发酵工程及工艺控制

发酵工程及工艺控制。氧对发酵的影响及其控制在好氧深层发酵中,氧气的供应往往是发酵能 否成功的重要因素之一。对多数好氧发酵来说,氧 的不足会造成代谢异常,产量降低,氧气被称为好 氧微生物发酵的限制因素。

发酵工程及工艺控制

• 微生物发酵类型及过程
  • 根据需氧状况进行分类
    • 好氧性发酵
    • 厌氧性发酵
  • 根据培养基性状进行分类
    • 液体发酵
    • 固体发酵
  • 根据终产品进行分类
    • 微生物菌体发酵
    • 微生物酶发酵
    • 微生物代谢产物发酵
    • 微生物的转化发酵
    • 生物工程细胞发酵（胰岛素、干扰素、单克隆抗体）
  • 根据发酵设备进行分类
    • 敞口发酵（酱油的制作）
    • 密闭发酵（酒精发酵）
    • 浅盘发酵（醋曲的制作）
    • 深层发酵（现代发酵罐中的发酵）
  • 液体深层发酵根据操作方式进行分类
    • 分批发酵
      • 概念:指一次投料、一次接种、一次收获的发酵方式。
        • 优点：不容易产生污染;缺点：设备利用率低。
    • 连续发酵
      • 概念：发酵过程中以一定的速度向发酵罐内加新鲜培养基，同时以相同速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。
    • 补料分批发酵
      • 介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术。它是微生物分批培养过程中向生物反应器间歇或连续补加一种或一种以上的特定限制性底物，反应结束后一次排出全部培养液的操作方式。
• 发酵动力学
  • 发酵动力学概念
    • 发酵动力学研究内容
      • 对细胞生长、产物合成以及基质消耗的速率变化规律进行定量描述，确定他们之间的动态量化关系。
    • 发酵动力学研究对象
      • 整个发酵体系中微生物细胞群体，包括生长、休眠以及死亡细胞等几种类型的细胞群体。
  • 分批发酵动力学
    • 细胞生长动力学
      • 细胞比生长速率（μ)
        • μ受到菌种特性、温度、 pH 值、培养基组成及浓度等因素的影响 延迟期：细胞适应环境，未增殖，细胞数量几乎不变μ=0
      • 指数生长期：μ=μ m
        • 营养物质耗尽十 代谢产物积累→限制微生物生长 衰减期：μ满足 Monod 方程 S ：限制性基质浓度 Kg :底物亲和常数 K 表示微生物对底物亲和力， K 越大，亲和力越小，底物利用率越慢。 衰亡期：营养物几乎耗尽，有害的代谢物大量累积μ=- a （比死亡速率）
      • Monod 方程的应用
        • 测定对不同底物的亲和力大小 确定最佳底物测定最大比生长速率
    • 基质消耗动力学
      • 基质的作用
        • 合成新的细胞物质；合成微生物代谢产物；提供微生物细胞生命活动的能量
      • 生长得率系数（表观得率）
        • 体现的是一时间段内的总体变化情况。
      • 产物得率系数（表观得率）
        • 代谢产物合成量相对于基质消耗总量的收得率。
      • 专一性得率：
        • 专一性用于生长（产物合成）的底物量
    • 产物合成动力学
      • 根据产物生成速率与细胞生长速率之间的动态关系：
        • 生长相关型（ I 型）：产物生成与细胞生长密切相关的动力学过物生产与细胞生长同步
        • 生长部分相关型（ll型）：微生物代谢产物为能量代谢的间接结果
        • 非生长相关型：通过分阶段调控来提高最终的发酵产物产量
          • 前期采用促进细胞生长的条件；后期采用产物合成的最适条件
• 发酵工艺控制
  • 温度对发酵的影响及调控
    • 对发酵液的影响 温度会改变发酵液的物理性质 温度会改变细胞膜流动性
    • 对基质的影响 温度影响微生物对底物的转化率
    • 对生长的影响 温度影响微生物的生长速率
    • 对产物的影响 温度影响合成产物的酶的活性
      • 温度会改变生物合成方向 温度会调节代谢阻遏机制
  • pH 对发酵的影响及调控
    • 对生长的影响 调节酶的合成 改变酶的活性 改变 ATP 产率并影响微生物生长
      • 改变菌体细胞膜电荷状况，引起膜渗透性变化 影响培养基中营养物质和中间代谢产物的解离作用 不同微生物的生长对 pH 的要求不同
    • 对产物合成的影响
      • 改变产物合成途径酶的性质；改变代谢方向 产物合成的最适 pH 和微生物生长的最适 pH 不一定相同
    • 对发酵液性质的影响
      • 改变基质和产物的溶解性，影响菌体对基质的利用率 改变发酵液的粘度，影响氧传递 影响发酵体系抗杂菌能力 初始 pH 对发酵的影响很大
    • 引起 pH 变化的原因：
      • 培养基组成 基质代谢强度 发酵过程状态变化 胞外产物特性
      • pH 变化规律
        • 一般先下降再保持相对稳定，或后期有所上升
  • 溶解氧对发酵的影响及调控
    • 影响溶解氧变化的因素
      • 发酵罐的供氧；微生物的耗氧
    • 溶氧控制方法
      • 溶解氧浓度和补料偶联系统；溶解氧、 pH 与补料控制偶联系统
  • C02对发酵的影响及调控对生长的影响
    • 对生长的影响
      • 二氧化碳会大量溶解于发酵液→发酵液的 pH 降低→影响发酵 cO2+H20→ HCO ;+ H + HCo ﹣和 co 影响细胞膜的结构 影响菌体对碳水化合物的代谢，改变微生物的呼吸速率，改变菌体的生长代谢态
    • 对产物的影响
      • CO 2浓度比较高→基质的分解速度下降→中间产物含量下降→终产物产量下降
      • CO 2浓度过高，即使供氧充足，二氧化碳的抑制作用也不能解除
    • 指示作用
      • 浓度的高低可以反映菌体的代谢情况 尾气中二氧化碳的浓度还可以作为补料控制的指标
  • 泡沫对发酵的影响及控制
    • 泡沫产生的原因
      • 具有表面活性的物质；通气、搅拌
    • 影响泡沫的因素
      • 通气搅拌的强度；玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、糖蜜等→泡沫大量产生 菌体代谢一发酵液性质变化；染菌引起泡沫异常
    • 泡沫的控制方法
      • 1、机械消泡
        • 2、化学消泡 3、通过菌种选育改变微生物本身特性、筛选不产泡沫的突变株
  • 发酵终点控制
    • 菌体自溶：微生物因为营养成分的缺乏或者生长环境恶劣自身裂解死亡的过程。
    • 菌体自溶﹣检测方法
      • 1、化学法
        • 2、分光光度分析法 3、成像分析技术 4、酶学分析法