【教学课件】第七章生物工艺过程控制.ppt
第七章生物工艺过程控制,一、发酵过程主要控制参数（一）物理参数温度、压力、搅拌转数、搅拌功率、空气流量、粘度浊度。（二）化学参数PH、基质浓度、溶解氧浓度、氧化还原电位、产物浓度、废气中氧及CO2的浓度、（三）生物参数 菌丝形态、菌体浓度,初级代谢产物二、菌体合成代谢产物 次级代谢产物（一）初级代谢产物；微生物产生、生长、和繁殖所必须的物质，如蛋白质、核酸、氨基酸、等。（二）次级代谢产物：由微生物产生，与微生物生长、繁殖无关的一类物质，抗生素是其中一大类还有生物碱和微生物毒素。代谢变化分菌体生长、产物合成、菌体自溶。,三、温度对发酵的影响,1.对各种酶反应速率影响2.改变菌体代谢产物的合成方向3.影响微生物代谢控制机制4.影响发酵液理化性质5.影响发酵的动力学和产物的生物合成 生物热 搅拌热影响因素 蒸发热 辐射热,四、PH对发酵影响,1、对微生物酶影响2、改变膜透性影响代谢产物的排泄3.影响微生物对营养物吸收4、影响代谢产物质量和比例PH的变化（取决菌种和培养基）、确定（由产物积累最佳PH决定）、控制（以生理酸性物质和碱性物质及酸碱物）,pH 值的影响及其控制 一、pH值对发酵的影响 1、影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；2、影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄；3、影响培养基中某些组分的解离；4、pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。另外，pH值还会影响某些霉菌的形态。培养基中营养物质的代谢，是引起pH 值变化的重要原因，发酵液pH 值的变化乃是菌体代谢的综合结果。,大多数细菌生长的pH 值为，霉菌和酵母菌为3-6，放线菌为7-8而且，微生物生长阶段和产物形成阶段的PH往往不一样，需要根据实验结果来确定 二、发酵PH值的确定和控制 发酵的PH值随菌种和产品不同而不同。由于发酵是多酶复合反应系统，各种酶的最适pH也不同，同一菌种，生长最适pH值与可能与产物合成的pH值是不一样的。,pH的控制,考虑发酵培养基的基础配方，使之有适当的比例，使发酵过程pH 的变化在适合的范围内。补酸/补碱：硫酸铵、氨水 补料：补加尿素，少量多次补加，即可以达到调节pH 的目的；又可以补充营养物质；调节培养液特征。,五、溶解氧,溶解氧控制（供氧和需氧两方面）1.供氧方面：调节转速或通气速率控制2.发酵液需氧方面：受菌体浓度、基质的种类和浓度培养条件影响，可通过控制补料速度、补水，加表面活性剂、调温来控制。,三、在发酵过程中，溶解氧的变化影响、培养基的成分和浓度显著影响耗氧：培养液营养丰富，菌体生长快，耗氧量大；发酵浓度高，耗氧量大；发酵过程补料或补糖，微生物对氧的摄取量随着增大。、菌龄影响耗氧：呼吸旺盛，耗氧力强，发酵后期菌体处于衰老状态，耗氧能力自然减弱。、发酵条件影响耗氧：在最适条件下发酵，耗氧量大。发酵过程中，排除有毒代谢产物如二氧化碳、挥发性的有机酸和过量的氨，也有利于提高菌体的摄氧量。,供氧方面：气相中的氧先溶解在培养液内，然后传递到细胞内呼吸酶的位置上才能被利用。这一系列过程需经过各种阻力。即气体中的氧通过气膜阻力、气液界面阻力、液膜阻力而扩散到液体内部。空气中的氧液体中的溶氧微生物体内的氧。,p,在氧传递过程中液膜阻力是控制因素。,气膜 液膜,影响KL a（溶氧系数）的因素,1、搅拌：（1）增加气液接触面积（打碎气泡），增加氧传递面积。（2）使液体形成涡流，从而延长气泡在液体中的停留时间。（3）增加液体的湍流程度，降低气泡 周围的液膜阻力、液体主流 中液体阻力、从而增加KL a值。（4）减少菌丝结团，降低细胞壁表面的液膜阻力。改善细胞对氧 和营养物质的吸收，同时降低细胞周围的“废物”和“废气“的 浓 度，有利于微生物代谢。2、空气的流速 KL a 随空气速度的增加而增大，但空气速度过大，则可使叶轮 发生过载,3、培养液的物理性质,发酵液的表面张力、粘度、离子浓度等都会影响气体的溶解度，还影响液体的湍动以及界面和液膜的阻力，因而影响传递效率。发酵液中菌丝浓度增大，表观粘度增大，通气效率下降。发酵过程中添加糖、花生饼粉等营养物质、前体或无菌水、消泡剂等均可改变培养液的理化性质。4、空气分布器和发酵液高度对通气效率的影响发酵罐中装有多孔分布器和单孔分布器，在气流速度很低时，多孔分布器有较高的通气效率。,采用H2O2供氧存在的问题：,对剪切力敏感及非常粘稠的发酵体系提供了一种供氧手段；H2O2 供氧还可以改变菌体的代谢途径，促使菌体利用更有效的代谢途径来合成产物。,H2O2供对细胞有害，H2O2本身在一定浓度对细胞有损害作用，更多的是由于H2O2在过氧化氢酶的催化作用下，可以分解形成一些自由基、超氧阴离子，羟基自由基、原子氧等，它们会阻碍、和蛋白质的生物合成。可通过优化H2O2的流加浓度、选择流加方式等手段来解决。,四、流加 H2O2对提高供氧,传统的方法是给发酵罐通入无菌空气，达到供氧，近年来，加入氧载体、流加H2O2 与藻类共培养以及通过基因克隆转入带氧的基因等方法。采用H2O2供氧的优点：H2O2与通气供氧结合，控制流加浓度和流加方式可提高发酵体系的细胞密度；H2O2可在过氧化酶的催化下分解放出氧气，在反应不是非常强烈的条件下，氧气将直接以分子形式传给细胞，不会形成气液传质阻力，提高氧的传质速率；,菌浓：过浓手稿渗透压，阻止菌体生长，太稀缓慢。可用调节培养基浓度、后利用产生的CO2量控制。基质的影响：过于丰富菌体旺盛，传质差耗能大不 利产物积累CO2：对菌体有抑制作用，影响膜的结构-磷脂，细胞处麻醉状态。CO2的控制：不断通空气，用碱中和。,第七节 FBC补料的控制,解除抑制：基质过浓的抑制 产物的反馈抑制进行补料分解代谢物的抑制避免在分批发酵中因一次性投糖过多造成细胞大量生长耗氧过多而供氧不足的状况。早期补料：发酵到一定时间，根据基质消耗速率及设定的残留基质浓度，称取一定量的添加物，投入到发酵液中。快速流加 指数流加目前：补料方式：连续流加 变速流加 恒速流加,补料应注意的问题,、料液配比要适当、加强无菌观念、经济核算，节约粮食、培养基的碳、氮要平衡必须选择恰当的反馈控制参数，以及了解这些参数对微生物代谢、菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系。采用最优的补料程序也是依赖于比生长曲线、形态、产物形成速率几发酵的初始条件等情况。优化补料速度也是补料控制的一个重要环节。因为养分和前体需要维持适当的浓度，而它们则以不同速被消耗，所以，补料速度要根据微生物对营养等的消耗速度及所设定的培养液中最低维持浓度而定。,在反馈控制操作中：非直接法：溶氧、呼吸商、排气中的CO2、代谢产物的浓度；直接法：限制性营养物的浓度（氮源、碳源碳氮比）（由于缺乏直接测量的传感器，此法受限制）补料的原则：就在于控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展。补料的内容和补料时机，都是根据菌的生长代谢、生物合成规律进行调节控制，但大多数都根据经验进行。经验表明，在最适补料条件下，能正确控制菌体量的增加和糖的消耗，获得较好的效果。,第八节 泡沫对发酵的影响及其控制,一、泡沫的形成及其对发酵的影响二、泡沫的控制 调整培养基的成分 改变发酵工艺 机械消泡法 消除泡沫 消泡剂消泡,第九节 终点判断 发酵经济学:要提高发酵的经济效益，必须选育优良的菌种；其次，要针对该菌种制定合理的发酵培养基；还要控制最佳的发酵条件；选择适合的发酵方式，使以最低的消耗得到最多的符合要求的目的产物。同时还应该考虑下游技术的操作费用，估计下游技术的成本。在进入产业化的时候，还应该考虑车间的规模，还应该进行市场经济信息的分析，考虑原材料的来源、价格及质量，其他的配套设施（水、电、汽等来源），劳动力的来源及与其他企业的相互协作关系等。总之，要确定产品的最佳方案。,产品的最佳方案,所谓产品的最佳方案是使生产过程进行合理安排，最终使生产的产品成本最低，获得最大的经济效益。发酵过程应该首先重视，但同时考虑到其他生产环节，例如产品的提取。因为产品的提取收率、质量往往与产品的成本、售价关系极大，而且，提取过程要用到许多单元操作，最终产品还要结晶、干燥。若只追求发酵液内的产品的高浓度，往往同时会出现副产物含量过高，甚至出现菌体自溶，增加了提取的困难程度。,若片面追求产品的提取收率，反复洗涤分离菌体所夹带的产品成分，造成大量的滤液，给下游操作增加了负担，还会导致总收率的提高抵不了增加的能耗等的费用，得不偿失。应用电子计算机来确定生产最佳方案的例子：若某发酵产品的生产过程如下：发酵菌体分离溶剂萃取产品结晶晶体分离干燥获得产品,发酵终点判断应考虑的因素,选择生产力高成本低的条件作为发酵终点经济的因素：周期短,设备利用率高 产品质量的因素：发酵时间长短产品质量对下 游的影响特殊因素：出现异常时放罐早晚的影响,章节重点,发酵过程中各种参数的控制温度、PH、氧对发酵的影响FBC的作用与方法泡沫对发酵的影响发酵终点的判断控制,思考题,什么是FBC？它的操作方法有哪些？温度对发酵有哪些影响？发酵过程中怎样控制溶解氧？PH对发酵有何影响？怎样控制？,
