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1、1,第九章,发酵过程工艺控制,2,本章内容,一、温度对发酵的影响及控制二、pH对发酵过程的影响及控制三、泡沫对发酵的影响及控制四、CO2浓度和呼吸商五、流加补料的控制,3,第一节 温度对发酵的影响及控制,一、温度对微生物细胞生长的影响,4,不同生长阶段的微生物对温度的反应不同 处于停滞期的微生物对温度的影响十分敏感。对于对数生长期的微生物，最适范围内提高培养温度，有利于菌体生长；处于生长后期的微生物，其生长速度一般主要取决于溶解氧，而不是温度。,5,二、温度对发酵代谢产物的影响,1 温度影响产物合成的速率及产量。2 温度能够改变菌体代谢产物的合成方向。3 温度对多组分次级代谢产物的组分比例产生
2、影响。4 温度可以通过改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。,6,三、发酵热,发酵热：发酵过程中所产生的热量,（生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热）,7,生物热（Q生物）：合成高能化合物ATP 合成产物 以热的形式散发,8,搅拌热（Q搅拌）蒸发热（Q蒸发）辐射热（Q辐射）Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射,9,四、最适温度的选择,在发酵的整个周期内仅选一个温度不一定好。因为最适合菌生长的温度不一定适合产物的合成。,例如：青霉素产生菌的最适生长温度是30，而最适于青霉素合成的温度是20。,10,温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握,通气条件,培养基成分和浓度,11,第二节 pH对发酵过程
3、的影响及控制,一、pH对发酵过程的影响,1）pH影响酶的活性,2）pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄。,12,4）pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。,3）影响培养基某些组分和中间产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用。,例如：黑曲霉在pH2-3时，发酵产生柠檬酸，在pH接近中性时，则产生草酸。,13,二、发酵过程中pH的变化及影响因素,生长阶段：pH有上升或下降趋势（相对于接种后起始pH而言）生产阶段：pH趋于稳定自溶阶段：pH上升,14,引起pH下降的因素：（凡是导致酸性物质生成或释放
4、及碱性物质消耗的发酵，其pH都会下降）,1）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大量积累而pH下降。2）消泡油加得过多3）生理酸性物质的存在，氨被利用，pH下降,15,引起pH上升的因素：（凡是导致碱性物质生成或释放，酸性物质消耗的发酵，其pH都会上升）,1）培养基中碳氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放，使pH上升。2）生理碱性物质存在3）中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH上升。,16,三、发酵过程中 pH的调节与控制,1添加碳酸钙法；2氨水流加法；3尿素流加法,17,第三节 泡沫对发酵的影响及控制,不利影响：1 降低了发酵罐的
5、装料系数；2 提高了细菌的非均一性，增加了 污染杂菌的机会。3 引起“逃液”，引起产物的流失；4 消泡剂的加入有时会影响发酵产 量或给下游分离纯化带来麻烦,18,一、泡沫的类型一类存在于发酵液的液面上；一类出现在粘稠的菌丝发酵液当中,19,二、发酵过程中泡沫的形成与变化,影响因素通气、搅拌的强度培养基的配比及原材料组成培养基的灭菌方法和操作条件,例如：糖蜜培养基从110升高到130（皆为30分钟），发泡系数增加一倍,20,三、泡沫的消除 化学消泡 机械消泡,21,1化学消泡,（1）化学消泡机理,1）降低泡沫的机械强度，使泡沫破裂2）降低液膜的表面黏度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂,22,化学
6、消泡的优点来源广泛作用迅速可靠，消泡效率高 不需改造现有设备 容易实现自动控制,23,（2）消泡剂特点,必须是表面活性剂，且具有较低的表面张力，消泡作用 迅速，效率高。对气液界面的散布系数足够大，具有一定的亲水性。在水中的溶解度较小，以保持其持久的消泡或抑泡性能。对发酵过程无毒，对人、畜无害，同时对菌体生长和代谢 无影响，不影响产物的提取和产品质量。不干扰溶解氧、pH等测定仪表使用，最好不影响氧的传递。能耐高压蒸气灭菌而不变性，对设备无腐蚀性影响来源方便，价格便宜。,24,1）天然油脂,常用豆油、玉米油、米糠油（能兼作碳源）,2）聚醚类,3)高级醇类、脂肪酸和酯类,主要是十八醇,4）硅酮类,单
7、独使用效果差，常与分散剂（微晶二氧化硅）一起使用,(3)常用的消泡剂种类,25,（5）消泡剂的应用和增效,A 消泡剂加载体增效B 消泡剂并用增效C 消泡剂乳化增效。,26,2 机械消泡,靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。,27,理想的机械消泡装置：动力小结构简单 坚固耐用 清洗、杀菌容易 维修保养费用少,28,机械消泡方法 罐内消泡：耙式消泡桨、旋转圆板式、气流吸入式、冲击反射板式、碟式及超声波等机械消泡装置。罐外消泡：旋转叶片式、喷雾式、离心式及转向板式等机械消泡装置。,29,第四节 CO2浓度和呼吸商,一、CO2对菌体生长和产物形成的
8、影响CO2对氨基酸、抗生素等产品的发酵具有抑制或刺激作用；CO2对细胞的作用机制：“麻醉”作用工业发酵罐中，罐内的二氧化碳分压是液体深度的函数,30,二、呼吸商和发酵的关系,31,青霉素发酵不同阶段：菌体生长阶段：RQ0.909 维持阶段：RQ=1 生产阶段：RQ=4如果产物的还原性比基质大时，其RQ值就增加；反之，当产物的氧化性比基质大时，RQ值就要减少，其偏离程度决定于单位菌体利用基质形成产物的量。,32,三、CO2浓度的控制二氧化碳浓度的控制根据它对发酵的影响而定。通气搅拌控制二氧化碳浓度；二氧化碳的产生与补料控制有密切关系,33,第五节 流加补料的控制,1.可以解除底物抑制、产物的反馈
9、抑制和分解代谢物阻遏作用；2.避免因一次性投料过多造成细胞大量生长，耗氧过多而造成波谷现象；3.可用作控制细胞质量的手段；4.可作为理论研究的手段，为自动控制和最优化控制提供实验基础；,优点：,34,一、补料的内容和原则,1.补料的内容 补充微生物能源和碳源 补充菌体所需要的氮源 补充微量元素或无机盐 添加前体、诱导剂等,35,2 补料的原则,补料的原则就在于控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展。为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参数，以及了解这些参数与微生物代谢、菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系。,36,二、补糖的控制,补糖时间对四环素发酵单位的影响,补糖时间适当（45h后加）补糖时间过晚（62h开始加）补糖时间过早（20h后加）,37,一般在加糖后初始的阶段，如能维持较高浓度的还原糖含量，对生物合成有利；但高浓度还原糖含量不宜维持过久，否则会导致菌丝大量繁殖，影响产物增加。,
