发酵工艺的过程控制ppt课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第四章 发酵工艺控制,第一节 发酵生产方法的类型,发酵过程状态：,1,、间歇,：（,1,）培养基加入和发酵液放出是一致的；,（,2,）发酵一次一次进行。,2,、连续,：（,1,）培养液加入到放出是连续的；,（,2,）培养罐中处于稳定状态。,3,、半连续发酵,：培养基连续加入发酵液分批或分别放出,IIIIII,整个系统培养液连续加入，但各罐的发酵液分别放出。,第二节 发酵过程的动力学类型,反应 化学因素 则化学反应动力学,酶酶反应动力学,发酵：,1,、速度：表征是什么？几个表征间关系；,2,、影响因素：其如何影响，怎样控制这些因素,现主要讨论第,1,个问题,将培养基灭菌，加入菌种，在一定容器中发酵，将其动态变化画成曲线，此为,发酵曲线图,所以影响因素为：,a,基质中糖或碳源,b,菌种,c,产物,从此三个因素分析发酵速度。,发酵曲线图,从此三个因素分析发酵速度。,所以研究发酵速度就是研究,1,碳源利用速度,2,菌生长速度,3,产物形成速度,4,上述三者之间关系,根据以上四个条件将所有发酵过程分为三大类型,发酵过程分为三大类型,（一）类型,I,（一）类型,I,1,、特点,菌生长比速度,C,、,P,都有一个高峰,三者的高峰同时出现，三者基本平行,产物的量和碳源利用量有一定的化学剂量关系可进行理论计算。,2,、产物类型,此一类型产物主要有两大类：,菌体,产量常数在一定条件下，用一定菌体产量常数相对稳定。故知产量常数可控制流加糖的量，还可利用产量常数检查，发酵条件的控制是否合适。,代谢产物：酵母的酒精发酵、乳酸发酵,另部分次级代谢产物也属此型，但大多数属类型,III,次级代谢产物，杆菌肽、氯霉素。,（一）类型,I,乳酸发酵,（一）类型,I,乳酸发酵,（一）类型,I,杆菌肽发酵,（二）类型,II,（二）类型,II,1,特点：,分成两个时期：菌体生长和产物形成在不同时期，分别在菌生长期产物形成期。,碳源利用的比速度有两个高峰，分别在两个时期，第一个高峰用于菌体生长，第二个高峰用于产物合成（在产物形成期可能还有菌体第二次生长）。,碳源利用和产物形成无明确的化学剂量关系，但还是有一定关系的。,2,、产物类型,有中间产物积累：,产物在合成过程中先积累一定产物，再由中间产物转化为最终产物。如丙酮丁醇发醇，丙酮丁醇发酵分为三个时期。,增酸期：,018h,有机酸大量积累，菌体大量生长 产物溶剂形成少,减酸期：,1840h,菌体长到最大期，溶剂就大量形成，培养液中,pH,值上升,后发酵：,4072h,菌体不增长，甚至有些下降，溶剂增长到最大值，酸降低到最小值。,无中间产物积累,如：延胡索酸发酵 用黑根霉,谷氨酸发酵 用棒状杆菌,柠檬酸发酵 用黑曲霉,土霉素发酵 金色链霉菌（四环类抗生等）,土霉素生产因其菌生长，,C,利用有两个高峰而划入,型，产物产量较高。,（三）类型,（三）类型,1.,特点：,分成两个时期，但产物形成比类型,早，在菌体接近或达到最大值时，产物开始生长。,菌体生长和碳源利用没有第二个高峰。,产物的形成和碳源利用无量上的关系，都是属于次级代谢产物，产物量占发酵液中的,0.12%,。,链霉素发酵,(,用灰色链霉菌生产,),2,、产物类型,:,分为三种类型，知道发酵的类型,将预知某个发酵将按什么情况进展,可作为发酵的中间控制的理论基础，在实践上指导生产监督生产，如控制流加糖。根据菌体生产和产物形成是否同步的，可控制不同的发酵条件，如,、,型可在不同时期，为不同目的（菌体或产物），控制不同发酵条件，从营养上说，生长的营养条件和产物的营养条件有区别。,在连续发酵的设计上，类型,可用单级，如为类型,、,就要采用二级以上的连续发酵，使菌体生长和产物形成都得到保证。,（三）类型,链霉素发酵（用灰色链霉素生产）,第三节 连续发酵动力学,一、控制方法,1,、恒浊法：,根据培养液的浊度与菌的浓度成正，比通过一种仪器（如光电效应）控制菌的流量，使菌的浓度保持一致，在此培养基的各种养料是充足过量的，菌都在最大生长速度，菌浓度被控制，适用于动力学类型,。,2,、恒化法：,培养基中有一种可限制菌的生长速度，此为限制性基质，如培养基中糖的含量很低，还可用氨基酸，无机氮等而别的成分不是过量的，培养基的流量一定，这种方法，菌的生长速度不是在最大生长速度，以此控制菌的浓度一定，采用这种方法适于动力学,、,型。,二、动力学,下面以多罐，开放式（相对于菌体截留的密闭式）混合均匀为例,F,流量,L/h,X,菌浓度,g/L,S,基质浓度,g/L,P,产物浓度,g/L,每一罐流量一样为,F,要保持连续发酵系统的稳定,1,.,菌的情况 流入量十生长菌量,=,流出菌量 即：,3,、对基质情况,同理,Yx/s,为以消耗基质基准的菌生长得率常数。,将其代,(3-6),对单级罐而言,根据,Michadis-mentem,公式,饱和常数,为,1/2,时基质浓度,为最大比生长速率,Monod,公式,三、连续发酵优点：,1,、提高了生产率，一般至少几倍至十多倍。,原因,提高了发醇罐的利用率，其表示用两种：,生产单位重量的产品每日所需发醇罐的立方米。,或单位积的发醇罐每日生产的产品重量。,便于管理控制,由于上面原因，生产成本大大降低，水、电、气平衡易于控制。,四、存在的问题,1,、理论上：菌体生长与产物形成的关系，,最适,D,、最适菌浓度的掌握理论上的推导不,完全符合实际生产。,2,、退化与变异：连续发酵时间越长越好，,但许多菌会发生退化，表现在生产能力上退,化，合成产物上发生变换。解决方法，更换,菌种或种子。,3,、染菌问题：要解决之，对设备严密度、无菌操作,严格，及好气气体供给。,4,、均匀度：与输送能否顺利进行，主要是丝状菌。,第四节 温度对发酵的影响及其控制,温度是保证酶活性的重要条件，因此在发酵系统中，必须保证稳定而合适的温度环境。,一、影响发酵温度的因素。,（,1,）产热因素：生物热和搅拌热。,（,2,）散热因素：蒸发热和辐射热。,发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。,生物热：,定义,：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为,CO,2,NH,3,时释放出的大量能量。,用途,：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动，热能散发。,影响生物热的因素,：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。一般，菌株对营养物质利用的速率越大，培养基成分越丰富，生物热也就越大。发酵旺盛期的生物热大于其他时间的生物热。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。,实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。,发酵过程中生物热的变化,在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度的变化有对应关系，特别是在,80,小时以前。从此实验中还可看到，当产生的生物热达到高峰时，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可从菌体的耗氧率来衡量生物热的大小。,四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程,1,：效价；,2,：呼吸强度；,3,：生物热；,4,：糖浓度,搅拌热,定义,：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热 。,搅拌热的计算,：,Q,搅拌,=3600,（,P/V,）,式中,3600,：热功当量（,kJ/,（,kW.h,）,（,P/V,）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（,kW/m3,）,蒸发热,定义,：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。,蒸发热的计算,：,Q,蒸发,=G,（,I,2,-I,1,）,式中,G,：空气流量，按干重计算，,kg/h,I,2,、,I,1,：进出发酵罐的空气的热焓量，,J/kg,（干空气）,（,4,）辐射热,定义,：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。,辐射热的计算,：辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的,5%,。,3,，发酵热的测定,（,1,）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热。,（,2,）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率,S,，按下式可求得发酵热：,二、温度对微生物影响。,分为嗜冷菌，嗜中温菌，嗜热菌,生长活化能,2533 104KJ/mol,小于死亡的活化能,104122KJ/mol,死亡速率比生产速度对温度更敏感,三、温度对发醇影响,温度低，反应速度低，周期长,温度高，反应速度快，但菌易衰老，影响产量。,菌合成与产物合成温度要求不同。,温度通过以下方式影响发酵过程,（,1,）影响各种酶的反应速率和蛋白质性质,（,2,）影响发酵液的物理性质,（,3,）影响生物合成的方向。,例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于,30,温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达,35,则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。,发酵过程中，微生物生长速率变化,dX/dt =X-X,式中,：比生长速率,：比死亡速率,当处于生长状态时，,，,可忽略。,与,与温度有关,根据,Arrenhnius,公式,= Ae-E/RT,= Ae-E/RT,通常,E,大于,E,，所以,比,对温度变化更为敏感。,例：青霉菌生产青霉素,青霉菌生长活化能,E=34kJ/mol,青霉素合成活化能,E=112kJ/mol,青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当重要。,五、最适温度的确定,在发酵过程中，最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。,最适发酵温度的选择：在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择还应考虑培养基成分和浓度,六、温度的控制,发酵罐：夹套（,10M,3,以下）,盘管（蛇管） （,10M,3,以上）,第五节 微生物的耗氧与氧的供给,谷氨酸发醇氧供应要适量,合理供氧,一、微生物的需氧量，即微生物的耗氧量，,Oxypen consumcd,微生的耗氧量用：,1,、耗氧速率来表示,单位体积的培养液在单位时间的耗氧量叫耗氧速率（,r,）,单位 毫摩分子,/,升,小时,mM/lh,耗氧速率与培养液中微生物的呼吸强度和细胞浓度有关,R=Q,O2,*C,C,Q,O2,g/l,C,C,mM/hl,呼吸强度与菌特性有关,如青霉素菌,4.2 mM/hl,链霉菌,4.0 mM/hl,5,、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老,;,我有能力报答，父母仍然健康。,6,、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。,7,、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。,8,、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。,9,、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。,10,、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。,11,、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。,12,、女人，要么有美貌，要么有智慧，如果两者你都不占绝对优势，那你就选择善良。,13,、时间，抓住了就是黄金，虚度了就是流水。理想，努力了才叫梦想，放弃了那只是妄想。努力，虽然未必会收获，但放弃，就一定一无所获。,14,、一个人的知识，通过学习可以得到,;,一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。,15,、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。,5,、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。,6,、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。,7,、每个人的心里，都藏着一个了不起的自己，只要你不颓废，不消极，一直悄悄酝酿着乐观，培养着豁达，坚持着善良，只要在路上，就没有到达不了的远方！,8,、不要活在别人眼中，更不要活在别人嘴中。世界不会因为你的抱怨不满而为你改变，你能做到的只有改变你自己！,9,、欲戴王冠，必承其重。哪有什么好命天赐，不都是一路披荆斩棘才换来的。,10,、放手如拔牙。牙被拔掉的那一刻，你会觉得解脱。但舌头总会不由自主地往那个空空的牙洞里舔，一天数次。不痛了不代表你能完全无视，留下的那个空缺永远都在，偶尔甚至会异常挂念。适应是需要时间的，但牙总是要拔，因为太痛，所以终归还是要放手，随它去。,11,、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。,12,、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。,13,、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。,14,、给自己一份坚强，擦干眼泪；给自己一份自信，不卑不亢；给自己一份洒脱，悠然前行。轻轻品，静静藏。为了看阳光，我来到这世上；为了与阳光同行，我笑对忧伤。,15,、总不能流血就喊痛，怕黑就开灯，想念就联系，疲惫就放空，被孤立就讨好，脆弱就想家，不要被现在而蒙蔽双眼，终究是要长大，最漆黑的那段路终要自己走完。,5,、从来不跌倒不算光彩，每次跌倒后能再站起来，才是最大的荣耀。,6,、这个世界到处充满着不公平，我们能做的不仅仅是接受，还要试着做一些反抗。,7,、一个最困苦、最卑贱、最为命运所屈辱的人，只要还抱有希望，便无所怨惧。,8,、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。,9,、照自己的意思去理解自己，不要小看自己，被别人的意见引入歧途。,10,、没人能让我输，除非我不想赢！,11,、花开不是为了花落，而是为了开的更加灿烂。,12,、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。,13,、不管从什么时候开始，重要的是开始以后不要停止；不管在什么时候结束，重要的是结束以后不要后悔。,14,、当你决定坚持一件事情，全世界都会为你让路。,15,、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。,