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1、第五章第五章发酵过程控制发酵过程控制第一节第一节 发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数第二节第二节 发酵过程的代谢变化发酵过程的代谢变化第三节第三节 基质的影响及其控制基质的影响及其控制第四节第四节 温度的影响与控制温度的影响与控制第五节第五节 pH的影响与控制的影响与控制第六节第六节 溶氧浓度的变化和控制溶氧浓度的变化和控制 第七节第七节 补料的作用及其控制补料的作用及其控制第八节第八节 泡沫的影响与控制泡沫的影响与控制第九节第九节 发酵终点判断发酵终点判断发酵过程原理发酵过程原理一、发酵的基本概念一、发酵的基本概念1、微生物发酵、微生物发酵利用微生物体来制得产物的需氧或厌氧的任何过
2、利用微生物体来制得产物的需氧或厌氧的任何过程。程。2、初级代谢产物、初级代谢产物关系到微生物新陈代谢过程中的能量代谢、细关系到微生物新陈代谢过程中的能量代谢、细胞生长和细胞结构的代谢产物。胞生长和细胞结构的代谢产物。3、次级代谢产物、次级代谢产物微生物菌体在生长期不能合成的、一般在菌体微生物菌体在生长期不能合成的、一般在菌体生长静止期中合成的与菌体成长繁殖无明显关系生长静止期中合成的与菌体成长繁殖无明显关系的产物。的产物。抗生素产生菌在一定条件下吸取营养物质，抗生素产生菌在一定条件下吸取营养物质，合成其自身菌体细胞，同时产生抗生素合成其自身菌体细胞，同时产生抗生素和其它代谢产物的过程，称为抗生
3、素发酵。和其它代谢产物的过程，称为抗生素发酵。发酵过程是由各种酶系统的作用而发生的发酵过程是由各种酶系统的作用而发生的一系列生化反响，抗生素是这个过程的次一系列生化反响，抗生素是这个过程的次级代谢产物。级代谢产物。发酵方法l微生物发酵有三种方式：微生物发酵有三种方式：分批发酵分批发酵batchfermentation补料分批发酵补料分批发酵fed-batchfermentation连续发酵连续发酵continuousfermentation工业上防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际工业上防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题，大都采用分批发酵或补料分批发酵这两问题，大都采用分批发酵或补料分批发酵这两
4、种方式。种方式。1、分批式发酵、分批式发酵理论基础理论基础把培养液一次性装入发酵罐，灭菌后接入一定把培养液一次性装入发酵罐，灭菌后接入一定量的种子液，在最正确条件下进行发酵培养。量的种子液，在最正确条件下进行发酵培养。是产生菌体经过一定时间不同级数的种子培养，是产生菌体经过一定时间不同级数的种子培养，到达一定菌体量后，移种到发酵罐进行纯种和通到达一定菌体量后，移种到发酵罐进行纯种和通气搅拌培养，到规定时间即行结束的过程。气搅拌培养，到规定时间即行结束的过程。优缺点：优缺点：发酵周期短，产品质量易控制，不易发生杂发酵周期短，产品质量易控制，不易发生杂菌污染，对原料组成要求较粗放。菌污染，对原料组
5、成要求较粗放。发酵体系中开始时基质浓度很高，到中后期发酵体系中开始时基质浓度很高，到中后期营养物质浓度很低，这对发酵反响不利。营养物质浓度很低，这对发酵反响不利。2、补料分批发酵补料分批发酵理论基础理论基础在分批式操作的基础上，开始时投入一定量的基在分批式操作的基础上，开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程适当时期，开始连续补加础培养基，到发酵过程适当时期，开始连续补加碳源或氮源或其他必需物质，但不取出培养液，碳源或氮源或其他必需物质，但不取出培养液，直到发酵终点，产率达最大化，停止补料，最后直到发酵终点，产率达最大化，停止补料，最后将发酵液一次全部放出。将发酵液一次全部放出。优缺点：优缺点
6、：优点：在发酵过程中慢慢地参加培养基，使其在优点：在发酵过程中慢慢地参加培养基，使其在发酵液中保持适宜水平，同时又稀释了生成的产发酵液中保持适宜水平，同时又稀释了生成的产物浓度，防止了高浓度产物和底物的抑制作用，物浓度，防止了高浓度产物和底物的抑制作用，也防止了后期养分缺乏而限制菌体生长。也防止了后期养分缺乏而限制菌体生长。缺点：受发酵罐操作容积的限制缺点：受发酵罐操作容积的限制3、连续式发酵理论基础理论基础菌体与培养液一起装入发酵罐，在菌体培养菌体与培养液一起装入发酵罐，在菌体培养过程中不断补充新培养基，同时取出包括培养液过程中不断补充新培养基，同时取出包括培养液和菌体在内的发酵液，发酵体积
7、和菌体浓度等不和菌体在内的发酵液，发酵体积和菌体浓度等不变，使菌体处于恒定状态的发酵条件，促进菌体变，使菌体处于恒定状态的发酵条件，促进菌体的生长和产物的积累。的生长和产物的积累。优缺点：优缺点：连续培养优点：能维持基质浓度，可以提高设备的连续培养优点：能维持基质浓度，可以提高设备的利用率和单位时间的产量，节省发酵罐的非生产利用率和单位时间的产量，节省发酵罐的非生产时间，便于自动控制。时间，便于自动控制。但由于培养时间长，难以保证纯种培养。并且菌种但由于培养时间长，难以保证纯种培养。并且菌种变异可能性较大，故在工业规模上很少采用。变异可能性较大，故在工业规模上很少采用。发酵过程控制微生物发酵的
8、生产水平取决于微生物发酵的生产水平取决于：1生产菌种生产菌种本身的特性；本身的特性；2适宜的环境条件，使它的适宜的环境条件，使它的生产能力充分表达出来。生产能力充分表达出来。这些环境条件包括培养基、培养温度、这些环境条件包括培养基、培养温度、pH、氧、氧的需求等。的需求等。为了掌握菌种在代谢过程中的代谢变化规律，为了掌握菌种在代谢过程中的代谢变化规律，需要监测一些参数，这些参数包括菌体浓度、需要监测一些参数，这些参数包括菌体浓度、糖、糖、N消耗及产物浓度，培养温度、消耗及产物浓度，培养温度、pH、溶、溶氧等。氧等。第一节第一节发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数一物理参数一物理参数二化
9、学参数二化学参数三生物参数三生物参数一、发酵过程的主要控制参数一、发酵过程的主要控制参数l l一物理参数一物理参数l1温度温度l发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。l酶反响速率、氧在培养液中的溶解度与传递速酶反响速率、氧在培养液中的溶解度与传递速率、菌体生长速率和产物合成速率率、菌体生长速率和产物合成速率l2压力压力Pal发酵过程中发酵罐维持的压力发酵过程中发酵罐维持的压力,一般维持在一般维持在0.21050.5105Pa。l保证纯种的培养保证纯种的培养,间接影响菌体代谢。间接影响菌体代谢。l3搅拌转速搅拌转速rminl搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转
10、动速度，搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度，通常以每通常以每1min的转数来表示。的转数来表示。l它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液的均匀性有关。的均匀性有关。l4搅拌功率搅拌功率kwl指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每1m3发酵发酵液所消耗的功率液所消耗的功率kwm3。l它的大小与氧容量传递系数有关。它的大小与氧容量传递系数有关。l5空气流量空气流量VVmin，简称，简称VVMl每每1min内每单位体积发酵液通入空气的体积，内每单位体积发酵液通入空气的体积，也是需氧发酵的控制参数。也是需氧发酵的控制参数。l
11、与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在0.51.0VVmin范围内。范围内。l6粘度粘度Pasl粘度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项粘度大小可以作为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。标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况。l通常用表观粘度表示之：它的大小可改变氧传通常用表观粘度表示之：它的大小可改变氧传递的阻力，又可表示相对菌体浓度。递的阻力，又可表示相对菌体浓度。l7浊度浊度l浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数，浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数，对某些产品的生产是极其重要的参数。对某些产品的生产是极其重要的
12、参数。l8.料液流量料液流量Lminl这是控制流体进料的参数。这是控制流体进料的参数。二化学参数二化学参数l1pH酸碱度酸碱度l发酵液的发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和产碱的生是发酵过程中各种产酸和产碱的生化反响的综合结果。化反响的综合结果。l它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的上下它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的上下与菌体生长和产物合成有着重要的关系。与菌体生长和产物合成有着重要的关系。l2基质浓度基质浓度g或或mgl这是发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的这是发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的浓度。浓度。l它们的变化对产生菌的生长和产物的合成有着它们的变化对产生菌的生长和产物的合成有着
13、重要的影响，也是提高代谢产物产量的重要控重要的影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。制手段。l在发酵过程中，必须定时测定糖复原糖和总在发酵过程中，必须定时测定糖复原糖和总糖、氮氨基氮或氨氮等基质的浓度。糖、氮氨基氮或氨氮等基质的浓度。l3溶解氧浓度溶解氧浓度10-6ppm或饱和度或饱和度l溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。l利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的规利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，也可作为发醉中间控制律，反映发酵的异常情况，也可作为发醉中间控制的参数及设备供氧能力的指标。的参数及设备供氧能力的指标。l溶氧浓度一
14、般用绝对含量溶氧浓度一般用绝对含量10-6来表示、有时也来表示、有时也用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。l4产物的浓度产物的浓度gumll这是发酵产物产量上下或合成代谢正常与否这是发酵产物产量上下或合成代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。l5废气中的氧浓度废气中的氧浓度Pal废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数有关。数有关。l从废气中的从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧的含量可以算出产生菌的摄氧率和发酵罐的供氧能力。率和发酵罐的供氧能力。l6
15、废气中的废气中的CO2浓度浓度l废气中的废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的就是产生菌呼吸放出的CO2。测。测定它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生定它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生菌的呼吸代谢规律。菌的呼吸代谢规律。l其他化学参数：其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的关键、生物合成的关键酶等。酶等。三生物参数l1菌丝形态菌丝形态l丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢变化的反映。变化的反映。l一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵酵阶段、控制发酵过程的代谢变化
16、和决定发酵周期的依据之一。周期的依据之一。l2菌体浓度菌体浓度l菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵的重要参数菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵的重要参数之一。之一。l大小和变化速度对菌体的生化反响都有影响表观大小和变化速度对菌体的生化反响都有影响表观粘度、溶氧浓度。粘度、溶氧浓度。l在生产上，常常根据菌体浓度来决定适合的补料量在生产上，常常根据菌体浓度来决定适合的补料量和供氧量，以保证生产到达顶期的水平。和供氧量，以保证生产到达顶期的水平。l发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值l
17、计算计算菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速率、氮比消耗速率和产物比生产速率率、氮比消耗速率和产物比生产速率控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件研究研究发酵动力学发酵动力学第二节、发酵过程中的代谢变化第二节、发酵过程中的代谢变化l1菌体生长阶段菌体生长期或发酵前期菌体生长阶段菌体生长期或发酵前期l菌体进行合成代谢：菌浓明显增加、摄氧率不菌体进行合成代谢：菌浓明显增加、摄氧率不断增大，溶氧浓度不断下降。断增大，溶氧浓度不断下降。l碳源、氮源进行分解代谢：碳源、氮源和磷酸碳源、氮源进行分解代谢：碳源、氮源和
18、磷酸盐等营养物质不断被消耗，浓度明显减少。盐等营养物质不断被消耗，浓度明显减少。l2产物合成阶段产物合成阶段产物分泌期或发酵中期产物分泌期或发酵中期l这个阶段主要是合成抗生素。这个阶段主要是合成抗生素。l以碳源和氮源的分解代谢和产物的合成代谢为主，以碳源和氮源的分解代谢和产物的合成代谢为主，尚有合成菌体细胞物质的代谢存在，但不是主要的。尚有合成菌体细胞物质的代谢存在，但不是主要的。l由于存在抗生素合成和菌体合成两条代谢途径，外由于存在抗生素合成和菌体合成两条代谢途径，外界环境的变化很容易影响这个阶段的代谢，碳源、界环境的变化很容易影响这个阶段的代谢，碳源、氮源和磷酸盐等营养物质的浓度必须控制在
19、一定的氮源和磷酸盐等营养物质的浓度必须控制在一定的范围内，发酵条件也要严格控制，才能促使产物不范围内，发酵条件也要严格控制，才能促使产物不断地被合成。断地被合成。l3菌体自溶阶段菌体自溶期或发酵后期菌体自溶阶段菌体自溶期或发酵后期l菌体衰老，细胞开始自溶，氨氮含量增加，菌体衰老，细胞开始自溶，氨氮含量增加，pH上升，上升，产物合成能力衰退，生产速率下降。产物合成能力衰退，生产速率下降。l发酵到此期必须结束。发酵到此期必须结束。发酵过程的三个时期：发酵过程的三个时期：1231.停滞期停滞期2.对数期对数期3.稳定期稳定期时间时间细胞数目的对数细胞数目的对数1停滞期停滞期在刚开始接种后的一段时间，
20、几乎未在刚开始接种后的一段时间，几乎未见菌体浓度的增加。工业上要求尽可能缩短延滞见菌体浓度的增加。工业上要求尽可能缩短延滞期，这可通过使用适当种龄的种子和接种量到达。期，这可通过使用适当种龄的种子和接种量到达。2对数生长期对数生长期微生物在此期内的比生长速率最微生物在此期内的比生长速率最大，细胞数目呈指数生长。大，细胞数目呈指数生长。3稳定期稳定期由于养分的消耗和由于养分的消耗和微生物产物的分泌，微生物产物的分泌，生长速率逐渐减速直至停止。生长终止原因可能生长速率逐渐减速直至停止。生长终止原因可能是由于某些必须养分的耗尽和自体毒性代谢物在是由于某些必须养分的耗尽和自体毒性代谢物在培养基上积累的
21、结果。培养基上积累的结果。在稳定期，许屡次级代谢产物在此期合成，因此在稳定期，许屡次级代谢产物在此期合成，因此也称为生产期。也称为生产期。第三节第三节 基质的影响及其控制基质的影响及其控制l一、一、碳源浓度变化及其控制碳源浓度变化及其控制l一碳源浓度的影响一碳源浓度的影响l1、快速利用碳源如葡萄糖、快速利用碳源如葡萄糖l能较迅速地参与代谢，合成菌体和产生能量，能较迅速地参与代谢，合成菌体和产生能量，并产生分解产物如丙酮酸等，有利于菌体并产生分解产物如丙酮酸等，有利于菌体生长。生长。l葡萄糖效应关键：控制浓度，使他们不致产葡萄糖效应关键：控制浓度，使他们不致产生抑制抗生素合成的作用生抑制抗生素合
22、成的作用l应用：应用：l常以较低的浓度和慢速利用碳源一起组成基础常以较低的浓度和慢速利用碳源一起组成基础培养基中的混合碳源，供菌体生长用。培养基中的混合碳源，供菌体生长用。l也作为发酵过程中的中间补糖用。也作为发酵过程中的中间补糖用。l2.慢速利用碳源慢速利用碳源l为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生索的分泌期。特别有利于延长抗生索的分泌期。l需要控制浓度，分批投料。需要控制浓度，分批投料。l二碳源浓度的控制二碳源浓度的控制l补糖的数量，应使发酵液中所含的糖量能维补糖的数量，应使发酵液中所含的糖量能维持菌体的正常生理代谢，并能防
23、止抗生素的持菌体的正常生理代谢，并能防止抗生素的生产能力衰退。生产能力衰退。l一般控制法一般控制法l动力学模型控制法动力学模型控制法l1、一般控制法：、一般控制法：“中间补糖法。中间补糖法。l决定补糖的参考参数有：糖的消耗速率、决定补糖的参考参数有：糖的消耗速率、pH变化、变化、菌体浓度、菌丝形态、发酵液粘度、溶解氧浓度、菌体浓度、菌丝形态、发酵液粘度、溶解氧浓度、消沫油使用情况、罐内发酵液实际体积等。消沫油使用情况、罐内发酵液实际体积等。l开始补糖时间：根据代谢变化的情况来确定。开始补糖时间：根据代谢变化的情况来确定。l补糖数量：以控制菌体浓度略增或不增为原则，使补糖数量：以控制菌体浓度略增
24、或不增为原则，使产生菌的代谢活动有利于抗生素的合成。产生菌的代谢活动有利于抗生素的合成。l补糖方式：连续滴加补入、少量屡次间歇补入、大补糖方式：连续滴加补入、少量屡次间歇补入、大量少次补入等。量少次补入等。l2、动力学模型控制法：、动力学模型控制法：l根据菌体比生长速率、糖比消耗速率以及抗生根据菌体比生长速率、糖比消耗速率以及抗生素比生产速率等动力学参数来控制加糖。素比生产速率等动力学参数来控制加糖。l需建立动力学模型，在实际生产上应用较少。需建立动力学模型，在实际生产上应用较少。二、二、氮源浓度变化及其控制氮源浓度变化及其控制 l1补加有机氮源补加有机氮源l根据产生菌的代谢情况，可在发酵过程
25、中添加某些具根据产生菌的代谢情况，可在发酵过程中添加某些具有调节生长代谢作用的有机氮源，如酵母粉、玉米浆、有调节生长代谢作用的有机氮源，如酵母粉、玉米浆、尿素等。尿素等。l2.补加无机氮源补加无机氮源l补加氨水或硫酸铵是工业上的常用方法。补加氨水或硫酸铵是工业上的常用方法。l补充方式与补碳源类似，以到达最正确生产为目标。补充方式与补碳源类似，以到达最正确生产为目标。三、磷酸盐浓度的影响与控制三、磷酸盐浓度的影响与控制 l微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为0.32300mmol，但对次级代谢产物合成良好所允许，但对次级代谢产物合成良好所允许的最高平均浓度仅为的最
26、高平均浓度仅为1.0mmol，提高到，提高到10mmol，就明显地抑制其合成。，就明显地抑制其合成。l磷酸盐浓度的控制，一般是在基础培养基中采磷酸盐浓度的控制，一般是在基础培养基中采取适当的浓度。取适当的浓度。l生长亚适量的磷酸盐浓度：对菌体生长不是最生长亚适量的磷酸盐浓度：对菌体生长不是最适合但又不影响生长的量。适合但又不影响生长的量。四、前体的影响与控制四、前体的影响与控制l为了抑制抗生素产生菌的生物合成方向及增加为了抑制抗生素产生菌的生物合成方向及增加抗生素产量，在一些抗生素发酵过程中参加化抗生素产量，在一些抗生素发酵过程中参加化学前体物质。学前体物质。l如为了提高苄青霉素的产量在青霉素
27、发酵中参如为了提高苄青霉素的产量在青霉素发酵中参加苯乙酸等。加苯乙酸等。l发酵过程中参加的前体数量一次不宜太多，必发酵过程中参加的前体数量一次不宜太多，必须采用少量屡次或者连续流加的方式参加。须采用少量屡次或者连续流加的方式参加。第四节第四节 温度的影响与控制温度的影响与控制l一、温度对发酵的影响一、温度对发酵的影响l1、影响各种酶反响的速率和蛋白质的性质。、影响各种酶反响的速率和蛋白质的性质。l1在一定范围内，随着温度的升高，酶反响速在一定范围内，随着温度的升高，酶反响速率也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶率也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的催化活力就下降。温度对菌体生长的
28、酶反响和代的催化活力就下降。温度对菌体生长的酶反响和代谢产物合成的酶反响的影响不同。谢产物合成的酶反响的影响不同。l如产黄青霉菌体的最适生长温度为如产黄青霉菌体的最适生长温度为30，青霉素合，青霉素合成的最适温度为成的最适温度为24.7。l2温度还能改变菌种代谢产物的合成方向，温度还能改变菌种代谢产物的合成方向，影响多组分次级代谢产物的组分比例。影响多组分次级代谢产物的组分比例。l如在高浓度如在高浓度Cl-和低浓度和低浓度Cl-的培养基中利用金的培养基中利用金霉素链霉菌霉素链霉菌NRRLB-1287进行四环素发酵，进行四环素发酵，30以下时合成的金霉素增多，达以下时合成的金霉素增多，达35时就
29、只时就只产四环素，而金霉素合成几乎停止。产四环素，而金霉素合成几乎停止。l如黄曲霉产生的多组分黄曲霉毒素，在如黄曲霉产生的多组分黄曲霉毒素，在20、25和和30发酵所产生的黄曲霉毒素发酵所产生的黄曲霉毒素G1与与B1比比例分别为例分别为3：1、1：2和和1：1。l2、影响发酵液的物理性质。、影响发酵液的物理性质。l发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等。和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等。二、影响发酵温度变化的因素二、影响发酵温度变化的因素l产热的因素：生物热产热的因素：生物热Q生物生物和搅拌热和搅拌热Q搅拌搅
30、拌；l散热的因素：蒸发热散热的因素：蒸发热Q蒸发蒸发、辐射热、辐射热Q辐射辐射和显热和显热Q显显。l发酵热：发酵热：Q发酵发酵kJm3hlQ发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射Q显显。l1生物热生物热Q生物生物：产生菌在生长繁殖产生菌在生长繁殖过程中产生的热能。过程中产生的热能。l生物热的大小，随菌种和培养基成分不同生物热的大小，随菌种和培养基成分不同而变化。而变化。l生物热的大小还随培养时间不同而不同。生物热的大小还随培养时间不同而不同。l2搅拌热搅拌热Q搅拌搅拌：搅拌器转动引起的液体：搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之间的摩擦所产生的热量。之间和液体与设备之间的摩擦所产生的
31、热量。l3蒸发热蒸发热Q蒸发蒸发：空气进入发酵罐与发酵：空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，引起水分蒸发所需的热能。液广泛接触后，引起水分蒸发所需的热能。l4辐射热辐射热Q辐射辐射：由于罐外壁和大气间的：由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的局部热能通过罐体向温度差异而使发酵液中的局部热能通过罐体向大气辐射的热量。大气辐射的热量。三、温度的控制三、温度的控制l1最适温度的选择最适温度的选择l最适发酵温度是既适合菌体的生长、又适合代谢最适发酵温度是既适合菌体的生长、又适合代谢产物合成的温度。产物合成的温度。l最适生长温度与最适生产温度往往是不一致的。最适生长温度与最适生产温度往往是不一致的。l
32、理论上，整个发醉过程中不应只选一个培养温度，理论上，整个发醉过程中不应只选一个培养温度，而应该根据发酵的不同阶段，选择不同的培养温而应该根据发酵的不同阶段，选择不同的培养温度。度。最适发酵温度还随菌种、培养基成分、培养条件最适发酵温度还随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段而改变。和菌体生长阶段而改变。如，在较差的通气条件下，由于氧的溶解度是随如，在较差的通气条件下，由于氧的溶解度是随温度下降而升高，因此降低发酵温度对发酵是有温度下降而升高，因此降低发酵温度对发酵是有利的，因为低温可以提高氧的溶解度、降低菌体利的，因为低温可以提高氧的溶解度、降低菌体生长速率，减少氧的消耗，从而可弥补通气条
33、件生长速率，减少氧的消耗，从而可弥补通气条件差所带来的缺乏。差所带来的缺乏。2、温度的控制、温度的控制由于发酵过程中释放大量发酵热，需要冷却情况较由于发酵过程中释放大量发酵热，需要冷却情况较多。多。一般情况下，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇形管一般情况下，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇形管中，进行热交换降温。中，进行热交换降温。如果气温较高，冷却水的温度又高，可采用冷冻盐如果气温较高，冷却水的温度又高，可采用冷冻盐水进行循环式降温。水进行循环式降温。第五节第五节 pH的影响与控制的影响与控制 l一、发酵一、发酵pH的影响的影响l在发酵过程中，在发酵过程中，pH变化决定于所用菌种的特性、变化决定于所
34、用菌种的特性、培养基配比和发酵条件。培养基配比和发酵条件。lpH的变化会引起各种酶活力的改变，影响菌对的变化会引起各种酶活力的改变，影响菌对基质的代谢速度，甚至改变菌的代谢途径及细基质的代谢速度，甚至改变菌的代谢途径及细胞结构。胞结构。一、微生物细胞生长和代谢需要适合一、微生物细胞生长和代谢需要适合pH值值不同微生物对不同微生物对pH值的要求不同，大多数细菌的最适值的要求不同，大多数细菌的最适pH值为值为6.5-7.5,霉菌的最适霉菌的最适pH值为值为4.0-8.0,酵母菌酵母菌的最适的最适pH值为值为3.8-6.0,放线菌的最适放线菌的最适pH值为值为6.5-8.0。发酵过程中控制一定的发酵
35、过程中控制一定的pH值，是保证微生物正常生值，是保证微生物正常生长的重要的条件之一，也是防止杂菌污染的一个长的重要的条件之一，也是防止杂菌污染的一个重要措施。重要措施。pH值不仅影响微生物的生长，还会影响到代谢产物值不仅影响微生物的生长，还会影响到代谢产物的形成。的形成。并且微生物生长的最适并且微生物生长的最适pH值和发酵产物形成的最适值和发酵产物形成的最适pH值往往不同。如青霉素产生菌生长的最适值往往不同。如青霉素产生菌生长的最适pH值值为为6.5-7.2,而青霉素合成的最适而青霉素合成的最适pH值为值为6.2-6.3。链霉素产生菌生长的最适链霉素产生菌生长的最适pH值为值为6.3-6.9,
36、而链霉而链霉素合成的最适素合成的最适pH值为值为6.7-7.3。因此，充分了解微生物生长和产物形成的最适因此，充分了解微生物生长和产物形成的最适pH值，值，并根据不同微生物的特性，在发酵过程中有效地并根据不同微生物的特性，在发酵过程中有效地控制适宜的控制适宜的pH值是非常重要的。值是非常重要的。二、二、pH对微生物影响原因对微生物影响原因1、pH值会影响到微生物细胞原生质膜的电荷，使细值会影响到微生物细胞原生质膜的电荷，使细胞原生质膜发生变化，引起原生质膜对个别离子渗胞原生质膜发生变化，引起原生质膜对个别离子渗透性的改变，从而影响到微生物对培养基中一些营透性的改变，从而影响到微生物对培养基中一
37、些营养物质的吸收利用以及代谢产物的渗漏，进而影响养物质的吸收利用以及代谢产物的渗漏，进而影响到微生物的生长和新陈代谢的正常进行。到微生物的生长和新陈代谢的正常进行。2、pH值会直接影响到微生物细胞内的酶活性，在适值会直接影响到微生物细胞内的酶活性，在适宜的宜的pH值下，微生物细胞中的酶才能发挥最大的值下，微生物细胞中的酶才能发挥最大的活性。活性。3、pH值会影响到培养基中某些重要的营养物质和中值会影响到培养基中某些重要的营养物质和中间代谢产物的解离，从而影响微生物对这些物质的间代谢产物的解离，从而影响微生物对这些物质的吸收和利用。吸收和利用。三、发酵过程中三、发酵过程中pH值的变化情况值的变化
38、情况发酵过程中由于微生物细胞在一定的温度及通气条件发酵过程中由于微生物细胞在一定的温度及通气条件下，随着微生物对培养基中的营养物质的利用及某下，随着微生物对培养基中的营养物质的利用及某些物质的积累，发酵液的些物质的积累，发酵液的pH值会发生一定的变化。值会发生一定的变化。一般在正常情况下，在适合微生物生长及产物合成的一般在正常情况下，在适合微生物生长及产物合成的情况下，微生物本身具有一定的调节情况下，微生物本身具有一定的调节pH值的能力，值的能力，会使会使pH值处于比较适宜的状态。因此发酵过程中值处于比较适宜的状态。因此发酵过程中pH值的变化是有一定规律的。值的变化是有一定规律的。1、在微生物
39、细胞的生长阶段，相对于接种后的起始、在微生物细胞的生长阶段，相对于接种后的起始pH值来说，发酵液的值来说，发酵液的pH值有上升或下降的趋势。值有上升或下降的趋势。2、在生产阶段，一般发酵液的、在生产阶段，一般发酵液的pH值趋于稳定，维持值趋于稳定，维持在最适产物形成的在最适产物形成的pH范围。范围。3、在微生物细胞的自溶阶段，随着培养基中营养物、在微生物细胞的自溶阶段，随着培养基中营养物质的耗尽，微生物细胞内蛋白酶积累和活泼，微生质的耗尽，微生物细胞内蛋白酶积累和活泼，微生物趋于自溶，引起培养液中的氨基氮等的增加，致物趋于自溶，引起培养液中的氨基氮等的增加，致使使pH上升。上升。引起发酵液引起
40、发酵液pH值下降的主要原因有：值下降的主要原因有：1培养基中培养基中C/N比例不当，比例不当，C源过多，如葡萄糖过量或中间补源过多，如葡萄糖过量或中间补糖过多或溶解氧缺乏，使糖的氧化不完全，培养液糖过多或溶解氧缺乏，使糖的氧化不完全，培养液有机酸大量积累，使有机酸大量积累，使pH值下降；值下降；2消泡油加得过消泡油加得过多；多；3生理酸性物质的存在，使生理酸性物质的存在，使pH值下降。值下降。引起发酵液引起发酵液pH值上升的主要原因有：值上升的主要原因有：1培养基中培养基中C/N比例不当，氮源过多，氨基氮释放会使比例不当，氮源过多，氨基氮释放会使pH值上值上升；升；2生理碱性物质的存在；生理碱
41、性物质的存在；3中间补料液中氨中间补料液中氨水或尿素等碱性物质参加过多。水或尿素等碱性物质参加过多。二、发酵过程二、发酵过程pH的控制的控制四、发酵过程中四、发酵过程中pH的控制的控制1、调节培养基的原始、调节培养基的原始pH值，或参加缓冲溶液制成值，或参加缓冲溶液制成缓冲能力强、缓冲能力强、pH值变化不大的培养基，或使盐类值变化不大的培养基，或使盐类和碳源的配比平衡，如磷酸缓冲液。和碳源的配比平衡，如磷酸缓冲液。2、可在发酵过程中参加弱酸或弱碱进行、可在发酵过程中参加弱酸或弱碱进行pH值的调值的调节，进而合理地控制发酵条件。节，进而合理地控制发酵条件。无机酸碱调节无机酸碱调节pH最方便、省事
42、，但也是最无奈的方最方便、省事，但也是最无奈的方法。生理酸碱性物质调节法。生理酸碱性物质调节pH最困难，不易把握，最困难，不易把握，但只要对症，效果最正确。但只要对症，效果最正确。3、如果仅用酸或碱调节、如果仅用酸或碱调节pH值不能改善发酵情况时，值不能改善发酵情况时，进行补料是一个较好的方法，既调节了进行补料是一个较好的方法，既调节了pH值，又值，又可补充营养，也进一步提高发酵产率。通过补料可补充营养，也进一步提高发酵产率。通过补料调节调节pH值来提高发酵产率的方法已在工业发酵过值来提高发酵产率的方法已在工业发酵过程中取得了明显的效果。程中取得了明显的效果。例如，在青霉素发酵中，根据产生菌的
43、代谢需要用例如，在青霉素发酵中，根据产生菌的代谢需要用改变加糖率来控制改变加糖率来控制pH，比固定加糖率而以酸或碱，比固定加糖率而以酸或碱来调节来调节pH可增产青霉素可增产青霉素25。4、生理酸性铵盐作为氮源时，引起、生理酸性铵盐作为氮源时，引起pH下降，可在下降，可在培养液中参加培养液中参加CaCO3来调节来调节pH值。值。但需要注意的是，但需要注意的是，CaCO3的参加量一般都很大，在的参加量一般都很大，在操作上容易引起染菌。因此，此方法在发酵过程操作上容易引起染菌。因此，此方法在发酵过程中应用不是太广。中应用不是太广。5、在发酵过程中根据、在发酵过程中根据pH值的变化可用流加氨水的方值的
44、变化可用流加氨水的方法来调节，同时又把氨水作为氮源供给。由于氨水法来调节，同时又把氨水作为氮源供给。由于氨水作用快，对发酵液的作用快，对发酵液的pH值波动影响大，应采用少量值波动影响大，应采用少量屡次的流加方法进行流加，以免造成屡次的流加方法进行流加，以免造成p H值过高，值过高，抑制微生物的生长。抑制微生物的生长。6、以尿素作为氮源进行流加调节、以尿素作为氮源进行流加调节pH值。值。尿素流加引起的尿素流加引起的pH值变化有一定的规律性，易于值变化有一定的规律性，易于操作控制。操作控制。在抗生素生产的有氧发酵中在抗生素生产的有氧发酵中,保证足量的溶解氧浓度保证足量的溶解氧浓度是发酵控制的主要因
45、素之一。因此必须不断地向是发酵控制的主要因素之一。因此必须不断地向培养液供给足够的氧，以满足微生物生长代谢的培养液供给足够的氧，以满足微生物生长代谢的需求。需求。氧在水中的溶解度很小，在氧在水中的溶解度很小，在25和和1105Pa时，空时，空气中的氧在水中溶解度仅气中的氧在水中溶解度仅0.25mol/m3左右左右,能维持能维持微生物菌体微生物菌体1520s的正常呼吸，随之就会耗尽。的正常呼吸，随之就会耗尽。第六节第六节 溶氧浓度的变化和控制溶氧浓度的变化和控制 在实验室中，通过摇瓶机的往复运动对摇瓶中的微在实验室中，通过摇瓶机的往复运动对摇瓶中的微生物供养，而中间实验规模和生产规模的培养装生物
46、供养，而中间实验规模和生产规模的培养装置则需采用通入无菌空气并同时进行搅拌的方式置则需采用通入无菌空气并同时进行搅拌的方式对微生物供养。对微生物供养。通气和搅拌的目的就是提供微生物生长和代谢所需通气和搅拌的目的就是提供微生物生长和代谢所需的氧，并使微生物在培养液中处于悬浮状态以及的氧，并使微生物在培养液中处于悬浮状态以及提高代谢产物的传递速度。提高代谢产物的传递速度。一、发酵过程溶解氧浓度的变化一、发酵过程溶解氧浓度的变化对多数发酵来说，氧的缺乏会造成代谢异常，产量降对多数发酵来说，氧的缺乏会造成代谢异常，产量降低。溶解氧最易变为发酵中的主要矛盾。低。溶解氧最易变为发酵中的主要矛盾。只有了解发
47、酵过程中溶解氧浓度的变化，才能有效地只有了解发酵过程中溶解氧浓度的变化，才能有效地控制发酵的进行。控制发酵的进行。如金霉素发酵，在生长期中短时间停止通气，就可能如金霉素发酵，在生长期中短时间停止通气，就可能影响菌体在生产期的糖代谢途径，由磷酸戊糖途径影响菌体在生产期的糖代谢途径，由磷酸戊糖途径转向糖酵解途径，使金霉素合成的产量减少。转向糖酵解途径，使金霉素合成的产量减少。1、临界氧浓度、临界氧浓度临界溶氧浓度：当培养基中不存在其他限制性基质时，临界溶氧浓度：当培养基中不存在其他限制性基质时，不影响好氧性微生物生长繁殖的最低溶解氧浓度称不影响好氧性微生物生长繁殖的最低溶解氧浓度称为临界氧浓度。为
48、临界氧浓度。而微生物发酵的最适氧浓度与临界氧浓度是不同的。而微生物发酵的最适氧浓度与临界氧浓度是不同的。最适氧浓度：溶解氧浓度对生长或产物合成的最适的最适氧浓度：溶解氧浓度对生长或产物合成的最适的浓度范围。浓度范围。为了防止发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵为了防止发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵保持在产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵保持在最适氧浓度范围。这样便可减少批次之间的波动和最适氧浓度范围。这样便可减少批次之间的波动和更有效地利用空气动力。更有效地利用空气动力。需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。溶氧较高虽然有利菌需氧发酵并不是溶氧愈大愈好
49、。溶氧较高虽然有利菌体的生长和产物的合成，但当溶氧水平太大体的生长和产物的合成，但当溶氧水平太大,有时会有时会抑制产物的形成。抑制产物的形成。2、溶解氧浓度的变化规律、溶解氧浓度的变化规律在设备和工艺条件不变的情况下，发酵过程中溶解氧在设备和工艺条件不变的情况下，发酵过程中溶解氧的变化有一定的规律。的变化有一定的规律。1在发酵前期：由于在发酵前期：由于产生菌大量繁殖，需产生菌大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供养，此时需氧超过供养，溶氧明显下降，溶氧溶氧明显下降，溶氧曲线出现一个低谷。曲线出现一个低谷。2过了生长阶段，一般需氧量略有减少，溶氧随之过了生长阶段，一般
50、需氧量略有减少，溶氧随之上升，次级代谢产物开始形成。上升，次级代谢产物开始形成。发酵中后期，溶氧浓度明显受工艺控制手段的影发酵中后期，溶氧浓度明显受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等。如，在补糖后，响，如补料的数量、时机和方式等。如，在补糖后，菌体的需氧量增加，引起溶氧下降，其下降幅度与菌体的需氧量增加，引起溶氧下降，其下降幅度与菌龄、补糖量及补糖前的溶氧浓度都有关系。如工菌龄、补糖量及补糖前的溶氧浓度都有关系。如工艺控制不适宜，不断地大量补糖，会使溶氧浓度低艺控制不适宜，不断地大量补糖，会使溶氧浓度低于临界氧浓度，此时溶解氧就会成为生产的限制因于临界氧浓度，此时溶解氧就会成为生产