发酵过程工艺控制培养基和溶氧PPT讲稿.ppt

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1、发酵过程工艺控制培养基和溶氧第1页，共49页，编辑于2022年，星期六第一章第一章 发酵工程总论发酵工程总论第二章第二章 发酵设备发酵设备第三章第三章 发酵工业原料及其处理发酵工业原料及其处理第四章第四章 发酵灭菌与无菌空气制备发酵灭菌与无菌空气制备第五章第五章 发酵菌种的制备发酵菌种的制备第六章第六章 发酵工业放大发酵工业放大第第七七章章 微生物微生物发酵机制发酵机制第八章第八章 发酵动力学发酵动力学第第九九章章 发酵过程工艺控制发酵过程工艺控制第第十十章章 发酵染菌及防治发酵染菌及防治第第十一十一章章 发酵工业废物、废水处理和资源化技术发酵工业废物、废水处理和资源化技术第十二章第十二章 展

2、望展望发发酵酵工工程程第2页，共49页，编辑于2022年，星期六第九章第九章 发酵过程工艺控制发酵过程工艺控制1 培养基对发酵的影响培养基对发酵的影响2 氧对发酵的影响氧对发酵的影响3 温度对发酵的影响及控制温度对发酵的影响及控制4 pH对发酵过程的影响及控制对发酵过程的影响及控制5 泡沫对发酵的影响及控制泡沫对发酵的影响及控制6 流加补料的控制流加补料的控制7 co2 浓度浓度和呼吸商和呼吸商8 微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测 发酵染菌及其防治发酵染菌及其防治 发酵工程发酵工程第3页，共49页，编辑于2022年，星期六本章的重点和难点本章的重点和难点v重点：重点：培养基、氧

3、、温度、培养基、氧、温度、pH、氧的需求、氧的需求、泡沫、补料对发酵的影响及其调控。泡沫、补料对发酵的影响及其调控。v难点：难点：影响发酵因素的调控影响发酵因素的调控http:/211.84.144.22/jing/C76/zcr-1.htm第4页，共49页，编辑于2022年，星期六学习本章的目的学习本章的目的 微生物发酵的生产水平除取决于生产菌种本身的性微生物发酵的生产水平除取决于生产菌种本身的性能外，还必须予以微生物合适的环境条件才能发挥和表能外，还必须予以微生物合适的环境条件才能发挥和表现出它的优良生产能力。研究和了解与生产菌种相关的现出它的优良生产能力。研究和了解与生产菌种相关的环境条

4、件环境条件，如，如培养基组成、温度、培养基组成、温度、pH、氧的需求、泡沫、氧的需求、泡沫、发酵过程中补料发酵过程中补料等，可以为等，可以为掌握菌种在发酵过程中的掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，进行合理的生产工艺控制代谢变化规律，进行合理的生产工艺控制提供理论基提供理论基础。础。第5页，共49页，编辑于2022年，星期六9-1 9-1 培养基培养基对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制 发酵工程发酵工程 碳源的种类和浓度对发酵过程的影响及控制碳源的种类和浓度对发酵过程的影响及控制 氮源的种类和浓度对发酵的影响及控制氮源的种类和浓度对发酵的影响及控制 磷酸盐浓度的影响及控制磷酸盐浓度的影响及控

5、制第6页，共49页，编辑于2022年，星期六一、碳源的种类和浓度对发酵过程的影响及控制一、碳源的种类和浓度对发酵过程的影响及控制（一）碳源的种类对发酵的影响及控制（一）碳源的种类对发酵的影响及控制 碳源的种类对发酵的影响主要取决于其性质，即快速利用的碳源还是碳源的种类对发酵的影响主要取决于其性质，即快速利用的碳源还是缓慢利用的碳源缓慢利用的碳源。快速利用的碳源（。快速利用的碳源（如葡萄糖如葡萄糖）能较快地参与微生）能较快地参与微生物的代谢、合成菌体、产生能量，并产生分解产物（物的代谢、合成菌体、产生能量，并产生分解产物（如丙酮酸等如丙酮酸等），对菌体生长有利，但有的分解代谢产物对产物的合成会产

6、生），对菌体生长有利，但有的分解代谢产物对产物的合成会产生阻遏作用；缓慢利用的碳源多数为聚合物（阻遏作用；缓慢利用的碳源多数为聚合物（如淀粉如淀粉），不能被微），不能被微生物直接吸收利用，需要微生物分泌胞外酶将聚合物分解成小分生物直接吸收利用，需要微生物分泌胞外酶将聚合物分解成小分子物质，因此被菌体利用缓慢，有利于延长代谢产物的合成时间，子物质，因此被菌体利用缓慢，有利于延长代谢产物的合成时间，特别是延长抗生素的分泌期。许多微生物药物的发酵就是采用这特别是延长抗生素的分泌期。许多微生物药物的发酵就是采用这种方法以获得较高的产量，如乳糖、蔗糖、麦芽糖及半乳糖分别种方法以获得较高的产量，如乳糖、蔗

7、糖、麦芽糖及半乳糖分别是青霉素、头孢菌素是青霉素、头孢菌素 C、核黄素及生物碱发酵的最适碳源。因此，选、核黄素及生物碱发酵的最适碳源。因此，选择合适的碳源对提高代谢产物的产量非常重要。择合适的碳源对提高代谢产物的产量非常重要。第7页，共49页，编辑于2022年，星期六例：在对青霉素发酵的早期研究中，人们就认识到了碳源的重要性。在快速利例：在对青霉素发酵的早期研究中，人们就认识到了碳源的重要性。在快速利用的碳源葡萄糖培养基中，菌体生长良好，但合成的青霉素却很少；而在缓用的碳源葡萄糖培养基中，菌体生长良好，但合成的青霉素却很少；而在缓慢利用的碳源乳糖培养基中，菌体生长缓慢，青霉素的产量却有明显的提

8、高。慢利用的碳源乳糖培养基中，菌体生长缓慢，青霉素的产量却有明显的提高。它们的代谢变化如图它们的代谢变化如图。3%乳糖乳糖3%葡萄糖葡萄糖内源残糖内源残糖3%乳糖乳糖内源残糖内源残糖3%葡萄糖葡萄糖时间时间/h青霉素效价青霉素效价/UmL残残 糖糖 质质 量量 浓浓 度度 /mgmL糖糖对对青青霉霉素素生生物物合合成成的的影影响响第8页，共49页，编辑于2022年，星期六（二）碳源的浓度对发酵的影响及控制（二）碳源的浓度对发酵的影响及控制v碳源的浓度对于菌体生长和产物的合成有着明显的影响碳源的浓度对于菌体生长和产物的合成有着明显的影响，如培养基中碳，如培养基中碳源含量超源含量超 5%，细菌的生

9、长会因细胞脱水而开始下降。酵母或霉菌，细菌的生长会因细胞脱水而开始下降。酵母或霉菌可耐受更高的葡萄糖浓度，达可耐受更高的葡萄糖浓度，达 200 g/L，这是由于它们对水的依，这是由于它们对水的依赖性较低。并且，在某一浓度下碳源会阻遏一个或更多的负责赖性较低。并且，在某一浓度下碳源会阻遏一个或更多的负责产物合成的酶，这称之为碳分解代谢物阻遏。碳源浓度的优化产物合成的酶，这称之为碳分解代谢物阻遏。碳源浓度的优化控制，通常采用经验法和发酵动力学法，即在发酵过程中采用控制，通常采用经验法和发酵动力学法，即在发酵过程中采用中间补料的方法进行控制。在实际生产中，要根据不同的代谢中间补料的方法进行控制。在实

10、际生产中，要根据不同的代谢类型来确定补糖时间、补糖量、补糖方式等。而发酵动力学法类型来确定补糖时间、补糖量、补糖方式等。而发酵动力学法要根据菌体的比生长速率、糖比消耗速率及产物的比生产速率要根据菌体的比生长速率、糖比消耗速率及产物的比生产速率等动力学参数来控制。等动力学参数来控制。第9页，共49页，编辑于2022年，星期六v例例1：碳源浓度对产物形成的影响以酵母的：碳源浓度对产物形成的影响以酵母的 Crabtree 效应为典型例效应为典型例子，即酵母生长在高糖浓度下，即使溶氧充足，它还会进行厌氧发子，即酵母生长在高糖浓度下，即使溶氧充足，它还会进行厌氧发酵，从葡萄糖产生乙醇，如图酵，从葡萄糖产

11、生乙醇，如图。v当葡萄糖浓度大于当葡萄糖浓度大于 0.15 g/L 时便产生乙醇。为了阻止乙醇的生时便产生乙醇。为了阻止乙醇的生成，需控制生长速率和葡萄糖浓度。在这种情况下采用补料分成，需控制生长速率和葡萄糖浓度。在这种情况下采用补料分批或连续培养可以避免批或连续培养可以避免 Crabtree 效应的出现。效应的出现。酵母培养基中的酵母培养基中的Crabtree效效应；糖浓度对乙醇比生产率、应；糖浓度对乙醇比生产率、比生长速率和细胞得率的影响比生长速率和细胞得率的影响 第10页，共49页，编辑于2022年，星期六v例例2：在利用重组毕赤酵母高密度发酵生产水蜂素的研究中在利用重组毕赤酵母高密度发

12、酵生产水蜂素的研究中发现，甲醇一方面作为碳源构成细胞骨架，使细胞生长；另发现，甲醇一方面作为碳源构成细胞骨架，使细胞生长；另一方面又作为能源物质用于菌体生长、维持外源蛋白的表达。一方面又作为能源物质用于菌体生长、维持外源蛋白的表达。提高碳源浓度可有效地增加产物表达的量，但甲醇浓度的提提高碳源浓度可有效地增加产物表达的量，但甲醇浓度的提高会抑制细胞生长甚至导致细胞死亡。因此，利用甲醇传感高会抑制细胞生长甚至导致细胞死亡。因此，利用甲醇传感器控制甲醇的流加量，同时以限制性速度混合流加甘油，可器控制甲醇的流加量，同时以限制性速度混合流加甘油，可获得较高的水蛭素产量。获得较高的水蛭素产量。第11页，共

13、49页，编辑于2022年，星期六二、氮源的种类和浓度对发酵的影响及控制二、氮源的种类和浓度对发酵的影响及控制v（一）氮源的种类对发酵的影响及控制（一）氮源的种类对发酵的影响及控制v1氮源的种类氮源的种类v根据氮的来源可分为无机氮和有机氮。发酵工业中常用根据氮的来源可分为无机氮和有机氮。发酵工业中常用的无机氮包括硝酸盐、铵盐、氨水等；有机氮包括豆饼的无机氮包括硝酸盐、铵盐、氨水等；有机氮包括豆饼粉、花生饼粉玉米浆、蛋白胨、酵母粉、酒糟、尿素粉、花生饼粉玉米浆、蛋白胨、酵母粉、酒糟、尿素等。和碳源一样，也可以把氮源分为可快速利用氮源和等。和碳源一样，也可以把氮源分为可快速利用氮源和缓慢利用氮源。前

14、者包括氨基（或铵）态氮的氨基酸缓慢利用氮源。前者包括氨基（或铵）态氮的氨基酸（或硫酸铵等）和玉米浆等；后者包括黄豆饼粉、花生（或硫酸铵等）和玉米浆等；后者包括黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉等蛋白质。饼粉、棉籽饼粉等蛋白质。第12页，共49页，编辑于2022年，星期六v2不同种类氮源对发酵的影响及控制不同种类氮源对发酵的影响及控制v可快速利用氮源容易被菌体所利用，有利于菌体生长，但对某些代谢产物的合成，特可快速利用氮源容易被菌体所利用，有利于菌体生长，但对某些代谢产物的合成，特别是对某些抗生素的合成产生调节作用而影响产量。例如，链霉菌的竹桃霉素发酵中，别是对某些抗生素的合成产生调节作用而影响产量。

15、例如，链霉菌的竹桃霉素发酵中，采用促进菌体生长的铵盐浓度，能刺激菌丝生长，但抗生素的产量反而减少。铵盐对采用促进菌体生长的铵盐浓度，能刺激菌丝生长，但抗生素的产量反而减少。铵盐对柱晶白霉素、螺旋霉素同样产生类似的调节作用。缓慢利用氮源对延长次级代谢产物柱晶白霉素、螺旋霉素同样产生类似的调节作用。缓慢利用氮源对延长次级代谢产物的分泌期、提高产物的产量是有好处的。但一次性的投入也容易促进菌体生长和养分的分泌期、提高产物的产量是有好处的。但一次性的投入也容易促进菌体生长和养分过早耗尽，导致菌体过早衰老而自溶，从而缩短产物的分泌期。考虑到上述原因，过早耗尽，导致菌体过早衰老而自溶，从而缩短产物的分泌期

16、。考虑到上述原因，发发酵培养基一般选用含有快速和缓慢利用的混合氮源酵培养基一般选用含有快速和缓慢利用的混合氮源。例如：氨基酸发酵用铵盐。例如：氨基酸发酵用铵盐（硫酸铵或醋酸铵）和麸皮水解液、玉米浆作为氮源；链霉素发酵采用硫酸铵和（硫酸铵或醋酸铵）和麸皮水解液、玉米浆作为氮源；链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉作为氮源；红霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉作为碳源，其中借助吸附黄豆饼粉作为氮源；红霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉作为碳源，其中借助吸附缓释原理，将无机氮储存在一个库中缓慢释放，即培养基中无机氮源浓度高时将缓释原理，将无机氮储存在一个库中缓慢释放，即培养基中无机氮源浓度高时将其纳入库中，菌丝生长需

17、要时又可自动流加进来，以此来调节氮的利用。其纳入库中，菌丝生长需要时又可自动流加进来，以此来调节氮的利用。第13页，共49页，编辑于2022年，星期六v氮源种类对发酵过程的影响除体现在其是快速利用氮源或缓慢利用氮源外，氮源种类对发酵过程的影响除体现在其是快速利用氮源或缓慢利用氮源外，还有一些特殊的作用还有一些特殊的作用。例如，赖氨酸生产中，培养基中甲硫氨酸和苏氨酸的存。例如，赖氨酸生产中，培养基中甲硫氨酸和苏氨酸的存在可提高赖氨酸的产量，但由于纯氨基酸价格昂贵，生产中常用黄豆水解液来代在可提高赖氨酸的产量，但由于纯氨基酸价格昂贵，生产中常用黄豆水解液来代替。谷氨酸生产中，使用尿素作为氮源，尿素

18、可发生氨基化，从而提高谷氨酸的替。谷氨酸生产中，使用尿素作为氮源，尿素可发生氨基化，从而提高谷氨酸的产量。在使用产量。在使用 Streptococcus zooepidemicus H23 发酵产生透明质酸的试验中，发酵产生透明质酸的试验中，由于酵母粉中含有大量的生长因子，用酵母粉作为氮源，菌体生长良好，透明质由于酵母粉中含有大量的生长因子，用酵母粉作为氮源，菌体生长良好，透明质酸的产量也最高。但使用酸的产量也最高。但使用 Torulopsis glabrata WSH-IP12 发酵产生丙酮酸时，发酵产生丙酮酸时，同样使用酵母粉作为氮源，当酵母粉浓度增加时，虽然细胞干重不断增加同样使用酵母粉

19、作为氮源，当酵母粉浓度增加时，虽然细胞干重不断增加但丙酮酸产量却迅速下降。但丙酮酸产量却迅速下降。v有机氮源除了作为菌体生长繁殖的营养外，有的还是产物的前体有机氮源除了作为菌体生长繁殖的营养外，有的还是产物的前体，如缬氨，如缬氨酸、半胱氨酸和酸、半胱氨酸和 -氨基己二酸是合成青霉素和头孢菌素的主要前体。无机氮源氨基己二酸是合成青霉素和头孢菌素的主要前体。无机氮源一般比有机氮源吸收利用快，但无机氮源的迅速利用常会引起一般比有机氮源吸收利用快，但无机氮源的迅速利用常会引起 pH 的变化。的变化。第14页，共49页，编辑于2022年，星期六（二）氨源的浓度对发酵的影响及控制（二）氨源的浓度对发酵的影

20、响及控制v与碳源相似，氮源的浓度过高，会导致细胞脱水死亡，且影响传质；浓度过低，与碳源相似，氮源的浓度过高，会导致细胞脱水死亡，且影响传质；浓度过低，菌体营养不足，影响产物的合成。不同产物的发酵中，所需的氮的浓度也不同。菌体营养不足，影响产物的合成。不同产物的发酵中，所需的氮的浓度也不同。v例如，例如，谷氨酸发酵需要的氮源比一般的发酵多得多。一般的发酵工业碳氮比为谷氨酸发酵需要的氮源比一般的发酵多得多。一般的发酵工业碳氮比为 100 （0.2 2.0），），谷氨酸发酵的碳氮比为谷氨酸发酵的碳氮比为 100（15 20），当碳氮比为），当碳氮比为 100 11 以上，才开始积累谷氨酸。在谷以上，

21、才开始积累谷氨酸。在谷氨酸发酵中，用于合成菌体的氮仅占总耗用氮的氨酸发酵中，用于合成菌体的氮仅占总耗用氮的 3%6%，而，而 30%80%用于合成谷氨酸。用于合成谷氨酸。在实际生产中，采用尿素或氨水作为氮源时，由于一部分用于调节在实际生产中，采用尿素或氨水作为氮源时，由于一部分用于调节 pH，一些分解而逸出，一些分解而逸出，往往实际用量很大。当培养基中糖浓度为往往实际用量很大。当培养基中糖浓度为 12.5%，总尿素用量为，总尿素用量为 3%时，含碳量为时，含碳量为 5%，含氮，含氮量为量为 1.4%，此时碳氮比为，此时碳氮比为 100 28。氨浓度对谷氨酸的产率也有影响。在菌体生长阶段，。氨浓

22、度对谷氨酸的产率也有影响。在菌体生长阶段，如如 NH4+过量，会抑制菌体生长；在谷氨酸合成阶段，如过量，会抑制菌体生长；在谷氨酸合成阶段，如 NH4+下不足，下不足，-酮戊二酸不能还原氨基化，酮戊二酸不能还原氨基化，而积累而积累 -酮戊二酸，如酮戊二酸，如 NH4+过量，使谷氨酸转化为谷氨酰胺，都会影响谷氨酸的产量。在使用过量，使谷氨酸转化为谷氨酰胺，都会影响谷氨酸的产量。在使用 Streptococcus zooepidemicus H23 发酵产生透明质酸的试验中，当酵母粉的浓度为发酵产生透明质酸的试验中，当酵母粉的浓度为 20 g/L 时，透时，透明质酸的含量、细胞干重、细胞产率均达到最

23、大值，残糖最低。例如，继续提高酵母粉浓度，明质酸的含量、细胞干重、细胞产率均达到最大值，残糖最低。例如，继续提高酵母粉浓度，残糖升高，细胞干重和透明质酸都逐渐下降。残糖升高，细胞干重和透明质酸都逐渐下降。第15页，共49页，编辑于2022年，星期六v此外，为了调节菌体生长和防止菌体衰老自溶，除了基础培养基中的氮源外，有时还需要补加氮源来此外，为了调节菌体生长和防止菌体衰老自溶，除了基础培养基中的氮源外，有时还需要补加氮源来控制浓度。控制浓度。v生产上常用的方法有：生产上常用的方法有：v第一，补加有机氮源，根据微生物的代谢情况，添加某些具有调节生长代谢的有机氮源，如酵第一，补加有机氮源，根据微生

24、物的代谢情况，添加某些具有调节生长代谢的有机氮源，如酵母粉、玉米浆、尿素等。母粉、玉米浆、尿素等。v例如，青霉素发酵中，后期出现糖利用缓慢、菌体浓度变稀、菌丝展不开，例如，青霉素发酵中，后期出现糖利用缓慢、菌体浓度变稀、菌丝展不开，pH 下降下降的现象，补加尿素水溶液就可改变这种状况并提高产量。的现象，补加尿素水溶液就可改变这种状况并提高产量。v第二，补加无机氮源，工业中常用的方法是补加氨水或硫酸铵，其中氨水既可作为无机氮第二，补加无机氮源，工业中常用的方法是补加氨水或硫酸铵，其中氨水既可作为无机氮源，又可调节源，又可调节 pH。在抗生素的发酵工业中，补加氨水可提高产量，如果与其他条件。在抗生

25、素的发酵工业中，补加氨水可提高产量，如果与其他条件配合，有些抗生素的发酵单位可提高配合，有些抗生素的发酵单位可提高 50%。v如在红霉素的发酵生产中加入氨调节如在红霉素的发酵生产中加入氨调节 pH，并且可作为无机氮源，能提高红霉素的产率和有，并且可作为无机氮源，能提高红霉素的产率和有效组分的比例。效组分的比例。（二）氨源的浓度对发酵的影响及控制（二）氨源的浓度对发酵的影响及控制第16页，共49页，编辑于2022年，星期六三、磷酸盐浓度的影响及控制三、磷酸盐浓度的影响及控制v磷是构成蛋白质、核酸和磷是构成蛋白质、核酸和 ATP 的必要元素，足微生物生长繁殖所必需的成分，的必要元素，足微生物生长繁

26、殖所必需的成分，也是合成代谢产物所必需的营养物质。在发酵过程中，微生物从培养基中摄也是合成代谢产物所必需的营养物质。在发酵过程中，微生物从培养基中摄取的磷一般以磷酸盐的形式存在。因此，在发酵工业中，磷酸盐的浓度对菌取的磷一般以磷酸盐的形式存在。因此，在发酵工业中，磷酸盐的浓度对菌体的生长和产物的合成有一定的影响。微生物生长良好时，所允许的磷酸盐体的生长和产物的合成有一定的影响。微生物生长良好时，所允许的磷酸盐浓度为浓度为 0.32 300 mmol/L，但次级代谢产物合成良好时所允许的磷酸盐最，但次级代谢产物合成良好时所允许的磷酸盐最高平均浓度仅为高平均浓度仅为 l mmol/L。当提高到。当

27、提高到 l0 mmol/L时，可明显抑制其合成。菌体生长所时，可明显抑制其合成。菌体生长所允许的浓度和次级代谢产物合成所允许的浓度相差悬殊。因此，控制磷酸盐浓度对微生物允许的浓度和次级代谢产物合成所允许的浓度相差悬殊。因此，控制磷酸盐浓度对微生物次级代谢产物发酵的意义非常大。次级代谢产物发酵的意义非常大。v例如，例如，杆菌肽发酵中无机磷酸盐的浓度应控制在杆菌肽发酵中无机磷酸盐的浓度应控制在 0.1 l mmol/L，这时可以，这时可以合成杆菌肽，不受其影响。但是，如果浓度高于合成杆菌肽，不受其影响。但是，如果浓度高于 l mmol/L，则杆菌肽合成明显受，则杆菌肽合成明显受到抑制。但也有一些产

28、物要求磷酸盐浓度高些，如黑曲霉到抑制。但也有一些产物要求磷酸盐浓度高些，如黑曲霉NRRL330 菌种生产菌种生产 -淀粉淀粉酶，若加入酶，若加入 0.2%磷酸二氢钾则活力可比低磷酸盐提高磷酸二氢钾则活力可比低磷酸盐提高 3倍。还有报道用地衣芽孢倍。还有报道用地衣芽孢杆菌生产杆菌生产 -淀粉酶时，添加超过菌体生长所需的磷酸盐浓度，则能显著增加淀粉酶时，添加超过菌体生长所需的磷酸盐浓度，则能显著增加 -淀粉淀粉酶的产量。酶的产量。第17页，共49页，编辑于2022年，星期六v在磷酸盐浓度的控制方面，通常是在基础培养基中采用适当的浓度给予控制。在磷酸盐浓度的控制方面，通常是在基础培养基中采用适当的浓

29、度给予控制。高浓度磷酸盐对许多抗生素，如链霉素、新霉素、四环素、土霉素、金霉素、高浓度磷酸盐对许多抗生素，如链霉素、新霉素、四环素、土霉素、金霉素、万古霉素等的合成具有阻遏和抑制作用，磷酸盐浓度太低时，菌体生长不够，万古霉素等的合成具有阻遏和抑制作用，磷酸盐浓度太低时，菌体生长不够，也不利于抗生素合成。因此，常采用生长亚适量（对菌体生长不是最适合但也不利于抗生素合成。因此，常采用生长亚适量（对菌体生长不是最适合但又不影响生长的量）的磷酸盐浓度。磷酸盐最适浓度取决于菌种特性、培养又不影响生长的量）的磷酸盐浓度。磷酸盐最适浓度取决于菌种特性、培养条件、培养基组成和原料来源等因素，并结合具体条件和使

30、用的原材料进行条件、培养基组成和原料来源等因素，并结合具体条件和使用的原材料进行实验来确定。培养基中的磷含量还可能因配制方法和灭菌条件不同而有所变实验来确定。培养基中的磷含量还可能因配制方法和灭菌条件不同而有所变化，在使用时应特别小心。在发酵过程中，若发现代谢缓慢、耗糖低的情况，化，在使用时应特别小心。在发酵过程中，若发现代谢缓慢、耗糖低的情况，可适量的补充磷酸盐。可适量的补充磷酸盐。v如：在如：在西所米星西所米星发酵中，高浓度磷酸盐会提高发酵液中淀粉水解酶活力和丙酮酸发酵中，高浓度磷酸盐会提高发酵液中淀粉水解酶活力和丙酮酸浓度、降低碱性磷酸酯酶活力，对西所米星合成产生抑制。所以，西所米星发浓

31、度、降低碱性磷酸酯酶活力，对西所米星合成产生抑制。所以，西所米星发酵生产中采用分段控制发酵液中的磷酸盐浓度，在菌体生长期控制在酵生产中采用分段控制发酵液中的磷酸盐浓度，在菌体生长期控制在 3.14 mmol/L 以内，在产物合成期应控制以内，在产物合成期应控制 0.l mmol/L 以下。以下。第18页，共49页，编辑于2022年，星期六第九章第九章 发酵过程工艺控制发酵过程工艺控制1 培养基对发酵的影响培养基对发酵的影响2 氧对发酵的影响氧对发酵的影响3 温度对发酵的影响及控制温度对发酵的影响及控制4 pH对发酵过程的影响及控制对发酵过程的影响及控制5 泡沫对发酵的影响及控制泡沫对发酵的影响

32、及控制6 流加补料的控制流加补料的控制7 co2 浓度浓度和呼吸商和呼吸商8 微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测 发酵染菌及其防治发酵染菌及其防治 发酵工程发酵工程第19页，共49页，编辑于2022年，星期六9-2 9-2 氧氧对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制1、细胞对氧的需求、细胞对氧的需求 2、培养过程中氧的传质理论、培养过程中氧的传质理论 3、溶解氧的测定方法、溶解氧的测定方法 4、氧传递系数的测定、氧传递系数的测定 5、影响氧传递速率的主要因素、影响氧传递速率的主要因素 6、控制溶氧的工艺手段、控制溶氧的工艺手段 发酵工程发酵工程第20页，共49页，编辑于2022年，

33、星期六 好气性微生物好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因为好气性微生物只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用。为好气性微生物只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用。因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中必须供因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖积累所需要的代谢产物。给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖积累所需要的代谢产物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微而需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧。生物只能利用溶解于液体

34、中的氧。发酵液中溶解氧的多少，一般以发酵液中溶解氧的多少，一般以溶解氧系数（溶解氧系数（Kd）表示。表示。由于各种好气微生物所含的氧化酶体系（如过氧化氢酶、由于各种好气微生物所含的氧化酶体系（如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等）的种类和细胞色素氧化酶、黄素脱氢酶、多酚氧化酶等）的种类和数量不同，在不同环境条件下，各种需氧微生物的吸氧量数量不同，在不同环境条件下，各种需氧微生物的吸氧量或呼吸程度是不同的。或呼吸程度是不同的。第21页，共49页，编辑于2022年，星期六比耗氧速率（呼吸强度）：比耗氧速率（呼吸强度）：单位质量的干细胞在单位时间内消耗氧的量单位质量的干细胞在单位时

35、间内消耗氧的量molO2/（kg干细胞干细胞s）用用Qo2 表示。表示。临界溶氧浓度：临界溶氧浓度：好氧性微生物生长繁殖所需要的最低溶解氧的浓度。好氧性微生物生长繁殖所需要的最低溶解氧的浓度。(mol/m3)摄氧率摄氧率(耗氧速率）耗氧速率）：指单位体积培养液在单位时间内的消耗氧指单位体积培养液在单位时间内的消耗氧 的量，以的量，以 r 表示，单位为表示，单位为molO2/m3s。一、一、细胞对氧的需求细胞对氧的需求 饱和溶氧浓度：饱和溶氧浓度：在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的溶解度。在一定温度和压力下，空气中的氧在水中的溶解度。(mol/m3)1、三三个个基基本本概概念念第22页，共4

36、9页，编辑于2022年，星期六 r=Qo2X 式中：式中：r -微生物耗氧速率微生物耗氧速率molO2/m3s；Qo2-菌体呼吸强度（菌体呼吸强度（比耗氧速率）比耗氧速率）；molO2/（kg干细胞干细胞s）；X -发酵液中菌体浓度（发酵液中菌体浓度（kg/m3）一、一、细胞对氧的需求细胞对氧的需求 2、耗氧速率与呼吸强度之间的关系、耗氧速率与呼吸强度之间的关系第23页，共49页，编辑于2022年，星期六3、注意点、注意点1)判断：在生产中，要保证最高产物产量，供氧时必须使溶氧浓度大于临界溶判断：在生产中，要保证最高产物产量，供氧时必须使溶氧浓度大于临界溶氧浓度（）。溶氧浓度大于临界溶氧浓度可

37、以得到最高的微生物浓度（）。氧浓度（）。溶氧浓度大于临界溶氧浓度可以得到最高的微生物浓度（）。2)碳源种类对细胞的耗氧速度没有影响（）。碳源种类对细胞的耗氧速度没有影响（）。一、一、细胞对氧的需求细胞对氧的需求 3)培养液中基质浓度对细胞的耗氧速度有很大的影响（）。培养液中基质浓度对细胞的耗氧速度有很大的影响（）。例如在链霉素的发酵过程中，初始的摄氧率为例如在链霉素的发酵过程中，初始的摄氧率为34 molO2/m3h，补料后（，补料后（78 h）升为升为40.9 molO2/m3h，随着营养物质的消耗，在，随着营养物质的消耗，在94 h又降到又降到15-20 molO2/m3h。第24页，共4

38、9页，编辑于2022年，星期六4 细胞的耗氧速率与培养时间及细胞浓度有关细胞的耗氧速率与培养时间及细胞浓度有关 Qo2干重PH疣孢漆斑霉在分批培养时比耗氧速率的变化疣孢漆斑霉在分批培养时比耗氧速率的变化Qo2干重r=Qo2Xr 请问耗氧速率和请问耗氧速率和比比耗氧速率耗氧速率(Qo2)在细胞在细胞培养的哪一阶段达到最培养的哪一阶段达到最高值？高值？第25页，共49页，编辑于2022年，星期六5 培养条件（如培养条件（如pH、温度等）对细胞的需氧要求也有影响，、温度等）对细胞的需氧要求也有影响，一些有害代谢产物的积累，也会抑制细胞的呼吸一些有害代谢产物的积累，也会抑制细胞的呼吸。何谓氧的满足度？

39、何谓氧的满足度？问题问题1 举例说说各种氨基酸的生产与最佳溶氧浓度的关系举例说说各种氨基酸的生产与最佳溶氧浓度的关系？为什么？为什么？问题问题2 举例说说微生物的次级代谢产物的生产也与临界溶氧浓度有关举例说说微生物的次级代谢产物的生产也与临界溶氧浓度有关？问题问题3第26页，共49页，编辑于2022年，星期六二、二、培养过程中氧的传质理论培养过程中氧的传质理论 1、氧从气泡到细胞的传递过程、氧从气泡到细胞的传递过程 对于大多数微生物细胞的培养过程，细胞分对于大多数微生物细胞的培养过程，细胞分散在培养液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培散在培养液中，只能利用溶解氧，供氧都是在培养液中通往空气来进行

40、。氧从空气泡传递到细胞养液中通往空气来进行。氧从空气泡传递到细胞内要克服一系列阻力，首先氧须从气相溶解于培内要克服一系列阻力，首先氧须从气相溶解于培养基中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上被利养基中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上被利用。用。第27页，共49页，编辑于2022年，星期六213456789气液界面气液界面气泡气泡液膜液膜液相主体液相主体固液界面固液界面细胞团细胞团液膜液膜细胞膜细胞膜细胞细胞生物反应生物反应氧从气泡到细胞的传递过程示意图氧从气泡到细胞的传递过程示意图二、二、培养过程中氧的传质理论培养过程中氧的传质理论 1、氧从气泡到细胞的传递过程氧从气泡到细胞的传递过程第28页，共

41、49页，编辑于2022年，星期六213456789气液界面气泡液膜液相主体液相主体固液界面细胞团细胞团液膜细胞膜细胞生物反应氧从气泡到细胞的传递过程示意图氧从气泡到细胞的传递过程示意图 氧从空气泡传递到细胞的过程氧从空气泡传递到细胞的过程中需要克服哪几种阻力中需要克服哪几种阻力？p206问题问题1 氧的整个传递过程可分为供氧和耗氧的整个传递过程可分为供氧和耗氧两个方面，请分别指出这两个过程的氧两个方面，请分别指出这两个过程的传氧路线传氧路线？问题问题2第29页，共49页，编辑于2022年，星期六2、氧的传递速率总方程式、氧的传递速率总方程式 OTR=K L（c*-cL）式中：式中：OTR-单位

42、体积培养液中的传氧速率单位体积培养液中的传氧速率(mol/m3s)；KL-以浓度差为推动力的总传质系数（以浓度差为推动力的总传质系数（m/s)比表面积（比表面积（m2/m3)KL-以浓度差为推动力的体积传递系数以浓度差为推动力的体积传递系数,(s-1）；）；cL-溶液中氧的实际浓度（溶液中氧的实际浓度（mol/m3）；）；c*-与气相中氧分压与气相中氧分压p平衡时溶液中氧浓度平衡时溶液中氧浓度,(mol/m3）。）。第30页，共49页，编辑于2022年，星期六二、二、培养过程中氧的传质理论培养过程中氧的传质理论 3、气体溶解过程的双膜理论、气体溶解过程的双膜理论 氧首先由气相扩散到气液两相接触

43、界面氧首先由气相扩散到气液两相接触界面,再进入液相再进入液相,界面的一侧是气膜界面的一侧是气膜,另一侧是液膜另一侧是液膜,氧从气相扩散到液相必氧从气相扩散到液相必须穿过这两层膜。须穿过这两层膜。氧从空气主流扩散到气液界面的推动力是空气中氧的分氧从空气主流扩散到气液界面的推动力是空气中氧的分压力与界面处氧分压之差，氧穿过界面溶于液体，继续扩压力与界面处氧分压之差，氧穿过界面溶于液体，继续扩散到液体中的推动力是界面处氧的浓度与液体中氧浓度之散到液体中的推动力是界面处氧的浓度与液体中氧浓度之差。（差。（P207）第31页，共49页，编辑于2022年，星期六三、三、溶解氧的测定方法溶解氧的测定方法 1

44、、化学法、化学法 化学法的优点是测定比较准确，能直接得到氧的浓度，化学法的优点是测定比较准确，能直接得到氧的浓度，往往是其他测定方法的基础，也常用于衡量其他方法的准确往往是其他测定方法的基础，也常用于衡量其他方法的准确性。性。2、极谱法、极谱法 3、复膜氧电极法、复膜氧电极法 4、压力法、压力法 复膜氧电极测定的是氧的分压复膜氧电极测定的是氧的分压 第32页，共49页，编辑于2022年，星期六四、四、氧传递系数（氧传递系数（KLa）的测定）的测定1、亚硫酸盐氧化法、亚硫酸盐氧化法 2、取样极谱法、取样极谱法 3、物料衡算法、物料衡算法 4、动态法、动态法 5、排气法、排气法 6、复膜电极法、复

45、膜电极法第33页，共49页，编辑于2022年，星期六五、五、影响氧传递速率的主要因素影响氧传递速率的主要因素 根据气液传递速率方程：根据气液传递速率方程：OTR=K L（c*-cL）凡是影响推动力凡是影响推动力c*-cL、比表面积比表面积和传递系数的因素都会和传递系数的因素都会影响氧传递速率。影响氧传递速率。1、溶液的性质对氧的溶解度的影响、溶液的性质对氧的溶解度的影响 随温度的升高而降低随温度的升高而降低与酸的种类及浓度有关与酸的种类及浓度有关电解质溶液氧的溶解度降低电解质溶液氧的溶解度降低（为什么）（为什么）第34页，共49页，编辑于2022年，星期六 要要提提高高氧氧在在溶溶液液中中的的

46、溶溶解解度度的的方方法法有有多多种种，其其中中最最简简单单的的方方法法是是增增加加罐罐压压。但但是是要要注注意意的的是是增增加加罐罐压压虽虽然然提提高高了了氧氧的的分分压压，从从而而增增加加了了氧氧的的溶溶解解度度，但但其其他他气气体体成成分分（如如CO2）分分压压也也相相应应增增加加，且且由由于于CO2的的溶溶解解度度比比氧氧大大得得多多，因因此此不不利利于于液液相相中中CO2的的排排出出，而而影影响响了了细细胞胞的的生生长长和和产产物物的代谢，所以增加罐压是有一定限度的。的代谢，所以增加罐压是有一定限度的。另另一一种种方方法法是是增增加加空空气气中中氧氧的的含含量量，进进行行富富氧氧通通气

47、气操操作作。即即通通过过深深冷冷分分离离法法、吸吸附附分分离离法法及及膜膜分分离离法法制制得得富富氧氧空空气气，然然后后通通入入培培养养液液。目目前前由由于于这三种分离方法的成本都较高，富氧通气还处于研究阶段。这三种分离方法的成本都较高，富氧通气还处于研究阶段。提高氧在溶液中的溶解度的最直接方法方提高氧在溶液中的溶解度的最直接方法方法有哪些法有哪些？问题问题第35页，共49页，编辑于2022年，星期六2、气液比表面积、气液比表面积 比表面积：气泡表面积与体积之比，比表面积越大，氧传递速比表面积：气泡表面积与体积之比，比表面积越大，氧传递速率越大，主要体现以下三个方面：率越大，主要体现以下三个方

48、面：A、气液比表面积的大小取决于截留在培养液的气体体积以及气泡的大小。截留在液体中、气液比表面积的大小取决于截留在培养液的气体体积以及气泡的大小。截留在液体中的气体越多，气泡的直径越小，那么气泡比表面积就越小。的气体越多，气泡的直径越小，那么气泡比表面积就越小。B、搅拌对比表面积的影响较大。因为搅拌一方面可使气泡、搅拌对比表面积的影响较大。因为搅拌一方面可使气泡在液体中产生复杂的运动，延长停留时间，增大气体的截留在液体中产生复杂的运动，延长停留时间，增大气体的截留率，另一方面搅拌的剪切作用又使气泡粉碎，减小气泡的直率，另一方面搅拌的剪切作用又使气泡粉碎，减小气泡的直径。径。说说搅拌对比表面积的

49、影响说说搅拌对比表面积的影响？问题问题C、增大通气量可增加空气的截留率，从而使比表面积增大。、增大通气量可增加空气的截留率，从而使比表面积增大。第36页，共49页，编辑于2022年，星期六3、搅拌、搅拌 搅拌的作用搅拌的作用：把通入的气体打碎，强化湍流程度，使空把通入的气体打碎，强化湍流程度，使空气与发酵液充分混合，气、液、固三相更好地气与发酵液充分混合，气、液、固三相更好地接触，增加了溶氧速率，使微生物悬浮混合均接触，增加了溶氧速率，使微生物悬浮混合均匀，促进代谢产物的传质速率。匀，促进代谢产物的传质速率。搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器的型式、直径大小、转速、组数、搅拌器间距以及

50、在罐内的相对位置等对氧的传搅拌器间距以及在罐内的相对位置等对氧的传递速率都有影响。递速率都有影响。#搅拌器搅拌器#第37页，共49页，编辑于2022年，星期六1）搅搅拌拌能能把把大大的的空空气气泡泡打打碎碎成成为为微微小小气气泡泡，增增加加了了氧氧与与液液体体的的接接触触面面积积，而而且且小小气气泡泡的的上上升升速速度度要要比比大大气气泡泡慢慢，相相应应地地氧氧与与液液体体的的接接触时间也就增长；触时间也就增长；2）搅搅拌拌使使液液体体作作涡涡运运动动，使使气气泡泡不不是是直直线线上上升升而而是是作作螺螺旋旋运运动动上上升升，延长了气泡的运动路线，增加了气液的接触时间；延长了气泡的运动路线，增