生物工藝的控制

第六章生物工藝的控制溫度、pH、氧氣、二氧化碳泡沫發(fā)酵染菌的防治與處置發(fā)酵過程參數(shù)監(jiān)測發(fā)酵是一種很復(fù)雜的消費過程，其好壞涉及諸多要素，如菌種的消費性能、培育基的配比、原料質(zhì)量、滅菌條件、種子質(zhì)量、發(fā)酵條件和過程控制等。不論是老或新種類，都必需經(jīng)過發(fā)酵研討這一階段，以調(diào)查其代謝規(guī)律、影響產(chǎn)物合成的要素，優(yōu)化發(fā)酵工藝條件。高產(chǎn)菌種對工藝條件的動搖比低產(chǎn)菌種更敏感，故掌握消費菌種的代謝規(guī)律和發(fā)酵調(diào)控的根本知識對消費的穩(wěn)定和提高具有重要的意義。6.1發(fā)酵過程的操作類型6.1.1分零售酵是指在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進展培育，使微生物生長繁衍，在特定的條件下只完成一個生長周期的微生物培育方法。一次投料，一次接種，一次收獲間歇培育分零售酵過程普通可粗分為四期，即順應(yīng)〔停滯〕期、對數(shù)生長期、生長穩(wěn)定期和死亡期；也可細分為六期：即停滯期、加速期、對數(shù)期、減速期、靜止期和死亡期。一、初級代謝的代謝變化：初級代謝是生命細胞在生命活動過程中所進展的代謝活動，其產(chǎn)物為初級代謝產(chǎn)物。菌體的生長過程顯示生長史的特征。但在發(fā)酵過程中，即使是同一種菌體，由于菌體的生理形狀和培育條件的不同，各期的生長長短就有所不同。消費中要求在對數(shù)期接種緣由就在此。

初級代謝沒有明顯的產(chǎn)物構(gòu)成期，產(chǎn)物隨著菌體生長在不斷的進展合成，有的與菌體的生長呈平行關(guān)系。如乳酸、醋酸，與Ｑp頂峰幾乎在同一時期出現(xiàn)，而氨基酸、酶、核酸的發(fā)酵過程比前者復(fù)雜，它的與Ｑp的大小那么隨培育基成分、碳源、溫度、菌株等不同而變化。二、次級代謝產(chǎn)物變化次級代謝產(chǎn)物包括大多數(shù)的抗生素、生物堿和微生物毒素等物質(zhì)。它們的發(fā)酵屬于生長與產(chǎn)物非偶聯(lián)的類型，普通分為菌體生長、產(chǎn)物合成和菌體自溶３個階段。

菌體生長階段：接種后，菌體開場生長，直到達菌體的臨界濃度。同時，營養(yǎng)物質(zhì)進展分解代謝，不斷的耗費，濃度明顯減少，溶氧濃度逐漸降低到一定的程度，其中某一參數(shù)能夠成為菌體生長的限制要素，使菌體生長速度減慢，積累了相當量的某些代謝中間體，原有的酶活力下降，出現(xiàn)了與次級代謝有關(guān)的酶，其酶解除了控制等緣由，導(dǎo)致菌體的生理情況發(fā)生改動，菌體就從生長階段轉(zhuǎn)入產(chǎn)物合成階段。這一階段又稱為菌體的生長期或發(fā)酵前期。產(chǎn)物合成階段：

產(chǎn)物數(shù)量逐漸增多，直至到達頂峰，消費速率也到達最大，直至產(chǎn)物合成才干衰減。此階段，營養(yǎng)物質(zhì)不斷被耗費，產(chǎn)物不斷被合成。環(huán)境要素很重要，發(fā)酵條件應(yīng)嚴厲控制，方有利于產(chǎn)物合成。營養(yǎng)物質(zhì)過多，菌體就進展生長繁衍，抑制產(chǎn)物合成，使產(chǎn)物量降低；假設(shè)過少，菌體就衰老，產(chǎn)物合成才干就下降，產(chǎn)量減少。這一階段又稱為產(chǎn)物分泌期或發(fā)酵中期。

菌體自溶階段：

菌體衰老，細胞開場自溶，氨氮含量添加，pＨ上升，產(chǎn)物合成才干衰退，消費速率下降，此時應(yīng)必需終了發(fā)酵，否那么，影響產(chǎn)品的提取。這一階段又稱為菌體的自溶期或發(fā)酵后期。分零售酵的優(yōu)缺陷：§操作簡單、周期短§染菌的時機減少§消費過程、產(chǎn)質(zhì)量量易掌握§不適用于測定過程動力學(xué)§對基質(zhì)濃度敏感的產(chǎn)物，用分零售酵不適宜6.1.2補料分零售酵一種介于分批培育和延續(xù)培育之間的操作方式。在進展分批培育的過程中，向反響器內(nèi)參與培育基的一種或多種成分，以到達延伸消費期和控制培育過程的目的。沒有輸出或間歇放掉部分發(fā)酵液〔半延續(xù)發(fā)酵〕補料分零售酵與傳統(tǒng)分零售酵相比，其優(yōu)點在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點：1〕可解除底物抑制，產(chǎn)物的反響抑制和快速利用碳源的阻遏效應(yīng)，并維持適當?shù)木w濃度，使不致于加劇供氧的矛盾；2〕可降低培育基的黏度，并盡能夠地延伸產(chǎn)物的構(gòu)成時間。3〕防止培育基積累有毒代謝物。與延續(xù)發(fā)酵相比，補料分零售酵不需求嚴厲的無菌條件，也不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題。半延續(xù)發(fā)酵的缺乏：1〕放掉發(fā)酵液的同時也喪失了未利用的營養(yǎng)和處于消費旺盛期的菌體；2〕定期補充和帶放使發(fā)酵液稀釋，送去提取的發(fā)酵液體積更大；3〕發(fā)酵液被稀釋后能夠產(chǎn)生更多的代謝有害物，最終限制發(fā)酵產(chǎn)物的合成；4〕一些經(jīng)代謝產(chǎn)生的前體能夠喪失；5〕有利于非產(chǎn)生菌突變株的生長6.1.3延續(xù)發(fā)酵延續(xù)培育或延續(xù)發(fā)酵是指以一定的速度向培育系統(tǒng)內(nèi)添加新穎的培育基，同時以一樣的速度流出培育液，使培育系統(tǒng)內(nèi)培育液的液量維持恒定的微生物培育方式。延續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺陷：1〕可提高設(shè)備利用率和單位時間的產(chǎn)量，節(jié)省發(fā)酵罐的非消費時間；2〕便于自動控制；3〕添加了染菌時機：長時間不斷地向發(fā)酵系統(tǒng)供應(yīng)無菌空氣和培育基；4〕菌種發(fā)生變異的能夠性較大。6.2發(fā)酵條件的影響及其控制微生物發(fā)酵的消費程度取決于消費菌種的特性和發(fā)酵條件的控制。了解發(fā)酵工藝條件對過程的影響和掌握反映菌的生理代謝和發(fā)酵過程變化的規(guī)律，可以協(xié)助人們有效地控制微生物的生長和消費。常規(guī)的發(fā)酵條件：罐溫、攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌功率、空氣流量、罐壓、液位、補料、加糖、油或前體，通氨速率以及補水等。表征過程性質(zhì)的形狀參數(shù)：pH、溶氧〔DO〕、溶解CO2、氧化復(fù)原電位、尾氣O2和CO2含量、基質(zhì)或產(chǎn)物濃度、代謝中間物或前體濃度、菌濃等。間接形狀參數(shù)：比生長速率、攝氧率、釋放速率〔CER〕、呼吸商〔RQ〕、基質(zhì)耗費速率和產(chǎn)物合成速率等?；|(zhì)是產(chǎn)生菌代謝的物質(zhì)根底，既涉及菌體的生長繁衍，又涉及代謝產(chǎn)物的構(gòu)成。6.2.1基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響及其補料控制在分零售酵中，當基質(zhì)過量時，菌體的生長速率與營養(yǎng)成分的濃度無關(guān)。

μ：菌體的生長比速Ks：半飽和常數(shù)S：限制性基質(zhì)濃度μmax:最大比生長速度

在Sks的情況下，比生長速率與基質(zhì)濃度呈線性關(guān)系。在S>10ks時，比生長速率就接近最大值。所以營養(yǎng)物質(zhì)均存在一個上限濃度，在此濃度以內(nèi)，菌體的比生長速率隨濃度添加而添加，但超越此限，濃度繼續(xù)添加，反而會引起生長速率下降，這種效應(yīng)稱基質(zhì)的抑制造用。在正常的情況下，可到達最大比生長速率，然而，由于代謝產(chǎn)物及其基質(zhì)過濃，而導(dǎo)致抑制造用，出現(xiàn)比生長速率下降的趨勢。e.g.G100~150g/l，不出現(xiàn)抑制G350~500g/l，多數(shù)微生物不能生長，細胞脫水。

就產(chǎn)物的構(gòu)成來說，培育基過于豐富，有時會使菌體生長過旺，黏度增大，傳質(zhì)差，菌體不得不破費較多的能量來維持其生存環(huán)境，即用于非消費的能量大大添加，這對產(chǎn)物合成不利?！?〕碳源的種類和濃度的影響和控制碳源分為迅速利用的碳源和緩慢利用的碳源。迅速利用的碳源能較迅速地參與代謝、合成菌體和產(chǎn)生能量，并分解產(chǎn)物〔如丙酮酸〕，有利于菌體的生長。但有的分解代謝產(chǎn)物對產(chǎn)物的合成能夠產(chǎn)生阻遏作用。慢速利用的碳源為菌體緩慢利用，有利于延伸代謝產(chǎn)物的合成〔如抗生素〕，許多藥物發(fā)酵采用。例如乳糖、蔗糖、麥芽糖、玉米油分別是青霉素、頭孢菌素C、鹽霉素、核黃素及生物堿發(fā)酵的最適碳源。因此選擇最適碳源對提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量是很重要的。在工業(yè)上，發(fā)酵培育基中常采用迅速和緩慢利用的混合碳源，來控制菌體的生長和產(chǎn)物的合成。碳源的濃度也對發(fā)酵有影響。由于過于豐富所引起的菌體異常繁衍，對菌體的代謝和產(chǎn)物合成和氧的傳送會產(chǎn)生不良影響。假設(shè)產(chǎn)生阻遏作用的碳源用量過大，那么產(chǎn)物的合成會遭到明顯的抑制。反之，僅僅供應(yīng)維持量的碳源，菌體生長和產(chǎn)物的合成就都停頓。所以控制適宜的碳源濃度是非常重要的。控制碳源的濃度，可采用閱歷法和動力學(xué)法，即在發(fā)酵過程中采用中間補科的方法來控制。這要根據(jù)不同代謝類型來確定補糖時間、補糖量和補糖方法。動力學(xué)方法是根根菌體的比生長速率、糖比耗費速率及產(chǎn)物的比生成速率等動力學(xué)參數(shù)來控制。

2〕氮源的種類和濃度的影響和控制氮源象碳源一樣,也有迅速利用的氮源和緩慢利用的氮源。迅速利用的氮源有：氨基態(tài)氮的氨基酸、硫酸銨、玉米漿。慢速利用的氮源有：黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉等蛋白質(zhì)。

快速利用氮源容易被菌體所利用，促進菌體生長，但對某些代謝產(chǎn)物的合成，特別是某些抗生素的合成產(chǎn)生調(diào)理作用，影響產(chǎn)量。如鏈霉菌的竹桃霉素發(fā)酵中，采用促進菌體生長的銨鹽，能刺激菌絲生長，但抗生素產(chǎn)量下降。緩慢利用的氮源對延伸次級代謝產(chǎn)物的分泌期，提高產(chǎn)物的產(chǎn)量是有益處的。但一次投入，也容易促進菌體生長和營養(yǎng)過早耗盡，以致菌體過早衰老而自溶，從而縮短產(chǎn)物的分泌期，因此要選擇適當?shù)牡春瓦m當?shù)臐舛?。發(fā)酵培育基普通是選用含有快速和慢速利用的混合氮源。如氨基酸發(fā)酵用銨鹽和麩皮水解液、玉米漿；鏈霉素發(fā)酵采用硫酸銨和黃豆餅粉。但也有運用單一的銨鹽或有機氮源(如黃豆餅粉)。它們被利用的情況與快速和慢速利用的碳源情況一樣。為了調(diào)理菌體生長和防止菌體衰老自溶，消費中也要控制氮源的濃度，除了在根底培育基中控制氮源濃度外，在發(fā)酵過程中，補加氮源來控制濃度?！?〕磷酸鹽濃度的影響和控制磷是微生物生長繁衍所必需的成分，也是合成代謝產(chǎn)物所必需的。微生物生長良好所允許的磷酸鹽濃度為0.32-300mmol，但對次級代謝產(chǎn)物合成良好所允許的最高平均濃度僅為1.0mmol，提高到10mmol，就明顯影響其合成。磷酸鹽濃度在初級代謝中的要求不如次級代謝嚴厲。對抗生素來說，經(jīng)常是采用生長亞適量〔對菌體生長不是最適宜但又不影響生長的量〕磷酸鹽濃度，其最適濃度取決于菌種特征、培育條件、培育基的組成和來源等要素。6.2.2滅菌情況普通隨滅菌溫度的升高，時間的延伸，對營養(yǎng)的破壞作用越大，從而影響產(chǎn)物的合成。如葡萄糖氧化酶發(fā)酵培育基的滅菌條件對產(chǎn)酶的影響：滅菌蒸汽壓力/(lb/in2)1015時間/min15251525葡萄糖氧化酶酶活/(U/mL)48.0843.7235.0427.106.2.3種子質(zhì)量§接種菌齡普通，接種菌齡以對數(shù)生長期的后期，即培育液中菌濃接近頂峰時所需的時間較為適宜。最適的接種菌齡要經(jīng)多次實驗，根據(jù)其最終發(fā)酵結(jié)果而定?！旖臃N量接種量的大小是由發(fā)酵罐中菌的生長繁衍速度決議的?！炀w濃度菌體濃度簡稱菌濃〔cellconcentration〕是指單位體積培育液中菌體的含量。菌濃的大小與菌體生長速率有很大的關(guān)系，菌體生長速率與微生物的種類及遺傳特性有關(guān)，不同種類的微生物的生長速率是不一樣的，細胞越復(fù)雜，分裂所需的時間越長。菌濃的大小對發(fā)酵產(chǎn)物有很重要的影響。在適當?shù)谋壬L速率的條件下，發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率與與菌濃成正比關(guān)系，即菌濃越大，產(chǎn)物的產(chǎn)量越大。但在好氧發(fā)酵中，菌濃太大，影響氧的傳送，故在發(fā)酵中應(yīng)控制適當?shù)木鷿狻?.2.4溫度對發(fā)酵的影響和及其控制微生物的生長和產(chǎn)物的合成都是在各種酶催化下進展的，溫度是保證酶活性的重要條件，因此在發(fā)酵系統(tǒng)中必需保證穩(wěn)定而適宜的溫度環(huán)境。(1)溫度對微生物生長的影響大多數(shù)微生物在20-40℃的溫度范圍內(nèi)生長。嗜冷菌在溫度低于20℃下生長速率最大，嗜中溫菌在30-35℃左右生長，嗜熱菌在50℃以上生長。(2)溫度對發(fā)酵過程的影響溫度對青霉菌生長速率、呼吸強度和青霉素消費速率的影響如上圖所示?？梢钥闯?，溫度對參與生長繁衍、呼吸和青霉素構(gòu)成的各種酶的影響是不同的。青霉菌：生長E=34kJ/mol呼吸E=71kJ/mol產(chǎn)物合成E=112kJ/mol青霉素構(gòu)成速率對溫度最為敏感，偏離最適溫度引起的消費率下降比其他兩個參數(shù)的變化更為嚴重?；罨蹺反映溫度變化對酶反響速率的影響(3)溫度對發(fā)酵液物理性質(zhì)的影響＃影響氧在發(fā)酵液中的溶解度溫度溶氧＃影響基質(zhì)的分解速率如菌體對硫酸鹽吸收在25℃時最小(4)溫度對生物合成方向的影響金色鏈絲菌研討發(fā)現(xiàn)，溫度與微生物的調(diào)理機制關(guān)系親密。例如，在20℃時，氨基酸末端產(chǎn)物對其合成途徑的第一個酶的反響抑制造用，比在其正常生長溫度37℃時更大。因此，思索在抗生素發(fā)酵的后期降低溫度，加強氨基酸的反響抑制造用，使蛋白質(zhì)和核酸的正常合成途徑封鎖得早些，從而使發(fā)酵代謝轉(zhuǎn)向抗生素的合成。〔5〕影響發(fā)酵溫度的要素發(fā)酵熱發(fā)酵熱指的是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量，以J/(m3·h)為單位表示。生物熱：消費菌在生長繁衍過程中產(chǎn)生的熱叫生物熱。營養(yǎng)基質(zhì)被菌體分解產(chǎn)生大量的熱能，部分用于合成高能化合物ATP，供應(yīng)合成代謝所需求的能量，多余的熱量那么以熱能的方式釋放出來，構(gòu)成生物熱。攪拌熱：攪拌器轉(zhuǎn)動引起的液體之間和液體與設(shè)備之間的摩擦所產(chǎn)生的熱能。Q攪拌P

蒸發(fā)熱：空氣進入發(fā)酵罐與發(fā)酵液廣泛接觸后，進展熱交換，必然引起水分的蒸發(fā)，被空氣和蒸發(fā)水分帶走的熱量。Q蒸發(fā)=G〔I出-I進〕輻射熱：由于罐外壁和大氣間的溫度差別而使發(fā)酵液中的部分熱能經(jīng)過罐體向大氣輻射的熱量。顯熱：廢氣因溫度差別所帶走的熱量。發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中是隨時間變化的。所以，為使發(fā)酵在一定溫度下進展，必需采取措施——在夾套或蛇管內(nèi)通入冷水加以控制〔小型的發(fā)酵罐，在冬季和發(fā)酵初期，散熱量大于產(chǎn)熱量那么需用熱水保溫?！场?〕最適溫度的選擇所謂最適溫度是指在該溫度下最適于菌的生長或產(chǎn)物的合成。對不同的菌種、不同的培育條件、不同的酶反響以及不同的生長階段，最適溫度有所不同。最適生長溫度與最適消費溫度往往是不一致的。如乳酸發(fā)酵，乳鏈球菌最適生長溫度是34C，而產(chǎn)酸最多的溫度是30C，但發(fā)酵速度最高的溫度達40C。青霉素產(chǎn)生菌的最適生長溫度為30℃，但產(chǎn)生青霉素的最適溫度是24.7℃。發(fā)酵溫度確實定，在實際上，整個發(fā)酵過程中不應(yīng)只選一個培育溫度，應(yīng)根據(jù)發(fā)酵的不同時期，選擇不同的培育溫度。生長階段，選最適生長溫度，在產(chǎn)物分泌階段，選最適消費消費溫度。即變溫控制。e.g青霉素變溫發(fā)酵起初5小時，維持在30C，以后降到25C培育5小時，再降到到20C培育28小時，最后又提高到25C，培育40小時，放罐。青霉素的產(chǎn)量比在25C恒溫發(fā)酵條件下提高14.7%?！镌诓煌陌l(fā)酵階段選擇不同的溫度★思索培育基成分和濃度例如，在運用較稀薄或較易利用的培育基時，提高溫度那么營養(yǎng)往往過早耗竭，導(dǎo)致菌絲過早自溶，產(chǎn)量降低?！飬⒖计渌l(fā)酵條件例如，通氣條件較差的情況下，可以適當降低溫度，一方面添加溶解氧濃度，另一方面降低菌體的生長速率，以彌補因通氣缺乏而呵斥的代謝異常。發(fā)酵過程中培育液的pH值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動的綜合目的，是一項重要的發(fā)酵參數(shù)，它對菌體的生長和產(chǎn)品的積累有很大的影響。6.2.5pH對發(fā)酵的影響和及其控制〔1〕pH對發(fā)酵過程的影響pH影響菌體的生長和產(chǎn)物的合成：〔1〕影響酶的活性，當pH值抑制菌體中某些酶的活性時，會妨礙菌體的新陳代謝；〔2〕菌體的形狀：pH值還會影響某些霉菌的形狀，如細胞壁厚度、菌絲直徑?！?〕細胞膜的電荷形狀：引起膜浸透性的變化，從而影響菌對營養(yǎng)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌〔4〕產(chǎn)物的穩(wěn)定性〔5〕對某些生物合成途徑有顯著影響：pH值往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量和比例發(fā)生改動。微生物生長和生物合成的最適pH微生物生長：細菌〔6.3~7.5),霉菌和酵母菌〔3~6),放線菌〔7~8)微生物生長階段和產(chǎn)物合成階段的最適pH往往不一樣，這不僅與菌種的特性有關(guān)，也取決于產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)。e.g.Clostridiumacetobutylicumfenmentation:pH在中性時，菌種生長良好，但產(chǎn)物產(chǎn)量很低，實踐發(fā)酵適宜的pH值４～６。Streptomycesgrisusfermentation消費鏈霉素〔streptomycin〕:菌體生長的適宜pH值為6.3~6.9，而合成鏈霉素的pH值為6.7~7.3。因此，應(yīng)根據(jù)發(fā)酵過程的不同階段分別控制不同的pH值。在消費過程中，及時進展調(diào)理和控制適宜的pH值，以滿足不同階段的需求。但同一產(chǎn)品的適宜pH值，還因菌種、培育基組成和培育條件有關(guān)。在確定適宜的pH值時，還要思索培育溫度的影響，假設(shè)溫度不同適宜的pH值也能夠發(fā)生變動。產(chǎn)品菌生長最適pH范圍產(chǎn)物合成最適pH范圍青霉素6.5~7.26.2~6.8鏈霉素6.3~6.96.7~7.3四環(huán)素6.1~6.65.9~6.3土霉素6.0~6.65.8~6.1紅霉素6.6~7.06.8~7.3灰黃霉素6.4~7.06.2~6.5幾種抗生素發(fā)酵的最適pH范圍〔2〕發(fā)酵過程中pH的變化發(fā)酵過程中，由于菌種在一定溫度及通氣條件下對培育基中碳、氮源等的利用，隨著有機酸或氨基氮的積累，會使pH產(chǎn)生一定的變化。這種變化的根源是培育基的成分和微生物的代謝特性。引起培育液的pH發(fā)生動搖的要素引起pH下降的要素：1〕培育基中碳、氮比例不當，碳源過多，特別是葡萄糖過量，或者中間補糖過多加之溶解氧缺乏，致使有機酸大量積累2〕消沫油加得過多3〕生理酸性物質(zhì)的存在引起pH上升的要素：1〕氮源過多2〕生理堿性物質(zhì)存在3〕中間補料中氨水或尿素等的堿性物質(zhì)參與過多〔3〕最適pH的選擇和調(diào)理選擇最適pH的原那么：既有利于菌體的生長繁衍，又要最大限制地使產(chǎn)物合成獲得高的產(chǎn)量。在各種類型的發(fā)酵過程中，實驗所得的最適pH值與微生物的生長和產(chǎn)物的構(gòu)成中3個參數(shù)的相互關(guān)系有四種情況：①第一種情況是菌體的比生長速率〔μ〕和產(chǎn)物比消費速率〔Qp〕的最適pH值都在一個類似的較寬的適宜范圍內(nèi)〔a〕，這種發(fā)酵過程易于控制；②第二種情況是μ〔或Qp〕的最適pH值范圍很窄，而Qp〔或μ〕的范圍較寬〔b〕；③第三種情況是μ和Qp對pH值都很敏感，它們的最適pH值又是一樣的〔c〕，第二和第三方式的發(fā)酵pH值應(yīng)嚴厲控制；④第四種情況更復(fù)雜，μ和Qp有各自的最適pH值(d),應(yīng)分別嚴厲控制各自的最適pH值，才干優(yōu)化發(fā)酵過程。適宜的pＨ值是根據(jù)實驗結(jié)果來確定。將發(fā)酵培育基調(diào)理成不同的出發(fā)pH值，進展發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，定時測定和調(diào)理pH，以分別維持出發(fā)pH值，或者利用緩沖液配制培育基以維持之。到時察看菌體生長的情況，以菌體生長到達最高值的pH值為菌體生長的最適pH值。以同樣的方法，可測得產(chǎn)物合成的適宜PH值。思索發(fā)酵培育基的根底配方，使之有適當?shù)谋壤?，使發(fā)酵過程pH的變化在適宜的范圍內(nèi)。由于培育基中含有代謝產(chǎn)酸[如葡萄糖產(chǎn)生酮酸、(NH4)2SO4]和產(chǎn)堿[如NaNO3、尿素]的物質(zhì)以及緩沖劑[如CaCO3]等成分，它們在發(fā)酵過程中要影響pH的變化，特別是CaCO3能與酮酸等反響，而起到緩沖作用，所以它的用量比較重要。在分零售酵中，常采用這種方法來控制pH的變化?？刂苝H的方法利用上述方法調(diào)理pH值的才干是有限的，假設(shè)達不到要求，可以用在發(fā)酵過程直接補加酸或堿和補枓的方式來控制，特別是補料的方式，效果比較明顯。過去是直接參與酸或堿來控制，但如今常用的是以生理酸性物質(zhì)(硫酸銨)和堿性物質(zhì)(氨水)來控制。它們不僅可以凋節(jié)pH值，還可以補充氮源。當發(fā)酵的pH值和氨氮含量都低時，補加氨水，就可以到達調(diào)理pH和補充氨氮的目的。反之，pH值較高，氨氮含量又低時，就補加硫酸銨。目前，已比較勝利地采用補枓的方法來調(diào)理pH值，如氨基酸發(fā)酵采用流加尿素的方法，特別是次級代謝產(chǎn)物抗生素發(fā)酵，更常用此法。這種方法，既可以到達穩(wěn)定pH值的目的，又可以不斷補充營養(yǎng)物質(zhì)，特別是能產(chǎn)生阻遏作用的物質(zhì)。少量多次補加還可解除對產(chǎn)物合成的阻遏作用，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。也就是說，采用補料的方法，可以同時實現(xiàn)補充營養(yǎng)、延伸發(fā)酵周期、調(diào)理pH值和培育液的特性〔如菌濃等〕等幾個目的。最勝利的例子就是青霉素的補枓工藝，利用控制葡萄糖的補加速率來控制pH值的變化范圍〔現(xiàn)已實現(xiàn)自動化〕，其青霉素產(chǎn)量比用恒定的加糖速率和加酸或堿來控制pH值的產(chǎn)量高25%。氧是一種難溶于水的氣體。在25℃，1×105Pa條件下，純氧在水中的溶解度為1.26mmol/L，空氣中的氧在純水中的溶解度更低〔0.25mmol/L〕。在28℃氧在在發(fā)酵液中的溶解度只需0.22mmol/L，而發(fā)酵液中的大量微生物耗氧迅速〔耗氧速率大于25~100mmol/L.h〕，因此，供氧對于好氧微生物來說是非常重要的。在對數(shù)生長期，即使發(fā)酵液被空氣飽和，假設(shè)此時停頓供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗盡。在好氧深層培育中，氧氣的供應(yīng)往往是發(fā)酵能否勝利的重要限制要素之一。6.2.6溶氧對發(fā)酵的影響和及其控制

好氧微生物的生長和代謝活動都需求耗費氧氣，它們只需在氧分子存在的情況下才干完成生物氧化作用。液體中的微生物只能利用溶解氧，氣液界面處的微生物還能利用氣相中的氧。強化氣液界面也將有利于供氧。在微生物的培育過程中，應(yīng)堅持供氧與耗氧的平衡，滿足微生物對氧的利用?！?〕臨界氧發(fā)酵消費中用空氣飽和度百分數(shù)來表示溶氧濃度。這只能在類似的條件下，在同樣的溫度、罐壓、通氣攪拌下進展比較。這種方法能反映菌的生理代謝變化和對產(chǎn)物合成的影響。臨界氧：不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度，如對產(chǎn)物而言，便是不影響產(chǎn)物合成所允許的最低濃度。

當不存在其他限制性基質(zhì)時，溶解氧濃度高于臨界值，細胞的比耗氧速率堅持恒定；假設(shè)溶解氧濃度低于臨界值，細胞的比耗氧速率就會大大下降，或者是微生物的呼吸速率隨溶解氧濃度降低而顯著下降，細胞處于半?yún)挌庑螤?，代謝活動遭到妨礙?！锖粑R界氧值可用尾氣O2含量變化和通氣量測定，也可用溶氧電極測定。各種微生物的臨界氧值：細菌和酵母：3~10%放線菌：5~30%霉菌：10~15%★合成的臨界氧值：調(diào)查不同溶氧濃度對消費的影響，便可求得合成的臨界氧值。留意：●實踐上，呼吸臨界氧值不一定與產(chǎn)物合成臨界氧值一樣?！裆锖铣膳R界氧濃度并不等于其最適氧濃度?！裨谂嘤^程中并不是維持溶氧越高越好。過高的溶氧對生長能夠不利?！?〕溶氧作為發(fā)酵異常的目的生長過程從培育液中溶氧濃度的變化可以反映菌的生長生理情況。發(fā)酵溶氧變化異常，可及時預(yù)告消費能夠出現(xiàn)的問題。★操作缺點或事故★中間補料能否得當★污染雜菌：溶氧會反常地迅速〔普通2~5h)跌到零，并長時間不上升。這比無菌實驗發(fā)現(xiàn)染菌要提早幾個小時。但有時會出現(xiàn)染菌后溶氧反而升高的景象。微生物的“需氧〞可用耗氧速率或呼吸強度來表示：耗氧速率〔oxygenuptakerate)：指單位體積的培育液在單位時間的耗氧量。單位為mmolO2/(L·h)，用r表示呼吸強度〔respiratorystrength)：單位質(zhì)量的細胞干重在單位時間的耗氧量。單位為mmolO2/(g·干細胞·h)，用Ｑo2表示兩者的關(guān)系：〔3〕溶氧的控制需氧方面式中，r——攝氧率，mmolO2/(L·h)；QO2——呼吸強度，mmolO2/(g菌·h)；X——菌濃，g/L。假設(shè)發(fā)酵液中溶氧堅持不變，即供氧=需氧，那么使供需失去平衡的因子也會改動溶氧濃度。在發(fā)酵工業(yè)中，耗氧對于菌體生長和產(chǎn)物生成之間的關(guān)系有三種類型：１．產(chǎn)物生成期的耗氧與菌體生長期的耗氧一致。２．產(chǎn)物生成期的耗氧超越菌體生長期的耗氧量。３．產(chǎn)物生成期的最適耗氧量低于菌體生長期的耗氧量。項目工藝條件項目工藝條件菌種特性培養(yǎng)基的性能好氣程度菌齡、數(shù)量菌的聚集狀態(tài)，絮狀或小球狀基礎(chǔ)培養(yǎng)基組成、配比物理性質(zhì)；粘度、表面張力等補料或加糖溫度溶氧與尾氣O2及CO2水平消泡劑或油表面活性劑配方、方式、次數(shù)和時機恒溫或階段變溫控制按生長或產(chǎn)物合成的臨界值控制種類、數(shù)量、次數(shù)和時機種類、數(shù)量、次數(shù)和時機影響需氧的工藝條件在發(fā)酵過程中，影響耗氧的要素有以下幾方面：１．培育基成分和補料培育基的成分和濃度顯著影響耗氧；培育液營養(yǎng)豐富，菌體生長快，耗氧量大；發(fā)酵濃度高，耗氧量大；發(fā)酵過程補料或補糖，微生物對氧的攝取量隨著增大。２．菌齡影響耗氧：呼吸旺盛，耗氧力強，發(fā)酵后期菌體處于衰老形狀，耗氧才干自然減弱。３．發(fā)酵條件影響耗氧：在最適條件下發(fā)酵，耗氧量大。發(fā)酵過程中，排除有毒代謝產(chǎn)物如二氧化碳、揮發(fā)性的有機酸和過量的氨，也有利于提高菌體的攝氧量。式中，dc/dt——單位時間內(nèi)發(fā)酵液溶氧濃度的變化[mmol/(L·h)]KL——氧傳質(zhì)系數(shù)，m/h；a——比外表積〔m2/m3)c*——氧在水中的飽和濃度，mmol/L；cL——發(fā)酵液中的溶氧濃度，mmol/L。在穩(wěn)定情況下，氧分子從氣體主體分散到液體主體的傳送速率即氧的傳質(zhì)方程式為：〔3〕溶氧的控制凡是使KLa和c*添加的要素都能使發(fā)酵供氧改善。供氧方面添加C*的方法：★在通氣中摻入純氧，提高氧分壓；★提高罐壓提高KLa(提高設(shè)備的供氧才干〕的方法：項目設(shè)備條件項目設(shè)備條件攪拌器空氣流量類型；封閉或開放式葉片形狀；彎葉、平葉或箭葉攪拌器直徑/罐直徑擋板數(shù)和擋板寬度攪拌器檔數(shù)和位置每分鐘體積比[(V/V)/min]空氣分布器的類型