第二节-发酵过程影响因素及过程控制

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第二节发酵条件及过程控制一、温度对发酵的影响及其控制1.

影响发酵温度的因素2.温度对微生物生长的影响3.温度对产物合成的影响4.最适温度的选择与控制

*3各种微生物按照其生长速度的适宜温度可分为最低温度、最适温度和最高温度。最高温度最低温度最适温度*4在最适生长温度时，如果其它条件适当，则微生物生长最快，增代时间最短。低于最低生长温度或高于最高生长温度，微生物就会停止生长甚至死亡。温度太低：使原生质膜处于凝固状态，不能正常进行营养物质的运输或形成质子梯度。温度太高：蛋白质、核酸和细胞的其他组成发生不可逆的变形作用。微生物对低温的适应性又比高温强，在低温往往停止生长发育，而在高温下易死亡。*5*6小结：1.嗜冷微生物能够在低温条件下生长的原因是：其所含的酶在低温能有效地催化生化反应；在低温下主动运输仍能正常进行，有效的吸收必须的营养物质，是其原生质膜中含有较多的不饱和脂肪酸，在低温下仍可维持膜的流动性。2.嗜高温微生物在高温条件下生长的原因是：其酶和其他蛋白质在高温时更稳定；其蛋白质合成机构和细胞质膜（富含饱和脂肪酸等）等结构成分是热稳定。*73.微生物耐热性在实践中的重要性：（1）发酵生产的优点是发酵周期短，效率高；有利于非气体物质在发酵液中的扩散和溶解，以及防止杂菌的污染；可节约冷却发酵热量所需的成本。（2）嗜热微生物产生的酶制剂有更高的耐热性。*8微生物生长的最适温度不一定是发酵产物形成的最适温度。因此，利用微生物进行发酵时，还必须寻找该菌种的最适发酵温度。

最适发酵温度是指生产工艺上发酵速度最快时的温度，在此温度下，产酶及代谢产物积累量最大。*9（一）温度对发酵的影响1、温度对微生物细胞生长的影响；一方面，最适温度范围内，生长速率随温度的上升而增加，一般每升高10℃，生长速率大致增长一倍。当温度超过最适生长温度时，生长速率随温度增加而迅速下降。另一方面，不同生长阶段的微生物对温度的反应不同。*102、温度对产物形成的影响；从酶反应动力学来看，发酵温度升高，酶反应速率增大，生长代谢速度加快，但酶本身容易过热而失活，表现在菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终的产量。*113、温度影响发酵液的物理性质；例如，溶解氧浓度会受到温度的影响，其溶解度随温度的下降而增加。因此当通气条件差时，可以适当降低温度，以增加溶解氧的浓度。在较低的温度下，既可以使氧的溶解度相应大些，同时可以降低菌体的生长速率，减少氧的消耗。4.

温度对产物合成的影响影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生长代谢与产物生成。

e.g.青霉菌发酵生产青霉素青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol

青霉素合成活化能E2=112kJ/mol

∴青霉素合成速率对温度较敏感*13温度影响生物合成方向例如，四环素发酵中所用的金色链霉菌，其发酵过程中能同时产生金霉素，在温度低于30℃时，合成金霉素的能力较强；合成四环霉素的能力随温度的升高而增大，当达到35℃时，只产生四环霉素，金霉素的合成几乎停止。温度对菌的调节机制关系密切。温度对产物合成的影响影响酶系组成及酶的特性。米曲霉制曲：温度控制在低限，有利于蛋白酶合成凝结芽孢杆菌的α-淀粉酶热稳定性：55℃培养→90℃保持60min，剩留活性为88%~99%；35℃培养→经相同条件处理，剩余活性仅有6%~10%。5.

最适温度的选择与控制定义：最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一定条件下测得的结果。二阶段发酵

e.g.青霉素发酵：菌体生长期,30℃

青霉素合成分泌期,20℃最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正常良好通气条件下低一些。培养基成分和浓度的影响最适温度的选择与控制变温培养：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒温培养所获得的产物有较大幅度的提高。

e.g.四环素发酵：0~30h稍高温度→30~150h稍低温度→150h后升温发酵青霉素发酵：30℃,5h→25℃,35h→20℃,85h

→25℃,40h；产量提高14.7％最适温度的选择与控制*18

（二）发酵过程中升温的原因和规律发酵温度的变化主要是发酵热来决定的。发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。包括生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热和显热。*19生物热：微生物在生长繁殖过程中，本身产生的大量热称为生物热。搅拌热：搅拌带动液体作机械运动，造成液体之间、液体与设备之间发生摩擦，这样机械搅拌的动能以摩擦放热的方式，使热量散发在发酵液中，即搅拌热。*20蒸发热：水蒸气由发酵液中蒸发时，带走了发酵液中的热量称为蒸发热。辐射热：发酵液中有部分热量通过罐壁向外辐射，这些热量成为辐射热。显热：通气时，进入发酵罐的空气与发酵液可以进行热量交换，排出气体所散失的热量称为显热，一般很小，有时可忽略不计。*21其关系式是：Q发酵热＝Q生物热+Q搅拌热－Q蒸发热－Q辐射热－Q显热整个发酵过程中温度变化的总趋势是：发酵初期，需外加热提高温度进入主发酵期，应注意散热和冷却降温；发酵后期，应注意采取适当的保温措施。

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（三）

控制温度的方法1.液体发酵

利用夹层或盘管用蒸汽保温或冷水、冷盐水降温的办法来调节温度。*232.固体发酵当发酵温度不足时可通入蒸汽保温或水浴保温，也可用堆积的办法保温，一般采用通入蒸汽保温较为简单当发酵温度过高时，采用风机连续通风，可达到冷却降温的目的（二）pH对发酵的影响及其控制1.

发酵对pH的影响2.pH值对发酵过程的影响3.最适pH的选择

4.发酵过程中pH的调节与控制一、发酵过程pH变化的原因

1、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上升，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下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。

3、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。

二、pH对发酵的影响发酵微生物都有自己适宜的生长PH值和发酵PH值，而其生长的最短PH和发酵产物形成的最短PH值往往是不一致的。PH对微生物生长繁殖和代谢产物形成的影响主要有以下几方面：第一，PH影响菌体的活性和形态；第二，PH影响酶的活性，不合适的PH会影响微生物C的生长和代谢第三，PH的改变往往引起某些酶的激活或抑制，使生物合成途径发生改变，代谢产物发生变化。二、pH对发酵的影响例

pH对林可霉素发酵的影响

林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上，阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵66小时pH达7.93，以后维持在8.0以上至115小时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3，调节这一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高发酵单位。1、实例pH7.0t不调pH调pH效价pH例：培养基初始pH值对漆酶分泌的影响pH在4～7范围内产酶最高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。

e.g.黑曲霉发酵：pH2~3,柠檬酸；pH接近中性，草酸酵母菌发酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸和甘油谷氨酸发酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；pH5.0~5.8,谷酰胺和N-乙酰谷酰胺(2)pH对产物合成的影响（2）pH对产物合成的影响（续）pH对青霉素发酵的影响：在不同pH范围内加糖，青霉素产量和糖耗不一样。pH范围

糖耗残糖

青霉素相对单位pH6.0～6.3加糖

10%0.5%较高pH6.6～6.9加糖

7%0.2%高pH7.3～7.6加糖

7%>0.5%低pH6.8控制加糖

<7%<0.2%最高速率恒定(0.055%/h)*采用pH控制补糖速率的意义最适pH的选择

选择pH准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量。pH对产海藻酸裂解酶的影响配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况http:///jpkc3、最适pH的选择微生物生长和产物合成的最适pH●大多数细菌生长的最适pH6.3～7.5●酵母菌最适生长pH3.8～6●放线菌生长最适

pH7～8●霉菌最适生长pH4～6（1）pH调节方法

在发酵过程中加弱酸或弱碱进行pH值的调节，合理地控制发酵条件，或调节通气量来控制pH值。配制合适的培养基，有很好的缓冲能力；发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂

(NaOH、HCl、CaCO3)；发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH；

酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4＋)

碱性基质：NO3－盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素原则:①残糖高时，不用糖调pH

②残N高时，不用生理盐调pHpH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH*362)在发酵过程中加弱酸或弱碱进行pH值的调节，合理地控制发酵条件，或调节通气量来控制pH值。3)进行补料是较好的办法，既调节培养液的pH值，又可补充营养。如氨水、尿素流加法等。（2）pH控制方法比较以青霉素发酵为例，最适pH为6.6～6.9控制方案：方案一：培养基中供应充足的糖，并配用pH缓冲剂方案二：培养基中供应充足的糖，以非基质NaOH调节pH方案三：在发酵过程中恒速补糖，以NaOH、H2SO4调节pH方案四：改变补糖速率来控制pH为6.6～6.9*38三、溶解氧对发酵的影响及控制*39（一）溶解氧对发酵的影响在发酵过程中，微生物只能利用溶解状态下的氧（即溶解氧）。氧的供应常常是发酵能否成功的重要限制因素之一。供氧不足，不仅影响产物的积累，而且还可能导致微生物代谢途径的改变，影响产品的质量。*40氧是一种难于溶于水的气体，在25℃，1*105Pa条件下，空气中的氧在纯水中的溶解度为0.25mmol/L。培养基中含有大量的有机和无机物质，氧的溶解度比在纯水中更低。在发酵液中的溶解度为0.2mmol/L。*40发酵工业上氧的利用率很低。如抗生素发酵，被微生物利用的氧不超过经过净化处理的无菌空气中含氧量的2%。提高供氧效率，就能大大降低空气消耗量，从而降低设备费、减少动力消耗；且减少染菌机会，减少泡沫形成，提高设备利用率。*42但是值得注意的是，在培养过程中并非维持溶解氧越高越好。供氧对谷氨酸发酵的影响1)

通风适量生成谷氨酸2)

通风过量生成α-酮戊二酸3)

通风不足生成乳酸或琥珀酸*43（二）供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系不同好氧微生物所含的氧化酶系的种类和数量不同，在不同环境条件下，各种微生物的吸氧量或呼吸强度不同。*44根据和氧的关系分为：专性好氧微生物好氧微生物（必需有氧）微好氧微生物

兼性好氧微生物（可有可无）

耐氧微生物厌氧微生物（不需）严格厌氧微生物*45好氧微生物兼性好氧微生物耐氧厌氧微生物厌氧微生物微好氧微生物*46溶解氧是发酵正常与否的重要标志发酵过程中引起溶氧异常下降的原因1)污染好气性杂菌，大量溶氧被消耗。2)菌体代谢发生异常，需氧要求增加。3)某些设备或工艺控制发生故障或变化，如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢；消泡剂加入过多。*47引起溶氧异常升高的原因 1)主要是耗氧出现改变，如菌体代谢异常，耗氧能力下降，2)

污染烈性噬菌体，菌液变稀，溶氧回升3)

操作故障或工艺错误引起的发酵异常*481、影响发酵过程中溶氧的两个方面：第一方面：影响容积传递系数KLa的因素

1)、搅拌增大搅拌功率（速度）比增大通气量对提高容积传递系数（KLa）更为有效。但搅拌功率并非越大越好，同时考虑对菌丝形态，泡沫形成，搅拌热的产生和二氧化碳的排出等方面的影响。*49搅拌提高溶氧系数的机制（1）搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡，增加了接触面积，而且小气泡的上升的速度要比大气泡慢，因此接触时间也增长。（2）搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是做螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，即增加了气液的接触时间（3）搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少了气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力，因而增大了kLa（4）搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递过程中的接触面积增加，使推动力均一。2)、空气流量：适当增加通风量空气流量，容积传递系数（KLa）随空气流量的增加而增加，但并非没有限度。如果超过一定的通气量限度，搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中，而使搅拌器在大量的空气中空转，此时叶轮不能分散空气，气流形成的大的气泡就会沿轴逃逸，这时搅拌功率就会大大降低，容积传递系数也会随之下降。*513)、液体性质：发酵液的性质，如密度、黏度、表面张力、扩散系数等的变化都对容积传递