发酵过程的控制

1、第九章第九章 发酵过程的控制发酵过程的控制过程控制的重要性过程控制的重要性 菌株特性菌株特性(营养要求、生长速率、营养要求、生长速率、 呼吸强度、产物合成速率呼吸强度、产物合成速率) 传递性能传递性能 物理：物理：n、T、Ws 化学化学：pH、DO、浓度浓度 过程控制的意义：过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数 的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的 控制。控制。决定发酵决定发酵单位单位(水平水平)的因素的因素外部环外部环境因素境因素工艺条件工艺条件http:/ 在发酵过程中，过程状态

2、经历着不断的变化，在发酵过程中，过程状态经历着不断的变化，尤其是分批发酵这种状态的变化更快。尤其是分批发酵这种状态的变化更快。 底物和营养物由于生物活性而变化，生物量的底物和营养物由于生物活性而变化，生物量的增加和生物量组成也在变化增加和生物量组成也在变化(包括物理、生化和包括物理、生化和形态学上的变化），而各种具有生物活性的产形态学上的变化），而各种具有生物活性的产物被积累。物被积累。 发酵过程检测和控制的目的就是利用尽量少的发酵过程检测和控制的目的就是利用尽量少的原料而获得最大的所需产物原料而获得最大的所需产物。2、发酵过程监控的主要指标、发酵过程监控的主要指标 代谢参数按性质可分为三类：

3、代谢参数按性质可分为三类：物理参数：物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等化学参数：化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、基质浓度（包括糖、氮、磷）、 pH、产物浓度、核酸量等产物浓度、核酸量等生物参数：生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等 当然并非所有产品的发酵过程中都需检测上述当然并非所有产品的发酵过程中都需检测上述全部参数，而是根据该产品的特点和可能条件，全部参数，

4、而是根据该产品的特点和可能条件，有选择地检测部分参数。有选择地检测部分参数。参数按获取方式可分为两类：参数按获取方式可分为两类：直接参数：直接参数：如如T、pH、罐压、空气流量、罐压、空气流量、搅拌转速、溶氧浓度等搅拌转速、溶氧浓度等 间接参数：间接参数：将直接参数通过公式计算获得将直接参数通过公式计算获得的的 如摄氧率如摄氧率()、呼吸强度、呼吸强度(QO2)、比生长速、比生长速 率（率（) 、体积溶氧系数、体积溶氧系数(KLa)、呼吸商、呼吸商(RQ)等。等。参数的测量形式参数的测量形式离线测量：离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、前体基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代谢产物（抗生素、

5、酶、有机酸、氨基酸等）和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）在线测量：在线测量：如如T 、pH、DO、溶解、溶解CO2、尾气、尾气CO2、黏度、搅拌转速等黏度、搅拌转速等 优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便于计算机控制。便于计算机控制。 困难：传感器要求较高。困难：传感器要求较高。对传感器的要求对传感器的要求 能经受高压蒸汽灭菌；能经受高压蒸汽灭菌； 传感器及其二次仪表具有长期稳定性；传感器及其二次仪表具有长期稳定性； 最好能在过程中随时校正，灵敏度好；最好能在过程中随时校正，灵敏度好； 探头材料不易老化，使用寿命长；探头材料不易老化，使

6、用寿命长； 安装使用和维修方便；安装使用和维修方便； 解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题；塞问题； 价格合理，便于推广。价格合理，便于推广。3、监控方式、监控方式 一般监控系统包括一般监控系统包括3个部分。个部分。 1测定元件：如温度计、压力表、电流计、测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH计计直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。 2控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号种参数信号与预先确定值进行比较，并

7、且输出信号指令执行元件进行调整控制。指令执行元件进行调整控制。 3执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参闭有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位置。数达到预定位置。 关于控制方式，有手动控制和自动控制两类。关于控制方式，有手动控制和自动控制两类。 1.1.手动控制：这是最简易的控制方法。例如，调手动控制：这是最简易的控制方法。例如，调节发酵温度，通过控制发酵罐夹套的冷却水节发酵温度，通过控制发酵罐夹套的冷却水( (或蒸或蒸汽汽) )流量来调节发酵液的温度。手动控制方法简单，流量来调节发酵液的温

8、度。手动控制方法简单，不需特殊的附加装置，投资费用较少，劳动强度较不需特殊的附加装置，投资费用较少，劳动强度较大，控制的合适也可减少误差。大，控制的合适也可减少误差。 2.2.自动控制：采用自动控制时，必须使测定元件自动控制：采用自动控制时，必须使测定元件产生输出信号并用仪表监视。如测定温度时，可用产生输出信号并用仪表监视。如测定温度时，可用热电偶代替温度计，并与控制部分相连，控制部分热电偶代替温度计，并与控制部分相连，控制部分再产生信号驱动执行元件进行操作。再产生信号驱动执行元件进行操作。 4、发酵过程的常规监控、发酵过程的常规监控 1温度温度2pH值值3泡沫泡沫4罐压罐压5空气流量空气流量

9、6搅拌转速搅拌转速 参数检测方法参数检测方法 温度测量温度测量 感温元件：热电偶（温度信号感温元件：热电偶（温度信号 电信号电信号） 二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成 被测介质的温度被测介质的温度参数检测方法参数检测方法 搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式，搅拌转速：磁感应式，光感应式， 测速电机；测速电机；搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。参数检测方法参数检测方法 罐压测量罐压测量 压力表压力表 压力传感器压力传感器参数检测方法参数检测方法 空气流量测定空气流量测定体积流量

10、型：体积流量型： 会引起流体能量损失，受温度和压力变化的会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；影响； 同心孔板压差式流量计；同心孔板压差式流量计； 转子流量计。转子流量计。质量流量型：质量流量型： 根据流体固有性质（质量、导电性、热传导根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。性能）设计的流量计。参数检测方法参数检测方法 料液计量与液位控制料液计量与液位控制 压差法：压差法：H=（P2/P1）H 直接重量测量法：直接称重直接重量测量法：直接称重 体积计量法：计算进出料液体积计量法：计算进出料液 流量计量法：计算流量和时间流量计量法：计算流量和时间 液位探针液位探针参数检测

11、方法参数检测方法 发酵液粘度测定发酵液粘度测定 毛细管粘度计毛细管粘度计 回转式粘度计回转式粘度计 涡轮旋转粘度计涡轮旋转粘度计参数检测方法参数检测方法 pH测量测量 复合复合pH电极电极 pH测量仪器测量仪器参数检测方法参数检测方法 溶解氧的测量溶解氧的测量 化学法化学法 极谱法极谱法 复膜氧电极法复膜氧电极法 复膜氧电极示意图复膜氧电极示意图（a）极谱型极谱型 （b）原电池型原电池型参数检测方法参数检测方法 溶解二氧化碳测量溶解二氧化碳测量 复膜式电极法复膜式电极法 渗透膜渗透膜碳酸氢钠法碳酸氢钠法 发酵尾气的在线分析发酵尾气的在线分析 CO2分析分析 O2分析分析参数检测方法参数检测方法

12、 细胞浓度的测量细胞浓度的测量 化学法：如化学法：如DNA、RNA分析等分析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、物理法：如重量分析、分光光度分析、 浊度分析等浊度分析等新技术：以电容法为测量原理的在线新技术：以电容法为测量原理的在线 活细胞浓度测量传感器活细胞浓度测量传感器 第一节第一节 温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制一、一、 发酵热发酵热- - 发酵过程中释放出的净热量。发酵过程中释放出的净热量。 J / m J / m3 3 h h 或或 - - 单位体积的发酵液在单位时间内释放出来的单位体积的发酵液在单位时间内释放出来的净热量。净热量。 Q发酵发酵 = Q生物生物 +

13、 Q搅拌搅拌 - Q蒸发蒸发 - Q显显 Q辐射辐射1 1、生物热、生物热 （QQ生物生物） 产生菌在生长繁殖过程中本身会产产生菌在生长繁殖过程中本身会产生大量的热，此为生物热。生大量的热，此为生物热。 这种热的主要来源是培养基中的碳这种热的主要来源是培养基中的碳水化合物、脂肪和蛋白质等的分解水化合物、脂肪和蛋白质等的分解。 释放出的能量部分用来合成高能化合释放出的能量部分用来合成高能化合物物(ATP),(ATP),部分用来合成产物，其余的则以部分用来合成产物，其余的则以热的形式散发出来。热的形式散发出来。影响生物热的因素： 菌株特性菌株特性 培养基成分和浓度培养基成分和浓度 发酵时期发酵时期

14、 菌株对营养物质利用的速率越大，培养菌株对营养物质利用的速率越大，培养基成分越丰富，生物热也就越大。基成分越丰富，生物热也就越大。 发酵旺盛期的生物热大于其它时间的生发酵旺盛期的生物热大于其它时间的生物热物热 （四环素（四环素20-5020-50小时；小时； 苏云金杆菌苏云金杆菌10-10-1818小时）小时）2、搅拌热 （Q搅拌） 搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间、液体和设备之间的摩擦，产生数量之间、液体和设备之间的摩擦，产生数量可观的热。可观的热。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算： Q = P 860 4186.8 (J / h)P - P -

15、搅拌轴功率，搅拌轴功率，kWkW8608604186.8 - 4186.8 - 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， J /kW.hJ /kW.h影响因素： 搅拌器的类型及搅拌速度搅拌器的类型及搅拌速度3、蒸发热 （Q蒸发蒸发) 空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换，同时必然会引起水分的蒸触进行热交换，同时必然会引起水分的蒸发，蒸发所需的热量即为蒸发热。发，蒸发所需的热量即为蒸发热。4、显热 （Q显显）排出气体所带的热排出气体所带的热5、辐射热 （Q辐射） 因罐内外的温度不同，发酵液中有部因罐内外的温度不同，发酵液中有部分热通过罐

16、体向外辐射。分热通过罐体向外辐射。 辐射热的大小决定于罐内外的温差辐射热的大小决定于罐内外的温差1 1）菌种特性）菌种特性2 2）培养基）培养基 （成分及配比）（成分及配比）3 3）发酵阶段）发酵阶段4 4）搅拌类型及搅拌速度）搅拌类型及搅拌速度5 5）通气速度）通气速度 （影响（影响Q Q蒸发和蒸发和Q Q显）显）6 6）罐内外的温差）罐内外的温差 影响发酵温度的因素： 由于Q生物、Q蒸发、Q显在发酵过程中随时间而变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化。为了使发酵在一定温度下进行，必须采取措施加以控制。二、发酵热的测定二、发酵热的测定方法一： 通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水的通

17、过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热：进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热： Q发酵发酵 = GC (t2 2- t1 1) / V (J / m3 h) G - G - 冷却水流量，冷却水流量，kg/hkg/h C - C - 水的比热，水的比热， J/kg J/kg t t 1 1、t t 2 2 - - 进、出口的冷却水温度，进、出口的冷却水温度， V - V - 发酵液体积发酵液体积 ， m m3方法二： 通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制装置测得温度随时间上升的速率再关闭自动控制装置

18、测得温度随时间上升的速率S, S, 按下式可求得发酵热按下式可求得发酵热 ： Q 发酵发酵 = K SS - S - 温度随时间上升的速率，温度随时间上升的速率，/h/hK - K - 总参数，代表系统的热容量，总参数，代表系统的热容量，J/LJ/LK值可由下式求得： K = (MCp)发酵液发酵液 + (MCp)容器容器 + (MCp)附件附件M M 以每升发酵液计的发酵液、容器、附件的重以每升发酵液计的发酵液、容器、附件的重量量Cp Cp 代表各自的比热代表各自的比热一般微生物发酵过程中的最大发酵热约为 4.186 (30008000) kJ / m3 h三、温度与发酵的关系三、温度与发酵

19、的关系1、温度对微生物生长的影响 嗜冷菌在温度低于嗜冷菌在温度低于2020下生长速率最大下生长速率最大 嗜中温菌在嗜中温菌在30-3530-35左右生长速率最大左右生长速率最大 嗜热菌在嗜热菌在5050以上生长速率最大以上生长速率最大 曲线形状相似；当温度增加曲线形状相似；当温度增加1010，生长速率大，生长速率大致增长一倍。致增长一倍。 当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅速下降。加而迅速下降。 微生物产物的生成与微生物的生长一样受微生物产物的生成与微生物的生长一样受温度的影响，但适于生长和适于产物合成的温度的影响，但适于生长和适于产物合成的

20、温度不一定相同；必须分别考察，在考虑培温度不一定相同；必须分别考察，在考虑培养温度时需要采用折中的办法。养温度时需要采用折中的办法。 温度也会影响微生物培养的其它重要方面，如细胞得率系数等。 当温度超过一定当温度超过一定数值，细胞得率数值，细胞得率降低。主要原因降低。主要原因是生命活动维持是生命活动维持方面的需求增加。方面的需求增加。2、温度对发酵的影响 温度对发酵的影响是各种因素综合表现的结果 从酶动力学来看，温度升高，反应速率加大，代从酶动力学来看，温度升高，反应速率加大，代谢加快，生产期提前；但因酶本身很易因热而失去谢加快，生产期提前；但因酶本身很易因热而失去活性，温度越高，酶的失活也越

21、快，表现在菌体易活性，温度越高，酶的失活也越快，表现在菌体易于衰老，发酵周期缩短，影响产物的最终产量。于衰老，发酵周期缩短，影响产物的最终产量。1） 温度影响产物合成的速率及产量 温度除了直接影响发酵过程中各种反应速率外，还通过改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。2）温度可能会影响终产物的质量 例如： 苏云金杆菌的发酵，一般在苏云金杆菌的发酵，一般在30-3130-31进行，这样形进行，这样形成的晶体毒力强。若发酵温度提高到成的晶体毒力强。若发酵温度提高到3737以上，虽然以上，虽然菌体生长繁殖较快，最终含菌数也较高，但生物毒力菌体生长繁殖较快，最终含菌数也较高，但生物毒力较低，直接影

22、响产品的质量。较低，直接影响产品的质量。3）温度还可能影响生物合成的方向 例如： 四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于于3030下，该菌合成金霉素能力较强；温度提高，合下，该菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例提高；在温度达到成四环素的比例提高；在温度达到3535时，则只产生时，则只产生四环素，金霉素的合成停止。四环素，金霉素的合成停止。四、最适温度的选择四、最适温度的选择 最适温度是指在该温度下最适于菌的生长最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的形成。或产物的形成。 在发酵的整个周期内仅选一个温度不一定在发酵的整个周期内

23、仅选一个温度不一定好。好。 因为最适合菌生长的温度不一定适合产因为最适合菌生长的温度不一定适合产物的合成。物的合成。例如： 青霉素产生菌的最适生长温度是30，而最适于青霉素合成的温度是20。 发酵过程中，在生长初期抗生素还未开发酵过程中，在生长初期抗生素还未开始合成，菌丝还未长浓，这时的温度应适于始合成，菌丝还未长浓，这时的温度应适于微生物的生长；到抗生素分泌期，菌丝已长微生物的生长；到抗生素分泌期，菌丝已长到一定浓度，积累抗生素是重点考虑，此时到一定浓度，积累抗生素是重点考虑，此时应满足生物合成的最适温度。应满足生物合成的最适温度。温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握 通气条件 在通气条件

24、差的情况下，最适的发酵温在通气条件差的情况下，最适的发酵温度应比在正常良好通气条件下低一些；这度应比在正常良好通气条件下低一些；这是由于在较低的温度下，氧溶解度相应大是由于在较低的温度下，氧溶解度相应大些，菌的生长速率相应小些，从而弥补可些，菌的生长速率相应小些，从而弥补可能因通气不足而造成的代谢异常能因通气不足而造成的代谢异常。 培养基成分和浓度 在使用较稀薄或较易利用的培养基时，提高在使用较稀薄或较易利用的培养基时，提高培养温度则养料往往过早耗竭，导致菌丝过早培养温度则养料往往过早耗竭，导致菌丝过早自溶，使抗生素产量降低。自溶，使抗生素产量降低。利用计算机模拟确定最佳发酵条件，正逐步得到推

25、广应用。 根据模拟计算机对发酵温度最佳点的计根据模拟计算机对发酵温度最佳点的计算，得到青霉素发酵的最适温度是：算，得到青霉素发酵的最适温度是：起初起初5h5h维持在维持在3030；随后降到；随后降到2525，培养，培养35h35h；再降到再降到2020培养培养85h85h；最后回升到；最后回升到2525培养培养40h40h放罐。放罐。 采用这种变温培养，比在采用这种变温培养，比在2525恒温培养恒温培养青霉素产量提高青霉素产量提高15%15%。五、温度的控制五、温度的控制方法： 罐壁调温罐壁调温 夹层调温夹层调温 罐内调温罐内调温 第二节第二节 pHpH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制

26、一、一、pHpH对菌体生长和产物合成的影响对菌体生长和产物合成的影响1）pH影响酶的活性 当当pHpH抑制菌体中某些酶的活性时，使抑制菌体中某些酶的活性时，使菌体的新陈代谢受阻菌体的新陈代谢受阻2）pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄，因此影响代谢的正常进行。4）pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。 3）影响培养基某些组分和中间产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用。 例如：黑曲霉在pH2-3时，发酵产生柠檬酸，在pH接近中性时，则产生草酸。 又如：丙酮丁醇发酵中，发酵后期pH为4.3-5.

27、3时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。二、发酵过程中二、发酵过程中pHpH的变化及影响的变化及影响pHpH变化的因素变化的因素1、发酵过程中pH的变化1）生长阶段 pHpH有上升或下降趋势（相对于接种后起始有上升或下降趋势（相对于接种后起始pHpH而言）而言）如：利福霉素B发酵起始pH为中性，但生长初期由于菌体产生的蛋白酶水解蛋白胨而生成铵离子，使pH上升至碱性；接着，随着铵离子的利用及葡萄糖利用过程中产生的有机酸使pH下降到酸性范围。2）生产阶段 在生产阶段，在生产阶段，pHpH趋于稳定，趋于稳定，维持在最适产物合成的范围维持在最适产物合成的范围3）自溶阶段 菌

28、丝自溶阶段，随着基质的耗尽，菌菌丝自溶阶段，随着基质的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使致使pHpH上升，此时菌丝趋于自溶而代谢活上升，此时菌丝趋于自溶而代谢活动终止。动终止。2、引起发酵液中pH变化的因素 发酵过程中发酵过程中pHpH的变化取决于微生物的的变化取决于微生物的种类、培养基的组成和发酵条件。种类、培养基的组成和发酵条件。 在菌体代谢过程中，菌体本身有建成在菌体代谢过程中，菌体本身有建成其生长最适其生长最适pHpH的能力，但外界条件发生较的能力，但外界条件发生较大变化时，大变化时，pHpH将会不断波动。将会不断波动。引起pH下降的因

29、素： （凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消（凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗的发酵，其耗的发酵，其pHpH都会下降）都会下降） 1 1）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，萄糖过量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大量积累而致使有机酸大量积累而pHpH下降。下降。2 2）消泡油加得过多）消泡油加得过多3 3）生理酸性物质的存在，氨被利用，）生理酸性物质的存在，氨被利用，pHpH下降下降引起pH上升的因素： （凡是导致碱性物质生成或释放及酸性物（凡是导致碱性物质生成或释放及酸性物质消耗的

30、发酵，其质消耗的发酵，其pHpH都会下降）都会下降）1 1）培养基中碳氮比例不当，氮源过多，氨基氮）培养基中碳氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放，使释放，使pHpH上升。上升。2 2）生理碱性物质存在）生理碱性物质存在3 3）中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使）中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pHpH上升。上升。三、最适三、最适pHpH的选择的选择1、微生物生长和产物合成的最适pH 大多数细菌生长的最大多数细菌生长的最适适pH6.3pH 霉菌最适生霉菌最适生长长pH3pH36 6 放线菌生长最适放线菌生长最适 pH7pH78 8 微生物生长阶段和产物合成阶段的

31、最适微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pHpH往往不同，这不仅与菌种特性有关，也往往不同，这不仅与菌种特性有关，也取决于产物的化学性质。取决于产物的化学性质。例如： 一般产生碱性抗生素的，如灰色链霉一般产生碱性抗生素的，如灰色链霉菌生产链霉素、红色链霉菌产生红霉素，菌生产链霉素、红色链霉菌产生红霉素，其合成产物的最适其合成产物的最适pHpH为为6.8-7.36.8-7.3，中性偏，中性偏碱；而产生两性抗生素的，如金色链霉碱；而产生两性抗生素的，如金色链霉菌生产金霉素，其合成产物的最适菌生产金霉素，其合成产物的最适pHpH为为5.9-6.3,5.9-6.3,弱酸性。弱酸性。2、最适pH的选择 选

32、择合适选择合适pHpH值的准则是值的准则是有利于菌的生长和产物的合成，以获得较高的产量 生长期和生产期的生长期和生产期的pHpH不一定相同不一定相同 例如利福霉素例如利福霉素B B发酵的最佳发酵的最佳pHpH方案方案是：生长期是：生长期pH保持在保持在6.5，生产期，生产期pH为为7.0。四、 pH的控制1、在基础培养基配方中考虑到维持pH的需要 例如调节碳氮比例如调节碳氮比(C/N(C/N ) )，使用缓冲液等，使用缓冲液等2、通过补加酸、碱来调节控制3、通过中间补料来控制 例如可以根据生产菌的代谢需要用改变加糖速率例如可以根据生产菌的代谢需要用改变加糖速率来控制来控制pH, pH, 也可通

33、过中间补加尿素或硫酸铵等调节也可通过中间补加尿素或硫酸铵等调节第三节第三节 基质浓度对发酵的影响及其控制基质浓度对发酵的影响及其控制一、基质浓度对发酵的影响一、基质浓度对发酵的影响1、 对生长的影响可用可用Monod Monod 方程来描述基质浓度与生长速率方程来描述基质浓度与生长速率的关系的关系 = maxSKs + S -比生长速率比生长速率 max - max - 最大比生长速率最大比生长速率S - S - 基质浓度基质浓度Ks - Ks - 饱和常数饱和常数 （ = 0.5= 0.5 maxmax时的基质时的基质浓度）浓度） S SKsKs， 趋向于趋向于 maxmax 然而，由于代谢

34、产物或基质浓度过浓可然而，由于代谢产物或基质浓度过浓可能会导致抑制作用，出现比生长速率下降。能会导致抑制作用，出现比生长速率下降。 当浓度超过某值，还可能导致细胞脱水。当浓度超过某值，还可能导致细胞脱水。2、 对产物形成的影响 基质浓度对产物形成的影响类似于生长基质浓度对产物形成的影响类似于生长 在一定范围内，基质浓度大，通常产物产量高在一定范围内，基质浓度大，通常产物产量高 过浓，使菌体生长过于旺盛，发酵液非常粘稠，过浓，使菌体生长过于旺盛，发酵液非常粘稠，传质状况差，对产物的合成不利传质状况差，对产物的合成不利例如： 以乙醇为碳源发酵谷氨酸，当乙醇浓度达以乙醇为碳源发酵谷氨酸，当乙醇浓度达

35、35g/L35g/L，可延长谷氨酸生产时间，提高产量；但在更高浓度可延长谷氨酸生产时间，提高产量；但在更高浓度下，菌体生长受到抑制，产量降低下，菌体生长受到抑制，产量降低二、二、 基质浓度的控制基质浓度的控制 补料控制补料控制 为解除基质过浓的抑制、产物的反馈抑制为解除基质过浓的抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖效应，以及避免在分批发酵中因一和葡萄糖效应，以及避免在分批发酵中因一次性投糖（料）过多造成细胞大量生长，耗次性投糖（料）过多造成细胞大量生长，耗氧过多而供氧不足的状况，通常采用中间补氧过多而供氧不足的状况，通常采用中间补料工艺。料工艺。补料的方式： 1）于预定时间一次性补料或间歇补料）于预定

36、时间一次性补料或间歇补料 2）连续恒速补料）连续恒速补料 3）变速补料（指数流加）变速补料（指数流加） 为有效地进行中间补料，须选择恰当的反为有效地进行中间补料，须选择恰当的反馈控制参数；掌握这些参数与微生物生长、馈控制参数；掌握这些参数与微生物生长、基质利用和产物形成之间的关系。基质利用和产物形成之间的关系。反馈控制操作分直接法和间接法1）直接法： 直接以限制性营养物质浓度作为反馈控直接以限制性营养物质浓度作为反馈控制参数制参数例如碳源、氮源、碳氮比例如碳源、氮源、碳氮比 由于缺乏直接测量重要参数的传感器，该法由于缺乏直接测量重要参数的传感器，该法的使用受到一定限制。的使用受到一定限制。 目

37、前只有少数基质，如甲醇、乙醇、葡萄目前只有少数基质，如甲醇、乙醇、葡萄糖等可直接测量糖等可直接测量2）间接法 以溶氧、呼吸商、代谢物浓度等作为反以溶氧、呼吸商、代谢物浓度等作为反馈控制参数馈控制参数第四节第四节 溶氧浓度对发酵的影响及控制溶氧浓度对发酵的影响及控制一、溶氧测定的意义一、溶氧测定的意义1 1、溶氧作为发酵中氧是否足够的度量，了解菌对氧利、溶氧作为发酵中氧是否足够的度量，了解菌对氧利用的规律。用的规律。2 2、溶氧作为发酵异常情况的指示、溶氧作为发酵异常情况的指示 溶氧一反往常，在较短的时间内跌到零附近，溶氧一反往常，在较短的时间内跌到零附近，且跌零后长时间不回升，这很可能说明污染

38、了且跌零后长时间不回升，这很可能说明污染了好气菌好气菌; ; 如发酵过程中溶氧迅速回升，发酵液变稀，如发酵过程中溶氧迅速回升，发酵液变稀，则很可能是污染了噬菌体则很可能是污染了噬菌体. .3 3、溶氧作为发酵中间控制的手段之一、溶氧作为发酵中间控制的手段之一 补糖后，溶氧出现明显下降的趋势补糖后，溶氧出现明显下降的趋势 因此可利用溶氧作为参数来控制加料的次数、因此可利用溶氧作为参数来控制加料的次数、流加速度和加入量流加速度和加入量4 4、溶氧作为考查设备、工艺条件对氧供需与产物形、溶氧作为考查设备、工艺条件对氧供需与产物形成影响的指标之一成影响的指标之一二、适当溶解氧的选择 在好氧微生物反应中

39、，一般取在好氧微生物反应中，一般取 DO DO DOcriDOcri 以保证反应的正常以保证反应的正常进行。进行。临界氧浓度是不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度。 氧的满足度氧的满足度 实际溶解氧浓度与临界氧浓度之比。合适溶解氧选择的原则： 如果要使菌体快速生长繁殖（如发酵前期），如果要使菌体快速生长繁殖（如发酵前期），则应达到临界氧浓度；如果要促进产物的合成，则应达到临界氧浓度；如果要促进产物的合成，则应根据生产的目的不同，使溶解氧控制在最适则应根据生产的目的不同，使溶解氧控制在最适浓度（不同的满足度）浓度（不同的满足度）例如：黄色短杆菌可生产多种氨基酸黄色短杆菌可生产多种氨基酸 ，但要求的氧

40、浓度，但要求的氧浓度可能不同可能不同 对谷氨酸和天门冬氨酸的生产，当溶解氧浓度对谷氨酸和天门冬氨酸的生产，当溶解氧浓度低于临界氧浓度时，氨基酸产量下降，也就是说低于临界氧浓度时，氨基酸产量下降，也就是说要求氧的满足度要求氧的满足度 = 1= 1 但对于苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的生产，则在但对于苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的生产，则在低于临界氧浓度时获得最大生产能力，它们的最低于临界氧浓度时获得最大生产能力，它们的最佳氧浓度分别为临界氧浓度的佳氧浓度分别为临界氧浓度的 0.550.55、0.660.66、0.850.85。三、发酵液中溶解氧的控制三、发酵液中溶解氧的控制 培养液中溶解氧浓度的任何变化

41、都是供培养液中溶解氧浓度的任何变化都是供需平衡的结果，因此调节发酵液中溶氧量需平衡的结果，因此调节发酵液中溶氧量不外乎从供、需两方面考虑、着手。不外乎从供、需两方面考虑、着手。G/ = KLa V (C* - CL)G -G -溶解于液体中的氧量，溶解于液体中的氧量，mmolmmol - - 气气- -液接触时间，液接触时间，h h V - V - 培养液的体积，培养液的体积，L LC CL L - - 液相中氧的浓度，液相中氧的浓度，mmolmmol/L/LC C* * - - 与气相中氧分压相平衡的液相中的氧饱和与气相中氧分压相平衡的液相中的氧饱和浓度，浓度，mmolmmol/L/LK K

42、L L - - 以浓度差表示推动力的传质系数（氧传质以浓度差表示推动力的传质系数（氧传质系数），系数），m/hm/ha- a- 比表面积（即单位体积的液体中所含的气比表面积（即单位体积的液体中所含的气- -液液接触面积），接触面积），m m2 2/m/m3 3 1、供氧方面1 1）增加空气中氧的含量，使氧分压增加，进行富）增加空气中氧的含量，使氧分压增加，进行富氧通气氧通气 富氧空气制备： 深冷分离法深冷分离法 （可得（可得99.9%)99.9%) 吸附分离法吸附分离法 （吸去（吸去N N2 2和和COCO2 2) ) 膜分离法膜分离法 （有机物高分子膜；（有机物高分子膜；30%30%）成本高

43、，易爆炸成本高，易爆炸 ；但关键时期使用也是明智的；但关键时期使用也是明智的2 2）提高罐压）提高罐压 但同时会增加但同时会增加COCO2 2的溶解度（比氧气高的溶解度（比氧气高3030倍），影响倍），影响pHpH、可能会影响菌的代谢。、可能会影响菌的代谢。 一般一般0.30.31kg /cm1kg /cm2 23 3）改变通气速率）改变通气速率4 4）增加搅拌速度）增加搅拌速度2、需氧方面 rO2=QO2X1 1）调整养料的浓度）调整养料的浓度 2 2）调节控制温度）调节控制温度Note ： 溶氧浓度必须与其它参数配合起来分析第五节第五节 泡沫对发酵的影响及控制泡沫对发酵的影响及控制一、泡沫

44、对发酵的影响一、泡沫对发酵的影响1 1）降低了发酵罐的装液系数）降低了发酵罐的装液系数2 2）增加了菌群的非均一性）增加了菌群的非均一性3 3）增加了污染杂菌的机会）增加了污染杂菌的机会4 4）导致产物的损失）导致产物的损失二、起泡机理二、起泡机理 当气体通入纯水的气当气体通入纯水的气- -液界面时，气泡只能维持几液界面时，气泡只能维持几分之一秒，其稳定性等于零，这是由于能学上的不稳分之一秒，其稳定性等于零，这是由于能学上的不稳定性和围绕气泡的液膜强度很低所致。定性和围绕气泡的液膜强度很低所致。 当气体通入起泡剂液体，因这些物质具有某些亲水当气体通入起泡剂液体，因这些物质具有某些亲水基团和疏水

45、基团，分子带极性的一端向着水溶液，而基团和疏水基团，分子带极性的一端向着水溶液，而非极性一端向着空气，并力图在表面作定向排列，增非极性一端向着空气，并力图在表面作定向排列，增加了泡沫的机械强度。加了泡沫的机械强度。 培养基中蛋白质以及微生物菌体等为起泡物培养基中蛋白质以及微生物菌体等为起泡物质，具有稳定泡沫的作用质，具有稳定泡沫的作用 培养基的成分、温度、酸碱度、浓度及泡沫培养基的成分、温度、酸碱度、浓度及泡沫的表面积对泡沫的稳定性都有一定影响的表面积对泡沫的稳定性都有一定影响三、泡沫的消长规律及影响因素三、泡沫的消长规律及影响因素1、消长规律 发酵过程中泡沫的消长表现出一定的规律发酵过程中泡

46、沫的消长表现出一定的规律 但不同微生物的不同发酵通常不同但不同微生物的不同发酵通常不同2、影响泡沫的因素1 1）与通气量、通气速度和搅拌速度等有关）与通气量、通气速度和搅拌速度等有关2 2）与所用培养基的成分有关）与所用培养基的成分有关玉米浆、蛋白胨、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母玉米浆、蛋白胨、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉、糖蜜是主要的发泡因素；且起泡能力随品粉、糖蜜是主要的发泡因素；且起泡能力随品种、产地、贮藏和加工条件而不同。种、产地、贮藏和加工条件而不同。3 3）与培养基的灭菌方法、灭菌温度和时间有关）与培养基的灭菌方法、灭菌温度和时间有关例如：糖蜜培养基从例如：糖蜜培养基从110110升高到

47、升高到130 130 （皆（皆为为3030分钟），发泡系数增加一倍分钟），发泡系数增加一倍四、泡沫的控制四、泡沫的控制一） 机械消泡内部：耙式、梳齿式、涡轮式内部：耙式、梳齿式、涡轮式外部：离心式、碟片式外部：离心式、碟片式优点：不需引入外界物质（如消泡剂），可减少培养液不需引入外界物质（如消泡剂），可减少培养液性质复杂化程度，便于产物的提取。性质复杂化程度，便于产物的提取。缺点：不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素二） 化学消泡1、消泡机理1 1）降低泡沫的机械强度，使泡沫破裂）降低泡沫的机械强度，使泡沫破裂2 2）降低液膜的表面黏度，使液膜的液体流失，导致）

48、降低液膜的表面黏度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂泡沫破裂当泡沫表层存在着由极性的表面活性物质形成的当泡沫表层存在着由极性的表面活性物质形成的双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强度；或加入某些具活性剂，以降低泡沫的机械强度；或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺膜上的空间，降低有强极性的物质与发泡剂争夺膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。液膜强度，使泡沫破裂。当泡沫的液膜具有较大的表面黏度时，可以加当泡沫的液膜具有较大的表面黏度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜黏入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜黏度

49、度2、消泡剂选择的原则： 对发酵过程无毒，对人、畜无害，不影响生物合对发酵过程无毒，对人、畜无害，不影响生物合成。成。 消泡作用迅速，效果高和持久性能好。消泡作用迅速，效果高和持久性能好。 能耐高压蒸汽灭菌而不变性，在灭菌温度下对设能耐高压蒸汽灭菌而不变性，在灭菌温度下对设备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物。备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物。 不影响以后的提炼过程。不影响以后的提炼过程。 不干扰分析系统，如溶解氧、不干扰分析系统，如溶解氧、pHpH测定仪的探头。测定仪的探头。 消泡剂的来源多，价格低，添加装置简单。消泡剂的来源多，价格低，添加装置简单。 最好还能做到不影响氧的传递。最好还能做到不影响氧的

50、传递。 1）天然油脂3、消泡剂的种类常用豆油、玉米油、米糠油常用豆油、玉米油、米糠油 （能兼作碳源）2）聚醚类3) 高级醇类主要是十八醇主要是十八醇4）硅酮类 主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物 结构通式为结构通式为: : (CH(CH3 3) )3 3SiSi(CHSiSi(CH3 3) )2 2nSi(CHnSi(CH3 3) )3 3 单独使用效果差，常与分散剂（微晶二氧化硅）一单独使用效果差，常与分散剂（微晶二氧化硅）一起使用起使用3、消泡剂的使用1）分散 消沫剂的消沫效果与使用方式很有关系。消沫剂的消沫效果与使用方式很有关系。 消沫剂加到发酵罐中能否起作用取

51、决于它的扩消沫剂加到发酵罐中能否起作用取决于它的扩散能力。散能力。 消沫剂的分散可借助于机械方法，也可加入某消沫剂的分散可借助于机械方法，也可加入某种分散剂将消沫剂乳化成细小液滴。种分散剂将消沫剂乳化成细小液滴。2）加量 聚醚类聚醚类 0.030.030.035%0.035%3) 加入时机有的可先加入培养基；有的则在泡沫初起或大起有的可先加入培养基；有的则在泡沫初起或大起时加入时加入第六节第六节 杂菌与噬菌体的防治杂菌与噬菌体的防治 纯种发酵（单菌或混菌）；菌种以外的微生物都纯种发酵（单菌或混菌）；菌种以外的微生物都被视为杂菌。被视为杂菌。所谓染菌，是指在发酵培养基中侵入了有碍生产的所谓染菌，

52、是指在发酵培养基中侵入了有碍生产的其它微生物。其它微生物。 几乎所有的发酵工业都有可能遭遇杂菌或噬菌体几乎所有的发酵工业都有可能遭遇杂菌或噬菌体的污染。染菌的结果，轻者影响产量或质量，重者可的污染。染菌的结果，轻者影响产量或质量，重者可能导致倒罐，甚至停产，造成原料、人力和设备动力能导致倒罐，甚至停产，造成原料、人力和设备动力的浪费。的浪费。 防止杂菌和噬菌体污染是保证发酵正常进行的关键之一 一、杂菌污染的原因与防治一、杂菌污染的原因与防治 1、 从染菌的现象分析染菌的原因 1 1）从染菌的时间分析）从染菌的时间分析 早期（如接种后12 h或24 h），除了种子带菌外，主要是培养基或设备灭菌不

53、彻底。 相反，中、后期染菌则可能与中间补料、设备渗漏以及操作不合理等有关，也可能是空气过滤器不严所致。2 2）从污染的杂菌类型分析）从污染的杂菌类型分析 污染耐热的芽孢杆菌，多数是因培养基灭菌不彻污染耐热的芽孢杆菌，多数是因培养基灭菌不彻底或设备存在死角所致；底或设备存在死角所致； 污染无芽孢杆菌、球菌等不耐热菌，可能是从蒸污染无芽孢杆菌、球菌等不耐热菌，可能是从蒸汽的冷凝水中带来的，或空气系统不严造成。汽的冷凝水中带来的，或空气系统不严造成。3 3）从发酵罐及批次分析）从发酵罐及批次分析大批发酵罐染菌是指整个工厂各个产品的发酵罐都出现杂菌现象，而且染的是同一种菌，主要是空气过滤器除菌不净，空

54、气带菌而造成的。个别发酵罐连续染菌，较多地是由于设备问题而个别发酵罐连续染菌，较多地是由于设备问题而造成的。如阀门的渗漏或罐体破损，特别是蛇形造成的。如阀门的渗漏或罐体破损，特别是蛇形管的穿孔，有时不易察觉。有时设备破损引起的管的穿孔，有时不易察觉。有时设备破损引起的染菌会出现每批染菌时间前移现象。染菌会出现每批染菌时间前移现象。个别发酵罐偶然染菌的原因最为复杂，各种染菌个别发酵罐偶然染菌的原因最为复杂，各种染菌途径都有可能引起。途径都有可能引起。 根据谷氨酸发酵情况分析，染菌原因以设备根据谷氨酸发酵情况分析，染菌原因以设备问题（设备渗漏、管道不严、设备死角）和空气问题（设备渗漏、管道不严、设

55、备死角）和空气问题（过滤器不严、过滤器失效、过滤器受潮）问题（过滤器不严、过滤器失效、过滤器受潮）为主，种子（二级种子染菌）次之，而培养基消为主，种子（二级种子染菌）次之，而培养基消毒不透的情况较少。毒不透的情况较少。 2、 防止染菌要点 （1 1）空气系统）空气系统 提高空压机进口空气的洁净度、防止空气带油、水及过滤器失效。 如提高空压机吸气口位置并加强压缩前的过滤；如提高空压机吸气口位置并加强压缩前的过滤；防止空气冷却器漏水而进入空气系统；在空气过滤防止空气冷却器漏水而进入空气系统；在空气过滤器灭菌时要防止冲翻介质而短路，防止烤焦介质或器灭菌时要防止冲翻介质而短路，防止烤焦介质或着火；装填

56、纤维介质时要压紧；操作中要防止空气着火；装填纤维介质时要压紧；操作中要防止空气的压力剧变和流速激增等。的压力剧变和流速激增等。 （2）设备 发酵罐及其附属设备应注意严密和防止泄漏，避发酵罐及其附属设备应注意严密和防止泄漏，避免形成免形成“死角死角”。与物料、空气、下水道连接的阀。与物料、空气、下水道连接的阀门皆需保证严密度。门皆需保证严密度。 用超净工作台及净化室代替无菌室，以提高无菌用超净工作台及净化室代替无菌室，以提高无菌程度。程度。 连消设备的连消塔要简单，易拆装清理，操作时连消设备的连消塔要简单，易拆装清理，操作时蒸汽能与物料均匀混合，并易控温度；维持罐在料蒸汽能与物料均匀混合，并易控

57、温度；维持罐在料液输送时培养基在罐中能均匀地缓慢上升，不走短液输送时培养基在罐中能均匀地缓慢上升，不走短路。路。（3）工艺操作 空罐准备 放罐后应进行全面检查和清洗。要清理罐内残渣，放罐后应进行全面检查和清洗。要清理罐内残渣，去除罐壁污垢，清除空气分布管、温度计套管等处堆积去除罐壁污垢，清除空气分布管、温度计套管等处堆积的污垢及罐内的的污垢及罐内的“死角死角”。要防止端面轴封漏气、搅拌。要防止端面轴封漏气、搅拌添料箱及阀门渗漏等。蛇管和夹层要按设计规定的压力添料箱及阀门渗漏等。蛇管和夹层要按设计规定的压力定期试压。空消时应先将罐内空气排尽，保持蒸汽畅通，定期试压。空消时应先将罐内空气排尽，保持

58、蒸汽畅通，阀门、管道均要彻底灭菌。阀门、管道均要彻底灭菌。 实罐灭菌 配制培养基时要防止原料结块。配料罐出口应有筛板配制培养基时要防止原料结块。配料罐出口应有筛板过滤器（筛孔直径过滤器（筛孔直径0.5mm0.5mm），以防块状物及异物进入），以防块状物及异物进入罐内。灭菌时，要保证各路进气畅通及罐内料液翻腾激罐内。灭菌时，要保证各路进气畅通及罐内料液翻腾激烈，控制好温度与压力，严防泡沫冒顶及料液倒流到空烈，控制好温度与压力，严防泡沫冒顶及料液倒流到空气系统中。气系统中。 连消 料液进入连消塔前需先预热。灭菌过程中，料料液进入连消塔前需先预热。灭菌过程中，料液温度及其在维持罐停留的时间都必须符合

59、要求，液温度及其在维持罐停留的时间都必须符合要求，确保灭菌彻底。当冷却管开放冷水时，防止因突确保灭菌彻底。当冷却管开放冷水时，防止因突然冷却造成负压而吸入外界空气。为确保灭菌温然冷却造成负压而吸入外界空气。为确保灭菌温度稳定，连消必须实现自动控制。度稳定，连消必须实现自动控制。 补料 补入发酵罐内的料液一定要保证无菌。补入发酵罐内的料液一定要保证无菌。 种子 有关种子操作的制度要严格遵守；摇瓶瓶塞要确有关种子操作的制度要严格遵守；摇瓶瓶塞要确保严密。保严密。 无菌试验 无菌试验要严格取样操作，力求减少误差。应无菌试验要严格取样操作，力求减少误差。应同时用肉汤和双碟作对照，以便迅速作出判断。同时

60、用肉汤和双碟作对照，以便迅速作出判断。当发现染菌时，要通过分辨菌型来探索菌源，并当发现染菌时，要通过分辨菌型来探索菌源，并对杂菌做耐热试验考察。如果怀疑种子罐染菌，对杂菌做耐热试验考察。如果怀疑种子罐染菌，则种子不能轻率进发酵罐。则种子不能轻率进发酵罐。 3、 无菌检查与染菌的处理 为了防止在种子培养或发酵过程中污染杂菌，为了防止在种子培养或发酵过程中污染杂菌，在接种前后、种子培养及发酵过程中分别进行无菌在接种前后、种子培养及发酵过程中分别进行无菌检查，以便及时发现染菌，并在染菌后及时进行必检查，以便及时发现染菌，并在染菌后及时进行必要处理是很重要的。要处理是很重要的。 （1）无菌检查 染菌通