發(fā)酵過程工藝控制課件

第九章發(fā)酵工藝過程控制第九章發(fā)酵工藝過程控制1一、發(fā)酵過程的測(cè)量參數(shù)通常把決定發(fā)酵過程狀態(tài)的各種參數(shù)或變量分為物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)或生物參數(shù)。①物理參數(shù)：參數(shù)名稱單位測(cè)定方法意義及主要作用溫度℃?zhèn)鞲衅骶S持生長、合成罐壓pa壓力表維持正壓、增加溶氧空氣流量m3/h傳感器供氧、排出廢氣攪拌轉(zhuǎn)速r/min傳感器物料混合攪拌功率kw傳感器反映攪拌情況粘度pa.s粘度反映菌體生長密度g/cm3傳感器反映發(fā)酵液性質(zhì)裝量m3,L傳感器反映發(fā)酵液數(shù)量濁度透光度%傳感器反映菌體生長情況泡沫傳感器反映發(fā)酵代謝情況傳質(zhì)系數(shù)1/h間接計(jì)算或在線檢測(cè)反映供氧情況加糖速度kg/h傳感器反映好氧情況加消泡劑速率kg/h傳感器反映泡沫情況加中間體或前體速率kg/h傳感器反映前體和基質(zhì)利用情況加其它基質(zhì)速率kg/h傳感器反映基質(zhì)利用情況一、發(fā)酵過程的測(cè)量參數(shù)2②化學(xué)參數(shù)：參數(shù)名稱單位及測(cè)定方法意義及主要作用酸堿度pH傳感器反映菌的代謝情況溶氧ppm傳感器反映氧的供給和消耗情況排氣氧濃度pa傳感器了解好氧情況氧化還原電位mV傳感器反映菌的代謝情況溶解CO2濃度%飽和度傳感器了解CO2對(duì)發(fā)酵的影響排氣CO2濃度%傳感器了解菌的呼吸情況總糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉kg/m3取樣了解在發(fā)酵過程中的變化前體或中間體濃度mg/ml取樣產(chǎn)物合成情況氨基酸濃度mg/ml取樣了解氨基酸等含量變化情況礦物鹽濃度mol,%取樣了解這些離子含量對(duì)發(fā)酵的影響②化學(xué)參數(shù)：3③生物參數(shù)：參數(shù)名稱單位及測(cè)定方法意義及主要作用菌體濃度g(DCW)/L取樣了解生長情況菌體中RNA,DNA含量mg(DCW)/g取樣了解生長情況菌體中ATP,ADP,AMP量mg(DCW)/g取樣了解菌的能量代謝情況菌體中NADH量mg(DCW)/g在線熒光法了解菌的合成能力菌體中蛋白質(zhì)量mg(DCW)/g取樣了解生長和產(chǎn)物情況效價(jià)或產(chǎn)物濃度g/mL取樣（傳感器）產(chǎn)物合成情況細(xì)胞形態(tài)取樣，離線了解生長情況③生物參數(shù)：4發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)pH值（酸堿度）溫度（℃）溶解氧濃度基質(zhì)含量空氣流量壓力攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率粘度濁度料液流量產(chǎn)物濃度氧化還原電位廢氣中的氧含量廢氣中的CO2含量菌絲形態(tài)菌體濃度發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)pH值（酸堿度）濁度5二、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）溫度對(duì)發(fā)酵的影響微生物發(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(xì)菌。它們的最適生長溫度一般在20～40℃。在發(fā)酵過程中，需要維持適當(dāng)?shù)臏囟?，才能使菌體生長和代謝產(chǎn)物的合成順利進(jìn)行。溫度會(huì)影響各種酶反應(yīng)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(jī)制。影響發(fā)酵液的理化性質(zhì)(對(duì)氧的溶解)，進(jìn)而影響發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。二、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）溫度對(duì)發(fā)酵的影響微生物6四環(huán)素發(fā)酵中,<30℃,產(chǎn)生金霉素

金色鏈霉菌>35℃,只產(chǎn)生四環(huán)素溫度升高，氣體在溶液中的溶解度減小，氧傳遞速率改變，影響基質(zhì)的分解速率.溫度升高,生長快,反應(yīng)速度快,酶失活快,菌體衰老快,發(fā)酵提前結(jié)束.四環(huán)素發(fā)酵中,溫度升高，氣體在溶液中的溶解度減小，氧傳遞速率7（二）影響發(fā)酵溫度變化的因素產(chǎn)熱因素：生物熱（Q生物）、攪拌熱（Q攪拌）散熱因素：蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）、輻射熱（Q輻射）發(fā)酵熱（Q發(fā)酵）是發(fā)酵溫度變化的主要因素,即發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量,以J/(m3

?h)為單位。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射為了使發(fā)酵能在一定溫度下進(jìn)行，要設(shè)法進(jìn)行控制。由于Q生物和Q蒸發(fā)，特別是Q生物在發(fā)酵過程中隨時(shí)間變化，因此發(fā)酵熱在整個(gè)發(fā)酵過程中也隨時(shí)間變化，引起發(fā)酵溫度發(fā)生波動(dòng)。（二）影響發(fā)酵溫度變化的因素產(chǎn)熱因素：生物熱（Q生物）、攪拌8生物熱----微生物在生長繁殖過程中,本身產(chǎn)生的大量熱.培養(yǎng)基成分越豐富,營養(yǎng)被利用的速度越快.攪拌熱-----機(jī)械攪拌(增加溶解氧)的動(dòng)能以摩擦放熱的方式,使熱量散發(fā)在發(fā)酵液中.蒸發(fā)熱----通氣時(shí)，進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣與發(fā)酵液可以進(jìn)行熱交換，使溫度下降.并且空氣帶走了一部分水蒸氣,這些水蒸氣由發(fā)酵液中蒸發(fā)時(shí)，帶走發(fā)酵液中的熱量,也使溫度下降。被排出的水蒸氣和空氣夾帶著部分顯熱(Q顯)散失到罐外的熱量稱為蒸發(fā)熱.輻射熱---因發(fā)酵罐溫度與罐外溫度不同，即存在著溫差，發(fā)酵液中有部分熱量通過罐壁向外輻射，這些熱量稱為輻射熱.生物熱----微生物在生長繁殖過程中,本身產(chǎn)生的大量熱.培9（三）溫度的控制最適溫度的選擇溫度的控制在生長階段，應(yīng)選擇最適生長溫度；在產(chǎn)物分泌階段，應(yīng)選擇最適生產(chǎn)溫度。例如:青霉素產(chǎn)生菌生長的最適溫度為30℃,但產(chǎn)生青霉素的最適溫度是20℃.看生長與生物合成哪一個(gè)是主要方面.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。利用自動(dòng)控制或手動(dòng)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。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，就可采用冷凍鹽水進(jìn)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(jìn)行發(fā)酵。（三）溫度的控制最適溫度的選擇在生長階段，應(yīng)選擇最適生長溫度10三、pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）pH值對(duì)發(fā)酵的影響1、影響酶的活性，當(dāng)pH值抑制菌體中某些酶的活性時(shí)，會(huì)阻礙菌體的新陳代謝；三、pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）pH值對(duì)發(fā)酵的影響1112、影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響微生物對(duì)營養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的排泄3、pH影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進(jìn)而微生物對(duì)這些成分的吸收、利用2、影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響124、pH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。4、pH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13黑曲霉在pH=2-3時(shí)產(chǎn)生檸檬酸，近中性時(shí)，積累草酸和葡萄糖酸。谷氨酸發(fā)酵中，微堿時(shí)形成谷氨酸，酸性時(shí)產(chǎn)生N-乙酰谷酰胺。黑曲霉在pH=2-3時(shí)產(chǎn)生檸檬酸，近中性時(shí)，積累草酸和葡14pH對(duì)生物合成途徑影響：例如：丙酮丁醇發(fā)酵中，細(xì)菌增殖的pH范圍是5.5-7.0為好，發(fā)酵后期pH＝4.3－5.3時(shí)積累丙酮丁醇，pH升高則丙酮丁醇產(chǎn)量減少，而丁酸、乙酸含量增加。乙酰乙酸pH對(duì)生物合成途徑影響：乙酰乙酸155、pH影響菌體的形態(tài)：產(chǎn)黃青霉細(xì)胞壁的厚度隨pH的增加而減??；pH<６，菌絲的長度縮短。5、pH影響菌體的形態(tài)：產(chǎn)黃青霉細(xì)胞壁的厚度隨pH的增加16（二）發(fā)酵過程pH值的變化在發(fā)酵過程中，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。（二）發(fā)酵過程pH值的變化在發(fā)酵過程中，pH值的變化決定于所17（三）發(fā)酵pH值的確定和控制1.發(fā)酵pH值的確定微生物發(fā)酵的最適pH值范圍一般是在5～8之間。最適pH值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定的。（三）發(fā)酵pH值的確定和控制1.發(fā)酵pH值的確定微生物發(fā)酵181）將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)pH值，進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，定時(shí)測(cè)定和調(diào)節(jié)pH值，以分別維持出發(fā)pH值，或者利用緩沖液來配制培養(yǎng)基來維持。2）到時(shí)觀察菌體的生長情況，以菌體生長達(dá)到最高值的pH值為菌體生長的合適pH值。3）用同樣的方法，可測(cè)得產(chǎn)物合成的合適pH值。1）將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)pH值，進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵過程19在確定合適發(fā)酵pH值時(shí)，不定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響，若溫度提高或降低，合適pH值也可能發(fā)生變動(dòng)。在確定合適發(fā)酵pH值時(shí)，不定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響，若溫度提202.pH值的控制1）首先考慮和試驗(yàn)發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，使它們有個(gè)適當(dāng)?shù)呐浔?，使發(fā)酵過程中的pH值變化在合適的范圍內(nèi)。2）在發(fā)酵過程中直接補(bǔ)加酸或堿和補(bǔ)料的方式來控制；補(bǔ)充生理酸性物質(zhì)(NH4)2SO4和生理堿性物質(zhì)（氨水)來控制。2.pH值的控制1）首先考慮和試驗(yàn)發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，使21（六）泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1、泡沫的形成及其對(duì)發(fā)酵的影響在大多數(shù)微生物發(fā)酵過程中，由于培養(yǎng)基中有蛋白質(zhì)類表面活性劑存在，在通氣條件下，培養(yǎng)液中就形成了泡沫。（六）泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1、泡沫的形成及其對(duì)發(fā)酵的22起泡帶來的不利影響：發(fā)酵罐的裝料系數(shù)減少、氧傳遞系數(shù)減小；造成大量逃液，增加染菌機(jī)會(huì)；嚴(yán)重時(shí)通氣攪拌無法進(jìn)行，菌體呼吸受到阻礙，導(dǎo)致代謝異?；蚓w自溶。泡沫的多少與攪拌、通風(fēng)、培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)。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。糊精含量多也引起泡沫的形成。當(dāng)發(fā)酵感染雜菌和噬菌體時(shí)，泡沫異常多。起泡帶來的不利影響：泡沫的多少與攪拌、通風(fēng)、培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)。232、泡沫的消除調(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(xué)參數(shù)（如pH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，以減少泡沫形成的機(jī)會(huì)。采用機(jī)械消泡或消泡劑來消除已形成的泡沫。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。2、泡沫的消除調(diào)整培養(yǎng)基中的成分（如少加或緩加易起泡的原料）241）機(jī)械消泡物理消泡方法，利用機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)或壓力變化而使泡沫破裂。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省原料，減少染菌機(jī)會(huì)。缺點(diǎn)：消泡效果不理想，僅可作為消泡的輔助方法。罐內(nèi)消泡——靠罐內(nèi)消泡槳轉(zhuǎn)動(dòng)打碎泡沫。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。1）機(jī)械消泡物理消泡方法，利用機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)或壓力變化而使泡沫25發(fā)酵過程工藝控制課件262）消泡劑消泡A.消泡劑的作用：降低泡沫液膜的機(jī)械強(qiáng)度；降低液膜的表面黏度；2）消泡劑消泡A.消泡劑的作用：27B.作為生物工業(yè)理想的消泡劑，應(yīng)具備下列條件：應(yīng)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；應(yīng)該在低濃度時(shí)具有消泡活性；應(yīng)該具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；應(yīng)該對(duì)微生物、人類和動(dòng)物無毒性；應(yīng)該對(duì)產(chǎn)物的提取不產(chǎn)生影響；不會(huì)在使用、運(yùn)輸中引起任何危害；來源方便，成本低；應(yīng)該對(duì)氧傳遞不產(chǎn)生影響；能耐高溫滅菌。B.作為生物工業(yè)理想的消泡劑，應(yīng)具備下列條件：28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。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(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)檢驗(yàn)。C.常用的消泡劑種類發(fā)酵工業(yè)常用的消泡劑一般可分為有機(jī)消泡劑、有機(jī)硅消泡劑和聚醚型消泡劑等三類。

天然油脂類：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29聚醚類消泡劑品種很多，它們是氧化丙烯或氧化丙烯和環(huán)氧乙烷與甘油聚合而成的聚合物。聚氧丙烯甘油（GP型）——氧化丙烯和甘油聚合；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；抑泡性能比消泡性能好，適宜用于基礎(chǔ)培養(yǎng)基中，以抑制泡沫的產(chǎn)生。聚氧乙烯氧丙烯甘油（GPE型，泡敵）——氧化丙烯、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(qiáng)，作用快，溶解度大，消泡活性維持時(shí)間短，用于粘稠發(fā)酵液的效果比用于稀薄的好。聚醚類消泡劑聚醚類消泡劑品種很多，它們是氧化丙烯或氧化丙烯和環(huán)氧乙烷與甘30一般由二甲基硅油和SiO2按一定比例復(fù)合而成。難乳化，表面黏度低，消泡能力強(qiáng)有機(jī)硅消泡劑一般由二甲基硅油和SiO2按一定比例復(fù)合而成。難乳化，表面黏31五、菌體濃度和基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響及其控制(一)菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制菌體（細(xì)胞）濃度（簡(jiǎn)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(xì)胞的多少，而且反映菌體細(xì)胞生理特性不完全相同的分化階段。五、菌體濃度和基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響及其控制(一)菌體濃度對(duì)發(fā)32依靠調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的濃度來控制菌濃首先確定基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方中有個(gè)適當(dāng)?shù)呐浔龋苊猱a(chǎn)生過濃（或過?。┑木w量。然后通過中間補(bǔ)料來控制，如當(dāng)菌體生長緩慢、菌濃太稀時(shí)，則可補(bǔ)加一部分磷酸鹽，促進(jìn)生長，提高菌濃；但補(bǔ)加過多，則會(huì)使菌體過分生長，超過臨界濃度，對(duì)產(chǎn)物合成產(chǎn)生抑制作用。依靠調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的濃度來控制菌濃首先確定基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方中有個(gè)適33CO2對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成的影響CO2影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞膜的運(yùn)輸效率，細(xì)胞生長受抑制，形態(tài)發(fā)生改變。CO2濃度的大小受到菌體的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變性、通氣攪拌程度、外界壓力大小和設(shè)備規(guī)模等多種因素的影響。利用菌體代謝產(chǎn)生的CO2量來控制生產(chǎn)過程的補(bǔ)糖量，以控制菌體的生長和濃度。CO2對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成的影響CO2影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞34（二）基質(zhì)對(duì)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)碳源、氮源和磷酸鹽對(duì)發(fā)酵的影響及控制（二）基質(zhì)對(duì)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)碳源、35發(fā)酵過程工藝控制課件36第九章發(fā)酵工藝過程控制第九章發(fā)酵工藝過程控制37一、發(fā)酵過程的測(cè)量參數(shù)通常把決定發(fā)酵過程狀態(tài)的各種參數(shù)或變量分為物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)或生物參數(shù)。①物理參數(shù)：參數(shù)名稱單位測(cè)定方法意義及主要作用溫度℃?zhèn)鞲衅骶S持生長、合成罐壓pa壓力表維持正壓、增加溶氧空氣流量m3/h傳感器供氧、排出廢氣攪拌轉(zhuǎn)速r/min傳感器物料混合攪拌功率kw傳感器反映攪拌情況粘度pa.s粘度反映菌體生長密度g/cm3傳感器反映發(fā)酵液性質(zhì)裝量m3,L傳感器反映發(fā)酵液數(shù)量濁度透光度%傳感器反映菌體生長情況泡沫傳感器反映發(fā)酵代謝情況傳質(zhì)系數(shù)1/h間接計(jì)算或在線檢測(cè)反映供氧情況加糖速度kg/h傳感器反映好氧情況加消泡劑速率kg/h傳感器反映泡沫情況加中間體或前體速率kg/h傳感器反映前體和基質(zhì)利用情況加其它基質(zhì)速率kg/h傳感器反映基質(zhì)利用情況一、發(fā)酵過程的測(cè)量參數(shù)38②化學(xué)參數(shù)：參數(shù)名稱單位及測(cè)定方法意義及主要作用酸堿度pH傳感器反映菌的代謝情況溶氧ppm傳感器反映氧的供給和消耗情況排氣氧濃度pa傳感器了解好氧情況氧化還原電位mV傳感器反映菌的代謝情況溶解CO2濃度%飽和度傳感器了解CO2對(duì)發(fā)酵的影響排氣CO2濃度%傳感器了解菌的呼吸情況總糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉kg/m3取樣了解在發(fā)酵過程中的變化前體或中間體濃度mg/ml取樣產(chǎn)物合成情況氨基酸濃度mg/ml取樣了解氨基酸等含量變化情況礦物鹽濃度mol,%取樣了解這些離子含量對(duì)發(fā)酵的影響②化學(xué)參數(shù)：39③生物參數(shù)：參數(shù)名稱單位及測(cè)定方法意義及主要作用菌體濃度g(DCW)/L取樣了解生長情況菌體中RNA,DNA含量mg(DCW)/g取樣了解生長情況菌體中ATP,ADP,AMP量mg(DCW)/g取樣了解菌的能量代謝情況菌體中NADH量mg(DCW)/g在線熒光法了解菌的合成能力菌體中蛋白質(zhì)量mg(DCW)/g取樣了解生長和產(chǎn)物情況效價(jià)或產(chǎn)物濃度g/mL取樣（傳感器）產(chǎn)物合成情況細(xì)胞形態(tài)取樣，離線了解生長情況③生物參數(shù)：40發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)pH值（酸堿度）溫度（℃）溶解氧濃度基質(zhì)含量空氣流量壓力攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率粘度濁度料液流量產(chǎn)物濃度氧化還原電位廢氣中的氧含量廢氣中的CO2含量菌絲形態(tài)菌體濃度發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)pH值（酸堿度）濁度41二、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）溫度對(duì)發(fā)酵的影響微生物發(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(xì)菌。它們的最適生長溫度一般在20～40℃。在發(fā)酵過程中，需要維持適當(dāng)?shù)臏囟?，才能使菌體生長和代謝產(chǎn)物的合成順利進(jìn)行。溫度會(huì)影響各種酶反應(yīng)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(jī)制。影響發(fā)酵液的理化性質(zhì)(對(duì)氧的溶解)，進(jìn)而影響發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。二、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）溫度對(duì)發(fā)酵的影響微生物42四環(huán)素發(fā)酵中,<30℃,產(chǎn)生金霉素

金色鏈霉菌>35℃,只產(chǎn)生四環(huán)素溫度升高，氣體在溶液中的溶解度減小，氧傳遞速率改變，影響基質(zhì)的分解速率.溫度升高,生長快,反應(yīng)速度快,酶失活快,菌體衰老快,發(fā)酵提前結(jié)束.四環(huán)素發(fā)酵中,溫度升高，氣體在溶液中的溶解度減小，氧傳遞速率43（二）影響發(fā)酵溫度變化的因素產(chǎn)熱因素：生物熱（Q生物）、攪拌熱（Q攪拌）散熱因素：蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）、輻射熱（Q輻射）發(fā)酵熱（Q發(fā)酵）是發(fā)酵溫度變化的主要因素,即發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量,以J/(m3

?h)為單位。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射為了使發(fā)酵能在一定溫度下進(jìn)行，要設(shè)法進(jìn)行控制。由于Q生物和Q蒸發(fā)，特別是Q生物在發(fā)酵過程中隨時(shí)間變化，因此發(fā)酵熱在整個(gè)發(fā)酵過程中也隨時(shí)間變化，引起發(fā)酵溫度發(fā)生波動(dòng)。（二）影響發(fā)酵溫度變化的因素產(chǎn)熱因素：生物熱（Q生物）、攪拌44生物熱----微生物在生長繁殖過程中,本身產(chǎn)生的大量熱.培養(yǎng)基成分越豐富,營養(yǎng)被利用的速度越快.攪拌熱-----機(jī)械攪拌(增加溶解氧)的動(dòng)能以摩擦放熱的方式,使熱量散發(fā)在發(fā)酵液中.蒸發(fā)熱----通氣時(shí)，進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣與發(fā)酵液可以進(jìn)行熱交換，使溫度下降.并且空氣帶走了一部分水蒸氣,這些水蒸氣由發(fā)酵液中蒸發(fā)時(shí)，帶走發(fā)酵液中的熱量,也使溫度下降。被排出的水蒸氣和空氣夾帶著部分顯熱(Q顯)散失到罐外的熱量稱為蒸發(fā)熱.輻射熱---因發(fā)酵罐溫度與罐外溫度不同，即存在著溫差，發(fā)酵液中有部分熱量通過罐壁向外輻射，這些熱量稱為輻射熱.生物熱----微生物在生長繁殖過程中,本身產(chǎn)生的大量熱.培45（三）溫度的控制最適溫度的選擇溫度的控制在生長階段，應(yīng)選擇最適生長溫度；在產(chǎn)物分泌階段，應(yīng)選擇最適生產(chǎn)溫度。例如:青霉素產(chǎn)生菌生長的最適溫度為30℃,但產(chǎn)生青霉素的最適溫度是20℃.看生長與生物合成哪一個(gè)是主要方面.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。利用自動(dòng)控制或手動(dòng)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。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，就可采用冷凍鹽水進(jìn)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(jìn)行發(fā)酵。（三）溫度的控制最適溫度的選擇在生長階段，應(yīng)選擇最適生長溫度46三、pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）pH值對(duì)發(fā)酵的影響1、影響酶的活性，當(dāng)pH值抑制菌體中某些酶的活性時(shí)，會(huì)阻礙菌體的新陳代謝；三、pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）pH值對(duì)發(fā)酵的影響1472、影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響微生物對(duì)營養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的排泄3、pH影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進(jìn)而微生物對(duì)這些成分的吸收、利用2、影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響484、pH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。4、pH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49黑曲霉在pH=2-3時(shí)產(chǎn)生檸檬酸，近中性時(shí)，積累草酸和葡萄糖酸。谷氨酸發(fā)酵中，微堿時(shí)形成谷氨酸，酸性時(shí)產(chǎn)生N-乙酰谷酰胺。黑曲霉在pH=2-3時(shí)產(chǎn)生檸檬酸，近中性時(shí)，積累草酸和葡50pH對(duì)生物合成途徑影響：例如：丙酮丁醇發(fā)酵中，細(xì)菌增殖的pH范圍是5.5-7.0為好，發(fā)酵后期pH＝4.3－5.3時(shí)積累丙酮丁醇，pH升高則丙酮丁醇產(chǎn)量減少，而丁酸、乙酸含量增加。乙酰乙酸pH對(duì)生物合成途徑影響：乙酰乙酸515、pH影響菌體的形態(tài)：產(chǎn)黃青霉細(xì)胞壁的厚度隨pH的增加而減??；pH<６，菌絲的長度縮短。5、pH影響菌體的形態(tài)：產(chǎn)黃青霉細(xì)胞壁的厚度隨pH的增加52（二）發(fā)酵過程pH值的變化在發(fā)酵過程中，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。（二）發(fā)酵過程pH值的變化在發(fā)酵過程中，pH值的變化決定于所53（三）發(fā)酵pH值的確定和控制1.發(fā)酵pH值的確定微生物發(fā)酵的最適pH值范圍一般是在5～8之間。最適pH值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定的。（三）發(fā)酵pH值的確定和控制1.發(fā)酵pH值的確定微生物發(fā)酵541）將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)pH值，進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，定時(shí)測(cè)定和調(diào)節(jié)pH值，以分別維持出發(fā)pH值，或者利用緩沖液來配制培養(yǎng)基來維持。2）到時(shí)觀察菌體的生長情況，以菌體生長達(dá)到最高值的pH值為菌體生長的合適pH值。3）用同樣的方法，可測(cè)得產(chǎn)物合成的合適pH值。1）將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)pH值，進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵過程55在確定合適發(fā)酵pH值時(shí)，不定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響，若溫度提高或降低，合適pH值也可能發(fā)生變動(dòng)。在確定合適發(fā)酵pH值時(shí)，不定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響，若溫度提562.pH值的控制1）首先考慮和試驗(yàn)發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，使它們有個(gè)適當(dāng)?shù)呐浔龋拱l(fā)酵過程中的pH值變化在合適的范圍內(nèi)。2）在發(fā)酵過程中直接補(bǔ)加酸或堿和補(bǔ)料的方式來控制；補(bǔ)充生理酸性物質(zhì)(NH4)2SO4和生理堿性物質(zhì)（氨水)來控制。2.pH值的控制1）首先考慮和試驗(yàn)發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，使57（六）泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1、泡沫的形成及其對(duì)發(fā)酵的影響在大多數(shù)微生物發(fā)酵過程中，由于培養(yǎng)基中有蛋白質(zhì)類表面活性劑存在，在通氣條件下，培養(yǎng)液中就形成了泡沫。（六）泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1、泡沫的形成及其對(duì)發(fā)酵的58起泡帶來的不利影響：發(fā)酵罐的裝料系數(shù)減少、氧傳遞系數(shù)減??；造成大量逃液，增加染菌機(jī)會(huì)；嚴(yán)重時(shí)通氣攪拌無法進(jìn)行，菌體呼吸受到阻礙，導(dǎo)致代謝異?；蚓w自溶。泡沫的多少與攪拌、通風(fēng)、培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)。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。糊精含量多也引起泡沫的形成。當(dāng)發(fā)酵感染雜菌和噬菌體時(shí)，泡沫異常多。起泡帶來的不利影響：泡沫的多少與攪拌、通風(fēng)、培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)。592、泡沫的消除調(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(xué)參數(shù)（如pH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，以減少泡沫形成的機(jī)會(huì)。采用機(jī)械消泡或消泡劑來消除已形成的泡沫。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。2、泡沫的消除調(diào)整培養(yǎng)基中的成分（如少加或緩加易起泡的原料）601）機(jī)械消泡物理消泡方法，利用機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)或壓力變化而使泡沫破裂。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省原料，減少染菌機(jī)會(huì)。缺點(diǎn)：消泡效果不理想，僅可作為消泡的輔助方法。罐內(nèi)消泡——靠罐內(nèi)消泡槳轉(zhuǎn)動(dòng)打碎泡沫。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。1）機(jī)械消泡物理消泡方法，利用機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)或壓力變化而使泡沫61發(fā)酵過程工藝控制課件622）消泡劑消泡A.消泡劑的作用：降低泡