发酵过程的工艺控制

1、第十章 发酵过程的工艺控制 知识要点和教学要求（ 1 ） 、理解微生物发酵的动力学（ 2 ） 、掌握补料分批培养（ 3 ） 、掌握连续培养（ 4 ） 、掌握发酵工艺控制最优化（ 5 ） 、掌握温度对发酵过程的影响及其控制（ 6 ） 、掌握PH 值对发酵过程的影响和控制（ 7 ） 、掌握泡沫对发酵过程的影响和控制 能力培养要求通过本章节的学习，学生能理解微生物发酵的分类及温度、PH值、泡沫等对发酵过程的影响和控制。 教案内容10.1 微生物发酵的动力学一般来说， 微生物学的生长和培养方式可以分为分批培养、 连续培养和补料分批培养等三种类型。1. 分批培养分批培养又称分批发酵， 是指在一个密闭系统

2、内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。在分批培养过程中， 随着微生长细胞和底物、 代谢物的浓度等的不断变化，微生物垢生长可分为停滞期、对数生长期、稳定期和死亡期等四个阶段，图 10-1 为典型的细胞菌生长曲线。2. 停滞期停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。实际上， 接种物的生理状态和浓度是停滞期长短的关键。 如果接种物处于对数生长期， 那么就很有可能不存在停滞期， 微生物细胞立即开始生长。反过来，如果接种物本身已经停止生长，那么微生物细胞就需要有更长的停滞期，以适应新的环境。3. 对数生长期处于对数生长期

3、的微生物细胞的生长速度大大加快， 单位时间内细胞的数目或重量的增加维持恒定， 并达到最大值。 其生长速度可用数学方程表示：式中，x- 细胞浓度（g/l ） ； t-培养时间（hr） ； -细胞的比生长速度（ 1/h） 。如果当 t=0 时，细胞的浓度为 x0（g/l） ，上式积分后就为：于是， 用微生物细胞浓度的自然对数对时间作图， 就可得到一条直线，该直线的斜率就等于。微生物的生长有时也可用“倍增时间” （td）来表示，“倍增时间”（td）定义为微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，即：4. 稳定期由于细胞的溶解作用， 一些新的营养物质，诸如细胞内的一些糖类、蛋白质等被释放出来， 又作为细胞的

4、营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢地生长，出现通常所称的二次或隐性生长。5. 死亡期当发酵过程处惊天动地死亡期时， 微生物细胞内所储存的能量已经基本耗尽，细胞开始在自身所含的酶的作用下死亡。6. 微生物分批培养生长速度的动力学方程分批培养过程中，虽然培养基中的营养物质随时间的变化而变化， 但通常在特定条件下， 其比生长速度往往是恒定的。 在特定温度、PH 值、营养物类型、营养物浓度等条件下，微生物细胞的比生长速度与限制性营养物的浓度之间存在如下的关系式：式中，-微生物的最大比生长速度；S-限制性营养物质的浓度；Ks-饱和常数，数值上等于=时的限制性营养物质浓度，它的大小表示了微生物对营养物质的

5、吸收的亲和力大小， Ks 越大，表示微生物对营养物质的吸收亲和力越小，反之就越大，对于许多微生物来说，Ks值是很小的，一般为 0.1-120mg/l或0.01-3.0mmol/l,这表示微生物对营养物质有较高的吸收亲和力。表10-3 为一些微生物的 Ks 值。最大比生长速度在工业生产上有很大的意义， 随微生物种类和培养条件的不同而不同，通常为0.09-0.65h-1。一般来说，细菌的大于真菌；而就同一细菌而言，培养温度升高，增大；营养物质的改变，也要发生变化，通常容易被微生物利用的营养物质，其较大，随着营养物质碳链的逐渐加长，则逐渐变小。习惯上上式称为 Monod 方程。7. 分批培养时微生物

6、细胞的生长与产物形成的动力学在微生物的生长和产物的形成过程中， 发酵培养基中的营养物质被微生物细胞所利用， 生成细胞和形成代谢产物， 人们常用得率系数来描述微生物生长过程的特征， 即生成的细胞或产物与消耗的营养物质之间的关系。在实际工作中，最常用的是细胞得率系数( YX/s )(YP/s)， 分别定义为消耗1g 营养物质生成的细胞的克数和生成产物的克数。 工业生产上， 可通过测定一定时间内细胞和产物的生成量以及营养物质的消耗量来进行计算，获得表观得率系数：按产物的生成与营养物质的利用之间的关系，可将发酵分为三种 类型，如表10-4所示。表10-4产物的生成与营养物质的利用关系产物的生成与营养物

7、质的利用的关系发酵的例子产物形成直接与营养物质的利用有关乙醇发酵产物形成间接与营养物质的利用有关柠檬酸的发酵产物形成表面上与营养物质的利用有关青霉素的发酵在微生物的分批培养中，产物的形成与微生物细胞生长关系的动 力学模式有三种，如图10-4表示营养物质以化学计量关系转化为单 一产物（P）,产物形成速度与生长速度的关系。8. 产物形成与细胞生长相关联模式在该模式中，产物形成速度与生长速度的关系可表示为：式中，P-产物浓度（g/l）;-产物相对于细胞的生成速度（克产 物/克细胞）。上式表示，在微生物的分批培养过程中，产物的形成速 度与细胞的比生长速度成正比。因此，对于符合该模式的培养过程来 说，要

8、提高产物的形成速度就应当争取获得高的细胞的比生长速度。9. 产物形成与细胞生长无关联模式在该模式中，产物形成速度与生长速度无关联，而只与细胞的浓 度有关，此时，细胞具有控制产物形成速度的组成酶系统，这时产物 形成与细胞浓度的关系可表示为：式中，-非生长关联的产物形成常数g产物/ （g细胞hr）。10. 物形成与细胞生长有关联和无关联的复合模式。在此模式中，产物形成取决于与细胞生长有关联和无关联的两种形式，这时，产物形成与细胞生长的关系可表达为：10.2 补料分批培养补料分批培养是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培 养基的培养方法，又称半连续培养或半连续发酵，是介于分批培养过 程与连续培

9、养过程之间的一种过渡培养方式。目前补料分批培养已在发酵工业上普遍被用于单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素、酶制 剂、有机酸以及有机溶剂等的生产过程。1.1 料分批培养的类型补料分批培养的动力学单一补料分批培养单一补料分批培养是补料分批培养中一种类型， 具特点是补料一 直到培养液达到额定值为止，培养过程中不取出培养液。1.2 料分批培养的优点补料分批培养是介于分批培养和连续培养之间一种微生物细胞 的培养方式，它兼有两种培养方式的优点，并在某种程度克服了它们 所存在的缺点。表10-7为补料分批培养的一些优点。表10-7补料分批培养的一些优点与分批培养方式比较与连续培养方式比较1'可以解除培

10、养过程中的底物抑制、 产物的反馈抑制 和葡萄糖的分解阻遏效应；2对于耗氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次 性投糖过多造成的细胞大量生长、耗氧过多以至通风搅 拌设备不能匹配的状况；在某种程度上可减少微生物细 胞的生成量、提高目的产物的转化率；3微生物细胞可以被控制在一系列连续的过渡态阶 段，可用来控制细胞的质量；并可重复某个时期细胞培 养的过渡态，可用于理论研究。1不需要严格的无菌条件；2不会产生微生物菌种的老 化和变异；3最终产物浓度较高，有利 十产物的分离；4使用范围广。1.3 连续培养连续培养是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养

11、液的液量维持恒 定，使微生物细胞能在近似恒定状态下生长的微生物培养方式。连续培养又称连续发酵，它与封闭系统中的分批培养方式相反，是在开放的系统中进行的培养方式。图10-6为典型的实验室连续培养系统。表10-8连续培养过程的优缺点连续培养方式的优点连续培养方式的缺点1提供了一个微生物在恒定状态卜-高速生长的环 境，便于进行微生物的代谢、生理、生化和遗传特性 的研究；2在工业生产上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等操作时间，提高生产效率；3产物质量比较稳定；4所需的设备和投资较少，便于实现自动化。1在长时间的培养过程中，微生物菌 种容易发生变异，发酵过程易染菌；2新加入的培养基与原

12、有的培养基不 易完全混合，影响培养和营养物质的利 用。1.4 发酵工艺控制最优化在特定的发酵生产过程中，生产效率的高低取决于工艺和工艺控 制的最优化，即能否实现生产过程内的最优化控制生产过程最优化控 制的实现，包含了从明确目标到目标值实施等全部内部。明确控制目标明确影响因素确定实现目标值的方法确定最佳工艺实施最佳工艺1.5 温度对发酵过程的影响及其控制温度对微生物细胞的生长和发酵代谢产物的影响由于微生物的生长和产物的合成代谢都是在各种酶的催化下进行的， 而温度却是保证酶活性的重要条件， 因此在发酵过程中必须保证稳定而合适的温度环境。 温度对发酵的影响是多方面的， 对微生物细胞的生长和产物的生成

13、、代谢的影响是由各种因素综合表现的结果。温度对微生物的影响温度和微生物生长的关系， 一方面在其最适温度范围内， 微生物的生长速度随温度的升高而增加， 发酵温度越高， 培养的周期就越短；另一方面，处于不同生长阶段的微生物对温度的反应是不同的。从对微生物细胞内的酶反应的影响来看温度可以通过改变培养液的物理性质。温度还会影响到微生物细胞的生物合成方向。对于同一微生物细胞 细胞生长和代谢产物积累的最适温度也往往是不同的。1. 发酵热发酵过程中， 随着微生物细胞对培养基中的营养物质的利用、 机械搅拌的作用，将会产生一定的热量；同时由于发酵罐壁的散热、水分的蒸发等将会带走部分热量。 习惯上将发酵过程中释放

14、出来的引起温度变化的净热量称为发酵热。发酵热包括了生物热、搅拌热、蒸发热以及辐射热等。2. 生物热（Q 生物）微生物细胞在生长繁殖过程中本身产生的大量热成为生物热。3. 搅拌热（Q 搅拌）对于机械搅拌通气式发酵罐， 由于机械搅拌带动培养液作相应的比较剧烈的运动，造成液体之间、液体与搅拌器等设备之间的摩擦，会产生比较可观的热量。4. 蒸发热在通气培养过程中， 空气进入发酵罐后就与发酵液进行广泛的接触，除部分氧等被微生物利用外，大部分气体仍旧从发酵液出来，排放至大气中， 必然会引起热量的散发， 热量将被空气或蒸发的水分带走，这些热量就称为蒸发热。5. 辐射热（ Q 辐射）辐射热是指因发酵罐温度与环

15、境温度不同， 而使发酵液通过罐体向外辐射的热量。发酵过程温度的控制和最适温度的选择6. .6 PH 值对发酵过程的影响和控制发酵过程中培养液的 PH 值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标， 是发酵过程中的重要参数， 对微生物的生长和产物的积累有很大的影响。1. PH 值对发酵过程的影响微生物细胞生长和代谢产物形成的最适PH 值PH 值对微生物的生长繁殖和代谢产物的形成的影响的原因发酵过程中PH 值的变化情况发酵过程中PH 值的控制在实际生产中，调节和控制发酵液PH 值的方法应根据具体情况加以选择。 PH 值调节和控制的方法主要有：调节培养基的原始 PH 值，或加缓冲溶液（如磷酸盐）制成

16、缓冲能力强、 PH 值变化不大的培养基，或使盐类和碳源的配比平衡。可在发酵过程中加入弱酸或弱碱进行PH 值的调节，进而合理地控制发酵条件；也可通过调整通风量控制 PH 值。如果仅用酸或碱调节PH 值不能改善发酵情况时，进行补料是一个较好的办法，它既调节了培养液的 PH 值，又可补充营养，增加培养液的浓度和减少阻遏作用， 进一步提高发酵产物的产率。 通过补料调节 PH 值来提高发酵产率的方法已在工业发酵过程中取得了明显的效果。采用生理酸性铵盐作为氮源时，由于 NH+4 被微生物细胞利用后，剩下的酸根会引起发酵液PH 值的下降，在培养液中可加入碳酸钙来调节 PH 值。但是需要注意的是，碳酸钙的加入

17、量一般都很大，在操作上很容易引起染菌。 因此， 此方法在发酵过程中应用不是太广。在发酵过程中根据PH 值的变化可用京戏加氨水的方法来调节，同时又可把氨水作为氮源供给。由于氨水作用快，对发酵液的PH 值波动影响大，应采用少量多次的流加方法进行流加，以免造成PH 值过高，从而抑制微生物细胞的生长，或PH 值过低， NH+4 不足等现象。 具体的流加方法应根据微生物的特性、 发酵过程的菌体生长情况、耗糖情况等来决定，一般控制在 PH 值 7.0-8.0，最好是采用自动控制连续流加方法。以尿素作为氮源进行流加调节 PH 值，是目前国内味精厂普遍采用的方法。尿素流加引起的 PH 值变化有一定的规律性，易

18、于控制操作。 由于通风、 搅拌和微生物细胞内脲、 酶的作用使尿素分解放出氨，使 PH 值上升；同时氨和培养基中的营养成分被微生物利用后和补充氮源。当流加尿素后，尿素被微生物的脲酶分解放出氨，使PH 值上升，氨被微生物利用和形成代谢产物，使PH 值降低，再次反复进行流加就可维持一定的 PH 值。流加时除主要根据PH 值的变化外，还应考虑到微生物细胞的生长、 发酵过程耗糖、 代谢等不同的阶段采取少量多次流加，以控制合适的发酵PH 值。目前已有适合于发酵过程PH 值的测量的电极，连续测量并记录PH 值的变化，用于控制和监测发酵PH 值。2. 泡沫对发酵过程的影响和控制发酵过程中泡沫的产生及其对发酵过

19、程的影响使发酵罐的装填系数减少；造成大量逃液，导致产物的损失；泡沫“顶罐”有可能使培养基从搅拌的轴封渗出，增加了染菌的机会；由于泡沫的液位变动， 以及不同生长周期微生物随泡沫漂浮或粘附在罐盖或罐壁上， 命使微生物生长的环境发生了改变， 影响了微生物群体的效果，增加微生物群体的非均一性；影响通气搅拌的正常进行， 妨碍了微生物的呼吸， 造成发酵异常，导致最终产物产量下降；使微生物菌体提早自溶， 这一过程的发展又会促使更多的泡沫生成；为了将泡沫控制在一定范围内， 就需加入消泡剂， 将会对发酵工艺和产物的提取带来困难。因此， 如何控制发酵过程中产生的泡沫， 是否能使发酵过程得以顺利进行和取得高产、高效

20、的重要因素之一。发酵过程中泡沫的产生有两个原因： 1 由外界引进的气流被机械地分散形成； 2 由发酵过程产生的气体聚结生成的发酵泡沫。培养基的物理化学性质对泡沫形成的表面现象起决定性作用， 此外， 培养液的温度、酸碱度、浓度等对发酵过程的泡沫形成也有一定的影响。3. 发酵过程中泡沫的消除和控制4. 化学消泡化学消泡的机理化学消泡剂的性能和工业上常用的化学消泡剂种类化学消泡剂的应用5. 机械消泡机械消泡不同于化学消泡，它是靠机械强烈振动和压力的变化，促使气泡破裂，或借助于机械力将排出气体中的液体加以分离回收，从而达到消泡的作用。 机械消泡的优点是不需在发酵液中加入其他物质， 减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后继分离工艺的影响