第七章 发酵过程控制-2014

1、抗生素生产工艺抗生素生产工艺第七章第七章 发酵过程的控制发酵过程的控制关海燕关海燕生命科学技术学院发酵工程教研室生命科学技术学院发酵工程教研室抗生素生产工艺抗生素生产工艺2 发酵过程控制是发酵的重要部分，控制难点在于过程的不确定性和参发酵过程控制是发酵的重要部分，控制难点在于过程的不确定性和参数的非线性。数的非线性。 抗生素生产工艺抗生素生产工艺抗生素生产工艺抗生素生产工艺4发酵过程工艺控制的目的发酵过程工艺控制的目的一个好的菌种一个好的菌种一个配合菌种生长的最佳条件一个配合菌种生长的最佳条件 使菌种的潜能发挥出来使菌种的潜能发挥出来得到最大的比生产速率和最大的生产率得到最大的比生产速率和最大

2、的生产率抗生素生产工艺抗生素生产工艺5u发酵过程的种类发酵过程的种类u发酵过程的参数及其检测分析发酵过程的参数及其检测分析u发酵过程的代谢参数的影响及控制发酵过程的代谢参数的影响及控制目目 录录抗生素生产工艺抗生素生产工艺6第一节第一节 发酵过程的种类发酵过程的种类分批培养分批培养补料分批培养补料分批培养半连续培养半连续培养连续培养连续培养抗生素生产工艺抗生素生产工艺7一、分批发酵（一、分批发酵（batch culture or fermentation ） 在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质在一个密闭系统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，在特定的条后，接入少量的微

3、生物菌种进行培养，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。抗生素生产工艺抗生素生产工艺8迟滞期对数生长期稳 定 期死亡期分批培养中微生物的生长分批培养中微生物的生长抗生素生产工艺抗生素生产工艺9一、分批发酵（一、分批发酵（batch culture or fermentation ） 在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质在一个密闭系统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，在特定的条后，接入少量的微生物菌种进行培养，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。优点：优点：工艺流程

4、简单，发酵周期短，染菌机会工艺流程简单，发酵周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握。少，生产过程和产品质量容易掌握。缺点：缺点：产率低。产率低。抗生素生产工艺抗生素生产工艺10二、连续培养二、连续培养（continuous culture or fermentation ） 微生物培养到对数生长期时，在发酵罐微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物，使微生物细胞在近似恒定状态下生长谢物，使微生物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式。的培养方式。抗生素生产工艺抗生素生产工艺11优点：优点：控制稀释速率可以使发酵过程最

5、优化。控制稀释速率可以使发酵过程最优化。 发酵周期长，得到高的产量。发酵周期长，得到高的产量。缺点：缺点：长期连续培养会引起菌种退化长期连续培养会引起菌种退化,降低产量降低产量; 长时间补料染菌机会大大增加。长时间补料染菌机会大大增加。应用：应用：废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工业中。工业中。抗生素生产工艺抗生素生产工艺12三、补料分批培养三、补料分批培养(fed-batch culture) 介于分批培养和连续培养之间的操作方法。介于分批培养和连续培养之间的操作方法。根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培养的某些

6、阶段适当补加培养基，使菌体或其代养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其代谢产物的生产时间延长。谢产物的生产时间延长。 在工厂的实际生产中采用这种方法很多。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。 抗生素生产工艺抗生素生产工艺优点：优点： 与分批培养相比与分批培养相比(1)(1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。(2)(2)延长次级代谢产物的生产时间。延长次级代谢产物的生产时间。 与连续培养相比与连续培养相比(1)(1)降低了染菌。降低了染菌。(2)(2)最终产物浓度较高，有利于产物的分离。最终产物浓度较高，有利于产物的分离。(3)(3)使用范围广。使用范围广。

7、13抗生素生产工艺抗生素生产工艺 缺点：缺点：(1)(1)由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。速率的下降。(2)(2)由于物料的加入增加了染菌机会。由于物料的加入增加了染菌机会。 应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。14抗生素生产工艺抗生素生产工艺15四、半连续培养四、半连续培养：在补料分批培养的基础上间歇：在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液称为半连续培养。在某些抗生素放掉部分发酵液称为半连续培养。在某些抗生素的发酵中，比如：四环素发酵采取这种方式。的发酵中，比如：四环素发酵采取这种方式。

8、优点优点：放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代：放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。量。缺点缺点 ：代谢产生的前体物被稀释，下游工艺负：代谢产生的前体物被稀释，下游工艺负担加重。担加重。抗生素生产工艺抗生素生产工艺16第二节第二节 发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数生产控制代谢参数代谢参数抗生素生产工艺抗生素生产工艺17u物理参数：物理参数：温度、压力、搅拌转速、空气流量温度、压力、搅拌转速、空气流量、黏度、浊度、料液流量等；、黏度、浊度、料液流量等；u化学参数：化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷

9、）、基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、产物浓度、溶解氧、废气中的氧浓度和、产物浓度、溶解氧、废气中的氧浓度和CO2浓浓度等；度等；u生物参数：生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、酶活力等。速率、呼吸强度、基质消耗速率、酶活力等。一、代谢参数的分类一、代谢参数的分类抗生素生产工艺抗生素生产工艺18二、从检测手段分类二、从检测手段分类u直接参数：直接参数： 通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温度、温度、pH、残糖等、残糖等u间接参数：间接参数： 将直接参数经过计算得到的参数将直接参数经过计

10、算得到的参数抗生素生产工艺抗生素生产工艺19直接参数：直接参数：u在线检测参数：指不经取样直接从发酵罐上安在线检测参数：指不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参数，如温度、装的仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌转、搅拌转速等；速等；u离线检测参数：指取出样后测定得到的参数，离线检测参数：指取出样后测定得到的参数，如残糖、菌体浓度等。如残糖、菌体浓度等。抗生素生产工艺抗生素生产工艺20在线检测 离线检测 抗生素生产工艺抗生素生产工艺21第三节第三节 发酵过程代谢参数的影响及控制发酵过程代谢参数的影响及控制菌体浓度、温度、菌体浓度、温度、pH、基质（碳源、氮源、磷酸盐）、基质（碳源、氮源、磷

11、酸盐）、溶解氧、溶解氧、CO2、补料、补料抗生素生产工艺抗生素生产工艺菌体浓度与菌体的比生长速率呈正相关：菌体浓度与菌体的比生长速率呈正相关：比生长比生长速率大的菌体，菌浓增长迅速，反之就缓慢。速率大的菌体，菌浓增长迅速，反之就缓慢。菌体比生长速率与微生物的种类，自身的遗传特菌体比生长速率与微生物的种类，自身的遗传特性有关。性有关。例：细菌，酵母，霉菌，原生动物的倍增例：细菌，酵母，霉菌，原生动物的倍增时间分别是时间分别是45min，90min，3h，6h。菌体的增长还与营养基质的种类和浓度，和环境菌体的增长还与营养基质的种类和浓度，和环境条件的影响有关。条件的影响有关。菌浓的大小对发酵产物的

12、得率有着重要的影响。菌浓的大小对发酵产物的得率有着重要的影响。 一、菌体浓度（菌浓）的影响及控制一、菌体浓度（菌浓）的影响及控制22抗生素生产工艺抗生素生产工艺 在发酵过程中，控制目标为：在发酵过程中，控制目标为：保持稳保持稳定的临界菌体浓度和临界比生长速率，定的临界菌体浓度和临界比生长速率，以以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧速率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，与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率从而使产物合成速率达到最大值。达到最大值。23抗生素生产工艺抗生素生产工艺生长速度和菌体浓度的控制方法：生长速度和菌体浓度的控制方法： 菌体的生长速率在一定的培养条件下主菌体的

13、生长速率在一定的培养条件下主要受营要受营养基质浓度的影响，养基质浓度的影响，所以：所以：调节培养基质的浓度调节培养基质的浓度来控制菌体浓度；来控制菌体浓度；确定培养基的最佳配比确定培养基的最佳配比使菌体浓度能够达到最使菌体浓度能够达到最佳值；佳值；通过通过中间的补料中间的补料工艺来控制，通过各种检测手工艺来控制，通过各种检测手段来监测微生物细胞所缺少的营养物质的种类，段来监测微生物细胞所缺少的营养物质的种类，加以调节。加以调节。24抗生素生产工艺抗生素生产工艺种类种类：葡萄糖：葡萄糖优点优点：吸收快，利用快，：吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌能迅速参加代谢合成菌体和产生能量。体和产生能量。

14、缺点缺点：有些品种存在分解：有些品种存在分解产物引发阻遏效应。产物引发阻遏效应。1.碳源的种类和浓度的影响及控制碳源的种类和浓度的影响及控制速效碳源速效碳源种类种类：淀粉、乳糖、蔗：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖等糖、麦芽糖等优点优点：不易产生分解产：不易产生分解产物阻遏效应，有利于延物阻遏效应，有利于延长次级代谢产物的合成。长次级代谢产物的合成。缺点缺点：溶解度低，发酵：溶解度低，发酵液粘度大。液粘度大。迟效碳源迟效碳源二、基质的影响及控制25抗生素生产工艺抗生素生产工艺 发酵工业中常将发酵工业中常将速效碳源和迟效碳源按照一定速效碳源和迟效碳源按照一定配比混合配比混合，作为碳源。这样可延长合成期，

15、提高，作为碳源。这样可延长合成期，提高产量，并可解除葡萄糖效应产量，并可解除葡萄糖效应。碳源种类的控制碳源种类的控制26抗生素生产工艺抗生素生产工艺碳源浓度的控制碳源浓度的控制在发酵过程中，控制碳源浓度补料的类型：在发酵过程中，控制碳源浓度补料的类型：1、连续培养、连续培养2、少量多次的加入、少量多次的加入3、多量少次的加入、多量少次的加入经验法：经验法：补糖的依据补糖的依据：残糖量，：残糖量，pH值，菌体粘度，溶氧，值，菌体粘度，溶氧，尾气中尾气中O2和和CO2的含量，发酵液的总体积等参数。的含量，发酵液的总体积等参数。27抗生素生产工艺抗生素生产工艺2、氮源的种类和浓度的影响及控制、氮源的

16、种类和浓度的影响及控制种类种类：氨水、铵盐和玉：氨水、铵盐和玉米浆米浆优点优点：易被菌体利用，：易被菌体利用，明显促进菌体生长。明显促进菌体生长。缺点缺点：对于有些品种高：对于有些品种高浓度的铵离子抑制产物浓度的铵离子抑制产物合成。合成。速效的氮源速效的氮源迟效氮源迟效氮源种类种类：黄豆饼粉、花生饼粉：黄豆饼粉、花生饼粉和棉子饼粉和棉子饼粉优点优点：利用缓慢，有利于延：利用缓慢，有利于延长次级代谢产物的分泌期；长次级代谢产物的分泌期；防止早衰。防止早衰。缺点缺点：溶解度低，发酵液粘：溶解度低，发酵液粘度大。度大。28抗生素生产工艺抗生素生产工艺 发酵工业中常发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓

17、慢利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。迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长长繁殖，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。合成期，延缓自溶期。氮源的种类控制氮源的种类控制29抗生素生产工艺抗生素生产工艺补氮的依据：残氮量、补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量值、菌体量 氮源浓度的控制：氮源浓度的控制： 控制基础培养基中的配比，通过补加氮源控控制基础培养基中的配比，通过补加氮源控 制微生物生长。制微生物生长。30抗生素生产工艺抗生素生产工艺 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

18、的生长（0.32-300mM）：）： 对于次级代谢产物，所允许的磷对于次级代谢产物，所允许的磷的最适浓的最适浓0.1mM，提高到，提高到10mM就会明显的抑就会明显的抑制代谢产物的合成。制代谢产物的合成。3、 磷酸盐的影响和控制磷酸盐的影响和控制31抗生素生产工艺抗生素生产工艺磷酸盐浓度的控制磷酸盐浓度的控制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。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。 磷酸盐的磷酸盐的最适浓度最适浓度取决于取决于菌种特性菌种特性

19、、培养条培养条件件、培养基组成培养基组成和和来源来源等因素，必须结合具体条等因素，必须结合具体条件来调节，并且，培养基中的一些离子成分也会件来调节，并且，培养基中的一些离子成分也会影响代谢产物的生成。影响代谢产物的生成。32抗生素生产工艺抗生素生产工艺33三、温度对发酵的影响及控制三、温度对发酵的影响及控制 1.影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质 最适生长温度 最适生产温度 温度的变化对发酵可产生的影响温度的变化对发酵可产生的影响抗生素生产工艺抗生素生产工艺342.影响发酵液的物理性质影响发酵液的物理性质 温度影响基质的溶解度、发酵液的粘度、氧温度影响基质的溶

20、解度、发酵液的粘度、氧在发酵液中的溶解度、氧的传递速率以及某些基在发酵液中的溶解度、氧的传递速率以及某些基质的分解和吸收速率，进而影响发酵的动力学特质的分解和吸收速率，进而影响发酵的动力学特性和产物的合成。性和产物的合成。抗生素生产工艺抗生素生产工艺353.影响菌体代谢产物的合成方向影响菌体代谢产物的合成方向 例：采用金霉素链霉菌例：采用金霉素链霉菌NRRLB-12887进行四环素进行四环素的发酵，温度小于的发酵，温度小于30，合成金霉素的能力强，随，合成金霉素的能力强，随着发酵温度的提高有利于四环素的合成，温度等于着发酵温度的提高有利于四环素的合成，温度等于35，只合成四环素，金霉素的合成几

21、乎停止。，只合成四环素，金霉素的合成几乎停止。抗生素生产工艺抗生素生产工艺温度的控制温度的控制1、最适温度的选择、最适温度的选择 作为次级代谢产物的抗生素，微生物发酵其作为次级代谢产物的抗生素，微生物发酵其最适菌体生长温度和最适抗生素合成温度往往存最适菌体生长温度和最适抗生素合成温度往往存在差异。在差异。 如在如在2%乳糖、乳糖、2%玉米浆和无机盐的培养基玉米浆和无机盐的培养基中对青霉素产生菌进行发酵研究，测得菌体的最中对青霉素产生菌进行发酵研究，测得菌体的最适生长温度为适生长温度为30 ，而青霉素合成的最适温度又，而青霉素合成的最适温度又为为24.7 。36抗生素生产工艺抗生素生产工艺 因此

22、发酵温度的确定，在理论上，因此发酵温度的确定，在理论上，整个发整个发酵过程中不应只选一个培养温度，而应根据不酵过程中不应只选一个培养温度，而应根据不同的阶段，选择不同的温度。同的阶段，选择不同的温度。即工业发酵中多即工业发酵中多实行实行变温控制变温控制：在生长阶段，应选择最适生长在生长阶段，应选择最适生长温度，在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。温度，在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。37抗生素生产工艺抗生素生产工艺38放罐产量比在放罐产量比在25 恒温培养提高恒温培养提高14.7青霉素发酵试验青霉素发酵试验 30 培养培养5 h20 培养培养85 h25 培养40 h25 培养培养35 h

23、抗生素生产工艺抗生素生产工艺2、温度的控制、温度的控制 由于发酵过程中释放大量发酵热，一般不需由于发酵过程中释放大量发酵热，一般不需加热，需要冷却的情况多。加热，需要冷却的情况多。Q Q发酵发酵Q Q生物生物Q Q搅拌搅拌Q Q蒸发蒸发Q Q辐射辐射39抗生素生产工艺抗生素生产工艺 在发酵罐上安装夹套在发酵罐上安装夹套和蛇罐，通过循环冷却水和蛇罐，通过循环冷却水控制。控制。冷却介质：深井水或冷冻水冷却介质：深井水或冷冻水40抗生素生产工艺抗生素生产工艺1、pH变化的原因变化的原因(1)基质代谢基质代谢 糖代谢糖代谢:糖分解成小分子酸、醇，使糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏下降。糖缺乏，

24、pH上升，是补料的标志之一。上升，是补料的标志之一。氮代谢氮代谢:氨基酸中的氨基酸中的-NH2被利用，被利用，pH下降；尿素被分下降；尿素被分解成解成NH3，pH上升。上升。生理酸碱性物质利用后，生理酸碱性物质利用后，pH上升或下降。上升或下降。(2)产物形成产物形成(3)菌体自溶菌体自溶 氨基氮含量增加，氨基氮含量增加，pH上升上升四、四、pH对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制 41抗生素生产工艺抗生素生产工艺2、pH对发酵的影响对发酵的影响 pH值会影响到微生物值会影响到微生物细胞原生质膜的电荷细胞原生质膜的电荷，使细胞原生，使细胞原生质膜发生变化，引起原生质膜对个别离子渗透性的改变，质

25、膜发生变化，引起原生质膜对个别离子渗透性的改变，从而影响到微生物对培养基中一些营养物质的吸收利用以从而影响到微生物对培养基中一些营养物质的吸收利用以及代谢产物的渗漏，进而影响到微生物的生长和新陈代谢及代谢产物的渗漏，进而影响到微生物的生长和新陈代谢的正常进行。的正常进行。 pH值会直接值会直接影响到微生物细胞内的酶活性影响到微生物细胞内的酶活性，在合适的，在合适的pH值下，微生物细胞中的酶才能发挥最大的活性。值下，微生物细胞中的酶才能发挥最大的活性。 pH值会影响到值会影响到培养基中某些重要的营养物质培养基中某些重要的营养物质和和中间代谢中间代谢产物的解离产物的解离，从而影响微生物对这些物质的

26、吸收和利用。，从而影响微生物对这些物质的吸收和利用。42抗生素生产工艺抗生素生产工艺3、pH值的确定和控制值的确定和控制（1 1）pHpH的确定的确定 微生物发酵的最适微生物发酵的最适pHpH范围一般在范围一般在5 5 8 8之间，根据不同之间，根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适菌种的生理特性，确定不同的最适pHpH值；同一菌种根据不值；同一菌种根据不同阶段，菌体生长期和产物合成时期分别采用各自的最适同阶段，菌体生长期和产物合成时期分别采用各自的最适生长的生长的pHpH。例如例如: :Aspergillus niger（黑曲霉）在（黑曲霉）在pH22.5范围时范围时有利于合成柠檬酸，当在有

27、利于合成柠檬酸，当在pH2.56.5范围内时以菌体生长范围内时以菌体生长为主，而在为主，而在pH7.0时，则以合成草酸为主。时，则以合成草酸为主。 43抗生素生产工艺抗生素生产工艺(2)pH(2)pH的控制的控制 调节好基础培养基的调节好基础培养基的pH:pH:若控制消后若控制消后pHpH在在6.06.0，消前消前pHpH往往要调到往往要调到6.56.5 6.86.8。通过加酸碱和中间补料来控制。通过加酸碱和中间补料来控制。44抗生素生产工艺抗生素生产工艺（2 2）pHpH的控制的控制调节培养基的原始调节培养基的原始pH值值，或，或加入缓冲溶液加入缓冲溶液制成缓制成缓冲能力强、冲能力强、pH值

28、变化不大的培养基。值变化不大的培养基。可在发酵过程中可在发酵过程中加入弱酸或弱碱加入弱酸或弱碱进行进行pH值的调节，值的调节，进而合理地控制发酵条件。进而合理地控制发酵条件。如果仅用酸或碱调节如果仅用酸或碱调节pH值不能改善发酵情况时，值不能改善发酵情况时，进行补料进行补料是一个较好的办法。通过补料调节是一个较好的办法。通过补料调节pH值值来提高发酵产率的方法已在工业发酵过程中取得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。了明显的效果。45抗生素生产工艺抗生素生产工艺a.a.过去直接加酸（过去直接加酸（H H2 2SOSO4 4）或碱（）或碱（NaOHNaOH），现常用：），现常

29、用： 生理酸性物质：生理酸性物质：(NH(NH4 4) )2 2SOSO4 4 生理碱性物质：氨水生理碱性物质：氨水b.b.补料既调节了补料既调节了pHpH值，又补充了营养，还可减少阻值，又补充了营养，还可减少阻 遏作用。遏作用。如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用: : 调节调节pHpH值值 补充氮源补充氮源46抗生素生产工艺抗生素生产工艺 在抗生素生产的有氧发酵中，保证足量的溶在抗生素生产的有氧发酵中，保证足量的溶解氧浓度是发酵控制的主要因素之一。因此必须解氧浓度是发酵控制的主要因素之一。因此必须不断地向培养液供给足够的氧，以满足微生物生不断地向培养

30、液供给足够的氧，以满足微生物生长代谢的需求。长代谢的需求。五、五、 溶解氧（溶解氧（DO）的影响及其控制）的影响及其控制47抗生素生产工艺抗生素生产工艺 氧在水中的溶解度很小，在氧在水中的溶解度很小，在25和和1105Pa时，空气中的氧在水中溶解度仅时，空气中的氧在水中溶解度仅0.25mol/m3左右左右,能维持微生物菌体能维持微生物菌体1520s的正常呼吸，随之就会的正常呼吸，随之就会耗尽。耗尽。 在实验室中，通过摇瓶机的往复运动对摇瓶在实验室中，通过摇瓶机的往复运动对摇瓶中的微生物供氧，而中的微生物供氧，而中间实验规模和生产规模的中间实验规模和生产规模的培养装置则需采用通入无菌空气并同时进

31、行搅拌培养装置则需采用通入无菌空气并同时进行搅拌的方式对微生物供氧。的方式对微生物供氧。48抗生素生产工艺抗生素生产工艺溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。（一）供氧方面：（一）供氧方面： 1.1.调节搅拌转速调节搅拌转速 2.2.调节通气速率调节通气速率49抗生素生产工艺抗生素生产工艺（二）需氧方面：（二）需氧方面： 1.1.菌体浓度和菌龄菌体浓度和菌龄 2.2.基质种类和浓度基质种类和浓度 以菌浓影响最明显。以菌浓影响最明显。 3.3.培养条件培养条件 控制方法：通过控制基质浓度。控制方法：通过控制基质浓度。50抗生素生产工艺抗生素生产工艺51抗生素生产

32、工艺抗生素生产工艺温度传感器、耐高温温度传感器、耐高温pHpH和溶氧（和溶氧（DODO）传感器）传感器52抗生素生产工艺抗生素生产工艺 CO2是微生物代谢过程的产物，对微生物的生是微生物代谢过程的产物，对微生物的生长有长有刺激或抑制作用刺激或抑制作用。 环状芽孢杆菌等菌的发芽孢子开始生长时，需环状芽孢杆菌等菌的发芽孢子开始生长时，需要要CO2，称为，称为CO2效应；当效应；当CO2在排气中的浓度达在排气中的浓度达到到4时，菌体的代谢和呼吸速率都下降，发酵液时，菌体的代谢和呼吸速率都下降，发酵液中中CO2的浓度达到的浓度达到1.610-2mol/ml时，酵母菌的生时，酵母菌的生长就会受到严重的抑

33、制作用。长就会受到严重的抑制作用。六、六、 CO2的影响及其控制的影响及其控制53抗生素生产工艺抗生素生产工艺 产青霉素的产黄青霉生长，随着产青霉素的产黄青霉生长，随着CO2含量的升含量的升高，菌丝形态由丝状逐渐膨胀变得短粗，菌丝继高，菌丝形态由丝状逐渐膨胀变得短粗，菌丝继续升高时，变为球形或酵母状细胞；青霉素的合续升高时，变为球形或酵母状细胞；青霉素的合成受到阻碍。成受到阻碍。 牛链球菌发酵生产多糖时，需要通入含牛链球菌发酵生产多糖时，需要通入含5 CO2的无菌空气。的无菌空气。54抗生素生产工艺抗生素生产工艺CO2控制 CO2在发酵液中的浓度变化没有一定的规律可在发酵液中的浓度变化没有一定

34、的规律可循：由于在发酵罐底部压力较大，因而下部的循：由于在发酵罐底部压力较大，因而下部的CO2溶解度较高形成碳酸盐，容易阻碍菌体的呼吸和产溶解度较高形成碳酸盐，容易阻碍菌体的呼吸和产物的生成。物的生成。 一般情况下通过通气和搅拌速率来调节一般情况下通过通气和搅拌速率来调节CO2的的浓度：降低通气量和搅拌速率有利于提高浓度：降低通气量和搅拌速率有利于提高CO2在发在发酵液中的浓度。酵液中的浓度。55抗生素生产工艺抗生素生产工艺56七、泡沫的形成及控制七、泡沫的形成及控制 1.泡沫的性质泡沫的性质 泡沫是气体被分散在少量泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被液体中的胶体体系。泡沫间被一层

35、液膜隔开而彼此不相连通一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。体，连续相是发酵液。抗生素生产工艺抗生素生产工艺572.泡沫形成的原因泡沫形成的原因由外界引进的气流被机械地分散形成由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；（通风、搅拌）；发酵过程中产生的气体聚结生成（发发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。泡性物质）。抗生素生产工艺抗生素生产工艺58降低发酵设备的利用率降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了菌群的非均一性泡沫过多时形成大量逃液泡沫过多时形成大量逃液增加

36、了染菌的机会增加了染菌的机会导致产物的损失导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难消泡剂会给后提取工序带来困难3.泡沫对发酵的影响泡沫对发酵的影响 抗生素生产工艺抗生素生产工艺594.泡沫的控制泡沫的控制调整培养基成分（如少加或缓加易起泡的原调整培养基成分（如少加或缓加易起泡的原材料）材料）改变某些物理化学参数（如改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通值、温度、通气和搅拌）气和搅拌）改变发酵工艺（采用分批投料）改变发酵工艺（采用分批投料）抗生素生产工艺抗生素生产工艺60（1）机械消泡）机械消泡(mechanical defoaming) 利用机械搅拌或压力变化而使泡沫破裂的物理消沫利用机械

37、搅拌或压力变化而使泡沫破裂的物理消沫方法方法 。罐内罐内消泡消泡 罐外罐外消泡消泡 靠罐内消泡浆转动打碎泡沫。靠罐内消泡浆转动打碎泡沫。将泡沫引出罐外，通过喷嘴的将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离心力来消除泡沫。加速作用或离心力来消除泡沫。抗生素生产工艺抗生素生产工艺61优点优点1.不需要引进外源物质如消泡剂，从而节省原料；不需要引进外源物质如消泡剂，从而节省原料；2.减少染菌机会；减少染菌机会；3.不会增加下游提取工艺的负担。不会增加下游提取工艺的负担。 抗生素生产工艺抗生素生产工艺62（2）消泡剂消泡）消泡剂消泡(defoamer) 利用外界加入消泡剂，使气泡破裂的化学消利用外界加入消

38、泡剂，使气泡破裂的化学消泡方法。泡方法。降低泡沫液膜的机械强度降低泡沫液膜的机械强度降低泡沫的表面黏度降低泡沫的表面黏度抗生素生产工艺抗生素生产工艺63消泡剂 天然天然油脂类油脂类 高碳醇、脂高碳醇、脂肪酸和酯类肪酸和酯类 聚醚类聚醚类 硅酮类硅酮类 抗生素生产工艺抗生素生产工艺八、补料的作用及其控制八、补料的作用及其控制1、补料分批培养、补料分批培养（FBC）作用作用补料分批培养对微生物发酵有下列几个基本作用：补料分批培养对微生物发酵有下列几个基本作用：（1）可以控制抑制性底物的浓度）可以控制抑制性底物的浓度 在许多发酵过程中，微生物的生长是受到基在许多发酵过程中，微生物的生长是受到基质浓度

39、的影响。要想得到高密度的生物量，需要质浓度的影响。要想得到高密度的生物量，需要投入几倍的基质。再增加底物浓度，就可能发生投入几倍的基质。再增加底物浓度，就可能发生一种基质抑制区，迟滞期延长，比生长速率减小，一种基质抑制区，迟滞期延长，比生长速率减小，菌浓下降等，所以高浓度营养物对大多数微生物菌浓下降等，所以高浓度营养物对大多数微生物生长是不利的。生长是不利的。64抗生素生产工艺抗生素生产工艺（2）可以解除或减弱分解代谢产物阻遏）可以解除或减弱分解代谢产物阻遏 在微生物合成初级或次级代谢产物中，有些在微生物合成初级或次级代谢产物中，有些合成酶受到易利用碳源或氮源的阻遏，特别是葡合成酶受到易利用碳

40、源或氮源的阻遏，特别是葡萄糖，它能够阻抑多种酶或产物的合成，如青霉萄糖，它能够阻抑多种酶或产物的合成，如青霉素、赤霉素等。这种阻遏作用不是葡萄糖的直接素、赤霉素等。这种阻遏作用不是葡萄糖的直接作用，而是由葡萄糖的分解代谢产物引起的。通作用，而是由葡萄糖的分解代谢产物引起的。通过补料来限制基质的浓度，就可解除酶或其代谢过补料来限制基质的浓度，就可解除酶或其代谢产物合成受阻，提高产量。产物合成受阻，提高产量。（3）可以使发酵过程最佳化）可以使发酵过程最佳化 利用利用FBC技术，可以技术，可以使菌种保持在最大生产力的状态。使菌种保持在最大生产力的状态。65抗生素生产工艺抗生素生产工艺2、补料分批培养的补料方式和控制、补料分批培养的补料方式和控制补料方式：连续流加、不连续流加、多周期流加。补料方式：连续流加、不连续流加、多周期流加。每次流加方式：快速流加、恒速流加、每次流加方式：快速流加、恒速流加、 指数速率流加、变速流加。指数速率流加、变速流加。3、补料内容、补料内容1、基础培养基、基础培养基2、碳源、碳源 补糖（葡萄糖）补糖（葡萄糖）3、氮源、氮源 补充有机氮源、通氨、尿素补充有机氮源、通氨、尿素4、微量元素、微量元素