1、第七章第七章 發(fā)酵工藝控制發(fā)酵工藝控制種子擴(kuò)大培養(yǎng)種子擴(kuò)大培養(yǎng)培養(yǎng)基配制培養(yǎng)基配制空氣除菌空氣除菌培養(yǎng)基滅菌培養(yǎng)基滅菌發(fā)酵生產(chǎn)發(fā)酵生產(chǎn)下游處理下游處理發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵的一般流程發(fā)酵的一般流程提綱提綱溫度控制溫度控制pH值控制值控制溶氧控制溶氧控制二氧化碳控制二氧化碳控制泡沫的控制泡沫的控制1 1、溫度對(duì)發(fā)酵的影響、溫度對(duì)發(fā)酵的影響對(duì)細(xì)胞生長的影響：溫度升高，從酶反響動(dòng)力學(xué)來看，生對(duì)細(xì)胞生長的影響：溫度升高，從酶反響動(dòng)力學(xué)來看，生長代謝加快，但由于酶很容易熱失活，所以高溫時(shí)菌體易長代謝加快，但由于酶很容易熱失活，所以高溫時(shí)菌體易于衰老；于衰老；對(duì)產(chǎn)物形成的影響：菌體生長速率、呼吸強(qiáng)度和代謝產(chǎn)

2、物對(duì)產(chǎn)物形成的影響：菌體生長速率、呼吸強(qiáng)度和代謝產(chǎn)物形成速率的最適溫度往往是不同的；溫度升高，一般產(chǎn)物形成速率的最適溫度往往是不同的；溫度升高，一般產(chǎn)物生成提前；生成提前；對(duì)生物合成的方向的影響：反響抑制隨溫度變化而改變；對(duì)生物合成的方向的影響：反響抑制隨溫度變化而改變；對(duì)發(fā)酵液物理性質(zhì)及溶解氧的影響：影響氧的溶解和傳遞，對(duì)發(fā)酵液物理性質(zhì)及溶解氧的影響：影響氧的溶解和傳遞，影響一些基質(zhì)的分解，間接影響生物合成。影響一些基質(zhì)的分解，間接影響生物合成。2 2、影響發(fā)酵溫度的因素、影響發(fā)酵溫度的因素發(fā)酵熱的成分發(fā)酵熱的成分l生物熱：微生物生長繁殖過程中的產(chǎn)熱生物熱：微生物生長繁殖過程中的產(chǎn)熱l攪拌熱

3、：機(jī)械攪拌造成的摩擦熱攪拌熱：機(jī)械攪拌造成的摩擦熱l蒸發(fā)熱：被通氣和蒸發(fā)水分帶走的熱量蒸發(fā)熱：被通氣和蒸發(fā)水分帶走的熱量l輻射熱：發(fā)酵罐罐體向外輻射的熱量輻射熱：發(fā)酵罐罐體向外輻射的熱量l顯顯 熱：空氣流動(dòng)過程夾帶著的熱量熱：空氣流動(dòng)過程夾帶著的熱量lQ發(fā)酵發(fā)酵= Q生物生物+ Q攪拌攪拌- Q蒸發(fā)蒸發(fā)Q顯顯-Q輻射輻射 3 3、發(fā)酵熱的測(cè)定、發(fā)酵熱的測(cè)定通過冷卻水進(jìn)出口溫度和流量測(cè)定：通過冷卻水進(jìn)出口溫度和流量測(cè)定：Q發(fā)酵發(fā)酵=Gcw(t1-t2)/V G冷卻水流量；冷卻水流量； Cw水的比熱；水的比熱； V發(fā)酵液體積。發(fā)酵液體積。通過發(fā)酵液溫度隨時(shí)間上升的速率測(cè)定：通過發(fā)酵液溫度隨時(shí)間上升

4、的速率測(cè)定：Q發(fā)酵發(fā)酵=(M1c1+ M2c2)S M1、c1 發(fā)酵液質(zhì)量、比熱；發(fā)酵液質(zhì)量、比熱； M2、c2 發(fā)酵罐質(zhì)量、比熱；發(fā)酵罐質(zhì)量、比熱； S溫度上升速率。溫度上升速率。4 4、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制溫度變化的一般規(guī)律與控制的一般原那么溫度變化的一般規(guī)律與控制的一般原那么接種后發(fā)酵溫度有下降趨勢(shì)，此時(shí)可適當(dāng)升高溫接種后發(fā)酵溫度有下降趨勢(shì)，此時(shí)可適當(dāng)升高溫度，以利于孢子萌發(fā)和菌體的生長繁殖；度，以利于孢子萌發(fā)和菌體的生長繁殖；待發(fā)酵液溫度開始上升后，應(yīng)保持在菌體的最適待發(fā)酵液溫度開始上升后，應(yīng)保持在菌體的最適生長溫度；生長溫度；到主發(fā)酵旺盛階段，溫度應(yīng)

5、控制在比最適生長溫到主發(fā)酵旺盛階段，溫度應(yīng)控制在比最適生長溫度低些，即代謝產(chǎn)物合成的最適溫度；度低些，即代謝產(chǎn)物合成的最適溫度；到發(fā)酵后期，溫度下降，此時(shí)適當(dāng)升溫可提高產(chǎn)到發(fā)酵后期，溫度下降，此時(shí)適當(dāng)升溫可提高產(chǎn)量。量。選擇是相對(duì)的，要考慮培養(yǎng)基成分、濃度；溶氧選擇是相對(duì)的，要考慮培養(yǎng)基成分、濃度；溶氧溫升氧降；生長階段；培養(yǎng)條件等。溫升氧降；生長階段；培養(yǎng)條件等。4、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制最適溫度選擇最適溫度選擇最適溫度分最適生長溫度和最適產(chǎn)物合成溫度，兩者最適溫度分最適生長溫度和最適產(chǎn)物合成溫度，兩者往往不同，各階段可用不同溫度。往往不同，各階段可用不同溫度。

6、 如：青霉素分別為：如：青霉素分別為： 30和和 24.7 。青霉素發(fā)酵的溫度控制青霉素發(fā)酵的溫度控制l0-5h：30Cl6-35h：25Cl36-85h：20Cl86-125h：25C0 53585125302520254 4、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制發(fā)酵溫度控制發(fā)酵溫度控制進(jìn)行溫度控制時(shí)應(yīng)考慮的因素進(jìn)行溫度控制時(shí)應(yīng)考慮的因素不同菌種在不同生長階段的生長和生產(chǎn)不同菌種在不同生長階段的生長和生產(chǎn)特性特性參考其它發(fā)酵條件通氣、培養(yǎng)基成分參考其它發(fā)酵條件通氣、培養(yǎng)基成分和濃度、和濃度、pH值等，如通氣條件差時(shí)，值等，如通氣條件差時(shí)，那么最適發(fā)酵溫度比通氣良好時(shí)低。那么

7、最適發(fā)酵溫度比通氣良好時(shí)低。4 4、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制發(fā)酵溫度控制發(fā)酵溫度控制溫度控制的方法溫度控制的方法l冷卻是主要的方法，通常是利用發(fā)酵罐的熱冷卻是主要的方法，通常是利用發(fā)酵罐的熱交換裝置進(jìn)行降溫，如果氣溫較高，冷卻水交換裝置進(jìn)行降溫，如果氣溫較高，冷卻水溫度也較高時(shí)，多采用冷媒溫度也較高時(shí)，多采用冷媒(鹽水鹽水)進(jìn)行降溫。進(jìn)行降溫。l發(fā)酵罐的熱交換裝置：發(fā)酵罐的熱交換裝置：l罐外夾套罐外夾套l罐內(nèi)蛇管、列管罐內(nèi)蛇管、列管二、二、pHpH值對(duì)發(fā)酵的影響及控制值對(duì)發(fā)酵的影響及控制發(fā)酵液發(fā)酵液pH對(duì)菌體生長、繁殖和產(chǎn)物積累影響較大。對(duì)菌體生長、繁殖和產(chǎn)物積累

8、影響較大。生產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究。生產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究。菌體生長、繁殖和產(chǎn)物積累的最適菌體生長、繁殖和產(chǎn)物積累的最適pH不一定相同。不一定相同。整個(gè)發(fā)酵過程的整個(gè)發(fā)酵過程的pH是變化的。是變化的。 1、 pH對(duì)發(fā)酵的影響對(duì)發(fā)酵的影響 2、影響發(fā)酵、影響發(fā)酵pH的因素的因素 3、最適、最適pH的選擇和調(diào)節(jié)的選擇和調(diào)節(jié)1 1、 pHpH對(duì)發(fā)酵的影響對(duì)發(fā)酵的影響微生物生長最適微生物生長最適pH值范圍值范圍 不同的微生物具有不同的最適生長的不同的微生物具有不同的最適生長的pH值。值。 細(xì)菌；細(xì)菌； 放線菌；放線菌； 霉菌；霉菌； 酵母菌酵母菌產(chǎn)物形成最適產(chǎn)物形成最適pH值范圍值范圍 微生物的生長和產(chǎn)

9、物形成的最適微生物的生長和產(chǎn)物形成的最適pH值往往不同。值往往不同。 少數(shù)一致，大多不同；少數(shù)一致，大多不同； 有的偏高，有的偏低。有的偏高，有的偏低。1 1、 pHpH對(duì)發(fā)酵的影響對(duì)發(fā)酵的影響pH對(duì)微生物生長和產(chǎn)物形成影響的原因：對(duì)微生物生長和產(chǎn)物形成影響的原因：lpH值影響菌體形態(tài)，如壁厚薄、長徑比；值影響菌體形態(tài)，如壁厚薄、長徑比； lpH值改變使原生質(zhì)膜電荷發(fā)生改變，影響菌體對(duì)營養(yǎng)值改變使原生質(zhì)膜電荷發(fā)生改變，影響菌體對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的排出；物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的排出；lpH值直接影響酶活性；值直接影響酶活性；lpH值影響某些重要營養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的離解，值影響某些重要營

10、養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用。從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用。lpH影響生物合成的途徑。影響生物合成的途徑。 如：黑曲霉如：黑曲霉pH=2-3時(shí)產(chǎn)檸檬酸；近中性時(shí)產(chǎn)草酸、時(shí)產(chǎn)檸檬酸；近中性時(shí)產(chǎn)草酸、 葡萄糖酸。葡萄糖酸。2 2、影響發(fā)酵、影響發(fā)酵pHpH的因素的因素影響影響pH值的因素：培養(yǎng)基成份、微生物代謝特性決值的因素：培養(yǎng)基成份、微生物代謝特性決定發(fā)酵過程的定發(fā)酵過程的pH變化。綜合反映變化。綜合反映此外，通氣狀況的變化，菌體自溶和雜菌污染都可此外，通氣狀況的變化，菌體自溶和雜菌污染都可能引起發(fā)酵液能引起發(fā)酵液pH的變化。的變化。微生物改變培養(yǎng)液微生物改變培

11、養(yǎng)液pH以適合自身生長的能力很強(qiáng)。以適合自身生長的能力很強(qiáng)。發(fā)酵液的實(shí)際發(fā)酵液的實(shí)際pH是是“成分和成分和“途徑的統(tǒng)一。途徑的統(tǒng)一。確定和有效控制確定和有效控制pH在菌體生長或產(chǎn)物積累的最適范在菌體生長或產(chǎn)物積累的最適范圍是高產(chǎn)的保證。圍是高產(chǎn)的保證。2 2、影響發(fā)酵、影響發(fā)酵pHpH的因素的因素生理堿性物質(zhì)和生理酸性物質(zhì)生理堿性物質(zhì)和生理酸性物質(zhì)生理堿性物質(zhì)：經(jīng)微生物代謝后，導(dǎo)致生理堿性物質(zhì)：經(jīng)微生物代謝后，導(dǎo)致pH上升上升堿性物質(zhì)生成或酸性物質(zhì)消耗的物質(zhì)。堿性物質(zhì)生成或酸性物質(zhì)消耗的物質(zhì)。 如：有機(jī)氮源，硝酸鹽，有機(jī)酸。如：有機(jī)氮源，硝酸鹽，有機(jī)酸。 產(chǎn)產(chǎn)NH3、NaOH生理酸性物質(zhì)：經(jīng)微

12、生物代謝后，導(dǎo)致生理酸性物質(zhì)：經(jīng)微生物代謝后，導(dǎo)致pH下降下降酸性物質(zhì)生成或堿性物質(zhì)消耗的物質(zhì)。酸性物質(zhì)生成或堿性物質(zhì)消耗的物質(zhì)。 如：糖類產(chǎn)有機(jī)酸，脂肪產(chǎn)脂肪酸，如：糖類產(chǎn)有機(jī)酸，脂肪產(chǎn)脂肪酸，銨鹽銨鹽 氧化產(chǎn)硫酸。氧化產(chǎn)硫酸。3 3、最適、最適pHpH的選擇和調(diào)節(jié)的選擇和調(diào)節(jié)最適最適pH的選擇和調(diào)節(jié)的原那么：的選擇和調(diào)節(jié)的原那么：既有利于菌體的生長繁殖，又可最大限度的獲得高產(chǎn)。既有利于菌體的生長繁殖，又可最大限度的獲得高產(chǎn)。根據(jù)不同微生物的特性，在發(fā)酵過程中隨時(shí)檢查根據(jù)不同微生物的特性，在發(fā)酵過程中隨時(shí)檢查pH 值的變化，選用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行調(diào)節(jié)。值的變化，選用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行調(diào)節(jié)。生長最適生

13、長最適pH和產(chǎn)物形成最適和產(chǎn)物形成最適pH的相互關(guān)系：的相互關(guān)系： 兩者相同，范圍都寬；容易控制。兩者相同，范圍都寬；容易控制。 兩者相同，范圍都窄；必須嚴(yán)格控制。兩者相同，范圍都窄；必須嚴(yán)格控制。 兩者相同，范圍一寬一窄；必須嚴(yán)格控制。兩者相同，范圍一寬一窄；必須嚴(yán)格控制。 兩者不同，范圍都窄；分別嚴(yán)格控制。兩者不同，范圍都窄；分別嚴(yán)格控制。3 3、最適、最適pHpH的選擇和調(diào)節(jié)的選擇和調(diào)節(jié)選擇選擇pH值的方法：通過實(shí)驗(yàn)確定。值的方法：通過實(shí)驗(yàn)確定。 配制并始終調(diào)節(jié)控制不同配制并始終調(diào)節(jié)控制不同pH，檢出菌體或產(chǎn)物最大值。，檢出菌體或產(chǎn)物最大值。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)pH值的方法：值的方法： 主要考慮培養(yǎng)

14、基中生理酸、堿性物質(zhì)的配比；主要考慮培養(yǎng)基中生理酸、堿性物質(zhì)的配比；補(bǔ)料調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)通氣量、調(diào)整鹽類、氮源、碳源的配比平補(bǔ)料調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)通氣量、調(diào)整鹽類、氮源、碳源的配比平衡；衡； 如：青霉素生產(chǎn)的葡萄糖補(bǔ)加控制如：青霉素生產(chǎn)的葡萄糖補(bǔ)加控制pH。 按需補(bǔ)糖比恒速補(bǔ)糖效果好。按需補(bǔ)糖比恒速補(bǔ)糖效果好。添加弱酸或弱堿、加緩沖劑。一般效果不好添加弱酸或弱堿、加緩沖劑。一般效果不好 三、氧對(duì)發(fā)酵的影響三、氧對(duì)發(fā)酵的影響氧是制約發(fā)酵進(jìn)行的重要因素氧是制約發(fā)酵進(jìn)行的重要因素氧難溶于水，培養(yǎng)基中貯存的氧量很少；氧難溶于水，培養(yǎng)基中貯存的氧量很少； 【純氧溶純水，【純氧溶純水，1.26mmol/L；空氣氧溶純水

15、，；空氣氧溶純水，0.25；培養(yǎng)；培養(yǎng)基更低】基更低】高產(chǎn)株和加富培養(yǎng)基的采用以及發(fā)酵周期的縮短高產(chǎn)株和加富培養(yǎng)基的采用以及發(fā)酵周期的縮短 加劇了對(duì)氧的需求；加劇了對(duì)氧的需求；形成產(chǎn)物的最正確氧濃度和生長的最正確氧濃度有可形成產(chǎn)物的最正確氧濃度和生長的最正確氧濃度有可 能是不同的；能是不同的；發(fā)酵罐中氧的吸收率很低；多數(shù)發(fā)酵罐中氧的吸收率很低；多數(shù) 2%；通常；通常 1%加大通氣量會(huì)引起過多泡沫；加大通氣量會(huì)引起過多泡沫；消泡劑不利于氧的溶解。消泡劑不利于氧的溶解。1 1、氧的傳遞和傳質(zhì)方程式、氧的傳遞和傳質(zhì)方程式氧傳遞的阻力：氧傳遞的阻力： 氣相到氣液界面；氣相到氣液界面； 氣液界面；氣液界

16、面； 通過液膜；通過液膜； 液相；液相； 細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外表液膜；細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)外表液膜； 固液界面；固液界面； 細(xì)胞團(tuán)內(nèi)；細(xì)胞團(tuán)內(nèi)； 細(xì)胞壁；細(xì)胞壁； 反響生化阻力。反響生化阻力。從空氣泡到細(xì)胞內(nèi)總阻力為上述阻力之和。從空氣泡到細(xì)胞內(nèi)總阻力為上述阻力之和。 即即1/kt=1/kG+1/kI+1/kL+1/kLB+1/kLC+1/kIS+1/kA+1/kW+ 1/kR液相主體到細(xì)胞壁，氧的濃度差很小。液相主體到細(xì)胞壁，氧的濃度差很小。 細(xì)胞不結(jié)團(tuán)時(shí)，壁氧的濃度與液膜接近。細(xì)胞不結(jié)團(tuán)時(shí)，壁氧的濃度與液膜接近。 1 1、氧的傳遞和傳質(zhì)方程式、氧的傳遞和傳質(zhì)方程式氧傳遞的總推動(dòng)力：氧傳遞的總推動(dòng)力： 氣

17、相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓差和濃度差。氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓差和濃度差。減小阻力方法：減小阻力方法： 液膜，氣液混合所生湍動(dòng)；液膜，氣液混合所生湍動(dòng)； 細(xì)胞團(tuán)外表液膜，攪拌減小外徑，減少細(xì)胞團(tuán)外表液膜，攪拌減小外徑，減少阻力；阻力； 細(xì)胞團(tuán)內(nèi)阻力和壁阻力，攪拌減少逆向細(xì)胞團(tuán)內(nèi)阻力和壁阻力，攪拌減少逆向擴(kuò)散梯度；擴(kuò)散梯度； 反響阻力，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件，產(chǎn)反響阻力，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件，產(chǎn)物移去。物移去。1 1、氧的傳遞和傳質(zhì)方程式、氧的傳遞和傳質(zhì)方程式氣液相間的氧傳遞和氧傳質(zhì)方程式。氣液相間的氧傳遞和氧傳質(zhì)方程式。 氧分壓和濃度變化圖氧分壓和濃度變化圖7-7氧傳遞的主要阻力存在于氣膜和液膜中。氧傳遞的

18、主要阻力存在于氣膜和液膜中。 單位體積培養(yǎng)液中的氧傳遞速率單位體積培養(yǎng)液中的氧傳遞速率 ： OTR=KLC*-CL KL 容積傳遞系數(shù)；容積傳遞系數(shù)； 比外表積；比外表積； KL以氧濃度為推動(dòng)力的總傳遞系數(shù)；以氧濃度為推動(dòng)力的總傳遞系數(shù)； C*氣液平衡的液相氧濃度應(yīng)有；氣液平衡的液相氧濃度應(yīng)有； CL液相主體氧濃度存在。液相主體氧濃度存在。 氣液相間的氧傳遞和氧傳質(zhì)方程式氣液相間的氧傳遞和氧傳質(zhì)方程式 培養(yǎng)物處于充裕的通氣情況下，培養(yǎng)物處于充裕的通氣情況下， CL會(huì)逐漸接近會(huì)逐漸接近C*，氧傳遞速率漸??；，氧傳遞速率漸?。?而處于不充裕的通氣情況下，而處于不充裕的通氣情況下， CL下降趨于下降

19、趨于0，氧傳遞速率最大。，氧傳遞速率最大。 C*-CL推動(dòng)力推動(dòng)力2 2、影響微生物對(duì)氧需求的因素、影響微生物對(duì)氧需求的因素 不同微生物對(duì)氧的需求不同，其耗氧速度用呼吸強(qiáng)不同微生物對(duì)氧的需求不同，其耗氧速度用呼吸強(qiáng)度比耗氧速率來表示：度比耗氧速率來表示： CL QO2 =( QO2 )m (當(dāng)氧是限制當(dāng)氧是限制性基質(zhì)時(shí)性基質(zhì)時(shí) ) K0 + CL ( QO2 )m最大比耗氧速率；最大比耗氧速率； CL溶解氧濃度；溶解氧濃度； K0氧的米氏常數(shù)。氧的米氏常數(shù)。 各種菌的各種菌的K0和和( QO2 )m有定值表有定值表7-3；表；表7-4。影響微生物對(duì)氧需求的因素影響微生物對(duì)氧需求的因素菌的呼吸強(qiáng)

20、度與菌種種類菌的呼吸強(qiáng)度與菌種種類K0， ( QO2 )m和培養(yǎng)液中溶解氧濃度有關(guān)。和培養(yǎng)液中溶解氧濃度有關(guān)。 CL增加，增加，QO2 增強(qiáng)；直至到達(dá)增強(qiáng)；直至到達(dá) CL / K0 + CL 1 臨界值，再不加大。臨界值，再不加大。 如：圖如：圖7-8。2 2、影響微生物對(duì)氧需求的因素、影響微生物對(duì)氧需求的因素?cái)z氧率：攝氧率： 單位體積培養(yǎng)液，在單位時(shí)間內(nèi)耗氧量。單位體積培養(yǎng)液，在單位時(shí)間內(nèi)耗氧量。r = QO2X X細(xì)胞濃度。細(xì)胞濃度。氧的滿足度：氧的滿足度： 溶解氧濃度與臨界氧濃度之比。溶解氧濃度與臨界氧濃度之比。產(chǎn)物形成的最正確氧濃度有時(shí)與細(xì)胞生長最正確氧產(chǎn)物形成的最正確氧濃度有時(shí)與細(xì)胞

21、生長最正確氧濃度不同，需氧量差異較大，各有不同。濃度不同，需氧量差異較大，各有不同。影響微生物攝氧率的因素影響微生物攝氧率的因素 菌種；菌種； 溶解氧濃度；溶解氧濃度； 細(xì)胞濃度；細(xì)胞濃度； 培養(yǎng)基成分和濃度：培養(yǎng)基成分和濃度： 如：碳源，利用速度不同攝氧率不如：碳源，利用速度不同攝氧率不同；同； pH； 溫度：溫度高，臨界值增高；溫度：溫度高，臨界值增高； 有毒物積累。抑制呼吸；有毒物積累。抑制呼吸； 揮發(fā)性中間物有機(jī)酸，加強(qiáng)。揮發(fā)性中間物有機(jī)酸，加強(qiáng)。3 3、培養(yǎng)基的流變特性、培養(yǎng)基的流變特性 培養(yǎng)基的流變特性影響：培養(yǎng)基的流變特性影響： 動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞，繼而影響各種發(fā)酵動(dòng)量、熱量、

22、質(zhì)量傳遞，繼而影響各種發(fā)酵條件。如：條件。如： 溶氧速率、氣體交換、發(fā)酵溫度、營養(yǎng)物補(bǔ)溶氧速率、氣體交換、發(fā)酵溫度、營養(yǎng)物補(bǔ)充、充、PH值的調(diào)節(jié)等。值的調(diào)節(jié)等。 培養(yǎng)液是培養(yǎng)液是 一多相體系，由液相、固相菌體，不一多相體系，由液相、固相菌體，不溶性培養(yǎng)基組分和氣相構(gòu)成。溶性培養(yǎng)基組分和氣相構(gòu)成。牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體和非牛頓流體 牛頓型流體：服從牛頓黏性定律，黏度只是溫牛頓型流體：服從牛頓黏性定律，黏度只是溫度的函數(shù)，與流變狀態(tài)無關(guān)。即發(fā)酵罐中任何度的函數(shù)，與流變狀態(tài)無關(guān)。即發(fā)酵罐中任何局部黏度相同，與攪拌速度、半徑無關(guān)。局部黏度相同，與攪拌速度、半徑無關(guān)。 清細(xì)菌、酵母液清細(xì)菌、酵母液

23、非牛頓型流體：不服從牛頓黏性定律，其黏度非牛頓型流體：不服從牛頓黏性定律，其黏度不僅受溫度影響，而且隨流動(dòng)狀態(tài)而異?？煞植粌H受溫度影響，而且隨流動(dòng)狀態(tài)而異?？煞譃閹追N類型的流體。與切變率為幾種類型的流體。與切變率r有關(guān)。有關(guān)。 放線菌、霉菌、高濃度細(xì)菌、酵母培養(yǎng)液放線菌、霉菌、高濃度細(xì)菌、酵母培養(yǎng)液非牛頓流體的攪拌功率非牛頓流體的攪拌功率罐中非牛頓流體的平均切變率與攪拌速罐中非牛頓流體的平均切變率與攪拌速 度成正比。度成正比。 _ 平均切變率平均切變率 r = k N k無因次常數(shù)無因次常數(shù) N攪拌器轉(zhuǎn)速攪拌器轉(zhuǎn)速 對(duì)不同的非牛頓流體，采用不同型式和大小的攪拌器，對(duì)不同的非牛頓流體，采用不同型

24、式和大小的攪拌器，k值一般在值一般在10-13之間。之間。在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液的黏度系數(shù)在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液的黏度系數(shù)K、流變特征指數(shù)、流變特征指數(shù)n表表現(xiàn)出時(shí)變性?，F(xiàn)出時(shí)變性。4 4、影響供氧的因素、影響供氧的因素 由氧傳質(zhì)方程式：由氧傳質(zhì)方程式： OTR=KLC*-CL 可知，以下因素影響氧傳遞速率：可知，以下因素影響氧傳遞速率：1影響影響KL的因素的因素 ；2影響推動(dòng)力影響推動(dòng)力C*-CL的因素的因素 。1 1影響影響KLKL的因素的因素?cái)嚢瑁簲嚢瑁?汽泡變小，增大汽液相接觸面積；延長汽泡在液體中汽泡變小，增大汽液相接觸面積；延長汽泡在液體中的停留時(shí)間；增加湍動(dòng)程度，減小氣泡外液膜厚度，

25、減小的停留時(shí)間；增加湍動(dòng)程度，減小氣泡外液膜厚度，減小阻力；使培養(yǎng)基成分和細(xì)胞均勻分布，利于營養(yǎng)物吸收，阻力；使培養(yǎng)基成分和細(xì)胞均勻分布，利于營養(yǎng)物吸收，代謝物擴(kuò)散。攪拌比通氣速度對(duì)代謝物擴(kuò)散。攪拌比通氣速度對(duì)KL的影響更明顯。的影響更明顯。 但攪拌速度過高，會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損傷，并會(huì)增加傳熱但攪拌速度過高，會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損傷，并會(huì)增加傳熱的負(fù)擔(dān)。的負(fù)擔(dān)。 通氣效率還與罐體積越小越好、罐形狀、結(jié)構(gòu)、通氣效率還與罐體積越小越好、罐形狀、結(jié)構(gòu)、攪拌器形式、擋板有關(guān)。攪拌器形式、擋板有關(guān)。1 1影響影響KLKL的因素的因素空氣流量：空氣流量： 供氧，帶走廢氣。供氧，帶走廢氣。 KL隨空氣流量增加而隨空氣流

26、量增加而增加，但有限度。增加，但有限度。 如超過限度，攪拌器在空氣泡中空轉(zhuǎn)，不如超過限度，攪拌器在空氣泡中空轉(zhuǎn)，不能分散空氣，攪拌功率下降。氣沿軸逸出。能分散空氣，攪拌功率下降。氣沿軸逸出。1 1影響影響KLKL的因素的因素培養(yǎng)液性質(zhì)的影響：培養(yǎng)液性質(zhì)的影響： 微生物生長繁殖和代謝可引起發(fā)酵液密度、黏度、微生物生長繁殖和代謝可引起發(fā)酵液密度、黏度、外表張力、擴(kuò)散系數(shù)的變化。這些性質(zhì)的變化都會(huì)影外表張力、擴(kuò)散系數(shù)的變化。這些性質(zhì)的變化都會(huì)影響響KL值。值。 如：黏度增大，滯留液膜厚度增加，傳質(zhì)阻力增如：黏度增大，滯留液膜厚度增加，傳質(zhì)阻力增大；同時(shí)黏度影響擴(kuò)散系數(shù)，使通氣效率降低。大；同時(shí)黏度影

27、響擴(kuò)散系數(shù)，使通氣效率降低。 綜合操作條件和流體性質(zhì)對(duì)綜合操作條件和流體性質(zhì)對(duì)KL的影響，有：的影響，有： KL=f(Di,N,s,DL,g)1 1影響影響KLKL的因素的因素微生物生長的影響：微生物生長的影響： 細(xì)胞濃度增加，細(xì)胞濃度增加， KL值變小，細(xì)胞值變小，細(xì)胞濃度相同時(shí)，球狀菌懸液的濃度相同時(shí)，球狀菌懸液的KL值是絲值是絲狀菌懸液狀菌懸液KL值的兩倍。值的兩倍。 流動(dòng)特性，稠度差異較大流動(dòng)特性，稠度差異較大 1 1影響影響KLKL的因素的因素 消沫劑的影響： 分布于氣液截界面，增大傳遞阻力，使KL下降雖使 增大。 產(chǎn)生泡沫原因多樣，其中發(fā)酵性泡沫氧低，CO2高，不易破，“逃液。 消

28、沫劑雖然使KL下降，但最終會(huì)有 效的改善發(fā)酵液的通氣效率。 消泡沫的重要手段 1 1影響影響KLKL的因素的因素離子強(qiáng)度的影響：離子強(qiáng)度的影響： 氣泡在電解質(zhì)溶液中，比在水中小氣泡在電解質(zhì)溶液中，比在水中小很多，很多， 較大，較大， KL值也比水大。并隨值也比水大。并隨濃度增加而增大。濃度增加而增大。 丙酮、乙醇、甲醇等有機(jī)溶劑也有丙酮、乙醇、甲醇等有機(jī)溶劑也有類似情況。類似情況。2 2影響推動(dòng)力的因素影響推動(dòng)力的因素 提高推動(dòng)力實(shí)際上是增加氧的飽和度提高推動(dòng)力實(shí)際上是增加氧的飽和度C*。影響因素有：影響因素有：溫度：常壓下，隨溫度升高而降低。溫度：常壓下，隨溫度升高而降低。溶質(zhì)的影響：隨濃度

29、增加氧飽和度下降。電解質(zhì)，因溶質(zhì)的影響：隨濃度增加氧飽和度下降。電解質(zhì)，因鹽析作用而降低；有機(jī)溶液，升高。鹽析作用而降低；有機(jī)溶液，升高。罐壓：罐壓增加，溶解氧濃度增加，但罐壓：罐壓增加，溶解氧濃度增加，但CO2也增加且也增加且更快。不利于液相中更快。不利于液相中CO2排出。對(duì)細(xì)胞滲透壓有不利影排出。對(duì)細(xì)胞滲透壓有不利影響。響。純氧：富氧通氣、溶解氧增加。但生產(chǎn)本錢提高，不純氧：富氧通氣、溶解氧增加。但生產(chǎn)本錢提高，不夠經(jīng)濟(jì)。夠經(jīng)濟(jì)。5 5、液相體積氧傳遞系數(shù)、液相體積氧傳遞系數(shù)KKL L的測(cè)定的測(cè)定常握供氧，需氧情況，要測(cè)定：常握供氧，需氧情況，要測(cè)定： 溶解氧濃度，攝氧率和液相體積氧傳遞系

30、溶解氧濃度，攝氧率和液相體積氧傳遞系數(shù)數(shù)KL。1.攝氧率的測(cè)定：攝氧率的測(cè)定： 先用純水標(biāo)定電極，得單位電流值代表的先用純水標(biāo)定電極，得單位電流值代表的溶解氧濃度；測(cè)定時(shí)、關(guān)氣、除氣、保持?jǐn)嚢?；溶解氧濃度；測(cè)定時(shí)、關(guān)氣、除氣、保持?jǐn)嚢?；?xì)胞耗氧，培養(yǎng)基氧降，電流值降，攝氧率細(xì)胞耗氧，培養(yǎng)基氧降，電流值降，攝氧率 r 求出。求出。5 5、液相體積氧傳遞系數(shù)、液相體積氧傳遞系數(shù)KKL L的測(cè)定的測(cè)定2.液相體積氧傳遞系數(shù)液相體積氧傳遞系數(shù)KL的測(cè)定：的測(cè)定： 可用直接測(cè)定法，動(dòng)態(tài)測(cè)定法?？捎弥苯訙y(cè)定法，動(dòng)態(tài)測(cè)定法。 用復(fù)膜氧電極測(cè)定，停氣、用復(fù)膜氧電極測(cè)定，停氣、N氣、除氣，氣、除氣，保攪拌；溶氧

31、下降，保攪拌；溶氧下降， 到呼吸臨界氧濃度時(shí)，到呼吸臨界氧濃度時(shí)，恢復(fù)通氣。溶解氧濃度為縱坐標(biāo)，測(cè)定時(shí)間恢復(fù)通氣。溶解氧濃度為縱坐標(biāo)，測(cè)定時(shí)間為橫坐標(biāo)。制得曲線，其斜率為橫坐標(biāo)。制得曲線，其斜率=-1/ KL；延；延長線與長線與縱軸的截距為縱軸的截距為C* 。6 6、提高溶氧的方法、提高溶氧的方法加強(qiáng)攪拌；加強(qiáng)攪拌；適當(dāng)?shù)目諝饬髁?；適當(dāng)?shù)目諝饬髁?；減小培養(yǎng)基粘度；減小培養(yǎng)基粘度；提高氧分壓；提高氧分壓；調(diào)節(jié)微生物呼吸強(qiáng)度的臨界值；調(diào)節(jié)微生物呼吸強(qiáng)度的臨界值；適宜的細(xì)胞濃度、碳源種類、適宜的細(xì)胞濃度、碳源種類、pH、溫度。、溫度。四、二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控四、二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控制制二氧化

32、碳的來源：二氧化碳的來源： 是微生物的代謝產(chǎn)物，也是某些合成是微生物的代謝產(chǎn)物，也是某些合成 代謝的一種基質(zhì)。代謝的一種基質(zhì)。二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響：二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響： 1、對(duì)菌體；、對(duì)菌體； 2、對(duì)產(chǎn)物。、對(duì)產(chǎn)物。二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響1、對(duì)菌體：、對(duì)菌體： CO2效應(yīng)：在發(fā)酵生產(chǎn)中不同微生物或某一生長階段對(duì)二效應(yīng)：在發(fā)酵生產(chǎn)中不同微生物或某一生長階段對(duì)二氧化碳有著特殊的要求促進(jìn)或必須；氧化碳有著特殊的要求促進(jìn)或必須； 通常對(duì)菌體生長有抑制作用。排氣中高于通常對(duì)菌體生長有抑制作用。排氣中高于4時(shí)，糖代謝時(shí)，糖代謝和呼吸速率下降。和呼吸速率下降。2、對(duì)產(chǎn)物：、對(duì)產(chǎn)物： 需占

33、一定的比例或分壓，過高、過低產(chǎn)量都會(huì)下降；需占一定的比例或分壓，過高、過低產(chǎn)量都會(huì)下降； CO2對(duì)某些發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。對(duì)某些發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。 如：抗生素，組氨酸等；如：抗生素，組氨酸等； 二氧化碳可通過改變二氧化碳可通過改變pH而影響發(fā)酵生產(chǎn)。而影響發(fā)酵生產(chǎn)。四、二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控制四、二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控制原因：原因： CO2作用膜脂質(zhì)核心部位，改變膜流動(dòng)作用膜脂質(zhì)核心部位，改變膜流動(dòng)性及外表電荷密度，影響膜運(yùn)輸效率，導(dǎo)致細(xì)性及外表電荷密度，影響膜運(yùn)輸效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長受限制，形態(tài)改變；胞生長受限制，形態(tài)改變；HCO3- 影響細(xì)影響細(xì)胞膜的膜蛋白胞膜的膜蛋白 也可產(chǎn)生反響作用，

34、使也可產(chǎn)生反響作用，使PH下降，與其下降，與其他物質(zhì)反響，與生長必需金屬離子形成碳酸鹽他物質(zhì)反響，與生長必需金屬離子形成碳酸鹽沉淀，過分耗氧，引起溶解氧下降等，影響菌沉淀，過分耗氧，引起溶解氧下降等，影響菌體生長和產(chǎn)物合成。體生長和產(chǎn)物合成。四、二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控制四、二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控制發(fā)酵液中發(fā)酵液中CO2濃度的影響因素：濃度的影響因素： 細(xì)胞呼吸強(qiáng)度；細(xì)胞呼吸強(qiáng)度； 發(fā)酵液流變學(xué)特性；發(fā)酵液流變學(xué)特性； 通氣攪拌程度；通氣攪拌程度； 罐壓大?。还迚捍笮。?設(shè)備規(guī)模。設(shè)備規(guī)模。二氧化碳濃度的控制方法：二氧化碳濃度的控制方法：調(diào)節(jié)罐壓、通氣量和攪拌速度；調(diào)節(jié)罐壓、通氣量和攪拌速度

35、；補(bǔ)料。青霉素：補(bǔ)糖，增加補(bǔ)料。青霉素：補(bǔ)糖，增加CO2 產(chǎn)生，降產(chǎn)生，降低低PH。五、泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及控制五、泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及控制泡沫產(chǎn)生的原因泡沫產(chǎn)生的原因泡沫過多對(duì)發(fā)酵的危害泡沫過多對(duì)發(fā)酵的危害泡沫的消長規(guī)律泡沫的消長規(guī)律泡沫的消除和防止泡沫的消除和防止1 1、泡沫產(chǎn)生的原因、泡沫產(chǎn)生的原因充氣產(chǎn)生泡沫充氣產(chǎn)生泡沫微生物代謝氣體形成泡沫微生物代謝氣體形成泡沫泡沫的產(chǎn)生與培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)泡沫的產(chǎn)生與培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān) 蛋白質(zhì)原料、蜜糖水解原料，淀粉水蛋白質(zhì)原料、蜜糖水解原料，淀粉水解不完全時(shí)易發(fā)泡解不完全時(shí)易發(fā)泡2 2、泡沫過多對(duì)發(fā)酵的危害、泡沫過多對(duì)發(fā)酵的危害l使裝量減少，或造成跑液，使產(chǎn)

36、量降低；使裝量減少，或造成跑液，使產(chǎn)量降低；l通過軸封泄漏，污染設(shè)備，增加染菌時(shí)機(jī)；通過軸封泄漏，污染設(shè)備，增加染菌時(shí)機(jī)；l菌體粘附罐頂、罐壁，發(fā)酵液中菌體量減少；菌體粘附罐頂、罐壁，發(fā)酵液中菌體量減少；l影響通氣攪拌的進(jìn)行，造成減產(chǎn)或菌體提前自溶；影響通氣攪拌的進(jìn)行，造成減產(chǎn)或菌體提前自溶；l菌體提前自溶會(huì)促使更多泡沫形成，惡性循環(huán)；菌體提前自溶會(huì)促使更多泡沫形成，惡性循環(huán)；l減風(fēng)量，影響溶解氧濃度，影響生長、代謝；減風(fēng)量，影響溶解氧濃度，影響生長、代謝；l加消泡劑，給提取工藝帶來困難。加消泡劑，給提取工藝帶來困難。3 3、泡沫的消長規(guī)律、泡沫的消長規(guī)律通氣和攪拌：通氣和攪拌： 隨通氣和攪拌

37、增加而增加，攪拌比通氣影響大；隨通氣和攪拌增加而增加，攪拌比通氣影響大；培養(yǎng)基原料性質(zhì)：培養(yǎng)基原料性質(zhì)： 蛋白胨、玉米漿、花生餅粉、黃豆餅粉、酵母粉等蛋白胨、玉米漿、花生餅粉、黃豆餅粉、酵母粉等蛋白質(zhì)原料是主要發(fā)泡物質(zhì)；蛋白質(zhì)原料是主要發(fā)泡物質(zhì)；培養(yǎng)基滅菌方法：培養(yǎng)基滅菌方法： 溫度過高，形成蛋白黑色素，溫度過高，形成蛋白黑色素，5羥甲基糖醛，泡羥甲基糖醛，泡沫增多；沫增多；細(xì)胞代謝活動(dòng)：細(xì)胞代謝活動(dòng)： 初期，高粘度、低張力，泡多；中期，粘度降、初期，高粘度、低張力，泡多；中期，粘度降、張力升，泡少；后期，自溶，泡上升。張力升，泡少；后期，自溶，泡上升。4 4、泡沫的消除和防止、泡沫的消除和防

38、止消泡方法：消泡方法：改變培養(yǎng)基成份，減少通氣，選育新生改變培養(yǎng)基成份，減少通氣，選育新生產(chǎn)種產(chǎn)種化學(xué)法：添加消泡劑油類等，應(yīng)用化學(xué)法：添加消泡劑油類等，應(yīng)用面廣面廣機(jī)械法：靠機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)，壓力的變化，機(jī)械法：靠機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)，壓力的變化，使使 氣泡破裂，或借助機(jī)械力將排氣泡破裂，或借助機(jī)械力將排出氣出氣 體中的液體加以別離回體中的液體加以別離回收收4 4、泡沫的消除和防止、泡沫的消除和防止化學(xué)消泡法化學(xué)消泡法機(jī)理：由于消泡劑本身的外表張力較低，當(dāng)其與機(jī)理：由于消泡劑本身的外表張力較低，當(dāng)其與氣泡膜外表接觸時(shí)，使氣泡膜局部的外表張力降氣泡膜外表接觸時(shí)，使氣泡膜局部的外表張力降低，從而使氣泡破裂。低，從而使氣泡破裂。消泡劑的特點(diǎn)：是外表活性劑，具有一定的親水消泡劑的特點(diǎn)：是外表活性劑，具有一定的親水性，溶解度較小，無毒，不干擾溶氧、性，溶解度較小，無毒，不干擾溶氧、pH值等值等測(cè)定儀表的使用，來源廣，價(jià)廉。測(cè)定儀表的使用，來源廣，價(jià)廉。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1、消耗多種油類或化工原料；、消耗多種油類或化工原料；2、使發(fā)酵液中氧的吸收減少、使發(fā)酵液中氧的吸收減少1/5-1/3。4