1、1第七章 發(fā)酵過(guò)程的控制2主要的控制參數(shù)n1、pH值（酸堿度）n2、溫度n3、溶解氧濃度n4、基質(zhì)含量n5、空氣流量n6、壓力n7、攪拌轉(zhuǎn)速n8、攪拌功率n9、黏度n10、濁度n11、料液流量n12、產(chǎn)物的濃度n13、氧化還原電位n14、廢氣中的氧含量n15、廢氣中的CO 2含量n16、菌絲形態(tài)n17、菌體濃度3 第一節(jié) 溫 度 控 制n一、發(fā)酵熱n伴隨發(fā)酵的進(jìn)行而產(chǎn)生的熱量叫發(fā)酵熱 n1、生物熱n微生物在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中，本身產(chǎn)生的熱n2、攪拌熱n Q攪拌=P 3061（kJ/h）4n3、蒸發(fā)熱nQ蒸發(fā)=qm（H出-H進(jìn)）， qm ：空氣流量；I：氣體熱焓；n4、輻射熱nQ發(fā)酵 = Q生物 +

2、 Q攪拌 - Q蒸發(fā) - Q輻射5n二、發(fā)酵熱的測(cè)量及計(jì)算n發(fā)酵熱的測(cè)定可采用以下幾種方法：n利用熱交換原理，測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度，根據(jù)n Q發(fā)酵 = qvC（t2 t1）/V； qv為冷卻水體積流量，L/h；C為水的比熱容，kJ/kg ；V為發(fā)酵液體積，m36n利用溫度變化率：先使罐溫恒定，再關(guān)閉自控裝置，測(cè)量溫度隨時(shí)間上升的速率，根據(jù)nQ發(fā)酵 = （M1C1 + M2C2）V；nM1：發(fā)酵液質(zhì)量 kg M2：發(fā)酵罐質(zhì)量kgnC1 發(fā)酵液的比熱容，kJ/kg C2 發(fā)酵罐的比熱容， kJ/kg V為溫度上升速率/hn熱力學(xué)方法：反應(yīng)物產(chǎn)物000ffHHH7n三、溫度對(duì)

3、微生物生長(zhǎng)的影響 不同微生物的生長(zhǎng)對(duì)溫度的要求不同，根據(jù)它們對(duì)溫度的要求大致可分為四類(lèi)： 嗜冷菌適應(yīng)于026生長(zhǎng)，嗜溫菌適應(yīng)于1543 生長(zhǎng)，嗜熱菌適應(yīng)于3765 生長(zhǎng)，嗜高溫菌適應(yīng)于65 以上生長(zhǎng) 8n影響酶的活性、影響細(xì)胞內(nèi)各種反應(yīng)速度n最低生長(zhǎng)溫度、最高生長(zhǎng)溫度、最適生長(zhǎng)溫度n在最適范圍內(nèi)生長(zhǎng)速度隨溫度升高而增加，生長(zhǎng)周期縮短n不同生長(zhǎng)階段的微生物對(duì)溫度的反應(yīng)不同9n四、溫度對(duì)發(fā)酵的影響n(yōu)1、影響反應(yīng)速度n2、溫度影響酶系的組成及酶的特性10n3、溫度影響發(fā)酵的方向 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

4、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。 4、溫度還影響基質(zhì)溶解度 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。11n五、最適溫度的控制1、根據(jù)菌種及生長(zhǎng)階段來(lái)選擇n微生物種類(lèi)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。n如黑曲霉生長(zhǎng)溫度為37，n谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長(zhǎng)溫度為3032 ，n青霉菌生長(zhǎng)溫度為30 。12n2、根據(jù)培養(yǎng)條件選擇、根據(jù)培養(yǎng)條件選擇n溫度選擇還要根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。n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。n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)

5、使菌過(guò)早自溶。13n3、根據(jù)菌生長(zhǎng)情況、根據(jù)菌生長(zhǎng)情況n 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(mǎn)足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長(zhǎng)。n 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14例子：利用熱沖擊處理技術(shù)來(lái)提高甘油的產(chǎn)量n背景：n（1）酵母在比常規(guī)發(fā)酵溫度髙1020的溫度下經(jīng)受一段時(shí)間刺激后，胞內(nèi)海藻糖的含量顯著增加。n（2）Lewis發(fā)現(xiàn)熱沖擊能提高細(xì)胞對(duì)鹽滲透壓的耐受力n（3）Toshiro發(fā)現(xiàn)熱沖擊可使胞內(nèi)3磷酸甘油脫氫酶的活力提高1525，并導(dǎo)致甘油產(chǎn)量提高15n實(shí)驗(yàn)：甘油

6、發(fā)酵是在髙滲透壓環(huán)境中進(jìn)行的，因此可望通過(guò)熱沖擊來(lái)提高發(fā)酵甘油的產(chǎn)量n正交條件A 沖擊溫度 （ ） 40，45，50n B 開(kāi)始時(shí)機(jī)（h） 8，16，30n C 沖擊時(shí)間（分） 15，30，60n結(jié)果發(fā)酵16小時(shí)，45沖擊30分鐘最佳，發(fā)酵96小時(shí)后甘油濃度提高32.6，n（A）16h,45,30minn（B）12h,45,30min161718 第二節(jié) pH 值 的 控制n一、pH值對(duì)菌體生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物合成的影響n(yōu)菌種不同，對(duì)pH要求不同n菌種相同，pH不同，形成的產(chǎn)物不同n菌種生成和發(fā)酵的最適pH不同，形成的產(chǎn)物不同19pH對(duì)微生物生長(zhǎng)繁殖和代謝產(chǎn)物形成影響的主要原因：1、影響原生質(zhì)膜的性

7、質(zhì)2、影響酶的活性3、影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的解離20n二、影響pH值變化的因素n1、基質(zhì)代謝n（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n（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，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用pH上升。n（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會(huì)上升或下降21 2、產(chǎn)物形成 n 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(lèi)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。n3、菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。22n三、發(fā)酵過(guò)程p

8、H值的調(diào)節(jié)及控制n1、調(diào)整培養(yǎng)基的組分n2、在發(fā)酵過(guò)程中進(jìn)行控制n添加CaCO3： n氨水流加法 n尿素流加法 n3、通過(guò)補(bǔ)料調(diào)pHn4、當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH23例：例： 配制不同初始配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況的培養(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對(duì)產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響24例子：不同調(diào)例子：不同調(diào)pH方法的影響方法的影響n(yōu)分別在分別在4種緩沖介質(zhì)中，于種緩沖介質(zhì)中，于pH 650一一950測(cè)定天冬酰胺酶測(cè)定天冬酰胺酶酶活力酶活力n1 甘氨酸介質(zhì)甘氨酸介質(zhì)pH 8.00時(shí)酶活力時(shí)酶活力最高；最高；n2 硼酸在硼酸在pH 8.50，酶反應(yīng)最快，酶反應(yīng)

9、最快n3 磷酸在磷酸在pH 8.50，酶反應(yīng)最快，酶反應(yīng)最快n4 Tris在在pH 8.50，酶反應(yīng)最快，酶反應(yīng)最快n酶活酶活124325 不同pH控制方式對(duì)目的突變株ISw330異亮氨酸搖瓶發(fā)酵的影響，結(jié)果如圖所示。 “1”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(lián)合控制pH值。異亮氨酸發(fā)酵異亮氨酸發(fā)酵26 不同pH值對(duì)菌體的形態(tài)影響很大，當(dāng)pH值高于75時(shí)，菌體易于老化，呈現(xiàn)球狀；當(dāng)pH值低于65時(shí)菌體同樣受抑制，易于老化。而在72左右時(shí)，菌體是處于產(chǎn)酸期，呈現(xiàn)長(zhǎng)的橢圓形；在69左右時(shí)，菌體處于生長(zhǎng)期，呈“八”字形狀并占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。2728 pH6

10、9時(shí)，菌體生長(zhǎng)旺盛，pH7.15時(shí)，對(duì)菌體的產(chǎn)酸有利。因此，在發(fā)酵的產(chǎn)酸期產(chǎn)酸較高。采用階段pH控制模式進(jìn)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(chǎn)率22.27g/L，產(chǎn)酸率提高12.23。29 第 三 節(jié) 泡 沫 的 控 制n一、泡沫的性質(zhì)n1、泡沫產(chǎn)生n通氣攪拌；微生物代謝產(chǎn)生n2、泡沫帶來(lái)的危害n減少發(fā)酵的有效容積n液體溢出，增加染菌機(jī)會(huì)n降低菌體利用率n影響通氣攪拌 30n3、泡沫的性質(zhì)n 泡沫實(shí)際上是氣溶膠構(gòu)成的膠體系統(tǒng)，其分散相是空氣和代謝氣，連續(xù)相是發(fā)酵液，泡沫間隔著一層液膜而被彼此分開(kāi)不相連通。31n二、發(fā)酵過(guò)程泡沫的變化n1

11、、通氣和攪拌的影響n(yōu)2、培養(yǎng)基組成的影響n(yōu)3、菌體的影響n(yōu)三、化學(xué)消泡n優(yōu)點(diǎn)：來(lái)源廣泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制n1、化學(xué)消泡機(jī)理n 消泡劑表面張力低，使氣泡膜局部的表面張力降低，使得平衡受到破壞32n2、消泡劑選擇的依據(jù)及常用的消泡劑種類(lèi)n（1）選用依據(jù)：n表面活性劑n對(duì)氣-液界面的散布系數(shù)必須足夠大n無(wú)毒害性，且不影響發(fā)酵菌體；n不干擾各種測(cè)量?jī)x表的使用；n在水中的溶解度較小n來(lái)源方便，成本低33n（2）消泡劑種類(lèi)：n天然油脂；n高碳醇、脂肪酸和酯類(lèi)；n聚醚類(lèi)；n硅酮類(lèi)；n3、消泡劑的應(yīng)用和增效作用n消泡劑 + 載體n復(fù)合消泡劑n消泡劑 + 乳化劑34n四、機(jī)械消

12、泡n 1、消泡機(jī)理n 靠機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)、壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收n2、優(yōu)點(diǎn)n節(jié)省原料，減少由于消泡劑所引起的污染機(jī)會(huì)n3、缺點(diǎn)n需要一定的設(shè)備和消耗一定的動(dòng)力n不能從根本上消除引起泡沫溫定的因素35n4、機(jī)械消泡裝置的選擇依據(jù)n動(dòng)力小；n結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；n易清潔；n運(yùn)行可靠；n維護(hù)費(fèi)用低；36n5、消泡方式n（1）罐內(nèi)消泡n耙式消泡漿的機(jī)械消泡37n旋轉(zhuǎn)圓板式的機(jī)械消泡38n流體吹入式消泡39n氣體吹入管內(nèi)吸引消泡40n沖擊反射板消泡41n超聲波消泡42n碟片式消泡器的機(jī)械消泡43n（2）罐外消泡n旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡44n噴霧消泡45n離心力消泡46n旋風(fēng)分離器

13、消泡47n轉(zhuǎn)向板消泡48 第 四 節(jié) 補(bǔ) 料 的 控 制n補(bǔ)料培養(yǎng)（fedbatch culture，F(xiàn)BC）的優(yōu)點(diǎn):n1、可以解除底物抑止、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻遏n2、減少細(xì)胞對(duì)發(fā)酵液流變學(xué)的影響n(yōu)3、控制細(xì)胞質(zhì)量的手段n4、理論研究的手段，為自動(dòng)控制和最優(yōu)控制提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)49n一、FBC的作用n1、可以控制抑制性底物的濃度n2、可以解除或減弱分解代謝物的阻遏n3、可以使發(fā)酵過(guò)程最佳化50n二、補(bǔ)料的內(nèi)容n（1）補(bǔ)充微生物能源和碳源n（2）補(bǔ)充菌體所需要的氮源n（3）加入某些微生物生長(zhǎng)或合成所需要的微量元素或無(wú)機(jī)鹽n（4）加入某些誘導(dǎo)酶的作用底物51n三、補(bǔ)料的原則n1、根據(jù)菌體本身

14、的遺傳特性、生長(zhǎng)代謝規(guī)律n2、根據(jù)生產(chǎn)需要n四、補(bǔ)糖的控制n1、補(bǔ)糖的時(shí)間n與培養(yǎng)基中的碳源種類(lèi)、用量、消耗速度、前期發(fā)酵條件、菌種特性、種子質(zhì)量等有關(guān)n2、補(bǔ)糖的方式和控制指標(biāo)52n例：n方式A：12h補(bǔ)加 方式B：24h補(bǔ)加n方式C：12h開(kāi)始，間隔8h 分4次補(bǔ)加n方式D：12h開(kāi)始，間隔4h，分8次補(bǔ)加53n五、補(bǔ)充氮源和無(wú)機(jī)鹽n方式A：發(fā)酵24h，一次性補(bǔ)充酵母粉 0.3gn方式B：于12h、24h、36h分次補(bǔ)加0.1n方式C：從12h后，每隔4h補(bǔ)加，共8次n方式D：從24h后，每隔4h補(bǔ)加，共6次54n在發(fā)酵30h，一次性加入0.1%、0.2、0.3、0.4的次黃嘌呤對(duì)鳥(niǎo)苷產(chǎn)量的影響55第五節(jié) 菌體濃度與基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響n(yōu)一、菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響n(yōu)菌體濃度與菌體生長(zhǎng)速率直接相關(guān)n菌體濃度的大小影響產(chǎn)物的得率n 控制培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量來(lái)控制菌體濃度56n二、基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響及控制n1、碳源對(duì)發(fā)酵的影響及控制n 不同碳源對(duì)毛霉產(chǎn)蛋白酶的影響57n不同濃度麥芽糖對(duì)產(chǎn)酶的影響0200400600800100012001400空 白0.20%0.50%1%2%麥 芽 糖 濃 度酶活（u/g）中 性 條 件 下 酶 活堿 性 條 件 下 酶 活58n2、