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1、发发 酵酵 工工 艺艺 的的 控控 制制第第 五五 章章第五章第五章 发酵工艺的控制发酵工艺的控制l 1.概述概述 l.温度的影响及其控制温度的影响及其控制l.pH的影响及控制的影响及控制l.溶氧的影响和控制溶氧的影响和控制l.泡沫的作用和控制泡沫的作用和控制l.补料的作用和控制补料的作用和控制l.发酵终点的判断发酵终点的判断发酵过程控制是发酵的重要部分发酵过程控制是发酵的重要部分控制难点：控制难点：过程的不确定性和参数的非线性过程的不确定性和参数的非线性发酵过程的影响因素是复杂的，比如设备的差发酵过程的影响因素是复杂的，比如设备的差别、水的差别、培养基灭菌的差别，菌种保藏别、水的差别、培养基
2、灭菌的差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程的细微差别都会引起微时间的长短，发酵过程的细微差别都会引起微生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的一般方法对于优化发酵是十分必要的一般方法对于优化发酵是十分必要的1.概述概述 一、发酵过程的方式一、发酵过程的方式二、二、发酵过程的代谢参数发酵过程的代谢参数一、发酵过程的方式一、发酵过程的方式分批培养分批培养补料分批培养补料分批培养半连续培养半连续培养连续培养连续培养分批培养中微生物的生长规律分批培养中微生物的生长规律迟滞期迟滞期对数生长期对数生长期稳稳 定定 期期死亡期死亡期迟滞期：迟滞期：菌体没有分裂只有生长，
3、因为当菌种接种菌体没有分裂只有生长，因为当菌种接种入一个新的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这时入一个新的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这时细胞不能分裂。细胞不能分裂。对数生长期：对数生长期：当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很度达到一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很快，对于初级代谢产物，在对数生长期初期就开始快，对于初级代谢产物，在对数生长期初期就开始合成并积累，合成并积累，稳定期：稳定期：随着细胞生长，培养液中的营养物减少，随着细胞生长，培养液中的营养物减少，废物积累，导致细胞生长速率下降，进入减速期废物积累，导致细
4、胞生长速率下降，进入减速期死亡期：死亡期：最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入死亡期，而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳死亡期，而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳定期大量合成。定期大量合成。1 1、分批发酵分批发酵(间隙发酵间隙发酵)最简单的发酵过程，培养基灭菌后最简单的发酵过程，培养基灭菌后,接入菌接入菌种，进行发酵种，进行发酵,除了空气的通入和排气外除了空气的通入和排气外,没有物料的加入和取出。没有物料的加入和取出。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。物浓度等参数都随时间变化。优点：优
5、点：操作简单，周期短，染菌机会少，生操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程容易掌握产过程容易掌握缺点缺点：产率低产率低 分批培养的优缺点：分批培养的优缺点：2 2、补料分批培养、补料分批培养 在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。足而导致的发酵过早结束的缺点。在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，在工在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，在工厂的实际生产中采用这种方法很多。厂的实际生产中采用这种方法很多。补料分批培养的优缺点补料分批培养的优缺点:优点优点:在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，在这样一种系统中可
6、以维持低的基质浓度，避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料控制避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料控制达到最佳的生长和产物合成条件。达到最佳的生长和产物合成条件。缺点缺点:由于没有物料取出，产物的积累最终导致比由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降生产速率的下降;增加了染菌机会增加了染菌机会3 3、半连续培养、半连续培养在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。液（带放）称为半连续培养。半连续培养的特点半连续培养的特点放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产
7、物合成，提高了总有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。产量。4 4、连续培养、连续培养发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，基质浓度都是恒定的。基质浓度都是恒定的。连续培养的优缺点连续培养的优缺点优点：控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发优点：控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，得到高的产量。酵周期长，得到高的产量。缺点缺点：菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌：菌种不稳定的话，长期连续
8、培养会引起菌种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增加。加。发酵过程的分析是生产控制的眼睛，它显示发酵过程的分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。微生物个了发酵过程中微生物的主要代谢变化。微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断。只能从分析一些参数来判断。二、发酵过程的代谢参数二、发酵过程的代谢参数代谢参数按性质分可分三类：代谢参数按性质分可分三类：物理参数：物理参数：温度、转速、压力、空气流量、粘度等温度、转速、压力、空气流量、粘度等化学参数：化
9、学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、溶解氧、基质浓度（包括糖、氮、磷）、溶解氧、pH、产物浓度等、产物浓度等生物参数生物参数：菌丝形态、菌浓度、呼吸强度、关键酶：菌丝形态、菌浓度、呼吸强度、关键酶活力等活力等发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数l1.物理参数物理参数l（1）温度）温度（）l直接影响发酵过程的酶反应速率，氧的溶解度直接影响发酵过程的酶反应速率，氧的溶解度和传递速率，菌体生长速率和合成速率。和传递速率，菌体生长速率和合成速率。l（2）压力）压力（Pa）l影响发酵过程氧和影响发酵过程氧和CO2的溶解度，正压防止外的溶解度，正压防止外界杂菌污染。罐压一般控制在界杂菌污染。罐压一
10、般控制在0.21050.5105 Pa。l（3）搅拌速度）搅拌速度（r/min）l搅拌器在发酵过程中的转动速度。搅拌器在发酵过程中的转动速度。l其大小影响发酵过程氧的传递速率，还受发酵罐的其大小影响发酵过程氧的传递速率，还受发酵罐的容积限制（见下表）容积限制（见下表）发酵罐容积(L)搅拌转速范（r/min）备注32002000实验室研究101501000实验室，小试50100800中试20050400中试或生产1000025200生产5000025160生产l（5）空气流量）空气流量（m3空气空气/（m3发酵液发酵液min）l单位时间内单位体积发酵液里通入空气的体积，一单位时间内单位体积发酵液
11、里通入空气的体积，一般控制在般控制在0.51.0（m3空气空气/（m3发酵液发酵液min）l（6）粘度）粘度（Pas）l细胞生长或细胞形态的一种标志，反映发酵罐中的细胞生长或细胞形态的一种标志，反映发酵罐中的菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。l2.化学参数化学参数l（1）pH（酸碱度）（酸碱度）l发酵工艺重要的参数之一，与菌体生长和产物合成发酵工艺重要的参数之一，与菌体生长和产物合成有密切关系。包括起始有密切关系。包括起始pH，发酵过程中的，发酵过程中的pH。l（2）基质浓度）基质浓度（g/L）l发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的浓度，对菌发酵液中糖、氮、磷等重要营养
12、物质的浓度，对菌体的生长和代谢合成有重要影响，是产物代谢控制体的生长和代谢合成有重要影响，是产物代谢控制的重要手段。的重要手段。l（3）溶解氧浓度）溶解氧浓度（饱和度，）（饱和度，）l溶解氧是好氧发酵的必备条件，通常用饱和百分度溶解氧是好氧发酵的必备条件，通常用饱和百分度表示。表示。l（5）产物浓度）产物浓度（g（u）/ml）l检验发酵是否正常与否的重要参数，检验发酵是否正常与否的重要参数，l是决定发酵周期长短的根据是决定发酵周期长短的根据.l3.生物参数生物参数l（1）菌丝形态）菌丝形态l菌丝形态是衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发菌丝形态是衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化
13、和决定发酵周期的依据之一。酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之一。l（2）菌体浓度）菌体浓度l菌体浓度是控制微生物发酵的重要参数之一。生产菌体浓度是控制微生物发酵的重要参数之一。生产上，常常根据菌体浓度来决定补料量和供氧量，以上，常常根据菌体浓度来决定补料量和供氧量，以保证生产达到预期水平。保证生产达到预期水平。2.温度的影响及其控制温度的影响及其控制一、温度对发酵的影响一、温度对发酵的影响l（1）影响微生物各种酶催化反应的速度）影响微生物各种酶催化反应的速度l微微生生物物可可生生长长的的温温度度范范围围较较广广，总总体体说说在在-1095。在在生生物物学学范范围围内内温温度度每每升升高高1
14、0，生生长长速速度度通通常常就就加加快快一倍；温度每升高一倍；温度每升高10酶反应速度增加酶反应速度增加23倍；倍；l菌体生长的酶反应和产物合成酶反应温度往往是不同的，菌体生长的酶反应和产物合成酶反应温度往往是不同的，因而发酵过程的温度直接影响产率；因而发酵过程的温度直接影响产率；l（2）影响产物合成的方向）影响产物合成的方向l金金霉霉素素链链霉霉菌菌四四环环素素发发酵酵时时，30一一下下时时金金霉霉素素增增多多，35时只生产四环素；时只生产四环素；l（3）影响发酵液的物理性质）影响发酵液的物理性质二、二、影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素l发酵液的温度变化受生物热、搅拌热发酵液的温度变化受
15、生物热、搅拌热、蒸发热、蒸发热、辐射热、辐射热 和显热的影响，和显热的影响，l用公式表示为：用公式表示为：lQ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（1）生物热）生物热、搅拌热搅拌热 l生物热：生物热：是菌体在生长繁殖过程中产生的热能，是菌体在生长繁殖过程中产生的热能，来自菌体的分解代谢，生物热的大小和菌种、来自菌体的分解代谢，生物热的大小和菌种、培养基成分和菌体的呼吸强度有关。培养基成分和菌体的呼吸强度有关。l培养基愈丰富，生物热愈大；培养基愈丰富，生物热愈大；l细胞数量愈多，生物热愈大；细胞数量愈多，生物热愈大；l呼吸强度愈高，生物热愈大。呼吸强度愈高，生物热愈大。l搅
16、拌热：搅拌热：搅拌器转动引起的液体之间和液体与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，设备之间的摩擦所产生的热量，（2）蒸发热、显热和辐射热）蒸发热、显热和辐射热l蒸发热：蒸发热：空气进入发酵罐，与醪液充分混合，空气进入发酵罐，与醪液充分混合，引起水分蒸所需的热能为引起水分蒸所需的热能为l显热：显热：水分蒸发、进气和废气排出因温度差异水分蒸发、进气和废气排出因温度差异所带走的部分热能为所带走的部分热能为l辐射热：辐射热：发酵罐外壁与大气间的温度差异使发发酵罐外壁与大气间的温度差异使发酵罐中的部分热能通过罐体向大气辐射的热能酵罐中的部分热能通过罐体向大气辐射的热能为为三、三、
17、温度的控制温度的控制l（1）最适温度的选择）最适温度的选择l最适发酵温度使既适合菌体生长，又适合代谢产物合成的最适发酵温度使既适合菌体生长，又适合代谢产物合成的温度。两个温度往往不一致。如：温度。两个温度往往不一致。如：l乳酸链霉菌发酵生产乳酸，最适菌体生长温度为乳酸链霉菌发酵生产乳酸，最适菌体生长温度为34，最，最适产物合成温度为适产物合成温度为30；l最适发酵温度随菌种、基质成分、培养条件和菌体生长阶最适发酵温度随菌种、基质成分、培养条件和菌体生长阶段而异；段而异；l理论上讲，发酵过程可以设置不同的发酵温度时段，包括理论上讲，发酵过程可以设置不同的发酵温度时段，包括菌体生长发酵温度和产物合
18、成发酵温度等。生产上，由于菌体生长发酵温度和产物合成发酵温度等。生产上，由于发酵液体积大，少则几十立方米，多则上百上千立方米，发酵液体积大，少则几十立方米，多则上百上千立方米，升降温度时间长，难度大，通常采用一个发酵温度。升降温度时间长，难度大，通常采用一个发酵温度。（2）温度的控制温度的控制l发发酵酵罐罐在在发发酵酵过过程程中中一一般般不不需需加加热热，选选用用微微生生物物能能承承受受稍稍高高一一些些的的温温度度进进行行生生长长和和繁繁殖殖，这这对对生生产产有有很很大大的的好好处处，即即可可减减少少污污染染杂杂菌菌的的机机会会和和夏夏季季培培养养所所需需降降温温的的辅辅助助设设备备，因因此此
19、培培养养耐高温的菌种有一定的现实意义。耐高温的菌种有一定的现实意义。l生生产产中中，温温度度的的控控制制是是采采用用冷冷却却水水通通入入发发酵酵罐罐的蛇管或夹套中，热交换保持恒温发酵的。的蛇管或夹套中，热交换保持恒温发酵的。3.pH的影响及控制的影响及控制l（1）pH的影响的影响l培养基中的培养基中的pH值与微生物生命活动有着密切关系，各种微值与微生物生命活动有着密切关系，各种微生物有其可以生长的和最适生长和最适生产的生物有其可以生长的和最适生长和最适生产的pH范围。一范围。一般微生物的最适生长般微生物的最适生长pH范围为：范围为：l细菌：细菌：pH7.08.0、霉菌：、霉菌：pH4.05.8
20、、酵母菌：酵母菌：pH3.86.0l产物的合成也有最适产物的合成也有最适pH，青霉素合成最适，青霉素合成最适pH为为6.56.8。l发酵过程中，控制发酵液的发酵过程中，控制发酵液的pH值是控制生产的指标之一，值是控制生产的指标之一，pH值过高、过低都会影响微生物的生长繁殖以及代谢产物值过高、过低都会影响微生物的生长繁殖以及代谢产物的积累。的积累。l控制控制pH值不但可以保证微生物良好的生长，而且可以防止值不但可以保证微生物良好的生长，而且可以防止杂菌的污染。在发酵工业中，维持适宜的杂菌的污染。在发酵工业中，维持适宜的pH已成为生产成已成为生产成败的关键因素之一。败的关键因素之一。（2）pH的变
21、化因素的变化因素l发酵过程中，发酵过程中，pH的变化与菌种、培养基的成分和培养条件的变化与菌种、培养基的成分和培养条件有关。微生物通过其活动也能改变环境的有关。微生物通过其活动也能改变环境的pH值，菌体本身值，菌体本身具有调节周围具有调节周围pH 的能力。的能力。l例例：地中海诺卡氏发酵利福霉素：地中海诺卡氏发酵利福霉素SV时，起始时，起始pH为为6.8及及7.5时，最终时，最终pH均达均达7.5，产率正常；起始，产率正常；起始pH为为6.0时，最终时，最终pH为为4.5，产率减少；，产率减少；l培培养养基基pH在在发发酵酵过过程程中中能能被被菌菌体体代代谢谢所所改改变变。若若阴阴离离子子(如
22、如醋醋酸酸根根、磷磷酸酸根根)被被吸吸收收或或氮氮源源被被利利用用后后产产生生NH3，则则pH上上升升；阳阳离离子子(如如NH4、K+)被被吸吸收收或或有有机机酸酸的的积积累累，使使pH下下降。降。l一一般般来来说说，高高碳碳源源培培养养基基倾倾向向于于向向酸酸性性pH转转移移，高高氮氮源源培培养基倾向于向碱性养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。转移，这都跟碳氮比直接有关。（3）发酵发酵pH的确定和控制的确定和控制l（1）根据实验确定最佳发酵）根据实验确定最佳发酵pH，正交试验。，正交试验。l（2）pH的控制的控制l考虑培养基成分的生理酸性盐和生理碱性盐的考虑培养基成分的生理酸性盐
23、和生理碱性盐的缓冲作用；缓冲作用；l生产中常用补加酸碱来控制，如氨水，尿素，生产中常用补加酸碱来控制，如氨水，尿素，硫酸铵等。硫酸铵等。4.溶氧的影响和控制溶氧的影响和控制 l（1）溶氧对发酵的影响溶氧对发酵的影响l溶溶氧氧是是需需氧氧发发酵酵控控制制的的重重要要参参数数之之一一，氧氧的的溶溶解解度很小，氧的溶解度仅为度很小，氧的溶解度仅为6.4mg/L，l溶溶氧氧大大小小对对菌菌体体生生长长和和产产物物的的性性质质和和产产量量产产生生不不同同影影响响；例例如如，谷谷氨氨酸酸发发酵酵时时，通通气气不不足足会会积积累累大量乳酸和琥珀酸；大量乳酸和琥珀酸；l不不同同微微生生物物或或同同一一微微生生
24、物物的的不不同同生生长长阶阶段段对对通通风风量量的的要要求求也也不不相相同同。例例如如，天天氡氡酰酰胺胺酶酶发发酵酵，前前期期为为好好气气培培养养，后后期期为为厌厌氧氧培培养养，产产酶酶能能力力会会大大大提高。大提高。（2）发酵过程的溶氧变化发酵过程的溶氧变化l发发酵酵前前期期，菌菌体体繁繁殖殖迅迅速速，菌菌体体摄摄氧氧率率增增加加，需需氧氧量量增增加加，溶氧下降。溶氧下降。l发发酵酵中中期期，需需氧氧量量在在有有所所减减少少，菌菌体体和和发发酵酵液液粘粘度度均均达达到到峰峰值；溶氧在较低水平维持一段时间后，开始上升；值；溶氧在较低水平维持一段时间后，开始上升；l发酵后期发酵后期，产物大量合成
25、，呼吸强度比较稳定，溶氧增加，产物大量合成，呼吸强度比较稳定，溶氧增加，l发酵过程中有时会发生溶氧异常情况（异常下降或升高）发酵过程中有时会发生溶氧异常情况（异常下降或升高）l异异常常下下降降原原因因可可能能有有：污污染染好好氧氧菌菌；或或菌菌体体向向好好氧氧代代谢谢途途径径迁移，或供氧设备发生故障等。迁移，或供氧设备发生故障等。l异异常常上上升升原原因因可可能能有有：污污染染噬噬菌菌体体，菌菌体体完完全全被被裂裂解解；或或菌菌体向厌氧代谢途径迁移体向厌氧代谢途径迁移（3）溶氧的控制）溶氧的控制l溶溶氧氧浓浓度度的的控控制制可可从从供供氧氧和和需需氧氧两两方方面面着着手手，其其中中供供氧是主要
26、的：氧是主要的：l需需氧氧方方面面：需需氧氧量量与与菌菌体体浓浓度度，基基质质浓浓度度和和种种类类，培培养条件有关。养条件有关。l供供氧氧方方面面：生生产产中中常常采采用用加加大大通通气气速速率率，或或提提高高搅搅拌拌转速，或适当增加罐压；转速，或适当增加罐压；l通通气气可可以以供供给给大大量量的的氧氧：通通气气量量与与菌菌种种、培培养养基基性性质质、培培养阶段有关。养阶段有关。l搅搅拌拌则则能能使使新新鲜鲜氧氧气气更更好好地地与与培培养养液液混混合合，保保证证氧氧的的最最大大限度溶解，限度溶解，l罐罐压压方方面面，一一般般来来说说，若若培培养养罐罐深深，搅搅拌拌转转速速大大，通通气气管管开开
27、孔孔小小或或多多，气气泡泡在在培培养养液液内内停停留留时时间间就就长长，氧氧的的溶溶解解速度就大。速度就大。l搅搅拌拌可可以以提提高高通通气气效效果果，但但是是过过度度地地剧剧烈烈搅搅拌拌会会导导致致培培养养液液大大量量涌涌泡泡，容容易易增增加加杂杂菌菌污污染染的的机机会会，微微生生物物细细胞胞也也不宜剧烈搅拌不宜剧烈搅拌5.补料的作用和控制补料的作用和控制l1.分批补料培养（分批补料培养（fed-batch culture）的优点和应用）的优点和应用l分批补料培养分批补料培养是先投入一定量底物装入罐内，到发酵是先投入一定量底物装入罐内，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳过程的适当时期，开始
28、连续补加碳-能源或氮源或其他能源或氮源或其他基质，使发酵过程中，限制性底物浓度在罐内保持一基质，使发酵过程中，限制性底物浓度在罐内保持一定；发酵液体积达到最大工作体积时，终止发酵，醪定；发酵液体积达到最大工作体积时，终止发酵，醪液一次全部取出的发酵方法；液一次全部取出的发酵方法；l介于分批发酵与相连续发酵之间的一种发酵技术，在介于分批发酵与相连续发酵之间的一种发酵技术，在发酵工业中普遍应用。发酵工业中普遍应用。分批补料发酵的优点分批补料发酵的优点l（1）可以解除底物抑制，产物反馈抑制，分）可以解除底物抑制，产物反馈抑制，分解代谢产物抑制；解代谢产物抑制；l（2）可避免菌体过量生长，能改善发酵液
29、性）可避免菌体过量生长，能改善发酵液性质；质；l（3）能有效控制菌浓度，菌体细胞的质量）能有效控制菌浓度，菌体细胞的质量2.分批补料发酵的补料方式和控制分批补料发酵的补料方式和控制l补料方式有单组分补料（限制性因子）和多组补料方式有单组分补料（限制性因子）和多组分补料；分补料；l反馈控制系统包括传感器、控制器、驱动器三反馈控制系统包括传感器、控制器、驱动器三个单元组成；既可以直接控制限制性因子（碳个单元组成；既可以直接控制限制性因子（碳源、氮源或碳氮比）的浓度，也可以间接控制源、氮源或碳氮比）的浓度，也可以间接控制溶氧、溶氧、pH、呼吸强度、呼吸强度、CO2浓度、产物浓度浓度、产物浓度6.6.
30、泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制l1.泡沫的影响泡沫的影响l泡沫泡沫是发酵醪液中具有表面活性蛋白类表面活性是发酵醪液中具有表面活性蛋白类表面活性剂物质，在通气条件下形成的。泡沫是一种胶体剂物质，在通气条件下形成的。泡沫是一种胶体体系；体系；l面上泡沫，分布在醪液上面，气液界面明显，气面上泡沫，分布在醪液上面，气液界面明显，气相比例大；相比例大；l面下泡沫，又称流态泡沫，分布在醪液中，气液面下泡沫，又称流态泡沫，分布在醪液中，气液界面不明显，体系稳定；界面不明显，体系稳定；l泡沫的负面影响泡沫的负面影响：l减少发酵罐工作体积，引起醪液逃液；减少发酵罐工作体积，引起
31、醪液逃液；l降低溶氧，减少氧传递系数；降低溶氧，减少氧传递系数；l引起污染，严重时会导致倒罐；引起污染，严重时会导致倒罐；2.泡沫的控制泡沫的控制l（1）调整培养基成分）调整培养基成分l避免或减少一起泡沫的培养基成分；避免或减少一起泡沫的培养基成分；l改善发酵工艺，采用分批补料方法发酵；改善发酵工艺，采用分批补料方法发酵；l改变发酵的部分物理化学参数，如温度，改变发酵的部分物理化学参数，如温度，pH值，通气和搅值，通气和搅拌拌l（2）机械消泡）机械消泡l增加消泡装置，内消法和外消法，增加消泡装置，内消法和外消法，l（3）消沫剂消泡法）消沫剂消泡法l消泡剂是抑制底表面张力的表面活性剂，消泡剂是抑
32、制底表面张力的表面活性剂，l天然油脂类：天然油脂类：豆油，玉米油，棉籽油，菜子油，猪油等；豆油，玉米油，棉籽油，菜子油，猪油等；l聚醚类聚醚类：GP型聚合物（氧化丙烯和甘油聚合物，）；型聚合物（氧化丙烯和甘油聚合物，）；GPE型聚合物（氧化丙烯、环氧乙烷和甘油聚合物，亲水性，型聚合物（氧化丙烯、环氧乙烷和甘油聚合物，亲水性，泡敌泡敌）；）；l硅酮类硅酮类：l高碳醇、脂肪酸和酯类高碳醇、脂肪酸和酯类7.发酵终点的判断发酵终点的判断l1.发酵过程的优化主要指标有：发酵过程的优化主要指标有：l 产物得率最大（或产量最大），产物得率最大（或产量最大），l 经济效益最大经济效益最大l 成本最低成本最低l
33、 产品质量最好产品质量最好l2.发酵终止时间的确定是以上指标的综合考虑，发酵终止时间的确定是以上指标的综合考虑，生产力高、成本低、利润大为准则确定放罐时生产力高、成本低、利润大为准则确定放罐时间。间。l3.特殊因素特殊因素染菌的控制染菌的控制 l（1）染菌的原因）染菌的原因l设备、管道、阀门漏损、灭菌不彻底；设备、管道、阀门漏损、灭菌不彻底；l空气净化不好；空气净化不好；l无菌操作不严或菌种不纯等。无菌操作不严或菌种不纯等。l（2）染菌的控制）染菌的控制l严格无菌操作技术严格无菌操作技术l前期污染，重新灭菌前期污染，重新灭菌l后期污染，即使停止后期污染，即使停止习题：发酵的四种方式及特点微生物
34、在密闭状态的生长规律及其原理发酵过程的几个重要参数及其控制l（1）菌体生长阶段）菌体生长阶段（发酵前期或平衡期）（发酵前期或平衡期）l碳碳源源和和氮氮源源等等进进行行分分解解代代谢谢，基基质质不不断断被被消消耗耗，菌菌体体不不断断繁繁殖殖，菌浓不断增加；菌浓不断增加；l菌菌体体摄摄氧氧率率增增加加，溶溶解解氧氧浓浓度度下下降降，菌菌体体达达到到临临界界浓浓度度时时，氧氧浓度达最小；浓度达最小；lpH发生一些变化，或先升后降，或先降后升；发生一些变化，或先升后降，或先降后升；l发发酵酵体体系系出出现现某某一一限限制制因因子子，菌菌体体生生长长速速率率下下降降，中中间间代代谢谢产产物大量积累；物大
35、量积累；l菌菌体体生生理理发发生生变变化化，与与次次级级代代谢谢相相关关的的酶酶被被解解除除控控制制，菌菌体体进进入产物合成阶段。入产物合成阶段。l（2）产物合成阶段）产物合成阶段（分泌期或发酵中期）（分泌期或发酵中期）l发酵过程中代谢变化如下：发酵过程中代谢变化如下：l菌菌体体达达到到临临界界浓浓度度，菌菌体体基基本本不不繁繁殖殖，但但细细胞胞内内含含物物仍仍在在增增加，菌体干重增加；总加，菌体干重增加；总DNA含量达定值；含量达定值；l基基质质继继续续被被消消耗耗，产产物物不不断断被被合合成成，代代谢谢仍仍然然包包括括基基质质的的分分解代谢和产物合成代谢；但菌体的呼吸强度不变；解代谢和产物
36、合成代谢；但菌体的呼吸强度不变；l环环境境条条件件对对产产物物合合成成很很敏敏感感，需需严严加加控控制制温温度度，pH/，基基质质浓度和溶解氧浓度；浓度和溶解氧浓度；l基基质质浓浓度度不不能能过过高高或或过过低低，过过高高则则会会引引起起菌菌体体繁繁殖殖，过过低低会会加速菌体老化；加速菌体老化；l（3）菌体自溶阶段）菌体自溶阶段（自溶期或发酵后期）（自溶期或发酵后期）l发酵过程中代谢变化如下：发酵过程中代谢变化如下：l菌体细胞衰老，细胞开始自溶；菌体细胞衰老，细胞开始自溶；l氨氮含量增加，氨氮含量增加，pH上升；上升；l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发发酵酵
37、一一旦旦进进入入自自溶溶阶阶段段必必须须结结束束，否否则则产产物物会会被被破坏，还会给后续工艺带来困难。破坏，还会给后续工艺带来困难。第三节第三节第三节第三节 菌体浓度的影响及其控制菌体浓度的影响及其控制菌体浓度的影响及其控制菌体浓度的影响及其控制l菌体细胞浓度菌体细胞浓度（cell concentration）是指单位体是指单位体积醪液中菌体的含量，反映菌体细胞的多少、菌体的分积醪液中菌体的含量，反映菌体细胞的多少、菌体的分化阶段，与菌体的生长速率有密切关系。化阶段，与菌体的生长速率有密切关系。l1.影响菌浓的因素影响菌浓的因素l（1）微生物种类）微生物种类l菌体的繁殖速率与微生物的自身遗传
38、特性有关，取决于菌体的繁殖速率与微生物的自身遗传特性有关，取决于细胞结构的复杂性和生长机制。典型的细菌、酵母、霉细胞结构的复杂性和生长机制。典型的细菌、酵母、霉菌和原生动物的倍增时间为：菌和原生动物的倍增时间为：l细菌细菌45分钟分钟l酵母酵母90分钟分钟l霉菌霉菌3小时小时l原生动物原生动物6小时小时l（2）基质浓度）基质浓度l由由Monod关关系系式式 得得出出，生生长速率取决于基质浓度。长速率取决于基质浓度。l当当基基质质浓浓度度S10Ks时时，比比生生长长速速率率就就接接近近最最大大值。值。l基质抑制效应基质抑制效应：l所所有有营营养养物物质质均均存存在在一一个个上上限限浓浓度度，在在
39、此此限限度度内内，菌菌体体的的比比生生长长速速率率随随浓浓度度增增加加而而增增加加，但但超超过过此此浓浓度度，浓浓度度继继续续增增加加会会引引起起生生长长速速率率下下降降的的现现象象（可可能能时时基基质质浓浓度度过过高高，形成高渗透压，引起细胞脱水而抑制微生物生长）。形成高渗透压，引起细胞脱水而抑制微生物生长）。l一些营养物质的上限浓度为：一些营养物质的上限浓度为：lNH4+5g/L，lPO43-10g/L，l葡萄糖葡萄糖 100g/L l（3）其他环境条件）其他环境条件l温度温度lpH值值l渗透压渗透压l水分活度水分活度l2.菌浓对发酵的影响菌浓对发酵的影响l（1）对代谢产物得率的影响对代谢
40、产物得率的影响l初级代谢发酵产物与菌浓成正比关系，初级代谢发酵产物与菌浓成正比关系，Rp=QpmX，l如氨基酸、维生素，菌浓越大，产率越高；如氨基酸、维生素，菌浓越大，产率越高；l（2）对溶解氧的影响）对溶解氧的影响l菌浓越大，能提高摄氧率菌浓越大，能提高摄氧率（OUR），），使摄氧率按比例增加使摄氧率按比例增加（OURQO2X），），l菌浓越大，表观粘度增加，降低氧传递速率（菌浓越大，表观粘度增加，降低氧传递速率（OTR），使溶），使溶解氧减少。解氧减少。l3.菌浓的控制菌浓的控制l控制基质浓度，控制基质浓度，l调节基质组成；调节基质组成；l中间不料控制（补加磷酸盐提高菌浓）。中间不料控制（
41、补加磷酸盐提高菌浓）。第四节第四节第四节第四节 基质的影响及其控制基质的影响及其控制基质的影响及其控制基质的影响及其控制l基质即培养微生物的营养物质，供微生物生长繁基质即培养微生物的营养物质，供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的按一定比例殖和生物合成各种代谢产物所需要的按一定比例配制的多种营养物质混合物。配制的多种营养物质混合物。l基质的种类和浓度与发酵代谢有着密切关系，控基质的种类和浓度与发酵代谢有着密切关系，控制基质的种类和浓度是提高代谢产物的重要方法。制基质的种类和浓度是提高代谢产物的重要方法。l1.碳源的种类和浓度碳源的种类和浓度l快速利用碳源快速利用碳源能迅速参与代谢、菌体
42、繁殖、产生能能迅速参与代谢、菌体繁殖、产生能量，并产生分解代谢产物（如丙酮酸），有利于菌量，并产生分解代谢产物（如丙酮酸），有利于菌体生长。体生长。l缓慢利用碳源缓慢利用碳源多为聚合物，为菌体缓慢利用，有利多为聚合物，为菌体缓慢利用，有利于延长产物合成，特别有利于延长抗生素发酵的分于延长产物合成，特别有利于延长抗生素发酵的分泌期，泌期，l乳糖（青霉素发酵），蔗糖（头孢菌素乳糖（青霉素发酵），蔗糖（头孢菌素C发酵），发酵），麦芽糖（盐霉素发酵），玉米油（核黄素发酵），麦芽糖（盐霉素发酵），玉米油（核黄素发酵），半乳糖（生物碱碱发酵）。半乳糖（生物碱碱发酵）。糖对青霉素生物合成的影响糖对青霉素生物
43、合成的影响糖对青霉素生物合成的影响糖对青霉素生物合成的影响l糖的缓慢利用是青糖的缓慢利用是青霉素合成的关键因霉素合成的关键因素，缓慢滴加葡萄素，缓慢滴加葡萄糖可以代替乳糖，糖可以代替乳糖，这里的乳糖是青霉这里的乳糖是青霉素合成缓慢利用碳素合成缓慢利用碳源，并非前体物质。源，并非前体物质。l生产实践中生产实践中，通过动力学研究方法，通过动力学研究方法或经验性方法或经验性方法 确定补糖时间，补糖确定补糖时间，补糖量，补糖方式，提高产率；通常采量，补糖方式，提高产率；通常采用速效碳源和缓慢利用碳源混合碳用速效碳源和缓慢利用碳源混合碳源。源。2.2.氮源的影响和控制氮源的影响和控制氮源的影响和控制氮源
44、的影响和控制l氮源构成微生物细胞和代谢产物中氮素的营养物氮源构成微生物细胞和代谢产物中氮素的营养物质，可补充碳源，是发酵的主要原料之一。也有质，可补充碳源，是发酵的主要原料之一。也有迅速利用氮源和缓慢利用氮源。迅速利用氮源和缓慢利用氮源。l缓慢利用氮源缓慢利用氮源：主要为有机氮源，黄豆饼粉，玉：主要为有机氮源，黄豆饼粉，玉米浆，棉籽饼粉，蛋白胨，酵母粉，鱼粉，菌丝米浆，棉籽饼粉，蛋白胨，酵母粉，鱼粉，菌丝体，酒糟体，酒糟。具有延长次级代谢产物分泌期，提高。具有延长次级代谢产物分泌期，提高产量的作用。产量的作用。l迅速利用氮源：迅速利用氮源：主要为无机氮源，氨水，硫酸铵，主要为无机氮源，氨水，硫
45、酸铵，氯化铵，硝酸盐，具有调节氯化铵，硝酸盐，具有调节pH值的作用；速效氮源值的作用；速效氮源容易被菌体吸收利用，促进菌体生长，但对产物合容易被菌体吸收利用，促进菌体生长，但对产物合成具有调节作用，影响产量。成具有调节作用，影响产量。l生产上发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用混生产上发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用混合氮源，如链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。方合氮源，如链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。方法有：法有：l（1）补加有机氮源）补加有机氮源，如尿素，既可做氮源也可做，如尿素，既可做氮源也可做pH调节剂。调节剂。l（2）补加无机氮源）补加无机氮源，最常用的是氨水和硫酸铵，前，最常用
46、的是氨水和硫酸铵，前者为碱性，后者为生理酸性盐。者为碱性，后者为生理酸性盐。3.3.磷酸盐浓度的影响和控制磷酸盐浓度的影响和控制磷酸盐浓度的影响和控制磷酸盐浓度的影响和控制l磷磷 是构成核酸，蛋白质等细胞物质的组成成分，是是构成核酸，蛋白质等细胞物质的组成成分，是许多辅酶和高能磷酸键的成分，氧化磷酸化的必需元许多辅酶和高能磷酸键的成分，氧化磷酸化的必需元素。素。l微生物可生长的磷酸盐浓度为微生物可生长的磷酸盐浓度为0.32300mmol/L；l微生物次级代谢合成最高的磷酸盐浓度为微生物次级代谢合成最高的磷酸盐浓度为1mmol/L；l金霉素炼霉菌四环素发酵最适菌体生长磷浓度金霉素炼霉菌四环素发酵最适菌体生长磷浓度6570g/L；最适合成四最适合成四环环素素磷浓度磷浓度2530g/L；l青霉素发酵以青霉素发酵以0.01磷酸二氢钾最佳；磷酸二氢钾最佳；l另外，其他成分也会影响发酵得率，可根据各菌种生理特性因另外，其他成分也会影响发酵得率，可根据各菌种生理特性因地制宜的控制。地制宜的控制。