1、第七章第七章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制n微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来；适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来；n通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、物，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、pH、溶解氧等参数情、溶解氧等参数情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境中。况，并予以有效地控制，使生产菌种
2、处于产物合成的优化环境中。一、发酵工艺过程控制的重要性一、发酵工艺过程控制的重要性从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的菌体菌体生长生长、发酵参数的变化发酵参数的变化（培养基和培养条件）和（培养基和培养条件）和产产物形成速率物形成速率这三者之间的关系。这三者之间的关系。二、发酵过程的代谢变化规律二、发酵过程的代谢变化规律这里介绍这里介绍分批发酵分批发酵、补料分批发酵、半连续发补料分批发酵、半连续发酵酵及及连续发酵连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征。四种类型的操作方式下的代谢特征。（一）、分批发酵（一）、分批发酵指在一个封闭的培养系统内含有指在一个封
3、闭的培养系统内含有初始限制量的基质初始限制量的基质的发酵的发酵方式。即一次性投料，一次性收获产品的发酵方式。方式。即一次性投料，一次性收获产品的发酵方式。延滞期延滞期指数期指数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期时间（时间（t）菌体菌体浓度浓度分分批批培培养养条条件件下下的的典典型型生生长长曲曲线线在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系，将在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系，将微生物产物形成动力学分为微生物产物形成动力学分为 生长关联型生长关联型 和和 非生长关联型非生长关联型。A（葡萄糖异构酶）（葡萄糖异构酶）B（菌体浓度）（菌体浓度）B（菌体浓度）（菌体浓度）A（杀念
4、珠菌素）（杀念珠菌素）生长关联型生长关联型非生长关联型非生长关联型产物的生成速率与菌体生长速率成正产物的生成速率与菌体生长速率成正比。这种产物通常是微生物分解基质比。这种产物通常是微生物分解基质的直接产物，如酒精，但也有某些酶的直接产物，如酒精，但也有某些酶类，如脂肪酶和葡萄糖异构酶类，如脂肪酶和葡萄糖异构酶产物的生成速率与菌体生长速率产物的生成速率与菌体生长速率成无关，而与菌体量的多少有关。成无关，而与菌体量的多少有关。对于生长关联型产品，可对于生长关联型产品，可采用有利于细胞生长的培采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成养条件，延长与产物合成有关的对数生长期。有关的对数生长期。对于非
5、生长关联型产品，则对于非生长关联型产品，则宜缩短菌体的对数生长期，宜缩短菌体的对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细并迅速获得足够量的菌体细胞后，延长稳定期，从而提胞后，延长稳定期，从而提高产量。高产量。（二）、补料分批发酵（二）、补料分批发酵是指分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培是指分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。养方法。与传统的分批发酵相比，优点在于使发酵系统中维持与传统的分批发酵相比，优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：很低的基质浓度。低基质浓度的优点：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持
6、适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；克服养分的不足，避免发酵过早结束克服养分的不足，避免发酵过早结束。（三）、半连续发酵（三）、半连续发酵是指在补料分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液是指在补料分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液的培养方法。的培养方法。优点：优点：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；克服养分的不足，避免发酵过早结束；克服养分的不足，避免发酵过早结束；缓解有害代谢产物的积累。缓解有害代谢产物的积累。（四）、连续发酵（四）
7、、连续发酵又称连续流动培养或开放型培养，即培养基料液连续输入又称连续流动培养或开放型培养，即培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。在这发酵罐，并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。在这样的环境中培养，所提供的基质对菌的生长就受到限制，样的环境中培养，所提供的基质对菌的生长就受到限制，培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态。培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态。与传统的分批发酵相比，连续培养有以下优点：与传统的分批发酵相比，连续培养有以下优点：维持低基质浓度：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，维持低基质浓度：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于
8、加剧供氧的矛盾；并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；避免培养基积累有毒代谢物；避免培养基积累有毒代谢物；可以提高设备利用率和单位时间的产量，节省发酵罐的可以提高设备利用率和单位时间的产量，节省发酵罐的非生产时间；非生产时间；便于自动控制。便于自动控制。连续培养的缺点：连续培养的缺点：长时间的连续培养难以保证纯种培养，并且菌种发生长时间的连续培养难以保证纯种培养，并且菌种发生变异的可能性较大，故在工业规模上很少采用。变异的可能性较大，故在工业规模上很少采用。生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、以及活性污泥处理各种废水等才使用连
9、续培养工艺，此以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺，此方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。三、发酵过程的主要控制参数三、发酵过程的主要控制参数1.pH值（酸碱度）值（酸碱度）2.温度（温度（）3.溶解氧浓度溶解氧浓度4.基质含量基质含量5.空气流量空气流量6.压力压力7.搅拌转速搅拌转速8.搅拌功率搅拌功率9.粘度粘度10.浊度浊度11.料液流量料液流量12.产物浓度产物浓度13.氧化还原电位氧化还原电位14.废气中的氧含量废气中的氧含量15.废气中的废气中的CO2含量含量16.菌丝形态菌丝形态17.菌体浓度菌体浓度第二节第二节 温度对发
10、酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制第二节第二节 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、温度对发酵的影响一、温度对发酵的影响温度对发酵的影响主要表现在对温度对发酵的影响主要表现在对细胞生长、产物合细胞生长、产物合成、发酵液的物理性质和生物合成方向成、发酵液的物理性质和生物合成方向等方面。等方面。（一）、温度影响微生物细胞生长（一）、温度影响微生物细胞生长 随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。这是由于生长代谢以及繁殖都是酶参加的。根据酶促反应的动力学来看，温度升高，反应速度加快，呼吸强度增加，最终导致细胞生长繁殖加快。但随着温度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩
11、短，这对发酵生产是极为不利的。（三）、温度影响生物合成的方向。温度影响生物合成的方向。例如，在四环类抗生素发酵中，金色链丝菌能同时产生四环素和金霉素，在30时，它合成金霉素的能力较强。随着温度的提高，合成四环素的比例提高。当温度超过35时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。（二）、温度影响产物的生成量。（二）、温度影响产物的生成量。（四）、温度影响发酵液的物理性质（四）、温度影响发酵液的物理性质 温度除了影响发酵过程中各种反应速率外，还可以通过改变发酵液的物理性质间接影响微生物的生物合成。例如，温度对氧在发酵液中的溶解度就有很大影响，随着温度的升高，气体在溶液中的溶解度减小，氧的传递速率也会
12、改变。另外温度还影响基质的分解速率，例如，菌体对硫酸盐的吸收在25时最小。二、影响发酵温度变化的因素二、影响发酵温度变化的因素产热因素：产热因素：生物热（生物热（Q生物生物）、搅拌热（）、搅拌热（Q搅拌搅拌）散热因素：散热因素：蒸发热（蒸发热（Q蒸发蒸发）、辐射热（）、辐射热（Q辐射辐射）、显热（）、显热（Q显显）发酵热（发酵热（Q发酵发酵）是发酵温度变化的主要因素。）是发酵温度变化的主要因素。Q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显显为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。n最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌最适温
13、度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。的生长或发酵产物的生成。n选择最适温度应该考虑微生物生长的最适温度和产物选择最适温度应该考虑微生物生长的最适温度和产物合成的最适温度。合成的最适温度。n最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。生长阶段有关。三、温度的控制三、温度的控制1.最适温度的选择最适温度的选择n例如，溶解氧浓度是受温度影响的，其溶解度随温度的下降而增加。因此当通气条件较差时，可以适当降低温度以增加溶解氧浓度。在较低的温度下，既可使氧的溶解度相应大一些，又能降低菌体的生长速率，减少氧的消耗量，这
14、样可以弥补较差的通气条件造成的代谢异常。n最适温度的选择还应考虑培养基成分和浓度的不同，在使用浓度较稀或较易利用的培养基时，过高的培养温度会使营养物质过早耗竭，而导致菌体过早自溶，使产物合成提前终止，产量下降。例如，玉米浆比黄豆饼粉更容易利用，因此在红霉素发酵中，提高发酵温度使用玉米浆培养基的效果就不如黄豆饼粉培养基的好，提高温度有利于菌体对黄豆饼粉的利用。三、温度的控制三、温度的控制2.2.温度的控制温度的控制v工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加工业生产上，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酵热，需要冷却的情况较多。热，因发酵中释放了大量的发酵热
15、，需要冷却的情况较多。v利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的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，通过热交换来降温，保持恒温发酵。夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。v如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就可采可采用冷冻盐水进行循环式降温，用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大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，以保证在正常温度下工厂需要建立冷冻站
16、，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。进行发酵。第三节第三节 pH值对发酵的影响及其控制值对发酵的影响及其控制一、一、pH值对发酵的影响值对发酵的影响1.影响酶的活性，当影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；会阻碍菌体的新陈代谢；2.影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄；透性，影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄；影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收；分的吸收；
17、3.pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。物的质量和比例发生改变。pH对某些生物合成途径有显著影响。例如，丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH范围是5.57.0为好，发酵后期pH=4.35.3时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。又如，黑曲霉在pH=23时产生柠檬酸，pH近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。谷氨酸发酵中，pH=7或微碱时形成谷氨酸，pH酸性时产生N乙酰谷酰胺。pH还会影响菌体的形态。例如，产黄青霉细胞壁的厚度随pH的增加而减小；当pH低于6时，菌丝的长度缩短，直径为23m，当pH=7或
18、7时，直径为218m，酵母状膨胀菌丝的数目增加。pH下降后，菌丝形态又恢复正常。pH还影响细胞膜的电荷状态，引起膜的渗透性发生改变，进而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成。二、发酵过程二、发酵过程pH值的变化值的变化在发酵过程中，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，会使和氨基酸的积累，会使pH值产生一定的变化。值产生一定的变化。1、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，使成铵离子，使pH上升至碱性；随着菌体量增多，铵离子的消上升至碱性；随
19、着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的积累使耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的积累使pH值下降。值下降。2、生产阶段：这个阶段、生产阶段：这个阶段pH值趋于稳定。值趋于稳定。3、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使液中氨基氮增加，致使pH又上升，此时菌体趋于自溶而代谢又上升，此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。活动终止。pH值值培养时间培养时间培养过程中培培养过程中培养液养液pH值的大值的大致变化趋势致变化趋势由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境
20、条件下，菌体本身具有一定的调节菌体本身具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的化过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的pH就会就会波动。波动。三、引起发酵液三、引起发酵液pH值异常波动的因素值异常波动的因素pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。1、pH下降：下降：培养基中碳、氮比例不当。碳源过多，特别是葡萄糖过量，培养基中碳、氮比例不当。碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加上溶氧不足，致使有机酸大量积累而或者中间补糖过多加上溶氧不足，致使有机酸大量积
21、累而pH下下降；降；消泡剂加得过多；消泡剂加得过多；生理酸性物质的存在，铵被利用，生理酸性物质的存在，铵被利用，pH下降。下降。(糖类氧化不完全糖类氧化不完全时产生的有机酸，脂肪不完全氧化产生的脂肪酸、铵盐氧化后产生的硫时产生的有机酸，脂肪不完全氧化产生的脂肪酸、铵盐氧化后产生的硫酸等酸等)2、pH上升：上升：培养基中碳、氮比例不当。氮源过多，氨基氮释放，使培养基中碳、氮比例不当。氮源过多，氨基氮释放，使pH上上升；升；生理碱性物质存在；生理碱性物质存在；(有机氮源、硝酸盐、有机酸有机氮源、硝酸盐、有机酸)中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多。中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多。四、发酵四、
22、发酵pH值的确定和控制值的确定和控制（一）（一）.发酵发酵pH值的确定值的确定v微生物发酵的最适微生物发酵的最适pH值范围一般是在值范围一般是在58之间。之间。v最适最适pH值是根据实验结果来确定的。值是根据实验结果来确定的。1.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pH值，进行发酵，在发酵过程中，值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节定时测定和调节pH值，以分别维持出发值，以分别维持出发pH值，或者利用缓冲液来配值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。制培养基来维持。2.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pH值为菌
23、体生值为菌体生长的合适长的合适pH值。值。3.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pH值。值。4.同一产品的合适同一产品的合适pH值，与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。值，与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。5.在确定合适发酵在确定合适发酵pH值时，不定期要考虑培养温度的影响，若温度提值时，不定期要考虑培养温度的影响，若温度提高或降低，合适高或降低，合适pH值也可能发生变动。值也可能发生变动。微生物生长和生物合成都有其最适和能够耐受的pH范围，大多数细菌生长的最适pH范围在6.37.5，霉菌和酵母生长的最适pH范围在36，放线菌生长的最适pH范围在78
24、。（二）（二）.pH值的控制值的控制1.首先考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们有个首先考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们有个适当的配比，使发酵过程中的适当的配比，使发酵过程中的pH值变化在合适的范值变化在合适的范围内。围内。2.在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制；在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制；补充生理酸性物质（如补充生理酸性物质（如(NH4)2SO4）和生理碱性物质）和生理碱性物质（如（如NaNO3）来控制。）来控制。n氧在水中的溶解度很低，溶解氧最易成为限制氧在水中的溶解度很低，溶解氧最易成为限制因素；因素；n溶解氧的高低取决于供氧、通气搅拌和需氧状溶解氧的
25、高低取决于供氧、通气搅拌和需氧状况的影响；况的影响；n采用电极测定发酵液中的溶解氧；采用电极测定发酵液中的溶解氧；n溶解氧的变化可提示氧的供需规律及其对生长溶解氧的变化可提示氧的供需规律及其对生长和产物合成的影响；和产物合成的影响；第四节第四节 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（一、溶解氧（DO）n氧分压（氧分压（mm Hg）100%空气饱和水中氧分压是空气饱和水中氧分压是159mm Hg，多在，多在医疗单位中使用；医疗单位中使用；n绝对浓度（绝对浓度（mg O2/L或或ppm）用化学方法来测定，主要在环保单位使用；用化学方法来测定，主要在环保单位使用；n饱和度百
26、分数（饱和度百分数（%）在发酵行业使用。在发酵行业使用。二、溶解氧浓度单位二、溶解氧浓度单位n临界氧：临界氧：满足微生物呼吸的最低氧浓度（呼吸临界氧）。对产物而言，满足微生物呼吸的最低氧浓度（呼吸临界氧）。对产物而言，是不影响产物合成所允许的最低氧浓度（合成临界氧）；是不影响产物合成所允许的最低氧浓度（合成临界氧）；n测定：测定：先加强通氧，使溶解氧上升到最高值，然后中止通气，继续搅拌，先加强通氧，使溶解氧上升到最高值，然后中止通气，继续搅拌，在罐顶部空间充氮，此时用溶氧电极测定，溶解氧会迅速直线下降，当直在罐顶部空间充氮，此时用溶氧电极测定，溶解氧会迅速直线下降，当直线斜率开始减小时的溶解氧
27、即呼吸临界氧值；通过在发酵中维持不同的溶线斜率开始减小时的溶解氧即呼吸临界氧值；通过在发酵中维持不同的溶解氧，考查不同浓度对产物合成的影响，可求得合成临界氧；解氧，考查不同浓度对产物合成的影响，可求得合成临界氧；三、临界氧（三、临界氧（C临界临界）四、溶解氧的影响四、溶解氧的影响需氧发酵并不是溶氧越大越好，因为每一种发酵产物都有具体的需氧发酵并不是溶氧越大越好，因为每一种发酵产物都有具体的C临界临界和和最适氧浓度，需通过实验来确定；最适氧浓度，需通过实验来确定；谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸的积累就会明显降低，产生大量的琥谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸的积累就会明显降低，产生大量的琥珀酸和乳酸
28、；珀酸和乳酸；天冬酰胺酶的发酵中，前期是好气培养，后期需转为厌气培养（溶氧浓天冬酰胺酶的发酵中，前期是好气培养，后期需转为厌气培养（溶氧浓度下降到度下降到45%时，就从好气培养转为厌气培养），可大大提高酶活；时，就从好气培养转为厌气培养），可大大提高酶活；2、在发酵过程中，影响耗氧的因素有以下几方面：、在发酵过程中，影响耗氧的因素有以下几方面：（1）培养基的成分和浓度）培养基的成分和浓度（2）菌龄）菌龄（3）发酵条件）发酵条件培养基营养成分丰富，菌体生长快，耗氧量大；培养基营养成分丰富，菌体生长快，耗氧量大；发酵浓度高，耗氧量大；发酵过程中补料或补糖，发酵浓度高，耗氧量大；发酵过程中补料或补糖
29、，耗氧量也随之增大耗氧量也随之增大对数生长期的菌呼吸旺盛，耗氧量大，发酵后期菌对数生长期的菌呼吸旺盛，耗氧量大，发酵后期菌体衰老，耗氧量降低体衰老，耗氧量降低在最适条件下发酵，耗氧量大；发酵过程中排除有在最适条件下发酵，耗氧量大；发酵过程中排除有毒代谢产物也有利于提高菌体摄氧量毒代谢产物也有利于提高菌体摄氧量五、溶解氧浓度的异常变化五、溶解氧浓度的异常变化3、在发酵过程中，在已有设备和正常发酵条件下，每个、在发酵过程中，在已有设备和正常发酵条件下，每个发酵过程的溶氧浓度变化都有自己的规律发酵过程的溶氧浓度变化都有自己的规律4、出现溶氧明显降低或升高的原因：、出现溶氧明显降低或升高的原因：溶氧异
30、常降低：溶氧异常降低：污染好气性杂菌；污染好气性杂菌；菌体代谢发生异常，需氧要求增加，使溶氧下降；菌体代谢发生异常，需氧要求增加，使溶氧下降；中间补料时机掌握不当或间隔过小；中间补料时机掌握不当或间隔过小；某些设备或工艺控制发生故障或变化，如搅拌速度变某些设备或工艺控制发生故障或变化，如搅拌速度变 慢，或消泡剂自动加油器失灵或人为加得太多，都会慢，或消泡剂自动加油器失灵或人为加得太多，都会 引起溶氧下降。引起溶氧下降。溶氧异常升高：溶氧异常升高：菌体代谢异常，耗氧能力下降；菌体代谢异常，耗氧能力下降；污染厌气性杂菌或烈性噬菌体。污染厌气性杂菌或烈性噬菌体。1、发酵过程中，溶氧浓度是由供氧和需氧
31、两方面决定的。、发酵过程中，溶氧浓度是由供氧和需氧两方面决定的。六、溶解氧浓度的控制六、溶解氧浓度的控制1、供氧方面：、供氧方面：dc/dt=KLa（c*-cL）dc/dt为单位时间内发酵液溶解氧浓度变化，为单位时间内发酵液溶解氧浓度变化，mmol/（Lh）；）；KL为氧传质系数，为氧传质系数，m/ha为比界面面积，为比界面面积，m2/m3c*为氧在水中的饱和浓度，为氧在水中的饱和浓度，mmol/LcL为发酵液中溶解氧浓度，为发酵液中溶解氧浓度，mmol/L改善供氧，主要是设法提高氧体积传质系数改善供氧，主要是设法提高氧体积传质系数KLa（1/h）和）和c*。设备各项工程参数设备各项工程参数项
32、目项目设备条件设备条件搅拌器搅拌器类型：封闭或开放式类型：封闭或开放式叶片形状：弯叶、平叶或箭叶叶片形状：弯叶、平叶或箭叶搅拌器直径搅拌器直径/罐直径罐直径挡板数和挡板宽度挡板数和挡板宽度搅拌器档数和位置搅拌器档数和位置搅拌转速搅拌转速雷诺准数、雷诺准数、kW/t、功率准数、弗罗德准数、功率准数、弗罗德准数空气流量空气流量每分钟体积比（每分钟体积比（V/V/min）空气分布器的类型和位置空气分布器的类型和位置罐压罐压2、需氧方面：、需氧方面：控制补料速度来控制基质的浓度，从而达到最适的菌体浓度，保证产控制补料速度来控制基质的浓度，从而达到最适的菌体浓度，保证产物的比生长速率维持在最大值，又不会
33、使需氧大于供氧。物的比生长速率维持在最大值，又不会使需氧大于供氧。溶解氧控制措施的比较溶解氧控制措施的比较措施措施作用于作用于投资投资运转成本运转成本效果效果对生产作用对生产作用搅拌转速搅拌转速KLa高高低低高高好好挡板挡板KLa中中低低高高好好空气流量空气流量c*a低低低低低低气体成分气体成分c*中到低中到低高高高高好好罐压罐压c*中中低低中中好好养分浓度养分浓度需求需求中中低低高高不肯定不肯定表面活性剂表面活性剂KL低低低低变化变化不肯定不肯定温度温度需求，需求，c*低低低低变化变化不肯定不肯定第五节第五节 菌体浓度和基质对发酵的影响及其控制菌体浓度和基质对发酵的影响及其控制一、菌体浓度对
34、发酵的影响一、菌体浓度对发酵的影响菌体浓度（菌浓）：单位体积培养液中菌体的含量。菌体浓度（菌浓）：单位体积培养液中菌体的含量。1、菌浓的大小，在一定条件下，不仅反映菌体细胞的多少，而且反映、菌浓的大小，在一定条件下，不仅反映菌体细胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全相同的分化阶段；菌体细胞生理特性不完全相同的分化阶段；2、菌浓的大小与菌体生长速率有密切关系，比生长速率大的菌体，菌、菌浓的大小与菌体生长速率有密切关系，比生长速率大的菌体，菌浓增长也迅速，反之就缓慢。生长速度取决于微生物的种类和自身的遗浓增长也迅速，反之就缓慢。生长速度取决于微生物的种类和自身的遗传特性，以及营养物质和环境条件
35、；传特性，以及营养物质和环境条件；3、菌浓大小对发酵产物的得率有重要影响，特别是对于初级代谢产、菌浓大小对发酵产物的得率有重要影响，特别是对于初级代谢产物，菌浓越大，产量也越大，而次级代谢产物也需要一定的菌浓基础物，菌浓越大，产量也越大，而次级代谢产物也需要一定的菌浓基础才可获得大量的产物；才可获得大量的产物；4、但菌浓过高，营养物质消耗过快，培养液的营养成分发生明显的、但菌浓过高，营养物质消耗过快，培养液的营养成分发生明显的变化，溶氧浓度下降，有毒物质的积累，就可能改变菌体的代谢途径。变化，溶氧浓度下降，有毒物质的积累，就可能改变菌体的代谢途径。依靠调节培养基的浓度来控制菌浓。依靠调节培养基
36、的浓度来控制菌浓。l首先确定基础培养基配方中有个适当的配比，避免产生过浓（或首先确定基础培养基配方中有个适当的配比，避免产生过浓（或过稀）的菌体量。过稀）的菌体量。l然后通过中间补料来控制，如当菌体生长缓慢、菌浓太稀时，则然后通过中间补料来控制，如当菌体生长缓慢、菌浓太稀时，则可补加一部分磷酸盐，促进生长，提高菌浓；但补加过多，则会使可补加一部分磷酸盐，促进生长，提高菌浓；但补加过多，则会使菌体过分生长，超过临界浓度，对产物合成产生抑制作用。菌体过分生长，超过临界浓度，对产物合成产生抑制作用。利用菌体代谢产生的利用菌体代谢产生的CO2量来控制生产过程的补糖量，量来控制生产过程的补糖量，以控制菌
37、体的生长和浓度。以控制菌体的生长和浓度。二、菌体浓度的控制二、菌体浓度的控制三、基质对发酵的影响及控制三、基质对发酵的影响及控制（一）（一）.碳源对发酵的影响及控制碳源对发酵的影响及控制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l葡萄糖、蔗糖等葡萄糖、蔗糖等l迅速参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分迅速参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解产物，有利于菌体生长，但有的分解代谢产物对解产物，有利于菌体生长，但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用；产物的合成可能产生阻遏作用；l多数为聚合物，淀粉等多数为聚合物，淀粉等l为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特为菌体缓慢
38、利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的分泌期，也有许多微生物药物别有利于延长抗生素的分泌期，也有许多微生物药物的发酵所采用。的发酵所采用。在工业上，发酵培养基中常采用含迅速和缓慢利用的混合碳源。在工业上，发酵培养基中常采用含迅速和缓慢利用的混合碳源。（二）（二）.氮源对发酵的影响及控制氮源对发酵的影响及控制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u氨基（或铵）态氮的氨基酸（或硫酸铵等）、玉米浆氨基（或铵）态氮的氨基酸（或硫酸铵等）、玉米浆u容易被菌体利用，促进菌体生长，但对某些代谢产物的容易被菌体利用，促进菌体生长，但对某些代谢产物的合成特别是某些抗生素的合成产
39、生调节作用，影响产量。合成特别是某些抗生素的合成产生调节作用，影响产量。延长代谢产物的分泌期、提高产物的产量；但一次投入也容延长代谢产物的分泌期、提高产物的产量；但一次投入也容易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体过早衰老而自溶，易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体过早衰老而自溶，缩短产物的分泌期。缩短产物的分泌期。发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用的混合氮源，发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用的混合氮源，另外通过在发酵过程中补加氮源来控制浓度。另外通过在发酵过程中补加氮源来控制浓度。补加有机氮源，如酵母汁、玉米浆、尿素补加有机氮源，如酵母汁、玉米浆、尿素 补加无机氮源，如氨水或硫酸铵补
40、加无机氮源，如氨水或硫酸铵（三）（三）.磷酸盐对发酵的影响及控制磷酸盐对发酵的影响及控制磷是微生物菌体生长繁殖所必需的成分，也是合成代谢产物所必需的。磷是微生物菌体生长繁殖所必需的成分，也是合成代谢产物所必需的。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，次级代谢产物合成良好所允许的最高平均浓度仅为次级代谢产物合成良好所允许的最高平均浓度仅为1.0mmol/L.磷酸盐浓度的控制，一般是在基础培养基中采用适当的浓度。磷酸盐浓度的控制，一般是在基础培养基中采用适当的浓度。第六节第六节 泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制一、泡沫的形成
41、及其对发酵的影响一、泡沫的形成及其对发酵的影响在大多数微生物发酵过程中，通气、搅拌以及代谢气体的逸出，再加上在大多数微生物发酵过程中，通气、搅拌以及代谢气体的逸出，再加上培养基中糖、蛋白质、代谢物等表面活性剂的存在，培养液中就形成了培养基中糖、蛋白质、代谢物等表面活性剂的存在，培养液中就形成了泡沫。泡沫。泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。u蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要的发泡剂。的发泡剂。u糊精含量多也引起泡沫的形成。糊精含量多也引起泡沫的形成。u当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异
42、常多。当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。（一）少量泡沫（一）少量泡沫u一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，导一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，导致氧传递速率增加；致氧传递速率增加；（二）大量的泡沫（二）大量的泡沫u发酵罐的装料系数减少、氧传递系数减小；发酵罐的装料系数减少、氧传递系数减小；u增加了菌群的非均一性；增加了菌群的非均一性；u造成大量逃液，增加染菌机会；造成大量逃液，增加染菌机会；u严重时通气搅拌无法进行，菌体呼吸受到阻碍，导致代谢严重时通气搅拌无法进行，菌体呼吸受到阻碍，导致代谢异常或菌体自溶；异常或菌体自溶；u消泡剂的添加将给提取工序带来困难。消泡剂
43、的添加将给提取工序带来困难。调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原料）或调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原料）或改变某些物理化学参数（如改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通气和搅拌）值、温度、通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制，以减少或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制，以减少泡沫形成的机会。泡沫形成的机会。采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素。消除起泡的内在因素。采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫。采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫。1.机械消泡机械消泡物理消泡方法，利
44、用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。物理消泡方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。优点：节省原料，减少染菌机会。优点：节省原料，减少染菌机会。缺点：消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方法。缺点：消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方法。罐内消泡罐内消泡靠罐内消泡桨转动打碎泡沫。靠罐内消泡桨转动打碎泡沫。罐外消泡罐外消泡将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离心力来消除泡沫。将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离心力来消除泡沫。2.消泡剂消泡消泡剂消泡A.消泡剂的作用：消泡剂的作用：降低泡沫液膜的机械强度；降低泡沫液膜的机械强度；降低液膜的表面黏度；降低液膜的表面黏度；兼有两者的作用，达到
45、破裂泡沫的目的。兼有两者的作用，达到破裂泡沫的目的。B.常用的消泡剂有常用的消泡剂有4大类：大类：天然油脂类天然油脂类 脂肪酸和酯类脂肪酸和酯类 聚醚类聚醚类 硅酮类硅酮类以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为常用。以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为常用。豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵试验检验。在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵试验检验。聚醚类消泡剂品种很多，它们是氧化丙稀或氧化丙稀和环氧乙烷
46、与甘油聚合聚醚类消泡剂品种很多，它们是氧化丙稀或氧化丙稀和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物。而成的聚合物。聚氧丙稀甘油（聚氧丙稀甘油（GP型）型）氧化丙稀和甘油聚合；亲水性差，在发泡介质氧化丙稀和甘油聚合；亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以用于稀薄发酵液中要比用于粘稠发酵液中的效果好；抑中的溶解度小，所以用于稀薄发酵液中要比用于粘稠发酵液中的效果好；抑泡性能比消泡性能好，适宜用于基础培养基中，以抑制泡沫的产生。泡性能比消泡性能好，适宜用于基础培养基中，以抑制泡沫的产生。聚氧乙烯氧丙稀甘油（聚氧乙烯氧丙稀甘油（GPE型，泡敌）型，泡敌）氧化丙稀、环氧乙烷与甘油聚合；氧化丙稀、环氧乙烷与甘油聚合
47、；亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，作用快，溶解度大，消泡活亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，作用快，溶解度大，消泡活性维持时间短，用于粘稠发酵液的效果比用于稀薄的好。性维持时间短，用于粘稠发酵液的效果比用于稀薄的好。C.应用消泡剂时的增效方法：应用消泡剂时的增效方法：加载体增效，即用惰性载体（如矿物油、植物油等）使消泡剂溶解加载体增效，即用惰性载体（如矿物油、植物油等）使消泡剂溶解分散，达到增效的目的；分散，达到增效的目的；消泡剂并用增效，取各种消泡剂的优点进行互补，达到增效；消泡剂并用增效，取各种消泡剂的优点进行互补，达到增效；乳化消泡剂增效，用乳化剂（或分散剂）将消泡剂制
48、成乳剂，以提乳化消泡剂增效，用乳化剂（或分散剂）将消泡剂制成乳剂，以提高分散能力，增强消泡效力，一般只适用于亲水性差的消泡剂。高分散能力，增强消泡效力，一般只适用于亲水性差的消泡剂。GP和和GPE 1:1混合使用于土霉素发酵，结果比单独使用混合使用于土霉素发酵，结果比单独使用GP的效力提高的效力提高2倍。倍。用吐温用吐温-80制成的乳剂，用于庆大霉素发酵，效力提高制成的乳剂，用于庆大霉素发酵，效力提高12倍。倍。在生产过程中，消泡的效果除了与消泡剂的种类、性质、在生产过程中，消泡的效果除了与消泡剂的种类、性质、分子量大小、消泡剂亲油亲水基团等密切相关外，还与消分子量大小、消泡剂亲油亲水基团等密
49、切相关外，还与消泡剂使用时加入方法、使用浓度、温度等有很大关系，应泡剂使用时加入方法、使用浓度、温度等有很大关系，应结合生产实际加以注意和解决。结合生产实际加以注意和解决。发酵类型不同，目的不同，判断终点的标准就不同。一般情况下的判断原则：高产量、低成本。以原料和发酵成本占整个生产成本为主的药品，主要在于提高产率、得率、发酵系数。以分离纯化和产品价值高的产品，还有提高产物的浓度，计算体积产率，发酵单位除以总发酵时间。1经济因素：发酵终点应是最低成本获得最大生产能力的时间。生产速率较小的情况下，产量增长有限，延长时间使平均生产能力下降，动力消耗，管理费用支出，设备消耗等增加了成本。在最大生产率时
50、，终止发酵。2产品质量：发酵时间太短，过多的尚未代谢的营养物质残留在发酵液中，对后步分离纯化不利，可溶性蛋白会引起乳化。发酵时间太长，菌体自溶，释放出菌体蛋白或体内酶，改变发酵液性质，增加过滤工序的难度，过滤时间延长，使一些不稳定的产品遭到破坏。临近放罐时，补料或消沫剂要慎重，其残留影响后续分离。补料可根据糖的消耗速率，以允许的残量为标准。对于抗生素，放罐前16h停止补料和消沫。第八节第八节 发酵终点的判断发酵终点的判断3.生物、物理、化学指标：主要产物浓度，过滤速度，菌体形态，氨基氮，pH，DO，发酵液的外观和粘度等。一般自溶前放罐。按照常规经验计划进行作业。4特殊因素：如染菌、代谢异常等情
