发酵条件及过程控制

第8章发酵工艺控制影响发酵过程的因素菌体生产能力

基质含量温度pH

溶解氧浓度搅拌转速、搅拌功率泡沫尾气中的氧气和二氧化碳

罐压力、料液流量、粘度、浊度、产物浓度、氧化还原电位、菌丝形态8.1.1温度对微生物生长的影响（1）微生物对低温的适应能力强于对高温的适应能力（2）微生物的生长阶段不同，温度对其影响不同，不同的温度范围内，对微生物的影响也不相同。a.在最适生长温度范围内，微生物的生长速度会随温度升高而加快。b.不同生长阶段的微生物对温度变化的反应也不一样8.1温度对发酵的影响及调节控制温度对微生物生长的影响、对代谢产物合成的影响发酵的最适生长温度是什么？——微生物生长繁殖最快的温度不同微生物的生长对温度的要求不同，据此，将微生物大致可分为四类：嗜冷菌：0～26℃；嗜温菌：15～43℃

；嗜热菌：37～65℃

；嗜高温菌：65℃以上每种微生物对温度的要求可用最低温度、最适温度、最高温度来表征。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。在最适温度下，微生物的生长速率随温度升高而增加，微生物生长迅速；微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高温度，微生物很快死亡；8.1.1.2温度对发酵过程的影响（1）温度升高，微生物的生长和代谢速度会加快，发酵产物会提前生成。但温度过高可能会造成酶的受热失活，微生物菌体容易过早衰老和自溶，从而缩短发酵周期，降低发酵产量。（2）温度影响微生物的生物合成方向金色链霉菌具有产生金霉素和四环素能力.温度低于30℃时，合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到35℃时，几乎只产生四环素。（3）温度影响多组分次级代谢产物的比例在20℃发酵时黄曲霉所产生的黄曲霉毒素G1与B1的比例为3:1，25℃时为1:2，30℃为1:1.（4）温度影响微生物的代谢调控机制（5）温度还影响基质溶解度、发酵液的物理性质如黏度因此对发酵过程中的温度要严格控制。8.1.2影响发酵温度的因素

发酵过程中，随着微生物对营养物质的利用、机械搅拌的作用，将会产生一定的热量；同时由于发酵罐壁的散热、水分的蒸发等将会带走部分热量。发酵热（Q发酵）：发酵过程中产生的净热量。单位kJ/(m3·h)。包括生物热、搅拌热、蒸发热以及辐射热。

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。生物热（Q生物）

在发酵过程中，菌体不断将营养物质氧化分解，产生的能量，一部分用于合成高能化合物如ATP，供细胞合成和代谢活动一部分用于合成代谢产物一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。问题1生物热来源于培养基中的什么物质？问题2在发酵的哪一阶段，微生物产生的生物热最大？生物热与发酵类型有关微生物进行有氧呼吸和厌氧发酵产生的热量对比1mol葡萄糖彻底氧化成CO2和水好氧：产生287.2KJ热量，

183KJ转变为ATP+104.2KJ生物热释放厌氧：产生22.6KJ热量，

9.6KJ转变为ATP+13KJ生物热释放转化为高能化合物的转化率分别为63.7％和42.6％生物热的产生具有明显的阶段性，与呼吸作用强弱有关发酵初期，菌体呼吸作用缓慢，产生热量较少。菌体在对数期，繁殖迅速，呼吸作用强，产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。发酵后期，菌体繁殖↓，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大。如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌。培养基营养越丰富，生物热也越大。搅拌热（Q搅拌）

问题3搅拌热是如何产生的？对于机械搅拌通气式发酵罐，由于机械搅拌带动培养液作相应的比较剧烈的运动，造成液体之间、液体与搅拌器等设备之间的摩擦，会产生相应的热量。搅拌热与搅拌轴功率的关系：

Q搅拌＝P×860×4186.8（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。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，一般不超过发酵热的5％辐射热（Q辐射）

蒸发热（Q蒸发）

通气时，空气进入发酵罐后就与发酵液进行广泛的接触，除部分氧等被微生物利用外，大部分气体仍从发酵液中逸出。通气还引起发酵液的水分蒸发，被空气和水分带走的热量叫蒸发热。问题5发酵热包括哪些热？Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射（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37℃

，谷氨酸棒状杆菌的生长温度为30～32℃

，青霉菌生长温度为30℃

。8.1.4最适温度的选择与发酵温度的控制﹠

发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，稍高的温度，使菌生长迅速；﹠发酵中期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，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。﹠发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。多数情况下，微生物的生长和发酵产物的合成所需要的最适温度不一样黑曲霉生长37℃

，产糖化酶32～34℃

。黄原胶的发酵生产，菌体生长的最适温度为27℃，黄原胶的产生温度则在32℃谷氨酸产生菌生长30～34℃

，产谷氨酸36～37℃

。（2）根据培养条件选择通气条件差时可适当降低温度，使菌体呼吸速率降低些，溶氧浓度也可高些。培养基稀薄时，温度也低些。因为温度高营养利用快，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些，菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，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。

总之，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。通过反复实践来定出最适温度。最适温度的选择根据菌种及生长阶段选择根据培养条件选择菌种的生长情况8.2pH对发酵的影响及调节控制8.2.1pH值对发酵过程的影响pH值对微生物生长和代谢产物形成都有很大影响培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是发酵过程中重要参数微生物最适pH细菌6.5~7.5放线菌6.5~7.5酵母菌4.0~5.0霉菌5.0~7.0（1）不同的微生物对pH值的要求不同每种微生物都有生长最适的和耐受的pH值（2）pH值不同，微生物形成的发酵产物不同微生物pH值发酵产物黑曲霉2-3柠檬酸近中性草酸酵母菌4.5-5.0酒精8.0酒精、醋酸、甘油微生物菌体生长最适pH值发酵产物形成最适pH值丙酮丁醇菌5.5~7.04.3~5.3青霉素产生菌6.5~7.26.2~6.8（3）微生物的生长、发酵产物形成的最适pH值通常不同8.2.2发酵过程中发酵液的pH值

为什么会发生变化？1、基质代谢

（1）糖代谢：快速利用的糖分解成小分子酸、醇使pH↓。若pH上升则糖缺乏，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↓

；尿素被分解成NH3，pH↑，NH3利用后pH↓，当碳源不足时氮源当碳源利用pH↑。（3）生理酸、碱性物质利用后pH会↑或↓。2、产物形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↓，红霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH↑。

3、菌体自溶，pH上升发酵后期，pH上升。

8.2.3pH改变影响微生物生长及产物形成的原因（1）pH影响酶的活性：当pH值抑制菌体某些酶的活性时，菌体的新陈代谢受阻；（2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷：从而改变细胞膜的透性，影响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行；

（3）pH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物质的利用。（4）影响微生物的生物合成方向：发酵液的pH变化往往引起菌体代谢途径的改变，从而使代谢产物的产量发生改变。pH在微生物培养的不同阶段影响不同pH对菌体生长影响比产物合成影响小青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0,产物合成最适pH7.2~7.4四环素：菌体生长最适pH6.0~6.8，产物合成最适pH5.8~6.08.2.4发酵过程中pH的控制配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况pH对产海藻酸裂解酶的影响※尽管在发酵过程中，微生物本身具有使生长适应pH值的能力，但是当外界的条件发生较大的变化时，微生物就失去了自身的调节能力，发酵液的pH值就会发生波动。※为使微生物能在最适的pH值范围内生长、繁殖和发酵，首先应根据不同微生物的特性，不仅在原始培养基中要控制适当的pH值，而且在整个发酵过程中，必须随时检测pH值的变化情况，根据发酵过程中的pH值变化规律，选用适当的方法对pH值进行适当的调节和控制。

PH值调节和控制的方法有哪些？（1）调节培养基的原始pH值。或加缓冲溶液（如磷酸盐）制成缓冲能力强、pH值变化不大的培养基，或使盐类和碳源的配比平衡。（2）可在发酵过程中加入弱酸或弱碱进行pH值的调节。也可通过调整通风量控制pH值。（3）补料调节：它既调节了培养液的pH值，又可补充营养，增加培养液的浓度和减少阻遏作用，进一步提高发酵产物的产率。例如：谷氨酸发酵中pH的调节（4）加入碳酸钙法：采用生理酸性铵盐作为氮源时，会引起发酵液pH值的下降，可加入碳酸钙来调节pH值。但在操作上很容易引起染菌。（5）氨水流加法：加氨水调节，同时又可把氨水作为氮源，采用自动控制连续流加方法。同时根据微生物的特性、发酵过程的菌体生长情况、耗糖情况等。一般控制在pH值7.0-8.0。（6）尿素流加法：引起的pH值变化有一定的规律性，易于控制操作。尿素分解释放氨，使pH值↑；氨被利用和形成代谢产物，使pH值↓，再次反复进行流加就可维持一定的pH值。

目前已有适合于发酵过程pH值的测量的电极，连续测量并记录pH值的变化，用于控制和监测发酵pH值。不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇瓶发酵的影响“1”表示只加CaCO3控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaCO3和尿素联合控制pH值。例：异亮氨酸发酵例：pH对L-异亮氨酸发酵的影响（天津科技大学）菌株最适生长pH控制在6.8～7.0发酵的不同阶段采取不同的pH值不同pH值对菌体的形态影响很大：当pH＞7.5时，菌体易于老化，呈现球状；当pH＜6.5时菌体同样受抑制，易于老化。在7.2左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在6.9左右时，菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优势。pH6.9，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产酸有利。采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵前期控制pH6.9，到48h后pH值为7.15，到80h后pH值为7.25。产率22.27g/L，产酸率提高12.23％。pH控制是一项非常细致的工作，不仅考虑最佳pH值，而且要根据生长阶段考察对pH的要求。在pH控制中要采用合适的调节方法。对发酵的影响pH影响酶的活性pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离pH影响代谢方向pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响

pH的控制方式基础培养基调节pH在基础料中加入维持pH的物质通过补料调节pH

当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH

发酵的不同阶段采取不同的pH值选择合适的pH调节剂8.3氧对发酵的影响及其调节控制

溶氧（DO）是好氧微生物生长繁殖、产生代谢产物必需的，而微生物只能利用溶解到液体中的氧，故溶氧往往是最易成为控制因素。

28℃，氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有0.25mmol/L左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。8.3.2微生物对氧的需求8.3.2.1描述微生物需氧的物理量呼吸强度（QO2）：单位质量干菌体在单位时间内所吸收的氧气量，mol/（kg·s）或mol/（L·s）.又称为比耗氧速率。耗氧速率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mol/L·h或mol/（m3·s）

。r=QO2·XX为发酵液中菌体浓度8.3.2.2影响微生物对氧需求的因素（1）微生物种类影响其需氧量p118（2）发酵液中溶氧浓度影响微生物的呼吸强度当发酵液中的溶氧浓度较低时，微生物的呼吸强度随溶氧浓度的增加而显著增大，此时若限制发酵液中的溶氧浓度，会严重影响微生物的代谢活动。当溶氧浓度继续增加到某一数值，微生物的呼吸强度达到最大值。临界溶解氧浓度（C临界）：微生物对发酵液中溶氧浓度的最低值。是满足微生物呼吸的最低氧浓度，即呼吸临界氧值（不影响呼吸所允许的最低值）工业发酵中，好氧微生物的临界溶解氧浓度一般为0.003~0.05mmol/L.a.一般微生物的临界溶氧浓度很小，通过通风搅拌很容易满足发酵过程中需氧。b.微生物的呼吸临界氧值与产物合成临界氧值不相同。

头孢菌素卷须霉素生长5-7%13-23%产物10-20%>8%呼吸临界氧值（3）培养基的成分和浓度影响微生物需氧当培养基营养丰富时，细胞生长繁殖速度快，对氧的需求量大；当培养基浓度高时，微生物耗氧量也大。（4）微生物的菌龄影响其需氧量刚接入发酵培养基中的幼龄菌，生长旺盛，细胞的呼吸强度较大，需氧量大；随着培养时间延长，当微生物处于对数生长期时，细胞呼吸旺盛，需氧量大；在发酵后期菌体进入衰老状态，需氧量自然减弱。（5）发酵条件影响微生物需氧量最适培养条件下发酵，微生物的生长和代谢处于最旺盛状态，则需氧量大；如果某些发酵条件不合适，则必然影响微生物的生长和代谢，需氧量则小。8.3.4影响供氧的因素（1）发酵罐结构对供氧的影响通风效率随发酵罐高径比(H/D)的增大而增加.机械搅拌通风发酵罐的高径比(H/D)通常选取2~3（2）搅拌和通气对供氧的影响机械搅拌通风发酵罐的搅拌器可以明显改善通气效率，增加氧的传递和溶解。还可以通过调节搅拌转速或通风量来控制溶氧。（3）压力对供氧的影响适当提高发酵罐的罐压或空气中氧分压，可增加氧的溶解度。好氧发酵过程的罐压一般选为0.05~0.1MPa。（4）发酵液性质对供氧的影响微生物的生长繁殖和代谢，会引起发酵液的性质如密度、黏度、表面张力等发生变化，这些变化都对气泡的大小、气泡的稳定性、液体的湍动性及界面或液膜阻力等产生很大的影响，从而影响到氧的传递速率。（5）微生物生长对供氧的影响发酵液的摄氧率随菌体浓度的增加而按比例增加，但是氧的传递速率则随菌体浓度的增加而减少。因此，一般控制微生物的比生长速率比临界值略高一点的水平，使菌体达到最适浓度，用以控制最适溶氧浓度和耗氧速度。8.4泡沫对发酵的影响及控制泡沫：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。发酵泡沫：分散相——无菌空气和代谢气体；连续相——发酵液8.4.1泡沫的产生原因（1）好氧发酵过程中，为了适应微生物的生理特性，需要不断通入大量的无菌空气；（2）为加速氧在培养液中的溶解度，必须进行剧烈的搅拌，使空气成为无数的小气泡，以增加气液的界面，利于溶氧；（3）微生物生长和代谢过程中不断排出的废气（如氨气、CO2等);（4）发酵液中蛋白质、糖和脂肪等容易发泡物质的存在。培养液的理化性质对泡沫形成和稳定起决定性作用；玉米浆、糖蜜所含蛋白质及细胞本身具有稳定泡沫的作用。培养液的温度、酸碱度、浓度等对发酵过程的泡沫的稳定性也有一定的影响。一般在含有复合氮源的通气发酵中会产生大量泡沫。气泡的稳定性主要与液体的表面张力、表观黏度和泡沫的机械强度有关。影响泡沫形成及稳定性的因素泡沫的存在类型？

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，泡沫与下面的液体之间有能分辨的界限。一类存在于粘稠的发酵液中：这类泡沫分散很细、很均匀、很稳定，泡沫与液体之间没有明显的界限，在发酵液中气体分散相所占比例由上而下逐渐增加。

（1）与培养基的原料有关：玉米浆、蛋白胨、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉、糖蜜等是发泡的主要因素。起泡能力随品种、产地、加工、贮藏条件而有所不同。含花生饼粉或黄豆饼粉的培养基，黏度比较大，产生的泡沫多又持久。糖类本身起泡能力较低，但高浓度的糖增加了发酵液黏度，起稳定泡沫的作用8.4.2发酵过程中泡沫的消长规律？

（2）与通气、搅拌有关灭菌方法、温度和时间会改变培养基的性质，从而影响起泡能力。举例：糖蜜的灭菌温度从110℃升高到130℃，30min，发泡系数qm几乎增加一倍。这是由于形成大量蛋白黑色素和5-羟甲基(呋喃醇)糠醛所致。6.5040培养时间（h）表面张力图6-6霉菌发酵过程中培养液的性质与泡沫的关系表观黏度表面张力泡沫寿命表观黏度以霉菌发酵为例发酵过程中泡沫的消长规律发酵初期：培养基浓度大，粘度高，营养丰富。泡沫的高稳定性与发酵液的高表观黏度和低界面张力有关；随着发酵进行，霉菌产生的蛋白酶、淀粉酶的增多和对营养物质的利用，造成产生泡沫的蛋白质等物质分解，培养液的性质发生改变，黏度降低促使表面张力上升，泡沫减少（发酵最旺盛泡沫最多）；发酵后期：由于微生物细胞的自溶，又使可溶性蛋白的浓度增加，促使发酵过程的泡沫上升。此外，发酵过程中染菌使发酵液的黏度变大，产生大量的泡沫。微生物的呼吸和发酵产生大量的CO2等气体排放到发酵液中，也会引起大量泡沫的产生。8.4.3过多的、持久性泡沫给发酵带来的影响（1）使发酵罐的装料系数减少；（2）造成排气管有大量逃液，导致产物的损失；（3）泡沫“顶罐”有可能使培养基从搅拌的轴封渗出，增加了染菌的机会；（4）影响通气搅拌的正常进行，妨碍微生物的呼吸造成发酵异常，导致终产物产量下降；（5）菌体提早自溶，这一过程的发展又会促使更多的泡沫生成；（6）增加微生物群体的非均一性：由于泡沫的液位变动，及不同生长周期微生物随泡沫漂浮或粘附在罐盖或罐壁上，使微生物生长的环境发生了改变，影响了微生物群体的效果；（7）为将泡沫控制在一定范围内，需加入消泡剂，但会对发酵工艺和产物的提取带来困难。因此，如何控制发酵过程中产生的泡沫，是使发酵过程得以顺利进行和取得高产、高效的重要因素之一。8.4.4发酵过程中泡沫消除和控制主要有化学消泡和机械消泡两种方法（一）化学消泡使用化学消泡剂的消泡法当把化学消泡剂加入到发酵体系中，由于消泡剂本身的表面张力相对于发酵液来说是比较低的，一旦接触到气泡的表面，将会使气泡膜局部的表面张力降低，力的平衡受到破坏，因而使气泡破裂或合并，最后导致泡沫破裂。问题1化学消泡的原理？若泡沫的表面层存在着极性的表面活性物质而形成双电层时，加入带相反电荷的表面活性剂，可以降低膜的弹性（机械强度），或加入某些具有强极性的物质与起泡剂争夺液膜上的空间，并使液膜的机械强度降低，进而促使泡沫破裂。当泡沫的液膜具有较大的表面黏度时，加入某些分子内聚力较弱的物质，可降低膜的表面黏度，从而促使液膜的液体流失而使泡沫破裂。问题2化学消泡剂有哪些特点？

1.化学消泡剂必须是表面活性剂，具有较低的表面张力，消泡作用迅速高效；2.具有一定的亲水性，以使消泡剂对气-液界面的分散系数足够大，从而迅速发挥消泡活性；3.在水中的溶解度必须较小，以保持持久的消泡或抑泡性能；4.对人、畜及微生物细胞无毒性，对微生物生长和代谢产物的提取分离和产品的质量无影响；5.不影响氧在培养液的溶解和传递。

天然油脂类、聚醚类、高级醇类和硅树脂类。1、天然油脂玉米油、豆油、米糠油、棉籽油、鱼油和猪油等，除作消泡剂外，还可作为碳源。其消沫能力不强，需注意油脂的新鲜程度，以免生长和产物合成受抑制。问题3发酵过程中常用的化学消泡剂主要有哪些？2、聚醚类应用较多的为聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯丙烯甘油(俗称泡敌)。用量0.03％左右，消沫能力比植物油大10倍以上。泡敌亲水性好，在发泡介质中易铺展，消沫能力强，但其溶解度也大，消沫活性维持时间较短。在黏稠发酵液中使用效果比在稀薄发酵液中更好。3、高级醇十八醇是高级醇类中常用的一种，可单独或与载体一起使用。它与冷榨猪油一起能有效控制青霉素发酵的泡沫。聚二醇具有消沫效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。4、硅酮类典型代表是聚二甲基硅氧烷及其衍生物，不溶于水，单独使用效果很差；常与分散剂(微晶Si02)一起使用，也可与水配成10％的纯硅酮乳液；适用于微碱性放线菌和细菌发酵。在pH5左右的发酵液中效果较差。羟基聚二甲基硅氧烷是一种含烃基的亲水性硅酮消泡剂，曾用于青霉素和土霉素发酵中。消泡能力随羟基含量(0.22％～3.13％)的增加而提高。氟化烷烃是一种潜在的消沫剂，它的表面能比烃类、有机硅类要小，为0.009～0.018N/m。问题4为增加消泡剂效果，生产上常用方法？通过机械分散。使消泡剂更易在发酵液中进行分散；将消泡剂与载体一起使用。使消泡剂分散于载体中，两者并用具明显的增效作用，如当用聚氧丙烯甘油作消泡剂时，以豆油为载体的消泡增效作用相当明显；多种消泡剂并用可增强消泡作用。如用0.5%-3%的硅酮、20%-30%的植物油、5%-10%的聚乙醇二油酸酯、1%-4%的多元醇脂肪酸与水组成的混合消泡剂也具有明显的消泡增强效果；利用乳化剂增强消泡剂的消泡作用。如消泡剂聚氧丙烯甘油用吐温为乳化剂的增效作用可提高1-2倍。机械消泡机械消泡是靠机械强烈振动和压力的变化，促使气泡破裂，或借助于机械力将排出气体中的液体加以分离回收，从而达到消泡的作用。优点：不需在发酵液中加入其他物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后继分离工艺的影响。缺点：机械消泡的效果不如化学消泡迅速、可靠，不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素，同时它还需要一定的设备和消耗一定的动力。

理想的机械消泡的装置必须满足：动力消耗少、结构简单、坚固耐用、清洗杀菌容易、维修保养费用少等。

机械消泡的方法：罐内消泡：在发酵罐内将泡沫消除。罐外消泡：将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离心力粉碎泡沫，消除后再将液体返回发酵罐内。罐内机械消泡

装置：耙式消泡桨耙式消泡桨:结构比较简单的罐内机械消泡装置如下图:它装在发酵罐的搅拌轴上，安装时桨上的齿面略高于液面，靠轴的旋转带动来打碎泡沫，起到消泡的作用。该装置消泡只是一种简单的消泡措施，消泡作用并不完全，一般当有少量的泡沫产生时，耙齿能随时将泡沫打碎；但当有大量泡沫产生时，耙齿就来不及将泡沫打碎，而当泡沫超过耙桨时，就将失去消泡作用。旋转圆板式的机械消泡：装置设置在发酵罐内的气相中，与发酵液的液面保持平行。圆板旋转的同时将槽内发酵液注入圆板的中央，通过离心力将破碎成微小泡沫的微粒散向槽壁，以达到消泡的目的。冲击反射板机械消泡：这是一种把气体吹入液面上部，然后通过在液面上部设置的冲击反射，吹回到液面，而将液面上产生的泡沫击碎的方法。

旋转叶片罐外机械消泡：将泡沫引出罐外，利用装置中的旋转叶片所产生的冲击力和剪切力进行消泡。离心力消泡：将泡沫注入用网眼及筛目较大的筛子做成的筐中，通过旋转产生的离心力将泡沫分散，而达到消泡的目的。旋风分离器消泡：发酵罐内产生的泡沫通过旋风分离器上部进入脱泡器，并与脱泡器下方引入的气体逆向接触使其破碎。转向板消泡：泡沫以30-90m/s的速度由喷头向转向板使泡沫破碎，分离液用泵送回发酵罐内，而气体则排出消泡器外。罐外机械消泡

消泡剂应用实例及注意事项土霉素发酵中用泡敌、植物油和水按(2～3)：(5～6)：30的比例配成乳化液，消沫效果很好，不仅节约了消沫剂和油的用量，还可在发酵全程使用。青霉素发酵中曾采用滴加玉米油的方式，防止了泡沫的大量形成，有利于产生菌的代谢和青霉素的合成，且减少了油的用量。过量的油脂固然能迅速消沫，但也抑制气泡的分散，使气液比表面积减小，显著影响氧的传质速率，使溶氧迅速下跌，甚至到零。油还会被脂肪酶等降解为脂肪酸与甘油，并进一步降解为有机酸，有机酸的氧化消耗大量的氧，使溶氧下降。油脂与铁会形成过氧化物，对一些抗生素的生物合成有害。在豆油中添加0.1％一0.2％萘酚或萘胺等抗氧剂可有效防止过氧化物的产生，消除它对发酵的不良影响，使用天然油脂时不能一次加得太多。过量的消沫剂通常会影响菌的呼吸活性和物质(包括氧)透过细胞壁的运输。例如：电镜观察消沫剂对培养了24h的短杆菌的生理影响时发现，其细胞形态特征，如膜的厚度、透明度和结构功能与氧受限制的条件下相似。细胞表面呈细粒的微囊、类核(拟核)含有DNK纤维，其内膜隐约可见。几乎所有的细胞结构形态都在改变。因此，应尽可能减少消沫剂的用量。现有实验数据还难以评定消沫剂对微生物的影响在应用消沫剂前需作比较性试验，找出一种对微生物生理、产物合成影响最小，消沫效果最好，且成本低的消泡剂。化学消沫剂应制成乳浊液，以减少同化和消耗。宜联合使用机械与化学方法控制泡沫，并采用自动监控系统。8.5二氧化碳对发酵的影响极其控制CO2是微生物呼吸和分解代谢的终产物，也是合成某些代谢产物的重要基质。问题1CO2对菌体生长有何影响？CO2积累在发酵液中，对微生物生长具有刺激或抑制作用。大多数微生物对发酵液中的CO2适应浓度较低，一般为0.02％~0.04％(体积分数).当尾气中CO2

浓度高于4％时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如：产黄青霉的菌丝形态随发酵液中CO2

浓度不同而改变。当发酵液中CO2

浓度为0~8％时，产黄青霉菌丝体主要呈丝状；当发酵液CO2浓度为15％~22％时，菌丝体呈膨胀、粗短状；若CO2分压提高至0.08×105Pa时，菌体呈球状。CO2对微生物合成代谢产物的影响？CO2浓度对氨基酸、抗生素等发酵有抑制或刺激作用.例1：精氨酸发酵时CO2的最适分压约为0.12×105Pa，过高或过低都会影响其合成。例2：青霉素发酵中，CO2含量高于4%时，即使溶解氧在临界氧浓度以上，菌体呼吸强度和青霉素合成都受到抑制。当进气中CO2分压达到0.08×105Pa时，青霉素的比生产速率下降50%。问题2如何CO2

浓度的控制若CO2促进发酵，应适当提高其的浓度；若CO2抑制发酵，应降低其浓度。（1）增加罐压可提高CO2的分压，也就增加了发酵液中的CO2浓度。（2）发酵罐的高径比(H/D)对CO2浓度也有影响。对CO2敏感的发酵生产，不宜采用高径比大的发酵罐。因为同样通气搅拌，高径比大的发酵罐CO２不易排出，在罐底形成碳酸，引起发酵液的pH下降，进而影响微生物细胞的呼吸和产物合成。问题1（3）提高通气量和搅拌速度既可促进氧的溶解，使溶解氧保持在临界值以上，又可使多余的CO2随着废气排出，使液体中的CO2维持在引起微生物生长和代谢抑制作用的浓度之下。（4）CO2的产生还与发酵工艺密切相关例如，在青霉素发酵中，采用补糖发酵工艺会增加发酵液中的CO2浓度和降低发酵液的pH。第9章发酵过程的精确检测根据获得的途径不同，发酵过程的参数分为状态参数间接状态参数状态参数：能直接反映微生物的生理代谢状况的参数。如pH、溶氧、溶解C02、尾气02、尾气C02、黏度、菌体浓度等。现有的监测状态参数的传感器除了必须耐高温蒸汽反复灭菌，还冒探头表面被微生物堵塞的危险，从而导致测量的失败。特别是pH和溶氧电极有时还会出现失效和显著漂移的问题。溶氧能反映发酵过程氧的供需和生产菌的生理状况发酵液中的溶氧浓度可通过改变通气量、搅拌速率、罐压、通气成分(纯氧或富氧)和加糖、补料来控制。生产中常维持溶氧水平高于一临界值，而不是在一设定值。最有价值的状态参数是尾气分析和空气流量的在线测量。用红外和顺磁氧分析仪可分别测定尾气CO2和O2含量；也可以用一种快速、不连续的、能同时测多种组分的质谱仪测定。间接状态参数：通过状态参数计算求得的。如摄氧率、C02释放速率、呼吸商等。呼吸商反映微生物的代谢状况。它尤其能提供从生长向生产过渡或主要基质间的代谢过渡指标。参数检测的2种方法：

在线仪器监测和离线发酵分析在线仪器监测：将采集的电信号放大，用于监测发酵的状态、直接做发酵闭环控制和计算间接参数。仪器：标准化监测装置、传感器、气体分析仪、高效液相色谱发酵过程的好坏完全取决于能否维持一生长受控的和对生产良好的环境。达到此目标的最直接和有效的方法是通过直接测量发酵的变量来调节生物过程。故在线测量是高效过程运行的先决条件选择仪器时不仅要考虑其功能，还要确保该仪器不会增加染菌的机会。置于发酵罐内的探头必须耐高压蒸汽灭菌。常遇到的问题是探头的敏感表面受微生物的黏附。常规在线测量和控制发酵过程的设定参数有罐温、罐压、通气量、搅拌转速等。在线尾气分析能即时反映生产菌的生长情况不同品种的发酵和操作条件，间接参数的变化不一样。以面包酵母补料—分批发酵为例，有两种主要原因导致乙醇的形成。1、氧的不足；2、培养基中基质浓度过高。应用尾气分析控制面包酵母分批发酵收到良好的效果。将呼吸商与溶氧控制结合，采用适应性多变量控制策略可以有效地提高酵母发酵的产率和转化率。在线发酵仪器的研究进展随着计算机价格的下降和功能的不断增强，发酵监测和控制得到更大的改进。这为装备实验室和工厂规模的联(计算)机发酵监控提供机会。为了解决一些养分和代谢物的测定需依赖离线分析仪的问题，曾开发一些新的就地检测的传感器。一些在线生物传感器和基于酶的传感器所具备的高度专一性和敏感性有可能满足在线测量这些基质的要求。此外，还研究了其他一些基于声音、压电薄膜、生物电化学、激光散射、电导纳波谱、荧光、热量计和黏度测量菌量的方法。一种自动在线葡萄糖分析仪与适应性控制策略结合可用于高细胞密度培养时控制葡萄糖浓度在设定点处。还有一种基于葡萄糖氧化酶固定化的可消毒的葡萄糖传感器曾用于大肠杆菌补料—分批发酵中。采用流动注射分析(FIA)法和—些智能数据处理方法，如基于知识的系统，人工神经网络、模糊软件传感器与卡尔曼滤波器结合，做在线控制用，可快速可靠地监测样品，所需时间少于2min。在线HPLC(高效液相色谱)系统被用于监测重组大肠杆菌的计算机控制的补料—分批发酵中的乙酸浓度ATP分析仪(ATPA-1000)在线测量酿酒酵母的胞内ATPSato等(2000)在糖化期间采用一种ATP