發(fā)酵條件及工藝控制

1、http:/http:/（一）碳源種類的影響及控制（一）碳源種類的影響及控制迅速利用的碳源迅速利用的碳源緩慢利用的碳源緩慢利用的碳源n種類：種類：淀粉、乳糖、蔗糖、麥芽糖、玉米油n優(yōu)點：優(yōu)點： 不易產(chǎn)生分解產(chǎn)物 阻遏效應(yīng)。 有利于延長次級代謝產(chǎn)物的分泌期n缺點：缺點：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。 發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的碳源和緩慢發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的碳源和緩慢利用的碳源的混合碳源。利用的碳源的混合碳源。迅速利用的碳源滿足菌體生長的消耗，緩慢利用的碳迅速利用的碳源滿足菌體生長的消耗，緩慢利用的碳源，滿足產(chǎn)物合成，可延長合成期，提高產(chǎn)量，并可源，滿足產(chǎn)物合成，可延長合成期，提高產(chǎn)量，并可解

2、除葡萄糖效應(yīng)。解除葡萄糖效應(yīng)。碳源種類的控制碳源種類的控制S過小過小 CqP隨隨減小而減小減小而減小S過大過大 CX X COUR增大增大CL CL CqP減小減小粘度增大粘度增大Kla減小減小產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏作用的碳源濃度過大，會抑制產(chǎn)物合成。產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏作用的碳源濃度過大，會抑制產(chǎn)物合成。 補(bǔ)料的類型：補(bǔ)料的類型：1、流加、流加2、少量多次的加入、少量多次的加入3、多量少次的加入、多量少次的加入補(bǔ)糖的依據(jù)：補(bǔ)糖的依據(jù)：以次級代謝產(chǎn)物為例：以次級代謝產(chǎn)物為例：、 qP 、 qC之間的關(guān)系：之間的關(guān)系： X qp qCS控制原則：控制原則：以維持臨界生長限制基質(zhì)以維持臨界生長限制基質(zhì)濃度、

3、臨界菌體濃度和臨濃度、臨界菌體濃度和臨界比生長速率為指標(biāo)的基界比生長速率為指標(biāo)的基質(zhì)流加速率與消耗速率的質(zhì)流加速率與消耗速率的平衡。平衡。把計算的加糖量，輸入計算機(jī)，由計算機(jī)控制加把計算的加糖量，輸入計算機(jī)，由計算機(jī)控制加料裝置精確控制加入的糖量。料裝置精確控制加入的糖量。迅速利用的氮源迅速利用的氮源緩慢利用的氮源緩慢利用的氮源n種類：種類：黃豆餅粉、花生餅粉、和棉子餅粉n優(yōu)點：優(yōu)點：利用緩慢，有利于延長次級代謝產(chǎn)物的分泌期。防止早衰。n缺點：缺點：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。 發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的氮源和緩慢發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的氮源和緩慢利用的氮源的混合氮源。利用的氮源的混合氮源。

4、迅速利用的氮源促進(jìn)菌體生長繁殖，緩慢利用的氮源，迅速利用的氮源促進(jìn)菌體生長繁殖，緩慢利用的氮源，滿足產(chǎn)物合成，可延長合成期，延緩自溶期。滿足產(chǎn)物合成，可延長合成期，延緩自溶期。（二）氮源種類的控制（二）氮源種類的控制氮源濃度對菌體生長和產(chǎn)物合成的量與方向都氮源濃度對菌體生長和產(chǎn)物合成的量與方向都有影響。有影響。氮源濃度的控制：氮源濃度的控制：控制基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的配比。通過補(bǔ)加氮源。影響菌體濃度的因素影響菌體濃度的因素n菌體濃度的增加速度（生長速度）與營養(yǎng)基質(zhì)的菌體濃度的增加速度（生長速度）與營養(yǎng)基質(zhì)的種類和濃度有關(guān)種類和濃度有關(guān) （ 正比于正比于S ）n當(dāng)存在基質(zhì)抑制作用時或造成高滲透壓時，高濃

5、當(dāng)存在基質(zhì)抑制作用時或造成高滲透壓時，高濃度營養(yǎng)基質(zhì)引起生長速率下降。度營養(yǎng)基質(zhì)引起生長速率下降。n菌體濃度的增加速度（生長速度）受環(huán)境條件的菌體濃度的增加速度（生長速度）受環(huán)境條件的影響影響ndP/dt =qP XnqP=f X， ， qO 2 qS CLqP / qPm / m1.0-1.0青霉素發(fā)酵的青霉素發(fā)酵的qP與與的關(guān)系的關(guān)系C C qP可維持在可維持在qPmax C qP隨隨減小而減小減小而減小要保證生產(chǎn)菌獲得最大的比生產(chǎn)速率，就必須維持較大的比生要保證生產(chǎn)菌獲得最大的比生產(chǎn)速率，就必須維持較大的比生長速率。長速率。但是，過高的比生長速率造成過高的菌體濃度，造成不利影響：但是，過

6、高的比生長速率造成過高的菌體濃度，造成不利影響：2、有毒中間產(chǎn)物的快速積累，會改變菌體的代謝途徑，、有毒中間產(chǎn)物的快速積累，會改變菌體的代謝途徑，抑制產(chǎn)物合成。抑制產(chǎn)物合成。3、 X過高，增加過高，增加OUR，且發(fā)酵液粘度增大，減小，且發(fā)酵液粘度增大，減小OTR。CL減小，抑制菌體生長和產(chǎn)物合成。減小，抑制菌體生長和產(chǎn)物合成。最適最適X？最適最適為等于或稍大于為等于或稍大于C青霉素發(fā)酵的青霉素發(fā)酵的qP、OUR、OTR與與X的關(guān)系的關(guān)系1.0-X / Xm1.0OURqP / qPmOTRdp/dtXCOUR=OTR時的菌體時的菌體濃度為最適菌體濃度，濃度為最適菌體濃度，在發(fā)酵過程中，控制目標(biāo)

7、為保持穩(wěn)定的臨界菌體濃度和在發(fā)酵過程中，控制目標(biāo)為保持穩(wěn)定的臨界菌體濃度和臨界比生長速率臨界比生長速率，以維持呼吸臨界溶氧濃度為前提的耗氧以維持呼吸臨界溶氧濃度為前提的耗氧速率與供氧速率的平衡，從而使產(chǎn)物合成速率和比速率達(dá)速率與供氧速率的平衡，從而使產(chǎn)物合成速率和比速率達(dá)到最大值。到最大值。 影響各種酶促反應(yīng)的速度影響各種酶促反應(yīng)的速度酶活酶活溫度溫度發(fā)酵溫度升高，生長代謝加快，生發(fā)酵溫度升高，生長代謝加快，生產(chǎn)期提前。產(chǎn)期提前。發(fā)酵溫度太高，菌體容易衰老，發(fā)發(fā)酵溫度太高，菌體容易衰老，發(fā)酵周期縮短。酵周期縮短。改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)：改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)：溫度影響基質(zhì)和氧的吸收速度溫度影響基質(zhì)

8、和氧的吸收速度影響飽和溶氧濃度影響飽和溶氧濃度改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向例：溫度小于例：溫度小于30，合成金霉素的能力強(qiáng)，合成金霉素的能力強(qiáng)溫度等于溫度等于35，只合成四環(huán)素，只合成四環(huán)素多組分次級代謝產(chǎn)物的組分比例多組分次級代謝產(chǎn)物的組分比例黃曲霉毒素，在黃曲霉毒素，在20、25和和30發(fā)酵所產(chǎn)生的黃曲霉發(fā)酵所產(chǎn)生的黃曲霉毒素毒素G1和和B1比例分別為比例分別為3:1、1:2、1:1。同一微生物的生長和代謝產(chǎn)物積累的最適溫度不同同一微生物的生長和代謝產(chǎn)物積累的最適溫度不同如：青霉素最適生長溫度如：青霉素最適生長溫度30，產(chǎn)生青霉素的最適溫度為，產(chǎn)生青霉素的最適溫度為

9、25。影響微生物的代謝機(jī)制影響微生物的代謝機(jī)制發(fā)酵熱發(fā)酵熱 =生物熱生物熱 + 攪拌熱攪拌熱 -蒸發(fā)熱蒸發(fā)熱 -顯熱顯熱 -輻射熱輻射熱生物熱：產(chǎn)生菌在生長繁殖過程中，釋放的大量熱量。生物熱：產(chǎn)生菌在生長繁殖過程中，釋放的大量熱量。影響生物熱的因素：與菌種遺傳特性有關(guān)與菌齡有關(guān)：對數(shù)生長期生物熱最大。與營養(yǎng)基質(zhì)有關(guān)與產(chǎn)量有關(guān)攪拌熱：由于攪拌器的轉(zhuǎn)動引起液體的摩擦產(chǎn)生的熱量。攪拌熱：由于攪拌器的轉(zhuǎn)動引起液體的摩擦產(chǎn)生的熱量。蒸發(fā)熱：發(fā)酵液蒸發(fā)水分帶走的熱量。蒸發(fā)熱：發(fā)酵液蒸發(fā)水分帶走的熱量。攪拌熱=P /V3601（kJ/h）P/V-通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率，kw/m33601-機(jī)械

10、能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量，Kj/（kwh）顯熱：發(fā)酵排氣散發(fā)帶走的熱量。顯熱：發(fā)酵排氣散發(fā)帶走的熱量。輻射熱：由于罐內(nèi)外的溫差，輻射帶走的熱量。輻射熱：由于罐內(nèi)外的溫差，輻射帶走的熱量。 Q蒸發(fā)=G(I出-I進(jìn))G-空氣重量流量，kg干空氣/h；I進(jìn)、I出-發(fā)酵罐進(jìn)氣、排氣的熱焓，KJ/Kg干空氣選擇既適合菌體生長又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度選擇既適合菌體生長又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度可實行變溫控制：在生長階段選擇適合菌體生長的溫可實行變溫控制：在生長階段選擇適合菌體生長的溫度，在產(chǎn)物合成階段，選擇適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。度，在產(chǎn)物合成階段，選擇適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。確定最適發(fā)酵溫度還應(yīng)參考其它發(fā)酵

11、條件：確定最適發(fā)酵溫度還應(yīng)參考其它發(fā)酵條件：在較差通氣條件下，降低發(fā)酵溫度對發(fā)酵有利在較差通氣條件下，降低發(fā)酵溫度對發(fā)酵有利培養(yǎng)基成分較易被利用或較稀薄時，降低發(fā)酵溫度有利培養(yǎng)基成分較易被利用或較稀薄時，降低發(fā)酵溫度有利四、發(fā)酵溫度的控制四、發(fā)酵溫度的控制在發(fā)酵罐上安裝夾套和蛇管，通過循環(huán)冷卻水控制。在發(fā)酵罐上安裝夾套和蛇管，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：手動控制或自動控制控制方式：手動控制或自動控制溫度計溫度計溫度控制器溫度控制器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥一、一、pH對發(fā)酵的影響：對發(fā)酵的影響：影響代謝產(chǎn)物的合成方向影響代謝產(chǎn)物的合成方向影響菌體原生質(zhì)膜電荷

12、的改變，引起膜對離子的滲透作用，影響菌體原生質(zhì)膜電荷的改變，引起膜對離子的滲透作用，影響了營養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌。影響了營養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌。影響菌體生長代謝的酶活性影響菌體生長代謝的酶活性pHGrowth2-3pHunits影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用生物對這些物質(zhì)的利用 選擇原則選擇原則：有利于菌體生長和產(chǎn)物的合成。一：有利于菌體生長和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)試驗結(jié)果確定。般根據(jù)試驗結(jié)果確定。pH電極電極設(shè)定控制器設(shè)定控制器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥6.5pHUncontrolledControlled

13、經(jīng)消毒的pH電極裝入發(fā)酵罐內(nèi)定時直接測定培養(yǎng)基的pH，同時還可以與控制儀表連結(jié)，通過回路系統(tǒng)控制閥門或泵進(jìn)行pH調(diào)節(jié)。溶氧溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過程是需氧微生物生長所必需。在發(fā)酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。素。 在在28氧在發(fā)酵液中的氧在發(fā)酵液中的100的空氣飽和濃度只有的空氣飽和濃度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數(shù)生倍。在對數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100空氣飽和度，若空氣飽和度，若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧

14、可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。使溶氧成為限制因素。 第四節(jié) 氧的供需及對發(fā)酵的影響一、描述微生物需氧的物理量一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：單位時間內(nèi)單位體積）：單位時間內(nèi)單位體積重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmol O2g菌菌-1h-1 攝氧率攝氧率(r)：單位時間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。：單位時間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X二、溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響二、溶解氧濃度對菌體生長和產(chǎn)物形成的影響C

15、CrQO2CLCCr: 臨界溶氧濃度臨界溶氧濃度, 指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。一般對于微生物：一般對于微生物： CCr: 115%飽和濃度飽和濃度例：例：酵母酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉產(chǎn)黃青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%定義定義：氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度氧飽和度發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度所以對于微生物生長，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度1.問題：問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中

16、氧很容易滿足。氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率例：以微生物的攝氧率0.052 mmol O2L-1S-1 計，計， 0.25/0.052=4.8秒秒注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣： 頭孢菌素頭孢菌素 卷須霉素卷須霉素生長生長 5% (相對于飽和濃度）相對于飽和濃度） 13%產(chǎn)物產(chǎn)物 13% 8%三、發(fā)酵過程中的溶氧變化三、發(fā)酵過程中的溶氧變化四、影響需氧的因素四、影響需氧的因素r= QO2 .Xq 菌體濃度菌體濃度q QO2 遺傳因素遺傳因素 菌齡菌齡 營養(yǎng)的成分與濃度營養(yǎng)的成分與濃度 有害物質(zhì)的積累有害物質(zhì)的積累 培

17、養(yǎng)條件培養(yǎng)條件五、發(fā)酵液中氧的傳遞方程五、發(fā)酵液中氧的傳遞方程()()giliNkPPk ccCCiPPi氣膜氣膜液膜液膜N：傳氧速率：傳氧速率 kmol/m2.hkg: 氣膜傳質(zhì)系數(shù)氣膜傳質(zhì)系數(shù) kmol/m2.h.atmKl: 液膜傳質(zhì)系數(shù)液膜傳質(zhì)系數(shù) m/hC*P/H, 與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度( *)lNK ccKl: 以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù)以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù) (m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為 a (m2/m3)( *)lNvK a ccNv：體積傳氧速率：

18、體積傳氧速率 kmol/m3.hKla: 以以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數(shù)為推動力的體積溶氧系數(shù) h-1六、發(fā)酵液中氧的平衡六、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個動態(tài)的平衡中發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個動態(tài)的平衡中傳遞：傳遞：)*(ccaKNvl消耗：消耗：r= QO2 .X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面七、供氧的調(diào)節(jié)七、供氧的調(diào)節(jié)( *)lNvK a ccC有一定的工藝要求，所以可以通過有一定的工藝要求，所以可以通過Kla 和和C*來調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)其中其中C*P/H（Henry定律）定律）NvH-亨利常數(shù)，表示氣體溶解于液體的難易

19、程度PKla)*(ccaKNvl調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了設(shè)備的供氧能力，一反映了設(shè)備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。般來講大罐比小罐要好。 45升升 1噸噸 10噸噸攪拌速度攪拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1八、影響Kla的因素 Kla反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖瓶與發(fā)酵罐。瓶與發(fā)酵罐。（一）影響搖瓶（一）影響搖瓶kla的因素的因素為裝液量和搖瓶機(jī)的種類為裝液量和搖瓶機(jī)的種類搖瓶機(jī)搖瓶機(jī)往復(fù)，頻率往復(fù)，頻率80-120分分/次，振幅次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心

20、距旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)述轉(zhuǎn)述250rpm裝液量，一般取裝液量，一般取1/10左右：左右： 250ml 1525 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例：例： 500 ml 搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響 裝液量裝液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92（二）影響發(fā)酵罐中（二）影響發(fā)酵罐中Kla的因素的因素1.攪拌攪拌速率對KLa值具有很大的影響，以下述方式影響氧的傳遞： 大的空氣泡細(xì)小的氣泡。防止小氣泡凝聚，增加液體與氧氣的接觸面積。 攪拌使發(fā)酵液做渦流運動，延長了氣泡在

21、發(fā)酵液中的停留時間； 使菌體分散，有利于固液傳遞中的接觸面積的增加，減少菌體表面液膜的厚度，有利于傳遞。 發(fā)酵液產(chǎn)生湍流而降低氣/液接觸界面的液膜厚度，減小氧傳遞過程中的阻力。 帶有機(jī)械攪拌通風(fēng)的發(fā)酵罐其攪拌器與氧傳遞速率常數(shù)KLa的關(guān)系可用下式表示：PgVKLa=k（ ） Vs0.950.65Pg-通氣時攪拌器的軸功率，W；V-發(fā)酵罐中發(fā)酵液的體積，m3；Vs-空氣的線性速度，m/s；K-常數(shù)。2.空氣線速度3.空氣分布管4.發(fā)酵液的性質(zhì) 如：發(fā)酵液的粘度、表面張力、離子濃度、密度、擴(kuò)散系數(shù)等，影響氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性等，進(jìn)而影響傳氧系數(shù)。5.表面活性劑 如：消泡用的油脂具有親水端和疏水

22、端得表面活性物質(zhì)分布在氣液界面，增大了傳遞的阻力，使傳氧系數(shù)KLa等發(fā)生變化，如下圖：6.離子強(qiáng)度 發(fā)酵液中含有多種鹽類，離子強(qiáng)度約為0.20.5mol/L。KLa隨離子強(qiáng)度的增大而增大。在鹽溶液中，氣泡細(xì)小難于聚合成大氣泡，且氣流量有增大的趨勢。7.菌體濃度研究表明：菌體的存在對傳氧不利。發(fā)酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體生長，中后期有利用產(chǎn)物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于臨溶氧濃度，中后期滿足產(chǎn)物的形成。溶氧控制的實例溶氧控制的實例GAXDO谷氨酸發(fā)酵谷氨酸發(fā)酵：要求：氧飽和度要求：氧飽和度1控制：控制：0-12小時小時 小通風(fēng)小通風(fēng) 12小時后小時后 增加通風(fēng)增加通風(fēng)原因：原因：

23、0-12小時菌體小時菌體量較小，采用小通風(fēng)量較小，采用小通風(fēng)12 一般認(rèn)為，發(fā)酵初期較大的通風(fēng)和攪拌而產(chǎn)生過大一般認(rèn)為，發(fā)酵初期較大的通風(fēng)和攪拌而產(chǎn)生過大的剪切力，對菌體的生長有時會產(chǎn)生不利的影響，所以的剪切力，對菌體的生長有時會產(chǎn)生不利的影響，所以有時發(fā)酵初期采用小通風(fēng)，停攪拌，不但有利于降低能有時發(fā)酵初期采用小通風(fēng)，停攪拌，不但有利于降低能耗，而且在工藝上也是必須的。但是通氣增大的時間一耗，而且在工藝上也是必須的。但是通氣增大的時間一定要把握好。定要把握好。例：例： 生產(chǎn)肌苷酸：生產(chǎn)肌苷酸：通氣量不變通氣量不變 17.15 mg/ml24小時增加小時增加 22.55 mg/ml30小時增加

24、小時增加 18.25 mg/ml36小時增加小時增加 12.34 mg/ml一、泡沫的性質(zhì) 泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。分類發(fā)酵液液面上的泡沫出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當(dāng)中的泡沫（又稱流態(tài)泡沫，fluid foam）原因由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)酵泡沫）二、發(fā)酵過程中泡沫的形成和變化影響泡沫穩(wěn)定性的因素：發(fā)酵中起泡的方式： 整個發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平；發(fā)酵早期，起泡后穩(wěn)定地下降，以后保持恒定；發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升；通風(fēng)與攪拌的強(qiáng)度培養(yǎng)基的配比和原材料組成培養(yǎng)基的破壞程度接種量的大小培

25、養(yǎng)基本身性質(zhì)的變化培養(yǎng)基滅菌的方法和操作染菌發(fā)酵開始起泡能力低，以后上升；以上類型的綜合方式。 出現(xiàn)哪種起泡方式與基質(zhì)的種類、通風(fēng)攪拌強(qiáng)度和滅菌條件有關(guān)，基質(zhì)中的有機(jī)氮源是起泡的主要原因。三、泡沫對發(fā)酵的影響增加了菌群的非均一性；增加了菌群的非均一性；消泡劑的加入影響發(fā)酵或下游提取工作的困難。消泡劑的加入影響發(fā)酵或下游提取工作的困難。四、泡沫的消除和控制消除泡沫常用的方法:化學(xué)消泡法和機(jī)械消泡法。（一）化學(xué)消泡1.消泡機(jī)理 消泡劑的表面張力比較低，使氣泡局部的表面張力降低，力的平衡破壞，導(dǎo)致泡沫破裂； 如果泡沫的表層帶有極性的表面活性物質(zhì)形成雙電層時，可以加入一種具有相反電荷的表面活性劑，以降

26、低泡沫的機(jī)械強(qiáng)度；或加入某些具有強(qiáng)極性的物質(zhì)與發(fā)泡物質(zhì)爭奪液膜上的空間，降低液膜強(qiáng)度，使泡沫破碎。 2.消泡劑選擇的原則 同時具有降低液膜的機(jī)械強(qiáng)度和表面粘度的雙重功能。必須具備以下特點：是表面活性劑，具有較低的表面張力，消泡作用迅速，效率高；消泡劑在氣液界面有足夠大的散步系數(shù)，才能迅速發(fā)揮其消泡活性，要求消泡劑具有一定的親水性。在水中的溶解度較小，以保持其持久的消泡或抑泡性能，并防止形成新的泡沫；對發(fā)酵過程無毒，對人、畜無害和不影響酶的生物合成 ；不干擾分析系統(tǒng)，如溶解氧、pH測定儀的探頭 ；消沫劑的來源多，價格低，添加裝置簡單 ，不影響氧的傳遞；能耐高壓蒸氣滅菌而不變性，在滅菌溫庫下對設(shè)備

27、無腐蝕性或不形成腐蝕性產(chǎn)物 3.常用消泡劑的種類常用消泡劑的種類 消泡劑加入發(fā)酵罐能否起作用主要決定于消泡劑加入發(fā)酵罐能否起作用主要決定于 該該消泡消泡劑的性能和擴(kuò)散能力；劑的性能和擴(kuò)散能力；增加消泡劑的散布可通過機(jī)械攪增加消泡劑的散布可通過機(jī)械攪拌分散，也可借助載體或分散劑物質(zhì)，使其更易于分散。拌分散，也可借助載體或分散劑物質(zhì)，使其更易于分散。 消泡劑加載體增效：載體一般為惰性液體，消泡消泡劑加載體增效：載體一般為惰性液體，消泡劑能溶于載體或分散于載體中，如：聚氧丙烯甘油用豆劑能溶于載體或分散于載體中，如：聚氧丙烯甘油用豆油為載體（油為載體（1:1.5），增效作用明顯；），增效作用明顯； 消

28、泡劑并用增效：取各種消泡劑的優(yōu)點進(jìn)行互補(bǔ)，消泡劑并用增效：取各種消泡劑的優(yōu)點進(jìn)行互補(bǔ)，達(dá)到增效，如達(dá)到增效，如GP:GPE=1:1混合用于青霉素發(fā)酵，結(jié)果混合用于青霉素發(fā)酵，結(jié)果比單獨用比單獨用GP時效力增加時效力增加2倍；倍； 消泡劑乳化增效：如消泡劑乳化增效：如GP用吐溫用吐溫-80為乳化劑在慶為乳化劑在慶大霉素和谷氨酸發(fā)酵中效力提高大霉素和谷氨酸發(fā)酵中效力提高12倍。倍。（二）機(jī)械消泡（已講過）（二）機(jī)械消泡（已講過）第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商 CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時也是某些合成代謝的基質(zhì)。它是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。在發(fā)酵過程中，CO2有可能對發(fā)酵有促進(jìn)作用，也有可能有抑制作用。1.

29、 CO2對發(fā)酵的影響（1） CO2對菌體具有抑制作用 當(dāng)排氣中CO2的濃度高于4%（0.91mol/L）時，微生物的糖代謝和呼吸速率下降。 例如：發(fā)酵液中CO2的濃度達(dá)到1.610-1mol，就會嚴(yán)重抑制酵母的生長；當(dāng)進(jìn)氣口CO2的含量占混合氣體的80%時，酵母活力與對照相比降低20%。（2）對發(fā)酵的影響對發(fā)酵促進(jìn)。 如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含5%的CO2。對發(fā)酵抑制。 如對肌苷、異亮氨酸、組氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制影響發(fā)酵液的酸堿平衡2. CO2對發(fā)酵影響的機(jī)理培養(yǎng)液中的CO2主要作用于細(xì)胞膜的脂質(zhì)核心部位； HCO3-影響細(xì)胞膜的膜蛋白； CO2及HCO3-

30、主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動性及表面電荷密度發(fā)生改變，影響到細(xì)胞膜的輸送效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。 如：產(chǎn)黃青霉：當(dāng)CO2分壓為0.01*105Pa時，菌絲呈絲狀；當(dāng)CO2分壓為0.02*1050.03*105Pa時，菌絲主要呈膨脹、粗短狀；當(dāng)CO2分壓為0.08*105Pa時，則出現(xiàn)球狀或酵母狀，致死青霉素合成受阻。3. CO2的控制 CO2在發(fā)酵液中的濃度變化不像溶解氧那樣有一定的規(guī)律。它的大小受到許多因素的影響，如細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變學(xué)特性、通氣攪拌程度、罐壓大小、設(shè)備規(guī)模等。在發(fā)酵過程中通常通過調(diào)節(jié)通風(fēng)和攪拌調(diào)節(jié)通風(fēng)和攪拌來控制。22OCOQQRQ速率菌

31、耗釋放速率22OCO 例如，儲炬等發(fā)現(xiàn)RQ的變化與菌體生長、營養(yǎng)狀況以及產(chǎn)生抗生素密切相關(guān)。如20h菌絲開始發(fā)生膨大，而此時RQ達(dá)到峰值開始下降；40h左右RQ降至谷底開始回升，正是在這段時間產(chǎn)生抗生素啟動。由于RQ具有以上的關(guān)聯(lián)特性，他們嘗試在avemectin發(fā)酵過程中利用RQ作為補(bǔ)料控制的參考之一。RQ反應(yīng)菌體的代謝情況，如酵母：RQ=1時，糖代謝走有氧分解途徑，僅生成菌體，無產(chǎn)物生成；RQ1.1，糖代謝走EMP途徑，生成乙醇；RQ=0.93，生成檸檬酸；RQ0.7，生成乙醇被當(dāng)做基質(zhì)利用。第七節(jié) 發(fā)酵終點的判斷1.影響放罐時間的因素（1）經(jīng)濟(jì)因素最低的綜合成本來獲得最大生產(chǎn)能力的實踐為

32、最適發(fā)酵時間。（2）產(chǎn)品質(zhì)量因素發(fā)酵時間長短對下游產(chǎn)物分離提取和產(chǎn)品質(zhì)量有顯著的影響。（3）特殊因素如：染菌、代謝異常等情況進(jìn)行適當(dāng)處理。 合理的放罐時間由實驗確定，即根據(jù)不同發(fā)酵時間所得到的產(chǎn)物量計算出發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品成本，采用生產(chǎn)力高而成本低的時間作為放罐時間。生產(chǎn)過程要求追求生產(chǎn)力合生產(chǎn)產(chǎn)本結(jié)合起來，既要有高產(chǎn)量，又要降低成本。生產(chǎn)能力是指單位時間內(nèi)單位罐體積的產(chǎn)物積累量。2.發(fā)酵終點的判斷根據(jù)發(fā)酵類型發(fā)酵終點的判斷標(biāo)準(zhǔn)原材料是主要部分提高產(chǎn)物得率生產(chǎn)成本是主要部分提高生產(chǎn)率和發(fā)酵系數(shù)下游技術(shù)是主要部分產(chǎn)品價格高較高的產(chǎn)物濃度還應(yīng)考慮體積生產(chǎn)率和總生產(chǎn)率。 一般放罐的主要指標(biāo)：產(chǎn)物

33、濃度、氨基氮、菌體形態(tài)、pH、培養(yǎng)基的外觀粘度等因素，放罐時間根據(jù)作業(yè)計劃進(jìn)行，新的產(chǎn)品發(fā)酵需要摸索合理的發(fā)酵時間。 發(fā)酵終點的判斷需要綜合分析各方面的因素。優(yōu)化：在一定的約束條件下，如何求出使目標(biāo)函數(shù)為最大的解。通過實驗和實驗結(jié)果分析找到一種適合生產(chǎn)過程的最佳參數(shù)。優(yōu)化控制內(nèi)容（1）發(fā)酵配方的優(yōu)化（2）發(fā)酵工藝參數(shù)的優(yōu)化 發(fā)酵過程優(yōu)化的目標(biāo)：使細(xì)胞生理調(diào)節(jié)、細(xì)胞環(huán)境、反應(yīng)器特性、工藝操作條件與反應(yīng)器控制之間這種復(fù)雜的相互作用盡可能簡化，并對這些條件和相互關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，使之最適合于特定發(fā)酵過程。一、 發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計和優(yōu)化 目前還不能完全從生化反應(yīng)的基本原理來推斷和計算目前還不能完全從生化反應(yīng)

34、的基本原理來推斷和計算出適合某一菌種的培養(yǎng)基配方，只能用生物化學(xué)、細(xì)胞生出適合某一菌種的培養(yǎng)基配方，只能用生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)等的基本理論，參照前人所使用的較適合物學(xué)、微生物學(xué)等的基本理論，參照前人所使用的較適合某一類菌種的經(jīng)驗配方，再結(jié)合所用菌種和產(chǎn)品的特性，某一類菌種的經(jīng)驗配方，再結(jié)合所用菌種和產(chǎn)品的特性，采用搖瓶、玻璃罐等小型發(fā)酵設(shè)備，按照一定的實驗設(shè)計采用搖瓶、玻璃罐等小型發(fā)酵設(shè)備，按照一定的實驗設(shè)計和實驗方法選擇出較為適合的培養(yǎng)基。和實驗方法選擇出較為適合的培養(yǎng)基。 （一）培養(yǎng)基成分選擇的原則 q 菌種的同化能力菌種的同化能力q 代謝的阻遏和誘導(dǎo)代謝的阻遏和誘導(dǎo) q 合適的

35、合適的C、N比比100 0.22.0q pH的要求的要求 1.理論轉(zhuǎn)化率與實際轉(zhuǎn)化率理論轉(zhuǎn)化率與實際轉(zhuǎn)化率 理論轉(zhuǎn)化率是指理想狀態(tài)下根據(jù)微生物的代謝途理論轉(zhuǎn)化率是指理想狀態(tài)下根據(jù)微生物的代謝途徑進(jìn)行物料衡算，所得出的轉(zhuǎn)化率的大小。徑進(jìn)行物料衡算，所得出的轉(zhuǎn)化率的大小。 實際轉(zhuǎn)化率是指實際發(fā)酵過程中轉(zhuǎn)化率的大小實際轉(zhuǎn)化率是指實際發(fā)酵過程中轉(zhuǎn)化率的大小 如何使實際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)化是發(fā)酵控制的一個如何使實際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)化是發(fā)酵控制的一個目標(biāo)目標(biāo) （二）成分含量的確定（二）成分含量的確定例例: 如在酒精生產(chǎn)中葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論轉(zhuǎn)化率計算如下如在酒精生產(chǎn)中葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論轉(zhuǎn)化率計算如

36、下 葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的代謝總反應(yīng)衡算式為葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的代謝總反應(yīng)衡算式為 C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論得率為葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論得率為 2*46 Y = = 0.57 1622.實驗設(shè)計q培養(yǎng)基成分的含量最終都是通過實驗獲得的q合理的實驗方法多因子實驗：均勻設(shè)計、正交實驗設(shè)計、響應(yīng)面分析等。多因子實驗 當(dāng)培養(yǎng)基成分確定后，剩下的問題就是各成分最適 的濃度，由于培養(yǎng)基成分很多，為減少實驗次數(shù)常采 用一些合理的實驗設(shè)計方法。 （三）培養(yǎng)基設(shè)計的步驟 根據(jù)前人的經(jīng)驗和培養(yǎng)基成分確定時一些必須考慮 的問題，初步確定可能的培養(yǎng)基成分； 通過單因子實驗最終確定

37、出最為適宜的培養(yǎng)基成分；類胡蘿卜素高產(chǎn)菌Y11的培養(yǎng)基的優(yōu)化郭秒,食品與工業(yè)發(fā)酵，2004類胡蘿卜素的作用：色素、營養(yǎng)保健原培養(yǎng)基: 初步確定可能的培養(yǎng)基成分(以碳源為例) 通過單因子實驗確定適宜的培養(yǎng)基成分(以碳源為例)考慮到成本：乙酸鈉是較為合適的碳源進(jìn)一步：乙酸鈉的濃度2%比較好結(jié)果：碳源：乙酸鈉 0. 2%氮源：氯化銨 0.2% 酵母膏0.03%無機(jī)鹽: 復(fù)合無機(jī)鹽0.05% 正交設(shè)計確定優(yōu)化的配方改進(jìn)后培養(yǎng)基原培養(yǎng)基改進(jìn)后培養(yǎng)基的發(fā)酵結(jié)果例2：L-乳酸發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化響應(yīng)面分析數(shù)據(jù)及結(jié)果 X2X3 1 15.47 2.56 0.133796剩余13 6.05 相關(guān)系數(shù)0.947578決定系數(shù)0.897905三因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗結(jié)果方差分析表 L-乳酸細(xì)菌最優(yōu)發(fā)酵培養(yǎng)基：大米糖化液（X1）為125.25 g/L，蛋白胨（X2）為8.79 g/L，酵母粉（X3）為3.58 g/L，牛肉膏2 g/L， KH2PO4 2 g/L。 回歸方程：Y=90.39+1.17X1+5.36X2+3.10X3-1.48X12-1.92X22-1.55X32+0.66X1X3-1.39X2X3方差分析表明：總回歸方程達(dá)到了極顯著水平p=0.000 044，回歸模型的相關(guān)系數(shù)為R=0.947 578，決定系數(shù)為R2