发酵工程

专业和班级：2010级生物科学3 班 学号：222010317011074 姓名：冯莹

内容：第 9 章 发酵工艺控制 （题目）

一 教学目标：

第一节氧的供需及对发酵的影响

1了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念 2掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定 3深入理解Kla的意义，了解反应器放大的基本概念

4掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控溶氧浓度的意义 第二节 发酵过程的pH控制

1发酵过程pH变化的原因是：基质代谢、产物形成、生理酸碱性物质的代谢。 2 pH影响发酵的机理。

3发酵过程pH控制包括静态控制和动态控制。静态控制就是确定最适pH条件，动态控制就是对过程的pH变化进行调控。

4发酵过程调节pH的方法，原则是：在调节pH与补料没有矛盾的情况下用补料调节pH，否则用酸碱调节。

二 教学重点和难点

重点：1掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定

2掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控溶氧浓度的意义

3发酵过程pH控制包括静态控制和动态控制。静态控制就是确定最适pH条件，动态控制就是对过程的pH变化进行调控。

难点：1深入理解Kla的意义，了解反应器放大的基本概念 2掌握发酵过程PH的控制

三 课时安排：两课时

四 教学方法：讲授法，探究法

五 教学内容：

1氧的供需及对发酵的影响 1.1微生物对氧的需求

1.1.1描述微生物需氧的物理量

1.1.2溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响

1.1.3影响需氧的因素 1.2 反应器中氧的传递

1.2.1发酵液中氧的传递方程 1.2.2发酵液中氧的平衡 1.2.3供氧的调节 1.3影响Kla的因素

1.3.1影响摇瓶kla的因素

1.3.2影响发酵罐中Kla的因素 1.4 CL、r和Kla的测定 1.4.1 CL的测定 1.4.2 r的测定 1.4.3 Kla的测定

1.5溶氧浓度的变化及其控制 1.5.1发酵过程中溶氧的控制

1.5.2发酵过程中溶氧浓度监控的意义 2.发酵过程的pH控制

2.1发酵过程pH变化的原因 2.1.1基质代谢 2.1.2产物形成

2.1.3菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。 2.2pH对发酵的影响 2.2.1pH对发酵的影响

2.2.2pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响 2.2.3最佳pH的确定 2.3pH的控制

2.3.1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 2.3.2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， 2.3.3通过补料调节pH

2.3.4当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH 2.3.5不同调pH方法的影响

2.3.6发酵的不同阶段采取不同的pH值

六 教学进程：

氧的供需及对发酵的影响

溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。

在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右，使溶氧成为限制因素。

第一节 微生物对氧的需求 一、描述微生物需氧的物理量 比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2·g菌-1·h-1

摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2·L-1·h-1 。 r= QO2 .X

二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响

QO2

CCr CL

CCr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。 一般对于微生物： CCr: ＝1～15%饱和浓度 例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8%

产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%

定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度

所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度>1.

问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。 例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2·L-1·S-1 计， 0.25/0.052=4.8秒

注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样：

头孢菌素 卷须霉素

生长 5% (相对于饱和浓度） 13% 产物 >13% >8%

三、影响需氧的因素 r= QO2 .X 菌体浓度 QO2

? 遗传因素 ? 菌龄

? 营养的成分与浓度 ? 有害物质的积累 ? 培养条件

第二节 反应器中氧的传递 一、发酵液中氧的传递方程

N?kg(P?Pi)?kl(ci?c)

N：传氧速率 kmol/m2.h

kg: 气膜传质系数 kmol/m2.h.atm

Kl: 液膜传质系数 m/h

气膜

液膜

P Ci Pi C

C*＝P/H, 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度 N?Kl(c*?c)

Kl: 以氧浓度为推动力的总传递系数 (m/h)

再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3) Nv?Kla(c*?c)Nv：体积传氧速率 kmol/m3.h

Kla: 以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数 h-1

二、发酵液中氧的平衡

发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中

Nv传递： ?Kla(c*?c)消耗：r= QO2 .X

氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面 三、供氧的调节 Nv?Kla(c*?c)C有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和C*来调节 其中C*＝P/H

H

Nv

P Kla

调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。

45升 1吨 10吨

搅拌速度 250 rpm 120 120 供氧速率 7.6 10.7 20.1

第三节 影响Kla的因素

Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。 一、影响摇瓶kla的因素 为装液量和摇瓶机的种类

摇瓶机 往复，频率80-120分/次，振幅8cm 旋转，偏心距25、12,转速250rpm 装液量，一般取1/10左右：

250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml

例： 500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响

装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 92 二、影响发酵罐中Kla的因素

已知在通风发酵罐中，全挡板条件下： Kla?K(Pg/V)?(Vs)?

P02nd30.45 Pg?C(0.56)Qg P0?Kn3d5?

Kla?(ndQ)

1、理论上分析

n

KLa d

通气量

提高搅拌，调节kla的效果显著

例 某一产品的发酵

d n p0/v c 产量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455 提高d、n显著提高C,提高了产量 例 黑曲霉生产糖化酶

n 230 230 270 通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量 1812 2416 2846

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