发酵工艺过程控制.ppt

第七章 发酵工艺过程控制
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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；
必须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；
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，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中。
第一节 发酵过程中的代谢变化与控制参数
一、发酵工艺过程控制的重要性
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从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化（培养基和培养条件）和产物形成速率这三者之间的关系。
二、发酵过程的代谢变化规律
这里介绍分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵及连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征。
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1、分批发酵
指在一个封闭的培养系统内含有初始限制量的基质的发酵方式。即一次性投料，一次性收获产品的发酵方式。
延滞期
指数期
稳定期
衰亡期
时间（t）
菌体浓度
分批培养条件下的典型生长曲线
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在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系，将微生物产物形成动力学分为① 生长关联型 和② 非生长关联型。
A（葡萄糖异构酶）
B（菌体浓度）
B（菌体浓度）
A（杀念珠菌素）
生长关联型
非生长关联型
产物的生成速率与菌体生长速率成正比。这种产物通常是微生物分解基质的直接产物，如酒精，但也有某些酶类，如脂肪酶和葡萄糖异构酶
产物的生成速率与菌体生长速率成无关，而与菌体量的多少有关。
对于生长关联型产品，可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。
对于非生长关联型产品，则宜缩短菌体的对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后，延长稳定期，从而提高产量。
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2、补料－分批发酵
是指分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。
与传统的分批发酵相比，优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：
① 可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；
② 克服养分的不足，避免发酵过早结束。
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３、半连续发酵
是指在补料－分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液的培养方法。
优点：
① 可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；
② 克服养分的不足，避免发酵过早结束；
③缓解有害代谢产物的积累。
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４、连续发酵
又称连续流动培养或开放型培养，即培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。在这样的环境中培养，所提供的基质对菌的生长就受到限制，培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态。
与传统的分批发酵相比，连续培养有以下优点：
① 维持低基质浓度：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；
② 避免培养基积累有毒代谢物；
③ 可以提高设备利用率和单位时间的产量，节省发酵罐的非生产时间；
④ 便于自动控制。
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但连续培养也有缺点：
长时间的连续培养难以保证纯种培养，并且菌种发生变异的可能性较大，故在工业规模上很少采用。生产上只有***丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺，此方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。
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三、发酵过程的主要控制参数
pH值（酸碱度）
温度（℃）
溶解氧浓度
基质含量
空气流量
压力
搅拌转速
搅拌功率
粘度
浊度
料液流量
产物浓度
氧化还原电位
废气中的氧含量
废气中的CO2含量
菌丝形态
菌体浓度
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