發(fā)酵過程控制23

1、第五章第五章 發(fā)酵工藝控制發(fā)酵工藝控制重點掌握重點掌握: :溫度溫度、pHpH、溶解氧、菌體濃度、基質(zhì)濃度、溶解氧、菌體濃度、基質(zhì)濃度、二氧化碳、泡沫等因素對發(fā)酵過程二氧化碳、泡沫等因素對發(fā)酵過程的影響的影響. .一、發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)一、發(fā)酵過程的主要控制參數(shù) (1) (1) 溫度溫度 最適生長溫度與最適生長溫度與最佳代謝產(chǎn)物最佳代謝產(chǎn)物合成合成溫度往往不同。溫度往往不同。（2 2）pH pH 菌體的代謝影響培養(yǎng)基的菌體的代謝影響培養(yǎng)基的pHpH，培養(yǎng)基，培養(yǎng)基的的pHpH又影響菌體的生長和酶系統(tǒng)活性和代謝途徑又影響菌體的生長和酶系統(tǒng)活性和代謝途徑. .（3 3）溶解氧的濃度（）溶解氧的

2、濃度（DODO） 溶解氧是需氧菌發(fā)溶解氧是需氧菌發(fā)酵的必要條件。酵的必要條件。（4 4）基質(zhì)含量基質(zhì)含量 要保證菌體生長、維持生存、要保證菌體生長、維持生存、避免抑制、合成產(chǎn)物等不同目的和階段的工藝需避免抑制、合成產(chǎn)物等不同目的和階段的工藝需要。要。（5 5）空氣流量空氣流量 空氣滅菌系統(tǒng)、流量、溫度、目空氣滅菌系統(tǒng)、流量、溫度、目的是的是供氧。供氧。（6 6）罐壓）罐壓 正壓防止空氣中的雜菌侵入發(fā)酵液，正壓防止空氣中的雜菌侵入發(fā)酵液，罐壓過高時罐壓過高時COCO2 2 濃度陡增，負面濃度陡增，負面作用。作用。（7 7）攪拌速度）攪拌速度 延長空氣的停留時間，提高溶氧；延長空氣的停留時間，提高

3、溶氧；促進菌體與培養(yǎng)基之間的質(zhì)量傳遞。過高時會損傷促進菌體與培養(yǎng)基之間的質(zhì)量傳遞。過高時會損傷菌體、產(chǎn)生過多的菌體、產(chǎn)生過多的泡沫。泡沫。（8 8）攪拌功率）攪拌功率 其成本比重較大。其成本比重較大。（9 9）粘度）粘度 菌體濃度增大時，粘度增加，溶氧菌體濃度增大時，粘度增加，溶氧下降。下降。（1010）濁度）濁度 能直接反應(yīng)菌體的濃度，但不能區(qū)能直接反應(yīng)菌體的濃度，但不能區(qū)分菌體的分菌體的死活。死活。（1111）料液流量）料液流量 連續(xù)發(fā)酵時，涉及連續(xù)發(fā)酵時，涉及稀釋率稀釋率. .（1212）產(chǎn)物濃度）產(chǎn)物濃度 生產(chǎn)目標。生產(chǎn)目標。（1313）氧化還原電位）氧化還原電位 其原因往往十分復雜。

4、測其原因往往十分復雜。測量手段有待開發(fā)。量手段有待開發(fā)。（1414）廢氣中的氧含量）廢氣中的氧含量 （1515）廢氣中的）廢氣中的CO2 CO2 從中可了解生產(chǎn)菌株從中可了解生產(chǎn)菌株的呼吸代謝的呼吸代謝規(guī)律。規(guī)律。（1616）菌絲形態(tài)）菌絲形態(tài) 判別種子質(zhì)量、區(qū)分發(fā)酵判別種子質(zhì)量、區(qū)分發(fā)酵階段、確認染菌的重要階段、確認染菌的重要依據(jù)。依據(jù)。（1717）菌體濃度）菌體濃度 是確定補料量、供氣量、是確定補料量、供氣量、階段轉(zhuǎn)換的重要依據(jù)。階段轉(zhuǎn)換的重要依據(jù)。發(fā)酵過程的發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)主要控制參數(shù) pH值（酸堿度）值（酸堿度）溫度（溫度（）溶解氧濃度溶解氧濃度基質(zhì)含量基質(zhì)含量空氣流量空氣流量壓

5、力壓力攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率攪拌功率粘度粘度濁度濁度料液流量料液流量產(chǎn)物濃度產(chǎn)物濃度氧化還原電位氧化還原電位廢氣中的氧含量廢氣中的氧含量廢氣中的廢氣中的CO2含量含量菌絲形態(tài)菌絲形態(tài)菌體濃度菌體濃度二、發(fā)酵過程的參數(shù)檢測二、發(fā)酵過程的參數(shù)檢測n1.1.直接狀態(tài)參數(shù)直接狀態(tài)參數(shù)n2.2.間接狀態(tài)參數(shù)間接狀態(tài)參數(shù)n3.3.離線發(fā)酵分析方法離線發(fā)酵分析方法1.1.直接狀態(tài)參數(shù)直接狀態(tài)參數(shù)n直接反映發(fā)酵過程微生物生理代謝狀況的直接反映發(fā)酵過程微生物生理代謝狀況的參數(shù)。如參數(shù)。如pHpH、DODO、溶解、溶解CO2CO2、尾氣、尾氣O2O2、尾、尾氣氣CO2CO2、黏度等。、黏度等。n在線在線檢測檢測

6、n傳感器傳感器n2.2.間接狀態(tài)參數(shù)間接狀態(tài)參數(shù)n指那些采用直接狀態(tài)參數(shù)計算求得的參數(shù)。指那些采用直接狀態(tài)參數(shù)計算求得的參數(shù)。n比生長速率，攝氧率（比生長速率，攝氧率（OUROUR）,CO,CO2 2釋放速釋放速率，呼吸商（率，呼吸商（RQRQ），），KLaKLa。n可以提供反應(yīng)過程狀態(tài)、反應(yīng)速率、設(shè)備可以提供反應(yīng)過程狀態(tài)、反應(yīng)速率、設(shè)備性能、設(shè)備利用效率等信息。性能、設(shè)備利用效率等信息。n3 3、離線發(fā)酵分析方法、離線發(fā)酵分析方法n從發(fā)酵液中取出樣品進行離線分析從發(fā)酵液中取出樣品進行離線分析, ,n分析菌體濃度，形態(tài)、培養(yǎng)基成分和產(chǎn)物分析菌體濃度，形態(tài)、培養(yǎng)基成分和產(chǎn)物成分及含量。成分及含量

7、。n顯微觀察，細胞體積，干重，光密度，平顯微觀察，細胞體積，干重，光密度，平板計數(shù)及基質(zhì)及產(chǎn)物分析等。板計數(shù)及基質(zhì)及產(chǎn)物分析等。第第1 1節(jié)節(jié) 溫度對發(fā)酵的影響及其控溫度對發(fā)酵的影響及其控制制n一、影響發(fā)酵溫度的因素一、影響發(fā)酵溫度的因素 n二、溫度對微生物的生長的影響二、溫度對微生物的生長的影響n三、溫度對發(fā)酵的影響三、溫度對發(fā)酵的影響n四、最適溫度的選擇四、最適溫度的選擇一、影響發(fā)酵溫度的因素一、影響發(fā)酵溫度的因素發(fā)酵熱：發(fā)酵過程中釋放出來的發(fā)酵熱：發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量凈熱量。n菌分解基質(zhì)產(chǎn)生熱量，菌分解基質(zhì)產(chǎn)生熱量，n攪拌產(chǎn)生熱量，攪拌產(chǎn)生熱量，n罐壁散熱，罐壁散熱，n水分蒸發(fā)、空

8、氣排氣帶走水分蒸發(fā)、空氣排氣帶走熱量，熱量，n發(fā)酵熱引起發(fā)酵溫度的上升。發(fā)酵熱大，發(fā)酵熱引起發(fā)酵溫度的上升。發(fā)酵熱大，溫度上升快；發(fā)酵熱小，溫度上升慢。溫度上升快；發(fā)酵熱小，溫度上升慢。生物熱生物熱Q Q生物生物 微生物在生長繁殖過程中，產(chǎn)生熱量，部微生物在生長繁殖過程中，產(chǎn)生熱量，部分用來合成高能化合物，供微生物合成和分用來合成高能化合物，供微生物合成和代謝活動的需要，部分用來合成產(chǎn)物，其代謝活動的需要，部分用來合成產(chǎn)物，其余部分則以余部分則以熱形式熱形式散發(fā)出來，這部分熱叫散發(fā)出來，這部分熱叫生物熱生物熱。例如例如一摩爾葡萄糖徹底氧化成水和二氧化碳一摩爾葡萄糖徹底氧化成水和二氧化碳好氧：產(chǎn)

9、生好氧：產(chǎn)生287.2287.2千焦熱量千焦熱量 n 183183千焦轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔锴Ы罐D(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔飊 104.2104.2千焦以熱的形式釋放千焦以熱的形式釋放厭氧：產(chǎn)生厭氧：產(chǎn)生22.622.6千焦的熱量千焦的熱量n 9.69.6千焦轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔锴Ы罐D(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔飊 1313千焦以熱的形式釋放千焦以熱的形式釋放葡萄糖葡萄糖轉(zhuǎn)化為高能化合物的熱量分別占轉(zhuǎn)化為高能化合物的熱量分別占63.7%63.7%和和42.6%42.6%，放出的熱量分別為，放出的熱量分別為104.2104.2千焦和千焦和1313千千焦焦。微生物。微生物的好氧培養(yǎng)產(chǎn)生的熱比厭氧培養(yǎng)多。的好氧培養(yǎng)產(chǎn)生的熱比厭氧培養(yǎng)多

10、。生物熱的產(chǎn)生具有強烈的時間性生物熱的產(chǎn)生具有強烈的時間性1. 1. 初初 期：適應(yīng)期，菌量少，呼吸慢，熱量期：適應(yīng)期，菌量少，呼吸慢，熱量少少n2. 2. 對數(shù)期：菌量大，呼吸旺盛，熱量多對數(shù)期：菌量大，呼吸旺盛，熱量多n3. 3. 合成期：菌體合成減緩，靠已合成的酶進合成期：菌體合成減緩，靠已合成的酶進行反應(yīng)，產(chǎn)熱減少，溫升行反應(yīng)，產(chǎn)熱減少，溫升小。小。n如果培養(yǎng)前期溫度上升過緩，發(fā)酵不正常；如果培養(yǎng)前期溫度上升過緩，發(fā)酵不正常；若培養(yǎng)前期溫度上升過于劇烈，有可能染菌。若培養(yǎng)前期溫度上升過于劇烈，有可能染菌。n此外培養(yǎng)基營養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。此外培養(yǎng)基營養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。攪拌熱攪

11、拌熱Q Q攪拌攪拌 攪拌熱與攪拌功率有關(guān)，可用下式計算：攪拌熱與攪拌功率有關(guān)，可用下式計算：Q Q攪拌攪拌=P=P* *860860* *4186.8J/h4186.8J/hPP攪拌軸功率攪拌軸功率860860* *4186.84186.8機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒釞C械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ斄抗Ξ斄空舭l(fā)熱蒸發(fā)熱Q Q蒸發(fā)蒸發(fā) 通氣時引起發(fā)酵液的水分蒸發(fā)所需的通氣時引起發(fā)酵液的水分蒸發(fā)所需的熱量叫蒸發(fā)熱，此外排氣也會帶走部熱量叫蒸發(fā)熱，此外排氣也會帶走部分熱量叫顯熱分熱量叫顯熱Q Q顯顯，顯熱很小，一般可，顯熱很小，一般可忽略。忽略。n輻射熱輻射熱Q Q輻射輻射 n 發(fā)酵罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)發(fā)酵罐

12、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輻射。酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。輻射熱的大小取決于罐內(nèi)與環(huán)境的輻射熱的大小取決于罐內(nèi)與環(huán)境的溫差。冬天大一些，夏天小一些。溫差。冬天大一些，夏天小一些。n 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、二、溫度對微生物的生長的影響溫度對微生物的生長的影響微生物生長對溫度要求不同，大致可分為：微生物生長對溫度要求不同，大致可分為：n嗜冷菌：嗜冷菌： 20 20 最大最大 002626生長，生長，n嗜溫菌：嗜溫菌： 303035 1535 154343生長，生長，n嗜熱菌：嗜熱菌： 50 3750 3765

13、65生長。生長。最適溫度最適溫度最高溫度最高溫度最低溫度最低溫度在最適溫度范圍內(nèi)，微生物生長迅速，生在最適溫度范圍內(nèi)，微生物生長迅速，生長速率隨溫度升高而增加，溫度增加長速率隨溫度升高而增加，溫度增加1010，生長速率增長一倍。生長速率增長一倍。超過最高溫度微生物即受到抑制或死亡，超過最高溫度微生物即受到抑制或死亡，在最低溫度范圍內(nèi)微生物尚能生長，但生在最低溫度范圍內(nèi)微生物尚能生長，但生長速度非常緩慢，世代時間無限延長。長速度非常緩慢，世代時間無限延長。如黑曲霉生長溫度為如黑曲霉生長溫度為3737。 谷氨酸棒狀桿谷氨酸棒狀桿菌生長溫度為菌生長溫度為303032 32 。青霉菌生長溫度。青霉菌生

14、長溫度為為3030。為什么不同微生物對溫度要求不同呢？為什么不同微生物對溫度要求不同呢？ 根據(jù)根據(jù)細胞膜脂質(zhì)成分細胞膜脂質(zhì)成分分析表明不同最適分析表明不同最適溫度生長的微生物，其膜內(nèi)磷脂組成有很溫度生長的微生物，其膜內(nèi)磷脂組成有很大區(qū)別。大區(qū)別。嗜熱菌只含飽和脂肪酸，嗜熱菌只含飽和脂肪酸，嗜冷菌含有較高的不飽和脂肪酸。嗜冷菌含有較高的不飽和脂肪酸。 三、溫度對發(fā)酵的影響1.1.溫度溫度影響反應(yīng)速率影響反應(yīng)速率發(fā)酵過程的反應(yīng)速率實際是酶反應(yīng)速率，發(fā)酵過程的反應(yīng)速率實際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個最適反應(yīng)溫度，低于最適溫酶反應(yīng)有一個最適反應(yīng)溫度，低于最適溫度，反應(yīng)速率隨溫度升高而上升，高于最度，反應(yīng)

15、速率隨溫度升高而上升，高于最適溫度，發(fā)酵速率隨溫度升高而下降。適溫度，發(fā)酵速率隨溫度升高而下降。阿累尼烏斯方程式阿累尼烏斯方程式 n發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解吸收速解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解吸收速率等，都受溫度變化的影響，進而影響發(fā)率等，都受溫度變化的影響，進而影響發(fā)酵動力學特性和產(chǎn)物的生物合成。酵動力學特性和產(chǎn)物的生物合成。 2.2.溫度溫度影響發(fā)酵方向影響發(fā)酵方向影響關(guān)鍵酶活性改變發(fā)酵途徑影響關(guān)鍵酶活性改變發(fā)酵途徑. .n如如四環(huán)素產(chǎn)生菌四環(huán)素產(chǎn)生菌金色鏈霉菌金色鏈霉菌n低于低于3030時時合成金霉素能力較強。

16、合成金霉素能力較強。n溫度提高溫度提高, ,合成四環(huán)素的比例提高。合成四環(huán)素的比例提高。n溫度達到溫度達到3535時時金霉素的合成幾乎停止，只金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。產(chǎn)生四環(huán)素。n在在發(fā)酵前期發(fā)酵前期，由于菌量少，培養(yǎng)目的是盡快達，由于菌量少，培養(yǎng)目的是盡快達到大量的菌體，因此取稍高的溫度，促使菌的到大量的菌體，因此取稍高的溫度，促使菌的生長及生長及代謝。代謝。n中期中期菌量已達到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要菌量已達到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍延長中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低些，可以推遲菌體衰老。在稍低溫度下，氨低些，可以推遲菌體衰老

17、。在稍低溫度下，氨基酸合成蛋白質(zhì)、核酸的正常途徑關(guān)閉得比較基酸合成蛋白質(zhì)、核酸的正常途徑關(guān)閉得比較嚴密，有利于產(chǎn)物合成。嚴密，有利于產(chǎn)物合成。生長不同階段最適溫度也同生長不同階段最適溫度也同n發(fā)酵發(fā)酵后期，后期，產(chǎn)物合成能力降低，沒有必產(chǎn)物合成能力降低，沒有必要延長發(fā)酵周期，所以提高溫度刺激產(chǎn)要延長發(fā)酵周期，所以提高溫度刺激產(chǎn)物合成到放罐。物合成到放罐。四、最適溫度的選擇1)1)最適溫度，最適于菌的生長或產(chǎn)物的生最適溫度，最適于菌的生長或產(chǎn)物的生成的溫度，成的溫度，適合菌體的生長的最適溫度適合菌體的生長的最適溫度發(fā)酵產(chǎn)物合成的最適溫度發(fā)酵產(chǎn)物合成的最適溫度2)2)二階段的發(fā)酵二階段的發(fā)酵青霉素

18、產(chǎn)生菌最適的生長溫度青霉素產(chǎn)生菌最適的生長溫度3030，而青，而青霉素合成分泌的最適溫度霉素合成分泌的最適溫度2020。n（3 3）其他）其他發(fā)酵條件發(fā)酵條件n根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇溫度。溫度。n1.1.通氣通氣條件差時可適當條件差時可適當降低降低溫度，使菌呼溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度提高吸速率降低些，溶氧濃度提高一些；一些；n2.2.培養(yǎng)基培養(yǎng)基稀薄時，溫度也該低些，因為溫稀薄時，溫度也該低些，因為溫度高營養(yǎng)利用快，會使菌過早自溶。度高營養(yǎng)利用快，會使菌過早自溶。n4 4）變溫培養(yǎng)）變溫培養(yǎng)n在抗生素發(fā)酵過程中，采用變溫培養(yǎng)往往在抗生素發(fā)酵過程中

19、，采用變溫培養(yǎng)往往會比恒溫培養(yǎng)獲得的產(chǎn)物更多。會比恒溫培養(yǎng)獲得的產(chǎn)物更多。n青霉素發(fā)酵青霉素發(fā)酵n0 05h,30,55h,30,535h 25,3535h 25,3585h,20,85h,20,最后回升到最后回升到2525培養(yǎng)培養(yǎng)4040小時放罐小時放罐, ,比恒溫比恒溫2525培養(yǎng)提高培養(yǎng)提高14.7%14.7%工業(yè)生產(chǎn)上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中工業(yè)生產(chǎn)上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況較多。酵熱，需要冷卻的情況較多。利用自動控制或手動調(diào)整的閥門，將冷卻水利用自動控制或手動調(diào)整的閥門，將冷卻水通

20、入發(fā)酵罐的夾層或蛇行管中，通過熱交換通入發(fā)酵罐的夾層或蛇行管中，通過熱交換來降溫，保持恒溫發(fā)酵。來降溫，保持恒溫發(fā)酵。如果氣溫較高（特別是我國南方的夏季氣如果氣溫較高（特別是我國南方的夏季氣溫），冷卻水的溫度又高，致使冷卻效果很溫），冷卻水的溫度又高，致使冷卻效果很差，達不到預(yù)定的溫度，就差，達不到預(yù)定的溫度，就可采用冷凍鹽水可采用冷凍鹽水進行循環(huán)式降溫，進行循環(huán)式降溫，以迅速降到最適溫度。因以迅速降到最適溫度。因此大工廠需要建立冷凍站，提高冷卻能力，此大工廠需要建立冷凍站，提高冷卻能力，以保證在正常溫度下進行發(fā)酵。以保證在正常溫度下進行發(fā)酵。第第2 2節(jié)節(jié) pHpH值對發(fā)酵的影響及其控制值對

21、發(fā)酵的影響及其控制一、一、pH 對發(fā)酵的影響對發(fā)酵的影響1. pH影響酶的活性。影響酶的活性。2. pH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，從而改變細胞膜的透性。改變，從而改變細胞膜的透性。3. pH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，從而影響微生物對這些謝物的解離，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用。物質(zhì)的利用。3. pH不同，代謝過程不同，使代謝產(chǎn)不同，代謝過程不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。例如n黑曲霉黑曲霉pH 23時時 檸檬酸檸檬酸pH近中性時近中性時 草酸草酸谷氨酸棒狀桿菌谷氨酸棒狀桿菌 谷氨酸發(fā)酵

22、谷氨酸發(fā)酵中性和微堿中性和微堿 谷氨酸，谷氨酸，酸性酸性 谷氨酰胺和谷氨酰胺和 N-乙酰谷氨酰胺乙酰谷氨酰胺二、最適二、最適pHpH值的選擇值的選擇n選擇最適發(fā)酵選擇最適發(fā)酵pHpH的準則是獲得最大比生產(chǎn)速率的準則是獲得最大比生產(chǎn)速率和合適的菌體量和合適的菌體量, ,以獲得最高產(chǎn)量。以獲得最高產(chǎn)量。n舉例舉例: :n圖圖8-18-1n利福霉素利福霉素, ,最適最適pHpH值值7.0-7.57.0-7.50481216206.06.56.87.07.27.58.0種子培養(yǎng)基初始pH值糖酸轉(zhuǎn)化率/%L-亮氨酸產(chǎn)量/gL-1L-亮氨酸糖酸轉(zhuǎn)化率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

23、階段有不同的影響pH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。例例 青霉素：青霉素：菌體生長最適菌體生長最適pH 3.56.0， 產(chǎn)產(chǎn)物合成最適物合成最適pH 7.27.4。四環(huán)素：四環(huán)素：菌體生長最適菌體生長最適pH 6.06.8，產(chǎn)物合，產(chǎn)物合成最適成最適pH 5.86.0。簡述一般發(fā)酵過程簡述一般發(fā)酵過程pH值如何變化？值如何變化？在發(fā)酵過程中，隨著菌種對培養(yǎng)基種碳、氮源在發(fā)酵過程中，隨著菌種對培養(yǎng)基種碳、氮源的利用，隨著有機酸和氨基酸的積累，會使的利用，隨著有機酸和氨基酸的積累，會使pH值產(chǎn)生一定的變化值產(chǎn)生一定的變化。1 1、生長階段、生長階段：菌體產(chǎn)生蛋白酶水

24、解培養(yǎng)基中：菌體產(chǎn)生蛋白酶水解培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)，生成銨離子，使的蛋白質(zhì)，生成銨離子，使pHpH上升至堿性；隨上升至堿性；隨著菌體量增多，銨離子的消耗也增多，另外糖著菌體量增多，銨離子的消耗也增多，另外糖利用過程中有機酸的積累使利用過程中有機酸的積累使pHpH值下降。值下降。2 2、生產(chǎn)階段、生產(chǎn)階段：這個階段：這個階段pHpH值趨于穩(wěn)定。值趨于穩(wěn)定。3 3、自溶階段：、自溶階段：隨著養(yǎng)分的耗盡，菌體蛋白酶的隨著養(yǎng)分的耗盡，菌體蛋白酶的活躍，培養(yǎng)液中氨基氮增加，致使活躍，培養(yǎng)液中氨基氮增加，致使pHpH又上升，又上升，此時菌體趨于自溶而代謝活動終止。此時菌體趨于自溶而代謝活動終止。pH值值培養(yǎng)時

25、間培養(yǎng)時間培養(yǎng)過程中培養(yǎng)培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液液pH值的大致值的大致變化趨勢變化趨勢由此可見，在適合于菌生長及合成產(chǎn)物的環(huán)境條件下，菌由此可見，在適合于菌生長及合成產(chǎn)物的環(huán)境條件下，菌體本身具有一定的調(diào)節(jié)體本身具有一定的調(diào)節(jié)pH的能力，但是當外界條件變化的能力，但是當外界條件變化過于劇烈，菌體就失去了調(diào)節(jié)能力，培養(yǎng)液的過于劇烈，菌體就失去了調(diào)節(jié)能力，培養(yǎng)液的pH就會波就會波動。動。 將將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)pHpH值，進行發(fā)值，進行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，定時測定和調(diào)節(jié)酵，在發(fā)酵過程中，定時測定和調(diào)節(jié)pHpH值，以分值，以分別維持出發(fā)別維持出發(fā)pHpH值，或者利用緩沖液來

26、配制培養(yǎng)基值，或者利用緩沖液來配制培養(yǎng)基來維持。來維持。 到時觀察菌體的生長情況，以菌體生長達到最高到時觀察菌體的生長情況，以菌體生長達到最高值的值的pHpH值為值為菌體生長的合適菌體生長的合適pHpH值。值。 用同樣的方法，可測得產(chǎn)物合成的合適用同樣的方法，可測得產(chǎn)物合成的合適pHpH值。值。 同一產(chǎn)品的合適同一產(chǎn)品的合適pHpH值，與所用的菌種、培養(yǎng)基組值，與所用的菌種、培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件有關(guān)成和培養(yǎng)條件有關(guān)。在。在確定合適發(fā)酵確定合適發(fā)酵pHpH值時，不值時，不定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響。定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響。如何確定發(fā)酵如何確定發(fā)酵pH值值?三、pHpH值的調(diào)控策略值的調(diào)控策略1.

27、1.考慮考慮基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方, ,調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pHpH，然后通然后通過加酸堿或中間補料來控制。過加酸堿或中間補料來控制?；A(chǔ)料中含有玉米漿，基礎(chǔ)料中含有玉米漿，pHpH呈酸性，必須調(diào)節(jié)呈酸性，必須調(diào)節(jié)pHpH。有機酸或氨水調(diào)節(jié)注意監(jiān)測氧濃度變化防止菌體有機酸或氨水調(diào)節(jié)注意監(jiān)測氧濃度變化防止菌體出現(xiàn)氨出現(xiàn)氨中毒。中毒。若要控制消后若要控制消后pH在在6.0，消前，消前pH往往要調(diào)到往往要調(diào)到6.56.8。2.2.在在基礎(chǔ)料中加入維持基礎(chǔ)料中加入維持pH pH 的物質(zhì)，如的物質(zhì)，如CaCOCaCO3 33.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。在發(fā)酵

28、過程中根據(jù)糖氮消耗需要進行補料。在補料與調(diào)在補料與調(diào) pH pH 沒有矛盾時采用補料調(diào)沒有矛盾時采用補料調(diào) pHpH。（1 1）調(diào)節(jié)補糖速率，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)pH pH 。(2(2）當當NHNH2 2-N-N低，低，pH pH 低時補氨水；當?shù)蜁r補氨水；當NHNH2 2-N-N低，低，pH pH 高時補高時補(NH(NH4 4) )2 2SOSO4 4 。4.4.當當補料與調(diào)補料與調(diào) pH pH 發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)pHpH。第第3 3節(jié)節(jié) 溶解氧對發(fā)酵的影響溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制及其控制 詳細內(nèi)容見詳細內(nèi)容見 單獨的課件。單獨的課件

29、。n一般，微生物在發(fā)酵過程中的需氧量為一般，微生物在發(fā)酵過程中的需氧量為20 50 mmol / Lh ，而空氣中的氧在培養(yǎng)液中的，而空氣中的氧在培養(yǎng)液中的飽和濃度在一個大氣壓，飽和濃度在一個大氣壓，250C時，大約是時，大約是0.2 mmol / L。在這種情況下。如果外界不能及時。在這種情況下。如果外界不能及時補充氧，則原來培養(yǎng)液中的氧只能維持菌的正補充氧，則原來培養(yǎng)液中的氧只能維持菌的正常呼吸常呼吸15 30秒。秒。第4節(jié) CO2和呼吸商對發(fā)酵的影響及其控制n一、一、COCO2 2 對菌體的生長和產(chǎn)物形成對菌體的生長和產(chǎn)物形成的影響的影響1 CO1 CO2 2影響細胞膜的結(jié)構(gòu)和通透性影響

30、細胞膜的結(jié)構(gòu)和通透性當當細胞膜的磷脂相細胞膜的磷脂相中中COCO2 2濃濃度達到臨界值時，度達到臨界值時，膜的流動性及表面電荷密度發(fā)生變膜的流動性及表面電荷密度發(fā)生變化?；?。 導導致膜對許多基質(zhì)的運輸受阻，使細胞處致膜對許多基質(zhì)的運輸受阻，使細胞處于于“麻醉麻醉”狀態(tài)，生長受抑制，形態(tài)發(fā)生變狀態(tài)，生長受抑制，形態(tài)發(fā)生變化?；?。2 2、抑制代謝、抑制代謝 溶解在發(fā)酵液中溶解在發(fā)酵液中的的COCO2 2的的抑制作用。大多數(shù)抑制作用。大多數(shù)微生物適應(yīng)微生物適應(yīng)低低COCO2 2濃濃度（度（0.02 0.02 0.04 0.04 體體積分數(shù)）。積分數(shù)）。 當尾當尾氣氣COCO2 2濃濃度高于度高于4

31、4 時，微生物的糖代時，微生物的糖代謝與呼吸速率下謝與呼吸速率下降。降。 COCO2 2的的溶解度是溶解度是O O2 2 的的2424倍。倍。應(yīng)控制罐壓。應(yīng)控制罐壓。n舉例：青霉素生產(chǎn)中：舉例：青霉素生產(chǎn)中： n CO CO2 2濃度濃度0.080.0810105 5 Pa Pa n 作作用：產(chǎn)物的合成用：產(chǎn)物的合成速率下降速率下降40 40 3 3、 作為重要的基質(zhì)作為重要的基質(zhì)如：在精氨酸的生物合成過程中，其前體如：在精氨酸的生物合成過程中，其前體氨甲酰磷酸的合成需要氨甲酰磷酸的合成需要CO2CO2基質(zhì)基質(zhì)如：牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，最重要的發(fā)如：牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供

32、的空氣中要含酵條件是提供的空氣中要含5%5%的的COCO2 2 。4 4、影響發(fā)酵液的酸堿平衡、影響發(fā)酵液的酸堿平衡n二、二、COCO2 2的濃度控制的濃度控制n在發(fā)酵過程中通常通過調(diào)節(jié)通風和攪拌來在發(fā)酵過程中通常通過調(diào)節(jié)通風和攪拌來控制?？刂?。控控制制COCO2 2的的主要措施：主要措施：n盡量減小罐壓或負壓操作；盡量減小罐壓或負壓操作；nH / D H / D 不要太高；不要太高； n加強攪拌；加強攪拌；n與補料工藝相結(jié)合。與補料工藝相結(jié)合。n調(diào)節(jié)通風調(diào)節(jié)通風三、呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系攝氧率攝氧率:OUR:OURCOCO2 2的釋放率的釋放率(CER)(CER)：呼呼吸商吸商: : RQ=CE

33、R/OURRQ=CER/OUR：（respiratoryquotient簡稱簡稱RQ），指），指生物體在同一時間內(nèi)，釋放生物體在同一時間內(nèi)，釋放COCO2 2與吸收與吸收O O2 2的體積之比或摩爾數(shù)之比。的體積之比或摩爾數(shù)之比。 酵母培養(yǎng)時：酵母培養(yǎng)時：若若RQ=1,RQ=1,表示糖代謝進行有氧分解代謝途表示糖代謝進行有氧分解代謝途徑，僅供生長，無產(chǎn)物形成。徑，僅供生長，無產(chǎn)物形成。若若RQ1.1,RQ1.1,表示進行表示進行EMPEMP途徑，生成乙醇。途徑，生成乙醇。當當RQ=0.93,RQ=0.93,生產(chǎn)檸檬酸；生產(chǎn)檸檬酸；RQ0.7RQ需氧需氧 有時有抑制作用，并且浪費；有時有抑制作用

34、，并且浪費；供氧供氧需氧需氧 對菌生長、產(chǎn)物代謝不利。對菌生長、產(chǎn)物代謝不利。三、影響氧傳遞的因素三、影響氧傳遞的因素n1 1、影響氧傳遞推動力（、影響氧傳遞推動力（C C* *-C-CL L）的因素的因素n2 2、影響體積氧傳遞系數(shù)、影響體積氧傳遞系數(shù)K KL La a的因素的因素CCaKOTRL氧傳遞方程n1 1、影響氧傳遞推動力（、影響氧傳遞推動力（C C* *-C-CL L）的因素的因素n要使推動力大，必須要使推動力大，必須C C* *大大C CL L小。小。n即應(yīng)使飽和氧濃度增加。即應(yīng)使飽和氧濃度增加。n影響飽和氧濃度的因素有：影響飽和氧濃度的因素有：n1 1）、溫度）、溫度n隨著溫

35、度升高，使飽和溶解度下降。隨著溫度升高，使飽和溶解度下降。n溫度溫度 0 10 15 20 25 300 10 15 20 25 30n氧溶解度氧溶解度 2.18 1.70 1.54 1.38 1.26 1.16 2.18 1.70 1.54 1.38 1.26 1.16在1.01105Pa、溫度在433的范圍內(nèi)與空氣平衡的純水中，氧的濃度：為溫度，。氧濃度，：為空氣平衡時水中的tmmolwwctc; 3/6 .316 .14n2 2）、溶液的性質(zhì)）、溶液的性質(zhì)n不同溶液對氣體溶解度不同；不同溶液對氣體溶解度不同；n同一溶液，含溶質(zhì)量越多，氧的溶解度越小同一溶液，含溶質(zhì)量越多，氧的溶解度越小。

36、n溶液濃度溶液濃度 氧溶解度氧溶解度（克分子（克分子/ /升）升） HClHCl H H2 2SOSO4 4 NaClNaCln0 1.26 1.26 1.260 1.26 1.26 1.26n0.5 1.21 1.21 1.070.5 1.21 1.21 1.07n1.0 1.16 1.12 0.891.0 1.16 1.12 0.89n2.0 1.12 1.02 0.712.0 1.12 1.02 0.71n3 3）、氧分壓）、氧分壓n在系統(tǒng)總壓小于在系統(tǒng)總壓小于5 5大氣壓的情況下，氧的溶解度大氣壓的情況下，氧的溶解度與總壓和其它氣體的分壓無關(guān)，而只與氧分壓成與總壓和其它氣體的分壓無關(guān)，

37、而只與氧分壓成直線關(guān)系，用亨利定律表示直線關(guān)系，用亨利定律表示nC=1/HC=1/HP PO2O2n n總結(jié)總結(jié): :提高氧的飽和溶解度的手段：提高氧的飽和溶解度的手段：n降低溫度、減少營養(yǎng)成分濃度、提高氧分壓降低溫度、減少營養(yǎng)成分濃度、提高氧分壓。 2 2、影響體積氧傳遞系數(shù)、影響體積氧傳遞系數(shù)K KL La a的因素的因素n K KL La a表示設(shè)備的供氧能力表示設(shè)備的供氧能力SGLLWVPKakak關(guān)聯(lián)式：對于牛頓型流體1）溫度溫度 溫度升高，降低發(fā)酵液的黏度與液體的表溫度升高，降低發(fā)酵液的黏度與液體的表面張力，增加了氧在液相中的擴散系數(shù)，面張力，增加了氧在液相中的擴散系數(shù)，有利于提高

38、溶氧速率。有利于提高溶氧速率。LLTakn2） 壓力壓力n通用式發(fā)酵罐中，通氣量恒定，溶氧速率隨通用式發(fā)酵罐中，通氣量恒定，溶氧速率隨壓力的增加而增加，同時，壓力的增加而增加，同時，K KL L值也隨壓力值也隨壓力的增加而增大。的增加而增大。在壓力許可的范圍內(nèi)可行；在壓力許可的范圍內(nèi)可行；pakLn3）攪拌攪拌n作用：作用：n（1 1）將空氣打成細泡，增加氣液接觸面積將空氣打成細泡，增加氣液接觸面積a an（2 2）使液體形成渦流，氣泡隨液體渦流，而不使液體形成渦流，氣泡隨液體渦流，而不是直線上升，增加氣液接觸時間。是直線上升，增加氣液接觸時間。n（3 3）減少菌絲結(jié)團現(xiàn)象，改善細胞對氧和營養(yǎng)

39、減少菌絲結(jié)團現(xiàn)象，改善細胞對氧和營養(yǎng)的吸收。的吸收。單位溶解氧功耗n溶解1mol氧所消耗的能量。料液體積。溶氧速率；因通氣而消耗的功率；因攪拌而消耗的功率；：LaQGLaQGPVNPPVNPPN:n評價通風反應(yīng)器重要指標：（氧傳遞效率）評價通風反應(yīng)器重要指標：（氧傳遞效率）n1 1）影響體積氧傳遞系數(shù)）影響體積氧傳遞系數(shù)K KL La an2 2）單位溶解氧功耗單位溶解氧功耗N NP P能否說，提高好氧發(fā)酵中氧傳遞速率的能否說，提高好氧發(fā)酵中氧傳遞速率的最好的方法是提高攪拌速率，怎樣做更最好的方法是提高攪拌速率，怎樣做更有效？有效？n在低通風量時，可適當增加通風量來提高氧在低通風量時，可適當增

40、加通風量來提高氧傳遞速率更好些，對于菌絲體，高攪拌速率，傳遞速率更好些，對于菌絲體，高攪拌速率，使剪切力加大，對菌絲體損傷大。另外攪拌使剪切力加大，對菌絲體損傷大。另外攪拌轉(zhuǎn)速的增加會增加單位溶解氧功耗（轉(zhuǎn)速的增加會增加單位溶解氧功耗（NP），），提高氧傳遞速率的同時，應(yīng)盡量減少通風攪提高氧傳遞速率的同時，應(yīng)盡量減少通風攪拌功率的增加。拌功率的增加。2、發(fā)酵液的理化性質(zhì) 1）發(fā)酵液黏度發(fā)酵液黏度 影響液體的湍流性以及界面或液膜阻力，影響液體的湍流性以及界面或液膜阻力， 黏度增大，黏度增大，KLa降低。降低。 2）表面活性劑表面活性劑 消泡的油脂，分布在氣液界面，會增大傳遞消泡的油脂，分布在氣液界面，會增大傳遞阻力，阻力，KLa降低。降低。表面活性劑表面活性劑月桂基黃酸鈉月桂基黃酸鈉