第八章发酵过程控制学习教案

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1、会计学1第八章发酵过程第八章发酵过程(guchng)控制控制第一页，共138页。第1页/共138页第二页，共138页。决定发酵单位决定发酵单位(水平水平(shupng)的因素的因素外部环境因素外部环境因素工艺条件工艺条件生物因素：生物因素：设备性能：设备性能：第2页/共138页第三页，共138页。第3页/共138页第四页，共138页。第4页/共138页第五页，共138页。直接直接(zhji)参数：参数： 间接参数间接参数：将直接参数通过公式计算获得的：将直接参数通过公式计算获得的参数，参数，第5页/共138页第六页，共138页。第6页/共138页第七页，共138页。第7页/共138页第八页，共

2、138页。第8页/共138页第九页，共138页。第9页/共138页第十页，共138页。第10页/共138页第十一页，共138页。第11页/共138页第十二页，共138页。第12页/共138页第十三页，共138页。第13页/共138页第十四页，共138页。第14页/共138页第十五页，共138页。复膜氧电极示意图复膜氧电极示意图（a）极谱型极谱型 （b）原电池型原电池型第15页/共138页第十六页，共138页。第16页/共138页第十七页，共138页。原位活细胞原位活细胞(xbo)在线检测在线检测仪仪第17页/共138页第十八页，共138页。第18页/共138页第十九页，共138页。第19页/共

3、138页第二十页，共138页。黄色短杆菌赖氨酸生物合成调节机制黄色短杆菌赖氨酸生物合成调节机制(jzh)1-天冬氨酸激酶；天冬氨酸激酶；2-DDP合成酶；合成酶；3-高丝氨酸脱氢酶；高丝氨酸脱氢酶；4-琥珀酰高丝氨酸合成酶；琥珀酰高丝氨酸合成酶；5-苏氨酸脱氢酶苏氨酸脱氢酶第20页/共138页第二十一页，共138页。第21页/共138页第二十二页，共138页。第22页/共138页第二十三页，共138页。第23页/共138页第二十四页，共138页。第24页/共138页第二十五页，共138页。第25页/共138页第二十六页，共138页。第26页/共138页第二十七页，共138页。第27页/共138

4、页第二十八页，共138页。第28页/共138页第二十九页，共138页。第29页/共138页第三十页，共138页。第30页/共138页第三十一页，共138页。n 分解阻遏作用的解除主要是在多个碳源中选择分解阻遏作用的解除主要是在多个碳源中选择(xunz)慢慢碳源或者采用缓慢流加快碳源的工艺碳源或者采用缓慢流加快碳源的工艺 在含有葡萄糖和乳糖的培养基中的青霉素发酵代谢在含有葡萄糖和乳糖的培养基中的青霉素发酵代谢(dixi)曲线曲线第31页/共138页第三十二页，共138页。第32页/共138页第三十三页，共138页。第33页/共138页第三十四页，共138页。第34页/共138页第三十五页，共13

5、8页。第35页/共138页第三十六页，共138页。当产生的生物热达到高峰当产生的生物热达到高峰(gofng)时，菌时，菌的呼吸强度最大，糖的利用速率也最大，的呼吸强度最大，糖的利用速率也最大，可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。第36页/共138页第三十七页，共138页。nEE 速率对温度变化(binhu)更为敏感第37页/共138页第三十八页，共138页。嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度(wnd)关系关系第38页/共138页第三十九页，共138页。第39页/共138页第四十页，共138页。第40页/共138页第四十一页，共138

6、页。T(K)m温度对温度对B、m和不同和不同(b tn)qs下对下对值值的影响的影响第41页/共138页第四十二页，共138页。第42页/共138页第四十三页，共138页。第43页/共138页第四十四页，共138页。第44页/共138页第四十五页，共138页。第45页/共138页第四十六页，共138页。第46页/共138页第四十七页，共138页。第47页/共138页第四十八页，共138页。第48页/共138页第四十九页，共138页。第49页/共138页第五十页，共138页。第50页/共138页第五十一页，共138页。第51页/共138页第五十二页，共138页。第52页/共138页第五十三页，共

7、138页。第53页/共138页第五十四页，共138页。第54页/共138页第五十五页，共138页。（2）pH对产物合成对产物合成(hchng)的影响的影响第55页/共138页第五十六页，共138页。第56页/共138页第五十七页，共138页。pH对产海藻对产海藻(hi zo)酸裂解酶的影响酸裂解酶的影响配制不同初始配制不同初始pH的的培养基，摇瓶考察培养基，摇瓶考察发酵情况发酵情况第57页/共138页第五十八页，共138页。第58页/共138页第五十九页，共138页。第59页/共138页第六十页，共138页。执行单元执行单元调节器调节器pH变选变选器器给定给定(i dn)值值补料补料pH电极(

8、dinj)mA420mA第60页/共138页第六十一页，共138页。第61页/共138页第六十二页，共138页。两大类两大类以关系式表示：以关系式表示：影响影响(yngxing)供氧的因素：供氧的因素：影响影响(yngxing)耗氧的因素：耗氧的因素： C*- CL温度、溶质温度、溶质(rngzh)、溶剂、溶剂、氧分压氧分压KLa设备参数、操作参数、发酵液特性设备参数、操作参数、发酵液特性菌种特性、培养基成分和浓度、菌龄、培菌种特性、培养基成分和浓度、菌龄、培养条件养条件（T、pH）、代谢类型代谢类型第62页/共138页第六十三页，共138页。溶氧、溶氧、x x、QO2QO2、 随时间变化随时

9、间变化(binhu)(binhu)的关系的关系 CLxQO2第63页/共138页第六十四页，共138页。LLaCCKOTR0dtdCLOTR,CC,CLL0dtdCL第64页/共138页第六十五页，共138页。n平衡平衡(pnghng)点分析：点分析：n当当CL（如对数生长期（如对数生长期很大），很大）， ，OTR CCrCL CCr，生产阶段满足，生产阶段满足CLCmCLCm。 第70页/共138页第七十一页，共138页。谷氨酸正常发酵和异常(ychng)发酵的溶解氧曲线正常发酵溶解氧曲线-异常(ychng)发酵溶解氧曲线异常(ychng)发酵光密度曲线第71页/共138页第七十二页，共13

10、8页。第72页/共138页第七十三页，共138页。第73页/共138页第七十四页，共138页。搅拌搅拌设备几何参数设备几何参数第74页/共138页第七十五页，共138页。第75页/共138页第七十六页，共138页。改进工艺：控制改进工艺：控制(kngzh)(kngzh)补料速度、补料速度、T T 的调节、中间补水、的调节、中间补水、 添加表面活性剂等等添加表面活性剂等等 对现有发酵对现有发酵工厂进行技术工厂进行技术改造改造 浅层次浅层次 修改设备和工艺修改设备和工艺 规模和控制水平上档次规模和控制水平上档次 引入新型发酵类型引入新型发酵类型 深层次深层次 第76页/共138页第七十七页，共13

11、8页。 工艺的改进是否有效可通过(tnggu)溶解氧水平进行评价： P/V的改变对溶解氧和产量的影响 e.g.利福霉素发酵：5080h波谷阶段，P/V，KLa，供氧；3W/L比1 W/L批号的发酵单位增加约900u/ml 搅拌转数n 对溶解氧和产量的影响e.g.赤霉素发酵：15 50h期间，n从155 提高至180r/min， 赤霉素单位第77页/共138页第七十八页，共138页。CrLCC 第78页/共138页第七十九页，共138页。，加大补糖速率(sl) ，减小补糖速率减小补糖速率实现用溶解氧水平控制补料速率实现用溶解氧水平控制补料速率 第79页/共138页第八十页，共138页。v控制控制

12、(kngzh)(kngzh)原原则则第80页/共138页第八十一页，共138页。第81页/共138页第八十二页，共138页。溶氧在加糖控制溶氧在加糖控制(kngzh)上的应用上的应用第82页/共138页第八十三页，共138页。溶氧与溶氧与pH协同协同(xitng)控制系统控制系统第83页/共138页第八十四页，共138页。C第84页/共138页第八十五页，共138页。（3）溶解氧控制）溶解氧控制(kngzh)的工艺方法的工艺方法（续）（续）n 供氧方面供氧方面(fngmin)：第85页/共138页第八十六页，共138页。第86页/共138页第八十七页，共138页。第87页/共138页第八十八页

13、，共138页。 溶氧量对溶氧量对AA产量的影响产量的影响(yngxing)注：摇床转速注：摇床转速150r/min, 25 KLa越大，培养基中溶解氧越多, AA合成(hchng)速度越快第88页/共138页第八十九页，共138页。不同的不同的DO控制条件下鸟苷积累控制条件下鸟苷积累(jli)的比较的比较DO()：5，l0，20，30发酵过程发酵过程(guchng) DO 变化与鸟苷变化与鸟苷 积累的关系积累的关系DO 控制在控制在1020，产物积累产物积累，鸟苷含量最高。，鸟苷含量最高。DO在在5和和30，前期产物积累前期产物积累，但后期基本不增加，但后期基本不增加.DO水平的超高阶段水平的

14、超高阶段(发酵周期发酵周期28h44h)，鸟苷积累量基本不增加；，鸟苷积累量基本不增加；调整调整DO 在适当水平上，鸟苷积累量继续上升。在适当水平上，鸟苷积累量继续上升。 第89页/共138页第九十页，共138页。第90页/共138页第九十一页，共138页。第91页/共138页第九十二页，共138页。第92页/共138页第九十三页，共138页。第93页/共138页第九十四页，共138页。CERdtCERdt，菌体干重的时间，菌体干重的时间(shjin)(shjin)曲线曲线1- CERdt1- CERdt；2-2-菌量菌量第94页/共138页第九十五页，共138页。第95页/共138页第九十六

15、页，共138页。第96页/共138页第九十七页，共138页。第97页/共138页第九十八页，共138页。第98页/共138页第九十九页，共138页。补糖对排气补糖对排气CO2和和pH的影响的影响(yngxing)第99页/共138页第一百页，共138页。OURCERRQ 第100页/共138页第一百零一页，共138页。青霉素发酵青霉素发酵(f jio)不同阶段：不同阶段： 菌体生长阶段：菌体生长阶段：RQ0.909 维持阶段：维持阶段：RQ=1 生产阶段：生产阶段：RQ=4如果产物的还原性比基质大时，其如果产物的还原性比基质大时，其RQ值就增加；反之，当值就增加；反之，当产物的氧化性比基质大时

16、，产物的氧化性比基质大时，RQ值就要减少，其偏离程度决值就要减少，其偏离程度决定于单位菌体利用基质形成产物的量。定于单位菌体利用基质形成产物的量。 产物形成产物形成(xngchng)对对RQ影影响最大响最大第101页/共138页第一百零二页，共138页。第102页/共138页第一百零三页，共138页。第103页/共138页第一百零四页，共138页。第104页/共138页第一百零五页，共138页。第105页/共138页第一百零六页，共138页。第106页/共138页第一百零七页，共138页。（2）补料的内容）补料的内容(nirng)n 补充补充(bchng)微生物能源和碳源微生物能源和碳源n 补

17、充补充(bchng)菌体所需要的氮源菌体所需要的氮源n 补充补充(bchng)微量元素或无机盐微量元素或无机盐n 添加前体、诱导剂等添加前体、诱导剂等第107页/共138页第一百零八页，共138页。第108页/共138页第一百零九页，共138页。（4）补料控制）补料控制(kngzh)的策略的策略第109页/共138页第一百一十页，共138页。第110页/共138页第一百一十一页，共138页。K=1.51K=1.75K=2.16谷氨酸发酵中谷氨酸发酵中K值对糖浓度的控制的影响值对糖浓度的控制的影响第111页/共138页第一百一十二页，共138页。第112页/共138页第一百一十三页，共138页。

18、补糖时间补糖时间(shjin)适当适当 （ 45h后加）后加）补糖时间补糖时间(shjin)过晚过晚 （62h开始加）开始加） 补糖时间补糖时间(shjin)过早过早 （20h后加）后加）第113页/共138页第一百一十四页，共138页。n 维持不同维持不同(b tn)还原糖水平的四环素发酵中还原糖水平的四环素发酵中流加补糖的作用流加补糖的作用第114页/共138页第一百一十五页，共138页。补糖对四环素发酵的影补糖对四环素发酵的影响响 在最适补加葡萄糖的条件下，能正确控制菌丝量的增加、糖的消耗与发酵单位增长三者之间的关系(gun x)，就可获得比采用丰富培养基时更长的生物合成期。n 维持不同

19、还原糖水平的四环素发酵中流维持不同还原糖水平的四环素发酵中流(zhngli)加补糖的作用加补糖的作用第115页/共138页第一百一十六页，共138页。第116页/共138页第一百一十七页，共138页。第117页/共138页第一百一十八页，共138页。高细胞密度发酵成功高细胞密度发酵成功(chnggng)的实例的实例菌种菌种特征特征基础培养基基础培养基发酵罐发酵罐类型类型培养方法培养方法细胞干重细胞干重（g/L）培养时间（培养时间（h）产率产率 (g/L)/d大肠杆菌大肠杆菌需氧、葡萄需氧、葡萄糖过量、形糖过量、形成乙醇成乙醇葡萄糖矿物盐葡萄糖矿物盐或甘油矿物盐或甘油矿物盐搅拌罐搅拌罐葡萄糖（甘

20、油）葡萄糖（甘油）非限制指数补料非限制指数补料140150304090100枯草杆菌枯草杆菌嗜温菌嗜温菌含葡萄糖的完含葡萄糖的完全培养基全培养基搅拌罐搅拌罐补料分批培养，补料分批培养，以葡萄糖调节以葡萄糖调节pH18530160毕氏酵母毕氏酵母嗜温菌嗜温菌葡萄糖矿物盐葡萄糖矿物盐搅拌罐搅拌罐补料分批培养，补料分批培养，补甲醇补甲醇10050120120150酿酒酵母酿酒酵母嗜温菌嗜温菌含葡萄糖的完含葡萄糖的完全培养基全培养基搅拌罐搅拌罐连续培养，流加连续培养，流加葡萄糖葡萄糖2108050150第118页/共138页第一百一十九页，共138页。第119页/共138页第一百二十页，共138页。第

21、120页/共138页第一百二十一页，共138页。第121页/共138页第一百二十二页，共138页。第122页/共138页第一百二十三页，共138页。第123页/共138页第一百二十四页，共138页。第124页/共138页第一百二十五页，共138页。第125页/共138页第一百二十六页，共138页。霉菌霉菌(mjn)发酵过程中培养液的性质与泡沫的关系发酵过程中培养液的性质与泡沫的关系第126页/共138页第一百二十七页，共138页。第127页/共138页第一百二十八页，共138页。第128页/共138页第一百二十九页，共138页。第129页/共138页第一百三十页，共138页。（1）机械）机械(

22、jxi)消泡消泡第130页/共138页第一百三十一页，共138页。第131页/共138页第一百三十二页，共138页。第132页/共138页第一百三十三页，共138页。第133页/共138页第一百三十四页，共138页。第134页/共138页第一百三十五页，共138页。第135页/共138页第一百三十六页，共138页。第136页/共138页第一百三十七页，共138页。n 掌握代谢调控在发酵过程控制中的应用掌握代谢调控在发酵过程控制中的应用n 了解发酵过程中需检测的参数了解发酵过程中需检测的参数(cnsh)类型，了解基本的参数类型，了解基本的参数(cnsh)检检 n 测方法测方法n 掌握温度、掌握温度、pH、溶解氧、溶解氧、CO2和呼吸商、基质浓度等对和呼吸商、基质浓度等对 n 发酵的影响及其控制发酵的影响及其控制n 掌握发酵过程补料控制的意义、原则和方法掌握发酵过程补料控制的意义、原则和方法n了解高密度发酵及过程控制了解高密度发酵及过程控制n了解泡沫对发酵的影响及其控制了解泡沫对发酵的影响及其控制n了解计算机自动控制技术在发酵过程控制中的应用了解计算机自动控制技术在发酵过程控制中的应用第137页/共138页第一百三十八页，共138页。