發(fā)酵過程的中間控制

發(fā)酵過程的中間控制第1頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三

工藝條件控制的目的：就是要為生產(chǎn)菌創(chuàng)造一個(gè)最適的環(huán)境，使我們所需要的代謝活動得以最充分的表達(dá)。第2頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三微生物發(fā)酵的類型1.分批發(fā)酵2.補(bǔ)料發(fā)酵3.連續(xù)培養(yǎng)4.高密度發(fā)酵第3頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)酵過程中的代謝變化初級代謝的代謝變化適應(yīng)（停滯）期：發(fā)酵初期種子剛接入發(fā)酵罐，菌體處于適應(yīng)新環(huán)境的時(shí)期。培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分基本不消耗或很少消耗。對數(shù)生長期：菌體大量繁殖，代謝旺盛；培養(yǎng)基中的基質(zhì)消耗快。靜止（穩(wěn)定）期：菌停止繁殖，在適宜條件下，開始累積產(chǎn)物；此時(shí)為代謝最旺盛時(shí)期，培養(yǎng)基中基質(zhì)消耗加快。衰亡期：菌的活力開始降低，培養(yǎng)基中的基質(zhì)耗盡。第4頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三次級代謝的代謝變化菌體生長階段：碳源和氮源等進(jìn)行分解代謝，菌體進(jìn)行合成代謝，培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)的濃度明顯降低，而菌體濃度明顯增加。產(chǎn)物合成階段：碳源和氮源等進(jìn)行分解代謝，產(chǎn)物進(jìn)行合成代謝，菌體的質(zhì)量增加，但基本不繁殖，營養(yǎng)物質(zhì)消耗，產(chǎn)物濃度增加。菌體自溶階段：菌體衰老、細(xì)胞開始自溶、氨氮含量增加，pH值上升，產(chǎn)物合成能力衰退，生產(chǎn)速率下降。第5頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三本章主要內(nèi)容一、溫度的控制二、pH值的控制三、溶氧的控制四、泡沫的控制五、二氧化碳對發(fā)酵的影響及調(diào)控六、菌體濃度與基質(zhì)對發(fā)酵的影響及其控制七、補(bǔ)料的控制八、補(bǔ)料分批發(fā)酵的作用第6頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三九、發(fā)酵過程的檢測與自控十、發(fā)酵終點(diǎn)的判斷第7頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三1，影響發(fā)酵溫度的因素

產(chǎn)熱因素：生物熱攪拌熱

散熱因素：蒸發(fā)熱輻射熱顯熱

第一節(jié)溫度對發(fā)酵的影響及其控制第8頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三一、發(fā)酵熱發(fā)酵過程中釋放出來的凈能量，由產(chǎn)熱因素和散熱因素兩方面所決定。Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射第9頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三1.生物熱（Q生物）生物熱：生物熱是生產(chǎn)菌在生長繁殖時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。營養(yǎng)基質(zhì)被菌體分解代謝產(chǎn)生大量的熱能，部分用于合成高能化合物ATP，供給合成代謝所需要的能量，多余的熱量則以熱能的形式釋放出來，形成生物熱。影響生物熱的因素：生物熱隨菌株，培養(yǎng)基，發(fā)酵時(shí)期的不同而不同。生物熱的大小還與菌體的呼吸強(qiáng)度有對應(yīng)關(guān)系。第10頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抗生素高產(chǎn)量批號的生物熱高于低產(chǎn)量批號的生物熱。說明抗生素合成時(shí)微生物的新陳代謝十分旺盛。

1、抗生素相對活性為12、抗生素相對活性為0.5發(fā)酵過程中生物熱的變化第11頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三在四環(huán)素發(fā)酵中，還發(fā)現(xiàn)生物熱和菌的呼吸強(qiáng)度的變化有對應(yīng)關(guān)系，特別是在80小時(shí)以前。從此實(shí)驗(yàn)中還可看到，當(dāng)產(chǎn)生的生物熱達(dá)到高峰時(shí)，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可從菌體的耗氧率來衡量生物熱的大小。

四環(huán)素生物合成過程中系列參數(shù)的動態(tài)變化過程1：效價(jià)；2：呼吸強(qiáng)度；3：生物熱；4：糖濃度第12頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動造成液體之間，液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱。

Q攪拌=3600×（P/V）3600：熱功當(dāng)量（kJ/（kW.h））（P/V）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率（kW/m3）2.攪拌熱（Q攪拌）第13頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三通入發(fā)酵罐的空氣，其溫度和濕度隨季節(jié)及控制條件的不同而有所變化?？諝膺M(jìn)入發(fā)酵罐后，就和發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)行熱交換。同時(shí)必然會引起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。蒸發(fā)熱的計(jì)算：

Q蒸發(fā)=G（I2-I1）

G：空氣流量，按干重計(jì)算，kg/h

I1、I2：進(jìn)出發(fā)酵罐的空氣的熱焓量，J/kg（干空氣）3.蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）第14頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三輻射熱：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過罐體向外輻射的熱量。輻射熱可通過罐內(nèi)外的溫差求得，一般不超過發(fā)酵熱的5%。4.輻射熱（Q輻射）第15頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三二、發(fā)酵熱的測定通過測定一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水的進(jìn)出口溫度按下式計(jì)算：Q發(fā)酵＝Gc（t2-t1）/VG－冷水流量（L/h）；c－水的比熱[kJ/(Kg·C)]；t1、t2－進(jìn)出的冷卻水溫度；V－發(fā)酵液體積（m3）。第16頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三2.通過發(fā)酵罐溫度的自動控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自動控制裝置，測定溫度隨時(shí)間上升的速率。按下式計(jì)算Q發(fā)酵＝（M1c1+M2c2）SM1－發(fā)酵液的重量（Kg）；

M2－發(fā)酵罐的重量（Kg）；c1－發(fā)酵液的比熱[kJ/(Kg·C)]；c2－發(fā)酵罐材料的比熱，[kJ/(Kg·C)]；S－溫度上升速率（C/h）。第17頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三3.根據(jù)化合物的燃燒熱值計(jì)算發(fā)酵過程中生物熱的近似值。根據(jù)Hess定律：熱效應(yīng)決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化途徑無關(guān)，反應(yīng)的熱效應(yīng)等于產(chǎn)物的生成熱總和減去作用物生成熱總和。按下式計(jì)算：?H＝Σ（?H）作用物－Σ（?H）產(chǎn)物第18頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三三、溫度對發(fā)酵的影響1.溫度對微生物生長的影響生物體的生命活動可以看作是相互連續(xù)進(jìn)行酶反應(yīng)的表現(xiàn)，任何化學(xué)反應(yīng)又都和溫度有關(guān)。所以溫度直接影響酶反應(yīng)，從而影響著生物體的生命活動。每種微生物各有其生長發(fā)育所需的溫度。第19頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三2.溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)通過影響發(fā)酵液中的溶氧等因素，間接影響微生物的生物合成3.溫度影響生物合成的方向如金色鏈絲菌在低于30℃時(shí)，合成金霉素的能力強(qiáng)，在高于35℃時(shí)，合成四環(huán)素的能力非常強(qiáng)，金霉素的合成幾乎停止。第20頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三4.溫度影響酶系組成及酶的性質(zhì)如，用米曲霉制曲時(shí)，溫度控制在低限，有利于蛋白酶合成，α-淀粉酶活性受到抑制。第21頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三最適溫度是一種相對概念，是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān)。最適發(fā)酵溫度的選擇根據(jù)發(fā)酵階段的不同，選擇不同的培養(yǎng)溫度。參考其它發(fā)酵條件來選擇溫度。溫度的選擇還應(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度四，最適溫度的選擇第22頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三

發(fā)酵罐：夾套（10M3以下）盤管（蛇管）（10M3以上）五、溫度的控制溫度計(jì)溫度控制器調(diào)節(jié)閥冷卻介質(zhì)：深井水或冷凍水控制方式：手動控制或自動控制第23頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)、pH對發(fā)酵的影響及控制盡管多數(shù)微生物能在3～4個(gè)pH單位的pH范圍內(nèi)生長，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生長速率和最佳產(chǎn)物形成，必須使pH在很窄的范圍內(nèi)保持恒定。第24頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三Q：試分析pH對發(fā)酵過程的影響有哪些？第25頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三一、PH值對菌生長和代謝產(chǎn)物形成的影響微生物生長有其最適的PH值，生物合成也有其最適的PH值幾種抗生素發(fā)酵的最適PH范圍第26頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三影響酶的活性，當(dāng)PH值抑制菌體中某些酶的活性，會阻礙菌體的新陳代謝。影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)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(jìn)而影響微生物對這些成分的吸收。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。PH值對微生物的繁殖和產(chǎn)物合成的影響有：第27頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三二、影響PH值變化的因素發(fā)酵過程中，PH值的變化取決于所用的菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件，是微生物在發(fā)酵過程中代謝活動的綜合反映。在菌種代謝過程中，菌本身具有一定的調(diào)整周圍PH值的能力，構(gòu)建最適的PH值環(huán)境，所以培養(yǎng)開始時(shí)發(fā)酵液PH的影響是不大的。培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的代謝，是引起PH值變化的主要原因。此外還有通氣條件的變化，菌體自溶，雜菌污染等。第28頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三三、最適PH值的選擇和調(diào)節(jié)最適PH值的選擇原則：有利于菌體生長和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。最適pH與菌株，培養(yǎng)基組成，發(fā)酵工藝有關(guān)。應(yīng)按發(fā)酵過程的不同階段分別控制不同的pH范圍。第29頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三最適pH與微生物生長，產(chǎn)物形成之間相互關(guān)系有四種類型：菌體比生長速率μ和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率QP的最適pH在一個(gè)相似的較寬的范圍內(nèi)（比較容易控制）；μ較寬，Qp范圍較窄，或μ較窄，Qp范圍較寬（難控制，應(yīng)嚴(yán)格控制）；μ和Qp對pH都很敏感，其最適pH相同（應(yīng)嚴(yán)格控制）；更復(fù)雜，μ和Qp對pH都很敏感，并有各自的最適pH（難度最大）；第30頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三μ：菌體的比生長速率Qp：產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率微生物生長最適PH與產(chǎn)物形成最適PH相互關(guān)系第31頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三Q：發(fā)酵過程中通過哪些方法控制發(fā)酵液的pH？第32頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三2.最適PH值的調(diào)節(jié)考慮和試驗(yàn)發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，從而使PH值變化在合適的范圍內(nèi)。發(fā)酵過程中直接補(bǔ)加酸或堿

直接添加酸（H2SO4)或堿（NaOH）來控制。第33頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三在加多了消泡劑的個(gè)別情況下，還可以采用提高空氣流量來加速脂肪酸的代謝，以調(diào)節(jié)pH值。通氨：使用壓縮氨氣或工業(yè)用氨水（20％左右），采用少量間歇添加或連續(xù)自動流加。此法避免使用銅制的通氨設(shè)備補(bǔ)料：同時(shí)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充營養(yǎng)、延長發(fā)酵周期、調(diào)節(jié)pH值和培養(yǎng)液特性（如菌體濃度）等目的。添加生理酸性物質(zhì)[(NH4)2SO4]和生理堿性物質(zhì)（氨水）來控制。第34頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三pH的控制系統(tǒng)pH電極設(shè)定控制器調(diào)節(jié)閥6.5pHUncontrolledControlled經(jīng)消毒的pH電極裝入發(fā)酵罐內(nèi)定時(shí)直接測定培養(yǎng)基的pH，同時(shí)還可以與控制儀表連結(jié)，通過回路系統(tǒng)控制閥門或泵進(jìn)行pH調(diào)節(jié)。第35頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三課堂討論某一液體培養(yǎng)基，在配制時(shí)按菌的生長最適pH將其調(diào)節(jié)為pH為7.2，121℃滅菌30min，從甘油保存的菌懸液中接出菌種到此液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)菌不長，且測其pH值發(fā)現(xiàn)pH值降到了6.0左右，試分析導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因。第36頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三答案導(dǎo)致培養(yǎng)基pH值下降的原因可能是：1.滅菌過程培養(yǎng)基中某些成分受到破壞，這些成分的分解以及變性導(dǎo)致培養(yǎng)基的pH值下降。2.在接種過程中污染雜菌，或甘油保存的菌種已被雜菌污染，甘油保存的菌種由于長期凍存，接入培養(yǎng)基后需要較長的適應(yīng)期，而雜菌在培養(yǎng)基中快速生長產(chǎn)生酸性物質(zhì)，導(dǎo)致培養(yǎng)液pH值下降。第37頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三3.甘油保存的菌種由于長期凍存或反復(fù)凍溶用于接種，導(dǎo)致菌種退化，菌種的代謝產(chǎn)生變異，導(dǎo)致酸性物質(zhì)的產(chǎn)生。4.發(fā)酵過程中，通氣量不夠，導(dǎo)致菌種攝氧不足，部分菌在氧饑餓的狀態(tài)下產(chǎn)生酸性物質(zhì)，致使發(fā)酵液pH值下降。由于以上可能存在的原因?qū)е掳l(fā)酵液pH值下降，根據(jù)題意，菌的最適生長pH為7.2，發(fā)酵液的pH值下降，導(dǎo)致菌體的生長受到抑制，甚至死亡，菌體的自溶對發(fā)酵液的也會引起pH值的下降。第38頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三大多數(shù)發(fā)酵過程是好氧的，因此需要供氧。如果考慮呼吸的化學(xué)計(jì)量，則葡萄糖的氧化可由下式表示：

C6H12O6

十6O2＝6H2O十6CO2

只有當(dāng)這兩種反應(yīng)物均溶于水后，才對菌體有用。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小約6000倍左右(氧在水中的飽和度約為l0mg/L)

。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。第三節(jié)、氧對發(fā)酵的影響及控制第39頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三1.發(fā)酵過程中，影響耗氧的因素培養(yǎng)基的成分和濃度菌齡發(fā)酵條件此外，發(fā)酵過程中，排除有毒產(chǎn)物如二氧化碳、揮發(fā)性的有機(jī)酸和過量的氨，也有利于提高菌體的攝氧量第40頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三2.溶氧對發(fā)酵的影響供氧與微生物呼吸代謝的關(guān)系微生物的吸氧量常用呼吸強(qiáng)度和攝氧率兩種方法表示：呼吸強(qiáng)度（QO2)：也叫做比耗氧速率。指單位質(zhì)量的干細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)所吸取的氧量，單位為mmolo2/g.干細(xì)胞.h。2.攝氧率(r）：指單位體積的培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的吸氧量，單位為mol/m3.s。

r=QO2·X（X：發(fā)酵液中的菌體濃度，g/L）當(dāng)培養(yǎng)基中有固體成分存在時(shí)，對測定有困難，這時(shí)可用耗氧速率來表示微生物的相對攝氧量第41頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三

由于菌體的代謝是受發(fā)酵液中的溶氧濃度的影響，故簡單地依據(jù)總需求來供氧是欠妥的。溶氧濃度對比攝氧率(QO2每克干菌體每小時(shí)所消耗的氧的毫摩爾數(shù))用米氏型曲線表示。

臨界氧濃度（C臨）：指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度，或微生物對發(fā)酵液中溶解氧濃度的最低要求。DissolvedOxygenConcentrationQO2Ccritical3.臨界氧濃度（criticalvalueofdissolvedoxygenconcentration)第42頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三■某些微生物的臨界氧濃度微生物溫度（?C）臨界氧濃度（mmol/L）固氮菌300.018大腸桿菌370.008酵母300.004產(chǎn)黃青霉240.022第43頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三只有使溶氧濃度高于其臨界值，才能維持菌體的最大比攝氧率，得到最大的菌體合成量。如果溶氧濃度低于臨界值，則菌體代謝受到干擾。第44頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三如果發(fā)酵工業(yè)的目標(biāo)是要得到菌體發(fā)酵的產(chǎn)物而不是菌體本身由氧饑餓而引起的細(xì)胞代謝干擾，可能對形成某些產(chǎn)物是有利的；同理，當(dāng)提供的氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值時(shí)，雖對菌體形成無妨，但也許能刺激產(chǎn)物的形成；所以，某種產(chǎn)物形成的最佳條件可能不同于菌體生長的最佳通氣條件。

第45頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三根據(jù)需氧不同，可將初級代謝發(fā)酵分為：

a.供氧充足條件下，產(chǎn)量最大；若供氧不足，合成受強(qiáng)烈抑制；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；若供氧受限，產(chǎn)量受影響不明顯；如：異亮氨酸，賴氨酸，蘇氨酸等

c.若供氧受限，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)物形成反而受抑制；如：亮氨酸，纈氨酸，苯丙氨酸等第46頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三第47頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三但在實(shí)際生產(chǎn)過程中需注意：溶解氧濃度過低（代謝異常，產(chǎn)量降低）溶解氧濃度過高（代謝異常，菌體提前自溶）第48頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三3、影響供氧的因素?cái)嚢瑁簲嚢璋汛蟮目諝鈿馀荽虺晌⑿馀?，增加接觸面積和接觸時(shí)間；攪拌使液體作渦流運(yùn)動，使氣泡螺旋式上升，增加了氣液接觸時(shí)間攪拌能減少氣泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力，因而增大KLa值攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞中的接觸面積的增加，減少菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳遞注意：過度劇烈的攪拌，產(chǎn)生的剪切作用力大，損害菌體細(xì)胞第49頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三2.空氣流量：在一定限度下，KLα值隨空氣流量增加而增加。第50頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三3.發(fā)酵液的性質(zhì)：其它條件相同，如液體的性質(zhì)不同，KLα值也會不同。微生物的生命活動發(fā)酵液粘度發(fā)酵液表面張力發(fā)酵液中離子濃度氣泡的大小和穩(wěn)定性氧的傳遞效率液膜阻力第51頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三4.微生物生長：隨微生物生長，發(fā)酵液中細(xì)胞濃度增大，會使KLα值逐漸減??；菌體形態(tài)也影響KLα。第52頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三5.消沫劑加入消沫劑，分布在氣液界面，增大了傳遞阻力，使KL下降。使用的消沫劑是表面活性物質(zhì)，盡管會引起溶解氧濃度的暫時(shí)下降，但最終會改善發(fā)酵液的通氣效率。第53頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三6.離子強(qiáng)度電解質(zhì)溶液中的氣泡比在水中的要小，所以有較大的比表面積。因此同樣條件下，電解質(zhì)溶液的KLα值也比水中的大。第54頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三7.影響推動力的因素：如溫度、電解質(zhì)溶液等。第55頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三8.氧的分壓增加空氣中氧的分壓可使氧的溶解度增大，增加空氣壓力，即增大罐壓，或用含氧較多的空氣都能增加氧的分壓。第56頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三4.發(fā)酵過程的溶氧控制發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時(shí)需氧超過供氧，溶氧明顯下降發(fā)酵中后期，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)和方式等發(fā)酵后期由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會明顯地上升1.發(fā)酵過程中的溶氧變化第57頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三第58頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三調(diào)節(jié)通風(fēng)與攪拌限制基礎(chǔ)培養(yǎng)基的濃度，使發(fā)酵器內(nèi)的生物體濃度維持于適當(dāng)水平；并以補(bǔ)料方式供給某些營養(yǎng)成分而控制菌體生長率和呼吸率。

調(diào)節(jié)溫度（降低培養(yǎng)溫度可提高溶氧濃度）添加表面活性劑中間補(bǔ)水2.發(fā)酵過程中的溶氧控制第59頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)酵過程中引起溶氧異常下降的原因污染好氣性雜菌污染噬菌體菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化停止攪拌悶罐（罐排氣封閉）第60頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)酵過程中間控制實(shí)例第61頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三鳥苷發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù)方案

通過鳥苷發(fā)酵過程的數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)：40小時(shí)OUR下降，補(bǔ)糖速率不變，鳥苷產(chǎn)率迅速下降──推測原因：代謝流遷移第62頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三17種氨基酸的時(shí)序變化

紙層析分析有機(jī)酸的積累

實(shí)測結(jié)果：代謝流分析35小時(shí)：丙酮酸、丙氨酸積累第63頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三

代謝途徑遷移的酶學(xué)測試

───HMP途經(jīng)→EMP途經(jīng)關(guān)鍵技術(shù)磷酸果糖激酶

磷酸葡萄糖脫氫酶

丙酮酸激酶

檸檬酸合成酶

丙氨酸脫氫酶

第64頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三鳥苷生產(chǎn)工藝優(yōu)化結(jié)果

小試與中試規(guī)模：17.2克/L→32克/L(60小時(shí))100M3生產(chǎn)規(guī)模：16克/L→27克/L(60小時(shí))

關(guān)鍵技術(shù)第65頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三該項(xiàng)目完成后的

市場競爭紀(jì)要2001年5月廣東星湖公司恢復(fù)生產(chǎn)2001年7月，日方提出就“價(jià)格回升問題”進(jìn)行談判，星湖公司拒絕了日方談判要求。2001年底星湖控制了中國市場，日方退出。20O2年價(jià)格回升，星湖開始創(chuàng)利目前價(jià)格已達(dá)17.5萬元/噸2003年實(shí)施擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，走向國際市場第66頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三課堂討論．發(fā)酵過程中，溶氧濃度是最重要的參數(shù)之一，試闡述怎樣從供氧和需氧兩方面著手，控制發(fā)酵過程中的溶氧水平？第67頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三在發(fā)酵過程中要維持一定的溶氧水平，需從供氧和需氧兩方面著手。在供氧方面，主要是設(shè)法提高氧傳遞的推動力和氧傳遞系數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通氣速率來控制。同時(shí)要有適當(dāng)?shù)墓に嚄l件來控制需氧量，使菌體的生長和產(chǎn)物形成對氧的需求量不超過設(shè)備的供氧能力。第68頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)酵液的需氧量，受菌體濃度、基質(zhì)種類和濃度以及培養(yǎng)條件等因素的影響，其中以菌濃的影響最為明顯。發(fā)酵液的攝氧率隨菌濃增大而增大，但氧的傳遞速率隨菌濃的對數(shù)值增大而減少。因此可以控制菌的比生長速率比臨界值略高一點(diǎn)，達(dá)到最適菌體濃度。這樣既能保證產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率維持在最大值，又不會使需氧大于供氧。第69頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三臨界菌體濃度c(X)臨的概念為了獲得最高的生產(chǎn)率，需要采用攝氧速率OUR與傳氧速率OTR相平衡時(shí)的菌體濃度，也就是傳氧速率隨菌濃變化的曲線和攝氧速率隨菌濃變化的曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的菌體濃度，即臨界菌體濃度c(X)臨。第70頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)泡沫對發(fā)酵的影響及其控制第71頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三一、泡沫的形成及其對發(fā)酵的影響形成的泡沫有兩種類型：一種是發(fā)酵液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如發(fā)酵前期的泡沫；另一種是發(fā)酵液中的泡沫，又稱流態(tài)泡沫(fluidfoam)，分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，與液體之間無明顯的界限泡沫的多少一方面與發(fā)酵罐攪拌、通風(fēng)有關(guān)；另一方面，與培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)。第72頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)酵時(shí)起泡的方式：①整個(gè)發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平；②發(fā)酵早期，起泡后穩(wěn)定地下降，以后保持恒定；③發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升；④發(fā)酵開始起泡能力低，以后上升；⑤以上類型的綜合方式。第73頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三泡沫對發(fā)酵的影響泡沫過多氧傳遞系數(shù)減小大量逃液發(fā)酵罐裝料系數(shù)減少染菌幾率增大第74頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三通氣與攪拌的強(qiáng)度培養(yǎng)基的配比及原材料組成培養(yǎng)基的破壞程度、培養(yǎng)基滅菌的方法和操作接種量的大小培養(yǎng)液本身性質(zhì)的變化染菌二、影響泡沫穩(wěn)定的因素第75頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三不同攪拌速度和通氣量對泡沫影響第76頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三不同濃度蛋白質(zhì)原科的起泡作用第77頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三滅菌時(shí)間對泡沫穩(wěn)定性的影響

第78頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三三、泡沫的消除①調(diào)整培養(yǎng)基中的成分(如少加或緩加易起泡的原材料)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②采用機(jī)械消泡或消泡劑消泡這兩種方法來消除已形成的泡沫③還可以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)在因素第79頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三⒈機(jī)械消泡

第80頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三第81頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三原理靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收。優(yōu)點(diǎn)不需要引進(jìn)外界物質(zhì)、節(jié)省原材料、減少污染機(jī)會缺點(diǎn)不能從根本消除引起穩(wěn)定泡沫的因素。第82頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三⒉消泡劑消泡這是利用外界加入消泡劑，使泡沫破裂的方法。第83頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三理想的消泡劑，應(yīng)具備下列條件：①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；②應(yīng)該在低濃度時(shí)具有消泡活性；③應(yīng)該具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；④應(yīng)該對微生物、人類和動物無毒性；⑤應(yīng)該對產(chǎn)物的提取不產(chǎn)生任何影響；⑥不會在使用、運(yùn)輸中引起任何危害；⑦來源方便，成本低；⑧應(yīng)該對氧傳遞不產(chǎn)生影響；⑨能耐高溫滅菌。第84頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三機(jī)理當(dāng)泡沫的表層存在著由極性的表面活性物質(zhì)形成雙電層時(shí)，可以加入另一種具有相反電荷的表面活性劑，以降低泡沫的機(jī)械強(qiáng)度或加入某些具有強(qiáng)極性的物質(zhì)與發(fā)泡劑爭奪液膜上的空間，降低液膜強(qiáng)度，使泡沫破裂。當(dāng)泡沫的液膜具有較大的表面粘度時(shí)，可以加入某些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液體流失，導(dǎo)致泡沫破裂。第85頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三消泡劑的種類和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、魚油及豬油等。聚醚類：在生產(chǎn)上應(yīng)用較多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又稱泡敵)。高級醇類：十八醇是較常用的一種，可以單獨(dú)或與載體—起使用。據(jù)報(bào)導(dǎo)，它與冷榨豬油一起控制青男素發(fā)酵的泡沫，效果較好。聚二酵具有消沫效果持久的特點(diǎn)，尤其適用于霉菌發(fā)酵。硅酮類：硅酮類消沫劑主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。第86頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三3.對于已形成的泡沫，工業(yè)上可以采用機(jī)械消泡和化學(xué)消泡劑消泡或兩者同時(shí)使用消泡。第87頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)二氧化碳對發(fā)酵的影響及控制二氧化碳是微生物的代謝產(chǎn)物，同時(shí)也是合成代謝的一種基質(zhì)，是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。一、二氧化碳的來源及對發(fā)酵的影響通常CO2對菌體生長有抑制作用CO2對發(fā)酵也有影響第88頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三CO2對菌體具有抑制作用，當(dāng)排氣中CO2的濃度高于4%時(shí)，微生物的糖代謝和呼吸速率下降。例如，發(fā)酵液中CO2的濃度達(dá)到1.6×10-1mol，就會嚴(yán)重抑制酵母的生長；當(dāng)進(jìn)氣口CO2的含量占混合氣體的80%時(shí)，酵母活力與對照相比降低20%。第89頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三CO2對發(fā)酵也有影響對發(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5%的CO2。對發(fā)酵抑制。如對肌苷、異亮氨酸、組氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制影響發(fā)酵液的酸堿平衡第90頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三CO2及HCO3-主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動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)胞生長受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。培養(yǎng)液中的CO2主要作用于細(xì)胞膜的脂質(zhì)核心部位；HCO3-影響細(xì)胞膜的膜蛋白。

二、CO2對發(fā)酵影響的機(jī)理第91頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三三、CO2的釋放率連續(xù)測得排氣氧和CO2濃度，可計(jì)算出整個(gè)發(fā)酵過程中CO2的釋放率(Carbondioxidereleaseratio，簡稱CRR)。式中

——二氧化碳比釋放率，mmolCO2／(g干菌體·h)；

c(X)——發(fā)酵液中菌體的濃度，g干菌體／L。第92頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三通過控制CO2的量來控制菌體量分析尾氣中CO2的含量記錄培養(yǎng)體積及通氣量的變化，用計(jì)算機(jī)計(jì)算CO2的累積量，與合成培養(yǎng)基培養(yǎng)菌體的干重比較，得出對數(shù)期菌體生長速率與CO2釋放率成正比關(guān)系。測定排氣中CO2濃度的變化，采用流加基質(zhì)的方法來實(shí)現(xiàn)對菌體生長速率和菌體量的控制。第93頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三四、呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系耗氧速率OUR可通過熱磁氧分析儀或質(zhì)譜儀測量進(jìn)氣和排氣中的氧含量計(jì)算而得，并最終計(jì)算出呼吸商RQRQ可以反映菌的代謝情況，酵母發(fā)酵，RQ=1，糖有氧代謝，僅生成菌體，無產(chǎn)物形成；RQ>1.1，糖經(jīng)EMP生成乙醇RQ是碳-能源代謝情況的指示值第94頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三五、補(bǔ)糖與排氣CO2，pH值變化的關(guān)系發(fā)酵液中補(bǔ)加葡萄糖，即增加碳源，排氣CO2濃度增加，pH值下降。隨著糖耗的增加，CRR（CO2釋放率）增加——葡萄糖被利用產(chǎn)生CO2，其中溶解的CO2使培養(yǎng)液pH下降；另一方面葡萄糖被菌利用產(chǎn)生有機(jī)酸，使pH下降。糖、CO2、pH值三者的相關(guān)性，被青霉素工業(yè)生產(chǎn)上用于補(bǔ)料控制的參數(shù)，并認(rèn)為排氣CO2的變化比pH值變化更敏感，所以測定排氣CO2釋放率來控制補(bǔ)糖速率。第95頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三六、二氧化碳濃度的控制CO2的大小受到許多因素的影響，如菌體的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液流變學(xué)特性、通氣攪拌程度和外界壓力大小等因素CO2濃度的控制應(yīng)隨它對發(fā)酵的影響而定CO2的產(chǎn)生與補(bǔ)料工藝控制密切相關(guān)第96頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三第六節(jié)菌體濃度與基質(zhì)對發(fā)酵的影響及控制第97頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三一、菌體濃度對發(fā)酵的影響及控制1.菌體濃度對發(fā)酵的影響及其控制第98頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三概念菌體（細(xì)胞）濃度：簡稱菌濃（cellconcentration）是指單位體積培養(yǎng)液中菌體的含量。第99頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三菌體濃度是一個(gè)重要的參數(shù)

菌體濃度的大小，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。發(fā)酵動力學(xué)研究中的一個(gè)基本參數(shù)第100頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三影響菌濃的因素發(fā)酵液中菌體濃度的大小取決與菌體生長速率比生長速率（μ）大的菌體，菌體濃度增長液迅速，反之就緩慢。第101頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三影響菌體生長速率的因素Ⅰ.微生物的種類和自身的遺傳特性不同的微生物種類的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生長機(jī)制不同，因而其生長速率各不相同。第102頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三Ⅱ.營養(yǎng)物質(zhì)按照Monod方程來看，微生物的生長速率取決于限制性基質(zhì)的濃度。當(dāng)基質(zhì)濃度c(s)>10Ks時(shí)，比生長速率就接近最大值。第103頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三Monod方程1942年Monod根據(jù)微生物細(xì)胞生長比速與限制性基質(zhì)濃度有關(guān)這個(gè)事實(shí)，首次提出了微生物生長與限制性基質(zhì)濃度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并用自己的名字命名為Monod方程μ=μmaxc(s)Ks+c(s)μmax－細(xì)胞生長的最大比速μ－細(xì)胞生長比速c(s)－限制性基質(zhì)濃度Ks－飽和常數(shù)，生長速率達(dá)到最大生長速率一半時(shí)的底物濃度第104頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三但是營養(yǎng)物質(zhì)均存在一個(gè)上限濃度，在此濃度以內(nèi)，μ隨著c(s)的增加而增加，超過上限，造成基質(zhì)抑制效應(yīng)：c(s)增加反而造成μ下降高濃度基質(zhì)造成高滲透壓，引起細(xì)胞脫水高濃度的基質(zhì)抑制某些關(guān)鍵酶或細(xì)胞組分高濃度基質(zhì)能使微生物熱致死高濃度基質(zhì)還會改變菌體的生化代謝而影響生長第105頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三Ⅲ.環(huán)境條件pH溫度水分活度溶氧其他第106頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三菌體濃度對發(fā)酵的影響適當(dāng)?shù)谋壬L速率下，菌體濃度增加有利于提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率菌濃度過高對發(fā)酵不利營養(yǎng)物質(zhì)消耗過快，營養(yǎng)成分發(fā)生明顯改變，有副產(chǎn)物積累，改變菌體的代謝途徑對溶氧的影響尤為明顯第107頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三在適當(dāng)?shù)谋壬L速率下，發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率與菌體濃度成正比關(guān)系

P=QPmc(X)式中

P——發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率(產(chǎn)物最大生成速率或生產(chǎn)率)，g／(L·h)；

QPm——產(chǎn)物最大比生成速率，h-1；

c(X)——菌體濃度，g／L。第108頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三對于初級代謝產(chǎn)物,如：氨基酸、維生素等，來說菌體濃度越大，產(chǎn)物的產(chǎn)量也越大。對抗生素這類次級代謝產(chǎn)物來說，控制菌體的比生長速率μ比μ臨略高一點(diǎn)的水平，達(dá)到最適菌濃[即c(X)臨]，菌體的生產(chǎn)率最高。第109頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三臨界菌體濃度c(X)臨的概念為了獲得最高的生產(chǎn)率，需要采用攝氧速率OUR與傳氧速率OTR相平衡時(shí)的菌體濃度，也就是傳氧速率隨菌濃變化的曲線和攝氧速率隨菌濃變化的曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的菌體濃度，即臨界菌體濃度c(X)臨。第110頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)酵過程中菌體濃度的控制通過控制基質(zhì)濃度來控制菌體濃度

發(fā)酵過程中要把菌體濃度控制在適宜的范圍之內(nèi)，主要靠調(diào)節(jié)基質(zhì)濃度，確定基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方中的適當(dāng)比例，避免過濃或過稀的菌濃。

采用中間補(bǔ)料、控制CO2和O2量來控制菌體濃度第111頁，共125頁，2023年，2月20日，星期三培養(yǎng)基成分

培養(yǎng)基過于豐富，使得菌體生長過于旺盛，發(fā)酵液黏度增大，傳質(zhì)差，菌體耗費(fèi)較多的能量用于維持生存環(huán)境，使產(chǎn)物的產(chǎn)率下降基質(zhì)的濃度按照Monod關(guān)系式，當(dāng)c(s)<<Ks的情況下，比生長速率與基質(zhì)濃度呈線性關(guān)系