第七章 發(fā)酵過程控制-2014

1、抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝第七章第七章 發(fā)酵過程的控制發(fā)酵過程的控制關(guān)海燕關(guān)海燕生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院發(fā)酵工程教研室生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院發(fā)酵工程教研室抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝2 發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分，控制難點在于過程的不確定性和參發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分，控制難點在于過程的不確定性和參數(shù)的非線性。數(shù)的非線性。 抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝4發(fā)酵過程工藝控制的目的發(fā)酵過程工藝控制的目的一個好的菌種一個好的菌種一個配合菌種生長的最佳條件一個配合菌種生長的最佳條件 使菌種的潛能發(fā)揮出來使菌種的潛能發(fā)揮出來得到最大的比生產(chǎn)速率和最大的生產(chǎn)率得到最大的比生產(chǎn)速率和最大

2、的生產(chǎn)率抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝5u發(fā)酵過程的種類發(fā)酵過程的種類u發(fā)酵過程的參數(shù)及其檢測分析發(fā)酵過程的參數(shù)及其檢測分析u發(fā)酵過程的代謝參數(shù)的影響及控制發(fā)酵過程的代謝參數(shù)的影響及控制目目 錄錄抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝6第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵過程的種類發(fā)酵過程的種類分批培養(yǎng)分批培養(yǎng)補(bǔ)料分批培養(yǎng)補(bǔ)料分批培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝7一、分批發(fā)酵（一、分批發(fā)酵（batch culture or fermentation ） 在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，在特定的條后，接入少量的微

3、生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，在特定的條件下只完成一個生長周期的微生物培養(yǎng)方法。件下只完成一個生長周期的微生物培養(yǎng)方法?？股厣a(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝8遲滯期對數(shù)生長期穩(wěn) 定 期死亡期分批培養(yǎng)中微生物的生長分批培養(yǎng)中微生物的生長抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝9一、分批發(fā)酵（一、分批發(fā)酵（batch culture or fermentation ） 在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，在特定的條后，接入少量的微生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，在特定的條件下只完成一個生長周期的微生物培養(yǎng)方法。件下只完成一個生長周期的微生物培養(yǎng)方法。優(yōu)點：優(yōu)點：工藝流程

4、簡單，發(fā)酵周期短，染菌機(jī)會工藝流程簡單，發(fā)酵周期短，染菌機(jī)會少，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。少，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。缺點：缺點：產(chǎn)率低。產(chǎn)率低?？股厣a(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝10二、連續(xù)培養(yǎng)二、連續(xù)培養(yǎng)（continuous culture or fermentation ） 微生物培養(yǎng)到對數(shù)生長期時，在發(fā)酵罐微生物培養(yǎng)到對數(shù)生長期時，在發(fā)酵罐中不斷添加新鮮的培養(yǎng)基，同時不斷放出代中不斷添加新鮮的培養(yǎng)基，同時不斷放出代謝物，使微生物細(xì)胞在近似恒定狀態(tài)下生長謝物，使微生物細(xì)胞在近似恒定狀態(tài)下生長的培養(yǎng)方式。的培養(yǎng)方式?？股厣a(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝11優(yōu)點：優(yōu)點：控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最

5、優(yōu)化。控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。 發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量。發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量。缺點：缺點：長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌種退化長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌種退化,降低產(chǎn)量降低產(chǎn)量; 長時間補(bǔ)料染菌機(jī)會大大增加。長時間補(bǔ)料染菌機(jī)會大大增加。應(yīng)用：應(yīng)用：廢水處理、葡萄糖酸發(fā)酵、酒精發(fā)酵等廢水處理、葡萄糖酸發(fā)酵、酒精發(fā)酵等工業(yè)中。工業(yè)中?？股厣a(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝12三、補(bǔ)料分批培養(yǎng)三、補(bǔ)料分批培養(yǎng)(fed-batch culture) 介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的操作方法。介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的操作方法。根據(jù)菌體生長和初始培養(yǎng)基的特點，在分批培根據(jù)菌體生長和初始培養(yǎng)基的特點，在分批培養(yǎng)的某些

6、階段適當(dāng)補(bǔ)加培養(yǎng)基，使菌體或其代養(yǎng)的某些階段適當(dāng)補(bǔ)加培養(yǎng)基，使菌體或其代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時間延長。謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時間延長。 在工廠的實際生產(chǎn)中采用這種方法很多。在工廠的實際生產(chǎn)中采用這種方法很多。 抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝優(yōu)點：優(yōu)點： 與分批培養(yǎng)相比與分批培養(yǎng)相比(1)(1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)。解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)。(2)(2)延長次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時間。延長次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時間。 與連續(xù)培養(yǎng)相比與連續(xù)培養(yǎng)相比(1)(1)降低了染菌。降低了染菌。(2)(2)最終產(chǎn)物濃度較高，有利于產(chǎn)物的分離。最終產(chǎn)物濃度較高，有利于產(chǎn)物的分離。(3)(3)使用范圍廣。使用范圍廣。

7、13抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 缺點：缺點：(1)(1)由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比生產(chǎn)由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比生產(chǎn)速率的下降。速率的下降。(2)(2)由于物料的加入增加了染菌機(jī)會。由于物料的加入增加了染菌機(jī)會。 應(yīng)用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工業(yè)。應(yīng)用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工業(yè)。14抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝15四、半連續(xù)培養(yǎng)四、半連續(xù)培養(yǎng)：在補(bǔ)料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇：在補(bǔ)料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉部分發(fā)酵液稱為半連續(xù)培養(yǎng)。在某些抗生素放掉部分發(fā)酵液稱為半連續(xù)培養(yǎng)。在某些抗生素的發(fā)酵中，比如：四環(huán)素發(fā)酵采取這種方式。的發(fā)酵中，比如：四環(huán)素發(fā)酵采取這種方式。

8、優(yōu)點優(yōu)點：放掉部分發(fā)酵液，再補(bǔ)入部分料液，使代：放掉部分發(fā)酵液，再補(bǔ)入部分料液，使代謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成，提高了總產(chǎn)謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成，提高了總產(chǎn)量。量。缺點缺點 ：代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，下游工藝負(fù)：代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，下游工藝負(fù)擔(dān)加重。擔(dān)加重。抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝16第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)生產(chǎn)控制代謝參數(shù)代謝參數(shù)抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝17u物理參數(shù)：物理參數(shù)：溫度、壓力、攪拌轉(zhuǎn)速、空氣流量溫度、壓力、攪拌轉(zhuǎn)速、空氣流量、黏度、濁度、料液流量等；、黏度、濁度、料液流量等；u化學(xué)參數(shù)：化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷

9、）、基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、pH、產(chǎn)物濃度、溶解氧、廢氣中的氧濃度和、產(chǎn)物濃度、溶解氧、廢氣中的氧濃度和CO2濃濃度等；度等；u生物參數(shù)：生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌體濃度、菌體比生長菌絲形態(tài)、菌體濃度、菌體比生長速率、呼吸強(qiáng)度、基質(zhì)消耗速率、酶活力等。速率、呼吸強(qiáng)度、基質(zhì)消耗速率、酶活力等。一、代謝參數(shù)的分類一、代謝參數(shù)的分類抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝18二、從檢測手段分類二、從檢測手段分類u直接參數(shù)：直接參數(shù)： 通過儀器或其它分析手段可以測得的參數(shù)，如通過儀器或其它分析手段可以測得的參數(shù)，如溫度、溫度、pH、殘?zhí)堑?、殘?zhí)堑萿間接參數(shù)：間接參數(shù)： 將直接參數(shù)經(jīng)過計算得到的參數(shù)將直接參數(shù)經(jīng)過計

10、算得到的參數(shù)抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝19直接參數(shù)：直接參數(shù)：u在線檢測參數(shù)：指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安在線檢測參數(shù)：指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)、攪拌轉(zhuǎn)速等；速等；u離線檢測參數(shù)：指取出樣后測定得到的參數(shù)，離線檢測參數(shù)：指取出樣后測定得到的參數(shù)，如殘?zhí)恰⒕w濃度等。如殘?zhí)?、菌體濃度等?？股厣a(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝20在線檢測 離線檢測 抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝21第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵過程代謝參數(shù)的影響及控制發(fā)酵過程代謝參數(shù)的影響及控制菌體濃度、溫度、菌體濃度、溫度、pH、基質(zhì)（碳源、氮源、磷酸鹽）、基質(zhì)（碳源、氮源、磷

11、酸鹽）、溶解氧、溶解氧、CO2、補(bǔ)料、補(bǔ)料抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝菌體濃度與菌體的比生長速率呈正相關(guān)：菌體濃度與菌體的比生長速率呈正相關(guān)：比生長比生長速率大的菌體，菌濃增長迅速，反之就緩慢。速率大的菌體，菌濃增長迅速，反之就緩慢。菌體比生長速率與微生物的種類，自身的遺傳特菌體比生長速率與微生物的種類，自身的遺傳特性有關(guān)。性有關(guān)。例：細(xì)菌，酵母，霉菌，原生動物的倍增例：細(xì)菌，酵母，霉菌，原生動物的倍增時間分別是時間分別是45min，90min，3h，6h。菌體的增長還與營養(yǎng)基質(zhì)的種類和濃度，和環(huán)境菌體的增長還與營養(yǎng)基質(zhì)的種類和濃度，和環(huán)境條件的影響有關(guān)。條件的影響有關(guān)。菌濃的大小對發(fā)酵產(chǎn)物的

12、得率有著重要的影響。菌濃的大小對發(fā)酵產(chǎn)物的得率有著重要的影響。 一、菌體濃度（菌濃）的影響及控制一、菌體濃度（菌濃）的影響及控制22抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 在發(fā)酵過程中，控制目標(biāo)為：在發(fā)酵過程中，控制目標(biāo)為：保持穩(wěn)保持穩(wěn)定的臨界菌體濃度和臨界比生長速率，定的臨界菌體濃度和臨界比生長速率，以以維持呼吸臨界溶氧濃度為前提的耗氧速率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，與供氧速率的平衡，從而使產(chǎn)物合成速率從而使產(chǎn)物合成速率達(dá)到最大值。達(dá)到最大值。23抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝生長速度和菌體濃度的控制方法：生長速度和菌體濃度的控制方法： 菌體的生長速率在一定的培養(yǎng)條件下主菌體的

13、生長速率在一定的培養(yǎng)條件下主要受營要受營養(yǎng)基質(zhì)濃度的影響，養(yǎng)基質(zhì)濃度的影響，所以：所以：調(diào)節(jié)培養(yǎng)基質(zhì)的濃度調(diào)節(jié)培養(yǎng)基質(zhì)的濃度來控制菌體濃度；來控制菌體濃度；確定培養(yǎng)基的最佳配比確定培養(yǎng)基的最佳配比使菌體濃度能夠達(dá)到最使菌體濃度能夠達(dá)到最佳值；佳值；通過通過中間的補(bǔ)料中間的補(bǔ)料工藝來控制，通過各種檢測手工藝來控制，通過各種檢測手段來監(jiān)測微生物細(xì)胞所缺少的營養(yǎng)物質(zhì)的種類，段來監(jiān)測微生物細(xì)胞所缺少的營養(yǎng)物質(zhì)的種類，加以調(diào)節(jié)。加以調(diào)節(jié)。24抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝種類種類：葡萄糖：葡萄糖優(yōu)點優(yōu)點：吸收快，利用快，：吸收快，利用快，能迅速參加代謝合成菌能迅速參加代謝合成菌體和產(chǎn)生能量。體和產(chǎn)生能量。

14、缺點缺點：有些品種存在分解：有些品種存在分解產(chǎn)物引發(fā)阻遏效應(yīng)。產(chǎn)物引發(fā)阻遏效應(yīng)。1.碳源的種類和濃度的影響及控制碳源的種類和濃度的影響及控制速效碳源速效碳源種類種類：淀粉、乳糖、蔗：淀粉、乳糖、蔗糖、麥芽糖等糖、麥芽糖等優(yōu)點優(yōu)點：不易產(chǎn)生分解產(chǎn)：不易產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏效應(yīng)，有利于延物阻遏效應(yīng)，有利于延長次級代謝產(chǎn)物的合成。長次級代謝產(chǎn)物的合成。缺點缺點：溶解度低，發(fā)酵：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。液粘度大。遲效碳源遲效碳源二、基質(zhì)的影響及控制25抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 發(fā)酵工業(yè)中常將發(fā)酵工業(yè)中常將速效碳源和遲效碳源按照一定速效碳源和遲效碳源按照一定配比混合配比混合，作為碳源。這樣可延長合成期，

15、提高，作為碳源。這樣可延長合成期，提高產(chǎn)量，并可解除葡萄糖效應(yīng)產(chǎn)量，并可解除葡萄糖效應(yīng)。碳源種類的控制碳源種類的控制26抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝碳源濃度的控制碳源濃度的控制在發(fā)酵過程中，控制碳源濃度補(bǔ)料的類型：在發(fā)酵過程中，控制碳源濃度補(bǔ)料的類型：1、連續(xù)培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)2、少量多次的加入、少量多次的加入3、多量少次的加入、多量少次的加入經(jīng)驗法：經(jīng)驗法：補(bǔ)糖的依據(jù)補(bǔ)糖的依據(jù)：殘?zhí)橇?，：殘?zhí)橇浚琾H值，菌體粘度，溶氧，值，菌體粘度，溶氧，尾氣中尾氣中O2和和CO2的含量，發(fā)酵液的總體積等參數(shù)。的含量，發(fā)酵液的總體積等參數(shù)。27抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝2、氮源的種類和濃度的影響及控制、氮源的

16、種類和濃度的影響及控制種類種類：氨水、銨鹽和玉：氨水、銨鹽和玉米漿米漿優(yōu)點優(yōu)點：易被菌體利用，：易被菌體利用，明顯促進(jìn)菌體生長。明顯促進(jìn)菌體生長。缺點缺點：對于有些品種高：對于有些品種高濃度的銨離子抑制產(chǎn)物濃度的銨離子抑制產(chǎn)物合成。合成。速效的氮源速效的氮源遲效氮源遲效氮源種類種類：黃豆餅粉、花生餅粉：黃豆餅粉、花生餅粉和棉子餅粉和棉子餅粉優(yōu)點優(yōu)點：利用緩慢，有利于延：利用緩慢，有利于延長次級代謝產(chǎn)物的分泌期；長次級代謝產(chǎn)物的分泌期；防止早衰。防止早衰。缺點缺點：溶解度低，發(fā)酵液粘：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。度大。28抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 發(fā)酵工業(yè)中常發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的氮源和緩

17、慢利采用含迅速利用的氮源和緩慢利用的氮源的混合氮源用的氮源的混合氮源。迅速利用的氮源促進(jìn)菌體生。迅速利用的氮源促進(jìn)菌體生長繁殖，緩慢利用的碳源，滿足產(chǎn)物合成，可延長長繁殖，緩慢利用的碳源，滿足產(chǎn)物合成，可延長合成期，延緩自溶期。合成期，延緩自溶期。氮源的種類控制氮源的種類控制29抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝補(bǔ)氮的依據(jù)：殘氮量、補(bǔ)氮的依據(jù)：殘氮量、pH值、菌體量值、菌體量 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)加氮源控控制基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的配比，通過補(bǔ)加氮源控 制微生物生長。制微生物生長。30抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 磷酸鹽能明顯促進(jìn)產(chǎn)生菌的生長（磷酸鹽能明顯促進(jìn)產(chǎn)生菌

18、的生長（0.32-300mM）：）： 對于次級代謝產(chǎn)物，所允許的磷對于次級代謝產(chǎn)物，所允許的磷的最適濃的最適濃0.1mM，提高到，提高到10mM就會明顯的抑就會明顯的抑制代謝產(chǎn)物的合成。制代謝產(chǎn)物的合成。3、 磷酸鹽的影響和控制磷酸鹽的影響和控制31抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝磷酸鹽濃度的控制磷酸鹽濃度的控制一般在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中采用適宜濃度。一般在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中采用適宜濃度。對于初級代謝產(chǎn)物，磷酸鹽濃度采用足量。對于初級代謝產(chǎn)物，磷酸鹽濃度采用足量。對于次級代謝產(chǎn)物，磷酸鹽濃度采用生長亞適量。對于次級代謝產(chǎn)物，磷酸鹽濃度采用生長亞適量。 磷酸鹽的磷酸鹽的最適濃度最適濃度取決于取決于菌種特性菌種特性

19、、培養(yǎng)條培養(yǎng)條件件、培養(yǎng)基組成培養(yǎng)基組成和和來源來源等因素，必須結(jié)合具體條等因素，必須結(jié)合具體條件來調(diào)節(jié)，并且，培養(yǎng)基中的一些離子成分也會件來調(diào)節(jié)，并且，培養(yǎng)基中的一些離子成分也會影響代謝產(chǎn)物的生成。影響代謝產(chǎn)物的生成。32抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝33三、溫度對發(fā)酵的影響及控制三、溫度對發(fā)酵的影響及控制 1.影響各種酶反應(yīng)的速率和蛋白質(zhì)的性質(zhì)影響各種酶反應(yīng)的速率和蛋白質(zhì)的性質(zhì) 最適生長溫度 最適生產(chǎn)溫度 溫度的變化對發(fā)酵可產(chǎn)生的影響溫度的變化對發(fā)酵可產(chǎn)生的影響抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝342.影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)影響發(fā)酵液的物理性質(zhì) 溫度影響基質(zhì)的溶解度、發(fā)酵液的粘度、氧溫度影響基質(zhì)的溶

20、解度、發(fā)酵液的粘度、氧在發(fā)酵液中的溶解度、氧的傳遞速率以及某些基在發(fā)酵液中的溶解度、氧的傳遞速率以及某些基質(zhì)的分解和吸收速率，進(jìn)而影響發(fā)酵的動力學(xué)特質(zhì)的分解和吸收速率，進(jìn)而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性和產(chǎn)物的合成。性和產(chǎn)物的合成?？股厣a(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝353.影響菌體代謝產(chǎn)物的合成方向影響菌體代謝產(chǎn)物的合成方向 例：采用金霉素鏈霉菌例：采用金霉素鏈霉菌NRRLB-12887進(jìn)行四環(huán)素進(jìn)行四環(huán)素的發(fā)酵，溫度小于的發(fā)酵，溫度小于30，合成金霉素的能力強(qiáng)，隨，合成金霉素的能力強(qiáng)，隨著發(fā)酵溫度的提高有利于四環(huán)素的合成，溫度等于著發(fā)酵溫度的提高有利于四環(huán)素的合成，溫度等于35，只合成四環(huán)素，金霉素的合成幾

21、乎停止。，只合成四環(huán)素，金霉素的合成幾乎停止?？股厣a(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝溫度的控制溫度的控制1、最適溫度的選擇、最適溫度的選擇 作為次級代謝產(chǎn)物的抗生素，微生物發(fā)酵其作為次級代謝產(chǎn)物的抗生素，微生物發(fā)酵其最適菌體生長溫度和最適抗生素合成溫度往往存最適菌體生長溫度和最適抗生素合成溫度往往存在差異。在差異。 如在如在2%乳糖、乳糖、2%玉米漿和無機(jī)鹽的培養(yǎng)基玉米漿和無機(jī)鹽的培養(yǎng)基中對青霉素產(chǎn)生菌進(jìn)行發(fā)酵研究，測得菌體的最中對青霉素產(chǎn)生菌進(jìn)行發(fā)酵研究，測得菌體的最適生長溫度為適生長溫度為30 ，而青霉素合成的最適溫度又，而青霉素合成的最適溫度又為為24.7 。36抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 因此

22、發(fā)酵溫度的確定，在理論上，因此發(fā)酵溫度的確定，在理論上，整個發(fā)整個發(fā)酵過程中不應(yīng)只選一個培養(yǎng)溫度，而應(yīng)根據(jù)不酵過程中不應(yīng)只選一個培養(yǎng)溫度，而應(yīng)根據(jù)不同的階段，選擇不同的溫度。同的階段，選擇不同的溫度。即工業(yè)發(fā)酵中多即工業(yè)發(fā)酵中多實行實行變溫控制變溫控制：在生長階段，應(yīng)選擇最適生長在生長階段，應(yīng)選擇最適生長溫度，在產(chǎn)物分泌階段，應(yīng)選擇最適生產(chǎn)溫度。溫度，在產(chǎn)物分泌階段，應(yīng)選擇最適生產(chǎn)溫度。37抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝38放罐產(chǎn)量比在放罐產(chǎn)量比在25 恒溫培養(yǎng)提高恒溫培養(yǎng)提高14.7青霉素發(fā)酵試驗青霉素發(fā)酵試驗 30 培養(yǎng)培養(yǎng)5 h20 培養(yǎng)培養(yǎng)85 h25 培養(yǎng)40 h25 培養(yǎng)培養(yǎng)35 h

23、抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝2、溫度的控制、溫度的控制 由于發(fā)酵過程中釋放大量發(fā)酵熱，一般不需由于發(fā)酵過程中釋放大量發(fā)酵熱，一般不需加熱，需要冷卻的情況多。加熱，需要冷卻的情況多。Q Q發(fā)酵發(fā)酵Q Q生物生物Q Q攪拌攪拌Q Q蒸發(fā)蒸發(fā)Q Q輻射輻射39抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 在發(fā)酵罐上安裝夾套在發(fā)酵罐上安裝夾套和蛇罐，通過循環(huán)冷卻水和蛇罐，通過循環(huán)冷卻水控制?？刂?。冷卻介質(zhì)：深井水或冷凍水冷卻介質(zhì)：深井水或冷凍水40抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝1、pH變化的原因變化的原因(1)基質(zhì)代謝基質(zhì)代謝 糖代謝糖代謝: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，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。氮代謝氮代謝: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。生理酸堿性物質(zhì)利用后，生理酸堿性物質(zhì)利用后，pH上升或下降。上升或下降。(2)產(chǎn)物形成產(chǎn)物形成(3)菌體自溶菌體自溶 氨基氮含量增加，氨基氮含量增加，pH上升上升四、四、pH對發(fā)酵的影響及控制對發(fā)酵的影響及控制 41抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝2、pH對發(fā)酵的影響對發(fā)酵的影響 pH值會影響到微生物值會影響到微生物細(xì)胞原生質(zhì)膜的電荷細(xì)胞原生質(zhì)膜的電荷，使細(xì)胞原生，使細(xì)胞原生質(zhì)膜發(fā)生變化，引起原生質(zhì)膜對個別離子滲透性的改變，質(zhì)

25、膜發(fā)生變化，引起原生質(zhì)膜對個別離子滲透性的改變，從而影響到微生物對培養(yǎng)基中一些營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用以從而影響到微生物對培養(yǎng)基中一些營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用以及代謝產(chǎn)物的滲漏，進(jìn)而影響到微生物的生長和新陳代謝及代謝產(chǎn)物的滲漏，進(jìn)而影響到微生物的生長和新陳代謝的正常進(jìn)行。的正常進(jìn)行。 pH值會直接值會直接影響到微生物細(xì)胞內(nèi)的酶活性影響到微生物細(xì)胞內(nèi)的酶活性，在合適的，在合適的pH值下，微生物細(xì)胞中的酶才能發(fā)揮最大的活性。值下，微生物細(xì)胞中的酶才能發(fā)揮最大的活性。 pH值會影響到值會影響到培養(yǎng)基中某些重要的營養(yǎng)物質(zhì)培養(yǎng)基中某些重要的營養(yǎng)物質(zhì)和和中間代謝中間代謝產(chǎn)物的解離產(chǎn)物的解離，從而影響微生物對這些物質(zhì)的

26、吸收和利用。，從而影響微生物對這些物質(zhì)的吸收和利用。42抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝3、pH值的確定和控制值的確定和控制（1 1）pHpH的確定的確定 微生物發(fā)酵的最適微生物發(fā)酵的最適pHpH范圍一般在范圍一般在5 5 8 8之間，根據(jù)不同之間，根據(jù)不同菌種的生理特性，確定不同的最適菌種的生理特性，確定不同的最適pHpH值；同一菌種根據(jù)不值；同一菌種根據(jù)不同階段，菌體生長期和產(chǎn)物合成時期分別采用各自的最適同階段，菌體生長期和產(chǎn)物合成時期分別采用各自的最適生長的生長的pHpH。例如例如: :Aspergillus niger（黑曲霉）在（黑曲霉）在pH22.5范圍時范圍時有利于合成檸檬酸，當(dāng)在有

27、利于合成檸檬酸，當(dāng)在pH2.56.5范圍內(nèi)時以菌體生長范圍內(nèi)時以菌體生長為主，而在為主，而在pH7.0時，則以合成草酸為主。時，則以合成草酸為主。 43抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝(2)pH(2)pH的控制的控制 調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)培養(yǎng)基的調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)培養(yǎng)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往往要調(diào)到往往要調(diào)到6.56.5 6.86.8。通過加酸堿和中間補(bǔ)料來控制。通過加酸堿和中間補(bǔ)料來控制。44抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝（2 2）pHpH的控制的控制調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的原始調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的原始pH值值，或，或加入緩沖溶液加入緩沖溶液制成緩制成緩沖能力強(qiáng)、沖能力強(qiáng)、pH值

28、變化不大的培養(yǎng)基。值變化不大的培養(yǎng)基。可在發(fā)酵過程中可在發(fā)酵過程中加入弱酸或弱堿加入弱酸或弱堿進(jìn)行進(jìn)行pH值的調(diào)節(jié)，值的調(diào)節(jié)，進(jìn)而合理地控制發(fā)酵條件。進(jìn)而合理地控制發(fā)酵條件。如果僅用酸或堿調(diào)節(jié)如果僅用酸或堿調(diào)節(jié)pH值不能改善發(fā)酵情況時，值不能改善發(fā)酵情況時，進(jìn)行補(bǔ)料進(jìn)行補(bǔ)料是一個較好的辦法。通過補(bǔ)料調(diào)節(jié)是一個較好的辦法。通過補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH值值來提高發(fā)酵產(chǎn)率的方法已在工業(yè)發(fā)酵過程中取得來提高發(fā)酵產(chǎn)率的方法已在工業(yè)發(fā)酵過程中取得了明顯的效果。了明顯的效果。45抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝a.a.過去直接加酸（過去直接加酸（H H2 2SOSO4 4）或堿（）或堿（NaOHNaOH），現(xiàn)常用：），現(xiàn)常

29、用： 生理酸性物質(zhì)：生理酸性物質(zhì)：(NH(NH4 4) )2 2SOSO4 4 生理堿性物質(zhì)：氨水生理堿性物質(zhì)：氨水b.b.補(bǔ)料既調(diào)節(jié)了補(bǔ)料既調(diào)節(jié)了pHpH值，又補(bǔ)充了營養(yǎng)，還可減少阻值，又補(bǔ)充了營養(yǎng)，還可減少阻 遏作用。遏作用。如：味精廠普遍采用流加尿素，有兩個作用如：味精廠普遍采用流加尿素，有兩個作用: : 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)pHpH值值 補(bǔ)充氮源補(bǔ)充氮源46抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 在抗生素生產(chǎn)的有氧發(fā)酵中，保證足量的溶在抗生素生產(chǎn)的有氧發(fā)酵中，保證足量的溶解氧濃度是發(fā)酵控制的主要因素之一。因此必須解氧濃度是發(fā)酵控制的主要因素之一。因此必須不斷地向培養(yǎng)液供給足夠的氧，以滿足微生物生不斷地向培養(yǎng)

30、液供給足夠的氧，以滿足微生物生長代謝的需求。長代謝的需求。五、五、 溶解氧（溶解氧（DO）的影響及其控制）的影響及其控制47抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 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時，空氣中的氧在水中溶解度僅時，空氣中的氧在水中溶解度僅0.25mol/m3左右左右,能維持微生物菌體能維持微生物菌體1520s的正常呼吸，隨之就會的正常呼吸，隨之就會耗盡。耗盡。 在實驗室中，通過搖瓶機(jī)的往復(fù)運(yùn)動對搖瓶在實驗室中，通過搖瓶機(jī)的往復(fù)運(yùn)動對搖瓶中的微生物供氧，而中的微生物供氧，而中間實驗規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模的中間實驗規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模的培養(yǎng)裝置則需采用通入無菌空氣并同時進(jìn)

31、行攪拌培養(yǎng)裝置則需采用通入無菌空氣并同時進(jìn)行攪拌的方式對微生物供氧。的方式對微生物供氧。48抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝溶氧濃度決定因素：供氧和需氧兩方面。溶氧濃度決定因素：供氧和需氧兩方面。（一）供氧方面：（一）供氧方面： 1.1.調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速 2.2.調(diào)節(jié)通氣速率調(diào)節(jié)通氣速率49抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝（二）需氧方面：（二）需氧方面： 1.1.菌體濃度和菌齡菌體濃度和菌齡 2.2.基質(zhì)種類和濃度基質(zhì)種類和濃度 以菌濃影響最明顯。以菌濃影響最明顯。 3.3.培養(yǎng)條件培養(yǎng)條件 控制方法：通過控制基質(zhì)濃度?？刂品椒ǎ和ㄟ^控制基質(zhì)濃度。50抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝51抗生素生產(chǎn)

32、工藝抗生素生產(chǎn)工藝溫度傳感器、耐高溫溫度傳感器、耐高溫pHpH和溶氧（和溶氧（DODO）傳感器）傳感器52抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 CO2是微生物代謝過程的產(chǎn)物，對微生物的生是微生物代謝過程的產(chǎn)物，對微生物的生長有長有刺激或抑制作用刺激或抑制作用。 環(huán)狀芽孢桿菌等菌的發(fā)芽孢子開始生長時，需環(huán)狀芽孢桿菌等菌的發(fā)芽孢子開始生長時，需要要CO2，稱為，稱為CO2效應(yīng)；當(dāng)效應(yīng)；當(dāng)CO2在排氣中的濃度達(dá)在排氣中的濃度達(dá)到到4時，菌體的代謝和呼吸速率都下降，發(fā)酵液時，菌體的代謝和呼吸速率都下降，發(fā)酵液中中CO2的濃度達(dá)到的濃度達(dá)到1.610-2mol/ml時，酵母菌的生時，酵母菌的生長就會受到嚴(yán)重的抑

33、制作用。長就會受到嚴(yán)重的抑制作用。六、六、 CO2的影響及其控制的影響及其控制53抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝 產(chǎn)青霉素的產(chǎn)黃青霉生長，隨著產(chǎn)青霉素的產(chǎn)黃青霉生長，隨著CO2含量的升含量的升高，菌絲形態(tài)由絲狀逐漸膨脹變得短粗，菌絲繼高，菌絲形態(tài)由絲狀逐漸膨脹變得短粗，菌絲繼續(xù)升高時，變?yōu)榍蛐位蚪湍笭罴?xì)胞；青霉素的合續(xù)升高時，變?yōu)榍蛐位蚪湍笭罴?xì)胞；青霉素的合成受到阻礙。成受到阻礙。 牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖時，需要通入含牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖時，需要通入含5 CO2的無菌空氣。的無菌空氣。54抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝CO2控制 CO2在發(fā)酵液中的濃度變化沒有一定的規(guī)律可在發(fā)酵液中的濃度變化沒有一定

34、的規(guī)律可循：由于在發(fā)酵罐底部壓力較大，因而下部的循：由于在發(fā)酵罐底部壓力較大，因而下部的CO2溶解度較高形成碳酸鹽，容易阻礙菌體的呼吸和產(chǎn)溶解度較高形成碳酸鹽，容易阻礙菌體的呼吸和產(chǎn)物的生成。物的生成。 一般情況下通過通氣和攪拌速率來調(diào)節(jié)一般情況下通過通氣和攪拌速率來調(diào)節(jié)CO2的的濃度：降低通氣量和攪拌速率有利于提高濃度：降低通氣量和攪拌速率有利于提高CO2在發(fā)在發(fā)酵液中的濃度。酵液中的濃度。55抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝56七、泡沫的形成及控制七、泡沫的形成及控制 1.泡沫的性質(zhì)泡沫的性質(zhì) 泡沫是氣體被分散在少量泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被液體中的膠體體系。泡沫間被一層

35、液膜隔開而彼此不相連通一層液膜隔開而彼此不相連通。發(fā)酵過程中所遇到的泡沫，。發(fā)酵過程中所遇到的泡沫，其分散相是無菌空氣和代謝氣其分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。體，連續(xù)相是發(fā)酵液?？股厣a(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝572.泡沫形成的原因泡沫形成的原因由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（通風(fēng)、攪拌）；（通風(fēng)、攪拌）；發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)）。泡性物質(zhì)）?？股厣a(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝58降低發(fā)酵設(shè)備的利用率降低發(fā)酵設(shè)備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過多時形成大量逃液泡沫過多時形成大量逃液增加

36、了染菌的機(jī)會增加了染菌的機(jī)會導(dǎo)致產(chǎn)物的損失導(dǎo)致產(chǎn)物的損失消泡劑會給后提取工序帶來困難消泡劑會給后提取工序帶來困難3.泡沫對發(fā)酵的影響泡沫對發(fā)酵的影響 抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝594.泡沫的控制泡沫的控制調(diào)整培養(yǎng)基成分（如少加或緩加易起泡的原調(diào)整培養(yǎng)基成分（如少加或緩加易起泡的原材料）材料）改變某些物理化學(xué)參數(shù)（如改變某些物理化學(xué)參數(shù)（如pH值、溫度、通值、溫度、通氣和攪拌）氣和攪拌）改變發(fā)酵工藝（采用分批投料）改變發(fā)酵工藝（采用分批投料）抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝60（1）機(jī)械消泡）機(jī)械消泡(mechanical defoaming) 利用機(jī)械攪拌或壓力變化而使泡沫破裂的物理消沫利用機(jī)械

37、攪拌或壓力變化而使泡沫破裂的物理消沫方法方法 。罐內(nèi)罐內(nèi)消泡消泡 罐外罐外消泡消泡 靠罐內(nèi)消泡漿轉(zhuǎn)動打碎泡沫。靠罐內(nèi)消泡漿轉(zhuǎn)動打碎泡沫。將泡沫引出罐外，通過噴嘴的將泡沫引出罐外，通過噴嘴的加速作用或離心力來消除泡沫。加速作用或離心力來消除泡沫。抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝61優(yōu)點優(yōu)點1.不需要引進(jìn)外源物質(zhì)如消泡劑，從而節(jié)省原料；不需要引進(jìn)外源物質(zhì)如消泡劑，從而節(jié)省原料；2.減少染菌機(jī)會；減少染菌機(jī)會；3.不會增加下游提取工藝的負(fù)擔(dān)。不會增加下游提取工藝的負(fù)擔(dān)。 抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝62（2）消泡劑消泡）消泡劑消泡(defoamer) 利用外界加入消泡劑，使氣泡破裂的化學(xué)消利用外界加入消

38、泡劑，使氣泡破裂的化學(xué)消泡方法。泡方法。降低泡沫液膜的機(jī)械強(qiáng)度降低泡沫液膜的機(jī)械強(qiáng)度降低泡沫的表面黏度降低泡沫的表面黏度抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝63消泡劑 天然天然油脂類油脂類 高碳醇、脂高碳醇、脂肪酸和酯類肪酸和酯類 聚醚類聚醚類 硅酮類硅酮類 抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝八、補(bǔ)料的作用及其控制八、補(bǔ)料的作用及其控制1、補(bǔ)料分批培養(yǎng)、補(bǔ)料分批培養(yǎng)（FBC）作用作用補(bǔ)料分批培養(yǎng)對微生物發(fā)酵有下列幾個基本作用：補(bǔ)料分批培養(yǎng)對微生物發(fā)酵有下列幾個基本作用：（1）可以控制抑制性底物的濃度）可以控制抑制性底物的濃度 在許多發(fā)酵過程中，微生物的生長是受到基在許多發(fā)酵過程中，微生物的生長是受到基質(zhì)濃度

39、的影響。要想得到高密度的生物量，需要質(zhì)濃度的影響。要想得到高密度的生物量，需要投入幾倍的基質(zhì)。再增加底物濃度，就可能發(fā)生投入幾倍的基質(zhì)。再增加底物濃度，就可能發(fā)生一種基質(zhì)抑制區(qū)，遲滯期延長，比生長速率減小，一種基質(zhì)抑制區(qū)，遲滯期延長，比生長速率減小，菌濃下降等，所以高濃度營養(yǎng)物對大多數(shù)微生物菌濃下降等，所以高濃度營養(yǎng)物對大多數(shù)微生物生長是不利的。生長是不利的。64抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝（2）可以解除或減弱分解代謝產(chǎn)物阻遏）可以解除或減弱分解代謝產(chǎn)物阻遏 在微生物合成初級或次級代謝產(chǎn)物中，有些在微生物合成初級或次級代謝產(chǎn)物中，有些合成酶受到易利用碳源或氮源的阻遏，特別是葡合成酶受到易利用碳

40、源或氮源的阻遏，特別是葡萄糖，它能夠阻抑多種酶或產(chǎn)物的合成，如青霉萄糖，它能夠阻抑多種酶或產(chǎn)物的合成，如青霉素、赤霉素等。這種阻遏作用不是葡萄糖的直接素、赤霉素等。這種阻遏作用不是葡萄糖的直接作用，而是由葡萄糖的分解代謝產(chǎn)物引起的。通作用，而是由葡萄糖的分解代謝產(chǎn)物引起的。通過補(bǔ)料來限制基質(zhì)的濃度，就可解除酶或其代謝過補(bǔ)料來限制基質(zhì)的濃度，就可解除酶或其代謝產(chǎn)物合成受阻，提高產(chǎn)量。產(chǎn)物合成受阻，提高產(chǎn)量。（3）可以使發(fā)酵過程最佳化）可以使發(fā)酵過程最佳化 利用利用FBC技術(shù)，可以技術(shù)，可以使菌種保持在最大生產(chǎn)力的狀態(tài)。使菌種保持在最大生產(chǎn)力的狀態(tài)。65抗生素生產(chǎn)工藝抗生素生產(chǎn)工藝2、補(bǔ)料分批培養(yǎng)的補(bǔ)料方式和控制、補(bǔ)料分批培養(yǎng)的補(bǔ)料方式和控制補(bǔ)料方式：連續(xù)流加、不連續(xù)流加、多周期流加。補(bǔ)料方式：連續(xù)流加、不連續(xù)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、 指數(shù)速率流加、變速流加。指數(shù)速率流加、變速流加。3、補(bǔ)料內(nèi)容、補(bǔ)料內(nèi)容1、基礎(chǔ)培養(yǎng)基、基礎(chǔ)培養(yǎng)基2、碳源、碳源 補(bǔ)糖（葡萄糖）補(bǔ)糖（葡萄糖）3、氮源、氮源 補(bǔ)充有機(jī)氮源、通氨、尿素補(bǔ)充有機(jī)氮源、通氨、尿素4、微量元素、微量元素