1、第八章第八章 发酵过程控制发酵过程控制 第七节第七节 CO2浓度对发酵的影响及其控制浓度对发酵的影响及其控制教学目标：教学目标：1.了解了解CO2浓度对发酵的影响浓度对发酵的影响2.了解了解CO2浓度对发酵的影响的机理浓度对发酵的影响的机理3.了解了解CO2浓度的控制方法浓度的控制方法4.掌握菌体浓度控制的方法掌握菌体浓度控制的方法第七节 CO2对发酵的影响及控制一、一、CO2对发酵的影响对发酵的影响1、CO2对菌体具有抑制作用对菌体具有抑制作用 当排气中当排气中CO2的浓度高于的浓度高于4%时，微生物的糖代时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中例如，发酵液中CO2
2、的浓度的浓度达到达到1.610-1mol就会严重抑制酵母的生长；当就会严重抑制酵母的生长；当进气口进气口CO2的含量占混合气体的的含量占混合气体的80%时，酵母活时，酵母活力与对照相比降低力与对照相比降低20%。2、CO2对发酵的影响对发酵的影响 对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最对发酵促进。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重要的发酵条件是提供的空气中要含5%的的CO2。对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制。抗生素等发酵的抑制。3、CO2 影响发酵液的酸碱平衡影响发酵液的酸碱平衡二、二、CO2对发酵影响
3、的机理对发酵影响的机理 CO2及及HCO3-主要是影响细胞膜的结构主要是影响细胞膜的结构，导致，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态 发生改变。发生改变。培养液中的培养液中的CO2 主要作用于主要作用于细胞膜的脂质核心细胞膜的脂质核心部位部位；HCO 3-主要影响细胞膜的主要影响细胞膜的膜蛋白膜蛋白三、三、CO2的控制的控制 在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律。它的大小受到许多因素的影响，一定的规律。它的大小受到
4、许多因素的影响，如如细胞的呼吸强度、细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、气搅拌程度、罐压大小、设备规模罐压大小、设备规模等。在发酵等。在发酵过程中通常通过过程中通常通过调节通风和搅拌调节通风和搅拌来控制。来控制。第八节 菌体浓度与基质对发酵的影响及控制一、菌体浓度对发酵的影响及控制一、菌体浓度对发酵的影响及控制菌体（细胞）浓度：单位体积培养液中菌体的含量。菌体（细胞）浓度：单位体积培养液中菌体的含量。1 1、菌体浓度的意义、菌体浓度的意义菌浓大小，反映了菌体细胞的多少，也反映了菌体细菌浓大小，反映了菌体细胞的多少，也反映了菌体细胞生理特性不完全相同的分化阶段
5、；胞生理特性不完全相同的分化阶段；发酵动力学研究中，菌浓是一个基本参数，用它来计发酵动力学研究中，菌浓是一个基本参数，用它来计算菌体的算菌体的比生长速率比生长速率和产物的和产物的比生产速率比生产速率等有关的动力等有关的动力学参数。学参数。2 2、影响菌体浓度的因素、影响菌体浓度的因素菌体浓度的增加与菌体浓度的增加与微生物的种类微生物的种类和和自身的遗传特性自身的遗传特性有关；有关；菌体浓度的增加还受菌体浓度的增加还受环境条件环境条件的影响；的影响；菌体浓度的增加与菌体浓度的增加与营养基质的种类和浓度营养基质的种类和浓度有关。有关。营养物质均存在一个营养物质均存在一个上限浓度上限浓度，在此限度以
6、内，菌，在此限度以内，菌体的比生长速率随着浓度增加而增加，但超过此上限，体的比生长速率随着浓度增加而增加，但超过此上限，浓度继续增加，反而会引起生长速率下降，这种效应就浓度继续增加，反而会引起生长速率下降，这种效应就是是基质抑制作用基质抑制作用。这可能是由于高浓度基质形成这可能是由于高浓度基质形成高渗透压高渗透压，引起细胞，引起细胞脱水而抑制生长。脱水而抑制生长。3 3、菌体浓度的控制、菌体浓度的控制 菌浓的大小，对菌浓的大小，对发酵产物的得率发酵产物的得率有着重要的影响。在有着重要的影响。在适当的比生长速率下适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌浓成，发酵产物的产率与菌浓成正比正比关系。关系
7、。但菌浓过高，营养物质消耗过快，营养液的成分发生但菌浓过高，营养物质消耗过快，营养液的成分发生明显改变，有毒物质的积累，就有可能改变菌体的代谢途明显改变，有毒物质的积累，就有可能改变菌体的代谢途径。同时径。同时菌浓增加会引起溶氧浓度降低菌浓增加会引起溶氧浓度降低，并成为限制性因，并成为限制性因素。素。发酵中，菌体的生长速率，在一定的培养条件下，主发酵中，菌体的生长速率，在一定的培养条件下，主要受基质浓度的影响，所以经常依靠调节要受基质浓度的影响，所以经常依靠调节培养基的浓度培养基的浓度来来控制菌体浓度。控制菌体浓度。3、菌体浓度的控制、菌体浓度的控制生长速度和菌体浓度的控制方法：生长速度和菌体
8、浓度的控制方法：确定确定基础培养基基础培养基的适当配比，防止培养基过于丰富的适当配比，防止培养基过于丰富或过于稀薄。或过于稀薄。通过调节通过调节中间补料中间补料的速度和量来控制。的速度和量来控制。二、基质对发酵的影响及控制二、基质对发酵的影响及控制1、碳源对发酵的影响及控制、碳源对发酵的影响及控制种类：葡萄糖种类：葡萄糖优点：吸收快，利用快，能迅速参加优点：吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量代谢合成菌体和产生能量缺点：缺点：有些品种产生分解代谢产物有些品种产生分解代谢产物阻遏效应。阻遏效应。迅速利用的碳源迅速利用的碳源缓慢利用的碳源缓慢利用的碳源种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽种类：
9、淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油糖、玉米油优点：优点：不易产生分解产物不易产生分解产物 阻遏效应。阻遏效应。有利于延长次级代谢产物的分有利于延长次级代谢产物的分 泌期泌期缺点：溶解度低，发酵液粘度大。缺点：溶解度低，发酵液粘度大。碳源种类及影响碳源种类及影响碳源种类的控制碳源种类的控制 发酵工业中常采用含发酵工业中常采用含迅速利用迅速利用的碳源和的碳源和缓慢利用缓慢利用的的碳源的混合碳源。碳源的混合碳源。迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可碳源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可解除葡萄
10、糖效应。解除葡萄糖效应。碳源浓度的影响碳源浓度的影响 浓度过低浓度过低，比生长速率小于临界比生长速率，产物，比生长速率小于临界比生长速率，产物生成速率随着比生长速率的降低而降低。生成速率随着比生长速率的降低而降低。浓度过高浓度过高，比生长速率大于临界比生长速率，菌体，比生长速率大于临界比生长速率，菌体浓度过大；引起摄氧率增大，或发酵液黏度增大，最终浓度过大；引起摄氧率增大，或发酵液黏度增大，最终导致产物的比生成速率降低。导致产物的比生成速率降低。产生分解代谢产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑产生分解代谢产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。制产物合成。碳源浓度的控制碳源浓度的控制在发酵过程
11、中，在发酵过程中，补加糖类补加糖类控制碳源浓度。补料的类型有：控制碳源浓度。补料的类型有：流加流加 少量多次的加入少量多次的加入 多量少次的加入多量少次的加入2、氮源对发酵的影响及控制、氮源对发酵的影响及控制氮源种类的影响氮源种类的影响种类：氨水、铵盐和玉米浆种类：氨水、铵盐和玉米浆优点：优点：易被菌体利用，明显促进菌体易被菌体利用，明显促进菌体生长生长缺点：缺点：对于有些品种高浓度的铵离子对于有些品种高浓度的铵离子抑制产物合成抑制产物合成迅速利用的氮源迅速利用的氮源缓慢利用的氮源缓慢利用的氮源种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和棉子饼粉棉子饼粉优点：优点：利用缓慢，有利于
12、延长次级代谢利用缓慢，有利于延长次级代谢产物的分泌期。防止早衰。产物的分泌期。防止早衰。缺点：溶解度低，发酵液粘度大。缺点：溶解度低，发酵液粘度大。氮源种类的控制氮源种类的控制 发酵工业中常采用含发酵工业中常采用含迅速利用迅速利用的氮源和的氮源和缓慢利用缓慢利用的氮源的氮源的混合氮源。的混合氮源。迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的氮源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。氮源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。2、氮源对发酵的影响及控制、氮源对发酵的影响及控制氮源浓度的影响及控制氮源浓度的影响及控制补氮的依据：残氮量、补氮的依据：残氮
13、量、pHpH值、菌体量值、菌体量氮源浓度对氮源浓度对菌体生长和产物合成菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。的量与方向都有影响。氮源浓度的控制：氮源浓度的控制：控制基础培养基中的配比。控制基础培养基中的配比。通过补加氮源。通过补加氮源。3、磷酸盐浓度的影响及控制、磷酸盐浓度的影响及控制 磷是菌体生长繁殖必需的成分，也是合成代谢产物所必需磷是菌体生长繁殖必需的成分，也是合成代谢产物所必需的。的。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/L；对次级代谢产物所允许的最高平均浓度仅为对次级代谢产物所允许的最高平均浓度仅为1.0mmol/L，提高到提高到
14、10mmol/L，就明显地抑制合成。，就明显地抑制合成。3、磷酸盐浓度的影响及控制、磷酸盐浓度的影响及控制一般在基础培养基中采用适宜浓度。一般在基础培养基中采用适宜浓度。对于对于初级代谢初级代谢产物，磷酸盐浓度采用产物，磷酸盐浓度采用足量足量。对于对于次级代谢次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量亚适量。一般磷酸盐采用一般磷酸盐采用单消单消，防止发生沉淀反应使溶磷量达不到最，防止发生沉淀反应使溶磷量达不到最适量。适量。要要控制有机氮源中的磷含量控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量。，以防溶磷量超过最适量。当菌体生长缓慢时，可适当当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷补加适量的磷，促进菌体生长。，促进菌体生长。
