發(fā)酵工程第八章

1、發(fā)酵過程控制發(fā)酵過程控制第八章第八章定定 義義發(fā)酵過程即發(fā)酵過程即細(xì)胞的生物反應(yīng)過程細(xì)胞的生物反應(yīng)過程，是指由生，是指由生長繁殖的長繁殖的細(xì)胞細(xì)胞所引起的所引起的生物反應(yīng)生物反應(yīng)過程。不僅過程。不僅包括了以往包括了以往“發(fā)酵發(fā)酵”的全部領(lǐng)域，而且還包的全部領(lǐng)域，而且還包括括固定化細(xì)胞的反應(yīng)過程固定化細(xì)胞的反應(yīng)過程、生物法廢水處理生物法廢水處理過程和細(xì)菌采礦等過程過程和細(xì)菌采礦等過程。研究發(fā)酵過程的意義研究發(fā)酵過程的意義發(fā)酵體系的特征發(fā)酵體系的特征內(nèi)容內(nèi)容發(fā)酵過程控制概述發(fā)酵過程控制概述溫度溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制對(duì)發(fā)酵的影響及其控制pH 值值對(duì)發(fā)酵的影響和控制對(duì)發(fā)酵的影響和控制溶解氧溶解氧對(duì)發(fā)

2、酵的影響和控制對(duì)發(fā)酵的影響和控制CO2和呼吸商對(duì)和呼吸商對(duì)發(fā)酵的影響和控制發(fā)酵的影響和控制 基質(zhì)濃度基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制對(duì)發(fā)酵的影響及其控制 通氣攪拌通氣攪拌對(duì)發(fā)酵的影響及其控制對(duì)發(fā)酵的影響及其控制 泡沫泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制對(duì)發(fā)酵的影響及其控制 高密度發(fā)酵與過程控制高密度發(fā)酵與過程控制 發(fā)酵終點(diǎn)發(fā)酵終點(diǎn)的檢測與控制的檢測與控制 自動(dòng)控制技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用的應(yīng)用發(fā)酵過程控制概述發(fā)酵過程控制概述常規(guī)發(fā)酵工藝控制參數(shù)常規(guī)發(fā)酵工藝控制參數(shù) 直接狀態(tài)參數(shù)：溫度、直接狀態(tài)參數(shù)：溫度、pHpH值、攪拌轉(zhuǎn)值、攪拌轉(zhuǎn)速、液位、補(bǔ)料速率等速、液位、補(bǔ)料速率等 間接狀態(tài)參數(shù)：產(chǎn)物濃度、溶解氧、間接狀

3、態(tài)參數(shù)：產(chǎn)物濃度、溶解氧、溶解溶解CO2等等發(fā)酵過程優(yōu)化控制步驟發(fā)酵過程優(yōu)化控制步驟控制方式：控制方式： 一般檢控系統(tǒng)包括一般檢控系統(tǒng)包括3 3個(gè)部分個(gè)部分 發(fā)發(fā) 酵酵 控控 制制Fermentation Control Sample AnalysispHDOSugarAmmoniaPhosphateSulphateProductsPrecursorsContaminationPressure probeLevel probepH probeTemp. probeDO probeAntifoamAcid/BaseCoolingAir/agitationSugar/Oilfeed發(fā)酵過程參數(shù)檢測

4、發(fā)酵過程參數(shù)檢測 發(fā)酵過程發(fā)酵過程參數(shù)的檢測參數(shù)的檢測是控制發(fā)酵過程的重要依據(jù)是控制發(fā)酵過程的重要依據(jù) 檢測方法檢測方法 通過儀器通過儀器在線在線檢測檢測 發(fā)酵罐中發(fā)酵罐中取樣離線取樣離線檢測檢測 常用的檢測儀器常用的檢測儀器 在線檢測：傳感器在線檢測：傳感器 離線檢測：分光光度計(jì)、氣相和液相色譜儀等離線檢測：分光光度計(jì)、氣相和液相色譜儀等 直接狀態(tài)參數(shù)：直接反應(yīng)發(fā)酵過程中直接狀態(tài)參數(shù)：直接反應(yīng)發(fā)酵過程中微生物生理代微生物生理代謝狀況謝狀況的參數(shù)的參數(shù) 對(duì)傳感器的要求：對(duì)傳感器的要求：耐高溫、高壓；避免表面被微生耐高溫、高壓；避免表面被微生物堵塞物堵塞 有價(jià)值的狀態(tài)參數(shù)：有價(jià)值的狀態(tài)參數(shù)：尾氣

5、分析和空氣流量的檢測尾氣分析和空氣流量的檢測 間接狀態(tài)參數(shù)：采用直接狀態(tài)參數(shù)計(jì)算得到的參數(shù)間接狀態(tài)參數(shù)：采用直接狀態(tài)參數(shù)計(jì)算得到的參數(shù) 離線發(fā)酵分析法離線發(fā)酵分析法 沒有一種可在線監(jiān)測培養(yǎng)基成分和代謝產(chǎn)沒有一種可在線監(jiān)測培養(yǎng)基成分和代謝產(chǎn)物的傳感器物的傳感器 發(fā)酵液的基質(zhì)、前體、代謝產(chǎn)物和菌量的發(fā)酵液的基質(zhì)、前體、代謝產(chǎn)物和菌量的監(jiān)測通過人工取樣和離線分析監(jiān)測通過人工取樣和離線分析 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不連貫性和滯后性不連貫性和滯后性發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的代謝控制 調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞的能力通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞的能力 調(diào)節(jié)代謝流調(diào)節(jié)代謝流 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)酶的合成量酶的合成量 調(diào)節(jié)調(diào)

6、節(jié)酶的催化活力酶的催化活力發(fā)酵過程檢測控制的主要發(fā)酵過程檢測控制的主要的參數(shù)的參數(shù)-物理參數(shù)物理參數(shù)檢測參數(shù)檢測參數(shù)檢測方法檢測方法 單位單位 影響影響溫度溫度鉑電阻鉑電阻 熱敏電阻熱敏電阻 qP c*罐壓罐壓(0.20.5105Pa)隔膜傳感器隔膜傳感器壓敏電阻壓敏電阻Pa保持正壓，防止染菌保持正壓，防止染菌O2 及及 CO2 的溶解度的溶解度 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)攪拌轉(zhuǎn)數(shù)頻率計(jì)數(shù)器頻率計(jì)數(shù)器 r/min Kla 發(fā)酵液的均勻性發(fā)酵液的均勻性 攪拌功率攪拌功率(2 -4KW/m3)功率計(jì)功率計(jì)kWKla 空氣流量空氣流量浮子流量計(jì)浮子流量計(jì) 孔板差壓計(jì)孔板差壓計(jì) m3 h-1vvm Kla 粘度粘度旋轉(zhuǎn)

7、粘度計(jì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) Pa s Kla 濁度濁度濁度計(jì)濁度計(jì)%反映單細(xì)胞的生長反映單細(xì)胞的生長 料液的流量料液的流量蠕動(dòng)泵蠕動(dòng)泵 荷重傳感器荷重傳感器量筒量筒 L h-1 S 發(fā)酵過程檢測控制的主要的參數(shù)發(fā)酵過程檢測控制的主要的參數(shù)-化學(xué)參數(shù)化學(xué)參數(shù)檢測參數(shù)檢測參數(shù)檢測方法檢測方法 單位單位 影響及作用影響及作用pH復(fù)合玻璃電極復(fù)合玻璃電極 菌體和產(chǎn)物合成速度菌體和產(chǎn)物合成速度酶促反應(yīng)的方向酶促反應(yīng)的方向基質(zhì)濃度基質(zhì)濃度產(chǎn)物濃度產(chǎn)物濃度HPLC 離子選擇電極離子選擇電極 生物傳感器生物傳感器 取樣取樣g L-1 qP發(fā)酵周期的長短發(fā)酵周期的長短氧化還原電位氧化還原電位氧化還原電位電極氧化還原電位電

8、極 mV 生長和生化活性生長和生化活性溶氧濃度溶氧濃度覆膜氧電極覆膜氧電極 % qo2氣相氣相O2含量含量 順磁氧分析儀順磁氧分析儀 Pa反映反映OUR 和和 Kla 氣相氣相CO2含量含量 紅外氣體分析儀紅外氣體分析儀 %反映反映OUR 和和 Kla 發(fā)酵過程檢測控制的主要的參數(shù)發(fā)酵過程檢測控制的主要的參數(shù)-生物參數(shù)生物參數(shù)檢測參數(shù)檢測參數(shù)檢測方法檢測方法 單位單位 影響影響菌絲形態(tài)菌絲形態(tài)攝像顯微鏡攝像顯微鏡 取樣鏡檢取樣鏡檢 反映菌體發(fā)育階反映菌體發(fā)育階段和正常與否段和正常與否菌體濃度菌體濃度取樣取樣 ：干重、濁：干重、濁度、活菌計(jì)數(shù)、度、活菌計(jì)數(shù)、離心沉降離心沉降g g L L-1-1

9、 影響菌體的生化影響菌體的生化反應(yīng)反應(yīng)K Klala一一 、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及控制、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及控制1 1 影響發(fā)酵溫度的因素：發(fā)酵熱影響發(fā)酵溫度的因素：發(fā)酵熱 產(chǎn)熱因素產(chǎn)熱因素 生物熱生物熱 通氣熱通氣熱 攪拌熱攪拌熱 散熱因素散熱因素 蒸發(fā)熱蒸發(fā)熱 輻射熱輻射熱1.1 1.1 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。發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。 Q發(fā)酵發(fā)酵=Q生物生物+Q攪拌攪拌+Q通氣通氣-Q蒸發(fā)蒸發(fā)-Q輻射輻射發(fā)酵熱的測定發(fā)酵熱的測定方法一方法一： 通過測定一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水的進(jìn)出口溫度，通過測定一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水的進(jìn)出口溫度，由下式求

10、得這段時(shí)間內(nèi)的發(fā)酵熱：由下式求得這段時(shí)間內(nèi)的發(fā)酵熱： Q發(fā)酵發(fā)酵 = GC (t2- t1) / V (J / m3 h) G - 冷卻水流量，冷卻水流量，kg/h C - 水的比熱，水的比熱， J/kg t1、t2 - 進(jìn)、出口的冷卻水溫度，進(jìn)、出口的冷卻水溫度， V - 發(fā)酵液體積發(fā)酵液體積 ， m3方法二： 通過罐溫的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自動(dòng)控制通過罐溫的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自動(dòng)控制裝置測得溫度隨時(shí)間上升的速率裝置測得溫度隨時(shí)間上升的速率S, S, 按下式可求得發(fā)酵熱按下式可求得發(fā)酵熱 ： Q 發(fā)酵發(fā)酵 = K SS - S - 溫度隨時(shí)間上升的速率，溫度隨時(shí)

11、間上升的速率，/h/hK - K - 總參數(shù)，代表系統(tǒng)的熱容量，總參數(shù)，代表系統(tǒng)的熱容量，J/LJ/LK K值可由下式求得：值可由下式求得： K = (MCp)發(fā)酵液發(fā)酵液 + (MCp)容器容器 + (MCp)附件附件M 以每升發(fā)酵液計(jì)的發(fā)酵液、容器、附件的重量以每升發(fā)酵液計(jì)的發(fā)酵液、容器、附件的重量Cp Cp 代表各自的比熱代表各自的比熱一般微生物發(fā)酵過程中的最大發(fā)酵熱約為一般微生物發(fā)酵過程中的最大發(fā)酵熱約為 4.186 (30008000) kJ / m3 h生物熱是生產(chǎn)菌在生長繁殖時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。培生物熱是生產(chǎn)菌在生長繁殖時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。培養(yǎng)基中碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解

12、為養(yǎng)基中碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO2、NH3和水時(shí)釋放出的大量能量。和水時(shí)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(dòng)用途：合成高能化合物供微生物生命代謝活動(dòng) 合成產(chǎn)物合成產(chǎn)物 熱能散發(fā)熱能散發(fā)影響生物熱的因素影響生物熱的因素 生物熱隨菌株、培養(yǎng)基、發(fā)酵時(shí)期的不同而不同生物熱隨菌株、培養(yǎng)基、發(fā)酵時(shí)期的不同而不同對(duì)于某一種微生物，生物熱的產(chǎn)生具有強(qiáng)烈的時(shí)間性對(duì)于某一種微生物，生物熱的產(chǎn)生具有強(qiáng)烈的時(shí)間性 孢子發(fā)芽和生長初期，產(chǎn)生數(shù)量有限孢子發(fā)芽和生長初期，產(chǎn)生數(shù)量有限 進(jìn)入進(jìn)入對(duì)數(shù)生長期對(duì)數(shù)生長期后，大量產(chǎn)生，此后逐漸減少后，大量產(chǎn)生，此后逐漸減少生物熱的大小還與菌

13、體的生物熱的大小還與菌體的呼吸強(qiáng)度呼吸強(qiáng)度有對(duì)應(yīng)關(guān)系有對(duì)應(yīng)關(guān)系培養(yǎng)基成分培養(yǎng)基成分越豐富，菌體利用營養(yǎng)物質(zhì)速率越大，生物熱越豐富，菌體利用營養(yǎng)物質(zhì)速率越大，生物熱產(chǎn)生越多產(chǎn)生越多在四環(huán)素發(fā)酵在四環(huán)素發(fā)酵中，可看到當(dāng)中，可看到當(dāng)產(chǎn)生的產(chǎn)生的生物熱生物熱達(dá)到高峰時(shí)，達(dá)到高峰時(shí)，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，可從菌體的耗氧從菌體的耗氧率來衡量生物率來衡量生物熱的大小。熱的大小。 四環(huán)素生物合成過程中系列參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程四環(huán)素生物合成過程中系列參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程1 1：效價(jià)；：效價(jià)；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 通風(fēng)發(fā)

14、酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成液通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成液體之間、液體與設(shè)備之間的體之間、液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱摩擦而產(chǎn)生的熱 。 Q攪拌攪拌=3600（P/V） 3600：熱功當(dāng)量（熱功當(dāng)量（kJ/（kW.h） （P/V）：）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率（率（ kW/m3） 通入發(fā)酵罐的空氣，其溫度和濕度隨季節(jié)及控制通入發(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。條件的不同而有所變化。空氣進(jìn)入發(fā)酵罐后，就空氣進(jìn)入發(fā)酵罐后，就和發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)行熱交換和發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)行熱交換。必然會(huì)引起水分。必然會(huì)引

15、起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。 1.5 1.5 輻射熱：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過罐輻射熱：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過罐體向外輻射的熱量。體向外輻射的熱量。 輻射熱可通過罐內(nèi)外的溫差求得，冬天影響大，輻射熱可通過罐內(nèi)外的溫差求得，冬天影響大，夏天影響小一般不超過發(fā)酵熱的夏天影響小一般不超過發(fā)酵熱的5%。2 溫度控制溫度控制 在發(fā)酵罐上安裝夾套或盤管調(diào)節(jié)在發(fā)酵罐上安裝夾套或盤管調(diào)節(jié) 溫度高時(shí)，通過循環(huán)冷卻水控制溫度高時(shí)，通過循環(huán)冷卻水控制 溫度低時(shí)，通過加熱使夾套或盤管中水溫度低時(shí)，通過加熱使夾套或盤管中水的循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制的循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制3

16、 溫度對(duì)發(fā)酵的影響溫度對(duì)發(fā)酵的影響 影響各種酶的反應(yīng)速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)影響各種酶的反應(yīng)速率和蛋白質(zhì)性質(zhì) 影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)：影響氧的溶解和傳影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)：影響氧的溶解和傳遞；影響對(duì)基質(zhì)的分解和吸收速度遞；影響對(duì)基質(zhì)的分解和吸收速度 影響生物合成的方向影響生物合成的方向溫度對(duì)微生物生長的影響溫度對(duì)微生物生長的影響 溫度直接影響溫度直接影響酶反應(yīng)酶反應(yīng)，從而影響著生物體的生命活動(dòng)。，從而影響著生物體的生命活動(dòng)。微生物的生長和產(chǎn)物的合成在酶的作用下進(jìn)行微生物的生長和產(chǎn)物的合成在酶的作用下進(jìn)行 微生物的生長是一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)的綜合結(jié)果，微生物的生長是一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)的綜合結(jié)果，反應(yīng)速率

17、受到溫度的影響反應(yīng)速率受到溫度的影響發(fā)酵過程，微生物生長速率變化發(fā)酵過程，微生物生長速率變化 dX/dt = X- X : 比生長速率比生長速率 ：比死亡速率比死亡速率 當(dāng)處于生長狀態(tài)時(shí)，當(dāng)處于生長狀態(tài)時(shí)， , 可忽略。可忽略。 與與 與溫度有關(guān)與溫度有關(guān) 根據(jù)根據(jù)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 對(duì)溫度變化對(duì)溫度變化更為敏感更為敏感 例：青霉菌生產(chǎn)青霉素例：青霉菌生產(chǎn)青霉素 青霉菌生長活化能青霉菌生長活化能E=34kJ/mol 青霉素合成活化能青霉素合成

18、活化能E=112kJ/mol 青霉素合成速率對(duì)溫度較敏感，溫度控青霉素合成速率對(duì)溫度較敏感，溫度控制相當(dāng)重要。制相當(dāng)重要。微生物的適宜溫度微生物的適宜溫度 多數(shù)微生物：多數(shù)微生物： 20C- 40C 嗜冷菌：嗜冷菌：20C 以下生長速率最大；以下生長速率最大； 嗜中溫菌：嗜中溫菌：30-35C 嗜熱菌：嗜熱菌：50C 以上生長以上生長 篩選高溫菌株具有重要的實(shí)踐意義篩選高溫菌株具有重要的實(shí)踐意義溫度對(duì)微生物生長的影響 嗜冷菌在溫度低于嗜冷菌在溫度低于2020下生長速率最大下生長速率最大 嗜中溫菌在嗜中溫菌在30-3530-35左右生長速率最大左右生長速率最大 嗜熱菌在嗜熱菌在5050以上生長速

19、率最大以上生長速率最大 曲線形狀相似；當(dāng)溫度增曲線形狀相似；當(dāng)溫度增加加1010，生長速率大致增長，生長速率大致增長一倍。一倍。 溫度超過最適生長溫度，溫度超過最適生長溫度，生長速率隨溫度增加而迅速生長速率隨溫度增加而迅速下降下降3.1 溫度對(duì)微生物生長的影響溫度對(duì)微生物生長的影響 在最適溫度范圍內(nèi)在最適溫度范圍內(nèi) 不同不同生長階段的微生物對(duì)溫度生長階段的微生物對(duì)溫度的反應(yīng)不同的反應(yīng)不同 延遲期延遲期：敏感：敏感 最適溫度最適溫度 對(duì)數(shù)生長期對(duì)數(shù)生長期：最適溫度范圍內(nèi)提高溫度：最適溫度范圍內(nèi)提高溫度 生長后期：取決于生長后期：取決于溶解氧濃度溶解氧濃度，提高通氣量，提高通氣量 溫度和微生物生長

20、的關(guān)系溫度和微生物生長的關(guān)系 一方面在其最適溫度范圍內(nèi)，生長一方面在其最適溫度范圍內(nèi)，生長速度速度隨溫度升高的增加隨溫度升高的增加； 另一方面，不同生長階段的微生物另一方面，不同生長階段的微生物對(duì)溫度的反應(yīng)不同對(duì)溫度的反應(yīng)不同 3.2 溫度對(duì)基質(zhì)消耗的影響溫度對(duì)基質(zhì)消耗的影響 溫度的變化影響溫度的變化影響基質(zhì)消耗和比生長速率基質(zhì)消耗和比生長速率 生產(chǎn)中，適當(dāng)抑制生長生產(chǎn)中，適當(dāng)抑制生長(菌體的過量生長菌體的過量生長導(dǎo)致群體的退化和產(chǎn)率降低）導(dǎo)致群體的退化和產(chǎn)率降低） 溫度對(duì)產(chǎn)物合成影響不大時(shí)溫度對(duì)產(chǎn)物合成影響不大時(shí)，適當(dāng)提高，適當(dāng)提高溫度抑制生長，有利于生產(chǎn)節(jié)能溫度抑制生長，有利于生產(chǎn)節(jié)能3.

21、3 溫度對(duì)產(chǎn)物合成的影響溫度對(duì)產(chǎn)物合成的影響 影響各種反應(yīng)速率影響各種反應(yīng)速率 改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，影響產(chǎn)物的合成改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，影響產(chǎn)物的合成 影響生物合成的方向影響生物合成的方向 對(duì)代謝有調(diào)節(jié)作用對(duì)代謝有調(diào)節(jié)作用 例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時(shí)能產(chǎn)生例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時(shí)能產(chǎn)生金霉素。在金霉素。在低于低于30 30 溫度溫度下，該菌種合成下，該菌種合成金金霉素能力較強(qiáng)霉素能力較強(qiáng)。當(dāng)溫度提高，合成四環(huán)素的。當(dāng)溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度比例也提高。在溫度達(dá)達(dá)3535則只產(chǎn)生四環(huán)素則只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停止。而金霉素合成幾乎停止。 低溫時(shí)，低溫時(shí)，氨基

22、酸合成氨基酸合成途徑的終產(chǎn)物對(duì)第一個(gè)途徑的終產(chǎn)物對(duì)第一個(gè)酶的反饋抑制比正常溫度時(shí)大，因此酶的反饋抑制比正常溫度時(shí)大，因此在抗生素發(fā)在抗生素發(fā)酵后期，降低溫度，使蛋白質(zhì)和核酸的正常合成酵后期，降低溫度，使蛋白質(zhì)和核酸的正常合成途徑關(guān)閉，轉(zhuǎn)向目的產(chǎn)物的合成途徑關(guān)閉，轉(zhuǎn)向目的產(chǎn)物的合成最適溫度是一種相對(duì)概念，是指在該溫度下最適于菌的生最適溫度是一種相對(duì)概念，是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。最適發(fā)酵溫度與最適發(fā)酵溫度與菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生長菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān)。階段有關(guān)。最適發(fā)酵溫度的選擇最適發(fā)酵溫度的選擇在發(fā)酵整個(gè)周期內(nèi)僅選一個(gè)

23、最適培養(yǎng)溫度不一定好。在發(fā)酵整個(gè)周期內(nèi)僅選一個(gè)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)基成分和濃度最適溫度的確定最適溫度的確定最適溫度的選擇最適溫度的選擇1 1）根據(jù)）根據(jù)菌種及生長階段菌種及生長階段選擇選擇微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。度范圍也不同。 如黑曲霉生長溫度為如黑曲霉生長溫度為370C， 谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長溫度為谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長溫度為30320C， 青霉菌生長溫度為青霉菌生長溫度為

24、300C。 前期菌量少，取稍高的溫度，使菌生長迅速；前期菌量少，取稍高的溫度，使菌生長迅速；中期中期菌量已達(dá)到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，菌量已達(dá)到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，從而提高產(chǎn)量，因此溫度要稍低一些，可以推遲衰老。因從而提高產(chǎn)量，因此溫度要稍低一些，可以推遲衰老。因?yàn)樵谏缘蜏囟认掳被岷铣傻鞍踪|(zhì)和核酸的正常途徑關(guān)閉為在稍低溫度下氨基酸合成蛋白質(zhì)和核酸的正常途徑關(guān)閉得比較嚴(yán)密有利于產(chǎn)物合成。得比較嚴(yán)密有利于產(chǎn)物合成。后期后期產(chǎn)物合成能力降低，延長發(fā)酵周期沒有必要，提高溫產(chǎn)物合成能力降低，延長發(fā)酵周期沒有必要，提高溫度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。如：如：

25、四環(huán)素生長階段四環(huán)素生長階段28C，合成期，合成期26C后期再升溫；后期再升溫；黑曲霉生長黑曲霉生長37C，產(chǎn)糖化酶，產(chǎn)糖化酶3234C。但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長溫度高但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長溫度高谷氨酸產(chǎn)谷氨酸產(chǎn)生菌生長生菌生長3032C，產(chǎn)酸，產(chǎn)酸3437C。最適溫度選擇要根據(jù)最適溫度選擇要根據(jù)菌種與發(fā)酵階段菌種與發(fā)酵階段做試驗(yàn)。做試驗(yàn)。二階段發(fā)酵二階段發(fā)酵菌體生長和產(chǎn)物合成所需菌體生長和產(chǎn)物合成所需的最適溫度不一定相同。的最適溫度不一定相同。變溫培養(yǎng)變溫培養(yǎng) 抗生素生產(chǎn)中，通過抗生素生產(chǎn)中，通過變溫培養(yǎng)變溫培養(yǎng)比恒溫比恒溫培養(yǎng)得到的產(chǎn)物多。培養(yǎng)得到的產(chǎn)物多。 最適溫度的選擇和控制，可

26、有效的提最適溫度的選擇和控制，可有效的提高產(chǎn)物的產(chǎn)率高產(chǎn)物的產(chǎn)率例如：例如： 青霉素產(chǎn)生菌的最適生長溫度是青霉素產(chǎn)生菌的最適生長溫度是3030，而最適于青，而最適于青霉素合成的溫度是霉素合成的溫度是2020。 發(fā)酵過程中，在生長初期抗生素還未開始合成，菌絲發(fā)酵過程中，在生長初期抗生素還未開始合成，菌絲還未長濃，這時(shí)的溫度應(yīng)適于微生物的生長；還未長濃，這時(shí)的溫度應(yīng)適于微生物的生長； 到抗生素分泌期，菌絲已長到一定濃度，積累抗生素到抗生素分泌期，菌絲已長到一定濃度，積累抗生素是重點(diǎn)考慮，此時(shí)應(yīng)滿足生物合成的最適溫度。是重點(diǎn)考慮，此時(shí)應(yīng)滿足生物合成的最適溫度。例：例：林可霉素發(fā)酵的變溫培養(yǎng)林可霉素發(fā)

27、酵的變溫培養(yǎng)問題的提出問題的提出接種后接種后10h10h左右已進(jìn)入對(duì)數(shù)生長期，隨后是左右已進(jìn)入對(duì)數(shù)生長期，隨后是10h10h左右的加速生長期，左右的加速生長期，在在40h40h左右對(duì)數(shù)生長期基本完成，在左右對(duì)數(shù)生長期基本完成，在50h50h左右轉(zhuǎn)入生產(chǎn)期左右轉(zhuǎn)入生產(chǎn)期主要問題：主要問題：如何維持適度的菌體濃度和延長分泌期？如何維持適度的菌體濃度和延長分泌期？適當(dāng)降低培養(yǎng)溫度可以延緩菌體的衰老和維持相當(dāng)數(shù)量適當(dāng)降低培養(yǎng)溫度可以延緩菌體的衰老和維持相當(dāng)數(shù)量的有強(qiáng)生產(chǎn)能力的菌絲體存在的有強(qiáng)生產(chǎn)能力的菌絲體存在變溫培養(yǎng)的正交設(shè)計(jì)變溫培養(yǎng)的正交設(shè)計(jì)結(jié)論：結(jié)論：前前60h60h按按3131控制，控制，縮短

28、了適應(yīng)期縮短了適應(yīng)期使發(fā)酵提前轉(zhuǎn)入生使發(fā)酵提前轉(zhuǎn)入生產(chǎn)階段，同時(shí)菌絲體已有相當(dāng)量的積累，為大量分泌抗生產(chǎn)階段，同時(shí)菌絲體已有相當(dāng)量的積累，為大量分泌抗生素提供了物質(zhì)基礎(chǔ)素提供了物質(zhì)基礎(chǔ)6060小時(shí)后將罐溫降至小時(shí)后將罐溫降至3O3O使與使與抗生素合成有關(guān)的酶的活性抗生素合成有關(guān)的酶的活性增強(qiáng)增強(qiáng)，抗生素分泌量有所增加，同時(shí)因分泌期的延長有利，抗生素分泌量有所增加，同時(shí)因分泌期的延長有利于進(jìn)一步積累抗生素于進(jìn)一步積累抗生素發(fā)酵進(jìn)入后期罐溫再回升至發(fā)酵進(jìn)入后期罐溫再回升至31 31 使生產(chǎn)菌在生命的最后階使生產(chǎn)菌在生命的最后階段段最大限度的合成和排出次級(jí)代謝產(chǎn)物最大限度的合成和排出次級(jí)代謝產(chǎn)物。2

29、 2）根據(jù)培養(yǎng)條件選擇）根據(jù)培養(yǎng)條件選擇溫度選擇還要根據(jù)溫度選擇還要根據(jù)培養(yǎng)條件培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。綜合考慮，靈活選擇。通氣條件差時(shí)可適當(dāng)通氣條件差時(shí)可適當(dāng)降低溫度降低溫度，使菌呼吸速率降低些，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可高些。溶氧濃度也可高些。培養(yǎng)基稀薄時(shí)，培養(yǎng)基稀薄時(shí)，溫度也該低些溫度也該低些。因?yàn)闇囟雀郀I養(yǎng)利用快，。因?yàn)闇囟雀郀I養(yǎng)利用快，會(huì)使菌過早自溶。會(huì)使菌過早自溶。3 3）根據(jù)菌生長情況）根據(jù)菌生長情況菌生長快，維持在較高溫度時(shí)間菌生長快，維持在較高溫度時(shí)間要短要短些；菌生長慢，維些；菌生長慢，維持較高溫度時(shí)間持較高溫度時(shí)間可長可長些。培養(yǎng)條件適宜，如營養(yǎng)豐富，通些。培養(yǎng)

30、條件適宜，如營養(yǎng)豐富，通氣能滿足，前期溫度可高些，以利于菌的生長。氣能滿足，前期溫度可高些，以利于菌的生長。總的來說，溫度的選擇根據(jù)總的來說，溫度的選擇根據(jù)菌種生長階段及培養(yǎng)條件菌種生長階段及培養(yǎng)條件綜綜合考慮。要通過反復(fù)實(shí)踐來定出最適溫度。合考慮。要通過反復(fù)實(shí)踐來定出最適溫度。利用溫度控制提高產(chǎn)量的實(shí)例：熱沖擊處理技術(shù)提高發(fā)利用溫度控制提高產(chǎn)量的實(shí)例：熱沖擊處理技術(shù)提高發(fā)酵甘油的產(chǎn)量酵甘油的產(chǎn)量實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：正交條件正交條件 A 沖擊溫度（沖擊溫度（0C） 40，45，50 B 開始時(shí)機(jī)（開始時(shí)機(jī)（h） 8，16，30 C 沖擊時(shí)間（分）沖擊時(shí)間（分） 15，30，60結(jié)果發(fā)酵結(jié)果發(fā)酵16小時(shí)

31、，小時(shí)，45 C沖擊沖擊30分鐘最佳，發(fā)酵分鐘最佳，發(fā)酵96小時(shí)后甘油濃度小時(shí)后甘油濃度提高提高32.6。（A）16h,45 C,30min（B）12h,45 C,30min 利用計(jì)算機(jī)模擬確定最佳發(fā)酵條件，正逐步利用計(jì)算機(jī)模擬確定最佳發(fā)酵條件，正逐步得到推廣應(yīng)用。得到推廣應(yīng)用。 根據(jù)模擬計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)酵溫度最佳點(diǎn)的計(jì)算，得到青根據(jù)模擬計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)酵溫度最佳點(diǎn)的計(jì)算，得到青霉素發(fā)酵的最適溫度是：霉素發(fā)酵的最適溫度是： 起初起初5h維持在維持在30；隨后降到；隨后降到25，培養(yǎng)，培養(yǎng)35h；再降；再降到到20培養(yǎng)培養(yǎng)85h；最后回升到；最后回升到25培養(yǎng)培養(yǎng)40h放罐。放罐。 采用這種變溫培養(yǎng)，比在采

32、用這種變溫培養(yǎng)，比在25恒溫培養(yǎng)青霉素產(chǎn)量提恒溫培養(yǎng)青霉素產(chǎn)量提高高15%。發(fā)酵溫度的控制發(fā)酵溫度的控制在發(fā)酵罐上安裝夾套和蛇罐，通過循環(huán)冷卻水控制。在發(fā)酵罐上安裝夾套和蛇罐，通過循環(huán)冷卻水控制。冷卻介質(zhì)：深井水或冷凍水冷卻介質(zhì)：深井水或冷凍水控制方式：手動(dòng)控制或自動(dòng)控制控制方式：手動(dòng)控制或自動(dòng)控制溫度計(jì)溫度計(jì)溫度控制器溫度控制器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥 二、二、 pH對(duì)發(fā)酵的影響及控制對(duì)發(fā)酵的影響及控制 發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的pH值是微生物在一定環(huán)境條件下值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動(dòng)的綜合指標(biāo)，是一重要發(fā)酵參數(shù)。對(duì)代謝活動(dòng)的綜合指標(biāo)，是一重要發(fā)酵參數(shù)。對(duì)菌體的菌體的生長和產(chǎn)品的積累生

33、長和產(chǎn)品的積累有很大影響。有很大影響。 因此，必須掌握發(fā)酵過程中因此，必須掌握發(fā)酵過程中pHpH的變化規(guī)律，及時(shí)監(jiān)測的變化規(guī)律，及時(shí)監(jiān)測并加以控制，使其處于最佳狀態(tài)。并加以控制，使其處于最佳狀態(tài)。 盡管多數(shù)微生物能在盡管多數(shù)微生物能在3434個(gè)個(gè)pHpH單位的單位的pHpH范圍內(nèi)生長，范圍內(nèi)生長，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生長速率和最佳產(chǎn)物但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生長速率和最佳產(chǎn)物形成，必須使形成，必須使pHpH在在很窄的范圍內(nèi)很窄的范圍內(nèi)保持恒定。保持恒定。 不同種類微生物，對(duì)不同種類微生物，對(duì)pHpH要求不同；要求不同；酵酵 母：母：pH 3.8pH 3.86.06.0細(xì)細(xì) 菌：菌：

34、pH 6.5pH 6.57.57.5霉霉 菌：菌：pH 4.0pH 4.05.85.8放線菌：放線菌：pH 6.5pH 6.58.08.0 pHpH不同，微生物代謝產(chǎn)物不同。不同，微生物代謝產(chǎn)物不同。 黑曲霉黑曲霉pHpH：2 23 3，檸檬酸，檸檬酸 發(fā)酵發(fā)酵pHpH：7.07.0，草酸發(fā)酵，草酸發(fā)酵谷氨酸菌谷氨酸菌pHpH：7 78 8，GAGA發(fā)酵發(fā)酵pHpH：5.05.05.85.8，谷氨酰胺發(fā)酵，谷氨酰胺發(fā)酵釀酒酵母釀酒酵母pHpH：4.5-5.04.5-5.03 3，乙醇，乙醇 發(fā)酵發(fā)酵pHpH：8.08.0，甘油發(fā)酵，甘油發(fā)酵pHpH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響在微生物培養(yǎng)

35、的不同階段有不同的影響 生長生長合合成成pH對(duì)菌體生長影響比產(chǎn)物合成影響小對(duì)菌體生長影響比產(chǎn)物合成影響小例例 青霉素：菌體生長最適青霉素：菌體生長最適pH3.56.0,產(chǎn)物合成最適產(chǎn)物合成最適pH7.27.4 四環(huán)素：菌體生長最適四環(huán)素：菌體生長最適pH6.06.8，產(chǎn)物合成最適，產(chǎn)物合成最適pH5.86.0XpH 微生物生長和發(fā)酵的最適宜微生物生長和發(fā)酵的最適宜pHpH可能不同?？赡懿煌１〈季〈季L：生長：pH 5.5pH 5.57.0;7.0;發(fā)酵：發(fā)酵：pH 4.3-5.3;pH 4.3-5.3;鏈霉素菌鏈霉素菌生長：生長： pH 6.3-6.9pH 6.3-6.9發(fā)酵：發(fā)

36、酵： pH 6.7-7.3pH 6.7-7.3青霉素菌青霉素菌生長：生長：pH 6.5-7.2pH 6.5-7.2發(fā)酵：發(fā)酵：pH 6.2-6.8pH 6.2-6.8pHpH值值變變化化的的原原因因 微生物代謝活動(dòng)分微生物代謝活動(dòng)分泌酸或堿性物質(zhì)泌酸或堿性物質(zhì)利用培養(yǎng)基中的生利用培養(yǎng)基中的生理酸性鹽或堿性鹽理酸性鹽或堿性鹽幾種抗生素合成的最適幾種抗生素合成的最適PH值值 鏈霉素、紅霉素：中偏堿性鏈霉素、紅霉素：中偏堿性6.8-7.4 金霉素、四環(huán)素：金霉素、四環(huán)素：5.9-6.33 青霉素：青霉素：6.5-6.8pHpH值對(duì)微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響值對(duì)微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響

37、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) pHpH影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物離解影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物離解 pHpH不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變影響菌體原生質(zhì)膜電荷的改變，引起膜影響菌體原生質(zhì)膜電荷的改變，引起膜對(duì)離子的滲透作用，影響營養(yǎng)物的吸收對(duì)離子的滲透作用，影響營養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌。和代謝產(chǎn)物的分泌。 例如：黑曲霉在例如：黑曲霉在pH2-3時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pH接近中性時(shí)，則產(chǎn)生

38、草酸。接近中性時(shí)，則產(chǎn)生草酸。 如：丙酮丁醇發(fā)酵中，發(fā)酵后期如：丙酮丁醇發(fā)酵中，發(fā)酵后期pH為為4.3-5.3時(shí)時(shí)積累丙酮丁醇，積累丙酮丁醇，pH升高則丙酮丁醇產(chǎn)量減少，而升高則丙酮丁醇產(chǎn)量減少，而丁酸、乙酸含量增加。丁酸、乙酸含量增加。舉例：舉例： 影響菌體的生長：影響菌體的生長：產(chǎn)黃曲霉的細(xì)胞壁的厚度就隨產(chǎn)黃曲霉的細(xì)胞壁的厚度就隨pH值的增值的增加而減?。浩渚z直徑在加而減小：其菌絲直徑在pH6.0時(shí)為時(shí)為23 m；pH7.4時(shí)為時(shí)為218 m，并呈膨脹酵母狀；，并呈膨脹酵母狀；pH值下降后菌絲形態(tài)又會(huì)值下降后菌絲形態(tài)又會(huì)恢復(fù)正常?；謴?fù)正常。 影響產(chǎn)物合成：影響產(chǎn)物合成：合成青霉素的最適合

39、成青霉素的最適pH值范圍為值范圍為6.56.8。 影響產(chǎn)物穩(wěn)定性影響產(chǎn)物穩(wěn)定性：-內(nèi)酰胺抗生素沙納霉素的發(fā)酵中，內(nèi)酰胺抗生素沙納霉素的發(fā)酵中，pH在在6.77.5之間時(shí)抗生素的產(chǎn)量相近，高于或低于這個(gè)范之間時(shí)抗生素的產(chǎn)量相近，高于或低于這個(gè)范圍，合成受到抑制。在這個(gè)圍，合成受到抑制。在這個(gè)pH值范圍內(nèi)，沙納霉素的穩(wěn)定值范圍內(nèi)，沙納霉素的穩(wěn)定性未受到嚴(yán)重影響；但性未受到嚴(yán)重影響；但pH7.5時(shí)，穩(wěn)定性下降，半衰期縮時(shí)，穩(wěn)定性下降，半衰期縮短，發(fā)酵單位也下降。青霉素在堿性條件下發(fā)酵單位低，短，發(fā)酵單位也下降。青霉素在堿性條件下發(fā)酵單位低，也與青霉素的穩(wěn)定性有關(guān)。也與青霉素的穩(wěn)定性有關(guān)。發(fā)酵過程中發(fā)

40、酵過程中pHpH的變化及影響的變化及影響pHpH變化的因素變化的因素發(fā)酵過程中pH的變化1 1）生長階段）生長階段 pHpH有上升或下降趨勢（相對(duì)于接種后起始有上升或下降趨勢（相對(duì)于接種后起始pHpH而言）而言）如：如：利福霉素利福霉素B B發(fā)酵起始發(fā)酵起始pHpH為中性，但生長初期由于菌為中性，但生長初期由于菌體產(chǎn)生的體產(chǎn)生的蛋白酶水解蛋白胨而生成銨離子蛋白酶水解蛋白胨而生成銨離子，使，使pHpH上升至上升至堿性；堿性；隨著隨著銨離子的利用及葡萄糖利用銨離子的利用及葡萄糖利用過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸使過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸使pHpH下降到酸性范圍。下降到酸性范圍。2 2）生產(chǎn)階段）生產(chǎn)階段 在生產(chǎn)階段

41、，在生產(chǎn)階段，pHpH趨于穩(wěn)定，維持在最適趨于穩(wěn)定，維持在最適 產(chǎn)物合成的范圍產(chǎn)物合成的范圍3 3）自溶階段）自溶階段 菌絲自溶階段，隨著基質(zhì)的耗盡，菌體蛋白酶活菌絲自溶階段，隨著基質(zhì)的耗盡，菌體蛋白酶活 躍，培養(yǎng)液中躍，培養(yǎng)液中氨基氮增加氨基氮增加，致使，致使pHpH上升，此時(shí)菌上升，此時(shí)菌 絲趨于自溶而代謝活動(dòng)終止。絲趨于自溶而代謝活動(dòng)終止。培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的代謝引起培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的代謝引起pH的變化的變化 培養(yǎng)基培養(yǎng)基pHpH在發(fā)酵過程中能被菌體代謝所改變。在發(fā)酵過程中能被菌體代謝所改變。若陰離子氮源被利用后產(chǎn)生若陰離子氮源被利用后產(chǎn)生NHNH3 3，pHpH上升；有機(jī)上升；有機(jī)酸的積

42、累，使酸的積累，使pHpH下降。下降。 一般來說，一般來說，高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性pHpH轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移，高氮源培養(yǎng)基傾向于向堿性，高氮源培養(yǎng)基傾向于向堿性pHpH轉(zhuǎn)移，與轉(zhuǎn)移，與碳氮比直接有關(guān)。碳氮比直接有關(guān)。 生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)的消耗生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)的消耗2 2、引起發(fā)酵液中、引起發(fā)酵液中pHpH變化的因素變化的因素 發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中pHpH的變化取決于的變化取決于微生物的種類、微生物的種類、培養(yǎng)基的組成和發(fā)酵條件培養(yǎng)基的組成和發(fā)酵條件。 在菌體代謝過程中，菌體本身有建成其生長在菌體代謝過程中，菌體本身有建成其生長最適最適pHpH的能力，但外界條件

43、發(fā)生較大變化時(shí)，的能力，但外界條件發(fā)生較大變化時(shí)，pHpH將會(huì)不斷波動(dòng)。將會(huì)不斷波動(dòng)。 以產(chǎn)生利福霉素以產(chǎn)生利福霉素SV的地中海諾卡菌進(jìn)行發(fā)酵研究，采的地中海諾卡菌進(jìn)行發(fā)酵研究，采用用pH值為值為6.0、6.8、7.5三個(gè)出發(fā)值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：三個(gè)出發(fā)值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： pH值在值在6.8、7.5時(shí)，最終發(fā)酵時(shí)，最終發(fā)酵pH值都達(dá)到值都達(dá)到7.5左右，菌絲左右，菌絲生長和發(fā)酵單位都達(dá)到正常水平；生長和發(fā)酵單位都達(dá)到正常水平； pH值為值為6.0時(shí)，發(fā)酵中期時(shí)，發(fā)酵中期pH值只達(dá)值只達(dá)4.5，菌濃僅為，菌濃僅為20，發(fā)酵單位為零。發(fā)酵單位為零。 這說明菌體僅有一定的自調(diào)能力。這說明菌體僅有一定的自調(diào)能力

44、。v碳源過量碳源過量v消泡油添加過量消泡油添加過量v生理酸性物質(zhì)的存在生理酸性物質(zhì)的存在引起引起pHpH下降的因素下降的因素v氮源過多氮源過多v生理堿性物質(zhì)的存在生理堿性物質(zhì)的存在v中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過多中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過多引起引起pHpH上升的因素上升的因素原則：有利于原則：有利于菌體生長和產(chǎn)物的合成菌體生長和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)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)酵過程的不同階段分別控有關(guān)。應(yīng)按發(fā)酵過程的不同階段分別控制不同的制不同的pHpH范圍。范圍。最適最適pHpH的選擇的選擇 微生物微生物生

45、長階段和產(chǎn)物合成階段的最適生長階段和產(chǎn)物合成階段的最適pHpH往往不同往往不同，這不僅與菌種特性有關(guān)，也取決于產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)。這不僅與菌種特性有關(guān)，也取決于產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)。例如： 一般產(chǎn)生堿性抗生素的，如灰色鏈霉菌生產(chǎn)鏈霉一般產(chǎn)生堿性抗生素的，如灰色鏈霉菌生產(chǎn)鏈霉素、紅色鏈霉菌產(chǎn)生紅霉素，其合成產(chǎn)物的最適素、紅色鏈霉菌產(chǎn)生紅霉素，其合成產(chǎn)物的最適pHpH為為6.8-7.36.8-7.3，中性偏堿；而產(chǎn)生兩性抗生素的，如金色，中性偏堿；而產(chǎn)生兩性抗生素的，如金色鏈霉菌生產(chǎn)金霉素，其合成產(chǎn)物的最適鏈霉菌生產(chǎn)金霉素，其合成產(chǎn)物的最適pHpH為為5.9-6.3,5.9-6.3,弱酸性。弱酸性。 最適最

46、適pHpH與微生物生長，產(chǎn)物形成之間相互關(guān)系有四與微生物生長，產(chǎn)物形成之間相互關(guān)系有四種類型：種類型： 菌體比生長速率菌體比生長速率 和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率Q QP P的最適的最適pHpH在一個(gè)相在一個(gè)相似的較寬的范圍內(nèi)（比較容易控制）；似的較寬的范圍內(nèi)（比較容易控制）； 較寬，較寬， Q Qp p范圍較窄，或范圍較窄，或 較窄，較窄， Q Qp p范圍較寬（難控制，范圍較寬（難控制，應(yīng)嚴(yán)格控制）；應(yīng)嚴(yán)格控制）； 和和 Q Qp p對(duì)對(duì)pHpH都很敏感，其最適都很敏感，其最適pHpH相同（應(yīng)嚴(yán)格控制）；相同（應(yīng)嚴(yán)格控制）； 更復(fù)雜，更復(fù)雜， 和和 Q Qp p對(duì)對(duì)pHpH都很敏感，并

47、有各自的最適都很敏感，并有各自的最適pHpH（難度難度最大）；最大）；v調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方v調(diào)節(jié)碳氮比（調(diào)節(jié)碳氮比（C/NC/N）v添加緩沖劑添加緩沖劑v補(bǔ)料控制補(bǔ)料控制直接加酸加堿直接加酸加堿補(bǔ)加碳源或氮源補(bǔ)加碳源或氮源pHpH的控制的控制應(yīng)應(yīng) 用用青霉素發(fā)酵青霉素發(fā)酵 通過調(diào)節(jié)加糖速率來控制通過調(diào)節(jié)加糖速率來控制 pH值的方法，與值的方法，與恒速加糖和酸堿控制法相比，產(chǎn)量提高了恒速加糖和酸堿控制法相比，產(chǎn)量提高了1/4鏈霉素發(fā)酵鏈霉素發(fā)酵 補(bǔ)充氨控制補(bǔ)充氨控制pH值，控制的同時(shí)補(bǔ)充了產(chǎn)物值，控制的同時(shí)補(bǔ)充了產(chǎn)物合成所需的氨。合成所需的氨。pH的控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)pH電

48、極電極設(shè)定設(shè)定控制器控制器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥6.5pHUncontrolledControlled經(jīng)消毒的經(jīng)消毒的pHpH電極裝入發(fā)酵罐電極裝入發(fā)酵罐內(nèi)，定時(shí)直接測定培養(yǎng)基的內(nèi)，定時(shí)直接測定培養(yǎng)基的pHpH，同時(shí)還可以與控制儀表，同時(shí)還可以與控制儀表連接，通過回路系統(tǒng)控制閥連接，通過回路系統(tǒng)控制閥門或泵進(jìn)行門或泵進(jìn)行pHpH調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。pH控制的常用方法控制的常用方法 配制合適的培養(yǎng)基配制合適的培養(yǎng)基 加入非營養(yǎng)基質(zhì)的酸堿調(diào)節(jié)劑加入非營養(yǎng)基質(zhì)的酸堿調(diào)節(jié)劑 加入基質(zhì)性的酸堿調(diào)節(jié)劑加入基質(zhì)性的酸堿調(diào)節(jié)劑 加入生理酸性鹽或堿性鹽基質(zhì)加入生理酸性鹽或堿性鹽基質(zhì) 把把pH的控制和代謝調(diào)節(jié)結(jié)合，通過補(bǔ)料控制的控

49、制和代謝調(diào)節(jié)結(jié)合，通過補(bǔ)料控制pH值的具體調(diào)節(jié)方法：值的具體調(diào)節(jié)方法： 1) 添加添加CaCO3。有機(jī)酸發(fā)酵時(shí)形成鈣鹽沉淀。有機(jī)酸發(fā)酵時(shí)形成鈣鹽沉淀。但是，碳酸鈣用量大，消毒困難，易堵塞管道，但是，碳酸鈣用量大，消毒困難，易堵塞管道，在操作上易引起染菌，而且對(duì)產(chǎn)物的提取有影在操作上易引起染菌，而且對(duì)產(chǎn)物的提取有影響。響。此法在工業(yè)上不使用。此法在工業(yè)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：味精廠多用。味精廠多用。 尿素首先被菌體尿酶分解成氨，氨進(jìn)入發(fā)酵尿素首先被菌體尿酶分解成氨，氨進(jìn)入發(fā)酵液，使液，使pHpH上升，當(dāng)上升，當(dāng)NHNH4 4+

50、+被菌體作為氮源消耗并形被菌體作為氮源消耗并形成有機(jī)酸時(shí)，發(fā)酵液成有機(jī)酸時(shí)，發(fā)酵液pHpH下降；下降； 隨著尿素的補(bǔ)加，氨進(jìn)入發(fā)酵液，又使隨著尿素的補(bǔ)加，氨進(jìn)入發(fā)酵液，又使發(fā)酵發(fā)酵液液pHpH上升及補(bǔ)充氮源上升及補(bǔ)充氮源，如此循環(huán)，致至發(fā)酵液中，如此循環(huán)，致至發(fā)酵液中碳源耗盡，完成發(fā)酵。碳源耗盡，完成發(fā)酵。 氨基酸發(fā)酵常用此法氨基酸發(fā)酵常用此法。這種方法既可以達(dá)到穩(wěn)定。這種方法既可以達(dá)到穩(wěn)定pH值的目的，又可以不斷補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)，特別是能產(chǎn)值的目的，又可以不斷補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)，特別是能產(chǎn)生阻遏作用的物質(zhì)。生阻遏作用的物質(zhì)。 少量多次補(bǔ)加還可解除對(duì)產(chǎn)物合成的阻遏作用少量多次補(bǔ)加還可解除對(duì)產(chǎn)物合成的阻遏

51、作用，提，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。即采用補(bǔ)料的方法，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)物產(chǎn)量。即采用補(bǔ)料的方法，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充補(bǔ)充營養(yǎng)、延長發(fā)酵周期、調(diào)節(jié)營養(yǎng)、延長發(fā)酵周期、調(diào)節(jié)pH值和培養(yǎng)液的特性值和培養(yǎng)液的特性(如菌如菌濃等濃等)等幾個(gè)目的。等幾個(gè)目的。 在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào)在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào)pH沒有矛盾時(shí)沒有矛盾時(shí)采用補(bǔ)料調(diào)采用補(bǔ)料調(diào)pH，如，如 （1）調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié)pH (2) 當(dāng)當(dāng)NH2-N低，低，pH低時(shí)補(bǔ)氨水；當(dāng)?shù)蜁r(shí)補(bǔ)氨水；當(dāng)NH2-N低，低，pH高時(shí)高時(shí)補(bǔ)補(bǔ)(NH4)2SO4 當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)當(dāng)補(bǔ)料與

52、調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH 應(yīng)急措施：應(yīng)急措施：改變攪拌改變攪拌轉(zhuǎn)速或通氣轉(zhuǎn)速或通氣量，以改變?nèi)芙庋鯘舛?，控制有量，以改變?nèi)芙庋鯘舛?，控制有機(jī)酸的積累量及其代謝速度；機(jī)酸的積累量及其代謝速度；改變溫度改變溫度，以控制微生物代謝速度；，以控制微生物代謝速度；改變罐壓及通氣量改變罐壓及通氣量，降低，降低COCO2 2的溶解量；的溶解量；改變加油或加糖量改變加油或加糖量等，調(diào)節(jié)有機(jī)酸的積累量；等，調(diào)節(jié)有機(jī)酸的積累量； 分別在分別在4 4種緩沖介質(zhì)中，于種緩沖介質(zhì)中，于pH 6pH 65050一一9 95050測定天冬酰胺酶酶活力測定天冬酰胺酶酶活力1 1 甘氨酸介質(zhì)甘氨酸介質(zhì)

53、pH 8.00pH 8.00時(shí)酶活力最高；時(shí)酶活力最高；2 2 硼酸在硼酸在pH 8pH 85050，酶反應(yīng)最快，酶反應(yīng)最快3 3 磷酸磷酸在在pH 850，酶反應(yīng)最快，酶反應(yīng)最快4 Tris4 Tris在在pH 850，酶反應(yīng)最快，酶反應(yīng)最快酶活酶活1 12 24 43 3不同調(diào)不同調(diào)pHpH方法的影響方法的影響天冬酰胺酶天冬酰胺酶n大多數(shù)發(fā)酵過程是好氧的，因此需要供氧。如果考慮大多數(shù)發(fā)酵過程是好氧的，因此需要供氧。如果考慮呼吸的化學(xué)計(jì)量，則葡萄糖的氧化可由下式表示：呼吸的化學(xué)計(jì)量，則葡萄糖的氧化可由下式表示： C6H 12O6 十十6O26H2O十十6CO2 n只有當(dāng)這只有當(dāng)這兩種反應(yīng)物均

54、溶于水后，才對(duì)菌體有用兩種反應(yīng)物均溶于水后，才對(duì)菌體有用。n氧在水中的溶解度比葡萄糖要小約氧在水中的溶解度比葡萄糖要小約6000倍左右倍左右(氧在水氧在水中的飽和度約為中的飽和度約為l0mg/L) 。許多發(fā)酵的生產(chǎn)能力受到許多發(fā)酵的生產(chǎn)能力受到氧利用限制，因此氧利用限制，因此氧成為影響發(fā)酵效率的重要因素。氧成為影響發(fā)酵效率的重要因素。三三 、氧對(duì)發(fā)酵的影響、氧對(duì)發(fā)酵的影響溶解氧的高低溶解氧的高低 供氧效率供氧效率 微生物細(xì)胞耗氧狀況微生物細(xì)胞耗氧狀況 在線監(jiān)測發(fā)酵液中溶解氧的濃度，了在線監(jiān)測發(fā)酵液中溶解氧的濃度，了解氧的解氧的供需規(guī)律及其對(duì)微生物生長和產(chǎn)供需規(guī)律及其對(duì)微生物生長和產(chǎn)物合成的影響

55、。物合成的影響。 在發(fā)酵罐內(nèi)安裝在發(fā)酵罐內(nèi)安裝溶氧電極溶氧電極測定測定 電極的要求電極的要求 耐高溫、高壓、長時(shí)間滅菌以及具有長耐高溫、高壓、長時(shí)間滅菌以及具有長期的穩(wěn)定性，精度和準(zhǔn)確度期的穩(wěn)定性，精度和準(zhǔn)確度3%左右左右菌體的代謝是受菌體的代謝是受發(fā)酵液中發(fā)酵液中溶氧濃度溶氧濃度的影響，依據(jù)總的影響，依據(jù)總需求來供氧是欠妥的。溶需求來供氧是欠妥的。溶氧濃度對(duì)比攝氧率氧濃度對(duì)比攝氧率( (Q QO2O2每每克干菌體每小時(shí)所消耗的克干菌體每小時(shí)所消耗的氧的毫摩爾數(shù)氧的毫摩爾數(shù)) )用米氏型曲用米氏型曲線表示。線表示。 Dissolved Oxygen ConcentrationQO2Ccriti

56、cal發(fā)酵過程的溶氧變化發(fā)酵過程的溶氧變化 發(fā)酵前期菌絲體大量繁殖，需氧量大于供氧，溶氧出現(xiàn)發(fā)酵前期菌絲體大量繁殖，需氧量大于供氧，溶氧出現(xiàn)一個(gè)低峰。一個(gè)低峰。 在生長階段，產(chǎn)物合成期，需氧量減少，溶氧穩(wěn)定，但在生長階段，產(chǎn)物合成期，需氧量減少，溶氧穩(wěn)定，但受補(bǔ)料、加油等條件大影響。受補(bǔ)料、加油等條件大影響。 補(bǔ)糖后，攝氧率就會(huì)增加，引起溶氧濃度的下降，經(jīng)過補(bǔ)糖后，攝氧率就會(huì)增加，引起溶氧濃度的下降，經(jīng)過一段時(shí)間以后又逐步回升并接近原來的溶解氧濃度。如一段時(shí)間以后又逐步回升并接近原來的溶解氧濃度。如繼續(xù)補(bǔ)糖，又會(huì)繼續(xù)下降，甚至引起生產(chǎn)受到限制。繼續(xù)補(bǔ)糖，又會(huì)繼續(xù)下降，甚至引起生產(chǎn)受到限制。 發(fā)

57、酵后期，由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度上升，發(fā)酵后期，由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度上升，一旦菌體自溶，溶氧濃度會(huì)明顯上升一旦菌體自溶，溶氧濃度會(huì)明顯上升發(fā)酵中溶氧異常下降的原因：發(fā)酵中溶氧異常下降的原因： 1 污染好氣性雜菌，大量溶氧被消耗掉污染好氣性雜菌，大量溶氧被消耗掉 2 菌體異常代謝菌體異常代謝 3 設(shè)備或者工藝控制發(fā)生故障，攪拌速度明顯下設(shè)備或者工藝控制發(fā)生故障，攪拌速度明顯下降、加消泡劑過多，引起溶氧下降。降、加消泡劑過多，引起溶氧下降。 發(fā)酵中溶氧異常上升的原因發(fā)酵中溶氧異常上升的原因 菌體異常代謝，污染烈性噬菌體，菌體破菌體異常代謝，污染烈性噬菌體，菌體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。 臨界氧濃度臨界氧濃度（C臨臨）：指不影響菌體呼吸所）：指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度，或微生物對(duì)發(fā)酵液中溶允許的最低氧濃度，或微生物對(duì)發(fā)酵液中溶解氧濃度的最低要求。解氧濃度的最低要求。 可通過尾氣中氧氣含量的變化和通氣量共同可通過尾氣中氧氣含量的變化和通氣量共同測定，也可用測定，也可用溶氧電極測定溶氧電極測定 在發(fā)酵過程中加強(qiáng)通氣攪拌，使溶氧在發(fā)酵過程中加強(qiáng)通氣攪拌，使溶氧(DO)(DO)盡可能達(dá)到最大，停止通氣，繼續(xù)攪拌，盡可能達(dá)到最大，停止通氣，繼續(xù)攪拌，在罐頂部空間充氮，溶氧迅速下降，直線在罐頂部空間充氮，溶氧迅速下降，直線斜率絕對(duì)值開始減小時(shí)所處的溶氧值即為斜率絕對(duì)值開始減小時(shí)所處的溶氧值即為臨界氧濃度臨界氧濃度 發(fā)酵工業(yè)一般用空氣飽和度（發(fā)酵工業(yè)一般用空氣飽和度（% %）表示）表示DODO含含量的單位量的單位 某些微生物的臨界氧濃度某些微生物的臨界氧濃度微微 生生 物物 溫度（溫度（C）臨界氧濃度臨界氧濃度（mmol/L）固固