微生物工程发酵第六章发酵工艺的控制

微生物工程发酵第六章发酵工艺的控制第1页，共65页，2023年，2月20日，星期四温度对微生物发酵的影响主要由哪些？影响发酵温度的因素主要有哪些？发酵热的主要测定方法？如何确定最适发酵温度？发酵过程中pH变化的原因主要有哪些？pH对发酵的影响主要有哪些？发酵过程中pH的控制措施主要有哪些？溶氧量对微生物发酵的影响主要有哪些？有氧发酵中，溶氧量如何变化？为何利用DO浓度的变化，可以对发酵过程进行检测？CO2对发酵的影响主要有哪些？CO2浓度的控制措施主要有哪些？发酵过程中泡沫产生的危害主要有哪些？选择消泡剂的主要依据是什么？常用的消泡剂主要有哪几类？第2页，共65页，2023年，2月20日，星期四工艺条件控制的目的：为生产菌创造最适的环境，使我们所需要的代谢得以最充分的表达。第3页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.1发酵过程温度的控制6.2发酵过程的pH控制6.3发酵过程氧的供需6.4

CO2对发酵的影响及对其控制6.5发酵过程泡沫的形成与控制第4页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.1温度变化及其控制

6.1.1温度对微生物的影响温度对生长的影响温度对发酵的影响第5页，共65页，2023年，2月20日，星期四温度对生长的影响不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～260C生长，嗜温菌适应于15～430C生长，嗜热菌适应于37～650C生长，嗜高温菌适应于650C以上生长第6页，共65页，2023年，2月20日，星期四每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；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；第7页，共65页，2023年，2月20日，星期四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；低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这是菌种保藏的原理；第8页，共65页，2023年，2月20日，星期四温度对发酵的影响a.温度影响反应速率发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。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——速率常数阿累尼乌斯方程：关于化学反应的速率常数与温度之间的关系式；R——气体常数第9页，共65页，2023年，2月20日，星期四

例：青霉菌生产青霉素青霉菌生长活化能E=34kJ/mol

青霉素合成活化能E=112kJ/mol

青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当重要第10页，共65页，2023年，2月20日，星期四b.温度影响发酵方向金色链霉菌可同时产生金霉素和四环素，当温度低于300C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350C时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素第11页，共65页，2023年，2月20日，星期四c.温度影响发酵液的物理性质

影响基质溶解度，如氧；

影响基质分解速率；第12页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.1.2影响发酵温度的因素

产热因素：生物热搅拌热散热因素：蒸发热辐射热第13页，共65页，2023年，2月20日，星期四生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。影响生物热的因素：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。第14页，共65页，2023年，2月20日，星期四

培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。培养后期，菌体已基本上停止繁殖，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。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；培养基营养越丰富，生物热也越大；第15页，共65页，2023年，2月20日，星期四搅拌热：

好气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）第16页，共65页，2023年，2月20日，星期四蒸发热：通入发酵罐的空气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。第17页，共65页，2023年，2月20日，星期四辐射热：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%。第18页，共65页，2023年，2月20日，星期四发酵热：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辐射第19页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.1.3发酵热的测定方法一：是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，通过测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——冷却水流量第20页，共65页，2023年，2月20日，星期四方法二：

根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，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。第21页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.1.4最适温度的确定最适温度是一个相对概念，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；第22页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.1.4.1根据菌种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30～320C，青霉菌生长温度为300C。第23页，共65页，2023年，2月20日，星期四发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快产生大量菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；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。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密，有利于产物合成。发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生产时，生长阶段280C，合成期260C，后期再升温；但也有菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长30～320C，产酸34～370C。最适温度选择要根据菌种与发酵而阶段选择。6.1.4.2根据生长阶段选择第24页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.1.4.3根据培养条件选择温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。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。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。第25页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.1.4.4根据菌生长情况选择菌生长快，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。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。第26页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.1.5温度的控制发酵罐：1.夹套

2.盘管（蛇管）第27页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.2发酵过程的pH控制

pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，是十分重要的参数；发酵过程中pH是不断变化的，通过观察pH变化规律可以了解发酵过程正常与否第28页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.2.1发酵过程pH变化的原因

a.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会上升，因此是补料的标志之一（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，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。（3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降第29页，共65页，2023年，2月20日，星期四b.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下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。

c.菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。

第30页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.2.2pH对发酵的影响

（1）pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些酶的活性时，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变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，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

第31页，共65页，2023年，2月20日，星期四（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变。例如：黑曲霉在pH2~3时发酵产生柠檬酸，在pH近中性时，则产生草酸。谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺第32页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.2.3最佳pH的确定配制不同初始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第33页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.2.4pH的控制

a.调节好基础料的pH。基础料中若含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.5~6.8b.在基础料中加入维持pH的物质，如CaCO3

，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等第34页，共65页，2023年，2月20日，星期四在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH如：调节补糖速率，调节空气流量来调节pH；当NH2-N低，pH低时补氨水；当NH2-N低，pH高时补(NH4)2SO4d.当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH

c.通过补料调节pH

第35页，共65页，2023年，2月20日，星期四

分别在4种缓冲介质中，于pH6．50一9．50测定天冬酰胺酶酶活力．1甘氨酸介质pH8.00时酶活力最高；2硼酸在pH8．50，酶反应最快3磷酸在pH8．50，酶反应最快4Tris在pH8．50，酶反应最快酶活1＞2＞4＞3e.选择合适的调节剂天冬酰胺酶f.发酵的不同阶段采取不同的pH值第36页，共65页，2023年，2月20日，星期四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调节剂第37页，共65页，2023年，2月20日，星期四

6.3氧的供需及对发酵的影响氧是需氧微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质；利用DO（dissolvedoxygen）浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数；第38页，共65页，2023年，2月20日，星期四发酵液的DO值会直接影响微生物的酶活性、代谢途径及产物产量；发酵过程中，氧的传递速率主要受发酵中溶氧浓度和传递阻力的影响；第39页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.3.1溶氧对微生物自身生长的影响厌氧（厌气）发酵是利用厌氧微生物进行的发酵生产，如乙醇、乳酸和丙酮、丁醇的生产。整个发酵过程不需要也不能够通入空气，是在完全密闭条件下进行的，发酵设备比较简单。第40页，共65页，2023年，2月20日，星期四兼性好氧微生物的生长不一定需要氧，但如果在培养中供给氧，则菌体会生长更好；例：酵母的乙醇发酵

对DO的控制分为两个阶段，初始提供高DO浓度进行菌体扩大培养，后期严格控制DO进行厌氧发酵；第41页，共65页，2023年，2月20日，星期四多数发酵为有氧发酵，微生物利用分子态的氧作为呼吸链电子系统末端的最终电子受体，最终与氢离子结合成水，完成生物氧化作用，同时释放大量能量，供细胞的维持、生长和代谢使用；供氧的具体的方法有通气、通气搅拌和表层培养等；第42页，共65页，2023年，2月20日，星期四不同好氧微生物所含的氧化酶体系的种类和数量不同；同一种微生物的需氧量随菌龄及培养条件的不同也不一样；第43页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.3.2溶氧对发酵产物的影响对于某些好氧发酵来说，溶氧既是营养因素，又是环境因素；例：氨基酸的发酵谷氨酸系氨基酸发酵，供氧不足，合成受强烈限制；天冬氨酸系氨基酸发酵，供氧受限，产物影响不明显；亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸发酵，供氧充足，产物形成受限制；第44页，共65页，2023年，2月20日，星期四利用DO（dissolvedoxygen）浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数；发酵过程中，在供氧没有变化的情况下，若DO出现明显的升高或降低，往往是发酵异常的表现，如污染杂菌、污染噬菌体、菌体代谢发生异常等；第45页，共65页，2023年，2月20日，星期四供氧与产物的合成溶解氧浓度过低（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）第46页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.3.3发酵过程中溶氧的变化发酵初期，呼吸强度大，但菌体量少，总体需氧量不大，DO值高；对数生长期，菌体浓度不断上升，需氧量不断增加，DO值明显下降；对数生长期后，呼吸强度下降，需氧量减少，DO值经一段时间的平稳后，有所回升；生产后期，菌体衰老，呼吸强度减弱，DO逐步上升，一旦自溶，则DO明显上升；第47页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.3.4氧的传递

发酵过程中，空气中的氧进入细胞的过程：空气泡中的氧转移入发酵液；溶解的氧通过发酵液进入微生物细胞；细胞吸收溶氧。第48页，共65页，2023年，2月20日，星期四氧的传递途径与传质阻力：供氧方面：液膜阻力耗氧方面：对于菌丝丛或团扩散阻力主要与菌种特性有关第49页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.4二氧化碳对发酵的影响及控制CO2是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢所需要的基质；溶解在发酵液中的CO2对氨基酸、抗生素等发酵有抑制或刺激的作用；6.4.1CO2对发酵的影响第50页，共65页，2023年，2月20日，星期四通常当排气中CO2浓度高于4%时，对菌体发酵具抑制作用；作用机理：CO2与HCO3-影响细胞膜的流动性及表面电荷密度，是物质的跨膜运输受到抑制；引起发酵液pH下降；与生长所需的某些金属离子形成碳酸盐沉淀；与某些物质产生化学反应；第51页，共65页，2023年，2月20日，星期四CO2是大肠杆菌和链霉菌突变株的生长因子，菌体需气体中CO2含量达30%时才能生长，即CO2效应；环状芽孢杆菌等菌的芽孢在开始萌发生长的时候，对CO2有特殊需求；某些精氨酸发酵中，CO2作为碳源被加以利用；第52页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.4.1CO2浓度的控制CO2在发酵液中的浓度受细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等因素的影响；主要控制措施：改变通气量和搅拌速率；第53页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.5发酵过程泡沫的形成与控制6.5.1泡沫形成的原因通气搅拌使气泡被分割成无数小气泡，气液界面增加；发酵液中含有蛋白质等发泡性物质；第54页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.5.2起泡的危害a.降低生产能力在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量b.引起原料浪费,导致产物的损失如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，造成浪费。

第55页，共65页，2023年，2月20日，星期四c.影响菌的呼吸

如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，气泡中充满二氧化碳，且不能与空气中氧进行交换，这影响菌的呼吸。d.引起染菌泡沫增多引起逃液，排气管因粘上培养基而长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌；大量泡沫由罐顶进渗入轴封，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。第56页，共65页，2023年，2月20日，星期四e.消泡剂会给后提取工序带来困难第57页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.5.3发酵过程泡沫控制的方法物理消沫法化学消沫法第58页，共65页，2023年，2月20日，星期四6.5.3.1.物理消泡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第59页，共65页，2023年，2月20日，星期四方法罐内消沫法：罐内的消泡器随搅拌轴转动时，将泡沫