（醫(yī)學(xué)PPT課件）紅霉素發(fā)酵工藝控制及操作

1、紅霉素發(fā)酵工藝控制及操作紅霉素發(fā)酵工藝控制及操作1 1. 概述概述 . 溫度的影響及其控制溫度的影響及其控制 . pH的影響及控制的影響及控制 . 溶氧的影響和控制溶氧的影響和控制 . 泡沫的影響和控制泡沫的影響和控制 . 紅霉素發(fā)酵現(xiàn)場操作要點(diǎn)紅霉素發(fā)酵現(xiàn)場操作要點(diǎn) . 紅色糖多孢菌各周期階段形態(tài)紅色糖多孢菌各周期階段形態(tài)一、發(fā)酵工藝的控制一、發(fā)酵工藝的控制2 1. 概述概述 發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分控制難點(diǎn)：控制難點(diǎn)：過程的不確定性和參數(shù)的非線性過程的不確定性和參數(shù)的非線性發(fā)酵過程的影響因素是復(fù)雜的，比如設(shè)備的差發(fā)酵過程的影響因素是復(fù)雜的，比如設(shè)備的差別、水

2、的差別、培養(yǎng)基滅菌的差別，菌種保藏別、水的差別、培養(yǎng)基滅菌的差別，菌種保藏時(shí)間的長短，發(fā)酵過程的細(xì)微差別都會引起微時(shí)間的長短，發(fā)酵過程的細(xì)微差別都會引起微生物代謝的不同。了解和掌握分析發(fā)酵過程的生物代謝的不同。了解和掌握分析發(fā)酵過程的一般方法對于優(yōu)化發(fā)酵是十分必要的一般方法對于優(yōu)化發(fā)酵是十分必要的一、發(fā)酵過程的方式一、發(fā)酵過程的方式二、二、發(fā)酵過程的代謝參數(shù)發(fā)酵過程的代謝參數(shù)3 一、發(fā)酵過程的方式一、發(fā)酵過程的方式分批培養(yǎng)分批培養(yǎng)補(bǔ)料分批培養(yǎng)補(bǔ)料分批培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)4 分批培養(yǎng)中微生物的生長規(guī)律分批培養(yǎng)中微生物的生長規(guī)律遲滯期遲滯期對數(shù)生長期對數(shù)生長期穩(wěn)穩(wěn) 定定 期期死

3、亡期死亡期5 6 遲滯期：遲滯期：菌體沒有分裂只有生長，因?yàn)楫?dāng)菌種接種菌體沒有分裂只有生長，因?yàn)楫?dāng)菌種接種入一個(gè)新的環(huán)境，細(xì)胞內(nèi)的核酸、酶等稀釋，這時(shí)入一個(gè)新的環(huán)境，細(xì)胞內(nèi)的核酸、酶等稀釋，這時(shí)細(xì)胞不能分裂。細(xì)胞不能分裂。對數(shù)生長期：對數(shù)生長期：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的與細(xì)胞分裂相關(guān)的物質(zhì)濃當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的與細(xì)胞分裂相關(guān)的物質(zhì)濃度達(dá)到一定程度，細(xì)胞開始分裂，這時(shí)細(xì)胞生長很度達(dá)到一定程度，細(xì)胞開始分裂，這時(shí)細(xì)胞生長很快，對于初級代謝產(chǎn)物，在對數(shù)生長期初期就開始快，對于初級代謝產(chǎn)物，在對數(shù)生長期初期就開始合成并積累，合成并積累，穩(wěn)定期穩(wěn)定期：隨著細(xì)胞生長，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物減少，隨著細(xì)胞生長，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物減少，廢物

4、積累，導(dǎo)致細(xì)胞生長速率下降，進(jìn)入減速期廢物積累，導(dǎo)致細(xì)胞生長速率下降，進(jìn)入減速期死亡期：死亡期：最后當(dāng)細(xì)胞死亡速率大于生成速率，進(jìn)入最后當(dāng)細(xì)胞死亡速率大于生成速率，進(jìn)入死亡期，而次級代謝產(chǎn)物則在對數(shù)生長期后期和穩(wěn)死亡期，而次級代謝產(chǎn)物則在對數(shù)生長期后期和穩(wěn)定期大量合成。定期大量合成。7 1 1、 分批發(fā)酵分批發(fā)酵( (間隙發(fā)酵間隙發(fā)酵) )最簡單的發(fā)酵過程，培養(yǎng)基滅菌后最簡單的發(fā)酵過程，培養(yǎng)基滅菌后, , 接入菌接入菌種，進(jìn)行發(fā)酵種，進(jìn)行發(fā)酵, , 除了空氣的通入和排氣外除了空氣的通入和排氣外, , 沒有物料的加入和取出。沒有物料的加入和取出。整個(gè)過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)整個(gè)過程中菌

5、的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)都隨時(shí)間變化。物濃度等參數(shù)都隨時(shí)間變化。 分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 操作簡單，周期短，染菌機(jī)會少，生產(chǎn)過程容易掌握操作簡單，周期短，染菌機(jī)會少，生產(chǎn)過程容易掌握缺點(diǎn)缺點(diǎn) ： 產(chǎn)率低產(chǎn)率低8 2 2、補(bǔ)料分批培養(yǎng)、補(bǔ)料分批培養(yǎng) 在分批培養(yǎng)過程中補(bǔ)入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不在分批培養(yǎng)過程中補(bǔ)入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點(diǎn)。足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點(diǎn)。在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出，在工在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出，在工廠的實(shí)際生產(chǎn)中采用這種方法很多。廠的實(shí)際生產(chǎn)中采用這種方法很多。補(bǔ)料分批培養(yǎng)的

6、優(yōu)缺點(diǎn)補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 在這樣一種系統(tǒng)中可以維持低的基質(zhì)濃度，在這樣一種系統(tǒng)中可以維持低的基質(zhì)濃度，避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)；可以通過補(bǔ)料控制避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)；可以通過補(bǔ)料控制達(dá)到最佳的生長和產(chǎn)物合成條件。達(dá)到最佳的生長和產(chǎn)物合成條件。缺點(diǎn)缺點(diǎn): 由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比生產(chǎn)速率的下降生產(chǎn)速率的下降; 增加了染菌機(jī)會增加了染菌機(jī)會9 3 3、半連續(xù)培養(yǎng)、半連續(xù)培養(yǎng)在補(bǔ)料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉部分發(fā)酵在補(bǔ)料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉部分發(fā)酵液（帶放）稱為半連續(xù)培養(yǎng)。液（帶放）稱為半連續(xù)培養(yǎng)。半連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)半連續(xù)培

7、養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) : 放掉部分發(fā)酵液，再補(bǔ)入部分料液，放掉部分發(fā)酵液，再補(bǔ)入部分料液，使代謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成，提使代謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成，提高了總產(chǎn)量。高了總產(chǎn)量。缺點(diǎn)缺點(diǎn) : 代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，提取的總代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，提取的總體積增大體積增大10 4 4、連續(xù)培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵過程中一邊補(bǔ)入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)發(fā)酵過程中一邊補(bǔ)入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持恒定。酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持恒定。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，整個(gè)過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，整個(gè)過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，基質(zhì)濃度都是恒定的。基質(zhì)濃度都是恒定的。連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺

8、點(diǎn)連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)優(yōu)點(diǎn)：控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量。酵周期長，得到高的產(chǎn)量。缺點(diǎn)缺點(diǎn) ：菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌：菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌種退化，降低產(chǎn)量。長時(shí)間補(bǔ)料染菌機(jī)會大大增種退化，降低產(chǎn)量。長時(shí)間補(bǔ)料染菌機(jī)會大大增加。加。11 二、發(fā)酵過程的代謝參數(shù)二、發(fā)酵過程的代謝參數(shù) 發(fā)酵過程的分析是生產(chǎn)控制的眼睛，它顯示發(fā)酵過程的分析是生產(chǎn)控制的眼睛，它顯示了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變化。微生物個(gè)了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變化。微生物個(gè)體極微小，肉眼無法看見，要了解它的代謝狀況，體極微小，肉眼無

9、法看見，要了解它的代謝狀況，只能從分析一些參數(shù)來判斷。只能從分析一些參數(shù)來判斷。代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：物理參數(shù)：物理參數(shù)：溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、空氣流量、粘度等溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、空氣流量、粘度等化學(xué)參數(shù)：化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、溶解氧、基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、溶解氧、 pH、產(chǎn)物濃度等、產(chǎn)物濃度等生物參數(shù)：生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌濃度、呼吸強(qiáng)度、關(guān)鍵酶菌絲形態(tài)、菌濃度、呼吸強(qiáng)度、關(guān)鍵酶活力等活力等12 發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)發(fā)酵過程的主要控制參數(shù) 1. 物理參數(shù)物理參數(shù) （1）溫度）溫度（） 直接影響發(fā)酵過程的酶反應(yīng)速率，氧的溶解度直接影響發(fā)酵過程的酶

10、反應(yīng)速率，氧的溶解度和傳遞速率，菌體生長速率和合成速率。和傳遞速率，菌體生長速率和合成速率。 （2）壓力）壓力（Pa） 影響發(fā)酵過程氧和影響發(fā)酵過程氧和CO2的溶解度，正壓防止外的溶解度，正壓防止外界雜菌污染。罐壓一般控制在界雜菌污染。罐壓一般控制在0.02MPa0.06MPa。13 （4）空氣流量）空氣流量（m3空氣空氣/（m3發(fā)酵液發(fā)酵液min） 單位時(shí)間內(nèi)單位體積發(fā)酵液里通入空氣的體積，一單位時(shí)間內(nèi)單位體積發(fā)酵液里通入空氣的體積，一般控制在般控制在10005400（m3空氣空氣/（m3發(fā)酵液發(fā)酵液hr） （5）粘度）粘度（Pas） 細(xì)胞生長或細(xì)胞形態(tài)的一種標(biāo)志，反映發(fā)酵罐中的細(xì)胞生長或細(xì)

11、胞形態(tài)的一種標(biāo)志，反映發(fā)酵罐中的菌絲分裂情況，表示菌體的濃度。菌絲分裂情況，表示菌體的濃度。 （3）攪拌速度）攪拌速度（r/min） 攪拌器在發(fā)酵過程中的轉(zhuǎn)動速度。攪拌器在發(fā)酵過程中的轉(zhuǎn)動速度。 其大小影響發(fā)酵過程氧的傳遞速率。其大小影響發(fā)酵過程氧的傳遞速率。14 2. 化學(xué)參數(shù)化學(xué)參數(shù) （1）pH （酸堿度）（酸堿度） 發(fā)酵工藝重要的參數(shù)之一，與菌體生長和產(chǎn)物合成發(fā)酵工藝重要的參數(shù)之一，與菌體生長和產(chǎn)物合成有密切關(guān)系。包括起始有密切關(guān)系。包括起始pH ，發(fā)酵過程中的，發(fā)酵過程中的pH 。 （2）基質(zhì)濃度）基質(zhì)濃度（g/L） 發(fā)酵液中糖、氮、磷等重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，對菌發(fā)酵液中糖、氮、磷等重要

12、營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，對菌體的生長和代謝合成有重要影響，是產(chǎn)物代謝控制體的生長和代謝合成有重要影響，是產(chǎn)物代謝控制的重要手段。的重要手段。 （3）溶解氧濃度）溶解氧濃度（飽和度，）（飽和度，） 溶解氧是好氧發(fā)酵的必備條件，通常用飽和百分度溶解氧是好氧發(fā)酵的必備條件，通常用飽和百分度表示。表示。15 3. 生物參數(shù)生物參數(shù)（1）菌絲形態(tài)）菌絲形態(tài)菌絲形態(tài)是衡量種子質(zhì)量、區(qū)分發(fā)酵階段、菌絲形態(tài)是衡量種子質(zhì)量、區(qū)分發(fā)酵階段、控制發(fā)酵過程的代謝變化和決定發(fā)酵周期的控制發(fā)酵過程的代謝變化和決定發(fā)酵周期的依據(jù)之一。依據(jù)之一。（2）菌體濃度）菌體濃度菌體濃度是控制微生物發(fā)酵的重要參數(shù)之一。菌體濃度是控制微生物發(fā)酵

13、的重要參數(shù)之一。生產(chǎn)上，常常根據(jù)菌體濃度來決定補(bǔ)料量和生產(chǎn)上，常常根據(jù)菌體濃度來決定補(bǔ)料量和供氧量，以保證生產(chǎn)達(dá)到預(yù)期水平。供氧量，以保證生產(chǎn)達(dá)到預(yù)期水平。16 生物發(fā)酵過程中重要控制點(diǎn)及影響生物發(fā)酵過程中重要控制點(diǎn)及影響一、溫度對微生物生長的影響一、溫度對微生物生長的影響二、氧氣對微生物生長的影響二、氧氣對微生物生長的影響三、三、pH值對微生物生長的影響值對微生物生長的影響17 （一）微生物生長的三個(gè)溫度基點(diǎn)（一）微生物生長的三個(gè)溫度基點(diǎn)從微生物整體來看從微生物整體來看:生長的溫度范圍一般在生長的溫度范圍一般在-10 100 極端下限為極端下限為-30 ，極端上限為，極端上限為105300

14、但對于特定的某一種微生物：但對于特定的某一種微生物：只能在一定溫度范圍內(nèi)生長，在這個(gè)范圍內(nèi)，每種微生物都有只能在一定溫度范圍內(nèi)生長，在這個(gè)范圍內(nèi)，每種微生物都有自己的自己的生長溫度三基點(diǎn)生長溫度三基點(diǎn)，即，即最低、最適、最高生長溫度最低、最適、最高生長溫度處于最適生長溫度時(shí)，生長速度最處于最適生長溫度時(shí)，生長速度最快，代時(shí)最短。快，代時(shí)最短。超過最低生長溫度時(shí)，微生物不生超過最低生長溫度時(shí)，微生物不生長，溫度過低，甚至?xí)劳?。長，溫度過低，甚至?xí)劳?。超過最高生長溫度時(shí)，微生物不生超過最高生長溫度時(shí)，微生物不生長，溫度過高，甚至?xí)劳?。長，溫度過高，甚至?xí)劳觥?8 （二）微生物生長溫度類型（

15、二）微生物生長溫度類型根據(jù)微生物的最適生長溫度的不同，可將微生物劃根據(jù)微生物的最適生長溫度的不同，可將微生物劃為為三個(gè)類型三個(gè)類型：v低溫型微生物（嗜冷微生物）低溫型微生物（嗜冷微生物）v中溫型微生物（嗜溫微生物）中溫型微生物（嗜溫微生物）v高溫型微生物（嗜熱微生物）高溫型微生物（嗜熱微生物）低溫菌低溫菌中溫菌中溫菌高溫菌高溫菌最適生長溫度最適生長溫度10-2025-30，37-4050-55最低生長溫度最低生長溫度-10-510-20，10-2025-45最高生長溫度最高生長溫度25-3040-4570-8019 20 溫度對微生物生長的影響 隨著溫度上升，微生物的生長和繁殖加快，但隨著溫度

16、的上升，酶失活的速度也加快，菌體衰老提前，發(fā)酵周期縮短，這對發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利的。 微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過最高溫度，微生物很快死亡；最高溫度，微生物很快死亡； 低于最低溫度，微生物代謝受到很大抑制，并低于最低溫度，微生物代謝受到很大抑制，并不馬上死亡。這就是菌種保藏的原理。不馬上死亡。這就是菌種保藏的原理。21 不同生理生化過程的最適溫度不同生理生化過程的最適溫度 微生物不同生理活動要求不同溫度，所以，微生物不同生理活動要求不同溫度，所以， 最適生長溫度最適生長溫度 發(fā)酵速度快、積累代謝產(chǎn)物多。發(fā)酵速度快、積累代謝產(chǎn)物多。菌菌 名名生長

17、溫度生長溫度發(fā)酵溫度發(fā)酵溫度累積產(chǎn)物溫度累積產(chǎn)物溫度 鏈球乳桿菌鏈球乳桿菌3440產(chǎn)細(xì)胞：產(chǎn)細(xì)胞：2530產(chǎn)乳酸：產(chǎn)乳酸：30 紅色糖多孢菌紅色糖多孢菌 34 3035_ 青霉菌青霉菌30252022 1、 影響發(fā)酵溫度的因素影響發(fā)酵溫度的因素 發(fā)酵液的溫度變化受生物熱、攪拌熱發(fā)酵液的溫度變化受生物熱、攪拌熱 、蒸發(fā)、蒸發(fā)熱熱 、輻射熱、輻射熱 和顯熱的影響，和顯熱的影響， 用公式表示為：用公式表示為： Q發(fā)酵發(fā)酵Q生物生物+Q攪拌攪拌Q蒸發(fā)蒸發(fā) Q輻射輻射Q顯顯23 （1）生物熱）生物熱、攪拌熱攪拌熱 生物熱：生物熱：是菌體在生長繁殖過程中產(chǎn)生的熱能，是菌體在生長繁殖過程中產(chǎn)生的熱能，來自菌

18、體的分解代謝，生物熱的大小和菌種、來自菌體的分解代謝，生物熱的大小和菌種、培養(yǎng)基成分和菌體的呼吸強(qiáng)度有關(guān)。培養(yǎng)基成分和菌體的呼吸強(qiáng)度有關(guān)。 培養(yǎng)基愈豐富，生物熱愈大；培養(yǎng)基愈豐富，生物熱愈大； 細(xì)胞數(shù)量愈多，生物熱愈大；細(xì)胞數(shù)量愈多，生物熱愈大； 呼吸強(qiáng)度愈高，生物熱愈大。呼吸強(qiáng)度愈高，生物熱愈大。 攪拌熱：攪拌熱：攪拌器轉(zhuǎn)動引起的液體之間和液體與攪拌器轉(zhuǎn)動引起的液體之間和液體與設(shè)備之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量，設(shè)備之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量，24 （2）蒸發(fā)熱、顯熱和輻射熱）蒸發(fā)熱、顯熱和輻射熱 蒸發(fā)熱：蒸發(fā)熱：空氣進(jìn)入發(fā)酵罐，與醪液充分混合，空氣進(jìn)入發(fā)酵罐，與醪液充分混合，引起水分蒸所需的熱能為引起

19、水分蒸所需的熱能為 顯熱：顯熱：水分蒸發(fā)、進(jìn)氣和廢氣排出因溫度差異水分蒸發(fā)、進(jìn)氣和廢氣排出因溫度差異所帶走的部分熱能為所帶走的部分熱能為 輻射熱：輻射熱：發(fā)酵罐外壁與大氣間的溫度差異使發(fā)發(fā)酵罐外壁與大氣間的溫度差異使發(fā)酵罐中的部分熱能通過罐體向大氣輻射的熱能酵罐中的部分熱能通過罐體向大氣輻射的熱能為為25 2.溫度的控制溫度的控制 發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需加熱，發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需加熱，選用微生物能承受稍高一些的溫度選用微生物能承受稍高一些的溫度進(jìn)行生長和繁殖，這對生產(chǎn)有很大進(jìn)行生長和繁殖，這對生產(chǎn)有很大的好處，即可減少污染雜菌的機(jī)會的好處，即可減少污染雜菌的機(jī)會和夏季培養(yǎng)所需降溫的輔

20、助設(shè)備，和夏季培養(yǎng)所需降溫的輔助設(shè)備，因此培養(yǎng)耐高溫的菌種有一定的現(xiàn)因此培養(yǎng)耐高溫的菌種有一定的現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)意義。 生產(chǎn)中，溫度的控制是采用冷卻水生產(chǎn)中，溫度的控制是采用冷卻水通入發(fā)酵罐的蛇管或夾套中，熱交通入發(fā)酵罐的蛇管或夾套中，熱交換保持恒溫發(fā)酵的。換保持恒溫發(fā)酵的。26 二、氧氣對微生物生長的影響二、氧氣對微生物生長的影響微生物對氧的需要和耐受力在不同的類群中變化很大，根據(jù)微生物對氧的需要和耐受力在不同的類群中變化很大，根據(jù)微生物與氧的關(guān)系微生物與氧的關(guān)系, ,可把它們分為幾種可把它們分為幾種類群類群: : 專性好氧菌專性好氧菌: : 好氧菌好氧菌 微好氧菌：微好氧菌： 兼性厭氧菌兼性厭

21、氧菌 耐氧厭氧菌：耐氧厭氧菌： 厭氧菌厭氧菌 ( (專性專性) )厭氧菌：厭氧菌：27 專性好氧菌（專性好氧菌（strict aerobe）必須在有分子氧的條件下才能生長，有完整的呼吸鏈，必須在有分子氧的條件下才能生長，有完整的呼吸鏈，以分子氧作為最終氫受體，細(xì)胞含有超氧化物歧化酶以分子氧作為最終氫受體，細(xì)胞含有超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（）和過氧化氫酶（CAT）。）。微 好 氧 菌 （微 好 氧 菌 （ m i c r o a e r o p h i l i c bacteria）只能較低的氧分壓下才能正常生長，通過呼吸鏈并以只能較低的氧分壓下才能正常生長，通過呼吸鏈并以氧為最終氫

22、受體而產(chǎn)能。氧為最終氫受體而產(chǎn)能。兼性好氧菌（兼性好氧菌（facultative aerobe）在有氧或無氧條件下均能生長，但有氧情況下生長得在有氧或無氧條件下均能生長，但有氧情況下生長得更好，在有氧時(shí)靠呼吸產(chǎn)能，無氧時(shí)接發(fā)酵或無氧呼吸產(chǎn)更好，在有氧時(shí)靠呼吸產(chǎn)能，無氧時(shí)接發(fā)酵或無氧呼吸產(chǎn)能；細(xì)胞含有能；細(xì)胞含有SOD和過氧化氫酶（和過氧化氫酶（CAT） 。28 耐氧菌（耐氧菌（aerotolerant anaerobe）可在分子氧存在下進(jìn)行厭氧生活的厭氧菌。生活不需可在分子氧存在下進(jìn)行厭氧生活的厭氧菌。生活不需要氧，分子氧也對它無毒害。不具有呼吸鏈，依靠專性發(fā)酵要氧，分子氧也對它無毒害。不具有

23、呼吸鏈，依靠專性發(fā)酵獲得能量。細(xì)胞內(nèi)存在獲得能量。細(xì)胞內(nèi)存在SOD和過氧化物酶，但缺乏過氧化和過氧化物酶，但缺乏過氧化氫酶。氫酶。厭氧菌（厭氧菌（anaerobe）分子氧對它有毒害，短期接觸空氣，也會抑制其生長分子氧對它有毒害，短期接觸空氣，也會抑制其生長甚至致死；在空氣或含有甚至致死；在空氣或含有10%CO2的空氣中，在固體培養(yǎng)的空氣中，在固體培養(yǎng)基表面上不能生長，只有在其深層的無氧或低氧化還原電基表面上不能生長，只有在其深層的無氧或低氧化還原電勢的環(huán)境下才能生長；生命活動所需能量通過發(fā)酵、無氧勢的環(huán)境下才能生長；生命活動所需能量通過發(fā)酵、無氧呼吸、循環(huán)光合磷酸化或甲烷發(fā)酵提供；細(xì)胞內(nèi)缺乏呼

24、吸、循環(huán)光合磷酸化或甲烷發(fā)酵提供；細(xì)胞內(nèi)缺乏SOD和細(xì)胞色素氧化酶，大多數(shù)還缺乏過氧化氫酶。和細(xì)胞色素氧化酶，大多數(shù)還缺乏過氧化氫酶。29 溶解氧及其控制溶解氧及其控制一、溶解氧（一、溶解氧（dissolved oxygen,DOdissolved oxygen,DO）對發(fā)酵的影響）對發(fā)酵的影響 溶氧要適量，大小與產(chǎn)物的生物合成途徑有關(guān)。溶氧要適量，大小與產(chǎn)物的生物合成途徑有關(guān)。（1 1）最適氧濃度（）最適氧濃度（optimal oxygen concentrationoptimal oxygen concentration）：）： 菌體生長或產(chǎn)物合成最適濃度范圍。菌體生長或產(chǎn)物合成最適濃度范

25、圍。（2 2）臨界氧濃度（）臨界氧濃度（critical value of dissolved critical value of dissolved oxygen concentration oxygen concentration）：）： 滿足微生物呼吸的最低氧濃度（紅霉素發(fā)酵臨滿足微生物呼吸的最低氧濃度（紅霉素發(fā)酵臨界界DODO值為值為2020）。）。30 溶氧是需氧發(fā)酵控制的重要參數(shù)之一，氧的溶溶氧是需氧發(fā)酵控制的重要參數(shù)之一，氧的溶解度很小，氧的溶解度僅為解度很小，氧的溶解度僅為6.4mg /L ， 溶氧大小對菌體生長和產(chǎn)物的性質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生溶氧大小對菌體生長和產(chǎn)物的性質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生不同

26、影響；例如，谷氨酸發(fā)酵時(shí)，通氣不足會不同影響；例如，谷氨酸發(fā)酵時(shí)，通氣不足會積累大量乳酸和琥珀酸；積累大量乳酸和琥珀酸； 不同微生物或同一微生物的不同生長階段對通不同微生物或同一微生物的不同生長階段對通風(fēng)量的要求也不相同。例如，天氡酰胺酶發(fā)酵，風(fēng)量的要求也不相同。例如，天氡酰胺酶發(fā)酵，前期為好氣培養(yǎng)，后期為厭氧培養(yǎng)，產(chǎn)酶能力前期為好氣培養(yǎng)，后期為厭氧培養(yǎng)，產(chǎn)酶能力會大大提高。會大大提高。31 （3）溶氧的控制）溶氧的控制 溶氧濃度的控制可從供氧和需氧兩方面著手，其中供溶氧濃度的控制可從供氧和需氧兩方面著手，其中供氧是主要的：氧是主要的： 需氧方面：需氧方面：需氧量與菌體濃度，基質(zhì)濃度和種類，培

27、需氧量與菌體濃度，基質(zhì)濃度和種類，培養(yǎng)條件有關(guān)。養(yǎng)條件有關(guān)。 供氧方面供氧方面：生產(chǎn)中常采用加大通氣速率，或提高攪拌：生產(chǎn)中常采用加大通氣速率，或提高攪拌轉(zhuǎn)速，或適當(dāng)增加罐壓；轉(zhuǎn)速，或適當(dāng)增加罐壓；32 *不同體積的罐對設(shè)定罐壓的要求不同體積的罐對設(shè)定罐壓的要求 為防止發(fā)酵罐的液面以上部分在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有泄露（如軸封部分）外界未經(jīng)除菌的空氣侵入發(fā)酵罐中而導(dǎo)致染菌，所以，發(fā)酵罐內(nèi)須保持一定的空氣壓力。但壓力不能保持太高否則影響空氣流量，阻滯了二氧化碳的排出。發(fā)酵罐越大，保持的壓力越低。對小型罐而言，卻要保持0.5Kg/cm2的壓力。因?yàn)樾⌒桶l(fā)酵罐內(nèi)部液面以上的空間較小，壓力的緩沖容量也小，在遇突發(fā)

28、事件時(shí)（如突然停空氣），往往很快失去正壓狀態(tài)，染菌的機(jī)率較大。為此，對小型發(fā)酵罐的罐內(nèi)壓力保持得高一點(diǎn)，以增加緩沖量。33 厭氧菌的氧毒害機(jī)制厭氧菌的氧毒害機(jī)制 SOD學(xué)說：學(xué)說：嚴(yán)格厭氧微生物并不是被氣態(tài)的氧所殺死，而是由于不嚴(yán)格厭氧微生物并不是被氣態(tài)的氧所殺死，而是由于不能解除某些氧代謝產(chǎn)物的毒性而死亡。能解除某些氧代謝產(chǎn)物的毒性而死亡。在氧還原為水的過程中，可形成某些有毒的中間產(chǎn)物，在氧還原為水的過程中，可形成某些有毒的中間產(chǎn)物，尤其是超氧陰離子自由基，如過氧化氫（尤其是超氧陰離子自由基，如過氧化氫（H2O2）、超氧陰）、超氧陰離子（離子（ O2- ）等。）等。好氧微生物具有降解這些產(chǎn)物

29、的酶，如過氧化氫酶、過好氧微生物具有降解這些產(chǎn)物的酶，如過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶等，氧化物酶、超氧化物歧化酶等，而嚴(yán)格厭氧菌缺乏而嚴(yán)格厭氧菌缺乏SOD，故易被生物體內(nèi)極易產(chǎn)生的超，故易被生物體內(nèi)極易產(chǎn)生的超氧陰離子自由基毒害致死。氧陰離子自由基毒害致死。34 三、三、pH值與微生物生長的相互影響值與微生物生長的相互影響（一）環(huán)境（一）環(huán)境pHpH值值對微生物生長的影響對微生物生長的影響影響膜表面電荷的性質(zhì)及膜的通透性，進(jìn)而影響對影響膜表面電荷的性質(zhì)及膜的通透性，進(jìn)而影響對物質(zhì)的吸收能力。物質(zhì)的吸收能力。改變酶活、酶促反應(yīng)的速率及代謝途徑：如：酵母改變酶活、酶促反應(yīng)的速率及代謝途徑

30、：如：酵母菌在菌在pH4.5-5pH4.5-5產(chǎn)乙醇，在產(chǎn)乙醇，在 pH6.5pH6.5以上產(chǎn)甘油、酸。以上產(chǎn)甘油、酸。環(huán)境環(huán)境pHpH值還影響培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的值還影響培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的離子化程度，離子化程度，從而影響營養(yǎng)物質(zhì)吸收，從而影響營養(yǎng)物質(zhì)吸收，或或有有毒物質(zhì)的毒性。毒物質(zhì)的毒性。35 不同微生物對不同微生物對pHpH要求不同要求不同微生物生長微生物生長pH值范圍極廣，但絕大多數(shù)生活在值范圍極廣，但絕大多數(shù)生活在pH5.09.0之間。之間。微生物生長的微生物生長的pH值三基點(diǎn)：值三基點(diǎn)：各種微生物都有其生長的最低、最適和最高各種微生物都有其生長的最低、最適和最高pH值。值。不同的微生

31、物最適生長的不同的微生物最適生長的pH值不同。值不同。根據(jù)微生物生長的最適根據(jù)微生物生長的最適pH值，將微生物分為值，將微生物分為： 嗜堿微生物：硝化細(xì)菌、尿素分解菌、多數(shù)放線菌嗜堿微生物：硝化細(xì)菌、尿素分解菌、多數(shù)放線菌 耐堿微生物：許多鏈霉菌耐堿微生物：許多鏈霉菌 中性微生物：絕大多數(shù)細(xì)菌，一部分真菌中性微生物：絕大多數(shù)細(xì)菌，一部分真菌 嗜酸微生物：硫桿菌屬嗜酸微生物：硫桿菌屬 耐酸微生物：乳酸桿菌、醋酸桿菌耐酸微生物：乳酸桿菌、醋酸桿菌36 不同微生物的生長不同微生物的生長pHpH值范圍值范圍微生物微生物 pH值值 最低最低 最適最適 最高最高Thiobacillus thiooxida

32、ns 氧化硫硫桿菌氧化硫硫桿菌 0.5 2.03.5 6.0Lactobacillus acidophilus 嗜酸乳桿菌嗜酸乳桿菌 4.04.6 5.86.6 6.8Rhizobium japonicum 大豆根瘤菌大豆根瘤菌 4.2 6.87.0 11.0Azotobacter chroococcum 圓褐固氮圓褐固氮 4.5 7.47.6 9.0Nitrosomonas sp. 硝化單胞菌硝化單胞菌 7.0 7.88.6 9.4Acetobacter aceti 醋化醋桿菌醋化醋桿菌 4.04.5 5.46.3 7.08.0Staphylococcus aureus 金黃葡球菌金黃葡球菌

33、 4.2 7.07.5 9.3Chlorobium limicola 泥生綠菌泥生綠菌 6.0 6.8 7.0Thurmus aquaticus 水生棲熱菌水生棲熱菌 6.0 7.57.8 9.5Aspergillus niger 黑曲霉黑曲霉 1.5 5.06.0 9.0一般放線菌一般放線菌 5.0 7.08.0 10.0一般酵母菌一般酵母菌 3.0 5.06.0 8.037 生長的最適生長的最適pHpH值與發(fā)酵的最適值與發(fā)酵的最適pHpH值值同一種微生物在其不同的生長階段和不同的生理生化過程中，同一種微生物在其不同的生長階段和不同的生理生化過程中，對對pH值的要求也不同。值的要求也不同。在

34、發(fā)酵工業(yè)中，控制在發(fā)酵工業(yè)中，控制pH值尤其重要，值尤其重要，舉例：舉例：Aspergillus niger在在pH22.5范圍時(shí)有利于合成檸檬酸，當(dāng)在范圍時(shí)有利于合成檸檬酸，當(dāng)在pH2.56.5范圍內(nèi)時(shí)以菌體生長為主，而在范圍內(nèi)時(shí)以菌體生長為主，而在pH7.0時(shí)，則以合成草酸時(shí)，則以合成草酸為主。為主。 丙酮丁醇梭菌在丙酮丁醇梭菌在pH5.57.0范圍時(shí)，以菌體生長為主，而范圍時(shí)，以菌體生長為主，而在在pH4.35.3范圍內(nèi)才進(jìn)行丙酮丁醇發(fā)酵。范圍內(nèi)才進(jìn)行丙酮丁醇發(fā)酵。 微生物微生物 生長最適生長最適pH 合成抗生素最適合成抗生素最適pH灰色鏈霉菌灰色鏈霉菌6.36.9 6.77.3紅霉素鏈

35、霉菌紅霉素鏈霉菌6.67.0 6.87.3產(chǎn)黃青霉產(chǎn)黃青霉6.57.2 6.26.8金霉素鏈霉菌金霉素鏈霉菌6.16.6 5.96.3龜裂鏈霉菌龜裂鏈霉菌6.06.6 5.86.1灰黃青霉灰黃青霉6.47.0 6.26.538 （二）、影響發(fā)酵（二）、影響發(fā)酵pH變化的因素：變化的因素：pH的變化決定于所用的生產(chǎn)菌：的變化決定于所用的生產(chǎn)菌：1、基質(zhì)代謝、基質(zhì)代謝 （1）糖代謝）糖代謝 特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使使pH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pH上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。（2）氮代謝）氮代謝 當(dāng)氨基酸中的當(dāng)氨基酸

36、中的-NH2被利用后，被利用后，pH會下降；會下降；尿素被分解成尿素被分解成NH3，pH上升，上升，NH3利用后利用后pH下降，當(dāng)碳源下降，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用pH上升。上升。（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會上升或下降。會上升或下降。2、產(chǎn)物形成、產(chǎn)物形成 某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機(jī)酸變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使堿性，使pH上升。上升。 3、菌體自、菌體自：pH上升，發(fā)酵后期，上升，發(fā)酵后期，pH

37、上升。上升。 39 （三）、（三）、pH的控制的控制采用合適的培養(yǎng)基配比采用合適的培養(yǎng)基配比C：N合適合適生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)比例合適生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)比例合適添加緩沖物質(zhì)：碳酸鈣和磷酸鹽添加緩沖物質(zhì)：碳酸鈣和磷酸鹽在發(fā)酵過程中直接補(bǔ)加酸或堿在發(fā)酵過程中直接補(bǔ)加酸或堿過去流加硫酸或氫氧化鈉，過去流加硫酸或氫氧化鈉，現(xiàn)采用補(bǔ)加氨水、尿素、硫酸銨現(xiàn)采用補(bǔ)加氨水、尿素、硫酸銨在發(fā)酵過程中調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速度控制在發(fā)酵過程中調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速度控制pH40 五五 泡沫的影響與控制泡沫的影響與控制（一）、泡沫對發(fā)酵的影響（一）、泡沫對發(fā)酵的影響 泡沫的持久存在影響著微生物對氧的吸收，妨礙影響著微生物對氧的

38、吸收，妨礙二氧化碳的排除，二氧化碳的排除，因而破壞其生理代謝的正常進(jìn)行，不利于發(fā)酵； 使發(fā)酵液的裝料系數(shù)減少。使發(fā)酵液的裝料系數(shù)減少。由于泡沫大量生成，致使培養(yǎng)液的容量一般只能等于種子罐容量的一半左右，大大影響了設(shè)備的利用率。 大量的泡沫易造成逃液。增加污染雜菌的機(jī)會。大量的泡沫易造成逃液。增加污染雜菌的機(jī)會。造成巨大損失。41 （二）、泡沫的控制方法（二）、泡沫的控制方法減少培養(yǎng)基中易起泡的成分減少培養(yǎng)基中易起泡的成分減少培養(yǎng)基中粘度大的成分減少培養(yǎng)基中粘度大的成分適當(dāng)減少通氣量及攪拌轉(zhuǎn)速適當(dāng)減少通氣量及攪拌轉(zhuǎn)速采用機(jī)械消泡（罐內(nèi)裝置和罐外裝置）采用機(jī)械消泡（罐內(nèi)裝置和罐外裝置）采用消泡劑消

39、泡采用消泡劑消泡42 1.1.機(jī)械消泡：（物理方法）機(jī)械消泡：（物理方法） 利用機(jī)械振動或壓力變化使泡沫破裂。利用機(jī)械振動或壓力變化使泡沫破裂。 罐內(nèi)消泡罐內(nèi)消泡: : 靠罐內(nèi)消泡漿打碎泡沫?？抗迌?nèi)消泡漿打碎泡沫。 罐外消泡：靠噴嘴的加速作用消除泡沫。罐外消泡：靠噴嘴的加速作用消除泡沫。43 2.化學(xué)消泡（消泡劑）化學(xué)消泡（消泡劑） 天然油脂類天然油脂類 玉米油、豆油、棉籽油、魚油等 高碳醇類高碳醇類 十八醇、乙二醇聚合物 聚醚類聚醚類 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油 硅酮類硅酮類 聚二甲基硅氧烷44 泡沫的檢測和控制泡沫的檢測和控制 最簡單的檢測是定時(shí)在發(fā)酵罐視孔上觀察泡沫最簡單的檢測是定時(shí)在發(fā)酵罐視孔上觀察泡沫產(chǎn)生情況，發(fā)現(xiàn)泡沫持續(xù)上升時(shí)，開啟消泡劑產(chǎn)生情況，發(fā)現(xiàn)泡沫持續(xù)上升時(shí)，開啟消泡劑貯罐的閥門，流加少量消泡劑（例如：豆油），貯罐的閥門，流加少量消泡劑（例如：豆油），使泡沫消失即可。使泡沫消失即可。 也可在罐內(nèi)頂部裝液位儀與控制儀表連結(jié)，用也可在罐內(nèi)頂部裝液位儀與控制儀表連結(jié)，用以控制消泡貯率閥門的開啟。當(dāng)泡沫上升接觸以控制消泡貯率閥門的開啟。當(dāng)泡沫上升接觸探頭頂端時(shí)產(chǎn)生的信號，通過控制裝置，指令探頭頂端時(shí)產(chǎn)生的信號，通過