第五章發(fā)酵過程及控制

第五章發(fā)酵過程及控制第一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四定義發(fā)酵過程即細胞的生物反應過程，是指由生長繁殖的細胞所引起的生物反應過程。它不僅包括了以往“發(fā)酵”的全部領(lǐng)域，而且還包括固定化細胞的反應過程、生物法廢水處理過程和細菌采礦等過程。第二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四為什么要研究發(fā)酵過程微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平不僅取決于生產(chǎn)菌種本身的性能，而且要賦以合適的環(huán)境條件才能使它的生產(chǎn)能力充分表達出來。為此我們必須通過各種研究方法了解有關(guān)生產(chǎn)菌種對環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、pH、氧的需求等，并深入地了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過程中的代謝調(diào)控機制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)。第三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四同時，為了掌握菌種在發(fā)酵過程中的代謝變化規(guī)律，可以通過各種監(jiān)測手段,如取樣測定隨時間變化的菌體濃度，糖、氮消耗及產(chǎn)物濃度，以及采用傳感器測定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度pH、溶解氧等參數(shù)的情況，并予以有效地控制，使生產(chǎn)菌種處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境之中。第四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四本章講述的內(nèi)容第一節(jié)發(fā)酵方式第二節(jié)發(fā)酵動力學第三節(jié)發(fā)酵過程主要影響因素及其控制第四節(jié)發(fā)酵過程檢測和自控第五節(jié)發(fā)酵終點判斷第五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)發(fā)酵方式

固態(tài)發(fā)酵將微生物接種到經(jīng)過處理的固體發(fā)酵基質(zhì)上，或?qū)l(fā)酵原料及菌體吸附在疏松的固體支撐物上，通過微生物的代謝活動，使發(fā)酵原料轉(zhuǎn)化成發(fā)酵產(chǎn)品。特點：不宜采用自動化控制，勞動強度大，生產(chǎn)率較低。第六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四液態(tài)發(fā)酵將物料首先制備成液態(tài)培養(yǎng)基，再將微生物接入進行發(fā)酵。特點：易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。第七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四■發(fā)酵過程按進行過程有三種方式：分批發(fā)酵(Batchfermentation)補料分批發(fā)酵(Fed-batchfermentation)連續(xù)發(fā)酵(Continuousfermentation)第八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四1、分批發(fā)酵的定義是指在一封閉系統(tǒng)內(nèi)含有初始限量基質(zhì)的發(fā)酵方式。在這一過程中，除了氧氣、消泡劑及控制pH的酸或堿外，不再加入任何其它物質(zhì)。發(fā)酵過程中培養(yǎng)基成分減少，微生物得到繁殖。一、分批發(fā)酵第九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四2、分批發(fā)酵的特點微生物所處的環(huán)境在發(fā)酵過程中不斷變化，其物理，化學和生物參數(shù)都隨時間而變化，是一個不穩(wěn)定的過程。第十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四優(yōu)點操作簡單；操作引起染菌的概率低。不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題缺點非生產(chǎn)時間較長、設(shè)備利用率低。3、分批發(fā)酵的優(yōu)缺點第十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四4、分批發(fā)酵的生長曲線單細胞微生物第十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四絲狀真菌和放線菌第十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四如果生產(chǎn)的產(chǎn)品是菌體與初級代謝產(chǎn)物，則宜采用有利于細胞生長的培養(yǎng)條件，延長與產(chǎn)物合成有關(guān)的對數(shù)生長期；如果產(chǎn)品是次級代謝產(chǎn)物，則宜縮短對數(shù)生長期，并迅速獲得足夠量的菌體細胞后延長平衡期，以提高產(chǎn)量。第十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四■典型的分批發(fā)酵工藝流程第十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四二、補料分批發(fā)酵1、定義

補料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵或流加分批發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方式。第十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四2、補料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點優(yōu)點使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度；和連續(xù)發(fā)酵比、不需要嚴格的無菌條件；不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題。缺點存在一定的非生產(chǎn)時間；和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險。第十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四3、補料分批發(fā)酵的類型補料方式連續(xù)流加不連續(xù)流加多周期流加補料成分單一組分流加多組分流加控制方式反饋控制無反饋控制第十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四三、半連續(xù)培養(yǎng)在補料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉部分發(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)點放掉部分發(fā)酵液，再補入部分料液，使代謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成，提高了總產(chǎn)量。缺點代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，提取的總體積增大第十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四四、連續(xù)發(fā)酵1、定義

培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時放出含有產(chǎn)品的相同體積發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態(tài)（恒定的基質(zhì)濃度、恒定的產(chǎn)物濃度、恒定的pH、恒定菌體濃度、恒定的比生長速率）下生長的發(fā)酵方式。第二十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四2、連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點優(yōu)點能維持低基質(zhì)濃度；可以提高設(shè)備利用率和單位時間的產(chǎn)量；便于自動控制。缺點菌種發(fā)生變異的可能性較大；要求嚴格的無菌條件。第二十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四3、連續(xù)發(fā)酵的類型恒化培養(yǎng)使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定恒濁培養(yǎng)使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定第二十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四五灌注培養(yǎng)

是指細胞接種后進行培養(yǎng)，一方面新鮮培養(yǎng)基不斷加入反應器，另一方面又將反應液連續(xù)不斷地取出，但細胞留在反應器內(nèi)，使細胞處于一種不斷的營養(yǎng)狀態(tài)。第二十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)發(fā)酵過程主要影響因素及其控制第二十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四一、發(fā)酵過程的參數(shù)物理參數(shù)化學參數(shù)生物參數(shù)第二十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四物理參數(shù)1，溫度指發(fā)酵整個過程或不同階段所維持的溫度。溫度的高低與下列參數(shù)有密切關(guān)系發(fā)酵中的酶反應速度菌體生長速度，產(chǎn)物合成速度氧在培養(yǎng)液中的溶解度，傳遞速度第二十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四發(fā)酵罐維持的壓力。罐內(nèi)維持正壓，可防止外界空氣中雜菌的侵入，保證純種培養(yǎng)。罐壓的高低與氧，CO2在培養(yǎng)液中的溶解度有關(guān)，間接影響菌體代謝。2，壓力第二十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四3，攪拌轉(zhuǎn)速是指攪拌器在發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)動速度。攪拌轉(zhuǎn)速大小與發(fā)酵液的均勻性和氧在發(fā)酵液中的傳遞速率有關(guān)。發(fā)酵罐的容積(L)攪拌轉(zhuǎn)速范圍(r/min)3200~200010200~120030150~100050100~80020050~40050050~3001000025~2005000025~160第二十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四指攪拌器攪拌時所消耗的功率，常指每立方米發(fā)酵液所消耗的功率（kW/m3）。它的大小與溶氧傳遞系數(shù)KLa有關(guān)。4，攪拌功率第二十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四指單位時間內(nèi)單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積。它的大小與氧的傳遞和其它控制參數(shù)有關(guān)。5，空氣流量第三十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四粘度大小可作為細胞生長或細胞形態(tài)的標志之一。在發(fā)酵過程中通常用表觀粘度表示。粘度的大小可改變氧傳遞的阻力。粘度的大小可表示相對菌體濃度。6，粘度第三十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四能及時反映單細胞生長狀況。7，濁度第三十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四化學參數(shù)1，pH發(fā)酵過程中各種產(chǎn)酸，產(chǎn)堿生化反應的綜合結(jié)果，與菌體生長和產(chǎn)物合成有重要的關(guān)系。pH的高低與菌體生長和產(chǎn)物合成有著重要的關(guān)系。第三十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四指發(fā)酵液中糖，氮，磷與重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度?；|(zhì)濃度的變化對產(chǎn)生菌的生長和產(chǎn)物的合成有重要影響，也是提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的重要控制手段。2，基質(zhì)濃度第三十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四氧是微生物體內(nèi)一系列細胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反應的最終電子受體，也是合成某些產(chǎn)物的基質(zhì)。利用DO濃度的變化，可以了解微生物對氧利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個重要的控制參數(shù)。3，溶解氧（DO）濃度第三十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四培養(yǎng)基氧化還原電位是影響微生物生長及其生化活性的因素之一。4，氧化還原電位第三十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四是發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量高低，代謝正常與否的重要參數(shù)，也是決定發(fā)酵周期長短的根據(jù)。5，產(chǎn)物濃度第三十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四尾氣中O2濃度與生產(chǎn)菌的攝氧率和KLa有關(guān)。尾氣中CO2是產(chǎn)生菌呼吸放出的CO2。從尾氣中O2和CO2濃度的含量可以算出產(chǎn)生菌的攝氧率、呼吸商和發(fā)酵罐的供氧能力。從而了解產(chǎn)生菌的呼吸代謝規(guī)律。6，尾氣O2濃度和CO2濃度第三十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四菌體RNA,DNA含量，以及ATP,ADP,AMP體系，NAD(P)-NAD(P)H體系。分別表示菌體生長情況，能量代謝能力，生物合成能力。7，其它參數(shù)第三十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四三、生物參數(shù)1，菌（絲）體濃度（生物量biomass）

菌體濃度的大小和變化速度對生化反應有影響，特別是對抗生素等次級代謝產(chǎn)物的發(fā)酵，菌體濃度與培養(yǎng)液的粘度，DO都有關(guān)。第四十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四四、間接參數(shù)根據(jù)發(fā)酵液的菌體量和單位時間的菌濃、溶氧濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)的變化值，可分別計算出菌體的比生長速率、氧的比消耗速率、基質(zhì)的比消耗速率和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率。第四十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四攝氧率r：單位體積培養(yǎng)液每小時所消耗的氧量（mmol/L.h）

1、攝氧率第四十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四呼吸強度QO2：單位重量的干菌體每小時所消耗的氧量（mmol/g.h）

2、呼吸強度第四十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四呼吸商RQ：發(fā)酵過程中氧的消耗比速與二氧化碳生成比速的商

3、呼吸商第四十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四參數(shù)名稱單位測試方法意義、主要作用溫度罐壓空氣流量攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率粘度濁度泡沫體積氧傳質(zhì)系數(shù)KLaoCPaV/V.minR/minKWPa.s透光度

l/h傳感器壓力表傳感器傳感器傳感器粘度計傳感器傳感器間接計算維持生長、合成維持正壓、增加溶氧供氧、排泄廢氣、提高KLa物料混合、提高KLa反映攪拌情況、KLa反映菌的生長、KLa反映菌的生長情況反映發(fā)酵代謝情況反映供氧效率物理參數(shù)第四十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四參數(shù)名稱單位測試方法意義、主要作用pH基質(zhì)濃度溶解氧濃度氧化還原電位產(chǎn)物濃度尾氣氧濃度尾氣CO2濃度菌體濃度RNA、DNA含量ATP、ADP、AMPNADH含量攝氧率呼吸強度呼吸商比生長速率

g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌.h

1/h傳感器取樣傳感器傳感器取樣傳感器傳感器取樣取樣取樣取樣間接計算間接計算間接計算間接計算了解生長和產(chǎn)物合成了解生長和產(chǎn)物合成反映氧供需情況反映菌的代謝情況產(chǎn)物合成情況了解耗氧情況了解菌的呼吸情況了解生長情況了解生長情況了解能量代謝活力了解菌的合成能力了解耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代謝途徑了解生長化學、生物參數(shù)第四十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四目前較常測定的參數(shù)有溫度、罐壓、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、pH、溶氧、基質(zhì)濃度、菌體濃度(干重、離心壓縮細胞體積%)等。不常測定的參數(shù)有氧化還原電位、粘度、尾氣中的O2和CO2含量等。參數(shù)測定方法有：在線測定取樣測定（離線測定）第四十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四■

參數(shù)在線測定的優(yōu)點及問題優(yōu)點：主要是及時、省力，且可從繁瑣操作中解脫出來，便于用計算機控制。問題：發(fā)酵液的性質(zhì)復雜。一般培養(yǎng)液中同時存在三相，即液、氣、固體不溶物或油；發(fā)酵要求純種培養(yǎng)，培養(yǎng)基和有關(guān)設(shè)備需用高壓蒸汽滅菌。因而要求使用的傳感器能耐蒸汽滅菌，這給各種傳感器的制造帶來很大的困難。

第四十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四二、溫度對發(fā)酵的影響及控制1，影響發(fā)酵溫度的因素產(chǎn)熱因素：生物熱攪拌熱散熱因素：蒸發(fā)熱輻射熱第四十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四發(fā)酵熱發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。

Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射第五十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四生物熱：生物熱是生產(chǎn)菌在生長繁殖時產(chǎn)生的大量熱量。培養(yǎng)基中碳水化合物，脂肪，蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO2、NH3時釋放出的大量能量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代謝活動熱能散發(fā)影響生物熱的因素：生物熱隨菌株，培養(yǎng)基，發(fā)酵時期的不同而不同。生物熱的大小還與菌體的呼吸強度有對應關(guān)系。第五十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四攪拌熱：通風發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機械運動造成液體之間，液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱。

第五十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四蒸發(fā)熱：通入發(fā)酵罐的空氣，其溫度和濕度隨季節(jié)及控制條件的不同而有所變化?？諝膺M入發(fā)酵罐后，就和發(fā)酵液廣泛接觸進行熱交換。同時必然會引起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。第五十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四輻射熱：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過罐體向外輻射的熱量。輻射熱可通過罐內(nèi)外的溫差求得，一般不超過發(fā)酵熱的5%。第五十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四2、溫度對生長的影響不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據(jù)它們對溫度的要求大致可分為四類：嗜冷菌適應于0～260C生長，嗜溫菌適應于15～430C生長，嗜熱菌適應于37～650C生長，嗜高溫菌適應于650C以上生長第五十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四◆每種微生物對溫度的要求可用最適溫度、最高溫度、最低溫度來表征?！粼谧钸m溫度下，微生物生長迅速；◆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，但生長速度非常緩慢，世代時間無限延長。◆在最低和最高溫度之間，微生物的生長速率隨溫度升高而增加，超過最適溫度后，隨溫度升高，生長速率下降，最后停止生長，引起死亡。第五十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四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；低于最低溫度，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。第五十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四影響各種酶的反應速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)影響生物合成的方向。例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時能產(chǎn)生金霉素。在低于30℃溫度下，該菌種合成金霉素能力較強。當溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度達35℃則只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停止。3，溫度對發(fā)酵的影響第五十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四最適溫度是一種相對概念，是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān)。最適發(fā)酵溫度的選擇在發(fā)酵的整個周期內(nèi)僅選一個最適培養(yǎng)溫度不一定好。溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件。溫度的選擇還應考慮培養(yǎng)基成分和濃度4，最適溫度的確定第五十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四(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30～320C，青霉菌生長溫度為300C。第六十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四在發(fā)酵前期由于菌量少，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，使菌生長迅速；在中期菌量已達到合成產(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，可以推遲衰老。因為在稍低溫度下氨基酸合成蛋白質(zhì)和核酸的正常途徑關(guān)閉得比較嚴密有利于產(chǎn)物合成。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。如四環(huán)素生長階段280C，合成期260C，后期再升溫；黑曲霉生長370C，產(chǎn)糖化酶32～340C。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30～320C，產(chǎn)酸34～370C。最適溫度選擇要根據(jù)菌種與發(fā)酵階段做試驗。根據(jù)生長階段選擇第六十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四例：林可霉素發(fā)酵的變溫培養(yǎng)問題的提出接種后10h左右已進入對數(shù)生長期，隨后是10h左右的加速生長期，在40h左右對數(shù)生長期基本完成，在50h左右轉(zhuǎn)入生產(chǎn)期主要問題：如何維持適度的菌體濃度和延長分泌期？適當降低培養(yǎng)溫度可以延緩菌體的衰老和維持相當數(shù)量的有強生產(chǎn)能力的菌絲體存在根據(jù)生長階段選擇溫度第六十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四變溫培養(yǎng)的正交設(shè)計第六十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四第六十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四結(jié)論：前60h按31℃控制，縮短了適應期使發(fā)酵提前轉(zhuǎn)入生產(chǎn)階段，同時菌絲體已有相當量的積累，為大量分泌抗生素提供了物質(zhì)基礎(chǔ)60小時后將罐溫降至3O℃使與抗生素合成有關(guān)的酶的活性增強，抗生素分泌量有所增加，同時因分泌期的延長有利于進一步積累抗生素發(fā)酵進入后期罐溫再回升至31℃使生產(chǎn)菌在生命的最后階段最大限度的合成和排出次級代謝產(chǎn)物。第六十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四(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。第六十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四(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。要通過反復實踐來定出最適溫度。第六十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四發(fā)酵罐：夾套（10M3以下）盤管（蛇管）（10M3以上）5，溫度的控制第六十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四三、pH對發(fā)酵的影響及控制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)酵的正常與否第六十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四（一）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，是補料的標志之一（2）氮代謝當氨基酸中的-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，當碳源不足時氮源當碳源利用pH上升。（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會上升或下降第七十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四2、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。

第七十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四（二）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6.5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、實例第七十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四pH7.0t不調(diào)pH調(diào)pH效價pH第七十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四例：培養(yǎng)基初始pH值對漆酶分泌的影響pH在4～7范圍內(nèi)產(chǎn)酶最高第七十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四2、pH對發(fā)酵的影響

（1）pH影響酶的活性。當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

第七十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四（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pH2~3時發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pH近中性時，則產(chǎn)生草酸。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-乙酰谷氨酰胺第七十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四3、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pH3.5~6.0,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pH5.8~6.0XpH四環(huán)素第七十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四4、最佳pH的確定配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況pH對產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響第七十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四pH對海藻糖水解酶產(chǎn)生的影響pH——菌濃

pH——酶活第七十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四（三）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6.5~6.82、在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)，如CaCO3

，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等3、通過補料調(diào)節(jié)pH

第八十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四在發(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NH2-N低，pH低時補氨水；當NH2-N低，pH高時補(NH4)2SO44、當補料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)pH

第八十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四不同pH控制方式對目的突變株ISw330異亮氨酸搖瓶發(fā)酵的影響，結(jié)果如圖所示?！?”表示只加CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素聯(lián)合控制pH值。異亮氨酸發(fā)酵第八十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四例：pH對L-異亮氨酸發(fā)酵的影響（天津科技大學）菌株最適生長pH控制在6.8～7.06、發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值第八十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四不同pH值對菌體的形態(tài)影響很大，當pH值高于7．5時，菌體易于老化，呈現(xiàn)球狀；當pH值低于6．5時菌體同樣受抑制，易于老化。而在7．2左右時，菌體是處于產(chǎn)酸期，呈現(xiàn)長的橢圓形；在6．9左右時，菌體處于生長期，呈“八”字形狀并占有絕對的優(yōu)勢。第八十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四第八十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四pH6．9時，菌體生長旺盛，pH7．15時，對菌體的產(chǎn)酸有利。因此，在發(fā)酵的產(chǎn)酸期產(chǎn)酸較高。采用階段pH控制模式進行發(fā)酵，在發(fā)酵中前期控制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％。第八十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四pH控制是一項非常細致的工作，不僅考慮最佳pH值，而且要根據(jù)生長階段考察對pH的要求。在pH控制中還要采用合適的調(diào)節(jié)方法?？偨Y(jié)第八十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四小結(jié)發(fā)酵過程pH會發(fā)生變化變化原因基質(zhì)代謝產(chǎn)物形成菌體自溶第八十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四對發(fā)酵的影響pHpH影響酶的活性pH值影響微生物細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

第八十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四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)通過補料調(diào)節(jié)pH

當補料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時，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)劑第九十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四思考題

發(fā)酵過程中pH會不會發(fā)生變化為什么？pH對發(fā)酵的影響表現(xiàn)在哪些方面？為了確定發(fā)酵的最佳pH,我們該如何實驗？

發(fā)酵過程的pH控制可以采取哪些措施？第九十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四四、氧對發(fā)酵的影響

溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。

在28℃氧在發(fā)酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。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)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。第九十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四微生物對氧的需求描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強度（QO2）：單位時間內(nèi)單位體積重量的細胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

攝氧率(r)：單位時間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=QO2.X第九十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響CCrQO2CLCCr:

臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。第九十四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四一般對于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%

產(chǎn)黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度>1.第九十五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四■某些微生物的臨界氧濃度微生物溫度（?C）臨界氧濃度（mmol/L）固氮菌300.018大腸桿菌370.008酵母300.004產(chǎn)黃青霉240.022第九十六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四問題：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。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1

計，

0.25/0.052=4.8秒注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長5%(相對于飽和濃度）13%產(chǎn)物>13%>8%第九十七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四影響需氧的因素r=QO2.X菌體濃度

QO2遺傳因素菌齡營養(yǎng)的成分與濃度有害物質(zhì)的積累培養(yǎng)條件第九十八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個動態(tài)的平衡中傳遞：消耗：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面第九十九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四發(fā)酵過程的溶氧變化發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時需氧超過供氧，溶氧明顯下降發(fā)酵中后期，溶氧濃度明顯地受工藝控制手段的影響，如補料的數(shù)量、時機和方式等發(fā)酵后期由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會明顯地上升

第一百頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四溶氧的控制調(diào)節(jié)通風與攪拌限制基礎(chǔ)培養(yǎng)基的濃度，使發(fā)酵器內(nèi)的生物體濃度維持于適當水平；并以補料方式供給某些營養(yǎng)成分而控制菌體生長率和呼吸率。

第一百零一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四五、CO2對發(fā)酵的影響及控制CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時也是某些合成代謝的基質(zhì)。它是細胞代謝的重要指標。在發(fā)酵過程中，CO2有可能對發(fā)酵有促進作用，也有可能有抑制作用。第一百零二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四1、CO2對發(fā)酵的影響CO2對菌體具有抑制作用，當排氣中CO2的濃度高于4%時，微生物的糖代謝和呼吸速率下降。例如，發(fā)酵液中CO2的濃度達到1.6×10-1mol，就會嚴重抑制酵母的生長；當進氣口CO2的含量占混合氣體的80%時，酵母活力與對照相比降低20%。第一百零三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四CO2對發(fā)酵也有影響對發(fā)酵促進。如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含5%的CO2。對發(fā)酵抑制。如對肌苷、異亮氨酸、組氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制影響發(fā)酵液的酸堿平衡第一百零四頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四

CO2及HCO3-主要是影響細胞膜的結(jié)構(gòu)，導致膜的流動性及表面電荷密度發(fā)生改變，影響到細胞膜的輸送效率，導致細胞生長受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。培養(yǎng)液中的CO2主要作用于細胞膜的脂質(zhì)核心部位；HCO3-影響細胞膜的膜蛋白。2、CO2對發(fā)酵影響的機理第一百零五頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四2、CO2的控制CO2在發(fā)酵液中的濃度變化不像溶解氧那樣有一定的規(guī)律。它的大小受到許多因素的影響，如細胞的呼吸強度、發(fā)酵液的流變學特性、通氣攪拌程度、罐壓大小、設(shè)備規(guī)模等。在發(fā)酵過程中通常通過調(diào)節(jié)通風和攪拌來控制。第一百零六頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四六、發(fā)酵過程中的泡沫及其控制1，泡沫的性質(zhì)泡沫是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)酵過程中所遇到的泡沫，其分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。第一百零七頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四一類存在于發(fā)酵液的液面上，另一種泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當中。2，泡沫的類型第一百零八頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四由外界引進的氣流被機械地分散形成（通風、攪拌）；發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)酵性泡沫）。3，泡沫產(chǎn)生的原因第一百零九頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四降低發(fā)酵設(shè)備的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的機會導致產(chǎn)物的損失消泡劑會給后提取工序帶來困難4，泡沫對發(fā)酵的不利影響第一百一十頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四5，發(fā)酵過程泡沫控制的方法物理消沫法化學消沫法第一百一十一頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四物理消泡法方法罐內(nèi)消沫法：罐外消沫法：原理靠機械力引起強烈振動或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分離回收。優(yōu)點不需要引進外界物質(zhì)、節(jié)省原材料、減少污染機會缺點不能從根本消除引起穩(wěn)定泡沫的因素。第一百一十二頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四化學消泡法機理當泡沫的表層存在著由極性的表面活性物質(zhì)形成雙電層時，可以加入另一種具有相反電荷的表面活性劑，以降低泡沫的機械強度或加入某些具有強極性的物質(zhì)與發(fā)泡劑爭奪液膜上的空間，降低液膜強度，使泡沫破裂。當泡沫的液膜具有較大的表面粘度時，可以加入某些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液體流失，導致泡沫破裂。第一百一十三頁，共一百二十五頁，編輯于2023年，星期四消泡劑的種類和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油