1、1第七章 發酵過程的控制2主要的控制參數n1、pH值（酸堿度）n2、溫度n3、溶解氧濃度n4、基質含量n5、空氣流量n6、壓力n7、攪拌轉速n8、攪拌功率n9、黏度n10、濁度n11、料液流量n12、產物的濃度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n17、菌體濃度3 第一節 溫 度 控 制n一、發酵熱n伴隨發酵的進行而產生的熱量叫發酵熱 n1、生物熱n微生物在生長繁殖過程中，本身產生的熱n2、攪拌熱n Q攪拌=P 3061（kJ/h）4n3、蒸發熱nQ蒸發=qm（H出-H進）， qm ：空氣流量；I：氣體熱焓；n4、輻射熱nQ發酵 = Q生物 +

2、 Q攪拌 - Q蒸發 - Q輻射5n二、發酵熱的測量及計算n發酵熱的測定可采用以下幾種方法：n利用熱交換原理，測量一定時間內冷卻水的流量和冷卻水進出口溫度，根據n Q發酵 = 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為發酵液體積，m36n利用溫度變化率：先使罐溫恒定，再關閉自控裝置，測量溫度隨時間上升的速率，根據nQ發酵 = （M1C1 + M2C2）V；nM1：發酵液質量 kg M2：發酵罐質量kgnC1 發酵液的比熱容，kJ/kg C2 發酵罐的比熱容， kJ/kg V為溫度上升速率/hn熱力學方法：反應物產物000ffHHH7n三、溫度對

3、微生物生長的影響 不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據它們對溫度的要求大致可分為四類： 嗜冷菌適應于026生長，嗜溫菌適應于1543 生長，嗜熱菌適應于3765 生長，嗜高溫菌適應于65 以上生長 8n影響酶的活性、影響細胞內各種反應速度n最低生長溫度、最高生長溫度、最適生長溫度n在最適范圍內生長速度隨溫度升高而增加，生長周期縮短n不同生長階段的微生物對溫度的反應不同9n四、溫度對發酵的影響n1、影響反應速度n2、溫度影響酶系的組成及酶的特性10n3、溫度影響發酵的方向 四環素產生菌金色鏈霉菌同時產生金霉素和四環素，當溫度低于30 時，這種菌合成金霉素能力較強；溫度提高，合成四環素的比例也提

4、高，溫度達到 35 時，金霉素的合成幾乎停止，只產生四環素。 4、溫度還影響基質溶解度 在發酵液中的溶解度也影響菌對某些基質的分解吸收。因此對發酵過程中的溫度要嚴格控制。11n五、最適溫度的控制1、根據菌種及生長階段來選擇n微生物種類不同，所具有的酶系及其性質不同，所要求的溫度范圍也不同。n如黑曲霉生長溫度為37，n谷氨酸產生菌棒狀桿菌的生長溫度為3032 ，n青霉菌生長溫度為30 。12n2、根據培養條件選擇、根據培養條件選擇n溫度選擇還要根據培養條件綜合考慮，靈活選擇。n通氣條件差時可適當降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。n培養基稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營養利用快，會

5、使菌過早自溶。13n3、根據菌生長情況、根據菌生長情況n 菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。培養條件適宜，如營養豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長。n 總的來說，溫度的選擇根據菌種生長階段及培養條件綜合考慮。要通過反復實踐來定出最適溫度14例子：利用熱沖擊處理技術來提高甘油的產量n背景：n（1）酵母在比常規發酵溫度髙1020的溫度下經受一段時間刺激后，胞內海藻糖的含量顯著增加。n（2）Lewis發現熱沖擊能提高細胞對鹽滲透壓的耐受力n（3）Toshiro發現熱沖擊可使胞內3磷酸甘油脫氫酶的活力提高1525，并導致甘油產量提高15n實驗：甘油

6、發酵是在髙滲透壓環境中進行的，因此可望通過熱沖擊來提高發酵甘油的產量n正交條件A 沖擊溫度 （ ） 40，45，50n B 開始時機（h） 8，16，30n C 沖擊時間（分） 15，30，60n結果發酵16小時，45沖擊30分鐘最佳，發酵96小時后甘油濃度提高32.6，n（A）16h,45,30minn（B）12h,45,30min161718 第二節 pH 值 的 控制n一、pH值對菌體生長和代謝產物合成的影響n菌種不同，對pH要求不同n菌種相同，pH不同，形成的產物不同n菌種生成和發酵的最適pH不同，形成的產物不同19pH對微生物生長繁殖和代謝產物形成影響的主要原因：1、影響原生質膜的性

7、質2、影響酶的活性3、影響營養物質和中間代謝產物的解離20n二、影響pH值變化的因素n1、基質代謝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，是補料的標志之一n（2）氮代謝 當氨基酸中的-NH2被利用后pH會下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當碳源不足時氮源當碳源利用pH上升。n（3）生理酸堿性物質利用后pH會上升或下降21 2、產物形成 n 某些產物本身呈酸性或堿性，使發酵液pH變化。如有機酸類產生使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，發酵后期，pH上升。22n三、發酵過程p

8、H值的調節及控制n1、調整培養基的組分n2、在發酵過程中進行控制n添加CaCO3： n氨水流加法 n尿素流加法 n3、通過補料調pHn4、當補料與調pH發生矛盾時，加酸堿調pH23例：例： 配制不同初始配制不同初始pH的培養基，搖瓶考察發酵情況的培養基，搖瓶考察發酵情況pH對產海藻酸裂解酶的影響對產海藻酸裂解酶的影響24例子：不同調例子：不同調pH方法的影響方法的影響n分別在分別在4種緩沖介質中，于種緩沖介質中，于pH 650一一950測定天冬酰胺酶測定天冬酰胺酶酶活力酶活力n1 甘氨酸介質甘氨酸介質pH 8.00時酶活力時酶活力最高；最高；n2 硼酸在硼酸在pH 8.50，酶反應最快，酶反應

9、最快n3 磷酸在磷酸在pH 8.50，酶反應最快，酶反應最快n4 Tris在在pH 8.50，酶反應最快，酶反應最快n酶活酶活124325 不同pH控制方式對目的突變株ISw330異亮氨酸搖瓶發酵的影響，結果如圖所示。 “1”表示只加CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素聯合控制pH值。異亮氨酸發酵異亮氨酸發酵26 不同pH值對菌體的形態影響很大，當pH值高于75時，菌體易于老化，呈現球狀；當pH值低于65時菌體同樣受抑制，易于老化。而在72左右時，菌體是處于產酸期，呈現長的橢圓形；在69左右時，菌體處于生長期，呈“八”字形狀并占有絕對的優勢。2728 pH6

10、9時，菌體生長旺盛，pH7.15時，對菌體的產酸有利。因此，在發酵的產酸期產酸較高。采用階段pH控制模式進行發酵，在發酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值為7.15，到80h后pH值為7.25。產率22.27g/L，產酸率提高12.23。29 第 三 節 泡 沫 的 控 制n一、泡沫的性質n1、泡沫產生n通氣攪拌；微生物代謝產生n2、泡沫帶來的危害n減少發酵的有效容積n液體溢出，增加染菌機會n降低菌體利用率n影響通氣攪拌 30n3、泡沫的性質n 泡沫實際上是氣溶膠構成的膠體系統，其分散相是空氣和代謝氣，連續相是發酵液，泡沫間隔著一層液膜而被彼此分開不相連通。31n二、發酵過程泡沫的變化n1

11、、通氣和攪拌的影響n2、培養基組成的影響n3、菌體的影響n三、化學消泡n優點：來源廣泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易實現自動控制n1、化學消泡機理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、消泡劑選擇的依據及常用的消泡劑種類n（1）選用依據：n表面活性劑n對氣-液界面的散布系數必須足夠大n無毒害性，且不影響發酵菌體；n不干擾各種測量儀表的使用；n在水中的溶解度較小n來源方便，成本低33n（2）消泡劑種類：n天然油脂；n高碳醇、脂肪酸和酯類；n聚醚類；n硅酮類；n3、消泡劑的應用和增效作用n消泡劑 + 載體n復合消泡劑n消泡劑 + 乳化劑34n四、機械消

12、泡n 1、消泡機理n 靠機械強烈振動、壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分離回收n2、優點n節省原料，減少由于消泡劑所引起的污染機會n3、缺點n需要一定的設備和消耗一定的動力n不能從根本上消除引起泡沫溫定的因素35n4、機械消泡裝置的選擇依據n動力小；n結構簡單；n易清潔；n運行可靠；n維護費用低；36n5、消泡方式n（1）罐內消泡n耙式消泡漿的機械消泡37n旋轉圓板式的機械消泡38n流體吹入式消泡39n氣體吹入管內吸引消泡40n沖擊反射板消泡41n超聲波消泡42n碟片式消泡器的機械消泡43n（2）罐外消泡n旋轉葉片罐外消泡44n噴霧消泡45n離心力消泡46n旋風分離器

13、消泡47n轉向板消泡48 第 四 節 補 料 的 控 制n補料培養（fedbatch culture，FBC）的優點:n1、可以解除底物抑止、產物反饋抑制和分解代謝物的阻遏n2、減少細胞對發酵液流變學的影響n3、控制細胞質量的手段n4、理論研究的手段，為自動控制和最優控制提供實驗基礎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、可以使發酵過程最佳化50n二、補料的內容n（1）補充微生物能源和碳源n（2）補充菌體所需要的氮源n（3）加入某些微生物生長或合成所需要的微量元素或無機鹽n（4）加入某些誘導酶的作用底物51n三、補料的原則n1、根據菌體本身

14、的遺傳特性、生長代謝規律n2、根據生產需要n四、補糖的控制n1、補糖的時間n與培養基中的碳源種類、用量、消耗速度、前期發酵條件、菌種特性、種子質量等有關n2、補糖的方式和控制指標52n例：n方式A：12h補加 方式B：24h補加n方式C：12h開始，間隔8h 分4次補加n方式D：12h開始，間隔4h，分8次補加53n五、補充氮源和無機鹽n方式A：發酵24h，一次性補充酵母粉 0.3gn方式B：于12h、24h、36h分次補加0.1n方式C：從12h后，每隔4h補加，共8次n方式D：從24h后，每隔4h補加，共6次54n在發酵30h，一次性加入0.1%、0.2、0.3、0.4的次黃嘌呤對鳥苷產量的影響55第五節 菌體濃度與基質對發酵的影響n一、菌體濃度對發酵的影響n菌體濃度與菌體生長速率直接相關n菌體濃度的大小影響產物的得率n 控制培養基中營養物質的含量來控制菌體濃度56n二、基質對發酵的影響及控制n1、碳源對發酵的影響及控制n 不同碳源對毛霉產蛋白酶的影響57n不同濃度麥芽糖對產酶的影響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、