發(fā)酵工藝的控制

發(fā)酵工藝的控制第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第五章發(fā)酵工藝的控制

1.概述２.溫度的影響及其控制３.pH的影響及控制４.溶氧的影響和控制５.泡沫的作用和控制６.補(bǔ)料的作用和控制７.發(fā)酵終點(diǎn)的判斷第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分控制難點(diǎn)：過程的不確定性和參數(shù)的非線性發(fā)酵過程的影響因素是復(fù)雜的，比如設(shè)備的差別、水的差別、培養(yǎng)基滅菌的差別，菌種保藏時(shí)間的長短，發(fā)酵過程的細(xì)微差別都會(huì)引起微生物代謝的不同。了解和掌握分析發(fā)酵過程的一般方法對于優(yōu)化發(fā)酵是十分必要的1.概述

一、發(fā)酵過程的方式二、發(fā)酵過程的代謝參數(shù)第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五一、發(fā)酵過程的方式分批培養(yǎng)補(bǔ)料分批培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五分批培養(yǎng)中微生物的生長規(guī)律遲滯期對數(shù)生長期穩(wěn)定期死亡期第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五遲滯期：菌體沒有分裂只有生長，因?yàn)楫?dāng)菌種接種入一個(gè)新的環(huán)境，細(xì)胞內(nèi)的核酸、酶等稀釋，這時(shí)細(xì)胞不能分裂。對數(shù)生長期：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的與細(xì)胞分裂相關(guān)的物質(zhì)濃度達(dá)到一定程度，細(xì)胞開始分裂，這時(shí)細(xì)胞生長很快，對于初級代謝產(chǎn)物，在對數(shù)生長期初期就開始合成并積累，穩(wěn)定期：隨著細(xì)胞生長，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物減少，廢物積累，導(dǎo)致細(xì)胞生長速率下降，進(jìn)入減速期死亡期：最后當(dāng)細(xì)胞死亡速率大于生成速率，進(jìn)入死亡期，而次級代謝產(chǎn)物則在對數(shù)生長期后期和穩(wěn)定期大量合成。第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五1、分批發(fā)酵(間隙發(fā)酵)最簡單的發(fā)酵過程，培養(yǎng)基滅菌后,接入菌種，進(jìn)行發(fā)酵,除了空氣的通入和排氣外,沒有物料的加入和取出。整個(gè)過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)都隨時(shí)間變化。優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，周期短，染菌機(jī)會(huì)少，生產(chǎn)過程容易掌握缺點(diǎn)：產(chǎn)率低分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)：第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五2、補(bǔ)料分批培養(yǎng)

在分批培養(yǎng)過程中補(bǔ)入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點(diǎn)。在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出，在工廠的實(shí)際生產(chǎn)中采用這種方法很多。補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):在這樣一種系統(tǒng)中可以維持低的基質(zhì)濃度，避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)；可以通過補(bǔ)料控制達(dá)到最佳的生長和產(chǎn)物合成條件。缺點(diǎn):由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比生產(chǎn)速率的下降;增加了染菌機(jī)會(huì)第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五3、半連續(xù)培養(yǎng)在補(bǔ)料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉部分發(fā)酵液（帶放）稱為半連續(xù)培養(yǎng)。半連續(xù)培養(yǎng)的特點(diǎn)放掉部分發(fā)酵液，再補(bǔ)入部分料液，使代謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成，提高了總產(chǎn)量。第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4、連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵過程中一邊補(bǔ)入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持恒定。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，整個(gè)過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，基質(zhì)濃度都是恒定的。連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量。缺點(diǎn)：菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會(huì)引起菌種退化，降低產(chǎn)量。長時(shí)間補(bǔ)料染菌機(jī)會(huì)大大增加。第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵過程的分析是生產(chǎn)控制的眼睛，它顯示了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變化。微生物個(gè)體極微小，肉眼無法看見，要了解它的代謝狀況，只能從分析一些參數(shù)來判斷。二、發(fā)酵過程的代謝參數(shù)代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：物理參數(shù)：溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、空氣流量、粘度等化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、溶解氧、pH、產(chǎn)物濃度等生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌濃度、呼吸強(qiáng)度、關(guān)鍵酶活力等第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)1.物理參數(shù)（1）溫度（℃）直接影響發(fā)酵過程的酶反應(yīng)速率，氧的溶解度和傳遞速率，菌體生長速率和合成速率。（2）壓力（Pa）影響發(fā)酵過程氧和CO2的溶解度，正壓防止外界雜菌污染。罐壓一般控制在0.2×105～0.5×105Pa。第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（3）攪拌速度（r/min）攪拌器在發(fā)酵過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。其大小影響發(fā)酵過程氧的傳遞速率，還受發(fā)酵罐的容積限制（見下表）發(fā)酵罐容積(L)攪拌轉(zhuǎn)速范（r/min）備注3200~2000實(shí)驗(yàn)室研究10150~1000實(shí)驗(yàn)室，小試50100~800中試20050~400中試或生產(chǎn)1000025~200生產(chǎn)5000025~160生產(chǎn)第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（5）空氣流量（m3空氣/（m3發(fā)酵液·min））單位時(shí)間內(nèi)單位體積發(fā)酵液里通入空氣的體積，一般控制在0.5～1.0（m3空氣/（m3發(fā)酵液·min））（6）粘度（Pa·s）細(xì)胞生長或細(xì)胞形態(tài)的一種標(biāo)志，反映發(fā)酵罐中的菌絲分裂情況，表示菌體的濃度。第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五2.化學(xué)參數(shù)（1）pH（酸堿度）發(fā)酵工藝重要的參數(shù)之一，與菌體生長和產(chǎn)物合成有密切關(guān)系。包括起始pH，發(fā)酵過程中的pH。（2）基質(zhì)濃度（g/L）發(fā)酵液中糖、氮、磷等重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，對菌體的生長和代謝合成有重要影響，是產(chǎn)物代謝控制的重要手段。（3）溶解氧濃度（飽和度，％）溶解氧是好氧發(fā)酵的必備條件，通常用飽和百分度表示。第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（5）產(chǎn)物濃度（μg（u）/ml）檢驗(yàn)發(fā)酵是否正常與否的重要參數(shù)，是決定發(fā)酵周期長短的根據(jù).第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五3.生物參數(shù)（1）菌絲形態(tài)菌絲形態(tài)是衡量種子質(zhì)量、區(qū)分發(fā)酵階段、控制發(fā)酵過程的代謝變化和決定發(fā)酵周期的依據(jù)之一。（2）菌體濃度菌體濃度是控制微生物發(fā)酵的重要參數(shù)之一。生產(chǎn)上，常常根據(jù)菌體濃度來決定補(bǔ)料量和供氧量，以保證生產(chǎn)達(dá)到預(yù)期水平。第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五2.溫度的影響及其控制一、溫度對發(fā)酵的影響（1）影響微生物各種酶催化反應(yīng)的速度微生物可生長的溫度范圍較廣，總體說在-10—95℃。在生物學(xué)范圍內(nèi)溫度每升高10℃，生長速度通常就加快一倍；溫度每升高10℃酶反應(yīng)速度增加2～3倍；菌體生長的酶反應(yīng)和產(chǎn)物合成酶反應(yīng)溫度往往是不同的，因而發(fā)酵過程的溫度直接影響產(chǎn)率；（2）影響產(chǎn)物合成的方向金霉素鏈霉菌四環(huán)素發(fā)酵時(shí)，30℃一下時(shí)金霉素增多，35℃時(shí)只生產(chǎn)四環(huán)素；（3）影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五二、影響發(fā)酵溫度的因素發(fā)酵液的溫度變化受生物熱、攪拌熱、蒸發(fā)熱、輻射熱和顯熱的影響，用公式表示為：Q發(fā)酵＝Q生物+Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射－Q顯第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（1）生物熱、攪拌熱

生物熱：是菌體在生長繁殖過程中產(chǎn)生的熱能，來自菌體的分解代謝，生物熱的大小和菌種、培養(yǎng)基成分和菌體的呼吸強(qiáng)度有關(guān)。培養(yǎng)基愈豐富，生物熱愈大；細(xì)胞數(shù)量愈多，生物熱愈大；呼吸強(qiáng)度愈高，生物熱愈大。攪拌熱：攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)引起的液體之間和液體與設(shè)備之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量，第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（2）蒸發(fā)熱、顯熱和輻射熱蒸發(fā)熱：空氣進(jìn)入發(fā)酵罐，與醪液充分混合，引起水分蒸所需的熱能為顯熱：水分蒸發(fā)、進(jìn)氣和廢氣排出因溫度差異所帶走的部分熱能為輻射熱：發(fā)酵罐外壁與大氣間的溫度差異使發(fā)酵罐中的部分熱能通過罐體向大氣輻射的熱能為第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五三、溫度的控制（1）最適溫度的選擇最適發(fā)酵溫度使既適合菌體生長，又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。兩個(gè)溫度往往不一致。如：乳酸鏈霉菌發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，最適菌體生長溫度為34℃，最適產(chǎn)物合成溫度為30℃；最適發(fā)酵溫度隨菌種、基質(zhì)成分、培養(yǎng)條件和菌體生長階段而異；理論上講，發(fā)酵過程可以設(shè)置不同的發(fā)酵溫度時(shí)段，包括菌體生長發(fā)酵溫度和產(chǎn)物合成發(fā)酵溫度等。生產(chǎn)上，由于發(fā)酵液體積大，少則幾十立方米，多則上百上千立方米，升降溫度時(shí)間長，難度大，通常采用一個(gè)發(fā)酵溫度。第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（2）溫度的控制發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需加熱，選用微生物能承受稍高一些的溫度進(jìn)行生長和繁殖，這對生產(chǎn)有很大的好處，即可減少污染雜菌的機(jī)會(huì)和夏季培養(yǎng)所需降溫的輔助設(shè)備，因此培養(yǎng)耐高溫的菌種有一定的現(xiàn)實(shí)意義。生產(chǎn)中，溫度的控制是采用冷卻水通入發(fā)酵罐的蛇管或夾套中，熱交換保持恒溫發(fā)酵的。第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五3.pH的影響及控制（1）pH的影響培養(yǎng)基中的pH值與微生物生命活動(dòng)有著密切關(guān)系，各種微生物有其可以生長的和最適生長和最適生產(chǎn)的pH范圍。一般微生物的最適生長pH范圍為：細(xì)菌：pH7.0~8.0、霉菌：pH4.0~5.8、酵母菌：pH3.8~6.0產(chǎn)物的合成也有最適pH，青霉素合成最適pH為6.5～6.8。發(fā)酵過程中，控制發(fā)酵液的pH值是控制生產(chǎn)的指標(biāo)之一，pH值過高、過低都會(huì)影響微生物的生長繁殖以及代謝產(chǎn)物的積累?？刂苝H值不但可以保證微生物良好的生長，而且可以防止雜菌的污染。在發(fā)酵工業(yè)中，維持適宜的pH已成為生產(chǎn)成敗的關(guān)鍵因素之一。第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（2）pH的變化因素發(fā)酵過程中，pH的變化與菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件有關(guān)。微生物通過其活動(dòng)也能改變環(huán)境的pH值，菌體本身具有調(diào)節(jié)周圍pH的能力。例：地中海諾卡氏發(fā)酵利福霉素SV時(shí)，起始pH為6.8及7.5時(shí)，最終pH均達(dá)7.5，產(chǎn)率正常；起始pH為6.0時(shí)，最終pH為4.5，產(chǎn)率減少；培養(yǎng)基pH在發(fā)酵過程中能被菌體代謝所改變。若陰離子(如醋酸根、磷酸根)被吸收或氮源被利用后產(chǎn)生NH3

，則pH上升；陽離子(如NH4、K+)被吸收或有機(jī)酸的積累，使pH下降。一般來說，高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性pH轉(zhuǎn)移，高氮源培養(yǎng)基傾向于向堿性pH轉(zhuǎn)移，這都跟碳氮比直接有關(guān)。第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五

（3）發(fā)酵pH的確定和控制（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定最佳發(fā)酵pH，正交試驗(yàn)。（2）pH的控制考慮培養(yǎng)基成分的生理酸性鹽和生理堿性鹽的緩沖作用；生產(chǎn)中常用補(bǔ)加酸堿來控制，如氨水，尿素，硫酸銨等。第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.溶氧的影響和控制

（1）溶氧對發(fā)酵的影響溶氧是需氧發(fā)酵控制的重要參數(shù)之一，氧的溶解度很小，氧的溶解度僅為6.4mg/L，溶氧大小對菌體生長和產(chǎn)物的性質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生不同影響；例如，谷氨酸發(fā)酵時(shí)，通氣不足會(huì)積累大量乳酸和琥珀酸；不同微生物或同一微生物的不同生長階段對通風(fēng)量的要求也不相同。例如，天氡酰胺酶發(fā)酵，前期為好氣培養(yǎng)，后期為厭氧培養(yǎng)，產(chǎn)酶能力會(huì)大大提高。第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（2）發(fā)酵過程的溶氧變化發(fā)酵前期，菌體繁殖迅速，菌體攝氧率增加，需氧量增加，溶氧下降。發(fā)酵中期，需氧量在有所減少，菌體和發(fā)酵液粘度均達(dá)到峰值；溶氧在較低水平維持一段時(shí)間后，開始上升；發(fā)酵后期，產(chǎn)物大量合成，呼吸強(qiáng)度比較穩(wěn)定，溶氧增加，發(fā)酵過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生溶氧異常情況（異常下降或升高）異常下降原因可能有：污染好氧菌；或菌體向好氧代謝途徑遷移，或供氧設(shè)備發(fā)生故障等。異常上升原因可能有：污染噬菌體，菌體完全被裂解；或菌體向厭氧代謝途徑遷移第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（3）溶氧的控制溶氧濃度的控制可從供氧和需氧兩方面著手，其中供氧是主要的：需氧方面：需氧量與菌體濃度，基質(zhì)濃度和種類，培養(yǎng)條件有關(guān)。供氧方面：生產(chǎn)中常采用加大通氣速率，或提高攪拌轉(zhuǎn)速，或適當(dāng)增加罐壓；第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五通氣可以供給大量的氧：通氣量與菌種、培養(yǎng)基性質(zhì)、培養(yǎng)階段有關(guān)。攪拌則能使新鮮氧氣更好地與培養(yǎng)液混合，保證氧的最大限度溶解，罐壓方面，一般來說，若培養(yǎng)罐深，攪拌轉(zhuǎn)速大，通氣管開孔小或多，氣泡在培養(yǎng)液內(nèi)停留時(shí)間就長，氧的溶解速度就大。攪拌可以提高通氣效果，但是過度地劇烈攪拌會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)液大量涌泡，容易增加雜菌污染的機(jī)會(huì)，微生物細(xì)胞也不宜劇烈攪拌第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五5.補(bǔ)料的作用和控制1.分批補(bǔ)料培養(yǎng)（fed-batchculture）的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用分批補(bǔ)料培養(yǎng)是先投入一定量底物裝入罐內(nèi)，到發(fā)酵過程的適當(dāng)時(shí)期，開始連續(xù)補(bǔ)加碳-能源或氮源或其他基質(zhì)，使發(fā)酵過程中，限制性底物濃度在罐內(nèi)保持一定；發(fā)酵液體積達(dá)到最大工作體積時(shí)，終止發(fā)酵，醪液一次全部取出的發(fā)酵方法；介于分批發(fā)酵與相連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，在發(fā)酵工業(yè)中普遍應(yīng)用。第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五分批補(bǔ)料發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)（1）可以解除底物抑制，產(chǎn)物反饋抑制，分解代謝產(chǎn)物抑制；（2）可避免菌體過量生長，能改善發(fā)酵液性質(zhì)；（3）能有效控制菌濃度，菌體細(xì)胞的質(zhì)量第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五2.分批補(bǔ)料發(fā)酵的補(bǔ)料方式和控制補(bǔ)料方式有單組分補(bǔ)料（限制性因子）和多組分補(bǔ)料；反饋控制系統(tǒng)包括傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)器三個(gè)單元組成；既可以直接控制限制性因子（碳源、氮源或碳氮比）的濃度，也可以間接控制溶氧、pH、呼吸強(qiáng)度、CO2濃度、產(chǎn)物濃度第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五6.泡沫的影響和控制1.泡沫的影響泡沫是發(fā)酵醪液中具有表面活性蛋白類表面活性劑物質(zhì)，在通氣條件下形成的。泡沫是一種膠體體系；面上泡沫，分布在醪液上面，氣液界面明顯，氣相比例大；面下泡沫，又稱流態(tài)泡沫，分布在醪液中，氣液界面不明顯，體系穩(wěn)定；泡沫的負(fù)面影響：減少發(fā)酵罐工作體積，引起醪液逃液；降低溶氧，減少氧傳遞系數(shù)；引起污染，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致倒罐；第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五2.泡沫的控制（1）調(diào)整培養(yǎng)基成分避免或減少一起泡沫的培養(yǎng)基成分；改善發(fā)酵工藝，采用分批補(bǔ)料方法發(fā)酵；改變發(fā)酵的部分物理化學(xué)參數(shù)，如溫度，pH值，通氣和攪拌（2）機(jī)械消泡增加消泡裝置，內(nèi)消法和外消法，（3）消沫劑消泡法消泡劑是抑制底表面張力的表面活性劑，天然油脂類：豆油，玉米油，棉籽油，菜子油，豬油等；聚醚類：GP型聚合物（氧化丙烯和甘油聚合物，）；GPE型聚合物（氧化丙烯、環(huán)氧乙烷和甘油聚合物，親水性，泡敵）；硅酮類：高碳醇、脂肪酸和酯類第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五7.發(fā)酵終點(diǎn)的判斷1.發(fā)酵過程的優(yōu)化主要指標(biāo)有：①產(chǎn)物得率最大（或產(chǎn)量最大），②經(jīng)濟(jì)效益最大③成本最低④產(chǎn)品質(zhì)量最好2.發(fā)酵終止時(shí)間的確定是以上指標(biāo)的綜合考慮，生產(chǎn)力高、成本低、利潤大為準(zhǔn)則確定放罐時(shí)間。3.特殊因素第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五染菌的控制（1）染菌的原因設(shè)備、管道、閥門漏損、滅菌不徹底；空氣凈化不好；無菌操作不嚴(yán)或菌種不純等。（2）染菌的控制嚴(yán)格無菌操作技術(shù)前期污染，重新滅菌后期污染，即使停止第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五習(xí)題：發(fā)酵的四種方式及特點(diǎn)微生物在密閉狀態(tài)的生長規(guī)律及其原理發(fā)酵過程的幾個(gè)重要參數(shù)及其控制第三十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（1）菌體生長階段（發(fā)酵前期或平衡期）碳源和氮源等進(jìn)行分解代謝，基質(zhì)不斷被消耗，菌體不斷繁殖，菌濃不斷增加；菌體攝氧率增加，溶解氧濃度下降，菌體達(dá)到臨界濃度時(shí)，氧濃度達(dá)最??；pH發(fā)生一些變化，或先升后降，或先降后升；發(fā)酵體系出現(xiàn)某一限制因子，菌體生長速率下降，中間代謝產(chǎn)物大量積累；菌體生理發(fā)生變化，與次級代謝相關(guān)的酶被解除控制，菌體進(jìn)入產(chǎn)物合成階段。第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（2）產(chǎn)物合成階段（分泌期或發(fā)酵中期）發(fā)酵過程中代謝變化如下：菌體達(dá)到臨界濃度，菌體基本不繁殖，但細(xì)胞內(nèi)含物仍在增加，菌體干重增加；總DNA含量達(dá)定值；基質(zhì)繼續(xù)被消耗，產(chǎn)物不斷被合成，代謝仍然包括基質(zhì)的分解代謝和產(chǎn)物合成代謝；但菌體的呼吸強(qiáng)度不變；環(huán)境條件對產(chǎn)物合成很敏感，需嚴(yán)加控制溫度，pH/，基質(zhì)濃度和溶解氧濃度；基質(zhì)濃度不能過高或過低，過高則會(huì)引起菌體繁殖，過低會(huì)加速菌體老化；第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第四十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（3）菌體自溶階段（自溶期或發(fā)酵后期）發(fā)酵過程中代謝變化如下：菌體細(xì)胞衰老，細(xì)胞開始自溶；氨氮含量增加，pH上升；產(chǎn)物合成能力衰退，生產(chǎn)速率下降；發(fā)酵一旦進(jìn)入自溶階段必須結(jié)束，否則產(chǎn)物會(huì)被破壞，還會(huì)給后續(xù)工藝帶來困難。第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)菌體濃度的影響及其控制菌體細(xì)胞濃度（cellconcentration）是指單位體積醪液中菌體的含量，反映菌體細(xì)胞的多少、菌體的分化階段，與菌體的生長速率有密切關(guān)系。1.影響菌濃的因素（1）微生物種類菌體的繁殖速率與微生物的自身遺傳特性有關(guān)，取決于細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生長機(jī)制。典型的細(xì)菌、酵母、霉菌和原生動(dòng)物的倍增時(shí)間為：細(xì)菌············45分鐘酵母············90分鐘霉菌············3小時(shí)原生動(dòng)物·····6小時(shí)第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（2）基質(zhì)濃度由Monod關(guān)系式得出，生長速率取決于基質(zhì)濃度。當(dāng)基質(zhì)濃度S＞10Ks時(shí)，比生長速率就接近最大值。第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五基質(zhì)抑制效應(yīng)：所有營養(yǎng)物質(zhì)均存在一個(gè)上限濃度，在此限度內(nèi)，菌體的比生長速率隨濃度增加而增加，但超過此濃度，濃度繼續(xù)增加會(huì)引起生長速率下降的現(xiàn)象（可能時(shí)基質(zhì)濃度過高，形成高滲透壓，引起細(xì)胞脫水而抑制微生物生長）。一些營養(yǎng)物質(zhì)的上限濃度為：NH4+·······5g/L，PO43-·······10g/L，葡萄糖·······100g/L第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五（3）其他環(huán)境條件溫度pH值滲透壓水分活度第四十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五2.菌濃對發(fā)酵的影響（1）對代謝產(chǎn)物得率的影響初級代謝發(fā)酵產(chǎn)物與菌濃成正比關(guān)系，Rp=Qpm·X，如氨基酸、維生素，菌濃越大，產(chǎn)率越高；（2）對溶解氧的影響菌濃越大，能提高攝氧率（OUR），使攝氧率按比例增加（OUR＝QO2·X），菌濃越大，表觀粘度增加，降低氧傳遞速率（OTR），使溶解氧減少。第四十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五3.菌濃的控制控制基質(zhì)濃度，調(diào)節(jié)基質(zhì)組成；中間不料控制（補(bǔ)加磷酸鹽提高菌濃）。第四十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)基質(zhì)的影響及其控制基質(zhì)即培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物所需要的按一定比例配制的多種營養(yǎng)物質(zhì)混合物。基質(zhì)的種類和濃度與發(fā)酵代謝有著密切關(guān)系，控制基質(zhì)的種類和濃度是提高代謝產(chǎn)物的重要方法。第四十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五1.碳源的種類和濃度快速利用碳源能迅速參與代謝、菌體繁殖、產(chǎn)生能量，并產(chǎn)生分解代謝產(chǎn)物（如丙酮酸），有利于菌體生長。緩慢利用碳源多為聚合物，為菌體緩慢利用，有利于延長產(chǎn)物合成，特別有利