第七章 发酵过程控制-1

1、第一节第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制营养基质和菌体浓度的影响及其控制 第二节第二节 温度变化及其控制温度变化及其控制 一、温度对生长的影响一、温度对生长的影响不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0260C生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于15430C生长，嗜生长，嗜热菌适应于热菌适应于37650C生长，嗜高温菌适应于生长，嗜高温菌适应于650C以上生长以上生长 每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低

2、温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；最低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代世代时间时间无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高微生物受高温

3、的伤害比低温的伤害大，即超过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。的原理。(1)(1)微生物对温度的要求不同与它们的膜微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物理化学性质有密切关系结构物理化学性质有密切关系根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生理条件下，膜中的脂质成分应保持生理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶液晶状态状态，只有当细胞膜处于液晶状态，才能只有当细胞膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常生理功能，使细胞处于

4、最维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最佳生长状态佳生长状态微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。围相一致。二、微生物与温度相关性的原理二、微生物与温度相关性的原理什么是液晶状态？什么是液晶状态？液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的过渡状态称为液晶态。过渡状态称为液晶态。由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示；表示；由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。表示。T1与与T2之间的温度称为液晶温度范围。之间的温度

5、称为液晶温度范围。那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物，胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物，其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸，其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸，而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。(2)(2)温度影响发酵方向温度影响发酵方向四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于素和四环素，当温度低于30300 0C C时，这种时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合菌合成金

6、霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到成四环素的比例也提高，温度达到35350 0C C时，金霉素的合成几乎停止，只产生四时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。环素。温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。制。（3）最适温度的选择）最适温度的选择根据菌种及生长阶段选择根据菌种及生长阶段选择微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。求的温度范

7、围也不同。如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为370C，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30320C，青霉菌生长温度为青霉菌生长温度为300C。在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温

8、度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。闭得比较严密有利于产物合成。发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段280C，合成期，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖，产糖化酶化酶32340C。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长谷氨酸产生菌生长30320C，产酸，产酸3437

9、0C。最适温度。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。选择要根据菌种与发酵阶段做试验。l根据生长阶段选择根据生长阶段选择例：例：林可霉素发酵的变温培养林可霉素发酵的变温培养问题的提出问题的提出接种后接种后10h10h左右已进入对数生长期，随后是左右已进入对数生长期，随后是10h10h左左右的加速生长期，在右的加速生长期，在40h40h左右对数生长期基本完成，左右对数生长期基本完成，在在50h50h左右转入生产期左右转入生产期主要问题：主要问题：如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相

10、当数量的有强生产能力的菌丝体存维持相当数量的有强生产能力的菌丝体存在在根据生长阶段选择温度根据生长阶段选择温度变温培养的正交设计变温培养的正交设计结论：结论：前前60h60h按按3131控制，缩短了适应期使控制，缩短了适应期使发酵提前转入生产阶段，同时菌丝体已有发酵提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗生素提供了相当量的积累，为大量分泌抗生素提供了物质基础物质基础6060小时后将罐温降至小时后将罐温降至3O3O使与抗生素合成使与抗生素合成有关的酶的活性增强，抗生素分泌量有所有关的酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的延长有利于进一步增加，同时因分泌期的延长有利于

11、进一步积累抗生素积累抗生素发酵进入后期罐温再回升至发酵进入后期罐温再回升至31 31 使生产菌使生产菌在生命的最后阶段最大限度的合成和排出在生命的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。次级代谢产物。2 2、根据培养条件选择、根据培养条件选择温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。选择。通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。率降低些，溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。营养利用快，会使菌过早自溶。三、

12、发酵过程引起温度变化的因素三、发酵过程引起温度变化的因素（一）发酵热（一）发酵热Q Q发酵发酵发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的

13、温度上升。发酵热大，温度上升热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。快，发酵热小，温度上升慢。现在来分析发酵热产生和散失的各因素。现在来分析发酵热产生和散失的各因素。1 1、生物热、生物热Q Q生物生物在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的一部分以热的形式散发出来，这散

14、发出来的热就叫生物热。热就叫生物热。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。生的热多。l生物热与发酵类型有关生物热与发酵类型有关微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多多一摩尔葡萄糖彻底氧化成一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水和水好氧：产生好氧：产生287.2千焦耳热量，千焦耳热量， 183千焦耳转变为高能化合物千焦耳转变为高能化合物 104.2千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放厌氧：产生厌氧：产生22.6千焦耳热量，千焦耳热量， 9.6千焦耳转变为高能化合物千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的形

15、式释放千焦以热的形式释放二个例子中转化为高能化合物分别为二个例子中转化为高能化合物分别为63.7和和42.6l 培养过程中生物热的产生具有培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性强烈的时间性。生物的大小与呼吸作用强弱有关生物的大小与呼吸作用强弱有关在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。缓慢，产生热量较少。菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。必须注意控制温度。培养后期，

16、菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。大，且逐渐减弱。如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。染菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。2 2、搅拌热、搅拌热Q Q搅拌搅拌在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成

17、液体之间，液体与搅拌器等设液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：功率有关，可用下式计算： Q搅拌搅拌P6601（KJ/h） P搅拌轴功率搅拌轴功率3601机械能转变为热能的热功当量机械能转变为热能的热功当量KJ/(KW.h)电机功率电机功率P= cos3EIE额定电压额定电压I额定电流额定电流cos功率因素，功率因素，1千瓦时千瓦时8604186.8焦耳焦耳3 3、蒸发热、蒸发热Q Q蒸发蒸发 通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需

18、的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热叫显热Q显热显热，显热很小，一般可以忽略不计。，显热很小，一般可以忽略不计。4 4、辐射热、辐射热Q Q辐射辐射发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的不超过发酵热的5。Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射（二）发酵热的测定（二）发酵热的测定有二种发酵热测定的方法。一种

19、是用冷却水进有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。小时冷却水流量来计算发酵热。Q发酵发酵GCm(T出出T进进)Cm水的比热水的比热G冷却水流量冷却水流量另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算

20、出发酵热。热。根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。H（H）反应物反应物（H）产物产物如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：葡萄糖葡萄糖 159555.9K

21、J/Kg谷氨酸谷氨酸 15449.3KJ/Kg玉米浆玉米浆 12309.2KJ/Kg菌体菌体 20934KJ/Kg尿素尿素 10634.5KJ/Kg可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例如某味精厂如某味精厂50M3发酵罐发酵过程测定结果的主发酵罐发酵过程测定结果的主要物质变化如表：要物质变化如表：发酵发酵1218小时的生物热为：小时的生物热为：Q生物生物24159555.90.612309.2610634.51.22093415.415449.3191098.1KJ/M3191098.1631849.7每小时的生物热为每小时的生物热为31849.7

22、KJ/M3四、利用温度控制提高产量四、利用温度控制提高产量例例 利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量背景：背景：（1）酵母在比常规发酵温度髙）酵母在比常规发酵温度髙10200C的温度下经受的温度下经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。（2）Lewis发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力（3）Toshiro发现热冲击可使胞内发现热冲击可使胞内3磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶的活力提高的活力提高1525，并导致甘油产量提高，并导致甘油产量提高实验：实验：甘油发酵是在髙渗透压环

23、境中进行的，因此可望通过甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量热冲击来提高发酵甘油的产量正交条件正交条件A 冲击温度（冲击温度（0C） 40，45，50 B 开始时机（开始时机（h） 8，16，30 C 冲击时间（分）冲击时间（分） 15，30，60结果发酵结果发酵16小时，小时，450C冲击冲击30分钟最佳，发酵分钟最佳，发酵96小时后甘小时后甘油浓度提高油浓度提高32.6，发酵罐实验见图，发酵罐实验见图（A）16h,450C,30min（B）12h,450C,30minA 温度；温度；B 开始时机；开始时机；C 冲击时间冲击时间A比比B好好小小 结结微生物

24、最适生长温度微生物最适生长温度微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关微生物的生长温度与细胞膜的微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度液晶温度范围相范围相一致一致微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关，微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关，如蛋白构象稳定性因素改变，活性位点关键区如蛋白构象稳定性因素改变，活性位点关键区域氨基酸的取代，离子束缚作用域氨基酸的取代，离子束缚作用(ion binding)(ion binding)减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等发酵过程引起温度变化的因素发酵过程引起温度变化的因素发酵热是引起发

25、酵过程温度变化的原因发酵热是引起发酵过程温度变化的原因Q Q发酵发酵Q Q生物生物Q Q搅拌搅拌Q Q蒸发蒸发Q Q辐射辐射生物热的定义，产生的原因：基质代谢。它生物热的定义，产生的原因：基质代谢。它与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有关关搅拌热与搅拌功率有关搅拌热与搅拌功率有关发酵热测定发酵热测定: : 冷却容量冷却容量 燃烧热燃烧热思考题思考题7.16 根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类微生物？微生物？7.17 微生物对温度要求不同的原理是什么？微生物对温度要求不同的原理是什么？7.18 发酵过程的温度会不会变化

26、？为什么发酵过程的温度会不会变化？为什么7.19 发酵热的定义发酵热的定义7.20 生物热的大小与哪些因素有关？生物热的大小与哪些因素有关？7.21 温度对发酵有哪些影响？温度对发酵有哪些影响？7.22 发酵过程温度的选择有什么依据？发酵过程温度的选择有什么依据？第三节第三节 发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制 pH是微生物代谢的综合反映，又影响代是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，所以是十分重要的参数。谢的进行，所以是十分重要的参数。发酵过程中发酵过程中pH是不断变化的，通过观是不断变化的，通过观察察pH变化规律可以了解发酵的正常与变化规律可以了解发酵的正常与否否一、发酵过程一、发酵

27、过程pHpH变化的原因变化的原因 1 1、基质代谢、基质代谢 （1）糖代谢）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使子酸、醇，使pH下降。下降。糖缺乏，糖缺乏，pH上升，是补料上升，是补料的标志之一。的标志之一。（2）氮代谢）氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH2被利用后被利用后pH会会下降；尿素被分解成下降；尿素被分解成NH3，pH上升，上升，NH3利用后利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。上升。（3）生理酸碱性物质利用后）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降。会上升或下降。2 2、产物形成产物形成 某

28、些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。上升。 3 3、菌体自溶菌体自溶，pH上升，发酵后期，上升，发酵后期，pH上升。上升。 二、二、pH对发酵的影响对发酵的影响 例例 pH对林可霉素发酵的影响对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液酵液pHpH下降，待有机酸被生产菌利用，下降，待有机酸被生产菌利用，pHpH上升。若不及时上升

29、。若不及时补糖、补糖、(NH(NH4 4) )2 2SOSO4 4或酸，发酵液或酸，发酵液pHpH可迅速升到可迅速升到8.08.0以上，阻以上，阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵照罐发酵6666小时小时pHpH达达7.937.93，以后维持在，以后维持在8.08.0以上至以上至115115小时，小时，菌丝浓度降低，菌丝浓度降低，NHNH2 2-N-N升高，发酵不再继续。升高，发酵不再继续。发酵发酵1515小时左右，小时左右，pHpH值可以从值可以从6.56.5左右下降到左右下降到5.35.3，调节这，调节这一段的一段的

30、pHpH值至值至7.07.0左右，以后自控左右，以后自控pHpH，可提高发酵单位。，可提高发酵单位。 1、实例、实例pH7.0t不调不调pH调调pH效价效价pH例：培养基初始例：培养基初始pHpH值对漆酶分泌的影响值对漆酶分泌的影响pH在在47范围内产酶最高范围内产酶最高2 2、pHpH对发酵的影响对发酵的影响 （1）pH影响酶的活性。当影响酶的活性。当pH值抑制菌体值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻（2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物

31、质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行代谢的进行 （3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用的解离，从而影响微生物对这些物质的利用 （4）pH影响代谢方向影响代谢方向 pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在pH23时时发酵产生柠檬酸，在发酵产生柠檬酸，在pH近中性时，则产生草酸。近中性时，则产生草酸。谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，谷氨酸发酵，在中性和

32、微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨乙酰谷氨酰胺酰胺3 3、pHpH在微生物培养的不同阶段有不同的在微生物培养的不同阶段有不同的影响影响 生长合成pH对菌体生长影响比产物合成影响小对菌体生长影响比产物合成影响小例例 青霉素：菌体生长最适青霉素：菌体生长最适pH3.56.0,产物合成最适产物合成最适pH7.27.4 四环素：菌体生长最适四环素：菌体生长最适pH6.06.8，产物合成最适，产物合成最适pH5.86.0XpH四环素四环素4 4、最佳最佳pHpH的确定的确定配制不同初始配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况的培养基，摇

33、瓶考察发酵情况pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响pH对海藻糖水解酶产生的影响对海藻糖水解酶产生的影响pH菌浓菌浓 pH酶活酶活pH对谷氨酰胺转氨酶活力的影响对谷氨酰胺转氨酶活力的影响热凝胶产生不同阶段热凝胶产生不同阶段pH的考察的考察pHDObiomass从图中可见，热凝胶发酵菌体生长和热凝胶合成是从图中可见，热凝胶发酵菌体生长和热凝胶合成是非偶联的，整个发酵过程可以分成两个阶段：前非偶联的，整个发酵过程可以分成两个阶段：前10 h是菌体生长期，之后热凝胶开始合成，至发酵结束是菌体生长期，之后热凝胶开始合成，至发酵结束是热凝胶合成期。是热凝胶合成期。在菌体生长期，在菌体生长期，D

34、O（dissolved oxygen） 直线下降，直线下降，培养液中的培养液中的pH也迅速下降。也迅速下降。10 h左右，菌体质量浓左右，菌体质量浓度达到最大值，度达到最大值，DO 和和pH降至最低点（降至最低点（5.45.6），），菌体生长结束。此后进入热凝胶合成期。菌体生长结束。此后进入热凝胶合成期。试验两阶段的最适试验两阶段的最适pH，见表，见表稳定期随着稳定期随着pH降低，糖耗速率增加，生物量增降低，糖耗速率增加，生物量增加，但产物合成速率在加，但产物合成速率在pH5.6时达到最高。说明时达到最高。说明当当pH小于小于5.6以后微生物消耗的糖并非用于合成以后微生物消耗的糖并非用于合成热

35、凝胶，而是合成菌体。热凝胶，而是合成菌体。三、三、pHpH的控制的控制 1 1、调节好基础料的、调节好基础料的pHpH。基础料中若含。基础料中若含有玉米浆，有玉米浆，pH呈酸性，必须调节呈酸性，必须调节pH。若要控制消后若要控制消后pH在在6.0，消前，消前pH往往要往往要调到调到6.56.82 2、在基础料中加入维持、在基础料中加入维持pHpH的物质的物质，如，如CaCO3 ，或具有缓冲能力的试剂，如磷具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等酸缓冲液等3 3、通过补料调节、通过补料调节pHpH 在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调补料。在补料与调pH没有

36、矛盾时采用没有矛盾时采用补料调补料调pH如（如（1）调节补糖速率，调节空气流量）调节补糖速率，调节空气流量来调节来调节pH(2)当当NH2-N低，低，pH低时补氨水；低时补氨水；当当NH2-N低，低，pH高时补高时补(NH4)2SO44 4、当补料与调、当补料与调pHpH发生矛盾时，加酸碱发生矛盾时，加酸碱调调pHpH 不同不同pHpH控制方式对目的突变株控制方式对目的突变株ISw330ISw330异亮异亮氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。 “1”1”表示只加表示只加CaC0CaC03 3控制控制pHpH值，值，“2”2”表表示只加尿素控制，示只加尿素控制，“

37、3”3”表示表示CaC0CaC03 3和尿素和尿素联合控制联合控制pHpH值值。异亮氨酸发酵异亮氨酸发酵例：例：pH对对L-异亮氨酸发酵的影响异亮氨酸发酵的影响（天津科技大学）（天津科技大学）菌株最适生长菌株最适生长pHpH控制在控制在6.86.87.07.05 5、发酵的不同阶段采取不同的、发酵的不同阶段采取不同的pHpH值值不同不同pHpH值对菌体的形态影响很大，当值对菌体的形态影响很大，当pHpH值高于值高于7.57.5时，菌体易于老化，呈现球状；当时，菌体易于老化，呈现球状；当pHpH值低于值低于6.56.5时时菌体同样受抑制，易于老化。而在菌体同样受抑制，易于老化。而在7.27.2左

38、右时，菌左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在6.96.9左右时，左右时，菌体处于生长期，呈菌体处于生长期，呈“八八”字形状并占有绝对的优字形状并占有绝对的优势。势。pH6.9时，菌体生长旺盛，时，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段段pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制控制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9，到到48 h后后pH值为值为7.15，到，到80h后后pH值为值为7.25。产率。产率2227g/L，产酸率提高，产酸率提高1223

39、。例：克拉维酸发酵中例：克拉维酸发酵中pH变换控制变换控制问题的提出：在问题的提出：在pH低时菌体生长受抑制，低时菌体生长受抑制，在高在高pH时克拉维酸要分解时克拉维酸要分解用用2.5升罐进行的不控制升罐进行的不控制pH的发酵发现，前的发酵发现，前期由于微生物产生的酸性副产物和有机酸使期由于微生物产生的酸性副产物和有机酸使pH降至降至6.5。在达到最高细胞浓度后，。在达到最高细胞浓度后，pH开开始从始从6.5升至升至8.3。CA产量达最高水平时，产量达最高水平时，pH不再升高。在发酵终止时，不再升高。在发酵终止时，pH再次升至再次升至8.5。随着。随着pH升高，升高，CA迅速分解。迅速分解。研

40、究不同研究不同pH对发酵的影响对发酵的影响分别配置分别配置pH为为6.0，7.0，8.0的培养基测的培养基测定菌的生长和产物合成定菌的生长和产物合成pH6.0时，生长受时，生长受抑制，产物降解抑制，产物降解少少克拉维酸量 PMV细胞量pH8.0时生长良好时生长良好产量低，产物降解多产量低，产物降解多pH7.0时的状况时的状况克拉维酸量 PMV细胞量 克拉维酸量 PMV细胞量 控制控制pH7.0pH7.0和和8.08.0时，最高细胞浓度接近相同时，最高细胞浓度接近相同( (约约1616PMV)PMV)，但控制，但控制pH6pH60 0时细胞生长受抑制。时细胞生长受抑制。在在2 25 5升生物反应

41、器内，升生物反应器内，不控制不控制pHpH时时2 247g47g(m1(m1h )h )控制控制pH7.0pH7.0时的产率时的产率3 337g37g(m1(m1h) h) 最高最高控制控制pH8.0pH8.0时，产率时，产率2 202g02g(m1h) (m1h) 在控制在控制pH6pH60 0时，时，CACA产生被抑制产生被抑制, ,但降解少但降解少因此对细胞生长和因此对细胞生长和CACA产生最好将产生最好将pHpH控制于控制于7.07.0，但在控制但在控制pH7.0pH7.0时，仍出现时，仍出现CACA的迅速分解。的迅速分解。由于由于CA生产的最适生产的最适pH和减少和减少CA分解的分解

42、的pH各不相同，因此在分批发酵中应用了各不相同，因此在分批发酵中应用了pH变换策略，使发酵变换策略，使发酵pH由中性由中性pH7.0变变换为酸性换为酸性pH6.0。在发酵前期，在细胞生长和产生在发酵前期，在细胞生长和产生CA期间期间控制控制pH7.0，4d后，当后，当CA产量达最高值时，产量达最高值时，变换变换pH为为6.0，以减少，以减少CA分解。最高分解。最高CA浓度可保持浓度可保持24h。由于改变。由于改变pH，使，使CA分分解速率明显降低。解速率明显降低。pH控制是一项非常细致的工作，不仅控制是一项非常细致的工作，不仅考虑最佳考虑最佳pH值，而且要根据生长阶段值，而且要根据生长阶段考察

43、对考察对pH的要求。在的要求。在pH控制中还要采控制中还要采用合适的调节方法。用合适的调节方法。总结总结小小 结结发酵过程发酵过程pH会发生变化会发生变化变化原因变化原因基质代谢基质代谢产物形成产物形成菌体自溶菌体自溶对发酵的影响对发酵的影响pHpH影响酶的活性影响酶的活性pH值影响微生物细胞膜所带电荷的值影响微生物细胞膜所带电荷的改变改变pH值影响培养基某些成分和中间代值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离谢物的解离pH影响代谢方向影响代谢方向 pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响在微生物培养的不同阶段有不同的影响 pHpH的的控控制制方方式式基础培养基调节基础培养基调节pH在基础料中加入

44、维持在基础料中加入维持pH的物质的物质（磷酸盐）（磷酸盐）通过补料调节通过补料调节pH 当补料与调当补料与调pH发生矛盾时，发生矛盾时，加酸碱调加酸碱调pH 发酵的不同阶段采取不同的发酵的不同阶段采取不同的pH值值选择合适的选择合适的pH调节剂调节剂(CaCO3, 氨氨水，尿素）水，尿素）思考题思考题7.12 发酵过程中发酵过程中pH会不会发生变化为什么？会不会发生变化为什么？7.13 pH对发酵的影响表现在哪些方面？对发酵的影响表现在哪些方面？7.14 为了确定发酵的最佳为了确定发酵的最佳pH,我们该如何实验？我们该如何实验？7.15 发酵过程的发酵过程的pH控制可以采取哪些措施？控制可以采

45、取哪些措施？ 溶氧溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。 在在2828氧在发酵液中的氧在发酵液中的100100的空气饱和浓度只有的空气饱和浓度只有0.25 0.25 mmol.Lmmol.L-1-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小70007000倍。在对数生长期倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到即使发酵液中的溶氧能达到100100空气饱和度，若此时空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶中止供氧，发酵液中溶氧可

46、在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。氧成为限制因素。 第四节 通气和搅拌一 微生物对氧的需求（1）描述微生物需氧的物理）描述微生物需氧的物理量量比耗氧速度或呼吸强度比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g菌菌-1h-1 摄氧率摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X（2）溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响）溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr: 临界溶氧浓度临界溶氧浓度

47、, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度CL 溶解氧的浓度溶解氧的浓度一般对于微生物：一般对于微生物： CCr: 115%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%定义：定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。氧很

48、容易满足。例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，计， 0.25/0.052=4.8秒秒注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样： 头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长生长 5% (相对于饱和浓度）相对于饱和浓度） 13%产物产物 13% 8%（3）影响需氧的因素）影响需氧的因素r= QO2 .Xq 菌体浓度菌体浓度q QO2 遗传因素遗传因素 菌菌龄龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件二 反应器中氧的传递（1）发酵液中氧的传递方程）发酵

49、液中氧的传递方程()()giliNkPPk ccCCiPPi气膜气膜液膜液膜N：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg: 气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl: 液膜传质系数液膜传质系数 m/hC*P/H, 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度( *)lNK ccKl: 以氧浓度为推动力的总传递系数以氧浓度为推动力的总传递系数 (m/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)( *)lNvK a ccNv：体积传氧速率：体积传氧速率 kmol/m3.hKla: 以以

50、(C*-C)为推动力的体积溶氧系数为推动力的体积溶氧系数 h-1（2）发酵液中氧的平衡）发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：传递：)*(ccaKNvl消耗：消耗：r= QO2 .X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面（3）供氧的调节）供氧的调节( *)lNvK a ccC有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和和C*来调节来调节其中其中C*P/HNvHPKla调节调节Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，反映了设备的供氧能力，一

51、般来讲大罐比小罐要好。一般来讲大罐比小罐要好。 45升升 1吨吨 10吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1三 影响Kla的因素 Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。瓶与发酵罐。(1) 影响摇瓶影响摇瓶kla的因素的因素为装液量和摇瓶机的种类为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机摇瓶机往复，频率往复，频率80-120分分/次，振幅次，振幅8cm旋转，偏心距旋转，偏心距25、12,转述转述250rpm装液量，一般取装液量，一般取1/10左右：左右： 250ml 15-25 ml 500m

52、l 30 ml 750ml 80 ml例：例： 500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92(2) 影响发酵罐中影响发酵罐中Kla的因素的因素已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：(/) ()gsKlaK P VV230.4500.56()ggP ndPCQ350PKn d()KlandQ理论上分析理论上分析KLand通气量提高搅拌，调节提高搅拌，调节kla的效果显著的效果显著例例 某一产品的发酵某一产品的发酵 d

53、 n p0/v c 产量产量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例例 黑曲霉生产糖化酶黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812 2416 2846提高提高d、n显著提高显著提高C,提高了产量提高了产量提高提高N, 比提高比提高Q有效有效实际上：实际上：对于转速的调节有时是有限度的对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的通风的增加也是有限的蒸发量大蒸发量大中间挥发性代谢产物带走中间挥发性代谢产物带走例：红曲霉生产色素用于

54、食品工业，静止培养改为通气培例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培 养，比色法测定产量：养，比色法测定产量：通气通气 静止静止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 OD 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2提高提高下降下降所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的小型发酵罐和大型发酵罐调节小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点的特点q 小型发酵罐，转速可调小型发酵罐，转速可调q 大型发酵罐，转速往往不可调大型发酵罐，转速往往不可调 大型反应器的合理设计大型反应器的合理设计 对现有设备一定要注意工艺配套对现有设备一定要注

55、意工艺配套影响影响Kla的其它因素的其它因素空气分布器空气分布器液体的粘度液体的粘度(4) CL、r和Kla的测定CL的测定的测定化学法化学法溶氧电极溶氧电极q 极谱型极谱型(阴极阴极)：O2+2H+2e H2O2q 原电池型原电池型(阴极阴极)：O2+2H2O+4e 4OH- 极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应极谱型电极由于其阴极面积很小，电流输出也相应小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补小，且需外加电压，故需配套仪表，通常还配有温度补偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出偿，整套仪器价格较高，但其最大优点莫过于它的输出不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不不受电极表面液流的影响。这点正是原电池型电极所不具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约具备的。原电池型电极暴露在空气中时其电流输出约530A(主要取决于阴极的表面积和测试温度主要取决于阴极的表面积和测试温度)，可以不用，可以不用配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使配套仪表，经一电位器接到电位差记录议上便可直接使用。用。 q 膜：耐温、透气、不通水膜：耐温、透气