4 第四章 微生物發(fā)酵技術(shù)

1、現(xiàn)代微生物學(xué)技術(shù)Tel: Email: 10-101001緒論22微生物資源開發(fā)和菌株選育43微生物育種技術(shù)64微生物發(fā)酵技術(shù)65醫(yī)藥微生物生物技術(shù)46環(huán)境微生物技術(shù)67農(nóng)業(yè)微生物生物技術(shù) 42淮海工學(xué)院海洋學(xué)院主要內(nèi)容1 微生物工藝優(yōu)化的實驗設(shè)計2 發(fā)酵過程動力學(xué)的根本概念3 發(fā)酵過程的代謝控制4 微生物發(fā)酵過程工藝參數(shù)控制3淮海工學(xué)院海洋學(xué)院1 微生物工藝優(yōu)化的實驗設(shè)計1.1 微生物發(fā)酵工藝的特點1.2 試驗設(shè)計中常用的術(shù)語1.3 工藝優(yōu)化的方法和策略4淮海工學(xué)院海洋學(xué)院1.1 微生物發(fā)酵工藝的特點應(yīng)先因素眾多缺乏理論模型試驗誤差較大影響因素間存在相互作用5淮海工學(xué)院海洋學(xué)院1.2 試驗設(shè)

2、計中常用的術(shù)語因素：試驗中考察的對試驗指標(biāo)可能有影響的因素簡稱因素。水平：每個因素在試驗中要比較的具體條件稱為水平。6淮海工學(xué)院海洋學(xué)院1.3常用的優(yōu)化方法工藝優(yōu)化研究的主要步驟：篩選：因素多，不精確的知識，找出重要的影響因素；優(yōu)化：因素少，在較適范圍內(nèi)，建立預(yù)言性模型確證：使用預(yù)言的最優(yōu)成套條件，驗證結(jié)果7淮海工學(xué)院海洋學(xué)院常用的優(yōu)化方法單因子法：實驗室最常用的優(yōu)化方法是單次單因子(one-variable-at-a-time)法，這種方法是在假設(shè)因素間不存在交互作用的前提下，通過一次改變一個因素的水平而其他因素保持恒定水平，然后逐個因素進行考察的優(yōu)化方法。但是由于考察的因素間經(jīng)常存在交互作

3、用，使得該方法并非總能獲得最正確的優(yōu)化條件。另外，當(dāng)考察的因素較多時，需要太多的實驗次數(shù)和較長的實驗周期。所以現(xiàn)在的培養(yǎng)基優(yōu)化實驗中一般不采用或不單獨采用這種方法，而采用多因子試驗。 8淮海工學(xué)院海洋學(xué)院多因子試驗多因子試驗需要解決的兩個問題:(1)哪些因子對響應(yīng)具有最大(或最小)的效應(yīng)，哪些因子間具有交互作用。(2)感興趣區(qū)域的因子組合情況，并對獨立變量進行優(yōu)化9淮海工學(xué)院海洋學(xué)院正交實驗設(shè)計正交實驗設(shè)計是安排多因子的一種常用方法，通過合理的實驗設(shè)計，可用少量的具有代表性的試驗來代替全面試驗，較快地取得實驗結(jié)果。正交實驗的實質(zhì)就是選擇適當(dāng)?shù)恼槐?，合理安排實驗的分析實驗結(jié)果的一種實驗方法。具

4、體可以分為下面四步：（1）根據(jù)問題的要求和客觀的條件確定因子和水平，列出因子水平表；（2）根據(jù)因子和水平數(shù)選用適宜的正交表，設(shè)計正交表頭，并安排實驗；（3）根據(jù)正交表給出的實驗方案，進行實驗；（4）對實驗結(jié)果進行分析，選出較優(yōu)的“試驗條件以及對結(jié)果有顯著影響的因子。正交方法可以用來分析因素之間的交叉效應(yīng)，但需要提前考慮那些因素之間存在交互作用，再根據(jù)考慮來設(shè)計實驗。因此，沒有預(yù)先考慮的兩因素之間即使存在交互作用，在結(jié)果中也得不到顯示。對于多因素、多水平的科學(xué)試驗來說，正交法需要進行的次數(shù)仍嫌太多，在實際工作中常常無法安排，應(yīng)用范圍受到限制。10淮海工學(xué)院海洋學(xué)院均勻?qū)嶒炘O(shè)計如果僅考慮“均勻分散

5、，而不考慮“整齊可比，完全從“均勻分散的角度出發(fā)的實驗設(shè)計，叫做均勻設(shè)計。均勻設(shè)計按均勻設(shè)計表來安排實驗，均勻設(shè)計表在使用時最值得注意的是均勻設(shè)計表中各列的因素水平不能像正交表那樣任意改變次序，而只能按照原來的次序進行平滑，即把原來的最后一個水平與第一個水平銜接起來，組成一個封閉圈，然后從任一處開始定為第一個水平，按圈的原方向和相反方向依次排出第二、第三水平。均勻設(shè)計只考慮試驗點在試驗范圍內(nèi)均勻分布，因而可使所需試驗次數(shù)大大減少。11淮海工學(xué)院海洋學(xué)院Plackett-Burman法Plackett-Bunnan設(shè)計法是一種兩水平的實驗優(yōu)化方法，它試圖用最少的實驗次數(shù)到達使因子的主效果得到盡可

6、能精確的估計，適用于從眾多的考察因子中快速有效地篩選出最為重要的幾個因子，供進一步優(yōu)化研究用。該法不能考察各因子的相互交互作用。12淮海工學(xué)院海洋學(xué)院局部因子設(shè)計法局部因子設(shè)計法與Plackett-Burman設(shè)計法一樣是一種兩水平的實驗優(yōu)化方法，能夠用比全因子實驗次數(shù)少得多的實驗，從大量影響因子中篩選出重要的因子。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合出一次多項式，并以此利用最陡爬坡法確定最大響應(yīng)區(qū)域，以便利用響應(yīng)面法進一步優(yōu)化。13淮海工學(xué)院海洋學(xué)院響應(yīng)面分析（response surface analysis，RSM）方法是數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，和其他統(tǒng)計方法一樣，由于采用了合理的實驗設(shè)計，能以最經(jīng)濟的方

7、式，用很少的實驗數(shù)量和時間對實驗進行全面研究，科學(xué)地提供局部與整體的關(guān)系，從而取得明確的、有目的的結(jié)論。它與“正交設(shè)計法不同，響應(yīng)面分析方法以回歸方法作為函數(shù)估算的工具，將多因子實驗中，因子與實驗結(jié)果的相互關(guān)系，用多項式近似，把因子與實驗結(jié)果（響應(yīng)值）的關(guān)系函數(shù)化，依此可對函數(shù)的面進行分析，研究因子與響應(yīng)值之間，因子與因子之間的相互關(guān)系，并進行優(yōu)化。14淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2 發(fā)酵過程動力學(xué)的根本概念2.1 發(fā)酵過程的反應(yīng)描述及速度概念2.2 發(fā)酵過程動力學(xué)研究的根本內(nèi)容2.3 微生物生長動力學(xué)的根本概念2.4 菌體生長、產(chǎn)物形成、基質(zhì)消耗動力學(xué)的根本概念2.5 反應(yīng)動力學(xué)的應(yīng)用連續(xù)培養(yǎng)的操作特

8、性15淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 XS（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）發(fā)酵研究的內(nèi)容：發(fā)酵過程反應(yīng)的描述菌種的來源找到一個好的菌種發(fā)酵過程的工藝控制最大限度發(fā)揮菌種的潛力2.1 發(fā)酵過程的反應(yīng)描述及速度概念16淮海工學(xué)院海洋學(xué)院基質(zhì)的消耗速度：發(fā)酵過程反應(yīng)速度的描述基質(zhì)的消耗比速：(g.L-1.s-1)(h-1、s-1)單位時間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量稱為比速，是生物反應(yīng)中用于描述反應(yīng)速度的常用概念。 XS（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）17淮海工學(xué)院海洋學(xué)院基質(zhì)的消耗比速：(h-1)菌體的生長比速：產(chǎn)物的形成比速：(h-1)(h-1) XS（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）18淮海工學(xué)

9、院海洋學(xué)院研究反應(yīng)速度及其影響因素并建立反應(yīng)速度與影響因素的關(guān)聯(lián)反應(yīng)動力學(xué)模型反應(yīng)器特性+反應(yīng)器的操作模型操作條件與反應(yīng)結(jié)果的關(guān)系，定量地控制反應(yīng)過程2.2 發(fā)酵反應(yīng)動力學(xué)的研究內(nèi)容19淮海工學(xué)院海洋學(xué)院已建立動力學(xué)模型的類型 機制模型：根據(jù)反應(yīng)機制建立幾乎沒有 現(xiàn)象模型（經(jīng)驗?zāi)Ｐ停耗壳按蠖鄶?shù)模型 能定量地描述發(fā)酵過程 能反映主要因素的影響20淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2.3.1 微生物在一個密閉系統(tǒng)中的生長情況：時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期靜止期衰亡期延遲期：指數(shù)生長期:倍增時間：td減速期:靜止期： ;衰亡期:2.3 微生物生長動力學(xué)的根本概念21淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2.3.2 微生物的生長

10、動力學(xué)、Monod方程 微生物的生長速度： f(s,p,T,pH,) 在一定條件下(基質(zhì)限制)： f(S)22淮海工學(xué)院海洋學(xué)院Monod研究了基質(zhì)濃度與生長速度的關(guān)系Monod方程(1949)米氏方程:23淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 ：菌體的生長比速 S：限制性基質(zhì)濃度 Ks：半飽和常數(shù)max: 最大比生長速度單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物中，對微生物的生長起到限制作用的營養(yǎng)物。24淮海工學(xué)院海洋學(xué)院Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)：將Monod方程取倒數(shù)可得：或： 這樣通過測定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長速度，就可以通過回歸分析計算出Monod方程的兩個參數(shù)。25淮海工學(xué)院

11、海洋學(xué)院例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l) 6 33 64 153 221(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的max，Ks和td?解：將數(shù)據(jù)整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 22126淮海工學(xué)院海洋學(xué)院max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/Ltdln2/ max0.64 h27淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2.4.1 初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物次級代謝產(chǎn)物：還有一類產(chǎn)物，對細胞的代謝功能沒有明顯 的影響，一般是在穩(wěn)定期形成，如抗生素等， 這一類化合物稱為次

12、級代謝產(chǎn)物。初級代謝產(chǎn)物：微生物合成的主要供給細胞生長的一類物質(zhì)。 如氨基酸、核苷酸等等，這些物質(zhì)稱為初級 代謝產(chǎn)物。2.4 產(chǎn)物形成動力學(xué)的根本概念28淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2.4.2 Gaden對發(fā)酵的三分類與Pirt方程：一類發(fā)酵 產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián)xp29淮海工學(xué)院海洋學(xué)院二類發(fā)酵 產(chǎn)物的形成和菌體的生長局部偶聯(lián)xp30淮海工學(xué)院海洋學(xué)院三類發(fā)酵 產(chǎn)物的形成和菌體的生長非偶聯(lián)xp31淮海工學(xué)院海洋學(xué)院Pirt方程 a + b a=0、b0： 可表示一類發(fā)酵 a0、b 0： 可表示二類發(fā)酵 a0、 b= 0：可表示三類發(fā)酵32淮海工學(xué)院海洋學(xué)院SS1 菌體S2 產(chǎn)物S3 維持 XS

13、（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）+維持維持消耗(m) ：指維持細胞最低活性所需消耗的能量，一般來講，單位重量的細胞在單位時間內(nèi)用于維持消耗所需的基質(zhì)的量是一個常數(shù)。2.5 基質(zhì)消耗動力學(xué)的根本概念33淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 XS（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）+維持m: 維持消耗系數(shù)YP/s: 產(chǎn)物對基質(zhì)的理論得率系數(shù)YX/s: 細胞對基質(zhì)的理論得率系數(shù)物料衡算：34淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2.6 反應(yīng)動力學(xué)的應(yīng)用連續(xù)培養(yǎng)的操作特性連續(xù)反應(yīng)器：流入速度=流出速度=F35淮海工學(xué)院海洋學(xué)院V: 反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵液體積(L)X: 反應(yīng)器內(nèi)菌體濃度(g/L)So: 流加發(fā)酵液中基質(zhì)的濃度(g/L)S: 反應(yīng)器內(nèi)基

14、質(zhì)的濃度(g/L)F: 補料速度(L/h)36淮海工學(xué)院海洋學(xué)院物料衡算（連續(xù)培養(yǎng)的反應(yīng)器特性）對菌體:穩(wěn)態(tài)稀釋率(D):補料速度與反應(yīng)器體積的比值(h-1)37淮海工學(xué)院海洋學(xué)院o物料衡算（連續(xù)培養(yǎng)的反應(yīng)器特性）對基質(zhì):穩(wěn)態(tài)稀釋率(D):補料速度與反應(yīng)器體積的比值(h-1)38淮海工學(xué)院海洋學(xué)院DSx連續(xù)培養(yǎng)操作的模型分析最大Dmax時會造成菌體的洗出39淮海工學(xué)院海洋學(xué)院連續(xù)培養(yǎng)的操作特性40淮海工學(xué)院海洋學(xué)院連續(xù)培養(yǎng)富集微生物的原理連續(xù)培養(yǎng)中，最終在此培養(yǎng)體系中生存下來的微生物都是此時刻對該種底物表現(xiàn)出最大生長的微生物（或一個微生物生態(tài)）。s0當(dāng)只有B時建立穩(wěn)態(tài)：B=D,對應(yīng)S0如果引入

15、微生物A：= A (S0)A Dx增加s下降A(chǔ) B下降BD被洗出41淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3 發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要局部控制難點：過程的不確定性和參數(shù)的非線性同樣的菌種，同樣的培養(yǎng)基在不同工廠，不同批次會得到不同的結(jié)果，可見發(fā)酵過程的影響因素是復(fù)雜的，比方設(shè)備的差異、水的差異、培養(yǎng)基滅菌的差異，菌種保藏時間的長短，發(fā)酵過程的細微差異都會引起微生物代謝的不同。了解和掌握分析發(fā)酵過程的一般方法對于控制代謝是十分必要的42淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3.1 發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次3.2 發(fā)酵過程的中間分析43淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3.1.1 發(fā)酵過程的種類分批培養(yǎng)補料分批培養(yǎng)半連

16、續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)3.1 發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次44淮海工學(xué)院海洋學(xué)院1、 分批發(fā)酵簡單的過程，培養(yǎng)基中接入菌種以后，沒有物料的參加和取出，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)物濃度等參數(shù)都隨時間變化。45淮海工學(xué)院海洋學(xué)院分批培養(yǎng)中微生物的生長遲滯期對數(shù)生長期穩(wěn) 定 期死亡期46淮海工學(xué)院海洋學(xué)院分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點 操作簡單，周期短，染菌時機少，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握缺點 產(chǎn)率低，不適于測定動力學(xué)數(shù)據(jù)47淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2、補料分批培養(yǎng) 在分批培養(yǎng)過程中補入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)缺乏而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點。在此過程中只有料液的參加沒有料液的取

17、出，所以發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵液體積比發(fā)酵開始時有所增加。在工廠的實際生產(chǎn)中采用這種方法很多。48淮海工學(xué)院海洋學(xué)院補料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點 在這樣一種系統(tǒng)中可以維持低的基質(zhì)濃度，防止快速利用碳源的阻遏效應(yīng)；可以通過補料控制到達最正確的生長和產(chǎn)物合成條件；還可以利用計算機控制合理的補料速率，穩(wěn)定最正確生產(chǎn)工藝。缺點 由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比生產(chǎn)速率的下降。由于有物料的參加增加了染菌時機49淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3、半連續(xù)培養(yǎng)在補料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉局部發(fā)酵液（帶放）稱為半連續(xù)培養(yǎng)。某些品種采取這種方式，如四環(huán)素發(fā)酵優(yōu)點 放掉局部發(fā)酵液，再補入局部料液，使代謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成

18、，提高了總產(chǎn)量。缺點 代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，提取的總體積增大50淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4、連續(xù)培養(yǎng)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)的體積維持恒定。到達穩(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。51淮海工學(xué)院海洋學(xué)院連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點 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。由于D，通過改變稀釋速率可以比較容易的研究菌生長的動力學(xué)缺點 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。長時間補料染菌時機大大增加。52淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3.1.2 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種生長的最正確條件，使菌種

19、的潛能發(fā)揮出來目標(biāo)是得到最大的比生產(chǎn)速率和最大的生產(chǎn)率53淮海工學(xué)院海洋學(xué)院發(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 生長速率、呼吸強度、營養(yǎng)要求（酶系統(tǒng)）、代謝速率菌代謝與環(huán)境的相關(guān)性 溫度、pH、滲透壓、離子強度、溶氧濃度、剪切力等54淮海工學(xué)院海洋學(xué)院微生物代謝是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它的代謝呈網(wǎng)絡(luò)形式，比方糖代謝產(chǎn)生的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，也可能合成副產(chǎn)物，而這些前體有可能流向不同的反應(yīng)方向，環(huán)境條件的差異會引發(fā)代謝朝不同的方向進行。因此對發(fā)酵過程的了解不能機械的，割裂的去認識，而要從細胞代謝水平和反應(yīng)工程水平全面的認識。微生物的生長與產(chǎn)物合成有密切相

20、關(guān)性，不僅表現(xiàn)在菌體量的大小影響產(chǎn)物量的多少，而且菌體生長正常與否，即前期的代謝直接影響中后期代謝的正常與否。特別是對于次級代謝產(chǎn)物的合成更具有復(fù)雜性。55淮海工學(xué)院海洋學(xué)院發(fā)酵過程受到多因素又相互交叉的影響如菌本身的遺傳特性、物質(zhì)運輸、能量平衡、工程因素、環(huán)境因素等等。因此發(fā)酵過程的控制具有不確定性和復(fù)雜性。 為了全面的認識發(fā)酵過程，本章首先要告訴大家分析發(fā)酵過程的根本方面，在此基礎(chǔ)上再舉一些例子，說明如何綜合分析發(fā)酵過程及進行優(yōu)化放大。56淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3.1.3 發(fā)酵過程研究的方法和層次1、研究方法單因子實驗：對實驗中要考察的因子逐個進行試驗，尋找每個因子的最正確條件。一般用搖瓶做實

21、驗優(yōu)點 一次可以進行多種條件的實驗，可以在較快時間內(nèi)得到的結(jié)果。缺點 如果考察的條件多，實驗時間會比較長各因子之間可能會產(chǎn)生交互作用，影響的結(jié)果準確性57淮海工學(xué)院海洋學(xué)院數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法：運用統(tǒng)計學(xué)方法設(shè)計實驗和分析實驗結(jié)果，得到最正確的實驗條件。如正交設(shè)計、均勻設(shè)計、響應(yīng)面設(shè)計。優(yōu)點 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，甚至更準確，大大提高了實驗效率。 但對于生物學(xué)實驗要求準確性高，因為實驗的最正確條件是經(jīng)過統(tǒng)計學(xué)方法算出來的，如果實驗中存在較大的誤差就會得出錯誤的結(jié)果。58淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2、研究的層次初級層次的研究：一般在搖瓶規(guī)模進行試驗。主要考察目

22、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pH等要求。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，對于菌種培養(yǎng)條件的優(yōu)化有較高的效率。59淮海工學(xué)院海洋學(xué)院代謝及工程參數(shù)層次研究：一般在小型反應(yīng)器規(guī)模進行試驗。在搖瓶試驗的基礎(chǔ)上，考察溶氧、攪拌等搖瓶上無法考察的參數(shù)，以及在反應(yīng)器中微生物對各種營養(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)的變化，找出過程控制的最正確條件和方式。由于罐發(fā)酵中全程參數(shù)的是連續(xù)的，所以得到的代謝情況比較可信。60淮海工學(xué)院海洋學(xué)院生產(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)酵罐的優(yōu)化條件在大型反應(yīng)器上得以實現(xiàn),到

23、達產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)。一般來說微生物在不同體積的反應(yīng)器中的生長速率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、空氣停留時間和分布不同，剪切力不同，滅菌時營養(yǎng)成分破壞程度不同所致。61淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3.2 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，它顯示了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變化。因為微生物個體極微小，肉眼無法看見，要了解它的代謝狀況，只能從分析一些參數(shù)來判斷，所以說中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛。這些代謝參數(shù)又稱為狀態(tài)參數(shù)，因為它們反映發(fā)酵過程中菌的生理代謝狀況，如pH，溶氧，尾氣氧，尾氣二氧化碳，粘度，菌濃度等62淮海工學(xué)院海洋學(xué)院代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：物理參數(shù)：溫度、攪拌轉(zhuǎn)

24、速、空氣壓力、空氣流量、溶解氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）濃度等化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、pH、產(chǎn)物濃度、核酸量等生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌濃度、菌體比生長速率、呼吸強度、基質(zhì)消耗速率、關(guān)鍵酶活力等63淮海工學(xué)院海洋學(xué)院從檢測手段分可分為：直接參數(shù)、間接參數(shù)直接參數(shù)：通過儀器或其它分析手段可以測得的參數(shù)，如溫度、pH、殘?zhí)堑乳g接參數(shù)：將直接參數(shù)經(jīng)過計算得到的參數(shù)，如攝氧率、KLa等64淮海工學(xué)院海洋學(xué)院直接參數(shù)又可分為: 在線檢測參數(shù)和離線檢測參數(shù)在線檢測參數(shù)指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速；離線檢測參數(shù)指取出樣后測定得到的參數(shù)，如殘?zhí)?、NH2-

25、N、菌體濃度。65淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3.2.1 發(fā)酵過程主要分析的工程目前發(fā)酵過程主要分析工程如下1、pH pH與微生物的生命活動密切相關(guān) 酶催化活性 pH的變化又是微生物代謝狀況的綜合反映基質(zhì)代謝、產(chǎn)物合成、細胞狀態(tài)、營養(yǎng)狀況、供氧狀況66淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2、排氣氧、排氣CO2和呼吸熵排氣氧的濃度表征了進氣的氧被微生物利用以后還剩余的氧，因此排氣氧的大小反映了菌生長的活性，通過計算可以求得攝氧率（OUR）。排氣二氧化碳反映了微生物代謝的情況，因為微生物攝入的氧并不是全部變成二氧化碳的，有的進入代謝中間物分子，進入細胞或產(chǎn)物，因此消耗的氧并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有機物降解后會產(chǎn)生

26、二氧化碳，使排氣二氧化碳大于消耗的氧。67淮海工學(xué)院海洋學(xué)院RQ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RQ值一方面可以了解微生物代謝的狀況，另一方面也可以指導(dǎo)補料CER表示單位體積發(fā)酵液單位時間內(nèi)釋放的二氧化碳的量呼吸熵呼吸熵反映了氧的利用狀況68淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 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)，在營養(yǎng)限制的條件下，維持產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物的速率在較高水平。對于這種工藝，后期的補料控制是關(guān)鍵。過程中發(fā)現(xiàn)，在補糖開始時，不但CER、OUR大幅度提高，連RQ也提高約10，說明通過補糖不但提供了更多的碳源，而且隨著體系內(nèi)葡萄糖濃度提高，糖代

27、謝相關(guān)酶活力也提高，產(chǎn)能增加。69淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3、糖含量微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關(guān)系。糖的消耗 反映產(chǎn)生菌的生長繁殖情況 反映產(chǎn)物合成的活力菌體生長旺盛糖耗一定快，殘?zhí)且簿徒档偷每焱ㄟ^糖含量的測定，可以控制菌體生長速率，可控制補糖來調(diào)節(jié)pH，促進產(chǎn)物合成，不致于盲目補糖，造成發(fā)酵不正常。糖含量測定包括總糖和復(fù)原糖。 總糖指發(fā)酵液中殘留的各種糖的總量。如發(fā)酵中的淀粉、飴糖、單糖等各種糖。 復(fù)原糖指含有自由醛基的單糖，通常指的是葡萄糖。70淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4、氨基氮和氨氮氨基氮指有機氮中的氮（NH2-N），單位是 mg/100ml。如氨基酸中的氮，黃豆餅粉、花生餅粉中都有有機氮。

28、氨氮指無機氨中的氮（NH3-N）。氮利用快慢可分析出菌體生長情況，含氮產(chǎn)物合成情況。但是氮源太多會促使菌體大量生長。有些產(chǎn)物合成受到過量銨離子的抑制，因此必須控制適量的氮。通過氨基氮和氨氮的分析可控制發(fā)酵過程，適時采取補氨措施。發(fā)酵后期氨基氮上升，這時就要放罐，否則影響提取過程。71淮海工學(xué)院海洋學(xué)院5、磷含量微生物體內(nèi)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根。磷是核酸的組成局部，是高能化合物ATP的組成局部，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，如果磷缺乏就要采取補磷措施。72淮海工學(xué)院海洋學(xué)院6、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

29、態(tài) 顯微鏡觀察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快，中期菌濃根本恒定。補料會引起菌濃的波動，這也是衡量補料量適合與否的一個參數(shù)。73淮海工學(xué)院海洋學(xué)院74淮海工學(xué)院海洋學(xué)院75淮海工學(xué)院海洋學(xué)院7、產(chǎn)物濃度 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、pH對產(chǎn)物形成的影響。76淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3.2.2 產(chǎn)物量的測定3.2.2.1 產(chǎn)物量的特殊表示法抗生素效價的表示抗生素效價表示抗生素的有效成分的多少，效價大

30、小用單位（U）來表示效價表示方法：重量折算法 重量單位 類似重量單位 特殊單位77淮海工學(xué)院海洋學(xué)院重量折算單位：以最低抑菌濃度為一個單位，如青霉素0.6微克1U重量單位：規(guī)定某些抗生素活性局部1g=1u 如鏈霉素、卡那霉素、紅霉素等定義活性局部1g1u78淮海工學(xué)院海洋學(xué)院類似重量單位：規(guī)定抗生素的某種鹽1mg=1000u如金霉素、四環(huán)素的鹽酸鹽定一為1g1u特殊單位：藥檢所制定某些抗生素的單位制霉菌素 1mg=3700u多粘菌素B 1mg=10000u79淮海工學(xué)院海洋學(xué)院酶活力的表示法酶活力用單位來表示。由于酶通常不是很純，不能用重量來表示酶的量。同一種酶用不同的方法測定會有不同的酶活單

31、位，容易造成混亂，為此國際上作了統(tǒng)一規(guī)定，規(guī)定在250C下，以最適的底物濃度，最適的緩沖液離子強度，以及最適的pH諸條件下，每分鐘能轉(zhuǎn)化一微克分子底物的酶定量為一個活性單位。80淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3.2.2.2 產(chǎn)物量的測定1、化學(xué)法（1）滴定法產(chǎn)物能使一定指示劑變色來指示反應(yīng)終點的可用滴定法如青霉素在堿性條件下參加過量的I2，反應(yīng)生成青霉噻唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘，可計算出青霉素的單位檸檬酸可以用NaOH滴定來計算檸檬酸產(chǎn)量81淮海工學(xué)院海洋學(xué)院（2）比色法產(chǎn)物經(jīng)一定化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生顏色，且顏色深淺與產(chǎn)物濃度成正比，可以用比色法測定。淀粉酶活力測定：在1%可溶性淀粉溶液中參加淀粉酶，

32、所釋放出的麥芽糖與生色試劑（3，5-二硝基水楊酸與酒石酸鉀鈉的堿溶液）產(chǎn)生顏色，它在540nm處所得吸光度跟淀粉酶活力成正比。82淮海工學(xué)院海洋學(xué)院（3）測壓法 產(chǎn)物特定反應(yīng)放出或攝入氣體，使系統(tǒng)有壓力變化，可以通過測定壓力變化得知產(chǎn)物量。2、物理法 許多酶、抗生素都有不對稱碳原子，具有旋光性，因此可以通過測定旋光度來測定酶或抗生素的含量。谷氨酸氨基丁酸CO283淮海工學(xué)院海洋學(xué)院化學(xué)和物理方法優(yōu)點：快速、方便，經(jīng)常用于過程分析缺點產(chǎn)品中存在的雜質(zhì)會干擾測定結(jié)果，因此抗生素成品的測定用生物法測定。 適用于抗生素效價的測定 生物法以抗生素的殺菌能力為衡量效價的標(biāo)準，其原理恰好與臨床應(yīng)用的要求相一

33、致，而且此法靈敏度高，需用的檢品量較小，這是其它方法不能比的。但此法得到結(jié)果比較慢，需經(jīng)過1618小時培養(yǎng)。生物法常用于發(fā)酵終了產(chǎn)品效價的測定。3、生物法84淮海工學(xué)院海洋學(xué)院主要的控制參數(shù)1、pH值（酸堿度）2、溫度3、溶解氧濃度4、基質(zhì)含量5、空氣流量6、壓力7、攪拌轉(zhuǎn)速8、攪拌功率9、黏度10、濁度11、料液流量12、產(chǎn)物的濃度13、氧化復(fù)原電位14、廢氣中的氧含量15、廢氣中的CO 2含量16、菌絲形態(tài)17、菌體濃度18、泡沫4 微生物發(fā)酵過程工藝參數(shù)控制85淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.1 發(fā)酵過程的pH控制 4.2 溫度變化及其控制 4.3 溶氧的影響及控制4.4 發(fā)酵過程泡沫的形成與控制

34、86淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.1 發(fā)酵過程的pH控制 pH是微生物代謝的綜合反映，又影響代謝的進行，所以是十分重要的參數(shù)。發(fā)酵過程中pH是不斷變化的，通過觀察pH變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否87淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.1.1 發(fā)酵過程pH變化的原因 1、基質(zhì)代謝 （1）糖代謝 特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補料的標(biāo)志之一（2）氮代謝 當(dāng)氨基酸中的-NH2被利用后pH會下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當(dāng)碳源缺乏時氮源當(dāng)碳源利用pH上升。（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會上升或下降88淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2、產(chǎn)物形成 某些產(chǎn)物本身呈酸性或

35、堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機酸類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。 3、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。 89淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.1.2 pH對發(fā)酵的影響 例 pH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)酵液pH下降，待有機酸被生產(chǎn)菌利用，pH上升。若不及時補糖、(NH4)2SO4或酸，發(fā)酵液pH可迅速升到8.0以上，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66小時pH達7.93，以后維持在8.0以上至115小時，菌絲濃度降低，NH2-N升高，發(fā)酵不再繼續(xù)。發(fā)酵15小時左右，pH值可以從消后的6.

36、5左右下降到5.3，調(diào)節(jié)這一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高發(fā)酵單位。1、實例90淮海工學(xué)院海洋學(xué)院（1）pH影響酶的活性。當(dāng)pH值抑制菌體某些酶的活性時使菌的新陳代謝受阻（2） pH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)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進行 （3）pH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物質(zhì)的利用 2 pH對發(fā)酵的影響 91淮海工學(xué)院海洋學(xué)院（4） pH影響代謝方向 pH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。例如黑曲霉在pH23時發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pH近中性時，則產(chǎn)生草

37、酸。谷氨酸發(fā)酵，在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺92淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3 pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響 生長合成pH對菌體生長影響比產(chǎn)物合成影響小例 青霉素：菌體生長最適pH3.56.0,產(chǎn)物合成最適pH7.27.4 四環(huán)素：菌體生長最適pH6.06.8，產(chǎn)物合成最適pH5.86.0XpH四環(huán)素93淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.1.3 pH的控制 1、調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH?；A(chǔ)料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須調(diào)節(jié)pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要調(diào)到6.56.82、在基礎(chǔ)料中參加維持pH的物質(zhì)，如CaCO3 ，或具有緩沖能力的試劑，

38、如磷酸緩沖液等3、通過補料調(diào)節(jié)pH 94淮海工學(xué)院海洋學(xué)院在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進行補料。在補料與調(diào)pH沒有矛盾時采用補料調(diào)pH如（1）調(diào)節(jié)補糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié)pH(2)當(dāng)NH2-N低，pH低時補氨水；當(dāng)NH2-N低，pH高時補(NH4)2SO44、當(dāng)補料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)pH 95淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.2 溫度變化及其控制 4.2.1 溫度對發(fā)酵的影響4.2.2 最適溫度的選擇4.3.3 發(fā)酵過程引起溫度變化的因素96淮海工學(xué)院海洋學(xué)院1、溫度影響反應(yīng)速率發(fā)酵過程的反應(yīng)速率實際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個最適溫度。從阿累尼烏斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2

39、 積分得 E=E活化能Kr速率常數(shù)4.2.1 溫度對發(fā)酵的影響97淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2、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，當(dāng)溫度低于300C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，溫度到達350C時，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。溫度還影響基質(zhì)溶解度，氧在發(fā)酵液中的溶解度也影響菌對某些基質(zhì)的分解吸收。因此對發(fā)酵過程中的溫度要嚴格控制。98淮海工學(xué)院海洋學(xué)院1、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，所要求的溫度范圍也不同。如黑曲霉生長溫度為370C，谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長溫度為30320C，青霉菌生長溫度為3

40、00C。4.2.2 最適溫度的選擇99淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2、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。通氣條件差時可適當(dāng)降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。培養(yǎng)基稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營養(yǎng)利用快，會使菌過早自溶。100淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3、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，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長?？偟膩碚f，溫度的選擇根據(jù)菌種生長階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。要通過反復(fù)實踐來定出最適溫度。101淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.3.3.1 發(fā)酵熱Q發(fā)酵發(fā)酵熱是引起發(fā)酵過程溫度

41、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。什么叫凈熱量呢？在發(fā)酵過程中產(chǎn)生菌分解基質(zhì)產(chǎn)生熱量，機械攪拌產(chǎn)生熱量，而罐壁散熱、水分蒸發(fā)、空氣排氣帶走熱量。這各種產(chǎn)生的熱量和各種散失的熱量的代數(shù)和就叫做凈熱量。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?，F(xiàn)在來分析發(fā)酵熱產(chǎn)生和散失的各因素。4.3.3 發(fā)酵過程引起溫度變化的因素102淮海工學(xué)院海洋學(xué)院1、生物熱Q生物在發(fā)酵過程中，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，將其分解氧化而產(chǎn)生的能量，其中一局部用于合成高能化合物（如ATP）提供細胞合成和代謝產(chǎn)物合成需要的能量，其余一局部以熱的形式散發(fā)出來，這散發(fā)出來的熱就

42、叫生物熱。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。103淮海工學(xué)院海洋學(xué)院生物熱與發(fā)酵類型有關(guān)微生物進行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多一摩爾葡萄糖徹底氧化成CO2和水好氧：產(chǎn)生287.2千焦耳熱量， 183千焦耳轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?104.2千焦以熱的形式釋放厭氧：產(chǎn)生22.6千焦耳熱量， 9.6千焦耳轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?13千焦以熱的形式釋放二個例子中轉(zhuǎn)化為高能化合物分別為63.7和42.6104淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 培養(yǎng)過程中生物熱的產(chǎn)生具有強烈的時間性。生物的大小與呼吸作用強弱有關(guān)在培養(yǎng)初期，菌體處于適應(yīng)期，菌數(shù)少，呼吸作用緩慢，產(chǎn)生熱量較少。菌體在對數(shù)生長期時，菌體繁殖迅速，呼

43、吸作用劇烈，菌體也較多，所以產(chǎn)生的熱量多，溫度上升快，必須注意控制溫度。培養(yǎng)后期，菌體已根本上停止繁殖，主要靠菌體內(nèi)的酶系進行代謝作用，產(chǎn)生熱量不多，溫度變化不大，且逐漸減弱。如果培養(yǎng)前期溫度上升緩慢，說明菌體代謝緩慢，發(fā)酵不正常。如果發(fā)酵前期溫度上升劇烈，有可能染菌，此外培養(yǎng)基營養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。105淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2、攪拌熱Q攪拌在機械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機械攪拌帶動發(fā)酵液作機械運動，造成液體之間，液體與攪拌器等設(shè)備之間的摩擦，產(chǎn)生可觀的熱量。攪拌熱與攪拌軸功率有關(guān)，可用下式計算： Q攪拌P8604186.8（焦耳/小時） P攪拌軸功率 4186.8機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量電

44、機功率P= E額定電壓I額定電流cos功率因素，1千瓦時8604186.8焦耳106淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3、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)所需的熱量叫蒸發(fā)熱。此外，排氣也會帶走局部熱量叫顯熱Q顯熱，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)酵液中有局部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。冬天大一些，夏天小一些，一般不超過發(fā)酵熱的5。Q發(fā)酵Q生物Q攪拌Q蒸發(fā)Q輻射107淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.3.3.1 發(fā)酵熱的測定有二種發(fā)酵熱測定的方法。一種是用冷卻水進出口溫度差計算發(fā)酵熱。在工廠里，可以通過測量冷卻水進出口的水溫，再從水表

45、上得知每小時冷卻水流量來計算發(fā)酵熱。Q發(fā)酵GCm(T出T進)Cm水的比熱G冷卻水流量另一種是根據(jù)罐溫上升速率來計算。先自控，讓發(fā)酵液到達某一溫度，然后停止加熱或冷卻，使罐溫自然上升或下降，根據(jù)罐溫變化的速率計算出發(fā)酵熱。108淮海工學(xué)院海洋學(xué)院根據(jù)化合物的燃燒值估算發(fā)酵過程生物熱的近似值。因為熱效應(yīng)決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化途徑無關(guān)，反應(yīng)的熱效應(yīng)可以用燃燒值來計算，特別是有機化合物，燃燒熱可以直接測定。反應(yīng)熱效應(yīng)等于反應(yīng)物的燃燒熱總和減去生成物的燃燒熱的總和。H（H）反應(yīng)物（H）產(chǎn)物如谷氨酸發(fā)酵中主要物質(zhì)的燃燒熱為：葡萄糖 159555.9KJ/Kg谷氨酸 15449.3KJ/Kg玉米漿

46、 12309.2KJ/Kg菌體 20934KJ/Kg尿素 10634.5KJ/Kg109淮海工學(xué)院海洋學(xué)院可根據(jù)實測發(fā)酵過程中物質(zhì)平衡計算生物熱。例如某味精廠50M3發(fā)酵罐發(fā)酵過程測定結(jié)果的主要物質(zhì)變化如表：發(fā)酵時間（h）0661212181831糖3730.324.041.7谷氨酸 5.9 15.4 23.9尿素2.96.0菌體 4.8 6.0 1.2玉米漿2.43.00.6110淮海工學(xué)院海洋學(xué)院發(fā)酵1218小時的生物熱為：Q生物24159555.90.612309.2610634.51.22093415.415449.3191098.1KJ/M3191098.1631849.7每小時的生

47、物熱為31849.7KJ/M3111淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.3 溶氧的影響及控制4.3.1 溶氧對發(fā)酵的影響 影響菌體生長、產(chǎn)物合成及產(chǎn)物的性質(zhì)。1 有時，氧充分促進產(chǎn)物合成，如谷氨酸和金霉素發(fā)酵；2 有時，氧充足會對產(chǎn)物有抑制作用，如維生素B12發(fā)酵。 因此溶氧并非越高越好。112淮海工學(xué)院海洋學(xué)院氨基酸發(fā)酵對氧的需求分三類：1 谷氨酸、精氨酸和脯氨酸，氧必須供給充足，產(chǎn)量才大；2 異亮氨酸、賴氨酸和蘇氨酸，供氧充分可獲得最高產(chǎn)量，但供氧受限時，不會有太大影響；3 亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸，供氧受限對產(chǎn)物合成有利。113淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.3.2 發(fā)酵過程的溶氧變化 在一定的發(fā)酵條件下，每種

48、產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧變化都有自身的規(guī)律。總的規(guī)律：先下降，后上升，不同產(chǎn)物后期出現(xiàn)最低谷的時間不同。溶氧異常下降的原因：1 污染好氣性雜菌；2 菌體代謝異常；3 某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障，如攪拌。114淮海工學(xué)院海洋學(xué)院引起溶氧異常升高的原因：1 代謝異常，菌體過早衰老；2 污染噬菌體。4.3.3 溶氧濃度的控制 溶氧濃度是由氧的供需平衡所決定的。供大于需時，溶氧上升；供小于需時，溶氧下降。提高供氧的方法：提高氧傳遞動力和液相體積氧傳遞系數(shù)。115淮海工學(xué)院海洋學(xué)院氧傳遞動力的提高受限，只能通過攪拌、通氣及發(fā)酵液粘度控制?？刂菩柩醯姆椒ǎ?需氧量受菌體濃度、營養(yǎng)基質(zhì)的種類和濃度、培養(yǎng)條件影響，其中

49、重要的是菌體濃度。菌體濃度可通過控制比生長速率來實現(xiàn)，這又要通過營養(yǎng)基質(zhì)濃度的控制來實現(xiàn)。116淮海工學(xué)院海洋學(xué)院泡沫的定義：一般來說：泡沫是氣體在液體中的粗分散體，屬于氣液非均相體系美國道康寧公司對泡沫這樣定義：體積密度接近氣體，而不接近液體的“氣/液分散體。4.4 發(fā)酵過程泡沫的形成與控制117淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.4.1 泡沫形成的原因1、氣液接觸 因為泡沫是氣體在液體中的粗分散體，產(chǎn)生泡沫的首要條件是氣體和液體發(fā)生接觸。而且只有氣體與液體連續(xù)、充分地接觸才會產(chǎn)生過量的泡沫。氣液接觸大致有以下兩類情況：（1）氣體從外部進入液體，如攪拌液體時混入氣體（2）氣體從液體內(nèi)部產(chǎn)生。氣體從液體內(nèi)部

50、產(chǎn)生時，形成的泡沫一般氣泡較小、較穩(wěn)定。118淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2、含助泡劑在未加助泡劑，但并不純潔的水中產(chǎn)生的泡沫，其壽命在0.5秒之內(nèi)，只能瞬間存在。搖蕩純?nèi)軇┎黄鹋?，如蒸餾水，只有搖蕩某種溶液才會起泡。在純潔的氣體、純潔的液體之外，必須存在第三種物質(zhì)，才能產(chǎn)生氣泡。對純潔液體來說，這第三種物質(zhì)是助泡劑。當(dāng)形成氣泡時，液體中出現(xiàn)氣液界面，這些助泡劑就會形成定向吸附層。與液體親和性弱的一端朝著氣泡內(nèi)部，與液體親和性強的一端伸向液相，這樣的定向吸附層起到穩(wěn)定泡沫的作用。119淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3、起泡速度高于破泡速度起泡的難易，取決于液體的成分及所經(jīng)受的條件；破泡的難易取決于氣泡和泡破滅后形成

51、的液滴在外表自由能上的差異；同時還取決于泡沫破裂過程進行得多快這一速度因素。高起泡的液體，產(chǎn)生的泡沫不一定穩(wěn)定。體系的起泡程度是起泡難易和泡沫穩(wěn)定性兩個因素的綜合效果。泡沫產(chǎn)生速度小于泡沫破滅速度，則泡沫不斷減少，最終呈不起泡狀態(tài)；泡沫產(chǎn)生速度等于泡沫破滅速度，則泡沫數(shù)量將維持在某一平衡狀態(tài)；泡沫產(chǎn)生速度高于泡沫破滅速度，泡沫量將不斷增加。120淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4、發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的原因（1）通氣攪拌的強烈程度通氣大、攪拌強烈可使泡沫增多，因此在發(fā)酵前期由于培養(yǎng)基營養(yǎng)成分消耗少，培養(yǎng)基成分豐富，易起泡。應(yīng)先開小通氣量，再逐步加大。攪拌轉(zhuǎn)速也如此。也可在基礎(chǔ)料中參加消泡劑。121淮海工學(xué)院海洋

52、學(xué)院（2）培養(yǎng)基配比與原料組成培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富，黏度大，產(chǎn)生泡沫多而持久，前期難開攪拌。例：在50L罐中投料10L，成分為淀粉水解糖、豆餅水解液、玉米漿等，攪拌900 rpm，通氣，泡沫生成量為培養(yǎng)基的2倍。如培養(yǎng)基適當(dāng)稀一些，接種量大一些，生長速度快些，前期就容易開攪拌。 122淮海工學(xué)院海洋學(xué)院（3）菌種、種子質(zhì)量和接種量菌種質(zhì)量好，生長速度快，可溶性氮源較快被利用，泡沫產(chǎn)生幾率也就少。菌種生長慢的可以加大接種量 （4）滅菌質(zhì)量培養(yǎng)基滅菌質(zhì)量不好，糖氮被破壞，抑制微生物生長，使種子菌絲自溶，產(chǎn)生大量泡沫，加消泡劑也無效。123淮海工學(xué)院海洋學(xué)院4.4. 2 起泡的危害1、降低生產(chǎn)能力在發(fā)酵罐

53、中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量2、引起原料浪費如果設(shè)備容積不能留有容納泡沫的余地，氣泡會引起原料流失，造成浪費。 124淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3、影響菌的呼吸 如果氣泡穩(wěn)定，不破碎，那么隨著微生物的呼吸，氣泡中充滿二氧化碳，而且又不能與空氣中氧進行交換，這樣就影響了菌的呼吸。 4、引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排氣管中粘上培養(yǎng)基，就會長菌。隨著時間延長，雜菌會長入發(fā)酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐頂進一步滲到軸封，軸封處的潤滑油可起點消泡作用，從軸封處落下的泡沫往往引起雜菌污染。125淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2.4.3 影響泡沫穩(wěn)定性的因素引起危害，需要消除的，只是穩(wěn)定的泡沫。泡沫的穩(wěn)定性受液

54、體、氣體許多性質(zhì)的影響。不同介質(zhì)的泡沫，穩(wěn)定程度相差很多，影響泡沫穩(wěn)定性的因素十分復(fù)雜，概括國內(nèi)外研究者的說法，主要因素有126淮海工學(xué)院海洋學(xué)院1、泡徑大小對任何泡沫體系稍加觀察都會發(fā)現(xiàn)：大泡易于破滅，壽命較長的的都是小泡。泡越小，合并成大氣泡的歷程就越長，而且小氣泡的泡膜中所含液量相比照較大，所以較能經(jīng)受液體流失所造成的穩(wěn)定性的損失。另一方面，氣泡只有上升到液面才能夠在破滅之后減少泡沫體積。 氣泡越小，上升速度越慢。溶液中溶解狀態(tài)或膠束狀態(tài)的外表活性劑，在氣泡上升的過程中，吸附到氣液界面上，形成定向吸附層。小氣泡上升慢，給外表活性劑的吸附提供充足的時間，增加了穩(wěn)定性。127淮海工學(xué)院海洋學(xué)

55、院2、溶液所含助泡物的類型和濃度 （1）降低外表張力 降低外表張力會降低相鄰氣泡間的壓差。壓差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的穩(wěn)定性就好。 （2）增加泡沫彈性 助泡的外表活性劑，吸附在氣液界面上，使外表層的組分與液相組分產(chǎn)生差異，因而使泡沫液具有可以伸縮的稱為“吉布斯彈性的性質(zhì)，對于泡沫穩(wěn)定性來說外表活性劑使液膜具有“吉布斯彈性比降低外表張力更重要。 P=128淮海工學(xué)院海洋學(xué)院吉布斯曾對泡沫液彈性做如下定義：E=2A（ ）E膜彈性A膜面積外表張力可以看出大，吉布斯彈性大，泡沫抵抗變形的能力就大。大意味著：當(dāng)面積發(fā)生變化時，外表張力的變化較大，即收縮力較大，泡沫“自愈作用就強，泡沫也就穩(wěn)定。

56、單一組分的純潔液體，外表張力不隨外表積改變而改變，液體沒有彈性，所以純潔液體不會產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫。129淮海工學(xué)院海洋學(xué)院（3）助泡劑濃度溶液中助泡劑濃度增加，氣液界面上的吸附量就增加，液膜彈性隨之增加，泡沫穩(wěn)定性增高，直至到達助泡物的臨界膠束濃度為止。到達臨界膠束濃度后，氣液界面上的定向排列“飽和，彈性不會再增加，增加膠束濃度只會增大、增多膠束。130淮海工學(xué)院海洋學(xué)院3、起泡液的粘度某些溶液，如蛋白質(zhì)溶液，雖然外表張力不低，但因粘度很高，所產(chǎn)生的泡沫非常穩(wěn)定。因為粘稠的液膜，有助于吸收外力的沖擊，起到緩沖的作用，使泡沫能持久一些。液體粘度對泡沫穩(wěn)定性的影響比外表張力的影響還要大。131淮海工

57、學(xué)院海洋學(xué)院4、其它*溫度 外表張力最低值時的濃度隨溫度變化。 在最低外表張力時泡沫排液迅速，否則排液緩慢。外表活性劑濃度20oC75oC132淮海工學(xué)院海洋學(xué)院*pH 影響助泡劑的溶解度和表層的吸附狀態(tài)*外表電荷 離子型外表活性劑，水解后帶電荷，泡沫的定向吸附層為雙電層結(jié)構(gòu)。由于離子間靜電的排斥，阻礙著離子彼此接近，減少排液速度，延緩泡沫變薄過程，使泡沫穩(wěn)定。133淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2.4.5 消泡劑消泡1、消泡劑的作用機理為了弄清消泡劑如何發(fā)揮作用，為了合理、有效地使用消泡劑，需要了解消泡劑的作用機制及一般性質(zhì)。泡沫本來是極不穩(wěn)定的，只因助泡劑的穩(wěn)泡作用才難以破滅。人們研究消泡劑抵消助泡劑

58、的穩(wěn)泡作用的機理是近幾十年的事。下面分別介紹在消泡劑開展歷史上有重要地位的羅氏假說以及其它幾種消泡劑的作用機理。134淮海工學(xué)院海洋學(xué)院（1）羅氏假說1941年哈金斯（Harkinss W.D）曾提出鋪展系數(shù)S的概念，即：S=FFAAF起泡介質(zhì)的外表張力FA消泡劑與起泡介質(zhì)的界面張力A消泡劑的外表張力以鋪展系數(shù)S值的正負判斷消泡劑是否能夠在泡沫上擴展。AFAF135淮海工學(xué)院海洋學(xué)院1948年魯賓遜（Robinson,J.V）和伍茲（Words,W.W）提出了浸入系數(shù)E的概念，即E=以浸入系數(shù)E值的正負判斷消泡劑能否進入泡沫外表。AFAF136淮海工學(xué)院海洋學(xué)院（2）與穩(wěn)泡因素有關(guān)的幾種消泡機

59、理a、消泡劑可使泡沫液局部外表張力降低，因而導(dǎo)致泡沫破滅希勒（Shearer,L.T）和艾克斯(Akers,W.W.)在油體系中研究聚硅氧烷油的消泡過程。他們對泡沫體系以1/1000秒的速度連續(xù)拍照，照片放大100倍137淮海工學(xué)院海洋學(xué)院由圖可以看出，硅油微粒到達泡沫外表使泡沫破滅，氣泡合并，氣液迅速別離。研究發(fā)現(xiàn)：低濃度的，外表張力比起泡液低的物質(zhì)，如果與起泡液成為均相，則促進起泡；如果呈飽和狀態(tài)，而且被均勻分散在起泡液中，就可能有消泡作用。附著了消泡劑小滴的泡沫能夠迅速破滅，與局部降低外表張力有關(guān)。138淮海工學(xué)院海洋學(xué)院日本高野信之提出類似的觀點：在起泡液中分散的消泡劑顆粒，隨著泡沫液

60、變薄，露到外表，因消泡劑外表張力比泡沫液低，該處受到周圍的拉伸、牽引。不斷變薄，最后破滅。把高級醇或植物油灑在泡沫上，當(dāng)其附著到泡沫上，即溶入泡沫液，會顯著降低該處的外表張力。因為這些物質(zhì)一般對水的溶解度較小，外表張力降低只限于局部，而泡沫周圍的外表張力幾乎沒有發(fā)生變化。外表張力降低的局部，被強烈地向四周牽引、延展，最后破裂。發(fā)酵過程控制139淮海工學(xué)院海洋學(xué)院2、破泡劑與抑泡劑的區(qū)別（1）消泡劑可分為破泡劑和抑泡劑破泡劑是加到已形成的泡沫中，使泡沫破滅的添加劑。如低級醇、天然油脂。一般來說，破泡劑都是其分子的親液端與起泡液親和性較強，在起泡液中分散較快的物質(zhì)。這類消泡劑隨著時間的延續(xù)，迅速降