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1、第七章 发酵过程的控制,1,行业实操,主要的控制参数,1、pH值（酸碱度） 2、温度 3、溶解氧浓度 4、基质含量 5、空气流量 6、压力 7、搅拌转速 8、搅拌功率,9、黏度 10、浊度 11、料液流量 12、产物的浓度 13、氧化还原电位 14、废气中的氧含量 15、废气中的CO 2含量 16、菌丝形态 17、菌体浓度,2,行业实操,第一节 温 度 控 制,一、发酵热 伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热 1、生物热 微生物在生长繁殖过程中，本身产生的热 2、搅拌热 Q搅拌=P 3061（kJ/h）,3,行业实操,3、蒸发热 Q蒸发=qm（H出-H进）， qm ：空气流量；I：气体热焓； 4
2、、辐射热 Q发酵 = Q生物 + Q搅拌 - Q蒸发 - Q辐射,4,行业实操,二、发酵热的测量及计算 发酵热的测定可采用以下几种方法： 利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，根据 Q发酵 = qvC（t2 t1）/V； qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg ；V为发酵液体积，m3,5,行业实操,利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率，根据 Q发酵 = （M1C1 + M2C2）V； M1：发酵液质量 kg M2：发酵罐质量kg C1 发酵液的比热容，kJ/kg C2 发酵罐的比热容， kJ/kg V为温度上升速率/h
3、 热力学方法：,6,行业实操,三、温度对微生物生长的影响 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致可分为四类： 嗜冷菌适应于026生长，嗜温菌适应于1543 生长，嗜热菌适应于3765 生长，嗜高温菌适应于65 以上生长,7,行业实操,影响酶的活性、影响细胞内各种反应速度 最低生长温度、最高生长温度、最适生长温度 在最适范围内生长速度随温度升高而增加，生长周期缩短 不同生长阶段的微生物对温度的反应不同,8,行业实操,四、温度对发酵的影响 1、影响反应速度 2、温度影响酶系的组成及酶的特性,9,行业实操,3、温度影响发酵的方向 四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温
4、度低于30 时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到 35 时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。 4、温度还影响基质溶解度 在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。,10,行业实操,五、最适温度的控制 1、根据菌种及生长阶段来选择 微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为37， 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为3032 ， 青霉菌生长温度为30 。,11,行业实操,2、根据培养条件选择 温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率
5、降低些，溶氧浓度也可髙些。 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。,12,行业实操,3、根据菌生长情况 菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。 总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度,13,行业实操,例子：利用热冲击处理技术来提高甘油的产量,背景： （1）酵母在比常规发酵温度髙1020的温度下经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。 （2）Lewis发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力 （3）Toshiro发
6、现热冲击可使胞内3磷酸甘油脱氢酶的活力提高1525，并导致甘油产量提高,14,行业实操,实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量 正交条件A 冲击温度 （ ） 40，45，50 B 开始时机（h） 8，16，30 C 冲击时间（分） 15，30，60 结果发酵16小时，45冲击30分钟最佳，发酵96小时后甘油浓度提高32.6， （A）16h,45,30min （B）12h,45,30min,15,行业实操,16,行业实操,17,行业实操,第二节 pH 值 的 控制,一、pH值对菌体生长和代谢产物合成的影响 菌种不同，对pH要求不同 菌种相同，pH不同，形成
7、的产物不同 菌种生成和发酵的最适pH不同，形成的产物不同,18,行业实操,pH对微生物生长繁殖和代谢产物形成影响的主要原因： 1、影响原生质膜的性质 2、影响酶的活性 3、影响营养物质和中间代谢产物的解离,19,行业实操,二、影响pH值变化的因素 1、基质代谢 （1）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一 （2）氮代谢 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。 （3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降,20,行业实操,2、产物形成 某些产物本身呈酸性
8、或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。 3、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。,21,行业实操,三、发酵过程pH值的调节及控制 1、调整培养基的组分 2、在发酵过程中进行控制 添加CaCO3： 氨水流加法 尿素流加法 3、通过补料调pH 4、当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH,22,行业实操,例： 配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况,pH对产海藻酸裂解酶的影响,23,行业实操,例子：不同调pH方法的影响,分别在4种缓冲介质中，于pH 650一950测定天冬酰胺酶酶活力 1 甘氨酸介质pH 8.00时酶活力最高；
9、 2 硼酸在pH 8.50，酶反应最快 3 磷酸在pH 8.50，酶反应最快 4 Tris在pH 8.50，酶反应最快 酶活1243,24,行业实操,不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。 “1”表示只加CaC03控制pH值，“2”表示只加尿素控制，“3”表示CaC03和尿素联合控制pH值。,异亮氨酸发酵,25,行业实操,不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于75时，菌体易于老化，呈现球状；当pH值低于65时菌体同样受抑制，易于老化。而在72左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在69左右时，菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优势。,2
10、6,行业实操,27,行业实操,pH69时，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值为7.15，到80h后pH值为7.25。产率22.27g/L，产酸率提高12.23。,28,行业实操,第 三 节 泡 沫 的 控 制,一、泡沫的性质 1、泡沫产生 通气搅拌；微生物代谢产生 2、泡沫带来的危害 减少发酵的有效容积 液体溢出，增加染菌机会 降低菌体利用率 影响通气搅拌,29,行业实操,3、泡沫的性质 泡沫实际上是气溶胶构成的胶体系统，其分散相是空气和代谢气，连续相是发酵液，泡沫间隔着一层液
11、膜而被彼此分开不相连通。,30,行业实操,二、发酵过程泡沫的变化 1、通气和搅拌的影响 2、培养基组成的影响 3、菌体的影响 三、化学消泡 优点：来源广泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易实现自动控制 1、化学消泡机理 消泡剂表面张力低，使气泡膜局部的表面张力降低，使得平衡受到破坏,31,行业实操,2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类 （1）选用依据： 表面活性剂 对气-液界面的散布系数必须足够大 无毒害性，且不影响发酵菌体； 不干扰各种测量仪表的使用； 在水中的溶解度较小 来源方便，成本低,32,行业实操,（2）消泡剂种类： 天然油脂； 高碳醇、脂肪酸和酯类； 聚醚类； 硅酮类； 3
12、、消泡剂的应用和增效作用 消泡剂 + 载体 复合消泡剂 消泡剂 + 乳化剂,33,行业实操,四、机械消泡 1、消泡机理 靠机械强烈振动、压力的变化，促使气泡破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收 2、优点 节省原料，减少由于消泡剂所引起的污染机会 3、缺点 需要一定的设备和消耗一定的动力 不能从根本上消除引起泡沫温定的因素,34,行业实操,4、机械消泡装置的选择依据 动力小； 结构简单； 易清洁； 运行可靠； 维护费用低；,35,行业实操,5、消泡方式 （1）罐内消泡 耙式消泡浆的机械消泡,36,行业实操,旋转圆板式的机械消泡,37,行业实操,流体吹入式消泡,38,行业实操,气体吹入管
13、内吸引消泡,39,行业实操,冲击反射板消泡,40,行业实操,超声波消泡,41,行业实操,碟片式消泡器的机械消泡,42,行业实操,（2）罐外消泡 旋转叶片罐外消泡,43,行业实操,喷雾消泡,44,行业实操,离心力消泡,45,行业实操,旋风分离器消泡,46,行业实操,转向板消泡,47,行业实操,第 四 节 补 料 的 控 制,补料培养（fedbatch culture，FBC）的优点: 1、可以解除底物抑止、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏 2、减少细胞对发酵液流变学的影响 3、控制细胞质量的手段 4、理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础,48,行业实操,一、FBC的作用 1、可以控制抑
14、制性底物的浓度 2、可以解除或减弱分解代谢物的阻遏 3、可以使发酵过程最佳化,49,行业实操,二、补料的内容 （1）补充微生物能源和碳源 （2）补充菌体所需要的氮源 （3）加入某些微生物生长或合成所需要的微量元素或无机盐 （4）加入某些诱导酶的作用底物,50,行业实操,三、补料的原则 1、根据菌体本身的遗传特性、生长代谢规律 2、根据生产需要 四、补糖的控制 1、补糖的时间 与培养基中的碳源种类、用量、消耗速度、前期发酵条件、菌种特性、种子质量等有关 2、补糖的方式和控制指标,51,行业实操,例： 方式A：12h补加 方式B：24h补加 方式C：12h开始，间隔8h 分4次补加 方式D：12h
15、开始，间隔4h，分8次补加,52,行业实操,五、补充氮源和无机盐 方式A：发酵24h，一次性补充酵母粉 0.3g 方式B：于12h、24h、36h分次补加0.1 方式C：从12h后，每隔4h补加，共8次 方式D：从24h后，每隔4h补加，共6次,53,行业实操,在发酵30h，一次性加入0.1%、0.2、0.3、0.4的次黄嘌呤对鸟苷产量的影响,54,行业实操,第五节 菌体浓度与基质对发酵的影响,一、菌体浓度对发酵的影响 菌体浓度与菌体生长速率直接相关 菌体浓度的大小影响产物的得率 控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓度,55,行业实操,二、基质对发酵的影响及控制 1、碳源对发酵的影响及控制 不同碳源对毛霉产蛋白酶的影响,56,行业实操,不同浓度麦芽糖对产酶的影响,57,行业实操,2、氮源的种类和浓度对发酵的影响及控制 不同氮源对毛霉产蛋白酶的影响,58,行业实操,59,行业实操,3、磷酸盐浓度对发酵的影响及控制,60,行业实操,思考题： 温度对微生物的生长和发酵有何影响。 pH对微生物生长和代谢产物形成的原因。,61,行业实操,