第七章 发酵工艺控制

为什么不同微生物对温度要求不同呢？
根据细胞膜脂质成分分析表明不同 最适温度生长的微生物，其膜内磷脂组 成有很大区别。 嗜热菌只含饱和脂肪酸， 嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
三、温度对发酵的影响
1.温度影响反应速率*** 发酵过程的反应速率实际是酶反应速率， 酶反应有一个最适反应温度，低于最适温 度，反应速率随温度升高而上升，高于最 适温度，发酵速率随温度升高而下降。 阿累尼乌斯方程式
• （3）其他发酵条件
• 根据培养条件综合考虑，灵活选择温度。 • 1.通气条件差时可适当降低温度，使菌呼 吸速率降低些，溶氧浓度提高一些；***
• 2.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。
4）变温培养 ***
• 在抗生素发酵过程中，采用变温培养往往 会比恒温培养获得的产物更多。 青霉素发酵 • 0～5 h,30 ℃,5～35 h 25℃,35～85 h,20 ℃,最后回升到25 ℃培养 40 小时 放罐,比恒温 25 ℃培养提高 14.7 %。
第七章 发酵工艺控制
• 重点掌握: 温度、pH、溶解氧、菌体浓度、基 质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵 过程的影响
一、发酵过程的主要控制参数***
(1) 温度 最适生长温度与最佳代谢产物合成温 度往往不同。 （2）pH 菌体的代谢影响培养基的pH，培养基 的pH又影响菌体的生长和酶系统活性 和代谢途径。 （3）溶解氧的浓度（DO） 溶解氧是需氧菌发酵的 必要条件。 （4）基质含量 要保证菌体生长、维持生存、避 免抑制、合成产物等不同目的和阶段的 工艺需要。
通 用 式 发 酵 罐
工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程 中一般不需要加热，因发酵中释放了大量 的发酵热，需要冷却的情况较多。 利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却 水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热 交换来降温，保持恒温发酵。 如果气温较高（特别是我国南方的夏季气 温），冷却水的温度又高，致使冷却效果 很差，达不到预定的温度，就可采用冷冻 盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温 度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷 却能力，以保证在正常温度下进行发酵。
• 四、最适温度的选择
一、影响发酵温度的因素

发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。
•菌分解基质产生热量， •搅拌产生热量， •罐壁散热， •水分蒸发、空气排气带走热量， •发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大， 温度上升快；发酵热小，温度上升慢。
生物热Q生物 微生物在生长繁殖过程中，产生热量， 部分用来合成高能化合物，供微生物合成 和代谢活动的需要，部分用来合成产物， 其余部分则以热形式散发出来，这部分热 叫生物热。
如何确定发酵pH值?
将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发酵， 在发酵过程中，定时测定和调节pH值，以分别维 持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维 持。 到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高 值的pH值为菌体生长的合适pH值。 用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。 同一产品的合适pH值，与所用的菌种、培养基组 成和培养条件有关。在确定合适发酵pH值时，不 定期要考虑培养温度的影响。
（5）空气流量
空气灭菌系统、流量、温度、 目的是供氧。
（6）罐压 正压防止空气中的杂菌侵入发酵液， 罐压过高时CO2 浓度陡增，负面作用。 （7）搅拌速度 延长空气的停留时间，提高溶 氧；促进菌体与培养基之间的质量传递。 过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫。 （8）搅拌功率 其成本比重较大。
（9）粘度
第2节 pH值对发酵的影响及其控制 一、pH 对发酵的影响 1. pH影响酶的活性。 2. pH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。 3. pH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。 4. pH不同，代谢过程不同，使代谢产物的质 量和比例发生改变。

在最适温度范围内，微生物生长迅速，生 长速率随温度升高而增加，温度增加10℃， 生长速率增长一倍。 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，世代时间无限延长。 如黑曲霉生长温度为37。 谷氨酸棒状杆 菌生长温度为30～32 。青霉菌生长温度 为30。
第3节 溶解氧对发酵的影响及其控制
• 一般，微生物在发酵过程中的需氧量为20 ~
50 mmol / L· ，而空气中的氧在培养液中 h
的饱和浓度在一个大气压，25 0C 时，大约是
0.2 mmol / L。在这种情况下。如果外界不
能及时补充氧，则原来培养液中的氧只能维持
2、生产阶段：这个阶段 pH 值趋于稳定。 3、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的 活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升， 此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。
pH值
培养过程中培养 液pH值的大致
变化趋势
培养时间
由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌 体本身具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变化 过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的pH就会波 动。
影响关键酶活性改变发酵途径. 如四环素产生菌金色链霉菌 低于30℃时合成金霉素能力较强。 • 温度提高,合成四环素的比例提高。 • 温度达到35℃时金霉素的合成几乎停止， 只产生四环素。

生长不同阶段最适温度也不同 ***
• 在发酵前期，由于菌量少，培养目的是尽快达 到大量的菌体，因此取稍高的温度，促使菌的 生长及代谢。 • 中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要 延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍 低些，可以推迟菌体衰老。在稍低温度下，氨 基酸合成蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较 严密，有利于产物合成。
发酵过程的主要控制参数
• • • • • • • • pH值（酸碱度） 温度（℃） 溶解氧浓度 基质含量 空气流量 压力 搅拌转速 搅拌功率 粘度
•
• • • •
浊度
料液流量 产物浓度 氧化还原电位 废气中的氧含量
•
• •
废气中的CO2含量
菌丝形态 菌体浓度
二、发酵过程的参数检测
• 1.直接状态参数 • 2.间接状态参数 • 3.离线发酵分析方法
• 辐射热Q辐射 • 发酵罐内温度与环境温度不同，发 酵液中有部分热通过罐体向外辐射。 辐射热的大小取决于罐内与环境的 温差。冬天大一些，夏天小一些。
• Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
二、温度对微生物的生长的影响
微生物生长对温度要求不同，大致可分为： •嗜冷菌： 20℃ 最大 0℃～26℃生长， •嗜温菌： 30～35℃ 15℃～43℃生长， •嗜热菌： 50℃ 37℃～65℃生长。 最适温度 最高温度 最低温度
菌体浓度增大时，粘度增加，溶氧 下降。 （10）浊度 能直接反应菌体的浓度，但不能区 分菌体的死活。 （11）料液流量 连续发酵时，涉及稀释率. （12）产物浓度 生产目标。 （13）氧化还原电位 其原因往往十分复杂。测 量手段有待开发。
（14）废气中的氧含量
（15）废气中的CO2 从中可了解生产 菌株的呼吸代谢规律。 （16）生产菌形态判别种子质量、区分 发酵阶段、确认染菌的重要依据。 （17）生产菌浓度 是确定补料量、供 气量、阶段转换的重要依据。
简述一般发酵过程pH值如何变化？
在发酵过程中，随着菌种对培养基各种碳、 氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会 使pH值产生一定的变化。
1、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中 的蛋白质，生成铵离子，使pH上升至碱性；随 着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖 利用过程中有机酸的积累使pH值下降。
三、pH 值的调控策略
1.考虑基础培养基配方,调节好基础料的pH，然后通 过加酸碱或中间补料来控制。 基础料中含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH。 有机酸或氨水调节注意监测氧浓度变化防止菌体 出现氨中毒。 若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到 6.5～6.8。 2.在基础料中加入维持pH 的物质，如CaCO3
• 3、离线发酵分析方法
• 从发酵液中取出样品进行离线分析, • 分析菌体浓度，形态、培养基成分和产物 成分及含量。 • 显微观察，细胞体积，干重，光密度，平 板计数及基质及产物分析等。
第1节 温度对发酵的影响及其控制
• 一、影响发酵温度的因素 • 二、温度对微生物的生长的影响
• 三、温度对发酵的影响
例如
• 黑曲霉 pH 2～3时 合成 柠檬酸 pH近中性时 合成 草酸 谷氨酸棒状杆菌 谷氨酸发酵 中性和微碱 谷氨酸， 酸性 谷氨酰胺和 N-乙酰谷氨酰胺
二、最适pH值的选择
选择最适发酵pH的准则是获得最大比生产 速率和合适的菌体量,以获得最高产量。 • 举例: • 图8-1 利福霉素,最适 pH 值 7.0～7.5

• 发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶 解度和传递速率、某些基质的分解吸收速 率等，都受温度变化的影响，进而影响发 酵动力学特性和产物的生物合成。***
L-亮氨酸/g•L 糖酸转化率/%
20 16 12 8 24 22
种子培养温度/℃
L-亮氨酸
2.温度影响发酵方向
搅拌热 Q搅拌

搅拌热与搅拌功率有关，可用下式计算：
Q搅拌= P×860×4186.8 〔J/h〕 P——搅拌轴功率 860×4186.8——机械能转变为热能的热 功当量


蒸发热 Q蒸发 通气时引起发酵液的水分蒸发所 需的热量叫蒸发热，此外排气也会带 走部分热量叫显热 Q显，显热很小，一 般可忽略。
3.通过补料调节pH
在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。 在补料与调 pH 没有矛盾时采用补料调 pH。 （1）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH 。 (2）当NH2-N低，pH 低时补氨水；当NH2-N低， pH 高时补(NH4)2SO4 。 4.当补料与调 pH 发生矛盾时，加酸碱调pH。