发酵过程的控制

关于发酵过程的控制第1页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三主要内容微生物发酵类型1工艺控制参数2发酵过程代谢变化3菌体浓度的影响和控制4温度的影响及其控制5PH值影响及其控制6溶氧的影响及其控制7泡沫的影响及其控制8发酵终点的判断9第2页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

发酵的生产水平高低除了取决于生产菌本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺等的影响。只有深入了解生产菌种在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求，掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，有效控制，以使生产菌种能始终处于生长和产物合成的优化环境之中，从而最大限度地发挥生产菌种的合成产物的能力，进而了取得最大的经济效益。第一节微生物发酵类型一、分批发酵、补料分批发酵与连续发酵

将工业微生物发酵进行分类可以有不同的分类方法。依据投料方式的不同可以分为分批发酵、补料分批发酵和连续发酵；依据发酵与氧的关系不同可以分为需氧发酵和厌氧发酵：依据发酵过程中菌体生长与碳源消耗及产物合成之间关系的不同，可以分为生长偶联型、部分生长偶联型和非生长偶联型发酵；依据代谢产物生物合成与菌体生长关系的不同可以分为初级代谢产物发酵和次级代谢产物发酵；依据产品的类别不同还可以分为抗生素发酵、氨基酸发酵、维生素发酵与有机酸发酵等。第3页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三基本概念

分批培养又称分批发酵，是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。蒸汽问题空气发酵尾气消泡剂酸碱

为什么说微生物分批培养是一种非稳态的过程？

在分批培养过程中，随着微生长细胞和底物、代谢物的浓度等的不断变化，微生物垢生长可分为停滞期、对数生长期、稳定期和死亡期等四个阶段，图10-1为典型的细胞菌生长曲线。请看下图：（一）分批培养

第4页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三10016时间菌数的对数分批培养过程中典型的细菌生长曲线abcd根据图提问停滞期实际上，接种物的生理状态和浓度是停滞期长短的关键。如果接种物处于对数生长期，那么就很有可能不存在停滞期，微生物细胞立即开始生长。反过来，如果接种物本身已经停止生长，那么微生物细胞就需要有更长的停滞期，以适应新的环境。停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。1、说说停滞期细胞特征？2、影响停滞期长短的决定因素有哪些？第5页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三10016时间菌数的对数分批培养过程中典型的细菌生长曲线abcd对数生长期期

处于对数生长期的微生物细胞的生长速度大大加快，单位时间内细胞的数目或重量的增加维持恒定，并达到最大值。基本概念细胞比生长速率

在对数生长期，随着时间的推移，培养基中的成分不断发生变化，但此期间，细胞的生长速度基本维持恒定，其生长速度可用数学方程表示：x---细胞浓度（g/l）；t---培养时间（hr）；μ---细胞的比生长速率（1/h）。如果当t=0时，细胞的浓度为x0(g/l)，上式积分后就为：问题

细胞的比生长速率可以通过何种方法求得？第6页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，也叫增代时间。(td)表示倍增时间于是，用微生物细胞浓度的自然对数对时间作图，就可得到一条直线，该直线的斜率就等于μ。微生物细胞的比生长速率和倍增时间因受遗传特性及生长条件的控制，有很大的差异，如下表：第7页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三表6-2一些微生物在不同碳源上的比生长速度和倍增时间第8页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三10016时间菌数的对数分批培养过程中典型的细菌生长曲线abcd稳定期1、所有微生物停止生长或细胞增加速度与死亡速率相等特点：

2、出现二次或隐性生长。说说稳定期微生物出现二次生长的原因？问题

由于细胞的溶解作用，一些新的营养物质，诸如细胞内的一些糖类、蛋白质等被释放出来，又作为细胞的营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢地生长，出现通常所称的二次或隐性生长。第9页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三10016时间菌数的对数分批培养过程中典型的细菌生长曲线abcd死亡期1、微生物细胞内所储存的能量已经基本耗尽，细胞开始在自身所含的酶的作用下死亡。特点：

2、细胞死亡速率大于增加速度。3、此时也是细胞产生或释放对人类有用的抗生素等次生代谢产物的时期。第10页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三（二）补料分批培养

单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素、酶制剂、有机酸以及有机溶剂等的生产过程1、基本概念

指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法，又称半连续培养或半连续发酵，是介于分批培养过程与连续培养过程之间的一种过渡培养方式。操作方式发酵工业应用第11页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三3、不同补料方式对细胞生长影响问题2、补料分批培养的类型P92看表P92回答问题第12页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三表6-3补料方法对细胞密度、生长速度及生产率的影响第13页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三1、对大肠杆菌来说，何种补料方式对细胞生长最快？2、何种补料方式对产物的形成最有利？3、细胞生长速度最快是否也是最有利于产物的形成？第14页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三4、补料分批培养的优点

料分批培养是介于分批培养和连续培养之间一种微生物细胞的培养方式，它兼有两种培养方式的优点，并在某种程度克服了它们所存在的缺点。表10-7为补料分批培养的一些优点。与分批培养方式比较与连续培养方式比较1、可以解除培养过程中的底物抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应；2、对于耗氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造成的细胞大量生长、耗氧过多以至通风搅拌设备不能匹配的状况；在某种程度上可减少微生物细胞的生成量、提高目的产物的转化率；3、微生物细胞可以被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来控制细胞的质量；并可重复某个时期细胞培养的过渡态，可用于理论研究。1、不需要严格的无菌条件；2、不会产生微生物菌种的老化和变异；3、最终产物浓度较高，有利于产物的分离；4使用范围广。第15页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三（三）连续培养P93

1、基本概念

指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的液量维持恒定，使微生物细胞能在近似恒定状态下生长的微生物培养方式。第16页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三图10-6典型的实验室连续培养系统示意图2、操作方式磁搅棒

连续培养又称连续发酵，它与封闭系统中的分批培养方式相反，是在开放的系统中进行的培养方式。图6-3为典型的实验室连续培养系统。

PH控制器空气过滤器灭菌的培养基储存器加料和出料泵空气出口酸储存器空气过滤器压缩空气流量计样品第17页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三3、连续培养的特点

在连续培养过程中，微生物细胞所处的环境条件，如营养物质的浓度、产物的浓度、PH值以及微生物细胞的浓度、比生长速度等可以自始至终基本保持不变，甚至还可以根据需要来调节微生物细胞的生长速度，因此连续培养的最大特点是微生物细胞的生长速度、产物的代谢均处于恒定状态，可达到稳定、高速增微生物细胞或产生大量代谢产物的目的。连续培养过程的优缺点

连续培养方式的优点连续培养方式的缺点1、提供了一个微生物在恒定状态下高速生长的环境，便于进行微生物的代谢、生理、生化和遗传特性的研究；2、在工业生产上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等操作时间，提高生产效率；3、产物质量比较稳定；4、所需的设备和投资较少，便于实现自动化。1、在长时间的培养过程中，微生物菌种容易发生变异，发酵过程易染菌；2、新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合，影响培养和营养物质的利用。第18页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三二、需氧发酵与厌氧发酵

依据发酵与氧的关系不同可以将发酵分为需氧发酵和厌氧发酵。在需氧发酵过程中要不断地向发酵液中通入无菌空气，以满足微生物对氧的需求；而在厌氧发酵过程中，则应隔绝空气使发酵在无分子氧的条件下进行。提问1、微生物的生长和培养方式可分为哪三种类型？2、在分批培养中，微生物的生长可分为哪四个阶段？

需氧发酵是由需氧菌在有分子氧存在的条件下进行的发酵过程。氧在微生物的需氧呼吸中作为最终的电子受体。这类发酵包括绝大多数的抗生素、氨基酸以及其他代谢产物的发酵。

这些需氧微生物具备较完善的呼吸酶系统，它们的呼吸作用主要是通过脱氢酶和氧化酶进行的。第19页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

厌氧发酵是由厌氧菌或兼性厌氧菌在无分子氧的条件下进行的发酵过程。其产品包括工业上的乙醇、丙酮、丁醇、乳酸、丁酸等。在厌氧发酵过程中，只有脱氢酶的作用，而无氧化酶参与。三、生长偶联型、部分生长偶联型和非生长偶联型发酵

按照菌体生长、碳源的利用以及产物的生物合成速度的变化以及这三者之间的动力学关系不同，可以把微生物发酵过程分为三种类型，见图6－6。第20页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

微生物发酵要取得理想的效果，即取得高产并保证产品的质量，就必须对发酵过程进行严格的控制。发酵控制是否得当，对发酵是否能取得预期的效果至关重要。然而，发酵控制的先决条件是了解发酵进行的情况，进而根据这些情况做出调整，使发酵过程有利于目的产物的积累和产品质量的提高发酵罐内发酵进行的情况不能通过肉眼直接观察到，但却能够通过取样分析获得有关发酵进行情况的大量信息。在分析这些信息的基础上，人们也就能够对发酵进行的情况有清楚的了解，进而更好地控制发酵过程

通过取样分析获得的有关发酵的信息也称为参数，与微生物发酵有关的参数，可分为物理、化学和生物三类。第二节发酵过程的工艺参数控制阅读课本P185-186回答问题10分钟第21页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

微生物发酵要取得理想的效果，即取得高产并保证产品的质量，就必须对发酵过程进行严格的控制。发酵控制是否得当，对发酵是否能取得预期的效果至关重要。然而，发酵控制的先决条件是了解发酵进行的情况，进而根据这些情况做出调整，使发酵过程有利于目的产物的积累和产品质量的提高发酵罐内发酵进行的情况不能通过肉眼直接观察到，但却能够通过取样分析获得有关发酵进行情况的大量信息。在分析这些信息的基础上，人们也就能够对发酵进行的情况有清楚的了解，进而更好地控制发酵过程。

通过取样分析获得的有关发酵的信息也称为参数，与微生物发酵有关的参数，可分为物理、化学和生物三类。第二节发酵过程的工艺参数控制

第22页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三发酵生产中常常检测的物理参数有下列几个：1．温度（℃）是指整个发酵过程或不同阶段中所维持的温度。2．压力（Pa)

这是发酵过程中发酵罐维持的压力。罐内维持正压可以防止外界空气中的杂菌侵入，以保证纯种的培养。同时罐压的高低还与氧和CO2在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体的代谢。罐压一般维持在表压0.02~0.05MPa(0.2~0.5大气压)。3.搅拌转速（r/min）是指搅拌器在发酵过程中的转动速度，通常以每分钟的转数来表示。它的大小与氧在发酵液中的传递速率和发酵液的均匀性有关。4.搅拌功率（kW)

是指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率（kW/m3）。它的大小与液相体积氧传递系数KLa有关。5．空气流量(V/V.min)

是指每分钟内每单位体积发酵液通入空气的体积，它是需氧发酵中重要的控制参数之一。它的大小与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在0.5~1.5V/V.min范围内。6.黏度（Pa.s）粘度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况。通常用表观粘度表示。它的大小可影响氧传递的阻力，也可反映相对菌体浓度。第23页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三发酵过程中检测的化学参数主要包括：1．pH（酸碱度）发酵液的pH值是发酵过程中各种产酸和产碱的生化反应的综合结果。它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。2．基质浓度（g％或mg%)

是指发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的浓度。它们的变化对产生菌的生长和产物的合成有着重要的影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。因此，在发酵过程中，必须定时测定糖（还原糖和总糖）、氮（氨基氮或胺氮）等基质的浓度。3.溶解氧浓度(mmol/L,mg/L,饱和度％)

溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。氧是微生物体内的一系列的经细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些代谢产物的基质。利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的规津，反映发酵的异常情况，也可作为发酵中间控制的参数及设备供氧能力的指标。第24页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三4．氧化还原电位（mV)

培养基的氧化还原电位是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。对各种微生物而言，培养基最适宜和所允许的最大电位值，应与微生物本身的种类和生理状态有关。5．产物的浓度（µg/ml）这是发酵产物产量高低或生物合成代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。6.废气中氧的含量（％）废气中氧的含量与产生菌的摄氧率和KLa有关。从废气中氧和CO2的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力。7.废气中CO2的含量（％）废气中的CO2是由产生菌在呼吸过程中放出的，测定它可以算出产生菌的呼吸商，从而了解产生菌的呼吸代谢规律。第25页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三为了解发酵过程中微生物菌体的代谢状况，还需要测定一些与发酵相关的生物学参数，主要有下列几个：l.菌体浓度菌体浓度是控制微生物发酵过程的重要参数之一，特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵控制。菌体量的大小和变化速度对菌体合成产物的生化反应都有重要的影啊，因此测定菌体浓度具有重要意义。2.菌丝形态在放线菌和真菌这样的丝状菌的发醉过程中，菌丝形态的改变是生化代谢变化的反映。一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之一。第26页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三发酵过程参数监测的研究概况

由于生物反应过程的复杂性，使得发酵工业生产过程的监控比其他行业落后。其中一个重要原因是，能有效监测过程状态变量的传感器不足或质量不过关。有许多重要的物性参数，如菌体浓度及某些基质浓度至今仍无适合的传感器可供使用。因此，要使发酵工程现代化，改进积推广应用，现有的传感器，开发新的可靠、适用的伤感器是至关重要的。

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研究发酵动力学一般有以下几个步骤：首先为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。其次，将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。第三，建立各种数学模型以描述各参数之间随时间变化的关系。第四，通过计算机的在线控制反复验证各种模型的可行性与适用范围。

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由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多有用的参数就地通过传感方式变成各种电量输出。第29页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三发酵过程各参数测试概况参数名称测试方法意义、主要作用温度传感器维持生长、合成罐压压力表维持正压、增加DO空气流量传感器供氧排泄废气提高KLα搅拌转速传感器物料混合、提高KLα搅拌功率传感器反映搅拌情况、KLα第30页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三粘度粘度计反映菌生长、KLα密度传感器反映发酵液性质装量传感器反映发酵液数量浊度传感器反映菌生长情况泡沫传感器反映发酵代谢情况传质系数KLα间接计算；在线监测反映供氧效率第31页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三加糖速率传感器反映耗氧情况加油消沫剂速率传感器反映泡沫情况加中间体或前体速率传感器反映前体、基质利用情况加其他基质速率传感器反映基质利用情况第32页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、pH、溶氧、效价、糖含量、NH2N—

含量，前体(如苯乙酸)浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体积%)等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、排气中的O2和CO2含量等。第33页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

在线测量有许多优点，主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制。但其应用的困难在于发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三相，即液、气、固体不溶物或油，另外发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难，有些酶电极不耐高温，需将发酵液引出罐外测定。

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为解决这一问题，有人曾把传感器预先在罐外用环氧乙烷、过氧乙酸或季铵盐杀菌剂等浸泡，然后通过无菌手续插到罐内使用。另一种办法是采用罐外循环或连续少量排料，把传感器装在罐外循环或排放管道中。也有采用半透膜性质的管子置于罐内，被测液体的某些成分渗透到管内，由惰性介质带到罐外加以自动分析。还有一种是把传感器装在可拉伸的活动管道上，罐外灭菌后伸入罐内。这些方法在使用上均受到一定限制，主要是增加了染菌的机会。较新的方法是通过计算机对进出物料加以衡算，从而求出各种间接参数。

第35页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三第三节发酵过程中的代谢变化微生物的代谢产物，按其与菌体生长、繁殖的关系来说，又分为初级代谢产物和次级代谢产物。对微生物药物来说，这两类产物都有，特别是抗生素这类次级代谢产物在微生物药物中占有最大的比重。下面将分别介绍这两类产物发酵的代谢变化。第36页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三一、初级代谢产物发酵的代谢变化初级代谢指的是生物细胞在生命活动过程中进行的与菌体的生长、繁殖相关的一类代谢活动，其产物即为初级代谢产物。发酵过程中的菌体浓度、营养基质浓度和产物浓度三者变化的基本过程是同步的。它们的发酵属于菌体的生长与产物合成偶联的类型。菌体进入发酵罐后经过生长、繁殖，并达到一定的菌浓。其生长过程表现出延迟期、对数生长期、静止期和死亡期等生长史的特征。基质（如葡萄糖）浓度的变化一般是随发酵时间的延长而不断下降，被用于菌体生长繁殖和产物的形成溶氧浓度也随发酵过程的代谢而发生变化。至于产物的形成，因为没有明显的产物形成期，所以它是随菌体生长在不断地进行的，有的与菌体生长成平行关系。举例：乳酸、醋酸、氨基酸、核酸、酶。第37页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三二、次级代谢产物发酵的代谢变化次级代谢产物包括大多数的抗生素、生物碱和微生物毒素等物质。按动力学模型分类，它们的发酵属于菌体的生长与产物合成非偶联的类型，也就是说菌体生长繁殖阶段（又称生长期）与产物形成阶段（又称生产期）是分开的。次级代谢产物生物合成（以抗生素发酵为代表）过程中菌体的代谢变化一般分为菌体生长、产物合成和菌体自溶三个阶段。第38页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三第四节菌体浓度的影响及其控制菌体浓度（简称菌浓，cellconcentration）是指单位体积培养液中菌体的含量。无论在科学研究上，还是在工业发酵控制上，它都是一个重要的参数。菌浓的大小，在一定条件下，不仅反映菌体细胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全相同的各个分化阶段。第39页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三一、影响菌体生长的因素

微生物的生长速度与菌浓的大小有密切关系。比生长速率大的菌体，菌浓增长也迅速，反之就缓慢。而菌体的生长速率与微生物的种类和自身的遗传特性有关，不同种类的微生物的生长速率是不一样的。它的大小取决于细胞结钩的复杂性和生长机制，细胞结构越复杂，分裂所需的时间就越长。典型的细菌、酵母、霉菌和原生动物的倍增时间分别为45min、90min、3h和6h左右。这说明各类微生物增殖速度的差异。菌体的增长还与营养物质和环境条件有密切关系，营养物质包括各种碳源和氮源等成分。所以，在微生物发酵的研究和控制中，营养条件（含溶解氧）的控制至关重要。影响菌体生长的环境条件还有温度、pH、渗透压和水的活度等因素。思考题1菌浓的大小与哪些因素有关？第40页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三二、菌浓对初级代谢和次级代谢的影响菌浓的大小，对发酵产物的产率有着重要的影响。在适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌体浓度成正比关系，此时菌浓愈大，产物的产量也愈大，如氨基酸、维生素这类初级代谢产物的发酵以及抗生素这类次级代谢产物的发酵都是如此。但是菌浓过高，则会产生其他的影响，如营养物质消耗过快，培养液中的营养成分发生明显的改变，有毒物质的积累，就可能改变菌体的代谢途径，特别是对培养液中溶解氧的影响尤为明显，因为随着菌浓的增加，培养液的摄氧率（OUR,OxygenUptakeRate）按比例增加（OUR=Qo2·X),表观粘度也增加，流体性质也发生改变，使氧的传递速率（OTR,OxygenTransferRate)成对数地减少。当OUR>OTR时，溶解氧就减少，并成为限制性因素。菌浓增加而引起的溶氧浓度下降，会对发酵产生各种影响。思考题2菌浓的大小对发酵产物的形成有哪些重要的影响？第41页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

发酵过程不但要有合适的菌体浓度，还要设法控制菌浓始终在合适的范围内。菌体的生长速率，在一定的培养条件下，主要受营养基质浓度的影响，所以要依靠调节培养基的营养基质浓度来控制菌浓。首先要使基础培养基有个适当的配比，以避免产生过高（或过低）的菌体浓度，然后通过中间补料来控制。如当菌体生长缓慢、菌浓太低时，可补加一部分氮源或磷酸盐以促进菌体生长，提高菌浓；但如补加过多，则会使菌体过分生长，超过临界菌浓，对产物合成产生不利的影响。在生产上，还可利用菌体代谢产生的CO2量来控制青霉素的补糖量，以控制菌体的生长和菌体浓度。总之，可根据不同的菌种和产品，采用不同的方法来控制最适的菌浓度。思考题3菌浓的大小可采用哪些不同的方法来控制？为什么？第42页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三第五节温度对发酵过程的影响及其控制一、温度对发酵的影响

由于微生物的生长和产物的合成代谢都是在各种酶的催化下进行的，而温度却是保证酶活性的重要条件，因此在发酵过程中必须保证稳定而合适的温度环境。温度对发酵的影响是多方面的，对微生物细胞的生长和产物的生成、代谢的影响是由各种因素综合表现的结果。简答：温度对发酵生产的影响有哪些？问题1阅读课本P221-222回答问题8分钟第43页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三温度对微生物的影响温度影响微生物细胞内的酶反应温度可以改变培养液的物理性质温度还会影响到微生物细胞的生物合成方向对于同一微生物细胞，细胞生长和代谢产物积累的最适温度也往往是不同的

说说温度和微生物生长的关系？问题2

温度和微生物生长的关系，一方面在其最适温度范围内，微生物的生长速度随温度的升高而增加，发酵温度越高，培养的周期就越短；另一方面，处于不同生长阶段的微生物对温度的反应是不同的。

说说温度对细胞内酶的影响？问题3第44页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三温度可影响培养液的哪些物理性质？举例说明。问题4举例说说温度影响到微生物细胞的生物合成方向？问题5

对于同一微生物细胞细胞生长和代谢产物积累的最适温度也往往是不同的。例如，青霉素产生菌的生长最适温度为30度，而产生青霉素的最适温度为25度；黑曲酶的最适生长温度为37度，而产生糖化酶和柠檬酸的最适温度都是32-34度；谷氨酸生产菌生长的最适温度30-32度，而代谢产生谷氨酸的最适温度却在34-37度。

从以上可知，温度对发酵生产来说是至关重要的，要维持一定温度，除了给它加热外，其发酵过程中自身有热量产生吗？第45页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三二、影响发酵温度变化的因素

发酵过程中，随着微生物细胞对培养基中的营养物质的利用、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。定义

发酵过程中释放出来的引起温度变化的净热量称为发酵热。发酵热包括了生物热、搅拌热、蒸发热以及辐射热等1、生物热（Q生物）

微生物细胞在生长繁殖过程中本身产生的大量热成为生物热。

问题1生物热作用？问题2生物热的大小与什么因素有关？第46页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三问题3在发酵的哪一阶段，微生物产生的生物热最大？2、搅拌热（Q搅拌）

问题4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，会产生比较可观的热量。3、蒸发热（Q蒸发）

在通气培养过程中，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，大部分气体仍旧从发酵液出来，排放至大气中，必然会引起热量的散发，热量将被空气或蒸发的水分带走，这些热量就称为蒸发热。第47页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三4、辐射热（Q辐射）

辐射热是指因发酵罐温度与环境温度不同，而使发酵液通过罐体向外辐射的热量。

辐射热的大小取决于发酵罐内外的温度差的大小，受环境温度变化的影响。

问题5发酵热包括哪些热？Q发酵=Q生物+Q搅拌—Q蒸发—Q辐射三、发酵过程温度的控制阅读课本P103-104回答问题5分钟第48页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三在发酵整个过程，初期、中期、末期它们温度如何变化？问题1培养耐高温的微生物菌种有何意义？问题2生产上如何使发酵温度控制在一定的范围？问题6为什么说温度的确定还与培养基的成分有密切关系？问题4发酵的最适温度是指什么？问题3问题5最适发酵温度与哪些因素有关?举两例第49页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三第六节PH值对发酵过程的影响及其控制

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，是发酵过程中的重要参数，对微生物的生长和产物的积累有很大的影响。

发酵过程中微生物的正常生长需要有一定的PH值，PH值对微生物的生长和代谢产物的形成都有很大的影响，不同的微生物对PH值的要求也是不同的。每种微生物都有自己的生长最适的和耐受的PH值。

一、PH值对发酵过程的影响

填表第50页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三问题举例说明控制一定的PH值还是防止杂菌污染的一个重要措施？

PH值不仅影响到微生物的生长繁殖，还会影响到代谢产物的形成。对于同一种微生物，由于PH值的不同，形成的发酵产物也会不同。填表第51页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

微生物生长的最适PH值和发酵产物形成的最适PH值往往是不同的。填表问题PH值是如何影响微生物的生长繁殖和代谢产物形成的？看书第52页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三阅读课本P105回答问题5分钟二、发酵过程中PH值的变化情况

微生物本身具有一定的调节PH能力，会使PH值处于比较适宜的状态。说说发酵过程PH值变化的规律性？问题1

引起发酵液的PH值下降的主要原因有哪些？问题2

引起发酵液的PH值上升的主要原因有哪些？问题3第53页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

尽管在发酵过程中，微生物本身有使生长适应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。因此，为了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，然后根据发酵过程中的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。1、发酵PH的确定

说说发酵PH值确定依据？三、发酵过程中PH值的控制2、发酵PH的控制第54页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三简答1：说说pH与菌体比生长率和产物比生长率之间的几种关系。①第一种情况是菌体的比生长速率µ和产物比生产速率（Qp）的最适pH都在一个相似的且较宽的范围内如（图a），这种发酵过程易于控制；②第二种情况是µ的最适pH范围很宽，而Qp的最适pH范围较窄，如（图b)所示；③第三种情况是µ和Qp对pH的变化都很敏感，它们的最适pH又是相同的，见（图c)；第四种情况更复杂，µ和Qp有各自的最适pH值，如（图d),此时应分别严格控制各自的最适pH，才能优化发酵过程。第55页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三简答2：在确定了发酵各个阶段所需要的最适pH之后，可采用何种方法来控制，使发酵过程在预定的pH范围内进行？1）需要考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们有个适当的配比。2）在发酵过程中直接补加酸、碱或补料的方式来控制，特别是补料效果比较明显。3）通氨一般是使用压缩氨气或工业用氨水（浓度20％左右），采用少量间歇添加或少量自动流加，可避免一次加入过多造成局部偏碱。简答3：为什么说采用补料的方法来调节pH是比较成功的方法？第56页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

因而，采用补料的方法可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH和改变培养液的性质（如粘度）等几种目的。最成功的例子就是青霉素发酵的补料工艺，利用控制葡萄糖的补加速率来控制pH的变化（已实现目动化）其青霉素产量比用恒定的加糖速率或加酸、碱来控制pH的产量高25%。其实验结果见图10－12。图中实线是用酸、碱来控制pH的，虚线是以控制加糖速率来控制pH的。两者的加糖量是相等的。这说明以pH作为补糖的依据，采用控制加糖率来控制pH，正好满足菌体合成代谢的要求，使产量提高。所以pH是菌体代谢变化的综合反应，也是确定补料速率的依据，把两者紧密结合起来就可以实现发酵过程的优化。第57页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三第七节溶氧的影响及其控制

第八节泡沫对发酵过程的影响及其控制第58页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三一、发酵过程中泡沫的产生及其对发酵过程的影响

在微生物的好氧发酵过程中，为了适应微生物的生理特性，并取得较好的生产效果，就需要不断通入大量的无菌空气，同时，为了加速氧在培养基中的溶解度，还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，以有利于溶氧和逸出微生物细胞呼吸过程中产生的CO2。再加上发酵液中含有蛋白质、糖和脂肪等容易发泡物质的存在，在通气发酵过程中，将会产生一定量的泡沫。发酵过程中泡沫产生的原因是什么？问题1第59页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三说说过多的持久性泡沫会给发酵带来哪些不利影响？问题2使发酵罐的装填系数减少；造成大量逃液，导致产物的损失；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；由于泡沫的液位变动，以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，增加微生物群体的非均一性；影响通气搅拌的正常进行，妨碍了微生物的呼吸，造成发酵异常，导致最终产物产量下降；使微生物菌体提早自溶，这一过程的发展又会促使更多的泡沫生成；为了将泡沫控制在一定范围内，就需加入消泡剂，将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，是否能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。第60页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三说说泡沫的组成及存在类型？问题3组成存在类型

一类是存在于发酵液的液面上，这类气泡所占的比例特别大，并且泡沫与下面的液体之间有能分辨的界线；另一种泡沫是出现在黏稠的菌丝发酵液当中，这种气泡分散很细，而且很均匀，也较稳定，泡沫与液体之间没有明显的液面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由上而下逐渐增加。以上两种类型泡沫，哪一类型对发酵有利，哪一类型是不利的？问题4泡沫形成的多少与哪些因素有关？P114第61页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

以霉菌发酵为例，说说发酵过程中泡沫的消长规律？问题56.5040培养时间（h）表面张力图10-15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

由此可见，发酵初期泡沫的高稳定性与发酵液的高表现黏度和低界面张力有关，而随着霉菌产生的蛋白酶、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，黏度降低促使界面张力上升，泡沫减少，当达到发酵的后期，由于微生物细胞的自溶，又使蛋白质的浓度增加，促使发酵过程的泡沫上升。第62页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三二、发酵过程中泡沫的消除和控制发酵过程中泡沫的消除和控制主要有化学消泡和机械消泡两种方法（一）化学消泡问题1说说化学消泡的优点？问题2化学消泡的原理有哪些？（见下页）第63页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三

鉴于发酵过程中形成泡沫的原因有很多，化学消泡的机理也就有多种。化学消泡剂是表面活性剂，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。对于那些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。而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。

使泡沫破裂！要点有3个最终目的第64页，讲稿共74页，2023年5月2日，星期三问题3对化学消泡剂有哪些要求（或化学消泡剂有哪些特点）？

化学消泡剂必须是表面活性剂，具有较低的表面张力，消泡作用迅速有效；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；在水中的溶解度必须较大，以保持持久的消泡或抑泡性能；对人、畜及微生物细胞无毒性，从而不影响发酵过程中的微生物生长和代谢，不影响产物的提取分离和产品的