1、第九章第九章 发酵过程控制发酵过程控制第第1 1节节 温度对发酵的影响温度对发酵的影响及其控制及其控制第第2 2节节 pHpH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制第第3 3节节 溶解氧对发酵的影响及其控制溶解氧对发酵的影响及其控制第第4 4节节 COCO2 2和呼吸商对发酵的影响及其控制和呼吸商对发酵的影响及其控制第第5 5节节 基质浓度对发酵的影响及其控制基质浓度对发酵的影响及其控制第第6 6节节 通气搅拌对发酵的影响及其控制通气搅拌对发酵的影响及其控制第第7 7节节 泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制第第8 8节节 高密度发酵及控制过程高密度发酵及控制过程第第9 9节节
2、发酵终点的检测与控制发酵终点的检测与控制第第1010节节 自动控制技术在发酵过程控制中的应用自动控制技术在发酵过程控制中的应用重点掌握重点掌握:温度、温度、pHpH、溶解氧、菌体浓度、溶解氧、菌体浓度、基质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵过基质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵过程的影响程的影响一、发酵过程的主要控制参数一、发酵过程的主要控制参数 (1)(1)温度温度 最适生长温度与最佳次级代谢产最适生长温度与最佳次级代谢产物合成温度物合成温度往往不同往往不同。（2 2）pH pH 菌体的代谢影响培养基的菌体的代谢影响培养基的pHpH，培养，培养基的基的pHpH又影响菌体的又影响菌体的生长生长和
3、酶系统活性和酶系统活性、代谢、代谢途径途径.（3 3）溶解氧的浓度（）溶解氧的浓度（DODO）溶解氧是需氧菌溶解氧是需氧菌发酵的必要条件。发酵的必要条件。（4 4）基质含量基质含量 要保证菌体生长、维持生存、要保证菌体生长、维持生存、避免抑制、合成产物等不同目的和阶段的工艺避免抑制、合成产物等不同目的和阶段的工艺需要。需要。（5 5）空气流量空气流量 空气灭菌系统、流量、温空气灭菌系统、流量、温度、目的是供氧。度、目的是供氧。（6 6）罐压）罐压 正压防止空气中的杂菌侵入正压防止空气中的杂菌侵入发酵液，罐压过高时发酵液，罐压过高时COCO2 2 浓度陡增，负面作浓度陡增，负面作用。用。（7 7
4、）搅拌速度）搅拌速度 延长空气的停留时间，提延长空气的停留时间，提高溶氧；促进菌体与培养基之间的质量传递。高溶氧；促进菌体与培养基之间的质量传递。过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫。（8 8）搅拌功率）搅拌功率 其成本比重较大。其成本比重较大。（9 9）粘度）粘度 菌体浓度增大时，粘度增加，菌体浓度增大时，粘度增加，溶氧下降。溶氧下降。（1010）浊度）浊度 能直接反应菌体的浓度，但能直接反应菌体的浓度，但不能区分菌体的死活。不能区分菌体的死活。（1111）料液流量）料液流量 连续发酵时，涉及稀释连续发酵时，涉及稀释率。率。（1212）产物浓度）产物浓度 生产目标
5、生产目标（1313）氧化还原电位）氧化还原电位 其原因往往十分复其原因往往十分复杂。测量手段有待开发。杂。测量手段有待开发。（1414）废气中的氧含量）废气中的氧含量 （1515）废气中的）废气中的COCO2 2 从中可了解生产菌从中可了解生产菌株的呼吸代谢规律。株的呼吸代谢规律。（1616）菌丝形态）菌丝形态 判别种子质量、区分判别种子质量、区分发酵阶段、确认染菌的重要依据。发酵阶段、确认染菌的重要依据。（1717）菌体浓度）菌体浓度 是确定补料量、供气量、是确定补料量、供气量、阶段转换的重要依据。阶段转换的重要依据。发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数 pH值（酸碱度）值（酸碱度）
6、1.温度（温度（）2.溶解氧浓度溶解氧浓度3.基质含量基质含量4.空气流量空气流量5.压力压力6.搅拌转速搅拌转速7.搅拌功率搅拌功率8.粘度粘度浊度浊度料液流量料液流量产物浓度产物浓度氧化还原电位氧化还原电位废气中的氧含量废气中的氧含量废气中的废气中的CO2含量含量菌丝形态菌丝形态菌体浓度菌体浓度二、发酵过程的参数检测二、发酵过程的参数检测1.1.直接状态参数直接状态参数2.2.间接状态参数间接状态参数3.3.离线发酵分析方法离线发酵分析方法1.1.直接状态参数直接状态参数直接反映发酵过程微生物生理代谢状况的参直接反映发酵过程微生物生理代谢状况的参数。如数。如pHpH、DODO、溶解、溶解C
7、OCO2 2、尾气、尾气O O2 2、尾气、尾气COCO2 2、黏度等。黏度等。在线检测在线检测传感器传感器2.2.间接状态参数间接状态参数指那些采用直接状态参数计算求得的参数。指那些采用直接状态参数计算求得的参数。比生长速率，摄氧率（比生长速率，摄氧率（OUROUR）,CO,CO2 2释放速率，释放速率，呼吸商（呼吸商（RQRQ），），KLaKLa。可以提供反应过程状态、反应速率、设备性可以提供反应过程状态、反应速率、设备性能、设备利用效率等信息。能、设备利用效率等信息。3 3、离线发酵分析方法、离线发酵分析方法从发酵液中取出样品进行离线分析从发酵液中取出样品进行离线分析,分析菌体浓度，形态
8、、培养基成分和产物成分析菌体浓度，形态、培养基成分和产物成分及含量分及含量。显微观察，细胞体积，干重，光密度，平板显微观察，细胞体积，干重，光密度，平板计数及基质及产物分析等。计数及基质及产物分析等。第第1 1节节 温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制一、影响发酵温度的因素一、影响发酵温度的因素 二、温度对微生物的生长的影响二、温度对微生物的生长的影响三、温度对发酵的影响三、温度对发酵的影响四、最适温度的选择四、最适温度的选择一、影响发酵温度的因素一、影响发酵温度的因素发酵热：发酵过程中释放出来的发酵热：发酵过程中释放出来的净热量净热量。菌分解基质产生热量，菌分解基质产生热量，搅拌
9、产生热量，搅拌产生热量，罐壁散热，罐壁散热，水分蒸发、空气排气带走热量，水分蒸发、空气排气带走热量，发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大，温度发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大，温度上升快；发酵热小，温度上升慢。上升快；发酵热小，温度上升慢。生物热生物热Q Q生物生物 微生物微生物在生长繁殖过程中，产生热量，部分用在生长繁殖过程中，产生热量，部分用来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动的需要，部分用来合成产物，其余部分则以的需要，部分用来合成产物，其余部分则以热热的形式的形式散发出来，这部分热叫散发出来，这部分热叫生物热生物热。例如例如一摩尔葡萄糖彻底氧
10、化成水和二氧化碳一摩尔葡萄糖彻底氧化成水和二氧化碳好氧：产生好氧：产生287.2287.2千焦热量千焦热量 183183千焦转变为高能化合物千焦转变为高能化合物 104.2104.2千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放厌氧：产生厌氧：产生22.622.6千焦的热量千焦的热量 9.69.6千焦转变为高能化合物千焦转变为高能化合物 1313千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放二例中葡萄糖转化为高能化合物的热量分别占二例中葡萄糖转化为高能化合物的热量分别占63.7%63.7%和和42.6%42.6%，放出的热量分别为，放出的热量分别为104.2104.2千焦和千焦和1313千焦。千焦。微生物的好氧培
11、养产生的热比厌氧培养多。微生物的好氧培养产生的热比厌氧培养多。生物热的产生具有强烈的时间性生物热的产生具有强烈的时间性1.1.初初 期：适应期，菌量少，呼吸慢，热量少期：适应期，菌量少，呼吸慢，热量少2.2.对数期：菌量大，呼吸旺盛，热量多对数期：菌量大，呼吸旺盛，热量多3.3.合成期：菌体合成减缓，靠已合成的酶进行合成期：菌体合成减缓，靠已合成的酶进行反应，产热减少，温升小。反应，产热减少，温升小。如果培养前期温度上升过缓，发酵不正常；若培如果培养前期温度上升过缓，发酵不正常；若培养前期温度上升过于剧烈，有可能染菌。养前期温度上升过于剧烈，有可能染菌。此外培养基营养越丰富，生物热也越大。此外
12、培养基营养越丰富，生物热也越大。搅拌热搅拌热Q Q搅拌搅拌 搅拌热与搅拌功率有关，可用下式计算：搅拌热与搅拌功率有关，可用下式计算：Q Q搅拌搅拌=P=P*860860*4186.8J/h4186.8J/hP P搅拌轴功率搅拌轴功率860860*4186.84186.8机械能转变为热能的热功当机械能转变为热能的热功当量量蒸发热蒸发热Q Q蒸发蒸发 通气时引起发酵液的水分蒸发所需的热量叫蒸发热，通气时引起发酵液的水分蒸发所需的热量叫蒸发热，此外排气也会带走部分热量叫显热此外排气也会带走部分热量叫显热Q Q显显，显热很小，显热很小，一般可忽略。一般可忽略。辐射热辐射热Q Q辐射辐射 发酵罐内温度与
13、环境温度不同，发酵液中有部分热发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐内与环通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐内与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些。境的温差。冬天大一些，夏天小一些。Q Q发酵发酵=Q=Q生物生物+Q+Q搅拌搅拌-Q-Q蒸发蒸发-Q-Q辐射辐射二、温度对微生物的生长的影响二、温度对微生物的生长的影响微生物生长对温度要求不同，大致可分为：微生物生长对温度要求不同，大致可分为：嗜冷菌：嗜冷菌：20 20 最大最大 002626生长，生长，嗜温菌：嗜温菌：303035 1535 154343生长，生长，嗜热菌：嗜热菌：50 3750 3
14、76565生长。生长。最适温度最适温度最高温度最高温度最低温度最低温度在最适温度范围内，微生物生长迅速，生长在最适温度范围内，微生物生长迅速，生长速率随温度升高而增加，温度增加速率随温度升高而增加，温度增加1010，生，生长速率增长一倍。长速率增长一倍。超过最高温度微生物即受到抑制或死亡，在超过最高温度微生物即受到抑制或死亡，在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。度非常缓慢，世代时间无限延长。如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为3737。谷氨酸棒状杆菌生谷氨酸棒状杆菌生长温度为长温度为303032 32。青霉菌生长温度为。青
15、霉菌生长温度为3030。为什么不同微生物对温度要求不同呢？为什么不同微生物对温度要求不同呢？根据根据细胞膜脂质成分细胞膜脂质成分分析表明不同最适温度分析表明不同最适温度生长的微生物，其膜内磷脂组成有很大区别。生长的微生物，其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸嗜热菌只含饱和脂肪酸，嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。三、温度对发酵的影响温度影响反应速率温度影响反应速率发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适反应温度，低于最适温度，反应应有一个最适反应温度，低于最适温度，反应速率随温度升高而上升，高于最适温度，发
16、酵速率随温度升高而上升，高于最适温度，发酵速率随温度升高而下降。速率随温度升高而下降。阿累尼乌斯方程式阿累尼乌斯方程式 发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解吸收速率等，都和传递速率、某些基质的分解吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。和产物的生物合成。根据菌的生长特性，菌体生长快，维持较高根据菌的生长特性，菌体生长快，维持较高温度时间要短些，菌体生长慢，维持较高温温度时间要短些，菌体生长慢，维持较高温度时间可长些度时间可长些温度影响细胞生长，也影响细胞
17、得率，因为温度影响细胞生长，也影响细胞得率，因为在高温下细胞维持生命活动的消耗增加。在高温下细胞维持生命活动的消耗增加。在生长的不同阶段所控制的最适温度也不同。在生长的不同阶段所控制的最适温度也不同。在发酵前期在发酵前期，由于菌量少，培养目的是尽快达，由于菌量少，培养目的是尽快达到大量的菌体，因此取稍高的温度，促使菌的到大量的菌体，因此取稍高的温度，促使菌的生长及代谢。生长及代谢。中期菌量中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低些，可以推迟菌体衰老。在稍低温度下，氨低些，可以推迟菌
18、体衰老。在稍低温度下，氨基酸合成蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较基酸合成蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较严密，有利于产物合成。严密，有利于产物合成。发酵后期，产物合成能力降低，没有必要延发酵后期，产物合成能力降低，没有必要延长发酵周期，所以提高温度刺激产物合成到长发酵周期，所以提高温度刺激产物合成到放罐。放罐。温度影响发酵方向温度影响发酵方向影响关键酶活性改变发酵途径影响关键酶活性改变发酵途径.如如四环素产生菌四环素产生菌金色链霉菌金色链霉菌低于低于30 30 0 0C C时合成金霉素能力较强。时合成金霉素能力较强。温度提高温度提高,合成四环素的比例提高。合成四环素的比例提高。温度达到温度达到
19、35 35 0 0C C时金霉素的合成几乎停止，只时金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。产生四环素。四、最适温度的选择1)1)最适温度，最适于菌的生长或产物的生成的最适温度，最适于菌的生长或产物的生成的温度，温度，适合菌体的生长的最适温度适合菌体的生长的最适温度发酵产物合成的最适温度发酵产物合成的最适温度2)2)二阶段的发酵二阶段的发酵青霉素产生菌最适的生长温度青霉素产生菌最适的生长温度3030，而青霉素，而青霉素合成分泌的最适温度合成分泌的最适温度2020。（3 3）其他发酵条件）其他发酵条件根据培养条件综合考虑，灵活选择温度。根据培养条件综合考虑，灵活选择温度。1 1通气条件差时可适当通气
20、条件差时可适当降低降低温度，使菌呼吸速温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度提高一些；率降低些，溶氧浓度提高一些；2 2培养基稀薄时，温度也该低些，因为温度高培养基稀薄时，温度也该低些，因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。营养利用快，会使菌过早自溶。4 4）变温培养）变温培养在抗生素发酵过程中，采用变温培养往往会在抗生素发酵过程中，采用变温培养往往会比恒温培养获得的产物更多。比恒温培养获得的产物更多。青霉素发酵青霉素发酵0 05h,30,55h,30,535h 25,3535h 25,3585h,20,85h,20,最最后回升到后回升到2525培养培养4040小时放罐小时放罐,比恒温比恒温252
21、5培培养提高养提高14.7%14.7%工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。酵热，需要冷却的情况较多。利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。来降温，保持恒温发酵。如果气温较高（特别是我国南方的夏季气如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定
22、的温度，就差，达不到预定的温度，就可采用冷冻盐水可采用冷冻盐水进行循环式降温，进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。以保证在正常温度下进行发酵。第第2 2节节 pHpH值对发酵的影响及其控制值对发酵的影响及其控制一、发酵过程中一、发酵过程中pHpH值变化的规律值变化的规律二、最适二、最适pHpH值的选择值的选择三、三、pHpH值的调控策略值的调控策略一、发酵过程中一、发酵过程中pHpH值变化的规律值变化的规律1.1.基质代谢基质代谢（1 1）糖代谢糖代谢 特别是快速利用
23、的糖，分解成特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使小分子酸、醇，使pHpH下降下降（2 2）氮代谢氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH-NH2 2被利用后被利用后pHpH会下降，尿素被分解成会下降，尿素被分解成NHNH3 3，pHpH上升，上升，NHNH3 3利用利用后后pHpH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pHpH上上升。升。（3 3）生理酸碱性物质利用后）生理酸碱性物质利用后pHpH会上升或下降，会上升或下降，生理酸性物质（如生理酸性物质（如(NH(NH4 4)2 2SOSO4 4）和生理碱性物质）和生理碱性物质（如（如NaNONaNO3 3）。）。
24、2.2.产物形成产物形成某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pHpH变变化。化。如有机酸类产生使如有机酸类产生使pHpH下降，红霉素、洁霉素、下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pHpH上升。上升。3.3.菌体自溶，菌体自溶，pHpH上升，发酵后期，上升，发酵后期，pHpH上升。上升。二、最适二、最适pHpH值的选择值的选择选择最适发酵选择最适发酵pHpH的准则是获得最大比生产速的准则是获得最大比生产速率和合适的菌体量率和合适的菌体量,以获得最高产量。以获得最高产量。利福霉素利福霉素,最适最适pHpH值值7.0-7.57.0
25、-7.50481216206.06.56.87.07.27.58.0种子培养基初始pH值糖酸转化率/%L-亮氨酸产量/gL-1L-亮氨酸糖酸转化率简述一般发酵过程简述一般发酵过程pH值如何变化？值如何变化？在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮源的在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使pH值值产生一定的变化。产生一定的变化。1 1、生长阶段、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中的：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，使蛋白质，生成铵离子，使pHpH上升至碱性；随着上升至碱性；随着菌体量增多，铵离子的消耗也增
26、多，另外糖利菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的积累使用过程中有机酸的积累使pHpH值下降。值下降。2 2、生产阶段、生产阶段：这个阶段：这个阶段pHpH值趋于稳定。值趋于稳定。3 3、自溶阶段：、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使活跃，培养液中氨基氮增加，致使pHpH又上升，又上升，此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。pH值值培养时间培养时间培养过程中培养培养过程中培养液液pH值的大致值的大致变化趋势变化趋势由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌由此可见，在适合于菌生长及
27、合成产物的环境条件下，菌体本身具有一定的调节体本身具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变化的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的pH就会波就会波动。动。将发酵培养基调节成不同的出发将发酵培养基调节成不同的出发pHpH值，进行发酵，在发值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节酵过程中，定时测定和调节pHpH值，以分别维持出发值，以分别维持出发pHpH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的pHpH
28、值为值为菌体生长的合适菌体生长的合适pHpH值。值。用同样的方法，可测得产物合成的合适用同样的方法，可测得产物合成的合适pHpH值。值。同一产品的合适同一产品的合适pHpH值，与所用的菌种、培养基组成和培值，与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。养条件有关。在确定合适发酵在确定合适发酵pHpH值时，不定期要考虑培养温度的影值时，不定期要考虑培养温度的影响。响。如何确定发酵如何确定发酵pH值值三、pHpH值的调控策略值的调控策略考虑基础培养基配方考虑基础培养基配方,调节好基础料的调节好基础料的pHpH，然后然后通过加酸碱或中间补料来控制。通过加酸碱或中间补料来控制。基础料中含有玉米浆，基础料中
29、含有玉米浆，pHpH呈酸性，必须调节呈酸性，必须调节pHpH。有机酸或氨水调节注意监测氧浓度变化防止有机酸或氨水调节注意监测氧浓度变化防止菌体出现氨中毒。菌体出现氨中毒。在基础料中加入维持在基础料中加入维持pH pH 的物质，如的物质，如CaCOCaCO3 3如何通过补料调节pHpH？在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调补料与调 pH pH 没有矛盾时采用补料调没有矛盾时采用补料调 pHpH。（1 1）调节补糖速率，调节空气流量来调节）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH pH。(2(2）当当NHNH2 2-N-N低，低，pH pH 低时补氨
30、水；当低时补氨水；当NHNH2 2-N-N低，低，pH pH 高时补高时补(NH(NH4 4)2 2SOSO4 4。当补料与调当补料与调 pH pH 发生矛盾时，加酸碱调发生矛盾时，加酸碱调pHpH。第第3 3节节 溶解氧对发酵的影响及其控制溶解氧对发酵的影响及其控制一、溶解氧变化的规律一、溶解氧变化的规律二、溶解氧在发酵过程控制中的重要应用二、溶解氧在发酵过程控制中的重要应用三、影响溶解氧的主要因素与控制方法三、影响溶解氧的主要因素与控制方法四、溶解氧控制对发酵的影响四、溶解氧控制对发酵的影响一、溶解氧变化的规律一、溶解氧变化的规律溶解氧溶解氧 DO DO 值值 溶氧电极溶氧电极溶解氧浓度：
31、一般用溶解氧浓度：一般用mg/Lmg/L或或mmol/Lmmol/L表示表示,一般耗氧菌呼吸临界溶解氧浓度为一般耗氧菌呼吸临界溶解氧浓度为0.03-0.03-0.05mg/L0.05mg/L还可以用还可以用空气饱和百分比空气饱和百分比或或氧分压氧分压表示表示,以接以接种前的空气饱和度为种前的空气饱和度为100%100%计算计算,发酵前期：发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不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，溶氧明断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降显下降 发酵中后期发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手，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
32、和方式等段的影响，如补料的数量、时机和方式等 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，溶氧就会度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升明显地上升 溶氧监测的作用溶氧监测的作用1)1)从发酵液中的溶解氧浓度变化，可以从发酵液中的溶解氧浓度变化，可以了解微生物了解微生物 生长生长代谢是否代谢是否异常。异常。a a、溶解氧判断是操作故障或事故引起的异常现象。、溶解氧判断是操作故障或事故引起的异常现象。b b、判断中间补料是否恰当。、判断中间补料是否恰当。c c、溶解氧判断发酵体系是否污染杂菌。、溶解氧判断发酵体系是否污染杂菌。
33、d d、溶解氧作为控制代谢方向的指标。、溶解氧作为控制代谢方向的指标。举例：供氧对谷氨酸发酵的影响举例：供氧对谷氨酸发酵的影响通风适量通风适量 生成谷氨酸生成谷氨酸通风过量通风过量 生成生成-酮戊二酸酮戊二酸 通风不足通风不足 生成乳酸或琥珀酸生成乳酸或琥珀酸 2)2)工艺控制是否合理工艺控制是否合理 3)3)设备供氧能力是否充足。设备供氧能力是否充足。溶解氧浓度的控制溶解氧浓度的控制决定因素：供氧和需氧。决定因素：供氧和需氧。供氧控制：供氧控制：设法提高氧传递的推动力和设法提高氧传递的推动力和KlaKla。需氧控制：需氧控制：需氧量受菌体浓度、基质种类、需氧量受菌体浓度、基质种类、和浓度及培
34、养条件等因素影响，以和浓度及培养条件等因素影响，以菌浓度影菌浓度影响响最明显。最明显。发酵液摄氧率随菌浓增加而按比例增加发酵液摄氧率随菌浓增加而按比例增加但氧的传递速率随但氧的传递速率随菌浓度的菌浓度的对数关系减少。对数关系减少。对于好氧发酵过程是否是维持DO值越高越好？即使是专性好氧菌，过高的即使是专性好氧菌，过高的DODO值对生长也可值对生长也可能不利。氧的有害作用是因为新生能不利。氧的有害作用是因为新生O O，超氧化，超氧化物基物基O O2-2-和超氧化物基和超氧化物基O O2 22-2-或羟基自由基或羟基自由基OH-OH-，破坏细胞及细胞膜。破坏细胞及细胞膜。第4节 CO2和呼吸商对发
35、酵的影响及其控制一、一、COCO2 2 对菌体的生长和产物形成的影响对菌体的生长和产物形成的影响1 CO1 CO2 2影响细胞膜的结构和通透性影响细胞膜的结构和通透性 溶解溶解COCO2 2主要作用于细胞膜的脂肪酸核主要作用于细胞膜的脂肪酸核心部位，而心部位，而HCOHCO3 3则影响磷脂，亲水头部带电则影响磷脂，亲水头部带电荷表面上的蛋白质。当细胞膜的磷脂相中荷表面上的蛋白质。当细胞膜的磷脂相中COCO2 2浓度达到临界值时，膜的流动性及表面电荷浓度达到临界值时，膜的流动性及表面电荷密度发生变化。这将导致膜对许多基质的运密度发生变化。这将导致膜对许多基质的运输受阻，使细胞处于输受阻，使细胞处
36、于“麻醉麻醉”状态，生长受状态，生长受抑制，形态发生变化。抑制，形态发生变化。2 2、抑制代谢、抑制代谢 溶解在发酵液中的溶解在发酵液中的COCO2 2的抑制作用。大多的抑制作用。大多数微生物适应低数微生物适应低COCO2 2浓度（浓度（0.02 0.02 0.04 0.04 体积分数）。体积分数）。当尾气当尾气COCO2 2浓度高于浓度高于4 4 时，微生物的糖时，微生物的糖代谢与呼吸速率下降。代谢与呼吸速率下降。COCO2 2的溶解度是的溶解度是O O2 2 的的2424倍。应控制罐压。倍。应控制罐压。举例：青霉素生产中：举例：青霉素生产中：COCO2 2浓度浓度0.080.0810105
37、 5 Pa Pa 作用：产物的合成速率作用：产物的合成速率40 40 措施：措施：H/DH/D；排气；排气3 3、作为重要的基质作为重要的基质如：在精氨酸的生物合成过程中，其前体氨如：在精氨酸的生物合成过程中，其前体氨甲酰磷酸的合成需要甲酰磷酸的合成需要COCO2 2基质基质如：牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵如：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条件是提供的空气中要含5%5%的的COCO2 2 。4 4、影响发酵液的酸碱平衡、影响发酵液的酸碱平衡二、二、COCO2 2的浓度控制的浓度控制在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制
38、。控制控制COCO2 2的主要措施：的主要措施：尽量减小罐压或负压操作；尽量减小罐压或负压操作；H/D H/D 不要太高；不要太高；加强搅拌；加强搅拌；与补料工艺相结合。与补料工艺相结合。调节通风调节通风三、呼吸商与发酵的关系摄氧率摄氧率:OUR:OURCOCO2 2的释放率的释放率(CER)(CER)：呼吸商呼吸商:RQ=CER/OURRQ=CER/OUR：酵母培养时：酵母培养时：若若RQ=1,RQ=1,表示糖代谢进行有氧分解代谢途径，表示糖代谢进行有氧分解代谢途径，仅供生长，无产物形成。仅供生长，无产物形成。若若RQ1.1,RQ1.1,表示进行表示进行EMPEMP途径，生成乙醇。途径，生成
39、乙醇。当当RQ=0.93,RQ=0.93,生产柠檬酸；生产柠檬酸；RQ0.7RQ0.7表示生成乙醇被当作基质再利用。表示生成乙醇被当作基质再利用。呼吸商与发酵的关系1 1、菌体利用不同基质时、菌体利用不同基质时RQRQ值也是不同的。值也是不同的。2 2、在抗生素发酵中生长、维持和产物形成阶、在抗生素发酵中生长、维持和产物形成阶段的段的RQRQ值也不一样。如青霉素分别值也不一样。如青霉素分别0.9090.909，1.01.0，4.04.0。3 3、产物的还原性比基质的还原性大，其、产物的还原性比基质的还原性大，其RQRQ值值增加。增加。4 4、当蔗糖、葡萄糖或淀粉等碳水化合物作为、当蔗糖、葡萄糖
40、或淀粉等碳水化合物作为呼吸底物时，如果它们被完全氧化呼吸底物时，如果它们被完全氧化RQRQ值约等值约等于于1 1。5 5、无氧呼吸时，没有、无氧呼吸时，没有O O2 2的吸收，只有的吸收，只有COCO2 2的释的释放，此时放，此时RQRQ值为无穷大；值为无穷大；第5节 基质浓度对发酵的影响及其控制1 1、培养基的质量、培养基的质量:有机碳源和有机氮源，除规定的外观，含水有机碳源和有机氮源，除规定的外观，含水量，灰分，主要成分含量等参数外，更重要量，灰分，主要成分含量等参数外，更重要的需经实验评价来确定。的需经实验评价来确定。2 2、培养基的数量、培养基的数量:控制底物浓度在适当的程控制底物浓度
41、在适当的程度，可以防止底物抑制和阻遏的作用，也可度，可以防止底物抑制和阻遏的作用，也可以控制微生物适当的生长阶段。以控制微生物适当的生长阶段。如何避免发酵的过程中底物和前体发生抑制和阻遏？根据底物消耗速度连续流加以避免出现不足或过量。根据底物消耗速度连续流加以避免出现不足或过量。具体可以：具体可以：1 1、以经验数据或预测数据控制流加；、以经验数据或预测数据控制流加；2 2、以、以pHpH、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；3 3、以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数、以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计算限制性基质的浓度，间接
42、控制流加；计算限制性基质的浓度，间接控制流加；4 4、用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流、用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。加。第 6 节 通气搅拌对发酵的影响及其控制影响氧的传递速率影响氧的传递速率影响物料的混合均匀影响物料的混合均匀影响泡沫的产生影响泡沫的产生影响菌丝体形态影响菌丝体形态第 7 节 泡沫对发酵的影响及其控制 泡沫是气体被分泡沫是气体被分散在少量液体中的散在少量液体中的胶体体系。胶体体系。一、泡沫现象一、泡沫现象 发酵过程因通气搅拌、发酵产生的发酵过程因通气搅拌、发酵产生的COCO2 2 以及以及发酵液中的糖、蛋白质和代谢物等物质发酵液中的糖、蛋白质和
43、代谢物等物质(表面表面活性剂具有较高的表面张力活性剂具有较高的表面张力)的存在，使发酵的存在，使发酵液有一定的泡沫液有一定的泡沫。二、泡沫形成的原因二、泡沫形成的原因 由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；搅拌）；发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。质）。三、泡沫过多的危害三、泡沫过多的危害1.1.降低生产能力。装料系数减少、为了防止降低生产能力。装料系数减少、为了防止溢出而降低装量。溢出而降低装量。2 2容易造成大量逃液，引起原料浪费，并容容易造成大量逃液，引起原料浪费，并容易引起染菌，正常通气无
44、法进行。易引起染菌，正常通气无法进行。3.3.氧传递系数减小，影响菌的呼吸和正常发氧传递系数减小，影响菌的呼吸和正常发酵。降低发酵设备的利用。酵。降低发酵设备的利用。不同浓度蛋白质原料的起泡作用不同浓度蛋白质原料的起泡作用三、泡沫的消除1、机械消泡法、机械消泡法原理原理 用机械力或压力变化击碎泡沫。用机械力或压力变化击碎泡沫。方法方法 罐内法：在搅拌轴上方安装消沫桨，形罐内法：在搅拌轴上方安装消沫桨，形式多样，击碎泡沫；式多样，击碎泡沫；罐外法：泡沫引出罐外，喷嘴加速作用罐外法：泡沫引出罐外，喷嘴加速作用或离心破碎泡沫。或离心破碎泡沫。优点：优点：不用引入外界物质；减小染菌机会；不用引入外界物
45、质；减小染菌机会；节省原料；不增加下游分离负担；节省原料；不增加下游分离负担；缺点：缺点：仅限于泡沫较轻的情况；不能根本解决仅限于泡沫较轻的情况；不能根本解决泡沫生成的原因。泡沫生成的原因。2、消泡剂消泡消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低、液膜排液，消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低、液膜排液，因而导致泡沫破灭。因而导致泡沫破灭。对消泡剂的要求对消泡剂的要求（1）消泡能力强，有一定的水性）消泡能力强，有一定的水性，挥发性小，挥发性小。（2）使用浓度要低。降低成本、减少副作用。）使用浓度要低。降低成本、减少副作用。（3）对产物无影响。对产物无影响。与发酵液不起化学反应。与发酵液不起化学反应。（4）无
46、毒）无毒，能耐高温灭菌，能耐高温灭菌。（5）便于使用、运输安全，来源方便、价廉。便于使用、运输安全，来源方便、价廉。常用消泡剂的种类和性能常用消泡剂的种类和性能（1 1）天然油脂：天然油脂：如豆油、菜油、鱼油等。如豆油、菜油、鱼油等。（2 2）聚醚类聚醚类：甘油三羟基聚醚，如聚氧丙烯甘：甘油三羟基聚醚，如聚氧丙烯甘油油GPGP型消泡剂；聚氧乙烯氧丙烯甘油型消泡剂；聚氧乙烯氧丙烯甘油GPEGPE型消泡剂（泡敌）；疏水性强，在起泡型消泡剂（泡敌）；疏水性强，在起泡液中分散性较差，需要特殊乳化加工。液中分散性较差，需要特殊乳化加工。（3 3）高碳醇高碳醇：C7C7C9C9的醇是最有效的消泡剂。的醇是
47、最有效的消泡剂。C12C12C22C22的高碳醇借助适当的乳化剂也是水的高碳醇借助适当的乳化剂也是水体系的消泡剂。体系的消泡剂。（4 4）硅酮类：硅酮类：聚二甲基硅氧烷表面能低，表面聚二甲基硅氧烷表面能低，表面张力低，适当乳化，成为有效的消泡剂。张力低，适当乳化，成为有效的消泡剂。消泡剂的应用注意事项：消泡剂的应用注意事项：（1 1）消泡的同时有利于产物合成）消泡的同时有利于产物合成.（2 2）天然油脂一次加入量过多时，将使溶氧迅）天然油脂一次加入量过多时，将使溶氧迅速下跌，通常会影响菌的呼吸活性和（包括速下跌，通常会影响菌的呼吸活性和（包括氧）透过细胞壁的运输。尽量减少消泡剂的氧）透过细胞壁
48、的运输。尽量减少消泡剂的用量。用量。（3 3）使用消泡剂之前要作对比实验；化学消泡）使用消泡剂之前要作对比实验；化学消泡剂应制成乳浊液。剂应制成乳浊液。（4 4）机械法和化学法应该组合使用，并采用自）机械法和化学法应该组合使用，并采用自动监控系统。动监控系统。一、高细胞密度发酵成功实例大肠杆菌在基本培养基，葡萄糖、矿物盐或甘油矿物盐，培养方法葡萄糖（甘油）非限制指数补料，细胞干重140150g/L第第8 8节节 高密度发酵及控制过程高密度发酵及控制过程二、高密度发酵二、高密度发酵的策略的策略1 1、使用最低合成培养基以便进行准确的培养、使用最低合成培养基以便进行准确的培养基设计和计算生长得率，
49、有助于避免引入对基设计和计算生长得率，有助于避免引入对细胞生长不利的养分限制。细胞生长不利的养分限制。2 2、细胞生长速率应优化，使得碳源能被充分、细胞生长速率应优化，使得碳源能被充分利用并获得较高的产率，用养分流加来限制利用并获得较高的产率，用养分流加来限制菌的生长速率还能控制培养物对氧的需求和菌的生长速率还能控制培养物对氧的需求和产热速率。产热速率。3 3、可用碳源作为限制性养分，因为其用量比、可用碳源作为限制性养分，因为其用量比其他养分大且易控制，为了能得到最大的细其他养分大且易控制，为了能得到最大的细胞浓度和减轻连续恒化培养所带来的菌种不胞浓度和减轻连续恒化培养所带来的菌种不稳定等问题
50、，宜采用补料分配发酵来实现高稳定等问题，宜采用补料分配发酵来实现高密度培养。密度培养。三、高密度培养发酵技术三、高密度培养发酵技术1 1、常用搅拌罐和带有外置式或内置式细胞持、常用搅拌罐和带有外置式或内置式细胞持留装置的反应器，如透析膜反应器、气升式留装置的反应器，如透析膜反应器、气升式反应器、气旋式反应器等。反应器、气旋式反应器等。2 2工业化生产中常采用搅拌罐和补料工艺来进工业化生产中常采用搅拌罐和补料工艺来进行高细胞密度发酵。行高细胞密度发酵。四、高密度发酵存在的问题：四、高密度发酵存在的问题：1 1、水溶液中的固体与气体物质的溶解度。、水溶液中的固体与气体物质的溶解度。2 2、基质对生
