課用第五章-發(fā)酵條件及過(guò)程控制

1、第五章 發(fā)酵條件及過(guò)程控制本章主要內(nèi)容第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制第二節(jié) 溫度的影響及其控制第三節(jié) pH的影響及控制第四節(jié) 溶氧的影響及控制第五節(jié) 泡沫的影響及控制第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制本章主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制的影響及控制第二節(jié) 溫度的影響及其控制第三節(jié) pH的影響及控制第四節(jié) 溶氧的影響及控制第五節(jié) 泡沫的影響及控制第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度的影響及控制（一）碳源 1、碳源的種類(lèi)的影響遲效碳源遲效碳源 種類(lèi)：淀粉、乳

2、糖、蔗糖、麥芽糖、玉米油 優(yōu)點(diǎn)：不易產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏效應(yīng)；有利于延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期 缺點(diǎn)：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。速效碳源速效碳源種類(lèi)：葡萄糖優(yōu)點(diǎn)：吸收快，利用快，能迅速參加代謝合成菌體和產(chǎn)生能量缺點(diǎn)：有的分解代謝產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)物的合成會(huì)產(chǎn)生阻遏作用。糖對(duì)青霉素生物合成的影響2、碳源的濃度影響發(fā)酵過(guò)程舉例、碳源的濃度影響發(fā)酵過(guò)程舉例（1）過(guò)高濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響：在重組畢赤酵母發(fā)酵生產(chǎn)水蛭素過(guò)程中，甲醇既作為碳骨架，使細(xì)胞生長(zhǎng)，又作為誘導(dǎo)物可以提高產(chǎn)物表達(dá)，但甲醇濃度的提高會(huì)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此，利用甲醇傳感器控制甲醇流量，同時(shí)以限制性速度混合流加甘油，可獲得較高的水蛭素產(chǎn)量.（

3、2）碳分解代謝物阻遏：在某一濃度下碳源會(huì)阻遏一個(gè)或多負(fù)責(zé)產(chǎn)物合成的酶?？朔撔?yīng)：a是采用中間補(bǔ)料的方式使補(bǔ)入碳源的速率等于其消耗速率；b是使用非阻遏性碳源。（3）yeast Crabtree effect：即酵母生長(zhǎng)在高糖濃度下，即使溶氧充足，它還會(huì)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，從葡萄糖生產(chǎn)乙醇。因此，一般采用補(bǔ)料分批或連續(xù)培養(yǎng)方式來(lái)避免crabtree效應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 在癌細(xì)胞中有在癌細(xì)胞中有CrabtreeCrabtree現(xiàn)象，后發(fā)現(xiàn)某些正常組現(xiàn)象，后發(fā)現(xiàn)某些正常組織細(xì)胞織細(xì)胞( (如視網(wǎng)膜、小腸粘膜、顆粒性白細(xì)胞、腎髓如視網(wǎng)膜、小腸粘膜、顆粒性白細(xì)胞、腎髓質(zhì)、成熟紅細(xì)胞等質(zhì)、成熟紅細(xì)胞等)

4、 )亦有此現(xiàn)象。亦有此現(xiàn)象。 解釋?zhuān)航忉專(zhuān)?此類(lèi)細(xì)胞糖酵解酶系較強(qiáng)，而線(xiàn)粒體中某些氧此類(lèi)細(xì)胞糖酵解酶系較強(qiáng)，而線(xiàn)粒體中某些氧化酶系如細(xì)胞色素氧化酶活性較低，爭(zhēng)奪氧化磷酸化酶系如細(xì)胞色素氧化酶活性較低，爭(zhēng)奪氧化磷酸化底物處劣勢(shì)?；孜锾幜觿?shì)。Crabtree效應(yīng)：效應(yīng)： CrabtreeCrabtree效應(yīng)（亦稱(chēng)反效應(yīng)（亦稱(chēng)反PasteurPasteur作用）：作用）： 一些組織細(xì)胞給予葡萄糖時(shí)，無(wú)論供氧充足與否，一些組織細(xì)胞給予葡萄糖時(shí)，無(wú)論供氧充足與否，均呈現(xiàn)很強(qiáng)的酵解反應(yīng)，而糖的有氧氧化受抑制，這均呈現(xiàn)很強(qiáng)的酵解反應(yīng)，而糖的有氧氧化受抑制，這種作用稱(chēng)為種作用稱(chēng)為CrabtreeCrabtr

5、ee效應(yīng)。效應(yīng)。（二）氮源的種類(lèi)與濃度的影響及控制（二）氮源的種類(lèi)與濃度的影響及控制1、氮源的種類(lèi) 無(wú)機(jī)氮源和有機(jī)氮源無(wú)機(jī)氮源和有機(jī)氮源：發(fā)酵工業(yè)中常用的無(wú)機(jī)氮源包括硝酸鹽、銨鹽、氨水等；有機(jī)氮源包括豆餅粉、花生餅粉、蛋白胨、酵母粉、酒糟、尿素等。 無(wú)機(jī)氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機(jī)氮源可以直接被菌體吸收利用，這種氮源叫做速效氮源速效氮源，反之為遲效氮源遲效氮源。前者包括氨基態(tài)氮的氨基酸或者銨鹽形式的硫酸銨和玉米漿等，后者包括黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉等。 速效氮源易于被菌體吸收利用，所以有利于菌體生長(zhǎng)，卻會(huì)影響某些產(chǎn)物的的產(chǎn)量；遲效氮源對(duì)延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期、提高產(chǎn)物產(chǎn)量有好處，

6、但一次性投入容易使養(yǎng)分過(guò)早耗竭，導(dǎo)致菌體過(guò)早衰老自溶，從而縮短產(chǎn)物分泌期。因此，發(fā)酵培養(yǎng)基一般選用含有速效遲效氮源的混合氮源發(fā)酵培養(yǎng)基一般選用含有速效遲效氮源的混合氮源。 對(duì)某些發(fā)酵過(guò)程來(lái)說(shuō)，培養(yǎng)基中某些氮源的添加有利于該發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)物的積累，這些主要是培養(yǎng)基中的有機(jī)氮源有機(jī)氮源作為菌體生長(zhǎng)繁殖的營(yíng)養(yǎng)外，還有作為產(chǎn)物的前體作為產(chǎn)物的前體。無(wú)機(jī)氮源無(wú)機(jī)氮源利用會(huì)快于有機(jī)氮源，但是常會(huì)引常會(huì)引pH值的變值的變化化，這必須注意隨時(shí)調(diào)整。 2、氮源的濃度氮源濃度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞脫水死亡，且影響傳質(zhì)；濃度過(guò)低，菌體營(yíng)養(yǎng)不足，影響產(chǎn)量。影響發(fā)酵的方向：谷氨酸發(fā)酵NH4+供應(yīng)不足,促使形成-酮戊二酸；NH4

7、+過(guò)量,促使谷氨酸轉(zhuǎn)變成谷氨酰胺，所以要控制適量的NH4+濃度 。為調(diào)節(jié)菌體生長(zhǎng)和防止菌體衰老自溶，可根據(jù)需要隨時(shí)補(bǔ)加有機(jī)和無(wú)機(jī)氮源。（三）磷酸鹽濃度的影響及控制微生物生長(zhǎng)良好時(shí)，所允許的磷酸鹽濃度為0.32300mmol/L，但次級(jí)代謝產(chǎn)物合成良好時(shí)所允許的磷酸鹽最高水平濃度僅為1mmol/L。因此，在許多抗生素，如鏈霉素、新霉素、四環(huán)素、土霉素、金霉素和萬(wàn)古霉素等的合成中要以亞適量亞適量添加。 舉例：四環(huán)素發(fā)酵：菌體生長(zhǎng)最適的磷濃度為6570 g/mL,而四環(huán)素合成最適磷濃度為2530 g/mL?；A(chǔ)培養(yǎng)基中采用適量的濃度給予控制，以保證菌體的正常生長(zhǎng)所需； 代謝緩慢：補(bǔ)加磷酸鹽。舉例：在

8、四環(huán)素發(fā)酵中,間歇,微量添加磷酸二氫鉀,有利于提高四環(huán)素的產(chǎn)量。（四）菌體濃度的影響及控制1、菌體濃度（cell concentration）指單位體積中菌體的含量，是發(fā)酵工業(yè)中的一個(gè)重要參數(shù)。它不僅代表菌體細(xì)胞的多少，而且反應(yīng)菌體細(xì)胞生理特性不完全相同的分化階段。在發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究中，常采用菌體濃度來(lái)計(jì)算菌體的比生長(zhǎng)速率和產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率等動(dòng)力學(xué)參數(shù)及相互關(guān)系。 菌體濃度的檢測(cè) 濁度法：用于非絲狀菌的濃度測(cè)定。通常測(cè)定420-600nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光密度值（OD）。吸光度要求控制在0.3-0.5。 干重法：取一定體積的發(fā)酵液離心或過(guò)濾，105烘至恒重稱(chēng)重。 離心稱(chēng)濕重法：取一定體積的發(fā)酵液離心

9、或過(guò)濾，自然沉降或離心，測(cè)定濕重。2、影響菌體生長(zhǎng)速率的因素：菌體生長(zhǎng)速率與微生物的種類(lèi)和自身的遺傳特性相關(guān)；如：典型的細(xì)菌，酵母，霉菌和原生動(dòng)物的倍增時(shí)間分別為45 min，90 min，3 h和6 h左右，這說(shuō)明各類(lèi)微生物增殖速率的差異。 取決于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的種類(lèi)和濃度，基質(zhì)濃度與比生長(zhǎng)率的關(guān)系如右圖所示。如：各種碳源和氮源等成分和它們的濃度。上限濃度，基質(zhì)抑制(滲透壓，關(guān)鍵酶，代謝廢物)。一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的上限濃度(g/L)如下：葡萄糖 100，NH4+ 5，PO43- 10。有影響的環(huán)境條件有溫度,pH值,滲透壓和水分活度等因素。3、菌體濃度對(duì)產(chǎn)物的影響 在適當(dāng)?shù)谋壬L(zhǎng)速率下，發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率與

10、菌濃成正比關(guān)系,即 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率),g/(Lh);QPm 產(chǎn)物最大比生成速率,h-1;c(X) 菌體濃度,g/L. 初級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率與菌體濃度成正比； 而次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)中，控制菌體的比生長(zhǎng)速率比臨略高一點(diǎn)的水平，即c(X) c(X)臨時(shí)，菌體濃度越大，產(chǎn)物的產(chǎn)量才越大。 c(X)過(guò)高，攝氧率增加，溶氧成為限制因素，使產(chǎn)量降低?？刂平臃N量：接種量指種子液體積和培養(yǎng)液體積之比。一般發(fā)酵常用接種量5%10%；抗生素的接種量有時(shí)可增至20% 25%，甚至更大?；|(zhì)含量：營(yíng)養(yǎng)的配比和中間補(bǔ)料的方式。生長(zhǎng)速率取決于基質(zhì)的濃度，在微生物發(fā)酵的研究

11、和控制中，營(yíng)養(yǎng)條件（含溶氧）的控制至關(guān)重要，主要受基質(zhì)濃度的影響，所以要依靠調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的濃度來(lái)控制菌濃。4、發(fā)酵中菌體濃度的控制為了獲得抗生素最高的生產(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(xiàn)和攝氧速率隨菌濃變化的曲線(xiàn)的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的菌體濃度，即臨界菌體濃度c(X)臨。本章主要內(nèi)容第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制第二節(jié)第二節(jié) 溫度的影響及其控制溫度的影響及其控制第三節(jié) pH的影響及控制第四節(jié) 溶氧的影響及控制第五節(jié) 泡沫的影響及控制第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制第二節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響及控制微生物的

12、生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成都是在各種酶催化下進(jìn)行的，溫度是保證酶活性的重要條件，因此在發(fā)酵系統(tǒng)中必須保證穩(wěn)定而合適的溫度環(huán)境。通常在生物學(xué)范圍內(nèi)每升高10，生長(zhǎng)速度就加快一倍，溫度直接影響其生長(zhǎng)。機(jī)體的重要組成如蛋白質(zhì)、核酸等都對(duì)溫度較敏感，隨著溫度的增高有可能遭受不可逆的破壞。微生物可生長(zhǎng)的溫度范圍較廣，總體說(shuō)在-10 95。1、溫度對(duì)發(fā)酵的影響（1）溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響大多數(shù)微生物在20-40的溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)。嗜冷菌在溫度低于20下生長(zhǎng)速率最大，嗜中溫菌在30-35左右生長(zhǎng)，嗜熱菌在50以上生長(zhǎng)。（2）溫度對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響溫度對(duì)青霉菌生長(zhǎng)速率、呼吸強(qiáng)度和青霉素生產(chǎn)速率的影響如上圖所示。可以看出，溫

13、度對(duì)參與生長(zhǎng)繁殖、呼吸和青霉素形成的速率影響是不同的。溫度對(duì)青霉菌生長(zhǎng)速率的影響溫度對(duì)青霉菌呼吸強(qiáng)度的影響溫度對(duì)青霉素生產(chǎn)速率的影響溫度對(duì)青霉菌生長(zhǎng)速率的影響溫度對(duì)青霉菌呼吸強(qiáng)度的影響溫度對(duì)青霉素生產(chǎn)速率的影響（3）溫度對(duì)發(fā)酵液物理性質(zhì)的影響影響氧在發(fā)酵液中的溶解度 溫度 溶氧影響基質(zhì)的分解和吸收速率如：菌體對(duì)硫酸鹽吸收在25時(shí)最小。（4）溫度對(duì)生物合成方向的影響金色鏈霉菌四環(huán)素發(fā)酵中所用的金色鏈霉菌，其發(fā)酵過(guò)程中能產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素。低于30時(shí)，合成金霉素能力強(qiáng)，合成四環(huán)素能力隨溫度升高而增加；當(dāng)達(dá)到35 時(shí)，只產(chǎn)生四環(huán)素。（5）溫度對(duì)微生物代謝調(diào)節(jié)的影響 溫度與微生物的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制關(guān)系密切

14、 例如：在低溫（20）時(shí)，氨基酸末端產(chǎn)物對(duì)其合成途徑的第一個(gè)酶的反饋抑制作用，比在其正常生長(zhǎng)溫度37時(shí)更大。因此，考慮在抗生素發(fā)酵的后期降低溫度，加強(qiáng)氨基酸的反饋抑制作用，使蛋白質(zhì)和核酸的正常合成途徑關(guān)閉得早些，從而使發(fā)酵代謝轉(zhuǎn)向抗生素的合成。 微生物的酶的組成和特性也受到溫度的控制 例如：用米曲霉制曲時(shí)，溫度控制在低限，有利于蛋白酶的合成，-淀粉酶的活性受到抑制。2、影響發(fā)酵溫度的因素 發(fā)酵熱：指的是發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量，以J/(m3h)為單位表示。 發(fā)酵熱的通式可表示為： Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)Q輻射（1）生物熱（Q生物）：指微生物在生長(zhǎng)繁殖中，培養(yǎng)基質(zhì)中的碳水化合物、脂肪和

15、蛋白質(zhì)被氧化分解為二氧化碳、水和其他物質(zhì)時(shí)釋放出的熱。這些釋放出來(lái)的能量一部分用于合成和代謝活動(dòng)，另一部分用于合成代謝產(chǎn)物，其余部分則以熱的形式散失。發(fā)酵過(guò)程中的生物熱與菌株和培養(yǎng)基成分相關(guān)生物熱與菌株和培養(yǎng)基成分相關(guān)，菌種在營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基中因代謝活力較強(qiáng)，所以生物熱要高于在營(yíng)養(yǎng)一般的培養(yǎng)基中；在呼吸作用和發(fā)酵作用較強(qiáng)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，所產(chǎn)生的熱量要高于發(fā)酵初期的延滯期和發(fā)酵后期的衰亡期。（2）攪拌熱（Q攪拌）：指在機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機(jī)械攪拌帶動(dòng)發(fā)酵液作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，造成液體之間、液體與攪拌器等設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱。攪拌熱與攪拌軸的功率有關(guān)，計(jì)算公式為： Q攪拌=P3601(kJ/h)

16、式中，P攪拌功率，kW； 3601機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量，kJ/(kWh)。（3）蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）：指發(fā)酵過(guò)程中通氣時(shí)，引起發(fā)酵液水分的蒸發(fā)，被空氣和水分帶走的熱量，也叫汽化熱。這部分熱量在發(fā)酵過(guò)程中先以蒸汽形式散發(fā)到發(fā)酵罐的液面，再由排氣管帶走?？砂聪率接?jì)算： Q蒸發(fā)=qm（H出-H進(jìn)）式中，qm干空氣的質(zhì)量流量，kg/h； H出、H進(jìn)發(fā)酵罐排氣、進(jìn)氣的熱焓，kg/h。 （4）輻射熱（Q輻射）：指由于發(fā)酵罐液體溫度與罐外環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中部分熱向外輻射或由外界向發(fā)酵液輻射所產(chǎn)生的熱。輻射熱的大小取決于罐內(nèi)外溫度差。（5）發(fā)酵熱（Q發(fā)酵） 發(fā)酵熱的計(jì)算： 通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量

17、和冷卻水進(jìn)出口溫度來(lái)計(jì)算： Q發(fā)酵=qvc（t2-t1）/V 式中，qv冷卻水的體積流量，L/h； c水的比熱容，kJ/(kg)； t2，t1進(jìn)、出冷卻水的溫度； V發(fā)酵液體積，m3。 通過(guò)罐溫度的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自動(dòng)裝置，測(cè)量溫度隨時(shí)間上升的速率，按下式求出發(fā)酵熱： Q發(fā)酵=（M1c1+M2c2）u 式中，M1發(fā)酵液的質(zhì)量，kg； M2發(fā)酵罐的質(zhì)量，kg； c1發(fā)酵液的比熱容， kJ/(kg)； c2發(fā)酵罐材料的比熱容， kJ/(kg)； u溫度上升速率，/h。3、發(fā)酵過(guò)程溫度的控制 發(fā)酵熱在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中是隨時(shí)間變化的。所以，為使發(fā)酵在一定溫度下進(jìn)行，必須采取措施在夾套或

18、蛇管夾套或蛇管內(nèi)通入冷水加以控制；小型的發(fā)酵罐，在冬季和發(fā)酵初期，散熱量大于產(chǎn)熱量則需用熱水保溫。 最適菌體生長(zhǎng)溫度和最適產(chǎn)物合成溫度有時(shí)存在差異，因此可分為兩個(gè)階段分別控制溫度。 溫度選擇還需參考其他條件，如培養(yǎng)基特性和通風(fēng)條件。 通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬發(fā)酵條件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程研究特定發(fā)酵過(guò)程隨溫度的變化的規(guī)律性，可有效提高產(chǎn)量。本章主要內(nèi)容第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制第二節(jié) 溫度的影響及其控制第三節(jié)第三節(jié) pH的影響及控制的影響及控制第四節(jié) 溶氧的影響及控制第五節(jié) 泡沫的影響及控制第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制第三節(jié) pH的影響和控制不同種

19、類(lèi)微生物對(duì)pH的要求不同。大多數(shù)細(xì)菌的最適pH為6.57.5，霉菌一般是4.0 5.8，酵母菌為3.8 6.0，放線(xiàn)菌為6.5 8.0。pH是微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的重要參數(shù)，代謝活動(dòng)的綜合指標(biāo)?？刂埔欢ǖ膒H不僅是保證微生物正常生長(zhǎng)的主要條件之一，還是防止雜菌污染的一個(gè)有效措施。對(duì)于同一種微生物由于生長(zhǎng)環(huán)境的pH不同，也可能會(huì)形成不同的發(fā)酵產(chǎn)物。微生物菌體生長(zhǎng)的最適pH值和產(chǎn)物合成的最適pH往往不一定相同，因此對(duì)發(fā)酵過(guò)程pH的控制十分重要。1、發(fā)酵液pH值對(duì)發(fā)酵的影響影響微生物細(xì)胞原生質(zhì)膜的電荷狀態(tài)：改變?cè)|(zhì)膜的離子透性，影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的泄漏；影響酶的活性：酶需在最適的pH值環(huán)

20、境中工作；某些酶的活性在某pH值下受到抑制是對(duì)產(chǎn)物的一種保護(hù)機(jī)制；影響菌體的形態(tài)：pH值還會(huì)影響某些霉菌的形態(tài)，如細(xì)胞壁厚度、菌絲直徑。如：產(chǎn)黃青霉的細(xì)胞壁厚度隨pH增加而減??；影響培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的解離，從而影響吸收。2、發(fā)酵過(guò)程中影響pH變化的因素（1）菌體對(duì)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的吸收引起發(fā)酵液pH的改變：培養(yǎng)基pH在發(fā)酵過(guò)程中能被菌體代謝所改變。若陰離子(如PO43- 、NO3-)被吸收，則pH上升；陽(yáng)離子(如NH4 + 、K+ )被吸收，使pH下降。（2）菌體的代謝產(chǎn)物會(huì)改變發(fā)酵液的pH：代謝產(chǎn)生有機(jī)酸，如乳酸、乙酸、檸檬酸等；或一些堿性物質(zhì)。 一般來(lái)說(shuō)，高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性pH轉(zhuǎn)移，高氮源培

21、養(yǎng)基傾向于向堿性pH轉(zhuǎn)移，這都跟碳氮比直接有關(guān)。3、發(fā)酵過(guò)程pH的控制方法（1）添加碳酸鈣：生理酸性銨鹽的利用引起pH的下降可用碳酸鈣來(lái)中和，在乳酸發(fā)酵中防止乳酸產(chǎn)量的降低。（2）氨水流加法：價(jià)格便宜，來(lái)源容易；但作用快，對(duì)pH的影響波動(dòng)大；高濃度的氨水引起pH的大幅上升，會(huì)導(dǎo)致呼吸強(qiáng)度急劇下降，引起微生物氨過(guò)量中毒。通過(guò)少量多次流加的方式進(jìn)行。（3）尿素流加法：用尿素流加調(diào)節(jié)pH，易于操作，且pH變化具有一定的規(guī)律性，即由于通風(fēng)、攪拌和菌體中脲酶作用使尿素分解放氨，pH上升；氨和培養(yǎng)基成分被菌體利用并形成有機(jī)酸等中間代謝物，pH又降低，下一輪尿素添加后又符合該規(guī)律。流加時(shí)除主要考慮pH變化外

22、，還當(dāng)考慮菌體生長(zhǎng)、耗糖、發(fā)酵的不同階段來(lái)調(diào)整添加的頻率和量。（4）補(bǔ)料控制pH：通過(guò)調(diào)節(jié)加糖速率來(lái)控制pH，可比恒速加糖，酸堿控制pH提高青霉素產(chǎn)量25%以上。4、菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成間pH值的相互關(guān)系：菌體的比生長(zhǎng)速率Qp：產(chǎn)物比生產(chǎn)速率表 幾種抗生素的最適pH發(fā)酵范圍本章主要內(nèi)容第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制第二節(jié) 溫度的影響及其控制第三節(jié) pH的影響及控制第四節(jié)第四節(jié) 溶氧的影響及控制溶氧的影響及控制第五節(jié) 泡沫的影響及控制第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制第四節(jié) 溶氧的影響及控制 氧是一種難溶于水的氣體。在25，1105 Pa條件下，純氧在水

23、中的溶解度為1.26 mmol/L，空氣中的氧在純水中的溶解度更低（0.25 mmol/L）。 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+6O2=6H2O+6CO2 只有當(dāng)這兩種物質(zhì)都溶于水中才能進(jìn)行反應(yīng)。 但在28氧在發(fā)酵液中的溶解度只有0.22 mmol/L（7mg/L，比糖的溶解度小7000倍），而發(fā)酵液中的大量微生物耗氧迅速（耗氧速率大于25-100 mmol/Lh）。 因此，供氧對(duì)于好氧微生物來(lái)說(shuō)是非常重要。在好氧深層培養(yǎng)中，氧氣的供應(yīng)往往是發(fā)酵能否成功的重要限制因素之一。1、臨界氧（C臨）：指不影響微生物呼吸所需要的最低氧濃度。各種微生物的臨界氧值以空氣

24、氧飽和度%來(lái)表示，也可用單位體積中的溶氧量表示（mmol/L）,這必須在同樣的溫度、罐壓、通氣攪拌下進(jìn)行比較。2、溶氧對(duì)發(fā)酵的影響微生物的呼吸臨界氧值不一定與產(chǎn)物合成臨界氧值相同。溶氧濃度高于臨界值，才能維持菌體的最大比攝氧率，得到最大的菌體合成量；低于臨界值，菌體代謝受到干擾。但溶氧濃度高于或低于臨界氧值都有可能刺激發(fā)酵產(chǎn)物的形成，這取決于發(fā)酵產(chǎn)物形成的過(guò)程。根據(jù)需氧不同，可將初級(jí)代謝發(fā)酵分為以下三類(lèi)：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；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(lài)氨酸、蘇氨酸等；若供氧受限，細(xì)胞

25、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。黃色短桿菌（黃色短桿菌（Brevibacterium flavum）生物合成氨基酸的過(guò)程中溶解氧的影響研究）生物合成氨基酸的過(guò)程中溶解氧的影響研究但在實(shí)際過(guò)程中應(yīng)該注意：控制溶氧濃度控制溶氧濃度： 溶解氧濃度過(guò)高（代謝異常，菌體提前自溶）； 溶解氧濃度過(guò)低（代謝異常，產(chǎn)量降低）引起溶氧異常下降的可能原因引起溶氧異常下降的可能原因： 污染了好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗，可能在短時(shí)間內(nèi)（一般25h內(nèi)）使溶氧接近到零，并長(zhǎng)時(shí)間不回升； 菌體代謝發(fā)生異?，F(xiàn)象，需氧量增加，使溶氧下降； 某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生

26、故障或變化，如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。3、發(fā)酵過(guò)程溶氧的變化（1）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(guò)供氧，溶氧明顯下降；（2）發(fā)酵中后期：溶氧濃度明顯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；（3）發(fā)酵后期：由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會(huì)明顯上升。4、影響氧溶解及傳遞的因素If only suspended cells are involved and if the level of mixing in the bulk liquid is sufficiently high, the

27、n the rate limiting step in the oxygen transfer process is the movement of the oxygen molecules through the bubble boundary layer.氧傳遞速率oxygen transfer rate OTR=dC/dt=KLa(C*-CL)式中，dC/dt單位時(shí)間內(nèi)發(fā)酵液溶氧濃度的變化，mmolO2/(Lh)KL氧傳質(zhì)系數(shù)，m/h；a比表面積，m2/m3;C*氧在水中的飽和濃度，mmol/L;CL發(fā)酵液中氧濃度，mmol/L。 因a所代表的單位體積的溶氧面面積無(wú)法估算，因此，將KLa

28、合為一體來(lái)考量，代表的是單位體積中氧的傳遞速率。（1）影響體積氧傳遞系數(shù)KLa的因素?cái)嚢瑁篎形成小氣泡，增大比表面積F液體渦流運(yùn)動(dòng)，增加氣液接觸時(shí)間F料液湍流運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)傳質(zhì)F使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)空氣流速（線(xiàn)速度）：空氣線(xiàn)速度較小時(shí)，KLa隨線(xiàn)速度增加而增加；空氣線(xiàn)速度增加至一定程度后，如不改變攪拌速度，則會(huì)降低攪拌功率，使KLa降低，甚至發(fā)生“過(guò)載”現(xiàn)象空氣分布管：改變氣泡大小，從而改變氣泡的比表面積。發(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)： H/D從1增加到2，KLa增加40%； H/D從2增加到3，KLa增加20%；發(fā)酵液的性質(zhì)發(fā)酵液粘度影響液體湍動(dòng)性及液膜的阻力。消泡劑消泡劑：降低氧的傳遞速率

29、。消泡劑對(duì)氧傳遞的抑制作用（2）影響傳質(zhì)推動(dòng)力(C*-CL)的因素溫度和氧分壓根據(jù)亨利定律：C*=PO2/HO2式中，PO2氧分壓； HO2亨利常數(shù)，取決于溫度和溶質(zhì)濃度溶液性質(zhì)鹽和糖的存在降低了氧的溶解度發(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度提高氧分壓的一個(gè)方法就是提高氣泡總壓力。如：將氣泡的壓力提高到10atm，則氧分壓就可達(dá)2.1atm。直接提高罐壓，會(huì)存在工程上的問(wèn)題，因此可以通過(guò)提高液柱高度來(lái)解決。 Pbase=gh+1atmosphere 式中，Pbase：罐底部壓力（Pa） ：發(fā)酵液密度 g：重力加速度（9.8m.s-2） h：液柱高度（m）發(fā)酵液中氧的供需平衡 耗氧速率：(OUR)=QO2X式中，

30、攝氧率，mmol/L； QO2 呼吸強(qiáng)度， mmolO2/(gh)； X菌濃度，g/L。 溶氧DO平衡，OTR=OUR， 即KLa (C*-CL) =QO2X原則上發(fā)酵罐的供氧能力無(wú)論提得多高，若工藝條件工藝條件不配合，仍然會(huì)出現(xiàn)供氧不足的現(xiàn)象。因此應(yīng)適當(dāng)控制菌的攝氧率。工藝方面有許多行之有效地措施，如控制加糖或補(bǔ)料速率、改變發(fā)酵溫度、液化培養(yǎng)基、中間補(bǔ)水、添加表面活性劑等。只要這些措施運(yùn)用得當(dāng)，便能改善溶氧狀況和維持合適的供氧水平。表 影響需氧的工藝條件項(xiàng)目工藝條件項(xiàng)目工藝條件好氣程度補(bǔ)料或加糖配方、方式、次數(shù)和時(shí)機(jī)菌種特性菌齡、數(shù)量溫度恒溫或階段變溫控制菌的聚集狀態(tài)、絮狀或小球狀溶氧與尾氣

31、O2及CO2水平按生長(zhǎng)或產(chǎn)物合成的臨界值控制培養(yǎng)基性能基礎(chǔ)培養(yǎng)基組成、配比消泡劑或油種類(lèi)、數(shù)量、次數(shù)和時(shí)機(jī)物理性質(zhì)：黏度、表面張力等表面活性劑溶氧控制的方法及比較本章主要內(nèi)容第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制第二節(jié) 溫度的影響及其控制第三節(jié) pH的影響及控制第四節(jié) 溶氧的影響及控制第五節(jié)第五節(jié) 泡沫的影響及控制泡沫的影響及控制第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制第五節(jié) 泡沫的影響及控制1、泡沫的性質(zhì) 泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被一層液膜隔開(kāi)而彼此不相連通。發(fā)酵過(guò)程中所遇到的泡沫，其分散相是無(wú)菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。2、泡沫的類(lèi)

32、型一類(lèi)存在于發(fā)酵液的液面上，這類(lèi)泡沫氣相所占的比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辨的界線(xiàn)。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見(jiàn)到的。另一類(lèi)泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液中，這種泡沫分散很細(xì)，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體間沒(méi)有明顯的界線(xiàn)，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比列由下而上逐漸增加。3、泡沫產(chǎn)生的原因T 由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（通風(fēng)、攪拌）T 發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)）4、泡沫對(duì)發(fā)酵的不利影響泡沫的持久存在影響著微生物對(duì)氧的吸收，妨礙二氧化碳的排除，因而破壞其生理代謝的正常進(jìn)行，不利于發(fā)酵。使發(fā)酵液的裝料系數(shù)減少。由于泡沫大量生成，致使培養(yǎng)液的容

33、量一般只能等于種子罐容量的一半左右，大大影響了設(shè)備的利用率。大量的泡沫易造成逃液，增加污染雜菌的機(jī)會(huì)，造成巨大損失。5、影響泡沫產(chǎn)生和穩(wěn)定的因素（1）通氣與攪拌的強(qiáng)度（2）培養(yǎng)基的配比及原材料的組成（3）培養(yǎng)基的破壞程度（4）接種量大小（5）培養(yǎng)液本身性質(zhì)的變化（發(fā)酵過(guò)程）（6）培養(yǎng)基滅菌的方法和操作（7）染菌不同攪拌速度和通氣量對(duì)泡沫的影響不同攪拌速度和通氣量對(duì)泡沫的影響不同濃度蛋白質(zhì)原料的起泡作用滅菌時(shí)間對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響發(fā)酵過(guò)程泡沫的變化6、泡沫的檢測(cè)和控制（1）物理消泡法：依靠機(jī)械的強(qiáng)烈振動(dòng)，壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離和回收。T 罐內(nèi)消泡法：借助耙式

34、消泡槳T 罐外消泡法：旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡優(yōu)點(diǎn)：不需引入其他物質(zhì)，減少污染機(jī)會(huì)；缺點(diǎn)：效果不夠迅速可靠，不能從根本上消除引起泡沫穩(wěn)定的因素。（2）化學(xué)消泡法：T 機(jī)理：消泡劑為表面活性劑，造成氣泡膜局部機(jī)械強(qiáng)度降低，力的平衡受到破壞，在力的作用下氣泡破裂、合并，最后導(dǎo)致泡沫破裂。T 常見(jiàn)消泡劑：F天然油脂類(lèi) 玉米油、豆油、棉籽油、魚(yú)油等F高碳醇類(lèi) 十八醇、乙二醇聚合物F聚醚類(lèi) 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油F硅酮類(lèi) 聚二甲基硅氧烷（3）消泡劑具體使用過(guò)程 最簡(jiǎn)單的檢測(cè)是定時(shí)在發(fā)酵罐視孔上觀(guān)察泡沫產(chǎn)生情況，發(fā)現(xiàn)泡沫持續(xù)上升時(shí)，開(kāi)啟消泡劑貯罐的閥門(mén)，流加少量消泡劑，使泡沫消失即可。 也可在罐內(nèi)頂部裝液

35、位儀與控制儀表連結(jié)，用以控制消泡貯率閥門(mén)的開(kāi)啟。當(dāng)泡沫上升接觸探頭頂端時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)，通過(guò)控制裝置，指令打開(kāi)泵開(kāi)關(guān)或閥門(mén)，自動(dòng)加入消泡劑，泡沫消失，信號(hào)也隨之消失，閥門(mén)關(guān)閉。本章主要內(nèi)容第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制第二節(jié) 溫度的影響及其控制第三節(jié) pH的影響及控制第四節(jié) 溶氧的影響及控制第五節(jié) 泡沫的影響及控制第六節(jié)第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商二氧化碳和呼吸商第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商1、CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時(shí)也是某些合成代謝的基質(zhì)。它是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。二氧化碳微生物的代謝產(chǎn)物,合成產(chǎn)物的一種基質(zhì)反映微生物生長(zhǎng)和發(fā)酵狀況,可通過(guò)碳質(zhì)量

36、平衡來(lái)估算菌體生長(zhǎng)速率和細(xì)胞量。2、CO2對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響在發(fā)酵過(guò)程中，CO2有可能對(duì)發(fā)酵有促進(jìn)作用，也有可能有抑制作用。（1）對(duì)發(fā)酵促進(jìn)：某些無(wú)機(jī)化能營(yíng)養(yǎng)菌能以CO2作為唯一碳源。 例如：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。（2）但在大多數(shù)情況下，對(duì)發(fā)酵是抑制作用。u CO2對(duì)菌體生長(zhǎng)的作用：直接影響排出CO2高于4%時(shí)，碳水化合物的代謝及微生物的呼吸速率下降。 舉例：發(fā)酵液中溶解CO2濃度為1.610-2 mol/L時(shí)，會(huì)嚴(yán)重抑制酵母生長(zhǎng)。當(dāng)進(jìn)氣口CO2含量占混合氣體體積的80%時(shí)，酵母活力只達(dá)到對(duì)照組的80%。一般以1 L/(Lmin)的空氣流

37、量通氣發(fā)酵，發(fā)酵液中溶解CO2只達(dá)到抑制水平的10%。v CO2影響產(chǎn)物形成：阻礙基質(zhì)分解和ATP生成，影響產(chǎn)物的合成。 舉例：FCO2分壓0.008 MPa，青霉素合成速度降低40%；F氨基糖苷類(lèi)抗生素紫蘇霉素生產(chǎn)：通以1%CO2，微生物對(duì)基質(zhì)的代謝極慢，菌絲增長(zhǎng)速度降低，紫蘇霉素的產(chǎn)量比對(duì)照組降低33%。通入2%CO2，紫蘇霉素的產(chǎn)量比對(duì)比照組降低85%，CO2的含量超過(guò)3%，則不產(chǎn)生紫蘇霉素。w CO2影響菌體形態(tài)： 例如：產(chǎn)黃青霉菌接種到溶解不同CO2濃度的培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)： CO2分壓08%時(shí)，菌絲主要是絲狀； CO2分壓15%22%，則膨脹，粗短的菌絲占優(yōu)勢(shì)； CO2為0.008 M

38、Pa時(shí)，則出現(xiàn)球狀或酵母狀細(xì)胞，致使青霉素合成受阻，其比生成速率降低40%左右。3、CO2對(duì)發(fā)酵影響的機(jī)理（1）CO2對(duì)細(xì)胞的作用機(jī)制： CO2作用在細(xì)胞膜的脂肪核心部位。 HCO3-影響磷脂、親水頭部帶電荷表面及細(xì)胞膜表面的蛋白質(zhì)。當(dāng)細(xì)胞膜的脂質(zhì)相中CO2濃度達(dá)臨界值時(shí)，使膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生變化，導(dǎo)致許多基質(zhì)的膜運(yùn)輸受阻，影響細(xì)胞膜的運(yùn)輸效率，使細(xì)胞處于“麻醉”狀態(tài)，細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制，形態(tài)發(fā)生改變。（2）CO2與發(fā)酵環(huán)境大發(fā)酵罐中CO2的分壓是液體深度的函數(shù)，10 m深的發(fā)酵罐在0.101 MPa氣壓下操作，底部CO2分壓是頂部CO2分壓的2倍。如不提高攪拌轉(zhuǎn)數(shù)，CO2就不易排出，

39、在罐底形成碳酸，進(jìn)而影響菌體的呼吸和產(chǎn)物的合成。 為了排除CO2的影響，必須考慮CO2在培養(yǎng)液中的溶解度，溫度及通氣情況。CO2溶解度大，對(duì)菌生長(zhǎng)不利。采用增加罐壓的方法來(lái)消泡會(huì)增加CO2的溶解度。3、呼吸商（RQ值）RQ =CER（二氧化碳釋放率）OUR（攝氧率）呼吸商變化的生理意義表征不同的代謝途徑 厭氧代謝、耗氧代謝；不同的耗氧代謝途徑間的差異 例如：酵母發(fā)酵 RQ=1，糖有氧代謝，生成菌體，無(wú)產(chǎn)物形成； RQ1.1，糖經(jīng)EMP生成乙醇。表征不同的基質(zhì)利用情況 基質(zhì)還原性強(qiáng)與弱的差異 例如：E. Coli 以琥珀酸為基質(zhì)，RQ=1.12； 以乳酸為基質(zhì)，RQ=1.02 以葡萄糖為基質(zhì)，R

40、Q=1.00。表征不同的代謝階段 青霉素發(fā)酵理論RQ生長(zhǎng)、維持、產(chǎn)物生產(chǎn)階段分別為0.909、1.0和4.0。 發(fā)酵早期：主要是菌生長(zhǎng)，RQ1； 過(guò)渡期：維持菌體生命活動(dòng)，產(chǎn)物逐漸形成，基質(zhì)葡萄糖的代謝不僅 僅用于菌體生長(zhǎng)，RQ比生長(zhǎng)期略有增加。 產(chǎn)物形成期：對(duì)RQ的影響較為明顯，如產(chǎn)物還原性比基質(zhì)大，RQ增 加；產(chǎn)物氧化性比基質(zhì)大，RQ就減少。其偏離程度決 定于每單位菌體利用基質(zhì)所形成的產(chǎn)物量。u CO2在發(fā)酵液中的濃度大小受到許多因素的影響：菌體呼吸強(qiáng)度，發(fā)酵液流變學(xué)特性，通氣攪拌程度，外界壓力大小，設(shè)備規(guī)模大小也有影響。 通氣攪拌調(diào)節(jié)CO2的溶解度：在3 m3發(fā)酵罐中進(jìn)行四環(huán)素發(fā)酵試驗(yàn)，

41、發(fā)酵40 h以前，通氣量減小到75 m3/h，攪拌為80 r/min，提高CO2的濃度；40 h以后，通氣量和攪拌分別提高到110 m3/h和140 r/min，降低CO2濃度，使四環(huán)素產(chǎn)量提高25%30%。 發(fā)酵過(guò)程中存在著不完全氧化的中間代謝產(chǎn)物會(huì)使實(shí)際測(cè)定的RQ值偏低。 消泡劑具有不飽和性和還原性，使RQ值偏低。 v CO2濃度控制應(yīng)隨它對(duì)發(fā)酵的影響而定CO2抑制產(chǎn)物合成：降低濃度；CO2促進(jìn)產(chǎn)物合成：提高濃度。w CO2產(chǎn)生與補(bǔ)料密切相關(guān) 青霉素發(fā)酵，補(bǔ)糖會(huì)增加CO2的濃度和降低培養(yǎng)液的pH值。補(bǔ)加的糖用于菌體生長(zhǎng)，菌體維持和青霉素合成產(chǎn)生CO2。增加的CO2和代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸，又使培

42、養(yǎng)液pH值下降。因此，補(bǔ)糖、CO2、pH值三者具有相關(guān)性，被用于青霉素補(bǔ)料工藝的控制參數(shù)，其中排氣中的CO2量的變化比pH值變化更為敏感，所以，采用測(cè)定CER作為控制補(bǔ)糖速率參數(shù)。x CO2形成的碳酸，可用除CaCO3以外的堿來(lái)中和。4、CO2濃度的控制本章主要內(nèi)容第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制第二節(jié) 溫度的影響及其控制第三節(jié) pH的影響及控制第四節(jié) 溶氧的影響及控制第五節(jié) 泡沫的影響及控制第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商第七節(jié)第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制發(fā)酵終點(diǎn)的控制第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的判斷=發(fā)酵類(lèi)型不同，目的不同，判斷終點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)就不同。=發(fā)酵生產(chǎn)能力及評(píng)價(jià)指標(biāo)：(生產(chǎn)能力(

43、或稱(chēng)生產(chǎn)率,產(chǎn)率) ：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位罐體積的產(chǎn)物積累量，單位一般為g/(Lh)或kg/(m3h)； (體積生產(chǎn)率：每升發(fā)酵液每小時(shí)形成的產(chǎn)物量；(總生產(chǎn)率：放罐時(shí)發(fā)酵單位除以總發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)間（包括發(fā)酵周期和總輔助操作時(shí)間）。 經(jīng)濟(jì)因素：以最低的綜合成本來(lái)獲得最大生產(chǎn)能力的時(shí)間為最適發(fā)酵時(shí)間。最大產(chǎn)物量的積累往往并不對(duì)應(yīng)生產(chǎn)能力最大，在產(chǎn)率降低時(shí)放罐，意味著單位電能和冷卻水對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量下跌，因此降低了成本。 產(chǎn)品質(zhì)量因素：發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)后續(xù)產(chǎn)物的質(zhì)量和純化工序有直接的影響。 過(guò)早：尚未代謝的發(fā)酵物（如糖、可溶性蛋白、脂肪等），對(duì)分離純化不利（這些物質(zhì)能增加乳化作用，干擾樹(shù)脂的交換作用）； 過(guò)晚：菌體自

44、溶，釋放的蛋白酶會(huì)顯著改變發(fā)酵液性質(zhì)，甚至降解目的產(chǎn)物的產(chǎn)量，擾亂分離純化作業(yè)計(jì)劃。 臨近放罐時(shí)：加糖、補(bǔ)料或消泡劑要慎重。補(bǔ)料可根據(jù)糖消耗速率計(jì)算到放罐時(shí)允許的殘留量來(lái)控制。判斷發(fā)酵終點(diǎn)考慮的因素 生化指標(biāo)：產(chǎn)物濃度、氨基酸、菌體形態(tài)、pH、培養(yǎng)液外觀(guān)、粘度等因素。 菌體自溶的跡象：氨基氮，pH，菌體碎片增多，黏度增大，過(guò)濾速度降低。 發(fā)酵類(lèi)型：對(duì)發(fā)酵及原材料成本占整個(gè)生產(chǎn)成本主要部分的發(fā)酵品種,主要追求提高生產(chǎn)率(kg/m3h)，得率(kg產(chǎn)物/kg基質(zhì))和發(fā)酵系數(shù)(kg產(chǎn)物/罐容積m3發(fā)酵周期h)；下游提取精制成本占主要部分和產(chǎn)品價(jià)格比較貴，除了要求高的產(chǎn)率和發(fā)酵系數(shù)外，還要求高的產(chǎn)物濃

45、度。 特殊因素：異常情況下，如染菌，代謝異常（糖耗緩慢等）時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況適當(dāng)處理。如及時(shí)改變溫度或補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，并適當(dāng)拖后放罐時(shí)間等。本章主要內(nèi)容第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制第二節(jié) 溫度的影響及其控制第三節(jié) pH的影響及控制第四節(jié) 溶氧的影響及控制第五節(jié) 泡沫的影響及控制第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制第八節(jié)第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制發(fā)酵過(guò)程的控制第八節(jié)第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制發(fā)酵過(guò)程的控制 作為生產(chǎn)企業(yè)，追求低投入、高產(chǎn)出低投入、高產(chǎn)出是其所追求的永恒目標(biāo)，這就要求尋求生化反應(yīng)系統(tǒng)的最優(yōu)化，在于通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析找到一種適合生產(chǎn)過(guò)程的最佳參數(shù)。 發(fā)酵系統(tǒng)是一個(gè)多層次的

46、、多輸入多輸出的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的互動(dòng)系統(tǒng)多層次的、多輸入多輸出的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的互動(dòng)系統(tǒng)。宏觀(guān)的信息流、物質(zhì)流和能量流的變化實(shí)際上和微生物的代謝流息息相關(guān)。 當(dāng)生物反應(yīng)器尺寸或操作條件變化時(shí)，發(fā)生的結(jié)果變化不是簡(jiǎn)單的用線(xiàn)性關(guān)系或平均統(tǒng)計(jì)方法所能描述的物質(zhì)狀態(tài)的變化。導(dǎo)致過(guò)程變化的原因除了線(xiàn)性或動(dòng)力學(xué)因素之外，往往還發(fā)生在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性的突變的突變。 因此，對(duì)發(fā)酵過(guò)程的精確檢測(cè)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和信息技術(shù)控制技術(shù)和信息技術(shù)為主導(dǎo)的計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)酵過(guò)程的控制，以及利用計(jì)算機(jī)提供的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)酵工藝的優(yōu)化是發(fā)酵工業(yè)中的一個(gè)重大的研究領(lǐng)域。 一、發(fā)酵過(guò)程的精確

47、檢測(cè) 二、發(fā)酵過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制 三、工藝控制優(yōu)化 一、發(fā)酵過(guò)程的精確檢測(cè)（一）發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)的參數(shù)（二）發(fā)酵傳感器（一）發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)1、物理參數(shù)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法單位影響溫度鉑電阻 熱敏電阻 qp c*罐壓（0.20.5105Pa）隔膜傳感器壓敏電阻Pa保持正壓，防止染菌O2及CO2的溶解度攪拌轉(zhuǎn)速頻率計(jì)數(shù)器r/minKLa 發(fā)酵液的均勻性攪拌功率（2 4kW/m3）功率計(jì)KWKLa空氣流量浮子流量計(jì)m3h-1KLa孔板差壓計(jì)vvm粘度旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)PasKLa濁度濁度計(jì)%反映單細(xì)胞的生長(zhǎng)料液的流量蠕動(dòng)泵荷重傳感器量筒L h-1S2、化學(xué)參數(shù)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法單位影響及作用pHgL-1菌體和產(chǎn)物合

48、成速度；酶促反應(yīng)的方向基質(zhì)濃度HPLCgL-1菌生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成產(chǎn)物濃度生物傳感器取樣發(fā)酵周期的長(zhǎng)短氧化還原電位氧化還原電位電極mV生長(zhǎng)和生化活性溶氧濃度覆膜氧電極%反應(yīng)異常、發(fā)酵中間控制參數(shù)、設(shè)備供氧能力氣相O2含量順磁氧分析儀Pa反映產(chǎn)生菌的攝氧率氣相CO2含量紅外氣體分析儀%反映產(chǎn)生菌呼吸放出的CO23、生物參數(shù)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法影響菌絲形態(tài)取樣顯微鏡觀(guān)察反映菌體發(fā)育階段正常與否菌體濃度濁度法、干重法、離心稱(chēng)濕重法、沉淀測(cè)體積法、顯微計(jì)數(shù)法、平板計(jì)數(shù)法等控制微生物發(fā)酵的重要參數(shù)之一影響菌體的生化反應(yīng)細(xì)胞濃度在線(xiàn)濁度檢測(cè)計(jì)細(xì)胞濃度在線(xiàn)濁度檢測(cè)計(jì)4、間接狀態(tài)參數(shù)（二）（二） 發(fā)酵傳感器發(fā)酵傳感器

49、1 1、發(fā)酵工業(yè)對(duì)傳感器的要求、發(fā)酵工業(yè)對(duì)傳感器的要求由于微生物培養(yǎng)過(guò)程是純培養(yǎng)過(guò)程，無(wú)菌要求高，因此由于微生物培養(yǎng)過(guò)程是純培養(yǎng)過(guò)程，無(wú)菌要求高，因此對(duì)傳感器有特殊要求：對(duì)傳感器有特殊要求：l 插入罐內(nèi)的傳感器必須能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌（材料、插入罐內(nèi)的傳感器必須能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌（材料、數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)）l 傳感器結(jié)構(gòu)不能存在滅菌不透的死角，以防染菌（密傳感器結(jié)構(gòu)不能存在滅菌不透的死角，以防染菌（密封性好）封性好）l 傳感器對(duì)測(cè)量參數(shù)要敏感，且能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（響應(yīng)傳感器對(duì)測(cè)量參數(shù)要敏感，且能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（響應(yīng)快、靈敏）快、靈敏）l 傳感器性能要穩(wěn)定，受氣泡影響小。傳感器性能要穩(wěn)定，受氣泡影響小。2 2

50、、發(fā)酵用傳感器的分類(lèi)、發(fā)酵用傳感器的分類(lèi)（1 1） 按測(cè)量方式分按測(cè)量方式分離線(xiàn)傳感器：離線(xiàn)傳感器：不安裝在發(fā)酵罐內(nèi)，人工取樣不安裝在發(fā)酵罐內(nèi)，人工取樣在線(xiàn)傳感器：在線(xiàn)傳感器：自動(dòng)測(cè)定，流動(dòng)注射分析系統(tǒng)（自動(dòng)測(cè)定，流動(dòng)注射分析系統(tǒng)（FIAFIA），（），（HPLCHPLC）或質(zhì)）或質(zhì)普儀等普儀等原位傳感器：原位傳感器：直接與發(fā)酵液接觸，給出連續(xù)的響應(yīng)信號(hào)，如溫度、壓直接與發(fā)酵液接觸，給出連續(xù)的響應(yīng)信號(hào)，如溫度、壓力、力、pHpH、溶氧等、溶氧等（2 2）按測(cè)量原理分）按測(cè)量原理分力敏元件：力敏元件：包括各種壓敏元件、速度與加速度元件、壓差元件；包括各種壓敏元件、速度與加速度元件、壓差元件；熱敏

51、元件：熱敏元件：包括測(cè)溫元件和測(cè)熱元件；包括測(cè)溫元件和測(cè)熱元件；光敏元件：光敏元件：如光導(dǎo)纖維、光電管等如光導(dǎo)纖維、光電管等電化學(xué)傳感器：電化學(xué)傳感器：以電化學(xué)為基礎(chǔ)，可將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，如以電化學(xué)為基礎(chǔ)，可將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，如pHpH傳感器、溶氧傳感器。傳感器、溶氧傳感器。3 3、發(fā)酵過(guò)程的主要在線(xiàn)傳感器、發(fā)酵過(guò)程的主要在線(xiàn)傳感器（1 1） pH-pH-復(fù)合玻璃電極復(fù)合玻璃電極 原位蒸汽滅菌的復(fù)合傳感器原位蒸汽滅菌的復(fù)合傳感器 包括一只玻璃電極和一只參比電極（與培養(yǎng)基連通）包括一只玻璃電極和一只參比電極（與培養(yǎng)基連通） 裝在加壓護(hù)套內(nèi)裝在加壓護(hù)套內(nèi)（2 2） 溶氧溶氧- -復(fù)膜溶

52、氧探頭復(fù)膜溶氧探頭管狀銀陽(yáng)極、鉑絲陰極、氯化銀電解液和極化電源組成的管狀銀陽(yáng)極、鉑絲陰極、氯化銀電解液和極化電源組成的極譜型極譜型原理：原理：產(chǎn)生的電流正比于通過(guò)膜擴(kuò)散入探頭的氧量產(chǎn)生的電流正比于通過(guò)膜擴(kuò)散入探頭的氧量陰極還原陰極還原: O2+2H2O+4e-4OH-陽(yáng)極氧化陽(yáng)極氧化: 4Ag+4Cl-4Ag+4Cl-+4e-總反應(yīng)總反應(yīng): O2+2H2O+4Ag+4Cl-4OH-+4AgCl（3 3） 氧化還原電位氧化還原電位測(cè)定發(fā)酵液中氧化劑（電子供體）和還原劑（電子受體）之間平衡測(cè)定發(fā)酵液中氧化劑（電子供體）和還原劑（電子受體）之間平衡的信息的信息用一種由用一種由PtPt電極和電極和Ag

53、/AgClAg/AgCl參比電極組成的復(fù)合電極與具有參比電極組成的復(fù)合電極與具有mVmV讀數(shù)的讀數(shù)的pHpH計(jì)連接計(jì)連接原理：原理：氧化還原電位隨發(fā)酵液中氧化成份和還原成份之比的對(duì)數(shù)而氧化還原電位隨發(fā)酵液中氧化成份和還原成份之比的對(duì)數(shù)而變化，與變化，與pHpH呈線(xiàn)性關(guān)系，受溫度和溶氧壓的影響呈線(xiàn)性關(guān)系，受溫度和溶氧壓的影響發(fā)酵液中溶氧壓很低時(shí)，超出溶氧探頭的極限，氧化還原電位可彌發(fā)酵液中溶氧壓很低時(shí)，超出溶氧探頭的極限，氧化還原電位可彌補(bǔ)這一點(diǎn)補(bǔ)這一點(diǎn)（4 4） 溶溶COCO2 2-CO-CO2 2探頭探頭較高的分壓抑制微生物生長(zhǎng)并降低次級(jí)代謝產(chǎn)物的量較高的分壓抑制微生物生長(zhǎng)并降低次級(jí)代謝產(chǎn)物

54、的量由一支由一支pHpH探頭浸入被可穿透探頭浸入被可穿透COCO2 2的膜包裹的碳酸氫鹽緩沖液中的膜包裹的碳酸氫鹽緩沖液中緩沖液與被測(cè)發(fā)酵液中的緩沖液與被測(cè)發(fā)酵液中的COCO2 2分壓保持平衡，緩沖液的分壓保持平衡，緩沖液的pHpH可間接表示可間接表示發(fā)酵液中的發(fā)酵液中的COCO2 2分壓分壓4 4、發(fā)酵檢測(cè)用新型傳感器、發(fā)酵檢測(cè)用新型傳感器對(duì)生物反應(yīng)中重要的參數(shù)如生物量、基質(zhì)和產(chǎn)物濃度的信息對(duì)生物反應(yīng)中重要的參數(shù)如生物量、基質(zhì)和產(chǎn)物濃度的信息（1 1） 離子選擇電極離子選擇電極是對(duì)某種離子呈特異性反應(yīng)的電化學(xué)傳感器是對(duì)某種離子呈特異性反應(yīng)的電化學(xué)傳感器由離子選擇膜、連通介質(zhì)和參比電極組成由離

55、子選擇膜、連通介質(zhì)和參比電極組成靈敏度高（靈敏度高（ppmppm），但不能蒸汽滅菌），但不能蒸汽滅菌（2 2） 生物傳感器生物傳感器將生物學(xué)敏感材料固定化的傳感器，將生物信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)將生物學(xué)敏感材料固定化的傳感器，將生物信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)生物學(xué)元件：生物學(xué)元件：由單酶、多酶體系、抗體、細(xì)胞器、細(xì)菌、動(dòng)植物細(xì)由單酶、多酶體系、抗體、細(xì)胞器、細(xì)菌、動(dòng)植物細(xì)胞或組織等生物材料通過(guò)表面共價(jià)結(jié)合、物理吸附、包埋而固定胞或組織等生物材料通過(guò)表面共價(jià)結(jié)合、物理吸附、包埋而固定轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：電位計(jì)、安培計(jì)、量熱計(jì)、光度計(jì)電位計(jì)、安培計(jì)、量熱計(jì)、光度計(jì)信號(hào)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)信號(hào)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)代表性生物傳感器轉(zhuǎn)換

56、器類(lèi)型轉(zhuǎn)換器類(lèi)型檢測(cè)對(duì)象檢測(cè)對(duì)象生物學(xué)元件生物學(xué)元件檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)信號(hào)安培計(jì)安培計(jì)葡萄糖葡萄糖葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶H H2 2O O2 2酒精酒精乙醇氧化酶乙醇氧化酶H H2 2O O2 2乳酸乳酸乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶NADHNADH葡萄糖葡萄糖Pseudo. FluorescensPseudo. FluorescensO O2 2AMPAMPAMPAMP脫氫酶脫氫酶O O2 2電位計(jì)電位計(jì)尿素尿素脲酶脲酶NHNH4 4+ +GluGluE.coliE.coliCOCO2 2青霉素青霉素青霉素酶青霉素酶H H+ +熱敏電阻熱敏電阻VcVc抗壞血酸氧化酶抗壞血酸氧化酶熱量熱量乙醇乙醇醇氧化酶醇

57、氧化酶熱量熱量二、發(fā)酵過(guò)程計(jì)算機(jī)控制傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)的工藝管理和控制多數(shù)采用人工操作的方式，嚴(yán)重地影響和制約了工藝水平和管理水平的提高，并導(dǎo)致生產(chǎn)不穩(wěn)定、發(fā)酵轉(zhuǎn)化率低、能耗大、高成本等問(wèn)題。20世紀(jì)60年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)，不僅解決了上述問(wèn)題而且還能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，因此極大地推進(jìn)了發(fā)酵工業(yè)的革新和發(fā)展。并且，隨著大型計(jì)算機(jī)造價(jià)的降低和微型計(jì)算機(jī)使用的普及，生物傳感器技術(shù)的發(fā)展，發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型研究的完善，使得越來(lái)越多的發(fā)酵工業(yè)過(guò)程和產(chǎn)品采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于抗生素、啤酒、谷氨酸及酶制劑等眾多與工農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥生產(chǎn)密切相關(guān)的產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)。（

58、一）計(jì)算機(jī)在發(fā)酵過(guò)程中的主要功能（引自王高平等：發(fā)酵過(guò)程的計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)和控制）過(guò)程數(shù)據(jù)的分析過(guò)程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)過(guò)程控制（二）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其功能1、計(jì)算機(jī)發(fā)酵過(guò)程控制系統(tǒng)的組成2、發(fā)酵過(guò)程控制的三個(gè)層次（1）第一級(jí)水平的控制包括閥、泵的開(kāi)關(guān)、儀表的重新校對(duì)、在線(xiàn)維持及故障切斷過(guò)程等順序操作，發(fā)酵過(guò)程中的滅菌及培養(yǎng)基分批作業(yè)屬于這一級(jí)水平的控制。此級(jí)控制通常較為簡(jiǎn)單，僅通過(guò)計(jì)算機(jī)傳感器控制即可完成。（2）第二級(jí)水平由各種控制回路與控制系統(tǒng)相連，使溫度、pH、泡沫、溶解氧等參數(shù)維持在某一特定值。 這一級(jí)控制又包含三種常用的控制系統(tǒng)： 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（direct digital control system, DDC） 計(jì)算機(jī)設(shè)定值控制系統(tǒng)（set po