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1、发酵过程工艺现在学习的是第1页，共143页n发酵，原本是指在厌氧条件下葡萄糖通过发酵，原本是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酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。程。在广义的工艺上，则把发酵看做是微在广义的工艺上，则把发酵看做是微生物把一些原料养分在合适的条件下（通生物把一些原料养分在合适的条件下（通常是需氧）经特定的代谢转变成产物的过常是需氧）经特定的代谢转变成产物的过程。程。n发酵是一种很复杂的生化过程，发酵生产发酵是一种很复杂的生化过程，发酵生产受许多因素的影响和工艺条件的制约。需受许多因素的影响和工艺条件的制约。需要多年的经验才能掌握。要多年的经验才能掌握
2、。n生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知识对稳定生产，提高产量意义重大。识对稳定生产，提高产量意义重大。现在学习的是第2页，共143页n微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来；且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来；n必须了解有关生产菌种对环境条件的要求，如必须了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、培养基、培养温度、pHpH、氧的需求、氧的需求等，并深入了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控等，并深入了解生产菌在合
3、成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础；机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础；n通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、产物，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、pHpH、溶解氧等参、溶解氧等参数情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化数情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境中。环境中。第一节第一节 发酵过程中的代谢变化与控制参数发酵过程中的代谢变化与控制参数一、发酵工艺过程控制的
4、重要性一、发酵工艺过程控制的重要性现在学习的是第3页，共143页从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的菌体生菌体生长长、发酵参数的变化发酵参数的变化（培养基和培养条件）和（培养基和培养条件）和产物产物形成速率形成速率这三者之间的关系。这三者之间的关系。二、发酵过程的代谢变化规律二、发酵过程的代谢变化规律一般来说，微生物的培养方式分为一般来说，微生物的培养方式分为分批发酵分批发酵、补料分批补料分批发酵、半连续发酵发酵、半连续发酵及及连续发酵连续发酵四种类型的操作方式。四种类型的操作方式。现在学习的是第4页，共143页1 1、分批发酵、分批发酵指在一个封闭
5、的培养系统内投入指在一个封闭的培养系统内投入有限数量的营养物质（基质）后有限数量的营养物质（基质）后接接入种子进行培养的发酵方式。即一次性投料，一次性收获产品的发酵方入种子进行培养的发酵方式。即一次性投料，一次性收获产品的发酵方式。在该系统里种子接种到培养基后，除了气体流通外，发酵液始终留式。在该系统里种子接种到培养基后，除了气体流通外，发酵液始终留在生物反应器内。在生物反应器内。延滞期延滞期指数期指数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期时间（时间（t t）菌体菌体浓度浓度分分批批培培养养条条件件下下的的典典型型生生长长曲曲线线现在学习的是第5页，共143页n分批培养过程中随着培养基中的营养物质分批培养
6、过程中随着培养基中的营养物质不断减少，微生物生长的环境条件也不断不断减少，微生物生长的环境条件也不断变化，因此，微生物分批培养是一种非稳变化，因此，微生物分批培养是一种非稳态的培养方法。态的培养方法。现在学习的是第6页，共143页生长阶段细胞特征停滞期为适应新环境的需要，细胞个体增大，合成新的酶及细胞物质，细胞数量增加很少，微生物对不良环境的抵抗力下降。当接种的是老龄化的或饥饿的细胞时，停滞期将延长对数生长期细胞活力很强，生长速率达到最大值且保持稳定、速率大小取决于培养基的营养和环境稳定期随着营养物质的消耗和产物的积累，微生物的生长速率下降等于死亡速率，系统中活微生物数保持稳定衰亡期由于自溶酶
7、的作用或有害物质的积累，使细胞破裂死亡现在学习的是第7页，共143页n2 2、微生物分批培养生长速度的动力学方程、微生物分批培养生长速度的动力学方程19421942年，年，MonodMonod提出了在特定温度、提出了在特定温度、pHpH值、值、营养物类型、营养物浓度条件下，微生物细营养物类型、营养物浓度条件下，微生物细胞的比生长速率与限制性营养物浓度之间存胞的比生长速率与限制性营养物浓度之间存在如下关系：在如下关系：=maxmaxS/S/（Ka+SKa+S）maxmax微生物的最大比生长速率微生物的最大比生长速率S S限制性营养基质的浓度限制性营养基质的浓度KsKs饱和常数饱和常数现在学习的是
8、第8页，共143页nMonod方程的几点说明a：分批培养过程的经验方程，在纯培养情况下，只有当微生物细胞生长受一种限制性营养物质制约时，与实验数据相一致。b：Ks反映了微生物对营养物质的吸收的亲和力的大小，数值越小，表明微生物对营养物质的亲和力大。反之则亲和力小。一般微生物的Ks值为0.1120mg/L，是很小的。c：maxmax随微生物的种类和培养条件不同，一般随微生物的种类和培养条件不同，一般来说细菌的来说细菌的maxmax大于霉菌，就同种微生物来说，大于霉菌，就同种微生物来说，培养温度升高，培养温度升高，maxmax增大增大。现在学习的是第9页，共143页n3、分批培养时微生物细胞的生长
9、与产物形成的动力学 在发酵过程中，常用得率系数来描述微生物生长过程的特征，即生成的细胞或产物与消耗的营养物质之间的关系。在实际中，最常用的是细胞得率系数（Yx/s）和产物得率系数（Yp/s），分别定义为消耗1g营养物质生成的细胞的克数和生成产物的克数。工业生产中可通过测定一定时间内细胞和产物的生成量及营养物质的消耗量来进行计算。现在学习的是第10页，共143页在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系，在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系，将微生物产物形成动力学分为将微生物产物形成动力学分为 生长关联型生长关联型 和和 非生长关非生长关联型联型。A（葡萄糖异构酶）（葡
10、萄糖异构酶）B（菌体浓度）（菌体浓度）B（菌体浓度）（菌体浓度）A（杀念珠菌素）（杀念珠菌素）生长关联型生长关联型非生长关联型非生长关联型产物的生成速率与菌体生长速产物的生成速率与菌体生长速率成正比。率成正比。这种产物通常是微生物这种产物通常是微生物分解基质的直接产物，如酒精，但也有分解基质的直接产物，如酒精，但也有某些酶类，如脂肪酶和葡萄糖异构酶某些酶类，如脂肪酶和葡萄糖异构酶产物的生成速率与菌体生产物的生成速率与菌体生长速率成无关，而与菌体长速率成无关，而与菌体量的多少有关。量的多少有关。对于生长关联型产品，可采用对于生长关联型产品，可采用有利于细胞生长的培养条件，有利于细胞生长的培养条件
11、，延长与产物合成有关的对数生延长与产物合成有关的对数生长期。长期。对于非生长关联型产品，则宜缩对于非生长关联型产品，则宜缩短菌体的对数生长期，并迅速获短菌体的对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后，延长稳得足够量的菌体细胞后，延长稳定期，从而提高产量。定期，从而提高产量。现在学习的是第11页，共143页n（1 1）有关分批发酵的几点讨论）有关分批发酵的几点讨论生产的对象不同，掌握工艺的重点不同生产的对象不同，掌握工艺的重点不同n产物为细胞本身产物为细胞本身采用能支持最高生长量的培养条件采用能支持最高生长量的培养条件n产物为初级代谢物产物为初级代谢物延长对数生长期延长对数生长期n产物为次级代谢
12、物产物为次级代谢物缩短对数生长期，延长稳定期缩短对数生长期，延长稳定期（2 2）分批发酵的优缺点）分批发酵的优缺点n优点：操作简单，周期短，染菌的机会减少生优点：操作简单，周期短，染菌的机会减少生产过程易于控制、产品质量易掌握。产过程易于控制、产品质量易掌握。x x 缺点：分批发酵不适于测定过程动力学，存在缺点：分批发酵不适于测定过程动力学，存在基质的抑制问题，出现二次生长现象，对与一基质的抑制问题，出现二次生长现象，对与一些对基质敏感的产物，由于养分易耗尽，产率些对基质敏感的产物，由于养分易耗尽，产率较低。较低。现在学习的是第12页，共143页2 2、补料分批发酵（、补料分批发酵（fed-b
13、atchfed-batch）由于此过程只有料液的输入没有输出，发酵液的体由于此过程只有料液的输入没有输出，发酵液的体积在增加。积在增加。补料分批培养（补料分批培养（fed-batch culturefed-batch culture，简称，简称FBCFBC），是指在分批培养过），是指在分批培养过程中，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，是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养方式，是一种控法，是分批培养和连续培养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。制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。现在
14、学习的是第13页，共143页可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏；可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏；可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长所引可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长所引起的影响，改善发酵流变学的性质；起的影响，改善发酵流变学的性质；可用作控制细胞质量的手段，以提高发芽孢子的比例；可用作控制细胞质量的手段，以提高发芽孢子的比例；可作为理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础。可作为理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础。（1 1）补料分批培养（）补料分批培养（FBCFBC）的优点）的优点现在学习的是第14页，共
15、143页（2 2）补料优化方式及控制）补料优化方式及控制u连续流加、不连续流加、多周期流加连续流加、不连续流加、多周期流加u快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加u单组分流加、多组分流加单组分流加、多组分流加补料方式补料方式流加操作控制系统流加操作控制系统u反馈控制反馈控制u无反馈控制无反馈控制直接方法直接方法间接方法间接方法以溶氧、以溶氧、pHpH值、呼吸商、排气中值、呼吸商、排气中COCO2 2分分压及代谢产物浓度等作为控制参数压及代谢产物浓度等作为控制参数直接以限制性营养物浓度作为反馈参数，如控制直接以限制性营养物浓度作为反馈参数，如控制氮源
16、、碳源、氮源、碳源、C/NC/N比等，由于目前缺乏能直接测比等，由于目前缺乏能直接测量重要参数的传感器，因此直接方法的使用受到量重要参数的传感器，因此直接方法的使用受到了限制。了限制。现在学习的是第15页，共143页、半连续发酵、半连续发酵是指在补料分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液（行业中是指在补料分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液（行业中称为带放）的培养方法。称为带放）的培养方法。优点：优点：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；克服养分的不足，避免发酵过早结束；克
17、服养分的不足，避免发酵过早结束；缓解有害代谢产物的积累。缓解有害代谢产物的积累。放掉发酵液的同时也丢失了放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处于生长旺未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体盛期的菌体丢失前体丢失前体菌体易变异菌体易变异缺点缺点现在学习的是第16页，共143页、连续发酵、连续发酵又称连续流动培养或开放型培养，又称连续流动培养或开放型培养，即发酵过程即发酵过程中一边补入新鲜的料液，并同时以相近的流速中一边补入新鲜的料液，并同时以相近的流速放出含有产品的发酵液的培养方法放出含有产品的发酵液的培养方法。在这样的。在这样的环境中培养，所提供的基质对菌的生长就受到环境中培养，所提供的基质对菌
18、的生长就受到限制，培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定限制，培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态（发酵液的体积不变）。状态（发酵液的体积不变）。现在学习的是第17页，共143页连续培养系统又称为连续培养系统又称为恒化器恒化器，培养物的生长速率受其周，培养物的生长速率受其周围化学环境，即受培养基组分的限制。围化学环境，即受培养基组分的限制。恒化器：恒化器：一种微生物连续培养器。它以恒定的速度流出一种微生物连续培养器。它以恒定的速度流出培养液，使容器中的微生物生长繁殖始终培养液，使容器中的微生物生长繁殖始终低低于最快生长于最快生长速度。这种容器反映的是培养基的化学环境恒定。速度。这种容器反映的是培
19、养基的化学环境恒定。现在学习的是第18页，共143页连续发酵的缺点：连续发酵的缺点：长时间的连续培养难以保证纯种培养，并且菌种发生变异的可能性较大，长时间的连续培养难以保证纯种培养，并且菌种发生变异的可能性较大，且易污染杂菌。故在工业规模上很少采用。生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵、且易污染杂菌。故在工业规模上很少采用。生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺，纸浆液生产饲料酵母、以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺，此方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。此方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。与传统的分批发酵相比，连续发酵有以下
20、优点：与传统的分批发酵相比，连续发酵有以下优点：维持低基质浓度：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当维持低基质浓度：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；避免培养基积累有毒代谢物；避免培养基积累有毒代谢物；可以提高设备利用率和单位时间的产量，节省发酵罐的非生可以提高设备利用率和单位时间的产量，节省发酵罐的非生产时间；产物质量比较稳定产时间；产物质量比较稳定 便于自动控制。便于自动控制。现在学习的是第19页，共143页n在发酵工艺中，要想控制发酵，使其按人在发酵工艺中，要想控制发酵，使其按人的意志转移，是很难办到的
21、。因为影响发的意志转移，是很难办到的。因为影响发酵的因素太多，有些因素还是未知的，但酵的因素太多，有些因素还是未知的，但了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反映菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，映菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们有效地控制微生物的生长和可以帮助人们有效地控制微生物的生长和生产。生产。第二节 发酵过程的主要控制参数现在学习的是第20页，共143页第二节 发酵过程的主要控制参数1.pH值（酸碱度）值（酸碱度）2.温度（温度（）3.溶解氧浓度溶解氧浓度4.基质含量基质含量5.空气流量空气流量6.压力压力7.搅拌转速搅拌转速8.搅拌功率搅
22、拌功率9.粘度粘度10.浊度浊度11.料液流量料液流量12.产物浓度产物浓度13.氧化还原电位氧化还原电位14.废气中的氧含量废气中的氧含量15.废气中的废气中的CO2含量含量16.菌丝形态菌丝形态17.菌体浓度菌体浓度现在学习的是第21页，共143页种子扩大培养种子扩大培养培养基配制培养基配制空气除菌空气除菌培养基灭菌培养基灭菌发酵生产发酵生产下游处理下游处理发酵设备发酵设备发酵的一般流程发酵的一般流程现在学习的是第22页，共143页发酵工艺中几个最常用的控制点发酵工艺中几个最常用的控制点n n温度控制温度控制n npHpH值控制值控制n n溶氧控制溶氧控制n n二氧化碳控制二氧化碳控制n
23、n泡沫的控制泡沫的控制现在学习的是第23页，共143页一、温度对发酵的影响一、温度对发酵的影响n n对细胞生长的影响：温度升高，从酶反应动力学来看，生长代谢对细胞生长的影响：温度升高，从酶反应动力学来看，生长代谢对细胞生长的影响：温度升高，从酶反应动力学来看，生长代谢对细胞生长的影响：温度升高，从酶反应动力学来看，生长代谢加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易于衰老；加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易于衰老；加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易于衰老；加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易于衰老；n n对产物形成的影响：菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物形成对产物形
24、成的影响：菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物形成对产物形成的影响：菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物形成对产物形成的影响：菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物形成速率的最适温度往往是不同的；温度升高，一般产物生成提前；速率的最适温度往往是不同的；温度升高，一般产物生成提前；速率的最适温度往往是不同的；温度升高，一般产物生成提前；速率的最适温度往往是不同的；温度升高，一般产物生成提前；n n对生物合成的方向的影响：反馈抑制随温度变化而改变；对生物合成的方向的影响：反馈抑制随温度变化而改变；对生物合成的方向的影响：反馈抑制随温度变化而改变；对生物合成的方向的影响：反馈抑制随温度变化而改变；n n对发酵液物
25、理性质及溶解氧的影响：影响氧的溶解和传递，影响一些对发酵液物理性质及溶解氧的影响：影响氧的溶解和传递，影响一些对发酵液物理性质及溶解氧的影响：影响氧的溶解和传递，影响一些对发酵液物理性质及溶解氧的影响：影响氧的溶解和传递，影响一些基质的分解，间接影响生物合成。基质的分解，间接影响生物合成。基质的分解，间接影响生物合成。基质的分解，间接影响生物合成。现在学习的是第24页，共143页1、影响发酵温度的因素n n发酵热的成分发酵热的成分生物热：微生物生长繁殖过程中的产热生物热：微生物生长繁殖过程中的产热搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量蒸发热：
26、被通气和蒸发水分带走的热量辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量Q发酵发酵=Q生物生物+Q搅拌搅拌-Q蒸发蒸发-Q辐射辐射 现在学习的是第25页，共143页2 2、发酵热的测定、发酵热的测定通过冷却水进出口温度和流量测定：通过冷却水进出口温度和流量测定：通过冷却水进出口温度和流量测定：通过冷却水进出口温度和流量测定：Q QQ Q发酵发酵发酵发酵=Gc=Gc=Gc=Gcw w w w(t(t(t(t1 1 1 1-t-t-t-t2 2 2 2)/V)/V)/V)/V G G G G冷却水流量；冷却水流量；冷却水流量；冷却水流量；C C C Cw w w w水的比热；水的
27、比热；水的比热；水的比热；V V V V发酵液体积。发酵液体积。发酵液体积。发酵液体积。通过发酵液温度随时间上升的速率测定：通过发酵液温度随时间上升的速率测定：通过发酵液温度随时间上升的速率测定：通过发酵液温度随时间上升的速率测定：Q QQ Q发酵发酵发酵发酵=(M=(M=(M=(M1 1 1 1c c c c1 1 1 1+M+M+M+M2 2 2 2c c c c2 2 2 2)S)S)S)S M M M M1 1 1 1、c c c c1 1 1 1 发酵液质量、比热；发酵液质量、比热；发酵液质量、比热；发酵液质量、比热；M M M M2 2 2 2、c c c c2 2 2 2 发酵罐
28、质量、比热；发酵罐质量、比热；发酵罐质量、比热；发酵罐质量、比热；S S S S温度上升速率。温度上升速率。温度上升速率。温度上升速率。现在学习的是第26页，共143页3 3、最适温度选择与发酵温度控制、最适温度选择与发酵温度控制n n温度变化的一般规律与控制的一般原则温度变化的一般规律与控制的一般原则温度变化的一般规律与控制的一般原则温度变化的一般规律与控制的一般原则 接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度，以接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度，以接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度，以接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度，以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖；利于
29、孢子萌发和菌体的生长繁殖；利于孢子萌发和菌体的生长繁殖；利于孢子萌发和菌体的生长繁殖；待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温度；待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温度；待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温度；待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温度；到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低些，即代到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低些，即代到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低些，即代到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低些，即代谢产物合成的最适温度；谢产物合成的最适温度；谢产物合成的最适温度；谢产物合成的最适温度；到
30、发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温升氧选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温升氧选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温升氧选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温升氧降）；生长阶段；培养条件等。降）；生长阶段；培养条件等。降）；生长阶段；培养条件等。降）；生长阶段；培养条件等。现在学习的是第27页，共143页3 3、最适温度选择与发酵温度控制、最适温度选择与发酵温度控制最适温度选择
31、最适温度选择最适温度选择最适温度选择n n最适温度分最适生长温度和最适产物合成温度，两者往最适温度分最适生长温度和最适产物合成温度，两者往最适温度分最适生长温度和最适产物合成温度，两者往最适温度分最适生长温度和最适产物合成温度，两者往往不同，各阶段可用不同温度。往不同，各阶段可用不同温度。往不同，各阶段可用不同温度。往不同，各阶段可用不同温度。如：青霉素分别为：如：青霉素分别为：如：青霉素分别为：如：青霉素分别为：30 30 30 30和和和和 24.7 24.7 24.7 24.7。n n青霉素发酵的温度控制青霉素发酵的温度控制青霉素发酵的温度控制青霉素发酵的温度控制 0-5h0-5h0-5
32、h0-5h：30C30C30C30C 5-40h5-40h5-40h5-40h：25C25C25C25C 40-125h40-125h40-125h40-125h：20C20C20C20C 125-165h125-165h125-165h125-165h：25C25C25C25C0 0 5 5353585851251253030252520202525现在学习的是第28页，共143页4 4、最适温度选择与发酵温度控制、最适温度选择与发酵温度控制发酵温度控制发酵温度控制n n进行温度控制时应考虑的因素进行温度控制时应考虑的因素不同菌种在不同生长阶段的生长和生产特不同菌种在不同生长阶段的生长和生产
33、特性性参考其它发酵条件（通气、培养基成分和参考其它发酵条件（通气、培养基成分和浓度、浓度、pHpH值等），如通气条件差时，则最值等），如通气条件差时，则最适发酵温度比通气良好时低。适发酵温度比通气良好时低。现在学习的是第29页，共143页4、最适温度选择与发酵温度控制发酵温度控制n n温度控制的方法温度控制的方法冷却是主要的方法，通常是利用发酵罐的热冷却是主要的方法，通常是利用发酵罐的热交换装置进行降温，如果气温较高，冷却水交换装置进行降温，如果气温较高，冷却水温度也较高时，多采用冷媒温度也较高时，多采用冷媒(盐水盐水)进行降温。进行降温。发酵罐的热交换装置：发酵罐的热交换装置：n n罐外夹套
34、罐外夹套罐外夹套罐外夹套n n罐内蛇管、列管罐内蛇管、列管罐内蛇管、列管罐内蛇管、列管现在学习的是第30页，共143页二、二、pHpH值对发酵的影响及控制值对发酵的影响及控制n n发酵液发酵液pHpH对菌体生长、繁殖和产物积累影响较大。生对菌体生长、繁殖和产物积累影响较大。生对菌体生长、繁殖和产物积累影响较大。生对菌体生长、繁殖和产物积累影响较大。生产前应进行试验和研究。产前应进行试验和研究。产前应进行试验和研究。产前应进行试验和研究。n n菌体生长、繁殖和产物积累的最适菌体生长、繁殖和产物积累的最适pHpH不一定相同。不一定相同。n n整个发酵过程的整个发酵过程的pH是变化的。是变化的。是变
35、化的。是变化的。1、pH对发酵的影响对发酵的影响对发酵的影响对发酵的影响 2 2、影响发酵、影响发酵pH的因素的因素 3 3、最适、最适、最适、最适pH的选择和调节的选择和调节现在学习的是第31页，共143页1 1、pHpH对发酵的影响对发酵的影响n n微生物生长最适微生物生长最适微生物生长最适微生物生长最适pHpHpHpH值范围值范围值范围值范围 不同的微生物具有不同的最适生长的不同的微生物具有不同的最适生长的不同的微生物具有不同的最适生长的不同的微生物具有不同的最适生长的pHpHpHpH值和忍受的上下限值和忍受的上下限值和忍受的上下限值和忍受的上下限 细菌（细菌（细菌（细菌（6.56.56
36、.56.5）7.0-8.07.0-8.07.0-8.07.0-8.0；放线菌（放线菌（放线菌（放线菌（6.56.56.56.5）7.5-8.57.5-8.57.5-8.57.5-8.5；霉菌霉菌霉菌霉菌4.0-5.84.0-5.84.0-5.84.0-5.8；酵母菌酵母菌酵母菌酵母菌3.8-6.03.8-6.03.8-6.03.8-6.0n n产物形成最适产物形成最适产物形成最适产物形成最适pHpHpHpH值范围值范围值范围值范围 微生物的生长和产物形成的最适微生物的生长和产物形成的最适微生物的生长和产物形成的最适微生物的生长和产物形成的最适pHpHpHpH值往往不同。值往往不同。值往往不同。
37、值往往不同。少数一致，大多不同；少数一致，大多不同；少数一致，大多不同；少数一致，大多不同；有的偏高，有的偏低。有的偏高，有的偏低。有的偏高，有的偏低。有的偏高，有的偏低。现在学习的是第32页，共143页n n几种抗生素生物合成的最适几种抗生素生物合成的最适pHpH值值链霉素（灰色链霉菌）链霉素（灰色链霉菌）、红霉素：、红霉素：6.87.36.87.3金霉素（放线菌）、四环素（放线菌金色链金霉素（放线菌）、四环素（放线菌金色链丛菌）丛菌）：5.96.35.96.3青霉素：青霉素：6.56.8 6.56.8 柠檬酸：柠檬酸：3.54.03.54.0现在学习的是第33页，共143页同一种微生物在其
38、不同的生长阶段和不同的生理生化过程中，对同一种微生物在其不同的生长阶段和不同的生理生化过程中，对pH值的要求也不同。值的要求也不同。举例：举例：Aspergillus niger在在pH22.5范围时有利于合成柠檬酸，当在范围时有利于合成柠檬酸，当在pH2.56.5范围内时以菌体生长为主，而在范围内时以菌体生长为主，而在pH7.0时，则以合成草酸为主。时，则以合成草酸为主。丙酮丁丙酮丁醇梭菌在醇梭菌在pH5.57.0范围时，以菌体生长为主，而在范围时，以菌体生长为主，而在pH4.35.3范围内才进范围内才进行丙酮丁醇发酵。行丙酮丁醇发酵。微生物微生物 生长最适生长最适pH 合成抗生素最适合成抗
39、生素最适pH灰色链霉菌灰色链霉菌6.36.96.77.3红霉素链霉菌红霉素链霉菌 6.67.06.87.3产黄青霉产黄青霉6.57.26.26.8金霉素链霉菌金霉素链霉菌 6.16.65.96.3龟裂链霉菌龟裂链霉菌6.06.65.86.1灰黄青霉灰黄青霉6.47.06.26.5生长的最适生长的最适pHpH值与发酵的最适值与发酵的最适pHpH值值现在学习的是第34页，共143页1 1、pHpH对发酵的影响对发酵的影响pHpHpHpH对微生物生长和产物形成影响的原因：对微生物生长和产物形成影响的原因：对微生物生长和产物形成影响的原因：对微生物生长和产物形成影响的原因：pHpHpHpH值影响菌体形
40、态，如壁厚薄、长径比；值影响菌体形态，如壁厚薄、长径比；值影响菌体形态，如壁厚薄、长径比；值影响菌体形态，如壁厚薄、长径比；pHpHpHpH值改变使原生质膜电荷发生改变，影响菌体对营养物质的值改变使原生质膜电荷发生改变，影响菌体对营养物质的值改变使原生质膜电荷发生改变，影响菌体对营养物质的值改变使原生质膜电荷发生改变，影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的排出；吸收和代谢产物的排出；吸收和代谢产物的排出；吸收和代谢产物的排出；pHpHpHpH值直接影响酶活性；值直接影响酶活性；值直接影响酶活性；值直接影响酶活性；pHpHpHpH值影响某些重要营养物质和中间代谢产物的离解，从而值影响某些重要营养物
41、质和中间代谢产物的离解，从而值影响某些重要营养物质和中间代谢产物的离解，从而值影响某些重要营养物质和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用。影响微生物对这些物质的利用。影响微生物对这些物质的利用。影响微生物对这些物质的利用。pHpHpHpH影响生物合成的途径。影响生物合成的途径。影响生物合成的途径。影响生物合成的途径。如：黑曲霉如：黑曲霉如：黑曲霉如：黑曲霉pH=2-3pH=2-3pH=2-3pH=2-3时产柠檬酸；近中性时产草酸、时产柠檬酸；近中性时产草酸、时产柠檬酸；近中性时产草酸、时产柠檬酸；近中性时产草酸、葡萄糖酸。葡萄糖酸。葡萄糖酸。葡萄糖酸。现在学习的是第35页，共14
42、3页2 2、发酵过程、发酵过程pHpH值的变化值的变化在发酵过程中，随着菌种对培养基碳、氮源的利用，随着有机酸和在发酵过程中，随着菌种对培养基碳、氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使氨基酸的积累，会使pHpH值产生一定的变化。值产生一定的变化。1 1、生长阶段：相对于起始、生长阶段：相对于起始pHpH值来说有变化。菌体产生蛋白酶值来说有变化。菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，使水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，使pHpH上升至碱性上升至碱性；随着随着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的积累使积累使p
43、HpH值值下降。下降。2 2、生产阶段：这个阶段、生产阶段：这个阶段pHpH值趋于稳定值趋于稳定。3 3、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使中氨基氮增加，致使pHpH又又上升，上升，此时菌体趋于自溶而代谢活此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。动终止。现在学习的是第36页，共143页pH值值培养时间培养时间培养过程中培养液培养过程中培养液pH值的大致变化值的大致变化趋势趋势由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌体本身具由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌体本身具有一定的调节有一定的调节pH
44、的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，菌体就失的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的去了调节能力，培养液的pH就会波动。就会波动。现在学习的是第37页，共143页3 3、影响发酵、影响发酵pHpH的因素的因素n n影响影响影响影响pHpH值的因素：培养基成份、微生物代谢特性决定值的因素：培养基成份、微生物代谢特性决定发酵过程的发酵过程的pH变化。（综合反映）变化。（综合反映）n n此外，通气状况的变化，菌体自溶和杂菌污染都可能此外，通气状况的变化，菌体自溶和杂菌污染都可能引起发酵液引起发酵液pH的变化。的变化。n n微生物改变培养液微生物改变培养液pHpH以适合自身生
45、长的能力很强。以适合自身生长的能力很强。n n发酵液的实际发酵液的实际pHpH是是“成分成分”和和“途径途径途径途径”的统一。的统一。的统一。的统一。n n确定和有效控制确定和有效控制确定和有效控制确定和有效控制pHpH在菌体生长或产物积累的最适范围是在菌体生长或产物积累的最适范围是在菌体生长或产物积累的最适范围是在菌体生长或产物积累的最适范围是高产的保证。高产的保证。高产的保证。高产的保证。现在学习的是第38页，共143页3 3、影响发酵、影响发酵pHpH的因素的因素n n生理碱性物质和生理酸性物质生理碱性物质和生理酸性物质生理碱性物质和生理酸性物质生理碱性物质和生理酸性物质n n生理碱性物
46、质：经微生物代谢后，导致生理碱性物质：经微生物代谢后，导致pHpHpHpH上升（碱上升（碱性物质生成或酸性物质消耗）的物质。性物质生成或酸性物质消耗）的物质。如：有机氮源，硝酸盐，有机酸。如：有机氮源，硝酸盐，有机酸。如：有机氮源，硝酸盐，有机酸。如：有机氮源，硝酸盐，有机酸。（产（产（产（产NHNHNHNH3 3 3 3、NaOHNaOHNaOHNaOH）n n生理酸性物质：经微生物代谢后，导致生理酸性物质：经微生物代谢后，导致生理酸性物质：经微生物代谢后，导致生理酸性物质：经微生物代谢后，导致pHpH下降（酸性物下降（酸性物质生成或碱性物质消耗）的物质。质生成或碱性物质消耗）的物质。如：糖
47、类（产有机酸），脂肪（产脂肪酸），铵盐如：糖类（产有机酸），脂肪（产脂肪酸），铵盐如：糖类（产有机酸），脂肪（产脂肪酸），铵盐如：糖类（产有机酸），脂肪（产脂肪酸），铵盐 （氧化产硫酸）。（氧化产硫酸）。（氧化产硫酸）。（氧化产硫酸）。现在学习的是第39页，共143页4 4、最适、最适pHpH的选择和调节的选择和调节n n最适最适最适最适pHpH的选择和调节的原则：的选择和调节的原则：的选择和调节的原则：的选择和调节的原则：既有利于菌体的生长繁殖，又可最大限度的获得高产。既有利于菌体的生长繁殖，又可最大限度的获得高产。既有利于菌体的生长繁殖，又可最大限度的获得高产。既有利于菌体的生长繁殖，又可
48、最大限度的获得高产。根据不同微生物的特性，在发酵过程中随时检查根据不同微生物的特性，在发酵过程中随时检查根据不同微生物的特性，在发酵过程中随时检查根据不同微生物的特性，在发酵过程中随时检查pHpH 值的变化，选用适当的方法进行调节。值的变化，选用适当的方法进行调节。值的变化，选用适当的方法进行调节。值的变化，选用适当的方法进行调节。n n生长最适生长最适生长最适生长最适pHpH和产物形成最适和产物形成最适和产物形成最适和产物形成最适pHpH的相互关系：的相互关系：的相互关系：的相互关系：两者相同，范围都宽；容易控制。两者相同，范围都宽；容易控制。两者相同，范围都宽；容易控制。两者相同，范围都宽
49、；容易控制。两者相同，范围都窄；必须严格控制。两者相同，范围都窄；必须严格控制。两者相同，范围都窄；必须严格控制。两者相同，范围都窄；必须严格控制。两者相同，范围一宽一窄；必须严格控制。两者相同，范围一宽一窄；必须严格控制。两者相同，范围一宽一窄；必须严格控制。两者相同，范围一宽一窄；必须严格控制。两者不同，范围都窄；分别严格控制。两者不同，范围都窄；分别严格控制。两者不同，范围都窄；分别严格控制。两者不同，范围都窄；分别严格控制。现在学习的是第40页，共143页4 4、最适、最适pHpH的选择和调节的选择和调节n n选择选择选择选择pHpH值的方法：通过实验确定。值的方法：通过实验确定。值的
50、方法：通过实验确定。值的方法：通过实验确定。配制并始终调节控制不同配制并始终调节控制不同配制并始终调节控制不同配制并始终调节控制不同pHpH，检出菌体或产物最大值。，检出菌体或产物最大值。，检出菌体或产物最大值。，检出菌体或产物最大值。n n调节调节调节调节pHpH值的方法：值的方法：值的方法：值的方法：主要考虑培养基中生理酸、碱性物质的配比；主要考虑培养基中生理酸、碱性物质的配比；主要考虑培养基中生理酸、碱性物质的配比；主要考虑培养基中生理酸、碱性物质的配比；补料调节：调节通气量、调整盐类、氮源、碳源的配比平衡；补料调节：调节通气量、调整盐类、氮源、碳源的配比平衡；补料调节：调节通气量、调整