抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制

第五章

發(fā)酵過程控制第一節(jié)發(fā)酵過程主要控制參數(shù)第二節(jié)發(fā)酵過程代謝改變第三節(jié)基質(zhì)影響及其控制第四節(jié)溫度影響與控制第五節(jié)pH影響與控制第六節(jié)溶氧濃度改變和控制

第七節(jié)補料作用及其控制第八節(jié)泡沫影響與控制第九節(jié)發(fā)酵終點判斷抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第1頁發(fā)酵過程原理一、發(fā)酵基本概念1、微生物發(fā)酵

利用微生物體來制得產(chǎn)物需氧或厭氧任何過程。2、初級代謝產(chǎn)物

關(guān)系到微生物新陳代謝過程中能量代謝、細胞生長和細胞結(jié)構(gòu)代謝產(chǎn)物。3、次級代謝產(chǎn)物

微生物菌體在生長久不能合成、普通在菌體生長靜止期中合成與菌體成長繁殖無顯著關(guān)系產(chǎn)物。

抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第2頁抗生素產(chǎn)生菌在一定條件下吸收營養(yǎng)物質(zhì)，合成其本身菌體細胞，同時產(chǎn)生抗生素和其它代謝產(chǎn)物過程，稱為抗生素發(fā)酵。發(fā)酵過程是由各種酶系統(tǒng)作用而發(fā)生一系列生化反應(yīng)，抗生素是這個過程次級代謝產(chǎn)物?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第3頁發(fā)酵方法微生物發(fā)酵有三種方式：

分批發(fā)酵（batchfermentation）

補料分批發(fā)酵（fed-batchfermentation）

連續(xù)發(fā)酵（continuousfermentation）

工業(yè)上預(yù)防出現(xiàn)菌種衰退和雜菌污染等實際問題，大都采取分批發(fā)酵或補料分批發(fā)酵這兩種方式。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第4頁1、分批式發(fā)酵①理論基礎(chǔ)把培養(yǎng)液一次性裝入發(fā)酵罐，滅菌后接入一定量種子液，在最正確條件下進行發(fā)酵培養(yǎng)。是產(chǎn)生菌體經(jīng)過一定時間不一樣級數(shù)種子培養(yǎng)，到達一定菌體量后，移種到發(fā)酵罐進行純種和通氣攪拌培養(yǎng)，到要求時間即行結(jié)束過程。②優(yōu)缺點：發(fā)酵周期短，產(chǎn)品質(zhì)量易控制，不易發(fā)生雜菌污染，對原料組成要求較粗放。發(fā)酵體系中開始時基質(zhì)濃度很高，到中后期營養(yǎng)物質(zhì)濃度很低，這對發(fā)酵反應(yīng)不利。

抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第5頁2、補料分批發(fā)酵①理論基礎(chǔ)在分批式操作基礎(chǔ)上，開始時投入一定量基礎(chǔ)培養(yǎng)基，到發(fā)酵過程適當(dāng)初期，開始連續(xù)補加碳源或氮源或其它必需物質(zhì)，但不取出培養(yǎng)液，直到發(fā)酵終點，產(chǎn)率達最大化，停頓補料，最終將發(fā)酵液一次全部放出。?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第6頁②優(yōu)缺點：優(yōu)點：在發(fā)酵過程中慢慢地加入培養(yǎng)基，使其在發(fā)酵液中保持適宜水平，同時又稀釋了生成產(chǎn)物濃度，防止了高濃度產(chǎn)物和底物抑制作用，也預(yù)防了后期養(yǎng)分不足而限制菌體生長。缺點：受發(fā)酵罐操作容積限制

抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第7頁3、連續(xù)式發(fā)酵①理論基礎(chǔ)菌體與培養(yǎng)液一起裝入發(fā)酵罐，在菌體培養(yǎng)過程中不停補充新培養(yǎng)基，同時取出包含培養(yǎng)液和菌體在內(nèi)發(fā)酵液，發(fā)酵體積和菌體濃度等不變，使菌體處于恒定狀態(tài)發(fā)酵條件，促進菌體生長和產(chǎn)物積累?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第8頁②優(yōu)缺點：連續(xù)培養(yǎng)優(yōu)點：能維持基質(zhì)濃度，能夠提升設(shè)備利用率和單位時間產(chǎn)量，節(jié)約發(fā)酵罐非生產(chǎn)時間，便于自動控制。但因為培養(yǎng)時間長，難以確保純種培養(yǎng)。而且菌種變異可能性較大，故在工業(yè)規(guī)模上極少采取?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第9頁發(fā)酵過程控制微生物發(fā)酵生產(chǎn)水平取決于：1）生產(chǎn)菌種本身特征；2）適當(dāng)環(huán)境條件，使它生產(chǎn)能力充分表示出來。這些環(huán)境條件包含培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、pH、氧需求等。為了掌握菌種在代謝過程中代謝改變規(guī)律，需要監(jiān)測一些參數(shù)，這些參數(shù)包含菌體濃度、糖、N消耗及產(chǎn)物濃度，培養(yǎng)溫度、pH、溶氧等?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第10頁第一節(jié)發(fā)酵過程主要控制參數(shù)（一）物理參數(shù)（二）化學(xué)參數(shù)（三）生物參數(shù)抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第11頁一、發(fā)酵過程主要控制參數(shù)（一）物理參數(shù)1．溫度（℃）發(fā)酵整個過程或不一樣階段中所維持溫度。酶反應(yīng)速率、氧在培養(yǎng)液中溶解度與傳遞速率、菌體生長速率和產(chǎn)物合成速率2．壓力（Pa）發(fā)酵過程中發(fā)酵罐維持壓力,普通維持在0.2×105~0.5×105Pa。確保純種培養(yǎng),間接影響菌體代謝?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第12頁3．?dāng)嚢柁D(zhuǎn)速（r／min）攪拌轉(zhuǎn)速是指攪拌器在發(fā)酵過程中轉(zhuǎn)動速度，通常以每1min轉(zhuǎn)數(shù)來表示。它大小與氧在發(fā)酵液中傳遞速率與發(fā)酵液均勻性相關(guān)。4．?dāng)嚢韫β剩╧w）指攪拌器攪拌時所消耗功率，常指每1m3發(fā)酵液所消耗功率（kw／m3）。它大小與氧容量傳遞系數(shù)相關(guān)?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第13頁5．空氣流量［V／（V·min），簡稱VVM］每1min內(nèi)每單位體積發(fā)酵液通入空氣體積，也是需氧發(fā)酵控制參數(shù)。與氧傳遞和其它控制參數(shù)相關(guān)。普通控制在0.5～1.0V／（V·min）范圍內(nèi)。6．粘度（Pa·s）粘度大小能夠作為細胞生長或細胞形態(tài)一項標(biāo)志，也能反應(yīng)發(fā)酵罐中菌絲分裂過程情況。通慣用表觀粘度表示之：它大小可改變氧傳遞阻力，又可表示相對菌體濃度。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第14頁7．濁度（％）濁度是能及時反應(yīng)單細胞生長情況參數(shù)，對一些產(chǎn)品生產(chǎn)是極其主要參數(shù)。8.料液流量（L／min）這是控制流體進料參數(shù)。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第15頁（二）化學(xué)參數(shù)1．pH（酸堿度）發(fā)酵液pH是發(fā)酵過程中各種產(chǎn)酸和產(chǎn)堿生化反應(yīng)綜合結(jié)果。它是發(fā)酵工藝控制主要參數(shù)之一。它高低與菌體生長和產(chǎn)物合成有著主要關(guān)系。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第16頁2．基質(zhì)濃度（g或mg％）這是發(fā)酵液中糖、氮、磷等主要營養(yǎng)物質(zhì)濃度。它們改變對產(chǎn)生菌生長和產(chǎn)物合成有著主要影響，也是提升代謝產(chǎn)物產(chǎn)量主要控制伎倆。在發(fā)酵過程中，必須定時測定糖（還原糖和總糖）、氮（氨基氮或氨氮）等基質(zhì)濃度?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第17頁3．溶解氧濃度［10-6（ppm）或飽和度（％）］溶解氧是需氧菌發(fā)酵必備條件。利用溶氧濃度改變，可了解產(chǎn)生菌對氧利用規(guī)律，反應(yīng)發(fā)酵異常情況，也可作為發(fā)醉中間控制參數(shù)及設(shè)備供氧能力指標(biāo)。溶氧濃度普通用絕對含量（10-6）來表示、有時也用在相同條件下，氧在培養(yǎng)液中飽和濃度表示。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第18頁4．產(chǎn)物濃度[μg（u）／ml]

這是發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量高低或合成代謝正常是否主要參數(shù)，也是決定發(fā)酵周期長短依據(jù)。5．廢氣中氧濃度（Pa）廢氣中氧含量與產(chǎn)生菌攝氧率和供氧系數(shù)相關(guān)。從廢氣中O2含量能夠算出產(chǎn)生菌攝氧率和發(fā)酵罐供氧能力。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第19頁6．廢氣中CO2濃度（％）廢氣中CO2就是產(chǎn)生菌呼吸放出CO2。測定它能夠算出產(chǎn)生菌呼吸熵，從而了解產(chǎn)生菌呼吸代謝規(guī)律。其它化學(xué)參數(shù)：DNA、RNA、生物合成關(guān)鍵酶等?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第20頁（三）生物參數(shù)1．菌絲形態(tài)絲狀菌發(fā)酵過程中菌絲形態(tài)改變是生化代謝改變反應(yīng)。普通都以菌絲形態(tài)作為衡量種子質(zhì)量、區(qū)分發(fā)酵階段、控制發(fā)酵過程代謝改變和決定發(fā)酵周期依據(jù)之一。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第21頁2．菌體濃度菌體濃度簡稱菌濃，是控制微生物發(fā)酵主要參數(shù)之一。大小和改變速度對菌體生化反應(yīng)都有影響（表觀粘度、溶氧濃度）。在生產(chǎn)上，經(jīng)常依據(jù)菌體濃度來決定適合補料量和供氧量，以確保生產(chǎn)到達頂期水平?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第22頁（發(fā)酵液菌體量和單位時間菌濃、溶氧濃度、糖濃度、氮濃度和產(chǎn)物濃度等改變值）計算

（菌體比生長速率、氧比消耗速率、糖比消耗速率、氮比消耗速率和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率）（控制產(chǎn)生菌代謝、決定補料和供氧工藝條件）

研究發(fā)酵動力學(xué)抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第23頁第二節(jié)、發(fā)酵過程中代謝改變1．菌體生長階段（菌體生長久或發(fā)酵前期）菌體進行合成代謝：菌濃顯著增加、攝氧率不停增大，溶氧濃度不停下降。碳源、氮源進行分解代謝：碳源、氮源和磷酸鹽等營養(yǎng)物質(zhì)不停被消耗，濃度顯著降低。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第24頁2．產(chǎn)物合成階段（產(chǎn)物分泌期或發(fā)酵中期）這個階段主要是合成抗生素。以碳源和氮源分解代謝和產(chǎn)物合成代謝為主，還有合成菌體細胞物質(zhì)代謝存在，但不是主要。因為存在抗生素合成和菌體合成兩條代謝路徑，外界環(huán)境改變很輕易影響這個階段代謝，碳源、氮源和磷酸鹽等營養(yǎng)物質(zhì)濃度必須控制在一定范圍內(nèi)，發(fā)酵條件也要嚴(yán)格控制，才能促使產(chǎn)物不停地被合成?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第25頁3．菌體自溶階段（菌體自溶期或發(fā)酵后期）

菌體衰老，細胞開始自溶，氨氮含量增加，pH上升，產(chǎn)物合成能力衰退，生產(chǎn)速率下降。發(fā)酵到此期必須結(jié)束?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第26頁發(fā)酵過程三個時期：1231.停滯期2.對數(shù)期3.穩(wěn)定時時間細胞數(shù)目標(biāo)對數(shù)抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第27頁1）停滯期在剛開始接種后一段時間，幾乎未見菌體濃度增加。工業(yè)上要求盡可能縮短延滯期，這可經(jīng)過使用適當(dāng)種齡種子和接種量到達。2）對數(shù)生長久微生物在此期內(nèi)比生長速率最大，細胞數(shù)目呈指數(shù)生長。3）穩(wěn)定時因為養(yǎng)分消耗和微生物產(chǎn)物分泌，生長速率逐步減速直至停頓。生長終止原因可能是因為一些必須養(yǎng)分耗盡和自體毒性代謝物在培養(yǎng)基上積累結(jié)果。在穩(wěn)定時，許屢次級代謝產(chǎn)物在此期合成，所以也稱為生產(chǎn)期。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第28頁第三節(jié)基質(zhì)影響及其控制一、碳源濃度改變及其控制（一）碳源濃度影響1、快速利用碳源（如葡萄糖）能較快速地參加代謝，合成菌體和產(chǎn)生能量，并產(chǎn)生分解產(chǎn)物（如丙酮酸等），有利于菌體生長。葡萄糖效應(yīng)（關(guān)鍵：控制濃度，使他們不致產(chǎn)生抑制抗生素合成作用）抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第29頁應(yīng)用：常以較低濃度和慢速利用碳源一起組成基礎(chǔ)培養(yǎng)基中混合碳源，供菌體生長用。也作為發(fā)酵過程中中間補糖用?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第30頁2.慢速利用碳源為菌體遲緩利用，有利于延長代謝產(chǎn)物合成，尤其有利于延長抗生索分泌期。需要控制濃度，分批投料。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第31頁（二）碳源濃度控制補糖數(shù)量，應(yīng)使發(fā)酵液中所含糖量能維持菌體正常生理代謝，并能預(yù)防抗生素生產(chǎn)能力衰退。普通控制法動力學(xué)模型控制法抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第32頁1、普通控制法：“中間補糖”法。決定補糖參考參數(shù)有：糖消耗速率、pH改變、菌體濃度、菌絲形態(tài)、發(fā)酵液粘度、溶解氧濃度、消沫油使用情況、罐內(nèi)發(fā)酵液實際體積等。

開始補糖時間：依據(jù)代謝改變情況來確定。補糖數(shù)量：以控制菌體濃度略增或不增為標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)生菌代謝活動有利于抗生素合成。補糖方式：連續(xù)滴加補入、少許屢次間歇補入、大量少次補入等。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第33頁2、動力學(xué)模型控制法：依據(jù)菌體比生長速率、糖比消耗速率以及抗生素比生產(chǎn)速率等動力學(xué)參數(shù)來控制加糖。需建立動力學(xué)模型，在實際生產(chǎn)上應(yīng)用較少?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第34頁二、氮源濃度改變及其控制

1．補加有機氮源

依據(jù)產(chǎn)生菌代謝情況，可在發(fā)酵過程中添加一些含有調(diào)整生長代謝作用有機氮源，如酵母粉、玉米漿、尿素等。2.補加無機氮源補加氨水或硫酸銨是工業(yè)上慣用方法。補充方式與補碳源類似，以到達最正確生產(chǎn)為目標(biāo)。

抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第35頁三、磷酸鹽濃度影響與控制

微生物生長良好所允許磷酸鹽濃度為0.32～300mmol，但對次級代謝產(chǎn)物合成良好所允許最高平均濃度僅為1.0mmol，提升到10mmol，就顯著地抑制其合成。磷酸鹽濃度控制，普通是在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中采取適當(dāng)濃度。生長亞適量磷酸鹽濃度：對菌體生長不是最適合但又不影響生長量?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第36頁四、前體影響與控制為了抑制抗生素產(chǎn)生菌生物合成方向及增加抗生素產(chǎn)量，在一些抗生素發(fā)酵過程中加入化學(xué)前體物質(zhì)。如為了提升芐青霉素產(chǎn)量在青霉素發(fā)酵中加入苯乙酸等。發(fā)酵過程中加入前體數(shù)量一次不宜太多，必須采取少許屢次或者連續(xù)流加方式加入?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第37頁第四節(jié)溫度影響與控制一、溫度對發(fā)酵影響1、影響各種酶反應(yīng)速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)。（1）在一定范圍內(nèi)，伴隨溫度升高，酶反應(yīng)速率也增加，但有一個最適溫度，超出這個溫度，酶催化活力就下降。溫度對菌體生長酶反應(yīng)和代謝產(chǎn)物合成酶反應(yīng)影響不一樣。如產(chǎn)黃青霉菌體最適生長溫度為30℃，青霉素合成最適溫度為24.7℃?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第38頁（2）溫度還能改變菌種代謝產(chǎn)物合成方向，影響多組分次級代謝產(chǎn)物組分百分比。如在高濃度Cl-和低濃度Cl-培養(yǎng)基中利用金霉素鏈霉菌NRRLB-1287進行四環(huán)素發(fā)酵，30℃以下時合成金霉素增多，達35℃時就只產(chǎn)四環(huán)素，而金霉素合成幾乎停頓。

如黃曲霉產(chǎn)生多組分黃曲霉毒素，在20℃、25℃和30℃發(fā)酵所產(chǎn)生黃曲霉毒素G1與B1百分比分別為3：1、1：2和1：1?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第39頁2、影響發(fā)酵液物理性質(zhì)。發(fā)酵液粘度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中溶解度和傳遞速率、一些基質(zhì)分解和吸收速率等?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第40頁二、影響發(fā)酵溫度改變原因產(chǎn)熱原因：生物熱（Q生物）和攪拌熱（Q攪拌）；散熱原因：蒸發(fā)燒（Q蒸發(fā)）、輻射熱（Q輻射）和顯熱（Q顯）。發(fā)酵熱：Q發(fā)酵[kJ／（m3．h）]Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射－Q顯。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第41頁1．生物熱（Q生物）：產(chǎn)生菌在生長繁殖過程中產(chǎn)生熱能。生物熱大小，隨菌種和培養(yǎng)基成份不一樣而改變。生物熱大小還隨培養(yǎng)時間不一樣而不一樣?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第42頁2．?dāng)嚢锜幔≦攪拌）：攪拌器轉(zhuǎn)動引發(fā)液體之間和液體與設(shè)備之間摩擦所產(chǎn)生熱量。

3．蒸發(fā)燒（Q蒸發(fā)）：空氣進入發(fā)酵罐與發(fā)酵液廣泛接觸后，引發(fā)水分蒸發(fā)所需熱能。

4．輻射熱（Q輻射）：因為罐外壁和大氣間溫度差異而使發(fā)酵液中部分熱能經(jīng)過罐體向大氣輻射熱量。

抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第43頁三、溫度控制1．最適溫度選擇最適發(fā)酵溫度是既適合菌體生長、又適合代謝產(chǎn)物合成溫度。最適生長溫度與最適生產(chǎn)溫度往往是不一致。理論上，整個發(fā)醉過程中不應(yīng)只選一個培養(yǎng)溫度，而應(yīng)該依據(jù)發(fā)酵不一樣階段，選擇不一樣培養(yǎng)溫度。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第44頁最適發(fā)酵溫度還隨菌種、培養(yǎng)基成份、培養(yǎng)條件和菌體生長階段而改變。如，在較差通氣條件下，因為氧溶解度是隨溫度下降而升高，所以降低發(fā)酵溫度對發(fā)酵是有利，因為低溫能夠提升氧溶解度、降低菌體生長速率，降低氧消耗，從而可填補通氣條件差所帶來不足?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第45頁2、溫度控制因為發(fā)酵過程中釋放大量發(fā)酵熱，需要冷卻情況較多。普通情況下，將冷卻水通入發(fā)酵罐夾層或蛇形管中，進行熱交換降溫。假如氣溫較高，冷卻水溫度又高，可采取冷凍鹽水進行循環(huán)式降溫?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第46頁第五節(jié)pH影響與控制

一、發(fā)酵pH影響在發(fā)酵過程中，pH改變決定于所用菌種特征、培養(yǎng)基配比和發(fā)酵條件。pH改變會引發(fā)各種酶活力改變，影響菌對基質(zhì)代謝速度，甚至改變菌代謝路徑及細胞結(jié)構(gòu)?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第47頁一、微生物細胞生長和代謝需要適合pH值不一樣微生物對pH值要求不一樣，大多數(shù)細菌最適pH值為6.5-7.5,霉菌最適pH值為4.0-8.0,酵母菌最適pH值為3.8-6.0,放線菌最適pH值為6.5-8.0。發(fā)酵過程中控制一定pH值，是確保微生物正常生長主要條件之一，也是預(yù)防雜菌污染一個主要辦法。pH值不但影響微生物生長，還會影響到代謝產(chǎn)物形成。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第48頁而且微生物生長最適pH值和發(fā)酵產(chǎn)物形成最適pH值往往不一樣。如青霉素產(chǎn)生菌生長最適pH值為6.5-7.2,而青霉素合成最適pH值為6.2-6.3。鏈霉素產(chǎn)生菌生長最適pH值為6.3-6.9,而鏈霉素合成最適pH值為6.7-7.3。所以，充分了解微生物生長和產(chǎn)物形成最適pH值，并依據(jù)不一樣微生物特征，在發(fā)酵過程中有效地控制適當(dāng)pH值是非常主要。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第49頁二、pH對微生物影響原因1、pH值會影響到微生物細胞原生質(zhì)膜電荷，使細胞原生質(zhì)膜發(fā)生改變，引發(fā)原生質(zhì)膜對個別離子滲透性改變，從而影響到微生物對培養(yǎng)基中一些營養(yǎng)物質(zhì)吸收利用以及代謝產(chǎn)物滲漏，進而影響到微生物生長和新陳代謝正常進行?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第50頁2、pH值會直接影響到微生物細胞內(nèi)酶活性，在適當(dāng)pH值下，微生物細胞中酶才能發(fā)揮最大活性。3、pH值會影響到培養(yǎng)基中一些主要營養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物解離，從而影響微生物對這些物質(zhì)吸收和利用?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第51頁三、發(fā)酵過程中pH值改變情況發(fā)酵過程中因為微生物細胞在一定溫度及通氣條件下，伴隨微生物對培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)利用及一些物質(zhì)積累，發(fā)酵液pH值會發(fā)生一定改變。普通在正常情況下，在適合微生物生長及產(chǎn)物合成情況下，微生物本身含有一定調(diào)整pH值能力，會使pH值處于比較適宜狀態(tài)。所以發(fā)酵過程中pH值改變是有一定規(guī)律?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第52頁1、在微生物細胞生長階段，相對于接種后起始pH值來說，發(fā)酵液pH值有上升或下降趨勢。2、在生產(chǎn)階段，普通發(fā)酵液pH值趨于穩(wěn)定，維持在最適產(chǎn)物形成pH范圍。3、在微生物細胞自溶階段，伴隨培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)耗盡，微生物細胞內(nèi)蛋白酶積累和活躍，微生物趨于自溶，引發(fā)培養(yǎng)液中氨基氮等增加，致使pH上升?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第53頁引發(fā)發(fā)酵液pH值下降主要原因有：1）培養(yǎng)基中C/N百分比不妥，C源過多，如葡萄糖過量或中間補糖過多或溶解氧不足，使糖氧化不完全，培養(yǎng)液有機酸大量積累，使pH值下降；2）消泡油加得過多；3）生理酸性物質(zhì)存在，使pH值下降。引發(fā)發(fā)酵液pH值上升主要原因有：1）培養(yǎng)基中C/N百分比不妥，氮源過多，氨基氮釋放會使pH值上升；2）生理堿性物質(zhì)存在；3）中間補料液中氨水或尿素等堿性物質(zhì)加入過多?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第54頁二、發(fā)酵過程pH控制

抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第55頁四、發(fā)酵過程中pH控制1、調(diào)整培養(yǎng)基原始pH值，或加入緩沖溶液制成緩沖能力強、pH值改變不大培養(yǎng)基，或使鹽類和碳源配比平衡，如磷酸緩沖液。2、可在發(fā)酵過程中加入弱酸或弱堿進行pH值調(diào)整，進而合理地控制發(fā)酵條件。無機酸堿調(diào)整pH最方便、省事，但也是最無奈方法。生理酸堿性物質(zhì)調(diào)整pH最困難，不易把握，但只要對癥，效果最正確?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第56頁3、假如僅用酸或堿調(diào)整pH值不能改進發(fā)酵情況時，進行補料是一個很好方法，既調(diào)整了pH值，又可補充營養(yǎng)，也深入提升發(fā)酵產(chǎn)率。經(jīng)過補料調(diào)整pH值來提升發(fā)酵產(chǎn)率方法已在工業(yè)發(fā)酵過程中取得了顯著效果。比如，在青霉素發(fā)酵中，依據(jù)產(chǎn)生菌代謝需要用改變加糖率來控制pH，比固定加糖率而以酸或堿來調(diào)整pH可增產(chǎn)青霉素25％。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第57頁4、生理酸性銨鹽作為氮源時，引發(fā)pH下降，可在培養(yǎng)液中加入CaCO3來調(diào)整pH值。但需要注意是，CaCO3加入量普通都很大，在操作上輕易引發(fā)染菌。所以，此方法在發(fā)酵過程中應(yīng)用不是太廣?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第58頁5、在發(fā)酵過程中依據(jù)pH值改變可用流加氨水方法來調(diào)整，同時又把氨水作為氮源供給。因為氨水作用快，對發(fā)酵液pH值波動影響大，應(yīng)采取少許屢次流加方法進行流加，以免造成p H值過高，抑制微生物生長。 6、以尿素作為氮源進行流加調(diào)整pH值。尿素流加引發(fā)pH值改變有一定規(guī)律性，易于操作控制。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第59頁在抗生素生產(chǎn)有氧發(fā)酵中,確保足量溶解氧濃度是發(fā)酵控制主要原因之一。所以必須不停地向培養(yǎng)液供給足夠氧，以滿足微生物生長代謝需求。氧在水中溶解度很小，在25℃和1×105Pa時，空氣中氧在水中溶解度僅0.25mol/m3左右,能維持微生物菌體15~20s正常呼吸，隨之就會耗盡。第六節(jié)溶氧濃度改變和控制

抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第60頁在試驗室中，經(jīng)過搖瓶機往復(fù)運動對搖瓶中微生物供養(yǎng)，而中間試驗規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模培養(yǎng)裝置則需采取通入無菌空氣并同時進行攪拌方式對微生物供養(yǎng)。通氣和攪拌目標(biāo)就是提供微生物生長和代謝所需氧，并使微生物在培養(yǎng)液中處于懸浮狀態(tài)以及提升代謝產(chǎn)物傳遞速度?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第61頁一、發(fā)酵過程溶解氧濃度改變對多數(shù)發(fā)酵來說，氧不足會造成代謝異常，產(chǎn)量降低。溶解氧最易變?yōu)榘l(fā)酵中主要矛盾。只有了解發(fā)酵過程中溶解氧濃度改變，才能有效地控制發(fā)酵進行。如金霉素發(fā)酵，在生長久中短時間停頓通氣，就可能影響菌體在生產(chǎn)期糖代謝路徑，由磷酸戊糖路徑轉(zhuǎn)向糖酵解路徑，使金霉素合成產(chǎn)量降低?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第62頁1、臨界氧濃度臨界溶氧濃度：當(dāng)培養(yǎng)基中不存在其它限制性基質(zhì)時，不影響好氧性微生物生長繁殖最低溶解氧濃度稱為臨界氧濃度。而微生物發(fā)酵最適氧濃度與臨界氧濃度是不一樣。最適氧濃度：溶解氧濃度對生長或產(chǎn)物合成最適濃度范圍。為了防止發(fā)酵處于限氧條件下，需要考查每一個發(fā)酵產(chǎn)物臨界氧濃度和最適氧濃度，并使發(fā)酵保持在最適氧濃度范圍。這么便可降低批次之間波動和更有效地利用空氣動力。需氧發(fā)酵并不是溶氧愈大愈好。溶氧較高即使有利菌體生長和產(chǎn)物合成，但當(dāng)溶氧水平太大,有時會抑制產(chǎn)物形成。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第63頁2、溶解氧濃度改變規(guī)律在設(shè)備和工藝條件不變情況下，發(fā)酵過程中溶解氧改變有一定規(guī)律。1）在發(fā)酵前期：因為產(chǎn)生菌大量繁殖，需氧量不停大幅度增加，此時需氧超出供養(yǎng)，溶氧顯著下降，溶氧曲線出現(xiàn)一個低谷。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第64頁

2）過了生長階段，普通需氧量略有降低，溶氧隨之上升，次級代謝產(chǎn)物開始形成。發(fā)酵中后期，溶氧濃度顯著受工藝控制伎倆影響，如補料數(shù)量、時機和方式等。如，在補糖后，菌體需氧量增加，引發(fā)溶氧下降，其下降幅度與菌齡、補糖量及補糖前溶氧濃度都相關(guān)系。如工藝控制不適當(dāng)，不停地大量補糖，會使溶氧濃度低于臨界氧濃度，此時溶解氧就會成為生產(chǎn)限制原因。3）在發(fā)酵后期，因為菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會顯著地上升?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第65頁3、發(fā)酵異常時溶氧改變發(fā)酵過程中若有染菌、污染噬菌體、菌體代謝異常、加油器失靈等異常情況出現(xiàn)，都可能引發(fā)溶氧濃度異常改變。1）發(fā)酵液中污染好氣性雜菌，溶氧濃度會在短時間內(nèi)跌到零值附近，且長時間不能回升，這比用無菌試驗來反應(yīng)雜菌情況要快4~8h。2）但不是一染菌溶氧就會有大幅度下跌，要看所染雜菌種類和數(shù)量，還要看雜菌和產(chǎn)生菌誰占優(yōu)勢。有時染菌也會出現(xiàn)溶氧反而升高現(xiàn)象，這是因為生產(chǎn)菌受到雜菌抑制，而雜菌本身又非十分好氣。這么生產(chǎn)菌呼吸大為減弱而使溶氧上升。這種情況在污染噬菌體發(fā)酵液中更為靈敏，更早地發(fā)出預(yù)報。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第66頁3）補料或加油在供氧不良罐內(nèi)也會引發(fā)溶氧快速降低,若溶氧原來就較低就輕易降至零。普通1~3h溶氧回升，這可與染菌時溶氧改變相區(qū)分。4）一些設(shè)備故障也會引發(fā)溶氧改變。比如自動加油器失靈，大量漏油，會引發(fā)溶氧快速下降?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第67頁二、溶解氧濃度控制要控制發(fā)酵液中溶氧濃度，從供養(yǎng)與需氧兩方面著手。影響氧傳遞系數(shù)一些原因1、攪拌攪拌作用是把通入氣體打壞，強化湍流程度，使空氣與發(fā)酵液充分混合，氣、液、固三相更加好地接觸，增加了溶氧速率，使微生物懸浮混合均勻，促進代謝產(chǎn)物傳質(zhì)速率?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第68頁它能從以下幾個方面改進溶氧速率：1）攪拌能把大空氣泡打壞成為微小氣泡，增加了氧與液體接觸面積，而且小氣泡上升速度要比大氣泡慢，對應(yīng)地氧與液體接觸時間也就增加；2）攪拌使液體作渦流運動，使氣泡不是直線上升而是作螺旋運動上升，延長了氣泡運動路線，增加了氣液接觸時間；3）攪拌使發(fā)酵液呈湍流運動，從而降低氣泡周圍液膜厚度，降低液膜阻力，因而增大了KLa值；4）攪拌使菌體分散，防止結(jié)團，有利于固液傳遞中接觸面積增加，使推進力均一，同時也降低了菌體表面液膜厚度，有利于氧傳遞。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第69頁2、空氣線速度當(dāng)增加通風(fēng)量時，空氣線速度也就對應(yīng)地增大，從而增加了溶氧，氧傳遞系數(shù)Kla對應(yīng)地也增大。當(dāng)然過大空氣線速度會使攪拌槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低。3、空氣分布管空氣分布管型式、噴口直徑及管口與罐底距離相對位置對氧溶解速率有較打影響?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第70頁4、培養(yǎng)液性質(zhì)在發(fā)酵過程中，因為微生物生命活動，分解并利用培養(yǎng)液中基質(zhì)，大量繁殖菌體，積累代謝產(chǎn)物等都引發(fā)培養(yǎng)液性質(zhì)改變。5、表面活性劑培養(yǎng)液中消泡用油脂等含有親水端和疏水端表面活性物質(zhì)分布在氣液界面，增大了傳遞阻力，使氧傳遞系數(shù)Kla降低?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第71頁需氧控制：在一定供氧能力下能控制需氧量，既做到滿足生產(chǎn)菌生長和產(chǎn)物合成對氧需要，又不超出設(shè)備供氧能力，使生產(chǎn)菌在這一條件下發(fā)揮最大生產(chǎn)能力?？刂品椒ǎ喝缈刂蒲a料速度、溫度調(diào)整，中間補水，控制菌體濃度。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第72頁第七節(jié)補料作用及其控制一、補料分批培養(yǎng)作用補料分批培養(yǎng)對微生物發(fā)酵有以下幾作用：1、能夠控制營養(yǎng)物濃度在許多發(fā)酵過程中，微生物生長是受到基質(zhì)濃度影響。要想得到高密度生物量，需要投入幾倍基質(zhì)。補料可增加微生物生長和發(fā)酵過程?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第73頁2、能夠解除或減弱分解代謝產(chǎn)物阻遏在微生物合成初級或次級代謝產(chǎn)物中，有些合成酶受到易利用碳源或氮源阻遏，尤其是葡萄糖，它能夠阻抑各種酶或產(chǎn)物合成，如青霉素、赤霉素等。這種阻遏作用不是葡萄糖直接作用，而是由葡萄糖分解代謝產(chǎn)物引發(fā)。經(jīng)過補料來限制基質(zhì)濃度，就可解除酶或其代謝產(chǎn)物合成受阻，提升產(chǎn)量。3、能夠使發(fā)酵過程最正確化利用補料分批培養(yǎng)技術(shù)，能夠使菌種保持在最大生產(chǎn)力狀態(tài)?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第74頁二、補料分批培養(yǎng)補料方式和控制補料方式：連續(xù)流加、不連續(xù)流加、多周期流加。每次流加方式：快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加、變速流加。三、補料內(nèi)容1、基礎(chǔ)培養(yǎng)基2、碳源補糖（葡萄糖）3、氮源補充有機氮源、通氨、尿素4、微量元素5、補水抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第75頁四、流加補料內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)：控制微生物中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累方向發(fā)展。為此，要依據(jù)微生物生長代謝、生物合成規(guī)律，利用流加補料辦法給予生產(chǎn)菌適當(dāng)調(diào)整，讓它能在生物合成階段有足夠而又不過多營養(yǎng)物質(zhì)供其維持正常代謝和合成產(chǎn)物需要?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第76頁第八節(jié)泡沫影響與控制一、泡沫性質(zhì)及對發(fā)酵影響泡沫性質(zhì)：發(fā)酵液液面上泡沫，氣相所占百分比尤其大，與液體有較顯著界限，如發(fā)酵前期泡沫；發(fā)酵液中泡沫，又稱流態(tài)泡沫，分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，與液體之間無顯著界限。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第77頁泡沫對發(fā)酵影響：起泡：發(fā)酵罐裝料系數(shù)減小，氧傳遞系數(shù)減小等。泡沫過多：造成大量逃液，發(fā)酵液從排氣管路或軸封逃出而增加染菌機會等。嚴(yán)重時：通氣攪拌也無法進行，菌體呼吸受到妨礙，造成代謝異?；蚓w自溶?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第78頁二、影響泡沫消長原因（一）與通氣攪拌猛烈程度，尤其是高速攪拌及大空氣流量相關(guān)（二）與培養(yǎng)基配比及原材料組成相關(guān)（三）與菌種、種子質(zhì)量、菌絲階段和接種量相關(guān)抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第79頁三、泡沫消除（一）機械消沫靠機械引發(fā)強烈振動或壓力改變促使氣泡破裂。

罐內(nèi)消沫法：在攪拌軸上方裝消沫槳，經(jīng)過消沫槳轉(zhuǎn)動打壞泡沫。罐外消沫法：將泡沫引出罐外，經(jīng)過噴嘴加速作用或利用離心力來消除泡沫。優(yōu)點：不需加入外界物料，可節(jié)約原料，降低污染雜菌機會。缺點：消沫效果不理想，僅可作為輔助消沫方法?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第80頁（二）消沫劑消沫（化學(xué)消沫）消沫機理：（1）當(dāng)泡沫表層存在著極性表面活性物質(zhì)而形成雙電層時，加入另一個含有相反電荷表面活性劑，以降低其機械強度，進而促使泡沫破裂。（2）當(dāng)泡沫液膜含有較大表面粘度時，可加入一些分子內(nèi)聚力較小物質(zhì)，以降低液膜表面粘度，從而促使液膜液體流失而使泡沫破裂。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第81頁理想消沫劑，應(yīng)具備以下條件：（1）必須是表面活性物質(zhì)，且含有較低表面張力。（2）在氣—液界面上含有足夠大鋪展系數(shù)，才能快速發(fā)揮消泡作用。（一定親水性）（3）在水中溶解度極小，以保持其含有持久消泡或抑泡性能。（4）無毒、能耐高溫滅菌、對設(shè)備無腐蝕性、不干擾其它參數(shù)測定、不妨礙氧傳遞、對發(fā)酵、提煉及抗生素質(zhì)量和產(chǎn)量無影響。（5）成本低、起源廣。抗生素工藝學(xué)發(fā)酵過程的控制第82頁慣用消沫劑，主要有天然油脂類，高碳醇、脂肪酸和酯類，聚醚類，硅酮類4大類。（1）天然油脂類：玉米油、米糠油、豆油、松子油、菜子油、魚油、豬油等。優(yōu)點：起源比較豐富，價格比較低廉，在發(fā)酵中不但用于消沫，還能夠作為供產(chǎn)生菌利用碳源和中間控制伎倆。缺點：分子中無親水基，在發(fā)泡介質(zhì)中難鋪展，消泡活性差。而且油成本和折糧單耗都比較高且用量大，已逐步被合成消沫劑取代?？股毓に噷W(xué)發(fā)酵過程的控制第83頁（2）高碳醇和酯類：十八醇、聚乙二醇、苯乙酸酯類（苯乙酸乙酯、苯乙酸丁酯、苯乙酸月桂醇酯）、苯乙醇、