發(fā)酵過程的代謝控制

1、發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分控制難點：過程的不確定性和參數(shù)的非線性控制難點：過程的不確定性和參數(shù)的非線性第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵過程工藝控制的目的、發(fā)酵過程工藝控制的目的、 研究的方法和層次研究的方法和層次一一 發(fā)酵過程的種類發(fā)酵過程的種類分批培養(yǎng)分批培養(yǎng)補料分批培養(yǎng)補料分批培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)1 1、 分批發(fā)酵分批發(fā)酵簡單的過程，培養(yǎng)基中接入菌種以后，沒有物料簡單的過程，培養(yǎng)基中接入菌種以后，沒有物料的加入和取出，除了空氣的通入和排氣。整個過的加入和取出，除了空氣的通入和排氣。整個過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃

2、度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)都隨時間變化。數(shù)都隨時間變化。微生物生長分為：遲滯期、對數(shù)生微生物生長分為：遲滯期、對數(shù)生長期、穩(wěn)定期和死亡期長期、穩(wěn)定期和死亡期 在遲滯期，菌體沒有分裂只有生長。在遲滯期，菌體沒有分裂只有生長。當細胞內(nèi)的與細胞分裂相關的物質(zhì)濃當細胞內(nèi)的與細胞分裂相關的物質(zhì)濃度達到一定程度，細胞開始分裂，比度達到一定程度，細胞開始分裂，比生長速率幾近常數(shù)。這個時期稱為對生長速率幾近常數(shù)。這個時期稱為對數(shù)生長期數(shù)生長期隨著細胞生長，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物隨著細胞生長，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物減少，廢物積累，導致細胞生長速減少，廢物積累，導致細胞生長速率下降，進入減速期和穩(wěn)定期。最率下降，進入減速期和穩(wěn)定期。

3、最后當細胞死亡速率大于生成速率，后當細胞死亡速率大于生成速率，進入死亡期。進入死亡期。分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點：分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點：優(yōu)點優(yōu)點 操作簡單，周期短，染菌機會少，操作簡單，周期短，染菌機會少，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握缺點缺點 產(chǎn)率低，不適于測定動力學數(shù)據(jù)產(chǎn)率低，不適于測定動力學數(shù)據(jù)2 2、補料分批培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng) 在分批培養(yǎng)過程中補入新鮮的料液，在分批培養(yǎng)過程中補入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不足而導致的發(fā)酵過早結(jié)以克服營養(yǎng)不足而導致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點。束的缺點。在此過程中只有料液的加入沒有料液在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出，所以發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵液體積的取出，所

4、以發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵液體積比發(fā)酵開始時有所增加。比發(fā)酵開始時有所增加。補料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點補料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點 可以維持低的基質(zhì)濃度，避免快可以維持低的基質(zhì)濃度，避免快速利用碳源的阻遏效應；可以通過補料控速利用碳源的阻遏效應；可以通過補料控制達到最佳的生長和產(chǎn)物合成條件；制達到最佳的生長和產(chǎn)物合成條件；缺點缺點 沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導致比生產(chǎn)速率的下降終導致比生產(chǎn)速率的下降; ;增加了染菌機增加了染菌機會會3 3、半連續(xù)培養(yǎng)、半連續(xù)培養(yǎng)在補料分批培養(yǎng)的基礎上間歇放在補料分批培養(yǎng)的基礎上間歇放掉部分發(fā)酵液（帶放）稱為半連掉部分發(fā)酵液（帶放）稱為半連續(xù)培養(yǎng)。續(xù)

5、培養(yǎng)。4 4、連續(xù)培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵過程中一邊補入新鮮料液一邊放出發(fā)酵過程中一邊補入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持等量的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持恒定。恒定。達到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中菌的濃度，產(chǎn)達到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度都是恒定的。物濃度，限制性基質(zhì)濃度都是恒定的。連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點 控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量優(yōu)化。發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量缺點缺點 菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌種退化，降低產(chǎn)量。長時間補料染引起菌種退化，降低產(chǎn)

6、量。長時間補料染菌機會大大增加。菌機會大大增加。二二 發(fā)酵過程工藝控制的目的發(fā)酵過程工藝控制的目的有一個好的菌種以后要有一個配合菌有一個好的菌種以后要有一個配合菌種生長的最佳條件，使菌種的潛能發(fā)種生長的最佳條件，使菌種的潛能發(fā)揮出來揮出來目標是得到最大的比生產(chǎn)速率和最大目標是得到最大的比生產(chǎn)速率和最大的生產(chǎn)率的生產(chǎn)率發(fā)揮菌種的最大生產(chǎn)潛力考慮之點發(fā)揮菌種的最大生產(chǎn)潛力考慮之點菌種本身的代謝特點菌種本身的代謝特點 生長速率、呼生長速率、呼吸強度、營養(yǎng)要求（酶系統(tǒng)）、代謝速吸強度、營養(yǎng)要求（酶系統(tǒng)）、代謝速率率菌代謝與環(huán)境的相關性菌代謝與環(huán)境的相關性 溫度、溫度、pHpH、滲透壓、離子強度、溶氧濃

7、度、剪切力滲透壓、離子強度、溶氧濃度、剪切力等等微生物代謝是一個復雜的系統(tǒng)，它的微生物代謝是一個復雜的系統(tǒng)，它的代謝呈網(wǎng)絡形式，比如糖代謝產(chǎn)生的代謝呈網(wǎng)絡形式，比如糖代謝產(chǎn)生的中間物可能用作合成菌體的前體，可中間物可能用作合成菌體的前體，可能用作合成產(chǎn)物的前體，也可能合成能用作合成產(chǎn)物的前體，也可能合成副產(chǎn)物，而這些前體有可能流向不同副產(chǎn)物，而這些前體有可能流向不同的反應方向，環(huán)境條件的差異會引發(fā)的反應方向，環(huán)境條件的差異會引發(fā)代謝朝不同的方向進行。代謝朝不同的方向進行。三三 發(fā)酵過程研究的方法和層次發(fā)酵過程研究的方法和層次1、研究方法、研究方法單因子實驗單因子實驗：對實驗中要考察的因子逐個：

8、對實驗中要考察的因子逐個進行試驗，尋找每個因子的最佳條件。一進行試驗，尋找每個因子的最佳條件。一般用搖瓶做實驗。般用搖瓶做實驗。數(shù)理統(tǒng)計學方法數(shù)理統(tǒng)計學方法：運用統(tǒng)計學方法設計實驗：運用統(tǒng)計學方法設計實驗和分析實驗結(jié)果，得到最佳的實驗條件。如和分析實驗結(jié)果，得到最佳的實驗條件。如正交設計、均勻設計、響應面設計。正交設計、均勻設計、響應面設計。 同時進行多因子試驗。用少量的實驗，同時進行多因子試驗。用少量的實驗，經(jīng)過數(shù)理分析得到單因子實驗同樣的結(jié)果，經(jīng)過數(shù)理分析得到單因子實驗同樣的結(jié)果，甚至更準確，大大提高了實驗效率甚至更準確，大大提高了實驗效率。 2 2、研究的層次、研究的層次初級層次的研究初

9、級層次的研究：一般在搖瓶規(guī)模進行試驗。主要考察目一般在搖瓶規(guī)模進行試驗。主要考察目的菌株生長和代謝的一般條件，如培養(yǎng)的菌株生長和代謝的一般條件，如培養(yǎng)基的組成、最適溫度、最適基的組成、最適溫度、最適pHpH等要求。等要求。搖瓶研究的優(yōu)點是工作量大，可以一次搖瓶研究的優(yōu)點是工作量大，可以一次試驗幾十種甚至幾百種條件，對于菌種試驗幾十種甚至幾百種條件，對于菌種培養(yǎng)條件的優(yōu)化有較高的效率。培養(yǎng)條件的優(yōu)化有較高的效率。代謝及工程參數(shù)層次研究：代謝及工程參數(shù)層次研究：一般在小型反應器規(guī)模進行試驗。在搖瓶一般在小型反應器規(guī)模進行試驗。在搖瓶試驗的基礎上，考察溶氧、攪拌等搖瓶上試驗的基礎上，考察溶氧、攪拌等

10、搖瓶上無法考察的參數(shù)，以及在反應器中微生物無法考察的參數(shù)，以及在反應器中微生物對各種營養(yǎng)成分的利用速率、生長速率、對各種營養(yǎng)成分的利用速率、生長速率、產(chǎn)物合成速率及其它一些發(fā)酵過程參數(shù)的產(chǎn)物合成速率及其它一些發(fā)酵過程參數(shù)的變化，找出過程控制的最佳條件和方式。變化，找出過程控制的最佳條件和方式。生產(chǎn)規(guī)模放大生產(chǎn)規(guī)模放大在大型發(fā)酵罐規(guī)模進行試驗。將小型發(fā)在大型發(fā)酵罐規(guī)模進行試驗。將小型發(fā)酵罐的優(yōu)化條件在大型反應器上得以實酵罐的優(yōu)化條件在大型反應器上得以實現(xiàn)現(xiàn), ,達到產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)。達到產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)。第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵過程的中間分析發(fā)酵過程的中間分析發(fā)酵過程的中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛。發(fā)酵過程的中間

11、分析是生產(chǎn)控制的眼睛。這些代謝參數(shù)又稱為狀態(tài)參數(shù)，因為它們反映這些代謝參數(shù)又稱為狀態(tài)參數(shù)，因為它們反映發(fā)酵過程中菌的生理代謝狀況，如發(fā)酵過程中菌的生理代謝狀況，如pHpH，溶氧，溶氧，尾氣氧，尾氣二氧化碳，粘度，菌濃度等尾氣氧，尾氣二氧化碳，粘度，菌濃度等代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：物理參數(shù)：物理參數(shù)：溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、空氣壓力、空氣流溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、空氣壓力、空氣流量、溶解氧等量、溶解氧等化學參數(shù)：化學參數(shù)：基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、pHpH、產(chǎn)物濃度、核酸量等產(chǎn)物濃度、核酸量等生物參數(shù)：生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌濃度、菌體比生長速率、菌絲形態(tài)

12、、菌濃度、菌體比生長速率、呼吸強度、基質(zhì)消耗速率、關鍵酶活力等呼吸強度、基質(zhì)消耗速率、關鍵酶活力等從檢測手段分可分為：直接參數(shù)、間接從檢測手段分可分為：直接參數(shù)、間接參數(shù)參數(shù)直接參數(shù)：直接參數(shù)：通過儀器或其它分析手段可通過儀器或其它分析手段可以測得的參數(shù)，如溫度、以測得的參數(shù)，如溫度、pHpH、殘?zhí)堑取執(zhí)堑乳g接參數(shù)：間接參數(shù)：將直接參數(shù)經(jīng)過計算得到的將直接參數(shù)經(jīng)過計算得到的參數(shù)，如攝氧率、參數(shù)，如攝氧率、KLaKLa等等直接參數(shù)又可分為在線檢測參數(shù)和離線直接參數(shù)又可分為在線檢測參數(shù)和離線檢測參數(shù)檢測參數(shù)在線檢測參數(shù)在線檢測參數(shù)指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安裝的儀表上得到的參

13、數(shù)，如溫度、上安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、pHpH、攪拌轉(zhuǎn)速；、攪拌轉(zhuǎn)速；離線檢測參數(shù)離線檢測參數(shù)指取出樣后測定得到的參指取出樣后測定得到的參數(shù)，如殘?zhí)?、?shù)，如殘?zhí)?、NHNH2 2-N-N、菌體濃度。、菌體濃度。一一 發(fā)酵過程主要分析的項目發(fā)酵過程主要分析的項目目前發(fā)酵過程主要分析項目如下目前發(fā)酵過程主要分析項目如下1 1、pHpH pH pH與微生物的生命活動密切相與微生物的生命活動密切相關關 酶催化活性酶催化活性 pHpH的變化又是微生物代謝狀況的的變化又是微生物代謝狀況的綜合反映綜合反映基質(zhì)代謝、產(chǎn)物合成、基質(zhì)代謝、產(chǎn)物合成、細胞狀態(tài)、營養(yǎng)狀況、供氧狀況細胞狀態(tài)、營養(yǎng)狀況、供氧狀況2

14、 2、排氣氧、排氣、排氣氧、排氣COCO2 2和呼吸熵和呼吸熵排氣氧的濃度反映了菌生長的活性，通過計排氣氧的濃度反映了菌生長的活性，通過計算可以求得攝氧率（算可以求得攝氧率（OUROUR）。）。排氣二氧化碳反映了微生物代謝的情況。排氣二氧化碳反映了微生物代謝的情況。RQRQ值隨微生物菌種的不同，培養(yǎng)基成分的值隨微生物菌種的不同，培養(yǎng)基成分的不同，生長階段的不同而不同。測定不同，生長階段的不同而不同。測定RQRQ值值一方面可以了解微生物代謝的狀況，另一一方面可以了解微生物代謝的狀況，另一方面也可以指導補料方面也可以指導補料CERCER表示單位體積發(fā)酵液單位時間內(nèi)釋放表示單位體積發(fā)酵液單位時間內(nèi)釋

15、放的二氧化碳的量的二氧化碳的量呼吸熵呼吸熵OURCERRQ 呼吸熵反映了氧的利用狀況呼吸熵反映了氧的利用狀況 一般在發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物，一般在發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物，有意使菌體處于半饑餓狀態(tài)。有意使菌體處于半饑餓狀態(tài)。后期的補料控制是關鍵。后期的補料控制是關鍵。3 3、糖含量、糖含量微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關系。微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關系。糖的消耗糖的消耗 反映產(chǎn)生菌的生長繁殖情況反映產(chǎn)生菌的生長繁殖情況 反映產(chǎn)物合成的活力反映產(chǎn)物合成的活力糖含量測定包括總糖和還原糖。糖含量測定包括總糖和還原糖。總糖總糖指發(fā)酵液中殘留的各種糖的總量。指發(fā)酵液中殘留

16、的各種糖的總量。 還原糖還原糖指含有自由醛基的單糖，通常指的是葡指含有自由醛基的單糖，通常指的是葡萄糖。萄糖。4 4、氨基氮和氨氮、氨基氮和氨氮氨基氮氨基氮指有機氮中的氮（指有機氮中的氮（NHNH2 2-N-N），單位是），單位是 mg/100mlmg/100ml。如氨基酸中的氮，黃豆餅粉、花生餅粉中都有有機氮。如氨基酸中的氮，黃豆餅粉、花生餅粉中都有有機氮。氨氮氨氮指無機氨中的氮（指無機氨中的氮（NHNH3 3-N-N）。）。氮利用快慢可分析出菌體生長情況，含氮產(chǎn)物合氮利用快慢可分析出菌體生長情況，含氮產(chǎn)物合成情況。成情況。5 5、磷含量、磷含量微生物體內(nèi)磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸微生物體內(nèi)

17、磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸鹽為主，發(fā)酵中用來計算磷含量的是磷酸鹽為主，發(fā)酵中用來計算磷含量的是磷酸根。根。磷是核酸的組成部分，是高能化合物磷是核酸的組成部分，是高能化合物ATPATP的的組成部分，磷還能促進糖代謝。因此磷在組成部分，磷還能促進糖代謝。因此磷在培養(yǎng)基中具有非常重要的作用，如果磷缺培養(yǎng)基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取補磷措施。乏就要采取補磷措施。6 6、菌濃度和菌形態(tài)、菌濃度和菌形態(tài)菌形態(tài)和菌濃度直接反映菌生長的情況。菌形態(tài)和菌濃度直接反映菌生長的情況。菌濃度的測定是衡量產(chǎn)生菌在整個培養(yǎng)過菌濃度的測定是衡量產(chǎn)生菌在整個培養(yǎng)過程中菌體量的變化，一般前期菌濃增長很程中菌體量的

18、變化，一般前期菌濃增長很快，中期菌濃基本恒定。補料會引起菌濃快，中期菌濃基本恒定。補料會引起菌濃的波動，這也是衡量補料量適合與否的一的波動，這也是衡量補料量適合與否的一個參數(shù)。個參數(shù)。7 7、產(chǎn)物濃度、產(chǎn)物濃度 在培養(yǎng)過程中，產(chǎn)生菌的合成能力和產(chǎn)在培養(yǎng)過程中，產(chǎn)生菌的合成能力和產(chǎn)物積累情況都要通過產(chǎn)物量的測定來了物積累情況都要通過產(chǎn)物量的測定來了解，產(chǎn)物濃度直接反映了生產(chǎn)的狀況解，產(chǎn)物濃度直接反映了生產(chǎn)的狀況, ,是發(fā)酵控制的重要參數(shù)。而且通過計算是發(fā)酵控制的重要參數(shù)。而且通過計算還可以得到生產(chǎn)速率和比生產(chǎn)速率，從還可以得到生產(chǎn)速率和比生產(chǎn)速率，從而分析發(fā)酵條件如補料、而分析發(fā)酵條件如補料、p

19、HpH對產(chǎn)物形成對產(chǎn)物形成的影響。的影響。第二節(jié)第二節(jié) 溫度對發(fā)酵的影響和及其控制溫度對發(fā)酵的影響和及其控制 微生物的生長和產(chǎn)物的合成都是在各種微生物的生長和產(chǎn)物的合成都是在各種酶酶催化下進行的，溫度是保證酶活性的重要條件，催化下進行的，溫度是保證酶活性的重要條件，因此在發(fā)酵系統(tǒng)中必須保證因此在發(fā)酵系統(tǒng)中必須保證穩(wěn)定而合適的溫度穩(wěn)定而合適的溫度環(huán)境環(huán)境。一、溫度對生長的影響一、溫度對生長的影響每種微生物對溫度的要求可用每種微生物對溫度的要求可用最適溫度、最最適溫度、最高溫度、最低溫度高溫度、最低溫度來表征。來表征。微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過最

20、高溫度，微生物很快死亡；低于最低溫過最高溫度，微生物很快死亡；低于最低溫度，微生物代謝受到很大抑制，并不馬上死度，微生物代謝受到很大抑制，并不馬上死亡。這就是菌種保藏的原理。亡。這就是菌種保藏的原理。二、溫度對發(fā)酵的影響二、溫度對發(fā)酵的影響1 1、溫度影響反應速率、溫度影響反應速率發(fā)酵過程的反應速率實際是酶反應速率，酶反應有一個最適溫度。發(fā)酵過程的反應速率實際是酶反應速率，酶反應有一個最適溫度。從阿累尼烏斯方程式可以看到從阿累尼烏斯方程式可以看到 dlnKdlnKr r/dt=E/RT/dt=E/RT2 2 積分得積分得 E活化能活化能Kr速率常數(shù)速率常數(shù)k=Aexp(- E/RT)2 2、溫

21、度影響發(fā)酵方向、溫度影響發(fā)酵方向四環(huán)素產(chǎn)生菌金色鏈霉菌同時產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素，四環(huán)素產(chǎn)生菌金色鏈霉菌同時產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素，當溫度低于當溫度低于30300 0C C時，這種菌合成金霉素能力較強；時，這種菌合成金霉素能力較強；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達到溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達到35350 0C C時，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。時，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。(3) (3) 溫度溫度基質(zhì)溶解度基質(zhì)溶解度影響氧在發(fā)酵液中的溶解度影響氧在發(fā)酵液中的溶解度 溫度 溶氧影響基質(zhì)的吸收速率影響基質(zhì)的吸收速率 如菌體對硫酸鹽吸收在如菌體對硫酸鹽吸收在2525時

22、最小時最小三、最適溫度的選擇三、最適溫度的選擇 所謂最適溫度是指在該溫度下最適于所謂最適溫度是指在該溫度下最適于菌的生長菌的生長或或產(chǎn)物的合成產(chǎn)物的合成。 對不同的對不同的菌種菌種、不同的、不同的培養(yǎng)條件培養(yǎng)條件、不同的、不同的酶反應酶反應以及不同的以及不同的生長階段生長階段，最適溫度有所不同。，最適溫度有所不同。1 1、根據(jù)菌種及生長階段選擇、根據(jù)菌種及生長階段選擇微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。所要求的溫度范圍也不同。如黑曲霉生長溫度為如黑曲霉生長溫度為370 0C C，谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長溫度為谷氨酸產(chǎn)生菌

23、棒狀桿菌的生長溫度為30320 0C C，青霉菌生長溫度為青霉菌生長溫度為300 0C C。 根據(jù)菌種根據(jù)菌種在發(fā)酵在發(fā)酵前期前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快達到大量由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快達到大量的菌體，取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌的菌體，取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長迅速；生長迅速；在在中期中期菌量已達到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長菌量已達到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低一些，可中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低一些，可以推遲衰老。以推遲衰老。l根據(jù)生長階段選擇根據(jù)生長階段選擇發(fā)酵發(fā)酵后期后期，產(chǎn)物合成能力降低，延長發(fā)酵

24、周期沒有必，產(chǎn)物合成能力降低，延長發(fā)酵周期沒有必要，就又提高溫度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。要，就又提高溫度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。如四環(huán)素生長階段如四環(huán)素生長階段2828，合成期，合成期2626后期再升溫；后期再升溫；黑曲霉生長黑曲霉生長3737 ，產(chǎn)糖化酶，產(chǎn)糖化酶32323434 。但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長溫度高。如谷氨酸產(chǎn)但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長溫度高。如谷氨酸產(chǎn)生菌生長生菌生長30303232，產(chǎn)酸，產(chǎn)酸34343737。2 2、根據(jù)培養(yǎng)條件選擇、根據(jù)培養(yǎng)條件選擇溫度選擇還要根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。溫度選擇還要根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。通氣條件差通氣條件差時可適當降低溫度，

25、使菌呼吸速率降低時可適當降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。些，溶氧濃度也可髙些。培養(yǎng)基稀薄培養(yǎng)基稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營養(yǎng)利時，溫度也該低些。因為溫度高營養(yǎng)利用快，會使菌過早自溶。用快，會使菌過早自溶。3 3、根據(jù)菌生長情況、根據(jù)菌生長情況菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。培養(yǎng)條件適宜，如營養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那培養(yǎng)條件適宜，如營養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長。么前期溫度可髙些，以利于菌的生長。四、發(fā)酵過程引起溫度變化的因素四、發(fā)酵過程引起溫

26、度變化的因素（一）發(fā)酵熱（一）發(fā)酵熱Q Q發(fā)酵發(fā)酵發(fā)酵熱是引起發(fā)酵過程溫度變化的原因。發(fā)酵熱是引起發(fā)酵過程溫度變化的原因。所謂發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。所謂發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。發(fā)酵熱引起發(fā)酵液的溫度上升。發(fā)酵熱引起發(fā)酵液的溫度上升。發(fā)酵熱大，溫度上升快，發(fā)酵熱小，溫度上升慢。發(fā)酵熱大，溫度上升快，發(fā)酵熱小，溫度上升慢。1 1、生物熱生物熱Q Q生物生物在發(fā)酵過程中，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物在發(fā)酵過程中，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，將其分解氧化而產(chǎn)生的能量，其中一部分用質(zhì)，將其分解氧化而產(chǎn)生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如于合成高能化合物（如ATPA

27、TP）提供細胞合成和代謝）提供細胞合成和代謝產(chǎn)物合成需要的能量，其余一部分以熱的形式散產(chǎn)物合成需要的能量，其余一部分以熱的形式散發(fā)出來，這散發(fā)出來的熱就叫生物熱。發(fā)出來，這散發(fā)出來的熱就叫生物熱。l生物熱與發(fā)酵類型有關生物熱與發(fā)酵類型有關微生物進行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵微生物進行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多產(chǎn)生的熱多一摩爾葡萄糖徹底氧化成一摩爾葡萄糖徹底氧化成COCO2 2和水和水l 培養(yǎng)過程中生物熱的產(chǎn)生具有培養(yǎng)過程中生物熱的產(chǎn)生具有強烈的時間性強烈的時間性。生物熱的大小與呼吸作用強弱有關生物熱的大小與呼吸作用強弱有關。在培養(yǎng)初期，產(chǎn)生熱量較少。在培養(yǎng)初期，產(chǎn)生熱量較少。菌體在對

28、數(shù)生長期時，菌體繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌體在對數(shù)生長期時，菌體繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌體也較多，所以產(chǎn)生的熱量多，必須注意控制溫度。菌體也較多，所以產(chǎn)生的熱量多，必須注意控制溫度。培養(yǎng)后期，菌體已基本上停止繁殖，主要靠菌體內(nèi)培養(yǎng)后期，菌體已基本上停止繁殖，主要靠菌體內(nèi)的酶系進行代謝作用，產(chǎn)生熱量不多。的酶系進行代謝作用，產(chǎn)生熱量不多。2 2、攪拌熱、攪拌熱Q Q攪拌攪拌電機功率電機功率P= cos3EIEE額定電壓額定電壓 II額定電流額定電流coscos功率因素，功率因素，1 1千瓦時千瓦時8608604186.84186.8焦耳焦耳攪拌熱與攪拌軸功率有關，可用下式計算：攪拌熱與攪拌軸功

29、率有關，可用下式計算： Q Q攪拌攪拌P P8608604186.84186.8（焦耳（焦耳/ /小時）小時） PP攪拌軸功率攪拌軸功率 4186.84186.8機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ斄繖C械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ斄?、蒸發(fā)熱Q蒸發(fā) 通氣時，引起發(fā)酵液的水分蒸發(fā)，水分蒸發(fā)所需的通氣時，引起發(fā)酵液的水分蒸發(fā)，水分蒸發(fā)所需的熱量叫蒸發(fā)熱。此外，排氣也會帶走部分熱量叫顯熱量叫蒸發(fā)熱。此外，排氣也會帶走部分熱量叫顯熱熱Q Q顯熱顯熱，顯熱很小，一般可以忽略不計。，顯熱很小，一般可以忽略不計。4、輻射熱Q輻射發(fā)酵罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分發(fā)酵罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過罐體向外

30、輻射。輻射熱的大小取決于罐溫熱通過罐體向外輻射。輻射熱的大小取決于罐溫與環(huán)境的溫差。與環(huán)境的溫差。Q Q發(fā)酵發(fā)酵Q Q生物生物Q Q攪拌攪拌Q Q蒸發(fā)蒸發(fā)Q Q輻射輻射（二）發(fā)酵熱的測定（二）發(fā)酵熱的測定有二種發(fā)酵熱測定的方法。有二種發(fā)酵熱測定的方法。一種是用冷卻水進出口溫度差一種是用冷卻水進出口溫度差計算發(fā)酵熱。計算發(fā)酵熱。在工廠里，可以通過測量冷卻水進出口的水在工廠里，可以通過測量冷卻水進出口的水溫，再從水表上得知每小時冷卻水流量來計算發(fā)酵熱。溫，再從水表上得知每小時冷卻水流量來計算發(fā)酵熱。Q Q發(fā)酵發(fā)酵GCGCm m(T(T出出T T進進) ) C Cm m水的比熱水的比熱, G, G冷

31、卻水流量冷卻水流量另一種是另一種是根據(jù)罐溫上升速率來計算根據(jù)罐溫上升速率來計算。五、溫度的控制五、溫度的控制 一般不需加熱，因一般不需加熱，因釋放了大量的發(fā)酵熱，釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況多。需要冷卻的情況多。 用夾套或蛇形管，通用夾套或蛇形管，通冷卻水。冷卻水。第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵過程的發(fā)酵過程的pHpH控制控制 pHpH是微生物代謝的綜合反映是微生物代謝的綜合反映，又影響代謝的進，又影響代謝的進行，所以是十分重要的參數(shù)。行，所以是十分重要的參數(shù)。發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中pHpH是不斷變化的是不斷變化的，通過觀察，通過觀察pHpH變變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否?；?guī)律可以了解發(fā)酵的正常與

32、否。一、發(fā)酵過程一、發(fā)酵過程pHpH變化的原因變化的原因 1 1、基質(zhì)代謝、基質(zhì)代謝 （1）糖代謝）糖代謝 特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使醇，使pH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pH上升，是補料的標志之一上升，是補料的標志之一.（2）氮代謝）氮代謝 當氨基酸中的當氨基酸中的-NH2被利用后被利用后pH會下降；會下降；尿素被分解成尿素被分解成NH3，pH上升，上升，NH3利用后利用后pH下降，當碳下降，當碳源不足時氮源當碳源利用源不足時氮源當碳源利用pH上升。上升。（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會上升或下降會上升或下降2 2、產(chǎn)

33、物形成、產(chǎn)物形成 某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pHpH變化。變化。如有機酸類產(chǎn)生使如有機酸類產(chǎn)生使pHpH下降，紅霉素、潔霉素、下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pHpH上升。上升。 3 3、菌體自溶菌體自溶pH上升，發(fā)酵后期，上升，發(fā)酵后期，pH上升。上升。 二、二、pH對發(fā)酵的影響對發(fā)酵的影響 例例 pH對林可霉素發(fā)酵的影響對林可霉素發(fā)酵的影響 林可霉素發(fā)酵開始，葡萄糖轉(zhuǎn)化為有機酸類中間產(chǎn)物，發(fā)林可霉素發(fā)酵開始，葡萄糖轉(zhuǎn)化為有機酸類中間產(chǎn)物，發(fā)酵液酵液pH下降，待有機酸被生產(chǎn)菌利用，下降，待有機酸被生產(chǎn)菌利用，

34、pH上升。若不及上升。若不及時補糖、時補糖、(NH4)2SO4或酸，發(fā)酵液或酸，發(fā)酵液pH可迅速升到可迅速升到8.0以上，以上，阻礙或抑制某些酶系，使林可霉素增長緩慢，甚至停止。阻礙或抑制某些酶系，使林可霉素增長緩慢，甚至停止。對照罐發(fā)酵對照罐發(fā)酵66小時小時pH達達7.93，以后維持在，以后維持在8.0以上至以上至115小小時，菌絲濃度降低，時，菌絲濃度降低，NH2-N升高，發(fā)酵不再繼續(xù)。升高，發(fā)酵不再繼續(xù)。發(fā)酵發(fā)酵15小時左右，小時左右，pH值可以從消后的值可以從消后的6.5左右下降到左右下降到5.3，調(diào)節(jié)這一段的調(diào)節(jié)這一段的pH值至值至7.0左右，以后自控左右，以后自控pH，可提高發(fā)酵，

35、可提高發(fā)酵單位。單位。 1、實例、實例pH7.0t不調(diào)不調(diào)pH調(diào)調(diào)pH效價效價pH2 2、pHpH對發(fā)酵的影響對發(fā)酵的影響 （1 1）pHpH影響酶的活性。當影響酶的活性。當pHpH值抑制菌體值抑制菌體某些酶的活性時使菌的新陳代謝受阻某些酶的活性時使菌的新陳代謝受阻（2 2）pHpH值影響微生物細胞膜所帶電荷的改變，值影響微生物細胞膜所帶電荷的改變，從而改變細胞膜的透性，影響微生物對營養(yǎng)從而改變細胞膜的透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄。物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄。（3 3）pHpH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，影響微生物對這些物質(zhì)的利用物的解

36、離，影響微生物對這些物質(zhì)的利用 。（4）pH影響代謝方向影響代謝方向 pHpH不同，往往引起菌體代謝過程不同，使代謝產(chǎn)物不同，往往引起菌體代謝過程不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。例如黑曲霉在例如黑曲霉在pH23pH23時發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在時發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pHpH近中近中性時，則產(chǎn)生草酸。性時，則產(chǎn)生草酸。3 3、pHpH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響 生長合成pHpH對菌體生長影響比產(chǎn)物合成影響小對菌體生長影響比產(chǎn)物合成影響小XpH四環(huán)素四環(huán)素三、三、pHpH的控制的控制 1 1、調(diào)節(jié)好基礎料的、調(diào)節(jié)好基礎料的pHpH?；A

37、料中若含有玉米漿，。基礎料中若含有玉米漿，pHpH呈酸性，必須調(diào)節(jié)呈酸性，必須調(diào)節(jié)pHpH。若要控制消后。若要控制消后pHpH在在6.06.0，消前消前pHpH往往要調(diào)到往往要調(diào)到6.56.8.6.56.8.2 2、在基礎料中加入維持、在基礎料中加入維持pHpH的物質(zhì)，如的物質(zhì)，如CaCOCaCO3 3 ，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等。具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等。3 3、通過補料調(diào)節(jié)、通過補料調(diào)節(jié)pHpH 在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進行補料。在補料在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進行補料。在補料與調(diào)與調(diào)pHpH沒有矛盾時采用補料調(diào)沒有矛盾時采用補料調(diào)pHpH如（如（1 1）調(diào)節(jié)補

38、糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)補糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié)pHpH(2)(2)當當NHNH2 2-N-N低，低，pHpH低時補氨水；低時補氨水；當當NHNH2 2-N-N低，低，pHpH高時補高時補(NH(NH4 4) )2 2SOSO4 44 4、當補料與調(diào)、當補料與調(diào)pHpH發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)pHpH pHpH控制是一項非常細致的工作，不僅控制是一項非常細致的工作，不僅考慮最佳考慮最佳pHpH值，而且要根據(jù)生長階段值，而且要根據(jù)生長階段考察對考察對pHpH的要求。在的要求。在pHpH控制中還要采控制中還要采用合適的調(diào)節(jié)方法。用合適的調(diào)節(jié)方法。總結(jié)總結(jié)小小 結(jié)結(jié)發(fā)酵過

39、程發(fā)酵過程pH會發(fā)生變化會發(fā)生變化變化原因變化原因基質(zhì)代謝基質(zhì)代謝 產(chǎn)物形成產(chǎn)物形成 菌體自溶菌體自溶對發(fā)酵的影響對發(fā)酵的影響pHpHpH影響酶的活性影響酶的活性pHpH值影響微生物細胞膜所帶電荷的值影響微生物細胞膜所帶電荷的改變改變pHpH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離謝物的解離pHpH影響代謝方向影響代謝方向 pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響 pHpH的的控控制制方方式式基礎培養(yǎng)基調(diào)節(jié)基礎培養(yǎng)基調(diào)節(jié)pH在基礎料中加入維持在基礎料中加入維持pH的物質(zhì)的物質(zhì)通過補料調(diào)節(jié)通過補料調(diào)節(jié)pH 當補料與調(diào)當補料與調(diào)pH發(fā)生矛盾

40、時，加酸堿發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)調(diào)pH 發(fā)酵的不同階段采取不同的發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值值選擇合適的選擇合適的pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)劑思考題思考題7.12 發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中pH會不會發(fā)生變化為什么？會不會發(fā)生變化為什么？7.13 pH對發(fā)酵的影響表現(xiàn)在哪些方面？對發(fā)酵的影響表現(xiàn)在哪些方面？7.14 為了確定發(fā)酵的最佳為了確定發(fā)酵的最佳pH,我們該如何實驗？我們該如何實驗？7.15 發(fā)酵過程的發(fā)酵過程的pH控制可以采取哪些措施？控制可以采取哪些措施？第四節(jié) 氧的供需及對發(fā)酵的影響主要內(nèi)容一、細胞對氧的需求一、細胞對氧的需求( (為什么要供氧？為什么要控制為什么要供氧？為什么要控制溶氧？）溶氧？）

41、二、發(fā)酵過程中氧的傳遞（如何實現(xiàn)供氧？如何控制二、發(fā)酵過程中氧的傳遞（如何實現(xiàn)供氧？如何控制溶氧？）溶氧？）三、影響氧傳遞的因素三、影響氧傳遞的因素四、攝氧率、溶解氧、四、攝氧率、溶解氧、K KL La a的測定的測定五、溶解氧對發(fā)酵的影響及控制五、溶解氧對發(fā)酵的影響及控制一、細胞對氧的需求（一）氧在微生物發(fā)酵中的作用（一）氧在微生物發(fā)酵中的作用（二）溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響（二）溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響（三）影響耗氧的因素（三）影響耗氧的因素（三）溶解氧控制的意義（三）溶解氧控制的意義（一）氧在微生物發(fā)酵中的作用（對于好氣性微生物而言）（對于好氣性微生物而言）呼吸作用

42、呼吸作用 直接參與一些生物合成反應直接參與一些生物合成反應 COOHCHOHCHCHO3232只考慮呼吸作用，則只考慮呼吸作用，則C C6 6H H1212O O6 6HH2 2O+COO+CO2 2 能量能量上式可知，上式可知，180g180g葡萄糖完全氧化需要葡萄糖完全氧化需要190g190g氧氧. .在常壓下（在常壓下（2525），氧的溶解度僅為），氧的溶解度僅為6.4mg /L 6.4mg /L 的溶解的溶解度小度小70007000倍。只能保證氧化倍。只能保證氧化8.3mg8.3mg葡萄糖，僅相當于葡萄糖，僅相當于常用培養(yǎng)基葡萄糖濃度的常用培養(yǎng)基葡萄糖濃度的11。在對數(shù)生長期即使發(fā)酵液

43、中的溶氧能達到在對數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達到100空氣飽和度，若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧空氣飽和度，若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限可在幾秒（分）鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。制因素。 微生物需氧量的表示方式微生物需氧量的表示方式(1)(1)呼吸強度（比耗氧速率）呼吸強度（比耗氧速率） QO2 ：單位質(zhì)量干菌體在單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)消耗氧的量。單位：單位時間內(nèi)消耗氧的量。單位：m mmolO2/（kg干菌體干菌體h）。(2) 攝氧率攝氧率（耗氧速率）：單位體積培養(yǎng)液在單位時（耗氧速率）：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)消耗氧的量。間內(nèi)消耗氧的量。

44、 =QO2x x細胞濃度，細胞濃度，kg(干重干重)/m3)(32hmmmolOl呼吸強度表示微生物的絕對吸氧量，但當培養(yǎng)呼吸強度表示微生物的絕對吸氧量，但當培養(yǎng)液中有固體成分存在時，測定困難。用耗氧速率液中有固體成分存在時，測定困難。用耗氧速率(攝氧率攝氧率)表示表示.QO2與溶氧濃度與溶氧濃度CL關系關系QO2CCr: 臨界溶氧濃度臨界溶氧濃度, 指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。在臨界氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低在臨界氧濃度以下，微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降。好氧微生物臨界氧濃度大約是飽和濃度的而顯著下降。好氧微生物臨界氧濃度

45、大約是飽和濃度的1-25。CCrCL(1) 當當CLCcr時時， QO2 (QO2)m(2) 當當CL1.1.問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中氧很容易滿足過程中氧很容易滿足?例：以微生物的攝氧率例：以微生物的攝氧率0.052 mmol O2L-1S-1 計，計，在在28氧氧在發(fā)酵液中的在發(fā)酵液中的100的空氣飽和濃度只有的空氣飽和濃度只有0.25 mmol.L-1左右左右 0.25/0.052=4.8秒秒注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣常不一樣 頭孢菌素頭孢菌素 卷

46、須霉素卷須霉素生長生長 5% (相對于飽和濃度）相對于飽和濃度） 13%產(chǎn)物產(chǎn)物 13% 8%（三）影響耗氧的因素（三）影響耗氧的因素r= QO2 .Xr r微生物攝氧率微生物攝氧率 mmol(O2)/Lhmmol(O2)/LhQ QO2O2呼吸強度呼吸強度 mmol(Ommol(O2 2)/g ()/g (干菌體干菌體) h) hX X 菌體量菌體量 g (g (干菌體干菌體) /L) /L培養(yǎng)過程中細胞耗氧的一般規(guī)律A. 培養(yǎng)初期：培養(yǎng)初期： QO2逐漸增高逐漸增高，x較小較小。B. 在對數(shù)生長初期：達到在對數(shù)生長初期：達到(QO2 )m，但此時但此時x較低較低， 并不高并不高。C. 在對

47、數(shù)生長后期：達到在對數(shù)生長后期：達到m, D. 對數(shù)生長期末對數(shù)生長期末：S, QO2 而而(QO2 , x), 雖然雖然x=xm,但但 QO2占主導地位，占主導地位，所以所以 E. 培養(yǎng)后期培養(yǎng)后期：S0，QO2 , 影響微生物耗氧的因素微生物本身遺傳特征的影響，如微生物本身遺傳特征的影響，如 k0，QO2培養(yǎng)基的成分和濃度培養(yǎng)基的成分和濃度碳源種類碳源種類 耗氧速率：油脂或烴類耗氧速率：油脂或烴類葡萄糖葡萄糖 蔗糖蔗糖 乳糖乳糖 培養(yǎng)基濃度培養(yǎng)基濃度 濃度大濃度大, , QO2 ; 濃度小濃度小, , QO2菌齡的影響菌齡的影響: :一般幼齡菌一般幼齡菌QO2大大, ,晚齡菌晚齡菌QO2小

48、小4. 影響微生物耗氧的因素（續(xù)）影響微生物耗氧的因素（續(xù)） 發(fā)酵條件的影響發(fā)酵條件的影響 pHpH值值 通過酶活來影響耗氧特征通過酶活來影響耗氧特征; ; 溫度溫度 通過酶活及溶氧來影響耗氧特征：通過酶活及溶氧來影響耗氧特征：T , DO2 代謝類型代謝類型( (發(fā)酵類型發(fā)酵類型) )的影響的影響 若產(chǎn)物通過若產(chǎn)物通過TCA循環(huán)獲取循環(huán)獲取, ,則則QO2高高, ,耗氧量大耗氧量大 若產(chǎn)物通過若產(chǎn)物通過EMP途徑獲取途徑獲取, ,則則QO2低低, ,耗氧量小耗氧量小溶解氧濃度對細胞生長和產(chǎn)物合成的影響可能是溶解氧濃度對細胞生長和產(chǎn)物合成的影響可能是不同的，所以須了解長菌階段和代謝產(chǎn)物形成階不

49、同的，所以須了解長菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適需氧量。段的最適需氧量。 氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素。素。目前目前, ,在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧效率氧效率, ,就能大大降低空氣消耗量就能大大降低空氣消耗量, ,從而降低設備從而降低設備費和動力消耗費和動力消耗, ,且減少泡沫形成和染菌的機會且減少泡沫形成和染菌的機會, , 大大大提高設備利用率。大提高設備利用率。（四）溶解氧控制的意義（四）溶解氧控制的意義二、氧在液體中的傳遞1. 氧傳遞的阻力微生物發(fā)酵過程中，氧需克服從氣態(tài)液體菌體

50、多方面的阻力，才能參與各種生化反應2. 氧得傳遞 傳遞推動力 根據(jù)雙膜理論，傳遞過程的總推動力是氣相與細胞內(nèi)的氧分壓之差 OTRKLa（C*- CL ）OTR 單位體積培養(yǎng)液的氧傳遞速率（kmol/m3 h）C* 與氣相中氧平衡的飽和溶氧濃度（kmol/m3 ）CL溶液主流中的氧濃度（kmol/m3 ）KL 以氧濃度差為總推動力的總傳質(zhì)系數(shù)（kmol/（m2 hkmol/m3）a比表面積（單位體積液體中所含有的氣液接觸面積m2 /m3） 液相體積氧傳遞系數(shù)因a很難測定，把KLa當成以一項，稱為液相體積氧傳遞系數(shù)(以濃度差為推動力的體積溶氧系數(shù))，1/h由氣液傳遞速率方程由氣液傳遞速率方程)(*

51、LLCCaKOTR 2. kLa的影響因素的影響因素（一）影響氧傳遞的因素（一）影響氧傳遞的因素1. 影響推動力影響推動力C*-CL的因素的因素 影響比表面積影響比表面積a的因素的因素影響液膜傳遞系數(shù)影響液膜傳遞系數(shù)kL的因素的因素 可知，影響氧傳遞速率的因素（即影響供氧的因素）有：可知，影響氧傳遞速率的因素（即影響供氧的因素）有： 提高飽和氧濃度考慮適當降溫（T ，Cw* ，推動力）降低基質(zhì)濃度考慮提高氧分壓(提高罐壓、富氧通氣） 降低發(fā)酵液中的CL考慮減少通氣量或降低攪拌速度，降低KLa調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)KlaKla是最常用的方法，是最常用的方法，klakla反映了設備的供氧能力。反映了設備的供氧能

52、力。 45升升 1噸噸 10噸噸攪拌速度攪拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1不同的設備供氧能力不一樣不同的設備供氧能力不一樣發(fā)酵常用的設備為：搖瓶發(fā)酵常用的設備為：搖瓶 發(fā)酵罐發(fā)酵罐（一）影響搖瓶（一）影響搖瓶k kL La a的因素的因素1) 搖瓶機的種類和裝液量搖瓶機的種類和裝液量搖瓶機搖瓶機往復，頻率往復，頻率80-120分分/次，振幅次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)述轉(zhuǎn)述250rpm裝液量，一般取裝液量，一般取1/101/10左右左右( (好氧發(fā)酵）：好氧發(fā)酵）： 250ml 15-25 ml250ml 15-25 m

53、l 500ml 30 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml 750ml 80 ml例：例： 500 ml 搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響 裝液量裝液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92（二）影響發(fā)酵罐中（二）影響發(fā)酵罐中kLa的因素的因素(二）影響KLa的因素 發(fā)酵罐的形狀，結(jié)構(gòu)（幾何參數(shù)）發(fā)酵罐的形狀，結(jié)構(gòu)（幾何參數(shù)） 攪拌器，空氣分布器（幾何參數(shù)）攪拌器，空氣分布器（幾何參數(shù)） 通氣：表觀線速度通氣：表觀線速度Vs 操作條件操作條件 攪拌：轉(zhuǎn)速攪拌：轉(zhuǎn)速N，攪拌功率攪拌功

54、率Pg 發(fā)酵液體積發(fā)酵液體積V，液柱高度液柱高度HL 發(fā)酵液的性質(zhì)發(fā)酵液的性質(zhì)：如影響發(fā)酵液性質(zhì)的表面活性劑、離如影響發(fā)酵液性質(zhì)的表面活性劑、離子強度、菌體量子強度、菌體量設備參數(shù)設備參數(shù)實際上：實際上：對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時是有限度的對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時是有限度的通風的增加也是有限的通風的增加也是有限的蒸發(fā)量大蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走3、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)kla的特點的特點q 小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)q 大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào)大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào) 大型反應器的合理設計大型反應器的合理設計 對現(xiàn)有設備一定要注意

55、工藝配套對現(xiàn)有設備一定要注意工藝配套5、影響、影響Kla的其它因素的其它因素設備結(jié)構(gòu)：如空氣分布器（設備結(jié)構(gòu)：如空氣分布器（液體的粘度液體的粘度三、溶解氧、攝氧率和KLa值的測定（一）（一）溶解氧溶解氧C CL L的測定原理與方法的測定原理與方法化學法化學法極譜法極譜法復膜氧電極法復膜氧電極法化學法化學法原理：在樣品中加入硫酸錳和堿性原理：在樣品中加入硫酸錳和堿性KI溶液，溶液，生成氫氧化錳生成氫氧化錳沉淀，與溶解氧反應生成硫酸錳，沉淀，與溶解氧反應生成硫酸錳，再在反應液中加入再在反應液中加入H2SO4, 釋放出游離的碘，釋放出游離的碘，然后用標準然后用標準Na2S2O3液滴定液滴定。 MnS

56、O4+2NaOH Mn(OH)2十十Na2SO4 2Mn(OH)2+O2MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(OH)2MnMnO3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4 I2+2Na2S2O32NaI十十Na2S4O6 （1） 化學法（續(xù)）化學法（續(xù)）優(yōu)點：測定較準確，且能得到氧的濃度值。優(yōu)點：測定較準確，且能得到氧的濃度值。缺點：當樣品中存在氧化還原性物質(zhì)，測定結(jié)果會有缺點：當樣品中存在氧化還原性物質(zhì)，測定結(jié)果會有偏差；當樣品帶有顏色時，會影響測定終點的判斷，偏差；當樣品帶有顏色時，會影響測定終點的判斷，故不適合測定發(fā)酵液的溶解氧濃度。故不

57、適合測定發(fā)酵液的溶解氧濃度。（2）極譜法 原理：給浸在待測液體中的貴金屬陰極和參考原理：給浸在待測液體中的貴金屬陰極和參考電極（陽極）加上直流電壓，當電解電壓固定在電極（陽極）加上直流電壓，當電解電壓固定在0.8V左右時，與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生左右時，與陰極接觸的液體中的溶解氧發(fā)生如下氧化還原反應而被消耗，如下氧化還原反應而被消耗， 酸性時酸性時 O2+2H+2e H2O2 中性或堿性時中性或堿性時 O22H2O +2e H2O22OH 原理：原理： 陰極表面與液體的主體之間存在氧的濃度差，陰極表面與液體的主體之間存在氧的濃度差，于是液體主體的溶解氧就會擴散到陰極的表面參加電于是液體主

58、體的溶解氧就會擴散到陰極的表面參加電極反應，使電路中維持一定的電流極反應，使電路中維持一定的電流。當氧的擴散過程當氧的擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時，溶解氧濃度與測得的擴散電流成正達到穩(wěn)定狀態(tài)時，溶解氧濃度與測得的擴散電流成正比。比。氧濃度與擴散電流的關系氧濃度與擴散電流的關系 ADFLiCCLCL2ADFLiCLL2（2）極譜法極譜法陰極表面極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以一般采陰極表面極易被污染，影響重現(xiàn)性，所以一般采用滴汞電板作為陰極（工作電極），陽極（參比用滴汞電板作為陰極（工作電極），陽極（參比電極）則可用甘汞電極。電極）則可用甘汞電極。如果樣品中含有其它的氧化還原性物質(zhì)會影響電如果樣品中含有其

59、它的氧化還原性物質(zhì)會影響電極反應，從而影響到該法的準確性，使測定結(jié)果極反應，從而影響到該法的準確性，使測定結(jié)果有誤差。有誤差。（3）復膜氧電極復膜氧電極法法復膜氧電極類型：極譜型；原電池型復膜氧電極類型：極譜型；原電池型原理原理：復膜氧電極測得的實際為氧從液相主體到陰極：復膜氧電極測得的實際為氧從液相主體到陰極的擴的擴 散速率。當擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時，散速率。當擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)時，單位面積氧的擴散速率為：單位面積氧的擴散速率為： no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc) 根據(jù)根據(jù)Faraday定律，原電池型氧電極的穩(wěn)定電流為定律，原電池型氧電極

60、的穩(wěn)定電流為： i=4FAno2= 4FAK(PL-Pc)=KPL 溶氧電極測定的實際是氧從液相主體到溶氧電極測定的實際是氧從液相主體到陰極的擴散速率。陰極的擴散速率。復膜氧電極示意圖復膜氧電極示意圖 （a）極譜型）極譜型 （b）原電池型）原電池型復膜氧電極內(nèi)外氧電壓的分布復膜氧電極內(nèi)外氧電壓的分布c（二）攝氧率的測定原理與方法 瓦氏呼吸儀法瓦氏呼吸儀法物料衡算法物料衡算法氧電極法氧電極法 KLa的測定原理與方法的測定原理與方法亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法取樣極譜法取樣極譜法物料衡算法物料衡算法動態(tài)法動態(tài)法排氣法排氣法復膜電極法復膜電極法（五）溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制（五）溶解氧對發(fā)酵的影響