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1、模块五 发酵工艺控制,一、发酵条件的影响及其控制,1、种子质量,（1）种龄,太年轻：前期生长缓慢，产物开始形成时间推迟，整个发酵周期延长；太老：菌量虽多，但导致生产能力下降，菌体过早自溶。,（2）接种量,较大且合适：缩短生长期，产物合成时间提前；过大：生长过快，黏度增加，导致溶氧不足，影响产物合成。,发酵条件的影响及其控制,2、温度的影响（P161-162）,（1）温度对微生物生长的影响,A.影响微生物的生长繁殖（）；,B.影响碳-能源基质转化为细胞的得率（最适生长温度和产物合成 温度不同）；,C.影响细胞的各种代谢过程（分解代谢和合成代谢）。,发酵条件的影响及其控制,（2）温度对发酵的影响（
2、P163-164）,对产物形成的影响；通过影响酶反应速率直接影响过程的各种反应 速率。,B.改变发酵液的物理性质；使氧溶解度减小，氧传递速率被改变；基 质的传质速率改变，使菌体对基质的分解和吸收变小。,C.影响生物合成的方向。,（3）影响发酵温度的因素：发酵热,生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热。,发酵条件的影响及其控制,（4）最适温度的选择（发酵温度控制）,微生物生长最适温度、产物合成最适温度；考虑的因素：菌种、培养基成分和浓度、菌体生长阶段和培养条件等。,3、pH的影响及控制（P165）,（1）pH影响微生物生长（酶活、基质的利用）；,（2）pH对发酵的影响,产物合成、菌体的形态、细胞膜的电荷
3、状态、合成途径。,发酵条件的影响及其控制,（3）影响发酵pH的因素,培养基的成分；,微生物的代谢特性；,通气量的变化；,菌体自溶；,杂菌污染,发酵条件的影响及其控制,（4）最适pH的选择和调控,生产之前进行生长和产物形成最适pH的研究和试验，掌握发酵过程中 变化的规律；,进行监测；,合理控制；,控制pH在合适范围应首先从基础培养基的配方考虑，然后通过加酸碱 或中间补料来控制。,溶氧的影响及其控制,4、氧的供需及对发酵的影响,（1）微生物对氧的需求（需氧）；,（2）发酵液中氧的供给（供氧）；,（3）影响Kla的因素（供氧的调节）；,（4）与溶氧相关的参数测定；,（5）发酵过程中溶氧监控的意义,微
4、生物对氧的需求,（1）微生物对氧的需求,A.描述微生物需氧的物理量,r=QO2 X（X为菌浓）,摄氧率（r）：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量，mmol O2/（Lh）。,比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的 氧气，mmol O2/（g菌h）。,微生物对氧的需求,QO2,CCr,CL,B.溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响,CCr:临界溶氧浓度，指不影响呼吸或产物合成所允许的最低溶氧浓度。,微生物对氧的需求,r=QO2 X,C.影响需氧（摄氧率r）的因素,菌体浓度X,呼吸强度 QO2：,遗传因素；,发酵液中的溶氧浓度CL；,菌龄；,营养的成分与浓度；,有害物
5、质的积累；,培养条件,反应器中氧的传递,（2）反应器中氧的传递（发酵液中氧的供给）,传递方程：OTR=KLa（CCL）,C与气相中氧分压相平衡的液体中的氧饱和浓度；,CL 发酵液中的溶氧浓度；,微生物对氧的需要速率，应该是为了避免氧成为限制因素而必须满足的供氧速率，即供氧需氧达到平衡。,QO2 X=KLa(CCL),反应器中氧的传递,两种情况：,若供氧速率需氧速率，即,KLa(CCL)r,此时发酵液中的溶氧浓度CL会不断增加趋近于C,若需氧速率供氧速率，即,r KLa(CCL),则 CL会不断下降趋近于0。,结论：影响供氧的主要因素是推动力(CCL)和体积氧传递系数KLa。,供氧的调控策略,（
6、3）供氧的调控（影响供氧的因素）,提高推动力（CCL）（手段不多）,增加C 的方法（P169）；,降低CL：可通过减少空气流量来达到，但CL不能低于临界氧浓度(C临界)，必须略大于C临界；同时减少空气流量本身会使KLa下降。,提高体积氧传递系数KLa,搅拌：,使液体形成涡流，延长气泡在液体中的停留时间；,增加液体湍动程度，减少气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的力；,将空气打散成小气泡，防止其凝集，从而增大气液相的有效接触面积；,使培养液中的成分分布均匀，细胞在培养液中均匀地悬浮，有利于营养物质的吸收和代谢物的及时分散。,供氧的调控策略,空气流量,提供氧气，带走废气；,在一定流量范围内，K
7、La随空气流量增加而增加；,当空气流量超过某一限度，搅拌器不能有效地将空气泡分散到液体中，而在大量空气泡中空转，发生”过载“现象，气流形成大的气泡，沿轴的周围出，KLa不能再提高。,培养液性质的影响,密度、黏度、表面张力、扩散系数等；,液膜厚度增加，传质阻力增大，扩散系数降低，通气效率下降。,微生物生长的影响,菌体浓度；,菌丝形态：球状菌的KLa是相同浓度丝状菌的2倍；丝状菌的稠度指数是球状菌的10倍。,供氧的调控策略,消泡剂的影响,离子强度的影响,消泡剂会分布在气液界面，增大传递阻力，使KL下降；虽然“a”有所增加，但KL下降的影响超过“a”的增加，所以总体是有很大的下降。,电解质溶液中生成
8、的气泡比在水中的要小得多，故有较大的“a”。,发酵过程中溶氧监控的意义（P166）,（4）溶氧（DO）的测定（P166）,KLa 的测定：亚硫酸盐法（冷膜）,（5）发酵过程中溶氧监控的意义（P168-169）,A.溶氧作为发酵异常的指示,故障或事故引起发酵异常；,中间补料是否得当；,污染杂菌；,作为质量控制指标；,B.溶氧在过程控制方面的应用,加糖、补料对发酵的影响及其控制,5、加糖、补料对发酵的影响及其控制,补料控制可调节菌的呼吸，以免过程受氧的限制；,补料策略：少量多次；,补料速率：可根据KLa 的大小来优化，控制生长和氧耗，使菌处于半饥饿状态，有利于提高产率；,补料时机：一般以发酵液中的
9、残糖浓度为依据。,6、比生长速率的调控（P176）,为维持最大比生长速率，在分批补料中采用指数式补料。,泡沫对发酵的影响及其控制,7、泡沫对发酵的影响及其控制,（1）泡沫的产生及其影响,产生原因：通气搅拌，CO2，稳定泡沫物质；影响(P178)；5点,（2）泡沫的消长规律：发酵液的性质随菌的代谢活动不断变化。前期：上升；中期：减少；后期：上升。,（3）泡沫的控制；机械消泡和消泡剂。,发酵终点判断,8、发酵终点判断,产率：产物 g/（发酵液Lh）；,得率（转化率）：kg产物/kg基质；,发酵系数：kg产物/（罐容积m3发酵周期h）；,产物浓度：产物g/发酵液 L；,发酵终点判断(放罐时机)的考虑
10、：,以总产率为主（缩短发酵周期），在此前提下再考虑产物浓度；,放罐时间对下游工序的影响；,临近放罐时，加糖、补料和消泡剂要慎重，以免影响提炼。,判断放罐的指标（P181）,发酵染菌的防治及处理,9、发酵染菌的防治及处理（P181）,（1）染菌的原因及所占百分比（%）,总空气系统带菌 19.96 种子带菌 9.64,阀们泄漏 1.45 接种时罐压降至大气压力 0.19,搅拌轴封泄漏 2.09 培养基消毒不透 0.79,罐盖泄漏 1.54 泡沫升至罐顶 0.48,其它设备泄漏 10.13 操作问题 10.15,夹套穿孔 12.36 原因不明 24.91,蛇管穿孔 5.89 接种管穿孔 0.39,发
11、酵染菌的防治及处理,空气系统是染菌的主要原因，但仔细观察，穿孔和泄漏共占33.85%，远超空气系统。,归纳染菌的原因：空气、设备、种子和操作的问题。,结论：,可见设备渗漏占第一位。,发酵染菌的防治及处理,（2）染菌的防治及处理,空气系统：提高进口空气洁净度（提高吸气口位置，加强空气 压缩前过滤）；,蒸汽：重视饱和蒸汽质量严防蒸汽中夹带大量冷凝水；,设备：连续灭菌设备，发酵罐，无菌室；,工艺操作：空罐准备、空罐灭菌、实罐灭菌、连续灭菌、补料、种子、无菌试验(同时用肉汤和双碟或斜面作对照)；,重视厂区、车间及人员的卫生工作，加强生产技术管理。,发酵过程参数及控制,10、发酵过程的自动控制（参数监测）,（1）设定参数：温度、罐压、空气流量、搅拌转速；,（2）状态参数：pH、溶氧、CO2、尾气、黏度、菌浓等；,（3）间接参数：摄氧率(OUR)、CO2释放速率(CER)、KLa、呼吸商(RQ)等。,（4）离线发酵分析。,基质：糖、脂质、盐、氨态氮等；,前体和代谢产物：抗生素、酶、有机酸、氨基酸和菌量等；,采用人工取样和离线分析。,
