好氧發(fā)酵工藝與設(shè)備-發(fā)酵過程的工藝控制

第二節(jié)發(fā)酵過程的工藝控制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)：一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制（一）發(fā)酵熱發(fā)酵熱生物熱攪拌熱蒸發(fā)熱輻射熱Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射（二）溫度的影響和控制1.溫度對(duì)微生物的影響2.溫度影響微生物細(xì)胞內(nèi)的酶反應(yīng)3.溫度可以改變培養(yǎng)液的物理性質(zhì)4.溫度還會(huì)影響到微生物細(xì)胞的生物合成方向5.對(duì)于同一微生物細(xì)胞，細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物積累的最適溫度也往往是不同的1.溫度對(duì)發(fā)酵的影響2.溫度的控制最適溫度的選擇在生長(zhǎng)階段，應(yīng)選擇最適生長(zhǎng)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(zhǎng)的最適溫度為30℃,但產(chǎn)生青霉素的最適溫度是20℃?？瓷L(zhǎng)與生物合成哪一個(gè)是主要方面。控制溫度的措施工業(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(guó)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。在發(fā)酵整個(gè)過程，初期、中期、末期它們溫度如何變化？培養(yǎng)耐高溫的微生物菌種有何意義？生產(chǎn)上如何使發(fā)酵溫度控制在一定的范圍？問答：在實(shí)際生產(chǎn)過程中，各個(gè)發(fā)酵溫度的選擇可從哪幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮？舉例說明。發(fā)酵的最適溫度是指什么？二、pH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pH值對(duì)發(fā)酵的影響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，影響微生物對(duì)營(yíng)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)量和比例發(fā)生改變。5.pH值還會(huì)影響某些霉菌的形態(tài)舉例：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。（二）影響pH變化的因素pH下降1.培養(yǎng)基中碳氮比過大、糖的補(bǔ)充偏多、溶氧不足2.糖類、脂肪等分解3.銨鹽吸收4.消泡油加入過多pH上升1.培養(yǎng)基中碳氮比過小2.補(bǔ)料時(shí)氨水或尿素加入過多3.蛋白質(zhì)或尿素等分解4.硝酸鹽吸收（三）發(fā)酵過程中pH的控制1.發(fā)酵pH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。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(zhǎng)情況，以菌體生長(zhǎng)達(dá)到最高值的pH值為菌體生長(zhǎng)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。2.pH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。三、發(fā)酵過程中的補(bǔ)料控制碳源快速碳源適合菌的生長(zhǎng)慢速碳源利于代謝產(chǎn)物的合成（一）碳源對(duì)發(fā)酵的影響及其控制①碳源的種類②碳源的濃度碳源對(duì)發(fā)酵的影響方式（二）氮源對(duì)發(fā)酵的影響及其控制氮源快速氮源適合菌的生長(zhǎng)及調(diào)節(jié)產(chǎn)物合成慢速氮源延長(zhǎng)產(chǎn)物分泌期提高產(chǎn)量補(bǔ)加氮源的措施1.補(bǔ)加有機(jī)氮源既可補(bǔ)充氮源又可調(diào)節(jié)pH2.補(bǔ)加無機(jī)氮源可以作為無機(jī)氮源又可調(diào)節(jié)pH（抗生素發(fā)酵中又可提高產(chǎn)量）（三）磷酸鹽對(duì)發(fā)酵的影響及其控制磷在發(fā)酵過程中的作用？影響最適磷酸鹽濃度的因素菌種特性培養(yǎng)條件培養(yǎng)基組成培養(yǎng)基的來源（四）補(bǔ)料方式及控制補(bǔ)料方式連續(xù)流加不連續(xù)流加多周期流加快速流加恒速流加指數(shù)流加變速流加補(bǔ)加培養(yǎng)基組成單組分補(bǔ)料多組分補(bǔ)料其他：反饋控制控制依據(jù)指標(biāo)：青霉素生產(chǎn)中，通過控制葡萄糖的補(bǔ)加速率來控制pH的變化范圍，比恒定流加時(shí)產(chǎn)量提高25%。四、發(fā)酵過程中的泡沫控制（一）發(fā)酵過程中泡沫產(chǎn)生原因及發(fā)酵的影響泡沫發(fā)酵液面上發(fā)酵液中泡沫的多少與攪拌、通風(fēng)、培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)。1.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。2.糊精含量多也引起泡沫的形成。3.當(dāng)發(fā)酵感染雜菌和噬菌體時(shí)，泡沫異常多。1.發(fā)酵時(shí)起泡的方式整個(gè)發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平；發(fā)酵早期，起泡后穩(wěn)定地下降，以后保持恒定；發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升；發(fā)酵開始起泡能力低，以后上升。2.發(fā)酵過程中泡沫對(duì)發(fā)酵的影響起泡帶來的不利影響：1.發(fā)酵罐的裝料系數(shù)減少、氧傳遞系數(shù)減小；2.造成大量逃液，增加染菌機(jī)會(huì)；3.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。（二）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。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破裂。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。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。2）化學(xué)消泡消泡劑的作用：降低泡沫液膜的機(jī)械強(qiáng)度；降低液膜的表面黏度；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