發(fā)酵工藝過程控制培訓課件

1、第七章第七章 發(fā)酵工藝過程控制發(fā)酵工藝過程控制n微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平不僅取決于生產(chǎn)菌種本身的性能，微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平不僅取決于生產(chǎn)菌種本身的性能，而且要賦以適宜的環(huán)境條件才能使它的生產(chǎn)能力充分表達而且要賦以適宜的環(huán)境條件才能使它的生產(chǎn)能力充分表達出來；出來；n必須了解有關生產(chǎn)菌種對環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、培必須了解有關生產(chǎn)菌種對環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、養(yǎng)溫度、pH、氧的需求等，并深入了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)、氧的需求等，并深入了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過程中的代謝調(diào)控機制以及可能的代謝途徑，為設計合物過程中的代謝調(diào)控機制以及可能的代謝途徑，為設計合理的生產(chǎn)工藝提供理論根底；理的生產(chǎn)工藝提供

2、理論根底；n通過各種監(jiān)測手段如取樣測定隨時間變化的菌體濃度，糖、通過各種監(jiān)測手段如取樣測定隨時間變化的菌體濃度，糖、氮消耗及產(chǎn)物，以及采用傳感器測定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度、氮消耗及產(chǎn)物，以及采用傳感器測定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度、pH、溶解氧等參數(shù)情況，并予以有效地控制，使生產(chǎn)菌、溶解氧等參數(shù)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)境中。種處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境中。一、發(fā)酵工藝過程控制的重要性一、發(fā)酵工藝過程控制的重要性從產(chǎn)物形成來說，代謝變化就是反映發(fā)酵中的菌體從產(chǎn)物形成來說，代謝變化就是反映發(fā)酵中的菌體生長、發(fā)酵參數(shù)的變化培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件和產(chǎn)生長、發(fā)酵參數(shù)的變化培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件和產(chǎn)物形

3、成速率這三者之間的關系。物形成速率這三者之間的關系。二、發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律二、發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律這里介紹這里介紹分批發(fā)酵分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)補料分批發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵酵及及連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵四種類型的操作方式下的代謝特征。四種類型的操作方式下的代謝特征。1、分批發(fā)酵、分批發(fā)酵指在一個封閉的培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)含有指在一個封閉的培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)含有初始限制量的基質(zhì)初始限制量的基質(zhì)的發(fā)酵的發(fā)酵方式。即一次性投料，一次性收獲產(chǎn)品的發(fā)酵方式。方式。即一次性投料，一次性收獲產(chǎn)品的發(fā)酵方式。延滯期延滯期指數(shù)期指數(shù)期穩(wěn)定期穩(wěn)定期衰亡期衰亡期時間時間t菌體菌體濃度濃度分分批批培培養(yǎng)養(yǎng)條條件件下下的的典典型型生

4、生長長曲曲線線在分批培養(yǎng)過程中根據(jù)產(chǎn)物生成是否與菌體生長同步的關系，將在分批培養(yǎng)過程中根據(jù)產(chǎn)物生成是否與菌體生長同步的關系，將微生物產(chǎn)物形成動力學分為微生物產(chǎn)物形成動力學分為 生長關聯(lián)型生長關聯(lián)型 和和 非生長關聯(lián)型非生長關聯(lián)型。A葡萄糖異構(gòu)酶葡萄糖異構(gòu)酶B菌體濃度菌體濃度B菌體濃度菌體濃度A殺念珠菌素殺念珠菌素生長關聯(lián)型生長關聯(lián)型非生長關聯(lián)型非生長關聯(lián)型產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率成正產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率成正比。這種產(chǎn)物通常是微生物分解基質(zhì)比。這種產(chǎn)物通常是微生物分解基質(zhì)的直接產(chǎn)物，如酒精，但也有某些酶的直接產(chǎn)物，如酒精，但也有某些酶類，如脂肪酶和葡萄糖異構(gòu)酶類，如脂肪酶和葡萄糖異構(gòu)

5、酶產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率產(chǎn)物的生成速率與菌體生長速率成無關，而與菌體量的多少有關。成無關，而與菌體量的多少有關。對于生長關聯(lián)型產(chǎn)品，可對于生長關聯(lián)型產(chǎn)品，可采用有利于細胞生長的培采用有利于細胞生長的培養(yǎng)條件，延長與產(chǎn)物合成養(yǎng)條件，延長與產(chǎn)物合成有關的對數(shù)生長期。有關的對數(shù)生長期。對于非生長關聯(lián)型產(chǎn)品，那對于非生長關聯(lián)型產(chǎn)品，那么宜縮短菌體的對數(shù)生長期，么宜縮短菌體的對數(shù)生長期，并迅速獲得足夠量的菌體細并迅速獲得足夠量的菌體細胞后，延長穩(wěn)定期，從而提胞后，延長穩(wěn)定期，從而提高產(chǎn)量。高產(chǎn)量。2、補料分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵是指分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基的培是指分批培養(yǎng)過程中，間

6、歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。養(yǎng)方法。與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，優(yōu)點在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，優(yōu)點在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點：很低的基質(zhì)濃度。低基質(zhì)濃度的優(yōu)點： 可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?shù)目梢猿タ焖倮锰荚吹淖瓒粜?，并維持適當?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；菌體濃度，使不至于加劇供氧的矛盾； 克服養(yǎng)分的缺乏，防止發(fā)酵過早結(jié)束。克服養(yǎng)分的缺乏，防止發(fā)酵過早結(jié)束。、半連續(xù)發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵是指在補料分批發(fā)酵的根底上，間歇地放掉局部發(fā)酵液是指在補料分批發(fā)酵的根底上，間歇地放掉局部發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。的培養(yǎng)方法。優(yōu)點：優(yōu)點： 可以除去快

7、速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?shù)目梢猿タ焖倮锰荚吹淖瓒粜?，并維持適當?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；菌體濃度，使不至于加劇供氧的矛盾； 克服養(yǎng)分的缺乏，防止發(fā)酵過早結(jié)束；克服養(yǎng)分的缺乏，防止發(fā)酵過早結(jié)束；緩解有害代謝產(chǎn)物的積累。緩解有害代謝產(chǎn)物的積累。、連續(xù)發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵又稱連續(xù)流動培養(yǎng)或開放型培養(yǎng)，即培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入又稱連續(xù)流動培養(yǎng)或開放型培養(yǎng)，即培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時放出含有產(chǎn)品的發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。在這發(fā)酵罐，并同時放出含有產(chǎn)品的發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。在這樣的環(huán)境中培養(yǎng)，所提供的基質(zhì)對菌的生長就受到限制，樣的環(huán)境中培養(yǎng)，所提供的基質(zhì)對菌的生長就受到限制，培養(yǎng)液中的菌體濃

8、度能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。培養(yǎng)液中的菌體濃度能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，連續(xù)培養(yǎng)有以下優(yōu)點：與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，連續(xù)培養(yǎng)有以下優(yōu)點： 維持低基質(zhì)濃度：可以除去快速利用碳源的阻遏效應，維持低基質(zhì)濃度：可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；并維持適當?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾； 防止培養(yǎng)基積累有毒代謝物；防止培養(yǎng)基積累有毒代謝物； 可以提高設備利用率和單位時間的產(chǎn)量，節(jié)省發(fā)酵罐的可以提高設備利用率和單位時間的產(chǎn)量，節(jié)省發(fā)酵罐的非生產(chǎn)時間；非生產(chǎn)時間； 便于自動控制。便于自動控制。但連續(xù)培養(yǎng)也有缺點：但連續(xù)培養(yǎng)也有缺點：長時間的連續(xù)培養(yǎng)

9、難以保證純種培養(yǎng)，并且菌種發(fā)生長時間的連續(xù)培養(yǎng)難以保證純種培養(yǎng)，并且菌種發(fā)生變異的可能性較大，故在工業(yè)規(guī)模上很少采用。生產(chǎn)變異的可能性較大，故在工業(yè)規(guī)模上很少采用。生產(chǎn)上只有丙酮丁醇厭氧發(fā)酵、紙漿液生產(chǎn)飼料酵母、以上只有丙酮丁醇厭氧發(fā)酵、紙漿液生產(chǎn)飼料酵母、以及活性污泥處理各種廢水等才使用連續(xù)培養(yǎng)工藝，此及活性污泥處理各種廢水等才使用連續(xù)培養(yǎng)工藝，此方法多數(shù)用于實驗室以研究微生物的生理特性。方法多數(shù)用于實驗室以研究微生物的生理特性。三、發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)三、發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)1. pH值酸堿度值酸堿度2. 溫度溫度3. 溶解氧濃度溶解氧濃度4. 基質(zhì)含量基質(zhì)含量5. 空氣流量空氣流量6

10、. 壓力壓力7. 攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速8. 攪拌功率攪拌功率9. 粘度粘度10. 濁度濁度11. 料液流量料液流量12. 產(chǎn)物濃度產(chǎn)物濃度13. 氧化復原電位氧化復原電位14. 廢氣中的氧含量廢氣中的氧含量15. 廢氣中的廢氣中的CO2含量含量16. 菌絲形態(tài)菌絲形態(tài)17. 菌體濃度菌體濃度第二節(jié)第二節(jié) 溫度對發(fā)酵的影響及其控制溫度對發(fā)酵的影響及其控制一、溫度對發(fā)酵的影響一、溫度對發(fā)酵的影響v微生物發(fā)酵所用的菌體絕大多數(shù)是中溫菌，如霉菌、放線微生物發(fā)酵所用的菌體絕大多數(shù)是中溫菌，如霉菌、放線菌和一般細菌。它們的最適生長溫度一般在菌和一般細菌。它們的最適生長溫度一般在2040。v溫度會影響各種酶反響

11、的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成溫度會影響各種酶反響的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機制。影響發(fā)酵液的理化性質(zhì)，方向，影響微生物的代謝調(diào)控機制。影響發(fā)酵液的理化性質(zhì)，進而影響發(fā)酵的動力學特性和產(chǎn)物的生物合成。進而影響發(fā)酵的動力學特性和產(chǎn)物的生物合成。v在發(fā)酵過程中，需要維持適當?shù)臏囟?，才能使菌體生長和在發(fā)酵過程中，需要維持適當?shù)臏囟?，才能使菌體生長和代謝產(chǎn)物的合成順利進行。代謝產(chǎn)物的合成順利進行。二、影響發(fā)酵溫度變化的因素二、影響發(fā)酵溫度變化的因素產(chǎn)熱因素：生物熱產(chǎn)熱因素：生物熱Q生物、攪拌熱生物、攪拌熱Q攪拌攪拌散熱因素：蒸發(fā)熱散熱因素：蒸發(fā)熱Q蒸發(fā)、輻射熱蒸發(fā)、輻射熱

12、Q輻射、顯熱輻射、顯熱Q顯顯發(fā)酵熱發(fā)酵熱Q發(fā)酵是發(fā)酵溫度變化的主要因素。發(fā)酵是發(fā)酵溫度變化的主要因素。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顯顯為了使發(fā)酵能在一定溫度下進行，要設法進行控制。為了使發(fā)酵能在一定溫度下進行，要設法進行控制。由于由于Q生物生物、Q蒸發(fā)蒸發(fā)和和Q顯顯，特別是，特別是Q生物生物在發(fā)酵過程中隨時間變化，因在發(fā)酵過程中隨時間變化，因此發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中也隨時間變化，引起發(fā)酵溫度發(fā)生波動。此發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中也隨時間變化，引起發(fā)酵溫度發(fā)生波動。三、溫度的控制三、溫度的控制1. 最適溫度的選擇最適溫度的選擇2. 溫度的控制溫度的控制在生長階段，應選擇最適生

13、長溫度；在生長階段，應選擇最適生長溫度；在產(chǎn)物分泌階段，應選擇最適生產(chǎn)溫度。在產(chǎn)物分泌階段，應選擇最適生產(chǎn)溫度。發(fā)酵溫度可根據(jù)不同菌種、不同產(chǎn)品進行選擇。發(fā)酵溫度可根據(jù)不同菌種、不同產(chǎn)品進行選擇。v工業(yè)生產(chǎn)上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，工業(yè)生產(chǎn)上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況較多。因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況較多。v利用自動控制或手動調(diào)整的閥門，將冷卻水通入發(fā)酵罐的夾層利用自動控制或手動調(diào)整的閥門，將冷卻水通入發(fā)酵罐的夾層或蛇行管中，通過熱交換來降溫，保持恒溫發(fā)酵?；蛏咝泄苤?，通過熱交換來降溫，保持恒溫發(fā)酵。

14、v如果氣溫較高特別是我國南方的夏季氣溫，冷卻水的溫度如果氣溫較高特別是我國南方的夏季氣溫，冷卻水的溫度又高，致使冷卻效果很差，達不到預定的溫度，就可采用冷凍又高，致使冷卻效果很差，達不到預定的溫度，就可采用冷凍鹽水進行循環(huán)式降溫，以迅速降到最適溫度。因此大工廠需要鹽水進行循環(huán)式降溫，以迅速降到最適溫度。因此大工廠需要建立冷凍站，提高冷卻能力，以保證在正常溫度下進行發(fā)酵。建立冷凍站，提高冷卻能力，以保證在正常溫度下進行發(fā)酵。第三節(jié)第三節(jié) pH值對發(fā)酵的影響及其控制值對發(fā)酵的影響及其控制一、一、pH值對發(fā)酵的影響值對發(fā)酵的影響1. 影響酶的活性，當影響酶的活性，當pH值抑制菌體中某些酶的活性時，值

15、抑制菌體中某些酶的活性時，會阻礙菌體的新陳代謝；會阻礙菌體的新陳代謝；2. 影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細胞膜的通影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細胞膜的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的排泄；透性，影響微生物對營養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的排泄；影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進而微生物對這些成影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進而微生物對這些成分的吸收；分的吸收；3. pH值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。二、發(fā)酵過程二、發(fā)酵過程pH值的變化值的變化在發(fā)酵過程中，隨著菌種對培養(yǎng)基種碳

16、、氮源的利用，隨著有機酸在發(fā)酵過程中，隨著菌種對培養(yǎng)基種碳、氮源的利用，隨著有機酸和氨基酸的積累，會使和氨基酸的積累，會使pH值產(chǎn)生一定的變化。值產(chǎn)生一定的變化。1、生長階段：菌體產(chǎn)生蛋白酶水解培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)，、生長階段：菌體產(chǎn)生蛋白酶水解培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)，生成銨離子，使生成銨離子，使pH上升至堿性；隨著菌體量增多，銨離上升至堿性；隨著菌體量增多，銨離子的消耗也增多，另外糖利用過程中有機酸的積累使子的消耗也增多，另外糖利用過程中有機酸的積累使pH值下降。值下降。2、生產(chǎn)階段：這個階段、生產(chǎn)階段：這個階段pH值趨于穩(wěn)定。值趨于穩(wěn)定。3、自溶階段：隨著養(yǎng)分的耗盡，菌體蛋白酶的活潑，培、自溶階段：

17、隨著養(yǎng)分的耗盡，菌體蛋白酶的活潑，培養(yǎng)液中氨基氮增加，致使養(yǎng)液中氨基氮增加，致使pH又上升，此時菌體趨于自溶又上升，此時菌體趨于自溶而代謝活動終止。而代謝活動終止。pH值值培養(yǎng)時間培養(yǎng)時間培養(yǎng)過程中培培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液養(yǎng)液pH值的大值的大致變化趨勢致變化趨勢由此可見，在適合于菌生長及合成產(chǎn)物的環(huán)境條件下，由此可見，在適合于菌生長及合成產(chǎn)物的環(huán)境條件下，菌體本身具有一定的調(diào)節(jié)菌體本身具有一定的調(diào)節(jié)pH的能力，但是當外界條件變的能力，但是當外界條件變化過于劇烈，菌體就失去了調(diào)節(jié)能力，培養(yǎng)液的化過于劇烈，菌體就失去了調(diào)節(jié)能力，培養(yǎng)液的pH就會就會波動。波動。三、引起發(fā)酵液三、引起發(fā)酵液pH值異常波動的

18、因素值異常波動的因素pH值的變化決定于所用的菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件。值的變化決定于所用的菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件。1、pH下降：下降： 培養(yǎng)基中碳、氮比例不當。碳源過多，特別是葡萄糖過量，或者培養(yǎng)基中碳、氮比例不當。碳源過多，特別是葡萄糖過量，或者中間補糖過多加上溶氧缺乏，致使有機酸大量積累而中間補糖過多加上溶氧缺乏，致使有機酸大量積累而pH下降；下降； 消泡劑加得過多；消泡劑加得過多； 生理酸性物質(zhì)的存在，銨被利用，生理酸性物質(zhì)的存在，銨被利用，pH下降。下降。2、pH上升：上升： 培養(yǎng)基中碳、氮比例不當。氮源過多，氨基氮釋放，使培養(yǎng)基中碳、氮比例不當。氮源過多，氨基氮釋放，使pH

19、上升；上升； 生理堿性物質(zhì)存在；生理堿性物質(zhì)存在； 中間補料氨水活尿素等堿性物質(zhì)參加過多。中間補料氨水活尿素等堿性物質(zhì)參加過多。四、發(fā)酵四、發(fā)酵pH值確實定和控制值確實定和控制1. 發(fā)酵發(fā)酵pH值確實定值確實定v微生物發(fā)酵的最適微生物發(fā)酵的最適pH值范圍一般是在值范圍一般是在58之間。之間。v最適最適pH值是根據(jù)實驗結(jié)果來確定的。值是根據(jù)實驗結(jié)果來確定的。a.將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)pH值，進行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，值，進行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，定時測定和調(diào)節(jié)定時測定和調(diào)節(jié)pH值，以分別維持出發(fā)值，以分別維持出發(fā)pH值，或者利用緩沖液來配值，或者利用緩沖液來配制培養(yǎng)

20、基來維持。制培養(yǎng)基來維持。b.到時觀察菌體的生長情況，以菌體生長到達最高值的到時觀察菌體的生長情況，以菌體生長到達最高值的pH值為菌體生值為菌體生長的適宜長的適宜pH值。值。c.用同樣的方法，可測得產(chǎn)物合成的適宜用同樣的方法，可測得產(chǎn)物合成的適宜pH值。值。d.同一產(chǎn)品的適宜同一產(chǎn)品的適宜pH值，與所用的菌種、培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件有關。值，與所用的菌種、培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件有關。e.在確定適宜發(fā)酵在確定適宜發(fā)酵pH值時，不定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響，假設溫度值時，不定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響，假設溫度提供或降低，適宜提供或降低，適宜pH值也可能發(fā)生變動。值也可能發(fā)生變動。2. pH值的控制值的控制

21、a. 首先考慮和試驗發(fā)酵培養(yǎng)基的根底配方，使它們有個首先考慮和試驗發(fā)酵培養(yǎng)基的根底配方，使它們有個適當?shù)呐浔?，使發(fā)酵過程中的適當?shù)呐浔龋拱l(fā)酵過程中的pH值變化在適宜的范值變化在適宜的范圍內(nèi)。圍內(nèi)。b. 在發(fā)酵過程中直接補加酸或堿和補料的方式來控制；在發(fā)酵過程中直接補加酸或堿和補料的方式來控制；補充生理酸性物質(zhì)如補充生理酸性物質(zhì)如(NH4)2SO4和生理堿性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)如如NaNO3來控制。來控制。第四節(jié)第四節(jié) 溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制一、溶解氧對發(fā)酵的影響一、溶解氧對發(fā)酵的影響在發(fā)酵過程中，影響耗氧的因素有以下幾方面：在發(fā)酵過程中，影響耗氧的因素有以下幾方面

22、：1培養(yǎng)基的成分和濃度培養(yǎng)基的成分和濃度2菌齡菌齡3發(fā)酵條件發(fā)酵條件二、溶解氧濃度的控制二、溶解氧濃度的控制在供氧方面，主要是設法提高氧傳遞的推動力和液相體積氧傳遞系數(shù)。在供氧方面，主要是設法提高氧傳遞的推動力和液相體積氧傳遞系數(shù)。調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通氣速率來控制供氧；調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通氣速率來控制供氧；控制補料速度來控制基質(zhì)的濃度，從而到達最適的菌體濃控制補料速度來控制基質(zhì)的濃度，從而到達最適的菌體濃度，保證產(chǎn)物的比生長速率維持在最大值，又不會使需氧度，保證產(chǎn)物的比生長速率維持在最大值，又不會使需氧大于供氧。大于供氧。采用調(diào)節(jié)溫度降低培養(yǎng)溫度可提高溶氧濃度、液化培采用調(diào)節(jié)溫度降低培養(yǎng)溫度可提高溶氧

23、濃度、液化培養(yǎng)基、中間補水、添加外表活性劑等工藝措施，來改善溶養(yǎng)基、中間補水、添加外表活性劑等工藝措施，來改善溶氧水平。氧水平。第五節(jié)第五節(jié) 菌體濃度和基質(zhì)對發(fā)酵的影響及其控制菌體濃度和基質(zhì)對發(fā)酵的影響及其控制一、菌體濃度對發(fā)酵的影響及控制一、菌體濃度對發(fā)酵的影響及控制菌體細胞濃度【簡稱菌濃】是指單位體積培養(yǎng)液中菌體的含量。菌體細胞濃度【簡稱菌濃】是指單位體積培養(yǎng)液中菌體的含量。菌濃的大小，在一定條件下，不僅反映菌體細胞的多少，而且反映菌菌濃的大小，在一定條件下，不僅反映菌體細胞的多少，而且反映菌體細胞生理特性不完全相同的分化階段。體細胞生理特性不完全相同的分化階段。依靠調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的濃度來控制

24、菌濃。依靠調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的濃度來控制菌濃。l首先確定根底培養(yǎng)基配方中有個適當?shù)呐浔?，防止產(chǎn)生過濃或首先確定根底培養(yǎng)基配方中有個適當?shù)呐浔龋乐巩a(chǎn)生過濃或過稀的菌體量。過稀的菌體量。l然后通過中間補料來控制，如當菌體生長緩慢、菌濃太稀時，那然后通過中間補料來控制，如當菌體生長緩慢、菌濃太稀時，那么可補加一局部磷酸鹽，促進生長，提高菌濃；但補加過多，那么么可補加一局部磷酸鹽，促進生長，提高菌濃；但補加過多，那么會使菌體過分生長，超過臨界濃度，對產(chǎn)物合成產(chǎn)生抑制作用。會使菌體過分生長，超過臨界濃度，對產(chǎn)物合成產(chǎn)生抑制作用。利用菌體代謝產(chǎn)生的利用菌體代謝產(chǎn)生的CO2量來控制生產(chǎn)過程的補糖量，量來控制生產(chǎn)過

25、程的補糖量，以控制菌體的生長和濃度。以控制菌體的生長和濃度。二、基質(zhì)對發(fā)酵的影響及控制二、基質(zhì)對發(fā)酵的影響及控制基質(zhì)即培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物質(zhì)?；|(zhì)即培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物質(zhì)。1. 碳源對發(fā)酵的影響及控制碳源對發(fā)酵的影響及控制迅速利用的碳源迅速利用的碳源緩慢利用的碳源緩慢利用的碳源l葡萄糖、蔗糖等葡萄糖、蔗糖等l迅速參與代謝、合成菌體和產(chǎn)生能量，并產(chǎn)生分迅速參與代謝、合成菌體和產(chǎn)生能量，并產(chǎn)生分解產(chǎn)物，有利于菌體生長，但有的分解代謝產(chǎn)物對解產(chǎn)物，有利于菌體生長，但有的分解代謝產(chǎn)物對產(chǎn)物的合成可能產(chǎn)生阻遏作用；產(chǎn)物的合成可能產(chǎn)生阻遏作用；l多數(shù)為聚合物，淀粉等多數(shù)為聚合物，淀粉等l為菌體緩慢利用，有利于

26、延長代謝產(chǎn)物的合成，特別有利于為菌體緩慢利用，有利于延長代謝產(chǎn)物的合成，特別有利于延長抗生素的分泌期，也有許多微生物藥物的發(fā)酵所采用。延長抗生素的分泌期，也有許多微生物藥物的發(fā)酵所采用。在工業(yè)上，發(fā)酵培養(yǎng)基中常采用含迅速和緩慢利用的混合碳源。在工業(yè)上，發(fā)酵培養(yǎng)基中常采用含迅速和緩慢利用的混合碳源。2. 氮源對發(fā)酵的影響及控制氮源對發(fā)酵的影響及控制迅速利用的氮源迅速利用的氮源緩慢利用的氮源緩慢利用的氮源u氨基或銨態(tài)氮的氨基酸或硫酸銨等、玉米漿氨基或銨態(tài)氮的氨基酸或硫酸銨等、玉米漿u容易被菌體利用，促進菌體生長，但對某些代謝產(chǎn)物的容易被菌體利用，促進菌體生長，但對某些代謝產(chǎn)物的合成特別是某些抗生素

27、的合成產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，影響產(chǎn)量。合成特別是某些抗生素的合成產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，影響產(chǎn)量。延長代謝產(chǎn)物的分泌期、提高產(chǎn)物的產(chǎn)量；但一次投入也容易促進菌體生長延長代謝產(chǎn)物的分泌期、提高產(chǎn)物的產(chǎn)量；但一次投入也容易促進菌體生長和養(yǎng)分過早耗盡，以致菌體過早衰老而自溶，縮短產(chǎn)物的分泌期。和養(yǎng)分過早耗盡，以致菌體過早衰老而自溶，縮短產(chǎn)物的分泌期。發(fā)酵培養(yǎng)基一般選用含有快速和慢速利用的混合氮源，發(fā)酵培養(yǎng)基一般選用含有快速和慢速利用的混合氮源，還要在發(fā)酵過程中補加氮源來控制濃度。還要在發(fā)酵過程中補加氮源來控制濃度。 補加有機氮源，如酵母汁、玉米漿、尿素補加有機氮源，如酵母汁、玉米漿、尿素 補加無機氮源，如氨水或硫酸銨

28、補加無機氮源，如氨水或硫酸銨3. 磷酸鹽對發(fā)酵的影響及控制磷酸鹽對發(fā)酵的影響及控制磷是微生物菌體生長繁殖所必需的成分，也是合成代謝產(chǎn)物所必需的。磷是微生物菌體生長繁殖所必需的成分，也是合成代謝產(chǎn)物所必需的。微生物生長良好所允許的磷酸鹽濃度為微生物生長良好所允許的磷酸鹽濃度為0.32300mmol/L，磷酸鹽濃度的控制，一般是在根底培養(yǎng)基中采用適當?shù)臐舛取Ａ姿猁}濃度的控制，一般是在根底培養(yǎng)基中采用適當?shù)臐舛取５诹?jié)第六節(jié) 補料的控制補料的控制補料分批培養(yǎng)補料分批培養(yǎng)fed-batch culture，簡稱，簡稱FBC，是指在分，是指在分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)地補加一種或多種成分的新鮮培批培養(yǎng)過

29、程中，間歇或連續(xù)地補加一種或多種成分的新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，是分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的一種過渡培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，是分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的一種過渡培養(yǎng)方式，是一種控制發(fā)酵的好方法，現(xiàn)已廣泛用于發(fā)酵工業(yè)。養(yǎng)方式，是一種控制發(fā)酵的好方法，現(xiàn)已廣泛用于發(fā)酵工業(yè)。 可以解除底物抑制、產(chǎn)物反響抑制和分解代謝物的阻遏；可以解除底物抑制、產(chǎn)物反響抑制和分解代謝物的阻遏； 可以防止在分批發(fā)酵中因一次投料過多造成細胞大量生長可以防止在分批發(fā)酵中因一次投料過多造成細胞大量生長所引起的影響，改善發(fā)酵流變學的性質(zhì)；所引起的影響，改善發(fā)酵流變學的性質(zhì)； 可用作控制細胞質(zhì)量的手段，以提高發(fā)芽孢子的比例；可用作控制細胞質(zhì)量

30、的手段，以提高發(fā)芽孢子的比例； 可作為理論研究的手段，為自動控制和最優(yōu)控制提供實驗可作為理論研究的手段，為自動控制和最優(yōu)控制提供實驗根底。根底。一、補料分批培養(yǎng)一、補料分批培養(yǎng)FBC的優(yōu)點的優(yōu)點二、補料方式及控制二、補料方式及控制u連續(xù)流加、不連續(xù)流加、多周期流加連續(xù)流加、不連續(xù)流加、多周期流加u快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加、變速流加快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加、變速流加u單組分流加、多組分流加單組分流加、多組分流加補料方式補料方式流加操作控制系統(tǒng)流加操作控制系統(tǒng)u反饋控制反饋控制u無反饋控制無反饋控制直接方法直接方法間接方法間接方法以溶氧、以溶氧、pH值、呼吸商、排氣中值、呼吸商、排

31、氣中CO2分分壓及代謝產(chǎn)物濃度等作為控制參數(shù)壓及代謝產(chǎn)物濃度等作為控制參數(shù)直接以限制性營養(yǎng)物濃度作為反響參數(shù)，如直接以限制性營養(yǎng)物濃度作為反響參數(shù)，如控制氮源、碳源、控制氮源、碳源、C/N比等，由于目前缺乏比等，由于目前缺乏能直接測量重要參數(shù)的傳感器，因此直接方能直接測量重要參數(shù)的傳感器，因此直接方法的使用受到了限制。法的使用受到了限制。第七節(jié)第七節(jié) 泡沫對發(fā)酵的影響及其控制泡沫對發(fā)酵的影響及其控制一、泡沫的形成及其對發(fā)酵的影響一、泡沫的形成及其對發(fā)酵的影響在大多數(shù)微生物發(fā)酵過程中，通氣、攪拌以及代謝氣體的逸出，再加上培在大多數(shù)微生物發(fā)酵過程中，通氣、攪拌以及代謝氣體的逸出，再加上培養(yǎng)基中糖、

32、蛋白質(zhì)、代謝物等外表活性劑的養(yǎng)基中糖、蛋白質(zhì)、代謝物等外表活性劑的 存在，培養(yǎng)液中就形成了泡沫。存在，培養(yǎng)液中就形成了泡沫。泡沫的多少與攪拌、通風、培養(yǎng)基性質(zhì)有關。泡沫的多少與攪拌、通風、培養(yǎng)基性質(zhì)有關。u蛋白質(zhì)原料如蛋白胨、玉米漿、黃豆粉、酵母粉等是主要蛋白質(zhì)原料如蛋白胨、玉米漿、黃豆粉、酵母粉等是主要的發(fā)泡劑。的發(fā)泡劑。u糊精含量多也引起泡沫的形成。糊精含量多也引起泡沫的形成。u當發(fā)酵感染雜菌和噬菌體時，泡沫異常多。當發(fā)酵感染雜菌和噬菌體時，泡沫異常多。少量泡沫的作用：少量泡沫的作用：一定數(shù)量的泡沫是正?，F(xiàn)象，可以增加氣液接觸面積，導致一定數(shù)量的泡沫是正?，F(xiàn)象，可以增加氣液接觸面積，導致氧

33、傳遞速率增加；氧傳遞速率增加；大量的泡沫引起許多負作用：大量的泡沫引起許多負作用：發(fā)酵罐的裝料系數(shù)減少、氧傳遞系統(tǒng)減?。话l(fā)酵罐的裝料系數(shù)減少、氧傳遞系統(tǒng)減小；增加了菌群的非均一性；增加了菌群的非均一性；造成大量逃液，增加染菌時機；造成大量逃液，增加染菌時機；嚴重時通氣攪拌無法進行，菌體呼吸受到阻礙，導致代謝異嚴重時通氣攪拌無法進行，菌體呼吸受到阻礙，導致代謝異?；蚓w自溶；?；蚓w自溶；消泡劑的添加將給提取工序帶來困難。消泡劑的添加將給提取工序帶來困難。 調(diào)整培養(yǎng)基中的成分如少加或緩加易起泡的原料或調(diào)整培養(yǎng)基中的成分如少加或緩加易起泡的原料或改變某些物理化學參數(shù)如改變某些物理化學參數(shù)如pH值、

34、溫度、通氣和攪拌值、溫度、通氣和攪拌或者改變發(fā)酵工藝如采用分次投料來控制，以減少或者改變發(fā)酵工藝如采用分次投料來控制，以減少泡沫形成的時機。泡沫形成的時機。 采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的菌種，來采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的菌種，來消除起泡的內(nèi)在因素。消除起泡的內(nèi)在因素。 采用機械消泡或消泡劑來消除已形成的泡沫。采用機械消泡或消泡劑來消除已形成的泡沫。1. 機械消泡機械消泡物理消泡方法，利用機械強烈振動或壓力變化而使泡沫破裂。物理消泡方法，利用機械強烈振動或壓力變化而使泡沫破裂。優(yōu)點：節(jié)省原料，減少染菌時機。優(yōu)點：節(jié)省原料，減少染菌時機。缺點：消泡效果不理想，僅可作為消泡

35、的輔助方法。缺點：消泡效果不理想，僅可作為消泡的輔助方法。罐內(nèi)消泡罐內(nèi)消泡靠罐內(nèi)消泡槳轉(zhuǎn)動打碎泡沫?？抗迌?nèi)消泡槳轉(zhuǎn)動打碎泡沫。罐外消泡罐外消泡將泡沫引出罐外，通過噴嘴的加速作用或離心力來消除泡沫。將泡沫引出罐外，通過噴嘴的加速作用或離心力來消除泡沫。2. 消泡劑消泡消泡劑消泡A.消泡劑的作用：消泡劑的作用：降低泡沫液膜的機械強度；降低泡沫液膜的機械強度；降低液膜的外表黏度；降低液膜的外表黏度；兼有兩者的作用，到達破裂泡沫的目的。兼有兩者的作用，到達破裂泡沫的目的。B.作為生物工業(yè)理想的消泡劑，應具備以下條件：作為生物工業(yè)理想的消泡劑，應具備以下條件：應該在氣液界面上具有足夠大的鋪展系數(shù)，才能迅

36、速應該在氣液界面上具有足夠大的鋪展系數(shù)，才能迅速發(fā)揮消泡作用，這就要求消泡劑有一定的親水性；發(fā)揮消泡作用，這就要求消泡劑有一定的親水性；應該在低濃度時具有消泡活性；應該在低濃度時具有消泡活性；應該具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；應該具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；應該對微生物、人類和動物無毒性；應該對微生物、人類和動物無毒性；應該對產(chǎn)物的提取不產(chǎn)生影響；應該對產(chǎn)物的提取不產(chǎn)生影響；不會在使用、運輸中引起任何危害；不會在使用、運輸中引起任何危害；來源方便，本錢低；來源方便，本錢低；應該對氧傳遞不產(chǎn)生影響；應該對氧傳遞不產(chǎn)生影響；能耐高溫滅菌。能耐高溫滅菌。C.常用的消

37、泡劑有常用的消泡劑有4大類：大類： 天然油脂類天然油脂類 脂肪酸和酯類脂肪酸和酯類 聚醚類聚醚類 硅酮類硅酮類 以天然油脂類和聚醚類在生物發(fā)酵中最為常用。以天然油脂類和聚醚類在生物發(fā)酵中最為常用。豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和豬油等。豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和豬油等。油不僅用作消泡劑，還可作為碳源和發(fā)酵控制的手段。油不僅用作消泡劑，還可作為碳源和發(fā)酵控制的手段。在發(fā)酵中，要控制油的質(zhì)量、新鮮程度，并要進行發(fā)酵試驗檢驗。在發(fā)酵中，要控制油的質(zhì)量、新鮮程度，并要進行發(fā)酵試驗檢驗。聚醚類消泡劑品種很多，它們是氧化丙稀或氧化丙稀和環(huán)氧乙烷與甘油聚合聚醚類消泡劑品種很多，它們是氧化丙稀或氧化丙稀和環(huán)

38、氧乙烷與甘油聚合而成的聚合物。而成的聚合物。聚氧丙稀甘油聚氧丙稀甘油GP型型氧化丙稀和甘油聚合；親水性差，在發(fā)泡介質(zhì)氧化丙稀和甘油聚合；親水性差，在發(fā)泡介質(zhì)中的溶解度小，所以用于稀薄發(fā)酵液中要比用于粘稠發(fā)酵液中的效果好；抑中的溶解度小，所以用于稀薄發(fā)酵液中要比用于粘稠發(fā)酵液中的效果好；抑泡性能比消泡性能好，適宜用于根底培養(yǎng)基中，以抑制泡沫的產(chǎn)生。泡性能比消泡性能好，適宜用于根底培養(yǎng)基中，以抑制泡沫的產(chǎn)生。聚氧乙烯氧丙稀甘油聚氧乙烯氧丙稀甘油GPE型，泡敵型，泡敵氧化丙稀、環(huán)氧乙烷與甘油聚合；氧化丙稀、環(huán)氧乙烷與甘油聚合；親水性好，在發(fā)泡介質(zhì)中易鋪展，消泡能力強，作用快，溶解度大，消泡活親水性好

39、，在發(fā)泡介質(zhì)中易鋪展，消泡能力強，作用快，溶解度大，消泡活性維持時間短，用于粘稠發(fā)酵液的效果比用于稀薄的好。性維持時間短，用于粘稠發(fā)酵液的效果比用于稀薄的好。D.應用消泡劑時的增效方法：應用消泡劑時的增效方法：加載體增效，即用惰性載體如礦物油、植物油等使消泡加載體增效，即用惰性載體如礦物油、植物油等使消泡劑溶解分散，到達增效的目的；劑溶解分散，到達增效的目的；消泡劑并用增效，取各種消泡劑的優(yōu)點進行互補，到達增效；消泡劑并用增效，取各種消泡劑的優(yōu)點進行互補，到達增效；乳化消泡劑增效，用乳化劑或分散劑將消泡劑制成乳劑，乳化消泡劑增效，用乳化劑或分散劑將消泡劑制成乳劑，以提高分散能力，增強消泡效力，一般只適用于親水性以提高分散能力，增強消泡效力，一般只適用于親水性差的消泡劑。差的消泡劑。GP和和GPE 1:1混合使用于土霉素發(fā)酵，結(jié)果比單獨使用混合使用于土霉素發(fā)酵，結(jié)果比單獨使用GP的效力提高的效力提高2倍。倍。用吐溫用吐溫-80制成的乳劑，用于慶大霉素發(fā)酵，效力提高制成的乳劑，用于慶大霉素發(fā)酵，效力提高12倍。倍。在生產(chǎn)過程中，消泡的效果除了與消泡劑的種類、性質(zhì)、分在生產(chǎn)過程中，消泡的效果除了與消泡劑的種類、性質(zhì)、分子量大小、消泡劑親油親水基團等密切香港外，還與消泡