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1、发酵酵过程与控制程与控制第一页，讲稿共八十七页哦主要内容微生物发酵类型微生物发酵类型1工艺控制参数工艺控制参数2发酵过程代谢变化发酵过程代谢变化3菌体浓度的影响和控制菌体浓度的影响和控制4温度的影响及其控制温度的影响及其控制5PH值影响及其控制值影响及其控制6溶氧的影响及其控制溶氧的影响及其控制7泡沫的影响及其控制泡沫的影响及其控制9发酵终点的判断发酵终点的判断10补料控制补料控制8第二页，讲稿共八十七页哦 溶解氧溶解氧Dissolve Oxygen(DO)需氧微生物生长所必需。需氧微生物生长所必需。纯氧在水、盐或酸中的溶解纯氧在水、盐或酸中的溶解1.26mmol/L在在28氧在发酵液中氧在发
2、酵液中100的空气饱和浓度只有的空气饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在1530s便便耗竭。耗竭。溶氧的影响及控制溶氧的影响及控制3第三页，讲稿共八十七页哦一、描述微生物需氧的物理量一、描述微生物需氧的物理量 比耗氧速率或呼吸强度比耗氧速率或呼吸强度（QO2）：）：单位重量的细胞单位重量的细胞(干干重重)在单位时间内所消耗的氧气，在单位时间内所消耗的氧气，mmolO2/(g
3、菌菌h)摄氧率摄氧率(r)(r)：单位体积的发酵液单位体积的发酵液在单位时间内所需要的氧在单位时间内所需要的氧量。量。mmolO2L-1h-1。r=r=QO2.XX细胞浓度（细胞浓度（g/L)返回4第四页，讲稿共八十七页哦二、影响需氧的因素二、影响需氧的因素 菌体浓度菌体浓度X：直接影响培养液的摄氧率。：直接影响培养液的摄氧率。QO2：呼吸强度又受到很多因素影响呼吸强度又受到很多因素影响r=r=QO2.X5第五页，讲稿共八十七页哦二、影响需氧的因素二、影响需氧的因素呼吸强度呼吸强度QO2的影响因素（的影响因素（五点五点）遗传因素遗传因素：不同的微生物呼吸强度是不同的。一般不同的微生物呼吸强度是
4、不同的。一般为为 25100mmolO2/(Lh)。菌龄菌龄：一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大；老龄菌生长：一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大；老龄菌生长慢，呼吸强度小。慢，呼吸强度小。代谢类型代谢类型：若产物是通过三羧酸循环：若产物是通过三羧酸循环(TCA)获取，则呼获取，则呼吸强度高，如吸强度高，如Glu、天冬氨酸、天冬氨酸的生产；若糖酵解途径的生产；若糖酵解途径(EMP)，则呼吸强度低，如，则呼吸强度低，如苯丙氨酸、亮氨酸苯丙氨酸、亮氨酸的生产。的生产。6第六页，讲稿共八十七页哦 培养基的成分与浓度培养基的成分与浓度 培养基成分尤其是培养基成分尤其是碳源碳源对细胞的对细胞的耗氧量耗氧量有很大影
5、响。有很大影响。培养基的浓度也会影响细胞的培养基的浓度也会影响细胞的耗氧速率耗氧速率。营养丰富，菌体生长快，营养丰富，菌体生长快，耗氧量大耗氧量大.此外，若培养基中含有生长抑制剂时，呼吸强度也回受到限此外，若培养基中含有生长抑制剂时，呼吸强度也回受到限制。制。不同碳源对青霉素摄氧率的影响不同碳源对青霉素摄氧率的影响 内源呼吸？内源呼吸？外源呼吸？外源呼吸？如果外界没有供给能源，而是利用自身内部储存的能源物如果外界没有供给能源，而是利用自身内部储存的能源物质进行呼吸质进行呼吸 在正常情况下，微生物利用外界供给的在正常情况下，微生物利用外界供给的能源进行呼吸能源进行呼吸 7第七页，讲稿共八十七页哦
6、 发酵条件发酵条件 温度、温度、pH通过对酶活性的影响而影响菌体细胞的耗通过对酶活性的影响而影响菌体细胞的耗氧氧温度还影响发酵液中的溶氧浓度温度还影响发酵液中的溶氧浓度有些有些有害物质有害物质的积累，如的积累，如NH3、CO2会抑制微生物的会抑制微生物的呼吸呼吸 返回8第八页，讲稿共八十七页哦三、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响三、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrCCr：呼吸临界氧浓度呼吸临界氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。如果对。如果对产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度。产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度。QO2CL
7、（溶解氧浓度）（溶解氧浓度）当溶解氧浓度高于临界值时，微生当溶解氧浓度高于临界值时，微生物的呼吸强度保持恒定，与培养液中的物的呼吸强度保持恒定，与培养液中的氧浓度无关；当低于这个临界值时，微氧浓度无关；当低于这个临界值时，微生物的呼吸强度受到溶解氧浓度的影响，生物的呼吸强度受到溶解氧浓度的影响，这时细胞的代谢活动会因溶解氧浓度的这时细胞的代谢活动会因溶解氧浓度的限制受到影响。限制受到影响。p1079第九页，讲稿共八十七页哦注意：有时产物合成临界氧浓度和菌体生长所需的呼注意：有时产物合成临界氧浓度和菌体生长所需的呼吸临界氧浓度会不一吸临界氧浓度会不一 样样：头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长
8、生长 CCr为为5%(相对于饱和浓度）相对于饱和浓度）CCr为为13%产物产物 13%8%（即低于（即低于13%时产物的形成会受到抑制）时产物的形成会受到抑制）一般对于微生物：一般对于微生物：CCr:125%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.610-3 mmol.L-1,1.8%产黄青霉产黄青霉 2.210-2 mmol.L-1,8.8%10第十页，讲稿共八十七页哦溶解氧浓度对菌体生长和产物的形成会产生不同的影响。溶解氧浓度对菌体生长和产物的形成会产生不同的影响。对菌体生长的影响显而易见。对菌体生长的影响显而易见。谷氨酸谷氨酸、精氨酸精氨酸和和脯氨酸脯氨酸发酵时，若供氧不足，其积累发酵时，
9、若供氧不足，其积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。对抗生素发酵来说，氧的供给就更为重要。如对抗生素发酵来说，氧的供给就更为重要。如金霉素金霉素发酵，发酵，在生长期短时间停止通风，就可能影响菌体在生产期的糖在生长期短时间停止通风，就可能影响菌体在生产期的糖代谢途径，由戊糖磷酸途径转向糖酵解代谢途径，由戊糖磷酸途径转向糖酵解途径，使金霉素产量减少。途径，使金霉素产量减少。11第十一页，讲稿共八十七页哦在培养过程中并不是维持溶氧越高越好在培养过程中并不是维持溶氧越高越好。即使是专性好氧菌，。即使是专性好氧菌，过高的溶氧对生长可能不利。氧的有害作用是通过形成新生
10、过高的溶氧对生长可能不利。氧的有害作用是通过形成新生O，超氧化物基超氧化物基O2-和过氧化物基和过氧化物基O22-等破坏细胞体现的。另外，等破坏细胞体现的。另外，次级次级代谢产物的生产代谢产物的生产，控制生长不使过量是必须的，否则产量会减少。，控制生长不使过量是必须的，否则产量会减少。如，如，亮氨酸亮氨酸、缬氨酸缬氨酸和和苯丙氨酸苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。形成反而受到抑制。12第十二页，讲稿共八十七页哦 在在天冬酰胺酶天冬酰胺酶发酵中，发酵中，
11、前期是好氧培养前期是好氧培养，后期转为厌氧后期转为厌氧培养培养，酶活可大大提高。所以掌握由好氧转为厌氧的时机颇，酶活可大大提高。所以掌握由好氧转为厌氧的时机颇为关键。据实验研究，当溶氧下降到为关键。据实验研究，当溶氧下降到45%空气饱和度时由好空气饱和度时由好氧切换到厌氧培养，并适当补充营养可提高酶活氧切换到厌氧培养，并适当补充营养可提高酶活6倍。倍。而而异亮氨酸异亮氨酸、赖氨酸赖氨酸、苏氨酸苏氨酸和和天冬氨酸天冬氨酸，供氧充足可得，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显。最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显。13第十三页，讲稿共八十七页哦氧的满足程度氧的满足程度氨氨基基酸酸
12、的的相相对对产产量量 返回14第十四页，讲稿共八十七页哦四、发酵过程中溶解氧的变化四、发酵过程中溶解氧的变化在正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧变化都有自己的规律。在正常发酵条件下，每种产物发酵的溶氧变化都有自己的规律。15第十五页，讲稿共八十七页哦在谷氨酸发酵前期，产生菌大量繁殖，需氧量不断增加。此时的需在谷氨酸发酵前期，产生菌大量繁殖，需氧量不断增加。此时的需氧量超过供氧量，使溶氧明显下降，出现一个低峰，发酵液中的菌浓同氧量超过供氧量，使溶氧明显下降，出现一个低峰，发酵液中的菌浓同时出现一个高峰。过了生长阶段，需氧量有所减少，溶氧经过一段时间时出现一个高峰。过了生长阶段，需氧量有所减少，溶
13、氧经过一段时间的平稳阶段后，就开始形成产物，溶氧也不断上升。的平稳阶段后，就开始形成产物，溶氧也不断上升。谷氨酸发酵的溶氧低峰约在谷氨酸发酵的溶氧低峰约在620h，低峰出现的时间和低峰溶，低峰出现的时间和低峰溶氧随菌种、工艺条件和设备供氧能力不同而异。氧随菌种、工艺条件和设备供氧能力不同而异。16第十六页，讲稿共八十七页哦引起溶氧异常下降，可能有下列几种原因：引起溶氧异常下降，可能有下列几种原因：污染好气性杂菌污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在较短时，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在较短时间内下降到零附近；间内下降到零附近；菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加菌体代谢发生异常现象，
14、需氧要求增加，使溶氧下降；，使溶氧下降；某些设备或工艺控制发生故障或变化某些设备或工艺控制发生故障或变化，搅拌功率变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。搅拌功率变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。消泡剂因自动加油器失灵或人为加量太多，也会引起溶氧迅速下消泡剂因自动加油器失灵或人为加量太多，也会引起溶氧迅速下降。降。在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常变化，在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常变化，常见的是溶氧下降常见的是溶氧下降。17第十七页，讲稿共八十七页哦在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改变耗
15、氧出现改变，如菌体代，如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特别是谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特别是污染烈性噬菌体污染烈性噬菌体，影，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧就直线上升。上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧就直线上升。由上可知，从发酵液中的溶氧变化，就可以了解微生物生长代谢是由上可知，从发酵液中的溶氧变化，就可以了解微生物生长代谢是否正常，工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足等问题，帮助我们否正常，工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充
16、足等问题，帮助我们查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。返回引起溶氧异常升高的原因引起溶氧异常升高的原因18第十八页，讲稿共八十七页哦溶氧控制的一般策略：溶氧控制的一般策略：前期前期大于临界呼吸溶氧浓度有利于菌体生长，大于临界呼吸溶氧浓度有利于菌体生长，中后期中后期满足产物满足产物的形成。的形成。发酵液的溶氧浓度，是由发酵液的溶氧浓度，是由供氧供氧和和需氧需氧两方面所决定的。因此两方面所决定的。因此要控制好发酵液中的溶氧，需从这两方面着手。要控制好发酵液中的溶氧，需从这两方面着手。五、发酵过程中溶解氧的控制五、发酵过程中溶解氧的控制19第十九页，讲稿共八十
17、七页哦 一般认为，一般认为，发酵初期发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时发发酵初期采用小通风，停搅拌酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能耗，而且在工，不但有利于降低能耗，而且在工艺上也是必须的。但是艺上也是必须的。但是增大通气的时间一定要把握好增大通气的时间一定要把握好。例：例：生产肌苷酸：生产肌苷酸：通气量不变通气量不变 17.15 mg/ml24小时增加小时增加 22.55 mg/ml30小时增加小时增加 18.25 mg/ml36小时增加小时增加 12.3
18、4 mg/ml20第二十页，讲稿共八十七页哦 溶氧控制在发酵过程控制中的应用溶氧控制在发酵过程控制中的应用国内外都有将溶氧、国内外都有将溶氧、pH和补糖综合控制用于青霉素发酵和补糖综合控制用于青霉素发酵的成功例子。控制的原则是的成功例子。控制的原则是加糖速率加糖速率应正好使培养物处于应正好使培养物处于半饥饿状态，即仅能维持菌的正常生理代谢，而把更多的半饥饿状态，即仅能维持菌的正常生理代谢，而把更多的糖用于产物的合成，并且其糖用于产物的合成，并且其摄氧率摄氧率不至于超过设备的供氧能不至于超过设备的供氧能力力KLa，如下图。，如下图。21第二十一页，讲稿共八十七页哦氧控制点 其加糖阀由控制器操纵。
19、其加糖阀由控制器操纵。当培养液的溶氧高于控制点当培养液的溶氧高于控制点时，加糖阀开大，糖的利用时，加糖阀开大，糖的利用需要消耗更多的氧，导致溶需要消耗更多的氧，导致溶氧读数下跌；反之，加糖速氧读数下跌；反之，加糖速率便自动减小，摄氧率也会率便自动减小，摄氧率也会随之降低，引起溶氧读数逐随之降低，引起溶氧读数逐渐上升。渐上升。图图溶氧在加糖控制中的应用溶氧在加糖控制中的应用KLa因子推因子推动溶氧上升动溶氧上升总摄氧率驱总摄氧率驱动溶氧下降动溶氧下降加糖阀加糖阀+5%补糖阀开大补糖阀开大5%补糖阀关小补糖阀关小氧浓度氧浓度100%饱和饱和22第二十二页，讲稿共八十七页哦补料的控制补料的控制补料分
20、批发酵补料分批发酵(fed-batchculture，FBC)：又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批发又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的酵过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法，是分批发酵和连续发酵新鲜培养基的培养方法，是分批发酵和连续发酵之间的一种过渡培养方式，是一种控制发酵的好之间的一种过渡培养方式，是一种控制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。方法，现已广泛用于发酵工业。第二十三页，讲稿共八十七页哦 1 FBC1 FBC的作用的作用 1 1）可以控制抑制性底物的浓度可以控制抑制性底物的浓度高浓度营养物抑制微生物生长：
21、高浓度营养物抑制微生物生长：基质过浓使渗透压过高，细胞因脱水而死亡；基质过浓使渗透压过高，细胞因脱水而死亡；高浓度基质能使微生物细胞热致死高浓度基质能使微生物细胞热致死(themal death)(themal death)，如乙醇浓度，如乙醇浓度达达1010时，就可使酵母细胞热致死；时，就可使酵母细胞热致死；有的是因某种或某些基质对代谢关键酶或细胞组分产生抑制作用，有的是因某种或某些基质对代谢关键酶或细胞组分产生抑制作用，如高浓度苯酚如高浓度苯酚(3(35 5)可凝固蛋白；可凝固蛋白；高浓度基质还会改变菌体的生化代谢而影响生长等。高浓度基质还会改变菌体的生化代谢而影响生长等。第二十四页，讲稿
22、共八十七页哦有的基质是合成产物必需的前体物质，浓度过高，有的基质是合成产物必需的前体物质，浓度过高，就会影响菌体代谢或产生毒性，使产物产量降低。就会影响菌体代谢或产生毒性，使产物产量降低。如苯乙酸、丙醇如苯乙酸、丙醇(或丙酸或丙酸)分别是青霉素、红霉素分别是青霉素、红霉素的前体物质，浓度过大，就会产生毒性，使抗生的前体物质，浓度过大，就会产生毒性，使抗生素产量减少。素产量减少。有的底物溶解度小，达不到应有的浓度而影响转有的底物溶解度小，达不到应有的浓度而影响转化率。如甾类化合物转化中，因它们的溶解度小，化率。如甾类化合物转化中，因它们的溶解度小，使基质的浓度低，造成转化率不高。使基质的浓度低，
23、造成转化率不高。采用采用FBC方式，可以控制适当的基质浓度，解除方式，可以控制适当的基质浓度，解除抑制作用，得到高浓度的产物。抑制作用，得到高浓度的产物。第二十五页，讲稿共八十七页哦2 2）解除或减弱分解代谢物的阻遏解除或减弱分解代谢物的阻遏有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，如葡萄糖阻抑有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，如葡萄糖阻抑纤维素酶、赤霉素、青霉素等多种酶或产物的合成。通过补料纤维素酶、赤霉素、青霉素等多种酶或产物的合成。通过补料来限制基质葡萄糖的浓度，就可解除酶或其产物的阻遏，提高来限制基质葡萄糖的浓度，就可解除酶或其产物的阻遏，提高产物产量。产物产量。缓慢流加葡萄糖
24、，纤维素酶的产量几乎增加缓慢流加葡萄糖，纤维素酶的产量几乎增加200200倍；将葡萄糖浓度控倍；将葡萄糖浓度控制在制在0.020.02水平，赤霉素浓度可达水平，赤霉素浓度可达905 mg905 mgL L；采用滴加葡萄糖的；采用滴加葡萄糖的技术，可明显提高青霉素的发酵单位等。这都是利用发酵技术解决分技术，可明显提高青霉素的发酵单位等。这都是利用发酵技术解决分解代谢物阻遏的实际应用。在植物细胞培养中，也采用该技术来提高解代谢物阻遏的实际应用。在植物细胞培养中，也采用该技术来提高产量。产量。第二十六页，讲稿共八十七页哦3）可以使发酵过程最佳化）可以使发酵过程最佳化分批发酵动力学的研究，阐明了各个参
25、数之间的分批发酵动力学的研究，阐明了各个参数之间的相互关系。利用相互关系。利用FBC技术，就可以使菌种保持在技术，就可以使菌种保持在最大生产力的状态。最大生产力的状态。随着随着FBC补料方式的不断改进，为发酵过程的优补料方式的不断改进，为发酵过程的优化和反馈控制奠定了基础。化和反馈控制奠定了基础。随着计算机、传感器等的发展和应用，已有可能随着计算机、传感器等的发展和应用，已有可能用离线方式计算或用模拟复杂的数学模型在线方用离线方式计算或用模拟复杂的数学模型在线方式实现最优化控制。式实现最优化控制。第二十七页，讲稿共八十七页哦FBCFBC的优点：的优点：解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻
26、解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏；遏；避免一次投料过多造成细胞大量生长所引起的一避免一次投料过多造成细胞大量生长所引起的一切影响，改善发酵液流变学性质；切影响，改善发酵液流变学性质；可提高发芽孢子的比例，控制细胞质量；可提高发芽孢子的比例，控制细胞质量；不需要严格的无菌条件，产生菌不易老化变异，不需要严格的无菌条件，产生菌不易老化变异，比连续发酵适用广泛。比连续发酵适用广泛。第二十八页，讲稿共八十七页哦2 2 补料内容补料内容能源和碳源；能源和碳源；氮源；氮源；微量元素；微量元素；诱导物；诱导物；第二十九页，讲稿共八十七页哦3 3 补料的原则补料的原则原则原则：根据菌体生长代谢规律
27、；：根据菌体生长代谢规律；生产需要；生产需要；环境条件环境条件方法：充足而不过量（少量多次或分批流加）方法：充足而不过量（少量多次或分批流加）第三十页，讲稿共八十七页哦4 4 补糖的控制补糖的控制补糖时机补糖时机过早，刺激生长，加速糖利用；过早，刺激生长，加速糖利用；过迟，所需能量跟不上。如谷氨酸发酵在对数生过迟，所需能量跟不上。如谷氨酸发酵在对数生长期的末期补料。长期的末期补料。判断：培养基条件，菌种，发酵状况（残糖，判断：培养基条件，菌种，发酵状况（残糖，pHpH，菌，菌形态等），在需要时加入；形态等），在需要时加入；第三十一页，讲稿共八十七页哦补糖方式补糖方式连续流加：连续流加：每次流加
28、又可分为快速流加、恒速流加、指数速率流加和变速流加。少量多次间歇补入少量多次间歇补入大量少次补入 可与其他组分一起进行多组分补料。可与其他组分一起进行多组分补料。以不引起发酵液成分剧烈波动为前提；以不引起发酵液成分剧烈波动为前提；第三十二页，讲稿共八十七页哦补糖量补糖量加入与消耗平衡，维持稳定的糖浓度加入与消耗平衡，维持稳定的糖浓度；例：例：a四环素发酵还原糖维持在四环素发酵还原糖维持在0.8-1.2%b谷氨酸追加糖液发酵：在原工艺基础上，加大接种量到谷氨酸追加糖液发酵：在原工艺基础上，加大接种量到10%，增加生，增加生物素用量达物素用量达5g/L，减少初糖浓度（，减少初糖浓度（12%7-8%
29、）尽快获得大）尽快获得大量的生产型菌体，当菌体处在生长对数期后进入产酸期，糖浓度量的生产型菌体，当菌体处在生长对数期后进入产酸期，糖浓度在在2%左右时，连续流加糖液，维持左右时，连续流加糖液，维持2%左右的糖浓度。左右的糖浓度。优点：低浓度发酵，以利于生长和发酵；优点：低浓度发酵，以利于生长和发酵；总糖浓度达总糖浓度达20%，产酸高。，产酸高。第三十三页，讲稿共八十七页哦补糖开始时，不但补糖开始时，不但CO2的释放率、耗氧速率大幅度的释放率、耗氧速率大幅度提高，连呼吸商也提高约提高，连呼吸商也提高约10，表明通过补糖不但提，表明通过补糖不但提供了更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖供了
30、更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。代谢相关酶活力也提高，产能增加。发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意使菌发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维持产体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。生次级代谢产物的速率在较高水平。第三十四页，讲稿共八十七页哦5补偿氮源及无机盐补偿氮源及无机盐流加尿素，一方面调节流加尿素，一方面调节pH，另一方面补氮。，另一方面补氮。谷氨酸发酵时，初次加入尿素量和补加量取决于谷氨酸发酵时，初次加入尿素量和补加量取决于菌种的脲酶活力强弱和耐尿能力。菌种
31、的脲酶活力强弱和耐尿能力。脲酶活力低，耐尿素强，初次加入用量多脲酶活力低，耐尿素强，初次加入用量多2%，流加次数少流加次数少脲酶活力强，耐尿素低，初次加入用量少脲酶活力强，耐尿素低，初次加入用量少0.6%，流加以少量多次好，流加以少量多次好第三十五页，讲稿共八十七页哦6补料的控制补料的控制流加操作控制系统分为有反馈控制和无反馈控制流加操作控制系统分为有反馈控制和无反馈控制两类。反馈控制系统是由传感器、控制器和驱动两类。反馈控制系统是由传感器、控制器和驱动器三个单元所组成。根据控制依据的指标不同，器三个单元所组成。根据控制依据的指标不同，又分为直接方法和间接方法。又分为直接方法和间接方法。第三十
32、六页，讲稿共八十七页哦间接方法：以溶氧、间接方法：以溶氧、pH值、呼吸商、排气中值、呼吸商、排气中CO2分压及代谢产物浓度等作为控制参数。对间接方法分压及代谢产物浓度等作为控制参数。对间接方法来说，选择与过程直接相关的可检参数作为控制指来说，选择与过程直接相关的可检参数作为控制指标，是研究的关键。通气发酵利用排气中标，是研究的关键。通气发酵利用排气中CO2含量含量作为作为FBC反馈控制参数是较为常用的间接方法。反馈控制参数是较为常用的间接方法。直接法：随着一系列技术障碍的克服，该法将会得直接法：随着一系列技术障碍的克服，该法将会得到迅速普及。反馈控制的到迅速普及。反馈控制的FBC，常常是依据个
33、别指，常常是依据个别指标来进行，在许多情况下，并不能奏效，尚需进行标来进行，在许多情况下，并不能奏效，尚需进行多因子分析。多因子分析。第三十七页，讲稿共八十七页哦FBC还可采用还可采用“放料和补料放料和补料”(withdrawandfill)方方法：发酵一定时间，产生了代谢产物后，定时放出法：发酵一定时间，产生了代谢产物后，定时放出一部分发酵液一部分发酵液(可供提炼可供提炼)，同时补充一部分新鲜营，同时补充一部分新鲜营养液，并重复进行。养液，并重复进行。维持一定菌体生长速率，延长发酵产物生产期，有维持一定菌体生长速率，延长发酵产物生产期，有利于提高产物产量，降低成本。注意染菌。利于提高产物产量
34、，降低成本。注意染菌。第三十八页，讲稿共八十七页哦如控制青霉素生产所用的葡萄糖流加的质量平衡法，如控制青霉素生产所用的葡萄糖流加的质量平衡法，就是利用就是利用CO2的反馈控制。它是依靠精确测量的反馈控制。它是依靠精确测量CO2的释放率的释放率CRR和葡萄糖的流动速度，达到控制菌体和葡萄糖的流动速度，达到控制菌体的比生长速率和菌浓。的比生长速率和菌浓。pH值也可用作糖的流加控制的参数。值也可用作糖的流加控制的参数。第三十九页，讲稿共八十七页哦注意事项：注意事项：适宜料液比适宜料液比无菌操作无菌操作碳氮平衡，经济合理碳氮平衡，经济合理第四十页，讲稿共八十七页哦泡沫的控制泡沫的控制1 1 泡沫的产生
35、、性质及变化泡沫的产生、性质及变化 形成条件：形成条件：气气-液两相共存；液两相共存；表面张力大的物质存在；表面张力大的物质存在；第四十一页，讲稿共八十七页哦发酵过程中泡沫有两种类型：发酵过程中泡沫有两种类型：一种是发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例一种是发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期的泡沫；的泡沫；另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫(fluidfoam)，分散在发酵液中，比较稳定，与液体，分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显的界限。之间无明显的界限。第四十二页，讲稿
36、共八十七页哦实质：气溶胶构成的胶体系统，其分散相是空气和代实质：气溶胶构成的胶体系统，其分散相是空气和代谢气，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。彼此分开不相连通。第四十三页，讲稿共八十七页哦泡沫是热力学不稳定体系泡沫是热力学不稳定体系热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由能热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态变化。起泡过程中自较高的状态向自由能较低的状态变化。起泡过程中自由能变化如下：由能变化如下：G=A G自由能的变化自由能的变化A表面积的变化表面积的变化比表面能比表面能第四十四页，讲稿共八
37、十七页哦 起泡时，液体表面积增加，起泡时，液体表面积增加，A A为正值，因而为正值，因而G G为为正值，也就是说，起泡过程不是自发过程。另一方正值，也就是说，起泡过程不是自发过程。另一方面，泡沫的气液界面非常大。面，泡沫的气液界面非常大。例如：半径例如：半径1cm1cm厚厚0.001cm0.001cm的一个气泡，内外两面的气的一个气泡，内外两面的气液界面达液界面达25cm25cm2 2；可是，当其破灭为一个液滴后，表面；可是，当其破灭为一个液滴后，表面积只有积只有0.2cm0.2cm2 2,相差上百倍。相差上百倍。泡沫破灭、合并的过程中，自由能减小的数值很大。泡沫破灭、合并的过程中，自由能减小
38、的数值很大。因此泡沫的热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表因此泡沫的热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表面积的无泡状态。面积的无泡状态。第四十五页，讲稿共八十七页哦发酵过程泡沫产生的原因发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度）通气搅拌的强烈程度发酵前期培养基成分丰富，易起泡。发酵前期培养基成分丰富，易起泡。采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。也可在基础料中加入消泡剂。也可在基础料中加入消泡剂。第四十六页，讲稿共八十七页哦（2）培养基配比与原料组成）培养基配比与原料组成前期培养基营养丰富粘度大，产泡沫多而持久。前期培养基营养丰富粘度大，产泡沫多
39、而持久。例：在例：在50L罐中投料罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌水解液、玉米浆等，搅拌900rpm，通气，泡沫生成量，通气，泡沫生成量为培养基的为培养基的2倍。如培养基适当稀一些，接种量大一倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易搅拌开。些，生长速度快些，前期就容易搅拌开。第四十七页，讲稿共八十七页哦（3）菌种、种子质量和接种量）菌种、种子质量和接种量菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的
40、可以加大接种量（4）灭菌质量）灭菌质量培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。第四十八页，讲稿共八十七页哦泡沫的形成一般有以下几种规律：泡沫的形成一般有以下几种规律：整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；发酵开始起泡能力低，以后上升；发酵开始起泡能力低，以后上升
41、；第四十九页，讲稿共八十七页哦泡沫体系的三阶段变化泡沫体系的三阶段变化 (1)气泡大小分布的变化气泡大小分布的变化液膜包裹的一个气泡，就像一个吹鼓了的气球。液膜包裹的一个气泡，就像一个吹鼓了的气球。由于气球膜有收缩力，所以气球中压力大于气球外由于气球膜有收缩力，所以气球中压力大于气球外的压力；同样气泡膜有表面张力，气泡中压力大于的压力；同样气泡膜有表面张力，气泡中压力大于气泡外的压力。气泡大小的再分布，就是由气泡膜气泡外的压力。气泡大小的再分布，就是由气泡膜内气体的压力变化引起的。气泡中气体压力的大小，内气体的压力变化引起的。气泡中气体压力的大小，依赖气泡膜的曲率半径依赖气泡膜的曲率半径 第五
42、十页，讲稿共八十七页哦（2）气泡液膜变薄）气泡液膜变薄取一杯泡沫，放置一段时间，就会在杯底部出取一杯泡沫，放置一段时间，就会在杯底部出现一些液体，而逐渐形成液相及液面上的泡沫相这现一些液体，而逐渐形成液相及液面上的泡沫相这样具有界面的两层。底部出现的液体一部分是泡沫样具有界面的两层。底部出现的液体一部分是泡沫破灭形成的，一部分是气泡膜变薄，排出液体形成破灭形成的，一部分是气泡膜变薄，排出液体形成的。的。泡沫生成初期，泡沫液还比较厚，以后因蒸发泡沫生成初期，泡沫液还比较厚，以后因蒸发排液而变薄，泡沫液会受重力的影响向下排液，泡排液而变薄，泡沫液会受重力的影响向下排液，泡沫液随时间延续而变薄。沫液
43、随时间延续而变薄。第五十一页，讲稿共八十七页哦（3）泡沫破灭）泡沫破灭泡沫由于排液，液量过少，表面张力降低，液膜泡沫由于排液，液量过少，表面张力降低，液膜会急剧变薄，最后液膜会变得十分脆弱，以至分子的会急剧变薄，最后液膜会变得十分脆弱，以至分子的热运动都可以引起气泡破裂。因此只要泡沫液变薄到热运动都可以引起气泡破裂。因此只要泡沫液变薄到一定程度，泡沫即瞬间破灭。一定程度，泡沫即瞬间破灭。泡沫层内部的小气泡破灭后，虽一时还不能导致泡沫层内部的小气泡破灭后，虽一时还不能导致气液分离，只是合并成大气泡，但排液过程使泡膜液气液分离，只是合并成大气泡，但排液过程使泡膜液量大幅度减少，使合并成的大气泡快速
44、地破灭，最后量大幅度减少，使合并成的大气泡快速地破灭，最后泡沫体系崩溃，气液分离。泡沫体系崩溃，气液分离。第五十二页，讲稿共八十七页哦影响泡沫稳定性的因素影响泡沫稳定性的因素引起危害，需要消除的，只是稳定的泡沫。泡沫的稳引起危害，需要消除的，只是稳定的泡沫。泡沫的稳定性受液体、气体许多性质的影响。不同介质的泡沫，稳定性受液体、气体许多性质的影响。不同介质的泡沫，稳定程度相差很多，影响泡沫稳定性的因素十分复杂，概括定程度相差很多，影响泡沫稳定性的因素十分复杂，概括国内外研究者的说法，主要因素一下几种：国内外研究者的说法，主要因素一下几种：第五十三页，讲稿共八十七页哦1 1）泡径大小）泡径大小大泡
45、易于破灭，寿命较长的的都是小泡。大泡易于破灭，寿命较长的的都是小泡。因为：因为：泡越小，合并成大气泡的历程就越长；泡越小，合并成大气泡的历程就越长；小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，所以较能经小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，所以较能经受液体流失所造成的稳定性的损失；受液体流失所造成的稳定性的损失；气泡越小，上升速度越慢，给表面活性剂的吸附提气泡越小，上升速度越慢，给表面活性剂的吸附提供充足的时间，增加了稳定性。供充足的时间，增加了稳定性。第五十四页，讲稿共八十七页哦2 2）溶液所含助泡物的类型和浓度）溶液所含助泡物的类型和浓度（1）降低表面张力）降低表面张力降低表面张力会降低相邻气泡间的压差
46、。压差降低表面张力会降低相邻气泡间的压差。压差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的稳定性就好。小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的稳定性就好。（2）增加泡沫弹性）增加泡沫弹性助泡的表面活性剂，吸附在气液界面上，使表面助泡的表面活性剂，吸附在气液界面上，使表面层的组分与液相组分产生差别，因而使泡沫液具有弹层的组分与液相组分产生差别，因而使泡沫液具有弹性。性。第五十五页，讲稿共八十七页哦（3）助泡剂浓度）助泡剂浓度溶液中助泡剂浓度增加，气液界面上的吸附量就增加，溶液中助泡剂浓度增加，气液界面上的吸附量就增加，液膜弹性随之增加，泡沫稳定性增高。液膜弹性随之增加，泡沫稳定性增高。到达临界胶束浓度后，气液界
47、面上的定向排列到达临界胶束浓度后，气液界面上的定向排列“饱和饱和”，弹性不会再增加。，弹性不会再增加。第五十六页，讲稿共八十七页哦3）起泡液的粘度）起泡液的粘度某些溶液，如蛋白质溶液，虽然表面张力不高，但某些溶液，如蛋白质溶液，虽然表面张力不高，但因粘度很高，所产生的泡沫非常稳定。因为粘稠的液膜因粘度很高，所产生的泡沫非常稳定。因为粘稠的液膜，有助于吸收外力的冲击，起到缓冲的作用，使泡沫能，有助于吸收外力的冲击，起到缓冲的作用，使泡沫能持久一些。液体粘度对泡沫稳定性的影响比表面张力的持久一些。液体粘度对泡沫稳定性的影响比表面张力的影响还要大。影响还要大。第五十七页，讲稿共八十七页哦4）其它）其
48、它*温度温度 表面张力最低值时的浓度随温度变化。表面张力最低值时的浓度随温度变化。*pH pH 影响助泡剂的溶解度和表层的吸附状态影响助泡剂的溶解度和表层的吸附状态*表面电荷表面电荷 离子型表面活性剂，由于离子间静电的离子型表面活性剂，由于离子间静电的排斥，阻碍着离子彼此接近，减少排液速度，延缓泡排斥，阻碍着离子彼此接近，减少排液速度，延缓泡沫变薄过程，使泡沫稳定。沫变薄过程，使泡沫稳定。第五十八页，讲稿共八十七页哦2泡沫对发酵的影响泡沫对发酵的影响1 1）降低生产能力）降低生产能力在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量2 2）引起原料浪费）引
49、起原料浪费如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，造成浪费。起原料流失，造成浪费。第五十九页，讲稿共八十七页哦3 3）影响菌的呼吸影响菌的呼吸如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，气如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，气泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进行交换，这样泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进行交换，这样就影响了菌的呼吸。就影响了菌的呼吸。4 4）引起染菌引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培养基，就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而养基，
50、就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的润滑油可起点消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起润滑油可起点消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。杂菌污染。第六十页，讲稿共八十七页哦3 3 泡沫的控制泡沫的控制泡沫的控制，可以采用三种途径：泡沫的控制，可以采用三种途径：调整培养基中的成分调整培养基中的成分(如少加或缓加易起泡的原如少加或缓加易起泡的原材料材料)或改变某些物理化学参数或改变某些物理化学参数(如如pHpH值、温度、值、温度、通气和搅拌通气和搅拌)或者改变发酵工艺或者改变发酵工艺(如采用