第六章_發(fā)酵條件及工藝控制

1、發(fā)酵工藝控制發(fā)酵工藝控制第六章第六章目的要求： 了解發(fā)酵類型及其發(fā)酵規(guī)律。了解發(fā)酵類型及其發(fā)酵規(guī)律。 掌握發(fā)酵控制、產(chǎn)物檢測的方法，以保證發(fā)酵掌握發(fā)酵控制、產(chǎn)物檢測的方法，以保證發(fā)酵正常進(jìn)行，獲得高效產(chǎn)品。正常進(jìn)行，獲得高效產(chǎn)品。 熟悉發(fā)酵工業(yè)的逐級放大過程。熟悉發(fā)酵工業(yè)的逐級放大過程。 了解發(fā)酵過程的優(yōu)化原理。了解發(fā)酵過程的優(yōu)化原理。幾個問題幾個問題 1、發(fā)酵的類型、發(fā)酵的類型 2、發(fā)酵的規(guī)律、發(fā)酵的規(guī)律 3、發(fā)酵的控制、發(fā)酵的控制 4、發(fā)酵中所用的檢測方法、發(fā)酵中所用的檢測方法 5、發(fā)酵過程的逐級放大、發(fā)酵過程的逐級放大定定 義義發(fā)酵過程：發(fā)酵過程：即微生物細(xì)胞的生物反應(yīng)過程，是指由微生物

2、生長繁殖所引起的生物反應(yīng)過程。它不僅包括了以往它不僅包括了以往“發(fā)酵發(fā)酵”的全部領(lǐng)域，而且的全部領(lǐng)域，而且還包括固定化細(xì)胞的反應(yīng)過程、生物法廢水處還包括固定化細(xì)胞的反應(yīng)過程、生物法廢水處理過程和細(xì)菌采礦等過程。理過程和細(xì)菌采礦等過程。 為什么要研究發(fā)酵過程？ 微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平不僅取決于生產(chǎn)菌種微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平不僅取決于生產(chǎn)菌種本身的本身的性能性能，而且要賦以，而且要賦以合適的環(huán)境條件合適的環(huán)境條件才能使它的生產(chǎn)能力才能使它的生產(chǎn)能力充分表達(dá)出來。充分表達(dá)出來。 為此我們必須通過各種研究方法為此我們必須通過各種研究方法了解有關(guān)生產(chǎn)菌種了解有關(guān)生產(chǎn)菌種對環(huán)境條件的要求，對環(huán)境條件的要求，如

3、培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、如培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、pHpH、氧的需氧的需求等，并深入地了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過程中的代謝調(diào)求等，并深入地了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過程中的代謝調(diào)控機(jī)制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計合理的生產(chǎn)工藝提控機(jī)制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)。供理論基礎(chǔ)。 同時，為了同時，為了掌握菌種在發(fā)酵過程中的代謝變化規(guī)律，掌握菌種在發(fā)酵過程中的代謝變化規(guī)律，可以通過各種監(jiān)測手段如取樣測定隨時間變化的菌體濃可以通過各種監(jiān)測手段如取樣測定隨時間變化的菌體濃度，糖、氮消耗及產(chǎn)物濃度，以及采用傳感器測定發(fā)酵度，糖、氮消耗及產(chǎn)物濃度，以及采用傳感器測定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度罐中的培養(yǎng)溫度pHpH、

4、溶解氧等參數(shù)的情況，并予以溶解氧等參數(shù)的情況，并予以有效有效地控制，地控制，使生產(chǎn)菌種處于產(chǎn)物合成的使生產(chǎn)菌種處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境優(yōu)化環(huán)境之中，之中，過過量產(chǎn)生代謝產(chǎn)物量產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。 本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵工程常見的主要發(fā)酵類型發(fā)酵工程常見的主要發(fā)酵類型第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵工藝的控制發(fā)酵工藝的控制第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵的優(yōu)化控制發(fā)酵的優(yōu)化控制第四節(jié)第四節(jié) 發(fā)酵過程的計算機(jī)控制發(fā)酵過程的計算機(jī)控制第五節(jié)第五節(jié) 發(fā)酵工業(yè)的逐級放大發(fā)酵工業(yè)的逐級放大第六節(jié)第六節(jié) 發(fā)酵過程的參數(shù)檢測發(fā)酵過程的參數(shù)檢測第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵工程常見的主要發(fā)酵類型發(fā)酵工程常見的主要發(fā)酵類型(p24-39) 一、

5、液體發(fā)酵與固體發(fā)酵一、液體發(fā)酵與固體發(fā)酵 二、厭氧發(fā)酵與好氧發(fā)酵二、厭氧發(fā)酵與好氧發(fā)酵 三、分批發(fā)酵與連續(xù)發(fā)酵三、分批發(fā)酵與連續(xù)發(fā)酵 四、單一發(fā)酵與混合發(fā)酵四、單一發(fā)酵與混合發(fā)酵 五、固定化發(fā)酵技術(shù)五、固定化發(fā)酵技術(shù)采用哪種發(fā)酵方式？采用哪種發(fā)酵方式？（p25） 在微生物發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，究竟應(yīng)該采用什么在微生物發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，究竟應(yīng)該采用什么方式進(jìn)行發(fā)酵主要取決于以下幾點(diǎn)：方式進(jìn)行發(fā)酵主要取決于以下幾點(diǎn)： 菌種特性、原料特點(diǎn)、產(chǎn)物特色、設(shè)備狀況、菌種特性、原料特點(diǎn)、產(chǎn)物特色、設(shè)備狀況、技術(shù)可行性、成本核算等。技術(shù)可行性、成本核算等。 一般各種發(fā)酵方式往往是結(jié)合進(jìn)行的。一般各種發(fā)酵方式往往是結(jié)合

6、進(jìn)行的。 現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)主要的發(fā)酵方式：現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)主要的發(fā)酵方式：好氧、液體、好氧、液體、深層、分批、單一純種發(fā)酵方式結(jié)合進(jìn)行的。深層、分批、單一純種發(fā)酵方式結(jié)合進(jìn)行的。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：p25一、液體發(fā)酵與固體發(fā)酵一、液體發(fā)酵與固體發(fā)酵 （一）液體發(fā)酵（也叫液體培養(yǎng)）（一）液體發(fā)酵（也叫液體培養(yǎng)）p25 是指將微生物接種到液體培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)的是指將微生物接種到液體培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)的過程。過程。 如采用液體培養(yǎng)時利用的是如采用液體培養(yǎng)時利用的是好氧微生物好氧微生物則需要則需要培養(yǎng)液中有較高的培養(yǎng)液中有較高的溶解氧溶解氧。1、實(shí)驗室常見的液體發(fā)酵方式、實(shí)驗室常見的液體發(fā)酵方式 實(shí)驗室常見的好氧液體

7、發(fā)酵方式：實(shí)驗室常見的好氧液體發(fā)酵方式： 試管液體培養(yǎng)試管液體培養(yǎng) 淺層液體培養(yǎng)淺層液體培養(yǎng) 搖瓶培養(yǎng)：搖瓶培養(yǎng)：裝液量為三角瓶的10%以下，如250mL的三角瓶裝量為1020mL培養(yǎng)液。 臺式發(fā)酵罐：臺式發(fā)酵罐：發(fā)酵罐的體積為幾升至幾十升。 液體厭氧培養(yǎng)方式：液體厭氧培養(yǎng)方式： 在厭氧罐中進(jìn)行。在厭氧罐中進(jìn)行。 在培養(yǎng)基中添加還原劑。在培養(yǎng)基中添加還原劑。 為滿足微生物的厭氧需要采取的措施：為滿足微生物的厭氧需要采取的措施： 培養(yǎng)基中添加有機(jī)還原劑（巰基乙醇、半胱氨培養(yǎng)基中添加有機(jī)還原劑（巰基乙醇、半胱氨酸）、無機(jī)還原劑（鐵絲）。酸）、無機(jī)還原劑（鐵絲）。 使培養(yǎng)基的氧化還原電位在使培養(yǎng)基的

8、氧化還原電位在429 150mV。2、工業(yè)生產(chǎn)中常見的液體發(fā)酵方式、工業(yè)生產(chǎn)中常見的液體發(fā)酵方式p27 靜置培養(yǎng)（淺盤培養(yǎng)）：靜置培養(yǎng)（淺盤培養(yǎng)）：容器中盛裝淺層培養(yǎng)容器中盛裝淺層培養(yǎng)液進(jìn)行靜止培養(yǎng)。液進(jìn)行靜止培養(yǎng)。 通氣培養(yǎng)（發(fā)酵罐深層培養(yǎng)）：通氣培養(yǎng)（發(fā)酵罐深層培養(yǎng)）：在發(fā)酵罐中加在發(fā)酵罐中加入液體培養(yǎng)基，通入無菌空氣并攪拌，進(jìn)行微入液體培養(yǎng)基，通入無菌空氣并攪拌，進(jìn)行微生物發(fā)酵的方式。生物發(fā)酵的方式。 厭氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵：在發(fā)酵罐中加入液體培養(yǎng)基不需通：在發(fā)酵罐中加入液體培養(yǎng)基不需通入無菌空氣，進(jìn)行微生物發(fā)酵的方式。入無菌空氣，進(jìn)行微生物發(fā)酵的方式。（二）固體發(fā)酵（二）固體發(fā)酵(p28-3

9、0)(p28-30) 固體發(fā)酵（固體培養(yǎng)、固態(tài)發(fā)酵）固體發(fā)酵（固體培養(yǎng)、固態(tài)發(fā)酵） 就是利用固體培養(yǎng)基培養(yǎng)微生物的方法。就是利用固體培養(yǎng)基培養(yǎng)微生物的方法。1 1、固態(tài)發(fā)酵概述、固態(tài)發(fā)酵概述 固體發(fā)酵：固體發(fā)酵： 也稱固態(tài)培養(yǎng)，是利用固體培養(yǎng)基進(jìn)行微生物也稱固態(tài)培養(yǎng)，是利用固體培養(yǎng)基進(jìn)行微生物的培養(yǎng)。的培養(yǎng)。 應(yīng)用應(yīng)用: : 固體培養(yǎng)在微生物鑒定、計數(shù)、純化和保藏等方面固體培養(yǎng)在微生物鑒定、計數(shù)、純化和保藏等方面發(fā)揮著重要作用。發(fā)揮著重要作用。 固態(tài)發(fā)酵主要是一些傳統(tǒng)發(fā)酵工藝。例如生產(chǎn)大曲固態(tài)發(fā)酵主要是一些傳統(tǒng)發(fā)酵工藝。例如生產(chǎn)大曲酒、麩曲酒就是典型的固態(tài)發(fā)酵。一些絲狀真菌可酒、麩曲酒就是典型

10、的固態(tài)發(fā)酵。一些絲狀真菌可以進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)模的固體發(fā)酵。以進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)模的固體發(fā)酵。 固態(tài)發(fā)酵的一般過程：固態(tài)發(fā)酵的一般過程： 原料預(yù)處理，蒸煮滅菌，接種，固態(tài)發(fā)酵，發(fā)原料預(yù)處理，蒸煮滅菌，接種，固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束及時后處理。酵結(jié)束及時后處理。 固體發(fā)酵的形式：固體發(fā)酵的形式： 好氧、厭氧好氧、厭氧 厚層，厚層，252530cm30cm厚的物料。如曲池、曲箱等。厚的物料。如曲池、曲箱等。 薄層，薄層，1 12cm2cm厚的物料。簾子、曲盤等。厚的物料。簾子、曲盤等。2、實(shí)驗室常見的固體培養(yǎng)、實(shí)驗室常見的固體培養(yǎng)形式：形式：試管斜面、培養(yǎng)皿平板、較大型的克氏扁瓶和試管斜面、培養(yǎng)皿平板、較大型的克氏扁瓶

11、和茄子瓶斜面。茄子瓶斜面。用途：用途：菌種的分離、純化、保藏和生產(chǎn)種子的制備。菌種的分離、純化、保藏和生產(chǎn)種子的制備。方法：方法：（1 1）用接種環(huán)挑取原始培養(yǎng)物后，在固體培養(yǎng)基表）用接種環(huán)挑取原始培養(yǎng)物后，在固體培養(yǎng)基表面劃線接種面劃線接種（2 2）用涂布棒將少量的液體培養(yǎng)物涂布在整個固體）用涂布棒將少量的液體培養(yǎng)物涂布在整個固體培養(yǎng)基表面培養(yǎng)基表面（3 3）將少量液體培養(yǎng)物與融化后降溫至）將少量液體培養(yǎng)物與融化后降溫至50506060的的固體培養(yǎng)基混勻，倒入培養(yǎng)皿中，澆注成平板。固體培養(yǎng)基混勻，倒入培養(yǎng)皿中，澆注成平板。（4 4）接種后的培養(yǎng)物直接放入培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)。）接種后的培養(yǎng)物直接

12、放入培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)。這些方法適用于這些方法適用于好氧和兼性好氧好氧和兼性好氧微生物的培養(yǎng)。微生物的培養(yǎng)。3、生產(chǎn)中常見的固體培養(yǎng)、生產(chǎn)中常見的固體培養(yǎng) （1 1）好氧固體培養(yǎng)）好氧固體培養(yǎng) 方法：方法：在生產(chǎn)實(shí)踐中，好氧真菌的固體培養(yǎng)方法都是將接種后在生產(chǎn)實(shí)踐中，好氧真菌的固體培養(yǎng)方法都是將接種后的固體基質(zhì)的固體基質(zhì)薄薄薄薄地攤鋪在容器的表面，可使菌體獲得充足的氧地攤鋪在容器的表面，可使菌體獲得充足的氧氣，又可以將生長過程中產(chǎn)生的熱量及時釋放。氣，又可以將生長過程中產(chǎn)生的熱量及時釋放。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：固體培養(yǎng)使用的基本培養(yǎng)基原料是固體培養(yǎng)使用的基本培養(yǎng)基原料是小麥麩皮小麥麩皮等。滅菌后等。滅菌

13、后待冷卻到合適溫度便可接種。固體培養(yǎng)基中的待冷卻到合適溫度便可接種。固體培養(yǎng)基中的含水量含水量控制在控制在4080之間（典型的液體培養(yǎng)基含水量在之間（典型的液體培養(yǎng)基含水量在95以上）。以上）。 細(xì)菌和酵母菌將無法忍受如此低水含量的環(huán)境細(xì)菌和酵母菌將無法忍受如此低水含量的環(huán)境，所以，固體培，所以，固體培養(yǎng)被細(xì)菌或酵母菌污染的可能性大大降低。養(yǎng)被細(xì)菌或酵母菌污染的可能性大大降低。 發(fā)酵形式：發(fā)酵形式： 厚層：厚層：252530cm30cm厚的物料。如曲池、曲箱等。厚的物料。如曲池、曲箱等。 薄層：薄層：1 12cm2cm厚的物料。簾子、曲盤等。厚的物料。簾子、曲盤等。 產(chǎn)品：產(chǎn)品： 麩曲、食用菌

14、、醬油、米酒。麩曲、食用菌、醬油、米酒。 （2 2）厭氧固體發(fā)酵）厭氧固體發(fā)酵 我國傳統(tǒng)白酒的生產(chǎn)采用的是我國傳統(tǒng)白酒的生產(chǎn)采用的是大型深層地窖堆大型深層地窖堆積式積式的固體發(fā)酵。的固體發(fā)酵。 酵母菌是兼性厭氧菌。酵母菌是兼性厭氧菌。4 4、固態(tài)發(fā)酵特點(diǎn)、固態(tài)發(fā)酵特點(diǎn) 邊糖化邊發(fā)酵：邊糖化邊發(fā)酵：一般都采用比較低的溫度，讓糖化作用和發(fā)酵作一般都采用比較低的溫度，讓糖化作用和發(fā)酵作用同時進(jìn)行；即采用邊糖化邊發(fā)酵的工藝。當(dāng)采用用同時進(jìn)行；即采用邊糖化邊發(fā)酵的工藝。當(dāng)采用20203030低溫低溫時，糖化酶作用緩慢，故糖化時間要延長。時，糖化酶作用緩慢，故糖化時間要延長。 多菌種的混合發(fā)酵。多菌種的混

15、合發(fā)酵。除原料蒸煮過程能起到滅菌作用外，空氣、除原料蒸煮過程能起到滅菌作用外，空氣、水、工具和場所，窖池等都存在大量的多種多樣的微生物，并把水、工具和場所，窖池等都存在大量的多種多樣的微生物，并把這些微生物帶到發(fā)酵原料中，它們與曲中的微生物一起協(xié)同作用，這些微生物帶到發(fā)酵原料中，它們與曲中的微生物一起協(xié)同作用，生產(chǎn)出豐富的香味物質(zhì)，如固體厭氣發(fā)酵。生產(chǎn)出豐富的香味物質(zhì)，如固體厭氣發(fā)酵。 開放式發(fā)酵開放式發(fā)酵，無菌程度要求不高。，無菌程度要求不高。在霉菌發(fā)酵時就可以防止污染在霉菌發(fā)酵時就可以防止污染雜菌。雜菌。 設(shè)備簡單。設(shè)備簡單。 生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)成本低、能耗低。能耗低。 原料來源廣，價格低廉

16、。原料來源廣，價格低廉。 固體發(fā)酵的產(chǎn)物回收一般步驟少，費(fèi)用也省。固體發(fā)酵的產(chǎn)物回收一般步驟少，費(fèi)用也省。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 發(fā)酵時間長發(fā)酵時間長 耗費(fèi)勞動力多耗費(fèi)勞動力多 占地面積大占地面積大 生產(chǎn)規(guī)模難以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模難以擴(kuò)大 pHpH、溶氧和溫度難以控制、溶氧和溫度難以控制 固體發(fā)酵存在的主要工程問題是大規(guī)模生產(chǎn)時的散熱比較困難，參數(shù)檢測如pH值、溫度、菌體增殖量、產(chǎn)物生成量等是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，實(shí)現(xiàn)固體發(fā)酵的最優(yōu)化困難重重。5 5、固態(tài)發(fā)酵的控制、固態(tài)發(fā)酵的控制 （1 1）固態(tài)發(fā)酵的溫度控制 固態(tài)發(fā)酵的溫度控制靠控制固態(tài)發(fā)酵的溫度控制靠控制進(jìn)窖溫度和淀粉含量進(jìn)窖溫度和淀粉含量來解決。來解決。

17、因在窖內(nèi)部沒有冷卻或加熱裝置，這樣只好把進(jìn)窖溫度控制得比較低(18182222)。糖化進(jìn)行緩慢，發(fā)酵也就緩慢，窖內(nèi)升溫慢些，酵母就不易衰老，發(fā)酵率就升高。進(jìn)窖時原料淀粉含量不能太高，在發(fā)酵過程中一部分能量被放出，升高了發(fā)酵溫度。 一般發(fā)酵過程中，淀粉含量每降低一般發(fā)酵過程中，淀粉含量每降低1.01.0時，酒醅溫度時，酒醅溫度實(shí)際約上升實(shí)際約上升22左右。左右。 所以淀粉含量控制在14141616，隨氣溫的高低不同進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 ( (2 2) )固體發(fā)酵的固體發(fā)酵的pHpH控制控制 一般工廠用酸度表示。一般工廠用酸度表示。 酸度來源：酸度來源：原料本身，曲和酒醅是最主要的。原料本身，曲和酒醅

18、是最主要的。 發(fā)酵過程中酸度增加的原因：發(fā)酵過程中酸度增加的原因：主要是雜菌的影響，主要是雜菌的影響，淀粉濃度過高，糖化快，細(xì)菌生長繁殖快，造成酒淀粉濃度過高，糖化快，細(xì)菌生長繁殖快，造成酒醅酸度升高，也反過來影響酵母的生長，影響發(fā)酵，醅酸度升高，也反過來影響酵母的生長，影響發(fā)酵，酸度低又影響糖化速度。酸度低又影響糖化速度。 控制原因：控制原因：控制酸度既適宜酵母生長又抑制了細(xì)菌控制酸度既適宜酵母生長又抑制了細(xì)菌生長。生長。 控制程度：控制程度：一般控制一般控制pHpH在在1.41.42.02.0的酸度。的酸度。 ( (3 3) )水分的控制水分的控制 固體發(fā)酵中水分的作用：固體發(fā)酵中水分的作

19、用：水分是微生物生長的條件，水分是微生物生長的條件，適當(dāng)?shù)乃质橇己冒l(fā)酵的重要因素。但入窖適當(dāng)?shù)乃质橇己冒l(fā)酵的重要因素。但入窖水分過水分過高高，會引起糖化和發(fā)酵作用加快，升溫過猛，使發(fā)，會引起糖化和發(fā)酵作用加快，升溫過猛，使發(fā)酵不徹底；而酵不徹底；而水分過少水分過少，會引起酒醅發(fā)干，殘余淀，會引起酒醅發(fā)干，殘余淀粉高，酸度過低，槽不柔軟，影響發(fā)酵正常進(jìn)行。粉高，酸度過低，槽不柔軟，影響發(fā)酵正常進(jìn)行。 控制措施：控制措施：一般大曲酒入窖水分為5357，小曲5762，因原料而異，冬天與夏天也不同。 其他控制措施：其他控制措施：另一方面為了調(diào)整淀粉濃度，增加另一方面為了調(diào)整淀粉濃度，增加疏松性，調(diào)

20、節(jié)酸度，以利于微生物的生長繁殖，保疏松性，調(diào)節(jié)酸度，以利于微生物的生長繁殖，保持水分，在固態(tài)發(fā)酵時常常加入填充料、如谷殼等。持水分，在固態(tài)發(fā)酵時常常加入填充料、如谷殼等。 二、厭氧發(fā)酵與好氧發(fā)酵二、厭氧發(fā)酵與好氧發(fā)酵 (p30)(p30) 厭氧培養(yǎng)： 深層培養(yǎng) 好氧培養(yǎng)： 液體表面培養(yǎng)、固體培養(yǎng)、通氧深層培養(yǎng)（一）厭氧液態(tài)發(fā)酵（一）厭氧液態(tài)發(fā)酵 厭氧發(fā)酵也稱靜置培養(yǎng)：厭氧發(fā)酵也稱靜置培養(yǎng)：是利用厭氧微生物在液是利用厭氧微生物在液體狀態(tài)下進(jìn)行的發(fā)酵。體狀態(tài)下進(jìn)行的發(fā)酵。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：液體發(fā)酵速度快，發(fā)酵完全，發(fā)酵周期短，液體發(fā)酵速度快，發(fā)酵完全，發(fā)酵周期短，原料利用率高，而且適于大規(guī)模機(jī)械化、連

21、續(xù)化、原料利用率高，而且適于大規(guī)模機(jī)械化、連續(xù)化、自動化生產(chǎn)。自動化生產(chǎn)。 液態(tài)厭氧發(fā)酵對無菌要求較高液態(tài)厭氧發(fā)酵對無菌要求較高，因此培養(yǎng)基必須，因此培養(yǎng)基必須經(jīng)過滅菌，對發(fā)酵容器也要定期滅菌。經(jīng)過滅菌，對發(fā)酵容器也要定期滅菌。 接種量大，在發(fā)酵過程中對接種量大，在發(fā)酵過程中對pHpH、溫度進(jìn)行連續(xù)控溫度進(jìn)行連續(xù)控制，中間分析也制，中間分析也與好氧發(fā)酵相似與好氧發(fā)酵相似 。 應(yīng)用：應(yīng)用：酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒等發(fā)酵。酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒等發(fā)酵。三、分批發(fā)酵與連續(xù)發(fā)酵三、分批發(fā)酵與連續(xù)發(fā)酵 （p31p313737） （一）分批發(fā)酵（一）分批發(fā)酵 （二）補(bǔ)料分批發(fā)酵（二）補(bǔ)料分批發(fā)酵

22、 （三）連續(xù)發(fā)酵（三）連續(xù)發(fā)酵深層發(fā)酵按進(jìn)行過程可分為：深層發(fā)酵按進(jìn)行過程可分為：分批發(fā)酵分批發(fā)酵(Batch fermentation)補(bǔ)料分批發(fā)酵補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batch fermentation)連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵(Continuous fermentation)1 1、分批發(fā)酵的定義、分批發(fā)酵的定義 是指在一封閉系統(tǒng)內(nèi)將細(xì)胞和培養(yǎng)液一次性裝入反是指在一封閉系統(tǒng)內(nèi)將細(xì)胞和培養(yǎng)液一次性裝入反應(yīng)器內(nèi)，進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)胞不斷生長，產(chǎn)物不斷形成，應(yīng)器內(nèi)，進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)胞不斷生長，產(chǎn)物不斷形成，經(jīng)過一段時間后將整個反應(yīng)物取出的發(fā)酵方式。經(jīng)過一段時間后將整個反應(yīng)物取出的發(fā)酵方式。 在這一過程中，除了

23、氧氣、消泡劑及控制在這一過程中，除了氧氣、消泡劑及控制pHpH的酸或堿外，的酸或堿外，不再加入任何其它物質(zhì)。不再加入任何其它物質(zhì)。 發(fā)酵過程中培養(yǎng)基成分減少，微生物得到繁殖。發(fā)酵過程中培養(yǎng)基成分減少，微生物得到繁殖。 它是它是發(fā)酵工業(yè)中常見的一種方法。發(fā)酵工業(yè)中常見的一種方法。（一）（一）分批發(fā)酵分批發(fā)酵（p31p31-33-33）2 2、分批發(fā)酵的特點(diǎn)分批發(fā)酵的特點(diǎn) 微生物所處的環(huán)境在發(fā)酵過程中不斷變化，其物理，化微生物所處的環(huán)境在發(fā)酵過程中不斷變化，其物理，化學(xué)和生物參數(shù)都隨時間而變化，是一個學(xué)和生物參數(shù)都隨時間而變化，是一個不穩(wěn)定的過程。不穩(wěn)定的過程。 微生物處在限制性培養(yǎng)基中，只能在有

24、限時間內(nèi)維持微微生物處在限制性培養(yǎng)基中，只能在有限時間內(nèi)維持微生物的增殖，其生長表現(xiàn)為生物的增殖，其生長表現(xiàn)為典型的生長周期典型的生長周期。 發(fā)酵周期：發(fā)酵周期：包括空罐滅菌、加入滅菌過的培養(yǎng)基、接種、包括空罐滅菌、加入滅菌過的培養(yǎng)基、接種、發(fā)酵過程、放罐和洗罐所需的整個時間。發(fā)酵過程、放罐和洗罐所需的整個時間。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 操作簡單；操作簡單； 操作引起染菌的概率低。操作引起染菌的概率低。 不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題。不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 非生產(chǎn)時間較長、設(shè)備利用率低。非生產(chǎn)時間較長、設(shè)備利用率低。 生長到一定程度就要受到抑制（原因：基質(zhì)抑制或產(chǎn)生長到一定程度就要受到抑制

25、（原因：基質(zhì)抑制或產(chǎn)物抑制）。物抑制）。3、典型的分批發(fā)酵工藝流程（二）補(bǔ)料分批發(fā)酵（二）補(bǔ)料分批發(fā)酵（p33p33-34-34）1、定義定義 又稱半連續(xù)發(fā)酵或流加分批發(fā)酵：是指在分批發(fā)又稱半連續(xù)發(fā)酵或流加分批發(fā)酵：是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方式。方式。 即在分批培養(yǎng)伊始，投入較低濃度的底物，然后即在分批培養(yǎng)伊始，投入較低濃度的底物，然后在發(fā)酵過程中，當(dāng)微生物開始消耗底物后，再以在發(fā)酵過程中，當(dāng)微生物開始消耗底物后，再以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)加一定的物料，某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)加一定的物料，使培養(yǎng)使培養(yǎng)基中的底物濃度在較長時

26、間內(nèi)保持在一定范圍內(nèi)，基中的底物濃度在較長時間內(nèi)保持在一定范圍內(nèi)，以維持微生物的生長和產(chǎn)物的形成，以維持微生物的生長和產(chǎn)物的形成，并避免不利并避免不利因素的產(chǎn)生，從而達(dá)到因素的產(chǎn)生，從而達(dá)到提高提高容積產(chǎn)量、產(chǎn)物濃度容積產(chǎn)量、產(chǎn)物濃度和產(chǎn)物得率的目的。和產(chǎn)物得率的目的。2、補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度，可以解除底物抑制、產(chǎn)物抑使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度，可以解除底物抑制、產(chǎn)物抑制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)；（可以除去快速利用碳源的阻遏效制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)；（可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)、避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物。）應(yīng)、避免培養(yǎng)基積累

27、有毒代謝物。） 和連續(xù)發(fā)酵比、不需要嚴(yán)格的無菌條件；和連續(xù)發(fā)酵比、不需要嚴(yán)格的無菌條件； 不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題。不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題。 維持適當(dāng)?shù)木w濃度，減少通風(fēng)設(shè)備的壓力，避免分批發(fā)酵初始維持適當(dāng)?shù)木w濃度，減少通風(fēng)設(shè)備的壓力，避免分批發(fā)酵初始階段供需氧量大的問題。階段供需氧量大的問題。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 存在一定的非生產(chǎn)時間；存在一定的非生產(chǎn)時間； 和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險。和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險。 分批補(bǔ)料系統(tǒng)并不連續(xù)地向罐外放出發(fā)酵液，因而發(fā)酵罐內(nèi)的分批補(bǔ)料系統(tǒng)并不連續(xù)地向罐外放出發(fā)酵液，因而發(fā)酵罐內(nèi)的培培養(yǎng)基體積不再

28、是個常數(shù)養(yǎng)基體積不再是個常數(shù)，而是隨時間和物料流速而變化的變量。，而是隨時間和物料流速而變化的變量。3 3、適用范圍、適用范圍 培養(yǎng)基成分的濃度顯著影響菌體和產(chǎn)物得率的發(fā)培養(yǎng)基成分的濃度顯著影響菌體和產(chǎn)物得率的發(fā)酵，利用此發(fā)酵方式可減輕高底物濃度的抑制作酵，利用此發(fā)酵方式可減輕高底物濃度的抑制作用，有利于更多產(chǎn)物的生成。用，有利于更多產(chǎn)物的生成。 受到分解代謝物阻遏的發(fā)酵。受到分解代謝物阻遏的發(fā)酵。 營養(yǎng)缺陷型菌株的培養(yǎng)營養(yǎng)缺陷型菌株的培養(yǎng)。（流加該菌株所需的物。（流加該菌株所需的物質(zhì)，不至于過量而產(chǎn)生反饋抑制或阻遏）質(zhì)，不至于過量而產(chǎn)生反饋抑制或阻遏） 前體的補(bǔ)充前體的補(bǔ)充。（可以避免前體對

29、細(xì)胞的毒害）。（可以避免前體對細(xì)胞的毒害） 目前補(bǔ)料分批發(fā)酵廣泛應(yīng)用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有機(jī)酸、色素及高聚物等的生產(chǎn)。 液體發(fā)酵、固體發(fā)酵、混合發(fā)酵。 4、補(bǔ)料量和補(bǔ)料率的確定、補(bǔ)料量和補(bǔ)料率的確定 目前生產(chǎn)中還只是憑經(jīng)驗。 根據(jù)檢測的靜態(tài)參數(shù)如基質(zhì)殘留量、pH值、溶氧濃度等。5 5、補(bǔ)料分批發(fā)酵的類型、補(bǔ)料分批發(fā)酵的類型 補(bǔ)料方式補(bǔ)料方式 連續(xù)流加連續(xù)流加 不連續(xù)流加不連續(xù)流加 多周期流加多周期流加 補(bǔ)料成分補(bǔ)料成分 單一組分流加單一組分流加 多組分流加多組分流加 控制方式控制方式 反饋控制（以反饋控制（以DO值為反饋指值為反饋指標(biāo)等）標(biāo)等） 無反饋控制無反饋控制 發(fā)酵過程中不

30、同的補(bǔ)料方法對微生物細(xì)胞的密度、生長速度以及產(chǎn)率都有影響。 參見p34表1-5（三）連續(xù)發(fā)酵（三）連續(xù)發(fā)酵（p34-37）1、定義 1 1、定義、定義 連續(xù)發(fā)酵：新鮮培養(yǎng)基料液連續(xù)連續(xù)發(fā)酵：新鮮培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入輸入發(fā)酵罐，并發(fā)酵罐，并同同時以相同速度放出時以相同速度放出含有產(chǎn)品的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)含有產(chǎn)品的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)料液量維持恒定，微生物在料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態(tài)近似恒定狀態(tài)（恒定的（恒定的基質(zhì)濃度、恒定的產(chǎn)物濃度、恒定的基質(zhì)濃度、恒定的產(chǎn)物濃度、恒定的pHpH、恒定菌恒定菌體濃度、恒定的比生長速率）下生長的發(fā)酵方式。體濃度、恒定的比生長速率）下生長的發(fā)酵方式。 是在開放

31、系統(tǒng)中進(jìn)行的。是在開放系統(tǒng)中進(jìn)行的。2、連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)（p35） 能維持低基質(zhì)濃度。能維持低基質(zhì)濃度。 縮短發(fā)酵周期，提高設(shè)備利用率和單位時間的產(chǎn)量。增加縮短發(fā)酵周期，提高設(shè)備利用率和單位時間的產(chǎn)量。增加了生產(chǎn)效率。了生產(chǎn)效率。 便于自動控制。便于自動控制。 恒定狀態(tài)可以有效地恒定狀態(tài)可以有效地延長延長分批培養(yǎng)中的指數(shù)生長期。分批培養(yǎng)中的指數(shù)生長期。在恒在恒定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營養(yǎng)物質(zhì)濃度、定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營養(yǎng)物質(zhì)濃度、產(chǎn)物濃度、產(chǎn)物濃度、pHpH值，以及微生物細(xì)胞的濃度、比生長速率等值，以及微生物細(xì)胞的濃度、比生長速率等可以始

32、終維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)生長速率?？梢允冀K維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)生長速率。 缺點(diǎn)（缺點(diǎn)（p36-37） 菌種發(fā)生變異的可能性較大。菌種發(fā)生變異的可能性較大。 要求嚴(yán)格的無菌條件。要求嚴(yán)格的無菌條件。 工藝中的變量較分批發(fā)酵復(fù)雜，較難控制和擴(kuò)大。工藝中的變量較分批發(fā)酵復(fù)雜，較難控制和擴(kuò)大。 不適于次級代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)。不適于次級代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)。3 3、連續(xù)培養(yǎng)過程中的主要問題、連續(xù)培養(yǎng)過程中的主要問題 雜菌污染問題雜菌污染問題 生產(chǎn)菌株突變問題生產(chǎn)菌株突變問題（1）雜菌污染問題 在連續(xù)發(fā)酵過程中，需要長時間連續(xù)不斷地向發(fā)酵在連續(xù)發(fā)酵過程中，需要長時間連續(xù)不斷地向發(fā)酵

33、系統(tǒng)供給無菌的新鮮空氣和培養(yǎng)基，這就不可避免系統(tǒng)供給無菌的新鮮空氣和培養(yǎng)基，這就不可避免地發(fā)生雜菌污染問題。地發(fā)生雜菌污染問題。 雜菌污染問題是連續(xù)培養(yǎng)中難以解決的問題。雜菌污染問題是連續(xù)培養(yǎng)中難以解決的問題。 要了解污染的雜菌在什么樣的條件下會在系統(tǒng)中發(fā)要了解污染的雜菌在什么樣的條件下會在系統(tǒng)中發(fā)展成為主要的微生物群體。展成為主要的微生物群體。（2）生產(chǎn)菌株突變問題 微生物在復(fù)制過程中難免會出現(xiàn)差錯引起突變，一微生物在復(fù)制過程中難免會出現(xiàn)差錯引起突變，一旦在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中的生產(chǎn)菌細(xì)胞群體中某一個細(xì)旦在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中的生產(chǎn)菌細(xì)胞群體中某一個細(xì)胞發(fā)生了突變，而且突變的結(jié)果使這一細(xì)胞獲得在胞發(fā)生了

34、突變，而且突變的結(jié)果使這一細(xì)胞獲得在給定條件下高速生長的能力，那么它就有可能像雜給定條件下高速生長的能力，那么它就有可能像雜菌一樣，菌一樣，取代取代系統(tǒng)中原來的生產(chǎn)菌株，而使連續(xù)發(fā)系統(tǒng)中原來的生產(chǎn)菌株，而使連續(xù)發(fā)酵過程失敗。酵過程失敗。 4、分批培養(yǎng)與連續(xù)培養(yǎng)的關(guān)系、分批培養(yǎng)與連續(xù)培養(yǎng)的關(guān)系（p35）5、連續(xù)培養(yǎng)器連續(xù)培養(yǎng)器6、連續(xù)培養(yǎng)的兩種主要工藝類型 (1)(1)均勻混合的生物反應(yīng)器均勻混合的生物反應(yīng)器 恒化培養(yǎng)恒化培養(yǎng) 使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定。使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定。 恒濁培養(yǎng)恒濁培養(yǎng) 使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定。使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定。 (2)(2)活塞

35、流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器7、連續(xù)發(fā)酵的類型、連續(xù)發(fā)酵的類型（p35-36） 開放式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)開放式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng) ： 單罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵、多罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵、管道非均勻混合連續(xù)發(fā)酵、塔式非均勻混合連續(xù)發(fā)酵 封閉式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)：封閉式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)：8、連續(xù)發(fā)酵的代謝曲線連續(xù)發(fā)酵的代謝曲線從分批培養(yǎng)出發(fā)，無論在從分批培養(yǎng)出發(fā)，無論在哪個時候開始加入新鮮培哪個時候開始加入新鮮培養(yǎng)基過渡到連續(xù)操作，達(dá)養(yǎng)基過渡到連續(xù)操作，達(dá)到一定的菌體濃度及限制到一定的菌體濃度及限制基質(zhì)濃度，則培養(yǎng)系統(tǒng)一基質(zhì)濃度，則培養(yǎng)系統(tǒng)一定能成為穩(wěn)定狀態(tài)定能成為穩(wěn)定狀態(tài)連連續(xù)發(fā)酵。續(xù)發(fā)酵。9、連續(xù)發(fā)酵的應(yīng)用連續(xù)發(fā)酵的應(yīng)用 采用連續(xù)

36、發(fā)酵的方法可以有效地提高產(chǎn)量，但是也存在著某些較難克服的困難，因此目前僅在一些比較簡單的發(fā)酵產(chǎn)品中應(yīng)用。如： 酵母，單細(xì)胞蛋白，酒精發(fā)酵、丙酮、乳酸、丁醇、石油脫蠟、活性污泥廢水處理等。 其余產(chǎn)品的連續(xù)發(fā)酵尚未工業(yè)化生產(chǎn)。四、單一發(fā)酵與混合發(fā)酵四、單一發(fā)酵與混合發(fā)酵（ p37-38 ） 單一發(fā)酵：只用一種微生物的發(fā)酵。單一發(fā)酵：只用一種微生物的發(fā)酵。 混合發(fā)酵：多種微生物混合在一起共用混合發(fā)酵：多種微生物混合在一起共用一種培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵。一種培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵。五、固定化發(fā)酵技術(shù)五、固定化發(fā)酵技術(shù)（p38-39p38-39） 固定化酶：固定化酶：利用物理或化學(xué)的方法使水溶性的利用物理或化學(xué)的方法使

37、水溶性的酶制劑變?yōu)椴蝗苡谒?，但仍保持酶的催化能力酶制劑變?yōu)椴蝗苡谒员３置傅拇呋芰Φ闹苿?。的制劑?特點(diǎn)：特點(diǎn)：用固相的酶作用于液相的底物。用固相的酶作用于液相的底物。 固定化細(xì)胞固定化細(xì)胞 固定化細(xì)胞發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用：固定化細(xì)胞發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用：p39表表1-8第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵工藝的控制發(fā)酵工藝的控制 （p150-175） 發(fā)酵條件：發(fā)酵條件： 是指影響發(fā)酵過程中各種化學(xué)及生物學(xué)反應(yīng)的是指影響發(fā)酵過程中各種化學(xué)及生物學(xué)反應(yīng)的環(huán)境因素。環(huán)境因素。 發(fā)酵主要的條件有：發(fā)酵主要的條件有： 營養(yǎng)基質(zhì)的濃度、溫度、營養(yǎng)基質(zhì)的濃度、溫度、pH值、通氣和攪拌、值、通氣和攪拌、泡沫、二氧化碳等。泡沫、二

38、氧化碳等。發(fā)酵工藝控制的主要內(nèi)容：發(fā)酵工藝控制的主要內(nèi)容： 營養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度營養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 溫度溫度 pH值值 通氣和攪拌通氣和攪拌 泡沫泡沫 二氧化碳二氧化碳 發(fā)酵終點(diǎn)的判斷發(fā)酵終點(diǎn)的判斷影響發(fā)酵的主要因素影響發(fā)酵的主要因素： 溫度：溫度：根據(jù)發(fā)酵不同階段，確定最適溫度。發(fā)酵根據(jù)發(fā)酵不同階段，確定最適溫度。發(fā)酵中釋放發(fā)酵熱，一般需要進(jìn)行冷卻操作中釋放發(fā)酵熱，一般需要進(jìn)行冷卻操作。 p pH H：p pH H不同產(chǎn)物不同，基質(zhì)加緩沖性物質(zhì)，生產(chǎn)不同產(chǎn)物不同，基質(zhì)加緩沖性物質(zhì)，生產(chǎn)過程中加入無機(jī)酸、堿等過程中加入無機(jī)酸、堿等。 通風(fēng)和攪拌：通風(fēng)和攪拌：可以生長和最適生長氧可以生長和最適生長

39、氧的濃度。的濃度。 染菌的控制：染菌的控制： 1 1）設(shè)備、管道、閥門漏損）設(shè)備、管道、閥門漏損。 2 2）設(shè)備及管道滅菌不徹底存在死角）設(shè)備及管道滅菌不徹底存在死角。 3 3）空氣凈化不徹底）空氣凈化不徹底。 4 4）菌種不純或培養(yǎng)基滅菌不徹底）菌種不純或培養(yǎng)基滅菌不徹底。 5 5）無菌操作不嚴(yán)格，生產(chǎn)操作）無菌操作不嚴(yán)格，生產(chǎn)操作出錯。出錯。 工藝條件控制的目的：工藝條件控制的目的： 就是要為生產(chǎn)菌創(chuàng)造一個最適的環(huán)境，使我們所需要的代謝活動得以最充分的表達(dá)，從而生產(chǎn)出過量的代謝產(chǎn)物。一、營養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度的影響及控制一、營養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度的影響及控制 (p150-155)(p150-155

40、) （一）基質(zhì)濃度和菌體濃度對發(fā)酵的影響（一）基質(zhì)濃度和菌體濃度對發(fā)酵的影響 1 1、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響 （1 1）碳源種類和濃度）碳源種類和濃度 （2 2）氮源種類和濃度）氮源種類和濃度 （3 3）磷酸鹽的濃度）磷酸鹽的濃度 2 2、菌體濃度對發(fā)酵的影響及控制菌體濃度對發(fā)酵的影響及控制 （二）（二）基質(zhì)濃度的控制（補(bǔ)料控制）基質(zhì)濃度的控制（補(bǔ)料控制）（一）基質(zhì)濃度和菌體濃度對發(fā)酵的影響（一）基質(zhì)濃度和菌體濃度對發(fā)酵的影響 1 1、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響（1 1）碳源種類和濃度）碳源種類和濃度 碳源種類：碳源種類： 快速利用碳源（分解代謝產(chǎn)物阻遏）、

41、緩慢利用碳源?？焖倮锰荚矗ǚ纸獯x產(chǎn)物阻遏）、緩慢利用碳源。 碳源濃度：碳源濃度： 不同微生物不同，同一微生物不同生長階段不同。不同微生物不同，同一微生物不同生長階段不同。 如培養(yǎng)基中碳源含量超過如培養(yǎng)基中碳源含量超過5%5%時，細(xì)菌生長不良；酵母時，細(xì)菌生長不良；酵母和霉菌可耐受和霉菌可耐受200g/L200g/L的葡萄糖濃度。的葡萄糖濃度。（2 2）氮源的種類和濃度）氮源的種類和濃度 氮源種類和濃度對微生物生長和產(chǎn)物合成產(chǎn)生影響，氮源種類和濃度對微生物生長和產(chǎn)物合成產(chǎn)生影響，不同的產(chǎn)物，需要不同的氮的濃度不同。不同的產(chǎn)物，需要不同的氮的濃度不同。 氮源的種類：？氮源的種類：？ 有機(jī)氮（促

42、進(jìn)菌體生長、是前體物質(zhì)）、無機(jī)氮有機(jī)氮（促進(jìn)菌體生長、是前體物質(zhì)）、無機(jī)氮 速效氮、遲效氮速效氮、遲效氮 不同種類的氮源對發(fā)酵的影響：？不同種類的氮源對發(fā)酵的影響：？ 速效氮：有利于菌體的生長、不利于某些代謝產(chǎn)物的速效氮：有利于菌體的生長、不利于某些代謝產(chǎn)物的合成。合成。 遲效氮：可延長次級產(chǎn)物的分泌期、提高其產(chǎn)量。但遲效氮：可延長次級產(chǎn)物的分泌期、提高其產(chǎn)量。但過量時也易促進(jìn)菌體生長。過量時也易促進(jìn)菌體生長。 氮源的濃度：氮源的濃度： 過高時導(dǎo)致細(xì)胞脫水死亡； 過低菌體營養(yǎng)不足，影響產(chǎn)物合成。 不同的發(fā)酵所需氮源濃度不同，各有一個合適的C/N比； 不同的生長發(fā)育階段所需氮源濃度不同：菌體生長

43、階段、產(chǎn)物合成階段。（3 3）磷酸鹽的濃度）磷酸鹽的濃度 磷酸鹽的濃度對微生物的生長和產(chǎn)物合成有一磷酸鹽的濃度對微生物的生長和產(chǎn)物合成有一定影響；定影響； 菌體生長和次級代謝產(chǎn)物的合成所需濃度相差菌體生長和次級代謝產(chǎn)物的合成所需濃度相差懸殊：懸殊： 菌體生長所需的磷酸鹽濃度為：菌體生長所需的磷酸鹽濃度為：0.320.32300mmol/L300mmol/L； 次級代謝產(chǎn)物所允許的最高濃度為：次級代謝產(chǎn)物所允許的最高濃度為：1mmol/L1mmol/L。2 2、菌體濃度對發(fā)酵的影響、菌體濃度對發(fā)酵的影響 菌體濃度是指單位體積中菌體的含量。菌體濃度是指單位體積中菌體的含量。 菌體濃度與菌體生長速率

44、直接相關(guān)。菌體濃度與菌體生長速率直接相關(guān)。 菌體濃度大小對發(fā)酵產(chǎn)物得率會產(chǎn)生重要影響：菌體濃度大小對發(fā)酵產(chǎn)物得率會產(chǎn)生重要影響： 對初級代謝產(chǎn)物有直接影響；對初級代謝產(chǎn)物有直接影響； 對次級代謝產(chǎn)物則存在菌種濃度范圍。對次級代謝產(chǎn)物則存在菌種濃度范圍。菌體濃度的控制： 在發(fā)酵中應(yīng)將菌種濃度控制在一定范圍內(nèi)。在發(fā)酵中應(yīng)將菌種濃度控制在一定范圍內(nèi)。 控制的方法：控制的方法： 接種量。接種量。 培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的含量：通過各成分合適的培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的含量：通過各成分合適的配比、補(bǔ)料來控制菌種的濃度。配比、補(bǔ)料來控制菌種的濃度。（二）基質(zhì)濃度的控制（補(bǔ)料控制）（二）基質(zhì)濃度的控制（補(bǔ)料控制）v1、補(bǔ)

45、料控制目的v解除基質(zhì)過濃的抑制解除基質(zhì)過濃的抑制v解除產(chǎn)物的反饋抑制解除產(chǎn)物的反饋抑制v解除葡萄糖分解代謝阻遏效應(yīng)解除葡萄糖分解代謝阻遏效應(yīng)補(bǔ)充微生物能源和碳源的需要。補(bǔ)充微生物能源和碳源的需要。補(bǔ)充菌體所需要的氮源。補(bǔ)充菌體所需要的氮源。補(bǔ)充微量元素或無機(jī)鹽。補(bǔ)充微量元素或無機(jī)鹽。2 2、補(bǔ)料的內(nèi)容、補(bǔ)料的內(nèi)容控制微生物的中間代謝，使之向著有利于控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在中間補(bǔ)料控制時，必為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在中間補(bǔ)料控制時，必須選擇恰當(dāng)?shù)捻氝x擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)反饋控制參數(shù)和和補(bǔ)料速率補(bǔ)料速率。 3 3、補(bǔ)料的原則、補(bǔ)料的原則

46、 大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長限制性基質(zhì)大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長限制性基質(zhì) 以經(jīng)驗數(shù)據(jù)或預(yù)測數(shù)據(jù)控制流加；以經(jīng)驗數(shù)據(jù)或預(yù)測數(shù)據(jù)控制流加； 以以pHpH、尾氣、溶氧、產(chǎn)物濃度等參數(shù)間接控制流加；尾氣、溶氧、產(chǎn)物濃度等參數(shù)間接控制流加； 以物料平衡方程，通過傳感器在線測定的一些參數(shù)計以物料平衡方程，通過傳感器在線測定的一些參數(shù)計算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加；算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加； 用傳感器直接測定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加。用傳感器直接測定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加。4 4、補(bǔ)料控制的策略、補(bǔ)料控制的策略5 5、補(bǔ)料控制參數(shù)的選擇、補(bǔ)料控制參數(shù)的選擇 根據(jù)微生物在發(fā)酵過

47、程中的代謝規(guī)律及對環(huán)境條件的要根據(jù)微生物在發(fā)酵過程中的代謝規(guī)律及對環(huán)境條件的要求來選擇。求來選擇。 為了有效地進(jìn)行中間補(bǔ)料，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)，以及了為了有效地進(jìn)行中間補(bǔ)料，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)，以及了解這些參數(shù)與微生物代謝、菌體生長、基質(zhì)利用以及產(chǎn)物形成之間解這些參數(shù)與微生物代謝、菌體生長、基質(zhì)利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系。的關(guān)系。 采用最優(yōu)的補(bǔ)科程序也是依賴于比生長曲線形態(tài)、產(chǎn)物生成速率及采用最優(yōu)的補(bǔ)科程序也是依賴于比生長曲線形態(tài)、產(chǎn)物生成速率及發(fā)酵的初始條件等情況。發(fā)酵的初始條件等情況。 因此，欲建立分批補(bǔ)料培養(yǎng)的數(shù)學(xué)模型及選擇最佳控制程序都必須因此，欲建立分批補(bǔ)料培養(yǎng)的數(shù)學(xué)

48、模型及選擇最佳控制程序都必須充分了解微生物在發(fā)酵過程中的代謝規(guī)律及對環(huán)境條件的要求。充分了解微生物在發(fā)酵過程中的代謝規(guī)律及對環(huán)境條件的要求。常用的反饋控制參數(shù)常用的反饋控制參數(shù) 恒恒pHpH法：法：通過pH值的變化推測菌體的生長狀態(tài)，調(diào)節(jié)流加速度，使pH為恒定值。 恒溶氧法：恒溶氧法：以溶氧為反饋指標(biāo)，根據(jù)溶解氧的變化曲線調(diào)整碳源的流加量。 菌體密度法：菌體密度法：通過檢測菌體的濃度，以及營養(yǎng)利用情況，調(diào)整碳源的加入量。 二氧化碳釋放率（二氧化碳釋放率（CERCER）法：）法：通過檢測CER。估計碳源的利用情況，控制營養(yǎng)的流加。連續(xù)補(bǔ)料和分批補(bǔ)料發(fā)酵的比較連續(xù)補(bǔ)料和分批補(bǔ)料發(fā)酵的比較7 7、補(bǔ)

49、料速率的確定、補(bǔ)料速率的確定 優(yōu)化補(bǔ)料速率也是補(bǔ)料控制中十分重要的一環(huán)，因為養(yǎng)分優(yōu)化補(bǔ)料速率也是補(bǔ)料控制中十分重要的一環(huán)，因為養(yǎng)分和前體需要維持適當(dāng)?shù)臐舛?，而它們則以不同的速率被消和前體需要維持適當(dāng)?shù)臐舛龋鼈儎t以不同的速率被消耗，所以耗，所以補(bǔ)料速率要根據(jù)微生物對營養(yǎng)等的消耗速率及所補(bǔ)料速率要根據(jù)微生物對營養(yǎng)等的消耗速率及所設(shè)定的培養(yǎng)液中最低維持濃度而定。設(shè)定的培養(yǎng)液中最低維持濃度而定。 例如，用連續(xù)培養(yǎng)方法測定了在不同比生長速率下青霉素生產(chǎn)菌產(chǎn)黃青霉的碳、氮、氧、磷、硫和乙酸鹽及菌最適生長所需的各種基質(zhì)的補(bǔ)料速率。 二、溫度對發(fā)酵的影響及控制二、溫度對發(fā)酵的影響及控制（一）影響發(fā)酵溫度的

50、因素（一）影響發(fā)酵溫度的因素（p155p155）（二）溫度對微生物的生長和發(fā)酵的影響（二）溫度對微生物的生長和發(fā)酵的影響 （p157-158p157-158）（三）最適溫度的確定（三）最適溫度的確定（p158）（四）溫度控制的方法（四）溫度控制的方法（一）影響發(fā)酵溫度的因素（影響發(fā)酵溫度的因素（p155） 產(chǎn)熱因素：生物熱、攪拌熱、通氣熱產(chǎn)熱因素：生物熱、攪拌熱、通氣熱 散熱因素：蒸發(fā)熱、輻射熱散熱因素：蒸發(fā)熱、輻射熱發(fā)酵熱發(fā)酵熱發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。 Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌 + Q 通氣-Q蒸發(fā)- Q輻射 生物熱：生物熱是生產(chǎn)菌在生長繁殖時產(chǎn)生的大量熱量。培養(yǎng)基中碳水化合物，

51、脂肪，蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO2， NH3時釋放出的大量能量。 用途：合成高能化合物 供微生物生命代謝活動 熱能散發(fā) 影響生物熱的因素：生物熱隨菌株，培養(yǎng)基，發(fā)酵時期的不同而不同。生物熱的大小還與菌體的呼吸強(qiáng)度有對應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)抗生素高產(chǎn)量批號（1）的生物熱高于低產(chǎn)量批號（2）的生物熱。說明抗生素合成時微生物的新陳代謝十分旺盛。 1 1、抗生素相對活性為、抗生素相對活性為1 12 2、抗生素相對活性為、抗生素相對活性為0.50.5發(fā)酵過程中生物熱的變化發(fā)酵過程中生物熱的變化在四環(huán)素發(fā)酵中，還發(fā)現(xiàn)在四環(huán)素發(fā)酵中，還發(fā)現(xiàn)生物熱生物熱和菌的和菌的呼吸強(qiáng)度呼吸強(qiáng)度的變化有對應(yīng)關(guān)系，的變化有對應(yīng)關(guān)系，

52、特別是在特別是在8080h h以前。從此實(shí)驗中還可看到，當(dāng)產(chǎn)生的生物熱達(dá)到高以前。從此實(shí)驗中還可看到，當(dāng)產(chǎn)生的生物熱達(dá)到高峰時，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可從菌體的耗氧率峰時，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可從菌體的耗氧率來衡量生物熱的大小。來衡量生物熱的大小。 四環(huán)素生物合成過程中系列參數(shù)的動態(tài)變化過程四環(huán)素生物合成過程中系列參數(shù)的動態(tài)變化過程1 1：效價；：效價；2 2：呼吸強(qiáng)度；：呼吸強(qiáng)度；3 3：生物熱：生物熱；4 4：糖濃度：糖濃度 攪拌熱： 通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動造成液體之間，液體與設(shè)備之間的運(yùn)動造成液體之間，液體與

53、設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱摩擦而產(chǎn)生的熱 。 Q攪拌=3600（P/V） 3600：熱功當(dāng)量（kJ/（kW.h） （P/V）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率（ kW/m3） 蒸發(fā)熱： 通入發(fā)酵罐的空氣，其溫度和濕度隨季節(jié)及控通入發(fā)酵罐的空氣，其溫度和濕度隨季節(jié)及控制條件的不同而有所變化?？諝膺M(jìn)入發(fā)酵罐后，制條件的不同而有所變化?？諝膺M(jìn)入發(fā)酵罐后，就和發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)行熱交換。同時必然會就和發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)行熱交換。同時必然會引起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。引起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。 蒸發(fā)熱的計算： Q Q蒸發(fā)蒸發(fā)= =G G（I I2 2-I-I1 1） G：空氣

54、流量，按干重計算，kg/h I1 、 I2 ：進(jìn)出發(fā)酵罐的空氣的熱焓量，J/kg（干空氣） 輻射熱：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過罐體向外輻射的熱量。 輻射熱可通過罐內(nèi)外的溫差求得，一般不超過發(fā)酵熱的5%。發(fā)酵熱的測定發(fā)酵熱的測定（1）通過測定一定時間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度，由下式求得這段時間內(nèi)的發(fā)酵熱。（2）通過罐溫的自動控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自控裝置測得溫度隨時間上升的速率S，按下式可求得發(fā)酵熱： 影響微生物的生長（不同微生物不同、同一微生物不同影響微生物的生長（不同微生物不同、同一微生物不同培養(yǎng)條件不同）培養(yǎng)條件不同） 影響各種酶的反應(yīng)速率和酶的特性影響各種酶的反應(yīng)速率和酶

55、的特性 影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)影響發(fā)酵液的物理性質(zhì) 影響生物合成的方向。影響生物合成的方向。 例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時能產(chǎn)生金霉素。在低于例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時能產(chǎn)生金霉素。在低于30 30 溫溫度下，該菌種合成金霉素能力較強(qiáng)。當(dāng)溫度提高，合成四環(huán)素的比度下，該菌種合成金霉素能力較強(qiáng)。當(dāng)溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度達(dá)例也提高。在溫度達(dá)3535則只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停止。則只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停止。 （二）（二）溫度對微生物的生長和發(fā)酵的影響溫度對微生物的生長和發(fā)酵的影響 （p157-158）最適溫度是一種相對概念，是指在該溫度下最適于菌的最適溫度是一

56、種相對概念，是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。產(chǎn)物的生成。最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān)。長階段有關(guān)。最適發(fā)酵溫度的選擇和控制：最適發(fā)酵溫度的選擇和控制： 在發(fā)酵的整個周期內(nèi)僅選一個最適培養(yǎng)溫度不一定好。在發(fā)酵的整個周期內(nèi)僅選一個最適培養(yǎng)溫度不一定好。 溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件。溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件。 溫度的選擇還應(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度溫度的選擇還應(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度 總之要考慮各方面的因素，并通過實(shí)驗和實(shí)際生產(chǎn)過總之要考慮各方面的因素，并通過實(shí)驗和實(shí)際生產(chǎn)過程研究其規(guī)律性，最終有效

57、提高產(chǎn)物的產(chǎn)量。程研究其規(guī)律性，最終有效提高產(chǎn)物的產(chǎn)量。（三）（三）最適溫度的確定（最適溫度的確定（p158p158） 升溫設(shè)備：升溫設(shè)備： 降溫設(shè)備：降溫設(shè)備： 發(fā)酵罐：夾套（體積在發(fā)酵罐：夾套（體積在1010MM3 3以下以下） 盤管（蛇管）盤管（蛇管） （體積在（體積在1010MM3 3以上以上） 溫度傳感器溫度傳感器（四）溫度控制的方法（四）溫度控制的方法三、三、 pHpH對發(fā)酵的影響及控制對發(fā)酵的影響及控制（p159-162p159-162） 發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的pHpH值是微生物在一定環(huán)值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動的綜合指標(biāo)，是一項重要境條件下代謝活動的綜合指

58、標(biāo)，是一項重要的發(fā)酵參數(shù)。它對菌體的生長和產(chǎn)品的積累的發(fā)酵參數(shù)。它對菌體的生長和產(chǎn)品的積累有很大的影響。因此，必須掌握發(fā)酵過程中有很大的影響。因此，必須掌握發(fā)酵過程中pHpH的變化規(guī)律，及時監(jiān)測并加以控制，使它的變化規(guī)律，及時監(jiān)測并加以控制，使它處于最佳的狀態(tài)。處于最佳的狀態(tài)。 盡管多數(shù)微生物能在盡管多數(shù)微生物能在3 34 4個個pHpH單位的單位的pHpH范圍范圍內(nèi)生長，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到內(nèi)生長，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生高生長速率和最佳產(chǎn)物形成長速率和最佳產(chǎn)物形成，必須，必須使使pHpH在很窄的在很窄的范圍內(nèi)保持恒定范圍內(nèi)保持恒定。（一）（一）pHpH值對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物

59、合成的影值對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響響 影響：影響：pHpH不同會形成不同的代謝產(chǎn)物。微生物菌體生長和產(chǎn)物的形不同會形成不同的代謝產(chǎn)物。微生物菌體生長和產(chǎn)物的形成的成的pHpH往往不同。往往不同。 影響微生物生長和代謝的原因：影響微生物生長和代謝的原因： pHpH影響酶的活性。影響酶的活性。 pHpH影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)。影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)。 直接影響代謝過程：直接影響代謝過程：pHpH影響培養(yǎng)基某些營養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的影響培養(yǎng)基某些營養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的解離，影響微生物對這些物質(zhì)的利用，從而引起菌體代謝過程的不解離，影響微生物對這些物質(zhì)的利用，從而引起菌體

60、代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變，影響代謝產(chǎn)物的合成同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變，影響代謝產(chǎn)物的合成（二）發(fā)酵過程中（二）發(fā)酵過程中pHpH的變化的變化v微生物生長階段v產(chǎn)物生成階段v微生物自溶階段v碳源過量v消泡油添加過量v微生物生長過程中形成了生理酸性物質(zhì)引起pH下降的因素v氮源過多v微生物生長過程中形成了生理堿性物質(zhì)v中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過多引起pH上升的因素原則：有利于菌體生長和產(chǎn)物的合成。原則：有利于菌體生長和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)實(shí)驗結(jié)果確定。一般根據(jù)實(shí)驗結(jié)果確定。最適最適pHpH與菌株，培養(yǎng)基組成，發(fā)酵工藝與菌株，培養(yǎng)基組成，發(fā)酵工藝有關(guān)。應(yīng)按發(fā)酵過程的不同階