第七章发酵过程控制1-2.ppt
《第七章发酵过程控制1-2.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第七章发酵过程控制1-2.ppt(93页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、2019/6/23,1,第七章 发酵过程的代谢控制,发酵过程控制是发酵的重要部分 控制难点:过程的不确定性和参数的非线性 同样的菌种,同样的培养基在不同工厂,不同批次会得到不同的结果,可见发酵过程的影响因素是复杂的,比如设备的差别、水的差别、培养基灭菌的差别,菌种保藏时间的长短,发酵过程的细微差别都会引起微生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的一般方法对于控制代谢是十分必要的,2019/6/23,2,第七章 发酵过程的代谢控制,第一节 发酵过程中的代谢变化 第二节 发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次 第三节 发酵过程的中间分析,2019/6/23,3,第一节 发酵过程中的代谢变化,初级
2、代谢的代谢变化 次级代谢的代谢变化,2019/6/23,4,初级代谢的代谢变化,众所周知,初级代谢是生物细胞在生命活动过程中所进行的代谢活动,其产物即为初级代谢产物。 发酵中的菌体、基质和产物三者变化的基本过程是:菌体进入发酵罐后就开始生长、繁殖,直达一定的菌体浓度。 其生长过程仍显示适应(停滞)期、对数生长期、静止(稳定)期和衰亡期等生长史的特征。 但在发酵过程中,即使同一菌种,由于菌体的生理状态与培养条件的不同,各时期时间长短也不尽相同。如适应期的长短就随培养条件而有所不同,并与接种菌的生理状态有关。对数生长期的菌种移植到与原培养基组成完全相同的新培养基中,就不会出现适应期,仍以对数生长期
3、的方式继续繁殖下去。,2019/6/23,5,初级代谢的代谢变化,另外,用静止期以后的菌体接种,即使接种的菌体全部能够生长,也要出现适应期。 因此,工业发酵中往往要接入处于对数生长期(特别是中期)的菌体,以尽量缩短适应期。 为了获得代谢产物,菌体尚未达到衰退期即行放罐处理。 由于菌体生长繁殖和产物的形成,基质(如葡萄糖)浓度的变化一般是随发酵时间的延长而不断下降, 溶解氧浓度也随发酵过程变化而发生变化。 初级代谢产物由于没有明显的产物形成期,所以它是随菌体生长在不断地进行的,有的与菌体生长成平行关系,如乳酸、醋酸、氨基酸和核酸等。,2019/6/23,6,初级代谢的代谢变化,2019/6/23
4、,7,初级代谢的代谢变化,上图表示初级代谢产物谷氨酸发酵过程的代谢变化。变化的根本原因在于菌体的代谢活动引起环境的变化,而环境的变化又反过来影响菌体的代谢。 在发酵初期种子刚接入发酵罐中,菌体处于适应期,以适应新的环境。细胞进行呼吸作用,利用贮存物质合成大分子物质和所需的能量,菌体个体长大,但没有分裂,此时糖等基质基本不消耗或很少消耗,pH值稍有上升是尿素被分解放出氨所致。,2019/6/23,8,初级代谢的代谢变化,菌体经过适应期之后就开始繁殖,并很快进入对数生长期,代谢逐渐旺盛,菌体大量繁殖,个体生长和群体繁殖循环交替进行,培养物的混浊度(以光密度表示)与菌体增殖情况基本一致,OD(光密度
5、)直线增长,菌体形态与二级种子相同。 耗糖速度加快,糖作为碳源和能源用于合成细胞成分和合成反应所需要的能量。 尿素被脲酶分解放出氨使pH值上升,氨被菌体利用可使pH值下降,这时需及时补加尿素,补充氮源和调节pH值。,2019/6/23,9,初级代谢的代谢变化,由于菌体代谢活动放出热,温度开始上升。一般发酵5h左右温度上升,应注意降温。 由于菌体不断增加,代谢旺盛,产生CO2,排气中CO2浓度显著增加。 耗氧量很快增加,培养基中的溶解氧下降,排气中的O2浓度也下降,应根据情况提高风量。特别是在对数生长期的末期。应注意风量,促进菌体转化。此时为长菌阶段,极少产谷氨酸,控制发酵条件以有利于长菌。但在
6、对数生长期的末期要加大风量,供给充足的氧,并及时流加尿素,供给充分的氮源,促进增殖型菌体向生产型菌体转化。,2019/6/23,10,初级代谢的代谢变化,在生物素限量的情况下,部分菌体内的生物素含量由“丰富转向贫乏”,此部分菌就停止繁殖,在条件适宜时,开始伸长、膨胀,形成生产型细胞,开始积累谷氨酸。但是出于菌体增殖并非完全同步,还有部分菌体为增殖型,这是菌体由增殖型向生产型转化的时期,约需1018h。在此期间,菌体数量达到最大值,培养液的OD值与菌体增殖不一致,OD值除反映菌体增殖外,还反映了菌体的伸长、膨大。,2019/6/23,11,初级代谢的代谢变化,这是代谢最旺盛的时期,耗糖加快,谷氨
7、酸生成迅速增加,耗氧速率加快,并接近最大值。发酵控制方面必须充分供氧,风量达最大值,充分供给氮源。对发酵控制来讲,此时以前的控制是发酵成败的关键。此时期的变化受生物素和风量的明显影响。一般来说,加大风量对菌体的伸长、膨大有促进作用,菌体完成由增殖型向生产型转化后,菌形几乎都伸长、膨大、边缘不整齐、像花生型。,2019/6/23,12,初级代谢的代谢变化,大量积累谷氨酸,耗糖与产酸相适应,产酸达最大值,对糖的转化率达50一56,应继续流加尿素,保证充足的氮源,pH值维持7.0-7.2。为加快产酸速度适当提高温度,一般为36-37。根据菌体耗氧速率继续供氧。 随着发酵的延长,糖已耗尽,产酸增加,菌
8、体活力逐渐降低。发酵后期耗氧减少,可适当降低风量。流加尿素以少量为好,控制pH6.8-7.0。当残糖降到1,根据发酵情况可将风量降到最低,促进中间产物转向谷氨酸。,2019/6/23,13,次级代谢的代谢变化,次级代谢产物包括大多数的抗生素、生物碱和微生物毒素等物质。按动力学模型分类,它们的发酵属于菌体的生长与产物非偶联的类型,也就是说,菌体生长繁殖阶段(又称生长期)与产物形成阶段(又称生产期)是分开的。 次级代谢的代谢变化(以抗生素发酵为代表)如图所示,一般分为菌体生长、产物合成和菌体自溶三个阶段。,2019/6/23,14,菌体生长阶段,产生菌接种至发酵培养基后,在合适的培养条件下,经过一
9、定时间的适应就开始生长和繁殖,直至达到菌体的临界浓度。 其代谢变化主要是,碳源(包括糖类、脂肪等)和氮源等进行分解代谢,菌体进行合成代谢,结果碳源、氮源和磷酸盐等营养物质不断被消耗,浓度明显减少,而新菌体不断被合成、菌浓明显增加。 随着菌浓下断增加,摄氧率也不断增大,溶氧浓度不断下降。当菌浓达到临界值时,溶氧浓度降至最小。,2019/6/23,15,菌体生长阶段,由于基质的代谢变化,pH值也发生一定改变, 有时先开始下降,而后上升,这是糖代谢先产生酮酸等有机酸而后被利用的结果; 有时先开始上升而后下降,这是菌体先以培养基中的氨基酸作为碳源而被利用,释放出氨,使pH值上升,而后氨又被利用使pH值
10、下降的结果。,2019/6/23,16,菌体生长阶段,当营养物质消耗到一定程度,或者菌体达到一定浓度,或者供氧受到限制而使溶解氧浓度降到一定水平时,其中某一参数可能成为菌体生长的限制性因素,使菌体生长速率减慢。 同时,在大量合成菌体期间,积累了相当量的某些代谢中间体,原有酶的活力下降(或消失),出现了与次级代谢有关的酶或其酶被解除了控制等原因,导致菌体的生理状态发生改变,发酵就从菌体生长阶段转入产物合成阶段。 这个阶段一般又称为菌体生长期或发酵前期,也有人称为平衡期。,2019/6/23,17,产物合成阶段,这个阶段主要是合成次级代谢产物,在此期间,产物的产量逐渐增多,直至达到高峰,生产速率也
11、达到最大,直至产物合成能力衰退。 如果以菌体DNA含量作为菌体生长繁殖的标准来划分菌体生长阶段和产物合成阶段,它们的阶段界限是很明显的,即菌体的生长达到恒定后(即DNA含量达到定值)就进入产物合成阶段,开始形成产物。如果以菌体干重作为划分阶段的标准,它们之间就有交叉,见下图。这是由于菌体在产物合成阶段中虽然没有进行繁殖。但多元醇、脂类等细胞内含物仍在积累。使菌体干重增加,因此,就形成了这样的表观现象。,2019/6/23,18,产物合成阶段,2019/6/23,19,产物合成阶段,在这个阶段中,产生菌的呼吸强度一般无显著变化,菌体物质的合成仍未停止。使菌体的质量有所增加,但基本不繁殖。 这个阶
12、段的代谢变化是以碳源和氮源的分解代谢和产物的合成代谢为主,碳、氮等营养物质不断被消耗,产物不断被合成。 外界环境的变化很容易影响这个阶段的代谢,碳源、氮源和磷酸盐等的浓度必须控制在一定的范围内,发酵条件也要严格控制,才能促使产物不断地被合成。如果这些营养物质过多,则菌体就要进行生长繁殖,抑制产物的合成,使产量降低;如果过少,菌体就易衰老、产物合成能力下降,产量减少。,2019/6/23,20,产物合成阶段,发酵液的pH值、培养温度和溶氧浓度等参数的变化,对该阶段的代谢变化都有明显的影响,也须严格控制。 这阶段一般称为产物分泌期或发酵中期,也有人把生产期划分为贮藏期和持续期,前者是细胞积累脂肪和
13、糖,使干重继续增加,开始形成产物;后者是细胞干重不变,但继续耗糖和分泌产物。,2019/6/23,21,菌体自溶阶段,这个阶段的菌体衰老、细胞开始自溶,氨氮含量增加,pH值上升,产物合成能力衰退,生产速率下降。发酵到此期必须结束,否则产物不仅受到破坏,还会因菌体自溶而给发酵液过滤和提取带来困难。 这个阶段一般称为菌体自溶期或发酵后期。 根据发酵过程中的参数变化绘制出的次级代谢的代谢曲线,可清楚地说明过程中的代谢变化,并反映出碳源、氮源的利用和pH值、菌体浓度和产物浓度等参数之间的相互关系。 分析研究代谢曲线,还有利于掌握发酵代谢变化的规律和发现工艺控制中存在的问题,有助于改进工艺,提高产物的产
14、量。,2019/6/23,22,第二节 发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,一 发酵过程的种类,分批培养 补料分批培养 半连续培养 连续培养,二 发酵过程工艺控制的目的,三 发酵过程研究的方法和层次,2019/6/23,23,1、 分批发酵 简单的过程,培养基中接入菌种以后,除了空气的通入和排气,没有物料的加入和取出。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。,2019/6/23,24,分批培养中微生物的生长,迟滞期,对数生长期,稳 定 期,死亡期,教材P150-151,2019/6/23,25,微生物生长分为:迟滞期、对数生长期、稳定期和死亡期,在迟滞期,菌体没有
15、分裂只有生长,因为当菌种接种入一个新的环境,细胞内的核酸、酶等稀释,这时细胞不能分裂。,当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定程度,细胞开始分裂,这时细胞生长很快,比生长速率几近常数。这个时期称为对数生长期,2019/6/23,26,随着细胞生长,培养液中的营养物减少,废物积累,导致细胞生长速率下降,进入减速期和稳定期。最后当细胞死亡速率大于生成速率,进入死亡期,对于初级代谢产物,在对数生长期初期就开始合成并积累,而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳定期大量合成。,2019/6/23,27,分批培养的优缺点,优点 操作简单,周期短,染菌机会少(?),生产过程和产品质量容易掌握 缺点 非生产
16、时间较长、设备利用率低。 产率低,不适于测定动力学数据,教材P153,2019/6/23,28,2、补料分批培养,在分批培养过程中补入新鲜的料液,以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。 在此过程中只有料液的加入没有料液的取出,所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。,教材P154,2019/6/23,29,2、补料分批培养,表7-1 补料方法对细胞密度、生长速度及生产率的影响,2019/6/23,30,2、补料分批培养优点,教材P154,2019/6/23,31,补料分批培养的缺点,缺点 由于没有物料取出,产物的积累最终导致比生产速率的下降。由于有
17、物料的加入增加了染菌机会,2019/6/23,32,3、半连续培养,在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液(带放)称为半连续培养。某些品种采取这种方式,如四环素发酵,优点 放掉部分发酵液,再补入部分料液,使代谢有害物得以稀释有利于产物合成,提高了总产量。,缺点 代谢产生的前体物被稀释,提取的总体积增大,教材P155,2019/6/23,33,什么是带放?,补料分批培养是一种介于分批培养和连续培养之间的操作方式,在进行分批培养的时候,随着营养的消耗,向反应器内补充一种或多种营养物质,以达到延长生产期和控制发酵过程的目的。随着补料操作的进行,发酵液的体积逐渐增大,到了一定时候即需结束培养,或者将
18、部分发酵液取出,剩下的发酵液继续进行补料分批培养。后一种操作可以反复进行多次,称为反复补料分批培养。这种在发酵的过程中放出部分发酵液的操作,在工厂里称为“带放”。,2019/6/23,34,3、半连续培养,该方法在发酵后期、产生了一定数量代谢产物后,在发酵液体积测量监控下,放出一部分发酵液,同时连续补充一部分新鲜营养液,实现连续带放、既有利于提高产物产量又可降低成本,使得发酵指数得以大幅度提高。 带放使代谢有害物得以稀释有利于产物合成,提高了总产量。然而这样做也导致代谢产物被稀释,提取的总体积增大。,2019/6/23,35,3、半连续培养,适用于基础料比较稀薄的情况。完全依靠大量补料来维持次
19、级代谢,相当于变相提高了发酵罐吨位。被带放出来的发酵液一般有2个去向:发酵单位较低的进入半连续罐继续补料发酵(可以调开延滞期,进去就干活),发酵单位高直接放到下工序。 青霉素发酵的带放工艺比较成熟,其它品种也在借鉴此工艺做优化。带放优点:其一提高发酵产量,其二减少消毒蒸汽量(半连续罐只要保压可连续运转30天左右),其三提高设备利用率。,2019/6/23,36,什么是带放?,带放工艺的目的多数是为了提高产量而采取的一种工艺控制,有时异常发酵如后期泡沫大,工艺控制困难,但发酵周期还未到,也可采取带放工艺先放出适量的发酵液,以利于发酵控制。 目前采用带放工艺的品种,如青霉素、红霉素、头孢菌素C、乳
20、酸、谷氨酸等。有些品种后期需要工艺调控进行组分转化,发酵液组分才合格,这类品种就不适合带放工艺,有的品种中间不补料,或发酵周期短,都不用带放工艺。带放还要考虑到成本,带放和新鲜料的补入使单位稍微的降低,这里就要考虑到投入产出比,2019/6/23,37,带放注意事项:,1.根据品种带放时机不同,最好在中后期带放,节约成本. 2.带放时罐压要在正常下进行,防止造成闷罐(闷罐时,没有或只有少量空气通入,好氧菌溶氧不足,菌体自溶,发酵液变稀) 3.每次带放后对管道进行消毒,半连续发酵的不足:见教材P156,2019/6/23,38,4、连续培养,发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液,使发酵
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第七 发酵 过程 控制
链接地址:https://www.31doc.com/p-3005011.html