发酵工艺的过程控制课件

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,第四章 发酵工艺控制,1,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。,第一节 发酵生产方法的类型,2,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。,第二节 发酵过程的动力学类型反应 化学,3,发酵曲线图,发酵曲线图,4,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,从此三个因素分析发酵速度。,5,发酵过程分为三大类型,发酵过程分为三大类型,6,（一）类型,I,（一）类型I,7,（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,8,（一）类型,I,乳酸发酵,（一）类型I 乳酸发酵,9,（一）类型,I,乳酸发酵,（一）类型I 乳酸发酵,10,（一）类型,I,杆菌肽发酵,（一）类型I 杆菌肽发酵,11,（二）类型,II,（二）类型II,12,（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。,（二）类型II,13,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。,增酸期：018h 有机酸大量积累，菌体大量生长 产物溶,14,（三）类型,（三）类型,15,（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,16,（三）类型,链霉素发酵（用灰色链霉素生产）,（三）类型 链霉素发酵（用,17,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。,第三节 连续发酵动力学一、控制方法,18,二、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,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,19,1,.,菌的情况 流入量十生长菌量,=,流出菌量 即：,1.菌的情况 流入量十生长菌量=流出菌量 即：,20,发酵工艺的过程控制课件,21,3,、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),3、对基质情况同理,22,发酵工艺的过程控制课件,23,对单级罐而言,根据,Michadis-mentem,公式,对单级罐而言,24,饱和常数,为,1/2,时基质浓度,为最大比生长速率,Monod,公式,饱和常数 ,为1/2 时基质浓,25,发酵工艺的过程控制课件,26,发酵工艺的过程控制课件,27,发酵工艺的过程控制课件,28,发酵工艺的过程控制课件,29,三、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。,三、连续发酵优点：1、提高了生产率，一般至少几倍至十多倍。,30,四、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。,四、存在的问题1、理论上：菌体生长与产物形成的关系，,31,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。,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,32,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。,生物热：,33,发酵工艺的过程控制课件,34,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,发酵过程中生物热的变化,35,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,）,搅拌热,36,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%,。,蒸发热,37,3,，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：,3，发酵热的测定,38,二、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。,二、温度对微生物影响。,39,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。,发酵工艺的过程控制课件,40,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。,发酵过程中，微生物生长速率变化,41,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。,例：青霉菌生产青霉素,42,五、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