5、类型第三类型Piret'sfermentationclassification（按照产物生成与菌体生长是否同步）生长关联型(第一类型）生长无关联型（第二，三类型）■第一类型（生长关联型）产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产物形成不分开。例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵■第二类型（部分生长关联型）产物也来源于能量代谢所消耗的基质，但产物的形成在与初级代谢分开的次级代谢中，出现两个峰，菌体生长进入稳定期，出现产物形成高峰。例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。■第三类型（非生长关联型）产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利

6、用中间代谢反应来形成的，即产物的形成和初级代谢是分开的。如抗生素发酵。产物形成与生长有关，如酒精、某些酶等。■生长关联型（growthassociated）产物的形成速度与生长无关，只与细胞积累量有关。如，抗生素。■非生长关联型non-growthassociated■分批发酵的分类对实践的指导意义从上述分批发酵类型可以分析：如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期；如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期

7、，以提高产量。二、补料分批发酵1、定义补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。2、补料发酵补加的营养物质有：补充菌体所需的能源和碳源；补充菌体所需氮源；加入某些菌体生长代谢所需的微量元素和无机盐；对于产诱导酶的微生物，常在补料中适当加入该酶的作用底物，以提高酶的产量；对一些抗生素发酵，往往需要补充抗生素形成的前体。3、补料分批发酵的优缺点优点使发酵系统中维持很低的基质浓度；和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；不会产生菌种老化和变异等问题。缺点存在一定的非生产时间；和分批发酵比，中

8、途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。三、连续发酵1、定义培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质