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7发酵过程工艺控制2.ppt

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第三节 温度变化及其控制,一、温度对生长的影响,不同微生物的生长对温度的要求不同,根据它们对温度的要求大致可分为四类:嗜冷菌适应于0~260C生长,嗜温菌适应于15~430C生长,嗜热菌适应于37~650C生长,嗜高温菌适应于650C以上生长,,每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温度来表征。在最适温度下,微生物生长迅速;超过最高温度微生物即受到抑制或死亡;在最低温度范围内微生物尚能生长,但生长速度非常缓慢,世代时间无限延长。在最低和最高温度之间,微生物的生长速率随温度升高而增加,超过最适温度后,随温度升高,生长速率下降,最后停止生长,引起死亡。,微生物受高温的伤害比低温的伤害大,即超过最高温度,微生物很快死亡;低于最低温度,微生物代谢受到很大抑制,并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。,二、温度对发酵的影响,温度通过影响微生物的酶反应速度、发酵液中溶解氧而影响发酵;温度还能影响酶系组成及酶的特性、以及生物合成方向。发酵温度对凝结芽孢杆菌α-淀粉酶热稳定性的影响,温度影响发酵方向,四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素,当温度低于300C时,这种菌合成金霉素能力较强;温度提高,合成四环素的比例也提高,温度达到350C时,金霉素的合成几乎停止,只产生四环素。温度还影响基质溶解度,氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。,三、最适温度的选择,为了使微生物的生长速度最快和代谢产物的产率最高,在发酵过程中必须根据菌种的特性,选择和控制最合适的温度。在实际发酵过程中往往不能在整个发酵周期内仅选一个最适合培养温度。,1、根据菌种及生长阶段选择,微生物种类不同,所具有的酶系及其性质不同,所要求的温度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为370C, 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30~320C, 青霉菌生长温度为300C。,在发酵前期由于菌量少,发酵目的是要尽快达到大量的菌体,取稍高的温度,促使菌的呼吸与代谢,使菌生长迅速; 在中期菌量已达到合成产物的最适量,发酵需要延长中期,从而提高产量,因此中期温度要稍低一些,可以推迟衰老。 发酵后期,产物合成能力降低,延长发酵周期没有必要,就又提高温度,刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段280C,合成期260C后期再升温;黑曲霉生长370C,产糖化酶32~340C。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长30~320C,产酸34~370C。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。,根据生长阶段选择,2、根据培养条件选择,温度选择还要根据培养条件综合考虑,灵活选择。 通气条件差时可适当降低温度,使菌呼吸速率降低些,溶氧浓度也可髙些。 培养基稀薄时,温度也该低些。因为温度高营养利用快,会使菌过早自溶。总的来说,温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。,四、发酵过程引起温度变化的因素,(一)发酵热Q发酵,发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。 所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。什么叫净热量呢?在发酵过程中产生菌分解基质产生热量,机械搅拌产生热量,而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大,温度上升快,发酵热小,温度上升慢。 现在来分析发酵热产生和散失的各因素。,1、生物热Q生物,在发酵过程中,菌体不断利用培养基中的营养物质,将其分解氧化而产生的能量,其中一部分用于合成高能化合物(如ATP)提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量,其余一部分以热的形式散发出来,这散发出来的热就叫生物热。 微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。,生物热与发酵类型有关,微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧:产生287.2千焦耳热量,183千焦耳转变为高能化合物104.2千焦以热的形式释放 厌氧:产生22.6千焦耳热量,9.6千焦耳转变为高能化合物13千焦以热的形式释放 二个例子中转化为高能化合物分别为63.7%和42.6%,培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。 生物的大小与呼吸作用强弱有关 在培养初期,菌体处于适应期,菌数少,呼吸作用缓慢,产生热量较少。 菌体在对数生长期时,菌体繁殖迅速,呼吸作用激烈,菌体也较多,所以产生的热量多,温度上升快,必须注意控制温度。 培养后期,菌体已基本上停止繁殖,主要靠菌体内的酶系进行代谢作用,产生热量不多,温度变化不大,且逐渐减弱。 如果培养前期温度上升缓慢,说明菌体代谢缓慢,发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈,有可能染菌,此外培养基营养越丰富,生物热也越大。,2、搅拌热Q搅拌,在机械搅拌通气发酵罐中,由于机械搅拌带动发酵液作机械运动,造成液体之间,液体与搅拌器等设备之间的摩擦,产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关,可用下式计算:Q搅拌=P×860×4186.8(焦耳/小时)P——搅拌轴功率4186.8——机械能转变为热能的热功当量,,3、蒸发热Q蒸发,通气时,引起发酵液的水分蒸发,水分蒸发所需的热量叫蒸发热。此外,排气也会带走部分热量叫显热Q显热,显热很小,一般可以忽略不计。,4、辐射热Q辐射,发酵罐内温度与环境温度不同,发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。冬天大一些,夏天小一些,一般不超过发酵热的5%。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射,(二)发酵热的测定,有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里,可以通过测量冷却水进出口的水温,再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。 Q发酵=GCm(T出-T进) Cm——水的比热 G——冷却水流量,另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控,让发酵液达到某一温度,然后停止加热或冷却,使罐温自然上升或下降,根据罐温变化的速率计算出发酵热。,一、发酵过程pH变化的原因,1、基质代谢,(1)糖代谢 特别是快速利用的糖,分解成小分子酸、醇,使pH下降。糖缺乏,pH上升,是补料的标志之一 (2)氮代谢 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降;尿素被分解成NH3,pH上升,NH3利用后pH下降,当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。 (3)生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降,第四节 发酵过程的pH控制,2、产物形成,某些产物本身呈酸性或碱性,使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH下降,红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性,使pH上升。,3、菌体自溶,pH上升,发酵后期,pH上升。,二、pH对发酵的影响,例 pH对林可霉素发酵的影响,林可霉素发酵开始,葡萄糖转化为有机酸类中间产物,发酵液pH下降,待有机酸被生产菌利用,pH上升。若不及时补糖、(NH4)2SO4或酸,发酵液pH可迅速升到8.0以上,阻碍或抑制某些酶系,使林可霉素增长缓慢,甚至停止。 发酵15小时左右,pH值可以下降到5.3,调节这一段的pH值至7.0左右,以后自控pH,可提高发酵单位。 对照罐发酵66小时pH达7.93,以后维持在8.0以上至115小时,菌丝浓度降低,发酵不再继续。,1、实例,,,,,,,pH,7.0,t,,,不调pH,,调pH,效价,pH,例:培养基初始pH值对漆酶分泌的影响,pH在4~7范围内产酶最高,2、pH对发酵的影响,(1)pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻,(2)pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变,从而改变细胞膜的透性,影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄,因此影响新陈代谢的进行,(3)pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离,从而影响微生物对这些物质的利用,(4)pH影响代谢方向 pH不同,往往引起菌体代谢过程不同,使代谢产物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在pH2~3时发酵产生柠檬酸,在pH近中性时,则产生草酸。 谷氨酸发酵,在中性和微碱性条件下积累谷氨酸,在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺,三、pH的控制方法,1、调节好基础料的pH。基础料中若含有玉米浆,pH呈酸性,必须调节pH。若要控制消后pH在6.0,消前pH往往要调到6.5~6.8,2、在基础料中加入维持pH的物质,如CaCO3 ,或具有缓冲能力的试剂,如磷酸缓冲液等,3、通过补料调节pH,在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH 如(1)调节补糖速率来调节pH (2)当NH2-N低,pH低时补氨水; 当NH2-N低,pH高时补(NH4)2SO4,4、当补料与调pH发生矛盾时,加酸碱调pH,5、发酵的不同阶段采取不同的pH值,微生物生长的最适pH值和生产产物的最适pH值往往不一定相同。,一、泡沫对发酵的影响 发酵罐的装料系数减少 泡沫升到罐顶可能从轴封渗出,增加染菌的机会; 使部分菌丝粘附在罐盖或罐壁上而失去作用; 影响通气搅拌的正常进行,防碍菌体呼吸,造成代谢异常,导致产量下降; 使菌体提早自溶。,第五节 泡沫的控制,泡沫的类型1 存在于发酵液的液面上2 出现在粘稠的菌丝发酵液当中泡沫产生的原因1 由外界引进的气流被机械地分散形式2 发酵过程中产生的气体聚结而成(发酵泡沫,代谢旺盛时明显),二、发酵过程的泡沫形成规律,与通风、搅拌的剧烈程度有关; 与培养基所用原材料的性质有关; 与培养基的配比、浓度和粘度有关。 与发酵过程中培养液的性质及微生物的 代谢有关。,,,,三、泡沫的控制方法,发酵工业上常用的消泡方法有两种:化学消泡和机械消泡。 (一)、化学消泡 1.化学消泡机理 当化学消泡剂加入起泡体系中,由于消泡剂本身的表面张力比较低(相对于发泡体系而言),当消泡剂接触到气泡表面时,使气泡膜局部的表面张力降低,力的平衡受到破坏,此处为周围表面张力较大的膜所牵引,因而气泡破裂,产生气泡合并,最后导致气泡破裂。,2.消泡剂的选择,消泡剂必须是表面活性剂,具有较低的表面张力; 具有一定的亲水性,以使消泡剂对气—液界面的分散系数足够大; 消泡剂在水中的溶解度较小,以保持其持久的消泡或抑泡性能; 对人、畜无害,对菌体生长和代谢无影响,不影响产品的提炼和产品质量; 不影响氧在培养液中的溶解和传递; 来源方便,价格便宜。常用消泡剂有天然油脂、高级醇类、脂肪酸和酯类、聚醚类、硅酮类。,3.消泡剂的使用,消泡剂用量以达到消泡效果为准,多加消泡剂不但增加成本,而且可能产生毒性,影响菌体生长和产物生成,还会造成提炼困难。,(二)、机械消泡,机械消泡是一种物理作用,它靠机械强烈振动及压力变化,促使气泡破裂,并将随气体排出的液体加以回收。 优点:节省原料(消泡剂),减少由于加入消泡剂所引起的污染机会。 缺点:效果不如化学消泡迅速可靠,需要一定的设备和消耗一定的动力。最重要的是不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。 机械消泡的方式有罐内消泡和罐外消泡两种。,罐内机械消泡,罐外机械消泡,
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