第4章 发酵代谢及其调节控制.ppt

第四章 发酵代谢及其调节控制 第一节 发酵过程的代谢变化 第二节 发酵过程调节控制 一次成功的发酵同时受到两方面因素的制约，一是生产菌种的遗传特性，二是发酵条件，因此，必须了解有关环境条件对生产菌种的影响，因地制宜地适应菌种的特性，测定发酵过程中各种参数的变化规律，才能有效地实现发酵工艺的优化和控制。 由于发酵过程的复杂性，使得发酵工业生产过程的在线监控比其他行业落后，其重要原因是有效检测过程状态变量的传感器质量不过关，以至很难实现在线分析和控制。 变化过程中的参数可分为物理参数、化学参数、生物学参数等，但目前较多的测定参数仅包括温度、罐压、空气流量、搅拌转速、pH值、溶氧、糖含量、菌体浓度、基质浓度等，且其中大多数为非在线测定。 1、温度： 影响微生物的生长代谢、系统中酶的反应速率、溶氧量、菌体的浓度变化、产物合成等等。 注意： 微生物生长和产物合成的温度要求不同； 发酵过程中的发酵热，包括生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热等等影响发酵过程的温度变化。 2、罐压： 作用： 形成正压，防止污染 增加溶氧，但二氧化碳的溶解量也上升，因此罐压不宜太高； 减少泡沫 3、搅拌参数：（转速、功率） 作用： 增加溶氧，但也与泡沫形成等有关； 搅拌功率： 影响传氧效率； 菌体损伤（尤其是丝状真菌） 4、空气流量 流量越大，泡沫越多，发酵液总体积上升，装料系数下降； 流量越大，空气在罐内停留时间短，氧的有效利用率下降，耗电量上升； 罐外相对湿度一般为60%，出罐时100%，带走水分，蒸发量大。 5、空气湿度（尤其对固态发酵重要） 湿度低，不易染菌，但太低，发酵液挥发速度上升，液体体积下降，不利于发酵。 以空气湿度60%利于发酵。 6、溶解氧浓度 与氧的传递能力关： 搅拌速率； 发酵罐内的结构（挡板等）； 料液黏度； 发酵液本身摄氧率 7、发酵液的表观黏度： 表观黏度越大，溶氧能力越弱 与发酵液成分有关； 与液化糖化程度有关； 与菌体浓度，菌种种类（如有无荚膜）、菌种代谢特性有关； 与噬菌体污染有关。 8、排气中的氧含量和二氧化碳含量 观测微生物利用氧的情况，绝大多数微生物对氧的利用率为20%左右 9、发酵液的OD值 表示菌体的含量（例：微生物生长曲线测定）对清夜发酵而言。 1、基质浓度： 糖浓度：还原糖——微生物直接利用的糖。 氮浓度：氨基氮 磷：无机磷转化有机磷 一般，碳、氮、磷等与反应中微生物生长、代谢物产量密切相关。残糖通常可反映代谢物的浓度。一般而言，糖消耗率越大越好，但对于风味要求高的发酵食品，残糖利于改善感官品质。 2、pH值： 关系到酶活和菌体生长。 3、DNA的含量： 是细胞生长的真实参数，直到菌体自溶时才改变。当噬菌体侵染时也发生变化。 4、代谢产物的浓度： 调节发酵条件，中止发酵与否通常由此参数检测来定。 1、菌体形态： 能准确反应菌体生长情况及代谢产物形成情况。 高活力的菌体形态均一，染色时着色较均匀。 不同阶段菌体形态有差异 2、菌体干重（湿重、生物量） 当培养基不含有不溶性物质时，可直接用离心分离，得到菌体干重 当培养基含有不溶性物质时，可用密度梯度离心法 对于清型发酵液，可用光密度反映菌体浓度，但不适于浓料，与基质本身的光密度有关 3、菌体的比生长速率： 即单位时间内单位菌体的增量。 例如：t0=0时，x0=1g; t=5hr x=3g 则比生长率=（3-1）/（5-0）=0.4克/克（菌）.小时 4、氧的比消耗速率： 糖的比消耗速率： 氮的比消耗速率： 5、代谢产物的比增长速率 单位时间内单位菌体所产生的产物量。 代谢曲线可以准确反映发酵过程各阶段的代谢变化 定义：代谢曲线是指以时间为横坐标，以发酵过程中各参数为纵坐标用以反应发酵过程中各参数的变化情况。通过与典型代谢曲线的比较。通常可以判断发酵进行是否正常。 氧的临界浓度：指不影响微生物呼吸强度的最低溶氧浓度。 总糖下降，还原糖先升后降（说明酶解速度大于微生物利用葡萄糖的速度） 溶氧浓度下降到临界浓度，氮下降，菌体浓度上升至最高点 产物尚未累积 特征： 菌体浓度基本恒定或略有增加； 氧的比消耗速率较为恒定； 可通过控制氮、磷、pH、温度来抑制菌体生长，促进产物合成。 产物合成速度持续上升，浓度达最大 特征： 产物合成速度下降； 由于菌体自溶释放一些菌体物质，使pH上升，氨基氮上升。 综合以上特征，应在前期给与丰富的营养，中后期适当补料，为合成代谢产物提供营养，保证产物合成所需的酶量提高，当氨基氮回升时，不再补糖或少补糖。 至菌体自溶解段必须结束发酵，否则可能发生产物降解（如抗生素等），还