河南科技大学微生物工程学课件第四章发酵工艺的控制

发酵工艺的控制

第四章发酵工艺的控制第四章工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们一、温度对发酵的影响及控制1，影响发酵温度的因素产热因素：生物热搅拌热散热因素：蒸发热辐射热一、温度对发酵的影响及控制1，影响发酵温度的因素发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。

Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2,NH3时释放出的大量能量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动热能散发影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。

1、抗生素相对活性为12、抗生素相对活性为0.5发酵过程中生物热的变化实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热。

Q搅拌=3600（P/V）3600：热功当量（kJ/（kW.h））（P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（kW/m3）搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。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发；蒸发所需的热量即为蒸发热。蒸发热的计算：

Q蒸发=G（I2-I1）

G：空气流量，按干重计算，kg/h

I1、I2：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气）蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响产物质量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。在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。2，温度对发酵的影响影响各种酶的反应速率和蛋白质性质2，温度对发酵的影响最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。最适发酵温度的选择在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择还应考虑培养基成分和浓度3，最适温度的确定最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产发酵罐：夹套（10M3以下）盘管（蛇管）（10M3以上）4，温度的控制4，温度的控制河南科技大学微生物工程学课件第四章发酵工艺的控制二、pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。尽管多数微生物能在3－4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。二、pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物1，pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响pH影响酶的活性pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解pH影响菌体代谢过程，使代谢产物的质量和比例发生改变1，pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响pH影响酶的活性2，发酵过程中pH的变化生长阶段：pH有上升或下降趋势（相对于接种后起始pH而言）生成阶段：pH趋于稳定，维持在最适产物合成的范围。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，致使pH上升，此时菌丝趋于自溶而代谢活动终止。2，发酵过程中pH的变化生长阶段：pH有上升或下降趋势（相碳源过量，特别是葡萄糖过量，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pH下降。消泡油添加过量生理酸性物质的存在（NH2SO4），氨被利用，pH下降3，引起pH下降的因素3，引起pH下降的因素氮源过多,生理碱性物质的存在（NaNO3），中间补料，氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH上升。4，引起pH上升的因素4，引起pH上升的因素原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。最适pH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围。5，最适pH的选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。5，●大多数细菌生长的最适pH6.3～7.5●霉菌最适生长pH3～6●放线菌生长最适

pH7～8●大多数细菌生长的最适pH6.3～7.5●霉菌最适生最适pH与微生物生长、产物形成的四种类型：菌体比生长速率μ和产物比生产速率QP的最适pH在一个相似的较宽的范围内（比较容易控制）；μ较宽，Qp范围较窄，或μ较窄，Qp范围较宽（难控制，应严格控制）；μ和Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）；更复杂，μ和Qp对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）；最适pH与微生物生长、产物形成的四种类型：河南科技大学微生物工程学课件第四章发酵工艺的控制调节基础培养基的配方调节碳氮比（C/N）添加缓冲剂，例如加入轻质CaCO3补料控制直接加酸加碱补加碳源或氮源，例如可以根据生产菌的代谢需要用改变加糖速率来控制pH,也可通过中间补加尿素或硫酸铵等调节6，pH的控制调节基础培养基的配方6，pH的控制大多数发酵过程是好氧的。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为l0mg/L)

。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。三、氧对发酵的影响大多数发酵过程是好氧的。三、氧对发酵的影响基质微生物g氧/g干菌体葡萄糖大肠杆菌0.4甲醇假单孢菌1.2辛烷假单孢菌1.7生长于不同基质上的不同微生物的需氧要求基质微生物g氧/g干菌体葡萄糖大肠杆菌0.4甲醇假单1.临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求。DissolvedOxygenConcentrationQO2Ccritical1.临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，■某些微生物的临界氧浓度微生物温度（˚C）临界氧浓度（mmol/L）固氮菌300.018大肠杆菌370.008酵母300.004产黄青霉240.022■某些微生物的临界氧浓度微生物温度（˚C）临界氧浓度固2、溶氧对发酵的影响溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受到干扰。发酵工业的目标是要得到菌体发酵的产物而不是菌体本身。因此，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的。当提供的氧浓度远大于临界值时，虽对菌体形成无妨，但也许能刺激产物的形成。某种产物形成的最佳条件可能不同于菌体生长的最佳通气条件。2、溶氧对发酵的影响溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为：

a.供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制；如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等

b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显；如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等

c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制；如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为：但在实际生产过程中需注意：溶解氧浓度过低（代谢异常，产量降低）溶解氧浓度过高（代谢异常，菌体提前自溶）但在实际生产过程中需注意：3、发酵过程的溶氧变化发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升3、发酵过程的溶氧变化发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不4、溶氧的控制调节通风与搅拌限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。

4、溶氧的控制调节通风与搅拌四、发酵过程中的泡沫及其控制1，泡沫的性质泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。四、发酵过程中的泡沫及其控制1，泡沫的性质一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。2，泡沫的类型一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。3，泡沫产生的原因由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）3，泡沫产生的降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难4，泡沫对发酵的不利影响降低发酵设备的利用率4，泡沫对发酵的不利影响通气与搅拌的强度培养基的配比及原材料组成培养基的破坏程度接种量的大小培养液本身性质的变化染菌5，影响泡沫稳定的因素通气与搅拌的强度5，影响泡沫稳定的因素不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同浓度蛋白质原科的起泡作用不同浓度蛋白质原科的起泡作用灭菌时间对泡沫稳定性的影响

灭菌时间对泡沫稳定性的影响6，发酵过程泡沫的变化6，发酵过程泡沫的变化7，发酵过程泡沫控制的方法物理消沫法化学消沫法7，发酵过程泡沫控制的方法物理消沫法物理消泡法方法罐内消沫法：罐外消沫法：原理靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。优点不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会缺点不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。物理消泡法方法原理优点缺点化学消泡法机理当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，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有强极性的物质与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。化学消泡法机理消泡剂的种类和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌)。高级醇类：十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体一起使用。硅酮类：硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。消泡剂的种类和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉

纯种发酵（单菌或混菌）；菌种以外的微生物都被视为杂菌。

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、人力和设备动力的浪费。五、杂菌的防治

纯种发酵（单菌或混菌）；菌种以外的微生物都被视为杂菌。五一、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）从染菌的时间分析●早期（如接种后12h或24h），除了种子带菌外，主要是培养基或设备灭菌不彻底。●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）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，可能是从蒸汽的冷凝水中带来的，或空气系统不严造成。3）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，各种染菌途径都有可能引起。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

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（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，而培养基消毒不透的情况较少。根据谷氨酸发酵情况分析，染菌原因以设备问题（设备渗漏、2、防止染菌要点（1）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；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。2、防止染菌要点（1）空气系统提高空压机进口（2）设备

●发酵罐及其附属设备应注意严密和防止泄漏，避免形成“死角”。与物料、空气、下水道连接的阀门皆需保证严密度。●用超净工作台及净化室代替无菌室，以提高无菌程度。●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；维持罐在料液输送时培养基在罐中能均匀地缓慢上升，不走短路。（2）设备●发酵罐及其附属设备应注意严密和防止泄漏，避免（3）工艺操作

①空罐准备放罐后应进行全面检查和清洗。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，阀门、管道均要彻底灭菌。

②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过滤器（筛孔直径≤0.5mm），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。

（3）工艺操作①空罐准备放罐后应进行全面检查和清洗。④补料

补入发酵罐内的料液一定要保证无菌。

⑤种子

有关种子操作的制度要严格遵守；摇瓶瓶塞要确保严密。④补料⑤种子⑥无菌试验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。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，则种子不能轻率进发酵罐。⑥无菌试验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，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要处理是很重要的。

（1）无菌检查

◆染菌通常通过3个途径发现：无菌试验、发酵液直接镜检、发酵液的生化分析。其中无菌试验是判断染菌的主要依据。

◆无菌试验方法有双碟培养、斜面培养、肉汤培养等，其中以双碟和肉汤培养为主。3、无菌检查与染菌的处理为了防止在种子培养或发酵过（2）染菌的判断

◆

以肉汤和双碟培养的反应为主，镜检为辅。◆每8h一次的无菌检查，至少用2只酚红肉汤及1只双碟同时取样。◆无菌试验时，如果肉汤连续3次变色（红→黄）或产生浑浊，或双碟培养连续3次有杂菌菌落，即判断为染菌。（2）染菌的判断◆以肉汤和双碟培养的反应为主，镜检为辅（3）染菌的处理

发现染菌后，应立即根据染菌的种类及产生菌的菌龄等具体情况分别进行处理。除据染菌时间及危害程度对污染罐进行挽救或处理外，对有关设备也应进行处理。◆发酵中后期染菌，可加入适当的杀菌剂或抗生素；或把高单位的后期发酵液压一部分到染菌罐中，抑制杂菌生长速度；或者降低罐温，减缓杂菌繁殖速度。◆种子罐染菌后，种子不能再接入发酵罐中，这时可用备用种子接种。如无备用种子，则可选一适当培养龄的发酵罐培养物作种子，即生产上所说的“倒种”。◆发酵罐前期染菌后，如培养基中C、N含量尚高，则可重新灭菌，接种后再运转；若染的杂菌危害性较大，则放掉部分料液，补入新料液，重新灭菌、接种。（3）染菌的处理发现染菌后，应立即根据染菌的种类及产生六.染噬菌体的防治六.染噬菌体的防治1.染噬菌体对发酵的影响发酵过程中如果受噬菌体的侵染，一般发生溶菌，随之出现发酵迟缓或停止，而且受噬菌体感染后，往往会反复连续感染，使生产无法进行，甚至使种子全部丧失。1.染噬菌体对发酵的影响发酵过程中如果受噬菌体

染噬菌体表现为：镜检可发现菌体数量明显减少，菌体不规则，严重时完全看不到菌体，且是在短时间内菌体自溶。发酵pH值逐渐上升，4~8小时之内可达8.0以上，不再下降。发酵液残糖高，有刺激臭味，粘度大，泡沫多。生产量甚少或增长缓慢或停止有无染噬菌体，根本的要做噬菌斑检验染噬菌体表现为：2.产生噬菌体的原因

通常在工厂投产初期并不感到噬菌体的危害，经过1~2年以后，主要是由于生产和试验过程中不断不加注意地把许多活菌体排放到环境中去，自然界中的噬菌体就在活菌体中大量生长，造成了自然界中噬菌体增殖的好机会。这些噬菌体随着风沙尘土和空气流动传播，以及人们的走动、车辆的往来也携带着噬菌体到处传播，使噬菌体有可能潜入生产的各个环节，尤其是通过空气系统进入种子室、种子罐、发酵罐。2.产生噬菌体的原因通常在工厂投产初期并不感到噬菌体3.染噬菌体的检测

在培养皿上倒入培养生产菌的培养基（加琼脂）作下层。同样的培养基中加入20％～30％培养好的种子液，再加入怀疑染噬菌体的发酵液，摇均匀后，铺上层。培养过夜观察培养皿上是否出现噬菌斑。也可以在上层培养基中不加怀疑染噬菌体的发酵液，而将发酵液直接点种在上层培养基表面，培养过夜，观察有无透明圈出现。3.染噬菌体的检测噬菌斑噬菌斑4.噬菌体的防治

1、必须建立工厂环境清洁卫生制度，定期检查、定期清扫，车间四周有严重污染噬菌体的地方应及时撒石灰或漂白粉。

2、车间地面和通往车间的道路尽量采取水泥地面

3、种子和发酵工段的操作人员要严格执行无菌操作规程，认真地进行种子保管，不使用本身带有噬菌体的菌种。感染噬菌体的培养物不得带入菌种室、摇瓶间4.噬菌体的防治1、必须建立工厂环境清洁卫生制度

4、认真进行发酵罐、补料系统的灭菌。严格控制逃液和取样分析和洗罐所废弃的菌体。对倒罐所排放的废液应灭菌后才可排放。

5、选育抗噬菌体的菌种，或轮换使用菌种。

6、发现噬菌体停搅拌、小通风，将发酵液加热到70~800C杀死噬菌体，才可排放。发酵罐周围的管道也必须彻底灭菌。4、认真进行发酵罐、补料系统的灭菌。严格控制逃液和发酵工艺的控制

第四章发酵工艺的控制第四章工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们一、温度对发酵的影响及控制1，影响发酵温度的因素产热因素：生物热搅拌热散热因素：蒸发热辐射热一、温度对发酵的影响及控制1，影响发酵温度的因素发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。

Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2,NH3时释放出的大量能量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动热能散发影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。

1、抗生素相对活性为12、抗生素相对活性为0.5发酵过程中生物热的变化实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热。

Q搅拌=3600（P/V）3600：热功当量（kJ/（kW.h））（P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（kW/m3）搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。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发；蒸发所需的热量即为蒸发热。蒸发热的计算：

Q蒸发=G（I2-I1）

G：空气流量，按干重计算，kg/h

I1、I2：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气）蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响产物质量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。在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。2，温度对发酵的影响影响各种酶的反应速率和蛋白质性质2，温度对发酵的影响最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。最适发酵温度的选择在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择还应考虑培养基成分和浓度3，最适温度的确定最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产发酵罐：夹套（10M3以下）盘管（蛇管）（10M3以上）4，温度的控制4，温度的控制河南科技大学微生物工程学课件第四章发酵工艺的控制二、pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。尽管多数微生物能在3－4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。二、pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物1，pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响pH影响酶的活性pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解pH影响菌体代谢过程，使代谢产物的质量和比例发生改变1，pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响pH影响酶的活性2，发酵过程中pH的变化生长阶段：pH有上升或下降趋势（相对于接种后起始pH而言）生成阶段：pH趋于稳定，维持在最适产物合成的范围。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，致使pH上升，此时菌丝趋于自溶而代谢活动终止。2，发酵过程中pH的变化生长阶段：pH有上升或下降趋势（相碳源过量，特别是葡萄糖过量，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pH下降。消泡油添加过量生理酸性物质的存在（NH2SO4），氨被利用，pH下降3，引起pH下降的因素3，引起pH下降的因素氮源过多,生理碱性物质的存在（NaNO3），中间补料，氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH上升。4，引起pH上升的因素4，引起pH上升的因素原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。最适pH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围。5，最适pH的选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。5，●大多数细菌生长的最适pH6.3～7.5●霉菌最适生长pH3～6●放线菌生长最适

pH7～8●大多数细菌生长的最适pH6.3～7.5●霉菌最适生最适pH与微生物生长、产物形成的四种类型：菌体比生长速率μ和产物比生产速率QP的最适pH在一个相似的较宽的范围内（比较容易控制）；μ较宽，Qp范围较窄，或μ较窄，Qp范围较宽（难控制，应严格控制）；μ和Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）；更复杂，μ和Qp对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）；最适pH与微生物生长、产物形成的四种类型：河南科技大学微生物工程学课件第四章发酵工艺的控制调节基础培养基的配方调节碳氮比（C/N）添加缓冲剂，例如加入轻质CaCO3补料控制直接加酸加碱补加碳源或氮源，例如可以根据生产菌的代谢需要用改变加糖速率来控制pH,也可通过中间补加尿素或硫酸铵等调节6，pH的控制调节基础培养基的配方6，pH的控制大多数发酵过程是好氧的。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为l0mg/L)

。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。三、氧对发酵的影响大多数发酵过程是好氧的。三、氧对发酵的影响基质微生物g氧/g干菌体葡萄糖大肠杆菌0.4甲醇假单孢菌1.2辛烷假单孢菌1.7生长于不同基质上的不同微生物的需氧要求基质微生物g氧/g干菌体葡萄糖大肠杆菌0.4甲醇假单1.临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求。DissolvedOxygenConcentrationQO2Ccritical1.临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，■某些微生物的临界氧浓度微生物温度（˚C）临界氧浓度（mmol/L）固氮菌300.018大肠杆菌370.008酵母300.004产黄青霉240.022■某些微生物的临界氧浓度微生物温度（˚C）临界氧浓度固2、溶氧对发酵的影响溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受到干扰。发酵工业的目标是要得到菌体发酵的产物而不是菌体本身。因此，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的。当提供的氧浓度远大于临界值时，虽对菌体形成无妨，但也许能刺激产物的形成。某种产物形成的最佳条件可能不同于菌体生长的最佳通气条件。2、溶氧对发酵的影响溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为：

a.供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制；如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等

b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显；如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等

c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制；如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为：但在实际生产过程中需注意：溶解氧浓度过低（代谢异常，产量降低）溶解氧浓度过高（代谢异常，菌体提前自溶）但在实际生产过程中需注意：3、发酵过程的溶氧变化发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升3、发酵过程的溶氧变化发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不4、溶氧的控制调节通风与搅拌限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。

4、溶氧的控制调节通风与搅拌四、发酵过程中的泡沫及其控制1，泡沫的性质泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。四、发酵过程中的泡沫及其控制1，泡沫的性质一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。2，泡沫的类型一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。3，泡沫产生的原因由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）3，泡沫产生的降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难4，泡沫对发酵的不利影响降低发酵设备的利用率4，泡沫对发酵的不利影响通气与搅拌的强度培养基的配比及原材料组成培养基的破坏程度接种量的大小培养液本身性质的变化染菌5，影响泡沫稳定的因素通气与搅拌的强度5，影响泡沫稳定的因素不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同浓度蛋白质原科的起泡作用不同浓度蛋白质原科的起泡作用灭菌时间对泡沫稳定性的影响

灭菌时间对泡沫稳定性的影响6，发酵过程泡沫的变化6，发酵过程泡沫的变化7，发酵过程泡沫控制的方法物理消沫法化学消沫法7，发酵过程泡沫控制的方法物理消沫法物理消泡法方法罐内消沫法：罐外消沫法：原理靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。优点不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会缺点不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。物理消泡法方法原理优点缺点化学消泡法机理当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，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有强极性的物质与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。化学消泡法机理消泡剂的种类和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌)。高级醇类：十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体一起使用。硅酮类：硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。消泡剂的种类和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉

纯种发酵（单菌或混菌）；菌种以外的微生物都被视为杂菌。

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、人力和设备动力的浪费。五、杂菌的防治

纯种发酵（单菌或混菌）；菌种以外的微生物都被视为杂菌。五一、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）从染菌的时间分析●早期（如接种后12h或24h），除了种子带菌外，主要是培养基或设备灭菌不彻底。●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）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，可能是从蒸汽的冷凝水中带来的，或空气系统不严造成。3）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，各种染菌途径都有可能引起。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

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（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，而培养基消毒不透的情况较少。根据谷氨酸发酵情况分析，染菌原因以设备问题（设备渗漏、2、防止染菌要点（1）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；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。2、防止染菌要点（1）空气系统提高空压机进口（2）设备

●发酵罐及其附属设备应注意严密和防止泄漏，避免形成“死角”。与物料、空气、下水道连接的阀门皆需保证严密度。●用超净工作台及净化室代替无菌室，以提高无菌程度。●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；维持罐在料液输送时培养基在罐中能均匀地缓慢上升，不走短路。（2）设备●发酵罐及其附属设备应注意严密和防止泄漏，避免（3）工艺操作

①空罐准备放罐后应进行全面检查和清洗。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，阀门、管道均要彻底灭菌。

②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过滤器（筛孔直径≤0.5mm），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。

（3）工艺操作①空罐准备放罐后应进行全面检查和清洗。④补料

补入发酵罐内的料液一定要保证无菌。

⑤种子

有关种子操作的制度要严格遵守；摇瓶瓶塞要确保严密。④补料⑤种子⑥无菌试验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。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，则种子不能轻率进发酵罐。⑥无菌试验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，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要处理是很重要的。

（1）无菌检查