发酵过程中工艺参数的检测和控制.ppt

第七章第七章发酵过程中工艺参数的发酵过程中工艺参数的检测和控制检测和控制发酵涉及到微生物学、生物化学及发发酵涉及到微生物学、生物化学及发酵工艺学知识。要想获得高产，对生酵工艺学知识。要想获得高产，对生产菌的生活规律要充分了解。除了生产菌的生活规律要充分了解。除了生产经验外，还需要科学的检测手段。产经验外，还需要科学的检测手段。第第一节一节工业发酵的重要类型工业发酵的重要类型第二节第二节发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数第三节第三节菌体及基质浓度对发酵的菌体及基质浓度对发酵的影响及影响及控制控制第四节第四节溶氧的浓度对发酵的影响及控制溶氧的浓度对发酵的影响及控制第五节第五节pH对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制第七章第七章发酵工艺控制发酵工艺控制第六节第六节温度对发酵的影响及控制温度对发酵的影响及控制第七节第七节二氧化碳对发酵的影响及控制二氧化碳对发酵的影响及控制第八节第八节补料及泡沫对发酵的影响及控制补料及泡沫对发酵的影响及控制第九节第九节工业发酵染菌的防治工业发酵染菌的防治第十节第十节发酵终点的判断发酵终点的判断第一节第一节工业发酵的主要类型工业发酵的主要类型一、按投料方式分一、按投料方式分微生物培养有三种方式，微生物培养有三种方式，分批、连续培养分批、连续培养和分批补料。和分批补料。二、按菌体生长与产物形成关系分二、按菌体生长与产物形成关系分微生物发酵过程中的动力学类型微生物发酵过程中的动力学类型类型类型I、类型、类型II、类型、类型III第一节第一节工业发酵的主要类型工业发酵的主要类型分批发酵法分批发酵法(batchfermentation)分批发酵又称分批培养，发酵工分批发酵又称分批培养，发酵工业中常见的分批发酵方法是采用单罐业中常见的分批发酵方法是采用单罐深层分批发酵法。每一个分批发酵过深层分批发酵法。每一个分批发酵过程都经历接种、生长繁殖、菌体衰老程都经历接种、生长繁殖、菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。进而结束发酵，最终提取出产物。第一节第一节工业发酵的主要类型工业发酵的主要类型（二）（二）连续发酵法连续发酵法(continuousfermentation)在发酵罐中一方面以一定速度连续不在发酵罐中一方面以一定速度连续不断地流加新鲜液体培养基，另一方面又以断地流加新鲜液体培养基，另一方面又以同样的速度连续不断地将发酵液排出，使同样的速度连续不断地将发酵液排出，使发酵罐中的菌体进行连续生长和发酵。发酵罐中的菌体进行连续生长和发酵。Flash1第一节第一节工业发酵的主要类型工业发酵的主要类型（三）（三）补料分批发酵法补料分批发酵法(fed-batchfermentation)补料分批发酵又称半连续发酵，是指补料分批发酵又称半连续发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。与传统分批发酵相鲜培养基的培养方法。与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。基质浓度。第一节第一节工业发酵的主要类型工业发酵的主要类型二、按菌体生长与产物形成关系分二、按菌体生长与产物形成关系分微生物发酵过程中的动力学类型微生物发酵过程中的动力学类型类型类型I、类型、类型II、类型、类型III微生物发酵过程中的动力学类型微生物发酵过程中的动力学类型比比速速率率：是是1克克细细胞胞每每小小时时形形成成产产物物的的克克数数或或每每克克细细胞胞每每小小时时利利用用糖糖的的克克数数（）或或每每克克细细胞胞每每小小时时繁殖细胞的克数。繁殖细胞的克数。类型类型I：菌体的生长、碳源的利用菌体的生长、碳源的利用与产物形成的比速率曲线均有一个与产物形成的比速率曲线均有一个高峰，且高峰基本上在相同的时间高峰，且高峰基本上在相同的时间出现。如出现。如单细胞蛋白单细胞蛋白生产等。生产等。类型类型II：可粗略的分为两个节段，可粗略的分为两个节段，在发酵的第一期菌体迅速生长，在发酵的第一期菌体迅速生长，产物形成很少或全无，在第二个产物形成很少或全无，在第二个阶段产物高速形成，菌体生长和阶段产物高速形成，菌体生长和糖耗也相应增加。如糖耗也相应增加。如柠檬酸柠檬酸和某和某些些氨基酸氨基酸发酵。发酵。类型类型III：生长和产物是来自两个代：生长和产物是来自两个代谢途径，而不是来自分解代谢途径，谢途径，而不是来自分解代谢途径，在基质消耗和菌体生长之后，菌体利在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应来形成产物，也就是，用中间代谢反应来形成产物，也就是，初级代谢和产物形成是完全分开的，初级代谢和产物形成是完全分开的，如许多如许多抗生素抗生素发酵。发酵。Flash2第第二节、二节、发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数工厂设备越先进，产品附加值越高，检测的参数就越工厂设备越先进，产品附加值越高，检测的参数就越多。但工厂生产讲究越简单越好。发酵控制一般分为物理、多。但工厂生产讲究越简单越好。发酵控制一般分为物理、化学、生物三类。化学、生物三类。一、物理参数一、物理参数1温度：温度：最适生长温度，它与酶反应速最适生长温度，它与酶反应速率，氧的溶解、产物合成都有关。率，氧的溶解、产物合成都有关。如四如四环素生产菌在环素生产菌在30时合成金霉素，时合成金霉素，35时，时，只产生四环素，合成方向会改变。只产生四环素，合成方向会改变。生长生长温度与合成温度不同。如青霉素，生长温度与合成温度不同。如青霉素，生长30，合成，合成24.7。2压力压力（Pa，帕斯卡）。，帕斯卡）。98070Pa=1Kg/cm21Mpa103Kpa=106Pa。灭菌压力灭菌压力1Kg/cm2。发酵罐压一般为发酵罐压一般为。3搅拌转速搅拌转速（r/min）。）。罐体积罐体积转速（转速（r/min）通风量（通风量（m3/m3.min）50L5501：50000L1101：一般来说，假如小罐与大罐的几何相同。但为什么转速会相一般来说，假如小罐与大罐的几何相同。但为什么转速会相差这么大？原因大罐气液接触时间长，氧的溶解率高，搅拌差这么大？原因大罐气液接触时间长，氧的溶解率高，搅拌和通气均可小些，和通气均可小些，一、物理参数一、物理参数4搅拌功率搅拌功率（KW）P/VKW/m3生产上：一般用瓦特计直接测量电动机的生产上：一般用瓦特计直接测量电动机的耗用功率，从中减去各项传动摩擦所损耗耗用功率，从中减去各项传动摩擦所损耗的功率。对小罐，误差较大。用电阻应变的功率。对小罐，误差较大。用电阻应变式动力计测量。式动力计测量。一、物理参数5通气量通气量（V/V.min）气体流量用转子流量计测量。用气体流量用转子流量计测量。用m3/m3.min，指每分钟每立方米发酵液通进指每分钟每立方米发酵液通进1立方立方米空气，米空气，用用11表示表示。如柠檬酸如柠檬酸1，而青霉素，而青霉素11。6粘度粘度Pas(秒）秒）Pa=1N/m m2 2是细胞生长和细胞形态的一项标志，它是细胞生长和细胞形态的一项标志，它的大小可改变氧传递的阻力，又可表示的大小可改变氧传递的阻力，又可表示相对菌体的浓度。相对菌体的浓度。7浊度：浊度：反映单细胞生长状况反映单细胞生长状况的参数。如大肠杆菌，用光密度的参数。如大肠杆菌，用光密度650nm上检测或计数板计数。上检测或计数板计数。8料液流量料液流量（L/min）这这是控制流体进料的参数。是控制流体进料的参数。二、二、化学参数化学参数1PH：发酵过程中产酸或产碱的发酵过程中产酸或产碱的生化反应的综合结果。细菌是多少生化反应的综合结果。细菌是多少？酵母、霉菌、放线菌？酵母、霉菌、放线菌？二、化学参数2基质浓度基质浓度：指营养成分的浓度，：指营养成分的浓度，发酵过程中必须定时测定还原糖，发酵过程中必须定时测定还原糖，总糖，磷酸盐、氮（氨基酸或氨氮）总糖，磷酸盐、氮（氨基酸或氨氮）等基质的浓度。等基质的浓度。二、化学参数3溶解氧浓度溶解氧浓度：mmol/L,mg/L,ppm或用或用%（指饱和浓度的百分数）（指饱和浓度的百分数）表示。利用它的变化可了解生产菌表示。利用它的变化可了解生产菌对氧利用的规律也能反映发酵的异对氧利用的规律也能反映发酵的异常情况。科研上用于检测设备供氧常情况。科研上用于检测设备供氧能力的指标。能力的指标。二、化学参数5产物的浓度产物的浓度：ug/ml，生产中合，生产中合成期产物的浓度需要测定，如柠檬成期产物的浓度需要测定，如柠檬酸生产用酸生产用NaOH滴定，抗生素用抑滴定，抗生素用抑菌圈大小测定。菌圈大小测定。二、化学参数6废气中氧和二氧化碳的浓度废气中氧和二氧化碳的浓度：用顺磁氧分析仪测定氧气的浓度，用顺磁氧分析仪测定氧气的浓度，用红外二氧化碳分析仪测定二氧化用红外二氧化碳分析仪测定二氧化碳浓度，如氧气减少和二氧化碳增碳浓度，如氧气减少和二氧化碳增加表明是好氧代谢的结果。加表明是好氧代谢的结果。三、生物参数1.菌丝形态菌丝形态：观察菌丝形态是生产：观察菌丝形态是生产中最常用的方法。每隔中最常用的方法。每隔8小时镜检，小时镜检，能及时发现异常染菌。如青霉素生能及时发现异常染菌。如青霉素生产，生产菌生长分为产，生产菌生长分为I.孢子发芽，孢子发芽，II.菌丝增殖，菌丝增殖，III.菌丝分枝旺盛，菌丝分枝旺盛，出现脂肪颗粒，出现脂肪颗粒，IV.菌丝生长减缓，菌丝生长减缓，细胞内出现小气泡，细胞内出现小气泡，V.气泡增大，气泡增大，颗粒消失，产物形成，颗粒消失，产物形成，VI.气泡延伸气泡延伸，菌丝自溶。，菌丝自溶。2.菌体浓度菌体浓度：测定方法有三种：测定方法有三种：A.湿重法湿重法：量：量100ml发酵液，进行过滤，发酵液，进行过滤，滤后菌体用水洗净，然后用吸水纸将水分滤后菌体用水洗净，然后用吸水纸将水分挤干，直接称量。挤干，直接称量。B.干重法干重法：上述步骤菌丝放：上述步骤菌丝放85烘干烘干至恒重。至恒重。C.体积法体积法：取样品：取样品10ml放于刻度离放于刻度离心管内，用转速为心管内，用转速为3000转转/分离分离10min，计算计算%（V/V）。固体原料）。固体原料也在其中，但如培养基组成不变条件也在其中，但如培养基组成不变条件下，具有相对准确性。下，具有相对准确性。第三节第三节菌体及基质浓度对发酵的影响及菌体及基质浓度对发酵的影响及控制控制3.1菌体浓度菌体浓度对对初初级级产产品品来来说说，菌菌浓浓愈愈大大，产产量量愈愈高高，但但菌菌浓浓符符合生长曲线。象柠檬酸生产由糖转化成酸。合生长曲线。象柠檬酸生产由糖转化成酸。次次级级产产品品如如菌菌浓浓过过大大，由由于于代代谢谢产产物物的的积积累累，会会影影响响产产量量。因因其其产产品品与与原原料料并并非非对对应应（或或底底物物抑抑制制，分介产物抑制等）。分介产物抑制等）。C源源，青霉素生产中葡萄糖和青霉素生产中葡萄糖和乳糖利用。因此工业上培养基中乳糖利用。因此工业上培养基中含有迅速和缓慢利用的混合含有迅速和缓慢利用的混合C源。源。如为聚合物，利用缓慢。如为聚合物，利用缓慢。3.2基质浓度基质浓度N源源，也有迅速利用和缓慢利用，也有迅速利用和缓慢利用，前者有氨基酸、硫酸铵、尿素和玉前者有氨基酸、硫酸铵、尿素和玉米浆，后者有黄豆饼粉、花生、棉米浆，后者有黄豆饼粉、花生、棉子饼粉等蛋白质。前者菌生长快，子饼粉等蛋白质。前者菌生长快，但产量低，选用快、慢混合氮源很但产量低，选用快、慢混合氮源很重要。生产上可补加有机或无机氮重要。生产上可补加有机或无机氮源。源。3.2基质浓度基质浓度磷磷酸酸盐盐：P是是核核酸酸，许许多多辅辅酶酶，ATP，组组成成部分，部分，P对微生物生长、代谢有重要作用。对微生物生长、代谢有重要作用。工工业业多多以以供供应应KH2PO4、K2HPO4为为磷磷源源，配配料料时时，KH2PO4计计算算，每每克克KH2PO4理理论论磷磷含含量量 227毫毫 克克，如如 将将 其其 溶溶 在在 1L水水 中中，就就 是是227ppm。用用链链霉霉菌菌生生产产四四环环素素时时，菌菌体体生生长长最适磷为最适磷为65-70ppm，合成为，合成为25-30ppm。测测定定方方法法：磷磷与与钼钼酸酸铵铵（NH4）2M0O4作作用用，生生成成磷磷钼钼酸酸铵铵，在在酸酸性性条条件件下下，用用VC还还原原，生成钼蓝，然后比色。生成钼蓝，然后比色。基质浓度的控制基质浓度的控制分分批批补补料料培培养养（fed-batch culture,简简称称FBC），是是指指在在分分批批培培养养过过程程中中，间间歇歇和和连连续续地地补补加加一一种种或或多多种种成成分分的的新新鲜鲜培培养养基基的的培培养养方方法法。有有报报道道四四环环素素发发酵酵不不补补料料的的话话，培培养养72-96h，发发酵酵单单位位5500-7000单单位位/mL，而而补补糖糖的的批批号号，发发酵酵周周期期延延长长到到120-130h，单位提高到，单位提高到10000-12000u/ml。避免一次投料，菌丝生长过盛。避免一次投料，菌丝生长过盛。延长次级代谢产物的分泌期，延长次级代谢产物的分泌期，提高产量。提高产量。v中间补料的机理中间补料的机理vFBC的内容的内容补补碳碳源源、氮氮源源（无无机机和和有有机机），如如蛋蛋白胨、玉米浆、硫酸铵、尿素。白胨、玉米浆、硫酸铵、尿素。无机盐，微量元素，前体和促进剂。无机盐，微量元素，前体和促进剂。补补全全料料和和补补水水，总总之之视视情情况况不不同同，补补单项还是全部。单项还是全部。v补料的时间和方式补料的时间和方式补补料料的的时时间间很很重重要要，有有人人研研究究加加糖糖时时间间对对四四环素发酵单位的影响。环素发酵单位的影响。接种接种20h45h62h产量产量6000u/ml10000u/ml5000u/ml一一般般认认为为，过过早早补补糖糖，可可能能刺刺激激菌菌丝丝生生成成，加加速速糖糖的的利利用用，过过迟迟补补糖糖，可可能能菌菌丝丝的的内内在在质质量量已已受受到到一一定定损损害害，补补糖糖只只是是干干扰扰代代谢并不能提高产量。谢并不能提高产量。v补料的时间和方式补料的时间和方式补料的方式：补料的方式：小量间隙多次补入。小量间隙多次补入。小量连续滴加补入。小量连续滴加补入。大量多次补入或大量少次补入等。大量多次补入或大量少次补入等。补料的实例补料的实例:如庆大霉素生产，大罐如庆大霉素生产，大罐总体积总体积20吨，第一次装料吨，第一次装料7吨，接种吨，接种后后15h一次性补一次性补5吨，然后在吨，然后在30-60h中中小量间隙多次小量间隙多次补入补入6吨料（吨料（全料全料），），视生长情况决定是否在视生长情况决定是否在80h补适量水。补适量水。总周期总周期120-130h。一、一、溶氧的浓度对发酵的影响溶氧的浓度对发酵的影响微生物对氧的需求：微生物对氧的需求：1、C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量能量从分子式看出，从分子式看出，180g葡萄糖完全氧化需葡萄糖完全氧化需190克克O2。2、构成细胞成分含有氧，如酵母细胞元素组成、构成细胞成分含有氧，如酵母细胞元素组成为为C3.95NO。第四节第四节溶氧的浓度对发酵的影响及控制溶氧的浓度对发酵的影响及控制O2在在水水中中的的溶溶解解度度很很低低。如如在在25，1个个大大气气压压下下O2溶溶解解在在水水中中的的量量为为，或或。而而微微生生物物需需氧氧量量20，正正常常情情况况下下，只只能能维维持持2050秒秒钟钟,水水中中氧氧消耗完。消耗完。怎怎么么供供氧氧呢呢？用用纯纯O2输输入入发发酵酵罐罐，效效果果好好，但但O2在在水水中中的的溶溶解解度度较较低低，大大多多跑跑了了，成成本本高高，没没有实用价值。有实用价值。返回基本概念：基本概念：1、微生物摄氧率（微生物摄氧率（）mmolO2/（L）单位体积培养液每小时消耗的氧量。单位体积培养液每小时消耗的氧量。、呼吸强度（呼吸强度（o2）mmolo2/g（干菌体）（干菌体）.h单位重量的干菌体每小时消耗的氧量。单位重量的干菌体每小时消耗的氧量。两者关系两者关系=Qo2.XX发酵发酵液中菌体密度（液中菌体密度（g/L）。）。临界氧浓度临界氧浓度3.临界氧浓度临界氧浓度：微生物对发酵液中溶解氧浓度有一个微生物对发酵液中溶解氧浓度有一个最低要求，这个浓度叫临界氧浓度。最低要求，这个浓度叫临界氧浓度。临界氧浓度临界氧浓度不同微生物不同微生物C临界不同，见下表：临界不同，见下表：菌种菌种温度温度.C临界临界（mg/L）大肠杆菌大肠杆菌酵母菌酵母菌产黄青霉产黄青霉表明青霉菌摄氧率高，发酵时空气通气量大。表明青霉菌摄氧率高，发酵时空气通气量大。同一种菌生长不同阶段同一种菌生长不同阶段C临界不同。临界不同。如如幼龄幼龄菌大于菌大于老龄老龄菌菌另外一般生产菌都是：另外一般生产菌都是：生长期生长期大于大于合成期合成期的临界氧浓度。的临界氧浓度。二、氧在液体中的溶解特性二、氧在液体中的溶解特性饱饱和和浓浓度度：气气体体与与液液体体相相接接触触，气气体体分分子子就就会会溶溶解解于于液液体体之之中中。经经过过一一段段时时间间的的接接触触，气气体体分分子子在在气气液液两两相相中的浓度就会达到动态平衡。中的浓度就会达到动态平衡。溶溶解解氧氧的的饱饱和和浓浓度度（C*）的的单单位位可可用用mmolo2/L、ppm、和、和mgo2/L。影响氧饱和浓度的主要因素有：影响氧饱和浓度的主要因素有：二、氧在液体中的溶解特性二、氧在液体中的溶解特性（一一）温温度度：工工业业产产品品大大多多是是随随着着温温度度升升高高，溶溶解解度度增增加加，；利利用用这这个个特特点点得得到到晶晶体体。如如柠柠檬檬酸酸、葡葡萄萄糖糖等等。而而O2正正相相反反，温温度度增加，增加，C降低。降低。温度（温度（）035溶解度溶解度（mmolo2/L）（纯氧）（纯氧）（二二）溶溶液液的的性性质质：氧氧在在不不同同性性质质的的溶溶液液中的溶解度是不同的。中的溶解度是不同的。同一种溶液由于其中溶质含量不同，氧的溶解度也不同。同一种溶液由于其中溶质含量不同，氧的溶解度也不同。盐酸盐酸0.5mol1mol2mol溶质含量越高，氧的溶解度就越小。溶质含量越高，氧的溶解度就越小。氧在液体中的溶解特性（三）氧分压（三）氧分压；亨利公式：亨利公式：C*=H-1Po2C*在平衡状态下液体中氧的溶解度（在平衡状态下液体中氧的溶解度（mmolo2/L）Po2氧分压氧分压MPaH亨利常数亨利常数MPaL/mmolo2从公式中可知从公式中可知C*与与Po2成正比成正比。气相中氧的浓度取决大气压。气相中氧的浓度取决大气压和和纯氧；纯氧；罐压提高，罐压提高，Po2提高。提高。C*增大，但不能太高，增大，但不能太高，纯氧也可提高。纯氧也可提高。利用吸氮装置，减少空气中的氮气，增加利用吸氮装置，减少空气中的氮气，增加氧含量。氧含量。理论上，发酵过程中：理论上，发酵过程中：温度越低，温度越低，C*越高，越高，溶质越稀，溶质越稀，C*越高，越高，罐压越高，罐压越高，C*越大。越大。但工业上应用都受到限制。但工业上应用都受到限制。三、三、氧在溶液中的传递氧在溶液中的传递 N=KLa（C*CL)式中式中N氧的传递速率，氧的传递速率，mmolO2/h；C*溶液中饱和溶氧浓度，溶液中饱和溶氧浓度，mmolO2L；CL溶液主流中的溶氧浓度，溶液主流中的溶氧浓度，mmolO2L；KLa以浓度差为推动力的以浓度差为推动力的氧传质系数氧传质系数，1h；a比比表表面面积积（单单位位体体积积溶溶液液中中所所含含有有的的气气液液接接触触面面积积m2m3）。因因为为a很很难难测测定定，所所以以将将L当当成成一一项项，称称为液相体积氧传递系数，为液相体积氧传递系数，1h四、氧的传递方程式四、氧的传递方程式N=KLa（C*CL)双膜理论：双膜理论：是气体吸收的基本理论：是气体吸收的基本理论：P空气中的分压；空气中的分压；Pi界面处氧分压；界面处氧分压；PPi称为推动力（气相）称为推动力（气相）Ci界面处氧的浓度；界面处氧的浓度；CL液相中氧的浓度；液相中氧的浓度；CiCL为液相推动力。为液相推动力。在稳定传质过程中通过双膜的传氧速率在稳定传质过程中通过双膜的传氧速率N应相等。应相等。N=KGa（PPi）=KLa（CiCL）由于由于Pi和和Ci无法测量，因此改为无法测量，因此改为N=KGa（PP*）=KLa（C*CL）N=KLa（C*CL)五、影响供氧的因素五、影响供氧的因素氧的传递速率氧的传递速率N=KLa（C*-CL）影响氧传递推动力的因素：影响氧传递推动力的因素：C*-CL1提高提高C*，因素有温度、溶液、氧分压，三点都，因素有温度、溶液、氧分压，三点都有局限性。在抗生素生产中有时需要补水，原理有局限性。在抗生素生产中有时需要补水，原理使溶液稀释，使溶液稀释，C*提高。提高。2降低发酵液中的降低发酵液中的CL如降低通气量和搅拌速度可降低如降低通气量和搅拌速度可降低CL，但发酵过程，但发酵过程中发酵液的中发酵液的CL不能低于不能低于C临界，否则就会影响微临界，否则就会影响微生物的呼吸。生物的呼吸。影响影响KLa的因素的因素经经过过长长时时间间的的研研究究和和生生产产实实践践证证实实，影影响响发发酵酵设设备备的的KLa。主主要要因因素素有有搅搅拌拌效效率率、空空气气流流速速、发发酵酵液液的的物物理理化化学学性性质质、泡泡沫沫状状态态、空空气气分分布布器器形状和发酵罐的结构等。形状和发酵罐的结构等。（一）搅拌功率对（一）搅拌功率对KLa的影响的影响（1）搅拌的作用）搅拌的作用A.把大气泡打碎把大气泡打碎，增加气液两相的接触面积，增加气液两相的接触面积，KLa增加；增加；B.降低液膜厚度降低液膜厚度，KLa增加；增加；C.减少菌丝结团减少菌丝结团，减少菌周围液膜阻力，并，减少菌周围液膜阻力，并有利于排出废气；有利于排出废气；啤酒酵母培养啤酒酵母培养搅拌速度搅拌速度(rmin)KLa摄氧率摄氧率30040576500169720700216864（二）空气流速（二）空气流速KLa与空气流速（与空气流速（V）有关。有关。V增加增加KLa增加。但当增加。但当V增加到一定值后增加到一定值后KLa便不增加，因存在所谓便不增加，因存在所谓气泛现象气泛现象，即，即空气流速过大时，气流形成大气泡在空气流速过大时，气流形成大气泡在轴的周围逸出。轴的周围逸出。螺旋桨式搅拌器 圆盘平直叶涡轮搅拌器（三）发酵液理化性质的影响。（三）发酵液理化性质的影响。KLa与粘度成反比。在发酵过程中，由于与粘度成反比。在发酵过程中，由于粘度变化，而使发酵液呈多种流变学性粘度变化，而使发酵液呈多种流变学性质（液体的湍动性和液膜的阻力）。质（液体的湍动性和液膜的阻力）。一般一般细菌、酵母细菌、酵母发酵液发酵液粘度为一常数。粘度为一常数。放线菌、霉菌放线菌、霉菌粘度不是一个常数。粘度不是一个常数。复膜氧电极的原理复膜氧电极的原理溶氧电极可以看作是一种电解电池，它有两只具有不同溶氧电极可以看作是一种电解电池，它有两只具有不同电性的电极，一只是银丝电性的电极，一只是银丝做成的做成的阴极阴极，另一只是，另一只是铅铅皮卷成皮卷成的的阳极阳极。这对电极装置在两端开口的细的玻璃套管内，在。这对电极装置在两端开口的细的玻璃套管内，在靠近阴极的一端用一种耐热的、只允许气体透过而不透过靠近阴极的一端用一种耐热的、只允许气体透过而不透过水及离子的半渗透塑料膜覆盖，形成一个有一定容积的电水及离子的半渗透塑料膜覆盖，形成一个有一定容积的电池，在电池中加入数毫升的电解质溶液（池，在电池中加入数毫升的电解质溶液（5molHAC0.5molNaAC十十0.1molPbAC2）。这就在两极之间产生）。这就在两极之间产生了一个电位，使阳极的铅变成铅离子了一个电位，使阳极的铅变成铅离子Pb+进入电解质溶进入电解质溶液，同时放出的电子在阴极上把透过半透膜进入电池的氧液，同时放出的电子在阴极上把透过半透膜进入电池的氧立即还原成立即还原成OH（见图）（见图）六、液相中氧的浓度的测定六、液相中氧的浓度的测定阳极的反应：阳极的反应：PbPb+2e阴极的反应：阴极的反应：2e+1/2O2+H2O2OH-复膜氧电极操作：在实罐灭菌时将电极复膜氧电极操作：在实罐灭菌时将电极装入，灭菌后电流表指示为最低值，这装入，灭菌后电流表指示为最低值，这时通气保压、搅拌、降温，溶氧时通气保压、搅拌、降温，溶氧CL会达会达到最大值，电流表指示为到最大值，电流表指示为100%。一般在。一般在抗生素生产时，接种后抗生素生产时，接种后11个小时电流值个小时电流值保持一定，保持一定，12小时后开始下降，小时后开始下降，43小时小时为最低值，随后电流值便上升。为最低值，随后电流值便上升。发酵过程中溶氧的变化。发酵过程中溶氧的变化。培培养养基基灭灭菌菌后后，通通入入无无菌菌空空气气，降降温温后后培培养养基基中中的的溶溶解解氧氧达达到到，一一般般发发酵酵前前期期随随着着微微生生物物摄摄氧氧率率（）的的不不断断上上升升，溶溶氧氧量量出出现现一一个个。经经过过一一段段时时间间平平稳稳期期后，便随之后，便随之。返回溶氧的控制溶氧的控制菌的生长所需要的氧应略高于临界值。菌的生长所需要的氧应略高于临界值。控制溶氧浓度的方法有控制溶氧浓度的方法有:1.搅拌转速搅拌转速2.进气量进气量3.适当降温、补水和加泡敌适当降温、补水和加泡敌来改善溶氧水平。来改善溶氧水平。第五节、第五节、pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制5.1pH值对菌生长和代谢产物形成的影响。值对菌生长和代谢产物形成的影响。不同菌生长不同菌生长pH值不同值不同改改变变发发酵酵方方向向黑黑曲曲霉霉pH2-3时时产产柠柠檬檬酸酸，pH7时生成草酸。时生成草酸。生生长长和和合合成成pH不不同同如如链链霉霉素素产产生生菌菌生生长长的的最最适适pH为，而合成。为，而合成。改变菌膜电荷。改变菌膜电荷。直接影响酶的活性。直接影响酶的活性。影响培养基中营养物质和中间代谢产物的介离。影响培养基中营养物质和中间代谢产物的介离。该物质都在水中解离，氢离子浓度对这些物质该物质都在水中解离，氢离子浓度对这些物质的解离影响很大，从而影响微生物的营养吸收、的解离影响很大，从而影响微生物的营养吸收、酶的活性等。酶的活性等。pH影响菌生长的机理？影响菌生长的机理？（1）调调节节发发酵酵过过程程中中由由于于营营养养物物质质的的分分解解，菌菌的的代代谢谢等等，pH值值会会发发生生变变化化。调调节节的的方方法有：法有：H2SO4和和NaOH直接控制直接控制用用补补硫硫酸酸铵铵和和氨氨水水控控制制PH较较高高时时补补加加硫硫酸铵。当酸铵。当pH较低时补加氨水。较低时补加氨水。可以通过补加糖或油来调节可以通过补加糖或油来调节pH（2）控控制制最最适适pH在在微微生生物物生生长长和和产产物物形形成成的的关关系系中中有有四种情况。四种情况。比生长速率（比生长速率（u）和产物比生产）和产物比生产速率（速率（Qp）最适）最适pH范围较宽，范围较宽，生产较易控制。生产较易控制。u、Qp二者一个较宽，一个二者一个较宽，一个较窄。较窄。二者都较窄，二者都较窄，pH又相同。又相同。二者都较窄，二者都较窄，pH又不同。又不同。在发酵过程中，产热的因素有生物热在发酵过程中，产热的因素有生物热(Q生物生物)和搅拌热和搅拌热(Q搅拌搅拌)；散热因素有蒸发热；散热因素有蒸发热(Q蒸发蒸发)、辐射热、辐射热(Q辐射辐射)。产生的热能减去散失的。产生的热能减去散失的热能，所得的净热量就是发酵热热能，所得的净热量就是发酵热Q发酵，发酵，kJ(m3.h)，即即Q发酵发酵=Q生物生物+Q搅拌搅拌-Q蒸发蒸发-Q辐射。辐射。第六节第六节温度对发酵的影响与控制温度对发酵的影响与控制第六节 温度对发酵的影响与控制6.1发发酵酵热热发发酵酵过过程程中中产产生生的的热热能能减减去去散散失的热能，所得的净热量就是发酵热。失的热能，所得的净热量就是发酵热。生物热生物热（Q生物）生物）C6H12O6+12O66CO+6H2O+热热量量，除除了了用用于于合合成成外外，其其余余部部分分则则以以热热的的形形式式散散发发出出来来。对对数数生生长长期期产产热热量量多多。热热量量的的单单位位（KJ/m3.h)第六节 温度对发酵的影响与控制搅搅拌拌热热（Q搅搅拌拌）液液体体与与搅搅拌拌设设备备之之间间的的摩擦产生的热量。摩擦产生的热量。Q搅拌搅拌=P/V3600。（KW/m3）3600为热功当量。为热功当量。蒸发热蒸发热（Q蒸发）蒸发）通气时，引起通气时，引起发酵液水分的蒸发被冷空气和蒸发发酵液水分的蒸发被冷空气和蒸发水分带走的热量叫蒸发热。水分带走的热量叫蒸发热。辐射热辐射热（Q辐射）辐射）因发酵液温度与罐外因发酵液温度与罐外温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。外辐射。由于由于Q生物及生物及Q蒸发在发酵过程中是随着蒸发在发酵过程中是随着时间变化的，因此时间变化的，因此发酵热在整个过程中也发酵热在整个过程中也随时间变化随时间变化，发酵罐操作也需要降温、加，发酵罐操作也需要降温、加温控制。温控制。通通过过测测量量一一定定时时间间内内冷冷却却水水的的流流量量和和冷冷却却水水进进出出口温度，用下式计算：口温度，用下式计算：Q发酵发酵=（t1-t2）/V单位单位千卡千卡/m3.hG冷冷却却水水c水水的的比比热热t1、t2进进出出的的冷冷却却水水温温度（度（）。）。V发酵液体积（发酵液体积（m3）一一般般抗抗生生素素发发酵酵过过程程中中的的最最大大发发酵酵热热均均为为3000-5000千卡千卡/立方米立方米.小时。小时。6.2发酵热的测定及计算发酵热的测定及计算抗生素生产，菌的生长和合成需不同抗生素生产，菌的生长和合成需不同温度。有人试验青霉素变温发酵，起初温度。有人试验青霉素变温发酵，起初5小时，维持在小时，维持在30，以后降到，以后降到25培养培养35h，再降到，再降到20培养培养85h，最后又提高，最后又提高到到25，培养，培养40小时，放罐。青霉素产小时，放罐。青霉素产量比在量比在25恒温培养提高恒温培养提高14.7%。因此。因此生长的温度和合成的温度并不一致。生长的温度和合成的温度并不一致。6.3控制温度的应用控制温度的应用CO2的来源和影响的来源和影响CO2浓度高对微生物生长不利。浓度高对微生物生长不利。1.当当细细胞胞膜膜的的脂脂质质相相中中的的CO2浓浓度度偏偏高高，细细胞膜运输受到阻碍，生长受到抑制胞膜运输受到阻碍，生长受到抑制2.使发酵液使发酵液pH降低，影响菌生长和产物合成。降低，影响菌生长和产物合成。第七节第七节CO2的影响及其控制的影响及其控制但某些菌又需要适量的但某些菌又需要适量的CO2。栽培金针菇菌。栽培金针菇菌最明显。动物细胞培养需要最明显。动物细胞培养需要CO2培养箱培养箱。CO2能合成某些小分子前体物质如能合成某些小分子前体物质如:丙酮酸丙酮酸+CO2+ATP草酰乙酸草酰乙酸+ADP+Pi。再如脂肪酸生物合成也需，如乙酰再如脂肪酸生物合成也需，如乙酰CoA+CO2丙二酰丙二酰CoA长链脂肪酸。长链脂肪酸。泡泡沫沫的的性性质质：泡泡沫沫是是气气体体分分散散在在液液体体中中的的一一种种胶胶体体系系统统，气气泡泡间间被被一一层层液液膜膜隔隔开开而而彼彼此不相连通。此不相连通。8.2泡沫的危害泡沫的危害：造成大量的逃液，而使造成大量的逃液，而使装料系数减少装料系数减少。泡沫从轴封中渗出，泡沫从轴封中渗出，增加染菌机会。增加染菌机会。妨碍菌的呼吸和生长妨碍菌的呼吸和生长，使产量下降。使产量下降。第八节、泡沫的影响及其控制第八节、泡沫的影响及其控制8.3泡沫产生的因素：泡沫产生的因素：与高速搅拌及大空气流量有关，发酵时与高速搅拌及大空气流量有关，发酵时前期要注意空气流量，先小后逐步加大前期要注意空气流量，先小后逐步加大培养基成份有关：蛋白胨、玉米浆、黄培养基成份有关：蛋白胨、玉米浆、黄豆饼粉等，高蛋白，易起泡。豆饼粉等，高蛋白，易起泡。菌种不同，如有的生长慢，易起泡。菌种不同，如有的生长慢，易起泡。8.4泡沫的消除泡沫的消除：机械消沫：在罐内装消沫浆。但作用不大。机械消沫：在罐内装消沫浆。但作用不大。化学消沫：化学消沫：A.消消泡泡剂剂有有天天然然油油，豆豆油油，菜菜子子油油等等，它它还还作作为为碳源被菌利用。碳源被菌利用。B.高高分分子子物物质质如如聚聚氧氧乙乙烯烯氧氧丙丙烯烯甘甘油油，（GPE）又又叫叫泡泡敌敌。消消泡泡能能力力比比植植物物油油60-80倍倍强强。目目前前工业上已取代油。工业上已取代油。消泡的原理消泡的原理：.泡沫表面层存在着极性的表面活性物质，泡沫表面层存在着极性的表面活性物质，而形成双电层时，可加入另一种有相反电而形成双电层时，可加入另一种有相反电荷的表面活性剂，可降低其机械强度，促荷的表面活性剂，可降低其机械强度，促使其破裂。使其破裂。.泡沫表面粘度较大时，可加入某些分子泡沫表面粘度较大时，可加入某些分子内聚力较小的物质，以降低其表面粘度而内聚力较小的物质，以降低其表面粘度而使其破裂。使其破裂。（一）减少泡沫形成的机会。（一）减少泡沫形成的机会。原料配比。原料配比。补料：如基础料被抽出一补料：如基础料被抽出一部分蛋白质原料，在菌丝长浓后再加入。部分蛋白质原料，在菌丝长浓后再加入。灭菌前加灭菌前加.（二）消除已形成的泡沫。（二）消除已形成的泡沫。起泡时加。加量一般为培养基总体积的起泡时加。加量一般为培养基总体积的0.02%-0.002%。多加对菌生长不利。多加对菌生长不利。8.6控制泡沫的方法控制泡沫的方法第九节发酵生产染菌及其防治第九节发酵生产染菌及其防治 所谓所谓发酵染菌发酵染菌是指在发酵过程中，生产是指在发酵过程中，生产菌以外的其他微生物侵入了发酵系统，菌以外的其他微生物侵入了发酵系统，从而造成生产损失。从而造成生产损失。据报道，国内的青霉素发酵染菌率据报道，国内的青霉素发酵染菌率2，链霉素、红霉素和四环素发酵染菌率链霉素、红霉素和四环素发酵染菌率5，谷氨酸发酵噬菌体感染率谷氨酸发酵噬菌体感染率12。染。染菌对发酵生产率、提取率、得率、产品菌对发酵生产率、提取率、得率、产品质量和三废治理等都有很大的影响。质量和三废治理等都有很大的影响。消耗营养消耗营养成分；成分；分泌某些使抗生素失去活性的物质，如分泌某些使抗生素失去活性的物质，如青霉素酶能青霉素酶能分解青霉素分解青霉素；分泌代谢产物改变发酵液的分泌代谢产物改变发酵液的pH值值，抑，抑制菌种的生产和产物的合成；制菌种的生产和产物的合成；增加发酵液的粘度造成增加发酵液的粘度造成过滤困难过滤困难和提取和提取得率下降；得率下降；一、杂菌的危害一、杂菌的危害二、杂菌的检测二、杂菌的检测1 1显微镜检查显微镜检查2 2无菌试验法无菌试验法3 3试剂盒检验法试剂盒检验法三、染菌发生的不同时间对发酵的影响及处理三、染菌发生的不同时间对发酵的影响及处理种子培养期染菌种子培养期染菌种子培养主要是种子培养主要是使生产菌生长与繁殖，此时，微生物菌使生产菌生长与繁殖，此时，微生物菌体浓度低，培养基的营养十分丰富，比体浓度低，培养基的营养十分丰富，比较容易染菌。若将污染的种子带入发酵较容易染菌。若将污染的种子带入发酵罐，则危害极大，因此应严格控制种子罐，则危害极大，因此应严格控制种子染菌的发生。染菌的发生。一旦发现种子受到杂菌的一旦发现种子受到杂菌的污染，应经灭菌后弃去污染，应经灭菌后弃去，并对种子罐、，并对种子罐、管道等进行仔细检查和彻底灭菌。管道等进行仔细检查和彻底灭菌。发酵前期染菌发酵前期染菌在发酵前期，微生在发酵前期，微生物菌体主要是处于生长、繁殖阶段，此物菌体主要是处于生长、繁殖阶段，此时期代谢的产物很少，相对而言这个时时期代谢的产物很少，相对而言这个时期也容易染菌，染菌后的杂菌将迅速繁期也容易染菌，染菌后的杂菌将迅速繁殖，与生产菌争夺培养基中的营养物质，殖，与生产菌争夺培养基中的营养物质，严重干扰生产菌的正常生长、繁殖及产严重干扰生产菌的正常生长、繁殖及产物的生成。物的生成。可重新灭菌，重新接种可重新灭菌，重新接种发酵中期染菌