《微生物发酵技术》-项目六 发酵过程的控制

发酵技术项目六发酵过程的控制第一节：温度对发酵的影响及控制（一）温度对发酵的影响（二）影响发酵温度的因素（三）最适温度的选择（一）温度对发酵的影响温度对微生物细胞生长的影响在一定范围内微生物的生长速率会随温度升高而增加；超过最适温度后，随温度升高，酶失活的速度也越快，生长速率下降，菌体衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产极为不利。（一）温度对发酵的影响温度对产物合成的影响抗生素发酵产物形成速率对温度反应最为敏感，过高或过低的温度都会使其生产速率下降，影响最终产量。温度还会影响生物合成的方向。金色链霉菌产生金霉素产生四环素＜30℃

＞35℃（一）温度对发酵的影响温度对基质的影响氧的溶解度基质的传质速率菌对养分的分解和吸收速率等温度还通过改变发酵液的物理性质如：间接影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。例如，温度会影响基质和氧在发酵液中的溶解和传递速率以及菌对某些基质的分解吸收速度等。（二）影响发酵温度的因素发酵热伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热；发酵热的产生引起发酵液温度变化。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射产热>散热净热量堆积温度上升相反，产热<散热，温度下降。（二）影响发酵温度的因素1.生物热Q生物在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。生物热的大小是随菌种和培养基成分不同而变化，具有阶段性。（二）影响发酵温度的因素2.搅拌热Q搅拌机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：Q搅拌＝（P/V）3600P/V为通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（二）影响发酵温度的因素3.蒸发热Q蒸发01通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件不同而有所变化。空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，排出引起水分蒸发所需的热能，即为蒸发热。02水的蒸发以及排气因温度差异夹带着部分显热（Q显）一起散失到外界。（二）影响发酵温度的因素4.辐射热Q辐射由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向大气辐射的热量，即为辐射热。辐射热的大小取决于罐内温度的差值，差值愈大，散热愈多。由于Q生物、Q蒸发和Q显，特别是Q生物在发酵过程中是随时间变化的，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化。为了使发酵能在一定温度下进行，必须采取措施加以控制，如在夹套或蛇管内通入冷水等。（三）最适温度的选择根据菌种及生长阶段选择发酵温度可根据不同菌种、不同产品进行控制。微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所以要根据菌种特性选择温度范围。另外在生长阶段，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。（三）最适温度的选择根据发酵条件选择例如，供氧条件差的情况下最适的发酵温度可能比在正常良好的供氧条件下低一些。这是由于在较低的温度下氧溶解度相应大一些，菌的生长速率相应小一些，从而弥补了因供氧不足而造成的代谢异常。（三）最适温度的选择根据培养基的成分和浓度选择使用稀薄或较易利用的培养基时提高发酵温度则养分往往过早耗竭，导致菌丝过早自溶，产量降低。例如，提高红霉素发酵温度在玉米浆培养基中的效果就不如在黄豆饼粉培养基的好，因提高温度有利于黄豆饼粉的同化。第二节：pH对发酵的影响及控制（一）pH对发酵的影响（二）发酵过程pH变化规律（三）发酵过程pH的调控策略（一）pH对发酵的影响不同类型微生物——生长耐受的pH范围不同细菌：霉菌和酵母菌：放线菌：中性或偏碱性偏酸性偏碱性pH6.3~7.5pH3~6pH7～8（一）pH对发酵的影响pH影响胞内酶活性01pH影响细胞膜的通透性02pH影响微生物的细胞结构03pH影响微生物对物质的吸收和利用04（一）pH对发酵的影响pH影响微生物产物合成改变产物合成途径酶的性质改变代谢方向黑曲霉发酵：pH2-3，产生柠檬酸。产物合成的最适pH和微生物生长的最适pH不一定相同。pH-7.0，产生草酸。丙酮丁醇菌：生长最适pH2.5~7.0产物合成最适pH4.3~5.3（二）发酵过程pH变化规律1.在菌体生长阶段pH值有上升或下降的趋势。如利福霉素B发酵起始pH为中性，但生长初期由于菌体产生的蛋白酶水解培养基中的蛋白胨而生成NH4+，使pH上升至碱性。接着，随着菌体对NH4+利用量的增多以及葡萄糖利用过程中产生的有机酸积累使pH下降到酸性范围，此时有利于菌的生长。（二）发酵过程pH变化规律2.在生产阶段pH趋于稳定，维持在最适产物合成的范围。（二）发酵过程pH变化规律3.菌丝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又上升，此时菌丝趋于自溶而代谢活动终止。（三）发酵过程pH的调控策略考虑发酵培养基的基础配方通过适当的碳氮比、缓冲物质等使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。如培养基中含有葡萄糖、（NH4）2SO4，等代谢产酸和NaNO3、尿素等产碱的物质以及缓冲剂如CaCO3等成分，它们在发酵过程中要影响pH值的变化。（三）发酵过程pH的调控策略直接补加酸或者补加碱这种方式调节ph迅速，适用范围大。但生产上避免一次加入过量造成局部ph变化过大。01可通过补糖速率，调节空气流量来调节pH。02也可用其他生理酸性物质和碱性物质来控制。如当发酵的pH值和氨氮含量都低时，补加氨水；反之pH值较高，氨氮含量又低时，就补加（NH4）2SO4。它们不仅可以调节pH值，还可以补充氮源。（三）发酵过程pH的调控策略通过补料调节第三节：溶解氧对发酵的影响及控制（一）发酵过程中氧的供需关系（二）溶解氧变化规律（三）发酵中溶解氧的控制（一）发酵过程中氧的供需关系1.发酵液中氧的需求发酵过程中，监测发酵液中的溶解氧浓度是了解溶氧是否足够的最简便有效的办法，从溶解氧变化的情况可以了解氧的供需规律及其对生长和产物合成的影响。（一）发酵过程中氧的供需关系2.微生物对氧的需求发酵过程中，监测发酵液中的溶解氧浓度是了解溶氧是否足够的最简便有效的办法，从溶解氧变化的情况可以了解氧的供需规律及其对生长和产物合成的影响。呼吸强度是指单位质量的干菌体在单位时间内所消耗的氧量，以Qo2表示，单位为[mmol/（g·h）]。微生物摄氧率是指单位体积培养液在单位时间内消耗的氧量，以r表示，单位为[mmol/（L·h）]。（一）发酵过程中氧的供需关系r=QO2Xr——摄氧率QO2——呼吸强度X——培养基中菌体的浓度，g/L（一）发酵过程中氧的供需关系临界溶解氧浓度随溶解氧增加而增加，当增加到一定值后不再增加，其转折点叫临界氧浓度，以C临界表示。指满足微生物呼吸的最低氧浓度。（二）溶解氧的变化规律发酵前期：发酵中后期：发酵后期：微生物大量繁殖，需氧量不断增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降，同时黏度上升。对于分批发酵来说，溶解氧浓度变化比较小。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，溶氧就会明显上升。（二）溶解氧的变化规律（三）发酵中溶解氧的控制01知己（设备供氧量控制）02知彼（微生物需氧量控制）03百战不殆！（三）发酵中溶解氧的控制1.供养方面溶解氧浓度的控制在供氧方面，主要是设法提高氧传递的推动力（C*-CL）和液相体积传氧系数KLa值。可从下式考虑：Nv=KLa（C*-CL）Nv为单位体积液体氧的传递速率，mmol/（L·h）；KLa为体积溶氧系数；C*为氧在培养液中的饱和浓度，mmol/lL；CL为发酵液中的溶解氧浓度，mmol/L。（三）发酵中溶解氧的控制要想增加氧传递的推动力，就必须设法提高C*或降低CL。（1）提高C*可采用的方法①在通气中掺入纯氧或富氧，使氧分压提高。②提高罐压但需注意CO2的溶解浓度增加。③改变通气速率，其作用是增加液体中夹持气体体积的平均成分。④由于氧传质的温度系数比生长速率的低，降低发酵温度可得到较高的溶解氧值。⑤降低溶质的浓度可减少菌的生长速率，也可达到限制菌对氧的大量消耗，从而提高溶解氧水平。（2）降低发酵液中的CL如降低通气量和搅拌速度可降低CL，但发酵过程中发酵液的CL不能低于C临，否则就会影响微生物的呼吸。（三）发酵中溶解氧的控制（3）影响KLa的因素（三）发酵中溶解氧的控制①搅拌功率KLa与单位体积发酵液实际消耗的搅拌功率成正比。②空气流速机械搅拌通风发酵罐的溶解氧系数KLa与空气线速度Vs有关，当增加通风量时，空气线速度相应增加，从而增大溶解氧。（3）影响KLa的因素（三）发酵中溶解氧的控制③发酵罐体积通常发酵罐体积大，氧的利用率高；体积小，氧的利用率差。④泡沫的影响蛋白质物质和通气搅拌是生产泡沫的主要因素。泡沫形成后CO2排出和O2进入困难，直接影响微生物的呼吸。其次，是在搅拌叶片处形成泡沫影响气、液两相接触，降低氧的传递。（三）发酵中溶解氧的控制2.需氧方面溶解氧浓度的控制从式r=QO2X考虑，若发酵液中溶解氧暂时不变，即供氧=需氧，则有KLa（C*-CL）=QO2X。能影响这一公式的因子会改变溶解氧浓度。影响需氧的工艺措施：如改善菌种特性、改进和优化培养基性能、控制补料或加糖速率、改变发酵温度、控制溶解氧和CO2、中间补水以及添加表面活性剂等。第四节基质浓度对发酵的影响及控制01碳源对发酵的影响及其控制02氮源对发酵的影响及其控制03磷酸盐的浓度对发酵的影响及控制基质浓度对发酵的影响及其控制依靠调节培养基的浓度来控制菌体浓度，确定培养基配方中各组分适当的配比，避免产生过浓(或过稀)的菌体量；然后通过中间补料来控制，当菌浓太稀时，可补加一部分基质，促进生长，提高菌浓；但补加过多，则会使菌体过分生长，超过临界浓度，对产物合成产生抑制作用。（一）碳源对发酵的影响及其控制碳源是微生物生长繁殖的关键，一些碳源在细胞内分解代谢，为细胞提供小分子碳架的同时还能产生能量供合成代谢。碳源的浓度对于菌体生长和产物的合成有着明显的影响，如培养基中碳源含量超过5%，细菌的生长会因细胞脱水而开始下降。酵母或霉菌可耐受更高的葡萄糖浓度，达200g/L，这是由于它们对水的依赖性较低。（一）碳源对发酵的影响及其控制在碳源中，微生物最长利用的是糖类及其衍生物，尤其是单糖（葡萄糖、果糖）、双糖（蔗糖、乳糖、麦芽糖），绝大多数微生物都能利用。碳源的浓度碳源营养过于丰富对菌体的代谢、产物的合成及氧的传递都会产生不良的影响。如酵母的Crabtree效应：酵母生长在高糖浓度下，虽溶解氧充足仍会进行厌氧发酵，从葡萄糖产生乙醇。为了阻止乙醇的生成，需控制生长速度和葡萄糖浓度。在这种情况下，采用补料分批或连续培养可以避免Crabtree效应的出现。控制碳源的浓度经验法：根据不同代谢类型来确定补糖时间、补糖量和补糖方式。动力学法：根据菌体的比生长速率、糖比消耗速率及产物的比生成速率等动力学参数来控制。（二）氮源对发酵的影响及其控制与碳源相似，氮源的浓度过高，会导致细胞脱水死亡，且影响传质;浓度过低，菌体营养不足，影响产物的合成。不同产物的发酵中，所需的氮的浓度也不同。例如，谷氨酸发酵需要的氮源比一般的发酵多得多。一般的发酵工业碳氮比为100:(0.22.0)，谷氨酸发酵的碳氮比为100:(15~21)，当碳氮比为100:11以上，才开始积累谷氨酸。（二）氮源对发酵的影响及其控制氨浓度对谷氨酸的产率也有影响影响产物合成的方向和产量，如：谷氨酸发酵——NH4+供应不足，促使形成α-酮戊二酸；NH4+过量，促使谷氨酸转变成谷氨酰胺；控制适量的NH4+浓度。如何控制氮源浓度1.补加有机氮源，添加某些可调节生长代谢的有机氮源，如酵母粉、玉米浆、尿素等。例如青霉素发酵中，后期出现糖利用缓慢、菌体浓度变稀、菌丝展不开、pH下降的现象，补加尿素水溶液就可以改变这种情况并提高产量。2.补加无机氮源，工业中常用的方法是补加氨水或硫酸铵，其中氨水既可作为无机氮源，又可调节pH。（三）磷酸盐的浓度对发酵的影响及控制磷是构成蛋白质、核酸和ATP的必要元素，是微生物生长繁殖所必需的成分，也是合成代谢产物所必需的营养物质。ATP结构（三）磷酸盐的浓度对发酵的影响及控制微生物生长良好时，所允许的磷酸盐浓度为0.32~300mmol/L，但次级代谢产物合成良好时所允许的磷酸盐最高平均浓度仅为1mmol/L。当提高到10mml/L时，可明显抑制其合成。菌体生长所允许的浓度和次级代谢产物合成所允许的浓度相差悬殊。因此，控制磷酸盐浓度对微生物次级代谢产物发酵的意义非常大。磷酸盐浓度的控制磷酸盐最适浓度取决于菌种特性、培养条件、培养基组成和原料