第五章发酵过程及控制PPT讲稿.ppt
第五章发酵过程及控制第1页，共125页，编辑于2022年，星期三本章讲述的内容本章讲述的内容第一节第一节发酵方式发酵方式第二节第二节发酵动力学发酵动力学第三节第三节发酵过程主要影响因素及其控制发酵过程主要影响因素及其控制第四节第四节发酵过程检测和自控发酵过程检测和自控第五节第五节发酵终点判断发酵终点判断第5页，共125页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 发酵方式发酵方式 固态发酵固态发酵将微生物接种到经过处理的固体发酵基将微生物接种到经过处理的固体发酵基质上，或将发酵原料及菌体吸附在疏松质上，或将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体支撑物上，通过微生物的代谢活的固体支撑物上，通过微生物的代谢活动，使发酵原料转化成发酵产品。动，使发酵原料转化成发酵产品。特点：不宜采用自动化控制，劳动强度特点：不宜采用自动化控制，劳动强度大，生产率较低。大，生产率较低。第6页，共125页，编辑于2022年，星期三液态发酵液态发酵将物料首先制备成液态培养基，再将微将物料首先制备成液态培养基，再将微生物接入进行发酵。生物接入进行发酵。特点：易实现自动化生产，生产效率特点：易实现自动化生产，生产效率高。高。第7页，共125页，编辑于2022年，星期三发酵过程按进行过程有三种方式：分批发酵(Batchfermentation)补料分批发酵(Fed-batchfermentation)连续发酵(Continuousfermentation)第8页，共125页，编辑于2022年，星期三1 1、分批发酵的定义、分批发酵的定义是指在一封闭系统内含有初始限量基质的是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制泡剂及控制pHpH的酸或碱外，不再加入任何的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。微生物得到繁殖。一、一、分批发酵分批发酵第9页，共125页，编辑于2022年，星期三2、分批发酵的特点微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。第10页，共125页，编辑于2022年，星期三优点操作简单；操作引起染菌的概率低。不会产生菌种老化和变异等问题缺点非生产时间较长、设备利用率低。3、分批发酵的优缺点第11页，共125页，编辑于2022年，星期三4、分批发酵的生长曲线单细胞微生物第12页，共125页，编辑于2022年，星期三丝状真菌和放线菌第13页，共125页，编辑于2022年，星期三如果生产的产品产品是菌体与初级代谢产物菌体与初级代谢产物，则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期对数生长期；如果产品是次级代谢产物次级代谢产物，则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期平衡期，以提高产量。第14页，共125页，编辑于2022年，星期三典型的分批发酵工艺流程第15页，共125页，编辑于2022年，星期三二、补料分批发酵二、补料分批发酵1、定义 补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。第16页，共125页，编辑于2022年，星期三2、补料分批发酵的优缺点优点使发酵系统中维持很低的基质浓度；和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；不会产生菌种老化和变异等问题。缺点存在一定的非生产时间；和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。第17页，共125页，编辑于2022年，星期三3、补料分批发酵的类型补料方式连续流加不连续流加多周期流加补料成分单一组分流加多组分流加控制方式反馈控制无反馈控制第18页，共125页，编辑于2022年，星期三三、半连续培养三、半连续培养在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发酵半连续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发酵优点优点 放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。缺点缺点 代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大第19页，共125页，编辑于2022年，星期三四、连续发酵四、连续发酵1、定义 培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。第20页，共125页，编辑于2022年，星期三2 2、连续发酵的优缺点连续发酵的优缺点优点能维持低基质浓度；可以提高设备利用率和单位时间的产量；便于自动控制。缺点菌种发生变异的可能性较大；要求严格的无菌条件。第21页，共125页，编辑于2022年，星期三3 3、连续发酵的类型连续发酵的类型恒化培养使培养基中限制性基质的浓度保持恒定恒浊培养使培养基中菌体的浓度保持恒定第22页，共125页，编辑于2022年，星期三五五 灌注培养灌注培养 是指细胞接种后进行培养，一方面新鲜培养基不断加入反应器，另一方面又将反应液连续不断地取出，但细胞留在反应器内，使细胞处于一种不断的营养状态。第23页，共125页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 发酵过程主要影响因素及其控制发酵过程主要影响因素及其控制第24页，共125页，编辑于2022年，星期三一、发酵过程的参数一、发酵过程的参数物理参数化学参数生物参数第25页，共125页，编辑于2022年，星期三参数名称单位测试方法意义、主要作用温度罐压空气流量搅拌转速搅拌功率粘度浊度泡沫体积氧传质系数KLaCPaV/V.minR/minKWPa.s透光度l/h传感器压力表传感器传感器传感器粘度计传感器传感器间接计算维持生长、合成维持正压、增加溶氧供氧、排泄废气、提高KLa物料混合、提高KLa反映搅拌情况、KLa反映菌的生长、KLa反映菌的生长情况反映发酵代谢情况反映供氧效率物理参数物理参数第45页，共125页，编辑于2022年，星期三参数名称单位测试方法意义、主要作用pH基质浓度溶解氧浓度氧化还原电位产物浓度尾气氧浓度尾气CO2浓度菌体浓度RNA、DNA含量ATP、ADP、AMPNADH含量摄氧率呼吸强度呼吸商比生长速率g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌.h1/h传感器取样传感器传感器取样传感器传感器取样取样取样取样间接计算间接计算间接计算间接计算了解生长和产物合成了解生长和产物合成反映氧供需情况反映菌的代谢情况产物合成情况了解耗氧情况了解菌的呼吸情况了解生长情况了解生长情况了解能量代谢活力了解菌的合成能力了解耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代谢途径了解生长化学、生物参数化学、生物参数第46页，共125页，编辑于2022年，星期三目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、温度、罐压、空气流量、搅拌转速、搅拌转速、pH、溶氧、基质浓度、菌体浓度溶氧、基质浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体积干重、离心压缩细胞体积%)等。等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的O2和CO2含量等。参数测定方法有：在线测定取样测定（离线测定）第47页，共125页，编辑于2022年，星期三 参数在线测定的优点及问题参数在线测定的优点及问题优点：优点：主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制。问题：问题：发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三相，即液、气、固体不溶物或油；发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难。第48页，共125页，编辑于2022年，星期三二、温度对发酵的影响及控制1，影响发酵温度的因素 产热因素：生物热 搅拌热 散热因素：蒸发热 辐射热第49页，共125页，编辑于2022年，星期三发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射第50页，共125页，编辑于2022年，星期三2、温度对生长的影响、温度对生长的影响不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于致可分为四类：嗜冷菌适应于0260C生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于15430C生长，嗜热菌适应于生长，嗜热菌适应于37650C生长，嗜高温菌适生长，嗜高温菌适应于应于650C以上生长以上生长 第55页，共125页，编辑于2022年，星期三 每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温度来表征。度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。时间无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最后停增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。止生长，引起死亡。第56页，共125页，编辑于2022年，星期三微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。亡。这就是菌种保藏的原理。第57页，共125页，编辑于2022年，星期三影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响发酵液的物理性质影响发酵液的物理性质影响生物合成的方向。影响生物合成的方向。例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在在低于低于3030温度下，该菌种合成温度下，该菌种合成金霉素金霉素能力较强。能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达3535则只产生则只产生四环素四环素而金霉素合成几乎停止。而金霉素合成几乎停止。3，温度对发酵的影响第58页，共125页，编辑于2022年，星期三最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。最适发酵温度的选择在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择还应考虑培养基成分和浓度4，最适温度的确定第59页，共125页，编辑于2022年，星期三 发酵罐：夹套（10M3以下）盘管（蛇管）（10M3以上）5，温度的控制第68页，共125页，编辑于2022年，星期三三、三、pH对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，所以是十分重要的参数。所以是十分重要的参数。发酵过程中发酵过程中pH是不断变化的，通过观察是不断变化的，通过观察pH变化变化规律可以了解发酵的正常与否规律可以了解发酵的正常与否第69页，共125页，编辑于2022年，星期三（一）发酵过程（一）发酵过程pHpH变化的原因变化的原因 1 1、基质代谢、基质代谢（1）糖代谢）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使酸、醇，使pH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标上升，是补料的标志之一志之一（2）氮代谢）氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH2被利用后被利用后pH会下降；会下降；尿素被分解成尿素被分解成NH3，pH上升，上升，NH3利用后利用后pH下降，当碳下降，当碳源不足时氮源当碳源利用源不足时氮源当碳源利用pH上升。上升。（3）生理酸碱性物质利用后）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降会上升或下降第70页，共125页，编辑于2022年，星期三2 2、产物形成产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变变化。如有机酸类产生使化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。上升。3 3、菌体自溶菌体自溶，pH上升上升，发酵后期，发酵后期，pH上升。上升。第71页，共125页，编辑于2022年，星期三（二）（二）pH对发酵的影响对发酵的影响例例pH对林可霉素发酵的影响对林可霉素发酵的影响林林可可霉霉素素发发酵酵开开始始，葡葡萄萄糖糖转转化化为为有有机机酸酸类类中中间间产产物物，发发酵酵液液pH下下降降，待待有有机机酸酸被被生生产产菌菌利利用用，pH上上升升。若若不不及及时时补补糖糖、(NH4)2SO4或或酸酸，发发酵酵液液pH可可迅迅速速升升到到8.0以以上上，阻阻碍碍或或抑抑制制某某些些酶酶系系，使使林林可可霉霉素素增增长长缓缓慢慢，甚甚至至停停止止。对对照照罐罐发发酵酵66小小时时pH达达7.93，以以后后维维持持在在8.0以以上上至至115小时，菌丝浓度降低，小时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。升高，发酵不再继续。发发酵酵15小小时时左左右右，pH值值可可以以从从消消后后的的6.5左左右右下下降降到到5.3，调调节节这这一一段段的的pH值至值至7.0左右，以后自控左右，以后自控pH，可提高发酵单位。，可提高发酵单位。1、实例、实例第72页，共125页，编辑于2022年，星期三pH7.0t不调不调pH调调pH效价效价pH第73页，共125页，编辑于2022年，星期三例：培养基初始例：培养基初始pHpH值对漆酶分泌的影响值对漆酶分泌的影响pH在在47范围内产酶最高范围内产酶最高第74页，共125页，编辑于2022年，星期三2 2、pHpH对发酵的影响对发酵的影响（1）pH影影响响酶酶的的活活性性。当当pH值值抑抑制制菌菌体体某某些些酶酶的的活性时使菌的新陈代谢受阻活性时使菌的新陈代谢受阻（2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行排泄，因此影响新陈代谢的进行（3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用而影响微生物对这些物质的利用第75页，共125页，编辑于2022年，星期三（4）pH影响代谢方向影响代谢方向pH不不同同，往往往往引引起起菌菌体体代代谢谢过过程程不不同同，使使代代谢谢产产物物的的质质量量和和比比例例发发生生改改变变。例例如如黑黑曲曲霉霉在在pH23时时发发酵酵产产生生柠柠檬檬酸酸，在在pH近近中中性性时时，则则产产生生草酸草酸。谷谷氨氨酸酸发发酵酵，在在中中性性和和微微碱碱性性条条件件下下积积累累谷谷氨氨酸酸，在在酸酸性性条条件件下下则则容容易易形形成成谷谷氨氨酰酰胺胺和和N-乙乙酰酰谷谷氨氨酰胺酰胺第76页，共125页，编辑于2022年，星期三3 3、pHpH在微生物培养的不同阶段有不同的影响在微生物培养的不同阶段有不同的影响生长生长合成合成pH对菌体生长影响比产物合成影响小对菌体生长影响比产物合成影响小例例青霉素：菌体生长最适青霉素：菌体生长最适pH3.56.0,产物合成最适产物合成最适pH7.27.4四环素：菌体生长最适四环素：菌体生长最适pH6.06.8，产物合成最适，产物合成最适pH5.86.0XpH四四环环素素第77页，共125页，编辑于2022年，星期三4 4、最佳最佳pHpH的确定的确定配制不同初始配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况的培养基，摇瓶考察发酵情况pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响第78页，共125页，编辑于2022年，星期三pH对海藻糖水解酶产生的影响对海藻糖水解酶产生的影响pH菌浓菌浓 pH酶活酶活第79页，共125页，编辑于2022年，星期三（三）（三）pHpH的控制的控制1 1、调调节节好好基基础础料料的的pHpH。基基础础料料中中若若含含有有玉玉米米浆浆，pH呈呈酸酸性性，必必须须调调节节pH。若若要要控控制制消消后后pH在在6.0，消前，消前pH往往要调到往往要调到6.56.82 2、在基础料中加入维持、在基础料中加入维持pHpH的物质的物质，如，如CaCO3，或具具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等3 3、通过补料调节、通过补料调节pHpH第80页，共125页，编辑于2022年，星期三在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调在补料与调pH没有矛盾时采用补料调没有矛盾时采用补料调pH如（如（1）调节补糖速率，调节空气流量来调节）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH(2)当当NH2-N低，低，pH低时补氨水；低时补氨水；当当NH2-N低，低，pH高时补高时补(NH4)2SO44 4、当补料与调、当补料与调pHpH发生矛盾时，加酸碱调发生矛盾时，加酸碱调pHpH 第81页，共125页，编辑于2022年，星期三pH控制是一项非常细致的工作，不仅考虑最控制是一项非常细致的工作，不仅考虑最佳佳pH值，而且要根据生长阶段考察对值，而且要根据生长阶段考察对pH的要的要求。在求。在pH控制中还要采用合适的调节方法。控制中还要采用合适的调节方法。总结总结第87页，共125页，编辑于2022年，星期三四、氧对发酵的影响四、氧对发酵的影响溶氧溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。在在28氧在发酵液中的氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有的空气饱和浓度只有0.25mmol.L-1左左右，比糖的溶解度小右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟几分钟之内便耗竭，之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。使溶氧成为限制因素。第92页，共125页，编辑于2022年，星期三微生物对氧的需求描述微生物需氧的物理量描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积重量的细胞所）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，消耗的氧气，mmolO2g菌菌-1h-1摄氧率摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmolO2L-1h-1。r=QO2.X第93页，共125页，编辑于2022年，星期三溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr:临界溶氧浓度临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。第94页，共125页，编辑于2022年，星期三一般对于微生物：一般对于微生物：CCr:115%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%产黄青霉产黄青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定义：定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.第95页，共125页，编辑于2022年，星期三 某些微生物的临界氧浓度微生物温度（C）临界氧浓度（mmol/L）固氮菌300.018大肠杆菌370.008酵母300.004产黄青霉240.022第96页，共125页，编辑于2022年，星期三问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。满足。例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.052mmolO2L-1S-1计，计，0.25/0.052=4.8秒秒注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件常常不一样注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件常常不一样：头孢菌素头孢菌素卷须霉素卷须霉素生长生长5%(相对于饱和浓度）相对于饱和浓度）13%产物产物13%8%第97页，共125页，编辑于2022年，星期三影响需氧的因素影响需氧的因素r=QO2.Xq 菌体浓度菌体浓度qQO2 遗传因素遗传因素 菌龄菌龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件第98页，共125页，编辑于2022年，星期三发酵液中氧的平衡发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：传递：消耗：消耗：r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面第99页，共125页，编辑于2022年，星期三发酵过程的溶氧变化n发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降氧，溶氧明显下降 n发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等时机和方式等 n发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升自溶，溶氧就会明显地上升 第100页，共125页，编辑于2022年，星期三溶氧的控制溶氧的控制调节通风与搅拌限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。第101页，共125页，编辑于2022年，星期三五、五、CO2对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制CO2是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢的基质。它是细胞代谢的重要指标。在发酵过程中，CO2有可能对发酵有促进作用，也有可能有抑制作用。第102页，共125页，编辑于2022年，星期三1 1、CO2对发酵的影响对发酵的影响CO2对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中CO2的浓度达到1.610-1mol，就会严重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%。第103页，共125页，编辑于2022年，星期三CO2对发酵也有影响对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含5%的CO2。对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制影响发酵液的酸碱平衡第104页，共125页，编辑于2022年，星期三2 2、CO2的控制的控制CO2在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律。它的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌通风和搅拌来控制。第106页，共125页，编辑于2022年，星期三六、发酵过程中的泡沫及其控制1，泡沫的性质 泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。第107页，共125页，编辑于2022年，星期三一类存在于发酵液的液面上一类存在于发酵液的液面上，另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。2，泡沫的类型第108页，共125页，编辑于2022年，星期三由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；发酵过程中产生的气体聚结生成（发酵性泡沫）。3，泡沫产生的原因第109页，共125页，编辑于2022年，星期三v降低发酵设备的利用率v增加了菌群的非均一性v增加了染菌的机会v导致产物的损失v消泡剂会给后提取工序带来困难4，泡沫对发酵的不利影响第110页，共125页，编辑于2022年，星期三5，发酵过程泡沫控制的方法物理消沫法化学消沫法第111页，共125页，编辑于2022年，星期三物理消泡法方方法法罐内消沫法：罐外消沫法：原原理理靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。优优点点不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会缺缺点点不能从根本消除引起稳定泡沫的因素。第112页，共125页，编辑于2022年，星期三化学消泡法机机 理理n当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强度或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液 膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。n当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。第113页，共125页，编辑于2022年，星期三消泡剂的种类和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌)。高级醇类：十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体起使用。据报导，它与冷榨猪油一起控制青霉素发酵的泡沫，效果较好。聚乙二醇具有消沫效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。硅酮类：硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。第114页，共125页，编辑于2022年，星期三七、补料控制1，基质浓度对发酵的影响第115页，共125页，编辑于2022年，星期三2，补料控制目的v解除基质过浓的抑制v解除产物的反馈抑制v解除葡萄糖分解代谢阻遏效应第116页，共125页，编辑于2022年，星期三补充微生物能源和碳源的需要。补充菌体所需要的氮源。补充微量元素或无机盐。3 3、补料的内容、补料的内容第117页，共125页，编辑于2022年，星期三控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展。为实现这一目标，在中间补料控制时，必须选择恰当的反馈控制参数和补料速率。4 4、补料的原则、补料的原则第118页，共125页，编辑于2022年，星期三第五节第五节 发酵终点判断发酵终点判断不同类型的发酵，要求达到的目标不同，因而对发酵终点的判断标准也应有所不同。对发酵及原材料成本占整个生产成本主要部分的发酵品种，主要追求提高生产率(kg/m3h)，得率(kg产物/kg基质)和发酵系数(kg产物/罐容积m3发酵周期h)第123页，共125页，编辑于2022年，星期三下游提取精制成本占主要部分和产品价格比较贵，除了要求高的产率和发酵系数外，还要求高的产物浓度。提高产率就必须缩短发酵周期提高产率就必须缩短发酵周期，这就要在产物合成速率较低时放罐，延长发酵虽然略能提高产物浓度，但生产率下降，且消耗动力，成本提高第124页，共125页，编辑于2022年，星期三 一、经济因素一、经济因素 以最低的成本来获得最大生产能力的时间为最适发酵时间。二、产品质量因素二、产品质量因素 放罐时间太早，会残留过多的养分，对提取不利；放罐时间太晚，菌体自溶，影响过滤。这些都可能使产物的质量下降，杂质含量增加。三、特殊因素三、特殊因素 如染菌情况，应适当处理，适时放罐。第125页，共125页，编辑于2022年，星期三
