第十一章发酵过程实验室研究课件.pptVIP

第十一章 发酵过程实验室研究、中试和放大 实验室：菌种筛选和培养基研究 中试规模：确定菌种培养的最佳操作条件 工厂规模：大规模生产，经济效益 第一节 实验室研究 一. 实验设备 摇床培养 发酵罐培养 二. 摇瓶实验 短期内可以获得大量数据，该法是自然通气的小规模培养，必须考虑一些影响微生物生长的因子： 1. 瓶塞对氧传递的阻力 2. 水蒸发的影响 影响培养液的体积，改变氧传递效率，改变菌体产物浓度 水蒸发量与发酵温度、周围空气的相对湿度和水的传递系数等因素有关 3. 比表面积的影响 氧的传递速率由摇床振荡的频率与振幅的大小、培养基体积与摇瓶总体积的比率、摇瓶的形式决定 三. 实验室研究和统计学方法 1、实验室研究的目的： 菌种保藏 菌种在固体培养基上培养和繁殖的条件 研究培养基最适组分 实验室规模的培养技术 2、研究的步骤 确定培养基组分 通气强度、种子类型、种龄、接种量、发酵周期 影响代谢产物产量的关键因素 摇瓶实验提供基本信息和初步发酵工艺数据 3、统计学方法 一般实验 时间、劳动力消耗大，如要考察 3个因素和4个水平需要做3×3 ×3 ×3=81次实验 （因素）34（水平） 温度(?C) pH 浓度(mg/ml) 15 6.5 1.0 20 7.0 1.5 25 7.5 2.0 30 8.0 2.5 正交设计和均匀设计 应用数理统计原理，作少量次数实验，求出各参数之间的数量关系 确定因素和水平的数目 确定进行几次实验 从正交表、均匀表中查设计方案 一般在《试验设计》等一类书的附录中都可以找到 第二节 摇瓶培养与罐培养的差异和发酵规模改变的影响 一. 摇瓶和罐培养的差异 1. 体积氧传递系数（KLa）和溶解氧的差异 旋转式往复式 发酵罐摇瓶 2. CO2浓度的差异 罐中CO2浓度明显大于摇瓶，而CO2浓度对细胞呼吸和某些微生物代谢产物有影响 3. 菌丝受机械损伤的差异 摇瓶培养时，菌体只受到液体的冲击或沿瓶壁滑动的影响；发酵罐培养时，菌体受到搅拌叶的剪切力的影响而受伤。 菌体受伤，菌体内低分子核酸物质会出现漏失，高分子核酸也相对减少。 如果菌株要求较高的Kla，罐中的生产能力就高于摇瓶 如果菌株对机械损伤比较敏感，罐中生产能力就低于摇瓶 为了使摇瓶的发酵条件能反映在发酵罐上，可采取以下措施： 增加摇瓶转速，减少培养基的装量 向摇瓶通入无菌空气 加入玻璃珠模拟发酵罐的机械损伤 二. 发酵罐规模改变的影响 引起许多物理和生物参数的改变 主要因素： 菌体繁殖代数 种子的形成 培养基的灭菌 通气和搅拌 热传递 1. 菌体繁殖代数的差异 Ng=1.44(lnV+lnx-lnX0) Ng：菌体繁殖代数 V：发酵罐体积 m3 x：菌体浓度 kg/m3 X0：总菌体量 kg 体积越大，菌体要进行的繁殖代数也越多，出现变异的机会也增多 2. 培养基灭菌的差异 分批灭菌分为预热期、维持期、冷却期。培养基体积越大，预热期和冷却期越长对培养基破坏越严重 3. 通气与搅拌的差异 4. 热传递的差异 5. 种子形成的差异 接种量与发酵罐容积成正比；发酵规模越大，种子培养的级数和菌种繁殖的代数越多。 小结： 发酵规模扩大不是简单的体积增大过程，菌种质量和其它发酵工艺也会改变 第三节 发酵规模的缩小和放大 一. 概述 目的：大、小规模实验中菌体所处的外界环境能保持完全一致；使小型规模实验所取得的结果在大生产规模上重现 缩小（scale down）：大规模发酵生产条件作为中小型实验条件 放大（scale up）：实验室和中试车间结果应用到大规模发酵工业中 二. 放大或缩小所设计的关键因素 化学因素：基质浓度、前体浓度等 物理因素：温度、粘度、功率消耗 化学因素可以通过人为控制来保持恒定 物理因素与设备规模的大小关系很大 生物因素影响微生物的生化代谢 三. 放大的过程 1. 实验室实验：摇瓶获得最佳发酵工艺条件 2. 中间工厂实验（中试）： 用一定数量的10～15L小型发酵罐进行实际应用研究 抽提产物还要有几个3 ～ 4m3的中型罐 中试设备要自动化程度高 3. 工厂生产规模：15 ～ 50m3，有的可达150m3 四、比拟放大的内容：