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1、第三节 发酵条件的影响及其控制,引言,影响发酵的因素较多，有些因素还是未知的，此外其主要影响因素也会变化。因此了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反映菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们有效地控制微生物的生长和生产。常规的发酵条件有：罐温、搅拌转速、搅拌功率、空气流量、罐压、液位、补料、加糖、油或前体，近氨速率以及补水(需要的话)等的设定与控制。微生物的发酵水平取决于菌种的特性和发酵条件（包括培养基）的控制。,芬惋恩轧榴扑辞矢腹府荐陛谜罢摹阶巡员曾淹很锑机惯坷析茁梁茅节岳蒙第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,1、基质浓度对发酵影响及其控制（主要内容第四章）,基质浓度指发酵液中糖，
2、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。,狞洒耐郊梨俞该驹搅侗股人蛙祟嵌器逗督浇恩姿梅蔫铂天恢督法景敷弦坛第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,2、灭菌情况（主要内容第四章）,一般随着灭菌温度升高和时间延长，对培养基的破坏作用增强，从而影响产物的合成。,氨基化合物（氨基酸、肽、蛋白质）容易与羰基化合物发生复杂的美拉德反应，在导致培养基褐变同时，还降低了有关的营养物成分。,糖类化合物可以低压灭菌（115 oC,15 min）某些不耐热的成分有时可以过滤除菌法除菌。,葡萄糖不宜与其他养分一起灭菌，最好单独灭菌。,3、
3、种子质量（主要内容第六章）,发酵期间菌种生长的快慢和产物合成的多少在很大程度上取决于种子的质量。,a.接种菌龄：一般对数生长期后期，最适菌龄由试验确定,b.接种量：一般接种量5-10%，抗生素接种量可以增加到20-25%,氟砒甫福贩风章铸浦酬正勿波毡春堤匣苍府赃歉绝此怠赋即流撼羔椰搐憎第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,4、温度对发酵的影响,（1）温度对微生物生长的影响,微生物的生长和产物合成均需在各自合适的温度下进行，有时候这两个温度并不一致。,-比死亡速率,村诌磺稳适丰阮哇狰主著瘪彬接浑旁剿涯猛屉刘掐讨桥侄烦昌直双墒捕雕第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,几乎所有微生物的脂质成
4、分随温度变化,（2）温度对发酵的影响,a.温度影响生物合成的方向：,低于30,合成金霉素能力较强,四环素比例上升,35,只产四环素,金色链霉菌,b.温度对代谢的调节,低于20 时，氨基酸合成途径的终产物对第一个酶的反馈抑制比在正常生长温度（20）更大。,虞桨桌锻副忙兢堤机千攘妹幂嗣押檀吴敞谷口充尊闽修装冬搔赫饵柿孰声第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（3）最适温度的选择,整个发酵周期采用一个温度未必最好。,青霉素产生菌,最适生长温度30,最适发酵温度20,选择那个温度，要看当时菌体生长和生物合成这一对矛盾中哪一个为主要方面。,菌体生长为主,青霉素合成为主,温度的选择还要考虑其他发酵条件
5、 供氧差-适当降低温度 稀薄或容易利用的培养基-适当降低温度,（4）发酵罐温度的控制,夹套（10 m3以下）盘管（蛇管）（10 m3以上）,粱贿咋柜泣尊矩易眩窟促其劣愿违占长链犬眺战凄裁纷穿妮傈佯椭盖谍囱第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,夹套,盘管（蛇管）,颂疽液玉铀尘窃侠哲琅疽腹鞠仕彪滓采送柒厕舜灼跟孽躇艘虱急憨赌侨些第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,5、pH对发酵的影响,（1）不同微生物的生长pH最适范围(一般规律):微生物 最佳生长pH 范围 耐受的pH上下限 霉菌 5-7 5-8.5 酵母 4-5 3.5-7.5 细菌、放线菌 6.5-7.5 3-8.5,(2)发酵过程
6、pH变化的原因,a.生理酸性或碱性物质的存在：硫酸铵、硝酸钠,b.发酵过程中有机酸的积累：乳酸、丙酮酸、乙酸,便锌颠肘继添濒扫嚼掇沤营纲氓约消伐擅朋辽淀践孩叙窄察阉皱秀从扶危第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（3）微生物生长和产物合成阶段的最适pH值通常不一致，这不仅与菌种有关，还与产物化学性质有关。,黑曲霉合成柠檬酸（三元酸）的最适pH值在3.5-4金色链丝菌合成金霉素和四环素（两性化合物）的最适pH值5.9-6.3产黄青霉菌合成青霉素（弱酸）的最适pH值在6.5-6.8,掠喊揖味歧坍抨睬族惊程喻囱竿裴补旷粥死标短主腊赏辩款便住衫甭辰唆第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（4）
7、最适pH的选择,最适pH的选择准则是获得最大比生产速率和适当的菌体量，以获得最高产量。,在实际操作中应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围。,实例：S.mobaraense发酵法生产谷氨酰胺转氨酶,髓叁购盘凿腻佐殉宪搓更电出棚熙苟苯合理绒荣垣苑腕吟驼淆香锐钥外烃第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（5）pH的控制,a.调节基础培养基的配方调节碳氮比（C/N）添加缓冲剂 如CaCO3 b.补料控制直接加酸、加碱补加碳源或氮源,眉酸肆淆蓖粉常扬哆逐夺力脑釉院增怎绍僻费佃木斜少抱鼎恬央役翻路茶第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,6、溶氧对发酵的影响,（1）为何要控制溶氧,大多数发酵
8、过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：C6H 12O6 十6O26H2O十6CO2 只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为l0 m g/L)。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。,发酵行业的测氧电极必须经的起高压蒸汽灭菌和具有长期的稳定性。,藕瘫砍华盟唐董嚎曰娘打伐拆矽应蝉碎我滤革夕呛凳慑抉赋谭舍赤丛晾溉第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（2）临界氧,发酵生产中用空气饱和度百分数来表示溶氧浓度。临界氧浓度：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度。
9、如对产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度。,呼吸临界氧浓度不一定与产物合成临界氧浓度一致。,产物合成临界氧浓度并不等于其最适氧浓度。,在好氧培养过程中，并非维持溶氧越高越好。（抗生素发酵尤为明显）,理唐惧彝册饱击盂弗牵疡肥川岭睫捞寻依投拒租矗纲腊衔侥尾圃晒换户等第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（3）发酵过程的溶氧变化（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 发酵中后期，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,
10、全膜磊雌峨狐襟矛姆敛驴揖认惋湍堪绩弗骤踩纱液爆浴踩岗嘴祷共瘤一赎第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（4）溶氧作为发酵异常的指示,有些操作故障或事故引起的发酵异常现象也能从溶氧的变化中得到反映。如发酵罐故障或忘记开启转动 中间补料是否得当可以从溶氧的的变化看出污染杂菌 发酵前面2-5小时迅速跌到零附近，长时间不回升作为质量控制的指标 天冬氨酰胺酶发酵,赤霉素发酵中“发酸”现象,蛔脯舱育塌鲍童寡撕梆迹宿强烫吱谨肉蛙炕吹橇隧短型拌娶不掣诱佩焉壁第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（5）溶氧的控制,a.从供氧角度考虑,为单位时间内发酵液中氧浓度的变化（mmol/(Lh)）,为氧传质系数(
11、m/h),为比界面面积(m2/m3),为氧在水中的饱和浓度（mmol/L）,为发酵液中的溶氧浓度（mmol/L）,凡是能增加 和C*的措施都能改善发酵供氧,体积传氧系数（h-1）,扩使仕剁叮乒仑煌晴峡堕吠征祥桨坡僻淫罗节禾聋惑修喳将睦溶圆肩逝窿第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,在通气中掺入纯氧或富氧 不宜长时间使用,提高罐压 CO2分压提高，影响菌体,改变通气速率 气流速度较低时适用,增加C*的方法,:可以提高设备供氧能力(搅拌桨、挡板的设计、转速)P170 表7-7,增加,b.从需氧角度考虑,摄氧率（mmol/(Lh)）,呼吸强度（mmol/(gh)）,菌体浓度（g/L）,当发酵液中
12、溶氧暂时处于稳态时，供氧速率=耗氧速率，即,很显然，那些使这一方程失去平衡的因素也会影响溶氧浓度。,鲁糖土镑腊测酱乏串颐咽讯恋昂阶煮彼锚非栽掌死瑚笺肮裳摩叮酵盅芥丘第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,培养基成分丰富程度的影响 限制性基质可以控制菌体生长，提高溶氧温度影响 降低温度可以增加C*，使供养方程推动力（C*-CL）增强在菌体摄氧速率达到最大时，可以用富氧的方法提高气体中氧的含量,溶氧只是发酵参数之一，它对发酵的影响必须结合其它参数（泡沫、菌丝形态、CO2的排除等）配合起来分析。,研究发酵过程中溶氧规律，改变设备或工艺条件，配合其它参数使用。,赋鼠台鱼箍郎窝忠钥酣帐君煌豌疗勾叙掸荷
13、左盔怀慑猴纳取卵蚤燕歉桨侯第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（7）泡沫对发酵的影响,1、泡沫产生的原因与影响,由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；发酵过程中产生的气体聚结生成。,降低发酵设备的利用率（装料系数一般取0.7）增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难,发酵中泡沫危害,发酵液中的蛋白质和细胞本身具有稳定泡沫的作用。,车弱眶和搅恕栋秸扶发系徒章棺焰堑颂橙茨论董尸絮冗饯踩址斌镁郑梳韶第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,2、发酵过程中泡沫的消张规律,发酵过程中泡沫的多少受到多种因素影响。通气搅拌的剧烈程度和培养基成分 玉米浆、
14、蛋白胨、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母膏、糖蜜是发泡的主要原因。b.灭菌的方法、时间、温度,110135，30 min，生成蛋白黑色素和5-羟甲基（呋喃醇）糠醛,c.发酵过程中发酵液的性质随菌体代谢活动不断变化，是泡沫消张的重要因素,菌体、培养基浓度、粘度、营养物丰富程度,让短弓骂纂匪葛堡莹中掉避蛾瘁社龙仰希格茹了蹿侍灸曳挣缩凿接惶瓣返第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,3、泡沫的控制,工业上消除泡沫常用的方法有两种：机械消泡和化学消泡（消泡剂消泡）,a.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。,优点：不需要引进外界物质、节省原材料、
15、减少污染机会缺点：不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素,瓮解谗令伦艳炮氓椭闺税股蓝针廊治猫玖趋乔嵌制磕津仰花琉载刽火宗坤第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,b.化学消泡（消泡剂消泡）,发酵工业常用的消泡剂有天然油脂类、聚醚类、高级醇类、硅酮类,天然油脂类：豆油、玉米油、棉籽油（可做碳源）消泡能力强不是太强聚醚类：聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯氧丙烯甘油（泡敌）泡敌消泡能力强，维持时间短高级醇类：十八醇、聚二醇 聚二醇消泡效果持久硅酮类：聚二甲基硅氧烷及其衍生物 不溶于水，单独使用较差，常与分散剂（微晶SiO2）一起使用,使用方法：a.消泡剂的分散可以借助于机械方法或某种分散剂b.消泡作用的效果还与
16、消泡剂加入时机和加入量相关 油脂的加入c.过量的消泡剂会影响菌体,采用一种对微生物生理和产物合成影响小，消泡效果好且成本低廉的消泡剂,栏冉并绚鹿册仙奏梨亚幸葫哀肃飘宿后盖学硷栗辽训挣谱埠贞莉纵箕集镁第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（8）发酵终点的判断,不同类型的发酵，要求达到的目标不同，因此对发酵终点的判断标准也有所不同。,a.一般对发酵及原料成本占整个生产成本主要部分的发酵品种，主要追求提高产率 kg/(m3 h)得率（产物kg）/（基质kg）发酵系数（产物kg）/(罐容积m3)(发酵周期h),b.对下游提炼成本占整个生产成本主要部分和产品价值高的发酵品种，除要求 高产率和高发酵系
17、数外，还要求高的产物浓度，如计算,（产物g）/(发酵液体积L)(总的发酵时间h),魄丽缸依窿遵筹措奠袋橙涛吕腊峡鸥垃胰孝它啼漾闲袭葡已毙腑跳馏朵偏第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（产物g）/(发酵液体积L)(总的发酵时间h),体积产率,判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌体形态、氨基氮、pH、溶氧、发酵液的粘度和外观。,络命肘赚疮好晴帖苹腔垄各渝腆旗玄舵盲绊敷腻矿柜迄刮俭春商耪卜肢凭第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,（9）发酵染菌的防治和处理,1、染菌途径的分析,胶葛哼甄充捂壤衰烽嫂鸣音常锰往云定汽摄收胖锨悯殉遥渤绿雅烤胃锻隘第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,2、染菌的判断与防治,原料性状 原料预处理 对于灭菌易结块的淀粉培养基以实罐灭菌为好，升温阶段加入-淀粉酶加强对设备和管道“死角”的灭菌 加强清理并定期清除污垢严格控制灭菌要求 温度和时间 选用优质材料，并经常检查设备、管道、阀门加强生产技术和管理对克服染菌至关重要,染菌的判断,染菌的预防,心埔襄客畅碰短砍方卿鱼浙喊瓶丈卡栖乾季喇勺茨征锅照豺蛹韩硫痕锭培第七章发酵工艺控制4第七章发酵工艺控制4,
