发酵工艺控制

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,*,模块五,发酵工艺控制,一、发酵条件的影响及其控制,1、种子质量,（1）种龄,太年轻：前期生长缓慢，产物开始形成时间推迟，整个发酵周期延长；,太老：菌量虽多，但导致生产能力下降，菌体过早自溶。,（2）接种量,较大且合适：缩短生长期，产物合成时间提前；,过大：生长过快，黏度增加，导致溶氧不足，影响产物合成。,1,发酵条件的影响及其控制,2、温度的影响（P161-162）,（1）温度对微生物生长的影响,A. 影响微生物的生长繁殖（）；,B. 影响碳-能源基质转化为细胞的得率（最适生长温度和产物合成,温度不同）；,C. 影响细胞的各种代谢过程（分解代谢和合成代谢） 。,2,发酵条件的影响及其控制,（2 ）温度对发酵的影响 （P163-164）,对产物形成的影响；通过影响酶反应速率直接影响过程的各种反应,速率。,B. 改变发酵液的物理性质；使氧溶解度减小，氧传递速率被改变；基,质的传质速率改变，使菌体对基质的分解和吸收变小。,C. 影响生物合成的方向。,（3）影响发酵温度的因素：发酵热,生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热。,3,发酵条件的影响及其控制,（4） 最适温度的选择 （发酵温度控制）,微生物生长最适温度、产物合成最适温度；,考虑的因素：菌种、培养基成分和浓度、菌体生长阶段和培养条件等。,3、pH的影响及控制 （P165）,（1） pH影响微生物生长 （酶活、基质的利用）；,（2） pH对发酵的影响,产物合成、菌体的形态、细胞膜的电荷状态、合成途径。,4,发酵条件的影响及其控制,（3） 影响发酵pH的因素, 培养基的成分；, 微生物的代谢特性；, 通气量的变化；, 菌体自溶；, 杂菌污染,5,发酵条件的影响及其控制,（4）最适pH的选择和调控, 生产之前进行生长和产物形成最适pH的研究和试验，掌握发酵过程中,变化的规律；, 进行监测；, 合理控制；, 控制pH在合适范围应首先从基础培养基的配方考虑，然后通过加酸碱,或中间补料来控制。,6,溶氧,的影响及其控制,4、氧的供需及对发酵的影响,（1）微生物对氧的需求（需氧）；,（2）发酵液中氧的供给（供氧）；,（3）影响Kla的因素（供氧的调节）；,（4）与溶氧相关的参数测定；,（5）发酵过程中溶氧监控的意义,7,微生物对氧的需求,（1）微生物对氧的需求,A. 描述微生物需氧的物理量,r = Q,O2,X （X为菌浓）,摄氧率（r）：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量,，,mmol O,2,/（Lh）。,比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的,氧气，mmol O,2,/（g菌h） 。,8,微生物对氧的需求,Q,O2,C,Cr,C,L,B.,溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,C,Cr,: 临界溶氧浓度,，指不影响呼吸或产物合成所允许的最低溶氧浓度。,9,微生物对氧的需求,r= Q,O,2,X,C. 影响需氧（,摄氧率r,）,的因素,菌体浓度X,呼吸强度,Q,O2,：,遗传因素；,发酵液中的溶氧浓度,CL；,菌龄；,营养的成分与浓度；,有害物质的积累；,培养条件,10,反应器中氧的传递,（2）,反应器中氧的传递 （发酵液中氧的供给）,传递方程：,OTR,= KLa （C,C,L,）,C,与气相中氧分压相平衡的液体中的氧饱和浓度；,C,L, 发酵液中的溶氧浓度；,微生物对氧的需要速率，应该是为了避免氧成为限制因素而必须,满足的供氧速率，即供氧需氧达到平衡。,Q,O2, X=,KLa (C,C,L,),11,反应器中氧的传递,两种情况：, 若供氧速率需氧速率，即,KLa (C,C,L,) r,此时发酵液中的溶氧浓度C,L,会不断增加趋近于C, 若需氧速率供氧速率，即,r,KLa (C,C,L,),则 C,L,会不断下降趋近于0。,结论：影响供氧的主要因素是推动力(C,C,L,) 和体积氧传递系数KLa,。,12,供氧的调控策略,（3）供氧的调控 （影响供氧的因素）,提高,推动力 （C,C,L,） （手段不多）, 增加C, 的方法 （P169）；, 降低,C,L,：可通过减少空气流量来达到，但CL不能低于临界氧浓度(C临界) ，必须略大于C临界；同时减少空气流量本身会使KLa下降。,提高,体积氧传递系数KLa, 搅拌：,使液体形成涡流，延长气泡在液体中的停留时间；,增加液体湍动程度，减少气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的力；,将空气打散成小气泡，防止其凝集，从而增大气液相的有效接触面积；,使培养液中的成分分布均匀，细胞在培养液中均匀地悬浮，有利于营养物质的吸收和代谢物的及时分散。,13,供氧的调控策略, 空气流量,提供氧气，带走废气；,在一定流量范围内， KLa随空气流量增加而增加；,当空气流量超过某一限度，搅拌器不能有效地将空气泡分散到液体中，而在大量空气泡中空转，发生”过载“现象，气流形成大的气泡，沿轴的周围出， KLa不能再提高。, 培养液性质的影响,密度、黏度、表面张力、扩散系数等；,液膜厚度增加，传质阻力增大，扩散系数降低，通气效率下降。, 微生物生长的影响,菌体浓度；,菌丝形态：球状菌的KLa是相同浓度丝状菌的2倍；丝状菌的稠度指数是球状菌的10倍。,14,供氧的调控策略, 消泡剂的影响, 离子强度的影响,消泡剂会分布在气液界面，增大传递阻力，使K,L,下降；虽然“a”有所增加，但K,L,下降的影响超过“a”的增加，所以总体是有很大的下降。,电解质溶液中生成的气泡比在水中的要小得多，故有较大的“a”。,15,发酵过程中溶氧监控的意义,（P166）,（4） 溶氧（DO）的测定（P166）,KLa 的测定：亚硫酸盐法（冷膜）,（5）发酵过程中溶氧监控的意义 （P168-169）,A. 溶氧作为发酵异常的指示, 故障或事故引起,发酵异常；, 中间补料是否得当；, 污染杂菌；, 作为质量控制指标；,B. 溶氧在过程控制方面的应用,16,加糖、补料对发酵的影响及其控制,5、加糖、补料对发酵的影响及其控制,补料控制可调节菌的呼吸，以免过程受氧的限制；,补料策略：少量多次；,补料速率：可根据,KLa 的大小来优化，控制生长和氧耗，使菌处于半饥饿状态，有利于提高产率；,补料时机：一般以发酵液中的残糖浓度为依据。,6、比生长速率的调控（P176）,为维持最大比生长速率，在分批补料中采用指数式补料。,17,泡沫对发酵的影响及其控制,7、泡沫对发酵的影响及其控制,（1）泡沫的产生及其影响,产生原因：通气搅拌,，CO,2,，稳定泡沫物质；影响(P178) ；5点,（2）泡沫的消长规律：发酵液的性质随菌的代谢活动不断变化。,前期：上升；中期：减少；后期：上升。,（3）泡沫的控制；机械消泡和消泡剂。,18,发酵终点判断,8、 发酵终点判断,产率：产物 g/（发酵液Lh） ；,得率（转化率）：kg产物 / kg基质；,发酵系数： kg产物 /（罐容积m,3,发酵周期h） ；,产物浓度：产物g / 发酵液 L；,发酵终点判断 (放罐时机) 的考虑：, 以总产率为主（缩短发酵周期），在此前提下再考虑产物浓度；, 放罐时间对下游工序的影响；, 临近放罐时，加糖、补料和消泡剂要慎重，以免影响提炼。,判断放罐的指标（P181）,19,发酵染菌的防治及处理,9、发酵染菌的防治及处理（P181）,（1）染菌的原因及所占百分比（%）,总空气系统带菌 19.96 种子带菌 9.64,阀们泄漏 1.45 接种时罐压降至大气压力 0.19,搅拌轴封泄漏 2.09 培养基消毒不透 0.79,罐盖泄漏 1.54 泡沫升至罐顶 0.48,其它设备泄漏 10.13 操作问题 10.15,夹套穿孔 12.36 原因不明 24.91,蛇管穿孔 5.89 接种管穿孔 0.39,20,发酵染菌的防治及处理,空气系统是染菌的主要原因，但仔细观察，穿孔和泄漏,共占33.85%，远超空气系统。,归纳染菌的原因：空气、设备、种子和操作的问题。,结论：,可见设备渗漏占第一位。,21,发酵染菌的防治及处理,（2）染菌的防治及处理, 空气系统：提高进口空气洁净度（提高吸气口位置，加强空气,压缩前过滤）；, 蒸汽：重视饱和蒸汽质量严防蒸汽中夹带大量冷凝水；, 设备：连续灭菌设备，发酵罐，无菌室；, 工艺操作：空罐准备,、空罐灭菌、实罐灭菌、连续灭菌、补料、,种子、无菌试验(同时用肉汤和双碟或斜面作对照) ；, 重视厂区、车间及人员的卫生工作，加强生产技术管理。,22,发酵过程参数及控制,10、发酵过程的自动控制（参数监测）,（1）设定参数,：温度、罐压、空气流量、搅拌转速；,（2）状态参数：pH、溶氧,、CO,2,、尾气、黏度、菌浓等；,（3）间接参数：摄氧率(OUR) 、CO,2,释放速率(CER) 、,KLa、,呼吸商(RQ)等。,（4）离线发酵分析。,基质：糖、脂质、盐、氨态氮等；,前体和代谢产物：抗生素、酶、有机酸、氨基酸和菌量等；,采用人工取样和离线分析。,23,