發(fā)酵過(guò)程控制

1、 我們必須通過(guò)各種研究方法了解有關(guān)生產(chǎn)我們必須通過(guò)各種研究方法了解有關(guān)生產(chǎn)菌種對(duì)環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、菌種對(duì)環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、ph、氧的需求等，并深入地了解生產(chǎn)菌在合成、氧的需求等，并深入地了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過(guò)程中的代謝調(diào)控機(jī)制以及可能的代謝途產(chǎn)物過(guò)程中的代謝調(diào)控機(jī)制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計(jì)合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)。同徑，為設(shè)計(jì)合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)，為了掌握菌種在發(fā)酵過(guò)程中的代謝變化規(guī)時(shí)，為了掌握菌種在發(fā)酵過(guò)程中的代謝變化規(guī)律，可以通過(guò)各種監(jiān)測(cè)手段如取樣測(cè)定隨時(shí)間律，可以通過(guò)各種監(jiān)測(cè)手段如取樣測(cè)定隨時(shí)間變化的菌體濃度，糖、氮消耗及產(chǎn)物濃度，以變

2、化的菌體濃度，糖、氮消耗及產(chǎn)物濃度，以及采用傳感器測(cè)定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度及采用傳感器測(cè)定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度ph、溶、溶解氧等參數(shù)的情況，并予以有效地控制，使生解氧等參數(shù)的情況，并予以有效地控制，使生產(chǎn)菌種處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境之中。產(chǎn)菌種處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境之中。 6.1 概述概述6.1.1 發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)檢測(cè) 參數(shù)在線測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)及問題參數(shù)在線測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)及問題優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：主要是及時(shí)、省力，且可從繁瑣操作中解脫主要是及時(shí)、省力，且可從繁瑣操作中解脫出來(lái)，便于用計(jì)算機(jī)控制。出來(lái)，便于用計(jì)算機(jī)控制。問題：?jiǎn)栴}：發(fā)酵液的性質(zhì)復(fù)雜。一般培養(yǎng)液中同時(shí)存在發(fā)酵液的性質(zhì)復(fù)雜。一般培養(yǎng)液中同

3、時(shí)存在三相，即液、氣、固體不溶物或油；三相，即液、氣、固體不溶物或油；發(fā)酵要求純種培養(yǎng)，培養(yǎng)基和有關(guān)設(shè)備需用發(fā)酵要求純種培養(yǎng)，培養(yǎng)基和有關(guān)設(shè)備需用高壓蒸汽滅菌。因而要求使用的傳感器能耐蒸高壓蒸汽滅菌。因而要求使用的傳感器能耐蒸汽滅菌，這給各種傳感器的制造帶來(lái)很大的困汽滅菌，這給各種傳感器的制造帶來(lái)很大的困難。難。 物理參數(shù)物理參數(shù) 化學(xué)參數(shù)化學(xué)參數(shù) 生物參數(shù)生物參數(shù)1、 物理參數(shù)物理參數(shù)（1） 溫度溫度 指發(fā)酵整個(gè)過(guò)程或不同階段所維持的溫度。指發(fā)酵整個(gè)過(guò)程或不同階段所維持的溫度。 溫度的高低與下列參數(shù)有密切關(guān)系溫度的高低與下列參數(shù)有密切關(guān)系 發(fā)酵中的酶反應(yīng)速度發(fā)酵中的酶反應(yīng)速度 菌體生長(zhǎng)速度，

4、產(chǎn)物合成速度菌體生長(zhǎng)速度，產(chǎn)物合成速度 氧在培養(yǎng)液中的溶解度，傳遞速度氧在培養(yǎng)液中的溶解度，傳遞速度 （2） 罐壓罐壓 指發(fā)酵罐維持的壓力。指發(fā)酵罐維持的壓力。 罐內(nèi)維持正壓，可防止外界空氣中雜菌的罐內(nèi)維持正壓，可防止外界空氣中雜菌的侵入，保證純種培養(yǎng)。侵入，保證純種培養(yǎng)。 罐壓的高低與氧，罐壓的高低與氧，co2在培養(yǎng)液中的溶解度在培養(yǎng)液中的溶解度有關(guān)，間接影響菌體代謝。有關(guān)，間接影響菌體代謝。 罐壓一般維持在罐壓一般維持在0.020.05mpa。（3 3）攪拌轉(zhuǎn)速）攪拌轉(zhuǎn)速是指攪拌器在發(fā)酵是指攪拌器在發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)動(dòng)速度。罐中轉(zhuǎn)動(dòng)速度。攪拌轉(zhuǎn)速大小與發(fā)攪拌轉(zhuǎn)速大小與發(fā)酵液的均勻性和氧酵液的均勻性

5、和氧在發(fā)酵液中的傳遞在發(fā)酵液中的傳遞速率有關(guān)。速率有關(guān)。發(fā)酵罐的容發(fā)酵罐的容積積(l)(l)攪拌轉(zhuǎn)速范圍攪拌轉(zhuǎn)速范圍(r/min)(r/min)3200200010200120030150100050100800200504005005030010000252005000025160（4 4） 攪拌功率攪拌功率指攪拌器攪拌時(shí)所消耗的功率，常指每立指攪拌器攪拌時(shí)所消耗的功率，常指每立方米發(fā)酵液所消耗的功率（方米發(fā)酵液所消耗的功率（kw/mkw/m3 3）。）。它的大小與溶氧傳遞系數(shù)它的大小與溶氧傳遞系數(shù)k klala有關(guān)。有關(guān)。（5） 空氣流量空氣流量 指單位時(shí)間內(nèi)單位體積發(fā)酵液通入空氣的指單位

6、時(shí)間內(nèi)單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積。體積。 它的大小與氧的傳遞和其它控制參數(shù)有關(guān)。它的大小與氧的傳遞和其它控制參數(shù)有關(guān)。 一般控制在一般控制在0.11.0vvm之間之間（6） 黏度黏度 粘度大小可作為細(xì)胞生長(zhǎng)或細(xì)胞形態(tài)的標(biāo)粘度大小可作為細(xì)胞生長(zhǎng)或細(xì)胞形態(tài)的標(biāo)志之一。志之一。 在發(fā)酵過(guò)程中通常用表觀粘度表示。在發(fā)酵過(guò)程中通常用表觀粘度表示。 粘度的大小可改變氧傳遞的阻力。粘度的大小可改變氧傳遞的阻力。 粘度的大小可表示相對(duì)菌體濃度。粘度的大小可表示相對(duì)菌體濃度。2、 化學(xué)參數(shù)化學(xué)參數(shù)（1 1）phph發(fā)酵過(guò)程中各種產(chǎn)酸、產(chǎn)堿生化反發(fā)酵過(guò)程中各種產(chǎn)酸、產(chǎn)堿生化反應(yīng)的綜合結(jié)果，與菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物應(yīng)的綜

7、合結(jié)果，與菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有重要的關(guān)系合成有重要的關(guān)系 。phph的高低與菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有的高低與菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有著重要的關(guān)系。著重要的關(guān)系。（2）基質(zhì)濃度）基質(zhì)濃度指發(fā)酵液中糖、氮、磷與重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)指發(fā)酵液中糖、氮、磷與重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度。的濃度。基質(zhì)濃度的變化對(duì)產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物基質(zhì)濃度的變化對(duì)產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成有重要影響，也是提高代謝產(chǎn)物的合成有重要影響，也是提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的重要控制手段。產(chǎn)量的重要控制手段。（3） do濃度濃度氧是微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化氧是微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反應(yīng)的最終電子受體，也是合成某些產(chǎn)產(chǎn)能反應(yīng)的最終電子受體，也是合

8、成某些產(chǎn)物的基質(zhì)。物的基質(zhì)。利用利用dodo濃度的變化，可以了解微生物對(duì)氧濃度的變化，可以了解微生物對(duì)氧利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個(gè)利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個(gè)重要的控制參數(shù)。重要的控制參數(shù)。 3 、生物參數(shù)、生物參數(shù) （1 1） （2） 產(chǎn)物濃度產(chǎn)物濃度 是發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量高低，代謝正常與否的是發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量高低，代謝正常與否的重要參數(shù)，也是決定發(fā)酵周期長(zhǎng)短的根據(jù)。重要參數(shù)，也是決定發(fā)酵周期長(zhǎng)短的根據(jù)。 溫度對(duì)發(fā)酵的影響溫度對(duì)發(fā)酵的影響 。 溫度對(duì)發(fā)酵的影響是多方面且錯(cuò)綜復(fù)雜的，溫度對(duì)發(fā)酵的影響是多方面且錯(cuò)綜復(fù)雜的，主要表現(xiàn)在對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)，產(chǎn)物形成，發(fā)酵液主要表現(xiàn)在對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)，產(chǎn)

9、物形成，發(fā)酵液的物理性質(zhì)和生物合成等方面。的物理性質(zhì)和生物合成等方面。 1. 溫度對(duì)微生物細(xì)胞生長(zhǎng)的影響溫度對(duì)微生物細(xì)胞生長(zhǎng)的影響 隨著溫度的上升，細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖加隨著溫度的上升，細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖加快。這是由于生長(zhǎng)代謝以及繁殖都是酶促快。這是由于生長(zhǎng)代謝以及繁殖都是酶促反應(yīng)，根據(jù)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)看，在達(dá)到反應(yīng)，根據(jù)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)看，在達(dá)到最適溫度之前，溫度升高，反應(yīng)速度加快，最適溫度之前，溫度升高，反應(yīng)速度加快，呼吸強(qiáng)度加強(qiáng)，必然導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖加呼吸強(qiáng)度加強(qiáng)，必然導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖加快。但隨著溫度的上升酶失活的速度也越快。但隨著溫度的上升酶失活的速度也越快，菌體衰老提前，發(fā)酵周期縮短，這時(shí)快，

10、菌體衰老提前，發(fā)酵周期縮短，這時(shí)發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利的。發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利的。 2. 溫度對(duì)產(chǎn)物形成的影響溫度對(duì)產(chǎn)物形成的影響 有人考察了不同溫度（有人考察了不同溫度（1335）對(duì)青霉素的生長(zhǎng)速率、呼吸強(qiáng)度和青霉素對(duì)青霉素的生長(zhǎng)速率、呼吸強(qiáng)度和青霉素合成的速率的影響，結(jié)果是溫度對(duì)這三種合成的速率的影響，結(jié)果是溫度對(duì)這三種代謝的影響是不同的。青霉素生長(zhǎng)的活化代謝的影響是不同的。青霉素生長(zhǎng)的活化能能34kj/mol，呼吸的活化能，呼吸的活化能71kj/mol，青，青霉素合成的活化能霉素合成的活化能112kj/mol。從以上數(shù)據(jù)。從以上數(shù)據(jù)可見，青霉素合成速率對(duì)溫度反應(yīng)最為敏可見，青霉素合成速率對(duì)溫度

11、反應(yīng)最為敏感，偏離最適溫度引起的生產(chǎn)率下降比其感，偏離最適溫度引起的生產(chǎn)率下降比其他兩個(gè)參數(shù)的變化更為嚴(yán)重。他兩個(gè)參數(shù)的變化更為嚴(yán)重。 3. 溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì) 溫度對(duì)發(fā)酵液的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，溫度對(duì)發(fā)酵液的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的黏度，基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的如發(fā)酵液的黏度，基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率，某些基質(zhì)的分解和吸溶解度和傳遞速率，某些基質(zhì)的分解和吸收速率等，都受溫度變化的影響，進(jìn)而影收速率等，都受溫度變化的影響，進(jìn)而影響發(fā)酵動(dòng)力學(xué)特征和產(chǎn)物的生物合成。響發(fā)酵動(dòng)力學(xué)特征和產(chǎn)物的生物合成。 4. 溫度影響生物合成的方向溫度影響生物合成的方向 例如，

12、在四環(huán)類抗生素發(fā)酵中，金色鏈絲例如，在四環(huán)類抗生素發(fā)酵中，金色鏈絲菌能同時(shí)產(chǎn)生四環(huán)素和金霉素，在低于菌能同時(shí)產(chǎn)生四環(huán)素和金霉素，在低于30時(shí)，它合成金霉素的能力較強(qiáng)。隨著時(shí)，它合成金霉素的能力較強(qiáng)。隨著溫度的提高，合成四環(huán)素的比例提高。當(dāng)溫度的提高，合成四環(huán)素的比例提高。當(dāng)溫度越過(guò)溫度越過(guò)35時(shí)，金霉素的合成幾乎停止，時(shí)，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。只產(chǎn)生四環(huán)素。 據(jù)近期報(bào)道，溫度還能影響微生物據(jù)近期報(bào)道，溫度還能影響微生物的代謝調(diào)控機(jī)制，在氨基酸生物合成途的代謝調(diào)控機(jī)制，在氨基酸生物合成途徑中的終產(chǎn)物對(duì)第一個(gè)合成的酶的反饋徑中的終產(chǎn)物對(duì)第一個(gè)合成的酶的反饋抑制作用，在抑制作用，在20

13、低溫時(shí)就比在正常生低溫時(shí)就比在正常生長(zhǎng)溫度長(zhǎng)溫度37時(shí)控制更嚴(yán)格。時(shí)控制更嚴(yán)格。 6.2.2 影響發(fā)酵溫度變化的因素影響發(fā)酵溫度變化的因素 發(fā)酵熱是引起發(fā)酵過(guò)程溫度變化的原因。發(fā)酵熱是引起發(fā)酵過(guò)程溫度變化的原因。 發(fā)酵過(guò)程中，隨著微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)發(fā)酵過(guò)程中，隨著微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用，以及機(jī)械攪拌的利用，將產(chǎn)生一的利用，以及機(jī)械攪拌的利用，將產(chǎn)生一定的熱能。同時(shí)因?yàn)楣薇谏帷⑺终舭l(fā)定的熱能。同時(shí)因?yàn)楣薇谏帷⑺终舭l(fā)等也會(huì)帶走部分的熱量。所謂發(fā)酵熱即發(fā)等也會(huì)帶走部分的熱量。所謂發(fā)酵熱即發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量，它是由產(chǎn)熱酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量，它是由產(chǎn)熱因素和散熱因素兩方面決定的。因素和

14、散熱因素兩方面決定的。 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顯顯q輻射輻射 1. 生物熱（生物熱（q生物生物） 生產(chǎn)菌在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中產(chǎn)生的熱能，生產(chǎn)菌在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中產(chǎn)生的熱能，叫做生物熱。這種熱的來(lái)源主要是培養(yǎng)基叫做生物熱。這種熱的來(lái)源主要是培養(yǎng)基中的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)被微生物中的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)被微生物分解成分解成co2水和其他物質(zhì)時(shí)釋放出來(lái)的。水和其他物質(zhì)時(shí)釋放出來(lái)的。其中部分能量被產(chǎn)生菌利用來(lái)合成高能化其中部分能量被產(chǎn)生菌利用來(lái)合成高能化合物，供產(chǎn)生菌代謝活動(dòng)和合成代謝產(chǎn)物，合物，供產(chǎn)生菌代謝活動(dòng)和合成代謝產(chǎn)物，其余部分則以熱的形式散發(fā)到周圍環(huán)境中其余部分則以熱的

15、形式散發(fā)到周圍環(huán)境中去引起溫度變化。去引起溫度變化。 發(fā)酵過(guò)程中生物熱的產(chǎn)生具有強(qiáng)烈的時(shí)發(fā)酵過(guò)程中生物熱的產(chǎn)生具有強(qiáng)烈的時(shí)間性，即在不同的培養(yǎng)階段，菌體的呼吸作間性，即在不同的培養(yǎng)階段，菌體的呼吸作用和發(fā)酵作用強(qiáng)度不同，所產(chǎn)生的熱量不同。用和發(fā)酵作用強(qiáng)度不同，所產(chǎn)生的熱量不同。在在發(fā)酵初期發(fā)酵初期，菌體處在適應(yīng)期，菌數(shù)少，呼，菌體處在適應(yīng)期，菌數(shù)少，呼吸作用緩慢，產(chǎn)生的熱量較少。當(dāng)菌體處在吸作用緩慢，產(chǎn)生的熱量較少。當(dāng)菌體處在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，呼吸作用激烈，且菌體也較時(shí)，呼吸作用激烈，且菌體也較多，產(chǎn)生的熱量多，溫度升高快，此時(shí)，生多，產(chǎn)生的熱量多，溫度升高快，此時(shí)，生產(chǎn)上必然要控制溫度

16、。產(chǎn)上必然要控制溫度。發(fā)酵后期發(fā)酵后期，菌體已基，菌體已基本上停止繁殖，逐步衰老，主要靠菌體內(nèi)的本上停止繁殖，逐步衰老，主要靠菌體內(nèi)的酶進(jìn)行發(fā)酵作用，產(chǎn)生的熱量不高，溫度變酶進(jìn)行發(fā)酵作用，產(chǎn)生的熱量不高，溫度變化不大，且逐漸減弱。化不大，且逐漸減弱。 并且生物熱也隨著培養(yǎng)基成分的不同并且生物熱也隨著培養(yǎng)基成分的不同而變化。在相同條件下，培養(yǎng)基成分越豐而變化。在相同條件下，培養(yǎng)基成分越豐富，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被利用的速度越快，產(chǎn)生的富，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被利用的速度越快，產(chǎn)生的生物熱就越大。生物熱就越大。 2. 攪拌熱（攪拌熱（q攪拌）攪拌） 攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)引起的液體之間和液體攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)引起的液體之間和液體與設(shè)備之間的

17、摩擦所產(chǎn)生的熱量，即攪拌與設(shè)備之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量，即攪拌熱。熱。 q攪拌攪拌=3600（p/v） 3600：熱功當(dāng)量（：熱功當(dāng)量（kj/（kw.h） （p/v）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率（消耗的功率（ kw/m3） 3. 蒸發(fā)熱（蒸發(fā)熱（q蒸發(fā)）蒸發(fā)） 空氣進(jìn)入發(fā)酵罐與發(fā)酵液廣泛接觸后，空氣進(jìn)入發(fā)酵罐與發(fā)酵液廣泛接觸后，排出時(shí)引起水分蒸發(fā)所需的熱能，即為蒸排出時(shí)引起水分蒸發(fā)所需的熱能，即為蒸發(fā)熱。水的蒸發(fā)熱和廢氣因溫度差異所帶發(fā)熱。水的蒸發(fā)熱和廢氣因溫度差異所帶走的部分顯熱（走的部分顯熱（q顯）一起都散失到外界。顯）一起都散失到外界。由于進(jìn)入的空氣

18、溫度和濕度是隨外界的氣由于進(jìn)入的空氣溫度和濕度是隨外界的氣候和控制條件而變，所以候和控制條件而變，所以q蒸發(fā)和蒸發(fā)和q顯是變顯是變化的。化的。 4. 輻射熱（輻射熱（q輻射）輻射） 由于發(fā)酵罐內(nèi)外的溫度不同，發(fā)酵液由于發(fā)酵罐內(nèi)外的溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過(guò)主罐體向外輻射，這種熱中有部分熱通過(guò)主罐體向外輻射，這種熱能稱為輻射熱（能稱為輻射熱（q輻射）。輻射熱的大小輻射）。輻射熱的大小取決于罐內(nèi)外的溫度差，受環(huán)境變化的影取決于罐內(nèi)外的溫度差，受環(huán)境變化的影響，冬天影響大些，夏季影響小些。響，冬天影響大些，夏季影響小些。 由于由于q生物、生物、q蒸發(fā)、蒸發(fā)、 q輻射和輻射和q顯，顯，特別是特別是

19、q生物在發(fā)酵過(guò)程中是隨時(shí)間變化的，生物在發(fā)酵過(guò)程中是隨時(shí)間變化的，因此發(fā)酵熱在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中也隨時(shí)間變因此發(fā)酵熱在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中也隨時(shí)間變化，引起發(fā)酵溫度發(fā)生波動(dòng)。為了使發(fā)酵化，引起發(fā)酵溫度發(fā)生波動(dòng)。為了使發(fā)酵能在一定溫度下進(jìn)行，故要設(shè)法進(jìn)行溫度能在一定溫度下進(jìn)行，故要設(shè)法進(jìn)行溫度控制?？刂啤?.2.3 最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制 一、一、 最適溫度的選擇最適溫度的選擇 最適發(fā)酵溫度是既適合菌體生長(zhǎng)又適合最適發(fā)酵溫度是既適合菌體生長(zhǎng)又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。但這兩者往往是不一代謝產(chǎn)物合成的溫度。但這兩者往往是不一致的，如在谷氨酸發(fā)酵中，產(chǎn)生菌的最適生致的，如在

20、谷氨酸發(fā)酵中，產(chǎn)生菌的最適生長(zhǎng)溫度為長(zhǎng)溫度為3034，產(chǎn)生谷氨酸的溫度為，產(chǎn)生谷氨酸的溫度為3637。 二、二、 溫度的控制溫度的控制 工業(yè)上使用大罐的發(fā)酵，一般不需工業(yè)上使用大罐的發(fā)酵，一般不需加熱，需要冷卻的情況較多。將冷卻水加熱，需要冷卻的情況較多。將冷卻水通入發(fā)酵罐的夾層或蛇管中，以保持恒通入發(fā)酵罐的夾層或蛇管中，以保持恒溫發(fā)酵。如果氣溫較高，冷卻水溫度又溫發(fā)酵。如果氣溫較高，冷卻水溫度又高，致使冷卻效果很差，就可采用冷凍高，致使冷卻效果很差，就可采用冷凍鹽水進(jìn)行循環(huán)式降溫，以迅速降到最適鹽水進(jìn)行循環(huán)式降溫，以迅速降到最適溫度。在小型種子罐或發(fā)酵前期，散熱溫度。在小型種子罐或發(fā)酵前期，

21、散熱量常常會(huì)大于產(chǎn)生的發(fā)酵熱，特別是在量常常會(huì)大于產(chǎn)生的發(fā)酵熱，特別是在氣候寒冷的地區(qū)或冬季，則需通熱水保氣候寒冷的地區(qū)或冬季，則需通熱水保溫。溫。6.3 ph對(duì)發(fā)酵的影響及其控制對(duì)發(fā)酵的影響及其控制 發(fā)酵過(guò)程中的發(fā)酵過(guò)程中的phph值是微生物在一定環(huán)值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動(dòng)的綜合指標(biāo)，是重要的參境條件下代謝活動(dòng)的綜合指標(biāo)，是重要的參數(shù)，對(duì)菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)品的積累有很大影響。數(shù)，對(duì)菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)品的積累有很大影響。因此，必須掌握發(fā)酵過(guò)程中因此，必須掌握發(fā)酵過(guò)程中phph的變化規(guī)律，的變化規(guī)律，及時(shí)監(jiān)測(cè)并加以控制，使它處于最佳的狀態(tài)。及時(shí)監(jiān)測(cè)并加以控制，使它處于最佳的狀態(tài)。盡管多數(shù)微生物

22、能在盡管多數(shù)微生物能在3434個(gè)個(gè)phph單位的單位的phph范圍范圍內(nèi)生長(zhǎng)，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生內(nèi)生長(zhǎng)，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生長(zhǎng)速率和最佳產(chǎn)物形成，必須使長(zhǎng)速率和最佳產(chǎn)物形成，必須使phph在很窄的在很窄的范圍內(nèi)保持恒定。范圍內(nèi)保持恒定。 6.3.1 phph對(duì)發(fā)酵的影響對(duì)發(fā)酵的影響（1 1）影響酶的活性。當(dāng)）影響酶的活性。當(dāng)phph值抑制菌體某些值抑制菌體某些酶的活性時(shí)使菌的新陳代謝受阻酶的活性時(shí)使菌的新陳代謝受阻（2 2）影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變，）影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變，從而改變細(xì)胞膜的透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)從而改變細(xì)胞膜的透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸

23、收及代謝物的排泄，因此影響新陳物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進(jìn)行代謝的進(jìn)行 （3 3）phph值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用的解離，從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用 （4 4）影響代謝方向）影響代謝方向 phph不同，往往引起菌體代謝過(guò)程不同，不同，往往引起菌體代謝過(guò)程不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。 例如例如: : 黑曲霉在黑曲霉在ph23ph23時(shí)發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，時(shí)發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在在phph近中性時(shí)，則產(chǎn)生草酸。近中性時(shí)，則產(chǎn)生草酸。 谷氨酸發(fā)酵，在中性和微堿性條件下

24、谷氨酸發(fā)酵，在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和氨酰胺和n-n-乙酰谷氨酰胺乙酰谷氨酰胺 ph對(duì)林可霉素發(fā)酵的影響對(duì)林可霉素發(fā)酵的影響 林可霉素發(fā)酵開始，葡萄糖轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸類中間產(chǎn)物，林可霉素發(fā)酵開始，葡萄糖轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸類中間產(chǎn)物，發(fā)酵液發(fā)酵液ph下降，待有機(jī)酸被生產(chǎn)菌利用，下降，待有機(jī)酸被生產(chǎn)菌利用，ph上升。上升。若不及時(shí)補(bǔ)糖、若不及時(shí)補(bǔ)糖、(nh4)2so4或酸，發(fā)酵液或酸，發(fā)酵液ph可迅速升可迅速升到到8.0以上，阻礙或抑制某些酶系，使林可霉素增長(zhǎng)緩以上，阻礙或抑制某些酶系，使林可霉素增長(zhǎng)緩慢，甚至停止。對(duì)照罐發(fā)酵慢，甚至

25、停止。對(duì)照罐發(fā)酵66小時(shí)小時(shí)ph達(dá)達(dá)7.93，以后維，以后維持在持在8.0以上至以上至115小時(shí)，菌絲濃度降低，小時(shí)，菌絲濃度降低，nh2-n升高，升高，發(fā)酵不再繼續(xù)。發(fā)酵不再繼續(xù)。發(fā)酵發(fā)酵15小時(shí)左右，小時(shí)左右，ph值可以從值可以從6.5左右下降到左右下降到5.3，調(diào)，調(diào)節(jié)這一段的節(jié)這一段的ph值至值至7.0左右，以后自控左右，以后自控ph，可提高發(fā)，可提高發(fā)酵單位。酵單位。 實(shí)例實(shí)例 6.3.2 影響影響phph變化的因素變化的因素1 1、基質(zhì)代謝、基質(zhì)代謝 （1 1）糖代謝）糖代謝 特別是快速利用的糖，分解特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使成小分子酸、醇，使phph下降。糖缺乏，

26、下降。糖缺乏，phph上升，上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一是補(bǔ)料的標(biāo)志之一（2 2）氮代謝）氮代謝 當(dāng)氨基酸中的當(dāng)氨基酸中的-nh-nh2 2被利用后被利用后phph會(huì)下降；尿素被分解成會(huì)下降；尿素被分解成nhnh3 3，phph上升，上升，nhnh3 3利利用后用后phph下降，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用下降，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用phph上升。上升。（3 3）生理酸堿性物質(zhì)利用后）生理酸堿性物質(zhì)利用后phph會(huì)上升或下降會(huì)上升或下降2 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phph變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使phph下降，紅

27、霉下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使使phph上升。上升。 3 3、菌體自溶，、菌體自溶，phph上升，發(fā)酵后期，上升，發(fā)酵后期，phph上升。上升。 6.3.3 發(fā)酵發(fā)酵ph的確定的確定原則：有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成。一原則：有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。般根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。最適最適phph與菌株，培養(yǎng)基組成，發(fā)酵工藝有與菌株，培養(yǎng)基組成，發(fā)酵工藝有關(guān)。應(yīng)按發(fā)酵過(guò)程的不同階段分別控制不關(guān)。應(yīng)按發(fā)酵過(guò)程的不同階段分別控制不同的同的phph范圍。范圍。1 1、最適、最適phph的選擇的選擇配制不同初始配制不同初始ph的培養(yǎng)基

28、，搖瓶考察發(fā)酵情況的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況ph對(duì)產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響對(duì)產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響 最適最適ph與微生物生長(zhǎng)，產(chǎn)物形成之間與微生物生長(zhǎng)，產(chǎn)物形成之間相互關(guān)系有四種類型：相互關(guān)系有四種類型：（1）菌體比生長(zhǎng)速率）菌體比生長(zhǎng)速率和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率qp的最適的最適ph在一個(gè)相似的較寬的范圍內(nèi)在一個(gè)相似的較寬的范圍內(nèi)（比較容易控制）；（比較容易控制）；（2）較寬，較寬， qp范圍較窄，或范圍較窄，或較窄，較窄， qp范圍較寬（難控制，應(yīng)嚴(yán)格控制）；范圍較寬（難控制，應(yīng)嚴(yán)格控制）；（3）和和 qp對(duì)對(duì)ph都很敏感，其最適都很敏感，其最適ph相同相同（應(yīng)嚴(yán)格控制）；（應(yīng)嚴(yán)格控制）；

29、（4）更復(fù)雜，）更復(fù)雜，和和 qp對(duì)對(duì)ph都很敏感，并有都很敏感，并有各自的最適各自的最適ph（難度最大）；（難度最大）； 2 、ph的控制的控制 （1 1） 調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方，如碳氮比調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方，如碳氮比（c/nc/n）（2 2）添加緩沖劑，如）添加緩沖劑，如cacocaco3 3 ，或具有緩沖能，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等力的試劑，如磷酸緩沖液等（3 3）補(bǔ)料控制，如補(bǔ)加碳源或氮源）補(bǔ)料控制，如補(bǔ)加碳源或氮源（4 4）直接加酸加堿）直接加酸加堿 在補(bǔ)料與調(diào)在補(bǔ)料與調(diào)ph沒有矛盾時(shí)采用補(bǔ)料調(diào)沒有矛盾時(shí)采用補(bǔ)料調(diào)ph，如：如：（1）調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來(lái)調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)

30、補(bǔ)糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來(lái)調(diào)節(jié)ph（2 2）當(dāng)）當(dāng)nhnh2 2-n-n低，低，ph低時(shí)補(bǔ)氨水；低時(shí)補(bǔ)氨水； 當(dāng)當(dāng)nhnh2 2-n-n低，低，ph高時(shí)補(bǔ)高時(shí)補(bǔ)(nh4 4)2 2so4 4當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)phph發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)phph 6.4 溶氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制溶氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制 大多數(shù)發(fā)酵過(guò)程是好氧的，因此需要供氧。大多數(shù)發(fā)酵過(guò)程是好氧的，因此需要供氧。葡萄糖的氧化可由下式表示：葡萄糖的氧化可由下式表示： c c6 6h h1212o o6 6 十十6o6o2 26h6h2 2o o十十6co6co2 2 只有當(dāng)這兩種反應(yīng)物均溶于水后，才對(duì)菌體只有當(dāng)

31、這兩種反應(yīng)物均溶于水后，才對(duì)菌體有用。有用。 氧在水中的溶解度比葡萄糖要小約氧在水中的溶解度比葡萄糖要小約60006000倍左右。許多發(fā)酵的生產(chǎn)能力受到氧利用限制，倍左右。許多發(fā)酵的生產(chǎn)能力受到氧利用限制，因此氧成為影響發(fā)酵效率的重要因素。因此氧成為影響發(fā)酵效率的重要因素。6.4.1 微生物對(duì)氧的需求微生物對(duì)氧的需求 在在25、0.1mpa下，水中氧溶解度為下，水中氧溶解度為0.25mmol/l，而在發(fā)酵液中的氧溶解度為，而在發(fā)酵液中的氧溶解度為0.22mmol/l。 好氧發(fā)酵中，微生物對(duì)氧有一個(gè)最低需好氧發(fā)酵中，微生物對(duì)氧有一個(gè)最低需求，即臨界溶氧濃度。求，即臨界溶氧濃度。臨界溶氧濃度臨界溶

32、氧濃度指滿足指滿足微生物呼吸的最低氧濃度，約為微生物呼吸的最低氧濃度，約為0.0030.05 mmol/l 。 臨界溶氧濃度以下，微生物的呼吸速率臨界溶氧濃度以下，微生物的呼吸速率受溶氧濃度的限制，代謝活動(dòng)受到阻礙。受溶氧濃度的限制，代謝活動(dòng)受到阻礙。問題：?jiǎn)栴}：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過(guò)程中氧很容易滿足？不是發(fā)酵過(guò)程中氧很容易滿足？例：以微生物的攝氧率例：以微生物的攝氧率0.052 mmol o2l-1s-1 計(jì)，計(jì)， 0.25/0.052=4.8秒秒一、氧在微生物發(fā)酵中的作用一、氧在微生物發(fā)酵中的作用（1）氧是構(gòu)成微生物細(xì)胞本身及其代謝產(chǎn)物）

33、氧是構(gòu)成微生物細(xì)胞本身及其代謝產(chǎn)物的組分之一。的組分之一。（2）氧還可以作為中間體直接參與一些生物）氧還可以作為中間體直接參與一些生物合成反應(yīng)。如乙醇在氧的作用下合成乙酸。合成反應(yīng)。如乙醇在氧的作用下合成乙酸。 注意：注意：在好氧發(fā)酵中，溶解氧是重要的參數(shù)在好氧發(fā)酵中，溶解氧是重要的參數(shù)之一，但溶解氧并不是越大越好。之一，但溶解氧并不是越大越好。（1）溶氧的大小對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成都會(huì)）溶氧的大小對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成都會(huì)產(chǎn)生不同影響。如谷氨酸發(fā)酵、薛氏丙酸菌發(fā)產(chǎn)生不同影響。如谷氨酸發(fā)酵、薛氏丙酸菌發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)維生素酵生產(chǎn)產(chǎn)維生素b12 。（2）需氧發(fā)酵并不是溶氧愈大愈好，適當(dāng)高）需氧發(fā)酵并不是溶

34、氧愈大愈好，適當(dāng)高的溶氧水平有利于菌體生成和產(chǎn)物合成，但溶的溶氧水平有利于菌體生成和產(chǎn)物合成，但溶氧太大有時(shí)反而抑制產(chǎn)物的形成氧太大有時(shí)反而抑制產(chǎn)物的形成 ，即溶氧有，即溶氧有一個(gè)最低限度外，還有一個(gè)最高限度。一個(gè)最低限度外，還有一個(gè)最高限度。 因此，要掌握臨界溶氧濃度和最適溶氧濃因此，要掌握臨界溶氧濃度和最適溶氧濃度，使發(fā)酵過(guò)程保持在最適溶氧濃度。度，使發(fā)酵過(guò)程保持在最適溶氧濃度。 最適溶氧濃度的高低與菌種和產(chǎn)物合成途最適溶氧濃度的高低與菌種和產(chǎn)物合成途徑有關(guān)，這是由實(shí)驗(yàn)確定的。例如初級(jí)代謝徑有關(guān)，這是由實(shí)驗(yàn)確定的。例如初級(jí)代謝產(chǎn)物氨基酸的發(fā)酵，根據(jù)發(fā)酵需氧要求不同，產(chǎn)物氨基酸的發(fā)酵，根據(jù)發(fā)

35、酵需氧要求不同，可分為三類：可分為三類： a. 供氧充足條件下產(chǎn)量最大；若供氧不足，供氧充足條件下產(chǎn)量最大；若供氧不足，合成強(qiáng)烈受抑制；合成強(qiáng)烈受抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 b.供氧充足條件下可得最高產(chǎn)量；若供氧受供氧充足條件下可得最高產(chǎn)量；若供氧受限，產(chǎn)量受影響不明顯；限，產(chǎn)量受影響不明顯； 如：異亮氨酸，賴氨酸，蘇氨酸等如：異亮氨酸，賴氨酸，蘇氨酸等 c.僅供氧受限，細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才獲得僅供氧受限，細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才獲得最大量產(chǎn)物；若供氧充足，產(chǎn)物形成反而受最大量產(chǎn)物；若供氧充足，產(chǎn)物形成反而受抑制；抑制； 如：亮氨酸，纈氨酸，苯丙氨酸等如：亮氨

36、酸，纈氨酸，苯丙氨酸等另外：另外： 不同種類的微生物需氧量不同；不同種類的微生物需氧量不同； 同種微生物需氧量隨菌齡和培養(yǎng)條件不同種微生物需氧量隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而不同；同而不同； 菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成時(shí)的需氧量也不同菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成時(shí)的需氧量也不同二、微生物的耗氧特征二、微生物的耗氧特征 微生物對(duì)氧的需求主要受菌體代謝活動(dòng)變微生物對(duì)氧的需求主要受菌體代謝活動(dòng)變化的影響，常有耗氧速率和呼吸強(qiáng)度兩種方法化的影響，常有耗氧速率和呼吸強(qiáng)度兩種方法表示。表示。耗氧速率：指單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的耗氧速率：指單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的 耗氧量，以耗氧量，以r表示，也稱攝氧率。表示，也稱攝氧率。呼

37、吸強(qiáng)度：指單位質(zhì)量菌體在單位時(shí)間內(nèi)的呼吸強(qiáng)度：指單位質(zhì)量菌體在單位時(shí)間內(nèi)的 耗氧量，以耗氧量，以qo2表示。表示。 r = qo2x式中式中 ： x菌體濃度菌體濃度 由上式可知，微生物在發(fā)酵過(guò)程中的耗氧由上式可知，微生物在發(fā)酵過(guò)程中的耗氧速率取決于微生物的呼吸強(qiáng)度和單位體積發(fā)酵速率取決于微生物的呼吸強(qiáng)度和單位體積發(fā)酵液的菌體濃度，而菌體呼吸強(qiáng)度又受菌齡、菌液的菌體濃度，而菌體呼吸強(qiáng)度又受菌齡、菌種性能、培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件等諸多因素的綜合種性能、培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件等諸多因素的綜合影響。影響。三、影響微生物耗氧的因素三、影響微生物耗氧的因素1、分批發(fā)酵過(guò)程中細(xì)胞耗氧的一般規(guī)律，見、分批發(fā)酵過(guò)程中細(xì)胞耗

38、氧的一般規(guī)律，見圖。圖。 以上是呼吸強(qiáng)度和攝氧率變化的一般規(guī)律，以上是呼吸強(qiáng)度和攝氧率變化的一般規(guī)律，但這一規(guī)律受到以下因素的影響和限制。但這一規(guī)律受到以下因素的影響和限制。2、影響微生物耗氧的因素、影響微生物耗氧的因素（1）微生物本身遺傳特征）微生物本身遺傳特征 不同種類的微生物耗氧量不同；同種微不同種類的微生物耗氧量不同；同種微生物耗氧量隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而不同；生物耗氧量隨菌齡和培養(yǎng)條件不同而不同；菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成時(shí)的耗氧量也不同。菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成時(shí)的耗氧量也不同。 一般幼齡菌生長(zhǎng)旺盛，呼吸強(qiáng)度大，但一般幼齡菌生長(zhǎng)旺盛，呼吸強(qiáng)度大，但發(fā)酵初期由于菌體濃度低，所以總耗氧量低；發(fā)酵初期

39、由于菌體濃度低，所以總耗氧量低；老齡菌的呼吸強(qiáng)度弱，但發(fā)酵中后期菌體濃老齡菌的呼吸強(qiáng)度弱，但發(fā)酵中后期菌體濃度大，所以耗氧量高。度大，所以耗氧量高。（2）培養(yǎng)基的成分和濃度）培養(yǎng)基的成分和濃度 培養(yǎng)基的成分尤其是碳源種類對(duì)細(xì)胞的耗培養(yǎng)基的成分尤其是碳源種類對(duì)細(xì)胞的耗氧量影響很大。耗氧速率由大到小為：油脂或氧量影響很大。耗氧速率由大到小為：油脂或烴類葡萄糖蔗糖乳糖。烴類葡萄糖蔗糖乳糖。 培養(yǎng)基的濃度也會(huì)影響細(xì)胞的耗氧速率。培養(yǎng)基的濃度也會(huì)影響細(xì)胞的耗氧速率。濃度大細(xì)胞代謝旺盛，耗氧增加；濃度小，如濃度大細(xì)胞代謝旺盛，耗氧增加；濃度小，如碳源成為限制性基質(zhì)時(shí)，呼吸強(qiáng)度下降，補(bǔ)料碳源成為限制性基質(zhì)時(shí)

40、，呼吸強(qiáng)度下降，補(bǔ)料后呼吸強(qiáng)度又上升。后呼吸強(qiáng)度又上升。 若培養(yǎng)基中含有生長(zhǎng)抑制劑時(shí)，呼吸強(qiáng)度若培養(yǎng)基中含有生長(zhǎng)抑制劑時(shí)，呼吸強(qiáng)度也會(huì)受到限制。也會(huì)受到限制。（3）菌齡）菌齡 一般幼齡菌生長(zhǎng)旺盛，呼吸強(qiáng)度大；老齡一般幼齡菌生長(zhǎng)旺盛，呼吸強(qiáng)度大；老齡菌生長(zhǎng)慢，呼吸強(qiáng)度小。菌生長(zhǎng)慢，呼吸強(qiáng)度小。（4）發(fā)酵條件）發(fā)酵條件 ph、溫度通過(guò)對(duì)酶活性的影響而影響菌體、溫度通過(guò)對(duì)酶活性的影響而影響菌體細(xì)胞的耗氧，而且溫度還影響發(fā)酵液中的溶氧細(xì)胞的耗氧，而且溫度還影響發(fā)酵液中的溶氧濃度，溫度升高溶氧濃度下降。一般在最適條濃度，溫度升高溶氧濃度下降。一般在最適條件下發(fā)酵，耗氧量最大。件下發(fā)酵，耗氧量最大。（5）

41、代謝類型）代謝類型 若產(chǎn)物是通過(guò)若產(chǎn)物是通過(guò)tca循環(huán)獲得，則呼吸強(qiáng)度循環(huán)獲得，則呼吸強(qiáng)度高耗氧量大；若產(chǎn)物是通過(guò)高耗氧量大；若產(chǎn)物是通過(guò)emp途徑獲得，則途徑獲得，則呼吸強(qiáng)度低耗氧量小。呼吸強(qiáng)度低耗氧量小。四、控制溶氧的意義四、控制溶氧的意義 1. 溶氧濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的影響不溶氧濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的影響不同，及對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)的最適溶氧濃度并不一定同，及對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)的最適溶氧濃度并不一定是產(chǎn)物合成的最佳溶氧濃度，也就是發(fā)酵不同是產(chǎn)物合成的最佳溶氧濃度，也就是發(fā)酵不同階段需要控制不同的溶氧濃度。階段需要控制不同的溶氧濃度。 2. 由于空氣中的氧在發(fā)酵液中的溶解度很低，由于空氣中的氧

42、在發(fā)酵液中的溶解度很低，所以發(fā)酵工業(yè)中給發(fā)酵液通氣時(shí)空氣中氧的利所以發(fā)酵工業(yè)中給發(fā)酵液通氣時(shí)空氣中氧的利用率很低。大量經(jīng)過(guò)凈化處理的無(wú)菌空氣在給用率很低。大量經(jīng)過(guò)凈化處理的無(wú)菌空氣在給發(fā)酵液通氣過(guò)程中因溶解少被浪費(fèi)掉，因此必發(fā)酵液通氣過(guò)程中因溶解少被浪費(fèi)掉，因此必須設(shè)法提高傳氧效率，從而大大降低空氣消耗須設(shè)法提高傳氧效率，從而大大降低空氣消耗量，降低設(shè)備費(fèi)用和動(dòng)力消耗，提高設(shè)備利用量，降低設(shè)備費(fèi)用和動(dòng)力消耗，提高設(shè)備利用率，而且減少泡沫形成和染菌，率，而且減少泡沫形成和染菌，6.4.2 發(fā)酵過(guò)程中的溶氧變化發(fā)酵過(guò)程中的溶氧變化一一、發(fā)酵過(guò)程中溶氧濃度變化的一般規(guī)律發(fā)酵過(guò)程中溶氧濃度變化的一般規(guī)

43、律發(fā)酵前期發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時(shí)需氧超過(guò)供氧，溶氧明斷大幅度增加，此時(shí)需氧超過(guò)供氧，溶氧明顯下降顯下降 發(fā)酵中期：發(fā)酵中期：溶氧濃度明顯地受工藝控制手段溶氧濃度明顯地受工藝控制手段的影響，如補(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)和方式等的影響，如補(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)和方式等 發(fā)酵后期：發(fā)酵后期：由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就濃度也會(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會(huì)明顯地上升會(huì)明顯地上升 二、溶氧異常的原因二、溶氧異常的原因1、引起溶氧異常下降的可能原因、引起溶氧異常下降的可能原因（1）污染好氣

44、性雜菌，消耗大量溶氧，使溶氧）污染好氣性雜菌，消耗大量溶氧，使溶氧在短時(shí)間內(nèi)下降到零附近在短時(shí)間內(nèi)下降到零附近 （2）菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧要求增加，）菌體代謝發(fā)生異?，F(xiàn)象，需氧要求增加，使溶氧下降使溶氧下降（3）某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，也）某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，也能引起溶氧下降，如攪拌功率消耗變小或攪拌能引起溶氧下降，如攪拌功率消耗變小或攪拌轉(zhuǎn)速變慢、消沫油因自動(dòng)加油器失靈或人為加轉(zhuǎn)速變慢、消沫油因自動(dòng)加油器失靈或人為加量過(guò)多量過(guò)多 、停止攪拌、悶罐（關(guān)閉排氣閥）等。、停止攪拌、悶罐（關(guān)閉排氣閥）等。2、引起溶氧異常上升的可能原因：、引起溶氧異常上升的可能原因：（1

45、）污染烈性噬菌體）污染烈性噬菌體 （2）菌體代謝出現(xiàn)異常，耗氧能力下降）菌體代謝出現(xiàn)異常，耗氧能力下降 （3）補(bǔ)料時(shí)間和間隔不當(dāng)）補(bǔ)料時(shí)間和間隔不當(dāng) 根據(jù)發(fā)酵液中的溶解氧濃度的變化來(lái)判斷根據(jù)發(fā)酵液中的溶解氧濃度的變化來(lái)判斷微生物生長(zhǎng)代謝是否正常，工藝控制是否合理，微生物生長(zhǎng)代謝是否正常，工藝控制是否合理，設(shè)備供氧能力是否充足等問題，有助于查找發(fā)設(shè)備供氧能力是否充足等問題，有助于查找發(fā)酵不正常的原因和控制好發(fā)酵生產(chǎn)。酵不正常的原因和控制好發(fā)酵生產(chǎn)。 6.4.3 氧的傳遞途徑氧的傳遞途徑一、氣體溶解過(guò)程中的雙膜理論一、氣體溶解過(guò)程中的雙膜理論1.1.在氣泡與包圍著氣泡的液體之間存在著界在氣泡與包圍

46、著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡一側(cè)存在著一層氣膜，在面，在界面的氣泡一側(cè)存在著一層氣膜，在界面的液體一側(cè)存在著一層液膜。氣膜內(nèi)的界面的液體一側(cè)存在著一層液膜。氣膜內(nèi)的氣體分子和液膜中的液體分子都處于層流狀氣體分子和液膜中的液體分子都處于層流狀態(tài)，分子間無(wú)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，因此氧的分子只能態(tài)，分子間無(wú)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，因此氧的分子只能以擴(kuò)散方式，即借濃度差而透過(guò)雙膜。以擴(kuò)散方式，即借濃度差而透過(guò)雙膜。 氣泡內(nèi)除開氣膜以外的氣體分子，處于對(duì)流氣泡內(nèi)除開氣膜以外的氣體分子，處于對(duì)流狀態(tài)，稱為氣體主流，在空氣主流空間的任狀態(tài)，稱為氣體主流，在空氣主流空間的任一點(diǎn)，氧分子的濃度相同，液體主流中也是一點(diǎn)，氧分子

47、的濃度相同，液體主流中也是如此。如此。2.在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強(qiáng)與溶在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強(qiáng)與溶于液體中的氧的濃度處于平衡關(guān)系：于液體中的氧的濃度處于平衡關(guān)系：pi=hci3.傳質(zhì)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)傳質(zhì)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧的濃度不隨時(shí)間而變。的氧的濃度不隨時(shí)間而變。p-氣體主體氧分壓氣體主體氧分壓p-氣液界面氧分壓氣液界面氧分壓c -液體主體氧濃度液體主體氧濃度c-氣液界面氧濃度氣液界面氧濃度()()gilinkppk ccn：傳氧速率：傳氧速率 kmol/m2.hkg: 氣膜傳質(zhì)系數(shù)氣膜傳質(zhì)系數(shù) kmol/m2.h.atmkl: 液膜傳質(zhì)系數(shù)液

48、膜傳質(zhì)系數(shù) m/h二、氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力二、氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力 在需氧發(fā)酵中，對(duì)微生物的供氧過(guò)程首先在需氧發(fā)酵中，對(duì)微生物的供氧過(guò)程首先是氣相中的氧溶解在發(fā)酵液中，然后傳遞到細(xì)是氣相中的氧溶解在發(fā)酵液中，然后傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上而被利用。這一系列過(guò)程胞內(nèi)的呼吸酶位置上而被利用。這一系列過(guò)程又可分為供氧和耗氧兩個(gè)方面，如圖所示。又可分為供氧和耗氧兩個(gè)方面，如圖所示。供氧：供氧：指空氣中的氧從空氣泡里通過(guò)氣膜、氣指空氣中的氧從空氣泡里通過(guò)氣膜、氣液界面和液膜擴(kuò)散到液體中。液界面和液膜擴(kuò)散到液體中。耗氧：耗氧：指氧分子自液體主流通過(guò)液膜、菌絲叢、指氧分子自液體主流通過(guò)液膜、菌絲叢、細(xì)胞

49、膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)被利用。細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)被利用。 1、供氧方面阻力：、供氧方面阻力： 氣膜阻力氣膜阻力 氣液界面阻力氣液界面阻力 液膜阻力液膜阻力 液體主流液體主流 2、耗氧方面阻力：、耗氧方面阻力： 細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)表面的液膜阻力細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)表面的液膜阻力 固液界面?zhèn)鬟f阻力固液界面?zhèn)鬟f阻力 細(xì)胞團(tuán)或菌絲叢內(nèi)的阻力細(xì)胞團(tuán)或菌絲叢內(nèi)的阻力 細(xì)胞膜和細(xì)胞壁阻力細(xì)胞膜和細(xì)胞壁阻力 細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)阻力 以上這些阻力的相對(duì)大小取決于流體力以上這些阻力的相對(duì)大小取決于流體力學(xué)特性、溫度、細(xì)胞的活性和濃度、液體學(xué)特性、溫度、細(xì)胞的活性和濃度、液體的組成、界面特性以及其他因素。的組成、界面特性以及其他因

50、素。 當(dāng)細(xì)胞以游離狀態(tài)存在于液體中時(shí)，菌當(dāng)細(xì)胞以游離狀態(tài)存在于液體中時(shí)，菌絲叢阻力消失，當(dāng)細(xì)胞吸附在氣液界面上絲叢阻力消失，當(dāng)細(xì)胞吸附在氣液界面上時(shí)，阻力時(shí)，阻力、都消失。都消失。 由于氧是很難溶的氣體，所以供氧方面由于氧是很難溶的氣體，所以供氧方面液膜阻力是主要，工業(yè)上常將通入培養(yǎng)基的液膜阻力是主要，工業(yè)上常將通入培養(yǎng)基的空氣分散成小氣泡，盡可能增大氣液兩相的空氣分散成小氣泡，盡可能增大氣液兩相的接觸面積和接觸時(shí)間，以促進(jìn)氧的溶解。耗接觸面積和接觸時(shí)間，以促進(jìn)氧的溶解。耗氧方面主要阻力為細(xì)胞團(tuán)或菌絲叢阻力、細(xì)氧方面主要阻力為細(xì)胞團(tuán)或菌絲叢阻力、細(xì)胞膜或細(xì)胞壁阻力，攪拌可減少菌絲結(jié)團(tuán)和胞膜或細(xì)

51、胞壁阻力，攪拌可減少菌絲結(jié)團(tuán)和逆向擴(kuò)散的梯度，可減少這些阻力。逆向擴(kuò)散的梯度，可減少這些阻力。三、氧的傳遞方程三、氧的傳遞方程 nv kla(c*cl)式中：式中：nv 單位體積液體的傳氧速率；單位體積液體的傳氧速率； kla 以濃度差為推動(dòng)力的體積溶以濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)；氧系數(shù)； cl 溶液中氧的實(shí)際濃度；溶液中氧的實(shí)際濃度； c* 與氣相中氧分壓與氣相中氧分壓p平衡時(shí)溶液平衡時(shí)溶液中氧濃度。中氧濃度。6.4.4 溶氧濃度的控制溶氧濃度的控制 發(fā)酵液中的溶氧濃度取決于氧的傳遞（即發(fā)酵液中的溶氧濃度取決于氧的傳遞（即供氧方面）和被微生物利用（即耗氧方面）兩供氧方面）和被微生物利用（即

52、耗氧方面）兩個(gè)方面。個(gè)方面。1、影響氧傳遞的因素、影響氧傳遞的因素（1）影響推動(dòng)力）影響推動(dòng)力( (c c* *c cl l) )的因素的因素溫度：溫度升高，氧的溶解度降低溫度：溫度升高，氧的溶解度降低 可在不影響菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成情況下，可在不影響菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成情況下，采取降低溫度的措施。采取降低溫度的措施。phph：氧在酸性溶液中的溶解度一般表現(xiàn)為：氧在酸性溶液中的溶解度一般表現(xiàn)為酸的強(qiáng)度大、濃度高，則氧溶解度低。酸的強(qiáng)度大、濃度高，則氧溶解度低。電解質(zhì)濃度：電解質(zhì)濃度大氧的溶解度低電解質(zhì)濃度：電解質(zhì)濃度大氧的溶解度低溶劑：氧在有機(jī)溶劑中的溶解度比水中大。溶劑：氧在有機(jī)溶劑中的溶解度比

53、水中大。 實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中也可通過(guò)合理添加有實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中也可通過(guò)合理添加有機(jī)溶劑來(lái)降低水的極性從而增加氧的溶解機(jī)溶劑來(lái)降低水的極性從而增加氧的溶解度。度。氧分壓：增加分壓可提高氧的溶解度。方氧分壓：增加分壓可提高氧的溶解度。方法一是提高空氣總壓，方法二是提高氧分法一是提高空氣總壓，方法二是提高氧分壓。壓。（2）影響）影響kla的因素的因素?cái)嚢钄嚢枳饔茫捍蛏馀荩龃髿庖航佑|面；作用：打散氣泡，增大氣液接觸面； 形成渦流，延長(zhǎng)氣泡在液體中停留時(shí)間；形成渦流，延長(zhǎng)氣泡在液體中停留時(shí)間； 形成湍流，減小氣泡外的液膜阻力；形成湍流，減小氣泡外的液膜阻力； 避免菌絲結(jié)團(tuán)，減少菌絲團(tuán)阻力；避免菌絲結(jié)團(tuán)，減

54、少菌絲團(tuán)阻力； 使培養(yǎng)液中的成分分布均勻，細(xì)胞均勻懸使培養(yǎng)液中的成分分布均勻，細(xì)胞均勻懸浮，有利于營(yíng)養(yǎng)物的吸收和代謝物的分散。浮，有利于營(yíng)養(yǎng)物的吸收和代謝物的分散。 但是攪拌轉(zhuǎn)速并非越大越好，過(guò)度強(qiáng)烈的但是攪拌轉(zhuǎn)速并非越大越好，過(guò)度強(qiáng)烈的攪拌會(huì)有很多不利作用。攪拌會(huì)有很多不利作用。 空氣線速度空氣線速度 kla隨空氣流量增大而增大，但過(guò)大的空氣隨空氣流量增大而增大，但過(guò)大的空氣線速度會(huì)發(fā)生線速度會(huì)發(fā)生“過(guò)載過(guò)載”的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 空氣分布器空氣分布器 空氣分布器的類型、噴口直徑及管口與空氣分布器的類型、噴口直徑及管口與罐底距離的相對(duì)位置，都對(duì)溶氧濃度有較大罐底距離的相對(duì)位置，都對(duì)溶氧濃度有較大

55、影響。影響。發(fā)酵液的性質(zhì)發(fā)酵液的性質(zhì) 發(fā)酵液的性質(zhì)特別是黏度、發(fā)酵液的性質(zhì)特別是黏度、ph、極性、極性、表面張力、離子濃度、菌體濃度等，都會(huì)影表面張力、離子濃度、菌體濃度等，都會(huì)影響氣泡的大小、穩(wěn)定性和氧的傳遞速率。響氣泡的大小、穩(wěn)定性和氧的傳遞速率。 黏度增大，由于滯留液膜厚度增加，黏度增大，由于滯留液膜厚度增加，kla下降；下降； 泡沫過(guò)多，黏度增加，泡沫過(guò)多，黏度增加，kla下降；下降； 表面活性劑（如消泡劑）使表面活性劑（如消泡劑）使kla下降；下降； 離子強(qiáng)度大使離子強(qiáng)度大使kla增加；增加； 菌體濃度增加使菌體濃度增加使kla下降。下降。2、影響微生物耗氧的因素、影響微生物耗氧的因

56、素 微生物本身遺傳特征：不同種類耗氧量不同微生物本身遺傳特征：不同種類耗氧量不同 培養(yǎng)基的成分和濃度：培養(yǎng)基的成分和濃度： 培養(yǎng)基成分尤其是碳源對(duì)細(xì)胞耗氧影響大，培養(yǎng)基成分尤其是碳源對(duì)細(xì)胞耗氧影響大，耗氧由大到?。河唾|(zhì)或烴類耗氧由大到小：油質(zhì)或烴類g蔗糖蔗糖乳糖乳糖 培養(yǎng)基濃度大，耗氧增加培養(yǎng)基濃度大，耗氧增加 菌齡：幼齡菌生長(zhǎng)旺盛，耗氧大菌齡：幼齡菌生長(zhǎng)旺盛，耗氧大 發(fā)酵條件：發(fā)酵條件：ph、溫度、溫度 代謝類型：代謝類型： 若產(chǎn)物通過(guò)若產(chǎn)物通過(guò)tca循環(huán)獲取，則耗氧大；若循環(huán)獲取，則耗氧大；若產(chǎn)物通過(guò)產(chǎn)物通過(guò)emp途徑獲取，則耗氧量小途徑獲取，則耗氧量小 3、控制溶氧的手段、控制溶氧的手段

57、增大通風(fēng)量增大通風(fēng)量改變攪拌轉(zhuǎn)速改變攪拌轉(zhuǎn)速提高氧分壓提高氧分壓改變發(fā)酵液的理化性質(zhì)改變發(fā)酵液的理化性質(zhì)加入傳氧中間介質(zhì)加入傳氧中間介質(zhì)調(diào)節(jié)耗氧方面（如控制培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)調(diào)節(jié)耗氧方面（如控制培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、降低培養(yǎng)溫度等）濃度、降低培養(yǎng)溫度等） co 是微生物的代謝產(chǎn)物，同時(shí)也是某是微生物的代謝產(chǎn)物，同時(shí)也是某些合成代謝的基質(zhì)。它是細(xì)胞代謝的重要指些合成代謝的基質(zhì)。它是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。在發(fā)酵過(guò)程中，標(biāo)。在發(fā)酵過(guò)程中， co 有可能對(duì)發(fā)酵有促有可能對(duì)發(fā)酵有促進(jìn)作用，也有可能有抑制作用。進(jìn)作用，也有可能有抑制作用。1、 co 對(duì)菌體具有抑制作用對(duì)菌體具有抑制作用 當(dāng)排氣中當(dāng)排氣中co

58、的濃度高于的濃度高于4%時(shí)，微生物的時(shí)，微生物的糖代謝和呼吸速率下降。例如，發(fā)酵液中糖代謝和呼吸速率下降。例如，發(fā)酵液中co的濃度達(dá)到的濃度達(dá)到1.610-1mol，就會(huì)嚴(yán)重抑制酵母，就會(huì)嚴(yán)重抑制酵母的生長(zhǎng)；當(dāng)進(jìn)氣口的生長(zhǎng)；當(dāng)進(jìn)氣口co 的含量占混合氣體的的含量占混合氣體的80%時(shí)，酵母活力與對(duì)照相比降低時(shí)，酵母活力與對(duì)照相比降低20%。2、co 對(duì)發(fā)酵也有影響對(duì)發(fā)酵也有影響對(duì)發(fā)酵促進(jìn)。如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，對(duì)發(fā)酵促進(jìn)。如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含5%的的co 。對(duì)發(fā)酵抑制。如對(duì)肌苷、異亮氨酸、組對(duì)發(fā)酵抑制。如對(duì)肌苷、異亮氨酸、組氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制3、影響發(fā)酵液的酸堿平衡、影響發(fā)酵液的酸堿平衡 co 及及hco-主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生改變，影導(dǎo)致膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生改變，影響到細(xì)胞膜的輸送效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑響到細(xì)胞膜的輸送效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。制、形態(tài)發(fā)生改變。培養(yǎng)液中的培養(yǎng)液中的co 主要作用于細(xì)胞膜的脂質(zhì)主要作用于細(xì)胞膜的脂質(zhì)核心部位；核心部位；hco-影響細(xì)胞膜的膜蛋白。影響細(xì)胞膜的膜蛋白