第五章 发酵工艺控制5

1、 一、溶氧的影响 溶氧是需氧发酵控制的最重要参数之一。 溶氧的大小对菌体生长和产物的性质及产量都会产生不同的影响； 谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累会明显降低，产生乳酸和琥珀酸. 但是，需氧发酵亦不是溶氧愈大愈好。溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧过大有时反而抑制产物的形成。 一般各种发酵都有一个最适氧浓度和发酵产物的临界氧浓度； 最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。 如氨基酸类发酵，分三类: 第一类：谷氨酸,精氨酸和脯氨酸，供氧充足才产最大，供养不足，氨基酸合成会受到强烈抑制。 第二类：异亮氨酸,赖氨酸,和苏氨酸供氧充足可得最高产量.但供氧受限产量

2、受到影响并不明显. 第三类：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸仅在供氧受限，细胞呼吸受列抑制时，才能获得最大量的氨基酸 ，供氧充足，产物形成反而受抑制。 在固定设备和正常条件下，每种产物发酵的溶氧浓度变化都有自己的规律： 在发酵前中期，产生菌大量繁殖，需氧不断增加，此时的需氧量超过供氧量，使溶氧浓度明显下降，Cl出现一个低谷，同时，产生菌的摄氧率出现一个高峰. 发酵中后期，对于分批发酵来说，溶氧速率变化比较小。因为菌体已繁殖到一定浓度，进入静止期，呼吸强度变化也不大。 如不补加基质，发酵液的摄氧率变化也不大，供氧能力仍保持不变，溶氧浓度变化也不大。 但当外界进行补料（包括碳源、前体、消耗时）则溶氧浓度就

3、会发生改变。 变化的大小和持续时间的长短，随补料时的菌龄，补入物质的种类和 剂量不同而不同。 如补加糖后，发酵液的菌体摄氧率就会增加，经过一段时间后又逐步回升，如继续补糖，又会继续下降，甚至降至临界氧浓度以下，而成为生产的限制因素。 在生产后期，由于菌体衰老，呼吸强度QO2下降,Cl上升,一旦菌体自溶,Cl继续上升. 发酵过程有时出现溶氧异常，常见的是溶氧下降，主要原因好气性杂菌污染 菌体代谢发生异常变化，需氧要求增加使 CL 下降 设备工艺控制故障:N下降导致CL下降. 从供氧和需氧两方面着手： 供氧方面：主要是设法提高（C*-CL）和Kl,如调节搅拌转速或通气速率来控制供氧,但供氧量大小，

4、还必须与需氧量相协调，也就是说要有适当的工艺条件来控制需氧量，使产生菌的生长和产物形成对氧的需求量不超过设备的供氧能力，使产生菌发挥出最大的生产能力。 需氧方面：发酵液的摄氧率是随菌浓增加而按比例增加（R=QO2X ）但氧的传递速率是随菌浓的增加而减少，（主要是粘度增大N减小） 因此，可以控制菌的比生长过率使溶氧CL比临界值略高一点的水平，达到最适浓度这是控制最适溶氧浓度的重要方法。 最适菌浓既能保证产物的比生产速率维持在最大值，又不会使需氧大于供氧。 控制最适的菌体浓度，可以通过控制基质浓度来实现，利用敏感型的溶氧电极传感器，自动控制补糖速率，可间接控制N和PH。 另外，还可采用调节温度，液

5、化培养基，中间补水、添加表面活性剂等措施来改善溶氧水平。C02的来源及对发酵的影响C02是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢的一种基质，它是细胞代谢的重要指示，溶解在发酵液中的C02对氨基酸,抗生素等发酵具有刺激或抑制作用。例如环状芽孢杆菌等已经发芽的孢子在开始生长的时候，对C02有特殊需要,C02还是大肠杆菌和链霉菌等突变株的生长因子，菌体有时需要含30%C02的气体才能生长，这种现象被称为C02效应。 通常C02对菌体生长具有抑制作用， 当排气中C02的浓度高于 4%时，微生物的糖代谢和呼和呼吸速率下降。 例如，发酵液中C02的浓度达到1.61.0-2 mol，就会严重抑制酵母菌的生长

6、，当进口C02的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%，当C02的分压达到0.08105Pa时，青霉素比合成速率会降低50%，其菌丝的形态也会随C02含量的不同而异，若C02含量在0-8%，菌丝体主要呈丝状，C02含量上升到15%22%时,则呈膨胀，C02的分压达到0.08105Pa时,则出现酵母状膨胀菌丝,同时青霉素合成受阻. 有些发酵需要提供含有一定量的C02的空气才能进行良好的发酵, 如牛链球菌发酵生产多糖,最重要的发酵条件是提供的空气中要含有5%的C02， C02对某些发酵还能产生抑制作用, 如对肌苷,异亮氨酸，谷氨酸.抗生素等的发酵,特别是抗生素发酵中, C02对细胞

7、的作用机制: 1 抑制生长 主要是C02及HCO3-影响细胞膜的结构,他们分别作用于细胞膜的不同位点,溶解于培养液中的C02主要作用于细胞膜的脂质核心部位,HCO3- 则影响细胞膜的膜蛋白. 当细胞的脂质相中C02的浓度达到一定值时,膜的流动性及表面电荷密度就发生改变,使许多基质的膜运输受到阻碍,影响细胞膜的运输效率,导致细胞生长受到抑制，形态发生改变; 2 影响发酵产物合成 影响机制较复杂，如影响酸碱平衡，或与其他化学物质发生化学反应或与生长必须金属离子形成碳酸盐沉淀等等，造成间接作用而影响菌体生长和产物合成。 C02在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律，它的大小受许多因素的影响

8、如Q02、发酵液的流变学特性，通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。 由于C02的溶解度比氧大，所以随着发酵罐压力的增加，其含量比氧气增加的更快。 大容量发酵罐的发酵液的静压力可达1105Pa以上，再加上正压发酵，致使罐底压力达1.5105Pa，当C02浓度增大时，若通气搅拌不改变，C02不易排出，在罐底形成碳酸，则使PH下降进而影响微生物细胞的呼吸和产物合成。有时为了防止“逃液”而采用增加罐压消泡的方法，会增加C02的溶解度，不利于细胞的生长。 对C02浓度的控制主要看其对发酵的影响 如果对发酵有促进作用，应提高其浓度，反之 则应设法降低。 一般通过提高通气量和搅拌速率，在调节溶解氧的同时，还可以调节C02的浓度，通气使溶解氧保持在临界值以上，C02又可随着废气排出，使其维持在引起抑制的浓度以下。 降低通气量和搅拌速度，有利于提高C02在发酵液中的浓度。 有研究报道，利用3m3发酵罐进行四环素 发酵试验，发酵40h之前，通气维持76m3/h，搅拌转速为80r/min，使C02浓度提高，40h以后通气和搅拌分别提高至110M3/h和140r/min以降低C02浓度，如此控制使四环素的产量提高25%30% C02的产生与补料控制有密切关系 在青霉素发酵中，补糖可增加排气中C02的浓度，并降低培养液的PH值。 因为菌体生长、繁殖、青霉素的合成等方面都