第八章发酵工艺的控制

,*,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,第八章 发酵工艺控制,思考题,发酵过程中需要控制的参数有哪些？,分析发酵过程中产生泡沫的原因及对发酵过程的影响。,pH,对发酵的影响表现在哪些方面？发酵过程的,pH,控制可以采取哪些措施？,培养工艺的控制方法,pH,值,温度,氧,种龄,接种量,pH,值对发酵过程的影响,微生物细胞生长最适,pH,微生物的正常生长需要一定的,pH,值，不同微生物对,pH,值的要求也不同。大多数细菌的最适,pH,值为,6.5-7.5,；霉菌的最适,pH,值为,4.0-5.8,；酵母的最适,pH,值为,3.8-6.0,；放线菌的最适,pH,值为,6.5-8.0,。,pH,值对发酵过程的影响,代谢产物生成的最适,pH,pH,值不仅影响微生物的生长，还会影响到代谢产物的形成。对于同一种微生物，由于,pH,值不同，形成的产物也会不同。例如，,黑曲霉在,pH,值,2-3,的情况下，产物是柠檬酸，而,pH,值接近中性时，生成草酸,。,pH,值对发酵过程的影响,pH,值对微生物生长和代谢产物形成产生影响,1,）,pH,值影响微生物细胞,原生质膜的电荷,，引起原生质膜对个别离子渗透性的改变，从而影响到微生物对营养物质的吸收和代谢产物的渗漏。,2,）,pH,值会直接影响到微生物细胞内的,酶活性,3,）,pH,值会影响到培养基中某些重要的,营养物质和中间代谢产物的解离,，从而影响到对这些物质的吸收和利用。,发酵过程,pH,的调控,微生物的生长繁殖或产物的合成往往需要一定的,pH,环境，在最适,pH,值下有利于加快各种酶的反应。因此在整个发酵过程中应使培养基的,pH,适合于微生物生长或产物合成所需。,pH,值,的控制方法,1.,在配制培养基时考虑所用营养物质的组成成分，使其,pH,值适合该微生物生长或合成代谢产物的需要。,2.,在发酵过程中根据,pH,值的变化可用流加氨水的方法来解决。同时又把氨水作为氮源来供给。,pH,值,的控制方法,3.,控制,pH,最常用的方法是在培养基中添加具有一定缓冲能力的物质作为营养物，如以磷酸盐作为磷的成分；避免使用容易产生生理酸性或碱性物质，如生理酸性铵盐作为氮源，由于,NH,4,+,被利用后剩余大量酸根，引起发酵液的,pH,下降。,pH,值,的控制方法,4,、,以尿素作为氮源进行流加控制,pH,，是目前国内味精厂普遍采用的方法。当流加尿素后，尿素被微生物的脲酶分解放出氨，使,pH,上升，氨被微生物利用和形成代谢产物后，使,pH,下降，再次反复流加就可维持一定的,pH,值。,温度对发酵过程的影响及控制,任何微生物的生长都需要有最适的生长温度，在此温度范围内微生物生长繁殖最快。,如果所培养的,微生物能承受稍高一些的温度,进行生长和繁殖，这对生产有很大的好处，即可减少污染杂菌的机会，也可以减少夏季培养所需降温的辅助设备，因此培养耐高温的菌种有一定的生产现实意义。,温度对发酵过程的影响,1,、,温度对微生物的影响，不仅表现为对微生物表面的作用，对微生物内部的所有结构物质都有作用。,2,、,温度对酶的影响，酶很容易受热失活，温度越高，失活越快，从而影响发酵过程的最终产物产量。,温度对发酵过程的影响,3,、,温度可以通过改变培养液的物理性质，间接影响微生物细胞的生长，如，溶解氧浓度。,4,、,温度影响到微生物的生物合成方向，,温度低于,30,度，金色链霉菌生成金霉素,，,温度高于,35,度，金色链霉菌生成四环素,。,温度对发酵过程的影响及控制,发酵热,：发酵过程中释放出来的引起温度变化的净热量，包括生物热、搅拌热、蒸发热和辐射热。,温度对发酵过程的影响及控制,生物热,：,微生物细胞在生长繁殖过程中本身产生的大量热称为生物热。培养基中碳水化合物、脂肪和蛋白质等被利用后，分解成,CO,2,、,NH,3,、水和其他物质时释放出大量生物热，部分用于合成细胞内的高能化合物，供微生物细胞合成和代谢活动需要，部分用于合成代谢产物外，其余以热的形式散发出来。,温度对发酵过程的影响及控制,搅拌热,：对于机械搅拌通气式发酵罐，由于机械搅拌带动液体作比较剧烈的运动，造成液体之间、液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生大量的热量。搅拌热与搅拌功率有关：,Q,搅拌热,=P3601,P-,发酵罐的搅拌功率（,kw,）,3601,-,机械能转变为热能的热功当量（,kJ/,kw,h,）,温度对发酵过程的影响及控制,蒸发热,：发酵过程中被空气和蒸发的水分带走的热量称为蒸发热。,Q,蒸发,=G,（,I,出,-I,进,）,G-,通入发酵罐的空气流量（,kg,干空气,/h,）,I,出,、,I,进,-,发酵罐排气、进气的热焓（,kJ/kg,干空气）,温度对发酵过程的影响及控制,辐射热,：是指因发酵罐温度与罐外环境温度不同，而使发酵液通过罐体向外辐射的热量。辐射热的大小取决于发酵罐内外的温度差的大小，受环境温度变化的影响。,温度对发酵过程的影响及控制,Q,发酵,=Q,生物,+Q,搅拌,-Q,蒸发,-Q,辐射,发酵是一个复杂的生化过程，底物和生成物很多，但是发酵热的计算以主要的物质即,在反应中起决定作用的物质来近似计算,。,发酵过程温度的控制,在生产上，为了使发酵温度控制在一定的范围，常在发酵设备上装有热交换设备，例如采用夹套、排管或蛇管进行调温，冬季发酵时空气还需要进行加热。,发酵过程中溶解氧的控制,由于依赖获得能量的代谢方面的差异，微生物对氧的需要也存在不同。好气菌主要是有氧呼吸，厌气菌为厌气发酵，兼性厌气菌则两者兼而有之。,不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对通风量的要求也不相同。,呼吸商（,Respiratory quotient,RQ,）,通风和搅拌,通气量与,菌种、培养基性质、培养阶段,有关,。,通气量的多少，最好按溶解氧的多少来决定。只有氧溶解的速度大于菌体的吸氧量时，菌体才能正常地生长、繁殖。因此随着菌体繁殖，呼吸增强，必须按菌体的吸氧量加大通气量，以增加溶解氧的量。,通风和搅拌,搅拌则能使氧气更好地与培养液混合，保证氧的最大限度溶解,;,搅拌有利于热交换，使培养液的温度一致,;,还有利于营养物质和代谢物的分散,;,此外，挡板则有助于搅拌，使其效果更好,。,通风和搅拌,一般来说，若发酵罐深，搅拌转速大，通气管开孔小，气泡在培养液内停留时间就长，氧的溶解速度就大，而且在这些因素确定的情况下，培养基的粘度越小，氧的溶解速度也越大。,搅拌可以提高通气效果，但是过度地剧烈搅拌会导致培养液大量涌泡，容易增加杂菌污染的机会，,微生物细胞也不宜剧烈搅拌。,种龄与接种量,种子培养期应取菌种的对数生长期为宜，菌种过嫩或过老，不但延长发酵周期，而且会降低产量。,接种量的大小直接影响发酵周期。,种龄与接种量,大量地接入培养成熟的菌种的优点：,1.,可以缩短生长过程的延缓期，因而缩短了发酵周期，提高了设备利用率，节约了发酵培养的动力消耗；,2.,有利于减少染菌机会。,一般将菌种扩大培养，进行两级发酵或三级发酵。,接种量与菌种生长过程的延缓期长短呈反比。,接种量过多也无必要。因培养种子费时，而且过多地移人代谢废物，反而,会影响正常发酵。,发酵过程泡沫的影响及控制,泡沫的副作用,1,）使发酵罐的装填系数减少；,2,）造成大量逃液，导致产物损失；,3,）泡沫“顶罐”有可能使培养基从搅拌的轴封渗出，增加染菌机会；,4,）由于泡沫的液位变动，以及不同生长周期的微生物随泡沫漂浮或黏附在罐盖或罐壁上，使微生物生长的环境发生了变化，影响了微生物群体的效果，增加了微生物群体的非均一性；,发酵过程泡沫的影响及控制,5,）,影响通气搅拌的正常进行，妨碍了微生物的呼吸，造成发酵异常，导致最终发酵产物产量下降,;,6,）,使微生物菌体提早自溶，这一过程的发展又会促进更多泡沫的生成。,泡沫产生原因,产生泡沫的原因,：,1,）,通气和机械搅拌使液体分散形成气泡；,2,）,培养基中某些成分的变化或微生物的代谢活动产生气泡；,3,）,培养基中某些成分,(,如蛋白质及其他胶体物质,),的分子，在气泡表面排列形成坚固的薄膜。因此，气泡不易破裂，聚成泡沫层。,发酵过程对泡沫的控制,机械法,：靠机械强烈振动和压力的变化，促使气泡破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收，达到消泡作用。,优点,：不需在发酵液中加入其它物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后继分离工艺的影响。,缺点,：效果不如化学消泡迅速、可靠、不能根本上消除引起稳定泡沫的因素，同时它还需要设备和消耗动力。,发酵过程对泡沫的控制,化学法,：,发酵工业常用的消泡剂，有各种天然的,动植物油,及来自石油化工生产的,矿物油,、,改性油,、,表面活性剂,等。而新型的,有机硅聚合物,如,硅油,、,硅树脂,等，具有效率高、用量省、无毒性、无代谢性是一类有发展前途的消泡剂。,泡沫的控制除了添加消泡剂外，改进培养基成分也是相辅相成的一个重要方面。,发酵过程对泡沫的控制,化学消泡的机理,：,、消泡剂是表面活性剂，加到发酵液中，由于消泡剂本身的表面张力相对于发酵液来说是比较低的，一旦接触到气泡表面，将会使气泡膜局部的表面张力降低，平衡受到破坏，因而使气泡破裂或合并。,发酵过程对泡沫的控制,、,对于泡沫表面存在着极性的表面活性物质而形成,双电层,时，加入,带相反电荷,的表面活性剂，可以降低液膜的弹性（机械强度），或加入某些具有,强极性,的物质与起泡沫剂争夺液膜上的空间，并使液膜的机械强度降低，进而促使泡沫破裂。,发酵过程对泡沫的控制,、,当泡沫的液膜具有较大的,表面黏度,时，加入某些,分子内聚力较弱,的物质，可降低膜的表观黏度，从而促使液膜的液体流失而使泡沫破裂。,