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1、发酵过程控制与优化第一页，讲稿共一百零七页哦什么是发酵过程？什么是发酵过程？发酵过程：发酵过程：是指由生长繁殖的细胞所是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往引起的生物反应过程。它不仅包括了以往“发酵发酵”的全部领域，而且还包括固定化的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。细菌采矿等过程。第二页，讲稿共一百零七页哦本章讲述的内容本章讲述的内容第一节第一节 发酵过程技术原理发酵过程技术原理第二节第二节 发酵条件的影响及其控制发酵条件的影响及其控制第三节第三节 泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其
2、控制第四节第四节 发酵终点的判断与自溶监测发酵终点的判断与自溶监测第五节第五节 发酵染菌的防治及其处理发酵染菌的防治及其处理第三页，讲稿共一百零七页哦5.1 5.1 发酵过程技术原理发酵过程技术原理 代谢变化代谢变化:就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。的关系。目的：目的：了解生产菌种在具有合适的培养基、了解生产菌种在具有合适的培养基、pHpH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，
3、有利于人们对生产的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。控制。第四页，讲稿共一百零七页哦发酵过程按进行过程有三种方式：发酵过程按进行过程有三种方式：分批发酵分批发酵(Batch fermentation)补料分批发酵补料分批发酵(Fed-batch fermentation)连续发酵连续发酵(Continuous fermentation)第五页，讲稿共一百零七页哦1.1.分批发酵的定义分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pHpH的酸的酸
4、或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。成分减少，微生物得到繁殖。一、一、分批发酵分批发酵第六页，讲稿共一百零七页哦2.分批发酵的特点分批发酵的特点 微生物所处的环境在发酵过程中不断微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。变化，是一个不稳定的过程。第七页，讲稿共一百零七页哦优点优点操作简单；操作简单；操作引起染菌的概率低。操作引起染菌的概率低。不会产生菌种老化和变异等问题。不会产生菌种老化和变异等问题。缺点缺点非生产时间较长
5、、设备利用率低。非生产时间较长、设备利用率低。3.分批发酵的优缺点分批发酵的优缺点第八页，讲稿共一百零七页哦4.4.分批发酵的生长曲线分批发酵的生长曲线单细胞微生物第九页，讲稿共一百零七页哦5.分批发酵的类型分批发酵的类型 Pirets fermentation classification（按照产（按照产物生成与菌体生长是否同步）物生成与菌体生长是否同步）q生长关联型生长关联型(第一类型）第一类型）q生长无关联型（第二，三类型）生长无关联型（第二，三类型）第十页，讲稿共一百零七页哦二、补料分批发酵二、补料分批发酵 1.定义定义:补料分批发酵又称半连续发酵或流加分补料分批发酵又称半连续发酵或流
6、加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。补加新鲜培养基的发酵方式。第十一页，讲稿共一百零七页哦2.补料分批发酵的优缺点补料分批发酵的优缺点n优点优点q使发酵系统中维持很低的基质浓度；使发酵系统中维持很低的基质浓度；q不会产生菌种老化和变异等问题。不会产生菌种老化和变异等问题。n缺点缺点q存在一定的非生产时间；存在一定的非生产时间；q和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。染菌的危险。第十二页，讲稿共一百零七页哦3.补料分批发酵的类型补料分批发酵的类型n补料方式补料方
7、式q连续流加连续流加q不连续流加不连续流加q多周期流加多周期流加n补料成分补料成分q单一组分流加单一组分流加q多组分流加多组分流加n控制方式控制方式q反馈控制反馈控制q无反馈控制无反馈控制第十三页，讲稿共一百零七页哦三、连续发酵三、连续发酵 1.1.定义定义 ：培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pHpH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）
8、下生长的发酵方式。恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。第十四页，讲稿共一百零七页哦2.连续发酵的优缺点连续发酵的优缺点n优点优点q能维持低基质浓度；能维持低基质浓度；q可以提高设备利用率和单位时间的产量；可以提高设备利用率和单位时间的产量；q便于自动控制。便于自动控制。n缺点缺点q菌种发生变异的可能性较大菌种发生变异的可能性较大；q要求严格的无菌条件。要求严格的无菌条件。第十五页，讲稿共一百零七页哦3.连续发酵的类型连续发酵的类型n恒化培养：恒化培养：使培养基中限制性基质的浓度保持恒定。使培养基中限制性基质的浓度保持恒定。n恒浊培养：恒浊培养：使培养基中菌体的浓度保持恒定。使培养
9、基中菌体的浓度保持恒定。第十六页，讲稿共一百零七页哦4.连续发酵的代谢曲线连续发酵的代谢曲线 从分批培养出发，无论在哪个从分批培养出发，无论在哪个时候开始加入新鲜培养基过渡到连时候开始加入新鲜培养基过渡到连续操作，达到一定的菌体浓度及限续操作，达到一定的菌体浓度及限制基质浓度则培养系统一定能成为制基质浓度则培养系统一定能成为稳定状态。稳定状态。第十七页，讲稿共一百零七页哦5.2 5.2 发酵条件的影响及其控制发酵条件的影响及其控制 发酵条件控制的目的：就是要为生产发酵条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。代
10、谢活动得以最充分的表达。第十八页，讲稿共一百零七页哦一、温度对发酵的影响及控制一、温度对发酵的影响及控制1.影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素 产热因素：生物热，搅拌热。产热因素：生物热，搅拌热。散热因素：蒸发热，辐射热。散热因素：蒸发热，辐射热。发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射第十九页，讲稿共一百零七页哦 生物热：生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2,NH3时时释放出的大量能量。释放出的大量能量。
11、用途：用途：合成高能化合物，合成高能化合物，供微生物生命代谢活动供微生物生命代谢活动 热能散发热能散发 影响生物热的因素：影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。第二十页，讲稿共一百零七页哦 实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。十分旺盛。1、抗生素相对活性为12、抗生素相对活性为0.5发酵过程中生物
12、热的变化发酵过程中生物热的变化第二十一页，讲稿共一百零七页哦 搅拌热：搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热。蒸发热：蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。蒸发所需的热量即为蒸发热。辐射热：辐射
13、热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的酵热的5%。第二十二页，讲稿共一百零七页哦发酵热的测定发酵热的测定（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热。口温度，由下式求得这段时间内的发酵热。第二十三页，讲稿共一百零七页哦（2）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率闭自控装置测得温度随时间
14、上升的速率S，按下式可，按下式可求得发酵热：求得发酵热：第二十四页，讲稿共一百零七页哦影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响各种酶的反应速率和蛋白质性质n影响发酵液的物理性质影响发酵液的物理性质n影响生物合成的方向。影响生物合成的方向。q例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于于30 30 温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高，温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达合成四环素的比例也提高。在温度达3535则只产生四环素则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。而金霉素合成几乎停止。2 温度对发
15、酵的影响温度对发酵的影响 第二十五页，讲稿共一百零七页哦 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。菌体生长阶段有关。最适发酵温度的选择最适发酵温度的选择在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择还应考虑培养基成分和浓度温度的选择还应考虑培养基成分和浓度3 3 最适温度的确定最适温度的确定第二十六页，讲稿共一百零七页哦 发酵罐：夹套（发酵罐：夹套（10 M3以下）以下）盘管（蛇管）盘管（蛇管）（10 M3以上）以
16、上）4 温度的控制温度的控制第二十七页，讲稿共一百零七页哦二、二、pH对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制 发酵过程中培养液的发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。尽管多数微生物能在尽管多数微生物能在34个个pH单位的单位的pH范围内生长，范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使必须使pH在很窄的范围内保持恒定。在很
17、窄的范围内保持恒定。第二十八页，讲稿共一百零七页哦1.pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响npH影响酶的活性影响酶的活性npH影响微生物细胞膜所带电荷的状态影响微生物细胞膜所带电荷的状态npH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解npH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变例发生改变第二十九页，讲稿共一百零七页哦2.发酵过程中发酵过程中pH的变化的变化v生长阶段生长阶段v生成阶段生成阶段v自溶阶段自溶阶段第三十页，讲稿共一百零七页哦v碳源
18、过量碳源过量v消泡油添加过量消泡油添加过量v生理酸性物质的存在生理酸性物质的存在3 引起引起pH下降的因素下降的因素第三十一页，讲稿共一百零七页哦v氮源过多氮源过多v生理碱性物质的存在生理碱性物质的存在v中间补料，碱性物质添加过多中间补料，碱性物质添加过多4 引起引起pH上升的因素上升的因素第三十二页，讲稿共一百零七页哦 原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。结果确定。最适最适pHpH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的酵过程的不同阶段分别控制不同的pHpH
19、范围。范围。5 最适最适pH的选择的选择第三十三页，讲稿共一百零七页哦v调节基础培养基的配方调节基础培养基的配方v调节碳氮比（调节碳氮比（C/NC/N）v添加缓冲剂添加缓冲剂v补料控制补料控制q直接加酸加碱直接加酸加碱q补加碳源或氮源补加碳源或氮源6 pH的控制的控制第三十四页，讲稿共一百零七页哦n大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：C6H 12O6 十十6O26H2O十十6CO2 n只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。只有当这两种反应物均溶于
20、水后，才对菌体有用。n氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右倍左右(氧在水中的饱和氧在水中的饱和度约为度约为l0mg/L)。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。此氧成为影响发酵效率的重要因素。三、氧对发酵的影响三、氧对发酵的影响第三十五页，讲稿共一百零七页哦1 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。氧超过供氧，溶氧明显下降。发酵中后期：发酵中后期：溶氧浓
21、度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机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。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。自溶，溶氧就会明显地上升。第三十六页，讲稿共一百零七页哦2 溶氧的控制溶氧的控制调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍）调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍）限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体
22、生长率和呼吸水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。率。第三十七页，讲稿共一百零七页哦四、四、CO2对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制 CO2是微生物的代谢产物，同时也是某些合是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢的基质。它是细胞代谢的重要指标。在成代谢的基质。它是细胞代谢的重要指标。在发酵过程中，发酵过程中，CO2有可能对发酵有促进作用，有可能对发酵有促进作用，也有可能有抑制作用。也有可能有抑制作用。第三十八页，讲稿共一百零七页哦1.CO1.CO2 2对发酵的影响对发酵的影响 CO2对菌体具有抑制作用，当排气中对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度高于的浓度高于4%
23、时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中CO2的的浓度达到浓度达到1.610-1mol，就会严重抑制酵母的生长；当进气就会严重抑制酵母的生长；当进气口口CO2的含量占混合气体的的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降时，酵母活力与对照相比降低低20%。第三十九页，讲稿共一百零七页哦CO2对发酵也有影响对发酵也有影响对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含发酵条件是提供的空气中要含5%的的CO2。对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生对发酵抑制。如对肌苷
24、、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制素等发酵的抑制影响发酵液的酸碱平衡影响发酵液的酸碱平衡第四十页，讲稿共一百零七页哦l CO2及及HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。l培养液中的培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位。主要作用于细胞膜的脂质核心部位。lHCO3-影响细胞膜的膜蛋白。影响细胞膜的膜蛋白。2.CO2对发酵影响的机理对发酵影响的机理第四十一页，讲稿共一百零七
25、页哦3.CO2的控制的控制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。在发酵过程中通常通过调节通风和小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。搅拌来控制。第四十二页，讲稿共一百零七页哦五、培养基对发酵的影响五、培养基对发酵的影响n发酵培养基必需满足微生物的能量、元素及特殊养分的需发酵培养基必需满足微生物的能量、元素及特殊养分的需求：碳源
26、、氮源、矿物质、特殊养分（嘌呤、嘧啶）求：碳源、氮源、矿物质、特殊养分（嘌呤、嘧啶）n基质浓度对发酵的影响：低浓度有诱导作用，高浓度会起分解代基质浓度对发酵的影响：低浓度有诱导作用，高浓度会起分解代谢物阻遏作用；培养基过于丰富中，会使菌体生长过盛，发酵液谢物阻遏作用；培养基过于丰富中，会使菌体生长过盛，发酵液黏稠，影响传质。黏稠，影响传质。第四十三页，讲稿共一百零七页哦六、种子质量、灭菌情况六、种子质量、灭菌情况n接种种领、接种量接种种领、接种量n灭菌时间越长，对培养基中养分破坏越大。灭菌时间越长，对培养基中养分破坏越大。七、加糖补料对发酵的影响七、加糖补料对发酵的影响第四十四页，讲稿共一百零
27、七页哦5.3 5.3 发酵过程中的泡沫及其控制发酵过程中的泡沫及其控制1.1.泡沫的性质泡沫的性质 泡沫是气体被分散在少量液体中的泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。代谢气体，连续相是发酵液。第四十五页，讲稿共一百零七页哦l一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界
28、线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。培养液中所见到的。l另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。2 泡沫的类型泡沫的类型第四十六页，讲稿共一百零七页哦l由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；l
29、发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。3 泡沫产生的原因泡沫产生的原因第四十七页，讲稿共一百零七页哦v降低发酵设备的利用率降低发酵设备的利用率v增加了菌群的非均一性增加了菌群的非均一性v增加了染菌的机会增加了染菌的机会v导致产物的损失导致产物的损失v消泡剂会给后提取工序带来困难消泡剂会给后提取工序带来困难4 4 泡沫对发酵的不利影响泡沫对发酵的不利影响第四十八页，讲稿共一百零七页哦v通气与搅拌的强度通气与搅拌的强度v培养基的配比及原材料组成培养基的配比及原材料组成v培养基的破坏程度培养基的破坏程度v接种量的大小接种量的大小v培养液本身性质的变化
30、培养液本身性质的变化v培养基灭菌的方法和操作培养基灭菌的方法和操作v染菌染菌5 5 影响泡沫稳定的因素影响泡沫稳定的因素第四十九页，讲稿共一百零七页哦不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同搅拌速度和通气量对泡沫影响第五十页，讲稿共一百零七页哦不同浓度蛋白质原科的起泡作用不同浓度蛋白质原科的起泡作用第五十一页，讲稿共一百零七页哦灭菌时间对泡沫稳定性的影响灭菌时间对泡沫稳定性的影响 第五十二页，讲稿共一百零七页哦6 6 发酵过程泡沫的变化发酵过程泡沫的变化第五十三页，讲稿共一百零七页哦7 发酵过程泡沫控制的方法发酵过程泡沫控制的方法n物理消沫法物理消沫法n化学消沫法化学消沫法第五十四页，讲稿共一百零七
31、页哦物理消泡法物理消泡法方方 法法:罐内消沫法罐内消沫法,罐外消沫法。罐外消沫法。原原 理理:靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。优优 点：不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会。点：不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会。缺缺 点：不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。点：不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。第五十五页，讲稿共一百零七页哦化学消泡法化学消泡法 机机 理理n当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电当泡沫的表层存在着由极性
32、的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲或加入某些具有强极性的物质以降低泡沫的机械强曲或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液与发泡剂争夺液 膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。破裂。n当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。液膜的液体流失，导致泡沫破裂。第五十六页，讲稿共一百零七页哦选择消泡剂的
33、依据选择消泡剂的依据n对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成。物合成。n消泡作用迅速，效果高和持久性能好消泡作用迅速，效果高和持久性能好n能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物。备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物。n不影响以后的提取过程。不影响以后的提取过程。n消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单。消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单。n不干扰分析系统，如溶解氧、不干扰分析系统，如溶解氧、pHpH测定仪的探头。测定仪的探头。n最好还能做到不影响氧的传递。最好还能做到不影响氧的
34、传递。第五十七页，讲稿共一百零七页哦消泡剂的种类和性能消泡剂的种类和性能n天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。子油、鱼油及猪油等。n聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌又称泡敌)。n高级醇类高级醇类 十八醇是较常用的一种，可以单独或与十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体载体起使用。据报导，它与冷榨猪油一起控制起使用。据报导，它与冷榨猪油一起控制青男素发酵的泡沫，效果较好。聚二酵具有消沫青男素发酵的泡沫，效果较好。聚二酵具有消沫效果持
35、久的特点，尤其适用于霉菌发酵。效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。n硅酮类硅酮类 硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。衍生物。第五十八页，讲稿共一百零七页哦5.4 发酵终点的判断与自溶监测发酵终点的判断与自溶监测n发酵终点的判断的意义：发酵终点的判断的意义：保证产品质量，提高经济效益；追求提高产率（保证产品质量，提高经济效益；追求提高产率（kg产物产物m3发酵液发酵液)h，得率（转化率）（，得率（转化率）（kg产物产物kg基质）和发酵系数（基质）和发酵系数（kg产物产物m3罐容积）罐容积）h发酵周期发酵周期第五十九页，讲稿共一百零七页哦一、发酵终点的
36、判断一、发酵终点的判断n合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据不同的发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发酵罐的生产率和产酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的生产率和产品成本，采用生产率高而成本又低的时间，作为放品成本，采用生产率高而成本又低的时间，作为放罐时间。确定合理放罐时间，需考虑下列几个因素：罐时间。确定合理放罐时间，需考虑下列几个因素：经济因素、产品质量因素、特殊因素。经济因素、产品质量因素、特殊因素。第六十页，讲稿共一百零七页哦二、判断放罐指标二、判断放罐指标n产物浓度、过滤速度、氨基氮、菌丝形态，产物浓度、过滤速度、氨基氮、菌丝形态，pH、培养
37、液的外观、粘度、培养液的外观、粘度第六十一页，讲稿共一百零七页哦n无论是初级代谢产物或次级代谢产物发酵，到了末期，无论是初级代谢产物或次级代谢产物发酵，到了末期，菌体的分泌能力都要下降，使产物的生产能力下降菌体的分泌能力都要下降，使产物的生产能力下降或停止，有的生产菌在发酵末期，营养耗尽，菌体或停止，有的生产菌在发酵末期，营养耗尽，菌体衰老而进入自溶，释放出体内的分解酶会破坏已形衰老而进入自溶，释放出体内的分解酶会破坏已形成的产物。成的产物。第六十二页，讲稿共一百零七页哦n n菌体自溶：菌体自溶：微生物因营养的缺乏或处在不利的生长微生物因营养的缺乏或处在不利的生长环境下受其自身作用开始裂解的过
38、程环境下受其自身作用开始裂解的过程。n造成自溶的因素有：化学物质，如高浓度的乙醇、造成自溶的因素有：化学物质，如高浓度的乙醇、碳氮源或氧的缺乏。碳氮源或氧的缺乏。第六十三页，讲稿共一百零七页哦5.5 染菌的防治及处理染菌的防治及处理n染菌的途径：染菌的途径：种子包括进罐前菌种室阶段出问题种子包括进罐前菌种室阶段出问题;培养基的配制和灭菌不彻底培养基的配制和灭菌不彻底;空气带菌；空气带菌；设备上特别空气除菌不彻底和过程控制；设备上特别空气除菌不彻底和过程控制；操作上的疏漏。操作上的疏漏。第六十四页，讲稿共一百零七页哦n染菌对发酵的影响染菌对发酵的影响 1、对产品质量的影响、对产品质量的影响染菌的
39、发酵液含有较多的蛋白质和其它杂质，影响产品纯度；不易染菌的发酵液含有较多的蛋白质和其它杂质，影响产品纯度；不易澄清，澄清，影响产品的外观。影响产品的外观。2、对过滤的影响、对过滤的影响发酵液的粘度加大；菌体大多自溶；造成过滤时间拉长，影响设备发酵液的粘度加大；菌体大多自溶；造成过滤时间拉长，影响设备的周转使用，的周转使用，3、对提取的影响、对提取的影响染菌的发酵液含有更多的水溶性蛋白质，易发生乳化，不易提取；染菌的发酵液含有更多的水溶性蛋白质，易发生乳化，不易提取；杂菌易粘附，纯化困难。杂菌易粘附，纯化困难。第六十五页，讲稿共一百零七页哦4、由于泡沫大量生成，致使培养液的容量一般只能、由于泡沫
40、大量生成，致使培养液的容量一般只能等于种子罐容量的一半左右，大大影响了设备的利等于种子罐容量的一半左右，大大影响了设备的利用率，甚至发生跑料，招致染菌，造成巨大损失。用率，甚至发生跑料，招致染菌，造成巨大损失。n防治措施防治措施分析原因，具体解决。分析原因，具体解决。第六十六页，讲稿共一百零七页哦 作作 业业n什么是分批发酵、补料分批发酵和连续发酵，它什么是分批发酵、补料分批发酵和连续发酵，它们各有何优缺点？们各有何优缺点？n发酵过程中引起发酵液发酵过程中引起发酵液pH变动的原因有哪些？变动的原因有哪些？n染菌对发酵有何影响，可能的途径是什么？染菌对发酵有何影响，可能的途径是什么？n发酵终点的
41、放罐时间如何确定，需考虑哪些因素？发酵终点的放罐时间如何确定，需考虑哪些因素？第六十七页，讲稿共一百零七页哦 第六章第六章 发酵过程的参数检测发酵过程的参数检测物理参数物理参数化学参数化学参数生物参数生物参数第六十八页，讲稿共一百零七页哦一、物理参数一、物理参数1.1.温度温度 指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。温度的高低与下列参数有密切关系温度的高低与下列参数有密切关系l发酵中的酶反应速度发酵中的酶反应速度l菌体生长速度，产物合成速度菌体生长速度，产物合成速度l氧在培养液中的溶解度，传递速度氧在培养液中的溶解度，传递速度第六十九页，讲稿共一百零七页哦
42、发酵罐维持的压力。发酵罐维持的压力。n罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培养。养。n罐压的高低与氧，罐压的高低与氧，CO2在培养液中的溶解度有关，间接影响菌在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。体代谢。n罐压一般维持在罐压一般维持在0.20.5公斤。公斤。2.压力压力第七十页，讲稿共一百零七页哦 3.搅拌转速搅拌转速n是指搅拌器在发酵罐中是指搅拌器在发酵罐中转动速度。转动速度。n搅搅拌拌转转速速大大小小与与发发酵酵液液的的均均匀匀性性和和氧氧在在发发酵酵液液中中的的传传递递速速率率有有关。关。发酵罐的容积发酵罐的容积(L)
43、搅拌转速范围搅拌转速范围(r/min)3200200010200120030150100050100800200504005005030010000252005000025160第七十一页，讲稿共一百零七页哦指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。一般控制在一般控制在0.11.0 vvm之间。之间。4 4 空气流量空气流量第七十二页，讲稿共一百零七页哦粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。在发酵过程中通常用表观粘度表示。在发酵
44、过程中通常用表观粘度表示。粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可表示相对菌体浓度。粘度的大小可表示相对菌体浓度。5 粘度粘度第七十三页，讲稿共一百零七页哦能及时反映单细胞生长状况。能及时反映单细胞生长状况。6 浊度浊度第七十四页，讲稿共一百零七页哦二、化学参数二、化学参数1 pHn发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综合结发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综合结果，与菌体生长和产物合成有重要的关系果，与菌体生长和产物合成有重要的关系。npH的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。系。第七十五页，讲稿共一百零七页哦指发酵液中
45、糖，氮，磷与重要营养物质的浓度。指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的浓度。基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。也是提高代谢产物产量的重要控制手段。2 基质浓度基质浓度第七十六页，讲稿共一百零七页哦氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质。受体，也是合成某些产物的基质。利用利用DODO浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是
46、一个重要的控制参数。酵的异常情况，是一个重要的控制参数。3 溶解氧（溶解氧（DO）浓度浓度第七十七页，讲稿共一百零七页哦 培养基氧化还原电位是影响微生物生长及其生化培养基氧化还原电位是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。活性的因素之一。4 4 氧化还原电位氧化还原电位第七十八页，讲稿共一百零七页哦 是发酵产物产量高低，代谢正常与否的是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。5.产物浓度产物浓度 第七十九页，讲稿共一百零七页哦尾气中尾气中O O2 2浓度与生产菌的摄氧率和浓度与生产菌的摄氧率和K KLaLa有关。有关。尾气中尾
47、气中COCO2 2是产生菌呼吸放出的是产生菌呼吸放出的COCO2 2 。从尾气中从尾气中OO2 2和和COCO2 2浓度的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸商和浓度的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力。从而了解产生菌的呼吸代谢规律。发酵罐的供氧能力。从而了解产生菌的呼吸代谢规律。6.尾气尾气O2浓度和浓度和CO2浓度浓度第八十页，讲稿共一百零七页哦 菌体菌体RNA,DNARNA,DNA含量，以及含量，以及ATP,ADP,AMPATP,ADP,AMP体系，体系，NAD(P)-NAD(P)HNAD(P)-NAD(P)H体系。分别表示菌体生长情况，能量代谢能体系。分别表示菌体生长情况
48、，能量代谢能力，生物合成能力。力，生物合成能力。7.其它参数其它参数第八十一页，讲稿共一百零七页哦三、生物参数三、生物参数1.菌（丝）体浓度（生物量菌（丝）体浓度（生物量biomass）菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有影响，特别菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有影响，特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵，菌体浓度与培养液的是对抗生素等次级代谢产物的发酵，菌体浓度与培养液的粘度，粘度，DO都有关。都有关。第八十二页，讲稿共一百零七页哦四、间接参数四、间接参数 根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别
49、计算出菌体的比质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率。产速率。第八十三页，讲稿共一百零七页哦摄氧率摄氧率r：单位体积培养液每小时所消耗的氧量（单位体积培养液每小时所消耗的氧量（mmol/L.h）1 1.摄氧率摄氧率第八十四页，讲稿共一百零七页哦呼吸强度呼吸强度QO2：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量（mmol/g.h）2.呼吸强度呼吸强度第八十五页，讲稿共一百零七页哦呼吸商呼吸商RQ：发酵过程中氧的消耗比速与二氧化碳生成比发酵过程中氧的
50、消耗比速与二氧化碳生成比速的商速的商 3.呼吸商呼吸商第八十六页，讲稿共一百零七页哦参数名称参数名称单位单位测试方法测试方法意义、主要作用意义、主要作用温度温度罐压罐压空气流量空气流量搅拌转速搅拌转速搅拌功率搅拌功率粘度粘度浊度浊度泡沫泡沫体积氧传质系数体积氧传质系数KLa CPaV/V.minR/minKWPa.s透光度透光度 l/h 传感器传感器压力表压力表传感器传感器传感器传感器传感器传感器粘度计粘度计传感器传感器传感器传感器间接计算间接计算 维持生长、合成维持生长、合成维持正压、增加溶氧维持正压、增加溶氧供氧、排泄废气、提高供氧、排泄废气、提高KLa物料混合、提高物料混合、提高KLa反