生物工艺过程控制

微生物工程第七章生物工艺过程控制，介绍了发酵过程中代谢变化与参数控制、温度、PH值、溶氧、基质、泡沫等。

生物工艺过程控制

• 从细胞代谢水平和反应器工程水平认识
• 发酵过程中代谢变化与参数控制
  • 代谢参数又称状态参数，反映发酵过程中菌的生理代谢状况
  • 代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物
    • 初级代谢产物-对数生长初期开始合成并积累
    • 次级代谢产物
      • 三阶段： 菌体生长阶段：发酵前期或平衡期 产物形成阶段：产物分泌期或发酵中期 菌体自溶阶段：发酵后期，PH↑
    • 主要控制参数： 物理参数：T、空气流量、搅拌转速、压力、粘度、培养液体积、泡沫水平 化学参数：PH、溶氧浓度（DO）、排气中O2,CO2浓度 生物参数：基质浓度、产物浓度、关键酶活
    • 直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得的参数（温度、PH、 细胞浓度） 在线检测参数：不经取样直接从安装在发酵罐上的仪表中得到的参数（温度、ph、搅拌转速） 离线检测参数值：取出样后测定得到的参数（残糖、菌体浓度） 间接参数：将直接参数经过计算得到的参数（干细胞重量、细胞生长速率和比速率）
• 温度
  • 对微生物：发酵多为中温菌，最适20-40℃ 最适温度中：每升高10℃，生长速度加快一倍，不同阶段影响不同 酶反应速率、合成方向、发酵液物理性质都有影响
  • 影响因素： 发酵热：发酵过程中释放出来的净热量，由产热因素和散热因素两方面决定的 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射（发酵热引起发酵液的温度上升） 生物热（菌在生长繁殖过程中产生的热能。有氧＞无氧；有时间性-与呼吸作用有关） 搅拌热（摩擦）蒸发热（水分蒸发）显热（排气带走，极少可忽略）辐射热（环境）
  • 选择与控制：最适温度（变温发酵） 接种后培养温度应适当提高，以利于孢子萌发或加快菌体生长繁殖。 待发酵液的温度表现为上升时，发酵液温度应控制在菌体的最适生长温度; 到主发酵旺盛阶段，温度应控制在代谢产物合成的最适温度; 到发酵后期，温度出现下降趋势，直至发酵成熟即可放罐。
• PH值
  • 不同菌：细菌6.5-7.5；霉菌4.0-5.8；酵母3.8-6.0；放线菌6.5-8.0 同菌不同PH：黑曲霉2-3柠檬酸，7产草酸；酵母菌4.5-5.0酒精，8醋酸甘油
  • 影响因素
    • 基质代谢
      • 糖代谢：（都变酸） 糖---糖分解ph下降，糖缺乏ph上升（需要补料的标志之一）葡萄糖不完全氧化分解成有机酸 油脂---水解为甘油+脂肪酸 ph下降 发酵供氧不足 脂肪酸积累 ph明显下降 玉米浆---脱氨基变有机酸 发酵液变酸
      • 生理性酸碱性物质：（与原有性质相反） 酸性：铵盐（NH4)2SO4---利用后剩下的使培养液变酸 碱性：硝酸盐---同化后变碱；有机酸盐---氧化后产碱
      • 氮代谢：有机氮---利用后释放游离氨使PH↑
    • 产物形成：本身酸碱（有机酸PH↓；抗生素PH↑）
    • 菌体自溶：蛋白质分解或产生其他碱性化合物，PH↑。故发酵后期PH↑
    • 分批发酵过程中pH变化的一般规律为: 发酵初期，碳氮代谢水平较低，pH不变，或因培养基中有机N源的分解而略有上升 进入快速生长期后，C源迅速代谢而使pH下降; 到达稳定期，C、N源代谢相对平衡，pH相对保持稳定; 发酵后期，随着C源的耗尽和菌体自溶，pH逐渐回升。
  • 确定及控制
    • 最适ph值调节，分段控制
      • 维持ph，补料、加酸碱
• 溶氧
  • 供氧：空气中的氧溶解在液体中 耗氧：微生物利用液体中溶解氧进行呼吸代谢活动
  • 初期：几乎不变 前期：明显下降 中期：溶氧稳定 后期：溶氧上升
    • 供氧：通气流量；转速；氧分压；罐压；液柱高度；发酵罐体积；发酵液理化性质
    • 耗氧： 呼吸强度；菌体浓度 （最佳菌体浓度Xc：临界氧浓度之上使供氧和耗氧保持平衡的最大菌体浓度）
• 基质：碳源、氮源（Monod方程式）
• CO2
  • 溶解在发酵液中抑制菌体生长；PH↓
    • 提高通气量、加速搅拌、补料
• 泡沫
  • 原因：外力、微生物代谢、培养基成分（有机氮源起泡主要因素） 解决：调整培养基、机械或消泡剂（表面活性物质）、筛选菌株
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