发酵学 第7章 发酵工艺的控制3

1、第七节第七节 CO2的影响及其控制的影响及其控制一、一、 CO2的影响的影响二、二、 CO2浓度的控制浓度的控制 CO2代谢产物合成产物的一种基质一、一、 CO2的影响的影响1、对菌体：、对菌体： CO2效应：在发酵生产中不同微生物或某一生效应：在发酵生产中不同微生物或某一生长阶段对二氧化碳有着特殊的要求（促进或必长阶段对二氧化碳有着特殊的要求（促进或必须）；须）； 如：如： CO2是大肠杆菌和链孢霉变株的生长因子，有时需达是大肠杆菌和链孢霉变株的生长因子，有时需达到到30%才能生长。才能生长。 通常对菌体生长有抑制作用。通常对菌体生长有抑制作用。 排气中高于排气中高于4时，糖代谢和呼吸速率下

2、降。时，糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中例如，发酵液中CO2的浓度达到的浓度达到1.610-1mol，就会严，就会严重抑制酵母的生长；当进气口重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混合气体的的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低时，酵母活力与对照相比降低20%。2、对产物、对产物：对发酵促进。对发酵促进。 如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含5%5%的的COCO2 2 CO2对某些发酵产生抑制作用。对某些发酵产生抑制作用。 如：氨基糖苷类抗生素紫苏霉素生产：如：氨基糖苷类抗生素紫苏霉素生产： 通以

3、通以1CO2，微生物对基质的代谢极慢，菌丝增长速度降低，紫苏霉，微生物对基质的代谢极慢，菌丝增长速度降低，紫苏霉素的产量比对照组降低素的产量比对照组降低33。 通入通入2CO2，紫苏霉素的产量比对比照组降低，紫苏霉素的产量比对比照组降低85， CO2的含量超过的含量超过3，则不产生紫苏霉素。，则不产生紫苏霉素。 二氧化碳可通过改变二氧化碳可通过改变pH而影响发酵生产。而影响发酵生产。3.影响机理：影响机理： CO2作用膜脂质核心部位，改变膜流动性及表作用膜脂质核心部位，改变膜流动性及表面电荷密度，影响膜运输效率，导致细胞生长受面电荷密度，影响膜运输效率，导致细胞生长受限制，形态改变；（限制，形

4、态改变；（HCO3- 影响细胞膜的膜蛋白）影响细胞膜的膜蛋白） 与其他物质反应，与生长必需金属离子形成碳与其他物质反应，与生长必需金属离子形成碳酸盐沉淀等，影响菌体生长和产物合成。酸盐沉淀等，影响菌体生长和产物合成。1.发酵液中发酵液中CO2浓度的影响因素：浓度的影响因素： 细胞呼吸强度；细胞呼吸强度； 发酵液流变学特性；发酵液流变学特性； 通气搅拌程度通气搅拌程度； 罐压大小；罐压大小； 设备规模设备规模二、二、 CO2浓度的控制浓度的控制大发酵罐中大发酵罐中CO2的分压是液体深度的函数，的分压是液体深度的函数，10 m深的发酵罐在深的发酵罐在0.101 MPa气压下操作，气压下操作，底部底

5、部CO2分压是顶部分压是顶部CO2分压的分压的2倍。如不倍。如不提高搅拌转数，提高搅拌转数，CO2就不易排出，在罐底形就不易排出，在罐底形成碳酸，进而影响菌体的呼吸和产物的合成碳酸，进而影响菌体的呼吸和产物的合成。成。2.二氧化碳浓度的控制方法：二氧化碳浓度的控制方法：CO2浓度控制应随它对发酵的影响而定。浓度控制应随它对发酵的影响而定。 CO2抑制产物合成：降低浓度；抑制产物合成：降低浓度； CO2促进产物合成：提高浓度。促进产物合成：提高浓度。调节罐压、通气量和搅拌速度；调节罐压、通气量和搅拌速度；补料。（青霉素：补糖，增加补料。（青霉素：补糖，增加CO2 产生，降低产生，降低PH。）。）

6、第八节第八节 补料的作用和控制补料的作用和控制同传统的分批发酵相比，FBC具有以下的优点： 可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏； 可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成菌体过量生长，发酵液过于粘稠、氧的传递能力下降等不良后果； 可作为理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础。同连续发酵相比，FBC不需要严格的无菌条件，产生菌也不会产生老化和变异等问题，适用范围也比连续发酵广泛。高浓度营养物抑制微生物生长：高浓度营养物抑制微生物生长：基质过浓使渗透压过高，细胞因脱水而死基质过浓使渗透压过高，细胞因脱水而死亡；亡；有的基质是合成产物必需的前体物质，浓有的基质是合成产物必需的前

7、体物质，浓度过高，就会影响菌体代谢或产生毒性，度过高，就会影响菌体代谢或产生毒性，使产物产量降低。使产物产量降低。采用采用FBC方式，可以控制适当的基质浓度，方式，可以控制适当的基质浓度，解除抑制作用，得到高浓度的产物。解除抑制作用，得到高浓度的产物。有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，如葡萄糖阻抑纤维素酶、赤霉素、青霉素等多种如葡萄糖阻抑纤维素酶、赤霉素、青霉素等多种酶或产物的合成。酶或产物的合成。例：缓慢流加葡萄糖，纤维素酶的产量几乎增加例：缓慢流加葡萄糖，纤维素酶的产量几乎增加200倍；将葡萄糖浓度控制在倍；将葡萄糖浓度控制在0.02水平，

8、赤霉素水平，赤霉素浓度可达浓度可达905 mgL；采用滴加葡萄糖的技术，；采用滴加葡萄糖的技术，可明显提高青霉素的发酵单位等。可明显提高青霉素的发酵单位等。随着随着FBC补料方式的不断改进，为发酵过程的优补料方式的不断改进，为发酵过程的优化和反馈控制奠定了基础。化和反馈控制奠定了基础。随着计算机、传感器等的发展和应用，已有可能随着计算机、传感器等的发展和应用，已有可能用离线方式计算或用模拟复杂的数学模型在线方用离线方式计算或用模拟复杂的数学模型在线方式实现最优化控制。式实现最优化控制。 u连续流加、不连续流加、多周期流加连续流加、不连续流加、多周期流加u快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流

9、加快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加u单组分流加、多组分流加单组分流加、多组分流加1.补料方式补料方式2.流加操作控制系统流加操作控制系统u反馈控制反馈控制u无反馈控制无反馈控制直接方法直接方法间接方法间接方法 以溶氧、以溶氧、pH值、呼吸商、排气中值、呼吸商、排气中CO2分压及代谢产物浓度等作为控分压及代谢产物浓度等作为控制参数制参数直接以限制性营养物浓度作为反馈参直接以限制性营养物浓度作为反馈参数，如控制氮源、碳源、数，如控制氮源、碳源、C/N比等比等3.3.补料中应注意的问题补料中应注意的问题选择合适的补料的时机、方式和控制指标料液的配比要恰当（如C/N等）注意对培养基性质的改变

10、（如pH值等）加强无菌控制经济、节约第九节第九节 泡沫的影响及其控制泡沫的影响及其控制气-液两相共存；表面张力大的物质存在起泡速度高于破泡速度一种是发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期的泡沫；另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫，分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显的界限3.3.泡沫的危害泡沫的危害 1.1.降低生产能力（装料系数减少）降低生产能力（装料系数减少） 引起原料浪费引起原料浪费 2.2.造成大量逃液造成大量逃液 引起染菌引起染菌 3.3.影响菌的呼吸、导致代谢异常影响菌的呼吸、导致代谢异常 4.4.菌丝粘壁菌丝粘壁（1）通气搅拌的强烈程度

11、）通气搅拌的强烈程度（2）培养基原材料的影响）培养基原材料的影响培养基中某些成分(如蛋白质及其他胶体物质)的分子，在气泡表面排列形成坚固的薄膜。（3）种子质量和接种量）种子质量和接种量菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量 （4）灭菌质量）灭菌质量培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。（5）发酵液物理性质）发酵液物理性质二、影响泡沫形成的因素二、影响泡沫形成的因素不同浓度蛋白质原科的不同浓度蛋白质原科的起泡作用起泡作用1.控制办法 调整培养基中的成分(如少加或缓加易起泡的原材料)改变某

12、些物理化学参数(如pH值、温度、通气和搅拌)改变发酵工艺(如采用分次投料)来控制，以减少泡沫形成的机会采用机械消泡或消泡剂消泡这两种方法来消除已形成的泡沫 机械法机械法：靠机械强烈振动，压力的变化，使：靠机械强烈振动，压力的变化，使气泡破裂，或借助机械力将排出气体中的液体气泡破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收加以分离回收化学法化学法：添加消泡剂（油类等），应用面广：添加消泡剂（油类等），应用面广优点：节省原料，减少染菌机会。优点：节省原料，减少染菌机会。缺点：消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方法。缺点：消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方法。罐内消泡罐内消泡靠罐内消泡桨转动打碎

13、泡沫。靠罐内消泡桨转动打碎泡沫。罐外消泡罐外消泡将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离心力来消除泡沫。将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离心力来消除泡沫。（1）消泡剂的作用机理：）消泡剂的作用机理： 由于消泡剂本身的表面张力较低，当其与气泡膜表面接触时，使气泡膜局部的表面张力降低，从而使气泡破裂。 降低泡沫液膜的机械强度； 降低液膜的表面黏度； 兼有两者的作用，达到破裂泡沫的目的。（2）消泡剂的特点）消泡剂的特点是表面活性剂，具有一定的亲水性，低浓是表面活性剂，具有一定的亲水性，低浓度可以发挥作用，有持久性，无毒，不干度可以发挥作用，有持久性，无毒，不干扰传氧及产物分离，价廉并能高温灭菌。扰

14、传氧及产物分离，价廉并能高温灭菌。（3 3）常用的消泡剂）常用的消泡剂天然油脂类天然油脂类豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵试验检验。试验检验。聚醚类：如泡敌，聚醚类：如泡敌，氧化丙稀、环氧乙烷与甘油聚合；亲水性好，在发泡介质中氧化丙稀、环氧乙烷与甘油聚合；亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，作用快，溶解度大，消泡活性维持时间易铺展，消泡能力强，作用快，溶解

15、度大，消泡活性维持时间短，用于粘稠发酵液的效果比用于稀薄的好。短，用于粘稠发酵液的效果比用于稀薄的好。消泡能力为豆油的消泡能力为豆油的10 20倍，用量少，倍，用量少，0.02%-0.03%。小小 结结气液接触气液接触 气体从外部进入气体从外部进入 气体从内部产生气体从内部产生含助泡剂含助泡剂起泡速度高于破泡速度起泡速度高于破泡速度通气搅拌通气搅拌培养基配比与原料组成培养基配比与原料组成种子质量和接种量种子质量和接种量灭菌质量灭菌质量发酵液物理性质发酵液物理性质降低生产能力降低生产能力引起原料浪费引起原料浪费引起染菌引起染菌影响菌的呼吸影响菌的呼吸菌丝粘壁菌丝粘壁消泡方法：化学法、机械法消泡方

16、法：化学法、机械法第十节第十节 发酵终点的判断发酵终点的判断产物形成过程：生长 产物合成 衰老到了衰亡期，菌体的产物分泌能力都要下降，产物的生产率相应下降或停止。有的产生菌在衰亡期，营养耗尽，菌体衰老而进入自溶，释放出体内的分解酶会破坏已形成的产物。 合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的生产率和产品成本，采用生产率高而成本又低的时间，作为放罐时间。确定合理放罐时间，需考虑下列几个因素：一、经济因素 以最低的成本来获得最大生产率的时间为最适发酵时间。缩短发酵周期，设备的利用率提高，但单位体积发酵液的产物产量增长有限延长时间，平均生产率下降，而动力消耗、

17、管理费用支出、设备消耗等费用仍在增加，因而产物成本增加。二、产品质量因素发酵时间太短，残留过多尚未代谢的营养物质，不利于提取、分离。发酵时间太长，菌体自溶，释放出菌体蛋白或体内的酶，改变发酵液性质，增加过滤难度，延长过滤时间，破坏一些不稳定产物。太长或太短均会使产物质量下降，副产物含量增加。三、特殊因素异常情况：染菌、代谢异常(糖耗缓慢等)避免损失，挽救。判断放罐指标： 产物浓度、过滤速度、氨基氮、菌丝形态， pH、培养液的外观、粘度菌体自溶前的迹象： 氨基氮升高、 pH升高、菌丝碎片增多、粘度增大、过滤速度降低放罐临近时，加糖、补料或消泡剂都要慎重，因残留物对提取有影响。补料可根据糖耗速率计

18、算到放罐时允许的残留量来控制。概念概念菌体浓度菌体浓度 发酵热发酵热补料分批培养补料分批培养要点要点按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化可将分批发酵分为哪三种类型化可将分批发酵分为哪三种类型次级代谢产物抗生素发酵过程的代谢变化次级代谢产物抗生素发酵过程的代谢变化过程过程菌体浓度对发酵过程的影响及控制办法菌体浓度对发酵过程的影响及控制办法碳源对发酵过程的影响及控制办法碳源对发酵过程的影响及控制办法氮源对发酵过程的影响及控制办法氮源对发酵过程的影响及控制办法磷酸盐对发酵过程的影响及控制办法磷酸盐对发酵过程的影响及控制办法温度对对发酵过程的影响及控制办法温度对对发酵过程的影响及控制办法发酵过程中引起