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1、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。 一、分批发酵 1、分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发 酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂 及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物 质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得 到繁殖。 2、分批发酵的特点 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化， 其物理，化学和
2、生物参数都随时间而变化， 是一个不稳定的过程。 3、分批发酵的优缺点 优点： 操作简单； 操作引起染菌的概率低。 不会产生菌种老化和变异等问题 缺点： 非生产时间较长、设备利用率低。 典型的分批发酵工艺流程典型的分批发酵工 艺流程 二、补料分批发酵 1、定义 补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是 指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养 基的发酵方式。 2、补料分批发酵的优缺点 优点： 使发酵系统中维持很低的基质浓度； 和连续发酵比、不需要严格的无菌条件； 不会产生菌种老化和变异等问题。 缺点： 存在一定的非生产时间； 和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染 菌的危险。 3、
3、补料分批发酵的类型 按补料方式不同可分为： （1）连续流加 （2）不连续流加 （3）多周期流加 按补料成分的不同可分为： （1）单一组分流加 （2）多组分流加 按控制方式的不同可分为： （1）反馈控制 （2）无反馈控制 三、连续发酵 1、定义 培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含 有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液 量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定 的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、 恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长 的发酵方式。 连续发酵的优缺点 优点： 能维持低基质浓度； 可以提高设备利用率和单位时间的产量； 便于自动控制。 缺点： 菌种发生变异的可能性较大； 要求
4、严格的无菌条件。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。 一、分批发酵 1、分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发 酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂 及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物 质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得 到繁殖。 2、分批发酵的特点 微生物所处
5、的环境在发酵过程中不断变化， 其物理，化学和生物参数都随时间而变化， 是一个不稳定的过程。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I1、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代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
6、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
7、。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 后发醇：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
8、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
9、） 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
10、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。 原因提高了发酵罐的利用率，其表示用两种： 生产单位重量的产品每日所需发酵罐的立方米。 或单位积的发酵罐每日生产的产品重量。 减少菌的非旺盛生长期 2 、便于管理控制 由于上面原因，生产成本大大降低，水、
11、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
12、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 CO2,NH3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
13、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
14、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（I2-I1） 式中 G：空气流量，按干重计算，kg/h I2 、 I1 ：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 KJ/mol小于死亡的活化能 104122KJ/mol 死亡速率比生长速度对温度更敏感 三、温度对发酵影响 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
