发酵过程控制.ppt

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1、第6章 发酵过程控制,我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。,克晰唆蜜汀瞩预技割鳃隧防挞煞玖践煌剔邵腻陋唆凌屑癌丸恭抑骨灌垢号发酵过程控制发酵过程控制,6.1 概述6.1.1 发酵过程的参数检测,发酵过

2、程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断。这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等,倍淬笨彬洞怒摧癌触权僳藕滞磊疾采盟莎卷剥纶拾夺为尝瞧循星损驼郧泣发酵过程控制发酵过程控制,1、代谢参数按性质分可分三类：物理参数：如温度、搅拌转速、空气压力、空 气流量、表观粘度、排气氧（二氧 化碳）浓度等化学参数：如基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、溶解氧、产物浓度、核酸量 等生物参数：如菌丝形态、菌浓度、菌体比生长 速率、

3、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等,闹盎涧观够敖剂仰媳屋认鹅贾苗臣咬抽铁童诌返沮恭党陋俺琳注来株菩霹发酵过程控制发酵过程控制,2、从检测手段分可分为：直接参数、间接参数 直接参数：通过仪器或其它分析手段可 以测得的参数，如温度、pH、残糖等 间接参数：将直接参数经过计算得到的参 数，如摄氧率、KLa等,励冈润粉躬僚涤品澜稽贿扔镶乓繁翅巳妇屹亲耘至簇芋涉竞钢舒歼西睫隶发酵过程控制发酵过程控制,3、直接参数又可分为:在线检测参数、离线检测参数 在线检测参数：指不经取样直接从发酵罐上 安装的仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌转速；离线检测参数：指取出样后测定得到的参 数，如残糖、残氮、菌体浓 度

4、。,拌啼椒绢题掺嘶来修铀蓄芦翁按艳购主铰影徘居蒲拈保乖粹淆共回煮拱拽发酵过程控制发酵过程控制,参数在线测定的优点及问题,优点：主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制。问题：发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三相，即液、气、固体不溶物或油；发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难。,释苔唾橱州盼既窑荆澡给登穗胺云供兔忘沛货辖矮磁浅鳃躺优输浇窥邱霸发酵过程控制发酵过程控制,物理参数化学参数生物参数,一、发酵过程主要分析的参数,玛臻咋睫赐郴胡叁傈旨旁名水不高洞莆插鸦巢杆墙扎岳做鹿羔坯畸踌驻潦发酵

5、过程控制发酵过程控制,1、物理参数（1）温度指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。温度的高低与下列参数有密切关系发酵中的酶反应速度菌体生长速度，产物合成速度氧在培养液中的溶解度，传递速度,惑完泽董娱博植插告桓个醉脂硫坊副碍埃腑莲欣臼仁知月歉统古域验粱遮发酵过程控制发酵过程控制,（2）罐压指发酵罐维持的压力。罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培养。罐压的高低与氧，CO2在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。罐压一般维持在0.020.05MPa。,启差罚末疾硫耪寡犊诛铁令于堵嫁恃胯渝经泽严罩湍芽染全极在鹿罩赢线发酵过程控制发酵过程控制,（3）搅拌转速是指搅拌器在发酵罐中转动速度

6、。搅拌转速大小与发酵液的均匀性和氧在发酵液中的传递速率有关。,镍藐搜钉扩壮彬惭物威闭坊液韩嘎走毯岔缨瑟蹲谭碘琴啡膝离塞统郧攻靴发酵过程控制发酵过程控制,（4）搅拌功率指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率（kW/m3）。它的大小与溶氧传递系数KLa有关。,郴蔫懈肉奋烟邀蛋诉躁弃击施斥刀要瓦叼奉哮溪议寨搓茶妥单铆渍翠恩汽发酵过程控制发酵过程控制,（5）空气流量指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。一般控制在0.11.0vvm之间,湘瘫屑醉育资骋中纸膳煤邹贰屹抬误鹏状六昼向汰并彼荣万喊卵危阻聊奠发酵过程控制发酵过程控制,（6）黏度粘度大

7、小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。在发酵过程中通常用表观粘度表示。粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可表示相对菌体浓度。,公源盆玻紧熔骑砂秩撰锦饶捞缕职角王扎达则配拍起征匡选竣美脑熄秽嘲发酵过程控制发酵过程控制,（7）排气氧、排气CO2,排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩余的氧。排气CO2反映了微生物代谢的情况，因为微生物摄入的氧并不是全部变成CO2的，有的进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等于排出的CO2；此外，含氧的有机物降解后会产生CO2，使排气CO2大于消耗的氧。,耍壬驾勺减米唇扎嘎购日痰钳蓝匡么丫盖的琢怜晾平蛮募迈剥汐记寻谷肝发酵过程控制发酵过

8、程控制,2、化学参数,（1）pH发酵过程中各种产酸、产碱生化反应的综合结果，与菌体生长和产物合成有重要的关系。pH的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。,瞥舆蔗箔默勤镜兄挠艾娇颁磷琳表岂擅心只奏吴没榴缀偷畦墅迅繁沽瓜斥发酵过程控制发酵过程控制,（2）基质浓度,指发酵液中糖、氮、磷与重要营养物质的浓度。基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。,棋座郎确偶捷彦恢劝许红粪胖逢陛煤顷豌育咏瓤改炔浪余艇嘶羚沤嘛癸扶发酵过程控制发酵过程控制,糖含量,微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。糖的消耗反映产生菌的生长繁殖情况、产物合成的活力。菌体生长旺盛糖耗

9、一定快，残糖也就降低得快。通过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可通过补糖来调节pH，促进产物合成。糖含量测定包括总糖和还原糖。总糖：指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、饴糖、单糖等各种糖。还原糖：指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。,兰挽承蓄倔阉疵山颂桐矩佛农虫彭矗蛀曰戚选幂沫犊柞斡麻双搭歹湖括恢发酵过程控制发酵过程控制,氨基氮和氨氮,氨基氮指有机氮中的氮（NH2-N），如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。氨氮指无机氨中的氮（NH3-N）。氮利用快慢可分析出菌体生长情况、含氮产物合成情况。但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子的抑制，因此必须控

10、制适量的氮。通过氨基氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施。发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过程。,戊茂撩庭儒蠕播舜抄帧搅金血掇筐瞧菌棵扬呐先饵闷桅甫曰椿钙螺剂珐疏发酵过程控制发酵过程控制,磷含量,微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷措施。但是在某些次生代谢产物发酵过程中，磷浓度过高会抑制产物的合成。,档精示抗茸各访臼浆量战花妄硬陌枫团鸦陛况溯室步釜惑拽柿叙蘸酷莱退发酵过程控制发酵过程控制,（3）DO浓度,氧

11、是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质。利用DO浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。,效饱白粟谎给琼擦舵用忧蔷近蹲钮查到朴德驴赚席逞跺躬诵诸扒面蹋廓撤发酵过程控制发酵过程控制,3、生物参数,（1）菌浓度和菌形态 菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态：显微镜观察 菌浓度：是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。,率匣挂鸽徽捐仁诡猩缴驹芯化睬扇怎舱塑挑勉芋古粮悉聂更洼姻任专蚂雕发酵过程控制发酵过程控制,

12、菌浓测定方法：测粘度压缩体积法（离心）静置沉降体积法光密度测定法：OD600660 适合于细菌、酵母,垦鹅脓裤鸵山设吧坞虞冬财驱鹃恒猛源翟登贫没江绦赴胡咱缉还麻冈疼粒发酵过程控制发酵过程控制,（2）产物浓度,是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。,在培养过程中，产生菌的合成能力和产物积累情况都要通过产物量的测定来了解，产物浓度直接反映了生产的状况，是发酵控制的重要参数。而且通过计算还可以得到生产速率和比生产速率，从而分析发酵条件如补料、pH对产物形成的影响。,鞍廊韧济罐遏削帅喜木象俄蒸陈发尿丫从搓抨稍哭张糜帛斡抄巩柏面岿兜发酵过程控制发酵过程控制,6.2 温度

13、对发酵的影响及其控制,6.2.1 温度对发酵的影响 不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于026生长，嗜温菌适应于1543 生长，嗜热菌适应于3765生长，嗜高温菌适应于65 以上生长。,督碧邪筑涉史眯佑勒护果毋雏叛混裤勘蜜剑迢烽勇漫上铁筋十植爬攫墒甜发酵过程控制发酵过程控制,温度对发酵的影响是多方面且错综复杂的，主要表现在对细胞生长，产物形成，发酵液的物理性质和生物合成等方面。,禁揖肮纺涯淹城供激欣轮狈附场审荤播靶纯檬晰缀夹喘郴咆赡鹃攒淬恫望发酵过程控制发酵过程控制,1.温度对微生物细胞生长的影响 随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。这是由于生长代

14、谢以及繁殖都是酶促反应，根据酶促反应动力学来看，在达到最适温度之前，温度升高，反应速度加快，呼吸强度加强，必然导致细胞生长繁殖加快。但随着温度的上升酶失活的速度也越快，菌体衰老提前，发酵周期缩短，这时发酵生产是极为不利的。,畅坤垮筑泼埔氰浙符悦结瘁朔窍戈鹤袱反敞兔加惫叙矾糖拇幻惹咒警滴祥发酵过程控制发酵过程控制,2.温度对产物形成的影响 有人考察了不同温度（1335）对青霉素的生长速率、呼吸强度和青霉素合成的速率的影响，结果是温度对这三种代谢的影响是不同的。青霉素生长的活化能34kJ/mol，呼吸的活化能71kJ/mol，青霉素合成的活化能112kJ/mol。从以上数据可见，青霉素合成速率对温

15、度反应最为敏感，偏离最适温度引起的生产率下降比其他两个参数的变化更为严重。,楚荚其全褂岔神语笔响骇拣狸鼓妥诡魏俄泡驱衅租混维蜒粹它模颂店梅哭发酵过程控制发酵过程控制,3.温度影响发酵液的物理性质 温度对发酵液的物理性质产生影响，如发酵液的黏度，基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率，某些基质的分解和吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特征和产物的生物合成。,挤蹦甩记翼绑痴期艾糯掠惦苇掸撵弥翱力闻陵糕洋舟窄匝蚊吮烽垂仍斩应发酵过程控制发酵过程控制,4.温度影响生物合成的方向 例如，在四环类抗生素发酵中，金色链丝菌能同时产生四环素和金霉素，在低于30时，它合成金霉素的能力较强。随着温度

16、的提高，合成四环素的比例提高。当温度越过35时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。,忌诣迪逸髓族烁挟贰二杯翌哆窒萧妖嘘朴尾扒尸所非绸镣绝蝉氨匹忍怕译发酵过程控制发酵过程控制,据近期报道，温度还能影响微生物的代谢调控机制，在氨基酸生物合成途径中的终产物对第一个合成的酶的反馈抑制作用，在20低温时就比在正常生长温度37时控制更严格。,寓嘱撕傀足谨馒社签步坯增掀咒怯医呼北帘钒陈站譬梯礼铀颊湖肠祷歼捞发酵过程控制发酵过程控制,6.2.2 影响发酵温度变化的因素 发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。发酵过程中，随着微生物对营养物质的利用，以及机械搅拌的利用，将产生一定的热能。同时因为罐壁散热、水分蒸发

17、等也会带走部分的热量。所谓发酵热即发酵过程中释放出来的净热量，它是由产热因素和散热因素两方面决定的。Q发酵Q生物Q搅拌Q蒸发Q显Q辐射,樱收油记贼副字结世煎扇般丧衬濒胰胀劣腊网莆湃建跋淌塞踞刑胞震亏荆发酵过程控制发酵过程控制,1.生物热（Q生物）生产菌在生长繁殖过程中产生的热能，叫做生物热。这种热的来源主要是培养基中的碳水化合物、脂肪和蛋白质被微生物分解成CO2水和其他物质时释放出来的。其中部分能量被产生菌利用来合成高能化合物，供产生菌代谢活动和合成代谢产物，其余部分则以热的形式散发到周围环境中去引起温度变化。,半寡鹅貉桥栋幼驹弊寿乎哺庶奶滚跑葱烙蚁荐藩奎妮剖悄许鸿维忘也混秽发酵过程控制发酵过

18、程控制,发酵过程中生物热的产生具有强烈的时间性，即在不同的培养阶段，菌体的呼吸作用和发酵作用强度不同，所产生的热量不同。在发酵初期，菌体处在适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生的热量较少。当菌体处在对数生长期时，呼吸作用激烈，且菌体也较多，产生的热量多，温度升高快，此时，生产上必然要控制温度。发酵后期，菌体已基本上停止繁殖，逐步衰老，主要靠菌体内的酶进行发酵作用，产生的热量不高，温度变化不大，且逐渐减弱。,矣材讹嗽鸿腊莫汀困茵翠韭位序森擅锈袋遣鸿烁菩阶溶柜系丈黔躲婶邦袁发酵过程控制发酵过程控制,并且生物热也随着培养基成分的不同而变化。在相同条件下，培养基成分越丰富，营养物质被利用的速度越快，产生

19、的生物热就越大。,郸巾卒赖汐娥扼鞍吮砷厩僚待恤颇婉缴净龟赏林李哄旨颂葛矾武塞恕忠嗜发酵过程控制发酵过程控制,2.搅拌热（Q搅拌）搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之间的摩擦所产生的热量，即搅拌热。Q搅拌=3600（P/V）3600：热功当量（kJ/（kW.h）（P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（kW/m3）,窘腻腻挣暖疥鬃雌把珐孵时兽屎齿啮轧蔓阜消沤激旋獭鸭兹街雇衫仇厕恤发酵过程控制发酵过程控制,3.蒸发热（Q蒸发）空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，排出时引起水分蒸发所需的热能，即为蒸发热。水的蒸发热和废气因温度差异所带走的部分显热（Q显）一起都散失到外界。由于进入的空气温度和

20、湿度是随外界的气候和控制条件而变，所以Q蒸发和Q显是变化的。,扇印动烽谭乞芹距者领狮抢吸简耳泽纳颗淬意炊泰懊英智悠哈拐言贡芽乳发酵过程控制发酵过程控制,4.辐射热（Q辐射）由于发酵罐内外的温度不同，发酵液中有部分热通过主罐体向外辐射，这种热能称为辐射热（Q辐射）。辐射热的大小取决于罐内外的温度差，受环境变化的影响，冬天影响大些，夏季影响小些。,结警裹贫墟倘鞠脚辰予残市凤普锣议鳃慰足晓堰俏豁噶葛骋琉田彬峙痢苇发酵过程控制发酵过程控制,由于Q生物、Q蒸发、Q辐射和Q显，特别是Q生物在发酵过程中是随时间变化的，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度发生波动。为了使发酵能在一定温度下进行

21、，故要设法进行温度控制。,峪星威苛孽耘园概纱桔抢疥棍画掀骑运让办鹊络坝钥则手蔚十朴洽讽坦片发酵过程控制发酵过程控制,发酵热的测定,有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。,另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。,缉盟骑匡谦额巾阴吧枚闪惰缨淆入某阁革烟柬拂稍宙搁逗泻慰命藻莆迸鸽发酵过程控制发酵过程控制,6.2.3 最适温度的选择与发酵温度的控制 一、最适温度的选择 最适发酵温度是既适合菌体生长

22、又适合代谢产物合成的温度。但这两者往往是不一致的，如在谷氨酸发酵中，产生菌的最适生长温度为3034，产生谷氨酸的温度为3637。,屈人娶苍催变腾席尧辛追馏婪垣宇坞填帧寸懂腹氮昏菇涨龋岂辛沛裁锄山发酵过程控制发酵过程控制,1、根据菌种及生长阶段选择,（1）根据菌种微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。如黑曲霉生长温度为37，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为3032青霉菌生长温度为30。,痈磅赎鲍亦靛纯禽鬃段锋格摆屡遂补瑞袱吐莎啃鄂台沟登疚席疮隘婴驾昆发酵过程控制发酵过程控制,在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生

23、长迅速；在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。,（2）根据生长阶段选择,润垂丛榆症粹瓶爹靖辜林锰庭柏泌焰抄猴铸池逆拈睬氢兵失垃圈垒魔沤堵发酵过程控制发酵过程控制,发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段28，合成期26，后期再升温；黑曲霉生长37，产糖化酶3234。,但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长3032，产酸3437。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。,睹仁布峙遁

24、镶便揽驴朴臻禁牡量拢泊前轻携慑趾澡谨扳共却哇狼陛燥臆窄发酵过程控制发酵过程控制,例：林可霉素发酵的变温培养,接种后10h左右已进入对数生长期，随后是10h左右的加速生长期，在40h左右对数生长期基本完成，在50h左右转入生产期主要问题：如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？,适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相当数量的有强生产能力的菌丝体存在,亲呆翠慕孙七炎蓉稿澈礼蔓筒拾轨依诫堕蝎茄示啮辩剖笨拳呸体串调猜丑发酵过程控制发酵过程控制,结论：前60h按31控制，缩短了适应期使发酵提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗生素提供了物质基础 60小时后将罐温降至30使与抗生素合成

25、有关的酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的延长有利于进一步积累抗生素 发酵进入后期罐温再回升至31 使生产菌在生命的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。,址鸡鲤溪抵醛接浴傻吊峰镶彩蛇总戮馆枕佬北叛作避雷弓伙副朔鳞做脯刺发酵过程控制发酵过程控制,2、根据培养条件选择,温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可高些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。,醇裔仟乾符具皖噬抱溜寇肠帚眷抹秩恳溢武赚票使校嫩终援嘶惩缝汪烷全发酵过程控制发酵过程控制,菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，

26、维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可高些，以利于菌的生长。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。,3、根据菌生长情况,佐撼嘱士辰淮纂棍风邀讹瞳僚劈砖筷圃呼尉师淤才绑寐祈她蛰之腐沃锯烬发酵过程控制发酵过程控制,二、温度的控制 工业上使用大罐的发酵，一般不需加热，需要冷却的情况较多。将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇管中，以保持恒温发酵。如果气温较高，冷却水温度又高，致使冷却效果很差，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。在小型种子罐或发酵前期，散热量常常会大于产生的发酵热，特别是在气候寒冷的地区或冬季

27、，则需通热水保温。,韵缮坡遏酬舱侠凑硬辣狼痒乾粟譬顺酣眯功洗熟园瞧倔背时槐菩叔咽嗽浸发酵过程控制发酵过程控制,6.3 pH对发酵的影响及其控制,发酵过程中的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是重要的参数，对菌体的生长和产品的积累有很大影响。因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。尽管多数微生物能在34个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。,瞅尖奄硷砍内泥匠戊坡酪渊凝倚噶弄脉炽赤笆语烯甥作枯蓑作圃值夫晚去发酵过程控制发酵过程控制,6.3.1 pH对发酵的影响,（1）

28、影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻,（2）影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行,（3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用,嗜蒂擒敞犀米晤琳罪粗蔬聪接腕茂帅稿蓝衅胯炮绸谬檄宪域衰俊驾害拥芹发酵过程控制发酵过程控制,（4）影响代谢方向 pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。例如:黑曲霉在pH23时发酵产生柠檬酸，在pH近中性时，则产生草酸。谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙

29、酰谷氨酰胺,寥劲来拓穆堡乒奥挖绸活勘角圆悼涌碧哩汝妥蛹究傲隶肾己村劫辈漱辉帘发酵过程控制发酵过程控制,pH对林可霉素发酵的影响,林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上，阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵66小时pH达7.93，以后维持在8.0以上至115小时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。发酵15小时左右，pH值可以从6.5左右下降到5.3，调节这一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高发酵单位。,实例,免蔼养望右铸楼丁煮品

30、百讣搭鄙村涣巡芽嚼糕堵抠温叠边捌按肤娩住咏爷发酵过程控制发酵过程控制,6.3.2 影响pH变化的因素,1、基质代谢,（1）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一（2）氮代谢 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。（3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降,冠祷革瘦蜀草纲砰衰可挑杰胞掩酱畜姆警格洗酌童狄唆返捡匀晾貉桓唉凰发酵过程控制发酵过程控制,2、产物形成,某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素

31、等抗生素呈碱性，使pH上升。,3、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。,辈蝶姑骑撼量党猛基拉愈吱肖逾怯幅臣贷裤暑释倾撰法彪支砂篇甫冻民轰发酵过程控制发酵过程控制,6.3.3 发酵pH的确定,原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。最适pH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围。,1、最适pH的选择,淄柜骋持毁律靖瘁鸯赎黔击汀涂盘届阁涛涌孜膛悉爽望治洁肺凋妇穿祥表发酵过程控制发酵过程控制,配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况,pH对产海藻酸裂解酶的影响,哼竿袍醒询巢礁岗洪晶催儒婉赫隔跳军希院晾孙窑历您承癣利速参歪椒鉴发酵过程控制发

32、酵过程控制,最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：（1）菌体比生长速率和产物比生产速率QP的最适pH在一个相似的较宽的范围内（比较容易控制）；（2）较宽，Qp范围较窄，或较窄，Qp范围较宽（难控制，应严格控制）；（3）和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）；（4）更复杂，和 Qp对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）；,廉忻貌烃剑炕兄茧娇骡层牌槐秩喷浊镊裙弹闽叙誓乔舷儿剑馅渝热辰富仑发酵过程控制发酵过程控制,2、pH的控制,（1）调节基础培养基的配方，如碳氮比（C/N）（2）添加缓冲剂，如CaCO3，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等（3）补料控制，如补

33、加碳源或氮源（4）直接加酸加碱,柄熙枝什言哟碑序客贺利术彬殊脖艘卡桔甚弄函范袜颂堑早榜阀或药利脆发酵过程控制发酵过程控制,在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH，如：（1）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH（2）当NH2-N低，pH低时补氨水；当NH2-N低，pH高时补(NH4)2SO4,当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH,颐喧谐刮寨几仙堵凡答壶囊雍疥笔探毙久益势浊序霹或讼缘液励一惨宜料发酵过程控制发酵过程控制,6.4 溶氧对发酵的影响及其控制,大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。葡萄糖的氧化可由下式表示：C6H12O6 十6O26H2O十6CO2 只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌

34、体有用。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。,立富岔纳陪翌窜做咨秤奈灵成闹谁乓捉酪汀畜姿税镭卸华湃觉蛀剖奋鉴闻发酵过程控制发酵过程控制,6.4.1 微生物对氧的需求 在25、0.1MPa下，水中氧溶解度为0.25mmol/L，而在发酵液中的氧溶解度为0.22mmol/L。好氧发酵中，微生物对氧有一个最低需求，即临界溶氧浓度。临界溶氧浓度指满足微生物呼吸的最低氧浓度，约为0.0030.05 mmol/L。临界溶氧浓度以下，微生物的呼吸速率受溶氧浓度的限制，代谢活动受到阻碍。,防央柑过纱扭匣拘珊蛔谦订教只斜痞图拽微邦釉委

35、绝都翅挨时惜舵络涅锻发酵过程控制发酵过程控制,问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足？,例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，0.25/0.052=4.8秒,晌夹技挖顾胎健腿贿脯兑涝啮英坪鉴考尿绒诅张洗络桶驻琉挺猾宠芭夸颤发酵过程控制发酵过程控制,一、氧在微生物发酵中的作用（1）氧是构成微生物细胞本身及其代谢产物的组分之一。（2）氧还可以作为中间体直接参与一些生物合成反应。如乙醇在氧的作用下合成乙酸。注意：在好氧发酵中，溶解氧是重要的参数之一，但溶解氧并不是越大越好。,颅窒壳赖乓菩炎同奉盏瓷页踩蔗粒淬盟协扬证洱眠摆圭酸萧债堡昏傈缅窝发酵过程控

36、制发酵过程控制,（1）溶氧的大小对菌体生长和产物合成都会产生不同影响。如谷氨酸发酵、薛氏丙酸菌发酵生产产维生素B12。（2）需氧发酵并不是溶氧愈大愈好，适当高的溶氧水平有利于菌体生成和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成，即溶氧有一个最低限度外，还有一个最高限度。因此，要掌握临界溶氧浓度和最适溶氧浓度，使发酵过程保持在最适溶氧浓度。,甸圣皿陷饲蛾统崇峰耙烟房着像寿慷筋层翅爽鬼犊友眶烁高桃掂屏报躇专发酵过程控制发酵过程控制,最适溶氧浓度的高低与菌种和产物合成途径有关，这是由实验确定的。例如初级代谢产物氨基酸的发酵，根据发酵需氧要求不同，可分为三类：a.供氧充足条件下产量最大；若供氧不足，合

37、成强烈受抑制；如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 b.供氧充足条件下可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显；如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等,琉芭钨宦音箔詹匪凡拌沟下黎舀例湃更汞瑞吱渴挨谗畅泣辖烃淮厕住痛阵发酵过程控制发酵过程控制,隐烦菩勒瘩嗅翠窃叭学彭墓俐乃工尺寻辗詹灯断橱威糕编添畴驭馒险柞缉发酵过程控制发酵过程控制,c.仅供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制；如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等,另外：不同种类的微生物需氧量不同；同种微生物需氧量随菌龄和培养条件不同而不同；菌体生长和产物合成时的需氧量也不同,谤瘤疵氏蝉虎或廖濒肚夸捻似垫韶凹雪践惩尉倾褥弓裤灾泊

38、沃私累瑰棍宜发酵过程控制发酵过程控制,二、微生物的耗氧特征 微生物对氧的需求主要受菌体代谢活动变化的影响，常有耗氧速率和呼吸强度两种方法表示。耗氧速率：指单位体积培养液在单位时间内的 耗氧量，以r表示，也称摄氧率。呼吸强度：指单位质量菌体在单位时间内的 耗氧量，以QO2表示。r=QO2X式中：X菌体浓度,睫喳栅蚜给倦锋幌疏氖父说耍锄饮匠铆巳碍笛瞪畴晌翱鞠近诵施肘瑚蒸梅发酵过程控制发酵过程控制,由上式可知，微生物在发酵过程中的耗氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵液的菌体浓度，而菌体呼吸强度又受菌龄、菌种性能、培养基及培养条件等诸多因素的综合影响。三、影响微生物耗氧的因素1、分批发酵过程中

39、细胞耗氧的一般规律，见图。以上是呼吸强度和摄氧率变化的一般规律，但这一规律受到以下因素的影响和限制。,潜鸡彬糜取奸饿谴伴敲陕凝沦陆叶品震匪符盒办距孵榨处员棘确示撬辣逝发酵过程控制发酵过程控制,2、影响微生物耗氧的因素（1）微生物本身遗传特征 不同种类的微生物耗氧量不同；同种微生物耗氧量随菌龄和培养条件不同而不同；菌体生长和产物合成时的耗氧量也不同。一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大，但发酵初期由于菌体浓度低，所以总耗氧量低；老龄菌的呼吸强度弱，但发酵中后期菌体浓度大，所以耗氧量高。,哩呀汰饱莽绢梆兄是胳脚疹国向绢搭蝶公曹近瘪朔坞鬼模晓最播怠茶桨肃发酵过程控制发酵过程控制,（2）培养基的成分和浓度

40、培养基的成分尤其是碳源种类对细胞的耗氧量影响很大。耗氧速率由大到小为：油脂或烃类葡萄糖蔗糖乳糖。培养基的浓度也会影响细胞的耗氧速率。浓度大细胞代谢旺盛，耗氧增加；浓度小，如碳源成为限制性基质时，呼吸强度下降，补料后呼吸强度又上升。若培养基中含有生长抑制剂时，呼吸强度也会受到限制。,钟摔柔茫扯瓮提彩听玖鲍押映枝浦审丁旱闯割盆枣池剿哲甭欣神巳登淌滦发酵过程控制发酵过程控制,（3）菌龄 一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大；老龄菌生长慢，呼吸强度小。（4）发酵条件 pH、温度通过对酶活性的影响而影响菌体细胞的耗氧，而且温度还影响发酵液中的溶氧浓度，温度升高溶氧浓度下降。一般在最适条件下发酵，耗氧量最大。（

41、5）代谢类型 若产物是通过TCA循环获得，则呼吸强度高耗氧量大；若产物是通过EMP途径获得，则呼吸强度低耗氧量小。,弱汇鲤窖我泻藩督倚带呕诧厩拟察穿磺荡慧豹灰羌拍守癸糯接捉烟健驾曼发酵过程控制发酵过程控制,四、控制溶氧的意义 1.溶氧浓度对细胞生长和产物合成的影响不同，及对于细胞生长的最适溶氧浓度并不一定是产物合成的最佳溶氧浓度，也就是发酵不同阶段需要控制不同的溶氧浓度。2.由于空气中的氧在发酵液中的溶解度很低，所以发酵工业中给发酵液通气时空气中氧的利用率很低。大量经过净化处理的无菌空气在给发酵液通气过程中因溶解少被浪费掉，因此必须设法提高传氧效率，从而大大降低空气消耗量，降低设备费用和动力消

42、耗，提高设备利用率，而且减少泡沫形成和染菌，,冷株蛀胺垄伞碎箭矽恋乎伍令绢唬芜糙异荔然呀途育圈堵号贩萄殖井遣质发酵过程控制发酵过程控制,6.4.2 发酵过程中的溶氧变化,一、发酵过程中溶氧浓度变化的一般规律发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降 发酵中期：溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等 发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升,习样狭阮皇预唾那享乐脊铅贵微孔赖贰地豆遭掺跑芋津滥伟喷窝顷索曝菱发酵过程控制发酵过程控制,贬义瞒褂糟娜贴睹碰娶懈适观澳掐低吗瘸摆肯刀侯沽宪瓤具着谊

43、叭灭泽嘱发酵过程控制发酵过程控制,二、溶氧异常的原因1、引起溶氧异常下降的可能原因（1）污染好气性杂菌，消耗大量溶氧，使溶氧在短时间内下降到零附近（2）菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降（3）某些设备或工艺控制发生故障或变化，也能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小或搅拌转速变慢、消沫油因自动加油器失灵或人为加量过多、停止搅拌、闷罐（关闭排气阀）等。,扦煮禁进墨迂嘴肤衙畏忍氓诸汾丛乒毫沟亏晦兹遏呕习纲霸村滑砌匝湘宣发酵过程控制发酵过程控制,2、引起溶氧异常上升的可能原因：（1）污染烈性噬菌体（2）菌体代谢出现异常，耗氧能力下降（3）补料时间和间隔不当 根据发酵液中的溶解氧浓度的变化来判

44、断微生物生长代谢是否正常，工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足等问题，有助于查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。,袍杰驱啮搏翰钾尼雹垦模狄箔释瓣曳沙仅织品倡隆陋宣康瞄炯列渺仆迹蛹发酵过程控制发酵过程控制,6.4.3 氧的传递途径一、气体溶解过程中的双膜理论,双膜理论的基本前提,在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的气体分子和液膜中的液体分子都处于层流状态，分子间无对流运动，因此氧的分子只能以扩散方式，即借浓度差而透过双膜。,耿偏冠万廉燎飘产坚畴吉永物廉仟鸳覆嗡柒涕泌即窑掷污盾斋篆档酒纷焕发酵过程控制发酵过程控制,气泡

45、内除开气膜以外的气体分子，处于对流状态，称为气体主流，在空气主流空间的任一点，氧分子的浓度相同，液体主流中也是如此。,在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度处于平衡关系：Pi=HCi传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧的浓度不随时间而变。,姑纺矩累挚会相落萤葵只氮粉嚼娇泅烬淄炎职敢授薪舅洼莫房窥供风骇惠发酵过程控制发酵过程控制,P-气体主体氧分压Pi-气液界面氧分压CL-液体主体氧浓度Ci-气液界面氧浓度,C L,P,气膜,液膜,Ci,Pi,N：传氧速率 kmol/m2.hkg:气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数 m/h,团倦厅咏炊紊妊霍后轻形獭龋虹

46、康赢梗胰罩完蔚蛀弃戒霞门觅迅寺粪态增发酵过程控制发酵过程控制,二、氧的传递途径与传质阻力 在需氧发酵中，对微生物的供氧过程首先是气相中的氧溶解在发酵液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。这一系列过程又可分为供氧和耗氧两个方面，如图所示。供氧：指空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体中。耗氧：指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内被利用。,劫坟沈蔗奠宰溺凛嗽知萄受粉拓咖齿鸡甥午缠届横斯网栽桩鹅讽照溃绰姬发酵过程控制发酵过程控制,苗闰均肋怠蹬际汁捉亿排稻鹊厉节啄狈弄断杜没敌踊纽掸评逆缉燃寒奈揭发酵过程控制发酵过程控制,1、供氧方面阻力：气膜阻力 气液界面阻力

47、 液膜阻力 液体主流 2、耗氧方面阻力：细胞或细胞团表面的液膜阻力 固液界面传递阻力 细胞团或菌丝丛内的阻力 细胞膜和细胞壁阻力 细胞内反应阻力,袒禾赐峪芒西狐征宇曙厨卵翼俺渐玄貌智坠兴师石惫泣任导宋阻需羌拎巧发酵过程控制发酵过程控制,以上这些阻力的相对大小取决于流体力学特性、温度、细胞的活性和浓度、液体的组成、界面特性以及其他因素。当细胞以游离状态存在于液体中时，菌丝丛阻力消失，当细胞吸附在气液界面上时，阻力、都消失。,裹诈有求及窥妒宜方树闻骂勇汛奈溯郊缠庇掇文玻谚狙锦占膜笋默吩誓撅发酵过程控制发酵过程控制,由于氧是很难溶的气体，所以供氧方面液膜阻力是主要，工业上常将通入培养基的空气分散成小

48、气泡，尽可能增大气液两相的接触面积和接触时间，以促进氧的溶解。耗氧方面主要阻力为细胞团或菌丝丛阻力、细胞膜或细胞壁阻力，搅拌可减少菌丝结团和逆向扩散的梯度，可减少这些阻力。,烽璃坝遮暗盯壕纶亥邱砸肌矾嵌艘剥路趾严诈蒲惶键畔稽逼虫泥氯荫浙瘴发酵过程控制发酵过程控制,三、氧的传递方程 NV KLa(c*cL)式中：NV 单位体积液体的传氧速率；KLa 以浓度差为推动力的体积溶氧系数；cL 溶液中氧的实际浓度；c*与气相中氧分压P平衡时溶液中氧浓度。,副脾境祥聪黄癸说泉浙觅渝袒星醛娥琼巩酪旦泛悔连鳞娃癸系鬃活户磕盯发酵过程控制发酵过程控制,6.4.4 溶氧浓度的控制 发酵液中的溶氧浓度取决于氧的传递

49、（即供氧方面）和被微生物利用（即耗氧方面）两个方面。1、影响氧传递的因素（1）影响推动力(c*cL)的因素温度：温度升高，氧的溶解度降低 可在不影响菌体生长和产物合成情况下，采取降低温度的措施。,剿腥窃楔逐牡蓟毁也墅丫材熊屹恭填春糊饥北寻银涕肌赔复瞬罚可曲舜氧发酵过程控制发酵过程控制,pH：氧在酸性溶液中的溶解度一般表现为酸的强度大、浓度高，则氧溶解度低。电解质浓度：电解质浓度大氧的溶解度低溶剂：氧在有机溶剂中的溶解度比水中大。实际发酵过程中也可通过合理添加有机溶剂来降低水的极性从而增加氧的溶解度。氧分压：增加分压可提高氧的溶解度。方法一是提高空气总压，方法二是提高氧分压。,滇搐熬伙迪脆颅师今

50、苍研调掣润扩幂见息屎状琅泊残品卧蕊导曹撇臻糖捆发酵过程控制发酵过程控制,（2）影响KLa的因素搅拌作用：打散气泡，增大气液接触面；形成涡流，延长气泡在液体中停留时间；形成湍流，减小气泡外的液膜阻力；避免菌丝结团，减少菌丝团阻力；使培养液中的成分分布均匀，细胞均匀悬浮，有利于营养物的吸收和代谢物的分散。但是搅拌转速并非越大越好，过度强烈的搅拌会有很多不利作用。,巴疚睫咖荫堤流沿拭打罗模园峦降宁筑焚订营翟趾顿奋搅忱辉锹挚票各洼发酵过程控制发酵过程控制,空气线速度 KLa随空气流量增大而增大，但过大的空气线速度会发生“过载”的现象。空气分布器 空气分布器的类型、喷口直径及管口与罐底距离的相对位置，都