第五章-發(fā)酵過程控制

發(fā)酵過程控制第五章本章講述內(nèi)容發(fā)酵過程代謝變化規(guī)律發(fā)酵條件的影響及其控制第一節(jié)發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律發(fā)酵過程即細(xì)胞的生物反應(yīng)過程，是指由生長(zhǎng)繁殖的細(xì)胞所引起的生物反應(yīng)過程。它不僅包括了以往“發(fā)酵”的全部領(lǐng)域，而且還包括固定化細(xì)胞的反應(yīng)過程、生物法廢水處理過程和細(xì)菌采礦等過程。為什么要研究發(fā)酵過程了解有關(guān)生產(chǎn)菌種對(duì)環(huán)境條件的要求，并深入地了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過程中的代謝調(diào)控機(jī)制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計(jì)合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)。為了掌握菌種在發(fā)酵過程中的代謝變化規(guī)律，通過各種監(jiān)測(cè)手段掌握各參數(shù)變化情況，并予以有效地控制，使生產(chǎn)菌種處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境之中。代謝變化就是反映發(fā)酵過程中菌體的生長(zhǎng)，發(fā)酵參數(shù)（培養(yǎng)基，培養(yǎng)條件等）和產(chǎn)物形成速率三者間的關(guān)系。了解生產(chǎn)菌種在具有合適的培養(yǎng)基、pH、溫度和通氣攪拌等環(huán)境條件下對(duì)基質(zhì)的利用、細(xì)胞的生長(zhǎng)以及產(chǎn)物合成的代謝變化，有利于人們對(duì)生產(chǎn)的控制。代謝曲線代謝變化是反映發(fā)酵過程中菌體的生長(zhǎng)，發(fā)酵參數(shù)（培養(yǎng)基，培養(yǎng)條件等）和產(chǎn)物形成速率三者間的關(guān)系。把它們隨時(shí)間變化的過程繪制成圖，就成為所說的代謝曲線?！霭l(fā)酵過程按進(jìn)行過程有三種方式：分批發(fā)酵(Batchfermentation)補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batchfermentation)連續(xù)發(fā)酵(Continuousfermentation)這節(jié)介紹分批發(fā)酵、補(bǔ)料分批發(fā)酵及連續(xù)發(fā)酵三種類型的操作方式下的代謝特征。1、分批發(fā)酵的定義是指在一封閉系統(tǒng)內(nèi)含有初始限量基質(zhì)的發(fā)酵方式。在這一過程中，除了氧氣、消泡劑及控制pH的酸或堿外，不再加入任何其它物質(zhì)。發(fā)酵過程中培養(yǎng)基成分減少，微生物得到繁殖。一、分批發(fā)酵2、分批發(fā)酵的特點(diǎn)微生物所處的環(huán)境在發(fā)酵過程中不斷變化，其物理，化學(xué)和生物參數(shù)都隨時(shí)間而變化，是一個(gè)不穩(wěn)定的過程。優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單；操作引起染菌的概率低。不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問題缺點(diǎn)非生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)、設(shè)備利用率低。3、分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)4、分批發(fā)酵的生長(zhǎng)曲線單細(xì)胞微生物絲狀真菌和放線菌5、分批發(fā)酵的類型Gaden'sfermentationclassification（按照菌體生長(zhǎng)，碳源利用和產(chǎn)物生成的變化）生長(zhǎng)偶聯(lián)型部分生長(zhǎng)偶聯(lián)型非生長(zhǎng)偶聯(lián)型■分批發(fā)酵的分類對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義從上述分批發(fā)酵類型可以分析：如果生產(chǎn)的產(chǎn)品是生長(zhǎng)偶聯(lián)型（如菌體與初級(jí)代謝產(chǎn)物），則宜采用有利于細(xì)胞生長(zhǎng)的培養(yǎng)條件，延長(zhǎng)與產(chǎn)物合成有關(guān)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期；如果產(chǎn)品是非生長(zhǎng)偶聯(lián)型（如次級(jí)代謝產(chǎn)物），則宜縮短對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，并迅速獲得足夠量的菌體細(xì)胞后延長(zhǎng)平衡期，以提高產(chǎn)量?！龅湫偷姆峙l(fā)酵工藝流程二、補(bǔ)料分批發(fā)酵1、定義

補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵或流加分批發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方式。2、補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度；和連續(xù)發(fā)酵比、不需要嚴(yán)格的無菌條件；不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問題。缺點(diǎn)存在一定的非生產(chǎn)時(shí)間；和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險(xiǎn)。3、補(bǔ)料分批發(fā)酵的類型補(bǔ)料方式連續(xù)流加不連續(xù)流加多周期流加補(bǔ)料成分單一組分流加多組分流加控制方式反饋控制無反饋控制四、連續(xù)發(fā)酵1、定義

培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時(shí)放出含有產(chǎn)品的相同體積發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態(tài)（恒定的基質(zhì)濃度、恒定的產(chǎn)物濃度、恒定的pH、恒定菌體濃度、恒定的比生長(zhǎng)速率）下生長(zhǎng)的發(fā)酵方式。2、連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)能維持低基質(zhì)濃度；可以提高設(shè)備利用率和單位時(shí)間的產(chǎn)量；便于自動(dòng)控制。缺點(diǎn)菌種發(fā)生變異的可能性較大；要求嚴(yán)格的無菌條件。3、連續(xù)發(fā)酵的類型恒化培養(yǎng)使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定恒濁培養(yǎng)使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定4、連續(xù)發(fā)酵的代謝曲線從分批培養(yǎng)出發(fā)，無論在哪個(gè)時(shí)候開始加入新鮮培養(yǎng)基過渡到連續(xù)操作，達(dá)到一定的菌體濃度及限制基質(zhì)濃度則培養(yǎng)系統(tǒng)一定能成為穩(wěn)定狀態(tài)。第二節(jié)發(fā)酵條件的影響及其控制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(dòng)得以最充分的表達(dá)。一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及控制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)熱輻射熱發(fā)酵熱發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。

Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射生物熱：生物熱是生產(chǎn)菌在生長(zhǎng)繁殖時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。培養(yǎng)基中碳水化合物，脂肪，蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO2、NH3時(shí)釋放出的大量能量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代謝活動(dòng)熱能散發(fā)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(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抗生素高產(chǎn)量批號(hào)的生物熱高于低產(chǎn)量批號(hào)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(duì)活性為12、抗生素相對(duì)活性為0.5發(fā)酵過程中生物熱的變化攪拌熱：通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動(dòng)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）蒸發(fā)熱：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。空氣進(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(huì)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）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%。發(fā)酵熱的測(cè)定（1）通過測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度，由下式求得這段時(shí)間內(nèi)的發(fā)酵熱。（2）通過罐溫的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自控裝置測(cè)得溫度隨時(shí)間上升的速率S，按下式可求得發(fā)酵熱：影響各種酶的反應(yīng)速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)影響生物合成的方向。例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時(shí)能產(chǎn)生金霉素。在低于30℃溫度下，該菌種合成金霉素能力較強(qiáng)。當(dāng)溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度達(dá)35℃則只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停止。2，溫度對(duì)發(fā)酵的影響發(fā)酵過程，微生物生長(zhǎng)速率變化

dX/dt=μX-αXμ:比生長(zhǎng)速率

α：比死亡速率當(dāng)處于生長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，μ>>α,α可忽略。

μ與α與溫度有關(guān)根據(jù)Arrenhnius公式

μ=Ae-E/RT

α=A’e-E’/RT

通常E’大于E，所以α比μ對(duì)溫度變化更為敏感。

例：青霉菌生產(chǎn)青霉素青霉菌生長(zhǎng)活化能E=34kJ/mol

青霉素合成活化能E=112kJ/mol

青霉素合成速率對(duì)溫度較敏感，溫度控制相當(dāng)重要。最適溫度是一種相對(duì)概念，是指在該溫度下最適于菌的生長(zhǎng)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(zhǎng)階段有關(guān)。最適發(fā)酵溫度的選擇在發(fā)酵的整個(gè)周期內(nèi)僅選一個(gè)最適培養(yǎng)溫度不一定好。溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件。溫度的選擇還應(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度3，最適溫度的確定發(fā)酵罐：夾套（10M3以下）

盤管（蛇管）（10M3以上）4，溫度的控制二、pH對(duì)發(fā)酵的影響及控制發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的pH值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動(dòng)的綜合指標(biāo)，是一項(xiàng)重要的發(fā)酵參數(shù)。它對(duì)菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)品的積累有很大的影響。因此，必須掌握發(fā)酵過程中pH的變化規(guī)律，及時(shí)監(jiān)測(cè)并加以控制，使它處于最佳的狀態(tài)。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(zhǎng)，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生長(zhǎng)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。1，pH值對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物合成的影響pH影響酶的活性pH影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)pH影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的解離pH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2，發(fā)酵過程中pH的變化生長(zhǎng)階段生成階段自溶階段碳源過量消泡油添加過量生理酸性物質(zhì)的存在3，引起pH下降的因素氮源過多生理堿性物質(zhì)的存在中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過多4，引起pH上升的因素原則：有利于菌體生長(zhǎng)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。5，最適pH的選擇最適pH與微生物生長(zhǎng)，產(chǎn)物形成之間相互關(guān)系有四種類型：菌體比生長(zhǎng)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(duì)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(duì)pH都很敏感，并有各自的最適pH（難度最大）；調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方調(diào)節(jié)碳氮比（C/N）添加緩沖劑補(bǔ)料控制直接加酸加堿補(bǔ)加碳源或氮源6，pH的控制大多數(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(duì)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。三、氧對(duì)發(fā)酵的影響1，發(fā)酵過程中氧的需求盡管考慮了呼吸的化學(xué)計(jì)量而使供氧問題得以正確評(píng)價(jià)，但由于未曾將轉(zhuǎn)化為生物物質(zhì)的碳加以考慮而使菌體的真實(shí)需氧情況難以表明。許多研究工作者已經(jīng)考慮到氧、碳源、氮源轉(zhuǎn)化為生物物質(zhì)的總化學(xué)計(jì)量關(guān)系，并利用這樣的關(guān)系來預(yù)測(cè)發(fā)酵的需氧情況。從這些測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)菌體的需氧似乎完全取決于培養(yǎng)基中的碳源。

Darlington(1964)以C3.92H6.5O1.94來表述100克酵母菌體(干重)的組分，并對(duì)由碳?xì)浠衔锖吞妓衔锷a(chǎn)酵母推導(dǎo)得到如下方程式：

根據(jù)Darlington方程式，可知同樣生100g菌體，用碳?xì)浠衔锼璧难跫s為用碳水化合物生產(chǎn)時(shí)的3倍。

Johnson(1964)得出如下方程：

A為燃燒1g底物成CO2、H2O和NH3（如底物中有氮存在）所需氧的量，此值易于計(jì)算獲得；B為燃燒1g菌體成CO2、H2O和NH3所需氧的量，如果菌體組分已知的話，則也可計(jì)算獲得。C為生產(chǎn)1克菌體所需氧的量；Y為1克底物轉(zhuǎn)化成菌體的克數(shù)。

因此，A/Y為燃燒生成1g菌體的底物所需的氧，而B為燃燒菌體所需氧的量；它們之間的差為C，即為轉(zhuǎn)化底物成菌體所需氧的量。

將Johnson方程式應(yīng)用于利用葡萄糖和烷烴生產(chǎn)酵母的下列方程式為：

如果對(duì)葡萄糖來說Y值取50％，而對(duì)烷烴來說Y值取100％；則：C對(duì)葡萄糖＝24.95mmol氧/g菌體；

C對(duì)烷烴＝65.4mmol氧/g菌體；

Mateles(1971)推導(dǎo)得一種碳源與需氧間關(guān)系的方程式，他假定代謝產(chǎn)物僅為菌體、CO2、H2O；以及菌體的正常組分C為53％、N為12％、O為19%、H為7％，則

Mateles利用此關(guān)系式對(duì)許多菌體利用各種基質(zhì)所需的氧進(jìn)行了計(jì)算

基質(zhì)微生物g氧/g干菌體葡萄糖大腸桿菌0.4甲醇假單孢菌C1.2辛烷假單孢菌1.7生長(zhǎng)于不同基質(zhì)上的不同微生物的需氧要求上述方程式與生物物質(zhì)的形成有關(guān)，并假定微生物除產(chǎn)生水、二氧化碳外，無其它產(chǎn)物形成。因此，這些方程僅能適用于菌體生產(chǎn)過程中預(yù)測(cè)氧的要求，而對(duì)菌體能形成其它產(chǎn)物的過程則需要加以修正。例如Cooney(1979)建議用下列方程式計(jì)算青霉素發(fā)酵：

但是，由于菌體的代謝是受發(fā)酵液中的溶氧濃度的影響，故簡(jiǎn)單地依據(jù)總需求來供氧是欠妥的。溶氧濃度對(duì)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(duì)發(fā)酵液中溶解氧濃度的最低要求。DissolvedOxygenConcentrationQO2Ccritical■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240.0222、溶氧對(duì)發(fā)酵的影響由此可知，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。但是，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。因此，由氧饑餓而引起的細(xì)胞代謝干擾，可能對(duì)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(duì)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(zhǎng)的最佳通氣條件。

根據(jù)需氧不同，可將初級(jí)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）■實(shí)例一在對(duì)黃色短桿菌(Brevibacterium

flavum)生物合成氨基酸進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，溶氧濃度對(duì)相關(guān)的氨基酸的生物合成具有很大的影響。研究表明：菌體的臨界溶氧濃度為0.01mg/L；并根據(jù)“安全”的程度予以考慮供氧的程度，也即把菌體的呼吸率作為最大呼吸率的一個(gè)組成部分。因此，氧安全值低于最大呼吸率就意味著其溶氧濃度低于臨界值。當(dāng)溶氧濃度低于1.0時(shí)，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影響，但苯丙氨酸，纈氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧濃度分別為0.55、0.60和0.85。從合成途徑中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸來自于三羧酸循環(huán)(TCA)的中間體，而苯丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸來自于糖酵解的中間體，即來自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸。Feren和Squires(1969)對(duì)頂頭孢霉產(chǎn)生頭孢菌素和卷曲霉素(Capreomycin)的研究即是一個(gè)氧對(duì)次級(jí)代謝影響的例子。他們的研究表明，頭孢菌素產(chǎn)生菌的臨界氧濃度在0~7％的空氣飽和度間；而對(duì)卷曲霉素產(chǎn)生菌則為13~23％。但就抑制抗生素生物合成的溶氧濃度來說，對(duì)頭孢菌素為低于10-20％；而對(duì)卷曲霉素則為8％。因此，在生產(chǎn)頭孢菌素時(shí)，應(yīng)使其溶氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值，而在生產(chǎn)卷曲霉素時(shí)，則應(yīng)使其溶氧濃度低于臨界值。

■實(shí)例二3、發(fā)酵過程的溶氧變化發(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(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會(huì)明顯地上升

4、溶氧的控制調(diào)節(jié)通風(fēng)與攪拌（具體內(nèi)容在通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備中介紹）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(yíng)養(yǎng)成分而控制菌體生長(zhǎng)率和呼吸率。

四、CO2對(duì)發(fā)酵的影響及控制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)。在發(fā)酵過程中，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、CO2對(duì)發(fā)酵的影響CO2對(duì)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(huì)嚴(yán)重抑制酵母的生長(zhǎng)；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(duì)照相比降低20%。CO2對(duì)發(fā)酵也有影響對(duì)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(duì)發(fā)酵抑制。如對(duì)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

CO2及HCO3-主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動(dòng)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(zhǎng)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。2、CO2對(duì)發(fā)酵影響的機(jī)理3、CO2的控制CO2在發(fā)酵液中的濃度變化不像溶解氧那樣有一定的規(guī)律。它的大小受到許多因素的影響，如細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變學(xué)特性、通氣攪拌程度、罐壓大小、設(shè)備規(guī)模等。在發(fā)酵過程中通常通過調(diào)節(jié)通風(fēng)和攪拌來控制。五、發(fā)酵過程中的泡沫及其控制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而彼此不相連通。發(fā)酵過程中所遇到的泡沫，其分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。一類存在于發(fā)酵液的液面上，這類泡沫氣相所占比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辮的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見到的。另一種泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當(dāng)中。這種泡沫分散很細(xì)，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體間沒有明顯的波面界限，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比例由下而上地逐漸增加。2，泡沫的類型由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（通風(fēng)、攪拌）；發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)）。3，泡沫產(chǎn)生的原因降低發(fā)酵設(shè)備的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的機(jī)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物的損失消泡劑會(huì)給后提取工序帶來困難4，泡沫對(duì)發(fā)酵的不利影響通氣與攪拌的強(qiáng)度培養(yǎng)基的配比及原材料組成培養(yǎng)基的破壞程度接種量的大小培養(yǎng)液本身性質(zhì)的變化培養(yǎng)基滅菌的方法和操作染菌5，影響泡沫穩(wěn)定的因素不同攪拌速度和通氣量對(duì)泡沫影響不同濃度蛋白質(zhì)原科的起泡作用滅菌時(shí)間對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

6，發(fā)酵過程泡沫的變化7，發(fā)酵過程泡沫控制的方法物理消沫法化學(xué)消沫法物理消泡法方法罐內(nèi)消沫法：罐外消沫法：原理靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動(dòng)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(huì)缺點(diǎn)不能從根本眾消除引起穩(wěn)定泡沫的因素。化學(xué)消泡法機(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(zhēng)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。選擇消泡劑的依據(jù)對(duì)發(fā)酵過程無毒，對(duì)人、畜無害和不影響酶的生物合成。消泡作用迅速，效果好和持久性能好能耐高壓蒸氣滅菌而不變性，在滅菌溫度下對(duì)設(shè)備無腐蝕性或不形成腐蝕性產(chǎn)物。不影響以后的提取過程。消沫劑的來源多，價(jià)格低，添加裝置簡(jiǎn)單。不干擾分析系統(tǒng)，如溶解氧、pH測(cè)定儀的探頭。最好還能做到不影響氧的傳遞。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(jí)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霉素發(fā)酵的泡沫，效果較好。聚二醇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。六、補(bǔ)料控制1，基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響2，補(bǔ)料控制目的解除基質(zhì)過濃的抑制解除產(chǎn)物的反饋抑制解除葡萄糖分解代謝阻遏效應(yīng)補(bǔ)充微生物能源和碳源的需要。補(bǔ)充菌體所需要的氮源。補(bǔ)充微量元素或無機(jī)鹽。3、補(bǔ)料的內(nèi)容控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在中間補(bǔ)料控制時(shí)，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)和補(bǔ)料速率。

4、補(bǔ)料的原則大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長(zhǎng)限制性基質(zhì)以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)控制流加；以pH、尾氣、溶氧、產(chǎn)物濃度等參數(shù)間接控制流加；以物料平衡方程，通過傳感器在線測(cè)定的一些參數(shù)計(jì)算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加；用傳感器直接測(cè)定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加。5、補(bǔ)料控制的策略6、補(bǔ)料控制參數(shù)的選擇為了有效地進(jìn)行中間補(bǔ)料，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)，以及了解這些參數(shù)與微生物代謝、菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系。采用最優(yōu)的補(bǔ)科程序也是依賴于比生長(zhǎng)曲線形態(tài)、產(chǎn)物生成速率及發(fā)酵的初始條件等情況。因此，欲建立分批補(bǔ)料培養(yǎng)的數(shù)學(xué)模型及選擇最佳控制程序都必須充分了解微生物在發(fā)酵過程中的代謝規(guī)律及對(duì)環(huán)境條件的要求。例如，在谷氨酸發(fā)酵過程中的某階段，生產(chǎn)菌的攝氧率和基質(zhì)消耗速率之間存在著線性關(guān)系。

連續(xù)補(bǔ)料和分批補(bǔ)料發(fā)酵的比較7、補(bǔ)料速率的確定優(yōu)化補(bǔ)料速率也是補(bǔ)料控制中十分重要的一環(huán)，因?yàn)轲B(yǎng)分和前體需要維持適當(dāng)?shù)臐舛?，而它們則以不同的速率被消耗，所以補(bǔ)料速率要根據(jù)微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)等的消耗速率及所設(shè)定的培養(yǎng)液中最低維持濃度而定。例如，用連續(xù)培養(yǎng)方法測(cè)定了在不同比生長(zhǎng)速率下青霉素生產(chǎn)菌產(chǎn)黃青霉的碳、氯、氧、磷、硫和乙酸鹽及菌最適生長(zhǎng)所需的各種基質(zhì)的補(bǔ)料速率。

七、厭氧發(fā)酵工藝要求與控制發(fā)酵工業(yè)中，由于使用微生物不同，其代謝規(guī)律不一樣，因而有的是需氧發(fā)酵，有的是厭氧發(fā)酵，也稱靜置培養(yǎng)。例如：酒精、啤酒、丙酮、丁酵及乳酸等均是屬于厭氣發(fā)酵產(chǎn)品，其發(fā)酵設(shè)備因不需供氧，所以設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡(jiǎn)單。固態(tài)發(fā)酵（如白酒）；液態(tài)發(fā)酵（如酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒）。1、固態(tài)發(fā)酵固態(tài)發(fā)酵主要是一些傳統(tǒng)發(fā)酵工藝。例如生產(chǎn)大曲酒、麩曲酒就是典型的固態(tài)發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵中無菌要求不高，整個(gè)生產(chǎn)過程都是敞口操作。除原料蒸煮過程能起到滅菌作用外，空氣、水、