好氧发酵工艺与设备-发酵过程的工艺控制

第二节发酵过程的工艺控制pH值（酸碱度）温度（℃）溶解氧浓度基质含量空气流量压力搅拌转速搅拌功率粘度浊度料液流量产物浓度氧化还原电位废气中的氧含量废气中的CO2含量菌丝形态菌体浓度发酵过程的主要控制参数：一、温度对发酵的影响及其控制（一）发酵热发酵热生物热搅拌热蒸发热辐射热Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射（二）温度的影响和控制1.温度对微生物的影响2.温度影响微生物细胞内的酶反应3.温度可以改变培养液的物理性质4.温度还会影响到微生物细胞的生物合成方向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1.温度对发酵的影响2.温度的控制最适温度的选择在生长阶段，应选择最适生长温度；在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。例如:青霉素产生菌生长的最适温度为30℃,但产生青霉素的最适温度是20℃。看生长与生物合成哪一个是主要方面。控制温度的措施工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。在发酵整个过程，初期、中期、末期它们温度如何变化？培养耐高温的微生物菌种有何意义？生产上如何使发酵温度控制在一定的范围？问答：在实际生产过程中，各个发酵温度的选择可从哪几个方面进行综合考虑？举例说明。发酵的最适温度是指什么？二、pH对发酵的影响及其控制（一）pH值对发酵的影响1.影响酶的活性pH值对发酵的影响2.影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄3.pH影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收4.pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。5.pH值还会影响某些霉菌的形态举例：黑曲霉在pH=2-3时产生柠檬酸，近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。谷氨酸发酵中，微碱时形成谷氨酸，酸性时产生N-乙酰谷酰胺。（二）影响pH变化的因素pH下降1.培养基中碳氮比过大、糖的补充偏多、溶氧不足2.糖类、脂肪等分解3.铵盐吸收4.消泡油加入过多pH上升1.培养基中碳氮比过小2.补料时氨水或尿素加入过多3.蛋白质或尿素等分解4.硝酸盐吸收（三）发酵过程中pH的控制1.发酵pH的确定微生物发酵的最适pH值范围一般是在5～8之间。最适pH值是根据实验结果来确定的。1）将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节pH值，以分别维持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。2）到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的pH值为菌体生长的合适pH值。3）用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。2.pH的控制1）首先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，使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。2）在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制；补充生理酸性物质(NH4)2SO4和生理碱性物质（氨水)来控制。三、发酵过程中的补料控制碳源快速碳源适合菌的生长慢速碳源利于代谢产物的合成（一）碳源对发酵的影响及其控制①碳源的种类②碳源的浓度碳源对发酵的影响方式（二）氮源对发酵的影响及其控制氮源快速氮源适合菌的生长及调节产物合成慢速氮源延长产物分泌期提高产量补加氮源的措施1.补加有机氮源既可补充氮源又可调节pH2.补加无机氮源可以作为无机氮源又可调节pH（抗生素发酵中又可提高产量）（三）磷酸盐对发酵的影响及其控制磷在发酵过程中的作用？影响最适磷酸盐浓度的因素菌种特性培养条件培养基组成培养基的来源（四）补料方式及控制补料方式连续流加不连续流加多周期流加快速流加恒速流加指数流加变速流加补加培养基组成单组分补料多组分补料其他：反馈控制控制依据指标：青霉素生产中，通过控制葡萄糖的补加速率来控制pH的变化范围，比恒定流加时产量提高25%。四、发酵过程中的泡沫控制（一）发酵过程中泡沫产生原因及发酵的影响泡沫发酵液面上发酵液中泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。1.蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要的发泡剂。2.糊精含量多也引起泡沫的形成。3.当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。1.发酵时起泡的方式整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；发酵开始起泡能力低，以后上升。2.发酵过程中泡沫对发酵的影响起泡带来的不利影响：1.发酵罐的装料系数减少、氧传递系数减小；2.造成大量逃液，增加染菌机会；3.严重时通气搅拌无法进行，菌体呼吸受到阻碍，导致代谢异常或菌体自溶。（二）泡沫的消除调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原料）或改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制，以减少泡沫形成的机会。采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫。采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素。1）机械消泡物理消泡方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。罐内消泡——靠罐内消泡桨转动打碎泡沫。罐外消泡——将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离心力来消除泡沫。优点：节省原料，减少染菌机会。缺点：消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方法。2）化学消泡消泡剂的作用：降低泡沫液膜的机械强度；降低液膜的表面黏度；作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件：应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；应该在低浓度时具有消泡活性；应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；应该对微生物、人类和动物无毒性；应该对产物的提取不产生影响；不会在使用、运输中引起任何危害；来源方便，成本低；应该对氧