第七章發(fā)酵過程中工藝參數(shù)的檢測(cè)和控制課件

1、第七章 發(fā)酵過程中工藝參數(shù)的檢測(cè)和控制發(fā)酵涉及到微生物學(xué)、生物化學(xué)及發(fā)酵工藝學(xué)知識(shí)。要想獲得高產(chǎn)，對(duì)生產(chǎn)菌的生活規(guī)律要充分了解。除了生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)外，還需要科學(xué)的檢測(cè)手段。第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的重要類型第二節(jié) 發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)第三節(jié) 菌體及基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的 影響及控制第四節(jié) 溶氧的濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制第五節(jié) pH對(duì)發(fā)酵的影響及控制第七章 發(fā)酵工藝控制第六節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響及控制第七節(jié) 二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控制第八節(jié) 補(bǔ)料及泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及控制第九節(jié) 工業(yè)發(fā)酵染菌的防治第十節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的判斷第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的主要類型一、按投料方式分微生物培養(yǎng)有三種方式，分批、連續(xù)培養(yǎng)和分批補(bǔ)料。二、按菌體生

2、長與產(chǎn)物形成關(guān)系分微生物發(fā)酵過程中的動(dòng)力學(xué)類型 類型I、類型II、類型III第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的主要類型 分批發(fā)酵法(batch fermentation) 分批發(fā)酵又稱分批培養(yǎng)，發(fā)酵工業(yè)中常見的分批發(fā)酵方法是采用單罐深層分批發(fā)酵法。每一個(gè)分批發(fā)酵過程都經(jīng)歷接種、生長繁殖、菌體衰老進(jìn)而結(jié)束發(fā)酵，最終提取出產(chǎn)物。 第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的主要類型（二） 連續(xù)發(fā)酵法(continuous fermentation)在發(fā)酵罐中一方面以一定速度連續(xù)不斷地流加新鮮液體培養(yǎng)基，另一方面又以同樣的速度連續(xù)不斷地將發(fā)酵液排出，使發(fā)酵罐中的菌體進(jìn)行連續(xù)生長和發(fā)酵。 Flash1第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的主要類型（三） 補(bǔ)料分批

3、發(fā)酵法(fed-batch fermentation)補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。與傳統(tǒng)分批發(fā)酵相比，其優(yōu)點(diǎn)在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。 第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的主要類型二、按菌體生長與產(chǎn)物形成關(guān)系分微生物發(fā)酵過程中的動(dòng)力學(xué)類型 類型I、類型II、類型III 微生物發(fā)酵過程中的動(dòng)力學(xué)類型比速率：是1克細(xì)胞每小時(shí)形成產(chǎn)物的克數(shù)或每克細(xì)胞每小時(shí)利用糖的克數(shù)（g/g.h）或每克細(xì)胞每小時(shí)繁殖細(xì)胞的克數(shù)。類型I：菌體的生長、碳源的利用與產(chǎn)物形成的比速率曲線均有一個(gè)高峰，且高峰基本上在相同的時(shí)間出現(xiàn)。如單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)等。類型II：可粗略的分為

4、兩個(gè)節(jié)段，在發(fā)酵的第一期菌體迅速生長，產(chǎn)物形成很少或全無，在第二個(gè)階段產(chǎn)物高速形成，菌體生長和糖耗也相應(yīng)增加。如檸檬酸和某些氨基酸發(fā)酵。類型III：生長和產(chǎn)物是來自兩個(gè)代謝途徑，而不是來自分解代謝途徑，在基質(zhì)消耗和菌體生長之后，菌體利用中間代謝反應(yīng)來形成產(chǎn)物，也就是，初級(jí)代謝和產(chǎn)物形成是完全分開的，如許多抗生素發(fā)酵。 Flash2第二節(jié)、 發(fā)酵過程的主要控制參數(shù) 工廠設(shè)備越先進(jìn)，產(chǎn)品附加值越高，檢測(cè)的參數(shù)就越多。但工廠生產(chǎn)講究越簡單越好。發(fā)酵控制一般分為物理、化學(xué)、生物三類。 一、物理參數(shù) 1 溫度：最適生長溫度，它與酶反應(yīng)速率，氧的溶解、產(chǎn)物合成都有關(guān)。如四環(huán)素生產(chǎn)菌在30時(shí)合成金霉素，35

5、時(shí)，只產(chǎn)生四環(huán)素，合成方向會(huì)改變。生長溫度與合成溫度不同。如青霉素，生長30，合成24.7。 2 壓力（Pa，帕斯卡）。 98070Pa=1Kg/cm2 1Mpa 103Kpa =106Pa。 滅菌壓力 1Kg/cm2=0.11Mpa。 發(fā)酵罐壓一般為 0.020.05Mpa。 3攪拌轉(zhuǎn)速（r/min）。 罐體積 轉(zhuǎn)速（r/min） 通風(fēng)量（m3/m3. min ） 50L 550 1：0.6 50000L 110 1：0.12一般來說，假如小罐與大罐的幾何相同。但為什么轉(zhuǎn)速會(huì)相差這么大？原因大罐氣液接觸時(shí)間長，氧的溶解率高，攪拌和通氣均可小些，一、物理參數(shù) 4攪拌功率（KW） P/V KW/

6、m3 生產(chǎn)上：一般用瓦特計(jì)直接測(cè)量電動(dòng)機(jī)的耗用功率，從中減去各項(xiàng)傳動(dòng)摩擦所損耗的功率。對(duì)小罐，誤差較大。用電阻應(yīng)變式動(dòng)力計(jì)測(cè)量。 一、物理參數(shù)5 通氣量（V/V.min） 氣體流量用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。用m3/m3. min，指每分鐘每立方米發(fā)酵液通進(jìn)1立方米空氣，用11表示。 如檸檬酸10.15，而青霉素11。 6粘度 Pas(秒） Pa= 1N/m2 是細(xì)胞生長和細(xì)胞形態(tài)的一項(xiàng)標(biāo)志，它的大小可改變氧傳遞的阻力，又可表示相對(duì)菌體的濃度。 7濁度：反映單細(xì)胞生長狀況的參數(shù)。如大腸桿菌，用光密度650nm上檢測(cè)或計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)。 8料液流量（L/min） 這是控制流體進(jìn)料的參數(shù)。 二、化學(xué)參數(shù)1 PH：

7、發(fā)酵過程中產(chǎn)酸或產(chǎn)堿的生化反應(yīng)的綜合結(jié)果。細(xì)菌是多少？酵母、霉菌、放線菌？ 二、化學(xué)參數(shù)2 基質(zhì)濃度：指營養(yǎng)成分的濃度，發(fā)酵過程中必須定時(shí)測(cè)定還原糖，總糖，磷酸鹽、氮（氨基酸或氨氮）等基質(zhì)的濃度。 二、化學(xué)參數(shù)3 溶解氧濃度：mmol/L, mg/L, ppm或用% （指飽和濃度的百分?jǐn)?shù)）表示。利用它的變化可了解生產(chǎn)菌對(duì)氧利用的規(guī)律也能反映發(fā)酵的異常情況?？蒲猩嫌糜跈z測(cè)設(shè)備供氧能力的指標(biāo)。二、化學(xué)參數(shù)5 產(chǎn)物的濃度：ug/ml，生產(chǎn)中合成期產(chǎn)物的濃度需要測(cè)定，如檸檬酸生產(chǎn)用NaOH滴定，抗生素用抑菌圈大小測(cè)定。 二、化學(xué)參數(shù)6 廢氣中氧和二氧化碳的濃度：用順磁氧分析儀測(cè)定氧氣的濃度，用紅外二氧

8、化碳分析儀測(cè)定二氧化碳濃度，如氧氣減少和二氧化碳增加表明是好氧代謝的結(jié)果。三、生物參數(shù)1.菌絲形態(tài)：觀察菌絲形態(tài)是生產(chǎn)中最常用的方法。每隔8小時(shí)鏡檢，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常染菌。如青霉素生產(chǎn)，生產(chǎn)菌生長分為I.孢子發(fā)芽，II.菌絲增殖，III.菌絲分枝旺盛，出現(xiàn)脂肪顆粒，IV.菌絲生長減緩，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)小氣泡，V.氣泡增大，顆粒消失，產(chǎn)物形成，VI.氣泡延伸，菌絲自溶。2. 菌體濃度：測(cè)定方法有三種：A.濕重法：量100ml發(fā)酵液，進(jìn)行過濾，濾后菌體用水洗凈，然后用吸水紙將水分?jǐn)D干，直接稱量。B.干重法：上述步驟菌絲放85烘干至恒重。C.體積法：取樣品10ml放于刻度離心管內(nèi)，用轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分離1

9、0min，計(jì)算%（V/V）。固體原料也在其中，但如培養(yǎng)基組成不變條件下，具有相對(duì)準(zhǔn)確性。第三節(jié) 菌體及基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制3.1 菌體濃度對(duì)初級(jí)產(chǎn)品來說，菌濃愈大，產(chǎn)量愈高，但菌濃符合生長曲線。象檸檬酸生產(chǎn)由糖轉(zhuǎn)化成酸。次級(jí)產(chǎn)品如菌濃過大，由于代謝產(chǎn)物的積累，會(huì)影響產(chǎn)量。因其產(chǎn)品與原料并非對(duì)應(yīng)（或底物抑制，分介產(chǎn)物抑制等）。C源，青霉素生產(chǎn)中葡萄糖和乳糖利用。因此工業(yè)上培養(yǎng)基中含有迅速和緩慢利用的混合C源。如為聚合物，利用緩慢。3.2 基質(zhì)濃度N源，也有迅速利用和緩慢利用，前者有氨基酸、硫酸銨、尿素和玉米漿，后者有黃豆餅粉、花生、棉子餅粉等蛋白質(zhì)。前者菌生長快，但產(chǎn)量低，選用快、慢混合氮

10、源很重要。生產(chǎn)上可補(bǔ)加有機(jī)或無機(jī)氮源。3.2 基質(zhì)濃度磷酸鹽：P是核酸，許多輔酶，ATP，組成部分，P對(duì)微生物生長、代謝有重要作用。工業(yè)多以供應(yīng)KH2PO4、K2HPO4為磷源，配料時(shí)， KH2PO4計(jì)算，每克KH2PO4理論磷含量227毫克，如將其溶在1L水中，就是227ppm。用鏈霉菌生產(chǎn)四環(huán)素時(shí)，菌體生長最適磷為65-70ppm，合成為25-30ppm。測(cè)定方法：磷與鉬酸銨（NH4）2M0O4作用，生成磷鉬酸銨，在酸性條件下，用VC還原，生成鉬藍(lán)，然后比色。 3.3基質(zhì)濃度的控制 分批補(bǔ)料培養(yǎng)（fed-batch culture,簡稱FBC），是指在分批培養(yǎng)過程中，間歇和連續(xù)地補(bǔ)加一種或

11、多種成分的新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。有報(bào)道四環(huán)素發(fā)酵不補(bǔ)料的話，培養(yǎng)72-96h，發(fā)酵單位5500-7000單位/mL，而補(bǔ)糖的批號(hào)，發(fā)酵周期延長到120-130h，單位提高到10000-12000u/ml。避免一次投料，菌絲生長過盛。延長次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期，提高產(chǎn)量。中間補(bǔ)料的機(jī)理 FBC的內(nèi)容補(bǔ)碳源、氮源（無機(jī)和有機(jī)），如蛋白胨、玉米漿、硫酸銨、尿素。無機(jī)鹽，微量元素，前體和促進(jìn)劑。補(bǔ)全料和補(bǔ)水，總之視情況不同，補(bǔ)單項(xiàng)還是全部。 補(bǔ)料的時(shí)間和方式補(bǔ)料的時(shí)間很重要，有人研究加糖時(shí)間對(duì)四環(huán)素發(fā)酵單位的影響。 接種 20h 45h 62h 產(chǎn)量 6000 u/ml 10000 u/ml 5000

12、u/ml一般認(rèn)為，過早補(bǔ)糖，可能刺激菌絲生成，加速糖的利用，過遲補(bǔ)糖，可能菌絲的內(nèi)在質(zhì)量已受到一定損害，補(bǔ)糖只是干擾代謝并不能提高產(chǎn)量。 補(bǔ)料的時(shí)間和方式補(bǔ)料的方式：小量間隙多次補(bǔ)入。小量連續(xù)滴加補(bǔ)入。大量多次補(bǔ)入或大量少次補(bǔ)入等。補(bǔ)料的實(shí)例: 如慶大霉素生產(chǎn)，大罐總體積20噸，第一次裝料7噸，接種后15h一次性補(bǔ)5噸，然后在30-60h中小量間隙多次補(bǔ)入6噸料（全料），視生長情況決定是否在80h補(bǔ)適量水?？傊芷?20-130h。一、溶氧的濃度對(duì)發(fā)酵的影響 微生物對(duì)氧的需求： 1、 C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量 從分子式看出，180g葡萄糖完全氧化需190克O2。2、構(gòu)成細(xì)胞

13、成分含有氧，如酵母細(xì)胞元素組成為C3.95 N6.5 O1.94。第四節(jié) 溶氧的濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制 O2在水中的溶解度很低。如在25，1個(gè)大氣壓下O2溶解在水中的量為0.2mmol/L，或6.4mg/L。而微生物需氧量2050mmol/L.h，正常情況下，只能維持2050秒鐘,水中氧消耗完。 怎么供氧呢？用純O2輸入發(fā)酵罐，效果好，但O2在水中的溶解度較低，大多跑了，成本高，沒有實(shí)用價(jià)值。返回基本概念：1、微生物攝氧率（ ）mmol O2/（L） 單位體積培養(yǎng)液每小時(shí)消耗的氧量。、呼吸強(qiáng)度（o2） mmol o2/g（干菌體）.h 單位重量的干菌體每小時(shí)消耗的氧量。 兩者關(guān)系 =Qo2.X

14、 X 發(fā)酵液中菌體密度（ g/L）。 臨界氧濃度3.臨界氧濃度：微生物對(duì)發(fā)酵液中溶解氧濃度有一個(gè)最低要求，這個(gè)濃度叫臨界氧濃度。 臨界氧濃度不同微生物C臨界不同，見下表： 菌種 溫度. C臨界（mg/L） 大腸桿菌 37.8 0.26 酵母菌 34.8 0.15 產(chǎn)黃青霉 24 0.7表明青霉菌攝氧率高，發(fā)酵時(shí)空氣通氣量大。同一種菌生長不同階段C臨界不同。如幼齡菌大于老齡菌另外一般生產(chǎn)菌都是：生長期大于合成期的臨界氧濃度。 二、氧在液體中的溶解特性 飽和濃度：氣體與液體相接觸，氣體分子就會(huì)溶解于液體之中。經(jīng)過一段時(shí)間的接觸，氣體分子在氣液兩相中的濃度就會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。溶解氧的飽和濃度（ C*

15、）的單位可用mmol o2/L 、ppm、和mg o2/L。 影響氧飽和濃度的主要因素有： 二、氧在液體中的溶解特性（一）溫度：工業(yè)產(chǎn)品大多是隨著溫度升高，溶解度增加，；利用這個(gè)特點(diǎn)得到晶體。如檸檬酸、葡萄糖等。而O2正相反，溫度增加，C降低。 溫度（） 0 35 溶解度 （mmol o2/L ） 2.18 1.09（純氧）（二）溶液的性質(zhì)：氧在不同性質(zhì)的溶液中的溶解度是不同的。同一種溶液由于其中溶質(zhì)含量不同，氧的溶解度也不同。 鹽酸 0.5 mol 1 mol 2mol 1.21 1.16 1.12溶質(zhì)含量越高，氧的溶解度就越小。 氧在液體中的溶解特性（三）氧分壓； 亨利公式：C*=H-1P

16、o2C*在平衡狀態(tài)下液體中氧的溶解度（m mol o2/L） Po2氧分壓 MPa H亨利常數(shù)MPaL/ mmol o2從公式中可知C*與Po2成正比。氣相中氧的濃度取決大氣壓和純氧；罐壓提高，Po2提高。C*增大，但不能太高，純氧也可提高。利用吸氮裝置，減少空氣中的氮?dú)猓黾友鹾俊?理論上，發(fā)酵過程中：溫度越低，C*越高，溶質(zhì)越稀，C*越高，罐壓越高，C*越大。但工業(yè)上應(yīng)用都受到限制。三、 氧在溶液中的傳遞 N= KLa （C*CL)式中 N氧的傳遞速率， mmol O2 /h； C* 溶液中飽和溶氧濃度，mmol O2 L；CL溶液主流中的溶氧濃度， mmol O2 L； KLa以濃度差

17、為推動(dòng)力的氧傳質(zhì)系數(shù)， 1h； a比表面積（單位體積溶液中所含有的氣液接觸面積m2m3 ）。因?yàn)閍很難測(cè)定，所以將 L當(dāng)成一項(xiàng)，稱為液相體積氧傳遞系數(shù)， 1h四、氧的傳遞方程式N= KLa（C*CL)雙膜理論：是氣體吸收的基本理論： P空氣中的分壓； Pi界面處氧分壓； PPi 稱為推動(dòng)力（氣相） Ci界面處氧的濃度；CL液相中氧的濃度； CiCL 為液相推動(dòng)力。在穩(wěn)定傳質(zhì)過程中通過雙膜的傳氧速率N應(yīng)相等。 N=KGa（PPi）= KLa（CiCL） 由于Pi和Ci無法測(cè)量，因此改為 N=KGa（PP*）= KLa（ C*CL） N= KLa（C*CL)五、影響供氧的因素 氧的傳遞速率 N=

18、KLa（C*-CL） 影響氧傳遞推動(dòng)力的因素：C*-CL1提高C*，因素有溫度、溶液、氧分壓，三點(diǎn)都有局限性。在抗生素生產(chǎn)中有時(shí)需要補(bǔ)水，原理使溶液稀釋，C*提高。2降低發(fā)酵液中的CL 如降低通氣量和攪拌速度可降低CL，但發(fā)酵過程中發(fā)酵液的CL不能低于C臨界，否則就會(huì)影響微生物的呼吸。 影響 KLa的因素 經(jīng)過長時(shí)間的研究和生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，影響發(fā)酵設(shè)備的 KLa 。主要因素有攪拌效率、空氣流速、發(fā)酵液的物理化學(xué)性質(zhì)、泡沫狀態(tài)、空氣分布器形狀和發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)等。 （一）攪拌功率對(duì) KLa的影響 （1）攪拌的作用 A.把大氣泡打碎，增加氣液兩相的接觸面積， KLa增加；B.降低液膜厚度， KLa增加；

19、C.減少菌絲結(jié)團(tuán)，減少菌周圍液膜阻力，并有利于排出廢氣； 啤酒酵母培養(yǎng) 攪拌速度(rmin) KLa 攝氧率 300 40 576 500 169 720 700 216 864 （二）空氣流速 KLa與空氣流速（ V）有關(guān)。 V增加 KLa增加。但當(dāng)V增加到一定值后 KLa便不增加，因存在所謂氣泛現(xiàn)象，即空氣流速過大時(shí)，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出。 螺旋槳式攪拌器 圓盤平直葉渦輪攪拌器（三）發(fā)酵液理化性質(zhì)的影響。 KLa與粘度成反比。在發(fā)酵過程中，由于粘度變化，而使發(fā)酵液呈多種流變學(xué)性質(zhì)（液體的湍動(dòng)性和液膜的阻力）。 一般細(xì)菌、酵母發(fā)酵液粘度為一常數(shù)。 放線菌、霉菌粘度不是一個(gè)常數(shù)。 復(fù)膜

20、氧電極的原理 溶氧電極可以看作是一種電解電池，它有兩只具有不同電性的電極，一只是銀絲做成的陰極，另一只是鉛皮卷成的陽極。這對(duì)電極裝置在兩端開口的細(xì)的玻璃套管內(nèi)，在靠近陰極的一端用一種耐熱的、只允許氣體透過而不透過水及離子的半滲透塑料膜覆蓋，形成一個(gè)有一定容積的電池，在電池中加入數(shù)毫升的電解質(zhì)溶液（5mol HAC0.5mol NaAC十0.1mol PbAC2）。這就在兩極之間產(chǎn)生了一個(gè)電位，使陽極的鉛變成鉛離子Pb+進(jìn)入電解質(zhì)溶液，同時(shí)放出的電子在陰極上把透過半透膜進(jìn)入電池的氧立即還原成OH（見圖） 六、液相中氧的濃度的測(cè)定陽極的反應(yīng)：Pb Pb+ +2e陰極的反應(yīng)：2e+1/2O2+H2O

21、2 OH- 復(fù)膜氧電極操作：在實(shí)罐滅菌時(shí)將電極裝入，滅菌后電流表指示為最低值，這時(shí)通氣保壓、攪拌、降溫，溶氧CL會(huì)達(dá)到最大值，電流表指示為100%。一般在抗生素生產(chǎn)時(shí)，接種后11個(gè)小時(shí)電流值保持一定，12小時(shí)后開始下降，43小時(shí)為最低值，隨后電流值便上升。 7.2 發(fā)酵過程中溶氧的變化。 培養(yǎng)基滅菌后，通入無菌空氣，降溫后培養(yǎng)基中的溶解氧達(dá)到 ，一般發(fā)酵前期隨著微生物攝氧率（）的不斷上升，溶氧量出現(xiàn)一個(gè) 。經(jīng)過一段時(shí)間平穩(wěn)期后，便隨之 。返回7.3 溶氧的控制 菌的生長所需要的氧應(yīng)略高于臨界值?？刂迫苎鯘舛鹊姆椒ㄓ?1.攪拌轉(zhuǎn)速2.進(jìn)氣量3.適當(dāng)降溫、補(bǔ)水和加泡敵來改善溶氧水平。 第五節(jié)、pH

22、對(duì)發(fā)酵的影響及其控制5.1 pH值對(duì)菌生長和代謝產(chǎn)物形成的影響。不同菌生長pH值不同 改變發(fā)酵方向 黑曲霉pH2-3時(shí)產(chǎn)檸檬酸，pH7時(shí)生成草酸。生長和合成pH不同 如鏈霉素產(chǎn)生菌生長的最適pH為6.3-6.9，而合成pH6.7-7.3。改變菌膜電荷。直接影響酶的活性。影響培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的介離。該物質(zhì)都在水中解離，氫離子濃度對(duì)這些物質(zhì)的解離影響很大，從而影響微生物的營養(yǎng)吸收、酶的活性等。pH影響菌生長的機(jī)理？（1）調(diào)節(jié) 發(fā)酵過程中由于營養(yǎng)物質(zhì)的分解，菌的代謝等，pH值會(huì)發(fā)生變化。調(diào)節(jié)的方法有：H2SO4和NaOH直接控制用補(bǔ)硫酸銨和氨水控制 PH較高時(shí)補(bǔ)加硫酸銨。當(dāng)pH較低時(shí)補(bǔ)

23、加氨水?？梢酝ㄟ^補(bǔ)加糖或油來調(diào)節(jié)pH（2）控制 最適pH在微生物生長和產(chǎn)物形成的關(guān)系中有四種情況。比生長速率（u）和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率（Qp）最適pH范圍較寬，生產(chǎn)較易控制。u、Qp二者一個(gè)較寬，一個(gè)較窄。二者都較窄，pH又相同。二者都較窄，pH又不同。在發(fā)酵過程中，產(chǎn)熱的因素有生物熱(Q生物)和攪拌熱(Q攪拌)；散熱因素有蒸發(fā)熱(Q蒸發(fā))、輻射熱(Q輻射)。產(chǎn)生的熱能減去散失的熱能，所得的凈熱量就是發(fā)酵熱Q發(fā)酵，kJ(m3 .h)，即Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射。第六節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響與控制第六節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響與控制6.1 發(fā)酵熱 發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱能減去散失的熱能，所得的凈熱量

24、就是發(fā)酵熱。生物熱（Q生物） C6H12O6+12O66CO+6H2O+熱量，除了用于合成外，其余部分則以熱的形式散發(fā)出來。對(duì)數(shù)生長期產(chǎn)熱量多。熱量的單位（ KJ/ m3 .h)第六節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響與控制攪拌熱（Q攪拌） 液體與攪拌設(shè)備之間的摩擦產(chǎn)生的熱量。 Q攪拌=P/V3600。 （KW/m3KJ/Kw.h） 3600為熱功當(dāng)量。蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)） 通氣時(shí)，引起發(fā)酵液水分的蒸發(fā)被冷空氣和蒸發(fā)水分帶走的熱量叫蒸發(fā)熱。輻射熱（Q輻射） 因發(fā)酵液溫度與罐外溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。 由于Q生物及Q蒸發(fā)在發(fā)酵過程中是隨著時(shí)間變化的，因此發(fā)酵熱在整個(gè)過程中也隨時(shí)間變化，發(fā)酵罐操作

25、也需要降溫、加溫控制。通過測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度，用下式計(jì)算：Q發(fā)酵=G.c（t1-t2）/ V 單位 千卡/m3.hG冷卻水 c水的比熱 t1、t2 進(jìn)出的冷卻水溫度（）。 V發(fā)酵液體積（m3）一般抗生素發(fā)酵過程中的最大發(fā)酵熱均為3000-5000千卡/立方米.小時(shí)。6.2 發(fā)酵熱的測(cè)定及計(jì)算 抗生素生產(chǎn)，菌的生長和合成需不同溫度。有人試驗(yàn)青霉素變溫發(fā)酵，起初5小時(shí)，維持在30，以后降到25培養(yǎng)35h，再降到20培養(yǎng)85h，最后又提高到25，培養(yǎng)40小時(shí)，放罐。青霉素產(chǎn)量比在25恒溫培養(yǎng)提高14.7%。因此生長的溫度和合成的溫度并不一致。6.3 控制溫度的應(yīng)用CO2的來

26、源和影響 CO2濃度高對(duì)微生物生長不利。1. 當(dāng)細(xì)胞膜的脂質(zhì)相中的CO2濃度偏高，細(xì)胞膜運(yùn)輸受到阻礙，生長受到抑制2. 使發(fā)酵液pH降低，影響菌生長和產(chǎn)物合成。 第七節(jié) CO2的影響及其控制但某些菌又需要適量的CO2 。栽培金針菇菌最明顯。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)需要CO2培養(yǎng)箱 。 CO2能合成某些小分子前體物質(zhì)如:丙酮酸+CO2+ATP草酰乙酸+ADP+Pi。再如脂肪酸生物合成也需，如乙酰CoA+CO2 丙二酰CoA長鏈脂肪酸。8.1 泡沫的性質(zhì)：泡沫是氣體分散在液體中的一種膠體系統(tǒng)，氣泡間被一層液膜隔開而彼此不相連通。8.2泡沫的危害：造成大量的逃液，而使裝料系數(shù)減少。泡沫從軸封中滲出，增加染菌機(jī)會(huì)

27、。妨礙菌的呼吸和生長，使產(chǎn)量下降。 第八節(jié)、泡沫的影響及其控制 8.3 泡沫產(chǎn)生的因素：與高速攪拌及大空氣流量有關(guān)，發(fā)酵時(shí)前期要注意空氣流量，先小后逐步加大培養(yǎng)基成份有關(guān)：蛋白胨、玉米漿、黃豆餅粉等，高蛋白，易起泡。菌種不同，如有的生長慢，易起泡。 8.4 泡沫的消除： 機(jī)械消沫：在罐內(nèi)裝消沫漿。但作用不大。 化學(xué)消沫：A.消泡劑有天然油，豆油，菜子油等，它還作為碳源被菌利用。B.高分子物質(zhì)如聚氧乙烯氧丙烯甘油，（GPE）又叫泡敵。消泡能力比植物油60-80倍強(qiáng)。目前工業(yè)上已取代油。8.5消泡的原理：.泡沫表面層存在著極性的表面活性物質(zhì)，而形成雙電層時(shí)，可加入另一種有相反電荷的表面活性劑，可降

28、低其機(jī)械強(qiáng)度，促使其破裂。 .泡沫表面粘度較大時(shí)，可加入某些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低其表面粘度而使其破裂。（一）減少泡沫形成的機(jī)會(huì)。原料配比。補(bǔ)料：如基礎(chǔ)料被抽出一部分蛋白質(zhì)原料，在菌絲長濃后再加入。滅菌前加.（二）消除已形成的泡沫。起泡時(shí)加。加量一般為培養(yǎng)基總體積的0.02%-0.002%。多加對(duì)菌生長不利。8.6控制泡沫的方法第九節(jié)發(fā)酵生產(chǎn)染菌及其防治 所謂發(fā)酵染菌是指在發(fā)酵過程中，生產(chǎn)菌以外的其他微生物侵入了發(fā)酵系統(tǒng)，從而造成生產(chǎn)損失。據(jù)報(bào)道，國內(nèi)的青霉素發(fā)酵染菌率2，鏈霉素、紅霉素和四環(huán)素發(fā)酵染菌率5，谷氨酸發(fā)酵噬菌體感染率12。染菌對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)率、提取率、得率、產(chǎn)品質(zhì)量和三廢治理等

29、都有很大的影響。 消耗營養(yǎng)成分；分泌某些使抗生素失去活性的物質(zhì)，如青霉素酶能分解青霉素；分泌代謝產(chǎn)物改變發(fā)酵液的pH值，抑制菌種的生產(chǎn)和產(chǎn)物的合成；增加發(fā)酵液的粘度造成過濾困難和提取得率下降；一、雜菌的危害二、雜菌的檢測(cè)1顯微鏡檢查2無菌試驗(yàn)法3試劑盒檢驗(yàn)法三、染菌發(fā)生的不同時(shí)間對(duì)發(fā)酵的影響及處理 種子培養(yǎng)期染菌種子培養(yǎng)主要是使生產(chǎn)菌生長與繁殖，此時(shí)，微生物菌體濃度低，培養(yǎng)基的營養(yǎng)十分豐富，比較容易染菌。若將污染的種子帶入發(fā)酵罐，則危害極大，因此應(yīng)嚴(yán)格控制種子染菌的發(fā)生。一旦發(fā)現(xiàn)種子受到雜菌的污染，應(yīng)經(jīng)滅菌后棄去，并對(duì)種子罐、管道等進(jìn)行仔細(xì)檢查和徹底滅菌。 發(fā)酵前期染菌在發(fā)酵前期，微生物菌體主

30、要是處于生長、繁殖階段，此時(shí)期代謝的產(chǎn)物很少，相對(duì)而言這個(gè)時(shí)期也容易染菌，染菌后的雜菌將迅速繁殖，與生產(chǎn)菌爭奪培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，嚴(yán)重干擾生產(chǎn)菌的正常生長、繁殖及產(chǎn)物的生成?？芍匦聹缇匦陆臃N 發(fā)酵中期染菌發(fā)酵中期染菌將會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)大量消耗，并嚴(yán)重干擾生產(chǎn)菌的代謝，影響產(chǎn)物的生成。從目前的情況來看，發(fā)酵中期染菌一般較難挽救，危害性較大，在生產(chǎn)過程中應(yīng)盡力做到早發(fā)現(xiàn)，快處理。 發(fā)酵后期染菌由于在發(fā)酵后期，培養(yǎng)基中的糖等營養(yǎng)物質(zhì)已接近耗盡，且發(fā)酵的產(chǎn)物也已積累較多，如果染菌量不太多，對(duì)發(fā)酵影響相對(duì)來說就要小一些，可繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵，或提前放罐。四、發(fā)酵染菌原因分析 染菌的雜菌種類分析 若污染的雜菌是耐熱的芽孢桿菌，可能是由于培養(yǎng)基或設(shè)備滅菌不徹底、設(shè)備存在死角等引起；若污染的是球菌等不耐熱雜菌，可能是由于種子帶菌、空氣過濾效率低、設(shè)備滲漏和操作問題等引起； 發(fā)酵染菌的規(guī)模分析 大批量發(fā)酵罐染菌空氣過濾器介質(zhì)失效等問題； 部分發(fā)酵罐染菌連消系統(tǒng)滅菌不徹底；也可能是中間補(bǔ)料染菌， 個(gè)別發(fā)酵罐連續(xù)染菌 大都是由于設(shè)