第六章發(fā)酵過(guò)程控制201909課件

延滯期長(zhǎng)短的因素接種材料的生理狀態(tài)，如果接種物正處于指數(shù)生長(zhǎng)期，則延滯期可能根本就不出現(xiàn)，微生物在新的培養(yǎng)基中迅速開始生長(zhǎng)繁殖，如果接種物在原培養(yǎng)基中已將營(yíng)養(yǎng)成分消耗殆盡，則要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)適應(yīng)新培養(yǎng)基。培養(yǎng)基的組成和培養(yǎng)條件也可影響延滯期的長(zhǎng)短。接種物的濃度對(duì)延滯期長(zhǎng)短也有一定影響，加大接種濃度可相應(yīng)縮短延滯期。延滯期長(zhǎng)短對(duì)發(fā)酵結(jié)果的影響種子培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件必須合適，只有這樣才能獲得高的產(chǎn)量。接種后延滯期的長(zhǎng)短關(guān)系到發(fā)酵周期的長(zhǎng)短，而與產(chǎn)物形成速率和產(chǎn)率并無(wú)必然聯(lián)系。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為縮短發(fā)酵周期、提高設(shè)備利用率、提高體積生產(chǎn)率，就必須盡可能地縮短延滯期。解決途徑：一是盡量選擇處于指數(shù)生長(zhǎng)期的種子；二是擴(kuò)大接種量。但是，如果要擴(kuò)大接種量，又往往需要多級(jí)擴(kuò)大制種，這不僅增加了發(fā)酵的復(fù)雜程度，又容易造成雜菌污染，故而應(yīng)從多方面考慮。LogPhase

CellgrowthrateandmetabolicactivityarethehighestNumberofcellsproduced﹥NumberofcellsdyingCellsaremostsusceptibletoadverseenvironmentalfactors(e.g.radiation,antibiotics)

(二)指數(shù)生長(zhǎng)期對(duì)細(xì)菌、酵母等單細(xì)胞微生物來(lái)講，單位時(shí)間內(nèi)其細(xì)胞數(shù)目將成倍增加。而對(duì)于絲狀微生物而言，單位時(shí)間內(nèi)其生物量將加倍。此時(shí)，如以細(xì)胞數(shù)目或生物量的對(duì)數(shù)對(duì)時(shí)間作一對(duì)數(shù)圖，將得一直線，因而這一時(shí)期稱作指數(shù)生長(zhǎng)期。指數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞特點(diǎn)細(xì)胞保持均恒生長(zhǎng)。不斷吸收培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分以合成自身物質(zhì)，并不斷向培養(yǎng)基中分泌代謝產(chǎn)物。由于此時(shí)培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)過(guò)量，且積累的代謝產(chǎn)物尚不足以抑制微生物本身的生長(zhǎng)繁殖，因而微生物的生長(zhǎng)速率不受這些因素的影響，而僅與微生物本身的比生長(zhǎng)速率μ及發(fā)酵液中的生物量濃度X(g/L)相關(guān)。對(duì)于單細(xì)胞的微生物來(lái)說(shuō)，還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為N—培養(yǎng)基中的細(xì)胞密度。對(duì)于特定的微生物而言，其比生長(zhǎng)速率μ只與三個(gè)因素有關(guān):限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度、最大比生長(zhǎng)速率μm、底物相關(guān)常數(shù)Ks。假定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞后，立即被利用而不積累，則存在以下關(guān)系式：Ks-----底物相關(guān)常效，為μ為1/2μm時(shí)限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度。

μ：菌體的生長(zhǎng)比速S：限制性基質(zhì)濃度Ks：半飽和常數(shù)μmax:最大比生長(zhǎng)速度單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)物中，對(duì)微生物的生長(zhǎng)起到限制作用的營(yíng)養(yǎng)物。μMonod研究了基質(zhì)濃度與生長(zhǎng)速度的關(guān)系———Monod方程(1949)μ米氏方程:如果各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均大大過(guò)量的話，則μ=μm，這時(shí)便是指數(shù)生長(zhǎng)期。也就是說(shuō)，處于指數(shù)生長(zhǎng)期的微生物,其生長(zhǎng)繁殖不受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的限制，因而具有最大比生長(zhǎng)速率。如果發(fā)酵的目的是為了獲得微生物菌體的話，則應(yīng)盡量設(shè)法維持指數(shù)生長(zhǎng)期。

微生物的最大比生長(zhǎng)速率在工業(yè)上的意義為保證工業(yè)發(fā)酵的正常周期，要盡可能地使微生物的比生長(zhǎng)速率接近其最大值。最大比生長(zhǎng)速率不僅與微生物本身的性質(zhì)有關(guān)，也與所消耗的底物以及培養(yǎng)的方式有關(guān)。限制微生物生長(zhǎng)代謝的并不是發(fā)酵液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度，而是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的速度。StationaryPhase

PopulationsizebeginstostabilizeNumberofcellsproduced=NumberofcellsdyingFactorsthatslowdownmicrobialgrowthAccumulationoftoxicwastematerialsAcidicpHofmediaLimitednutrientsInsufficientoxygensupply

(三)穩(wěn)定期在細(xì)胞生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，培養(yǎng)基中的底物不斷被消耗，一些對(duì)微生物生長(zhǎng)代謝有害的物質(zhì)在不斷積累。受此影響，微生物的生長(zhǎng)速率和比生長(zhǎng)速率就會(huì)逐漸下降，直至完全停止，這時(shí)就進(jìn)入穩(wěn)定期。處于穩(wěn)定期的生物量增加十分緩慢或基本不變；但微生物細(xì)胞的代謝還在旺盛地進(jìn)行著，細(xì)胞的組成物質(zhì)還在不斷變化。當(dāng)微生物賴以生存的培養(yǎng)基中存在多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，微生物將優(yōu)先利用其易于代謝的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，至其耗用完時(shí)，降解利用其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的酶才能誘導(dǎo)合成或解除抑制。此時(shí)，有的細(xì)胞開始老化、裂解，形成芽孢，并向培養(yǎng)基中釋放出新的碳水化合物和蛋白質(zhì)等，這些物質(zhì)可以用來(lái)維持生存下來(lái)的細(xì)胞的緩慢生長(zhǎng)。微生物的很多代謝產(chǎn)物，尤其是次級(jí)代謝產(chǎn)物，是在進(jìn)入穩(wěn)定期后才大量合成和分泌的。DeathorDeclinePhasePopulationsizebeginstodecreaseNumberofcellsdying>NumberofcellsproducedMostofthenutrientsinthemediumhavebeenconsumed

(四)死亡期在死亡期，細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源儲(chǔ)備已消耗殆盡，不能再維持細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝，因而細(xì)胞開始死亡。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中．在進(jìn)入死亡期之前應(yīng)及時(shí)將發(fā)酵液放罐處理。MethodsformeasuringmicrobialgrowthMeasurementofthechangesinnumberofcellsormassofpopulation.MeasurementofCellNumbersDirectcellcounts-countingchambersViablecellcounts-platingmethodsMeasurementofCellMass

Dryweight-timeconsumingandnotverysensitive

Turbidimetricmeasures-quick,easyandsensitiveopticaldensitythenumberofmicrobesE.coli,1OD600=~8x108cells/ml濁度光密度26TypesofFermentationProcessBatch,continuousandfedbatchprocessesbatchfedbatchchemostat

BatchcultureThesterilegrowthmediumisinoculatedwiththemicroorganismsandnoadditionalgrowthmediumisadded.Allthenutrientsneededforcellgrowthwillonlybeaddedonceatthebeginningoffermentation.BatchFermentor分批發(fā)酵的特點(diǎn)微生物所處的環(huán)境是不斷變化的可進(jìn)行少量多品種的發(fā)酵生產(chǎn)發(fā)生雜菌污染能夠很容易終止操作.當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)條件發(fā)生變化或需要生產(chǎn)新產(chǎn)品時(shí)，易改變處理對(duì)策對(duì)原料組成要求較粗放分批培養(yǎng)過(guò)程中細(xì)菌生長(zhǎng)曲線：可分為調(diào)整期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、平衡期和衰亡期四個(gè)階段。研究細(xì)胞的代謝和遺傳宜采用生長(zhǎng)最旺盛的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞。在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，使用的種子應(yīng)處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，把它們接種到發(fā)酵罐新鮮培養(yǎng)基時(shí)，幾乎不出現(xiàn)調(diào)整期，這樣可在短時(shí)間內(nèi)獲得大量生長(zhǎng)旺盛的菌體，有利于縮短生產(chǎn)周期。在研究和生產(chǎn)中，時(shí)常需要延長(zhǎng)細(xì)胞對(duì)數(shù)生長(zhǎng)階段。高底物濃度？提高底物濃度可以延長(zhǎng)微生物的指數(shù)生長(zhǎng)期，從而提高發(fā)酵的設(shè)備利用率、容積產(chǎn)量和產(chǎn)物的積累濃度；但過(guò)高的底物濃度往往會(huì)引起一系列的不利影響，如底物抑制、粘度升高引起的傳質(zhì)效率降低等。尤為嚴(yán)重的是，微生物的許多次級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，都受高濃度的葡萄糖、碳水化合物以及含氮化合物的降解產(chǎn)物的抑制。分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，周期短，染菌機(jī)會(huì)少，生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握缺點(diǎn)：產(chǎn)率低，不適于測(cè)定動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)AdvantagesOptimumlevelsofproductrecoverySimpleoperationDisadvantages

ThewastageofunusednutrientsLabourandtimelostbetweenbatches二、連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)與在密閉系統(tǒng)中進(jìn)行的分批培養(yǎng)相反，連續(xù)培養(yǎng)是在開放系統(tǒng)中進(jìn)行的。所謂連續(xù)培養(yǎng)，是指以一定的速率向發(fā)酵液中添加新鮮培養(yǎng)基的同時(shí)，以相同的速率流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定不變，使培養(yǎng)物在近似恒定狀態(tài)下生長(zhǎng)的培養(yǎng)方法。從系統(tǒng)外部予以調(diào)整，使菌體維持在衡定生長(zhǎng)速度下進(jìn)行連續(xù)生長(zhǎng)和發(fā)酵。要維持這一衡定的速度，必須使發(fā)酵罐中發(fā)酵液的稀釋度，恰恰等于該微生物的生長(zhǎng)速度。大大提高了發(fā)酵的生長(zhǎng)效率和設(shè)備利用率。恒定狀態(tài)可以有效地延長(zhǎng)分批培養(yǎng)中的指數(shù)生長(zhǎng)期。在恒定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、產(chǎn)物濃度、pH值，以及微生物細(xì)胞的濃度、比生長(zhǎng)速率等可以始終維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速率。連續(xù)培養(yǎng)的工藝種類

1．均勻混合的生物反應(yīng)器在這種反應(yīng)器中，培養(yǎng)基經(jīng)攪拌而混合均勻，反應(yīng)器中的各部分培養(yǎng)基間不存在濃度梯度。這種連續(xù)培養(yǎng)裝置又可進(jìn)一步分為恒化器和恒濁器兩種。(1)恒化器是一種設(shè)法使培養(yǎng)液流速保持不變，并使微生物始終在低于其最高生長(zhǎng)速率條件下進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖的一種連續(xù)培養(yǎng)裝置。這是一種通過(guò)控制某一種營(yíng)養(yǎng)物的濃度，使其始終成為生長(zhǎng)限制因子的條件下達(dá)到的，因而可稱為外控制式的連續(xù)培養(yǎng)裝置。在恒化器中，一方面菌體密度會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增高，另一方面，限制生長(zhǎng)因子的濃度又會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，兩者互相作用的結(jié)果，出現(xiàn)微生物的生長(zhǎng)速率正好與恒速流入的新鮮培養(yǎng)基流速相平衡。這樣，既可獲得一定生長(zhǎng)速率的均一菌體，又可獲得雖低于最高菌體產(chǎn)量，卻能保持穩(wěn)定菌體密度的菌體。(2)恒濁器是根據(jù)培養(yǎng)器內(nèi)微生物的生長(zhǎng)密度，并借光電控制系統(tǒng)來(lái)控制培養(yǎng)液流速，以取得菌體密度高、生長(zhǎng)速度恒定的微生物細(xì)胞的連續(xù)培養(yǎng)器。在這一系統(tǒng)中，當(dāng)培養(yǎng)基的流速低于微生物生長(zhǎng)速度時(shí)，菌體密度增高，這時(shí)通過(guò)光電控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，可促使培養(yǎng)液流速加快，反之亦然，并以此來(lái)達(dá)到恒密度的目的。因此，這類培養(yǎng)器的工作精度是由光電控制系統(tǒng)的靈敏度來(lái)決定的。在恒濁器中的微生物，始終能以最高生長(zhǎng)速率進(jìn)行生長(zhǎng)，并可在允許范圍內(nèi)控制不同的菌體密度。在生產(chǎn)實(shí)踐上，為了獲得大量菌體或與菌體生長(zhǎng)相平行的某些代謝產(chǎn)物如乳酸、乙醇時(shí)，都可以利用恒濁器。在恒濁器中，微生物可維持該培養(yǎng)在分批培養(yǎng)時(shí)達(dá)到的最大生長(zhǎng)速率。一般來(lái)說(shuō)，恒濁器較難控制，目前大多數(shù)研究工作者都利用恒化器進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)的研究。

Continuousculture

Maintainscellsinlogphaseataconstantbiomassconcentrationforextendedperiods.ItcanbecontrolledintwowaysTurbidostaticcontrol(internallycontrolled)Chemostaticcontrol(externallycontrolled)恒化恒濁TheTurbidostatRegulatestheflowrateofmediathroughvesseltomaintainapredeterminedturbidityMaintainthehighestgrowthrateNolimitingnutrientTheChemostatRateofincomingmedium=rateofremovalofmediumfromvesselMaintaintheexponentialgrowthphaseAnessentialnutrientisinlimitingquantities

2活塞流反應(yīng)器這是一種不均一的管狀反應(yīng)器，培養(yǎng)基由反應(yīng)器的一端流入，而從另一端流出。在這種反應(yīng)器中，沒有返混現(xiàn)象，因而，反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基呈極化狀態(tài)，在其不同的部位，營(yíng)養(yǎng)物的成分、細(xì)胞數(shù)目、傳質(zhì)效果、氧供應(yīng)和生產(chǎn)量都不相同。對(duì)于這類反應(yīng)器，在其入口處，加入物料的同時(shí)也必須加入微生物細(xì)胞。通常是在反應(yīng)器的出口處裝一支路，使細(xì)胞返回，也可以來(lái)自另一連續(xù)培養(yǎng)裝置(種子供應(yīng)系統(tǒng))。另外，這種反應(yīng)器常用于固定化菌和固定化細(xì)胞所催化的反應(yīng)，這時(shí)就無(wú)需再在進(jìn)料口處加入催化劑。連續(xù)培養(yǎng)在生產(chǎn)上的應(yīng)用還很有限?

①許多方法只能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)20一200小時(shí)，而工業(yè)系統(tǒng)則要求必須能穩(wěn)定運(yùn)行500一1000小時(shí)以上；②工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間保持無(wú)菌狀態(tài)有一定困難；③連續(xù)培養(yǎng)所用培養(yǎng)基的組成要保持相對(duì)穩(wěn)定，這樣才能取得最大產(chǎn)量，而工業(yè)培養(yǎng)基的組成成分，如玉米漿、蛋白胨和淀粉等，在批與批之間有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大變化；④當(dāng)使用高產(chǎn)菌株進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，回復(fù)突變可能發(fā)生。在連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中，回復(fù)突變的菌株有可能會(huì)取代生產(chǎn)菌株而成為優(yōu)勢(shì)菌株。

連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)①高效，它簡(jiǎn)化了裝料、滅菌、出料、清洗發(fā)酵罐等許多單元操作，從而減少了非生產(chǎn)時(shí)間和提高了設(shè)備的利用率；②自控，便于利用各種儀表進(jìn)行自動(dòng)控制；③產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定；④生長(zhǎng)與代謝產(chǎn)物形成的兩種類型節(jié)約了大量動(dòng)力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、電的負(fù)荷均勻合理。

連續(xù)發(fā)酵缺點(diǎn)菌種易于退化。其次是易遭雜菌污染。所謂“連續(xù)”是有時(shí)間限制的，一般可達(dá)數(shù)月至一、二年。在連續(xù)培養(yǎng)中，營(yíng)養(yǎng)物的利用率一般亦低于單批培養(yǎng)。

Fed-batchculture

Aproductiontechniquebetweenbatchandcontinuousculture.Duringfermentation,additionalnutrientswillbeaddedinabatchwaytopromotethecellgrowthorproductformationandtoavoidnutrientdeficiency.Fed-BatchFermentorFeedstockvessel(sterile)Pump分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)?

所謂分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)，就是指在分批培養(yǎng)伊始，投入較低濃度的底物，然后在發(fā)酵過(guò)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，使培養(yǎng)基中的底物濃度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在一定范圍內(nèi)，以維持微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成，并避免不利因素的產(chǎn)生，從而達(dá)到提高容積產(chǎn)量、產(chǎn)物濃度和產(chǎn)物得率的目的。二、分批補(bǔ)料培養(yǎng)技術(shù)

在傳統(tǒng)的分批培養(yǎng)發(fā)酵工藝中，所有的物料都是在發(fā)酵開始前加入反應(yīng)器中的。一般來(lái)說(shuō)，微生物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度并不十分高，往往在10Ks以上時(shí)就可達(dá)到最大比生長(zhǎng)速率。在此基礎(chǔ)上，即使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)濃度再進(jìn)一步提高，比生長(zhǎng)速率也不會(huì)再增加了。然而，在分批發(fā)酵工藝中，低濃度培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)迅速耗盡，引起微生物過(guò)早地從指數(shù)生長(zhǎng)期向穩(wěn)定期轉(zhuǎn)變，這樣，設(shè)備的利用率和產(chǎn)物的積累濃度都不高。AdvantagesLowconcentrationofspecificsubstrates(e.g.carbonsource)Highconcentrationofend-productProvidinglimitinglevelofarequirednutrientforanauxotrophicstrainSomeexamplesProductMassfeedyeastmaltwort、N、P、MgglutamicacidNH3orureacitricacidammoniumnitrogen、glucosemalicacidglucoseamylaseglucose

Q:Usechemostatasbioreactor,theyieldisfarmorethanbatch,butwhybatchcultureisfarmorewidelyusedthancontinuousculture？

1.Secondaryproducts2.Geneticinstability3.Operabilityandreliability

4.MarketeconomicsAdvantages

ThegrowthrateismaintainedatoptimallevelsDisadvantagesLowbiomassandproductconcentrationRelativelypronetobecontaminatedStraindegenerationFed-batchculturewasusedintheproductionofbakers’yeastasearlyas1915.Itwasrecognizedthatanexcessofmalt(麥芽）inthemediumwouldleadtotoohighagrowthrateresultinginanoxygendemandinexcessofthatwhichcouldbemetbytheequipment.Thisresultedinthedevelopmentofanaerobic（厭氧性的）conditionsandtheformationofethanol（乙醇）attheexpenseofbiomassproduction.Thus,theorganismwasgrowninaninitially(最初的）weakmediumtowhichadditionalmediumwasaddedataratelessthanthemaximumrateatwhichtheorganismcoulduseit.Thus,thisprocessfulfilsthecriteria(標(biāo)準(zhǔn)）stipulated（規(guī)定）inPirt’skinetic(動(dòng)力學(xué)）descriptionfortheestablishmentofaquasi（類似的）steadystate,thatis,asubstratelimitedcultureandtheuseofafeedrateequivalent（相當(dāng)）toadilution（稀釋）ratelessthanμm.發(fā)酵過(guò)程的中間補(bǔ)料1、補(bǔ)料的作用A、補(bǔ)充碳源、氮源物質(zhì)，滿足微生物代謝和合成產(chǎn)物所需營(yíng)養(yǎng)，推遲菌體自溶期，延長(zhǎng)產(chǎn)物合成時(shí)期。百分之七、八十的發(fā)酵生產(chǎn)都是前期長(zhǎng)菌體，中后期合成產(chǎn)物。培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在前期用于菌體生長(zhǎng)，到了中后期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)己消耗大半，菌體逐漸衰老自溶，不利于產(chǎn)物的大量積累.為了避免這種情況的出現(xiàn)，如果在培養(yǎng)基配制時(shí)，采取一次加足所需營(yíng)養(yǎng)的話，必然造成底物濃度過(guò)高帶來(lái)一系列的不利影響.而采取降低基礎(chǔ)培養(yǎng)基濃度，中間補(bǔ)料的工藝，即有利于菌體生長(zhǎng)，又有利于產(chǎn)物大量合成。B、調(diào)節(jié)pH值，改善環(huán)境條件某些發(fā)酵類型菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成所需最適pH值不同，或者在菌體生長(zhǎng)及產(chǎn)物形成中，使pH值發(fā)生了變化、通過(guò)補(bǔ)料可以將pH調(diào)節(jié)到最適值,中間補(bǔ)料還可以使發(fā)酵液粘度降低，改善發(fā)酵環(huán)境，增加溶氧量等。C、補(bǔ)加前體或誘導(dǎo)劑，促進(jìn)產(chǎn)量提高例如青霉素發(fā)酵中，需加入前體苯乙酸或苯乙酰胺，但一次加入過(guò)多對(duì)菌體有毒害作用。一般加入總量為0.1%，在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入0.07%，其余通過(guò)補(bǔ)料加入罐內(nèi)。D、控制營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株生長(zhǎng)，增加產(chǎn)物積累對(duì)于營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株生長(zhǎng)時(shí)，需要加入所缺少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)菌體才能生長(zhǎng)，但加入料量太多，會(huì)產(chǎn)生反饋抑制或終產(chǎn)物阻遏作用，使所需代謝產(chǎn)物很少積累。而加入所需營(yíng)養(yǎng)物太少，菌體生長(zhǎng)量不足，也不利于產(chǎn)物積累。因此，采取補(bǔ)料流加方法，使?fàn)I養(yǎng)物維持低濃度，滿足菌體生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)而又不使過(guò)量產(chǎn)生阻抑作用，有利于產(chǎn)物積累。2、補(bǔ)料的原則

A根據(jù)發(fā)酵類型，首先確定是否需要補(bǔ)料一般根據(jù)菌體生長(zhǎng)速度，營(yíng)養(yǎng)利用及產(chǎn)物形成速度的變化及其相互關(guān)系，把發(fā)酵分為三種類型。類型Ⅰ：菌體生長(zhǎng)、糖的消耗和產(chǎn)物合成是平行過(guò)程。例如：酒精發(fā)酵、酵母菌體培養(yǎng)。xp產(chǎn)物的形成和菌體的生長(zhǎng)相偶聯(lián)這種發(fā)酵類型的特點(diǎn)是：微生物的生長(zhǎng)和糖的利用與產(chǎn)物合成直接相關(guān)連。產(chǎn)物的形成與生長(zhǎng)是平行的。產(chǎn)物合成速度與微生物生長(zhǎng)速度呈線性關(guān)系，而且生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)物的消耗成準(zhǔn)定量關(guān)系。這種類型的產(chǎn)物主要是葡萄糖代謝的初級(jí)中間產(chǎn)物，如乙醇發(fā)酵就屬于此類型。

類型Ⅱ：菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成分為兩個(gè)時(shí)期，與之相應(yīng)的糖的消耗也有兩個(gè)最迅速時(shí)期，一個(gè)是最高生長(zhǎng)時(shí)期，另一個(gè)是最大產(chǎn)物合成時(shí)期，如谷氨酸、賴氨酸發(fā)酵及檸檬酸、衣康酸等有機(jī)酸發(fā)酵均屬于這一類型。xp產(chǎn)物的形成和菌體的生長(zhǎng)部分偶聯(lián)生長(zhǎng)產(chǎn)物合成半偶聯(lián)類型，它是介于生長(zhǎng)產(chǎn)物合成偶聯(lián)型與生長(zhǎng)產(chǎn)物合成非偶聯(lián)之間的中間類型，產(chǎn)物的合成存在著與生長(zhǎng)相聯(lián)和不相聯(lián)兩個(gè)部分。該類型的動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物合成比速率的最高時(shí)刻要遲于比生長(zhǎng)速率最高時(shí)刻的到來(lái)。

類型Ⅲ：產(chǎn)物是微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物，產(chǎn)物合成是在菌體生長(zhǎng)停止與底物被消耗完以后才開始。如青霉素等抗生素發(fā)酵和淀粉酶等酶制劑屬于這一類型。xp產(chǎn)物的形成和菌體的生長(zhǎng)非偶聯(lián)多數(shù)次生代謝產(chǎn)物的發(fā)酵屬這種類型，如各種抗生素和微生物毒素等物質(zhì)的生產(chǎn)速率很難與生長(zhǎng)相聯(lián)系。產(chǎn)物合成速度與碳源利用也不存在定量關(guān)系。一般產(chǎn)物的合成是在菌體的濃度接近或達(dá)到最高之后才開始的，此時(shí)比生長(zhǎng)速率已不處于最高速率。

哪一種需要進(jìn)行中間補(bǔ)料？

xxxpB選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)料時(shí)期補(bǔ)料時(shí)間并不是只根據(jù)發(fā)酵時(shí)間而定，還需要根據(jù)培養(yǎng)基利用情況，菌體生長(zhǎng)狀態(tài)及pH變化等綜合考慮，適時(shí)補(bǔ)料,如谷氨酸發(fā)酵中補(bǔ)加尿素的時(shí)間要根據(jù)發(fā)酸過(guò)程中pH變化來(lái)決定。C掌握補(bǔ)料量最適補(bǔ)料量可以控制菌體增長(zhǎng)、底物的消耗和產(chǎn)物合成三者之間的關(guān)系，獲得更長(zhǎng)的生物合成期，得到更多的產(chǎn)品。補(bǔ)料方式：間歇定時(shí)一般都是采用間歇定時(shí)補(bǔ)加的方式。也有采用定時(shí)連續(xù)滴加的方式，這樣加入的料量均勻，可以避免一次大量補(bǔ)料造成環(huán)境突然改變，菌體不適應(yīng)帶來(lái)不良后果?？傊a(bǔ)料是控制發(fā)酵過(guò)程正常進(jìn)行的一個(gè)靈活措施。發(fā)酵終點(diǎn)的判斷

要判斷合理的放罐時(shí)間需考慮以下幾個(gè)因素：1、提高發(fā)酵生產(chǎn)率，降低成本發(fā)酵生產(chǎn)率是指單位發(fā)酵罐容積的小時(shí)產(chǎn)率（即發(fā)酵指數(shù)），通常用Kg產(chǎn)物或單位/m3.h表示。發(fā)酵后期雖然還有產(chǎn)物形成，但產(chǎn)物形成的高峰期已過(guò),產(chǎn)物形成量較少，故延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間總產(chǎn)量雖有增加，但發(fā)酵生產(chǎn)率卻下降即單位時(shí)間的產(chǎn)量增加的少，等于這段時(shí)間內(nèi)消耗的電力、冷卻水等所得到的產(chǎn)量下跌，成本相應(yīng)提高。所以一般掌握在產(chǎn)物合成高峰后一段時(shí)間即結(jié)束發(fā)酵而放罐。2、是否會(huì)影響提煉質(zhì)量提取過(guò)程與產(chǎn)品得率(Kg產(chǎn)物/Kg基質(zhì))有關(guān)、如果發(fā)酵過(guò)程結(jié)束的過(guò)早，發(fā)酵液中殘留的糖，蛋白質(zhì)等較多，不容易和產(chǎn)物分開，影響提取過(guò)程。而放罐太晚罐內(nèi)菌體開始自溶，菌體內(nèi)蛋白質(zhì)等釋放出來(lái)，造成過(guò)濾困難，過(guò)濾時(shí)間延長(zhǎng)，不穩(wěn)定的產(chǎn)物會(huì)分解提取受到干擾，所以要適時(shí)放罐。3、放罐前的發(fā)酵控制放罐以前要控制補(bǔ)料量。一般在接近放罐前不再補(bǔ)料，如果必須補(bǔ)加時(shí)，需要計(jì)算好加入量，掌握在放罐前正好達(dá)到殘留量允許的范圍內(nèi)。放罐以前需要密切注意觀察各項(xiàng)指標(biāo)，如產(chǎn)物量，氨基氮，殘?zhí)橇?，菌體形態(tài)(出現(xiàn)孢子與否？菌體是否自溶?)pH值、培養(yǎng)液外觀、粘度等。定型產(chǎn)品發(fā)酵時(shí)間是一定的。

Unit2FermentationControlThesuccessofafermentationprocessishighlydependentonenvironmentalfactorssuchastemperature,pH,anddissolvedoxygenlevels.FermentationControl

SampleAnalysispHDOSugarAmmoniaPhosphateSulphateProductsPrecursorsContaminationPressureprobeLevelprobepHprobeTemp.probeDOprobeAntifoamAcid/BaseCoolingAir/agitationSugar/OilfeedOrganismsexhibitdistinctcardinalgrowthtemperatures-minimal,maximal,optimalTemperatureHotColdC(Minimum)B(Optimum)A(Maximum)TemperatureControlWhy?Microbesbringsaboutfermentationbysecretingcertainenzymeswhichhaveanoptimumtemperatureoratemperaturerange.溫度對(duì)發(fā)酵的影響

1、溫度影響反應(yīng)速率發(fā)酵過(guò)程的反應(yīng)速率實(shí)際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個(gè)最適溫度。2、溫度影響發(fā)酵方向

四環(huán)素產(chǎn)生菌金色鏈霉菌同時(shí)產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素，當(dāng)溫度低于30

℃時(shí)，這種菌合成金霉素能力較強(qiáng)；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達(dá)到35℃時(shí)，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。溫度還影響基質(zhì)溶解度，氧在發(fā)酵液中的溶解度也影響菌對(duì)某些基質(zhì)的分解吸收。因此對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度要嚴(yán)格控制。Anenergybalanceonfermentationyieldsisthefollowingequation:Qacc=Qf+Qag–Qevap–QsurrQacc

——netheataccumulationQf——heatoffermentationQag——heatgeneratedbymechanicalagitationQevap——heatofevaporationQsurr——heatdissipatedtothesurroundings

現(xiàn)在來(lái)分析發(fā)酵熱產(chǎn)生和散失的各因素。

1、生物熱Q生物

在發(fā)酵過(guò)程中，菌體不斷利用培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將其分解氧化而產(chǎn)生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供細(xì)胞合成和代謝產(chǎn)物合成需要的能量，其余一部分以熱的形式散發(fā)出來(lái)，這散發(fā)出來(lái)的熱就叫生物熱。微生物進(jìn)行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多一摩爾葡萄糖徹底氧化成CO2和水好氧：產(chǎn)生287.2千焦耳熱量，183千焦耳轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?04.2千焦以熱的形式釋放厭氧：產(chǎn)生22.6千焦耳熱量，9.6千焦耳轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?3千焦以熱的形式釋放二個(gè)例子中轉(zhuǎn)化為高能化合物分別為63.7％和42.6％生物熱與發(fā)酵類型有關(guān)培養(yǎng)過(guò)程中生物熱的產(chǎn)生具有強(qiáng)烈的時(shí)間性。生物熱的大小與呼吸作用強(qiáng)弱有關(guān)在培養(yǎng)初期，菌體處于適應(yīng)期，菌數(shù)少，呼吸作用緩慢，產(chǎn)生熱量較少。菌體在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，菌體繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌體也較多，所以產(chǎn)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(nèi)的酶系進(jìn)行代謝作用，產(chǎn)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(shuō)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(yíng)養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。2、攪拌熱Q攪拌

在機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機(jī)械攪拌帶動(dòng)發(fā)酵液作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，造成液體之間，液體與攪拌器等設(shè)備之間的摩擦，產(chǎn)生可觀的熱量。攪拌熱與攪拌軸功率有關(guān)，可用下式計(jì)算：Q攪拌＝P×860×4186.8（焦耳/小時(shí)）P——攪拌軸功率4186.8——機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量3、蒸發(fā)熱Q蒸發(fā)

通氣時(shí)，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(huì)帶走部分熱量叫顯熱Q顯熱，顯熱很小，一般可以忽略不計(jì)。4、輻射熱Q輻射發(fā)酵罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過(guò)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(guò)發(fā)酵熱的5％。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射（二）發(fā)酵熱的測(cè)定有二種發(fā)酵熱測(cè)定的方法。一種是用冷卻水進(jìn)出口溫度差計(jì)算發(fā)酵熱。在工廠里，可以通過(guò)測(cè)量冷卻水進(jìn)出口的水溫，再?gòu)乃砩系弥啃r(shí)冷卻水流量來(lái)計(jì)算發(fā)酵熱。Q發(fā)酵＝GCm(T出－T進(jìn))Cm——水的比熱G——冷卻水流量另一種是根據(jù)罐溫上升速率來(lái)計(jì)算。先自控，讓發(fā)酵液達(dá)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(jù)罐溫變化的速率計(jì)算出發(fā)酵熱。

Temp.controlmethodsCoolingwater

incoolingjacketorcoilSterilization-steamRefrigeratororfreezerQ:Usually,optimumgrowthtemperatureisdifferencewithoptimumproductiontemperature,howwouldyoudo?AnswerTemperature-shiftingfermentation三、最適溫度的選擇1、根據(jù)菌種及生長(zhǎng)階段選擇微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。如黑曲霉生長(zhǎng)溫度為37℃，谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長(zhǎng)溫度為30℃～32℃，青霉菌生長(zhǎng)溫度為30℃。根據(jù)生長(zhǎng)階段選擇在發(fā)酵前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快達(dá)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(zhǎng)迅速；在中期菌量已達(dá)到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長(zhǎng)中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低一些，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)閉得比較嚴(yán)密有利于產(chǎn)物合成。發(fā)酵后期，產(chǎn)物合成能力降低，延長(zhǎng)發(fā)酵周期沒有必要，就又提高溫度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。如四環(huán)素生長(zhǎng)階段28℃，合成期26℃后期再升溫；黑曲霉生長(zhǎng)37℃，產(chǎn)糖化酶32～34℃。但也有的菌種產(chǎn)物形成比生長(zhǎng)溫度高。如谷氨酸產(chǎn)生菌生長(zhǎng)30～32℃，產(chǎn)酸34～37℃。最適溫度選擇要根據(jù)菌種與發(fā)酵階段做試驗(yàn)。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)酵的最適溫度是起初5小時(shí)維持在30℃；隨后降到25℃，培養(yǎng)35個(gè)小時(shí)；再降到20℃培養(yǎng)85小時(shí)；最后回升到25℃培養(yǎng)40小時(shí)放罐。采用這種變溫培養(yǎng)，在該試驗(yàn)條件下比25℃恒溫培養(yǎng)所得青霉素產(chǎn)量高14.7％。2、根據(jù)培養(yǎng)條件選擇溫度選擇還要根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。通氣條件差時(shí)可適當(dāng)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(shí)，溫度也該低些。因?yàn)闇囟雀郀I(yíng)養(yǎng)利用快，會(huì)使菌過(guò)早自溶。3、根據(jù)菌生長(zhǎng)情況菌生長(zhǎng)快，維持在較高溫度時(shí)間要短些；菌生長(zhǎng)慢，維持較高溫度時(shí)間可長(zhǎng)些。培養(yǎng)條件適宜，如營(yíng)養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長(zhǎng)。總的來(lái)說(shuō)，溫度的選擇根據(jù)菌種生長(zhǎng)階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。要通過(guò)反復(fù)實(shí)踐來(lái)定出最適溫度。pHcontrol

MostmicroorganismshavenarrowpHgrowthranges(pH5-7)ThebufferinginculturemediaisgenerallylowMetaboliteswhichreleasedintothemediumcanchangethepHpH是微生物代謝的綜合反映，又影響代謝的進(jìn)行，所以是十分重要的參數(shù)。發(fā)酵過(guò)程中pH是不斷變化的，通過(guò)觀察pH變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否一、發(fā)酵過(guò)程pH變化的原因

1、基質(zhì)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(bǔ)料的標(biāo)志之一（2）氮代謝當(dāng)氨基酸中的-NH2被利用后pH會(huì)下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降。（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會(huì)上升或下降2、產(chǎn)物形成

某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)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。

二、pH對(duì)微生物生長(zhǎng)和發(fā)酵的影響

（1）pH影響酶的活性。A．不同pH環(huán)境條件下，菌體內(nèi)酶系不同。E.coli在pH4.5-9.0范圍內(nèi)都能生長(zhǎng)。對(duì)體內(nèi)酶的形成卻有影響，pH4時(shí)體內(nèi)形成氨基酸脫羧酶，pH8時(shí)，體內(nèi)形成氨基酸脫氨酶。B．不同pH影響已形成酶的活性。pH不同，體內(nèi)酶促反應(yīng)不同，代謝產(chǎn)物不一樣，例如，黑曲霉作為檸檬酸產(chǎn)生菌，pH2-3時(shí)生成檸檬酸，pH3.0以上產(chǎn)生草酸，pH5.0時(shí)葡萄糖氧化酶活力高，容易生成葡萄糖酸。酵母菌在pH4.5-5.0時(shí)產(chǎn)生酒精。pH8.0時(shí)二分子乙醛進(jìn)行歧化反應(yīng)，生成乙酸、乙醇，同時(shí)產(chǎn)生甘油（三型發(fā)酵）。pH變化引起酶活力變化，可能是由于酶、底物或酶——底物絡(luò)合物的電離情況發(fā)生變化而造成的。（2）pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變，從而改變細(xì)胞膜的透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進(jìn)行。

原生質(zhì)膜由40%磷脂和60%蛋白質(zhì)構(gòu)成，具有膠體性質(zhì)，在一定pH值內(nèi)帶正電荷；在另一種pH值內(nèi)則帶負(fù)電荷，當(dāng)環(huán)境pH值改變，會(huì)使原生質(zhì)膜荷電性改變，引起原生質(zhì)膜對(duì)個(gè)別離子滲透性的變化，影響某些物質(zhì)的吸收和代謝物排泄，影響新陳代謝正常進(jìn)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(duì)這些物質(zhì)的利用一般物質(zhì)在水中以解離狀態(tài)而溶解，當(dāng)pH值發(fā)生改變時(shí)，物質(zhì)解離度發(fā)生改變，培養(yǎng)基或一些中間產(chǎn)物解離狀態(tài)受到影響，不利于菌體吸收利用。例如培養(yǎng)基中的有機(jī)化合物，在酸性pH中不解離，不離子化的物質(zhì)能夠滲入帶有負(fù)電荷的細(xì)胞，而在中性或堿性pH條件下呈離子化狀態(tài)，帶有負(fù)電荷的物質(zhì)，不能滲入帶負(fù)電荷的細(xì)胞內(nèi)。微生物代謝中產(chǎn)生CO2，在水中溶解生成H2CO3（碳酸），它可以離解為H+和CO32-。pH5以下CO2溶解度降低，水中CO2減少，Mg2+、Ca2+、Mo2+等離子溶解度增大，濃度增大達(dá)到對(duì)機(jī)體有害水平,pH6以上，CO2溶解度增大，F(xiàn)e2+、Mg2+、Ca2+等溶解度下降，通常以碳酸鹽、氫氧化物或磷酸鹽形式沉降下來(lái)。（4）pH影響代謝方向

pH不同，往往引起菌體代謝過(guò)程不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。例如黑曲霉在pH2~3時(shí)發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pH近中性時(shí)，則產(chǎn)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-乙酰谷氨酰胺與（1）pH影響酶的活性相關(guān)此外，發(fā)酵中pH變化還會(huì)引起ATP生產(chǎn)率減少，使細(xì)胞產(chǎn)量減少，代時(shí)增加，如葡萄糖酒精發(fā)酵，pH從7.2—5.0，每100mmol葡萄糖形成ATP從220mmol，菌體量從2.58g-1.77g，代時(shí)從2h-4h。pH還影響培養(yǎng)基的氧化還原電位（用Eh表示，代表氧化劑和還原劑的相對(duì)強(qiáng)度，（伏特計(jì)），pH值低，氧化還原電位高，pH值高，氧化還原電位低，在許多氧化還原系統(tǒng)中，每降低一個(gè)pH值Eh值增加0.06伏特，一般好氣微生物只能在Eh較高的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，相反，厭氧微生物需在氧化還原低的培養(yǎng)條件中生長(zhǎng)，Eh發(fā)生改變菌體將不能正常生活。

pH還會(huì)影響菌體形態(tài)，例如青霉菌在pH6.0時(shí)菌絲縮短，pH大于7.0時(shí)細(xì)胞呈膨脹狀態(tài)，細(xì)胞壁強(qiáng)度下降，不能忍受內(nèi)部滲透壓力，易于破裂，說(shuō)明壁的結(jié)構(gòu)成分的合成受pH影響。三、pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響

生長(zhǎng)合成pH對(duì)菌體生長(zhǎng)影響比產(chǎn)物合成影響小例青霉素：菌體生長(zhǎng)最適pH3.5~6.0,產(chǎn)物合成最適pH7.2~7.4四環(huán)素：菌體生長(zhǎng)最適pH6.0~6.8，產(chǎn)物合成最適pH5.8~6.0XpH四環(huán)素四、發(fā)酵過(guò)程中pH值的變化情況

發(fā)酵過(guò)程中pH變化，主要是由于菌體代謝作用，使加入培養(yǎng)基內(nèi)物質(zhì)變化結(jié)果，另外，產(chǎn)物形成引起pH變化。在發(fā)酵過(guò)程中，隨著微生物的生長(zhǎng)及產(chǎn)物合成不同時(shí)期，pH發(fā)生不同變化，有些變化符合微生物自身的需要，不需調(diào)節(jié)。有的變化，則必須進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到最適，以利于微生物代謝，形成更多產(chǎn)物，引起pH變化有兩種情況：一種情況是微生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生酸性或堿性產(chǎn)物，使pH下降或上升；另一種情況是培養(yǎng)基中加入酸、堿性物質(zhì)被利用后，引起pH變化。

屬于前一種情況的如：1.糖、脂肪代謝過(guò)程中，通氣不足，氧化不完全，糖中間代謝產(chǎn)物有機(jī)酸積累，脂肪酸的積累使pH下降，（如通氣條件良好，徹底氧化生成CO2和H20）。在蛋白質(zhì)（氨基酸）被分解中，當(dāng)脫氨酶活性高，氨被分解利用后生成酸使pH降低。反之，若菌體內(nèi)脫羧酶活性高，蛋白質(zhì)分解放出CO2，生成堿性胺，使pH上升。一般培養(yǎng)基C/N比高（含C較多），則發(fā)酵傾向于酸性。反之，多偏向于堿性。不同物質(zhì)被菌體分解速度不一樣，引起pH變化也不同，如灰黃霉素發(fā)酵以乳糖作基礎(chǔ)培養(yǎng)基的碳源，利用緩慢，丙酮酸積累少，pH能維持在6——7之間，有利于產(chǎn)物合成，如果以葡萄糖作碳源，丙酮酸迅速積累，pH下降到3.5，灰黃霉素產(chǎn)量極低。2.生理酸性鹽和生理堿性鹽的影響。

銨鹽、常用的硫酸鹽，當(dāng)被利用后，剩下硫酸根使pH下降，NH3被利用，SO42-留下，生理堿性鹽，如NaNO3,KNO3。在檸檬酸發(fā)酵中隨著培養(yǎng)液中糖被轉(zhuǎn)換成檸檬酸，pH下降。五、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(duì)產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響pH對(duì)海藻糖水解酶產(chǎn)生的影響pH——菌濃

pH——酶活pH對(duì)谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶活力的影響HowtomaintainoptimumpH?Additionofbase(NaOH)oracid(HCl)Additionofphysiologicalacidsubstance((NH4)2SO4)orphysiologicalalkalisubstance(ammoniumhydroxide)六、pH的控制

1、調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH?；A(chǔ)料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須調(diào)節(jié)pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要調(diào)到6.5~6.82、在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)，如CaCO3，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等3、通過(guò)補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH，在發(fā)酵過(guò)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)采用補(bǔ)料調(diào)pH。4、當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH。pH?殘?zhí)橇?殘氮?菌絲濃度?A：pH偏高，殘?zhí)橇坎桓撸z濃度不稠，可以加葡萄糖使pH降低。B：pH高，殘?zhí)橇扛?，菌絲濃度不稠，添加玉米漿或硫銨。玉米漿中氨基酸脫氨基后剩下有機(jī)酸，使pH降低。C：pH低，殘氨量不高，菌絲不稠，加氨水或尿素調(diào)節(jié)。D：pH低，菌絲濃度較稠，加CaCO3，既使pH上升，又不使菌絲過(guò)多生長(zhǎng)。一般當(dāng)菌絲較老、較小時(shí)，可用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)調(diào)節(jié)，而當(dāng)菌絲多，菌齡小時(shí)，不適于用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)調(diào)節(jié)。pH控制是一項(xiàng)非常細(xì)致的工作，不僅考慮最佳pH值，而且要根據(jù)生長(zhǎng)階段考察對(duì)pH的要求。在pH控制中還要采用合適的調(diào)節(jié)方法。總結(jié)1、Howtogetanidealstrainforfermentationindustry?2、DEvalue3、簡(jiǎn)述淀粉酶水解過(guò)程4、Comparethethreemethodstoproduceglucosefromstarch。Q:Inmanyfermentationfactories,ureaorammoniawaterisoftenusedasafed-batchsubstance,what’sthefunctionofit?AdjustingpHofmediaUsingasanitrogensource

Dissolvedoxygen(DO）Control

MostindustrialfermentationsareaerobicprocessesSupplyingoxygentoaerobiccells

hasaproblem：oxygenispoorlysolubleinwater(8mg/Lat4oC,sucroseissolubleto600g/L)Oxygensupplyingistheratelimitingstepinanaerobicfermentation

溶氧(DO)是需氧微生物生長(zhǎng)所必需。在發(fā)酵過(guò)程中有多方面的限制因素，而溶氧往往最易成為限制因素。一、微生物對(duì)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(qiáng)度（QO2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

攝氧率(r)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。r=QO2.XX：發(fā)酵液中菌體濃度（g/L）

2、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響CCr（C臨界）:

臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度，單位為每升發(fā)酵液中氧的mmol數(shù)，即mmolO2/L。。QO2CLCCr一般對(duì)于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%產(chǎn)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/臨界溶氧濃度所以對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過(guò)程中氧飽和度>1.Theminimumconcentrationofoxygenwhichhasbeensubmergedinwater,whereoxygenisthelimitingfactortothegrowthofthemicrobes.Criticaldissolvedoxygenconcentration3、影響需氧的因素r=QO2.X菌體濃度QO2遺傳因素菌齡營(yíng)養(yǎng)的成分與濃度有害物質(zhì)的積累培養(yǎng)條件二、反應(yīng)器中氧的傳遞1、發(fā)酵液中氧的傳遞方程CCiPPi氣膜液膜N=Kg（P-Pi）=Kl（Ci-C）N：傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質(zhì)系數(shù)kmol/m2.h.atmKl:液膜傳質(zhì)系數(shù)m/h雙膜理論建立在假設(shè)之上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(dòng)力的總傳遞系數(shù)(m/h)再令：?jiǎn)挝惑w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(dòng)力的體積溶氧系數(shù)，h-1

反映了設(shè)備的供氧能力

Nv＝KLa

(C*-C)

N＝KL

(C*-C)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(gè)動(dòng)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Nv＝r

Nv＝KLa

(C*-C)Theobjectiveistomaintaintheoptimaldissolvedoxygenconcentrationaboveacriticalconcentrationtoavoidinhibitionofthecellgrowthrateduetolackofoxygen.發(fā)酵過(guò)程的控制一般策略：前期有利于菌體生長(zhǎng)，中后期有利于產(chǎn)物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于臨界溶氧濃度，中后期滿足產(chǎn)物的形成。三、發(fā)酵過(guò)程中溶氧的控制1、供氧的調(diào)節(jié)C有一定的工藝要求，所以可以通過(guò)KLa和C*來(lái)調(diào)節(jié)其中C*＝P/HNvHPKLa

Nv＝KLa

(C*-C)調(diào)節(jié)KLa是最常用的方法，KLa反映了設(shè)備的供氧能力，一般來(lái)講大罐比小罐要好。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1A、改變通氣速率其作用是增加液體中夾持氣體體積的平均成分。但在常速攪拌下增加通氣速率以提高氧傳遞速率是一種遞減性的，即當(dāng)氣流速度越大，再增加其速度對(duì)氧的溶解度的提高作用越小。并且當(dāng)系統(tǒng)被氣流引起液泛時(shí)，傳質(zhì)速率會(huì)顯著下降，使泡沫增多，罐的有效利用率減小。故還是采用控制攪拌效果較佳。增加攪拌的重要作用在于改善罐內(nèi)液體的混合和循環(huán)，從而具有抑制氣泡聚合的效果。并且液相的良好混合可避免低于平均氧濃度的“死角”的存在。B、改變攪拌轉(zhuǎn)速a、把從空氣管道引入發(fā)酵罐的空氣打成細(xì)泡，增加氣液接觸面積“a”，也即增加氧的傳遞面積；

b、使液體形成渦流，從而延長(zhǎng)氣泡在液體中的停留時(shí)間；c、增加液體的湍流程度，降低氣泡周圍的液膜阻力和液體主流中的流體阻力，從而增大KLa值。d、減少菌絲結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。降低細(xì)胞壁表面的液膜阻力，改善細(xì)胞對(duì)氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時(shí)降低細(xì)胞周圍的“廢物‘和“廢氣”的濃度，有利于微生物的代謝.但是過(guò)高的攪拌速度不但浪費(fèi)動(dòng)力，還會(huì)損傷菌體，引起自溶和造成減產(chǎn)等。實(shí)際上：對(duì)于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時(shí)是有限度的通風(fēng)的增加也是有限的蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走2、需氧的調(diào)節(jié)菌的需氧量以下式表示：r=QO2.X養(yǎng)料的豐富程度：營(yíng)養(yǎng)豐富，濃度高，菌體生長(zhǎng)快，耗氧量大。溫度的影響：在最適條件下發(fā)酵，耗氧快發(fā)酵液的理化性質(zhì)傳氧中間介質(zhì)的加入3、溶氧控制的實(shí)例GAXDO谷氨酸發(fā)酵：要求：氧飽和度>1控制：0-12小時(shí)小通風(fēng)12小時(shí)后增加通風(fēng)原因：0-12小時(shí)菌體量較小，采用小通風(fēng)12

一般