发酵工艺（课堂PPT）

1、1第七章 发酵过程的控制2主要的控制参数n1、pH值（酸碱度）n2、温度n3、溶解氧浓度n4、基质含量n5、空气流量n6、压力n7、搅拌转速n8、搅拌功率n9、黏度n10、浊度n11、料液流量n12、产物的浓度n13、氧化还原电位n14、废气中的氧含量n15、废气中的CO 2含量n16、菌丝形态n17、菌体浓度3 第一节 温 度 控 制n一、发酵热n伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热 n1、生物热n微生物在生长繁殖过程中，本身产生的热n2、搅拌热n Q搅拌=P 3061（kJ/h）4n3、蒸发热nQ蒸发=qm（H出-H进）， qm ：空气流量；I：气体热焓；n4、辐射热nQ发酵 = Q生物 +

2、 Q搅拌 - Q蒸发 - Q辐射5n二、发酵热的测量及计算n发酵热的测定可采用以下几种方法：n利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，根据n Q发酵 = qvC（t2 t1）/V； qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg ；V为发酵液体积，m36n利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率，根据nQ发酵 = （M1C1 + M2C2）V；nM1：发酵液质量 kg M2：发酵罐质量kgnC1 发酵液的比热容，kJ/kg C2 发酵罐的比热容， kJ/kg V为温度上升速率/hn热力学方法：反应物产物000ffHHH7n三、温度对

3、微生物生长的影响 不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类： 嗜冷菌适应于026生长，嗜温菌适应于1543 生长，嗜热菌适应于3765 生长，嗜高温菌适应于65 以上生长 8n影响酶的活性、影响细胞内各种反应速度n最低生长温度、最高生长温度、最适生长温度n在最适范围内生长速度随温度升高而增加，生长周期缩短n不同生长阶段的微生物对温度的反应不同9n四、温度对发酵的影响n1、影响反应速度n2、温度影响酶系的组成及酶的特性10n3、温度影响发酵的方向 四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于30 时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提

4、高，温度达到 35 时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。 4、温度还影响基质溶解度 在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。11n五、最适温度的控制1、根据菌种及生长阶段来选择n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。n如黑曲霉生长温度为37，n谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为3032 ，n青霉菌生长温度为30 。12n2、根据培养条件选择、根据培养条件选择n温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。n通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。n培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会

5、使菌过早自溶。13n3、根据菌生长情况、根据菌生长情况n 菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。n 总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度14例子：利用热冲击处理技术来提高甘油的产量n背景：n（1）酵母在比常规发酵温度髙1020的温度下经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。n（2）Lewis发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力n（3）Toshiro发现热冲击可使胞内3磷酸甘油脱氢酶的活力提高1525，并导致甘油产量提高15n实验：甘油

6、发酵是在髙渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量n正交条件A 冲击温度 （ ） 40，45，50n B 开始时机（h） 8，16，30n C 冲击时间（分） 15，30，60n结果发酵16小时，45冲击30分钟最佳，发酵96小时后甘油浓度提高32.6，n（A）16h,45,30minn（B）12h,45,30min161718 第二节 pH 值 的 控制n一、pH值对菌体生长和代谢产物合成的影响n菌种不同，对pH要求不同n菌种相同，pH不同，形成的产物不同n菌种生成和发酵的最适pH不同，形成的产物不同19pH对微生物生长繁殖和代谢产物形成影响的主要原因：1、影响原生质膜的性

7、质2、影响酶的活性3、影响营养物质和中间代谢产物的解离20n二、影响pH值变化的因素n1、基质代谢n（1）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一n（2）氮代谢 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。n（3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降21 2、产物形成 n 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。n3、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。22n三、发酵过程p

8、H值的调节及控制n1、调整培养基的组分n2、在发酵过程中进行控制n添加CaCO3： n氨水流加法 n尿素流加法 n3、通过补料调pHn4、当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH23例：例： 配制不同初始配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况的培养基，摇瓶考察发酵情况pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响24例子：不同调例子：不同调pH方法的影响方法的影响n分别在分别在4种缓冲介质中，于种缓冲介质中，于pH 650一一950测定天冬酰胺酶测定天冬酰胺酶酶活力酶活力n1 甘氨酸介质甘氨酸介质pH 8.00时酶活力时酶活力最高；最高；n2 硼酸在硼酸在pH 8.50，酶反应最快，酶反应

9、最快n3 磷酸在磷酸在pH 8.50，酶反应最快，酶反应最快n4 Tris在在pH 8.50，酶反应最快，酶反应最快n酶活酶活124325 不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。 “1”表示只加CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素联合控制pH值。异亮氨酸发酵异亮氨酸发酵26 不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于75时，菌体易于老化，呈现球状；当pH值低于65时菌体同样受抑制，易于老化。而在72左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在69左右时，菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优势。2728 pH6

10、9时，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值为7.15，到80h后pH值为7.25。产率22.27g/L，产酸率提高12.23。29 第 三 节 泡 沫 的 控 制n一、泡沫的性质n1、泡沫产生n通气搅拌；微生物代谢产生n2、泡沫带来的危害n减少发酵的有效容积n液体溢出，增加染菌机会n降低菌体利用率n影响通气搅拌 30n3、泡沫的性质n 泡沫实际上是气溶胶构成的胶体系统，其分散相是空气和代谢气，连续相是发酵液，泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通。31n二、发酵过程泡沫的变化n1

11、、通气和搅拌的影响n2、培养基组成的影响n3、菌体的影响n三、化学消泡n优点：来源广泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易实现自动控制n1、化学消泡机理n 消泡剂表面张力低，使气泡膜局部的表面张力降低，使得平衡受到破坏32n2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类n（1）选用依据：n表面活性剂n对气-液界面的散布系数必须足够大n无毒害性，且不影响发酵菌体；n不干扰各种测量仪表的使用；n在水中的溶解度较小n来源方便，成本低33n（2）消泡剂种类：n天然油脂；n高碳醇、脂肪酸和酯类；n聚醚类；n硅酮类；n3、消泡剂的应用和增效作用n消泡剂 + 载体n复合消泡剂n消泡剂 + 乳化剂34n四、机械消

12、泡n 1、消泡机理n 靠机械强烈振动、压力的变化，促使气泡破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收n2、优点n节省原料，减少由于消泡剂所引起的污染机会n3、缺点n需要一定的设备和消耗一定的动力n不能从根本上消除引起泡沫温定的因素35n4、机械消泡装置的选择依据n动力小；n结构简单；n易清洁；n运行可靠；n维护费用低；36n5、消泡方式n（1）罐内消泡n耙式消泡浆的机械消泡37n旋转圆板式的机械消泡38n流体吹入式消泡39n气体吹入管内吸引消泡40n冲击反射板消泡41n超声波消泡42n碟片式消泡器的机械消泡43n（2）罐外消泡n旋转叶片罐外消泡44n喷雾消泡45n离心力消泡46n旋风分离器

13、消泡47n转向板消泡48 第 四 节 补 料 的 控 制n补料培养（fedbatch culture，FBC）的优点:n1、可以解除底物抑止、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏n2、减少细胞对发酵液流变学的影响n3、控制细胞质量的手段n4、理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础49n一、FBC的作用n1、可以控制抑制性底物的浓度n2、可以解除或减弱分解代谢物的阻遏n3、可以使发酵过程最佳化50n二、补料的内容n（1）补充微生物能源和碳源n（2）补充菌体所需要的氮源n（3）加入某些微生物生长或合成所需要的微量元素或无机盐n（4）加入某些诱导酶的作用底物51n三、补料的原则n1、根据菌体本身

14、的遗传特性、生长代谢规律n2、根据生产需要n四、补糖的控制n1、补糖的时间n与培养基中的碳源种类、用量、消耗速度、前期发酵条件、菌种特性、种子质量等有关n2、补糖的方式和控制指标52n例：n方式A：12h补加 方式B：24h补加n方式C：12h开始，间隔8h 分4次补加n方式D：12h开始，间隔4h，分8次补加53n五、补充氮源和无机盐n方式A：发酵24h，一次性补充酵母粉 0.3gn方式B：于12h、24h、36h分次补加0.1n方式C：从12h后，每隔4h补加，共8次n方式D：从24h后，每隔4h补加，共6次54n在发酵30h，一次性加入0.1%、0.2、0.3、0.4的次黄嘌呤对鸟苷产量的影响55第五节 菌体浓度与基质对发酵的影响n一、菌体浓度对发酵的影响n菌体浓度与菌体生长速率直接相关n菌体浓度的大小影响产物的得率n 控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓度56n二、基质对发酵的影响及控制n1、碳源对发酵的影响及控制n 不同碳源对毛霉产蛋白酶的影响57n不同浓度麦芽糖对产酶的影响0200400600800100012001400空 白0.20%0.50%1%2%麦 芽 糖 浓 度酶活（u/g）中 性 条 件 下 酶 活碱 性 条 件 下 酶 活58n2、