4 第四章 微生物发酵技术ppt课件

1、现代微生物学技术: nnfywyahoo.0-101001绪论22微生物资源开发和菌株选育43微生物育种技术64微生物发酵技术65医药微生物生物技术46环境微生物技术67农业微生物生物技术 4.主要内容1 微生物工艺优化的实验设计2 发酵过程动力学的根本概念3 发酵过程的代谢控制4 微生物发酵过程工艺参数控制.1 微生物工艺优化的实验设计1.1 微生物发酵工艺的特点1.2 实验设计中常用的术语1.3 工艺优化的方法和战略.1.1 微生物发酵工艺的特点应先要素众多缺乏实际模型实验误差较大影响要素间存在相互作用.1.2 实验设计中常用的术语要素：实验中调查的对实验目的能够

2、有影响的要素简称要素。程度：每个要素在实验中要比较的详细条件称为程度。.1.3常用的优化方法工艺优化研讨的主要步骤：挑选：要素多，不准确的知识，找出重要的影响要素；优化：要素少，在较适范围内，建立预言性模型确证：运用预言的最优成套条件，验证结果.常用的优化方法单因子法：实验室最常用的优化方法是单次单因子(one-variable-at-a-time)法，这种方法是在假设要素间不存在交互作用的前提下，经过一次改动一个要素的程度而其他要素坚持恒定程度，然后逐个要素进展调查的优化方法。但是由于调查的要素间经常存在交互作用，使得该方法并非总能获得最正确的优化条件。另外，当调查的要素较多时，需求太多的实

3、验次数和较长的实验周期。所以如今的培育基优化实验中普通不采用或不单独采用这种方法，而采用多因子实验。 .多因子实验多因子实验需求处理的两个问题:(1)哪些因子对呼应具有最大(或最小)的效应，哪些因子间具有交互作用。(2)感兴趣区域的因子组合情况，并对独立变量进展优化.正交实验设计正交实验设计是安排多因子的一种常用方法，经过合理的实验设计，可用少量的具有代表性的实验来替代全面实验，较快地获得实验结果。正交实验的本质就是选择适当的正交表，合理安排实验的分析实验结果的一种实验方法。详细可以分为下面四步：1根据问题的要求和客观的条件确定因子和程度，列出因子程度表；2根据因子和程度数选用适宜的正交表，设

4、计正交表头，并安排实验；3根据正交表给出的实验方案，进展实验；4对实验结果进展分析，选出较优的“实验条件以及对结果有显著影响的因子。正交方法可以用来分析要素之间的交叉效应，但需求提早思索那些要素之间存在交互作用，再根据思索来设计实验。因此，没有预先思索的两要素之间即使存在交互作用，在结果中也得不到显示。对于多要素、多程度的科学实验来说，正交法需求进展的次数仍嫌太多，在实践任务中经常无法安排，运用范围遭到限制。.均匀实验设计假设仅思索“均匀分散，而不思索“整齐可比，完全从“均匀分散的角度出发的实验设计，叫做均匀设计。均匀设计按均匀设计表来安排实验，均匀设计表在运用时最值得留意的是均匀设计表中各列

5、的要素程度不能像正交表那样恣意改动次序，而只能按照原来的次序进展平滑，即把原来的最后一个程度与第一个程度衔接起来，组成一个封锁圈，然后从任一处开场定为第一个程度，按圈的原方向和相反方向依次排出第二、第三程度。均匀设计只思索实验点在实验范围内均匀分布，因此可使所需实验次数大大减少。.Plackett-Burman法Plackett-Bunnan设计法是一种两程度的实验优化方法，它试图用最少的实验次数到达使因子的主效果得到尽能够准确的估计，适用于从众多的调查因子中快速有效地挑选出最为重要的几个因子，供进一步优化研讨用。该法不能调查各因子的相互交互作用。.部分因子设计法部分因子设计法与Placket

6、t-Burman设计法一样是一种两程度的实验优化方法，可以用比全因子实验次数少得多的实验，从大量影响因子中挑选出重要的因子。根据实验数据拟合出一次多项式，并以此利用最陡爬坡法确定最大呼应区域，以便利用呼应面法进一步优化。.呼应面分析response surface analysis，RSM方法是数学与统计学相结合的产物，和其他统计方法一样，由于采用了合理的实验设计，能以最经济的方式，用很少的实验数量和时间对实验进展全面研讨，科学地提供部分与整体的关系，从而获得明确的、有目的的结论。它与“正交设计法不同，呼应面分析方法以回归方法作为函数估算的工具，将多因子实验中，因子与实验结果的相互关系，用多项

7、式近似，把因子与实验结果呼应值的关系函数化，依此可对函数的面进展分析，研讨因子与呼应值之间，因子与因子之间的相互关系，并进展优化。.2 发酵过程动力学的根本概念2.1 发酵过程的反响描画及速度概念2.2 发酵过程动力学研讨的根本内容2.3 微生物生长动力学的根本概念2.4 菌体生长、产物构成、基质耗费动力学的根本概念2.5 反响动力学的运用延续培育的操作特性. XS底物 X菌体 P产物发酵研讨的内容：发酵过程反响的描画菌种的来源找到一个好的菌种发酵过程的工艺控制最大限制发扬菌种的潜力2.1 发酵过程的反响描画及速度概念.基质的耗费速度：发酵过程反响速度的描画基质的耗费比速：(g.L-1.s-1

8、)(h-1、s-1)单位时间内单位菌体耗费基质或构成产物菌体的量称为比速，是生物反响中用于描画反响速度的常用概念。 XS底物 X菌体 P产物.基质的耗费比速：(h-1)菌体的生长比速：产物的构成比速：(h-1)(h-1) XS底物 X菌体 P产物.研讨反响速度及其影响要素并建立反响速度与影响要素的关联反响动力学模型反响器特性+反响器的操作模型操作条件与反响结果的关系，定量地控制反响过程2.2 发酵反响动力学的研讨内容.已建立动力学模型的类型 机制模型：根据反响机制建立几乎没有 景象模型阅历模型：目前大多数模型 能定量地描画发酵过程 能反映主要要素的影响.2.3.1 微生物在一个密闭系统中的生长

9、情况：时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：指数生长期:倍增时间：td减速期:静止期： ;衰亡期:2.3 微生物生长动力学的根本概念.2.3.2 微生物的生长动力学、Monod方程 微生物的生长速度： f(s,p,T,pH,) 在一定条件下(基质限制)： f(S).Monod研讨了基质浓度与生长速度的关系Monod方程(1949)米氏方程:. ：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数max: 最大比生长速度单一限制性基质：就是指在培育微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制造用的营养物。.Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或： 这样

10、经过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以经过回归分析计算出Monod方程的两个参数。.例：在一定条件下培育大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l) 6 33 64 153 221(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培育条件下，求大肠杆菌的max，Ks和td?解：将数据整理：S/ 100 .5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221.max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/Ltdln2/ max0.64 h.2.4.1 初级代谢产物和次级代谢产物次级代谢产物：还有一类产物，对细胞的代谢功能没有明显 的影响，普通

11、是在稳定期构成，如抗生素等， 这一类化合物称为次级代谢产物。初级代谢产物：微生物合成的主要供应细胞生长的一类物质。 如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级 代谢产物。2.4 产物构成动力学的根本概念.2.4.2 Gaden对发酵的三分类与Pirt方程：一类发酵 产物的构成和菌体的生长相偶联xp.二类发酵 产物的构成和菌体的生长部分偶联xp.三类发酵 产物的构成和菌体的生长非偶联xp.Pirt方程 a + b a=0、b0： 可表示一类发酵 a0、b 0： 可表示二类发酵 a0、 b= 0：可表示三类发酵.SS1 菌体S2 产物S3 维持 XS底物 X菌体 P产物+维持维持耗费(m) ：指维持细

12、胞最低活性所需耗费的能量，普通来讲，单位分量的细胞在单位时间内用于维持耗费所需的基质的量是一个常数。2.5 基质耗费动力学的根本概念. XS底物 X菌体 P产物+维持m: 维持耗费系数YP/s: 产物对基质的实际得率系数YX/s: 细胞对基质的实际得率系数物料衡算：.2.6 反响动力学的运用延续培育的操作特性延续反响器：流入速度=流出速度=F.V: 反响器内发酵液体积(L)X: 反响器内菌体浓度(g/L)So: 流加发酵液中基质的浓度(g/L)S: 反响器内基质的浓度(g/L)F: 补料速度(L/h).物料衡算延续培育的反响器特性对菌体:稳态稀释率(D):补料速度与反响器体积的比值(h-1).

13、o物料衡算延续培育的反响器特性对基质:稳态稀释率(D):补料速度与反响器体积的比值(h-1).DSx延续培育操作的模型分析最大Dmax时会呵斥菌体的洗出.延续培育的操作特性.延续培育富集微生物的原理延续培育中，最终在此培育体系中生存下来的微生物都是此时辰对该种底物表现出最大生长的微生物或一个微生物生态。s0当只需B时建立稳态：B=D,对应S0假设引入微生物A：= A (S0)A Dx添加s下降A B下降BD被洗出.3 发酵过程的代谢控制发酵过程控制是发酵的重要部分控制难点：过程的不确定性和参数的非线性同样的菌种，同样的培育基在不同工厂，不同批次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响要素是复杂的，

14、比如设备的差别、水的差别、培育基灭菌的差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程的细微差别都会引起微生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的普通方法对于控制代谢是非常必要的.3.1 发酵过程工艺控制的目的、研讨的方法和层次3.2 发酵过程的中间分析.3.1.1 发酵过程的种类分批培育补料分批培育半延续培育延续培育3.1 发酵过程工艺控制的目的、研讨的方法和层次.1、 分零售酵简单的过程，培育基中接入菌种以后，没有物料的参与和取出，除了空气的通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。.分批培育中微生物的生长迟滞期对数生长期稳 定 期死亡期.分批培育的优缺陷优点 操作简单

15、，周期短，染菌时机少，消费过程和产质量量容易掌握缺陷 产率低，不适于测定动力学数据.2、补料分批培育 在分批培育过程中补入新颖的料液，以抑制营养缺乏而导致的发酵过早终了的缺陷。在此过程中只需料液的参与没有料液的取出，所以发酵终了时发酵液体积比发酵开场时有所添加。在工厂的实践消费中采用这种方法很多。.补料分批培育的优缺陷优点 在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，防止快速利用碳源的阻遏效应；可以经过补料控制到达最正确的生长和产物合成条件；还可以利用计算机控制合理的补料速率，稳定最正确消费工艺。缺陷 由于没有物料取出，产物的积累最终导致比消费速率的下降。由于有物料的参与添加了染菌时机.3、半延续培

16、育在补料分批培育的根底上间歇放掉部分发酵液带放称为半延续培育。某些种类采取这种方式，如四环素发酵优点 放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。缺陷 代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大.4、延续培育发酵过程中一边补入新颖料液一边放出等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。到达稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。.延续培育的优缺陷优点 控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，得到高的产量。由于D，经过改动稀释速率可以比较容易的研讨菌生长的动力学缺陷 菌种不稳定的话，长期延续培育会引起菌种退化，降低产量。长时间补料染菌

17、时机大大添加。.3.1.2 发酵过程工艺控制的目的有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长的最正确条件，使菌种的潜能发扬出来目的是得到最大的比消费速率和最大的消费率.发扬菌种的最大消费潜力思索之点菌种本身的代谢特点 生长速率、呼吸强度、营养要求酶系统、代谢速率菌代谢与环境的相关性 温度、pH、浸透压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等.微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络方式，比如糖代谢产生的中间物能够用作合成菌体的前体，能够用作合成产物的前体，也能够合成副产物，而这些前体有能够流向不同的反响方向，环境条件的差别会引发代谢朝不同的方向进展。因此对发酵过程的了解不能机械的，割裂的去认识，而要从细胞

18、代谢程度和反响工程程度全面的认识。微生物的生长与产物合成有亲密相关性，不仅表如今菌体量的大小影响产物量的多少，而且菌体生长正常与否，即前期的代谢直接影响中后期代谢的正常与否。特别是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性。.发酵过程遭到多要素又相互交叉的影响如菌本身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程要素、环境要素等等。因此发酵过程的控制具有不确定性和复杂性。 为了全面的认识发酵过程，本章首先要通知大家分析发酵过程的根本方面，在此根底上再举一些例子，阐明如何综合分析发酵过程及进展优化放大。.3.1.3 发酵过程研讨的方法和层次1、研讨方法单因子实验：对实验中要调查的因子逐个进展实验，寻觅每个因子的最

19、正确条件。普通用摇瓶做实验优点 一次可以进展多种条件的实验，可以在较快时间内得到的结果。缺陷 假设调查的条件多，实验时间会比较长各因子之间能够会产生交互作用，影响的结果准确性.数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分析实验结果，得到最正确的实验条件。如正交设计、均匀设计、呼应面设计。优点 同时进展多因子实验。用少量的实验，经过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，大大提高了实验效率。 但对于生物学实验要求准确性高，由于实验的最正确条件是经过统计学方法算出来的，假照实验中存在较大的误差就会得出错误的结果。.2、研讨的层次初级层次的研讨：普通在摇瓶规模进展实验。主要调查目的菌株生长和代谢

20、的普通条件，如培育基的组成、最适温度、最适pH等要求。摇瓶研讨的优点是任务量大，可以一次实验几十种甚至几百种条件，对于菌种培育条件的优化有较高的效率。.代谢及工程参数层次研讨：普通在小型反响器规模进展实验。在摇瓶实验的根底上，调查溶氧、搅拌等摇瓶上无法调查的参数，以及在反响器中微生物对各种营养成分的利用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出过程控制的最正确条件和方式。由于罐发酵中全程参数的是延续的，所以得到的代谢情况比较可信。.消费规模放大：在大型发酵罐规模进展实验。将小型发酵罐的优化条件在大型反响器上得以实现,到达产业化的实现。普通来说微生物在不同体积的反响器中的生长

21、速率是不同的，缘由能够是，罐的深度呵斥氧的溶解度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同所致。.3.2 发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析是消费控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。由于微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢情况，只能从分析一些参数来判别，所以说中间分析是消费控制的眼睛。这些代谢参数又称为形状参数，由于它们反映发酵过程中菌的生理代谢情况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等.代谢参数按性质分可分三类：物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧二氧化碳浓度等化学参数：基质浓度包括糖、氮、磷、

22、pH、产物浓度、核酸量等生物参数：菌丝形状、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质耗费速率、关键酶活力等.从检测手段分可分为：直接参数、间接参数直接参数：经过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温度、pH、残糖等间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、KLa等.直接参数又可分为: 在线检测参数和离线检测参数在线检测参数指不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌转速；离线检测参数指取出样后测定得到的参数，如残糖、NH2-N、菌体浓度。.3.2.1 发酵过程主要分析的工程目前发酵过程主要分析工程如下1、pH pH与微生物的生命活动亲密相关 酶催化活性 pH的变化又

23、是微生物代谢情况的综合反映基质代谢、产物合成、细胞形状、营养情况、供氧情况.2、排气氧、排气CO2和呼吸熵排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，经过计算可以求得摄氧率OUR。排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，由于微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此耗费的氧并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于耗费的氧。.RQ值随微生物菌种的不同，培育基成分的不同，生长阶段的不同而不同。测定RQ值一方面可以了解微生物代谢的情况，另一方面也可以指点补料CER表示单位体积

24、发酵液单位时间内释放的二氧化碳的量呼吸熵呼吸熵反映了氧的利用情况. 普通在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意使菌体处于半饥饿形状，在营养限制的条件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高程度。对于这种工艺，后期的补料控制是关键。过程中发现，在补糖开场时，不但CER、OUR大幅度提高，连RQ也提高约10，阐明经过补糖不但提供了更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活力也提高，产能添加。.3、糖含量微生物生长和产物合成与糖代谢有亲密关系。糖的耗费 反映产生菌的生长繁衍情况 反映产物合成的活力菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快经过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来

25、调理pH，促进产物合成，不致于盲目补糖，呵斥发酵不正常。糖含量测定包括总糖和复原糖。 总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、饴糖、单糖等各种糖。 复原糖指含有自在醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。.4、氨基氮和氨氮氨基氮指有机氮中的氮NH2-N，单位是 mg/100ml。如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。氨氮指无机氨中的氮NH3-N。氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成遭到过量铵离子的抑制，因此必需控制适量的氮。经过氨基氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施。发酵后期氨基氮上升，这时就要放罐，否那么影响提取

26、过程。.5、磷含量微生物体内磷含量较高，培育基中以磷酸盐为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培育基中具有非常重要的作用，假设磷缺乏就要采取补磷措施。.6、菌浓度和菌形状菌形状和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形状 显微镜察看菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培育过程中菌体量的变化，普通前期菌浓增长很快，中期菌浓根本恒定。补料会引起菌浓的动摇，这也是衡量补料量适宜与否的一个参数。.7、产物浓度 在培育过程中，产生菌的合成才干和产物积累情况都要经过产物量的测定来了解，产物浓度直接反映了消费的情况,是发酵控制的重要参数。而且经过

27、计算还可以得到消费速率和比消费速率，从而分析发酵条件如补料、pH对产物构成的影响。.3.2.2 产物量的测定3.2.2.1 产物量的特殊表示法抗生素效价的表示抗生素效价表示抗生素的有效成分的多少，效价大小用单位U来表示效价表示方法：分量折算法 分量单位 类似分量单位 特殊单位.分量折算单位：以最低抑菌浓度为一个单位，如青霉素0.6微克1U分量单位：规定某些抗生素活性部分1g=1u 如链霉素、卡那霉素、红霉素等定义活性部分1g1u.类似分量单位：规定抗生素的某种盐1mg=1000u如金霉素、四环素的盐酸盐定一为1g1u特殊单位：药检所制定某些抗生素的单位制霉菌素 1mg=3700u多粘菌素B 1

28、mg=10000u.酶活力的表示法酶活力用单位来表示。由于酶通常不是很纯，不能用分量来表示酶的量。同一种酶用不同的方法测定会有不同的酶活单位，容易呵斥混乱，为此国际上作了一致规定，规定在250C下，以最适的底物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及最适的pH诸条件下，每分钟能转化一微克分子底物的酶定量为一个活性单位。.3.2.2.2 产物量的测定1、化学法1滴定法产物能使一定指示剂变色来指示反响终点的可用滴定法如青霉素在碱性条件下参与过量的I2，反响生成青霉噻唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘，可计算出青霉素的单位柠檬酸可以用NaOH滴定来计算柠檬酸产量.2比色法产物经一定化学反响产生颜色，且颜色

29、深浅与产物浓度成正比，可以用比色法测定。淀粉酶活力测定：在1%可溶性淀粉溶液中参与淀粉酶，所释放出的麦芽糖与生色试剂3，5-二硝基水杨酸与酒石酸钾钠的碱溶液产生颜色，它在540nm处所得吸光度跟淀粉酶活力成正比。.3测压法 产物特定反响放出或摄入气体，使系统有压力变化，可以经过测定压力变化得知产物量。2、物理法 许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋光性，因此可以经过测定旋光度来测定酶或抗生素的含量。谷氨酸氨基丁酸CO2.化学和物理方法优点：快速、方便，经常用于过程分析缺陷产品中存在的杂质会干扰测定结果，因此抗生素废品的测定用生物法测定。 适用于抗生素效价的测定 生物法以抗生素的杀菌才干为衡量

30、效价的规范，其原理恰好与临床运用的要求相一致，而且此法灵敏度高，需用的检品量较小，这是其它方法不能比的。但此法得到结果比较慢，需经过1618小时培育。生物法常用于发酵终了产品效价的测定。3、生物法.主要的控制参数1、pH值酸碱度2、温度3、溶解氧浓度4、基质含量5、空气流量6、压力7、搅拌转速8、搅拌功率9、黏度10、浊度11、料液流量12、产物的浓度13、氧化复原电位14、废气中的氧含量15、废气中的CO 2含量16、菌丝形状17、菌体浓度18、泡沫4 微生物发酵过程工艺参数控制.4.1 发酵过程的pH控制 4.2 温度变化及其控制 4.3 溶氧的影响及控制4.4 发酵过程泡沫的构成与控制.

31、4.1 发酵过程的pH控制 pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进展，所以是非常重要的参数。发酵过程中pH是不断变化的，经过察看pH变化规律可以了解发酵的正常与否.4.1.1 发酵过程pH变化的缘由 1、基质代谢 1糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一2氮代谢 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源缺乏时氮源当碳源利用pH上升。3生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降.2、产物构成 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pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素

32、等抗生素呈碱性，使pH上升。 3、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。 .4.1.2 pH对发酵的影响 例 pH对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开场，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液pH下降，待有机酸被消费菌利用，pH上升。假设不及时补糖、(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上，妨碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停顿。对照罐发酵66小时pH达7.93，以后维持在8.0以上至115小时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3，调理这一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高发酵单位。1、实例.

33、1pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体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动，从而改动细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进展 3pH值影响培育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 2 pH对发酵的影响 .4 pH影响代谢方向 pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改动。例如黑曲霉在pH23时发酵产生柠檬酸，在pH近中性时，那么产生草酸。谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下那么容易构成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺.3 pH在微生物培育的不同阶段有不同的影响 生

34、长合成pH对菌体生长影响比产物合成影响小例 青霉素：菌体生长最适pH3.56.0,产物合成最适pH7.27.4 四环素：菌体生长最适pH6.06.8，产物合成最适pH5.86.0XpH四环素.4.1.3 pH的控制 1、调理好根底料的pH。根底料中假设含有玉米浆，pH呈酸性，必需调理pH。假设要控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.56.82、在根底料中参与维持pH的物质，如CaCO3 ，或具有缓冲才干的试剂，如磷酸缓冲液等3、经过补料调理pH .在发酵过程中根据糖氮耗费需求进展补料。在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH如1调理补糖速率，调理空气流量来调理pH(2)当NH2-N低，pH

35、低时补氨水；当NH2-N低，pH高时补(NH4)2SO44、当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH .4.2 温度变化及其控制 4.2.1 温度对发酵的影响4.2.2 最适温度的选择4.3.3 发酵过程引起温度变化的要素.1、温度影响反响速率发酵过程的反响速率实践是酶反响速率，酶反响有一个最适温度。从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2 积分得 E=E活化能Kr速率常数4.2.1 温度对发酵的影响.2、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素和四环素，当温度低于300C时，这种菌合成金霉素才干较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度到达350C时，金霉素的合成

36、几乎停顿，只产生四环素。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收。因此对发酵过程中的温度要严厉控制。.1、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，所要求的温度范围也不同。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30320C，青霉菌生长温度为300C。4.2.2 最适温度的选择.2、根据培育条件选择温度选择还要根据培育条件综合思索，灵敏选择。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。培育基稀薄时，温度也该低些。由于温度高营养利用快，会使菌过早自溶。.3、根据菌生长情况菌生长快，维持在较高温度时间要短

37、些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培育条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培育条件综合思索。要经过反复实际来定出最适温度。.4.3.3.1 发酵热Q发酵发酵热是引起发酵过程温度变化的缘由。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温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。如今来分析发酵热产生和散失的各要素。4.3.3 发酵过程引

38、起温度变化的要素.1、生物热Q生物在发酵过程中，菌体不断利用培育基中的营养物质，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ATP提供细胞合成和代谢产物合成需求的能量，其他一部分以热的方式分发出来，这分发出来的热就叫生物热。微生物进展有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。.生物热与发酵类型有关微生物进展有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水好氧：产生287.2千焦耳热量， 183千焦耳转变为高能化合物 104.2千焦以热的方式释放厌氧：产生22.6千焦耳热量， 9.6千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的方式释放二个例子中转化为高能化合物分别为63.7

39、和42.6. 培育过程中生物热的产生具有剧烈的时间性。生物的大小与呼吸作用强弱有关在培育初期，菌体处于顺应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。菌体在对数生长期时，菌体繁衍迅速，呼吸作用猛烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必需留意控制温度。培育后期，菌体已根本上停顿繁衍，主要靠菌体内的酶系进展代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。假设培育前期温度上升缓慢，阐明菌体代谢缓慢，发酵不正常。假设发酵前期温度上升猛烈，有能够染菌，此外培育基营养越丰富，生物热也越大。.2、搅拌热Q搅拌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，呵斥液体之间，液体与搅拌器等设备之间

40、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： Q搅拌P8604186.8焦耳/小时 P搅拌轴功率 4186.8机械能转变为热能的热功当量电机功率P= E额定电压I额定电流cos功率要素，1千瓦时8604186.8焦耳.3、蒸发热Q蒸发 通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显热，显热很小，普通可以忽略不计。4、辐射热Q辐射发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热经过罐体向外辐射。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，普通不超越发酵热的5。Q发酵Q生物Q搅拌Q蒸发Q辐射.4.3.3.1 发酵热的测定

41、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，可以经过丈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。Q发酵GCm(T出T进)Cm水的比热G冷却水流量另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液到达某一温度，然后停顿加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。.根据化合物的熄灭值估算发酵过程生物热的近似值。由于热效应决议于系统的初态和终态，而与变化途径无关，反响的热效应可以用熄灭值来计算，特别是有机化合物，熄灭热可以直接测定。反响热效应等于反响物的熄灭热总和减去生成物的熄灭热的总和。HH反响物H产物如谷氨酸发酵中主要物质的

42、熄灭热为：葡萄糖 159555.9KJ/Kg谷氨酸 15449.3KJ/Kg玉米浆 12309.2KJ/Kg菌体 20934KJ/Kg尿素 10634.5KJ/Kg.可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例如某味精厂50M3发酵罐发酵过程测定结果的主要物量变化如表：发酵时间（h）0661212181831糖3730.324.041.7谷氨酸 5.9 15.4 23.9尿素2.96.0菌体 4.8 6.0 1.2玉米浆2.43.00.6.发酵1218小时的生物热为：Q生物24159555.90.612309.2610634.51.22093415.415449.3191098.1KJ/M319

43、1098.1631849.7每小时的生物热为31849.7KJ/M3.4.3 溶氧的影响及控制4.3.1 溶氧对发酵的影响 影响菌体生长、产物合成及产物的性质。1 有时，氧充分促进产物合成，如谷氨酸和金霉素发酵；2 有时，氧充足会对产物有抑制造用，如维生素B12发酵。 因此溶氧并非越高越好。.氨基酸发酵对氧的需求分三类：1 谷氨酸、精氨酸和脯氨酸，氧必需供应充足，产量才大；2 异亮氨酸、赖氨酸和苏氨酸，供氧充分可获得最高产量，但供氧受限时，不会有太大影响；3 亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，供氧受限对产物合成有利。.4.3.2 发酵过程的溶氧变化 在一定的发酵条件下，每种产物发酵的溶氧变化都有本身的

44、规律。总的规律：先下降，后上升，不同产物后期出现最低谷的时间不同。溶氧异常下降的缘由：1 污染好气性杂菌；2 菌体代谢异常；3 某些设备或工艺控制发生缺点，如搅拌。.引起溶氧异常升高的缘由：1 代谢异常，菌体过早衰老；2 污染噬菌体。4.3.3 溶氧浓度的控制 溶氧浓度是由氧的供需平衡所决议的。供大于需时，溶氧上升；供小于需时，溶氧下降。提高供氧的方法：提高氧传送动力和液相体积氧传送系数。.氧传送动力的提高受限，只能经过搅拌、通气及发酵液粘度控制。控制需氧的方法： 需氧量受菌体浓度、营养基质的种类和浓度、培育条件影响，其中重要的是菌体浓度。菌体浓度可经过控制比生长速率来实现，这又要经过营养基质

45、浓度的控制来实现。.泡沫的定义：普通来说：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近气体，而不接近液体的“气/液分散体。4.4 发酵过程泡沫的构成与控制.4.4.1 泡沫构成的缘由1、气液接触 由于泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只需气体与液体延续、充分地接触才会产生过量的泡沫。气液接触大致有以下两类情况：1气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体2气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，构成的泡沫普通气泡较小、较稳定。.2、含助泡剂在未加助泡剂，但并不纯真的水中产生的泡沫，其寿命在0.5秒之内，只能瞬

46、间存在。摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只需摇荡某种溶液才会起泡。在纯真的气体、纯真的液体之外，必需存在第三种物质，才干产生气泡。对纯真液体来说，这第三种物质是助泡剂。当构成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会构成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。.3、起泡速度高于破泡速度起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡的难易取决于气泡和泡破灭后构成的液滴在外表自在能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进展得多快这一速度要素。高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个要素的综合效果。

47、泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，那么泡沫不断减少，最终呈不起泡形状；泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，那么泡沫数量将维持在某一平衡形状；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断添加。.4、发酵过程泡沫产生的缘由1通气搅拌的剧烈程度通气大、搅拌剧烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培育基营养成分耗费少，培育基成分丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐渐加大。搅拌转速也如此。也可在根底料中参与消泡剂。.2培育基配比与原料组成培育基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而耐久，前期难开搅拌。例：在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900 rpm，通气，泡沫生成量为培育基的2倍。如培育基适

48、当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易开搅拌。 .3菌种、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灭菌质量培育基灭菌质量不好，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。.4.4. 2 起泡的危害1、降低消费才干在发酵罐中，为了包容泡沫，防止溢出而降低装量2、引起原料浪费假设设备容积不能留有包容泡沫的余地，气泡会引起原料流失，呵斥浪费。 .3、影响菌的呼吸 假设气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，气泡中充溢二氧化碳，而且又不能与空气中氧进展交换，这样就影响了菌的呼吸。 4、引起染

49、菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培育基，就会长菌。随着时间延伸，杂菌会长入发酵罐而呵斥染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的光滑油可起点消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。.2.4.3 影响泡沫稳定性的要素引起危害，需求消除的，只是稳定的泡沫。泡沫的稳定性受液体、气体许多性质的影响。不同介质的泡沫，稳定程度相差很多，影响泡沫稳定性的要素非常复杂，概括国内外研讨者的说法，主要要素有.1、泡径大小对任何泡沫体系稍加察看都会发现：大泡易于破灭，寿命较长的的都是小泡。泡越小，合并成大气泡的历程就越长，而且小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，所以较能经受液体流失所呵斥的稳定性的

50、损失。另一方面，气泡只需上升到液面才可以在破灭之后减少泡沫体积。 气泡越小，上升速度越慢。溶液中溶解形状或胶束形状的外表活性剂，在气泡上升的过程中，吸附到气液界面上，构成定向吸附层。小气泡上升慢，给外表活性剂的吸附提供充足的时间，添加了稳定性。.2、溶液所含助泡物的类型和浓度 1降低外表张力 降低外表张力会降低相邻气泡间的压差。压差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的稳定性就好。 2添加泡沫弹性 助泡的外表活性剂，吸附在气液界面上，使外表层的组分与液相组分产生差别，因此使泡沫液具有可以伸缩的称为“吉布斯弹性的性质，对于泡沫稳定性来说外表活性剂使液膜具有“吉布斯弹性比降低外表张力更重要。 P=.吉

51、布斯曾对泡沫液弹性做如下定义：E=2A E膜弹性A膜面积外表张力可以看出大，吉布斯弹性大，泡沫抵抗变形的才干就大。大意味着：当面积发生变化时，外表张力的变化较大，即收缩力较大，泡沫“自愈作用就强，泡沫也就稳定。单一组分的纯真液体，外表张力不随外表积改动而改动，液体没有弹性，所以纯真液体不会产生稳定的泡沫。.3助泡剂浓度溶液中助泡剂浓度添加，气液界面上的吸附量就添加，液膜弹性随之添加，泡沫稳定性增高，直至到达助泡物的临界胶束浓度为止。到达临界胶束浓度后，气液界面上的定向陈列“饱和，弹性不会再添加，添加胶束浓度只会增大、增多胶束。.3、起泡液的粘度某些溶液，如蛋白质溶液，虽然外表张力不低，但因粘度

52、很高，所产生的泡沫非常稳定。由于粘稠的液膜，有助于吸收外力的冲击，起到缓冲的作用，使泡沫能耐久一些。液体粘度对泡沫稳定性的影响比外表张力的影响还要大。.4、其它*温度 外表张力最低值时的浓度随温度变化。 在最低外表张力时泡沫排液迅速，否那么排液缓慢。外表活性剂浓度20oC75oC.*pH 影响助泡剂的溶解度和表层的吸附形状*外表电荷 离子型外表活性剂，水解后带电荷，泡沫的定向吸附层为双电层构造。由于离子间静电的排斥，妨碍着离子彼此接近，减少排液速度，延缓泡沫变薄过程，使泡沫稳定。.2.4.5 消泡剂消泡1、消泡剂的作用机理为了弄清消泡剂如何发扬作用，为了合理、有效地运用消泡剂，需求了解消泡剂的

53、作用机制及普通性质。泡沫本来是极不稳定的，只因助泡剂的稳泡作用才难以破灭。人们研讨消泡剂抵消助泡剂的稳泡作用的机理是近几十年的事。下面分别引见在消泡剂开展历史上有重要位置的罗氏假说以及其它几种消泡剂的作用机理。.1罗氏假说1941年哈金斯Harkinss W.D曾提出铺展系数S的概念，即：S=FFAAF起泡介质的外表张力FA消泡剂与起泡介质的界面张力A消泡剂的外表张力以铺展系数S值的正负判别消泡剂能否可以在泡沫上扩展。AFAF.1948年鲁宾逊Robinson,J.V和伍兹Words,W.W提出了浸入系数E的概念，即E=以浸入系数E值的正负判别消泡剂能否进入泡沫外表。AFAF.2与稳泡要素有关

54、的几种消泡机理a、消泡剂可使泡沫液部分外表张力降低，因此导致泡沫破灭希勒Shearer,L.T和艾克斯(Akers,W.W.)在油体系中研讨聚硅氧烷油的消泡过程。他们对泡沫体系以1/1000秒的速度延续拍照，照片放大100倍.由图可以看出，硅油微粒到达泡沫外表使泡沫破灭，气泡合并，气液迅速分别。研讨发现：低浓度的，外表张力比起泡液低的物质，假设与起泡液成为均相，那么促进起泡；假设呈饱和形状，而且被均匀分散在起泡液中，就能够有消泡作用。附着了消泡剂小滴的泡沫可以迅速破灭，与部分降低外表张力有关。.日本高野信之提出类似的观念：在起泡液中分散的消泡剂颗粒，随着泡沫液变薄，露到外表，因消泡剂外表张力比

55、泡沫液低，该处遭到周围的拉伸、牵引。不断变薄，最后破灭。把高级醇或植物油洒在泡沫上，当其附着到泡沫上，即溶入泡沫液，会显著降低该处的外表张力。由于这些物质普通对水的溶解度较小，外表张力降低只限于部分，而泡沫周围的外表张力几乎没有发生变化。外表张力降低的部分，被剧烈地向周围牵引、延展，最后破裂。发酵过程控制.2、破泡剂与抑泡剂的区别1消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂破泡剂是加到已构成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。如低级醇、天然油脂。普通来说，破泡剂都是其分子的亲液端与起泡液亲和性较强，在起泡液中分散较快的物质。这类消泡剂随着时间的延续，迅速降低效率，并且当温度上升时，因溶解度添加，消泡效率会下降。抑泡

56、剂是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚醚及有机硅等属于抑泡剂。普通是分子与气泡液亲和性很弱的难溶或不溶的液体 .2作用机理上的区别破泡剂的破泡机理大致有二种。第一，吸附助泡剂，参与电解质，瓦解双电层，及使助泡物被增溶等机理，这样就破坏助泡物的稳泡作用。在这些过程中消泡剂发扬一次消泡作用就被耗费。同时耗费掉相应的助泡物。第二，低级醇等溶解性较大的消泡剂，加到气泡液中部分降低外表张力，发扬破泡作用，同时本身不断破为碎块，陆续溶解而失去破泡作用。破泡过程中，破泡剂不断失效、耗费，而助泡剂却不受影响 .抑泡机理：普通以为抑泡剂分子在气液界面上优先被吸附，它比助泡剂的外表活性更强，更易吸附到泡膜上，但

57、是由于本身不赋予泡膜弹性，所以不具备稳泡作用。这样当液体中产生泡沫时，抑泡剂首先占据泡膜，抑制了助泡剂的作用，抑制了气泡。3破泡剂与抑泡剂的相互关系 溶解度大的破泡剂，消泡作用只发扬一次；溶解度小的破泡剂，消泡作用可继续一段时间。假设溶解度进一步降低，即成为抑泡剂。另一方面，破泡剂大量运用，比有抑泡作用，抑泡剂大量运用也比有破泡作用。.3、对消泡剂的要求1在起泡液中不溶或难溶 为破灭泡沫，消泡剂应该在泡膜上浓缩、集中。对破泡剂的情况，应在瞬间浓缩、集中，对于抑泡的情况应经常坚持在这种形状。所以消泡剂在起泡液中是过饱和形状，只需不溶或难溶才易于到达过饱和形状。不溶或难溶，才易于聚集在气液界面，才易于浓缩在泡膜上，才干在较低浓度下发扬作用。用于水体系的消泡剂，活性成分的分子，须为强疏水弱亲水，HLB值在1.53范围，作用才最好。 .2外表张力低于起泡液 只需消泡剂分子间作用力小，外表张力低于起泡液，消泡剂微粒才可以在泡膜上浸入及扩展。值得留意的是，起泡液的外表张力并非溶液的外表张力，而是助泡溶液的外表张力。 .3与起泡液有一定程度的亲和性 由于消泡过程实践上是泡沫解体速度与泡沫生成速度的竞争，所以