最新8發(fā)酵工藝控制1課件

8發(fā)酵工藝控制18發(fā)酵工藝控制11一、分批發(fā)酵、補(bǔ)料分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵1、分批發(fā)酵：指一次性投入料液，接種后在發(fā)酵過程中不再補(bǔ)入料液，一直到放罐的發(fā)酵方式。特點優(yōu)點：操作簡單，周期短，染菌幾率小，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。缺點：不適于測定過程動力學(xué)，對基質(zhì)濃度敏感的微生物，產(chǎn)率比較低。一、分批發(fā)酵、補(bǔ)料分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵2最新8發(fā)酵工藝控制1課件3最新8發(fā)酵工藝控制1課件4最新8發(fā)酵工藝控制1課件5最新8發(fā)酵工藝控制1課件6最新8發(fā)酵工藝控制1課件7最新8發(fā)酵工藝控制1課件88.4營養(yǎng)基質(zhì)的影響及控制一、營養(yǎng)基質(zhì)種類的影響及控制1.碳源碳源種類的影響：速效碳源有利于菌體的快速生長，但其分解產(chǎn)物有明顯的阻遏作用；緩慢利用的碳源有利于延長代謝產(chǎn)物的合成。碳源濃度的影響：碳源豐富易造成繁殖過剩，對產(chǎn)物合成及氧的傳遞造成不良的影響。在工業(yè)上的控制，一般采用二者混合使用，并控制一定的濃度，在發(fā)酵過程中采用補(bǔ)料分批發(fā)酵的方法。8.4營養(yǎng)基質(zhì)的影響及控制一、營養(yǎng)基質(zhì)種類的影響及控制92.氮源影響：同樣包括種類和濃度的影響。工業(yè)生產(chǎn)中采用的措施：1）混合使用2）在發(fā)酵過程中補(bǔ)加氮源。3.磷酸鹽

在工業(yè)生產(chǎn)中，通過在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中控制磷酸鹽的亞適量，來減少磷酸鹽的抑制作用。2.氮源10二、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響及控制1.影響：基質(zhì)濃度過低，不能滿足菌體生長的需求；基質(zhì)濃度過豐富，也會影響菌體生長和產(chǎn)物的合成。2.控制：一般根據(jù)菌種的特性，通過補(bǔ)料維持在菌體半饑餓狀態(tài)。二、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響及控制118.5種子質(zhì)量的影響及控制1.接種菌齡影響：年輕的種子，到發(fā)酵罐后生長緩慢，生長期延長，發(fā)酵周期延長；過老的種子，長表現(xiàn)過早衰老。控制：控制在菌體濃度接近高峰時移種，在對數(shù)生長期后期。8.5種子質(zhì)量的影響及控制122.接種量影響：接種量少遲滯期延長；過大會造成溶氧不足，影響菌絲和產(chǎn)物的合成?？刂疲焊鶕?jù)菌種的生長繁殖速度及對溶氧的要求確定接種量。2.接種量138.6溫度的影響和控制一、影響1、溫度對微生物生長的影響;2、溫度對產(chǎn)物合成的影響;3、溫度對產(chǎn)物合成方向的影響；4、溫度對發(fā)酵液物理性質(zhì)及氧的溶解度、傳遞的影響。8.6溫度的影響和控制14二、影響發(fā)酵溫度的因素發(fā)酵熱是引起溫度變化的主要因素。發(fā)酵熱：即發(fā)酵過程中釋放出的凈熱量單位J/(m3.h)，用Q發(fā)酵表示。

Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯熱-Q輻射

種子罐熱交換系統(tǒng)多用于加熱，發(fā)酵罐多用于冷卻。二、影響發(fā)酵溫度的因素15三、最適溫度的選擇和發(fā)酵溫度的控制

選擇最適溫度應(yīng)考慮兩個方面：微生物的最適生長溫度和產(chǎn)物合成的最適溫度?？刂疲阂话悴扇∽儨乜刂?，同時在控制時注意靈活掌握。如溶氧條件差，補(bǔ)料不及時，培養(yǎng)基利用緩慢生長緩慢時，都要及時調(diào)整。三、最適溫度的選擇和發(fā)酵溫度的控制168.7pH的影響及控制一、影響1、作用胞外弱酸或弱堿成為分子形式，進(jìn)入細(xì)胞后影響胞內(nèi)酶蛋白的解離度和電荷狀態(tài)，改變酶的結(jié)構(gòu)和功能，從而影響微生物的生長和產(chǎn)物合成。

2、影響細(xì)胞的形態(tài)；3、對代謝產(chǎn)物產(chǎn)生影響。

8.7pH的影響及控制17二、發(fā)酵過程中pH變化規(guī)律

1）大多數(shù)微生物生長適應(yīng)的pH跨度為3-4的單位，其中最佳生長的pH跨度為0.5-1個單位。

2）多數(shù)微生物對最初的pH有一定的調(diào)節(jié)能力。3）培養(yǎng)溫度高的微生物最適pH也相應(yīng)高些。

4）在生長初期有pH高峰和pH低谷的變化。

5）微生物生長和產(chǎn)物合成的pH通常不同。6）pH變化和培養(yǎng)基中生理酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)的比例有關(guān)。二、發(fā)酵過程中pH變化規(guī)律18三、發(fā)酵pH的選擇選擇最適pH的原則是：即有利于菌體的生長又最大限度的合成產(chǎn)物。

一般最適pH是根據(jù)實驗結(jié)果來確定的。三、發(fā)酵pH的選擇19

四、控制方法1、實驗發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，使生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)有合適的配比，使發(fā)酵過程的pH在合適的范圍內(nèi)。2、在培養(yǎng)基中添加一定濃度的碳酸鈣，以中和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸。H++CaCO3——Ca2++H2O+CO23、在發(fā)酵過程中，通過補(bǔ)加酸、堿或補(bǔ)料的方式來控制。補(bǔ)料是最常用的方法。通過流加生理酸性物質(zhì)或堿性物質(zhì)進(jìn)行調(diào)解。如葡萄糖、硫酸銨、氨水等。四、控制方法208.8溶氧的影響及控制一、需氧方面：1、微生物對氧需求的表示方法微生物的耗氧量用攝氧率和呼吸強(qiáng)度來表示。1）攝氧率（r）：單位體積培養(yǎng)液每小時的耗氧量。單位：mmol/L.h。2）呼吸強(qiáng)度（QO2）：單位重量的菌體（折干）每小時消耗氧的量，也稱為氧比消耗速率。單位mmol/g.h。8.8溶氧的影響及控制21二者之間的關(guān)系：r=QO2.XX:發(fā)酵液中菌絲的濃度，g/L。2、影響微生物需氧量的因素1）培養(yǎng)基中的溶解氧濃度

二者之間的關(guān)系：r=QO2.X22因此，只有溶解氧達(dá)到臨界氧濃度時，才能滿足微生物對氧的需求。2）微生物的種類和生長階段。3）培養(yǎng)基的組成：碳源的種類和濃度影響尤為顯著。4）培養(yǎng)條件：溫度。5）二氧化碳的濃度。因此，只有溶解氧達(dá)到臨界氧濃度時，才能滿足微生物對氧的23二、供氧方面（一）氧在液體中的溶解特性1）溫度:溫度越高，氧的溶解度就越低。2）溶液的性質(zhì):溶質(zhì)含量越高，氧的溶解度就越低。3）氧分壓：氧分壓越高，氧的溶解度就越高。（二）氧在溶液中的傳遞1、氧傳遞的阻力

二、供氧方面24

氧的傳遞的阻力：氣泡—氣液界面—液膜—液相—液膜—固液界面—細(xì)胞團(tuán)—細(xì)胞膜—細(xì)胞內(nèi)

氧的傳遞的阻力：氣泡—氣液界面—液膜—液相—液膜25

傳遞過程中的總推動力是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓差和濃度差。2、氧的傳遞方程式N=KLa

.(C*-CL)

N氧的傳遞速率mmol/L.hC*溶液中溶氧的飽和濃度mmol/LCL溶液中的溶氧濃度mmol/L

KL以濃度差為推動力的氧傳質(zhì)系數(shù)m/h

a比表面積，因為很難測定，所以將KLa

當(dāng)成一項，稱為容積傳遞系數(shù)s-1。傳遞過程中的總推動力是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓差和濃26（三）影響供氧的因素N=KLa

.(C*-CL)

1、影響氧傳遞推動力的因素(C*-CL)是氧傳遞的推動力，因此只有提高C*，降低CL。但不符合生產(chǎn)現(xiàn)狀或要求。2、影響KLa

的因素經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，影響KLa

的主要因素有攪拌、空氣流量、發(fā)酵液的理化性質(zhì)等。可用下列經(jīng)驗式表示它們之間的關(guān)系：（三）影響供氧的因素27KLa=K〔(P/V)α·(υs)β·(ηapp)-ω〕P/V發(fā)酵罐攪拌功率kW/m3υs罐體垂直方向的空氣直線速度m/hηapp發(fā)酵液的表觀粘度Pa·

sK經(jīng)驗常數(shù)αβ–ω經(jīng)驗常數(shù)，與攪拌器、空氣分布器的形狀等有關(guān)，一般通過實驗測定。實驗側(cè)得α值在0.75～1.0，β在0.4～0.72，

KLa=K〔(P/V)α·(υs)β·(ηapp)-ω〕281）攪拌功率的影響：攪拌功率越大，KLa越大。其中α與攪拌器的形狀有關(guān)。攪拌的作用：將空氣打碎成小氣泡，增加氣-液接觸界面，提高氧的傳遞速率；同時使發(fā)酵液充分混合，液體中的固形物質(zhì)保持懸浮狀態(tài)。形狀：在攪拌器的中央裝有圓盤，在圓盤上裝上攪拌葉，攪拌葉有平葉式、彎葉式、箭葉式。

擋板：為了克服攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的渦流,將徑向流動改變?yōu)檩S向流動,促使液體的激烈翻動。1）攪拌功率的影響：29最新8發(fā)酵工藝控制1課件30最新8發(fā)酵工藝控制1課件312）空氣流速的影響：在一定范圍內(nèi)，隨著流速的增加，KLa增加。但流速過大，引起氣泛現(xiàn)象。而且實驗證明攪拌功率的影響遠(yuǎn)大于空氣流速的影響。因此，優(yōu)先考慮攪拌功率。3）發(fā)酵液理化性質(zhì)的影響：發(fā)酵液的粘度越大，越小。2）空氣流速的影響：在一定范圍內(nèi)，隨著流速的增加，KLa324）泡沫的影響：影響氣液混合，降低容積氧傳遞系數(shù)。5）空氣分布器和發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)的影響：使空氣充分分散的空氣分布器有利于溶氧的增加。發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)包括罐的高徑比是否合適、是否達(dá)到全擋板條件等?？諝夥植计饔袉喂苁絺€和環(huán)管式，目的使空氣均勻分布。全擋板條件是指在一定轉(zhuǎn)速下，隨著罐內(nèi)擋板的增加，攪拌軸功率不在增加時的擋板數(shù)。4）泡沫的影響：影響氣液混合，降低容積氧傳遞系數(shù)。33三、發(fā)酵過程的溶氧變化和溶氧濃度的控制1、發(fā)酵過程溶氧的變化三、發(fā)酵過程的溶氧變化和溶氧濃度的控制342、溶氧濃度的控制

應(yīng)從供氧和需氧兩個方面考慮。在供氧方面：攪拌、空氣流速、空氣分布器和發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)影響KLa，但這些參數(shù)在一定的條件下，很難再優(yōu)化。所以在發(fā)酵液理化性質(zhì)和需氧方面進(jìn)行控制,使需氧量不超過設(shè)備的供氧能力。采取的措施：控制菌體的比生長速率，使其保持在比臨界菌體濃度略高一點的水平，達(dá)到適和濃度。在工業(yè)上，還可通過調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度、液化培養(yǎng)基、中間補(bǔ)水，改善溶氧水平。2、溶氧濃度的控制358.9二氧化碳的影響及控制一、二氧化碳對發(fā)酵的影響1、發(fā)酵液中的二氧化碳對微生物的生長速度具有刺激或抑制作用。1）刺激作用：稱之為CO2效應(yīng)。環(huán)狀芽孢桿菌、大腸桿菌和鏈孢霉的突變株需30%的濃度。2）抑制作用：酵母菌，青霉素菌絲形態(tài)隨著CO2的增加形態(tài)發(fā)生改變，如青霉菌由絲狀變?yōu)榍驙罨蚪湍笭罴?xì)胞。8.9二氧化碳的影響及控制362、對產(chǎn)物合成產(chǎn)生影響刺激作用：牛鏈球菌發(fā)酵產(chǎn)生多糖需5%的CO2，精氨酸發(fā)酵等。抑制作用：對抗生素發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。

3、對發(fā)酵液pH的影響。2、對產(chǎn)物合成產(chǎn)生影響37二、二氧化碳的控制二氧化碳在發(fā)酵液中的濃度受到許多因素的影響，如菌體的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的特性、通氣攪拌和罐力等?？刂圃瓌t：根據(jù)對發(fā)酵的影響情況而定。通氣攪拌的大小可以調(diào)節(jié)二氧化碳的濃度。二、二氧化碳的控制388.10補(bǔ)料對發(fā)酵的影響一、分批補(bǔ)料的作用1.可以控制抑制性底物的濃度2.可以解除或減弱分解產(chǎn)物阻遏3.可以使發(fā)酵過程最佳化。8.10補(bǔ)料對發(fā)酵的影響39二、補(bǔ)料的方法和速率的確定1.方法：一次性大量補(bǔ)入；少量多次；連續(xù)流加。目前采用的是連續(xù)流加。2.速率的確定：根據(jù)微生物對養(yǎng)分的消耗及所設(shè)定的發(fā)酵液中最低維持濃度而定。二、補(bǔ)料的方法和速率的確定40三、補(bǔ)料的依據(jù)和判斷

根據(jù)：最常用的是殘?zhí)菨舛取⑷苎鯘舛群蚿H。

三者之間的關(guān)系：糖的濃度大，代謝加快，溶氧濃度降低；糖的濃度降低，利用氮源中提供能量，造成氨基積累，pH升高。

三、補(bǔ)料的依據(jù)和判斷411.通過控制補(bǔ)料控制溶氧不低于臨界值，將生長速率控制在中等水平，可以提高大腸桿菌的細(xì)胞密度和產(chǎn)物產(chǎn)率的提高。2.谷氨酸發(fā)酵過程中，攝氧率和基質(zhì)消耗成線性關(guān)系，因此可以通過控制攝氧率控制補(bǔ)料速度。3.在青霉素發(fā)酵過程中，通過控制補(bǔ)料使菌體處于半饑餓狀態(tài)，保證溶氧，提高青霉素的產(chǎn)量。最新8發(fā)酵工藝控制1課件42

8.11泡沫的影響及控制一、泡沫對發(fā)酵的影響發(fā)酵液中存在一定的泡沫可以增加氣液的接觸面積，增加氧的傳遞。但大量的泡沫會對發(fā)酵帶來很多不利的影響。1、泡沫過多造成“逃液”現(xiàn)象，給生產(chǎn)帶來損失。2、減少發(fā)酵罐的裝料系數(shù)，影響收率。3、泡沫升至罐頂，增加染菌的幾率。4、消沫劑的加入對提取帶來困難。8.11泡沫的影響及控制43二、泡沫產(chǎn)生的原因及類型1、產(chǎn)生的原因：

1）通氣和攪拌，攪拌比通氣引起泡沫的要大。

2）代謝產(chǎn)生的氣體的逸出，和生長階段有關(guān)。

3）培養(yǎng)基中蛋白質(zhì)、代謝產(chǎn)物等表面活性物質(zhì)的存在是產(chǎn)生泡沫的主要因素，糖增加了泡沫的穩(wěn)定性。

4）滅菌溫度高、冷卻時間長都會使泡沫增加。二、泡沫產(chǎn)生的原因及類型442、泡沫的類型：1）機(jī)械性泡沫：存在于發(fā)酵液的液面上，氣項所占比例較大，與液面有較明顯的界限。如發(fā)酵前期的泡沫。2）流態(tài)泡沫：分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，與液面之間無明顯的界限。2、泡沫的類型：45四、泡沫的控制1、機(jī)械消沫物理消沫的方法，利用機(jī)械強(qiáng)烈的振動或壓力改變而使泡沫破裂。罐內(nèi)消沫：利用罐內(nèi)的消沫槳罐外消沫：將泡沫引到罐外，通過噴嘴的加速作用或離心力消除泡沫。但消沫效果不理想，對流態(tài)泡沫幾乎不起作用。僅作為消沫的輔助作用。四、泡沫的控制46

2、消沫劑消沫1）消沫劑的作用：降低泡沫的液膜的機(jī)械強(qiáng)度，或者降低液泡膜的表面張力。2）消沫劑的選擇a、消沫劑要有一定的親水性，保證在氣-液界面上有一定的鋪展性；

b、在低濃度時具有消泡活性；

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c、具有持久的消泡或抑泡能力；

d、對微生物、人、動物無毒；

e、對產(chǎn)物提取不產(chǎn)生影響

f、對氧傳遞不產(chǎn)生影響；

g、成本低且耐高溫。3）常用的消沫劑天然油脂，高碳醇、脂肪酸、酯類，聚醚類和硅酮類四大類。天然油脂：豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和動物油等。消沫能力差，用量大。只用在種子罐。

c、具有持久的消泡或抑泡能力；48

聚醚類：應(yīng)用較多的是聚氧丙烯甘油（GP，抑泡劑）和聚氧乙烯氧丙烯甘油（GPE，消泡劑），它們以一定的比例混合的消沫劑又稱為泡敵。它們的用量小為0.03%-0.035%，消泡效果是天然油脂的10倍。

抑泡劑GP親水性較差，作用時間較短，常在配培養(yǎng)基時加入，起到抑制泡沫產(chǎn)生；消泡劑GPE親水性好，作用時間長，在發(fā)酵過程中加入。聚醚類：應(yīng)用較多的是聚氧丙烯甘油（GP，抑泡劑）498.12發(fā)酵終點的判斷

一、發(fā)酵終點的判斷標(biāo)準(zhǔn)：

1.經(jīng)濟(jì)因素2.對產(chǎn)品質(zhì)量的影響3.特殊情況：染菌8.12發(fā)酵終點的判斷50二、確定放罐指標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量、過濾速度。

三、放罐工藝控制補(bǔ)料、通氨加消沫劑都為在不影響產(chǎn)物合成的情況下，節(jié)約控制。二、確定放罐指標(biāo)518.13發(fā)酵染菌的防治和處理染菌：指的是在發(fā)酵培養(yǎng)過程中侵入了有礙生產(chǎn)的其他微生物。無菌檢查主要針對菌種制備、種子罐、發(fā)酵罐滅菌后和接種培養(yǎng)過程中。8.13發(fā)酵染菌的防治和處理52一、細(xì)菌的無菌檢查1.方法1）肉湯培養(yǎng)法取樣后，放置培養(yǎng)，每6小時觀察一次。2）平板劃線法3）顯微觀察法沙黃染色進(jìn)行顯微鏡觀察。生產(chǎn)上一般2-3種方法結(jié)合起來進(jìn)行無菌檢查。一、細(xì)菌的無菌檢查532.取樣間隔：種子罐每4小時取一次樣，發(fā)酵罐每8小時取一次樣，培養(yǎng)時間在8-12小時后才能做出判定。3.染菌判斷連續(xù)三個時間的樣發(fā)生變化，顯微鏡觀察又是同一種菌時，才能判定是染菌。2.取樣間隔：54

二、噬菌體的檢測噬菌體一般在生產(chǎn)出現(xiàn)異常時，例如突然轉(zhuǎn)稀、糖消耗明顯減少，產(chǎn)物合成停止，顯微鏡觀察菌絲減少，菌絲自溶。方法：雙層平板瓊脂法。

55三、染菌的處理1、種子罐染菌：及時用高壓蒸汽滅菌后放下水道。2、發(fā)酵罐染菌1）前期染菌，且對生產(chǎn)危害較大，蒸汽滅菌放下水道；危害不大，重新滅菌，再接種；或放出一部分，補(bǔ)入一部分新鮮的料液，再接種。

三、染菌的處理56

2）中后期染菌，且雜菌生長緩慢，可在采取低溫、低糖控制，正常放罐。3）污染對濾速影響較大的雜菌應(yīng)立即放罐。3、污染噬菌體的處理：發(fā)酵液高壓蒸汽滅菌放下水道，且嚴(yán)防發(fā)酵液流失；全部停產(chǎn)，對設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行全面的清洗和消毒滅菌；更換生產(chǎn)品種或抗噬菌體的菌株。

57四、染菌原因分析分析方法：可從染菌的時間、規(guī)模、雜菌類型等幾個方面考慮。1）染菌時間：分為前期、中期和后期染菌。前期：滅菌不徹底，種子罐或接種管路。中后期：補(bǔ)料系統(tǒng)、加油和補(bǔ)氨水有關(guān)。2）染菌規(guī)模：大規(guī)模染菌：公共系統(tǒng)有問題,如：補(bǔ)料系統(tǒng)、接種管路、通氨加劑系統(tǒng)等。四、染菌原因分析58個別罐連續(xù)染菌：設(shè)備的問題，查找有無滲漏和死角、冷卻蛇管是否穿孔。個別罐偶爾染菌：具體問題具體分析，注意操作是否有問題。3）雜菌菌型上分析：耐熱芽孢桿菌：設(shè)備死角或培養(yǎng)基滅菌不徹底，是否有結(jié)塊。不耐熱的球菌、酵母菌、霉菌等：空氣凈化系統(tǒng)或冷卻水系統(tǒng)。個別罐連續(xù)染菌：設(shè)備的問題，查找有無滲漏和死角、冷卻蛇管59五、防治措施定期對空氣系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)檢修，加強(qiáng)人員操作管理。1.空氣系統(tǒng)：進(jìn)入總空氣過濾器的空氣應(yīng)保持無油無水。注意管道、設(shè)備的絕熱保溫。使用過程中經(jīng)常排放油和水。制定嚴(yán)格的管理制度。五、防治措施602.設(shè)備系統(tǒng)：合理的管道安裝和連接，不能出現(xiàn)死角，并易于清洗和滅菌。對罐體及附屬設(shè)備定期檢查、維修，做到無滲漏、死角。與物料、空氣、下水道連接的閥門保證嚴(yán)密不露。對蛇管和夾套定期試漏。2.設(shè)備系統(tǒng)：61最新8發(fā)酵工藝控制1課件628發(fā)酵工藝控制18發(fā)酵工藝控制163一、分批發(fā)酵、補(bǔ)料分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵1、分批發(fā)酵：指一次性投入料液，接種后在發(fā)酵過程中不再補(bǔ)入料液，一直到放罐的發(fā)酵方式。特點優(yōu)點：操作簡單，周期短，染菌幾率小，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。缺點：不適于測定過程動力學(xué)，對基質(zhì)濃度敏感的微生物，產(chǎn)率比較低。一、分批發(fā)酵、補(bǔ)料分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵64最新8發(fā)酵工藝控制1課件65最新8發(fā)酵工藝控制1課件66最新8發(fā)酵工藝控制1課件67最新8發(fā)酵工藝控制1課件68最新8發(fā)酵工藝控制1課件69最新8發(fā)酵工藝控制1課件708.4營養(yǎng)基質(zhì)的影響及控制一、營養(yǎng)基質(zhì)種類的影響及控制1.碳源碳源種類的影響：速效碳源有利于菌體的快速生長，但其分解產(chǎn)物有明顯的阻遏作用；緩慢利用的碳源有利于延長代謝產(chǎn)物的合成。碳源濃度的影響：碳源豐富易造成繁殖過剩，對產(chǎn)物合成及氧的傳遞造成不良的影響。在工業(yè)上的控制，一般采用二者混合使用，并控制一定的濃度，在發(fā)酵過程中采用補(bǔ)料分批發(fā)酵的方法。8.4營養(yǎng)基質(zhì)的影響及控制一、營養(yǎng)基質(zhì)種類的影響及控制712.氮源影響：同樣包括種類和濃度的影響。工業(yè)生產(chǎn)中采用的措施：1）混合使用2）在發(fā)酵過程中補(bǔ)加氮源。3.磷酸鹽

在工業(yè)生產(chǎn)中，通過在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中控制磷酸鹽的亞適量，來減少磷酸鹽的抑制作用。2.氮源72二、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響及控制1.影響：基質(zhì)濃度過低，不能滿足菌體生長的需求；基質(zhì)濃度過豐富，也會影響菌體生長和產(chǎn)物的合成。2.控制：一般根據(jù)菌種的特性，通過補(bǔ)料維持在菌體半饑餓狀態(tài)。二、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響及控制738.5種子質(zhì)量的影響及控制1.接種菌齡影響：年輕的種子，到發(fā)酵罐后生長緩慢，生長期延長，發(fā)酵周期延長；過老的種子，長表現(xiàn)過早衰老?？刂疲嚎刂圃诰w濃度接近高峰時移種，在對數(shù)生長期后期。8.5種子質(zhì)量的影響及控制742.接種量影響：接種量少遲滯期延長；過大會造成溶氧不足，影響菌絲和產(chǎn)物的合成。控制：根據(jù)菌種的生長繁殖速度及對溶氧的要求確定接種量。2.接種量758.6溫度的影響和控制一、影響1、溫度對微生物生長的影響;2、溫度對產(chǎn)物合成的影響;3、溫度對產(chǎn)物合成方向的影響；4、溫度對發(fā)酵液物理性質(zhì)及氧的溶解度、傳遞的影響。8.6溫度的影響和控制76二、影響發(fā)酵溫度的因素發(fā)酵熱是引起溫度變化的主要因素。發(fā)酵熱：即發(fā)酵過程中釋放出的凈熱量單位J/(m3.h)，用Q發(fā)酵表示。

Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯熱-Q輻射

種子罐熱交換系統(tǒng)多用于加熱，發(fā)酵罐多用于冷卻。二、影響發(fā)酵溫度的因素77三、最適溫度的選擇和發(fā)酵溫度的控制

選擇最適溫度應(yīng)考慮兩個方面：微生物的最適生長溫度和產(chǎn)物合成的最適溫度?？刂疲阂话悴扇∽儨乜刂?，同時在控制時注意靈活掌握。如溶氧條件差，補(bǔ)料不及時，培養(yǎng)基利用緩慢生長緩慢時，都要及時調(diào)整。三、最適溫度的選擇和發(fā)酵溫度的控制788.7pH的影響及控制一、影響1、作用胞外弱酸或弱堿成為分子形式，進(jìn)入細(xì)胞后影響胞內(nèi)酶蛋白的解離度和電荷狀態(tài)，改變酶的結(jié)構(gòu)和功能，從而影響微生物的生長和產(chǎn)物合成。

2、影響細(xì)胞的形態(tài)；3、對代謝產(chǎn)物產(chǎn)生影響。

8.7pH的影響及控制79二、發(fā)酵過程中pH變化規(guī)律

1）大多數(shù)微生物生長適應(yīng)的pH跨度為3-4的單位，其中最佳生長的pH跨度為0.5-1個單位。

2）多數(shù)微生物對最初的pH有一定的調(diào)節(jié)能力。3）培養(yǎng)溫度高的微生物最適pH也相應(yīng)高些。

4）在生長初期有pH高峰和pH低谷的變化。

5）微生物生長和產(chǎn)物合成的pH通常不同。6）pH變化和培養(yǎng)基中生理酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)的比例有關(guān)。二、發(fā)酵過程中pH變化規(guī)律80三、發(fā)酵pH的選擇選擇最適pH的原則是：即有利于菌體的生長又最大限度的合成產(chǎn)物。

一般最適pH是根據(jù)實驗結(jié)果來確定的。三、發(fā)酵pH的選擇81

四、控制方法1、實驗發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，使生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)有合適的配比，使發(fā)酵過程的pH在合適的范圍內(nèi)。2、在培養(yǎng)基中添加一定濃度的碳酸鈣，以中和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸。H++CaCO3——Ca2++H2O+CO23、在發(fā)酵過程中，通過補(bǔ)加酸、堿或補(bǔ)料的方式來控制。補(bǔ)料是最常用的方法。通過流加生理酸性物質(zhì)或堿性物質(zhì)進(jìn)行調(diào)解。如葡萄糖、硫酸銨、氨水等。四、控制方法828.8溶氧的影響及控制一、需氧方面：1、微生物對氧需求的表示方法微生物的耗氧量用攝氧率和呼吸強(qiáng)度來表示。1）攝氧率（r）：單位體積培養(yǎng)液每小時的耗氧量。單位：mmol/L.h。2）呼吸強(qiáng)度（QO2）：單位重量的菌體（折干）每小時消耗氧的量，也稱為氧比消耗速率。單位mmol/g.h。8.8溶氧的影響及控制83二者之間的關(guān)系：r=QO2.XX:發(fā)酵液中菌絲的濃度，g/L。2、影響微生物需氧量的因素1）培養(yǎng)基中的溶解氧濃度

二者之間的關(guān)系：r=QO2.X84因此，只有溶解氧達(dá)到臨界氧濃度時，才能滿足微生物對氧的需求。2）微生物的種類和生長階段。3）培養(yǎng)基的組成：碳源的種類和濃度影響尤為顯著。4）培養(yǎng)條件：溫度。5）二氧化碳的濃度。因此，只有溶解氧達(dá)到臨界氧濃度時，才能滿足微生物對氧的85二、供氧方面（一）氧在液體中的溶解特性1）溫度:溫度越高，氧的溶解度就越低。2）溶液的性質(zhì):溶質(zhì)含量越高，氧的溶解度就越低。3）氧分壓：氧分壓越高，氧的溶解度就越高。（二）氧在溶液中的傳遞1、氧傳遞的阻力

二、供氧方面86

氧的傳遞的阻力：氣泡—氣液界面—液膜—液相—液膜—固液界面—細(xì)胞團(tuán)—細(xì)胞膜—細(xì)胞內(nèi)

氧的傳遞的阻力：氣泡—氣液界面—液膜—液相—液膜87

傳遞過程中的總推動力是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓差和濃度差。2、氧的傳遞方程式N=KLa

.(C*-CL)

N氧的傳遞速率mmol/L.hC*溶液中溶氧的飽和濃度mmol/LCL溶液中的溶氧濃度mmol/L

KL以濃度差為推動力的氧傳質(zhì)系數(shù)m/h

a比表面積，因為很難測定，所以將KLa

當(dāng)成一項，稱為容積傳遞系數(shù)s-1。傳遞過程中的總推動力是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓差和濃88（三）影響供氧的因素N=KLa

.(C*-CL)

1、影響氧傳遞推動力的因素(C*-CL)是氧傳遞的推動力，因此只有提高C*，降低CL。但不符合生產(chǎn)現(xiàn)狀或要求。2、影響KLa

的因素經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，影響KLa

的主要因素有攪拌、空氣流量、發(fā)酵液的理化性質(zhì)等。可用下列經(jīng)驗式表示它們之間的關(guān)系：（三）影響供氧的因素89KLa=K〔(P/V)α·(υs)β·(ηapp)-ω〕P/V發(fā)酵罐攪拌功率kW/m3υs罐體垂直方向的空氣直線速度m/hηapp發(fā)酵液的表觀粘度Pa·

sK經(jīng)驗常數(shù)αβ–ω經(jīng)驗常數(shù)，與攪拌器、空氣分布器的形狀等有關(guān)，一般通過實驗測定。實驗側(cè)得α值在0.75～1.0，β在0.4～0.72，

KLa=K〔(P/V)α·(υs)β·(ηapp)-ω〕901）攪拌功率的影響：攪拌功率越大，KLa越大。其中α與攪拌器的形狀有關(guān)。攪拌的作用：將空氣打碎成小氣泡，增加氣-液接觸界面，提高氧的傳遞速率；同時使發(fā)酵液充分混合，液體中的固形物質(zhì)保持懸浮狀態(tài)。形狀：在攪拌器的中央裝有圓盤，在圓盤上裝上攪拌葉，攪拌葉有平葉式、彎葉式、箭葉式。

擋板：為了克服攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的渦流,將徑向流動改變?yōu)檩S向流動,促使液體的激烈翻動。1）攪拌功率的影響：91最新8發(fā)酵工藝控制1課件92最新8發(fā)酵工藝控制1課件932）空氣流速的影響：在一定范圍內(nèi)，隨著流速的增加，KLa增加。但流速過大，引起氣泛現(xiàn)象。而且實驗證明攪拌功率的影響遠(yuǎn)大于空氣流速的影響。因此，優(yōu)先考慮攪拌功率。3）發(fā)酵液理化性質(zhì)的影響：發(fā)酵液的粘度越大，越小。2）空氣流速的影響：在一定范圍內(nèi)，隨著流速的增加，KLa944）泡沫的影響：影響氣液混合，降低容積氧傳遞系數(shù)。5）空氣分布器和發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)的影響：使空氣充分分散的空氣分布器有利于溶氧的增加。發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)包括罐的高徑比是否合適、是否達(dá)到全擋板條件等?？諝夥植计饔袉喂苁絺€和環(huán)管式，目的使空氣均勻分布。全擋板條件是指在一定轉(zhuǎn)速下，隨著罐內(nèi)擋板的增加，攪拌軸功率不在增加時的擋板數(shù)。4）泡沫的影響：影響氣液混合，降低容積氧傳遞系數(shù)。95三、發(fā)酵過程的溶氧變化和溶氧濃度的控制1、發(fā)酵過程溶氧的變化三、發(fā)酵過程的溶氧變化和溶氧濃度的控制962、溶氧濃度的控制

應(yīng)從供氧和需氧兩個方面考慮。在供氧方面：攪拌、空氣流速、空氣分布器和發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)影響KLa，但這些參數(shù)在一定的條件下，很難再優(yōu)化。所以在發(fā)酵液理化性質(zhì)和需氧方面進(jìn)行控制,使需氧量不超過設(shè)備的供氧能力。采取的措施：控制菌體的比生長速率，使其保持在比臨界菌體濃度略高一點的水平，達(dá)到適和濃度。在工業(yè)上，還可通過調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度、液化培養(yǎng)基、中間補(bǔ)水，改善溶氧水平。2、溶氧濃度的控制978.9二氧化碳的影響及控制一、二氧化碳對發(fā)酵的影響1、發(fā)酵液中的二氧化碳對微生物的生長速度具有刺激或抑制作用。1）刺激作用：稱之為CO2效應(yīng)。環(huán)狀芽孢桿菌、大腸桿菌和鏈孢霉的突變株需30%的濃度。2）抑制作用：酵母菌，青霉素菌絲形態(tài)隨著CO2的增加形態(tài)發(fā)生改變，如青霉菌由絲狀變?yōu)榍驙罨蚪湍笭罴?xì)胞。8.9二氧化碳的影響及控制982、對產(chǎn)物合成產(chǎn)生影響刺激作用：牛鏈球菌發(fā)酵產(chǎn)生多糖需5%的CO2，精氨酸發(fā)酵等。抑制作用：對抗生素發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。

3、對發(fā)酵液pH的影響。2、對產(chǎn)物合成產(chǎn)生影響99二、二氧化碳的控制二氧化碳在發(fā)酵液中的濃度受到許多因素的影響，如菌體的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的特性、通氣攪拌和罐力等?？刂圃瓌t：根據(jù)對發(fā)酵的影響情況而定。通氣攪拌的大小可以調(diào)節(jié)二氧化碳的濃度。二、二氧化碳的控制1008.10補(bǔ)料對發(fā)酵的影響一、分批補(bǔ)料的作用1.可以控制抑制性底物的濃度2.可以解除或減弱分解產(chǎn)物阻遏3.可以使發(fā)酵過程最佳化。8.10補(bǔ)料對發(fā)酵的影響101二、補(bǔ)料的方法和速率的確定1.方法：一次性大量補(bǔ)入；少量多次；連續(xù)流加。目前采用的是連續(xù)流加。2.速率的確定：根據(jù)微生物對養(yǎng)分的消耗及所設(shè)定的發(fā)酵液中最低維持濃度而定。二、補(bǔ)料的方法和速率的確定102三、補(bǔ)料的依據(jù)和判斷

根據(jù)：最常用的是殘?zhí)菨舛?、溶氧濃度和pH。

三者之間的關(guān)系：糖的濃度大，代謝加快，溶氧濃度降低；糖的濃度降低，利用氮源中提供能量，造成氨基積累，pH升高。

三、補(bǔ)料的依據(jù)和判斷1031.通過控制補(bǔ)料控制溶氧不低于臨界值，將生長速率控制在中等水平，可以提高大腸桿菌的細(xì)胞密度和產(chǎn)物產(chǎn)率的提高。2.谷氨酸發(fā)酵過程中，攝氧率和基質(zhì)消耗成線性關(guān)系，因此可以通過控制攝氧率控制補(bǔ)料速度。3.在青霉素發(fā)酵過程中，通過控制補(bǔ)料使菌體處于半饑餓狀態(tài)，保證溶氧，提高青霉素的產(chǎn)量。最新8發(fā)酵工藝控制1課件104

8.11泡沫的影響及控制一、泡沫對發(fā)酵的影響發(fā)酵液中存在一定的泡沫可以增加氣液的接觸面積，增加氧的傳遞。但大量的泡沫會對發(fā)酵帶來很多不利的影響。1、泡沫過多造成“逃液”現(xiàn)象，給生產(chǎn)帶來損失。2、減少發(fā)酵罐的裝料系數(shù)，影響收率。3、泡沫升至罐頂，增加染菌的幾率。4、消沫劑的加入對提取帶來困難。8.11泡沫的影響及控制105二、泡沫產(chǎn)生的原因及類型1、產(chǎn)生的原因：

1）通氣和攪拌，攪拌比通氣引起泡沫的要大。

2）代謝產(chǎn)生的氣體的逸出，和生長階段有關(guān)。

3）培養(yǎng)基中蛋白質(zhì)、代謝產(chǎn)物等表面活性物質(zhì)的存在是產(chǎn)生泡沫的主要因素，糖增加了泡沫的穩(wěn)定性。

4）滅菌溫度高、冷卻時間長都會使泡沫增加。二、泡沫產(chǎn)生的原因及類型1062、泡沫的類型：1）機(jī)械性泡沫：存在于發(fā)酵液的液面上，氣項所占比例較大，與液面有較明顯的界限。如發(fā)酵前期的泡沫。2）流態(tài)泡沫：分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，與液面之間無明顯的界限。2、泡沫的類型：107四、泡沫的控制1、機(jī)械消沫物理消沫的方法，利用機(jī)械強(qiáng)烈的振動或壓力改變而使泡沫破裂。罐內(nèi)消沫：利用罐內(nèi)的消沫槳罐外消沫：將泡沫引到罐外，通過噴嘴的加速作用或離心力消除泡沫。但消沫效果不理想，對流態(tài)泡沫幾乎不起作用。僅作為消沫的輔助作用。四、泡沫的控制108

2、消沫劑消沫1）消沫劑的作用：降低泡沫的液膜的機(jī)械強(qiáng)度，或者降低液泡膜的表面張力。2）消沫劑的選擇a、消沫劑要有一定的親水性，保證在氣-液界面上有一定的鋪展性；

b、在低濃度時具有消泡活性；

109

c、具有持久的消泡或抑泡能力；

d、對微生物、人、動物無毒；

e、對產(chǎn)物提取不產(chǎn)生影響

f、對氧傳遞不產(chǎn)生影響；

g、成本低且耐高溫。3）常用的消沫劑天然油脂，高碳醇、脂肪酸、酯類，聚醚類和硅酮類四大類。天然油脂：豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和動物油等。消沫能力差，用量大。只用在種子罐。

c、具有持久的消泡或抑泡能力；110

聚醚類：應(yīng)用較多的是聚氧丙烯甘油（GP，抑泡劑）和聚氧乙烯氧丙烯甘油（GPE，消泡劑），它們以一定的比例混合的消沫劑又稱為泡敵。它們的用量小為0.03%-0.035%，消泡效果是天然油脂的10倍。

抑泡劑GP親水性較差，作用時間較短，常在配培養(yǎng)基時加入，起到抑制泡沫產(chǎn)生；消泡劑GPE親水性好，作