發(fā)酵過程控制

發(fā)酵過程控制第1頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三第2頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三第3頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三第六章發(fā)酵條件及過程控制第一節(jié)營養(yǎng)基質和菌體濃度第二節(jié)溫度的影響和控制第三節(jié)pH的影響和控制第四節(jié)通氣和攪拌第五節(jié)泡沫的影響和控制第六節(jié)二氧化碳和呼吸熵第七節(jié)發(fā)酵終點的判斷第八節(jié)發(fā)酵條件的優(yōu)化控制第九節(jié)發(fā)酵的計算機控制第十節(jié)發(fā)酵過程的精確檢測第4頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三碳源種類對發(fā)酵影響及控制氮源的種類和濃度的影響及控制磷酸鹽濃度的影響和控制菌體濃度的影響及控制第一節(jié)營養(yǎng)基質和菌體濃度的影響及其控制

第5頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三碳源種類對發(fā)酵影響及控制

碳源種類快速利用和緩慢利用碳源有機和無機碳酸氣；淀粉水解糖，糖蜜、亞硫酸鹽紙漿廢液等石油、正構石蠟，天然氣醋酸、甲醇、乙醇等石油化工產品

青霉素發(fā)酵（快速利用碳源，產量低，細胞生長快，緩慢利用碳源，產量高，細胞生長慢?；旌咸荚赐该髻|酸（快速和緩慢利用碳源結合）

第6頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三碳源濃度對發(fā)酵影響控制培養(yǎng)基中碳源含量超過5%，細胞生長會因脫水而下降。酵母的Crabtree效應：即Crabtree(1929)發(fā)現，當酵母在高糖濃度下，即時溶氧充足，它還會進行發(fā)酵，從葡萄糖生產乙醇。為獲得最大酵母得率，不能用恒速流加的方法，而保持最大生長速率的補料分批培養(yǎng)或連續(xù)培養(yǎng)可以避免該現像的出現。利用重組酵母畢赤酵母高密度發(fā)酵生產水蛭素，甲醇一方面作為碳源，同時也充當能源，提高甲醇的量可以促進產物的表達量提高，但是高濃度甲醇會擬制細胞生長。第7頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三氮源種類無機氮和有機氮；快速氮和慢速氮豆餅或蠶蛹水解液，味精廢液，玉米漿，酒糟水等有機氮尿素，硫酸銨，氨水，硝酸鹽等無機氮氣態(tài)氮

鏈霉菌的竹桃霉素發(fā)較中采用快速氮源（銨鹽）可以刺激菌絲的生長，但是抗生素的降低。氮源種類對發(fā)酵影響及控制

第8頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三氮源濃度對發(fā)酵影響及控制

氮源濃度過高會使細胞脫水死亡，濃度過低，細胞生長緩慢。一般工業(yè)發(fā)酵的碳氮比為100/0.2-2.0;谷氨酸的發(fā)酵碳氮比為100：15-21；當其比為100：11才開始積累谷氨酸。第9頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三磷酸鹽濃度的影響和控制無機鹽

磷酸鹽，鉀鹽，鎂鹽，鈣鹽等其他礦鹽鐵、錳、鈷等微量元素其他特殊生長因子硫胺素、生物素、對氨基苯甲酸、肌醇等桿菌肽的發(fā)酵中無機磷酸鹽濃度控制在0.1-1mmol.L-1,這時合成桿菌肽，但濃度高于1mmol.L-1其產生受抑制?？股厝珂溍顾?，新霉素，四環(huán)素，萬古霉素等對高濃度磷酸鹽敏感，過高會抑制，但是太低菌體生長受影響。一般工業(yè)上采用生長亞適量（對菌體生長不是最適合，但不影響生長的量的磷酸鹽濃度。第10頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三菌體濃度的影響及控制菌體濃度（Cellconcentration)

比生長速率：μ=(lgNt-lgNt0)*2.303/t-t0

營養(yǎng)基質濃度與細菌生長速率之間關系莫諾公式μ=μm(S/Ks+S)

第11頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)溫度變化及其控制

一、溫度對生長的影響不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據它們對溫度的要求大致可分為四類：嗜冷菌適應于0～260C生長，嗜溫菌適應于15～430C生長，嗜熱菌適應于37～650C生長，嗜高溫菌適應于650C以上生長第12頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三

每種微生物對溫度的要求可用最適溫度、最高溫度、最低溫度來表征。在最適溫度下，微生物生長迅速；超過最高溫度微生物即受到抑制或死亡；在最低溫度范圍內微生物尚能生長，但生長速度非常緩慢，世代時間無限延長。在最低和最高溫度之間，微生物的生長速率隨溫度升高而增加，超過最適溫度后，隨溫度升高，生長速率下降，最后停止生長，引起死亡。微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過最高溫度，微生物很快死亡；低于最低溫度，微生物代謝受到很大抑制，并不馬上死亡。這就是菌種保藏的原理。第13頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三(1)微生物對溫度的要求不同與它們的膜結構物理化學性質有密切關系根據細胞膜的液體鑲嵌模型，細胞在正常生理條件下，膜中的脂質成分應保持液晶狀態(tài)，只有當細胞膜處于液晶狀態(tài)，才能維持細胞的正常生理功能，使細胞處于最佳生長狀態(tài)微生物的生長溫度與細胞膜的液晶溫度范圍相一致。二、微生物與溫度相關性的原理第14頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三什么是液晶狀態(tài)？液晶狀態(tài)是指某些有機物在發(fā)生固相到液相轉變時的過渡狀態(tài)稱為液晶態(tài)。由固態(tài)轉變?yōu)橐壕B(tài)的溫度稱為熔點，以T1表示；由液晶態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的溫度稱為清亮點，以T2表示。T1與T2之間的溫度稱為液晶溫度范圍。那么為什么不同微生物對溫度的要求不同呢？根據細胞膜脂質成分分析表明，不同最適溫度生長的微生物，其膜內磷脂組成有很大區(qū)別。嗜熱菌只含飽和脂肪酸，而嗜冷菌含有較高的不飽和脂肪酸。第15頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三(2)溫度影響發(fā)酵方向四環(huán)素產生菌金色鏈霉菌同時產生金霉素和四環(huán)素，當溫度低于300C時，這種菌合成金霉素能力較強；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達到350C時，金霉素的合成幾乎停止，只產生四環(huán)素。溫度還影響基質溶解度，氧在發(fā)酵液中的溶解度也影響菌對某些基質的分解吸收。因此對發(fā)酵過程中的溫度要嚴格控制。第16頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三（3）最適溫度的選擇根據菌種及生長階段選擇微生物種類不同，所具有的酶系及其性質不同，所要求的溫度范圍也不同。如黑曲霉生長溫度為370C，谷氨酸產生菌棒狀桿菌的生長溫度為30～320C，青霉菌生長溫度為300C。第17頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三在發(fā)酵前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快達到大量的菌體，取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長迅速；在中期菌量已達到合成產物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，從而提高產量，因此中期溫度要稍低一些，可以推遲衰老。因為在稍低溫度下氨基酸合成蛋白質和核酸的正常途徑關閉得比較嚴密有利于產物合成。發(fā)酵后期，產物合成能力降低，延長發(fā)酵周期沒有必要，就又提高溫度，刺激產物合成到放罐。如四環(huán)素生長階段280C，合成期260C后期再升溫；黑曲霉生長370C，產糖化酶32～340C。但也有的菌種產物形成比生長溫度高。如谷氨酸產生菌生長30～320C，產酸34～370C。最適溫度選擇要根據菌種與發(fā)酵階段做試驗。根據生長階段選擇第18頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三例：林可霉素發(fā)酵的變溫培養(yǎng)問題的提出接種后10h左右已進入對數生長期，隨后是10h左右的加速生長期，在40h左右對數生長期基本完成，在50h左右轉入生產期主要問題：如何維持適度的菌體濃度和延長分泌期？適當降低培養(yǎng)溫度可以延緩菌體的衰老和維持相當數量的有強生產能力的菌絲體存在根據生長階段選擇溫度第19頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三變溫培養(yǎng)的正交設計第20頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三第21頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三結論：前60h按31℃控制，縮短了適應期使發(fā)酵提前轉入生產階段，同時菌絲體已有相當量的積累，為大量分泌抗生素提供了物質基礎60小時后將罐溫降至3O℃使與抗生素合成有關的酶的活性增強，抗生素分泌量有所增加，同時因分泌期的延長有利于進一步積累抗生素發(fā)酵進入后期罐溫再回升至31℃使生產菌在生命的最后階段最大限度的合成和排出次級代謝產物。第22頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三2、根據培養(yǎng)條件選擇溫度選擇還要根據培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。通氣條件差時可適當降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。培養(yǎng)基稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營養(yǎng)利用快，會使菌過早自溶。第23頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三三、發(fā)酵過程引起溫度變化的因素（一）發(fā)酵熱Q發(fā)酵發(fā)酵熱是引起發(fā)酵過程溫度變化的原因。所謂發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。什么叫凈熱量呢？在發(fā)酵過程中產生菌分解基質產生熱量，機械攪拌產生熱量，而罐壁散熱、水分蒸發(fā)、空氣排氣帶走熱量。這各種產生的熱量和各種散失的熱量的代數和就叫做凈熱量。發(fā)酵熱引起發(fā)酵液的溫度上升。發(fā)酵熱大，溫度上升快，發(fā)酵熱小，溫度上升慢?，F在來分析發(fā)酵熱產生和散失的各因素。第24頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三1、生物熱Q生物在發(fā)酵過程中，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質，將其分解氧化而產生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供細胞合成和代謝產物合成需要的能量，其余一部分以熱的形式散發(fā)出來，這散發(fā)出來的熱就叫生物熱。微生物進行有氧呼吸產生的熱比厭氧發(fā)酵產生的熱多。第25頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三生物熱與發(fā)酵類型有關微生物進行有氧呼吸產生的熱比厭氧發(fā)酵產生的熱多一摩爾葡萄糖徹底氧化成CO2和水好氧：產生287.2千焦耳熱量，

183千焦耳轉變?yōu)楦吣芑衔?/p>

104.2千焦以熱的形式釋放厭氧：產生22.6千焦耳熱量，

9.6千焦耳轉變?yōu)楦吣芑衔?/p>

13千焦以熱的形式釋放二個例子中轉化為高能化合物分別為63.7％和42.6％第26頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三

培養(yǎng)過程中生物熱的產生具有強烈的時間性。生物的大小與呼吸作用強弱有關在培養(yǎng)初期，菌體處于適應期，菌數少，呼吸作用緩慢，產生熱量較少。菌體在對數生長期時，菌體繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌體也較多，所以產生的熱量多，溫度上升快，必須注意控制溫度。培養(yǎng)后期，菌體已基本上停止繁殖，主要靠菌體內的酶系進行代謝作用，產生熱量不多，溫度變化不大，且逐漸減弱。如果培養(yǎng)前期溫度上升緩慢，說明菌體代謝緩慢，發(fā)酵不正常。如果發(fā)酵前期溫度上升劇烈，有可能染菌，此外培養(yǎng)基營養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。第27頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三2、攪拌熱Q攪拌在機械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機械攪拌帶動發(fā)酵液作機械運動，造成液體之間，液體與攪拌器等設備之間的摩擦，產生可觀的熱量。攪拌熱與攪拌軸功率有關，可用下式計算：

Q攪拌＝P×6601（KJ/h）

P——攪拌軸功率3601——機械能轉變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ斄縆J/(KW.h)電機功率P=E——額定電壓I——額定電流cosφ——功率因素，1千瓦時＝860×4186.8焦耳第28頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三3、蒸發(fā)熱Q蒸發(fā)

通氣時，引起發(fā)酵液的水分蒸發(fā)，水分蒸發(fā)所需的熱量叫蒸發(fā)熱。此外，排氣也會帶走部分熱量叫顯熱Q顯熱，顯熱很小，一般可以忽略不計。4、輻射熱Q輻射發(fā)酵罐內溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。輻射熱的大小取決于罐溫與環(huán)境的溫差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超過發(fā)酵熱的5％。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射第29頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三（二）發(fā)酵熱的測定有二種發(fā)酵熱測定的方法。一種是用冷卻水進出口溫度差計算發(fā)酵熱。在工廠里，可以通過測量冷卻水進出口的水溫，再從水表上得知每小時冷卻水流量來計算發(fā)酵熱。Q發(fā)酵＝GCm(T出－T進)Cm——水的比熱G——冷卻水流量另一種是根據罐溫上升速率來計算。先自控，讓發(fā)酵液達到某一溫度，然后停止加熱或冷卻，使罐溫自然上升或下降，根據罐溫變化的速率計算出發(fā)酵熱。第30頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三根據化合物的燃燒值估算發(fā)酵過程生物熱的近似值。因為熱效應決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化途徑無關，反應的熱效應可以用燃燒值來計算，特別是有機化合物，燃燒熱可以直接測定。反應熱效應等于反應物的燃燒熱總和減去生成物的燃燒熱的總和。ΔH＝∑（△H）反應物－∑（△H）產物如谷氨酸發(fā)酵中主要物質的燃燒熱為：葡萄糖159555.9KJ/Kg谷氨酸15449.3KJ/Kg玉米漿12309.2KJ/Kg菌體20934KJ/Kg尿素10634.5KJ/Kg第31頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三可根據實測發(fā)酵過程中物質平衡計算生物熱。例如某味精廠50M3發(fā)酵罐發(fā)酵過程測定結果的主要物質變化如表：發(fā)酵時間（h）0～66～1212～1818～31糖－37－30.3－24.0－41.7谷氨酸

5.9

15.4

23.9尿素－2.9－6.0菌體4.8

6.01.2玉米漿－2.4－3.0－0.6第32頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)酵12～18小時的生物熱為：Q生物＝24×159555.9＋0.6×12309.2＋6×10634.5－1.2×20934－15.4×15449.3＝191098.1KJ/M3191098.1÷6＝31849.7每小時的生物熱為31849.7KJ/M3第33頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三四、利用溫度控制提高產量例利用熱沖擊處理技術提高發(fā)酵甘油的產量背景：（1）酵母在比常規(guī)發(fā)酵溫度髙10～200C的溫度下經受一段時間刺激后，胞內海藻糖的含量顯著增加。（2）Lewis發(fā)現熱沖擊能提高細胞對鹽滲透壓的耐受力（3）Toshiro發(fā)現熱沖擊可使胞內3－磷酸甘油脫氫酶的活力提高15～25％，并導致甘油產量提高第34頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三實驗：甘油發(fā)酵是在髙滲透壓環(huán)境中進行的，因此可望通過熱沖擊來提高發(fā)酵甘油的產量正交條件A沖擊溫度（0C）40，45，50B開始時機（h）8，16，30C沖擊時間（分）15，30，60結果發(fā)酵16小時，450C沖擊30分鐘最佳，發(fā)酵96小時后甘油濃度提高32.6％，發(fā)酵罐實驗見圖（A）16h,450C,30min（B）12h,450C,30min第35頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三A溫度；B開始時機；C沖擊時間第36頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三第37頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三A比B好第38頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三小結微生物最適生長溫度微生物對溫度的要求不同與它們的膜結構有關微生物的生長溫度與細胞膜的液晶溫度范圍相一致微生物對溫度的要求與酶分子結構的區(qū)別有關，如蛋白構象穩(wěn)定性因素改變，活性位點關鍵區(qū)域氨基酸的取代，離子束縛作用(ionbinding)減弱，蛋白核心區(qū)域疏水作用下降等第39頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)酵過程引起溫度變化的因素發(fā)酵熱是引起發(fā)酵過程溫度變化的原因Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射生物熱的定義，產生的原因：基質代謝。它與菌種、發(fā)酵類型、生長階段、營養(yǎng)條件有關攪拌熱與攪拌功率有關發(fā)酵熱測定:冷卻容量燃燒熱第40頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三思考題7.16根據微生物對溫度的依賴可分類成哪幾類微生物？7.17微生物對溫度要求不同的原理是什么？7.18發(fā)酵過程的溫度會不會變化？為什么7.19發(fā)酵熱的定義7.20生物熱的大小與哪些因素有關？7.21溫度對發(fā)酵有哪些影響？7.22發(fā)酵過程溫度的選擇有什么依據？第41頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)發(fā)酵過程的pH控制

pH是微生物代謝的綜合反映，又影響代謝的進行，所以是十分重要的參數。發(fā)酵過程中pH是不斷變化的，通過觀察pH變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否第42頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三一、發(fā)酵過程pH變化的原因

1、基質代謝

（1）糖代謝特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補料的標志之一。（2）氮代謝當氨基酸中的-NH2被利用后pH會下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當碳源不足時氮源當碳源利用pH上升。（3）生理酸堿性物質利用后pH會上升或下降。第43頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三2、產物形成

某些產物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機酸類產生使pH下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。

3、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。

第44頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三二、pH對發(fā)酵的影響

例pH對林可霉素發(fā)酵的影響

林可霉素發(fā)酵開始，葡萄糖轉化為有機酸類中間產物，發(fā)酵液pH下降，待有機酸被生產菌利用，pH上升。若不及時補糖、(NH4)2SO4或酸，發(fā)酵液pH可迅速升到8.0以上，阻礙或抑制某些酶系，使林可霉素增長緩慢，甚至停止。對照罐發(fā)酵66小時pH達7.93，以后維持在8.0以上至115小時，菌絲濃度降低，NH2-N升高，發(fā)酵不再繼續(xù)。發(fā)酵15小時左右，pH值可以從6.5左右下降到5.3，調節(jié)這一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高發(fā)酵單位。

1、實例第45頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三pH7.0t不調pH調pH效價pH第46頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三例：培養(yǎng)基初始pH值對漆酶分泌的影響pH在4～7范圍內產酶最高第47頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三2、pH對發(fā)酵的影響

（1）pH影響酶的活性。當pH值抑制菌體某些酶的活性時使菌的新陳代謝受阻（2）pH值影響微生物細胞膜所帶電荷的改變，從而改變細胞膜的透性，影響微生物對營養(yǎng)物質的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進行

（3）pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對這些物質的利用

第48頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三（4）pH影響代謝方向

pH不同，往往引起菌體代謝過程不同，使代謝產物的質量和比例發(fā)生改變。例如黑曲霉在pH2~3時發(fā)酵產生檸檬酸，在pH近中性時，則產生草酸。谷氨酸發(fā)酵，在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺第49頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三3、pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響

生長合成pH對菌體生長影響比產物合成影響小例青霉素：菌體生長最適pH3.5~6.0,產物合成最適pH7.2~7.4

四環(huán)素：菌體生長最適pH6.0~6.8，產物合成最適pH5.8~6.0XpH四環(huán)素第50頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三4、最佳pH的確定配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況pH對產海藻酸裂解酶的影響第51頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三pH對海藻糖水解酶產生的影響pH——菌濃

pH——酶活第52頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三pH對谷氨酰胺轉氨酶活力的影響第53頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三熱凝膠產生不同階段pH的考察pHDObiomass第54頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三從圖中可見，熱凝膠發(fā)酵菌體生長和熱凝膠合成是非偶聯的，整個發(fā)酵過程可以分成兩個階段：前10h是菌體生長期，之后熱凝膠開始合成，至發(fā)酵結束是熱凝膠合成期。在菌體生長期，DO（dissolvedoxygen）直線下降，培養(yǎng)液中的pH也迅速下降。10h左右，菌體質量濃度達到最大值，DO和pH降至最低點（5.4～5.6），菌體生長結束。此后進入熱凝膠合成期。試驗兩階段的最適pH，見表第55頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三第56頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三穩(wěn)定期隨著pH降低，糖耗速率增加，生物量增加，但產物合成速率在pH5.6時達到最高。說明當pH小于5.6以后微生物消耗的糖并非用于合成熱凝膠，而是合成菌體。第57頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三三、pH的控制

1、調節(jié)好基礎料的pH。基礎料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須調節(jié)pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要調到6.5~6.82、在基礎料中加入維持pH的物質，如CaCO3

，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等3、通過補料調節(jié)pH

第58頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三在發(fā)酵過程中根據糖氮消耗需要進行補料。在補料與調pH沒有矛盾時采用補料調pH如（1）調節(jié)補糖速率，調節(jié)空氣流量來調節(jié)pH(2)當NH2-N低，pH低時補氨水；當NH2-N低，pH高時補(NH4)2SO44、當補料與調pH發(fā)生矛盾時，加酸堿調pH

第59頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三不同pH控制方式對目的突變株ISw330異亮氨酸搖瓶發(fā)酵的影響，結果如圖所示?！?”表示只加CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素聯合控制pH值。異亮氨酸發(fā)酵第60頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三例：pH對L-異亮氨酸發(fā)酵的影響（天津科技大學）菌株最適生長pH控制在6.8～7.05、發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值第61頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三不同pH值對菌體的形態(tài)影響很大，當pH值高于7.5時，菌體易于老化，呈現球狀；當pH值低于6.5時菌體同樣受抑制，易于老化。而在7.2左右時，菌體是處于產酸期，呈現長的橢圓形；在6.9左右時，菌體處于生長期，呈“八”字形狀并占有絕對的優(yōu)勢。第62頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三第63頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三pH6.9時，菌體生長旺盛，pH7.15時，對菌體的產酸有利。因此，在發(fā)酵的產酸期產酸較高。采用階段pH控制模式進行發(fā)酵，在發(fā)酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值為7.15，到80h后pH值為7.25。產率22．27g·/L，產酸率提高12．23％。第64頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三例：克拉維酸發(fā)酵中pH變換控制問題的提出：在pH低時菌體生長受抑制，在高pH時克拉維酸要分解用2.5升罐進行的不控制pH的發(fā)酵發(fā)現，前期由于微生物產生的酸性副產物和有機酸使pH降至6.5。在達到最高細胞濃度后，pH開始從6.5升至8.3。CA產量達最高水平時，pH不再升高。在發(fā)酵終止時，pH再次升至8.5。隨著pH升高，CA迅速分解。第65頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三研究不同pH對發(fā)酵的影響分別配置pH為6.0，7.0，8.0的培養(yǎng)基測定菌的生長和產物合成pH6.0時，生長受抑制，產物降解少克拉維酸量▲PMV細胞量●第66頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三pH8.0時生長良好產量低，產物降解多pH7.0時的狀況克拉維酸量●PMV細胞量▲克拉維酸量●PMV細胞量▲第67頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三控制pH7.0和8.0時，最高細胞濃度接近相同(約16％PMV)，但控制pH6．0時細胞生長受抑制。在2．5升生物反應器內，不控制pH時2．47μg／(m1·h)控制pH7.0時的產率3．37μg／(m1·h)最高控制pH8.0時，產率2．02μg／(m1‘h)在控制pH6．0時，CA產生被抑制,但降解少因此對細胞生長和CA產生最好將pH控制于7.0，但在控制pH7.0時，仍出現CA的迅速分解。第68頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三由于CA生產的最適pH和減少CA分解的pH各不相同，因此在分批發(fā)酵中應用了pH變換策略，使發(fā)酵pH由中性pH7.0變換為酸性pH6.0。在發(fā)酵前期，在細胞生長和產生CA期間控制pH7.0，4d后，當CA產量達最高值時，變換pH為6.0，以減少CA分解。最高CA濃度可保持24h。由于改變pH，使CA分解速率明顯降低。第69頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三第70頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三pH控制是一項非常細致的工作，不僅考慮最佳pH值，而且要根據生長階段考察對pH的要求。在pH控制中還要采用合適的調節(jié)方法?？偨Y第71頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三小結發(fā)酵過程pH會發(fā)生變化變化原因基質代謝產物形成菌體自溶第72頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三對發(fā)酵的影響pHpH影響酶的活性pH值影響微生物細胞膜所帶電荷的改變pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離pH影響代謝方向pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響

第73頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三pH的控制方式基礎培養(yǎng)基調節(jié)pH在基礎料中加入維持pH的物質（磷酸鹽）通過補料調節(jié)pH

當補料與調pH發(fā)生矛盾時，加酸堿調pH

發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值選擇合適的pH調節(jié)劑(CaCO3,氨水，尿素）第74頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三思考題7.12

發(fā)酵過程中pH會不會發(fā)生變化為什么？7.13pH對發(fā)酵的影響表現在哪些方面？7.14為了確定發(fā)酵的最佳pH,我們該如何實驗？7.15發(fā)酵過程的pH控制可以采取哪些措施？第75頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三

溶氧(DO)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素。在28℃氧在發(fā)酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達到100％空氣飽和度，若此時中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內便耗竭，使溶氧成為限制因素。第四節(jié)通氣和攪拌第76頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三一微生物對氧的需求（1）描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強度（QO2）：單位時間內單位體積重量的細胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

攝氧率(r)：單位時間內單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=QO2.X第77頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三（2）溶解氧濃度對菌體生長和產物形成的影響CCrQO2CLCCr:

臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度CL溶解氧的濃度第78頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三一般對于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%

產黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度/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>1.第79頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1

計，

0.25/0.052=4.8秒注意：由于產物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長5%(相對于飽和濃度）13%產物>13%>8%第80頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三（3）影響需氧的因素r=QO2.X

菌體濃度QO2

遺傳因素

菌齡

營養(yǎng)的成分與濃度

有害物質的積累

培養(yǎng)條件第81頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三二反應器中氧的傳遞（1）發(fā)酵液中氧的傳遞方程CCiPPi氣膜液膜N：傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質系數kmol/m2.h.atmKl:液膜傳質系數m/h第82頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三C*＝P/H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:以氧濃度為推動力的總傳遞系數(m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數h-1第83頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三（2）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)的平衡中傳遞：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第84頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三（3）供氧的調節(jié)C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla和C*來調節(jié)其中C*＝P/HNvHPKla第85頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三調節(jié)Kla是最常用的方法，kla反映了設備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1第86頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三三影響Kla的因素

Kla反映了設備的供氧能力，發(fā)酵常用的設備為搖瓶與發(fā)酵罐。(1)影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機的種類搖瓶機往復，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉，偏心距25、12,轉述250rpm第87頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三裝液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392第88頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三(2)影響發(fā)酵罐中Kla的因素已知在通風發(fā)酵罐中，全擋板條件下：第89頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三理論上分析KLand通氣量提高攪拌，調節(jié)kla的效果顯著第90頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三例某一產品的發(fā)酵

dnp0/vc產量

4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生產糖化酶

n230230270

通氣比1:0.81:1.21:0.8

產量181224162846提高d、n顯著提高C,提高了產量提高N,比提高Q有效第91頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三實際上：對于轉速的調節(jié)有時是有限度的通風的增加也是有限的蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產物帶走第92頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三例：紅曲霉生產色素用于食品工業(yè)，靜止培養(yǎng)改為通氣培養(yǎng)，比色法測定產量：通氣靜止1.42.03.16.819.5OD0.280.78.315.614.36.2提高下降所以這些因素的存在，發(fā)酵設備的供養(yǎng)是有限的第93頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調節(jié)kla的特點

小型發(fā)酵罐，轉速可調

大型發(fā)酵罐，轉速往往不可調

大型反應器的合理設計

對現有設備一定要注意工藝配套第94頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三影響Kla的其它因素空氣分布器液體的粘度第95頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三(4)CL、r和Kla的測定CL的測定化學法第96頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三溶氧電極

極譜型(陰極)：O2+2H++2e→H2O2

原電池型(陰極)：O2+2H2O+4e→4OH-第97頁，共112頁，2023年，2月20日，星期三