第五章 发酵过程控制课件.ppt

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1、第五章第五章 发酵过程及控制发酵过程及控制2学习目标 知识目标 能陈述发酵过程的影响因素（温度、溶氧、pH等）； 能陈述不同发酵方式的理论及异同及优劣； 掌握发酵动力学的有关原理、发酵器的分类及发展趋势。能力目标 能够找出发酵最适宜条件，并采取相应控制措施； 能够进行发酵终点判断； 能够进行发酵过程重要检测；3第一节 发酵方式一、概述 发酵：指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。 广义发酵：微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经过特定的代谢转变成所需产物的过程。 微生物培养：亦称微生物发酵，发酵生产按微生物培养工艺不同可以分为固态发酵和液态发酵两种类型。两者在工艺过

2、程上大体相同，主要工艺过程为： 斜面菌种培养菌体或孢子悬浮液制备种子扩大培养发酵培养发酵产物与发酵基质分离提纯与精制成品。 4固态发酵固态发酵是将微生物接种到经过处理的固体发酵基质上，或将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体支撑物上，通过微生物的代谢活动，使发酵原料转化成发酵产品。采用固态发酵工艺所需设备简单，不需要结构复杂的发酵堆；操作方法简单，能耗较低，不需要大量的通风和搅拌。但是固态发酵不宜采用自动化控制，劳动强度较大，生产率较低。液态发酵是将物料首先制备成液态，再将微生物接入进行发酵。液态发酵容易实现自动化生产，生产效率高。 5深层培养深层培养可分为分批培养、补料-分批（流加培养）培养、半连

3、续培养（发酵液带放）、连续培养和灌注培养五种方式。以发酵方式可分为分批发酵、补料-分批发酵和连续发酵等。6二、分批发酵 分批发酵：指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。 分批培养的特点是操作简单，易于掌握，是最常见的操作方式。 分批发酵过程一般可粗分为四期：即适应期（也有称停滞期或延滞期的）、对数（指数）生长期、生长稳定期和死亡期； 也可细分为六期：即停滞期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡（衰亡）期7 分批培养中的微生物的典型生长曲线 8停滞期（） 停滞期（）： 刚接种后的一段时间内，

4、细胞不生长，细胞数目和菌量基本不变。 长短主要取决于种子的活性、接种量和培养基的可利用性以及浓度。 菌龄短的菌种停滞期也短，在对数生长期接种停滞期最短，种子老化会使停滞期延长。 带培养液接种比种子经分离培养液后接种的延滞期要短，但带培养液的种子易老化，不易保藏。 对于经分离后的浓缩种子，若在接种时添加适量的培养滤液，则可缩短延滞期。 对有些微生物培养在接种时添加某种激活剂可大大缩短延滞期。9菌龄相同的菌种，则接种量越大，停滞期越短，而培养基的浓度对停滞期的长短影响不大。停滞期的长短，差别很大，短的几乎觉察不到，瞬间即可完成，而长的要在接种后23天才开始生长。种子一般应采用对数生长期且达到一定浓

5、度的培养物，该种子能耐受含高渗化合物和低CO2分压的培养基。工业生产中从发酵产率和发酵指数以及避免染菌考虑，希望尽量缩短适应期。10加速期（）加速期（）通常很短，大多数细胞在此期的比生长速率在短时间内从最小升到最大值。如这时菌已完全适应其环境，养分过量又无抑制剂便进入恒定的对数或指数生长期()。 11指数生长期() lnXt1nXot 式中 X。菌的初始浓度； Xt经过培养时间t的菌体浓度。12减速期（）减速期（）：在指数生长期，随着细胞的大量繁殖，培养基中养分的迅速减少，有害代谢物的逐渐积累，细胞的比生长速率逐渐下降，即进入减速期（）。 减速期的长短取决于菌对限制性基质的亲和力（Ks值），亲

6、和力高，即Ks值小，则减速期短。 13静止期（V）静止期（V），因营养物质耗尽，有害物质大量积累，细胞的浓度达到最大值，不再增加。 14死亡期（VI）在死亡期（VI），细胞开始死亡，活细胞的浓度不断下降，这时，生长呈负增长。工业发酵一般不会等到菌体开始自溶时才结束培养。发酵周期的长短不仅取决于前面五期的长短还取决于菌的初始浓度X0。15重要的生长参数 得率系数Y 在浓度较低的范围内，静止期的细胞浓度与初始基质浓度成正比，可用下式表示： XY（So一St） 式中 so初始基质浓度，g/L; st经培养时间t时基质浓度； Y得率系数，g细胞/g基质当生长停止时，st等于零。方程可用于预测用多少初始

7、基质便能得到相应的菌量。 16比生长速率比生长速率 用Monod方程可描述比生长速率和残留的限制性基质浓度之间的关系 max s（KsS） 式中 比生长速率，h-1； max最大比生长速率，h-1； S基质浓度，g/L; Ks基质利用常数，相当于max /2时的基质浓度，g/L，是菌对基质的亲和力的一种度量。17分批发酵的优缺点 优点是：周期短，培养基一次灭菌，一次投料，容易实现无菌状态；操作简单，易于操作控制，产品质量稳定；培养浓度较高，易于产品分离。 分批培养的辅助时间较多，设备生产能力低。分批发酵不适用于测定其过程动力学，因使用复合培养基，不能简单地运用Monod方程来描述生长，存在基质

8、抑制问题，出现二次生长现象。对基质浓度敏感的产物，或次级代谢物，如对基质浓度敏感的产物，或次级代谢物，比如抗生素，用分批发酵不合适，因其周期较短，一般在12天，产率较低。 在目前国内外绝大多数发酵生产中，都是采用分批培养的方法。18三、补料（流加）分批发酵 补料-分批发酵是指先将一定量的培养液装入反应器，在适宜的条件下接种细胞，进行培养，细胞不断生长，产物也不断形成。 目前国内外的酵母生产行业大多采用这种操作方法。 目前补料-分批发酵的类型很多，就补料的方式而言，有连续补料、不连续补料和多周期补料；每次补料又可分为快速补料、恒速补料、指数速度补料和变速补料；按反应器中发酵液体积区分，又有变体积

9、和恒体积之分；从反应器数目分类又有单级和多级之分；从补加的培养基成分来分，又可分为单一组分补料和多组分补料。 补料-分批发酵的优点在于它能在这样一种系统中维持很低的基质浓度，从而避免快速利用碳源的阻遏效应和能够按设备的通气能力去维持适当的发酵条件，并且能减缓代谢有害物的不利影响。19四、半连续发酵半连续培养又称为反复分批培养或换液培养，在补料-分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液（带放）便可称为半连续发酵。半连续发酵也有它的不足：放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体；定期补充和带放使发酵液稀释，送去提炼的发酵液体积更大；发酵液被稀释后可能产生更多的代谢有害物，最终限制发

10、酵产物的合成；一些经代谢产生的前体可能丢失；有利于非产生菌突变株的生长。据此，在采用此工艺时必须考虑上述的技术上限制，不同的品种应根据具体情况具体分析。20五、连续发酵连续培养（或连续发酵）：发酵过程中一边补入新鲜的料液，一边以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积。使微生物细胞能在近似恒定状态下生长的微生物发酵培养方式。可以采用罐式或搅拌发酵罐及管式反应器。在开放的系统中进行的培养方式。 21连续培养中存在的问题污染杂菌问题生产菌种突变问题22六、灌注培养灌注培养是指细胞接种后进行培养，一方面新鲜培养基不断加入反应器，另一方面又将反应液连续不断地取出，但细胞留在反应器内，使细胞处于一种不断的营

11、养状态。23第二节 发酵动力学一、发酵动力学类型Gaden根据发酵过程中，产物的形成与底物利用之间关系的不同，将发酵分为三类。型为生长联系型，又称简单发酵型型为部分生长联系型，或生长部分相关行，又称中间发酵型。型为非生长联系型，又称复杂发酵型Deindoerfer根据发酵的进程，将发酵分为五类，即单一型、并进型、连贯型、分段型和复合型。24 二、微生物生长动力学1.生长速率 在微生物的培养过程中，菌体浓度的增加速率与菌体浓度、基质浓度和抑制剂浓度有关。生长速率与培养液中的菌体浓度成正比，比例系数一般用表示，称为比生长速率，它与许多因素有关，当温度、pH、基质浓度等条件改变时，随之改变。2.比生

12、长速率与基质浓度的关系（1）Monod方程 max s（KsS） 当限制性底物浓度非常小时，比生长速率与限制性底物浓度成正比，微生物的生长显示为一级反应。 当限制性底物浓度很大时，比生长速率达到最大比生长速率max，菌体的生长速率与底物浓度无关，而与菌体浓度成正比，微生物的生长显示为零级反应。25（2）其他比生长速率方程式 Monod方程式是描述比生长速率与底物浓度关系最基本的方程式，其他的方程式还有多个限制基质的Monod式Tessier方程式Moser方程式Contois方程式26三、产物形成动力学产物形成与生长的关系 细胞生长与代谢产物形成之间的动力学关系决定于细胞代谢中间产物所起的作用

13、。描述这种关系的模式有三种，即生长联系型模式、非生长联系型模式和复合型模式。（1）生长联系型模式 （2）非生长联系型模式 （3）复合模式 27四、生长得率与产物得率1.生长得率和产物得率的定义生长得率：消耗每单位数量的基质所得到的菌体，称为基质的生长得率。生长得率：定量描述细胞对营养物质的得率的系数，而产物得率就是描述产物对营养物质的得率的系数，得率系数代表转化的效率。282.理论得率与表观得率 细胞合成时细胞对底物的得率叫做生长的理论得率； 把既考虑细胞合成又考虑细胞维持时细胞对底物的得率叫做生长的表观得率。 理论得率与表观得率的区别与联系在于： 理论得率只取决于细胞的组成与合成途径，是与生

14、长速率无关的常数；表观得率与生长速率及培养条件有关，在培养过程中，不同时期的表观得率可能有所不同。 在生长速率较高时，维持细胞生命所需的底物相对于合成细胞所消耗的底物来说很少，一般可忽略不计，这时二者近似相等；而在生长速率很低时，维持细胞生命所需的底物相对较多，往往不可忽略，前者大于后者。 表观得率可在培养过程中随时测定，而理论得率却不能直接测定。293.生长得率的其他表示方法（1）氧生长得率 消耗每单位数量的氧所得到的菌体量称为氧生长得率。（2）有效电子 生物反应的特色之一是通过呼吸链（电子传递）的氧化磷酸化反应生成ATP，消耗lmol氧接受4个电子。从各种有机物燃烧热值（热焓变化）的平均值

15、得每一个有效电子（ave）的热焓变化为11088kJ，这样碳源的能量可通过有效电子数来计算，例如lmol葡萄糖完全氧化需6mo1氧，故其总有效电子数为24mol，于是葡萄糖完全氧化的热焓变化值为： Hs=24x(-110.88)=-2661(kJ/mol葡萄糖） 生长得率也可以用有效电子生长得率表示，即传递每个有效电子所获得的菌体量。 (3)ATP生长得率 消耗1 molATP得到的菌体量称为ATP生长得率YATP。许多微生物的YATP大致相同，大约10g细胞molATP。 (4)能量生长得率 能量生长得率的定义为：增加的菌体量与（菌体中保持能量+分解代谢能量）之比值。30第三节 发酵过程主要

16、影响因素及其控制 一般发酵过程控制主要参数：pH值、温度、溶解氧浓度、基质浓度、空气流量、压力、搅拌转速、搅拌功率、黏度、浊度、料液流量、产物的浓度、氧化还原电位、废气中的氧含量、废气中的CO2含量、菌丝形态、菌体浓度等。 温度：发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度 。 溶解氧浓度：需氧菌发酵的必备条件。 基质浓度：发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的浓度。 空气流量：每分钟内向单位体积发酵液通入空气的体积，也叫通风比。 压力：发酵过程中发酵罐维持的压力。 黏度：细胞生长或细胞形态的一项标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况。 浊度：及时反映单细胞生长状况的参数。 氧化还原电位：影响微生物生长

17、及其生化活性。31主要的控制参数1、pH值（酸碱度）2、温度3、溶解氧浓度4、基质含量5、空气流量6、压力7、搅拌转速8、搅拌功率9、黏度10、浊度11、料液流量12、产物的浓度13、氧化还原电位14、废气中的氧含量15、废气中的CO 2含量16、菌丝形态17、菌体浓度32种子质量 1.接种菌龄 接种菌龄：种子罐中培养的菌体自开始移种到下一级种子罐或发酵罐的培养时间。 一般而言，应以菌种的对数生长期后期，即培养液中菌种浓度接近高峰时所需的时间较为适宜。 对数生长期的微生物，因其整个群体的生理特性比较一致，细胞成分平衡发展和生长速率恒定，是发酵生产中用作种子的最佳种龄。 种龄过老或过嫩，都因菌种

18、的延滞期长，不但延长发酵周期，而且会降低发酵产量。过老的种子虽然菌量较多，但接种后会导致生产能力的下降，菌体过早自溶。因此必须严格掌握种子种龄，以免贻误时机。 不同品种或同一品种不同工艺条件的发酵，其接种菌龄也不尽相同。最适宜的接种菌龄要经多次试验，根据其最终发酵结果而定。332.接种量 接种量：指移种的种子液体积和培养液体积之比。 一般发酵常用的接种量为5%10；抗生素发酵的接种量有时可增加到20%25%，甚至更大。 较大的接种量可缩短生长达到高峰的时间，节约发酵培养的动力消耗，提高设备利用率，使产物的合成提前。 原因：种子量多，同时种子液中含有大量胞外水解酶类，有利于基质的利用，并且生产菌

19、在整个发酵罐内迅速占优势，从而减少杂菌生长的机会。所以一般都将菌种扩大培养，进行两级发酵或三级发酵。 一般来说，接种量与菌种的延滞期长短呈反比。接种量大，菌种的延滞期短；接种量小，菌种的延滞期长；但在发酵生产上，由于种子培养比较费时，如接种量过大，也可能使菌种生长过快，培养液黏度增加，导致溶氧不足，势必造成代谢废物增多，反而影响产物的合成。故在发酵过程中必须保证最适宜的温度环境。34温 度 控 制一、发酵热伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热 1、生物热微生物在生长繁殖过程中，本身产生的热2、搅拌热 Q搅拌=P 3061（kJ/h）3、蒸发热Q蒸发=qm（H出-H进）， qm ：空气流量；I：气

20、体热焓；4、辐射热Q发酵 = Q生物 + Q搅拌 - Q蒸发 - Q辐射35二、发酵热的测量及计算发酵热的测定可采用以下几种方法：利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，根据 Q发酵 = qvC（t2 t1）/V； qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg ；V为发酵液体积，m336利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率，根据Q发酵 = （M1C1 + M2C2）V；M1：发酵液质量 kg M2：发酵罐质量kgC1 发酵液的比热容，kJ/kg C2 发酵罐的比热容， kJ/kg V为温度上升速率/h热力学方法：反应物产物00

21、0ffHHH37三、温度对微生物生长的影响 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026生长，嗜温菌适应于1543 生长，嗜热菌适应于3765 生长，嗜高温菌适应于65 以上生长 38 影响酶的活性、影响细胞内各种反应速度； 最低生长温度、最高生长温度、最适生长温度； 在最适范围内生长速度随温度升高而增加，生长周期缩短； 不同生长阶段的微生物对温度的反应不同。39四、温度对发酵的影响1、影响反应速度 在葡萄糖过量的培养基上温度对大肠杆菌B/r比生长速率的影响402、温度影响酶系的组成及酶的特性413、温度影响发酵的方向 四环素产生菌金色链霉菌同时产

22、生金霉素和四环素，当温度低于30 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 35 时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。 4、温度还影响基质溶解度 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。42五、最适温度的控制1、根据菌种及生长阶段来选择 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。 黑曲霉生长温度为37， 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为3032 ， 青霉菌生长温度为30 。432、根据培养条件选择、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

23、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。443、根据菌生长情况、根据菌生长情况 菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。 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45例子：利用热冲击处理技术来提高甘油的产量背景：（1）酵母在比常规发酵温度髙1020的温度下经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。（2）Lewis发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力（3）Toshiro发现热冲击可使胞内3

24、磷酸甘油脱氢酶的活力提高1525，并导致甘油产量提高46实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量正交条件A 冲击温度 （ ） 40，45，50 B 开始时机（h） 8，16，30 C 冲击时间（分） 15，30，60结果发酵16小时，45冲击30分钟最佳，发酵96小时后甘油浓度提高32.6，（A）16h,45,30min（B）12h,45,30min4748溶解氧浓度对发酵的影响及其监控 在发酵过程中，影响耗氧的因素有以下几方面： 培养基的成分和浓度显著影响耗氧：培养液营养丰富，菌体生长快，耗氧量大；发酵浓度高，耗氧量大；发酵过程补料或补糖，微生物对氧的摄

25、取量随着增大。 菌龄影响：耗氧呼吸旺盛时，耗氧量大。发酵后期菌体处于衰老状态，耗氧量自然减弱。 发酵条件影响：耗氧在最适宜条件下发酵，耗氧量大。 发酵过程中，排除有毒代谢产物如二氧化碳、挥发性的有机酸和过量的氨，也有利于提高菌体的摄氧量。 国内外应用溶氧参数来控制发酵的技术和经验。 49 pH 值 的 控制一、pH值对菌体生长和代谢产物合成的影响菌种不同，对pH要求不同菌种相同，pH不同，形成的产物不同菌种生成和发酵的最适pH不同，形成的产物不同50pH对微生物生长繁殖和代谢产物形成影响的主要原因1、影响原生质膜的性质2、影响酶的活性3、影响营养物质和中间代谢产物的解离51二、影响pH值变化的

26、因素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52 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。53三、发酵过程pH值的调节及控制1、调整培养基的组分2、在发酵过程中进行控制 添加CaCO3： 氨水流加法 尿

27、素流加法 3、通过补料调pH4、当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH54例：例： 配制不同初始配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况的培养基，摇瓶考察发酵情况pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响55例子：不同调pH方法的影响 分别在4种缓冲介质中，于pH 650一950测定天冬酰胺酶酶活力 1 甘氨酸介质pH 8.00时酶活力最高； 2 硼酸在pH 8.50，酶反应最快 3 磷酸在pH 8.50，酶反应最快 4 Tris在pH 8.50，酶反应最快 酶活124356 不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。 “1”表示只加CaC03控制p

28、H值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素联合控制pH值。异亮氨酸发酵异亮氨酸发酵57 不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于75时，菌体易于老化，呈现球状；当pH值低于65时菌体同样受抑制，易于老化。而在72左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在69左右时，菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优势。5859 pH6.9时，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值为7.15，到80h后pH值为7.25。产率22.27g/L，产酸率提高12.23。60二

29、氧化碳和呼吸商 CO2对发酵的影响 CO2是呼吸和分解代谢的终产物。 溶解在发酵液中的CO2对氨基酸、抗生素等发酵有抑制或刺激作用。 CO2对微生物发酵也有影响 。 CO2对细胞的作用是影响细胞膜的结构。 61 2呼吸商与发酵的关系 发酵过程中菌的呼吸商RQ值（RQCER/OUR）为发酵过程中摄氧率(OUR)和CO2的释放率(CER)之比。 发酵过程中尾气O2含量的变化恰与CO2含量变化成反向同步关系。RQ值可以反映菌的代谢情况，如酵母培养过程中RQ1，表示糖代谢走有氧分解代谢途径，仅供生长、无产物形成；如RQ11，表示走EMP途径，生成乙醇；RQ0.93，生成柠檬酸；RQ07，表示生成的乙醇

30、被当作基质再利用。623.CO2浓度的控制CO2在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律，它的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。如果CO2浓度对发酵有促进作用，应该提高其浓度；反之应设法降低其浓度。 CO2的产生与补料控制有密切关系，例如，在青霉素发酵中，补糖可增加排气中CO2的浓度，并降低培养液的pH值。 63 泡 沫 的 控 制一、泡沫的性质1、泡沫产生通气搅拌；微生物代谢产生2、泡沫带来的危害减少发酵的有效容积液体溢出，增加染菌机会降低菌体利用率影响通气搅拌 643、泡沫的性质 泡沫实际上是气溶胶构成的胶体系统，其分散

31、相是空气和代谢气，连续相是发酵液，泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通。65二、发酵过程泡沫的变化1、通气和搅拌的影响2、培养基组成的影响3、菌体的影响三、化学消泡优点：来源广泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易实现自动控制1、化学消泡机理 消泡剂表面张力低，使气泡膜局部的表面张力降低，使得平衡受到破坏。662、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类（1）选用依据：表面活性剂对气-液界面的散布系数必须足够大无毒害性，且不影响发酵菌体；不干扰各种测量仪表的使用；在水中的溶解度较小来源方便，成本低67（2）消泡剂种类：天然油脂；高碳醇、脂肪酸和酯类；聚醚类；硅酮类；3、消泡剂的应用和增效作用消

32、泡剂 + 载体复合消泡剂消泡剂 + 乳化剂68四、机械消泡 1、消泡机理 靠机械强烈振动、压力的变化，促使气泡破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收2、优点节省原料，减少由于消泡剂所引起的污染机会3、缺点需要一定的设备和消耗一定的动力不能从根本上消除引起泡沫温定的因素694、机械消泡装置的选择依据动力小；结构简单；易清洁；运行可靠；维护费用低；705、消泡方式（1）罐内消泡耙式消泡浆的机械消泡71旋转圆板式的机械消泡1-马达 2-旋转圆板 3-槽内液 4-发酵槽 5-供液泵72流体吹入式消泡1、8-供液管 2、9-供气管 3-排气管 4-泡沫 5-排液管 6、10-培养槽 7-空气吸入

33、管73气体吹入管内吸引消泡1-培养槽 2-无菌空气 3-空气吸入管 4-增速喷头 5-吸入管74冲击反射板消泡1-喷嘴 2-气体 3-小孔 4-冲击板 5-气泡 6-培养槽 7-空气75超声波消泡76碟片式消泡器的机械消泡77（2）罐外消泡旋转叶片罐外消泡78喷雾消泡79离心力消泡80旋风分离器消泡1-培养槽 2-培养液 3-泡沫 4、8-排气管 5-旋风分离器破泡器 6-排气管 7-旋风分离器 9、脱泡器 11、13-供气管 12-环流液管 81转向板消泡1-泵 2-缓冲液 3-排气 4-喷头82 补 料 的 控 制补料培养（fedbatch culture，FBC）的优点:1、可以解除底物

34、抑止、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏2、减少细胞对发酵液流变学的影响3、控制细胞质量的手段4、理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础83一、FBC的作用1、可以控制抑制性底物的浓度2、可以解除或减弱分解代谢物的阻遏3、可以使发酵过程最佳化84二、补料的内容（1）补充微生物能源和碳源（2）补充菌体所需要的氮源（3）加入某些微生物生长或合成所需要的微量元素或无机盐（4）加入某些诱导酶的作用底物85三、补料的原则1、根据菌体本身的遗传特性、生长代谢规律2、根据生产需要四、补糖的控制1、补糖的时间与培养基中的碳源种类、用量、消耗速度、前期发酵条件、菌种特性、种子质量等有关2、补糖的方式和控制

35、指标86例：方式A：12h补加 方式B：24h补加方式C：12h开始，间隔8h 分4次补加方式D：12h开始，间隔4h，分8次补加87五、补充氮源和无机盐方式A：发酵24h，一次性补充酵母粉 0.3g方式B：于12h、24h、36h分次补加0.1方式C：从12h后，每隔4h补加，共8次方式D：从24h后，每隔4h补加，共6次88在发酵30h，一次性加入0.1%、0.2、0.3、0.4的次黄嘌呤对鸟苷产量的影响89 菌体浓度与基质对发酵的影响菌体浓度与基质对发酵的影响一、菌体浓度对发酵的影响菌体浓度与菌体生长速率直接相关；菌体浓度的大小影响产物的得率； 控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓度。

36、90二、基质对发酵的影响及控制1、碳源对发酵的影响及控制 不同碳源对毛霉产蛋白酶的影响91不同浓度麦芽糖对产酶的影响0200400600800100012001400空 白0.20%0.50%1%2%麦 芽 糖 浓 度酶活（u/g）中 性 条 件 下 酶 活碱 性 条 件 下 酶 活922、氮源的种类和浓度对发酵的影响及控制不同氮源对毛霉产蛋白酶的影响020040060080010001200空白鱼粉废酵母豆泊粉玉米黄粉蛋白胨酶活（u/g）中性条件下酶活碱性条件下酶活93020040060080010001200空 白脲硝 酸 铵硝 酸 钠硫 酸 铵酶活（u/g）中 性 条 件 下 酶 活碱

37、性 条 件 下 酶 活943、磷酸盐浓度对发酵的影响及控制95氧的控制氧的控制一、氧对发酵的影响一、氧对发酵的影响1 1、氧对微生物生长的影响、氧对微生物生长的影响 呼吸强度：呼吸强度：Q QO2O2（mmol Ommol O2 2/g/g干菌体干菌体h h）, ,单位重量干菌体在单位单位重量干菌体在单位时间内消耗的氧。时间内消耗的氧。 耗氧速率：耗氧速率：r r （mmol Ommol O2 2/L/Lh h），单位体积培养液在单位时间），单位体积培养液在单位时间内的耗氧量。内的耗氧量。 微生物的生长临界氧浓度：微生物对发酵液中溶氧浓度的最低微生物的生长临界氧浓度：微生物对发酵液中溶氧浓度的

38、最低要求。要求。2OrQX发酵液的菌体浓度（g干菌体/ L）962、氧对产物合成的影响、氧对产物合成的影响微生物的产物合成临界氧浓度定义：微生物的产物合成临界氧浓度定义： 微生物产物合成时溶氧浓度的最低要求。微生物产物合成时溶氧浓度的最低要求。实例：实例： 在卷曲霉素的生产中，卷曲霉素产生菌的生长临界氧浓度为1323，合成临界氧浓度则为8。在合成阶段维持10氧浓度产量最高。97溶氧浓度呼吸强度临界氧浓度呼吸强度与溶氧的关系呼吸强度与溶氧的关系983、发酵过程的溶氧变化、发酵过程的溶氧变化发酵前期发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降。发酵中后期发酵中

39、后期：溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等。发酵后期：发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升。99100二二 、 影响氧传递的因素影响氧传递的因素（一）、搅拌（一）、搅拌（1）目的：增加溶氧、促进微生物悬浮混合）目的：增加溶氧、促进微生物悬浮混合101（2）、搅拌器：涡轮式直径小，转速快，搅拌效率高，功率消耗较低102 挡板涡轮搅拌桨 103搅拌通风发酵罐的结构示意图 104（二）、空气分布管 分散空气，增加溶氧。分散空气，增加溶氧。 空气分布管：单管、多孔环管、多孔分支环管d/D0.30.4时，管口距罐底2040mm

40、d/D0.250.3时，管口距罐底4060mm105 空气分布管的型式、喷口直径喷口直径及管口与罐底管口与罐底距离距离的相对位置对溶氧溶氧有较大的影响。当通风量较小时，喷口的直径越小，气泡的直径也就越小，相应地溶氧系数也就越大。而当通风量超过一定值后，气泡的直径与通风量有关，与喷口的直径无关。 106（三）、空气流速（四）、发酵罐内液体柱高度（五）、发酵罐体积 发酵罐大罐:气液接触时间长、氧的溶解度高，搅拌和通风小些（六）、发酵液的物理性质 粘度、泡沫。107三、三、控制发酵液中溶解氧的工艺手段控制发酵液中溶解氧的工艺手段 （1）改变通气速率(增大通风量)（2）改变搅拌速度（3）改变气体组成中

41、的氧分压（4）改变罐压（5）改变发酵液的理化性质（6）加入氧载体1082、控制发酵液中溶解氧的工艺手段、控制发酵液中溶解氧的工艺手段 （1）改变通气速率(增大通风量)（2）改变搅拌速度（3）改变发酵液的理化性质 109第四节 发酵过程检测和自控 一、发酵传感器 发酵传感器是一类特殊的化学传感器，它是以生物活性单元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感基元，对被测目标物具有高度选择性的检测器。其优点是选择性好、灵敏度高、反应速度快、运行成本低、能在复杂的体系中对某特定指标进行连续监测。 发酵传感器特异性好，特定的生物传感器对所测定物质高度专一，测定时发酵液不需分离即可直接测定；灵敏度高，可检测

42、0.11.Omg/L浓度的物质，最小极限为10-4mg/L；稳定性相对较差；发酵传感器的生物膜片均为生物活性物质，使用时不能加热杀菌处理，需采用其他方法进行灭菌；制作工艺精细，废品率高。 1101.对传感器要求传感器的性能指标： 可靠性：传感器最重要的特征，能在发酵条件下连续测定，稳定性好。传感器发生故障的方式有急剧故障及慢性或断续性故障两种。前者包括传感器破损、线路断开等；后者如传感器中电解液的消耗、膜上培养基或细胞的附着等。一般来说，前者比后者更容易发现，造成的损失可能更小。 准确性：测量值与已知值或实际值之差称为误差，为了提高测量的准确性，传感器必须定期进行校正。 精确度：测量精确度是重

43、复测量的概率，一般以实际值不发生变化的某一段时间内测量指示值的标准差来表示。111响应时间：在测量位点有指示值与真值之间的时间滞后，它由反应滞后与传递滞后所造成。响应时间一般以达到真值的95%所需的时间表示。 分辨能力：又称识别能力，是指测量中所能分辨的最小变化值。对于数字量，是有意义的最小数字的变化单位。 灵敏度：对灵敏度有各种各样的描述方式，一般指的是传感器所能反映的最小测量单位。量程：是传感器所能感受的最大值与最小值之差。但在实际应用中一般只取其一部分，称为设计跨度。如电阻温度计测量范围-200850，但一般在发酵工业中的设计跨度为0150或050。特异性：是传感器只与被测变量反应而不受

44、过程中其他变量和周围环境条件变化影响的能力。1122.发酵传感器分类 根据发酵过程中环境参数的性质，发酵设备的传感器可分为两大类，即测定物理参数的传感器和测定化学参数的传感器。 发酵传感器还可以通过从传感器输出信号的产生方式、传感器中生物分子识别元件的敏感物质和信号转化器三个角度进行分类。 （1）根据生物活性物质不同，可分为各种酶传感器和微生物传感器。 （2）根据转化器和产生信号的不同，可分为电极式、热敏电阻式、光电纤维式、半导体式和压电晶体式，其中以电极式应用最广。 （3）根据传感器输出信号的产生方式不同，可以分为生物亲和型生物传感器、代谢型生物传感器和催化型生物传感器。 113 酶传感器是

45、应用固定化酶作为敏感元件的发酵传感器。依据信号转换器的类型，酶传感器大致可分为酶电极、酶场效应管传感器、酶热敏电阻传感器。 微生物传感器:在不损坏微生物机能情况下，可将微生物固定在载体上制作出微生物敏感膜。微生物传感器与酶传感器相比，有以下特点： 微生物的菌株比分离提纯的酶的价格低得多，因而制成的传感器便于推广普及； 微生物细胞内的酶在适当的环境中活性不易降低，因此微生物传感器的寿命更长； 即使微生物体内的酶的催化活性已经丧失，也还可以因细胞的增殖使之再生； 对于需要辅助因子的复杂的连续反应，应用微生物则更容易完成。 微生物传感器从工作原理上可分为两种类型，一类是以微生物呼吸活性为指标的呼吸活

46、性测定型，另一类是以微生物代谢产物为指标的电极活性物质测定型。114二、发酵过程重要检测技术1生物量分析 （1）干细胞浓度：取一定量发酵液，过滤并洗涤除去可溶物质，将滤饼干燥至恒重而得。此法作为其他测定方法的参比方法。 （2）DNA含量：发酵液中DNA含量可计算成生物量。 （3）沉降量或压缩细胞体积：用自然静置或离心法测得的沉降量或压缩细胞体积，可作为生物量的粗略估计。 （4）黏度：主要用于指示丝状菌的生长和自溶，而与生物量不直接相关。一般使用旋转式黏度计进行测量。 （5）强度：用于澄清培养基中低浓非丝状菌的测量，测得的光密度（OD）与细胞浓度成线性关系。可用任何常规比色计或分光光度计进行，波

47、长一般采用420660nm。吸光率要求0.30.5。对于600700nm的入射光，一个吸光率单位大约相当于1.5g细胞干重。 1152尾气分析 两种气体（CO2 、O2）的在线分析所获得的耗氧率（ OUR）和CO2释放率（CER）是目前有效的微生物代谢活性指示值。目前主要有红外CO2分析仪(IR)、热导式气相色谱法（GC）、CO2电极法、质谱仪等。 3发酵液成分分析 有关菌浓的测量方法很多，如称重法、离心叠集法、浊度法、细胞蛋白质测定法、核酸测定法、ATP测定法、染色计数法、平板计数法等直接测量方法，但只能用于离线取样分析；而荧光测量法、电容测定法、排气分析法等现在已经可以在线分析。 116第

48、五节 发酵终点的判断1、经济因素 发酵时间需要考虑经济因素，也就是，要以最低的成本来获得最大生产能力的时间为最适发酵时间。2、产品质量因素 如果发酵时间太短，势必有过多的尚未代谢的营养物质（如可溶性蛋白、脂肪等）残留在发酵液中。这些物质对下游操作提取、分离等工序都不利。 如果发酵时间太长，菌体会自溶，释放出菌体蛋白或体内的酶，又会显著改变发酵液的性质，增加过滤工序的难度，这不仅使过滤时间延长，甚至使一些不稳定的产物遭到破坏。 117三、特殊因素 合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据不同的发酵时间所得的产物产量计算出的发酵罐的生产能力和产品成本，采用生产力高而成本又低的时间，作为放罐时间。 考

49、虑放罐时间时，还应考虑下列因素，如：体积生产率每升发酵液，每小时形成的产物量（g）表示和总生产率（放罐时发酵单位除以总发酵生产时间）。 放罐过早，会残留过多的养分（如糖、脂肪、可溶性蛋白）对提取不利（这些物质能增加乳化作用，干扰树脂的交换）； 放罐过晚，菌体自溶，会延长过滤时间，还会使产品的量降低（有些抗生素单位下跌），扰乱提取作业计划。 118复习题1.试分析分批发酵、补料分批发酵和连续发酵的优缺点。2.比生长速率、基质比消耗速率、产物比形成速率的区别。3.微生物生长过程中碳源平衡的意义。4.各种得率系数的意义。5.分析分批培养中产物比形成速率的表达式，说明在生产过程中如何提高产品的意义。119The End