發(fā)酵條件及過程控制

第8章發(fā)酵工藝控制影響發(fā)酵過程的因素菌體生產(chǎn)能力

基質(zhì)含量溫度pH

溶解氧濃度攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌功率泡沫尾氣中的氧氣和二氧化碳

罐壓力、料液流量、粘度、濁度、產(chǎn)物濃度、氧化還原電位、菌絲形態(tài)8.1.1溫度對(duì)微生物生長的影響（1）微生物對(duì)低溫的適應(yīng)能力強(qiáng)于對(duì)高溫的適應(yīng)能力（2）微生物的生長階段不同，溫度對(duì)其影響不同，不同的溫度范圍內(nèi)，對(duì)微生物的影響也不相同。a.在最適生長溫度范圍內(nèi)，微生物的生長速度會(huì)隨溫度升高而加快。b.不同生長階段的微生物對(duì)溫度變化的反應(yīng)也不一樣8.1溫度對(duì)發(fā)酵的影響及調(diào)節(jié)控制溫度對(duì)微生物生長的影響、對(duì)代謝產(chǎn)物合成的影響發(fā)酵的最適生長溫度是什么？——微生物生長繁殖最快的溫度不同微生物的生長對(duì)溫度的要求不同，據(jù)此，將微生物大致可分為四類：嗜冷菌：0～26℃；嗜溫菌：15～43℃

；嗜熱菌：37～65℃

；嗜高溫菌：65℃以上每種微生物對(duì)溫度的要求可用最低溫度、最適溫度、最高溫度來表征。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(shí)間無限延長。在最適溫度下，微生物的生長速率隨溫度升高而增加，微生物生長迅速；微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過最高溫度，微生物很快死亡；8.1.1.2溫度對(duì)發(fā)酵過程的影響（1）溫度升高，微生物的生長和代謝速度會(huì)加快，發(fā)酵產(chǎn)物會(huì)提前生成。但溫度過高可能會(huì)造成酶的受熱失活，微生物菌體容易過早衰老和自溶，從而縮短發(fā)酵周期，降低發(fā)酵產(chǎn)量。（2）溫度影響微生物的生物合成方向金色鏈霉菌具有產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素能力.溫度低于30℃時(shí)，合成金霉素能力較強(qiáng)；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達(dá)到35℃時(shí)，幾乎只產(chǎn)生四環(huán)素。（3）溫度影響多組分次級(jí)代謝產(chǎn)物的比例在20℃發(fā)酵時(shí)黃曲霉所產(chǎn)生的黃曲霉毒素G1與B1的比例為3:1，25℃時(shí)為1:2，30℃為1:1.（4）溫度影響微生物的代謝調(diào)控機(jī)制（5）溫度還影響基質(zhì)溶解度、發(fā)酵液的物理性質(zhì)如黏度因此對(duì)發(fā)酵過程中的溫度要嚴(yán)格控制。8.1.2影響發(fā)酵溫度的因素

發(fā)酵過程中，隨著微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的利用、機(jī)械攪拌的作用，將會(huì)產(chǎn)生一定的熱量；同時(shí)由于發(fā)酵罐壁的散熱、水分的蒸發(fā)等將會(huì)帶走部分熱量。發(fā)酵熱（Q發(fā)酵）：發(fā)酵過程中產(chǎn)生的凈熱量。單位kJ/(m3·h)。包括生物熱、攪拌熱、蒸發(fā)熱以及輻射熱。

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。生物熱（Q生物）

在發(fā)酵過程中，菌體不斷將營養(yǎng)物質(zhì)氧化分解，產(chǎn)生的能量，一部分用于合成高能化合物如ATP，供細(xì)胞合成和代謝活動(dòng)一部分用于合成代謝產(chǎn)物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。問題1生物熱來源于培養(yǎng)基中的什么物質(zhì)？問題2在發(fā)酵的哪一階段，微生物產(chǎn)生的生物熱最大？生物熱與發(fā)酵類型有關(guān)微生物進(jìn)行有氧呼吸和厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱量對(duì)比1mol葡萄糖徹底氧化成CO2和水好氧：產(chǎn)生287.2KJ熱量，

183KJ轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP+104.2KJ生物熱釋放厭氧：產(chǎn)生22.6KJ熱量，

9.6KJ轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP+13KJ生物熱釋放轉(zhuǎn)化為高能化合物的轉(zhuǎn)化率分別為63.7％和42.6％生物熱的產(chǎn)生具有明顯的階段性，與呼吸作用強(qiáng)弱有關(guān)發(fā)酵初期，菌體呼吸作用緩慢，產(chǎn)生熱量較少。菌體在對(duì)數(shù)期，繁殖迅速，呼吸作用強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量多，溫度上升快，必須注意控制溫度。發(fā)酵后期，菌體繁殖↓，主要靠菌體內(nèi)的酶系進(jìn)行代謝作用，產(chǎn)生熱量不多，溫度變化不大。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。培養(yǎng)基營養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。攪拌熱（Q攪拌）

問題3攪拌熱是如何產(chǎn)生的？對(duì)于機(jī)械攪拌通氣式發(fā)酵罐，由于機(jī)械攪拌帶動(dòng)培養(yǎng)液作相應(yīng)的比較劇烈的運(yùn)動(dòng)，造成液體之間、液體與攪拌器等設(shè)備之間的摩擦，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱量。攪拌熱與攪拌軸功率的關(guān)系：

Q攪拌＝P×860×4186.8（焦耳/小時(shí)）

P—攪拌軸功率

4186.8——機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量發(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％輻射熱（Q輻射）

蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）

通氣時(shí)，空氣進(jìn)入發(fā)酵罐后就與發(fā)酵液進(jìn)行廣泛的接觸，除部分氧等被微生物利用外，大部分氣體仍從發(fā)酵液中逸出。通氣還引起發(fā)酵液的水分蒸發(fā)，被空氣和水分帶走的熱量叫蒸發(fā)熱。問題5發(fā)酵熱包括哪些熱？Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射（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37℃

，谷氨酸棒狀桿菌的生長溫度為30～32℃

，青霉菌生長溫度為30℃

。8.1.4最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制﹠

發(fā)酵前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快達(dá)到大量的菌體，稍高的溫度，使菌生長迅速；﹠發(fā)酵中期菌量已達(dá)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，可以推遲衰老。﹠發(fā)酵后期，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。多數(shù)情況下，微生物的生長和發(fā)酵產(chǎn)物的合成所需要的最適溫度不一樣黑曲霉生長37℃

，產(chǎn)糖化酶32～34℃

。黃原膠的發(fā)酵生產(chǎn)，菌體生長的最適溫度為27℃，黃原膠的產(chǎn)生溫度則在32℃谷氨酸產(chǎn)生菌生長30～34℃

，產(chǎn)谷氨酸36～37℃

。（2）根據(jù)培養(yǎng)條件選擇通氣條件差時(shí)可適當(dāng)降低溫度，使菌體呼吸速率降低些，溶氧濃度也可高些。培養(yǎng)基稀薄時(shí)，溫度也低些。因?yàn)闇囟雀郀I養(yǎng)利用快，會(huì)使菌過早自溶。（3）根據(jù)菌生長情況菌生長快，維持在較高溫度時(shí)間要短些，菌生長慢，維持較高溫度時(shí)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。

總之，溫度的選擇根據(jù)菌種生長階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。通過反復(fù)實(shí)踐來定出最適溫度。最適溫度的選擇根據(jù)菌種及生長階段選擇根據(jù)培養(yǎng)條件選擇菌種的生長情況8.2pH對(duì)發(fā)酵的影響及調(diào)節(jié)控制8.2.1pH值對(duì)發(fā)酵過程的影響pH值對(duì)微生物生長和代謝產(chǎn)物形成都有很大影響培養(yǎng)液的pH值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動(dòng)的綜合指標(biāo)，是發(fā)酵過程中重要參數(shù)微生物最適pH細(xì)菌6.5~7.5放線菌6.5~7.5酵母菌4.0~5.0霉菌5.0~7.0（1）不同的微生物對(duì)pH值的要求不同每種微生物都有生長最適的和耐受的pH值（2）pH值不同，微生物形成的發(fā)酵產(chǎn)物不同微生物pH值發(fā)酵產(chǎn)物黑曲霉2-3檸檬酸近中性草酸酵母菌4.5-5.0酒精8.0酒精、醋酸、甘油微生物菌體生長最適pH值發(fā)酵產(chǎn)物形成最適pH值丙酮丁醇菌5.5~7.04.3~5.3青霉素產(chǎn)生菌6.5~7.26.2~6.8（3）微生物的生長、發(fā)酵產(chǎn)物形成的最適pH值通常不同8.2.2發(fā)酵過程中發(fā)酵液的pH值

為什么會(huì)發(fā)生變化？1、基質(zhì)代謝

（1）糖代謝：快速利用的糖分解成小分子酸、醇使pH↓。若pH上升則糖缺乏，是補(bǔ)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(huì)↓

；尿素被分解成NH3，pH↑，NH3利用后pH↓，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用pH↑。（3）生理酸、堿性物質(zhì)利用后pH會(huì)↑或↓。2、產(chǎn)物形成某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使pH↓，紅霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH↑。

3、菌體自溶，pH上升發(fā)酵后期，pH上升。

8.2.3pH改變影響微生物生長及產(chǎn)物形成的原因（1）pH影響酶的活性：當(dāng)pH值抑制菌體某些酶的活性時(shí)，菌體的新陳代謝受阻；（2）pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷：從而改變細(xì)胞膜的透性，影響對(duì)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(jìn)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(duì)這些物質(zhì)的利用。（4）影響微生物的生物合成方向：發(fā)酵液的pH變化往往引起菌體代謝途徑的改變，從而使代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量發(fā)生改變。pH在微生物培養(yǎng)的不同階段影響不同pH對(duì)菌體生長影響比產(chǎn)物合成影響小青霉素：菌體生長最適pH3.5~6.0,產(chǎn)物合成最適pH7.2~7.4四環(huán)素：菌體生長最適pH6.0~6.8，產(chǎn)物合成最適pH5.8~6.08.2.4發(fā)酵過程中pH的控制配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況pH對(duì)產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響※盡管在發(fā)酵過程中，微生物本身具有使生長適應(yīng)pH值的能力，但是當(dāng)外界的條件發(fā)生較大的變化時(shí)，微生物就失去了自身的調(diào)節(jié)能力，發(fā)酵液的pH值就會(huì)發(fā)生波動(dòng)?！鶠槭刮⑸锬茉谧钸m的pH值范圍內(nèi)生長、繁殖和發(fā)酵，首先應(yīng)根據(jù)不同微生物的特性，不僅在原始培養(yǎng)基中要控制適當(dāng)?shù)膒H值，而且在整個(gè)發(fā)酵過程中，必須隨時(shí)檢測pH值的變化情況，根據(jù)發(fā)酵過程中的pH值變化規(guī)律，選用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)pH值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)和控制。

PH值調(diào)節(jié)和控制的方法有哪些？（1）調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的原始pH值?；蚣泳彌_溶液（如磷酸鹽）制成緩沖能力強(qiáng)、pH值變化不大的培養(yǎng)基，或使鹽類和碳源的配比平衡。（2）可在發(fā)酵過程中加入弱酸或弱堿進(jìn)行pH值的調(diào)節(jié)。也可通過調(diào)整通風(fēng)量控制pH值。（3）補(bǔ)料調(diào)節(jié)：它既調(diào)節(jié)了培養(yǎng)液的pH值，又可補(bǔ)充營養(yǎng)，增加培養(yǎng)液的濃度和減少阻遏作用，進(jìn)一步提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率。例如：谷氨酸發(fā)酵中pH的調(diào)節(jié)（4）加入碳酸鈣法：采用生理酸性銨鹽作為氮源時(shí)，會(huì)引起發(fā)酵液pH值的下降，可加入碳酸鈣來調(diào)節(jié)pH值。但在操作上很容易引起染菌。（5）氨水流加法：加氨水調(diào)節(jié)，同時(shí)又可把氨水作為氮源，采用自動(dòng)控制連續(xù)流加方法。同時(shí)根據(jù)微生物的特性、發(fā)酵過程的菌體生長情況、耗糖情況等。一般控制在pH值7.0-8.0。（6）尿素流加法：引起的pH值變化有一定的規(guī)律性，易于控制操作。尿素分解釋放氨，使pH值↑；氨被利用和形成代謝產(chǎn)物，使pH值↓，再次反復(fù)進(jìn)行流加就可維持一定的pH值。

目前已有適合于發(fā)酵過程pH值的測量的電極，連續(xù)測量并記錄pH值的變化，用于控制和監(jiān)測發(fā)酵pH值。不同pH控制方式對(duì)目的突變株ISw330異亮氨酸搖瓶發(fā)酵的影響“1”表示只加CaCO3控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaCO3和尿素聯(lián)合控制pH值。例：異亮氨酸發(fā)酵例：pH對(duì)L-異亮氨酸發(fā)酵的影響（天津科技大學(xué)）菌株最適生長pH控制在6.8～7.0發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值不同pH值對(duì)菌體的形態(tài)影響很大：當(dāng)pH＞7.5時(shí)，菌體易于老化，呈現(xiàn)球狀；當(dāng)pH＜6.5時(shí)菌體同樣受抑制，易于老化。在7.2左右時(shí)，菌體是處于產(chǎn)酸期，呈現(xiàn)長的橢圓形；在6.9左右時(shí)，菌體處于生長期，呈“八”字形狀并占有絕對(duì)的優(yōu)勢。pH6.9，菌體生長旺盛，pH7.15時(shí)，對(duì)菌體的產(chǎn)酸有利。采用階段pH控制模式進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵前期控制pH6.9，到48h后pH值為7.15，到80h后pH值為7.25。產(chǎn)率22.27g/L，產(chǎn)酸率提高12.23％。pH控制是一項(xiàng)非常細(xì)致的工作，不僅考慮最佳pH值，而且要根據(jù)生長階段考察對(duì)pH的要求。在pH控制中要采用合適的調(diào)節(jié)方法。對(duì)發(fā)酵的影響pH影響酶的活性pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離pH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

pH的控制方式基礎(chǔ)培養(yǎng)基調(diào)節(jié)pH在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)通過補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH

當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH

發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值選擇合適的pH調(diào)節(jié)劑8.3氧對(duì)發(fā)酵的影響及其調(diào)節(jié)控制

溶氧（DO）是好氧微生物生長繁殖、產(chǎn)生代謝產(chǎn)物必需的，而微生物只能利用溶解到液體中的氧，故溶氧往往是最易成為控制因素。

28℃，氧在發(fā)酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol/L左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100％空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。8.3.2微生物對(duì)氧的需求8.3.2.1描述微生物需氧的物理量呼吸強(qiáng)度（QO2）：單位質(zhì)量干菌體在單位時(shí)間內(nèi)所吸收的氧氣量，mol/（kg·s）或mol/（L·s）.又稱為比耗氧速率。耗氧速率(r)：單位時(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mol/L·h或mol/（m3·s）

。r=QO2·XX為發(fā)酵液中菌體濃度8.3.2.2影響微生物對(duì)氧需求的因素（1）微生物種類影響其需氧量p118（2）發(fā)酵液中溶氧濃度影響微生物的呼吸強(qiáng)度當(dāng)發(fā)酵液中的溶氧濃度較低時(shí)，微生物的呼吸強(qiáng)度隨溶氧濃度的增加而顯著增大，此時(shí)若限制發(fā)酵液中的溶氧濃度，會(huì)嚴(yán)重影響微生物的代謝活動(dòng)。當(dāng)溶氧濃度繼續(xù)增加到某一數(shù)值，微生物的呼吸強(qiáng)度達(dá)到最大值。臨界溶解氧濃度（C臨界）：微生物對(duì)發(fā)酵液中溶氧濃度的最低值。是滿足微生物呼吸的最低氧濃度，即呼吸臨界氧值（不影響呼吸所允許的最低值）工業(yè)發(fā)酵中，好氧微生物的臨界溶解氧濃度一般為0.003~0.05mmol/L.a.一般微生物的臨界溶氧濃度很小，通過通風(fēng)攪拌很容易滿足發(fā)酵過程中需氧。b.微生物的呼吸臨界氧值與產(chǎn)物合成臨界氧值不相同。

頭孢菌素卷須霉素生長5-7%13-23%產(chǎn)物10-20%>8%呼吸臨界氧值（3）培養(yǎng)基的成分和濃度影響微生物需氧當(dāng)培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富時(shí)，細(xì)胞生長繁殖速度快，對(duì)氧的需求量大；當(dāng)培養(yǎng)基濃度高時(shí)，微生物耗氧量也大。（4）微生物的菌齡影響其需氧量剛接入發(fā)酵培養(yǎng)基中的幼齡菌，生長旺盛，細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度較大，需氧量大；隨著培養(yǎng)時(shí)間延長，當(dāng)微生物處于對(duì)數(shù)生長期時(shí)，細(xì)胞呼吸旺盛，需氧量大；在發(fā)酵后期菌體進(jìn)入衰老狀態(tài)，需氧量自然減弱。（5）發(fā)酵條件影響微生物需氧量最適培養(yǎng)條件下發(fā)酵，微生物的生長和代謝處于最旺盛狀態(tài)，則需氧量大；如果某些發(fā)酵條件不合適，則必然影響微生物的生長和代謝，需氧量則小。8.3.4影響供氧的因素（1）發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)對(duì)供氧的影響通風(fēng)效率隨發(fā)酵罐高徑比(H/D)的增大而增加.機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的高徑比(H/D)通常選取2~3（2）攪拌和通氣對(duì)供氧的影響機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌器可以明顯改善通氣效率，增加氧的傳遞和溶解。還可以通過調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通風(fēng)量來控制溶氧。（3）壓力對(duì)供氧的影響適當(dāng)提高發(fā)酵罐的罐壓或空氣中氧分壓，可增加氧的溶解度。好氧發(fā)酵過程的罐壓一般選為0.05~0.1MPa。（4）發(fā)酵液性質(zhì)對(duì)供氧的影響微生物的生長繁殖和代謝，會(huì)引起發(fā)酵液的性質(zhì)如密度、黏度、表面張力等發(fā)生變化，這些變化都對(duì)氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性、液體的湍動(dòng)性及界面或液膜阻力等產(chǎn)生很大的影響，從而影響到氧的傳遞速率。（5）微生物生長對(duì)供氧的影響發(fā)酵液的攝氧率隨菌體濃度的增加而按比例增加，但是氧的傳遞速率則隨菌體濃度的增加而減少。因此，一般控制微生物的比生長速率比臨界值略高一點(diǎn)的水平，使菌體達(dá)到最適濃度，用以控制最適溶氧濃度和耗氧速度。8.4泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及控制泡沫：氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。發(fā)酵泡沫：分散相——無菌空氣和代謝氣體；連續(xù)相——發(fā)酵液8.4.1泡沫的產(chǎn)生原因（1）好氧發(fā)酵過程中，為了適應(yīng)微生物的生理特性，需要不斷通入大量的無菌空氣；（2）為加速氧在培養(yǎng)液中的溶解度，必須進(jìn)行劇烈的攪拌，使空氣成為無數(shù)的小氣泡，以增加氣液的界面，利于溶氧；（3）微生物生長和代謝過程中不斷排出的廢氣（如氨氣、CO2等);（4）發(fā)酵液中蛋白質(zhì)、糖和脂肪等容易發(fā)泡物質(zhì)的存在。培養(yǎng)液的理化性質(zhì)對(duì)泡沫形成和穩(wěn)定起決定性作用；玉米漿、糖蜜所含蛋白質(zhì)及細(xì)胞本身具有穩(wěn)定泡沫的作用。培養(yǎng)液的溫度、酸堿度、濃度等對(duì)發(fā)酵過程的泡沫的穩(wěn)定性也有一定的影響。一般在含有復(fù)合氮源的通氣發(fā)酵中會(huì)產(chǎn)生大量泡沫。氣泡的穩(wěn)定性主要與液體的表面張力、表觀黏度和泡沫的機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)。影響泡沫形成及穩(wěn)定性的因素泡沫的存在類型？

一類存在于發(fā)酵液的液面上：這類泡沫氣相所占比例特別大，泡沫與下面的液體之間有能分辨的界限。一類存在于粘稠的發(fā)酵液中：這類泡沫分散很細(xì)、很均勻、很穩(wěn)定，泡沫與液體之間沒有明顯的界限，在發(fā)酵液中氣體分散相所占比例由上而下逐漸增加。

（1）與培養(yǎng)基的原料有關(guān)：玉米漿、蛋白胨、花生餅粉、黃豆餅粉、酵母粉、糖蜜等是發(fā)泡的主要因素。起泡能力隨品種、產(chǎn)地、加工、貯藏條件而有所不同。含花生餅粉或黃豆餅粉的培養(yǎng)基，黏度比較大，產(chǎn)生的泡沫多又持久。糖類本身起泡能力較低，但高濃度的糖增加了發(fā)酵液黏度，起穩(wěn)定泡沫的作用8.4.2發(fā)酵過程中泡沫的消長規(guī)律？

（2）與通氣、攪拌有關(guān)滅菌方法、溫度和時(shí)間會(huì)改變培養(yǎng)基的性質(zhì)，從而影響起泡能力。舉例：糖蜜的滅菌溫度從110℃升高到130℃，30min，發(fā)泡系數(shù)qm幾乎增加一倍。這是由于形成大量蛋白黑色素和5-羥甲基(呋喃醇)糠醛所致。6.5040培養(yǎng)時(shí)間（h）表面張力圖6-6霉菌發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的性質(zhì)與泡沫的關(guān)系表觀黏度表面張力泡沫壽命表觀黏度以霉菌發(fā)酵為例發(fā)酵過程中泡沫的消長規(guī)律發(fā)酵初期：培養(yǎng)基濃度大，粘度高，營養(yǎng)豐富。泡沫的高穩(wěn)定性與發(fā)酵液的高表觀黏度和低界面張力有關(guān)；隨著發(fā)酵進(jìn)行，霉菌產(chǎn)生的蛋白酶、淀粉酶的增多和對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的利用，造成產(chǎn)生泡沫的蛋白質(zhì)等物質(zhì)分解，培養(yǎng)液的性質(zhì)發(fā)生改變，黏度降低促使表面張力上升，泡沫減少（發(fā)酵最旺盛泡沫最多）；發(fā)酵后期：由于微生物細(xì)胞的自溶，又使可溶性蛋白的濃度增加，促使發(fā)酵過程的泡沫上升。此外，發(fā)酵過程中染菌使發(fā)酵液的黏度變大，產(chǎn)生大量的泡沫。微生物的呼吸和發(fā)酵產(chǎn)生大量的CO2等氣體排放到發(fā)酵液中，也會(huì)引起大量泡沫的產(chǎn)生。8.4.3過多的、持久性泡沫給發(fā)酵帶來的影響（1）使發(fā)酵罐的裝料系數(shù)減少；（2）造成排氣管有大量逃液，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失；（3）泡沫“頂罐”有可能使培養(yǎng)基從攪拌的軸封滲出，增加了染菌的機(jī)會(huì)；（4）影響通氣攪拌的正常進(jìn)行，妨礙微生物的呼吸造成發(fā)酵異常，導(dǎo)致終產(chǎn)物產(chǎn)量下降；（5）菌體提早自溶，這一過程的發(fā)展又會(huì)促使更多的泡沫生成；（6）增加微生物群體的非均一性：由于泡沫的液位變動(dòng)，及不同生長周期微生物隨泡沫漂浮或粘附在罐蓋或罐壁上，使微生物生長的環(huán)境發(fā)生了改變，影響了微生物群體的效果；（7）為將泡沫控制在一定范圍內(nèi)，需加入消泡劑，但會(huì)對(duì)發(fā)酵工藝和產(chǎn)物的提取帶來困難。因此，如何控制發(fā)酵過程中產(chǎn)生的泡沫，是使發(fā)酵過程得以順利進(jìn)行和取得高產(chǎn)、高效的重要因素之一。8.4.4發(fā)酵過程中泡沫消除和控制主要有化學(xué)消泡和機(jī)械消泡兩種方法（一）化學(xué)消泡使用化學(xué)消泡劑的消泡法當(dāng)把化學(xué)消泡劑加入到發(fā)酵體系中，由于消泡劑本身的表面張力相對(duì)于發(fā)酵液來說是比較低的，一旦接觸到氣泡的表面，將會(huì)使氣泡膜局部的表面張力降低，力的平衡受到破壞，因而使氣泡破裂或合并，最后導(dǎo)致泡沫破裂。問題1化學(xué)消泡的原理？若泡沫的表面層存在著極性的表面活性物質(zhì)而形成雙電層時(shí)，加入帶相反電荷的表面活性劑，可以降低膜的彈性（機(jī)械強(qiáng)度），或加入某些具有強(qiáng)極性的物質(zhì)與起泡劑爭奪液膜上的空間，并使液膜的機(jī)械強(qiáng)度降低，進(jìn)而促使泡沫破裂。當(dāng)泡沫的液膜具有較大的表面黏度時(shí)，加入某些分子內(nèi)聚力較弱的物質(zhì)，可降低膜的表面黏度，從而促使液膜的液體流失而使泡沫破裂。問題2化學(xué)消泡劑有哪些特點(diǎn)？

1.化學(xué)消泡劑必須是表面活性劑，具有較低的表面張力，消泡作用迅速高效；2.具有一定的親水性，以使消泡劑對(duì)氣-液界面的分散系數(shù)足夠大，從而迅速發(fā)揮消泡活性；3.在水中的溶解度必須較小，以保持持久的消泡或抑泡性能；4.對(duì)人、畜及微生物細(xì)胞無毒性，對(duì)微生物生長和代謝產(chǎn)物的提取分離和產(chǎn)品的質(zhì)量無影響；5.不影響氧在培養(yǎng)液的溶解和傳遞。

天然油脂類、聚醚類、高級(jí)醇類和硅樹脂類。1、天然油脂玉米油、豆油、米糠油、棉籽油、魚油和豬油等，除作消泡劑外，還可作為碳源。其消沫能力不強(qiáng)，需注意油脂的新鮮程度，以免生長和產(chǎn)物合成受抑制。問題3發(fā)酵過程中常用的化學(xué)消泡劑主要有哪些？2、聚醚類應(yīng)用較多的為聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯丙烯甘油(俗稱泡敵)。用量0.03％左右，消沫能力比植物油大10倍以上。泡敵親水性好，在發(fā)泡介質(zhì)中易鋪展，消沫能力強(qiáng)，但其溶解度也大，消沫活性維持時(shí)間較短。在黏稠發(fā)酵液中使用效果比在稀薄發(fā)酵液中更好。3、高級(jí)醇十八醇是高級(jí)醇類中常用的一種，可單獨(dú)或與載體一起使用。它與冷榨豬油一起能有效控制青霉素發(fā)酵的泡沫。聚二醇具有消沫效果持久的特點(diǎn)，尤其適用于霉菌發(fā)酵。4、硅酮類典型代表是聚二甲基硅氧烷及其衍生物，不溶于水，單獨(dú)使用效果很差；常與分散劑(微晶Si02)一起使用，也可與水配成10％的純硅酮乳液；適用于微堿性放線菌和細(xì)菌發(fā)酵。在pH5左右的發(fā)酵液中效果較差。羥基聚二甲基硅氧烷是一種含烴基的親水性硅酮消泡劑，曾用于青霉素和土霉素發(fā)酵中。消泡能力隨羥基含量(0.22％～3.13％)的增加而提高。氟化烷烴是一種潛在的消沫劑，它的表面能比烴類、有機(jī)硅類要小，為0.009～0.018N/m。問題4為增加消泡劑效果，生產(chǎn)上常用方法？通過機(jī)械分散。使消泡劑更易在發(fā)酵液中進(jìn)行分散；將消泡劑與載體一起使用。使消泡劑分散于載體中，兩者并用具明顯的增效作用，如當(dāng)用聚氧丙烯甘油作消泡劑時(shí)，以豆油為載體的消泡增效作用相當(dāng)明顯；多種消泡劑并用可增強(qiáng)消泡作用。如用0.5%-3%的硅酮、20%-30%的植物油、5%-10%的聚乙醇二油酸酯、1%-4%的多元醇脂肪酸與水組成的混合消泡劑也具有明顯的消泡增強(qiáng)效果；利用乳化劑增強(qiáng)消泡劑的消泡作用。如消泡劑聚氧丙烯甘油用吐溫為乳化劑的增效作用可提高1-2倍。機(jī)械消泡機(jī)械消泡是靠機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)和壓力的變化，促使氣泡破裂，或借助于機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收，從而達(dá)到消泡的作用。優(yōu)點(diǎn)：不需在發(fā)酵液中加入其他物質(zhì)，減少了由于加入消泡劑所引起的染菌機(jī)會(huì)和對(duì)后繼分離工藝的影響。缺點(diǎn)：機(jī)械消泡的效果不如化學(xué)消泡迅速、可靠，不能從根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素，同時(shí)它還需要一定的設(shè)備和消耗一定的動(dòng)力。

理想的機(jī)械消泡的裝置必須滿足：動(dòng)力消耗少、結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、清洗殺菌容易、維修保養(yǎng)費(fèi)用少等。

機(jī)械消泡的方法：罐內(nèi)消泡：在發(fā)酵罐內(nèi)將泡沫消除。罐外消泡：將泡沫引出罐外，通過噴嘴的加速作用或離心力粉碎泡沫，消除后再將液體返回發(fā)酵罐內(nèi)。罐內(nèi)機(jī)械消泡

裝置：耙式消泡槳耙式消泡槳:結(jié)構(gòu)比較簡單的罐內(nèi)機(jī)械消泡裝置如下圖:它裝在發(fā)酵罐的攪拌軸上，安裝時(shí)槳上的齒面略高于液面，靠軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)來打碎泡沫，起到消泡的作用。該裝置消泡只是一種簡單的消泡措施，消泡作用并不完全，一般當(dāng)有少量的泡沫產(chǎn)生時(shí)，耙齒能隨時(shí)將泡沫打碎；但當(dāng)有大量泡沫產(chǎn)生時(shí)，耙齒就來不及將泡沫打碎，而當(dāng)泡沫超過耙槳時(shí)，就將失去消泡作用。旋轉(zhuǎn)圓板式的機(jī)械消泡：裝置設(shè)置在發(fā)酵罐內(nèi)的氣相中，與發(fā)酵液的液面保持平行。圓板旋轉(zhuǎn)的同時(shí)將槽內(nèi)發(fā)酵液注入圓板的中央，通過離心力將破碎成微小泡沫的微粒散向槽壁，以達(dá)到消泡的目的。沖擊反射板機(jī)械消泡：這是一種把氣體吹入液面上部，然后通過在液面上部設(shè)置的沖擊反射，吹回到液面，而將液面上產(chǎn)生的泡沫擊碎的方法。

旋轉(zhuǎn)葉片罐外機(jī)械消泡：將泡沫引出罐外，利用裝置中的旋轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的沖擊力和剪切力進(jìn)行消泡。離心力消泡：將泡沫注入用網(wǎng)眼及篩目較大的篩子做成的筐中，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將泡沫分散，而達(dá)到消泡的目的。旋風(fēng)分離器消泡：發(fā)酵罐內(nèi)產(chǎn)生的泡沫通過旋風(fēng)分離器上部進(jìn)入脫泡器，并與脫泡器下方引入的氣體逆向接觸使其破碎。轉(zhuǎn)向板消泡：泡沫以30-90m/s的速度由噴頭向轉(zhuǎn)向板使泡沫破碎，分離液用泵送回發(fā)酵罐內(nèi)，而氣體則排出消泡器外。罐外機(jī)械消泡

消泡劑應(yīng)用實(shí)例及注意事項(xiàng)土霉素發(fā)酵中用泡敵、植物油和水按(2～3)：(5～6)：30的比例配成乳化液，消沫效果很好，不僅節(jié)約了消沫劑和油的用量，還可在發(fā)酵全程使用。青霉素發(fā)酵中曾采用滴加玉米油的方式，防止了泡沫的大量形成，有利于產(chǎn)生菌的代謝和青霉素的合成，且減少了油的用量。過量的油脂固然能迅速消沫，但也抑制氣泡的分散，使氣液比表面積減小，顯著影響氧的傳質(zhì)速率，使溶氧迅速下跌，甚至到零。油還會(huì)被脂肪酶等降解為脂肪酸與甘油，并進(jìn)一步降解為有機(jī)酸，有機(jī)酸的氧化消耗大量的氧，使溶氧下降。油脂與鐵會(huì)形成過氧化物，對(duì)一些抗生素的生物合成有害。在豆油中添加0.1％一0.2％萘酚或萘胺等抗氧劑可有效防止過氧化物的產(chǎn)生，消除它對(duì)發(fā)酵的不良影響，使用天然油脂時(shí)不能一次加得太多。過量的消沫劑通常會(huì)影響菌的呼吸活性和物質(zhì)(包括氧)透過細(xì)胞壁的運(yùn)輸。例如：電鏡觀察消沫劑對(duì)培養(yǎng)了24h的短桿菌的生理影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，其細(xì)胞形態(tài)特征，如膜的厚度、透明度和結(jié)構(gòu)功能與氧受限制的條件下相似。細(xì)胞表面呈細(xì)粒的微囊、類核(擬核)含有DNK纖維，其內(nèi)膜隱約可見。幾乎所有的細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)都在改變。因此，應(yīng)盡可能減少消沫劑的用量?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還難以評(píng)定消沫劑對(duì)微生物的影響在應(yīng)用消沫劑前需作比較性試驗(yàn)，找出一種對(duì)微生物生理、產(chǎn)物合成影響最小，消沫效果最好，且成本低的消泡劑?；瘜W(xué)消沫劑應(yīng)制成乳濁液，以減少同化和消耗。宜聯(lián)合使用機(jī)械與化學(xué)方法控制泡沫，并采用自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。8.5二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響極其控制CO2是微生物呼吸和分解代謝的終產(chǎn)物，也是合成某些代謝產(chǎn)物的重要基質(zhì)。問題1CO2對(duì)菌體生長有何影響？CO2積累在發(fā)酵液中，對(duì)微生物生長具有刺激或抑制作用。大多數(shù)微生物對(duì)發(fā)酵液中的CO2適應(yīng)濃度較低，一般為0.02％~0.04％(體積分?jǐn)?shù)).當(dāng)尾氣中CO2

濃度高于4％時(shí)，微生物的糖代謝和呼吸速率下降。例如：產(chǎn)黃青霉的菌絲形態(tài)隨發(fā)酵液中CO2

濃度不同而改變。當(dāng)發(fā)酵液中CO2

濃度為0~8％時(shí)，產(chǎn)黃青霉菌絲體主要呈絲狀；當(dāng)發(fā)酵液CO2濃度為15％~22％時(shí)，菌絲體呈膨脹、粗短狀；若CO2分壓提高至0.08×105Pa時(shí)，菌體呈球狀。CO2對(duì)微生物合成代謝產(chǎn)物的影響？CO2濃度對(duì)氨基酸、抗生素等發(fā)酵有抑制或刺激作用.例1：精氨酸發(fā)酵時(shí)CO2的最適分壓約為0.12×105Pa，過高或過低都會(huì)影響其合成。例2：青霉素發(fā)酵中，CO2含量高于4%時(shí)，即使溶解氧在臨界氧濃度以上，菌體呼吸強(qiáng)度和青霉素合成都受到抑制。當(dāng)進(jìn)氣中CO2分壓達(dá)到0.08×105Pa時(shí)，青霉素的比生產(chǎn)速率下降50%。問題2如何CO2

濃度的控制若CO2促進(jìn)發(fā)酵，應(yīng)適當(dāng)提高其的濃度；若CO2抑制發(fā)酵，應(yīng)降低其濃度。（1）增加罐壓可提高CO2的分壓，也就增加了發(fā)酵液中的CO2濃度。（2）發(fā)酵罐的高徑比(H/D)對(duì)CO2濃度也有影響。對(duì)CO2敏感的發(fā)酵生產(chǎn)，不宜采用高徑比大的發(fā)酵罐。因?yàn)橥瑯油鈹嚢?，高徑比大的發(fā)酵罐CO２不易排出，在罐底形成碳酸，引起發(fā)酵液的pH下降，進(jìn)而影響微生物細(xì)胞的呼吸和產(chǎn)物合成。問題1（3）提高通氣量和攪拌速度既可促進(jìn)氧的溶解，使溶解氧保持在臨界值以上，又可使多余的CO2隨著廢氣排出，使液體中的CO2維持在引起微生物生長和代謝抑制作用的濃度之下。（4）CO2的產(chǎn)生還與發(fā)酵工藝密切相關(guān)例如，在青霉素發(fā)酵中，采用補(bǔ)糖發(fā)酵工藝會(huì)增加發(fā)酵液中的CO2濃度和降低發(fā)酵液的pH。第9章發(fā)酵過程的精確檢測根據(jù)獲得的途徑不同，發(fā)酵過程的參數(shù)分為狀態(tài)參數(shù)間接狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)：能直接反映微生物的生理代謝狀況的參數(shù)。如pH、溶氧、溶解C02、尾氣02、尾氣C02、黏度、菌體濃度等?，F(xiàn)有的監(jiān)測狀態(tài)參數(shù)的傳感器除了必須耐高溫蒸汽反復(fù)滅菌，還冒探頭表面被微生物堵塞的危險(xiǎn)，從而導(dǎo)致測量的失敗。特別是pH和溶氧電極有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失效和顯著漂移的問題。溶氧能反映發(fā)酵過程氧的供需和生產(chǎn)菌的生理狀況發(fā)酵液中的溶氧濃度可通過改變通氣量、攪拌速率、罐壓、通氣成分(純氧或富氧)和加糖、補(bǔ)料來控制。生產(chǎn)中常維持溶氧水平高于一臨界值，而不是在一設(shè)定值。最有價(jià)值的狀態(tài)參數(shù)是尾氣分析和空氣流量的在線測量。用紅外和順磁氧分析儀可分別測定尾氣CO2和O2含量；也可以用一種快速、不連續(xù)的、能同時(shí)測多種組分的質(zhì)譜儀測定。間接狀態(tài)參數(shù)：通過狀態(tài)參數(shù)計(jì)算求得的。如攝氧率、C02釋放速率、呼吸商等。呼吸商反映微生物的代謝狀況。它尤其能提供從生長向生產(chǎn)過渡或主要基質(zhì)間的代謝過渡指標(biāo)。參數(shù)檢測的2種方法：

在線儀器監(jiān)測和離線發(fā)酵分析在線儀器監(jiān)測：將采集的電信號(hào)放大，用于監(jiān)測發(fā)酵的狀態(tài)、直接做發(fā)酵閉環(huán)控制和計(jì)算間接參數(shù)。儀器：標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測裝置、傳感器、氣體分析儀、高效液相色譜發(fā)酵過程的好壞完全取決于能否維持一生長受控的和對(duì)生產(chǎn)良好的環(huán)境。達(dá)到此目標(biāo)的最直接和有效的方法是通過直接測量發(fā)酵的變量來調(diào)節(jié)生物過程。故在線測量是高效過程運(yùn)行的先決條件選擇儀器時(shí)不僅要考慮其功能，還要確保該儀器不會(huì)增加染菌的機(jī)會(huì)。置于發(fā)酵罐內(nèi)的探頭必須耐高壓蒸汽滅菌。常遇到的問題是探頭的敏感表面受微生物的黏附。常規(guī)在線測量和控制發(fā)酵過程的設(shè)定參數(shù)有罐溫、罐壓、通氣量、攪拌轉(zhuǎn)速等。在線尾氣分析能即時(shí)反映生產(chǎn)菌的生長情況不同品種的發(fā)酵和操作條件，間接參數(shù)的變化不一樣。以面包酵母補(bǔ)料—分批發(fā)酵為例，有兩種主要原因?qū)е乱掖嫉男纬伞?、氧的不足；2、培養(yǎng)基中基質(zhì)濃度過高。應(yīng)用尾氣分析控制面包酵母分批發(fā)酵收到良好的效果。將呼吸商與溶氧控制結(jié)合，采用適應(yīng)性多變量控制策略可以有效地提高酵母發(fā)酵的產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率。在線發(fā)酵儀器的研究進(jìn)展隨著計(jì)算機(jī)價(jià)格的下降和功能的不斷增強(qiáng)，發(fā)酵監(jiān)測和控制得到更大的改進(jìn)。這為裝備實(shí)驗(yàn)室和工廠規(guī)模的聯(lián)(計(jì)算)機(jī)發(fā)酵監(jiān)控提供機(jī)會(huì)。為了解決一些養(yǎng)分和代謝物的測定需依賴離線分析儀的問題，曾開發(fā)一些新的就地檢測的傳感器。一些在線生物傳感器和基于酶的傳感器所具備的高度專一性和敏感性有可能滿足在線測量這些基質(zhì)的要求。此外，還研究了其他一些基于聲音、壓電薄膜、生物電化學(xué)、激光散射、電導(dǎo)納波譜、熒光、熱量計(jì)和黏度測量菌量的方法。一種自動(dòng)在線葡萄糖分析儀與適應(yīng)性控制策略結(jié)合可用于高細(xì)胞密度培養(yǎng)時(shí)控制葡萄糖濃度在設(shè)定點(diǎn)處。還有一種基于葡萄糖氧化酶固定化的可消毒的葡萄糖傳感器曾用于大腸桿菌補(bǔ)料—分批發(fā)酵中。采用流動(dòng)注射分析(FIA)法和—些智能數(shù)據(jù)處理方法，如基于知識(shí)的系統(tǒng)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊軟件傳感器與卡爾曼濾波器結(jié)合，做在線控制用，可快速可靠地監(jiān)測樣品，所需時(shí)間少于2min。在線HPLC(高效液相色譜)系統(tǒng)被用于監(jiān)測重組大腸桿菌的計(jì)算機(jī)控制的補(bǔ)料—分批發(fā)酵中的乙酸濃度ATP分析儀(ATPA-1000)在線測量釀酒酵母的胞內(nèi)ATPSato等(2000)在糖化期間采用一種ATP