发酵条件及过程控制

1、第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制 发酵过程工艺控制的目的发酵过程工艺控制的目的 有一个好的菌种以后要有一个配合菌种有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来 目标是得到最大的比生产速率和最大的目标是得到最大的比生产速率和最大的生产率生产率发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制 微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络形式，微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络形式，比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的前体，

2、比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的前体，可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物，而这可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物，而这些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的差异些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的差异会引发代谢朝不同的方向进行。会引发代谢朝不同的方向进行。 因此对发酵过程的了解不能机械的，割裂的去认识，因此对发酵过程的了解不能机械的，割裂的去认识，而要从细胞代谢水平和反应工程水平全面的认识而要从细胞代谢水平和反应工程水平全面的认识 微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现在微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现在菌体量的大小影响产物量的多少，而且菌体生长

3、正常菌体量的大小影响产物量的多少，而且菌体生长正常与否，即前期的代谢直接影响中后期代谢的正常与否。与否，即前期的代谢直接影响中后期代谢的正常与否。特别是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性特别是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制 发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环境因素等等。因此发酵过程的控制具有不确定性和境因素等等。因此发酵过程的控制具有不确定性和复杂性。复杂性。 为了全面的认识发酵过程，首

4、先要告诉大家分析为了全面的认识发酵过程，首先要告诉大家分析发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子，发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子，说明如何综合分析发酵过程及进行优化放大。说明如何综合分析发酵过程及进行优化放大。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制发酵过程研究的方法和层次发酵过程研究的方法和层次研究方法研究方法 单因子实验：单因子实验：对实验中要考察的因子逐个进行试对实验中要考察的因子逐个进行试验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验优点：一次可以进行多种条件的实验，可以在较快优点：一次可以进行多种条

5、件的实验，可以在较快时间内得到的结果。时间内得到的结果。缺点：如果考察的条件多，实验时间会比较长。各缺点：如果考察的条件多，实验时间会比较长。各因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制 数理统计学方法：数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分运用统计学方法设计实验和分析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、均匀设计、响应面设计。均匀设计、响应面设计。 优点：同时进行多因子试验。用少量的实验，经优点：同时进行多因子试验。用少量的实验

6、，经过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，大大提高了实验效率。确，大大提高了实验效率。 但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存在较大的误差就会得出错误的结果。在较大的误差就会得出错误的结果。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制研究的层次研究的层次 初级层次的研究：初级层次的研究： 一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生长和代谢的一般

7、条件，如培养基的组成、最适温度、长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最适温度、最适最适pHpH等要求。等要求。 摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几十摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几十种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较高的效率。高的效率。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制代谢及工程参数层次研究：代谢及工程参数层次研究： 一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数，基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数，以

8、及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。 由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以得到的由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以得到的代谢情况比较可信。代谢情况比较可信。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制生产规模放大生产规模放大 在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优化条件在大型反应器上得以实现化条件在大型反应器

9、上得以实现, ,达到产业化的实达到产业化的实现。现。 一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同所致。时营养成分破坏程度不同所致。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制发酵工艺控制的基础发酵工艺控制的基础l了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模拟了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模拟l了解生物、物理、化学和工程的环境条件对

10、发酵了解生物、物理、化学和工程的环境条件对发酵过程的影响过程的影响如何进行控制如何进行控制l测定各种参数测定各种参数l依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程的各项最佳参数的各项最佳参数发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制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

11、 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 发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制感温元件 发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制热 电 偶导线发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及

12、过程控制温度显示仪表发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制罐压测量罐压测量就地指示式： 压力表压力表信号远传式： 压力信号转换器压力信号转换器电阻式、电容式、电感式、半导体式发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制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

13、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发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制发酵用复合pH电极溶氧电极溶氧电极发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制生

14、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 反映菌体发育阶段反映菌体发育阶段和正常与否和正常与否菌体浓度菌体浓度取样取样 ：干重、浊度、：干重、浊度、活菌计数、离心沉降活菌计数、离心沉降g L-1 影响菌体的生化反应影响菌体的生化反应Kla发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制 qP qS qo2 (OUR) CER(Co2释放速率) RQ(呼吸商: CER/ OUR) Yxs Yps Kla 等等 间接状态参数间接状态参数发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程

15、控制控制方式控制方式 一般检控系统包括一般检控系统包括3 3个部分。个部分。 1 1测定元件：如温度计、压力表、电流计、测定元件：如温度计、压力表、电流计、pHpH计计直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。 2 2控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指令执行元件进行调整控制。令执行元件进行调整控制。 3 3执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭有关阀门、泵、开关等调节控

16、制机构，使有关参数闭有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位置。达到预定位置。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制发发 酵酵 控控 制制Fermentation Control Sample AnalysispHDOSugarAmmoniaPhosphateSulphateProductsPrecursorsContaminationPressure probeLevel probepH probeTemp. probeDO probeAntifoamAcid/BaseCoolingAir/agitationSugar/Oilfeed发酵工程发酵工

17、程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制第一节第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制营养基质和菌体浓度的影响及其控制p种类：种类：葡萄糖p优点：优点： 吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量p缺点：缺点： 有些品种产生分解产物 阻遏效应。一、碳源的种类和浓度对发酵过程的影响及控制一、碳源的种类和浓度对发酵过程的影响及控制迅速利用的碳源迅速利用的碳源缓慢利用的碳源缓慢利用的碳源n种类：种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油n优点：优点： 不易产生分解产物 阻遏效应。 有利于延长次级代谢产物的分泌期n缺点：缺点：溶解度低，发酵液粘度大。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵

18、条件及过程控制发酵条件及过程控制 发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源的混合碳源。慢利用的碳源的混合碳源。 迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可解除葡萄糖效应。期，提高产量，并可解除葡萄糖效应。（一）碳源种类的控制（一）碳源种类的控制发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制（二）、碳源浓度的影响（二）、碳源浓度的影响S过小过小 CqP随随减小而减小减小而减小S过大过大 CX X COUR增大

19、增大CL CL CqP减小减小粘度增大粘度增大Kla减小减小产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。 发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度补料的类型：补料的类型： 流加流加 少量多次的加入少量多次的加入 多量少次的加入多量少次的加入发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制l残糖量残糖量lpHpH值值lQcQclX Xl粘度粘度l溶氧溶氧l尾气中尾气中O O2 2和和COCO2 2的含量的含量l发酵液的总体

20、积发酵液的总体积补糖的依据：补糖的依据：发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制l根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和并依据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。残糖等加以修正。l例：青霉素发酵开始补糖在残糖降至例：青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%, pH1.5%, pH开开始回升时补糖。补糖量以最高罐批经验量为参考。始回升时补糖。补糖量以最高罐批经验量为参考。l每小时每小时 前期前期040h 040h 中期中期4090h 4090h 后期后期9090以后以后

21、 l加糖量加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18% 补糖量的控制补糖量的控制经验法经验法发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制补糖量的控制补糖量的控制动力学方法动力学方法依据依据、 qP 、 qC等动力学参数等动力学参数 之间的关系，计算加糖量之间的关系，计算加糖量以次级代谢产物为例：以次级代谢产物为例：、 qP 、 qC之间的关系：之间的关系： X qp qCS控制原则：控制原则：以维持临界生长限制基质以维持临界生长限制基质浓度、临界菌体浓度和临浓度、临界菌体浓度和临界比生长速率为指标的基界比生长速率为指标的基质流加速

22、率与消耗速率的质流加速率与消耗速率的平衡。平衡。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制二、氮源的种类和浓度的影响及控制二、氮源的种类和浓度的影响及控制l种类：种类：氨水、铵盐和玉米浆l优点：优点： 易被菌体利用，明显促进菌体生长l缺点：缺点： 对于有些品种高浓度的铵离子抑制产物合成迅速利用的氮源迅速利用的氮源缓慢利用的氮源缓慢利用的氮源n种类：种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和棉子饼粉n优点：优点：利用缓慢，有利于延长次级代谢产物的分泌期。防止早衰。n缺点：缺点：溶解度低，发酵液粘度大。 发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制 发酵工业中常

23、采用含迅速利用的氮源和缓慢利发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源的混合氮源。用的氮源的混合氮源。 迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的氮源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自的氮源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。溶期。（一）氮源的种类对发酵的影响及控制（一）氮源的种类对发酵的影响及控制发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制（二）氮源的浓度对发酵的影响及控制（二）氮源的浓度对发酵的影响及控制补氮的依据：补氮的依据：残氮量、残氮量、pH值、菌体量值、菌体量 氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影

24、氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。响。氮源浓度的控制：氮源浓度的控制：p 控制基础培养基中的配比。控制基础培养基中的配比。p 通过补加氮源。通过补加氮源。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制补氮量的控制补氮量的控制经验法：经验法：l依据使依据使pHpH升高升高0.10.1而通入氨水的量来计算。而通入氨水的量来计算。l依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。l例：土霉素发酵例：土霉素发酵50m50m3 3发酵罐使发酵罐使pHpH升高升高0.10.1通氨量为通氨量为1010升。使氨基氮上升升。使氨基氮上升0.004%-0.0

25、05%0.004%-0.005%。动力学方法：动力学方法：通过通过q qN N、 q qP P ，计算每小时的补氮量。计算每小时的补氮量。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制（一）磷酸盐源的影响（一）磷酸盐源的影响l磷酸盐能明显促进产生菌的生长。（磷酸盐能明显促进产生菌的生长。（0.32-300mM0.32-300mM）对于次级代谢产物，高浓度的磷酸盐能抑制产物对于次级代谢产物，高浓度的磷酸盐能抑制产物合成。合成。 （10mM10mM以下）以下）三、磷酸盐浓度的影响和控制三、磷酸盐浓度的影响和控制发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控

26、制（二）磷酸盐浓度的控制（二）磷酸盐浓度的控制l一般在基础培养基中采用适宜浓度。一般在基础培养基中采用适宜浓度。l 对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。l一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷量一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷量达不到最适量。达不到最适量。l要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量。量。l当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌体生长。体生长

27、。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制l菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种类菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种类和自身的遗传特性有关和自身的遗传特性有关l菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的种菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的种类和浓度有关类和浓度有关 （ 正比于正比于S S ）n当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓度当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓度营养基质引起生长速率下降。菌体浓度的增加速度营养基质引起生长速率下降。菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的影响（生长速度）受环境条件的影响四、四、 菌体浓度的影响

28、及控制菌体浓度的影响及控制发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制以青霉素发酵为例以青霉素发酵为例qP / qPm / m1.0-1.0青霉素发酵的青霉素发酵的qP与与的关系的关系C C qP可维持在可维持在qPmax C qP随随减小而减小减小而减小 要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的比生长速率。比生长速率。 过高的比生长速率造成过高的菌体浓度，造成不利影响：过高的比生长速率造成过高的菌体浓度，造成不利影响：发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制过高的比生长速率和过高的

29、菌体浓度造成的不利影响过高的比生长速率和过高的菌体浓度造成的不利影响l过高，过高，S S消耗过快，有限的营养基质只能用消耗过快，有限的营养基质只能用于生长，而不足于产物合成。于生长，而不足于产物合成。l有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢途径，抑制产物合成。途径，抑制产物合成。lX X过高，增加过高，增加OUROUR，且发酵液粘度增大，减小，且发酵液粘度增大，减小OTROTR。CLCL减小，抑制菌体生长和产物合成。减小，抑制菌体生长和产物合成。最适最适为等于或稍大于为等于或稍大于C发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制青

30、霉素发酵的青霉素发酵的qP、OUR、OTR与与X的关系的关系1.0-X / Xm1.0OURqP / qPmOTRdp/dtXCOUR=OTR时的菌体浓时的菌体浓度为最适菌体浓度，度为最适菌体浓度， 在发酵过程中，控制目标为保持稳定的临界菌体浓度和在发酵过程中，控制目标为保持稳定的临界菌体浓度和临界比生长速率临界比生长速率，以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧速率与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率和比速率达速率与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率和比速率达到最大值。到最大值。 发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制生长速度和菌体浓

31、度的控制方法生长速度和菌体浓度的控制方法l确定基础培养基的适当配比，防止培养基过于确定基础培养基的适当配比，防止培养基过于丰富或过于稀薄。丰富或过于稀薄。l通过调节中间补料的速度和量来控制。通过调节中间补料的速度和量来控制。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制第二节第二节 温度的影响及其控制温度的影响及其控制温度对发酵的影响温度对发酵的影响影响各种酶促反应的速度影响各种酶促反应的速度酶活酶活温度温度发酵温度升高，生长代谢加快，生发酵温度升高，生长代谢加快，生产期提前。产期提前。发酵温度太高，菌体容易衰老，发发酵温度太高，菌体容易衰老，发酵周期缩短。酵周期缩短。改

32、变发酵液的物理性质：改变发酵液的物理性质：温度影响基质和氧的吸收速度温度影响基质和氧的吸收速度影响饱和溶氧浓度影响饱和溶氧浓度改变菌体代谢产物的合成方向改变菌体代谢产物的合成方向例：温度小于例：温度小于30，合成金霉素的能力强，合成金霉素的能力强温度等于温度等于35，只合成四环素，只合成四环素发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制一一 影响发酵温度变化的因素：影响发酵温度变化的因素：发酵热发酵热 =生物热生物热 + 搅拌热搅拌热 -蒸发热蒸发热 -显热显热 -辐射热辐射热生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量

33、。影响生物热的因素：与菌种遗传特性有关与菌龄有关：对数生长期生物热最大。与营养基质有关与产量有关搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。搅拌热=P 3600/V显热：发酵排气散发带走的热量。显热：发酵排气散发带走的热量。辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制l 培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。 生物的大小生物

34、的大小与呼吸作用强弱有关。与呼吸作用强弱有关。l 在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。产生热量较少。 菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。 培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐

35、减弱。 如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基营常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。养越丰富，生物热也越大。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制二、发酵最适温度选择二、发酵最适温度选择选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度，在

36、产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。温度。确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件。在较差确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件。在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利。培养基成通气条件下，降低发酵温度对发酵有利。培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制例：例：林可霉素发酵的变温培养林可霉素发酵的变温培养 问题的提出：接种后问题的提出：接种后10h10h左右已进入对数生长期，左右已进入对数生长期，随后是随后是10h10h左右的加速生长期，在左右的加速生长期，在40h40h左右对

37、数生左右对数生长期基本完成，在长期基本完成，在50h50h左右转入生产期左右转入生产期主要问题：主要问题：（1 1）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？（2 2）适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维）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持相当数量的有强生产能力的菌丝体存在发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制变温培养的正交设计变温培养的正交设计发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制 前前60h60h按按3131控制，缩短了适应期使发酵提前转入控制，缩短了适应

38、期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分泌抗生素提供了物质基础 6060小时后将罐温降至小时后将罐温降至3O3O使与抗生素合成有关的使与抗生素合成有关的酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分酶的活性增强，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泌期的延长有利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 使生产菌在生命使生产菌在生命的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。发酵工程发酵工程 第六章第六

39、章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制三、发酵温度的控制三、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发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制第三节第三节 pHpH的影响及控制的影响及控制一、一、pH对发酵的影响：对发酵的影响： 影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用，影响了营养物的吸收和代谢产物的的渗透

40、作用，影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。分泌。 影响菌体生长代谢的酶活性影响菌体生长代谢的酶活性 影响代谢产物的合成方向影响代谢产物的合成方向pHGrowth2-3 pH units发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制1 1、pHpH的变化决定于所用的生产菌：的变化决定于所用的生产菌：2 2、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pHpH的变化：的变化：l培养基培养基pHpH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若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阴离子氮源被利用后产生NHNH3 3 ，则，则pHpH上升；有机上升；有机酸的积累

41、，使酸的积累，使pHpH下降。下降。l一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性一般来说，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，这都跟碳氮转移，这都跟碳氮比直接有关。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二、影响发酵二、影响发酵pH变化的因素：变化的因素：发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制实例实例 pHpH对林可霉素发酵的影响对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液发酵液pHpH下

42、降，待有机酸被生产菌利用，下降，待有机酸被生产菌利用，pHpH上升。若不及上升。若不及时补糖、时补糖、(NH(NH4 4) )2 2SOSO4 4或酸，发酵液或酸，发酵液pHpH可迅速升到可迅速升到8.08.0以上，阻以上，阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵照罐发酵6666小时小时pHpH达达7.937.93，以后维持在，以后维持在8.08.0以上至以上至115115小时，小时，菌丝浓度降低，菌丝浓度降低，NHNH2 2-N-N升高，发酵不再继续。升高，发酵不再继续。 发酵发酵1515小时左右，小时左右，pHpH值可以

43、从消后的值可以从消后的6.56.5左右下降到左右下降到5.35.3，调节这一段的调节这一段的pHpH值至值至7.07.0左右，以后自控左右，以后自控pHpH，可提高发酵单，可提高发酵单位。位。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制例：培养基初始例：培养基初始pHpH值对漆酶分泌的影响值对漆酶分泌的影响pH在在47范围内产酶最高范围内产酶最高发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制l根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pHpHl同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生同一菌种根据不同阶段，生长期采用最

44、适生长的长的pHpH，在产物采用最适产物合成的，在产物采用最适产物合成的pHpH。三、最适三、最适pH的选择的选择发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制生长合成 pH 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 青霉素：菌体生长最适青霉素：菌体生长最适pH3.5-6.0,pH3.5-6.0,产物合成最产物合成最适适pH7.2-7.4pH7.2-7.4 四环素：菌体生长最适四环素：菌体生长最适pH6.0-6.8pH6.0-6.8，产物合成，产物合成最适最适pH5.8-6.0pH5.8-6.0XpH四环素四环素发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵

45、条件及过程控制发酵条件及过程控制四、四、pH的控制的控制采用合适的培养基配比采用合适的培养基配比lC C：N N合适合适l生理酸性物质和生理碱性物质比例合适生理酸性物质和生理碱性物质比例合适l添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐在发酵过程中直接补加酸或碱在发酵过程中直接补加酸或碱l过去流加硫酸或氢氧化钠，过去流加硫酸或氢氧化钠，l现采用补加氨水、尿素、硫酸铵现采用补加氨水、尿素、硫酸铵在发酵过程中调节补糖速度控制在发酵过程中调节补糖速度控制pHpH发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制几种具体情况的调节方法几种具体情况的调节方法当当pH低，氨基

46、氮含量低时低，氨基氮含量低时当当pH高，氨基氮含量低时高，氨基氮含量低时当当pH高，氨基氮含量高时高，氨基氮含量高时当当pH由于多加了削沫剂而下降时由于多加了削沫剂而下降时发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制pH的控制系统的控制系统pH电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pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制溶氧测定的意义溶氧测定的意义1 1、溶氧作为发酵中氧

47、是否足够的度量，了解菌对氧利、溶氧作为发酵中氧是否足够的度量，了解菌对氧利用的规律。用的规律。2 2、溶氧作为发酵异常情况的指示、溶氧作为发酵异常情况的指示 溶氧一反往常，在较短的时间内跌到零附近，且跌零溶氧一反往常，在较短的时间内跌到零附近，且跌零后长时间不回升，这很可能说明污染了好气菌后长时间不回升，这很可能说明污染了好气菌 如发酵过程中溶氧迅速回升，发酵液变稀，则很可能如发酵过程中溶氧迅速回升，发酵液变稀，则很可能是污染了噬菌体是污染了噬菌体3 3、溶氧作为发酵中间控制的手段之一、溶氧作为发酵中间控制的手段之一 补糖后，溶氧出现明显下降的趋势补糖后，溶氧出现明显下降的趋势 因此可利用溶氧

48、作为参数来控制加料的次数、流加速因此可利用溶氧作为参数来控制加料的次数、流加速度和加入量度和加入量4 4、溶氧作为考查设备、工艺条件对氧供需与产物形、溶氧作为考查设备、工艺条件对氧供需与产物形成影响的指标之一成影响的指标之一发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌适当溶解氧的选择适当溶解氧的选择 在好氧微生物反应中，一般取在好氧微生物反应中，一般取 DO DO DOcri DOcri 以保证反应的正常以保证反应的正常进行。进行。临界氧浓度是不影响菌的呼吸所允临界氧浓度是不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度。许的最低氧浓度。氧的满足度氧的

49、满足度 实际溶解氧浓度与临界氧浓度之比。实际溶解氧浓度与临界氧浓度之比。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制合适溶解氧选择的原则合适溶解氧选择的原则 如果要使菌体快速生长繁殖（如发酵前期），则应如果要使菌体快速生长繁殖（如发酵前期），则应达到临界氧浓度；如果要促进产物的合成，则应根据生达到临界氧浓度；如果要促进产物的合成，则应根据生产的目的不同，使溶解氧控制在最适浓度（不同的满足产的目的不同，使溶解氧控制在最适浓度（不同的满足度）度）例如：黄色短杆菌可生产多种氨基酸黄色短杆菌可生产多种氨基酸 ，但要求的氧浓度可能不同，但要求的氧浓度可能不同 对谷氨酸和天门冬氨酸

50、的生产，当溶解氧浓度低于临界对谷氨酸和天门冬氨酸的生产，当溶解氧浓度低于临界氧浓度时，氨基酸产量下降，也就是说要求氧的满足度氧浓度时，氨基酸产量下降，也就是说要求氧的满足度 = 1= 1 但对于苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的生产，则在低于临但对于苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的生产，则在低于临界氧浓度时获得最大生产能力，它们的最佳氧浓度分别为界氧浓度时获得最大生产能力，它们的最佳氧浓度分别为临界氧浓度的临界氧浓度的 0.550.55、0.660.66、0.850.85。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制发酵液中溶解氧的控制发酵液中溶解氧的控制 培养液中溶解氧浓度的任何变

51、化都是供需平培养液中溶解氧浓度的任何变化都是供需平衡的结果，因此调节发酵液中溶氧量不外乎从供、衡的结果，因此调节发酵液中溶氧量不外乎从供、需两方面考虑、着手需两方面考虑、着手发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制供氧方面供氧方面1 1）增加空气中氧的含量，使氧分压增加，进行富氧通气）增加空气中氧的含量，使氧分压增加，进行富氧通气 富氧空气制备： 深冷分离法深冷分离法 （可得（可得99.9%)99.9%) 吸附分离法吸附分离法 （吸去（吸去N N2 2和和COCO2 2) ) 膜分离法膜分离法 （有机物高分子膜；（有机物高分子膜；30%30%）成本高，易爆炸成本高，

52、易爆炸 ；但关键时期使用也是明智的；但关键时期使用也是明智的2 2）提高罐压）提高罐压 但同时会增加但同时会增加COCO2 2的溶解度（比氧气高的溶解度（比氧气高3030倍），倍），影响影响pHpH、可能会影响菌的代谢。、可能会影响菌的代谢。 一般一般0.30.31kg /cm1kg /cm2 23 3）改变通气速率）改变通气速率4 4）增加搅拌速度）增加搅拌速度发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制2、需氧方面 rO2=QO2X1 1）调整养料的浓度）调整养料的浓度 2 2）调节控制温度）调节控制温度Note ： 溶氧浓度必须与其它参数配合起来分析发酵工程发酵工

53、程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制 泡沫的定义：一般来说，泡沫是气体在液体中泡沫的定义：一般来说，泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系。的粗分散体，属于气液非均相体系。美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近气体，而不接近液体的近气体，而不接近液体的“气气/ /液液”分散体。分散体。 发酵过程起泡的利弊：气体分散、增加气液发酵过程起泡的利弊：气体分散、增加气液接触面积，但过多的泡沫是有害的接触面积，但过多的泡沫是有害的发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制第五节第五节 泡沫的影响及其控制泡沫

54、的影响及其控制一、泡沫形成的原因一、泡沫形成的原因1 1、气液接触、气液接触 因为泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡因为泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量的泡沫。气液接触大致有以下两类情况：的泡沫。气液接触大致有以下两类情况： （1 1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体入气体 （2 2）气体从液体内部产生。气体从液体内部）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，形成的泡沫一般气泡较小、较

55、稳定。产生时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制2 2、含助泡剂、含助泡剂 在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫，在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫，其寿命在其寿命在0.50.5秒之内，只能瞬间存在。摇荡纯溶剂不秒之内，只能瞬间存在。摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡。起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡。 在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质是助泡剂。当形

56、成气泡时，液体中出现气液种物质是助泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。与液体亲界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。用。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制3 3、起泡速度高于破泡速度、起泡速度高于破泡速度 起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自

57、由能上的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自由能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度因素。因素。 高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起泡程高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。 泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态；泡沫产生速度高于泡沫

58、破沫数量将维持在某一平衡状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。灭速度，泡沫量将不断增加。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制4 4、发酵过程泡沫产生的原因、发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度）通气搅拌的强烈程度 通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。应先开小通气量，养基成分丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。也可在基础再逐步加大。搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。料中加入消泡剂。

59、发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制（2）培养基配比与原料组成）培养基配比与原料组成 培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌。久，前期难开搅拌。 例：在例：在50L50L罐中投料罐中投料10L10L，成分为淀粉水解糖、，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900 rpm900 rpm，通气，通气，泡沫生成量为培养基的泡沫生成量为培养基的2 2倍。如培养基适当稀一倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易开搅拌。易开搅

60、拌。 发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制（3）菌种、种子质量和接种量）菌种、种子质量和接种量 菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量可以加大接种量 （4）灭菌质量）灭菌质量 培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。加消泡剂也无效。发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制二、