微生物发酵技术第04章

微生物发酵技术第04章0-101001绪论22微生物资源开发和菌株选育43微生物育种技术64微生物发酵技术65医药微生物生物技术46环境微生物技术67农业微生物生物技术

42主要内容1微生物工艺优化的实验设计2发酵过程动力学的基本概念3发酵过程的代谢控制4微生物发酵过程工艺参数控制31微生物工艺优化的实验设计1.1微生物发酵工艺的特点1.2试验设计中常用的术语1.3工艺优化的方法和策略41.1微生物发酵工艺的特点应先因素众多缺乏理论模型试验误差较大影响因素间存在相互作用51.2试验设计中常用的术语因素：试验中考察的对试验指标可能有影响的因素简称因素。水平：每个因素在试验中要比较的具体条件称为水平。61.3常用的优化方法工艺优化研究的主要步骤：筛选：因素多，不精确的知识，找出重要的影响因素；优化：因素少，在较适范围内，建立预言性模型确证：使用预言的最优成套条件，验证结果7常用的优化方法单因子法：实验室最常用的优化方法是单次单因子(one-variable-at-a-time)法，这种方法是在假设因素间不存在交互作用的前提下，通过一次改变一个因素的水平而其他因素保持恒定水平，然后逐个因素进行考察的优化方法。但是由于考察的因素间经常存在交互作用，使得该方法并非总能获得最佳的优化条件。另外，当考察的因素较多时，需要太多的实验次数和较长的实验周期。所以现在的培养基优化实验中一般不采用或不单独采用这种方法，而采用多因子试验。8多因子试验多因子试验需要解决的两个问题:(1)哪些因子对响应具有最大(或最小)的效应，哪些因子间具有交互作用。(2)感兴趣区域的因子组合情况，并对独立变量进行优化9正交实验设计正交实验设计是安排多因子的一种常用方法，通过合理的实验设计，可用少量的具有代表性的试验来代替全面试验，较快地取得实验结果。正交实验的实质就是选择适当的正交表，合理安排实验的分析实验结果的一种实验方法。具体可以分为下面四步：（1）根据问题的要求和客观的条件确定因子和水平，列出因子水平表；（2）根据因子和水平数选用合适的正交表，设计正交表头，并安排实验；（3）根据正交表给出的实验方案，进行实验；（4）对实验结果进行分析，选出较优的“试验”条件以及对结果有显著影响的因子。正交方法可以用来分析因素之间的交叉效应，但需要提前考虑那些因素之间存在交互作用，再根据考虑来设计实验。因此，没有预先考虑的两因素之间即使存在交互作用，在结果中也得不到显示。对于多因素、多水平的科学试验来说，正交法需要进行的次数仍嫌太多，在实际工作中常常无法安排，应用范围受到限制。10均匀实验设计如果仅考虑“均匀分散”，而不考虑“整齐可比”，完全从“均匀分散”的角度出发的实验设计，叫做均匀设计。均匀设计按均匀设计表来安排实验，均匀设计表在使用时最值得注意的是均匀设计表中各列的因素水平不能像正交表那样任意改变次序，而只能按照原来的次序进行平滑，即把原来的最后一个水平与第一个水平衔接起来，组成一个封闭圈，然后从任一处开始定为第一个水平，按圈的原方向和相反方向依次排出第二、第三水平。均匀设计只考虑试验点在试验范围内均匀分布，因而可使所需试验次数大大减少。11Plackett-Burman法Plackett-Bunnan设计法是一种两水平的实验优化方法，它试图用最少的实验次数达到使因子的主效果得到尽可能精确的估计，适用于从众多的考察因子中快速有效地筛选出最为重要的几个因子，供进一步优化研究用。该法不能考察各因子的相互交互作用。12部分因子设计法部分因子设计法与Plackett-Burman设计法一样是一种两水平的实验优化方法，能够用比全因子实验次数少得多的实验，从大量影响因子中筛选出重要的因子。根据实验数据拟合出一次多项式，并以此利用最陡爬坡法确定最大响应区域，以便利用响应面法进一步优化。13响应面分析（responsesurfaceanalysis，RSM）方法是数学与统计学相结合的产物，和其他统计方法一样，由于采用了合理的实验设计，能以最经济的方式，用很少的实验数量和时间对实验进行全面研究，科学地提供局部与整体的关系，从而取得明确的、有目的的结论。它与“正交设计法”不同，响应面分析方法以回归方法作为函数估算的工具，将多因子实验中，因子与实验结果的相互关系，用多项式近似，把因子与实验结果（响应值）的关系函数化，依此可对函数的面进行分析，研究因子与响应值之间，因子与因子之间的相互关系，并进行优化。142发酵过程动力学的基本概念2.1发酵过程的反应描述及速度概念2.2发酵过程动力学研究的基本内容2.3微生物生长动力学的基本概念2.4菌体生长、产物形成、基质消耗动力学的基本概念2.5反应动力学的应用—连续培养的操作特性15

XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）发酵研究的内容：发酵过程反应的描述菌种的来源——找到一个好的菌种发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力2.1发酵过程的反应描述及速度概念16基质的消耗速度：

发酵过程反应速度的描述基质的消耗比速：(g.L-1.s-1)(h-1、s-1)单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念。

XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）17基质的消耗比速：(h-1)菌体的生长比速：产物的形成比速：(h-1)(h-1)

XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）18研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性+反应器的操作模型操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程2.2发酵反应动力学的研究内容19已建立动力学模型的类型机制模型：根据反应机制建立几乎没有现象模型（经验模型）：目前大多数模型能定量地描述发酵过程能反映主要因素的影响202.3.1微生物在一个密闭系统中的生长情况：时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：指数生长期:倍增时间：td减速期:静止期：;衰亡期:2.3微生物生长动力学的基本概念212.3.2微生物的生长动力学、Monod方程

微生物的生长速度：

μ＝f(s,p,T,pH,……,)在一定条件下(基质限制)：μ＝f(S)22Monod研究了基质浓度与生长速度的关系———Monod方程(1949)μ米氏方程:23μ：菌体的生长比速S：限制性基质浓度Ks：半饱和常数μmax:最大比生长速度μ单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。24Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或：

这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。25例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S6336415322126μmax，＝1.11(h-1);Ks＝97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h272.4.1初级代谢产物和次级代谢产物次级代谢产物：还有一类产物，对细胞的代谢功能没有明显的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素等，这一类化合物称为次级代谢产物。初级代谢产物：微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。如氨基酸、核苷酸等等，这些物质称为初级代谢产物。2.4产物形成动力学的基本概念28

Gaden对发酵的三分类与Pirt方程：〖一类发酵〗产物的形成和菌体的生长相偶联xp29〖二类发酵〗产物的形成和菌体的生长部分偶联xp30〖三类发酵〗产物的形成和菌体的生长非偶联xp31〖Pirt方程〗

π＝a+bμa=0、b≠0：可表示一类发酵a≠0、b≠0：可表示二类发酵a≠0、b=0：可表示三类发酵32SS1

菌体S2产物S3维持

XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+维持维持消耗(m)：指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。2.5基质消耗动力学的基本概念33

XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+维持m:维持消耗系数YP/s:产物对基质的理论得率系数YX/s:细胞对基质的理论得率系数物料衡算：342.6反应动力学的应用——连续培养的操作特性连续反应器：流入速度=流出速度=F35V:反应器内发酵液体积(L)X:反应器内菌体浓度(g/L)So:流加发酵液中基质的浓度(g/L)S:反应器内基质的浓度(g/L)F:补料速度(L/h)36物料衡算（连续培养的反应器特性）对菌体:稳态稀释率(D):补料速度与反应器体积的比值(h-1)37o物料衡算（连续培养的反应器特性）对基质:稳态稀释率(D):补料速度与反应器体积的比值(h-1)38DμSσx连续培养操作的模型分析↑↑↑↑↓最大D>μmax时会造成菌体的洗出39连续培养的操作特性40连续培养富集微生物的原理连续培养中，最终在此培养体系中生存下来的微生物都是此时刻对该种底物表现出最大生长的微生物（或一个微生物生态）。s0μ当只有B时建立稳态：μB=D,对应S0如果引入微生物A：μ=μA(S0)μA>Dx增加s下降μAμB下降μB<D被洗出413发酵过程的代谢控制发酵过程控制是发酵的重要部分控制难点：过程的不确定性和参数的非线性同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同批次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响因素是复杂的，比如设备的差别、水的差别、培养基灭菌的差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程的细微差别都会引起微生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的一般方法对于控制代谢是十分必要的423.1发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次3.2发酵过程的中间分析433.1.1发酵过程的种类分批培养补料分批培养半连续培养连续培养3.1发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次441、分批发酵简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。45分批培养中微生物的生长迟滞期对数生长期稳定期死亡期46分批培养的优缺点优点操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握缺点产率低，不适于测定动力学数据472、补料分批培养

在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。48补料分批培养的优缺点优点在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料控制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺。缺点由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌机会493、半连续培养在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发酵优点放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。缺点代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大504、连续培养发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。51连续培养的优缺点优点控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，得到高的产量。由于μ＝D，通过改变稀释速率可以比较容易的研究菌生长的动力学缺点菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增加。52发酵过程工艺控制的目的有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来目标是得到最大的比生产速率和最大的生产率53发挥菌种的最大生产潜力考虑之点菌种本身的代谢特点生长速率、呼吸强度、营养要求（酶系统）、代谢速率菌代谢与环境的相关性温度、pH、渗透压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等54微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络形式，比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的前体，可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物，而这些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的差异会引发代谢朝不同的方向进行。因此对发酵过程的了解不能机械的，割裂的去认识，而要从细胞代谢水平和反应工程水平全面的认识。微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现在菌体量的大小影响产物量的多少，而且菌体生长正常与否，即前期的代谢直接影响中后期代谢的正常与否。特别是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性。55发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环境因素等等。因此发酵过程的控制具有不确定性和复杂性。为了全面的认识发酵过程，本章首先要告诉大家分析发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子，说明如何综合分析发酵过程及进行优化放大。563.1.3发酵过程研究的方法和层次1、研究方法单因子实验：对实验中要考察的因子逐个进行试验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验优点一次可以进行多种条件的实验，可以在较快时间内得到的结果。缺点如果考察的条件多，实验时间会比较长各因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性57数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、均匀设计、响应面设计。优点同时进行多因子试验。用少量的实验，经过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，大大提高了实验效率。但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存在较大的误差就会得出错误的结果。582、研究的层次初级层次的研究：一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最适温度、最适pH等要求。摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几十种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较高的效率。59代谢及工程参数层次研究：一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数，以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以得到的代谢情况比较可信。60生产规模放大：在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优化条件在大型反应器上得以实现,达到产业化的实现。一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同所致。613.2发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛。这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等62代谢参数按性质分可分三类：物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、产物浓度、、核酸量等生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等63从检测手段分可分为：直接参数、间接参数直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温度、pH、残糖等间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、KLa等64直接参数又可分为:在线检测参数和离线检测参数在线检测参数指不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌转速；离线检测参数指取出样后测定得到的参数，如残糖、NH2-N、菌体浓度。653.2.1发酵过程主要分析的项目目前发酵过程主要分析项目如下1、pHpH与微生物的生命活动密切相关——酶催化活性pH的变化又是微生物代谢状况的综合反映——基质代谢、产物合成、细胞状态、营养状况、供氧状况662、排气氧、排气CO2和呼吸熵排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，通过计算可以求得摄氧率（OUR）。排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，因为微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的氧。67RQ值随微生物菌种的不同，培养基成分的不同，生长阶段的不同而不同。测定RQ值一方面可以了解微生物代谢的状况，另一方面也可以指导补料CER表示单位体积发酵液单位时间内释放的二氧化碳的量呼吸熵＝呼吸熵反映了氧的利用状况68

一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。对于这种工艺，后期的补料控制是关键。过程中发现，在补糖开始时，不但CER、OUR大幅度提高，连RQ也提高约10％，表明通过补糖不但提供了更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。693、糖含量微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。糖的消耗反映产生菌的生长繁殖情况反映产物合成的活力菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快通过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来调节pH，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵不正常。糖含量测定包括总糖和还原糖。总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、饴糖、单糖等各种糖。还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。704、氨基氮和氨氮氨基氮指有机氮中的氮（NH2-N），单位是mg/100ml。如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。氨氮指无机氨中的氮（NH3-N）。氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子的抑制，因此必须控制适量的氮。通过氨基氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施。发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过程。715、磷含量微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷措施。726、菌浓度和菌形态菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态显微镜观察菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。7374757、产物浓度

在培养过程中，产生菌的合成能力和产物积累情况都要通过产物量的测定来了解，产物浓度直接反映了生产的状况,是发酵控制的重要参数。而且通过计算还可以得到生产速率和比生产速率，从而分析发酵条件如补料、pH对产物形成的影响。76产物量的测定3.2.2.1产物量的特殊表示法抗生素效价的表示抗生素效价表示抗生素的有效成分的多少，效价大小用单位（U）来表示效价表示方法：重量折算法重量单位类似重量单位特殊单位77重量折算单位：以最低抑菌浓度为一个单位，如青霉素0.6微克＝1U重量单位：规定某些抗生素活性部分1μg=1u如链霉素、卡那霉素、红霉素等定义活性部分1μg＝1u78类似重量单位：规定抗生素的某种盐1mg=1000u如金霉素、四环素的盐酸盐定一为1μg＝1u特殊单位：药检所制定某些抗生素的单位制霉菌素1mg=3700u多粘菌素B1mg=10000u79酶活力的表示法酶活力用单位来表示。由于酶通常不是很纯，不能用重量来表示酶的量。同一种酶用不同的方法测定会有不同的酶活单位，容易造成混乱，为此国际上作了统一规定，规定在250C下，以最适的底物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及最适的pH诸条件下，每分钟能转化一微克分子底物的酶定量为一个活性单位。803.2.2.2产物量的测定1、化学法（1）滴定法产物能使一定指示剂变色来指示反应终点的可用滴定法如青霉素在碱性条件下加入过量的I2，反应生成青霉噻唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘，可计算出青霉素的单位柠檬酸可以用NaOH滴定来计算柠檬酸产量81（2）比色法产物经一定化学反应产生颜色，且颜色深浅与产物浓度成正比，可以用比色法测定。淀粉酶活力测定：在1%可溶性淀粉溶液中加入淀粉酶，所释放出的麦芽糖与生色试剂（3，5-二硝基水杨酸与酒石酸钾钠的碱溶液）产生颜色，它在540nm处所得吸光度跟淀粉酶活力成正比。82（3）测压法产物特定反应放出或摄入气体，使系统有压力变化，可以通过测定压力变化得知产物量。2、物理法许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋光性，因此可以通过测定旋光度来测定酶或抗生素的含量。谷氨酸γ－氨基丁酸＋CO283化学和物理方法优点：快速、方便，经常用于过程分析缺点产品中存在的杂质会干扰测定结果，因此抗生素成品的测定用生物法测定。

适用于抗生素效价的测定

生物法以抗生素的杀菌能力为衡量效价的标准，其原理恰好与临床应用的要求相一致，而且此法灵敏度高，需用的检品量较小，这是其它方法不能比的。但此法得到结果比较慢，需经过16~18小时培养。生物法常用于发酵终了产品效价的测定。3、生物法84主要的控制参数1、pH值（酸碱度）2、温度3、溶解氧浓度4、基质含量5、空气流量6、压力7、搅拌转速8、搅拌功率9、黏度10、浊度11、料液流量12、产物的浓度13、氧化还原电位14、废气中的氧含量15、废气中的CO2含量16、菌丝形态17、菌体浓度18、泡沫4微生物发酵过程工艺参数控制854.1发酵过程的pH控制

4.2温度变化及其控制

4.3溶氧的影响及控制4.4发酵过程泡沫的形成与控制864.1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，所以是十分重要的参数。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的正常与否874.1.1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882、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。

894.1.2pH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90（1）pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻（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，因此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

2pH对发酵的影响

91（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923pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响

生长合成pH对菌体生长影响比产物合成影响小例青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0,产物合成最适pH7.2~7.4四环素：菌体生长最适pH6.0~6.8，产物合成最适pH5.8~6.0XpH四环素934.1.3pH的控制

1、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6.5~6.82、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3、通过补料调节pH

94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（1）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH(2)当NH2-N低，pH低时补氨水；当NH2-N低，pH高时补(NH4)2SO44、当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH

954.2温度变化及其控制

4.2.1温度对发酵的影响4.2.2最适温度的选择4.3.3发酵过程引起温度变化的因素961、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4.2.1温度对发酵的影响972、温度影响发酵方向四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于300C时，这种菌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。温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。981、根据菌种及生长阶段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。4.2.2最适温度的选择992、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。1003、根据菌生长情况菌生长快，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。1014.3.3.1发酵热Q发酵发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。现在来分析发酵热产生和散失的各因素。4.3.3发酵过程引起温度变化的因素1021、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。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。103生物热与发酵类型有关微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水好氧：产生287.2千焦耳热量，183千焦耳转变为高能化合物104.2千焦以热的形式释放厌氧：产生22.6千焦耳热量，9.6千焦耳转变为高能化合物13千焦以热的形式释放二个例子中转化为高能化合物分别为63.7％和42.6％104

培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。生物的大小与呼吸作用强弱有关在培养初期，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，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，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。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。1052、搅拌热Q搅拌在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×860×4186.8（焦耳/小时）P——搅拌轴功率4186.8——机械能转变为热能的热功当量电机功率P=E——额定电压I——额定电流cosφ——功率因素，1千瓦时＝860×4186.8焦耳1063、蒸发热Q蒸发

通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显热，显热很小，一般可以忽略不计。4、辐射热Q辐射发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5％。Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射1074.3.3.1发酵热的测定有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以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——冷却水流量另一种是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。108根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。ΔH＝∑（△H）反应物－∑（△H）产物如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：葡萄糖159555.9KJ/Kg谷氨酸15449.3KJ/Kg玉米浆12309.2KJ/Kg菌体20934KJ/Kg尿素10634.5KJ/Kg109可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例如某味精厂50M3发酵罐发酵过程测定结果的主要物质变化如表：发酵时间（h）0～66～1212～1818～31糖－37－30.3－24.0－41.7谷氨酸5.915.423.9尿素－2.9－6.0菌体4.86.01.2玉米浆－2.4－3.0－0.6110发酵12～18小时的生物热为：Q生物＝24×159555.9＋0.6×12309.2＋6×10634.5－1.2×20934－15.4×15449.3＝191098.1KJ/M3191098.1÷6＝31849.7每小时的生物热为31849.7KJ/M31114.3溶氧的影响及控制4.3.1溶氧对发酵的影响影响菌体生长、产物合成及产物的性质。1有时，氧充分促进产物合成，如谷氨酸和金霉素发酵；2有时，氧充足会对产物有抑制作用，如维生素B12发酵。

因此溶氧并非越高越好。112氨基酸发酵对氧的需求分三类：1谷氨酸、精氨酸和脯氨酸，氧必须供应充足，产量才大；2异亮氨酸、赖氨酸和苏氨酸，供氧充分可获得最高产量，但供氧受限时，不会有太大影响；3亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，供氧受限对产物合成有利。1134.3.2发酵过程的溶氧变化在一定的发酵条件下，每种产物发酵的溶氧变化都有自身的规律。总的规律：先下降，后上升，不同产物后期出现最低谷的时间不同。溶氧异常下降的原因：1污染好气性杂菌；2菌体代谢异常；3某些设备或工艺控制发生故障，如搅拌。114引起溶氧异常升高的原因：1代谢异常，菌体过早衰老；2污染噬菌体。4.3.3溶氧浓度的控制溶氧浓度是由氧的供需平衡所决定的。供大于需时，溶氧上升；供小于需时，溶氧下降。提高供氧的方法：提高氧传递动力和液相体积氧传递系数。115氧传递动力的提高受限，只能通过搅拌、通气及发酵液粘度控制。控制需氧的方法：需氧量受菌体浓度、营养基质的种类和浓度、培养条件影响，其中重要的是菌体浓度。菌体浓度可通过控制比生长速率来实现，这又要通过营养基质浓度的控制来实现。116泡沫的定义：一般来说：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近气体，而不接近液体的“气/液”分散体。4.4发酵过程泡沫的形成与控制1174.4.1泡沫形成的原因1、气液接触因为泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量的泡沫。气液接触大致有以下两类情况：（1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体（2）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。1182、含助泡剂在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫，其寿命在0.5秒之内，只能瞬间存在。摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡。在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质是助泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。1193、起泡速度高于破泡速度起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自由能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度因素。高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。1204、发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。121（2）培养基配比与原料组成培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌。例：在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900rpm，通气，泡沫生成量为培养基的2倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易开搅拌。122（3）菌种、种子质量和接种量菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量（4）灭菌质量培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。1234.4.2起泡的危害1、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2、引起原料浪费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。

1243、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，而且又不能与空气中氧进行交换，这样就影响了菌的呼吸。4、引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培养基，就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的润滑油可起点消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。1252.4.3影响泡沫稳定性的因素引起危害，需要消除的，只是稳定的泡沫。泡沫的稳定性受液体、气体许多性质的影响。不同介质的泡沫，稳定程度相差很多，影响泡沫稳定性的因素十分复杂，概括国内外研究者的说法，主要因素有1261、泡径大小对任何泡沫体系稍加观察都会发现：大泡易于破灭，寿命较长的的都是小泡。泡越小，合并成大气泡的历程就越长，而且小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，所以较能经受液体流失所造成的稳定性的损失。另一方面，气泡只有上升到液面才能够在破灭之后减少泡沫体积。气泡越小，上升速度越慢。溶液中溶解状态或胶束状态的表面活性剂，在气泡上升的过程中，吸附到气液界面上，形成定向吸附层。小气泡上升慢，给表面活性剂的吸附提供充足的时间，增加了稳定性。1272、溶液所含助泡物的类型和浓度（1）降低表面张力降低表面张力会降低相邻气泡间的压差。压差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的稳定性就好。（2）增加泡沫弹性助泡的表面活性剂，吸附在气液界面上，使表面层的组分与液相组分产生差别，因而使泡沫液具有可以伸缩的称为“吉布斯弹性”的性质，对于泡沫稳定性来说表面活性剂使液膜具有“吉布斯弹性”比降低表面张力更重要。△P=128吉布斯曾对泡沫液弹性做如下定义：E=2A（）E——膜弹性A——膜面积σ——表面张力可以看出大，吉布斯弹性大，泡沫抵抗变形的能力就大。大意味着：当面积发生变化时，表面张力的变化较大，即收缩力较大，泡沫“自愈作用”就强，泡沫也就稳定。单一组分的纯净液体，表面张力不随表面积改变而改变，液体没有弹性，所以纯净液体不会产生稳定的泡沫。129（3）助泡剂浓度溶液中助泡剂浓度增加，气液界面上的吸附量就增加，液膜弹性随之增加，泡沫稳定性增高，直至到达助泡物的临界胶束浓度为止。到达临界胶束浓度后，气液界面上的定向排列“饱和”，弹性不会再增加，增加胶束浓度只会增大、增多胶束。1303、起泡液的粘度某些溶液，如蛋白质溶液，虽然表面张力不低，但因粘度很高，所产生的泡沫非常稳定。因为粘稠的液膜，有助于吸收外力的冲击，起到缓冲的作用，使泡沫能持久一些。液体粘度对泡沫稳定性的影响比表面张力的影响还要大。1314、其它*温度表面张力最低值时的浓度随温度变化。在最低表面张力时泡沫排液迅速，否则排液缓慢。σ表面活性剂浓度20oC75oC132*pH影响助泡剂的溶解度和表层的吸附状态*表面电荷离子型表面活性剂，水解后带电荷，泡沫的定向吸附层为双电层结构。由于离子间静电的排斥，阻碍着离子彼此接近，减少排液速度，延缓泡沫变薄过程，使泡沫稳定。－－－－－－－－1332.4.5消泡剂消泡1、消泡剂的作用机理为了弄清消泡剂如何发挥作用，为了合理、有效地使用消泡剂，需要了解消泡剂的作用机制及一般性质。泡沫本来是极不稳定的，只因助泡剂的稳泡作用才难以破灭。人们研究消泡剂抵消助泡剂的稳泡作用的机理是近几十年的事。下面分别介绍在消泡剂发展历史上有重要地位的罗氏假说以及其它几种消泡剂的作用机理。134（1）罗氏假说1941年哈金斯（HarkinssW.D）曾提出铺展系数S的概念，即：S=σF－σFA－σAσF——起泡介质的表面张力σFA——消泡剂与起泡介质的界面张力σA——消泡剂的表面张力以铺展系数S值的正负判断消泡剂是否能够在泡沫上扩展。σAσFAσF1351948年鲁宾逊（Robinson,J.V）和伍兹（Words,W.W）提出了浸入系数E的概念，即E=以浸入系数E值的正负判断消泡剂能否进入泡沫表面。σAσFAσF136（2）与稳泡因素有关的几种消泡机理a、消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导致泡沫破灭希勒（Shearer,L.T）和艾克斯(Akers,W.W.)在油体系中研究聚硅氧烷油的消泡过程。他们对泡沫体系以1/1000秒的速度连续拍照，照片放大100倍137由图可以看出，硅油微粒到达泡沫表面使泡沫破灭，气泡合并，气液迅速分离。研究发现：低浓度的，表面张力比起泡液低的物质，如果与起泡液成为均相，则促进起泡；如果呈饱和状态，而且被均匀分散在起泡液中，就可能有消泡作用。附着了消泡剂小滴的泡沫能够迅速破灭，与局部降低表面张力有关。138日本高野信之提出类似的观点：在起泡液中分散的消泡剂颗粒，随着泡沫液变薄，露到表面，因消泡剂表面张力比泡沫液低，该处受到周围的拉伸、牵引。不断变薄，最后破灭。把高级醇或植物油洒在泡沫上，当其附着到泡沫上，即溶入泡沫液，会显著降低该处的表面张力。因为这些物质一般对水的溶解度较小，表面张力降低只限于局部，而泡沫周围的表面张力几乎没有发生变化。表面张力降低的部分，被强烈地向四周牵引、延展，最后破裂。发酵过程控制1392、破泡剂与抑泡剂的区别（1）消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂破泡剂是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。如低级醇、天然油脂。一般来说，破泡剂都是其分子的亲液端与起泡液亲和性较强，在起泡液中分散较快的物质。这类消泡剂随着时间的延续，迅速降低效率，并且当温度上升时，因溶解度增加，消泡效率会下降。抑泡剂是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚醚及有机硅等属于抑泡剂。一般是分子与气泡液亲和性很弱的难溶或不溶的液体140（2）作用机理上的区别破泡剂的破泡机理大致有二种。第一，吸附助泡剂，加入电解质，瓦解双电层，及使助泡物被增溶等机理，这样就破坏助泡物的稳泡作用。在这些过程中消泡剂发挥一次消泡作用就被消耗。同时消耗掉相应的助泡物。第二，低级醇等溶解性较大的消泡剂，加到气泡液中局部降低表面张力，发挥破泡作用，同时本身不断破为碎块，陆续溶解而失去破泡作用。破泡过程中，破泡剂不断失效、消耗，而助泡剂却不受影响141抑泡机理：一般认为抑泡剂分子在气液界面上优先被吸附，它比助泡剂的表面活性更强，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不赋予泡膜弹性，所以不具备稳泡作用。这样当液体中产生泡沫时，抑泡剂首先占据泡膜，抑制了助泡剂的作用，抑制了气泡。（3）破泡剂与抑泡剂的相互关系溶解度大的破泡剂，消泡作用只发挥一次；溶解度小的破泡剂，消泡作用可持续一段时间。如果溶解度进一步降低，即成为抑泡剂。另一方面，破泡剂大量使用，比有抑泡作用，抑泡剂大量使用也比有破泡作用。1423、对消泡剂的要求（1）在起泡液中不溶或难溶为破灭泡沫，消泡剂应该在泡膜上浓缩、集中。对破泡剂的情况，应在瞬间浓缩、集中，对于抑泡的情况应经常保持在这种状态。所以消泡剂在起泡液中是过饱和状态，只有不溶或难溶才易于达到过饱和状态。不溶或难溶，才易于聚集在气液界面，才易于浓缩在泡膜上，才能在较低浓度下发挥作用。用于水体系的消泡剂，活性成分的分子，须为强疏水弱亲水，HLB值在1.53范围，作