发酵过程控制23

1、第五章第五章 发酵工艺控制发酵工艺控制重点掌握重点掌握: :温度、温度、pHpH、溶解氧、菌体浓度、基质浓度、溶解氧、菌体浓度、基质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵过程的影响二氧化碳、泡沫等因素对发酵过程的影响. .一、发酵过程的主要控制参数一、发酵过程的主要控制参数 (1) (1) 温度温度 最适生长温度与最佳代谢产物合成最适生长温度与最佳代谢产物合成温度往往不同。温度往往不同。（2 2）pH pH 菌体的代谢影响培养基的菌体的代谢影响培养基的pHpH，培养基，培养基的的pHpH又影响菌体的生长和酶系统活性和代谢途径又影响菌体的生长和酶系统活性和代谢途径. .（3 3）溶解氧的浓度（）溶解氧

2、的浓度（DODO） 溶解氧是需氧菌发溶解氧是需氧菌发酵的必要条件。酵的必要条件。（4 4）基质含量基质含量 要保证菌体生长、维持生存、要保证菌体生长、维持生存、避免抑制、合成产物等不同目的和阶段的工艺需避免抑制、合成产物等不同目的和阶段的工艺需要。要。（5 5）空气流量空气流量 空气灭菌系统、流量、温度、目空气灭菌系统、流量、温度、目的是供氧。的是供氧。（6 6）罐压）罐压 正压防止空气中的杂菌侵入发酵液，正压防止空气中的杂菌侵入发酵液，罐压过高时罐压过高时COCO2 2 浓度陡增，负面作用。浓度陡增，负面作用。（7 7）搅拌速度）搅拌速度 延长空气的停留时间，提高溶氧；延长空气的停留时间，提

3、高溶氧；促进菌体与培养基之间的质量传递。过高时会损伤促进菌体与培养基之间的质量传递。过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫。菌体、产生过多的泡沫。（8 8）搅拌功率）搅拌功率 其成本比重较大。其成本比重较大。（9 9）粘度）粘度 菌体浓度增大时，粘度增加，溶氧菌体浓度增大时，粘度增加，溶氧下降。下降。（1010）浊度）浊度 能直接反应菌体的浓度，但不能区能直接反应菌体的浓度，但不能区分菌体的死活。分菌体的死活。（1111）料液流量）料液流量 连续发酵时，涉及稀释率连续发酵时，涉及稀释率. .（1212）产物浓度）产物浓度 生产目标。生产目标。（1313）氧化还原电位）氧化还原电位 其原因往往十分复杂

4、。测其原因往往十分复杂。测量手段有待开发。量手段有待开发。（1414）废气中的氧含量）废气中的氧含量 （1515）废气中的）废气中的CO2 CO2 从中可了解生产菌株从中可了解生产菌株的呼吸代谢规律。的呼吸代谢规律。（1616）菌丝形态）菌丝形态 判别种子质量、区分发酵判别种子质量、区分发酵阶段、确认染菌的重要依据。阶段、确认染菌的重要依据。（1717）菌体浓度）菌体浓度 是确定补料量、供气量、是确定补料量、供气量、阶段转换的重要依据。阶段转换的重要依据。发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数 pH值（酸碱度）值（酸碱度） 温度（温度（） 溶解氧浓度溶解氧浓度 基质含量基质含量 空气流量

5、空气流量 压力压力 搅拌转速搅拌转速 搅拌功率搅拌功率 粘度粘度 浊度浊度 料液流量料液流量 产物浓度产物浓度 氧化还原电位氧化还原电位 废气中的氧含量废气中的氧含量 废气中的废气中的CO2含量含量 菌丝形态菌丝形态 菌体浓度菌体浓度二、发酵过程的参数检测二、发酵过程的参数检测n1.1.直接状态参数直接状态参数n2.2.间接状态参数间接状态参数n3.3.离线发酵分析方法离线发酵分析方法1.1.直接状态参数直接状态参数n直接反映发酵过程微生物生理代谢状况的直接反映发酵过程微生物生理代谢状况的参数。如参数。如pHpH、DODO、溶解、溶解CO2CO2、尾气、尾气O2O2、尾、尾气气CO2CO2、黏

6、度等。、黏度等。n在线检测在线检测n传感器传感器n2.2.间接状态参数间接状态参数n指那些采用直接状态参数计算求得的参数。指那些采用直接状态参数计算求得的参数。n比生长速率，摄氧率（比生长速率，摄氧率（OUROUR）,CO,CO2 2释放速释放速率，呼吸商（率，呼吸商（RQRQ），），KLaKLa。n可以提供反应过程状态、反应速率、设备可以提供反应过程状态、反应速率、设备性能、设备利用效率等信息。性能、设备利用效率等信息。n3 3、离线发酵分析方法、离线发酵分析方法n从发酵液中取出样品进行离线分析从发酵液中取出样品进行离线分析, ,n分析菌体浓度，形态、培养基成分和产物分析菌体浓度，形态、培养

7、基成分和产物成分及含量。成分及含量。n显微观察，细胞体积，干重，光密度，平显微观察，细胞体积，干重，光密度，平板计数及基质及产物分析等。板计数及基质及产物分析等。第第1 1节节 温度对发酵的影响及其控温度对发酵的影响及其控制制n一、影响发酵温度的因素一、影响发酵温度的因素 n二、温度对微生物的生长的影响二、温度对微生物的生长的影响n三、温度对发酵的影响三、温度对发酵的影响n四、最适温度的选择四、最适温度的选择一、影响发酵温度的因素一、影响发酵温度的因素发酵热：发酵过程中释放出来的发酵热：发酵过程中释放出来的净热量净热量。n菌分解基质产生热量，菌分解基质产生热量，n搅拌产生热量，搅拌产生热量，n

8、罐壁散热，罐壁散热，n水分蒸发、空气排气带走热量，水分蒸发、空气排气带走热量，n发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大，发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大，温度上升快；发酵热小，温度上升慢。温度上升快；发酵热小，温度上升慢。生物热生物热Q Q生物生物 微生物在生长繁殖过程中，产生热量，部微生物在生长繁殖过程中，产生热量，部分用来合成高能化合物，供微生物合成和分用来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动的需要，部分用来合成产物，其代谢活动的需要，部分用来合成产物，其余部分则以热形式散发出来，这部分热叫余部分则以热形式散发出来，这部分热叫生物热生物热。例如例如一摩尔葡萄糖彻底氧化成水和二氧化碳一摩尔葡

9、萄糖彻底氧化成水和二氧化碳好氧：产生好氧：产生287.2287.2千焦热量千焦热量 n 183183千焦转变为高能化合物千焦转变为高能化合物n 104.2104.2千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22.622.6千焦的热量千焦的热量n 9.69.6千焦转变为高能化合物千焦转变为高能化合物n 1313千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放葡萄糖转化为高能化合物的热量分别占葡萄糖转化为高能化合物的热量分别占63.7%63.7%和和42.6%42.6%，放出的热量分别为，放出的热量分别为104.2104.2千焦和千焦和1313千千焦。微生物的好氧培养产生的热比厌氧培养多。焦。微

10、生物的好氧培养产生的热比厌氧培养多。生物热的产生具有强烈的时间性生物热的产生具有强烈的时间性1. 1. 初初 期：适应期，菌量少，呼吸慢，热量期：适应期，菌量少，呼吸慢，热量少少n2. 2. 对数期：菌量大，呼吸旺盛，热量多对数期：菌量大，呼吸旺盛，热量多n3. 3. 合成期：菌体合成减缓，靠已合成的酶进合成期：菌体合成减缓，靠已合成的酶进行反应，产热减少，温升小。行反应，产热减少，温升小。n如果培养前期温度上升过缓，发酵不正常；如果培养前期温度上升过缓，发酵不正常；若培养前期温度上升过于剧烈，有可能染菌。若培养前期温度上升过于剧烈，有可能染菌。n此外培养基营养越丰富，生物热也越大。此外培养基

11、营养越丰富，生物热也越大。搅拌热搅拌热Q Q搅拌搅拌 搅拌热与搅拌功率有关，可用下式计算：搅拌热与搅拌功率有关，可用下式计算：Q Q搅拌搅拌=P=P* *860860* *4186.8J/h4186.8J/hPP搅拌轴功率搅拌轴功率860860* *4186.84186.8机械能转变为热能的热机械能转变为热能的热功当量功当量蒸发热蒸发热Q Q蒸发蒸发 通气时引起发酵液的水分蒸发所需的通气时引起发酵液的水分蒸发所需的热量叫蒸发热，此外排气也会带走部热量叫蒸发热，此外排气也会带走部分热量叫显热分热量叫显热Q Q显显，显热很小，一般可，显热很小，一般可忽略。忽略。n辐射热辐射热Q Q辐射辐射 n 发

12、酵罐内温度与环境温度不同，发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。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内与环境的辐射热的大小取决于罐内与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些。温差。冬天大一些，夏天小一些。n 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辐射辐射二、二、温度对微生物的生长的影响温度对微生物的生长的影响微生物生长对温度要求不同，大致可分为：微生物生长对温度要求不同，大致可分为：n嗜冷菌：嗜冷菌： 20 20 最大最大 002626生长，生长，n嗜温菌：嗜温菌： 303035 1535 154343生长，生长，n嗜热菌：

13、嗜热菌： 50 3750 376565生长。生长。最适温度最适温度最高温度最高温度最低温度最低温度在最适温度范围内，微生物生长迅速，生在最适温度范围内，微生物生长迅速，生长速率随温度升高而增加，温度增加长速率随温度升高而增加，温度增加1010，生长速率增长一倍。生长速率增长一倍。超过最高温度微生物即受到抑制或死亡，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，但生在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。长速度非常缓慢，世代时间无限延长。如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为3737。 谷氨酸棒状杆谷氨酸棒状杆菌生长温度为菌生长温度为303032

14、 32 。青霉菌生长温度。青霉菌生长温度为为3030。为什么不同微生物对温度要求不同呢？为什么不同微生物对温度要求不同呢？ 根据根据细胞膜脂质成分细胞膜脂质成分分析表明不同最适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温度生长的微生物，其膜内磷脂组成有很大区别。大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸，嗜热菌只含饱和脂肪酸，嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。 三、温度对发酵的影响1.1.温度影响反应速率温度影响反应速率发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适反应温度，低于最适温酶反应有一个最适反应温度，低于最适温度，反应速

15、率随温度升高而上升，高于最度，反应速率随温度升高而上升，高于最适温度，发酵速率随温度升高而下降。适温度，发酵速率随温度升高而下降。阿累尼乌斯方程式阿累尼乌斯方程式 n发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解吸收速解度和传递速率、某些基质的分解吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。酵动力学特性和产物的生物合成。 2.2.温度影响发酵方向温度影响发酵方向影响关键酶活性改变发酵途径影响关键酶活性改变发酵途径. .n如如四环素产生菌四环素产生菌金色链霉菌金色链霉菌n低于低

16、于3030时合成金霉素能力较强。时合成金霉素能力较强。n温度提高温度提高, ,合成四环素的比例提高。合成四环素的比例提高。n温度达到温度达到3535时金霉素的合成几乎停止，只时金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。产生四环素。n在发酵前期在发酵前期，由于菌量少，培养目的是尽快达，由于菌量少，培养目的是尽快达到大量的菌体，因此取稍高的温度，促使菌的到大量的菌体，因此取稍高的温度，促使菌的生长及代谢。生长及代谢。n中期中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要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，因此中期温度要稍延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低些，可以推迟菌体衰老。在稍

17、低温度下，氨低些，可以推迟菌体衰老。在稍低温度下，氨基酸合成蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较基酸合成蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较严密，有利于产物合成。严密，有利于产物合成。生长不同阶段最适温度也同生长不同阶段最适温度也同n发酵后期，发酵后期，产物合成能力降低，没有必产物合成能力降低，没有必要延长发酵周期，所以提高温度刺激产要延长发酵周期，所以提高温度刺激产物合成到放罐。物合成到放罐。四、最适温度的选择1)1)最适温度，最适于菌的生长或产物的生最适温度，最适于菌的生长或产物的生成的温度，成的温度，适合菌体的生长的最适温度适合菌体的生长的最适温度发酵产物合成的最适温度发酵产物合成的最适温度2)

18、2)二阶段的发酵二阶段的发酵青霉素产生菌最适的生长温度青霉素产生菌最适的生长温度3030，而青，而青霉素合成分泌的最适温度霉素合成分泌的最适温度2020。n（3 3）其他发酵条件）其他发酵条件n根据培养条件综合考虑，灵活选择温度。根据培养条件综合考虑，灵活选择温度。n1.1.通气条件差时可适当通气条件差时可适当降低降低温度，使菌呼温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度提高一些；吸速率降低些，溶氧浓度提高一些；n2.2.培养基稀薄时，温度也该低些，因为温培养基稀薄时，温度也该低些，因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。度高营养利用快，会使菌过早自溶。n4 4）变温培养）变温培养n在抗生素发酵过程中，

19、采用变温培养往往在抗生素发酵过程中，采用变温培养往往会比恒温培养获得的产物更多。会比恒温培养获得的产物更多。n青霉素发酵青霉素发酵n0 05h,30,55h,30,535h 25,3535h 25,3585h,20,85h,20,最后回升到最后回升到2525培养培养4040小时放罐小时放罐, ,比恒温比恒温2525培养提高培养提高14.7%14.7%工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。酵热，需要冷却的情况较多。利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水利用自

20、动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。来降温，保持恒温发酵。如果气温较高（特别是我国南方的夏季气如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就差，达不到预定的温度，就可采用冷冻盐水可采用冷冻盐水进行循环式降温，进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。以保证在正常温度下进行发酵。第第2 2节节

21、pHpH值对发酵的影响及其控制值对发酵的影响及其控制一、一、pH 对发酵的影响对发酵的影响1. pH影响酶的活性。影响酶的活性。2. 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，从而改变细胞膜的透性。改变，从而改变细胞膜的透性。3. 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，从而影响微生物对这些谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用。物质的利用。3. pH不同，代谢过程不同，使代谢产不同，代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。物的质量和比例发生改变。例如n黑曲霉黑曲霉pH 23时时 柠檬酸柠檬酸pH近中性时近中性时 草酸草酸谷氨酸

22、棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌 谷氨酸发酵谷氨酸发酵中性和微碱中性和微碱 谷氨酸，谷氨酸，酸性酸性 谷氨酰胺和谷氨酰胺和 N-乙酰谷氨酰胺乙酰谷氨酰胺二、最适二、最适pHpH值的选择值的选择n选择最适发酵选择最适发酵pHpH的准则是获得最大比生产速率的准则是获得最大比生产速率和合适的菌体量和合适的菌体量, ,以获得最高产量。以获得最高产量。n举例举例: :n图图8-18-1n利福霉素利福霉素, ,最适最适pHpH值值7.0-7.57.0-7.50481216206.06.56.87.07.27.58.0种子培养基初始pH值糖酸转化率/%L-亮氨酸产量/gL-1L-亮氨酸糖酸转化率pH在微生物培养的不同

23、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：青霉素：菌体生长最适菌体生长最适pH 3.56.0， 产产物合成最适物合成最适pH 7.27.4。四环素：四环素：菌体生长最适菌体生长最适pH 6.06.8，产物合，产物合成最适成最适pH 5.86.0。简述一般发酵过程简述一般发酵过程pH值如何变化？值如何变化？在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮源在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使pH值产生一定的变化值产生一定的变化。1 1、生

24、长阶段、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，使的蛋白质，生成铵离子，使pHpH上升至碱性；随上升至碱性；随着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的积累使利用过程中有机酸的积累使pHpH值下降。值下降。2 2、生产阶段、生产阶段：这个阶段：这个阶段pHpH值趋于稳定。值趋于稳定。3 3、自溶阶段：、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使活跃，培养液中氨基氮增加，致使pHpH又上升，又上升，此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。此时菌体趋于

25、自溶而代谢活动终止。pH值值培养时间培养时间培养过程中培养培养过程中培养液液pH值的大致值的大致变化趋势变化趋势由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌体本身具有一定的调节体本身具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变化的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的pH就会波就会波动。动。 将发酵培养基调节成不同的出发将发酵培养基调节成不同的出发pHpH值，进行发值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节酵，在发酵过程中，定时测定和调节pHpH值，以分值，以分别维持出发别维

26、持出发pHpH值，或者利用缓冲液来配制培养基值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。来维持。 到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的值的pHpH值为值为菌体生长的合适菌体生长的合适pHpH值。值。 用同样的方法，可测得产物合成的合适用同样的方法，可测得产物合成的合适pHpH值。值。 同一产品的合适同一产品的合适pHpH值，与所用的菌种、培养基组值，与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。在确定合适发酵成和培养条件有关。在确定合适发酵pHpH值时，不值时，不定期要考虑培养温度的影响。定期要考虑培养温度的影响。如何确定发酵如何确定发酵pH值值?三、p

27、HpH值的调控策略值的调控策略1.1.考虑基础培养基配方考虑基础培养基配方, ,调节好基础料的调节好基础料的pHpH，然后通然后通过加酸碱或中间补料来控制。过加酸碱或中间补料来控制。基础料中含有玉米浆，基础料中含有玉米浆，pHpH呈酸性，必须调节呈酸性，必须调节pHpH。有机酸或氨水调节注意监测氧浓度变化防止菌体有机酸或氨水调节注意监测氧浓度变化防止菌体出现氨中毒。出现氨中毒。若要控制消后若要控制消后pH在在6.0，消前，消前pH往往要调到往往要调到6.56.8。2.2.在基础料中加入维持在基础料中加入维持pH pH 的物质，如的物质，如CaCOCaCO3 33.通过补料调节pHpH在发酵过程

28、中根据糖氮消耗需要进行补料。在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调在补料与调 pH pH 没有矛盾时采用补料调没有矛盾时采用补料调 pHpH。（1 1）调节补糖速率，调节空气流量来调节）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH pH 。(2(2）当当NHNH2 2-N-N低，低，pH pH 低时补氨水；当低时补氨水；当NHNH2 2-N-N低，低，pH pH 高时补高时补(NH(NH4 4) )2 2SOSO4 4 。4.4.当补料与调当补料与调 pH pH 发生矛盾时，加酸碱调发生矛盾时，加酸碱调pHpH。第第3 3节节 溶解氧对发酵的影响及其控制溶解氧对发酵的影响及其控制 详细内容见

29、详细内容见 单独的课件。单独的课件。n一般，微生物在发酵过程中的需氧量为一般，微生物在发酵过程中的需氧量为20 50 mmol / Lh ，而空气中的氧在培养液中的，而空气中的氧在培养液中的饱和浓度在一个大气压，饱和浓度在一个大气压，250C时，大约是时，大约是0.2 mmol / L。在这种情况下。如果外界不能及时。在这种情况下。如果外界不能及时补充氧，则原来培养液中的氧只能维持菌的正补充氧，则原来培养液中的氧只能维持菌的正常呼吸常呼吸15 30秒。秒。第4节 CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制n一、一、COCO2 2 对菌体的生长和产物形成的影响对菌体的生长和产物形成的影响1 CO1 CO

30、2 2影响细胞膜的结构和通透性影响细胞膜的结构和通透性当细胞膜的磷脂相中当细胞膜的磷脂相中COCO2 2浓度达到临界值时，浓度达到临界值时，膜的流动性及表面电荷密度发生变化。膜的流动性及表面电荷密度发生变化。 导致膜对许多基质的运输受阻，使细胞处导致膜对许多基质的运输受阻，使细胞处于于“麻醉麻醉”状态，生长受抑制，形态发生变状态，生长受抑制，形态发生变化。化。2 2、抑制代谢、抑制代谢 溶解在发酵液中的溶解在发酵液中的COCO2 2的抑制作用。大多数的抑制作用。大多数微生物适应低微生物适应低COCO2 2浓度（浓度（0.02 0.02 0.04 0.04 体体积分数）。积分数）。 当尾气当尾气

31、COCO2 2浓度高于浓度高于4 4 时，微生物的糖代时，微生物的糖代谢与呼吸速率下降。谢与呼吸速率下降。 COCO2 2的溶解度是的溶解度是O O2 2 的的2424倍。倍。应控制罐压。应控制罐压。n举例：青霉素生产中：举例：青霉素生产中： n CO CO2 2浓度浓度0.080.0810105 5 Pa Pa n 作用：产物的合成速率下降作用：产物的合成速率下降40 40 3 3、 作为重要的基质作为重要的基质如：在精氨酸的生物合成过程中，其前体如：在精氨酸的生物合成过程中，其前体氨甲酰磷酸的合成需要氨甲酰磷酸的合成需要CO2CO2基质基质如：牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发如：牛链球菌发

32、酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含酵条件是提供的空气中要含5%5%的的COCO2 2 。4 4、影响发酵液的酸碱平衡、影响发酵液的酸碱平衡n二、二、COCO2 2的浓度控制的浓度控制n在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。控制。控制控制COCO2 2的主要措施：的主要措施：n尽量减小罐压或负压操作；尽量减小罐压或负压操作；nH / D H / D 不要太高；不要太高； n加强搅拌；加强搅拌；n与补料工艺相结合。与补料工艺相结合。n调节通风调节通风三、呼吸商与发酵的关系摄氧率摄氧率:OUR:OURCOCO2 2的释放率的释放率(CER)(CER

33、)：呼吸商呼吸商: : RQ=CER/OURRQ=CER/OUR：（respiratoryquotient简称简称RQ），指），指生物体在同一时间内，释放生物体在同一时间内，释放COCO2 2与吸收与吸收O O2 2的体积之比或摩尔数之比。的体积之比或摩尔数之比。 酵母培养时：酵母培养时：若若RQ=1,RQ=1,表示糖代谢进行有氧分解代谢途表示糖代谢进行有氧分解代谢途径，仅供生长，无产物形成。径，仅供生长，无产物形成。若若RQ1.1,RQ1.1,表示进行表示进行EMPEMP途径，生成乙醇。途径，生成乙醇。当当RQ=0.93,RQ=0.93,生产柠檬酸；生产柠檬酸；RQ0.7RQ需氧需氧 有时有

34、抑制作用，并且浪费；有时有抑制作用，并且浪费；供氧供氧需氧需氧 对菌生长、产物代谢不利。对菌生长、产物代谢不利。三、影响氧传递的因素三、影响氧传递的因素n11、影响氧传递推动力（、影响氧传递推动力（C C* *-C-CL L）的因素的因素n2 2、影响体积氧传递系数、影响体积氧传递系数K KL La a的因素的因素CCaKOTRL氧传递方程n1 1、影响氧传递推动力（、影响氧传递推动力（C C* *-C-CL L）的因素的因素n要使推动力大，必须要使推动力大，必须C C* *大大C CL L小。小。n即应使饱和氧浓度增加。即应使饱和氧浓度增加。n影响饱和氧浓度的因素有：影响饱和氧浓度的因素有：

35、n1 1）、温度）、温度n随着温度升高，使饱和溶解度下降。随着温度升高，使饱和溶解度下降。n温度温度 0 10 15 20 25 300 10 15 20 25 30n氧溶解度氧溶解度 2.18 1.70 1.54 1.38 1.26 1.16 2.18 1.70 1.54 1.38 1.26 1.16在1.01105Pa、温度在433的范围内与空气平衡的纯水中，氧的浓度：为温度，。氧浓度，：为空气平衡时水中的tmmolwwctc; 3/6 .316 .14n2 2）、溶液的性质）、溶液的性质n不同溶液对气体溶解度不同；不同溶液对气体溶解度不同；n同一溶液，含溶质量越多，氧的溶解度越小同一溶液

36、，含溶质量越多，氧的溶解度越小。n溶液浓度溶液浓度 氧溶解度氧溶解度（克分子（克分子/ /升）升） HClHCl H H2 2SOSO4 4 NaCl NaCln0 1.26 1.26 1.260 1.26 1.26 1.26n0.5 1.21 1.21 1.070.5 1.21 1.21 1.07n1.0 1.16 1.12 0.891.0 1.16 1.12 0.89n2.0 1.12 1.02 0.712.0 1.12 1.02 0.71n3 3）、氧分压）、氧分压n在系统总压小于在系统总压小于5 5大气压的情况下，氧的溶解度大气压的情况下，氧的溶解度与总压和其它气体的分压无关，而只与氧

37、分压成与总压和其它气体的分压无关，而只与氧分压成直线关系，用亨利定律表示直线关系，用亨利定律表示nC=1/HPC=1/HPO2O2n n总结总结: :提高氧的饱和溶解度的手段：提高氧的饱和溶解度的手段：n降低温度、减少营养成分浓度、提高氧分压降低温度、减少营养成分浓度、提高氧分压。 2 2、影响体积氧传递系数、影响体积氧传递系数K KL La a的因素的因素n K KL La a表示设备的供氧能力表示设备的供氧能力SGLLWVPKakak关联式：对于牛顿型流体1）温度温度 温度升高，降低发酵液的黏度与液体的表温度升高，降低发酵液的黏度与液体的表面张力，增加了氧在液相中的扩散系数，面张力，增加了

38、氧在液相中的扩散系数，有利于提高溶氧速率。有利于提高溶氧速率。LLTakn2） 压力压力n通用式发酵罐中，通气量恒定，溶氧速率随通用式发酵罐中，通气量恒定，溶氧速率随压力的增加而增加，同时，压力的增加而增加，同时，K KL L值也随压力值也随压力的增加而增大。的增加而增大。在压力许可的范围内可行；在压力许可的范围内可行；pakLn3）搅拌搅拌n作用：作用：n（1 1）将空气打成细泡，增加气液接触面积将空气打成细泡，增加气液接触面积a an（2 2）使液体形成涡流，气泡随液体涡流，而不使液体形成涡流，气泡随液体涡流，而不是直线上升，增加气液接触时间。是直线上升，增加气液接触时间。n（3 3）减少

39、菌丝结团现象，改善细胞对氧和营养减少菌丝结团现象，改善细胞对氧和营养的吸收。的吸收。单位溶解氧功耗n溶解1mol氧所消耗的能量。料液体积。溶氧速率；因通气而消耗的功率；因搅拌而消耗的功率；：LaQGLaQGPVNPPVNPPN:n评价通风反应器重要指标：（氧传递效率）评价通风反应器重要指标：（氧传递效率）n1 1）影响体积氧传递系数）影响体积氧传递系数K KL La an2 2）单位溶解氧功耗单位溶解氧功耗N NP P能否说，提高好氧发酵中氧传递速率的能否说，提高好氧发酵中氧传递速率的最好的方法是提高搅拌速率，怎样做更最好的方法是提高搅拌速率，怎样做更有效？有效？n在低通风量时，可适当增加通风

40、量来提高氧在低通风量时，可适当增加通风量来提高氧传递速率更好些，对于菌丝体，高搅拌速率，传递速率更好些，对于菌丝体，高搅拌速率，使剪切力加大，对菌丝体损伤大。另外搅拌使剪切力加大，对菌丝体损伤大。另外搅拌转速的增加会增加单位溶解氧功耗（转速的增加会增加单位溶解氧功耗（NP），），提高氧传递速率的同时，应尽量减少通风搅提高氧传递速率的同时，应尽量减少通风搅拌功率的增加。拌功率的增加。2、发酵液的理化性质 1）发酵液黏度发酵液黏度 影响液体的湍流性以及界面或液膜阻力，影响液体的湍流性以及界面或液膜阻力， 黏度增大，黏度增大，KLa降低。降低。 2）表面活性剂表面活性剂 消泡的油脂，分布在气液界面，会增大传递消泡的油脂，分布在气液界面，会增大传递阻力，阻力，KLa降低。降低。表面活性剂表面活性剂月桂基