发酵工程第八章

1、发酵过程控制发酵过程控制第八章第八章定定 义义发酵过程即发酵过程即细胞的生物反应过程细胞的生物反应过程，是指由生，是指由生长繁殖的长繁殖的细胞细胞所引起的所引起的生物反应生物反应过程。不仅过程。不仅包括了以往包括了以往“发酵发酵”的全部领域，而且还包的全部领域，而且还包括括固定化细胞的反应过程固定化细胞的反应过程、生物法废水处理生物法废水处理过程和细菌采矿等过程过程和细菌采矿等过程。研究发酵过程的意义研究发酵过程的意义发酵体系的特征发酵体系的特征内容内容发酵过程控制概述发酵过程控制概述温度温度对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制pH 值值对发酵的影响和控制对发酵的影响和控制溶解氧溶解氧对发

2、酵的影响和控制对发酵的影响和控制CO2和呼吸商对和呼吸商对发酵的影响和控制发酵的影响和控制 基质浓度基质浓度对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制 通气搅拌通气搅拌对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制 泡沫泡沫对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制 高密度发酵与过程控制高密度发酵与过程控制 发酵终点发酵终点的检测与控制的检测与控制 自动控制技术自动控制技术的应用的应用发酵过程控制概述发酵过程控制概述常规发酵工艺控制参数常规发酵工艺控制参数 直接状态参数：温度、直接状态参数：温度、pHpH值、搅拌转值、搅拌转速、液位、补料速率等速、液位、补料速率等 间接状态参数：产物浓度、溶解氧、间接状

3、态参数：产物浓度、溶解氧、溶解溶解CO2等等发酵过程优化控制步骤发酵过程优化控制步骤控制方式：控制方式： 一般检控系统包括一般检控系统包括3 3个部分个部分 发发 酵酵 控控 制制Fermentation Control Sample AnalysispHDOSugarAmmoniaPhosphateSulphateProductsPrecursorsContaminationPressure probeLevel probepH probeTemp. probeDO probeAntifoamAcid/BaseCoolingAir/agitationSugar/Oilfeed发酵过程参数检测

4、发酵过程参数检测 发酵过程发酵过程参数的检测参数的检测是控制发酵过程的重要依据是控制发酵过程的重要依据 检测方法检测方法 通过仪器通过仪器在线在线检测检测 发酵罐中发酵罐中取样离线取样离线检测检测 常用的检测仪器常用的检测仪器 在线检测：传感器在线检测：传感器 离线检测：分光光度计、气相和液相色谱仪等离线检测：分光光度计、气相和液相色谱仪等 直接状态参数：直接反应发酵过程中直接状态参数：直接反应发酵过程中微生物生理代微生物生理代谢状况谢状况的参数的参数 对传感器的要求：对传感器的要求：耐高温、高压；避免表面被微生耐高温、高压；避免表面被微生物堵塞物堵塞 有价值的状态参数：有价值的状态参数：尾气

5、分析和空气流量的检测尾气分析和空气流量的检测 间接状态参数：采用直接状态参数计算得到的参数间接状态参数：采用直接状态参数计算得到的参数 离线发酵分析法离线发酵分析法 没有一种可在线监测培养基成分和代谢产没有一种可在线监测培养基成分和代谢产物的传感器物的传感器 发酵液的基质、前体、代谢产物和菌量的发酵液的基质、前体、代谢产物和菌量的监测通过人工取样和离线分析监测通过人工取样和离线分析 缺点：缺点：不连贯性和滞后性不连贯性和滞后性发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制 调节营养物质调节营养物质通过细胞膜进入细胞的能力通过细胞膜进入细胞的能力 调节代谢流调节代谢流 调节调节酶的合成量酶的合成量 调节调

6、节酶的催化活力酶的催化活力发酵过程检测控制的主要发酵过程检测控制的主要的参数的参数-物理参数物理参数检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响影响温度温度铂电阻铂电阻 热敏电阻热敏电阻 qP c*罐压罐压(0.20.5105Pa)隔膜传感器隔膜传感器压敏电阻压敏电阻Pa保持正压，防止染菌保持正压，防止染菌O2 及及 CO2 的溶解度的溶解度 搅拌转数搅拌转数频率计数器频率计数器 r/min Kla 发酵液的均匀性发酵液的均匀性 搅拌功率搅拌功率(2 -4KW/m3)功率计功率计kWKla 空气流量空气流量浮子流量计浮子流量计 孔板差压计孔板差压计 m3 h-1vvm Kla 粘度粘度旋转

7、粘度计旋转粘度计 Pa s Kla 浊度浊度浊度计浊度计%反映单细胞的生长反映单细胞的生长 料液的流量料液的流量蠕动泵蠕动泵 荷重传感器荷重传感器量筒量筒 L h-1 S 发酵过程检测控制的主要的参数发酵过程检测控制的主要的参数-化学参数化学参数检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响及作用影响及作用pH复合玻璃电极复合玻璃电极 菌体和产物合成速度菌体和产物合成速度酶促反应的方向酶促反应的方向基质浓度基质浓度产物浓度产物浓度HPLC 离子选择电极离子选择电极 生物传感器生物传感器 取样取样g L-1 qP发酵周期的长短发酵周期的长短氧化还原电位氧化还原电位氧化还原电位电极氧化还原电位电

8、极 mV 生长和生化活性生长和生化活性溶氧浓度溶氧浓度覆膜氧电极覆膜氧电极 % qo2气相气相O2含量含量 顺磁氧分析仪顺磁氧分析仪 Pa反映反映OUR 和和 Kla 气相气相CO2含量含量 红外气体分析仪红外气体分析仪 %反映反映OUR 和和 Kla 发酵过程检测控制的主要的参数发酵过程检测控制的主要的参数-生物参数生物参数检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响影响菌丝形态菌丝形态摄像显微镜摄像显微镜 取样镜检取样镜检 反映菌体发育阶反映菌体发育阶段和正常与否段和正常与否菌体浓度菌体浓度取样取样 ：干重、浊：干重、浊度、活菌计数、度、活菌计数、离心沉降离心沉降g g L L-1-1

9、 影响菌体的生化影响菌体的生化反应反应K Klala一一 、温度对发酵的影响及控制、温度对发酵的影响及控制1 1 影响发酵温度的因素：发酵热影响发酵温度的因素：发酵热 产热因素产热因素 生物热生物热 通气热通气热 搅拌热搅拌热 散热因素散热因素 蒸发热蒸发热 辐射热辐射热1.1 1.1 发酵热发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。 Q发酵发酵=Q生物生物+Q搅拌搅拌+Q通气通气-Q蒸发蒸发-Q辐射辐射发酵热的测定发酵热的测定方法一方法一： 通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出口温度，通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出口温度，由下式求

10、得这段时间内的发酵热：由下式求得这段时间内的发酵热： Q发酵发酵 = GC (t2- t1) / V (J / m3 h) G - 冷却水流量，冷却水流量，kg/h C - 水的比热，水的比热， J/kg t1、t2 - 进、出口的冷却水温度，进、出口的冷却水温度， V - 发酵液体积发酵液体积 ， m3方法二： 通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制装置测得温度随时间上升的速率装置测得温度随时间上升的速率S, S, 按下式可求得发酵热按下式可求得发酵热 ： Q 发酵发酵 = K SS - S - 温度随时间上升的速率，温度随时

11、间上升的速率，/h/hK - K - 总参数，代表系统的热容量，总参数，代表系统的热容量，J/LJ/LK K值可由下式求得：值可由下式求得： K = (MCp)发酵液发酵液 + (MCp)容器容器 + (MCp)附件附件M 以每升发酵液计的发酵液、容器、附件的重量以每升发酵液计的发酵液、容器、附件的重量Cp Cp 代表各自的比热代表各自的比热一般微生物发酵过程中的最大发酵热约为一般微生物发酵过程中的最大发酵热约为 4.186 (30008000) kJ / m3 h生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物、脂肪、蛋白质等物质被分解

12、为养基中碳水化合物、脂肪、蛋白质等物质被分解为CO2、NH3和水时释放出的大量能量。和水时释放出的大量能量。用途：合成高能化合物供微生物生命代谢活动用途：合成高能化合物供微生物生命代谢活动 合成产物合成产物 热能散发热能散发影响生物热的因素影响生物热的因素 生物热随菌株、培养基、发酵时期的不同而不同生物热随菌株、培养基、发酵时期的不同而不同对于某一种微生物，生物热的产生具有强烈的时间性对于某一种微生物，生物热的产生具有强烈的时间性 孢子发芽和生长初期，产生数量有限孢子发芽和生长初期，产生数量有限 进入进入对数生长期对数生长期后，大量产生，此后逐渐减少后，大量产生，此后逐渐减少生物热的大小还与菌

13、体的生物热的大小还与菌体的呼吸强度呼吸强度有对应关系有对应关系培养基成分培养基成分越丰富，菌体利用营养物质速率越大，生物热越丰富，菌体利用营养物质速率越大，生物热产生越多产生越多在四环素发酵在四环素发酵中，可看到当中，可看到当产生的产生的生物热生物热达到高峰时，达到高峰时，糖的利用速度糖的利用速度也最大。也最大。有人提出，可有人提出，可从菌体的耗氧从菌体的耗氧率来衡量生物率来衡量生物热的大小。热的大小。 四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程1 1：效价；：效价；2 2：呼吸强度；：呼吸强度；3 3：生物热；：生物热；4 4：糖浓度：糖浓度 通风发

14、酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间、液体与设备之间的体之间、液体与设备之间的摩擦而产生的热摩擦而产生的热 。 Q搅拌搅拌=3600（P/V） 3600：热功当量（热功当量（kJ/（kW.h） （P/V）：）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（率（ kW/m3） 通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换和发酵液广泛接触进行热交换。必然会引起水分。必然会引

15、起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。 1.5 1.5 辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。体向外辐射的热量。 辐射热可通过罐内外的温差求得，冬天影响大，辐射热可通过罐内外的温差求得，冬天影响大，夏天影响小一般不超过发酵热的夏天影响小一般不超过发酵热的5%。2 温度控制温度控制 在发酵罐上安装夹套或盘管调节在发酵罐上安装夹套或盘管调节 温度高时，通过循环冷却水控制温度高时，通过循环冷却水控制 温度低时，通过加热使夹套或盘管中水温度低时，通过加热使夹套或盘管中水的循环实现对温度的控制的循环实现对温度的控制3

16、 温度对发酵的影响温度对发酵的影响 影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响各种酶的反应速率和蛋白质性质 影响发酵液的物理性质：影响氧的溶解和传影响发酵液的物理性质：影响氧的溶解和传递；影响对基质的分解和吸收速度递；影响对基质的分解和吸收速度 影响生物合成的方向影响生物合成的方向温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响 温度直接影响温度直接影响酶反应酶反应，从而影响着生物体的生命活动。，从而影响着生物体的生命活动。微生物的生长和产物的合成在酶的作用下进行微生物的生长和产物的合成在酶的作用下进行 微生物的生长是一系列复杂的生化反应的综合结果，微生物的生长是一系列复杂的生化反应的综合结果，反应速率

17、受到温度的影响反应速率受到温度的影响发酵过程，微生物生长速率变化发酵过程，微生物生长速率变化 dX/dt = X- X : 比生长速率比生长速率 ：比死亡速率比死亡速率 当处于生长状态时，当处于生长状态时， , 可忽略。可忽略。 与与 与温度有关与温度有关 根据根据ArrenhniusArrenhnius公式公式 = Ae = Ae-E/RT-E/RT = Ae = Ae-E/RT-E/RT 通常通常EE大于大于E E，所以所以 比比 对温度变化对温度变化更为敏感更为敏感 例：青霉菌生产青霉素例：青霉菌生产青霉素 青霉菌生长活化能青霉菌生长活化能E=34kJ/mol 青霉素合成活化能青霉素合成

18、活化能E=112kJ/mol 青霉素合成速率对温度较敏感，温度控青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当重要。制相当重要。微生物的适宜温度微生物的适宜温度 多数微生物：多数微生物： 20C- 40C 嗜冷菌：嗜冷菌：20C 以下生长速率最大；以下生长速率最大； 嗜中温菌：嗜中温菌：30-35C 嗜热菌：嗜热菌：50C 以上生长以上生长 筛选高温菌株具有重要的实践意义筛选高温菌株具有重要的实践意义温度对微生物生长的影响 嗜冷菌在温度低于嗜冷菌在温度低于2020下生长速率最大下生长速率最大 嗜中温菌在嗜中温菌在30-3530-35左右生长速率最大左右生长速率最大 嗜热菌在嗜热菌在5050以上生长速

19、率最大以上生长速率最大 曲线形状相似；当温度增曲线形状相似；当温度增加加1010，生长速率大致增长，生长速率大致增长一倍。一倍。 温度超过最适生长温度，温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅速生长速率随温度增加而迅速下降下降3.1 温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响 在最适温度范围内在最适温度范围内 不同不同生长阶段的微生物对温度生长阶段的微生物对温度的反应不同的反应不同 延迟期延迟期：敏感：敏感 最适温度最适温度 对数生长期对数生长期：最适温度范围内提高温度：最适温度范围内提高温度 生长后期：取决于生长后期：取决于溶解氧浓度溶解氧浓度，提高通气量，提高通气量 温度和微生物生长

20、的关系温度和微生物生长的关系 一方面在其最适温度范围内，生长一方面在其最适温度范围内，生长速度速度随温度升高的增加随温度升高的增加； 另一方面，不同生长阶段的微生物另一方面，不同生长阶段的微生物对温度的反应不同对温度的反应不同 3.2 温度对基质消耗的影响温度对基质消耗的影响 温度的变化影响温度的变化影响基质消耗和比生长速率基质消耗和比生长速率 生产中，适当抑制生长生产中，适当抑制生长(菌体的过量生长菌体的过量生长导致群体的退化和产率降低）导致群体的退化和产率降低） 温度对产物合成影响不大时温度对产物合成影响不大时，适当提高，适当提高温度抑制生长，有利于生产节能温度抑制生长，有利于生产节能3.

21、3 温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响 影响各种反应速率影响各种反应速率 改变发酵液的物理性质，影响产物的合成改变发酵液的物理性质，影响产物的合成 影响生物合成的方向影响生物合成的方向 对代谢有调节作用对代谢有调节作用 例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在金霉素。在低于低于30 30 温度温度下，该菌种合成下，该菌种合成金金霉素能力较强霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度比例也提高。在温度达达3535则只产生四环素则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。而金霉素合成几乎停止。 低温时，低温时，氨基

22、酸合成氨基酸合成途径的终产物对第一个途径的终产物对第一个酶的反馈抑制比正常温度时大，因此酶的反馈抑制比正常温度时大，因此在抗生素发在抗生素发酵后期，降低温度，使蛋白质和核酸的正常合成酵后期，降低温度，使蛋白质和核酸的正常合成途径关闭，转向目的产物的合成途径关闭，转向目的产物的合成最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。长或发酵产物的生成。最适发酵温度与最适发酵温度与菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段有关。阶段有关。最适发酵温度的选择最适发酵温度的选择在发酵整个周期内仅选一个

23、最适培养温度不一定好。在发酵整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择还应考虑培养基成分和浓度温度的选择还应考虑培养基成分和浓度最适温度的确定最适温度的确定最适温度的选择最适温度的选择1 1）根据）根据菌种及生长阶段菌种及生长阶段选择选择微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为370C， 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30320C， 青霉菌生长温度为青霉菌生长温度为

24、300C。 前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速；前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速；中期中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此温度要稍低一些，可以推迟衰老。因从而提高产量，因此温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。得比较严密有利于产物合成。后期后期产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，提高温产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，提高温度，刺激产物合成到放罐。度，刺激产物合成到放罐。如：如：

25、四环素生长阶段四环素生长阶段28C，合成期，合成期26C后期再升温；后期再升温；黑曲霉生长黑曲霉生长37C，产糖化酶，产糖化酶3234C。但也有的菌种产物形成比生长温度高但也有的菌种产物形成比生长温度高谷氨酸产谷氨酸产生菌生长生菌生长3032C，产酸，产酸3437C。最适温度选择要根据最适温度选择要根据菌种与发酵阶段菌种与发酵阶段做试验。做试验。二阶段发酵二阶段发酵菌体生长和产物合成所需菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同。的最适温度不一定相同。变温培养变温培养 抗生素生产中，通过抗生素生产中，通过变温培养变温培养比恒温比恒温培养得到的产物多。培养得到的产物多。 最适温度的选择和控制，可

26、有效的提最适温度的选择和控制，可有效的提高产物的产率高产物的产率例如：例如： 青霉素产生菌的最适生长温度是青霉素产生菌的最适生长温度是3030，而最适于青，而最适于青霉素合成的温度是霉素合成的温度是2020。 发酵过程中，在生长初期抗生素还未开始合成，菌丝发酵过程中，在生长初期抗生素还未开始合成，菌丝还未长浓，这时的温度应适于微生物的生长；还未长浓，这时的温度应适于微生物的生长； 到抗生素分泌期，菌丝已长到一定浓度，积累抗生素到抗生素分泌期，菌丝已长到一定浓度，积累抗生素是重点考虑，此时应满足生物合成的最适温度。是重点考虑，此时应满足生物合成的最适温度。例：例：林可霉素发酵的变温培养林可霉素发

27、酵的变温培养问题的提出问题的提出接种后接种后10h10h左右已进入对数生长期，随后是左右已进入对数生长期，随后是10h10h左右的加速生长期，左右的加速生长期，在在40h40h左右对数生长期基本完成，在左右对数生长期基本完成，在50h50h左右转入生产期左右转入生产期主要问题：主要问题：如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相当数量适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相当数量的有强生产能力的菌丝体存在的有强生产能力的菌丝体存在变温培养的正交设计变温培养的正交设计结论：结论：前前60h60h按按3131控制，控制，缩短

28、了适应期缩短了适应期使发酵提前转入生使发酵提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗生素提供了物质基础素提供了物质基础6060小时后将罐温降至小时后将罐温降至3O3O使与使与抗生素合成有关的酶的活性抗生素合成有关的酶的活性增强增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的延长有利，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的延长有利于进一步积累抗生素于进一步积累抗生素发酵进入后期罐温再回升至发酵进入后期罐温再回升至31 31 使生产菌在生命的最后阶使生产菌在生命的最后阶段段最大限度的合成和排出次级代谢产物最大限度的合成和排出次级代谢产物。2

29、 2）根据培养条件选择）根据培养条件选择温度选择还要根据温度选择还要根据培养条件培养条件综合考虑，灵活选择。综合考虑，灵活选择。通气条件差时可适当通气条件差时可适当降低温度降低温度，使菌呼吸速率降低些，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可高些。溶氧浓度也可高些。培养基稀薄时，培养基稀薄时，温度也该低些温度也该低些。因为温度高营养利用快，。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。会使菌过早自溶。3 3）根据菌生长情况）根据菌生长情况菌生长快，维持在较高温度时间菌生长快，维持在较高温度时间要短要短些；菌生长慢，维些；菌生长慢，维持较高温度时间持较高温度时间可长可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通些。培养

30、条件适宜，如营养丰富，通气能满足，前期温度可高些，以利于菌的生长。气能满足，前期温度可高些，以利于菌的生长。总的来说，温度的选择根据总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件菌种生长阶段及培养条件综综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。利用温度控制提高产量的实例：热冲击处理技术提高发利用温度控制提高产量的实例：热冲击处理技术提高发酵甘油的产量酵甘油的产量实验：实验：正交条件正交条件 A 冲击温度（冲击温度（0C） 40，45，50 B 开始时机（开始时机（h） 8，16，30 C 冲击时间（分）冲击时间（分） 15，30，60结果发酵结果发酵16小时

31、，小时，45 C冲击冲击30分钟最佳，发酵分钟最佳，发酵96小时后甘油浓度小时后甘油浓度提高提高32.6。（A）16h,45 C,30min（B）12h,45 C,30min 利用计算机模拟确定最佳发酵条件，正逐步利用计算机模拟确定最佳发酵条件，正逐步得到推广应用。得到推广应用。 根据模拟计算机对发酵温度最佳点的计算，得到青根据模拟计算机对发酵温度最佳点的计算，得到青霉素发酵的最适温度是：霉素发酵的最适温度是： 起初起初5h维持在维持在30；随后降到；随后降到25，培养，培养35h；再降；再降到到20培养培养85h；最后回升到；最后回升到25培养培养40h放罐。放罐。 采用这种变温培养，比在采

32、用这种变温培养，比在25恒温培养青霉素产量提恒温培养青霉素产量提高高15%。发酵温度的控制发酵温度的控制在发酵罐上安装夹套和蛇罐，通过循环冷却水控制。在发酵罐上安装夹套和蛇罐，通过循环冷却水控制。冷却介质：深井水或冷冻水冷却介质：深井水或冷冻水控制方式：手动控制或自动控制控制方式：手动控制或自动控制温度计温度计温度控制器温度控制器调节阀调节阀 二、二、 pH对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制 发酵过程中培养液的发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一重要发酵参数。对代谢活动的综合指标，是一重要发酵参数。对菌体的菌体的生长和产品的积累生

33、长和产品的积累有很大影响。有很大影响。 因此，必须掌握发酵过程中因此，必须掌握发酵过程中pHpH的变化规律，及时监测的变化规律，及时监测并加以控制，使其处于最佳状态。并加以控制，使其处于最佳状态。 尽管多数微生物能在尽管多数微生物能在3434个个pHpH单位的单位的pHpH范围内生长，范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使形成，必须使pHpH在在很窄的范围内很窄的范围内保持恒定。保持恒定。 不同种类微生物，对不同种类微生物，对pHpH要求不同；要求不同；酵酵 母：母：pH 3.8pH 3.86.06.0细细 菌：菌：

34、pH 6.5pH 6.57.57.5霉霉 菌：菌：pH 4.0pH 4.05.85.8放线菌：放线菌：pH 6.5pH 6.58.08.0 pHpH不同，微生物代谢产物不同。不同，微生物代谢产物不同。 黑曲霉黑曲霉pHpH：2 23 3，柠檬酸，柠檬酸 发酵发酵pHpH：7.07.0，草酸发酵，草酸发酵谷氨酸菌谷氨酸菌pHpH：7 78 8，GAGA发酵发酵pHpH：5.05.05.85.8，谷氨酰胺发酵，谷氨酰胺发酵酿酒酵母酿酒酵母pHpH：4.5-5.04.5-5.03 3，乙醇，乙醇 发酵发酵pHpH：8.08.0，甘油发酵，甘油发酵pHpH在微生物培养的不同阶段有不同的影响在微生物培养

35、的不同阶段有不同的影响 生长生长合合成成pH对菌体生长影响比产物合成影响小对菌体生长影响比产物合成影响小例例 青霉素：菌体生长最适青霉素：菌体生长最适pH3.56.0,产物合成最适产物合成最适pH7.27.4 四环素：菌体生长最适四环素：菌体生长最适pH6.06.8，产物合成最适，产物合成最适pH5.86.0XpH 微生物生长和发酵的最适宜微生物生长和发酵的最适宜pHpH可能不同。可能不同。丙酮丁醇菌丙酮丁醇菌生长：生长：pH 5.5pH 5.57.0;7.0;发酵：发酵：pH 4.3-5.3;pH 4.3-5.3;链霉素菌链霉素菌生长：生长： pH 6.3-6.9pH 6.3-6.9发酵：发

36、酵： pH 6.7-7.3pH 6.7-7.3青霉素菌青霉素菌生长：生长：pH 6.5-7.2pH 6.5-7.2发酵：发酵：pH 6.2-6.8pH 6.2-6.8pHpH值值变变化化的的原原因因 微生物代谢活动分微生物代谢活动分泌酸或碱性物质泌酸或碱性物质利用培养基中的生利用培养基中的生理酸性盐或碱性盐理酸性盐或碱性盐几种抗生素合成的最适几种抗生素合成的最适PH值值 链霉素、红霉素：中偏碱性链霉素、红霉素：中偏碱性6.8-7.4 金霉素、四环素：金霉素、四环素：5.9-6.33 青霉素：青霉素：6.5-6.8pHpH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响

37、pHpH影响酶的活性影响酶的活性 pHpH影响微生物细胞膜所带电荷的状态影响微生物细胞膜所带电荷的状态 pHpH影响培养基某些组分和中间代谢产物离解影响培养基某些组分和中间代谢产物离解 pHpH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使不同，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代谢产物的质量和比例发生改变影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用，影响营养物的吸收对离子的渗透作用，影响营养物的吸收和代谢产物的分泌。和代谢产物的分泌。 例如：黑曲霉在例如：黑曲霉在pH2-3时，发酵产生柠檬酸，在时，发酵产生柠檬酸，在pH接近中性时，则产生

38、草酸。接近中性时，则产生草酸。 如：丙酮丁醇发酵中，发酵后期如：丙酮丁醇发酵中，发酵后期pH为为4.3-5.3时时积累丙酮丁醇，积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。丁酸、乙酸含量增加。举例：举例： 影响菌体的生长：影响菌体的生长：产黄曲霉的细胞壁的厚度就随产黄曲霉的细胞壁的厚度就随pH值的增值的增加而减小：其菌丝直径在加而减小：其菌丝直径在pH6.0时为时为23 m；pH7.4时为时为218 m，并呈膨胀酵母状；，并呈膨胀酵母状；pH值下降后菌丝形态又会值下降后菌丝形态又会恢复正常。恢复正常。 影响产物合成：影响产物合成：合成青霉素的最适合

39、成青霉素的最适pH值范围为值范围为6.56.8。 影响产物稳定性影响产物稳定性：-内酰胺抗生素沙纳霉素的发酵中，内酰胺抗生素沙纳霉素的发酵中，pH在在6.77.5之间时抗生素的产量相近，高于或低于这个范之间时抗生素的产量相近，高于或低于这个范围，合成受到抑制。在这个围，合成受到抑制。在这个pH值范围内，沙纳霉素的稳定值范围内，沙纳霉素的稳定性未受到严重影响；但性未受到严重影响；但pH7.5时，稳定性下降，半衰期缩时，稳定性下降，半衰期缩短，发酵单位也下降。青霉素在碱性条件下发酵单位低，短，发酵单位也下降。青霉素在碱性条件下发酵单位低，也与青霉素的稳定性有关。也与青霉素的稳定性有关。发酵过程中发

40、酵过程中pHpH的变化及影响的变化及影响pHpH变化的因素变化的因素发酵过程中pH的变化1 1）生长阶段）生长阶段 pHpH有上升或下降趋势（相对于接种后起始有上升或下降趋势（相对于接种后起始pHpH而言）而言）如：如：利福霉素利福霉素B B发酵起始发酵起始pHpH为中性，但生长初期由于菌为中性，但生长初期由于菌体产生的体产生的蛋白酶水解蛋白胨而生成铵离子蛋白酶水解蛋白胨而生成铵离子，使，使pHpH上升至上升至碱性；碱性；随着随着铵离子的利用及葡萄糖利用铵离子的利用及葡萄糖利用过程中产生的有机酸使过程中产生的有机酸使pHpH下降到酸性范围。下降到酸性范围。2 2）生产阶段）生产阶段 在生产阶段

41、，在生产阶段，pHpH趋于稳定，维持在最适趋于稳定，维持在最适 产物合成的范围产物合成的范围3 3）自溶阶段）自溶阶段 菌丝自溶阶段，随着基质的耗尽，菌体蛋白酶活菌丝自溶阶段，随着基质的耗尽，菌体蛋白酶活 跃，培养液中跃，培养液中氨基氮增加氨基氮增加，致使，致使pHpH上升，此时菌上升，此时菌 丝趋于自溶而代谢活动终止。丝趋于自溶而代谢活动终止。培养基中营养物质的代谢引起培养基中营养物质的代谢引起pH的变化的变化 培养基培养基pHpH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子氮源被利用后产生若阴离子氮源被利用后产生NHNH3 3，pHpH上升；有机上升；有机酸的积

42、累，使酸的积累，使pHpH下降。下降。 一般来说，一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性高碳源培养基倾向于向酸性pHpH转移转移，高氮源培养基倾向于向碱性，高氮源培养基倾向于向碱性pHpH转移，与转移，与碳氮比直接有关。碳氮比直接有关。 生理酸性物质和生理碱性物质的消耗生理酸性物质和生理碱性物质的消耗2 2、引起发酵液中、引起发酵液中pHpH变化的因素变化的因素 发酵过程中发酵过程中pHpH的变化取决于的变化取决于微生物的种类、微生物的种类、培养基的组成和发酵条件培养基的组成和发酵条件。 在菌体代谢过程中，菌体本身有建成其生长在菌体代谢过程中，菌体本身有建成其生长最适最适pHpH的能力，但外界条件

43、发生较大变化时，的能力，但外界条件发生较大变化时，pHpH将会不断波动。将会不断波动。 以产生利福霉素以产生利福霉素SV的地中海诺卡菌进行发酵研究，采的地中海诺卡菌进行发酵研究，采用用pH值为值为6.0、6.8、7.5三个出发值，结果发现：三个出发值，结果发现： pH值在值在6.8、7.5时，最终发酵时，最终发酵pH值都达到值都达到7.5左右，菌丝左右，菌丝生长和发酵单位都达到正常水平；生长和发酵单位都达到正常水平； pH值为值为6.0时，发酵中期时，发酵中期pH值只达值只达4.5，菌浓仅为，菌浓仅为20，发酵单位为零。发酵单位为零。 这说明菌体仅有一定的自调能力。这说明菌体仅有一定的自调能力

44、。v碳源过量碳源过量v消泡油添加过量消泡油添加过量v生理酸性物质的存在生理酸性物质的存在引起引起pHpH下降的因素下降的因素v氮源过多氮源过多v生理碱性物质的存在生理碱性物质的存在v中间补料，碱性物质添加过多中间补料，碱性物质添加过多引起引起pHpH上升的因素上升的因素原则：有利于原则：有利于菌体生长和产物的合成菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。一般根据实验结果确定。最适最适pHpH与菌株、培养基组成、发酵工艺与菌株、培养基组成、发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的制不同的pHpH范围。范围。最适最适pHpH的选择的选择 微生物微生物生

45、长阶段和产物合成阶段的最适生长阶段和产物合成阶段的最适pHpH往往不同往往不同，这不仅与菌种特性有关，也取决于产物的化学性质。这不仅与菌种特性有关，也取决于产物的化学性质。例如： 一般产生碱性抗生素的，如灰色链霉菌生产链霉一般产生碱性抗生素的，如灰色链霉菌生产链霉素、红色链霉菌产生红霉素，其合成产物的最适素、红色链霉菌产生红霉素，其合成产物的最适pHpH为为6.8-7.36.8-7.3，中性偏碱；而产生两性抗生素的，如金色，中性偏碱；而产生两性抗生素的，如金色链霉菌生产金霉素，其合成产物的最适链霉菌生产金霉素，其合成产物的最适pHpH为为5.9-6.3,5.9-6.3,弱酸性。弱酸性。 最适最

46、适pHpH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：种类型： 菌体比生长速率菌体比生长速率 和产物比生产速率和产物比生产速率Q QP P的最适的最适pHpH在一个相在一个相似的较宽的范围内（比较容易控制）；似的较宽的范围内（比较容易控制）； 较宽，较宽， Q Qp p范围较窄，或范围较窄，或 较窄，较窄， Q Qp p范围较宽（难控制，范围较宽（难控制，应严格控制）；应严格控制）； 和和 Q Qp p对对pHpH都很敏感，其最适都很敏感，其最适pHpH相同（应严格控制）；相同（应严格控制）； 更复杂，更复杂， 和和 Q Qp p对对pHpH都很敏感，并

47、有各自的最适都很敏感，并有各自的最适pHpH（难度难度最大）；最大）；v调节基础培养基的配方调节基础培养基的配方v调节碳氮比（调节碳氮比（C/NC/N）v添加缓冲剂添加缓冲剂v补料控制补料控制直接加酸加碱直接加酸加碱补加碳源或氮源补加碳源或氮源pHpH的控制的控制应应 用用青霉素发酵青霉素发酵 通过调节加糖速率来控制通过调节加糖速率来控制 pH值的方法，与值的方法，与恒速加糖和酸碱控制法相比，产量提高了恒速加糖和酸碱控制法相比，产量提高了1/4链霉素发酵链霉素发酵 补充氨控制补充氨控制pH值，控制的同时补充了产物值，控制的同时补充了产物合成所需的氨。合成所需的氨。pH的控制系统的控制系统pH电

48、极电极设定设定控制器控制器调节阀调节阀6.5pHUncontrolledControlled经消毒的经消毒的pHpH电极装入发酵罐电极装入发酵罐内，定时直接测定培养基的内，定时直接测定培养基的pHpH，同时还可以与控制仪表，同时还可以与控制仪表连接，通过回路系统控制阀连接，通过回路系统控制阀门或泵进行门或泵进行pHpH调节。调节。pH控制的常用方法控制的常用方法 配制合适的培养基配制合适的培养基 加入非营养基质的酸碱调节剂加入非营养基质的酸碱调节剂 加入基质性的酸碱调节剂加入基质性的酸碱调节剂 加入生理酸性盐或碱性盐基质加入生理酸性盐或碱性盐基质 把把pH的控制和代谢调节结合，通过补料控制的控

49、制和代谢调节结合，通过补料控制pH值的具体调节方法：值的具体调节方法： 1) 添加添加CaCO3。有机酸发酵时形成钙盐沉淀。有机酸发酵时形成钙盐沉淀。但是，碳酸钙用量大，消毒困难，易堵塞管道，但是，碳酸钙用量大，消毒困难，易堵塞管道，在操作上易引起染菌，而且对产物的提取有影在操作上易引起染菌，而且对产物的提取有影响。响。此法在工业上不使用。此法在工业上不使用。 2) 氨水流加法氨水流加法 3) 尿素流加法尿素流加法 尿素流加法：尿素流加法：味精厂多用。味精厂多用。 尿素首先被菌体尿酶分解成氨，氨进入发酵尿素首先被菌体尿酶分解成氨，氨进入发酵液，使液，使pHpH上升，当上升，当NHNH4 4+

50、+被菌体作为氮源消耗并形被菌体作为氮源消耗并形成有机酸时，发酵液成有机酸时，发酵液pHpH下降；下降； 随着尿素的补加，氨进入发酵液，又使随着尿素的补加，氨进入发酵液，又使发酵发酵液液pHpH上升及补充氮源上升及补充氮源，如此循环，致至发酵液中，如此循环，致至发酵液中碳源耗尽，完成发酵。碳源耗尽，完成发酵。 氨基酸发酵常用此法氨基酸发酵常用此法。这种方法既可以达到稳定。这种方法既可以达到稳定pH值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物质。生阻遏作用的物质。 少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏

51、作用，提，提高产物产量。即采用补料的方法，可以同时实现高产物产量。即采用补料的方法，可以同时实现补充补充营养、延长发酵周期、调节营养、延长发酵周期、调节pH值和培养液的特性值和培养液的特性(如菌如菌浓等浓等)等几个目的。等几个目的。 在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调pH没有矛盾时没有矛盾时采用补料调采用补料调pH，如，如 （1）调节补糖速率，调节空气流量来调节）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH (2) 当当NH2-N低，低，pH低时补氨水；当低时补氨水；当NH2-N低，低，pH高时高时补补(NH4)2SO4 当补料与调当补料与

52、调pH发生矛盾时，加酸碱调发生矛盾时，加酸碱调pH 应急措施：应急措施：改变搅拌改变搅拌转速或通气转速或通气量，以改变溶解氧浓度，控制有量，以改变溶解氧浓度，控制有机酸的积累量及其代谢速度；机酸的积累量及其代谢速度；改变温度改变温度，以控制微生物代谢速度；，以控制微生物代谢速度；改变罐压及通气量改变罐压及通气量，降低，降低COCO2 2的溶解量；的溶解量；改变加油或加糖量改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；等，调节有机酸的积累量； 分别在分别在4 4种缓冲介质中，于种缓冲介质中，于pH 6pH 65050一一9 95050测定天冬酰胺酶酶活力测定天冬酰胺酶酶活力1 1 甘氨酸介质甘氨酸介质

53、pH 8.00pH 8.00时酶活力最高；时酶活力最高；2 2 硼酸在硼酸在pH 8pH 85050，酶反应最快，酶反应最快3 3 磷酸磷酸在在pH 850，酶反应最快，酶反应最快4 Tris4 Tris在在pH 850，酶反应最快，酶反应最快酶活酶活1 12 24 43 3不同调不同调pHpH方法的影响方法的影响天冬酰胺酶天冬酰胺酶n大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑大多数发酵过程是好氧的，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：呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示： C6H 12O6 十十6O26H2O十十6CO2 n只有当这只有当这两种反应物均

54、溶于水后，才对菌体有用两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。n氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右倍左右(氧在水氧在水中的饱和度约为中的饱和度约为l0mg/L) 。许多发酵的生产能力受到许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。氧成为影响发酵效率的重要因素。三三 、氧对发酵的影响、氧对发酵的影响溶解氧的高低溶解氧的高低 供氧效率供氧效率 微生物细胞耗氧状况微生物细胞耗氧状况 在线监测发酵液中溶解氧的浓度，了在线监测发酵液中溶解氧的浓度，了解氧的解氧的供需规律及其对微生物生长和产供需规律及其对微生物生长和产物合成的影响

55、。物合成的影响。 在发酵罐内安装在发酵罐内安装溶氧电极溶氧电极测定测定 电极的要求电极的要求 耐高温、高压、长时间灭菌以及具有长耐高温、高压、长时间灭菌以及具有长期的稳定性，精度和准确度期的稳定性，精度和准确度3%左右左右菌体的代谢是受菌体的代谢是受发酵液中发酵液中溶氧浓度溶氧浓度的影响，依据总的影响，依据总需求来供氧是欠妥的。溶需求来供氧是欠妥的。溶氧浓度对比摄氧率氧浓度对比摄氧率( (Q QO2O2每每克干菌体每小时所消耗的克干菌体每小时所消耗的氧的毫摩尔数氧的毫摩尔数) )用米氏型曲用米氏型曲线表示。线表示。 Dissolved Oxygen ConcentrationQO2Ccriti

56、cal发酵过程的溶氧变化发酵过程的溶氧变化 发酵前期菌丝体大量繁殖，需氧量大于供氧，溶氧出现发酵前期菌丝体大量繁殖，需氧量大于供氧，溶氧出现一个低峰。一个低峰。 在生长阶段，产物合成期，需氧量减少，溶氧稳定，但在生长阶段，产物合成期，需氧量减少，溶氧稳定，但受补料、加油等条件大影响。受补料、加油等条件大影响。 补糖后，摄氧率就会增加，引起溶氧浓度的下降，经过补糖后，摄氧率就会增加，引起溶氧浓度的下降，经过一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度。如一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度。如继续补糖，又会继续下降，甚至引起生产受到限制。继续补糖，又会继续下降，甚至引起生产受到限制。 发

57、酵后期，由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度上升，发酵后期，由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度上升，一旦菌体自溶，溶氧浓度会明显上升一旦菌体自溶，溶氧浓度会明显上升发酵中溶氧异常下降的原因：发酵中溶氧异常下降的原因： 1 污染好气性杂菌，大量溶氧被消耗掉污染好气性杂菌，大量溶氧被消耗掉 2 菌体异常代谢菌体异常代谢 3 设备或者工艺控制发生故障，搅拌速度明显下设备或者工艺控制发生故障，搅拌速度明显下降、加消泡剂过多，引起溶氧下降。降、加消泡剂过多，引起溶氧下降。 发酵中溶氧异常上升的原因发酵中溶氧异常上升的原因 菌体异常代谢，污染烈性噬菌体，菌体破菌体异常代谢，污染烈性噬菌体，菌体破裂后完全失去呼吸

58、能力，溶氧就直接上升。裂后完全失去呼吸能力，溶氧就直接上升。 临界氧浓度临界氧浓度（C临临）：指不影响菌体呼吸所）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求。解氧浓度的最低要求。 可通过尾气中氧气含量的变化和通气量共同可通过尾气中氧气含量的变化和通气量共同测定，也可用测定，也可用溶氧电极测定溶氧电极测定 在发酵过程中加强通气搅拌，使溶氧在发酵过程中加强通气搅拌，使溶氧(DO)(DO)尽可能达到最大，停止通气，继续搅拌，尽可能达到最大，停止通气，继续搅拌，在罐顶部空间充氮，溶氧迅速下降，直线在罐顶部空间充氮，溶氧迅速下降，直线斜率绝对值开始减小时所处的溶氧值即为斜率绝对值开始减小时所处的溶氧值即为临界氧浓度临界氧浓度 发酵工业一般用空气饱和度（发酵工业一般用空气饱和度（% %）表示）表示DODO含含量的单位量的单位 某些微生物的临界氧浓度某些微生物的临界氧浓度微微 生生 物物 温度（温度（C）临界氧浓度临界氧浓度（mmol/L）固固