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1、发酵工程第发酵工程第7 7章章 温度是影响有机体生长繁殖最重要的因素之一，因为任何生物化学的酶促反应都是直接与温度变化有关的。对微生物发酵来说，温度的影响是多方面的，可以影响各种发酵条件，最终影响微生物的生长和产物形成。7.1.1 温度对发酵的影响温度对发酵的影响1）温度对微生物细胞生长的影响2）温度影响生物合成的方向3）温度对产物形成的影响4）温度影响发酵液的物理性质7.1 温度对发酵的影响及其调节控制温度对发酵的影响及其调节控制7.2 pH对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制可以采用各种方法来控制pH值。在工业生产中，调节pH的方法并不是仅仅采用酸碱中和，因为酸碱中和虽然可以迅速中和培养基
2、中当时存在的过量酸碱，但是却不能阻止代谢过程中连续不断发生的酸碱变化。即使连续不断地进行测定和调节，也是徒劳无益的，因为这没有根本改善代谢状况。因为发酵过程中引起pH变化的根本原因是因微生物代谢营养物质的结果，所以调节控制pH的根本措施主要应该考虑培养基中生理酸性物质与生理碱性物质的配比，然后是通过中间补料进一步加以控制。7.2 pH对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制73氧对发酵的影响氧对发酵的影响在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。1）对氧的要求高。高产菌株的广泛应用和丰富培养基的采用，对氧气的要求更高。培养基即使是被空气饱和，在发酵旺盛时期，一般也只能维持正
3、常呼吸1530s，其后微生物的呼吸就会受到抑制。2）氧的溶解度小。氧是一种难溶于水的气体，在25，1atm条件下，空气中的氧在纯水中的溶解度0.25 mmolL。培养基因含有大量的有机和无机物质，氧的溶解度比水中更低。 3）氧的利用率低。 实际上，生物氧化中氧吸收的效率多数低于2，通常情况下常常低于l。7.3.1 氧的传递7.3.2 影响微生物对氧需求的因素影响微生物对氧需求的因素1）不同的微生物对于氧的需求不同。供氧不足，会抑制好氧微生物的生长代谢。兼性微生物如酵母、乳酸菌在无氧情况下，通过酵解获得能量。而氧对绝对厌氧微生物则是一种毒害。 2）各种微生物的呼吸强度是不同的，并且呼吸强度是随着
4、培养液中溶解氧浓度的增加而加强，直至达到一个临界值为止。3） 细胞浓度直接影响培养液的摄氧率。4）培养基的成分和浓度显著地影响微生物的摄氧率。5）微生物呼吸强度的临界值还与一些培养条件如pH值、温度等有关。6）7.3.4 影响供氧的因素影响供氧的因素1. 影响影响KLa的因素的因素搅拌；空气流量；培养液物理性质；微生物生长；消泡剂；离子强度。7.3.4 影响供氧的因素影响供氧的因素2 影响推动力的因素影响推动力的因素提高推动力实际上是增加氧的饱和度C*，要了解哪些因素对推动力有影响，首先还应对氧在水中的溶解特性有所了解。在水中，氧的溶解度随温度的升高而降低；在电解质溶液中，氧的溶解度因盐析作用
5、而降低；提高发酵罐罐压，或提高空气中的氧分压而增大。7.4 二氧化碳对发酵的影响及控制 7.4.1 二氧化碳的来源及对发酵的影响二氧化碳的来源及对发酵的影响CO2是微生物的代谢产物，有时也是某些合成代谢的一种基质或生长因子。溶解在发酵液中的CO2对微生物发酵有时具有刺激，但一般有抑制作用。CO2及HCO3主要是影响细胞膜的结构，它们分别作用于细胞膜的不同位点。CO2除影响菌体生长、形态及产物合成外，或影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的pH值下降，或与其他化学物质发生化学反应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉淀，或氧的过分消耗引起溶氧浓度下降等原因，造成间接作用而影响菌体生长和产物合成。7.4.2
6、 二氧化碳浓度的控制二氧化碳浓度的控制 CO2在发酵液中的浓度变化没有一定的规律，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。由于以CO2的溶解度比氧气大，所以随着发酵罐压力的增加，其含量比氧气增加的更快。 对CO2浓度的控制主要根据其对发酵的影响进行。提高通气量和搅拌速率，在增加溶解氧的同时，还可以降低CO2的浓度，通气使CO2可随着废气排出，使其维持在引起抑制作用的浓度之下。CO2的产生与补料有密切关系，一般补糖会增加排气中CO2的浓度，并降低培养液的pH值。可见补糖、CO2浓度和pH之间存在相关性。7.5 泡沫对发酵的影响与控制7
7、.5.1泡沫产生的原因 在微生物好气培养中，发酵液往往产生许多泡沫。其因素包括外力、微生物代谢及培养基的成分等。泡沫的稳定性主要与液体的表面性质如表面张力、表观黏度和泡沫的机械强度有密切的关系。外力是指通气和搅拌，空气进入发酵液后，可以通过搅拌使大气泡变为小气泡，以增加气体与液体的接触面积，导致氧传递速率增加，这样也有利于二氧化碳气体的逸出。微生物细胞生长代谢和呼吸也会排出气体，如氨气、二氧化碳等，这些气体使发酵液产生的气泡也称为发酵性泡沫。培养基中的花生饼粉、玉米浆、皂苷、黄豆饼粉、糖蜜等中所含的蛋白质，以及微生物菌体等具有稳定泡沫的作用。7.5.2 泡沫对发酵的危害泡沫对发酵的危害泡沫是好
8、氧发酵中的正常现象，但过多的泡沫给发酵带来负面影响。（1）由于过多的泡沫生成，会引起逃液，造成损失。为防止逃液，必须降低发酵罐的装料系数，一般0.60.7。（2）增加了杂菌污染的机会。（3）泡沫液位的上下变化，使部分菌体粘附到罐顶或罐壁上，不能再回到发酵液中，使发酵液中的菌体量减少。（4）泡沫形成后，泡沫中的代谢气体不容易被带走，从而使菌体的生活环境发生改变，妨碍菌体的呼吸，造成代谢异常，导致菌体提前自溶。7.5.3泡沫的消长规律 首先，泡沫的产生与通气、搅拌的剧烈程度有关。搅拌速度越高或通气量越大，泡沫产生越多。 其次，泡沫的产生与培养基所用原材料性质有关。蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、花生饼
9、粉、黄豆饼粉、酵母粉、糖蜜等是主要的发泡物质。在同一浓度下，起泡能力最强的是玉米浆，其次是花生饼粉，再其次是黄豆饼粉。糖类物质本身起泡能力很差，但在丰富培养基中，较高浓度的糖类物质增加培养基的黏度，而有利于泡沫的稳定。 在发酵过程中，培养基的性质随着细胞的代谢活动在不断变化，因此影响泡沫的消长。7.5.4 泡沫的消除和防止泡沫的消除和防止消除和控制泡沫的方法主要包括机械消沫和消沫剂消沫两大类。选择时可考虑从减少起泡物质和产泡外力着手。如起泡物质多为表面活性物质，可以适当予以减少；通气使氧的含量达到临界值即可，不一定要达到饱和度。此外，也可以从菌种的选育方面考虑，选育在生长期不产生泡沫的突变株。
10、7.5.4 泡沫的消除和防止泡沫的消除和防止1.机械消沫法机械消沫法 机械消沫是利用物理作用，靠机械的强烈振动或压力的变化促使泡沫破碎。机械消沫有多种方法，一种是在罐内将泡沫消除，采用旋转的消沫桨将泡沫打碎；也有在罐内装设超声波或超声波汽笛进行消沫的。另一种是将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或利用离心力消除泡沫后，液体再返回罐内。 机械消沫的优点是不需要引入外来物质，可节省原材料，减少杂菌污染机会，也可以减少培养液性质的变化。其缺点是效率不高，对黏度较大的流态型泡沫没有作用，也不能消除引起泡沫稳定的根本原因，所以仅作为消沫的辅助方法。7.5.4 泡沫的消除和防止泡沫的消除和防止2.消沫剂消沫
11、消沫剂消沫 消沫剂一般是表面活性物质。当泡沫的表面存在有极性表面活性物质形成的双电层时，另一种极性相反的表面活性物质的加入，可以中和电性，破坏泡沫的稳定性，使泡沫破碎。加入更强极性的物质与发泡剂争夺泡沫表面上的空间，而引起力的不平衡，并使液膜的机械强度降低，促使泡沫破碎。 消沫剂应具有较小的表面张力、较小的溶解度、对微生物细胞无毒、不影响氧传递、能够耐高温高压、浓度低而效率高、对产品质量和产量无影响、成本低、来源广泛等特性。 常用的消沫剂有天然油脂、聚醚类、高级醇、硅酮类、脂肪酸、亚硫酸、磺酸盐等。使用最多的是天然油脂和聚醚类。常用的天然油脂有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、菜子油、猪油和鱼油等。聚醚类种类很多，应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油，它们以一定比例配制的消沫剂又称泡敌。其消沫能力是天然植物油的10倍以上。30 结束语结束语