发酵过程的控制课件.ppt

1、第十章第十章 发酵过程的控制发酵过程的控制10.1 发酵过程中的代谢变化参数10.2 温度及其控制10.3 pH的影响及其控制10.4 发酵过程中的代谢与控制10.5 泡沫的影响及其控制10.6 发酵终点的判断及不正常发酵的处理10.7 发酵工艺的研究第1页，共78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第2页，共78页。第第1 1节节 发酵过程中的代谢变化参数发酵过程中的代谢变化参数1、物理参数、物理参数2、化学参数、化学参数3、生物参数、生物参数与代谢有关的参数：与代谢有

2、关的参数：第3页，共78页。1.温度温度温度对发酵的影响：温度对发酵的影响：一、物理参数一、物理参数酶反应速率酶反应速率氧在培养液中的溶解度氧在培养液中的溶解度菌体生长菌体生长抗生素合成抗生素合成第4页，共78页。2.压力压力发酵罐维持一定程度的正压的好处：发酵罐维持一定程度的正压的好处：一、物理参数一、物理参数一是可以杜绝由于罐压为零时造成的染菌；一是可以杜绝由于罐压为零时造成的染菌；二是增加氧在培养液中的溶解度，有利于菌的二是增加氧在培养液中的溶解度，有利于菌的生长及合成抗生素。生长及合成抗生素。但罐压不宜过高，但罐压不宜过高，原因是二氧化碳在水中的溶解度比氧大原因是二氧化碳在水中的溶解度

3、比氧大30倍，倍，罐压增大，二氧化碳的分压也增加。罐压增大，二氧化碳的分压也增加。第5页，共78页。3.搅拌转速搅拌转速提高搅拌转速可以增加氧溶解速度。提高搅拌转速可以增加氧溶解速度。一、物理参数一、物理参数4.搅拌功率搅拌功率搅拌功率与供氧系数搅拌功率与供氧系数KLa有关。有关。5.空气流量空气流量 空气流量过小对发酵不利；空气流量过小对发酵不利；过大，泡沫产生过多，培养液表观体积增大，过大，泡沫产生过多，培养液表观体积增大，装料体积减少，缩短空气在罐内的滞留时间，装料体积减少，缩短空气在罐内的滞留时间，浪费无菌空气。浪费无菌空气。第6页，共78页。6.溶解氧（溶解氧（DO）空气中的氧气只有

4、溶于发酵液中才能被菌体利用；空气中的氧气只有溶于发酵液中才能被菌体利用；溶氧浓度的大小与氧的传递速率及摄氧率有关。溶氧浓度的大小与氧的传递速率及摄氧率有关。一、物理参数一、物理参数7.表观粘度表观粘度与培养基的成分及菌体的浓度有关。与培养基的成分及菌体的浓度有关。第7页，共78页。1.基质浓度基质浓度发酵过程中糖、氮、磷等营养物质的含量发酵过程中糖、氮、磷等营养物质的含量是反映产生菌代谢变化的重要参数。是反映产生菌代谢变化的重要参数。二、化学参数二、化学参数必须经常测定糖、氮等基质的浓度。必须经常测定糖、氮等基质的浓度。第8页，共78页。2.pH发酵液的发酵液的pH是发酵过程中各种生化反应的是

5、发酵过程中各种生化反应的酸碱性的综合反映。酸碱性的综合反映。二、化学参数二、化学参数酶的活性与基质的酶的活性与基质的pH有关，不同的菌所含有关，不同的菌所含的酶类不同，其合适的酶类不同，其合适pH就不同。就不同。第9页，共78页。3.脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）DNA 是细胞生长的基本物质。是细胞生长的基本物质。二、化学参数二、化学参数以以DNA为参数可以清楚地区分发酵的各个阶为参数可以清楚地区分发酵的各个阶段。段。第10页，共78页。1.菌丝形态菌丝形态菌丝形态的改变是代谢变化的反映。菌丝形态的改变是代谢变化的反映。三、生物参数三、生物参数以抗生素生产说明：以抗生素生产说明：以菌丝形

6、态作为衡量种子质量、区分不同的以菌丝形态作为衡量种子质量、区分不同的发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化及决定发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化及决定发酵周期的依据之一。发酵周期的依据之一。第11页，共78页。2.菌体干重（或菌体浓度）菌体干重（或菌体浓度）生物量生物量三、生物参数三、生物参数与补料、供氧工艺、抗生素产量等都有关系。与补料、供氧工艺、抗生素产量等都有关系。第12页，共78页。3.菌体比生长速率菌体比生长速率每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率，生长速率，h-1。三、生物参数三、生物参数需将菌体比生长速率控制在一定范围内，以便

7、需将菌体比生长速率控制在一定范围内，以便使抗生素的生产速率维持在较高的水平。使抗生素的生产速率维持在较高的水平。它是发酵动力学中的一个重要参数。它是发酵动力学中的一个重要参数。第13页，共78页。4.氧比消耗速率氧比消耗速率又称呼吸强度（又称呼吸强度（QO2）每小时单位质量的菌体所消耗的氧的数量。每小时单位质量的菌体所消耗的氧的数量。三、生物参数三、生物参数第14页，共78页。5.糖比消耗速率糖比消耗速率每小时单位质量的菌体所消耗的糖量。每小时单位质量的菌体所消耗的糖量。三、生物参数三、生物参数6.氮比消耗速率氮比消耗速率每小时单位质量的菌体所消耗的氮的数量。每小时单位质量的菌体所消耗的氮的数

8、量。第15页，共78页。第第2 2节节 温度及其控制温度及其控制生产菌在最适温度范围以下培养时，生生产菌在最适温度范围以下培养时，生长代谢慢；反之则生长代谢加快。长代谢慢；反之则生长代谢加快。微生物生化反应与温度有着密切的关系。微生物生化反应与温度有着密切的关系。第16页，共78页。1、温度对发酵的影响、温度对发酵的影响对细胞生长的影响：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；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对产物

9、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；率的最适温度往往是不同的；温度升高，一般产物生成提前；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。一些基质的分解，间接影响生物合成。第17页，共78页。2、发酵热的产生（、发酵热的产生（p207）发酵热：发酵过程释放出来的净热量。发酵热：发酵过程释放出来的净热量。包括：包括：生物热：微生物生长

10、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：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 显显 热：空气流动过程夹带着的热量热：空气流动过程夹带着的热量Q发酵发酵=Q生物生物+Q搅拌搅拌-Q蒸发蒸发-Q显显-Q辐射辐射 第18页，共78页。3、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：Q发酵发酵=Gcw(t1-t2)/V G冷却水流量；冷却水流量；Cw水的比热；水的比热；V发酵液体积。发酵液体

11、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：Q发酵发酵=(M1c1+M2c2)S M1、c1 发酵液质量、比热；发酵液质量、比热；M2、c2 发酵罐质量、比热；发酵罐质量、比热；S温度上升速率。温度上升速率。第19页，共78页。发酵热在发酵过程中随时间变化。发酵热在发酵过程中随时间变化。为使发酵在一定温度下进行，为使发酵在一定温度下进行，措施有：措施有：在罐夹层（即夹套）或盘管（即蛇管）内通在罐夹层（即夹套）或盘管（即蛇管）内通入冷却水或冰盐水来调节；入冷却水或冰盐水来调节；在发酵前期或种子罐是通热水保温。在发酵前期或种子罐是通热水保温。第20页，共78页。4、

12、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 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，以利于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；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；到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低些，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；即代谢产物合成的最适温度；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

13、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（温升氧降）；生长阶段；培养条件等。降）；生长阶段；培养条件等。第21页，共78页。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最适温度选择最适温度选择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。如：青霉素分别为：如：青霉素分别为：30和和 24.7。青霉素发酵的温度控制青霉素发酵的温度控制 0-5h：30C 6-35h：25C 36-85h：20C 86

14、-125h：25C0 5358512530252025第22页，共78页。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 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性不同菌种在不同生长阶段的生长和生产特性 参考其它发酵条件（通气、培养基成分和浓度、参考其它发酵条件（通气、培养基成分和浓度、pH值等）。如通气条件差时，则最适发酵温度值等）。如通气条件差时，则最适发酵温度比通气良好时低。比通气良好时低。第23页，共78页。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 温度控制

15、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：罐外夹套罐外夹套 罐内蛇管、列管罐内蛇管、列管第24页，共78页。第第3 3节节 pH的的影响及其控制影响及其控制 1、pH对发酵的影响对发酵的影响 2、影响发酵、影响发酵pH的因素的因素 3、最适、最适pH的选择和调节的选择和调节pH是决定产生菌各种酶活性的重要因素。是决定产生菌各种酶活性的重要因素。

16、确定和有效控制确定和有效控制pH在菌体生长或产物在菌体生长或产物积累的最适范围是高产的保证。积累的最适范围是高产的保证。第25页，共78页。1、pH对发酵的影响对发酵的影响微生物生长最适微生物生长最适pH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pH值。值。细菌细菌6.5-7.5；放线菌放线菌6.5-8.0；霉菌霉菌4.0-5.8；酵母菌酵母菌3.8-6.0产物形成最适产物形成最适pH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pH值往往不同。值往往不同。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

17、。第26页，共78页。1 1）影响微生物的）影响微生物的生长繁殖生长繁殖。石油吃蜡酵母（解脂假丝酵母和热带假丝酵母）石油吃蜡酵母（解脂假丝酵母和热带假丝酵母）在在 pH 3.5-5.0 范围内生长良好且不易染菌；高于范围内生长良好且不易染菌；高于5时，形态变小，发酵液变黑，发酵过程中容易被时，形态变小，发酵液变黑，发酵过程中容易被细菌污染；细菌污染；pHpH低于低于3 3时，生长受到严重的抑制，细时，生长受到严重的抑制，细胞极不齐整，且出现细胞自溶的情况。胞极不齐整，且出现细胞自溶的情况。第27页，共78页。2）影响微生物的）影响微生物的形态形态。产黄青霉产黄青霉细胞壁的厚度会随细胞壁的厚度会

18、随pH的增加而减小。的增加而减小。pH低于低于6时，菌丝长度变短，直径为时，菌丝长度变短，直径为2-3m；pH 大于大于7时，菌丝直径为时，菌丝直径为2-8 m，膨胀菌丝增多；，膨胀菌丝增多；pH下降后，菌丝又恢复到正常状态。下降后，菌丝又恢复到正常状态。第28页，共78页。3 3）pHpH影响代谢产物形成的影响代谢产物形成的数量数量和代谢途径和代谢途径方向方向 pHpH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。产物的质量和比例发生改变。如黑曲霉如黑曲霉:在在pH 2-3时发酵产生柠檬酸，时发酵产生柠檬酸，在在pH近中性时，则产生草酸

19、。近中性时，则产生草酸。谷氨酸发酵谷氨酸发酵:在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-N-乙酰谷氨酰乙酰谷氨酰胺。胺。酵母在酸性条件下产生乙醇，而在碱性条件下发酵母在酸性条件下产生乙醇，而在碱性条件下发酵产物是甘油。酵产物是甘油。第29页，共78页。4 4）影响产物的）影响产物的稳定性稳定性 如噻纳霉素的发酵中，如噻纳霉素的发酵中，pHpH值在值在6.7-7.5之间时，抗生素的产量相近，产之间时，抗生素的产量相近，产品稳定性未受影响，半衰期也无变化；品稳定性未受影响，半衰期也无变化；但当但当pHpH大于

20、大于7.57.5时，抗生素半衰期缩短，稳定性时，抗生素半衰期缩短，稳定性下降，发酵产量也减少。下降，发酵产量也减少。第30页，共78页。5 5）pHpH在微生物培养的不同阶段有不同的影响在微生物培养的不同阶段有不同的影响 生长合成pH对菌体生长影响比产物合成影响小对菌体生长影响比产物合成影响小XpH四环素四环素放线菌金色链丛菌放线菌金色链丛菌第31页，共78页。（1 1）pHpH影响影响酶的活性酶的活性。当。当pHpH值抑制菌体某些酶值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻；的活性时使菌的新陈代谢受阻；（2 2）pHpH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，

21、从而改变改变细胞膜的透性，细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行；及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行；（3 3）pHpH值影响培养基某些值影响培养基某些营养成分和中间代谢物的营养成分和中间代谢物的解离解离，从而影响微生物对这些物质的利用。，从而影响微生物对这些物质的利用。pHpH值影响微生物生长繁殖和代谢的原因值影响微生物生长繁殖和代谢的原因第32页，共78页。2、影响发酵、影响发酵pH的因素的因素 影响影响pHpH值的因素：培养基成份、微生物代谢值的因素：培养基成份、微生物代谢特性决定发酵过程的特性决定发酵过程的pHpH变

22、化。变化。（综合反映）（综合反映）微生物改变培养液微生物改变培养液pHpH以适合自身生长的能力以适合自身生长的能力很强。很强。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”的统的统一。一。此外，通气状况的变化，菌体自溶和杂菌污此外，通气状况的变化，菌体自溶和杂菌污染都可能引起发酵液染都可能引起发酵液pHpH的变化。的变化。第33页，共78页。1.1.基质代谢基质代谢 糖代谢糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pHpH下下降。糖缺乏，降。糖缺乏，pHpH上升，是补料的标志之一。上升，是补料的标志之一。氮代谢氮代谢 当当氨基

23、酸氨基酸中的中的-NH-NH2 2被被利用后利用后pHpH会下降；会下降；尿素尿素被分解被分解成成NHNH3 3，pHpH上升，上升，NHNH3 3利用后利用后pHpH下降，当碳源不足时氮源下降，当碳源不足时氮源当碳源利用当碳源利用pHpH上升。上升。生理酸碱性物质生理酸碱性物质被微生物利用后会导致环境被微生物利用后会导致环境pHpH下降（上升）的物质下降（上升）的物质称为称为生理酸性（碱性）物质生理酸性（碱性）物质。第34页，共78页。生理碱性物质：经微生物代谢后，导致生理碱性物质：经微生物代谢后，导致pH上升（碱性上升（碱性物质生成或酸性物质消耗）的物质。物质生成或酸性物质消耗）的物质。如

24、：有机氮源，硝酸盐，有机酸如：有机氮源，硝酸盐，有机酸（产（产NH3、NaOH）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pH下降下降（酸性物质生成或碱性物质消耗）的物质。（酸性物质生成或碱性物质消耗）的物质。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）。第35页，共78页。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pH变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。3.3.菌体自溶菌体自溶发酵后期，发酵后期，pH上升。可做为终止发酵的指示

25、。上升。可做为终止发酵的指示。第36页，共78页。3、最适、最适pH的选择和调节的选择和调节最适最适pH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，又可最大限度的既有利于菌体的生长繁殖，又可最大限度的获得高产。获得高产。根据不同微生物的特性，在发酵过程中随时根据不同微生物的特性，在发酵过程中随时检查检查pH 值的变化，选用适当的方法进行调值的变化，选用适当的方法进行调节。节。最适pH值是根据实验结果来确定的。第37页，共78页。3、最适、最适pH的选择和调节的选择和调节生长最适生长最适pH和产物形成最适和产物形成最适pH的相互关系：的相互关系：两者相同，范围都宽；容易控制。

26、两者相同，范围都宽；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。第38页，共78页。实际生产中，从以下几个方面进行：实际生产中，从以下几个方面进行：（1 1）选择适当的培养基成分和配比：）选择适当的培养基成分和配比：适当调整适当调整C/NC/N比，使盐类与碳源配比平衡。比，使盐类与碳源配比平衡。一般情况：一般情况：C/NC/N高时（真菌培养基），高时（真菌培养基），pHpH降低；降低；C/NC/N低时（一般细菌），经过

27、发酵后，低时（一般细菌），经过发酵后，pHpH上升。上升。有些成分可在中间补料时补充调控。有些成分可在中间补料时补充调控。pHpH的控制的控制 在发酵过程中，发酵液的在发酵过程中，发酵液的pHpH随着微生物活动而不断变化，为提供随着微生物活动而不断变化，为提供菌体适宜的生长或产物积累的菌体适宜的生长或产物积累的pHpH值，需要对发酵生产过程各阶段值，需要对发酵生产过程各阶段的的pHpH值实施监控。值实施监控。第39页，共78页。（2 2）加适量缓冲剂）加适量缓冲剂如碳酸钙、磷酸盐等如碳酸钙、磷酸盐等添加添加CaCOCaCO3 3最普遍最普遍价格便宜、使用方便、效果好。价格便宜、使用方便、效果好

28、。当用当用NH4NH4+盐作为氮源时，可在培养基中加入盐作为氮源时，可在培养基中加入CaCOCaCO3 3，用，用于中和于中和NH4NH4+被吸收后剩余的酸。被吸收后剩余的酸。磷酸盐在生产上使用较少磷酸盐在生产上使用较少u价格高价格高u磷酸浓度增高对发酵有影响磷酸浓度增高对发酵有影响第40页，共78页。（3 3）直接加入酸或碱类物质）直接加入酸或碱类物质如盐酸、氢氧化钠、氨水等如盐酸、氢氧化钠、氨水等 加盐酸、氢氧化钠等强酸碱效果明显，能使加盐酸、氢氧化钠等强酸碱效果明显，能使pHpH迅迅速恢复正常；但同时会增加速恢复正常；但同时会增加Cl-1、Na+的的浓度。浓度。改用氨水、尿素、乙酸等弱有

29、机物。改用氨水、尿素、乙酸等弱有机物。第41页，共78页。氨水流加法：氨水可以中和发酵中产生的氨水流加法：氨水可以中和发酵中产生的酸，且酸，且NHNH4 4+可作为氮源，供给菌体营养。可作为氮源，供给菌体营养。通氨一般是使压缩氨气或工业用氨水通氨一般是使压缩氨气或工业用氨水(浓浓度度2020左右左右)，采用少量间歇添加或连续，采用少量间歇添加或连续自动流加，可避免一次加入过多造成局部自动流加，可避免一次加入过多造成局部偏碱。氨极易和铜反应产生毒性物质，对偏碱。氨极易和铜反应产生毒性物质，对发酵产生影响，故需避免使用铜制的通氨发酵产生影响，故需避免使用铜制的通氨设备。设备。第42页，共78页。氨

30、基酸发酵常用此法；氨基酸发酵常用此法；这种方法既可以达到稳定这种方法既可以达到稳定pH值的目的，又值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物质。少量多次补加还可解除对遏作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。产物合成的阻遏作用，提高产物产量。也就是说，采用补料的方法，可以同时实现也就是说，采用补料的方法，可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节补充营养、延长发酵周期、调节pH值和培值和培养液的特性养液的特性(如菌浓等如菌浓等)等几个目的。等几个目的。第43页，共78页。应急措施：应急措施：改变搅拌转速或通气量，以改

31、变溶解氧浓度，控制改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，控制有机酸的积累量及其代谢速度；有机酸的积累量及其代谢速度；改变温度，以控制微生物代谢速度；改变温度，以控制微生物代谢速度；改变罐压及通气量，降低改变罐压及通气量，降低COCO2 2的溶解量；的溶解量；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；第44页，共78页。第第4 4节节 发酵过程中的代谢与控制发酵过程中的代谢与控制随时掌握发酵液的代谢变化情况，并加以随时掌握发酵液的代谢变化情况，并加以控制，使发酵过程最优化，需要进行中间控制，使发酵过程最优化，需要进行中间分析。分析。发酵过程中在一系列酶的催

32、化作用下，发酵过程中在一系列酶的催化作用下，培养基基质不断消耗，菌体不断积累，培养基基质不断消耗，菌体不断积累，产物浓度不断增加。产物浓度不断增加。第45页，共78页。1.分析项目抗生素效价pH糖含量氨基氮和氨氮磷菌丝浓度和黏度第46页，共78页。培养基基质既有浓度限定，又需要合适的配比；在搅拌功率不太大的情况下，培养基基质的总浓度不宜过高，以能满足菌体在一定时间内生长代谢需要为原则；中间浓度低时，可通过补料予以补充，使培养基维持在一个适当的浓度；通过补料，推迟菌的自溶期，延长菌的生产期，提高了发酵单位，使产量大幅上升。2.发酵基质浓度与中间补料第47页，共78页。1）补充碳源和能源物质补料内

33、容如葡萄糖、糊精、液化淀粉等如葡萄糖、糊精、液化淀粉等 2）补充氮源物质分无机和有机氮源分无机和有机氮源 3）补充无机盐、微量元素前体和促进剂第48页，共78页。1）补糖补料控制间歇或连续定速流加，使罐内糖浓度不间歇或连续定速流加，使罐内糖浓度不超出限定范围超出限定范围过早：菌丝生长太快，增加糖的消耗，干扰过早：菌丝生长太快，增加糖的消耗，干扰代谢平衡。代谢平衡。浓度过高：影响呼吸作用。浓度过高：影响呼吸作用。过迟：菌体生长不良。过迟：菌体生长不良。第49页，共78页。2）通氨及补氮补料控制通氨是许多发酵代谢控制的重要项目。通氨是许多发酵代谢控制的重要项目。调节调节pH补充无机氮源补充无机氮源

34、通过空气分布管通入，借搅拌作用与发酵液迅通过空气分布管通入，借搅拌作用与发酵液迅速混合，并减少大量泡沫的产生。速混合，并减少大量泡沫的产生。第50页，共78页。补料中应注意的问题补料中应注意的问题 选择合适的补料的时机、方式和控制指标选择合适的补料的时机、方式和控制指标 料液的配比要恰当（如料液的配比要恰当（如C/N等）等）注意对培养基性质的改变（如注意对培养基性质的改变（如pH值等）值等）加强无菌控制加强无菌控制 经济、节约经济、节约第51页，共78页。第第5 5节节 发酵过程中溶解氧的控制发酵过程中溶解氧的控制 由于依赖获得能量的代谢方面的差异，微生物对氧的需要也存在不同。好气菌主要是有氧

35、呼吸，厌气菌为厌气发酵，兼性厌气菌则两者兼而有之。不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对通风量的要求也不相同。呼吸商（Respiratory quotient,RQ）消耗速率生成速率22OCORQ第52页，共78页。影响微生物摄氧率的因素影响微生物摄氧率的因素 菌种；菌种；细胞浓度；细胞浓度；培养基成分和浓度：培养基成分和浓度：如：碳源，利用速度不同摄氧率不同；如：碳源，利用速度不同摄氧率不同；pH；温度：温度高，临界值增高；温度：温度高，临界值增高；有毒物积累，抑制呼吸；有毒物积累，抑制呼吸；挥发性中间物（有机酸），加强；挥发性中间物（有机酸），加强；溶解氧浓度。溶解氧浓度。r=QO2.X第

36、53页，共78页。提高溶氧的方法提高溶氧的方法 减小培养基粘度；减小培养基粘度；合适的细胞浓度、碳源种类、合适的细胞浓度、碳源种类、pH、温度；调节微、温度；调节微生物呼吸强度的临界值；生物呼吸强度的临界值；加强搅拌；加强搅拌；适当的空气流量；适当的空气流量；提高氧分压。提高氧分压。第54页，共78页。通风和搅拌 通气量与菌种、培养基性质、培养阶段菌种、培养基性质、培养阶段有关。通气量的多少，最好按溶解氧的多少来决定。只有氧溶解的速度大于菌体的吸氧量时，菌体才能正常地生长、繁殖。因此随着菌体繁殖，呼吸增强，必须按菌体的吸氧量加大通气量，以增加溶解氧的量。第55页，共78页。通风和搅拌 搅拌则能

37、使氧气更好地与培养液混合，保证氧的最大限度溶解;搅拌有利于热交换，使培养液的温度一致;还有利于营养物质和代谢物的分散;此外，挡板则有助于搅拌，使其效果更好。第56页，共78页。通风和搅拌 一般来说，若发酵罐深，搅拌转速大，通气管开孔小，气泡在培养液内停留时间就长，氧的溶解速度就大，而且在这些因素确定的情况下，培养基的粘度越小，氧的溶解速度也越大。搅拌可以提高通气效果，但是过度地剧烈搅拌会导致培养液大量涌泡，容易增加杂菌污染的机会，微生物细胞也不宜剧烈搅拌。第57页，共78页。第第6 6节节 泡沫对发酵的影响及控制泡沫对发酵的影响及控制 泡沫产生的原因泡沫产生的原因 泡沫过多对发酵的危害泡沫过多

38、对发酵的危害 泡沫的消长规律泡沫的消长规律 泡沫的消除和防止泡沫的消除和防止第58页，共78页。1、泡沫产生的原因、泡沫产生的原因 通气产生泡沫通气产生泡沫 微生物代谢气体形成泡沫微生物代谢气体形成泡沫 泡沫的产生与培养基性质有关泡沫的产生与培养基性质有关 （蛋白质原料、蜜糖水解原料，淀粉水解不完全时易发泡）（蛋白质原料、蜜糖水解原料，淀粉水解不完全时易发泡）第59页，共78页。2、泡沫过多对发酵的危害、泡沫过多对发酵的危害使装量减少，或造成逃液，使产量降低；使装量减少，或造成逃液，使产量降低；通过轴封泄漏，污染设备，增加染菌机会；通过轴封泄漏，污染设备，增加染菌机会；菌体粘附罐顶、罐壁，发酵

39、液中菌体量减少；菌体粘附罐顶、罐壁，发酵液中菌体量减少；影响通气搅拌的进行，造成减产或菌体提前自溶；影响通气搅拌的进行，造成减产或菌体提前自溶；菌体提前自溶会促使更多泡沫形成，恶性循环；菌体提前自溶会促使更多泡沫形成，恶性循环；加消泡剂，给提取工艺带来困难。加消泡剂，给提取工艺带来困难。第60页，共78页。3、泡沫的消长规律、泡沫的消长规律通气和搅拌：通气和搅拌：随通气和搅拌增加而增加，搅拌比通气影响大；随通气和搅拌增加而增加，搅拌比通气影响大；培养基原料性质：培养基原料性质：蛋白胨、玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉等蛋白质原蛋白胨、玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉等蛋白质原料是主要发泡物

40、质；料是主要发泡物质；培养基灭菌方法：培养基灭菌方法：温度过高，形成蛋白黑色素，温度过高，形成蛋白黑色素，5羟甲基糖醛，泡沫增多；羟甲基糖醛，泡沫增多；细胞代谢活动：细胞代谢活动：初期，高粘度、低张力，泡多；中期，粘度降、张力升，泡初期，高粘度、低张力，泡多；中期，粘度降、张力升，泡少；后期，自溶，泡上升。少；后期，自溶，泡上升。第61页，共78页。4、泡沫的消除和防止、泡沫的消除和防止 消泡方法：消泡方法：改变培养基成份，减少通气，选育新生产种改变培养基成份，减少通气，选育新生产种 机械法：靠机械强烈振动，压力的变化，使机械法：靠机械强烈振动，压力的变化，使 气泡破裂，或借助机械力将排出气气

41、泡破裂，或借助机械力将排出气 体中的液体加以分离回收体中的液体加以分离回收 化学法：添加消泡剂（油类等），应用面广化学法：添加消泡剂（油类等），应用面广第62页，共78页。4、泡沫的消除和防止、泡沫的消除和防止 机械消泡机械消泡 优点：节省原料、减少了染菌机会优点：节省原料、减少了染菌机会 缺点：不如化学消泡迅速可靠，不能从根本缺点：不如化学消泡迅速可靠，不能从根本上消除引起气泡的原因，需设备，耗能。上消除引起气泡的原因，需设备，耗能。机械消泡装置的选择依据：机械消泡装置的选择依据：动力小、结构简单、坚固耐用、清洁（杀菌）动力小、结构简单、坚固耐用、清洁（杀菌）容易、维修（保养）费用少容易、维

42、修（保养）费用少第63页，共78页。4、泡沫的消除和防止、泡沫的消除和防止 机械消泡方法机械消泡方法 罐内消泡：在发酵罐内消除泡沫罐内消泡：在发酵罐内消除泡沫 耙式消泡桨、碟式消泡器等耙式消泡桨、碟式消泡器等 罐外消泡：将泡沫引出发酵罐外，消泡后再罐外消泡：将泡沫引出发酵罐外，消泡后再 返回罐内返回罐内 旋转叶片消泡器、离心式消泡器等旋转叶片消泡器、离心式消泡器等第64页，共78页。4、泡沫的消除和防止、泡沫的消除和防止 耙式消泡桨耙式消泡桨第65页，共78页。4、泡沫的消除和防止、泡沫的消除和防止 碟片式消泡器碟片式消泡器 优点：消泡能力强，功耗小优点：消泡能力强，功耗小缺点：结构复杂，维护

43、麻烦缺点：结构复杂，维护麻烦第66页，共78页。4、泡沫的消除和防止、泡沫的消除和防止 旋转叶片罐外消泡旋转叶片罐外消泡第67页，共78页。4、泡沫的消除和防止、泡沫的消除和防止 离心力罐外消泡离心力罐外消泡第68页，共78页。4、泡沫的消除和防止、泡沫的消除和防止 化学法：化学法：发酵工业常用的消泡剂，有各种天然的动植物油动植物油及来自石油化工生产的矿物油矿物油、改性油改性油、表面活性剂表面活性剂等。而新型的有机硅聚有机硅聚合物合物如硅油硅油、硅树脂硅树脂等，具有效率高、用量省、无毒性、无代谢性是一类有发展前途的消泡剂。泡沫的控制除了添加消泡剂外，改进培养基成分也是相辅相成的一个重要方面。第

44、69页，共78页。化学消泡的机理化学消泡的机理：、消泡剂是表面活性剂，加到发酵液中，由于消泡剂本身的表面张力相对于发酵液来说是比较低的，一旦接触到气泡表面，将会使气泡膜局部的表面张力降低，平衡受到破坏，因而使气泡破裂或合并。第70页，共78页。、对于泡沫表面存在着极性的表面活性物质而形成双电层双电层时，加入带相反电荷带相反电荷的表面活性剂，可以降低液膜的弹性（机械强度），或加入某些具有强极强极性性的物质与起泡沫剂争夺液膜上的空间，并使液膜的机械强度降低，进而促使泡沫破裂。第71页，共78页。、当泡沫的液膜具有较大的表面黏度表面黏度时，加入某些分子内聚力较弱分子内聚力较弱的物质，可降低膜的表观黏

45、度，从而促使液膜的液体流失而使泡沫破裂。第72页，共78页。化学消泡剂应具备以下特点：化学消泡剂应具备以下特点：是表面活性剂，消泡作用迅速有效；具有一定的亲水性，使消泡剂对气液界面的分散系数足够大，从而迅速发挥消泡活性；在水中的溶解度必须小，以保持持久地消泡或抑泡性能；无毒；不影响氧在发酵液中的溶解和传递；来源方便、广泛、价格便宜。第73页，共78页。第第7 7节节 发酵终点的判断及不正常发酵的处理发酵终点的判断及不正常发酵的处理 抗生素的生物合成能力和单位增长速度随发酵时抗生素的生物合成能力和单位增长速度随发酵时间的延长逐渐减退；间的延长逐渐减退；发酵后期，明显减慢，甚至接近停止。发酵后期，

46、明显减慢，甚至接近停止。判断发酵终点的必要性判断发酵终点的必要性第74页，共78页。提高抗生素的生产率，降低成本提高抗生素的生产率，降低成本 保证下游提炼质量保证下游提炼质量 放罐前做好发酵控制放罐前做好发酵控制 补糖补糖 补氮补氮 加消泡剂加消泡剂 pH调节调节判断发酵终点的参考判断发酵终点的参考第75页，共78页。抗生素发酵单位抗生素发酵单位 菌丝形态阶段、菌丝浓度、菌丝黏度菌丝形态阶段、菌丝浓度、菌丝黏度 残留糖氮含量残留糖氮含量 发酵液外观、发酵液外观、pH判断放罐的指标判断放罐的指标第76页，共78页。培养液稀化培养液稀化 感染噬菌体或菌体自溶感染噬菌体或菌体自溶 发酵液过浓发酵液过浓 培养基过于丰富培养基过于丰富 糖氮代谢缓慢糖氮代谢缓慢 菌种、培养基菌种、培养基 pH不正常不正常发酵不正常现象和处理发酵不正常现象和处理第77页，共78页。第78页，共78页。