第五章 发酵过程控制
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微生物工程第5章发酵过程及控制
（三）、pH在发酵过程中的变化规律
在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少， 铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。
随菌的生长，菌分解了含氮有机物，释放出 铵，培养基的pH会缓慢上升。
当菌转入对数生长期，由于菌体大量繁殖， 大量利用糖和铵离子，培养基的pH逐渐下降。
在生长后期，由于菌体自溶，释放出铵，pH 又回升。
二、发酵过程中的代谢变化及规律
与代谢有关的参数： 1、物理参数 ⑴、温度 ⑵、罐压 ⑶、搅拌速度 ⑷、空气流量 ⑸、表观粘度 ⑹、发酵液重量
与代谢有关的参数： 2、化学参数 ⑴、基质浓度 ⑵、pH ⑶、产物浓度 ⑷、DNA量 ⑸、关键酶 ⑹、溶解氧 ⑺、排气中的氧含量 ⑻、排气中的CO2含量
与代谢有关的参数： 3、生物参数 ⑴、菌丝形态 ⑵、菌丝干重或湿重 ⑶、菌体比生长速率 ⑷、氧的比消耗速率 ⑸、糖的比消耗速率 ⑹、氮的比消耗速率 ⑺、产物的比生产速率
一、种子制备工艺及质量控制
菌种是发酵的关键，从一个保存的菌 种，到生产上使用的种子，如果按几 十～几百吨的发酵规模，10％的种子量 （接种量）计，需要几吨～几十吨的种 子。
（一）、作为种子的要求： 1、细胞的生活力强，移种至发酵罐后能迅速生长 2、菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求 3、无杂菌污染 4、生理形状稳定、保持稳定的生产能力
• 泡沫的控制除了添加消泡剂外，改进培养基成分 也是相辅相成的一个重要方面。
化学消泡剂应具备以下特点：
• 必须是表面活性剂，具有较低的表面张力，消泡 作用迅速有效；
• 具有一定的亲水性，使消泡剂对气－液界面的分 散系数足够大，从而迅速发挥消泡活性；
• 在水中的溶解度必须小，以保持持久地消泡或抑 泡性能；
缓慢利用的氮源物质：有利于延长产物的合 成期。
课用第五章_发酵条件及过程控制
◊ 微生物的酶的组成和特性也受到温度的控制
例如：用米曲霉制曲时，温度控制在低限，有利于蛋白酶 的合成，α-淀粉酶的活性受到抑制。
2、影响发酵温度的因素
• 发酵热：指的是发酵过程中释放出来的净热量，以J/(m3· h) 为单位表示。 • 发酵热的通式可表示为： Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发±Q辐射 （1）生物热（Q生物）：指微生物在生长繁殖中，培养基质 中的碳水化合物、脂肪和蛋白质被氧化分解为二氧化碳、 水和其他物质时释放出的热。这些释放出来的能量一部分 用于合成和代谢活动，另一部分用于合成代谢产物，其余 部分则以热的形式散失。
☺基础培养基中采用适量的浓度给予控制，以保证菌 体的正常生长所需；
代谢缓慢：补加磷酸盐。举例：在四环素发酵中,间歇,微量 添加磷酸二氢钾,有利于提高四环素的产量。
（四）菌体浓度的影响及控制
1、菌体浓度（cell concentration）指单位体积中菌体
的含量，是发酵工业中的一个重要参数。它不仅代 表菌体细胞的多少，而且反应菌体细胞生理特性不 完全相同的分化阶段。在发酵动力学研究中，常采 用菌体浓度来计算菌体的比生长速率和产物的比生 产速率等动力学参数及相互关系。
► 发酵热的计算：
（5）发酵热（Q发酵）
①通过测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度来计算： Q发酵=qvc（t2-t1）/V
式中，qv——冷却水的体积流量，L/h；
c——水的比热容，kJ/(kg•℃)； t2，t1——进、出冷却水的温度；
V——发酵液体积，m3。
②通过罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动装置，测 量温度随时间上升的速率，按下式求出发酵热： Q发酵=（M1c1+M2c2）u
式中，M1——发酵液的质量，kg；
发酵过程优化与控制(第五章、丙酮酸发酵)ppt课件
二、蛋白胨浓度对丙酮酸发酵的影响 实验结果（图5-3）表明：初始葡萄糖浓度为80g/L，当培养 基中蛋白胨浓度为15g/L时，丙酮酸产量较高，低于15g/L时，葡 萄糖消耗速度较慢，细胞干重和丙酮酸产量也较低；而高于 15g/L时，丙酮酸产量明显下降。
三、豆饼水解液和无机氮源对丙酮酸发酵的影响
1、豆饼水解液对丙酮酸发酵的影响 实验结果（图5-4）表明：豆饼水解液浓度为5g/L时，发酵
用微生物中某一具有特定功能的酶完成由底物（如乳酸）
向丙酮酸的转化。 具体包括如下4种方法：
1、酵母直接发酵生产丙酮酸 常用的酵母有球拟酵母、嗜盐酵母、假丝酵母、得巴利酵 母等，其中球拟酵母属菌株，特别是烟酸、硫胺素、吡哆醇和 生物素4种维生素的营养缺陷型T.glabrata IFO 0005是发酵法生 产丙酮酸的首选菌株。
T.glabrata IFO 0005在只有聚蛋白胨而不添加维生素的种子培养
基上照样生长良好的实验结果表明聚蛋白胨中所含有的维生素 足以满足多重维生素营养缺陷途径中的作用显然无法得
出明确的结论，也不可能使丙酮酸产率达到很高的水平。
2、由于培养基中四种维生素的水平直接影响PDC
（丙酮酸脱羧酶）、PHD（丙酮酸脱氢酶系）、PC（丙 酮酸羧化酶）和PT（转氨酶）的活性，仅仅通过单因素
实验很难分析出烟酸、硫胺素、吡哆醇和生物素各自在丙
酮酸过量合成中的作用，也就谈不上合理优化策略的确定。 3、已有报道认为较高的溶氧有利于丙酮酸的积累， 但溶氧要高到什么程度，应当怎样控制等具体问题并没有 定论。此外，如果把生物素作为主要因素，溶氧作为次要 因素，这两种因素组合起来会对丙酮酸发酵过程产生什么 影响也未有报道。
葡萄糖 乙醇 Ⅰ 硫胺素 Ⅰ：丙酮酸脱羧酶（PDC） Ⅱ：转氨酶（PT） Ⅲ：丙酮酸羧化酶（PC） Ⅳ：丙酮酸脱氢酶系（PDH） 丙酮酸 Ⅳ Ⅱ 吡哆醇 氨基酸 硫胺素 烟酸 生物素
第五章-发酵过程控制ppt课件(全)
第一节 发酵方式
一、概述
发酵：指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇 等的分解代谢过程。
广义发酵：微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经过 特定的代谢转变成所需产物的过程。
微生物培养：亦称微生物发酵，发酵生产按微生物培养工艺 不同可以分为固态发酵和液态发酵两种类型。两者在工艺过 程上大体相同，主要工艺过程为： 斜面菌种培养～菌体或孢子悬浮液制备～种子扩大培养～ 发酵培养～发酵产物与发酵基质分离～提纯与精制～成品。
分批培养的特点是操作简单，易于掌握，是最常见的操作方 式。
分批发酵过程一般可粗分为四期：即适应期（也有称停滞期 或延滞期的）、对数（指数）生长期、生长稳定期和死亡期；
也可细分为六期：即停滞期、加速期、对数期、减速期、静 止期和死亡（衰亡）期
分批培养中的微生物的典型生长曲线
停滞期（Ⅰ）
停滞期（Ⅰ）： 刚接种后的一段时间内，细胞不生长，细胞 数目和菌量基本不变。
第五章 发酵过程及控制
学习目标
知识目标 能陈述发酵过程的影响因素（温度、溶氧、pH等）； 能陈述不同发酵方式的理论及异同及优劣； 掌握发酵动力学的有关原理、发酵器的分类及发展趋势。 能力目标 能够找出发酵最适宜条件，并采取相应控制措施； 能够进行发酵终点判断； 能够进行发酵过程重要检测；
三、产物形成动力学
产物形成与生长的关系 细胞生长与代谢产物形成之间的动力学关系决定
于细胞代谢中间产物所起的作用。描述这种关系的 模式有三种，即生长联系型模式、非生长联系型模 式和复合型模式。 （1）生长联系型模式 （2）非生长联系型模式 （3）复合模式
四、生长得率与产物得率
1.生长得率和产物得率的定义 生长得率：消耗每单位数量的基质所得到的菌体，
5发酵过程控制(溶氧)
2012年9月7日星期五
长江大学生科院生物工程系
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2、影响发酵罐中kLa的因素
（1）设备参数：发酵罐的形 状结构、搅拌器（直径d）、 挡板、空气分布器等。 （2）操作条件：通气量Q、搅 拌转速N、搅拌功率PG、罐压、 发酵液体积V、液柱高度HL等。 （3）发酵液的性质：密度、 黏度、表面张力和扩散系数等。 （4）氧载体
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引起溶氧异常升高的原因
在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改变， 如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特别是污 染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受 到抑制，溶氧有可能上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能 力，溶氧就直线上升。 由上可知，从发酵液中的溶氧变化，就可以了解微生物生 长代谢是否正常，工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足 等问题，帮助我们查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。
（即低于13%时产物的形成会受到抑制）
卷须霉素 CCr 为13% >8%
一般对于微生物： CCr: ＝1～25%饱和浓度 表7-5 P107
例：酵母 4.6×10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉 2.2×10-2 mmol.L-1, 8.8%
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三、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
QO2
当溶解氧浓度高于临界值时， 微生物的呼吸强度保持恒定，与 培养液中的氧浓度无关；当低于 这个临界值时，微生物的呼吸强 度受到溶解氧浓度的影响，这时 细胞的代谢活动会因溶解氧浓度 的限制受到影响。p107
CCr
生化工艺 第五章发酵过程及控制 第四节发酵过程检测和自控
第四节 发酵过程检测和自控
2．尾气分析 尾气分析能在线、即时反映生产菌的生长情况。通 风发酵尾气中pH的减少和CO2的增加是培养基中营养物质 好氧代谢的结果。这两种气体（CO2 、O2）的在线分析所 获得的耗氧率（ OUR）和CO2释放率（CER）是目前有效 的微生物代谢活性指示值。目前主要有红外CO2分析仪 (IR)、热导式气相色谱法（GC）、CO2电极法、质谱仪等。 IR和电极法较为常用。O2分析仪有顺磁氧分析仪、极谱 氧电极和质谱仪。
第四节 发酵过程检测和自控
3．发酵液成分分析 发酵液成分的分析对于认识和控制发酵过程也是十分 重要的。高效液相层析(HPLC)具有分辨率高、灵敏度好、 测量范围广、快速及系统特异性等优点。目前已成为实验 室分析的主导方法。但进行分析前必须选择适当的层析柱、 操作温度、溶剂系统、梯度等，而且样品要经过亚微米级 过滤处理。与适当的自动取样系统连接，HPLC可对发酵液 进行在线分析。
第四节 发酵过程检测和自控
由生物化学性质可得到呼吸活动及糖代谢等信息， 这对了解发酵的代谢途径是很重要的。通过计算机可确 定碳平衡的变化，运用寄存数据可得细胞产量。采用不 同的底物并将计算得到的细胞产率和有机能量产率加以 比较，可能反映出有机化合物的分解代谢机制。这些变 量之间的关系将有助于阐明发酵过程的主要代谢途径以 及发酵生产的效率。
第四节 发酵过程检测和自控
③最优控制 最优控制是指根据生产情况，随时改变某些参数给定 值，以达到生产过程的最优化控制。最优控制常用观察指 标：最高产量、最优质量、最佳经济效益等。最优化控制 时，根据生产过程的变化情况，改变其中某些参数给定值， 使产量达到最大。 使用计算机对发酵过程中的有关参数进行数据分析， 可深入了解发酵过程的物理、化学、生理和生化条件，指 导生产，调整操作参数，获取新的信息。否则这些条件或 者无从了解或者由于测定或计算费事、费时而只能在事后 才能加以测定。
5. 发酵过程控制
补糖的控制：时机、方式和指标； 补糖的控制：时机、方式和指标； 通氨及补氮：用于调节pH值和补充无机氮源 值和补充无机氮源， 通氨及补氮：用于调节pH值和补充无机氮源，多 采用少量间隙添加或少量自动流加。 采用少量间隙添加或少量自动流加。 补充无机元素和促进剂及前体。 补充无机元素和促进剂及前体。
五、发酵过程中泡沫的产生 和控制
影响生物热的因素
菌株的性能、接种量、菌丝浓度、 菌株的性能、接种量、菌丝浓度、培养基的成分和 发酵时间都直接影响着生物热的大小。 发酵时间都直接影响着生物热的大小。
最适发酵温度
指最适于产生菌生长或抗生素合成的温 度。 特点： 特点：
最适温度是一个相对的概念； 最适温度是一个相对的概念； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵温度的选择要参考其它发酵条件，如通 发酵温度的选择要参考其它发酵条件， 气条件、培养基的组成和浓度等。 气条件、培养基的组成和浓度等。
三、通气和搅拌
影响发酵过程中需氧的因素： 影响发酵过程中需氧的因素：
① 生产菌种：1）不同菌种；2）同一菌种的不同生 生产菌种： 不同菌种； 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素： 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素：单 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重） 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重）在单位时间 内的耗氧量。 内的耗氧量。 ② 培养基 ③ 菌丝浓度和形状 种子的质和量： ④ 种子的质和量：接种量和接种龄 ⑤ 泡沫和消泡剂 ⑥ 其它因素
菌丝形态与产量的关系
以产黄青霉生产青霉素为例： 以产黄青霉生产青霉素为例：
I. 分生孢子发芽，具有小空泡； 分生孢子发芽，具有小空泡； II. 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； III. 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； IV. 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 开始大量分泌青霉素； 开始大量分泌青霉素； V. 菌丝体出现大空泡，含1个中性红染色的大颗粒， 菌丝体出现大空泡， 个中性红染色的大颗粒， 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； VI. 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长，少数菌丝自 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长， 青霉素分泌减少。 溶，青霉素分泌减少。
五、发酵过程中泡沫的产生 和控制
影响生物热的因素
菌株的性能、接种量、菌丝浓度、 菌株的性能、接种量、菌丝浓度、培养基的成分和 发酵时间都直接影响着生物热的大小。 发酵时间都直接影响着生物热的大小。
最适发酵温度
指最适于产生菌生长或抗生素合成的温 度。 特点： 特点：
最适温度是一个相对的概念； 最适温度是一个相对的概念； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵温度的选择要参考其它发酵条件，如通 发酵温度的选择要参考其它发酵条件， 气条件、培养基的组成和浓度等。 气条件、培养基的组成和浓度等。
三、通气和搅拌
影响发酵过程中需氧的因素： 影响发酵过程中需氧的因素：
① 生产菌种：1）不同菌种；2）同一菌种的不同生 生产菌种： 不同菌种； 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素： 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素：单 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重） 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重）在单位时间 内的耗氧量。 内的耗氧量。 ② 培养基 ③ 菌丝浓度和形状 种子的质和量： ④ 种子的质和量：接种量和接种龄 ⑤ 泡沫和消泡剂 ⑥ 其它因素
菌丝形态与产量的关系
以产黄青霉生产青霉素为例： 以产黄青霉生产青霉素为例：
I. 分生孢子发芽，具有小空泡； 分生孢子发芽，具有小空泡； II. 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； III. 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； IV. 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 开始大量分泌青霉素； 开始大量分泌青霉素； V. 菌丝体出现大空泡，含1个中性红染色的大颗粒， 菌丝体出现大空泡， 个中性红染色的大颗粒， 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； VI. 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长，少数菌丝自 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长， 青霉素分泌减少。 溶，青霉素分泌减少。
5发酵过程控制5(补料)
2013年8月7日星期三 长江大学生科院生物工程系 2
中间补料的原因
●中后期营养不足，菌体过早衰老； ●初始培养基营养过于丰富造成菌浓过大而缺氧； ●初始培养基中葡萄糖过多引起抑制； ●代谢后碳氮源不平衡、微量元素缺乏； ●合成产物或中间产物积累的毒性。
2013年8月7日星期三
长江大学生科院生物工程系
2013年8月7日星期三
辐射病及辐射防护 保护肝脏 抗过敏 ◆ 指数流加补料分批培养 改善某些疾病的病程和症状 ◆ 恒pH补料分批培养模式 养颜美容护肤 增加视力及眼科疾病 抗衰老作用
长江大学生科院生物工程系
19
培养条件：
装液量3L/5L罐 接种量5% 空气流量1 L/L· min
用适量的酸、碱调节培养液的pH至6.5
2013年8月7日星期三 长江大学生科院生物工程系 7
补糖控制考虑：补糖时间、补糖量、补糖方式
参考数据：糖耗速率、残糖浓度、pH变化、菌体 浓度、菌丝形态、发酵液黏度、溶氧浓度等。一般 选择其中两到三个参数来考虑。
常用的两个参考指标：还原糖水平和总糖水平。
2013年8月7日星期三
长江大学生科院生物工程系
8
常用的两个参考指标
●根据还原糖水平，如赤霉素还原糖降到0.6%就需要补糖；
●根据总糖水平，如抗生素发酵，有的是2%或3%不等。 具体要根据菌的酶系和pH变化的大小来决定补还原糖还 是总糖。如，菌体淀粉酶活力高就可补淀粉之类的物质(总糖)， 若淀粉酶活力低那就补还原糖；补还原糖pH变化明显，而补 淀粉，由于它是水解糖，pH变化很小较稳定。 注意：不同的发酵阶段控制的残糖浓度有可能不同。 如金霉素，前期3.5%，中期2.5%，后期1.5%。
●恒速流加方式改善了发酵后期的营养条件，使得细胞干
中间补料的原因
●中后期营养不足，菌体过早衰老； ●初始培养基营养过于丰富造成菌浓过大而缺氧； ●初始培养基中葡萄糖过多引起抑制； ●代谢后碳氮源不平衡、微量元素缺乏； ●合成产物或中间产物积累的毒性。
2013年8月7日星期三
长江大学生科院生物工程系
2013年8月7日星期三
辐射病及辐射防护 保护肝脏 抗过敏 ◆ 指数流加补料分批培养 改善某些疾病的病程和症状 ◆ 恒pH补料分批培养模式 养颜美容护肤 增加视力及眼科疾病 抗衰老作用
长江大学生科院生物工程系
19
培养条件：
装液量3L/5L罐 接种量5% 空气流量1 L/L· min
用适量的酸、碱调节培养液的pH至6.5
2013年8月7日星期三 长江大学生科院生物工程系 7
补糖控制考虑：补糖时间、补糖量、补糖方式
参考数据：糖耗速率、残糖浓度、pH变化、菌体 浓度、菌丝形态、发酵液黏度、溶氧浓度等。一般 选择其中两到三个参数来考虑。
常用的两个参考指标：还原糖水平和总糖水平。
2013年8月7日星期三
长江大学生科院生物工程系
8
常用的两个参考指标
●根据还原糖水平，如赤霉素还原糖降到0.6%就需要补糖；
●根据总糖水平，如抗生素发酵，有的是2%或3%不等。 具体要根据菌的酶系和pH变化的大小来决定补还原糖还 是总糖。如，菌体淀粉酶活力高就可补淀粉之类的物质(总糖)， 若淀粉酶活力低那就补还原糖；补还原糖pH变化明显，而补 淀粉，由于它是水解糖，pH变化很小较稳定。 注意：不同的发酵阶段控制的残糖浓度有可能不同。 如金霉素，前期3.5%，中期2.5%，后期1.5%。
●恒速流加方式改善了发酵后期的营养条件，使得细胞干
第五章谷氨酸的发酵控制
（3）消泡的方法
①物理方法：如改变温度 ②机械消泡：如耙式消泡器 优点：节省消泡剂，减少污染。 缺点：不能从根本上消除引起泡沫稳定的因素。
（3）消泡的方法
③化学消泡：加入消泡剂
优点：消泡效果好，作用快，用量少。
缺点：可能会影响菌体生长或代谢产物的生成； 增加染菌机会；添加过量会影响氧的传递。
④发酵工业上采用机械消泡与化学消泡结合 的方法。
１．高初糖发酵
如，在高初糖谷氨酸发酵中，高玉米浆用量和高生物 素用量可以明显降低高初糖对菌体细胞的抑制作用；
且在接种量１０％，玉米浆用量为０．５５％，生物 素用量为１０μｇ／Ｌ，初糖１９０ｇ／Ｌ的谷氨酸发酵 中，流加５００ｇ／Ｌ的浓糖，３０ｈ的产酸率达到１４ ５．８ｇ／Ｌ，糖酸转化率达到６０．３２％。
<24
180 2500 200
10
11.5
270 600～ 120 1800
1200 53
1200 8300 1300
第二节 主要发酵参数分段控制原则及其特点
一、中初糖流加高浓度糖液的 生物素“超亚适量”工艺
1. 流 程 图
2．谷氨酸发酵记录表
3.培养基的配方
（1）二级种子培养基 葡萄糖 300kg；KH2PO4 12kg；MgSO4· 2O 6kg；糖 7H 蜜100kg；玉米浆 200kg；纯生物素150mg；消泡剂 1.5kg；定容7000L，实消，121℃保温 10min。
3.无机盐
(3)钾 钾是许多酶的激活剂。 对谷氨酸发酵的影响： 谷氨酸发酵产物生成所需要的钾盐比菌体生长需要 量高，钾盐少利于长菌体，钾盐充足利于产谷氨酸。菌 体生长需钾约为1.0～1.5mmol／L，谷氨酸生成需钾约 为2.0～10.0mmol／L。
第五章 发酵过程控制
发酵罐：夹套（10M3以下） 盘管（蛇管） （10M3以上）
二、 pH对发酵的影响及控制
发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环 境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的 发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很 大的影响。因此，必须掌握发酵过程中pH的 变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最 佳的状态。尽管多数微生物能在3~4个pH单位 的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了 达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH 在很窄的范围内保持恒定。
第五章 发酵过程控制
本章讲述内容
发酵过程代谢变化规律 发酵条件的影响及其控制
第一节 发酵过程的代谢变化规律 发酵过程即细胞的生物反应过程， 是指由生长繁殖的细胞所引起的生 物反应过程。它不仅包括了以往 “发酵”的全部领域，而且还包括 固定化细胞的反应过程、生物法废 水处理过程和细菌采矿等过程。
为什么要研究发酵过程
µ与 α与温度有关
根据Arrenhnius公式 µ = Ae-E/RT α = A’e-E’/RT 通常E’大于E，所以 α比 µ对温度变化更为敏感 。
例：青霉菌生产青霉素 青霉菌生长活化能E=34kJ/mol 青霉素合成活化能E=112kJ/mol 青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当 重要。
第二节 发酵条件的影响及其控制
工艺条件控制的目的：就是要为生产菌 创造一个最适的环境，使我们所需要的 代谢活动得以最充分的表达。
一、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
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
3、分批发酵的优缺点
●
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酵 母：pH 3.8－6.0
细
霉
菌：pH 6.5－7.5
菌：pH 4.0－5.8
放线菌：pH 6.5－8.0
(2)影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶 的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢； (3)影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变 细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸
收和代谢产物的排泄；
(4)pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，
一般加生理性酸碱 pH低：补尿素、氨水
pH高：硫酸氨
加生理性酸碱，即可调节pH,同时补充营养。
三、溶氧的影响和控制
1. 定义： 溶氧（DO）指溶解在发酵液中的氧。单位ppm
(毫克· 分子/升）
2.DO对发酵的影响 DO不足：微生物代谢异常，产量下降，菌体过 早衰老死亡； DO太多：发酵液泡沫过多，抑制产物生产，同 时空气消耗增加。
发酵过程中，发酵液温度变化取 决于上面几个因素：
Q发酵= Q生物+ Q搅拌—Q蒸发—Q辐射
总的来说抗生素发酵是一个放热过程。 对温度通过冷却进行控制。 夹套 冷却蛇管
二、 pH的影响与控制
1. pH对发酵的影响
(1)发酵过程中微生物的正常生长需要有一定的 pH值，不同的微生物对PH值的要求也是不同 的。
• （2）机械消沫
• 靠机械引起的强烈振动或压力的变化促使气泡破裂。 罐内消沫法：在搅拌轴上方装消沫桨，通过消沫 桨转动打碎泡沫。 罐外消沫法：将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速 作用或利用离心力来消除泡沫。 • 优点：不需加入外界物料，可节省原料，减少污染 杂菌的机会。 • 缺点：消沫效果不理想，仅可作为辅助的消沫方 法。
使代谢产物的质量和比例发生改变。
pH：4.5-5.0－3，乙醇 发酵 酿酒酵母
pH：8.0，甘油发酵
2.影响pH值变化的因素
• 菌体本身具有一定的调整周围环境pH值，构建最 适pH值的能力。
（1）基质代谢 ①糖代谢：C源过多，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
（2）产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，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。
3.发酵过程中pH值的调节及控制
（1） 发酵pH值的确定
• 一般是在5～8之间，上限8.5，下限2.5
• 随菌种和产品不同而不同。同一菌种，生长最适 pH值可能与产物合成的最适pH值是不一样的。 • 按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH，使产 量最大。
3.对发酵的影响：
使发酵罐的装填系数减少； 造成大量逃液，导致产物的损失，增加了染菌 的机会； 氧传递减弱； 使微生物菌体提早自溶，降低发酵物产量。
4.泡沫的控制
泡沫的控制，可以采用三种途径：
（1） 调整培养基中的成分(如少加或缓加易起 泡的原材料)或改变某些物理化学参数(如pH 值、温度、通气和搅拌)或者改变发酵工艺 (如采用分次投料)来控制，以减少泡沫形成 的机会。但这些方法的效果有一定的限度。
（1）生物热（Q生物）： 产生菌在生长繁殖 过程中产生的热能。
生物热与发酵类型有关 微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧：产生287.2千焦耳热量， 183千焦耳转变为高能化合物 104.2千焦以热的形式释放 厌氧：产生22.6千焦耳热量， 9.6千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的形式释放 生物热的大小，还与菌种和培养基成分等不同而变化。
3．搅拌转速（r／min） •搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度， 通常以每1min的转数来表示。 •它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液的 均匀性有关。 4．搅拌功率（kw） 指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每1m3发酵 液所消耗的功率（kw／m3）。 它的大小与氧容量传递系数有关。
5．空气流量［V／（V· min），简称VVM］ •每1min内每单性体积发酵液通入空气的体积， 也是需氧发酵的控制参数。 •与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在 0.5～1.0V／（V· min）范围内。 6．粘度（Pa· s） 粘度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项 标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况。 通常用表观粘度表示之：它的大小可改变氧传递 的阻力。
第五章 发酵过程控制
典型的细菌生长曲线
a适应期（迟滞期）
10
b对数生长期期 c稳定期(平稳期） d死亡期（衰老期）
a
0
16
b
c
d
时间
ab菌体生长阶段
c产物合成阶段
d菌体自溶阶段
第一节、发酵过程的主要控制参数
（一）物理参数 1．温度（℃） •发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。 •影响酶反应速率、氧在培养液中的溶解度与传 递速率、菌体生长速率和产物合成速率 2．压力（Pa） 发酵过程中发酵罐维持的压力, 罐内维持正压可 以防止外界空气中的杂菌侵入，保证纯种的培养, 间接影响菌体代谢。一般维持在 0.2×105~0.5×105Pa。
6．废气中的CO2浓度（％） • 废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的CO2。测定 它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生菌的 呼吸代谢规律。 ７.氧化还原电位（mV) 也是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。 对微生物，培养基最适宜和所允许的最大电位值， 应与微生物本身的种类和生理状态有关。 其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的酶等。
发酵过程各参数概况
参数名称 温度
罐压 空气流量 搅拌转速 pH
测试方法 传感器
压力表 传感器 传感器 酸度计
意义、主要作用 维持生长、合成
维持正压、增加DO 供氧排泄废气提高KLα 物料混合、提高KLα 反映pH、KLα
第二节、发酵过程控制
一、温度变化及控制 1.温度对发酵的影响
（1）影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。 在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率 也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的 催化活力就下降。温度对菌体生长的酶反应和代谢 产物合成的酶反应的影响不同。
（3）根据菌生长情况 生长快的菌种，维持在较高温度时间要短些；生 长慢的菌种，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。
3.发酵热的产生和控制
如产黄青霉菌体的最适生长温度为30℃，黑曲酶的 最适生长温度为37度
（2）温度还能改变菌种代谢产物的合成方 向，细胞生长和代谢产物积累的最适温度也 往往是不同的。 例如，青霉素产生菌的生长最适温度为 30度，而产生青霉素的最适温度为25度； （3）影响发酵液的物理性质。 发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的 溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收 速率等。
例 pH对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物， 发酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补 糖、酸，发酵液 pH 可迅速升到 8.0 以上，阻碍或抑制某些酶系， 使林可霉素增长缓慢，甚至停止。
（2）发酵pH的控制： ①调整基础培养基：适当调整C/N比，或加入产 酸或产碱物料—作用有限 ②补料控制：可直接补加酸、碱性物质
7．浊度（％） 浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数， 对某些产品的生产是极其重要的参数。一般采 用分光光度计的波长420～660 nm测量。浊度 对氨基酸、核苷酸等产品的生产是极其重要的。 8. 料液流量（L／min） 这是控制流体进料的参数。
（二）化学参数
1． pH（酸碱度） •发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和产碱 的生化反应的综合结果。 •它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的高 低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。
（三）发酵参数在发酵过程控制中的作用 • （发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、 糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值）
• 计算
（菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速 率、氮比消耗速率和产物比生产速率） （控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件）
研究
发酵动力学
由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数 据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接 从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多 有用的参数就地通过传感方式变成各种输出信号。 目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、 搅拌转速、pH、溶氧、效价、糖含量、前体(如 苯乙酸)浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体 积%)等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、 排气中的O2和CO2含量等。
（三）生物参数
1．菌丝形态 •丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢 变化的反映。 •一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发 酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周 期的依据之一。
2．菌体浓度 •菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵的重要 参数之一。 •大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响 •在生产上，常常根据菌体浓度来决定适合的补 料量和供氧量，以保证生产达到顶期的水平。
• 溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。 •利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的 规律，反映发酵的异常情况，也可作为发醉中间 控制的参数及设备供氧能力的指标。 •溶氧浓度一般用绝对含量（10-6）来表示、有时 也用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。
4．产物的浓度[μg（u）／ml] 这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的 重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。 5．废气中的氧含量（％） • 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数 有关。 •从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率 和发酵罐的供氧能力。
细
霉
菌：pH 6.5－7.5
菌：pH 4.0－5.8
放线菌：pH 6.5－8.0
(2)影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶 的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢； (3)影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变 细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸
收和代谢产物的排泄；
(4)pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，
一般加生理性酸碱 pH低：补尿素、氨水
pH高：硫酸氨
加生理性酸碱，即可调节pH,同时补充营养。
三、溶氧的影响和控制
1. 定义： 溶氧（DO）指溶解在发酵液中的氧。单位ppm
(毫克· 分子/升）
2.DO对发酵的影响 DO不足：微生物代谢异常，产量下降，菌体过 早衰老死亡； DO太多：发酵液泡沫过多，抑制产物生产，同 时空气消耗增加。
发酵过程中，发酵液温度变化取 决于上面几个因素：
Q发酵= Q生物+ Q搅拌—Q蒸发—Q辐射
总的来说抗生素发酵是一个放热过程。 对温度通过冷却进行控制。 夹套 冷却蛇管
二、 pH的影响与控制
1. pH对发酵的影响
(1)发酵过程中微生物的正常生长需要有一定的 pH值，不同的微生物对PH值的要求也是不同 的。
• （2）机械消沫
• 靠机械引起的强烈振动或压力的变化促使气泡破裂。 罐内消沫法：在搅拌轴上方装消沫桨，通过消沫 桨转动打碎泡沫。 罐外消沫法：将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速 作用或利用离心力来消除泡沫。 • 优点：不需加入外界物料，可节省原料，减少污染 杂菌的机会。 • 缺点：消沫效果不理想，仅可作为辅助的消沫方 法。
使代谢产物的质量和比例发生改变。
pH：4.5-5.0－3，乙醇 发酵 酿酒酵母
pH：8.0，甘油发酵
2.影响pH值变化的因素
• 菌体本身具有一定的调整周围环境pH值，构建最 适pH值的能力。
（1）基质代谢 ①糖代谢：C源过多，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
（2）产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，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。
3.发酵过程中pH值的调节及控制
（1） 发酵pH值的确定
• 一般是在5～8之间，上限8.5，下限2.5
• 随菌种和产品不同而不同。同一菌种，生长最适 pH值可能与产物合成的最适pH值是不一样的。 • 按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH，使产 量最大。
3.对发酵的影响：
使发酵罐的装填系数减少； 造成大量逃液，导致产物的损失，增加了染菌 的机会； 氧传递减弱； 使微生物菌体提早自溶，降低发酵物产量。
4.泡沫的控制
泡沫的控制，可以采用三种途径：
（1） 调整培养基中的成分(如少加或缓加易起 泡的原材料)或改变某些物理化学参数(如pH 值、温度、通气和搅拌)或者改变发酵工艺 (如采用分次投料)来控制，以减少泡沫形成 的机会。但这些方法的效果有一定的限度。
（1）生物热（Q生物）： 产生菌在生长繁殖 过程中产生的热能。
生物热与发酵类型有关 微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧：产生287.2千焦耳热量， 183千焦耳转变为高能化合物 104.2千焦以热的形式释放 厌氧：产生22.6千焦耳热量， 9.6千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的形式释放 生物热的大小，还与菌种和培养基成分等不同而变化。
3．搅拌转速（r／min） •搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度， 通常以每1min的转数来表示。 •它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液的 均匀性有关。 4．搅拌功率（kw） 指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每1m3发酵 液所消耗的功率（kw／m3）。 它的大小与氧容量传递系数有关。
5．空气流量［V／（V· min），简称VVM］ •每1min内每单性体积发酵液通入空气的体积， 也是需氧发酵的控制参数。 •与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在 0.5～1.0V／（V· min）范围内。 6．粘度（Pa· s） 粘度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项 标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况。 通常用表观粘度表示之：它的大小可改变氧传递 的阻力。
第五章 发酵过程控制
典型的细菌生长曲线
a适应期（迟滞期）
10
b对数生长期期 c稳定期(平稳期） d死亡期（衰老期）
a
0
16
b
c
d
时间
ab菌体生长阶段
c产物合成阶段
d菌体自溶阶段
第一节、发酵过程的主要控制参数
（一）物理参数 1．温度（℃） •发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。 •影响酶反应速率、氧在培养液中的溶解度与传 递速率、菌体生长速率和产物合成速率 2．压力（Pa） 发酵过程中发酵罐维持的压力, 罐内维持正压可 以防止外界空气中的杂菌侵入，保证纯种的培养, 间接影响菌体代谢。一般维持在 0.2×105~0.5×105Pa。
6．废气中的CO2浓度（％） • 废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的CO2。测定 它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生菌的 呼吸代谢规律。 ７.氧化还原电位（mV) 也是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。 对微生物，培养基最适宜和所允许的最大电位值， 应与微生物本身的种类和生理状态有关。 其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的酶等。
发酵过程各参数概况
参数名称 温度
罐压 空气流量 搅拌转速 pH
测试方法 传感器
压力表 传感器 传感器 酸度计
意义、主要作用 维持生长、合成
维持正压、增加DO 供氧排泄废气提高KLα 物料混合、提高KLα 反映pH、KLα
第二节、发酵过程控制
一、温度变化及控制 1.温度对发酵的影响
（1）影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。 在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率 也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的 催化活力就下降。温度对菌体生长的酶反应和代谢 产物合成的酶反应的影响不同。
（3）根据菌生长情况 生长快的菌种，维持在较高温度时间要短些；生 长慢的菌种，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。
3.发酵热的产生和控制
如产黄青霉菌体的最适生长温度为30℃，黑曲酶的 最适生长温度为37度
（2）温度还能改变菌种代谢产物的合成方 向，细胞生长和代谢产物积累的最适温度也 往往是不同的。 例如，青霉素产生菌的生长最适温度为 30度，而产生青霉素的最适温度为25度； （3）影响发酵液的物理性质。 发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的 溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收 速率等。
例 pH对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物， 发酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补 糖、酸，发酵液 pH 可迅速升到 8.0 以上，阻碍或抑制某些酶系， 使林可霉素增长缓慢，甚至停止。
（2）发酵pH的控制： ①调整基础培养基：适当调整C/N比，或加入产 酸或产碱物料—作用有限 ②补料控制：可直接补加酸、碱性物质
7．浊度（％） 浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数， 对某些产品的生产是极其重要的参数。一般采 用分光光度计的波长420～660 nm测量。浊度 对氨基酸、核苷酸等产品的生产是极其重要的。 8. 料液流量（L／min） 这是控制流体进料的参数。
（二）化学参数
1． pH（酸碱度） •发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和产碱 的生化反应的综合结果。 •它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的高 低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。
（三）发酵参数在发酵过程控制中的作用 • （发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、 糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值）
• 计算
（菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速 率、氮比消耗速率和产物比生产速率） （控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件）
研究
发酵动力学
由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数 据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接 从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多 有用的参数就地通过传感方式变成各种输出信号。 目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、 搅拌转速、pH、溶氧、效价、糖含量、前体(如 苯乙酸)浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体 积%)等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、 排气中的O2和CO2含量等。
（三）生物参数
1．菌丝形态 •丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢 变化的反映。 •一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发 酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周 期的依据之一。
2．菌体浓度 •菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵的重要 参数之一。 •大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响 •在生产上，常常根据菌体浓度来决定适合的补 料量和供氧量，以保证生产达到顶期的水平。
• 溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。 •利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的 规律，反映发酵的异常情况，也可作为发醉中间 控制的参数及设备供氧能力的指标。 •溶氧浓度一般用绝对含量（10-6）来表示、有时 也用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。
4．产物的浓度[μg（u）／ml] 这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的 重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。 5．废气中的氧含量（％） • 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数 有关。 •从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率 和发酵罐的供氧能力。