1、第八章第八章 發(fā)酵過程與控制發(fā)酵過程與控制焦飛主要內(nèi)容微生物發(fā)酵類型微生物發(fā)酵類型1工藝控制參數(shù)工藝控制參數(shù)2發(fā)酵過程代謝變化發(fā)酵過程代謝變化3菌體濃度的影響和控制菌體濃度的影響和控制4溫度的影響及其控制溫度的影響及其控制5PH值影響及其控制值影響及其控制6溶氧的影響及其控制溶氧的影響及其控制7泡沫的影響及其控制泡沫的影響及其控制9發(fā)酵終點(diǎn)的判斷發(fā)酵終點(diǎn)的判斷10補(bǔ)料控制補(bǔ)料控制83 溶解氧溶解氧Dissolve Oxygen (DO)n需氧微生物生長所必需。需氧微生物生長所必需。n純氧在水、鹽或酸中的溶解純氧在水、鹽或酸中的溶解1.26mmol/Ln在在28氧在發(fā)酵液中氧在發(fā)酵液中100的空

2、氣飽和濃度只有的空氣飽和濃度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。倍。n在對(duì)數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到在對(duì)數(shù)生長期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100空空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在1530s便耗竭。便耗竭。溶氧的影響及控制溶氧的影響及控制4一、描述微生物需氧的物理量一、描述微生物需氧的物理量 比耗氧速率或呼吸強(qiáng)度比耗氧速率或呼吸強(qiáng)度（QO2 ）：）：單位重量的細(xì)單位重量的細(xì)胞胞(干重干重)在單位時(shí)間內(nèi)所消耗的氧氣，在單位時(shí)間內(nèi)所消耗的氧氣，mmolO2/(g菌菌h) 攝氧率攝氧率(r)(r)：

3、單位體積的發(fā)酵液單位體積的發(fā)酵液在單位時(shí)間內(nèi)所需要在單位時(shí)間內(nèi)所需要的氧量。的氧量。mmolO2L-1h-1 。r= r= QO2 . .XX細(xì)胞濃度（細(xì)胞濃度（g/ /L) 返回5二、影響需氧的因素二、影響需氧的因素q 菌體濃度菌體濃度X：直接影響培養(yǎng)液的攝氧率。：直接影響培養(yǎng)液的攝氧率。q QO2：呼吸強(qiáng)度又受到很多因素影響呼吸強(qiáng)度又受到很多因素影響r= r= QO2 . .X6二、影響需氧的因素二、影響需氧的因素呼吸強(qiáng)度呼吸強(qiáng)度QO2的影響因素（的影響因素（五點(diǎn)五點(diǎn)） 遺傳因素遺傳因素：不同的微生物呼吸強(qiáng)度是不同的。一不同的微生物呼吸強(qiáng)度是不同的。一般為般為 25100mmolO2/(L

4、h)。 菌齡菌齡：一般幼齡菌生長旺盛，呼吸強(qiáng)度大；老齡：一般幼齡菌生長旺盛，呼吸強(qiáng)度大；老齡菌生長慢，呼吸強(qiáng)度小。菌生長慢，呼吸強(qiáng)度小。代謝類型代謝類型：若產(chǎn)物是通過三羧酸循環(huán)：若產(chǎn)物是通過三羧酸循環(huán)(TCA)獲取，獲取，則呼吸強(qiáng)度高，如則呼吸強(qiáng)度高，如Glu、天冬氨酸、天冬氨酸的生產(chǎn)；若糖酵的生產(chǎn)；若糖酵解途徑解途徑(EMP)，則呼吸強(qiáng)度低，如，則呼吸強(qiáng)度低，如苯丙氨酸、亮氨苯丙氨酸、亮氨酸酸的生產(chǎn)。的生產(chǎn)。7 培養(yǎng)基的成分與濃度培養(yǎng)基的成分與濃度 培養(yǎng)基成分尤其是培養(yǎng)基成分尤其是碳源碳源對(duì)細(xì)胞的對(duì)細(xì)胞的耗氧量耗氧量有很大影響。有很大影響。 培養(yǎng)基的濃度也會(huì)影響細(xì)胞的培養(yǎng)基的濃度也會(huì)影響細(xì)胞

5、的耗氧速率耗氧速率。營養(yǎng)豐富，菌營養(yǎng)豐富，菌體生長快，耗氧量大體生長快，耗氧量大. 此外，若培養(yǎng)基中含有生長抑制劑時(shí)，呼吸強(qiáng)度也回受此外，若培養(yǎng)基中含有生長抑制劑時(shí)，呼吸強(qiáng)度也回受到限制。到限制。不同碳源對(duì)青霉素?cái)z氧率的影響不同碳源對(duì)青霉素?cái)z氧率的影響 內(nèi)源呼吸？內(nèi)源呼吸？ 外源呼吸？外源呼吸？如果外界沒有供給能源，而是利用自身內(nèi)部如果外界沒有供給能源，而是利用自身內(nèi)部儲(chǔ)存的能源物質(zhì)進(jìn)行呼吸儲(chǔ)存的能源物質(zhì)進(jìn)行呼吸 在正常情況下，微生物利用外界供在正常情況下，微生物利用外界供給的能源進(jìn)行呼吸給的能源進(jìn)行呼吸 8 發(fā)酵條件發(fā)酵條件u 溫度、溫度、pH通過對(duì)酶活性的影響而影響菌體細(xì)胞通過對(duì)酶活性的影

6、響而影響菌體細(xì)胞的耗氧的耗氧u溫度還影響發(fā)酵液中的溶氧濃度溫度還影響發(fā)酵液中的溶氧濃度u有些有些有害物質(zhì)有害物質(zhì)的積累，如的積累，如NH3、CO2會(huì)抑制微生會(huì)抑制微生物的呼吸物的呼吸 返回9三、溶解氧濃度對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成的影響三、溶解氧濃度對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成的影響CCrCCr：呼吸臨界氧濃度呼吸臨界氧濃度, 指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。如果對(duì)產(chǎn)物而言，便是不影響產(chǎn)物合成所允許的最低濃度。如果對(duì)產(chǎn)物而言，便是不影響產(chǎn)物合成所允許的最低濃度。QO2CL（溶解氧濃度）（溶解氧濃度） 當(dāng)溶解氧濃度高于臨界值時(shí)，當(dāng)溶解氧濃度高于臨界值時(shí)，微生物的呼吸強(qiáng)度保持恒

7、定，與微生物的呼吸強(qiáng)度保持恒定，與培養(yǎng)液中的氧濃度無關(guān)；當(dāng)?shù)陀谂囵B(yǎng)液中的氧濃度無關(guān)；當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)臨界值時(shí)，微生物的呼吸強(qiáng)這個(gè)臨界值時(shí)，微生物的呼吸強(qiáng)度受到溶解氧濃度的影響，這時(shí)度受到溶解氧濃度的影響，這時(shí)細(xì)胞的代謝活動(dòng)會(huì)因溶解氧濃度細(xì)胞的代謝活動(dòng)會(huì)因溶解氧濃度的限制受到影響。的限制受到影響。p10710注意：有時(shí)產(chǎn)物合成臨界氧濃度和菌體生長所注意：有時(shí)產(chǎn)物合成臨界氧濃度和菌體生長所需的呼吸臨界氧濃度會(huì)不一需的呼吸臨界氧濃度會(huì)不一 樣樣： 頭孢菌素頭孢菌素 卷須霉素卷須霉素生長生長 CCr 為為5% (相對(duì)于飽和濃度）相對(duì)于飽和濃度） CCr 為為13%產(chǎn)物產(chǎn)物 13% 8% （即低于（即低于13

8、%時(shí)產(chǎn)物的形成會(huì)受到抑制）時(shí)產(chǎn)物的形成會(huì)受到抑制）一般對(duì)于微生物：一般對(duì)于微生物： CCr: 125%飽和濃度飽和濃度例：例：酵母酵母 4.610-3 mmol.L-1, 1.8% 產(chǎn)黃青霉產(chǎn)黃青霉 2.210-2 mmol.L-1, 8.8%11 溶解氧濃度對(duì)菌體生長和產(chǎn)物的形成會(huì)產(chǎn)生不同的影響。溶解氧濃度對(duì)菌體生長和產(chǎn)物的形成會(huì)產(chǎn)生不同的影響。 對(duì)菌體生長的影響顯而易見。對(duì)菌體生長的影響顯而易見。 谷氨酸谷氨酸、精氨酸精氨酸和和脯氨酸脯氨酸發(fā)酵時(shí)，若供氧不足，其發(fā)酵時(shí)，若供氧不足，其積累就會(huì)明顯降低，產(chǎn)生大量乳酸和琥珀酸。積累就會(huì)明顯降低，產(chǎn)生大量乳酸和琥珀酸。 對(duì)抗生素發(fā)酵來說，氧的供給

9、就更為重要。如對(duì)抗生素發(fā)酵來說，氧的供給就更為重要。如金霉金霉素素發(fā)酵，在生長期短時(shí)間停止通風(fēng)，就可能影響菌體發(fā)酵，在生長期短時(shí)間停止通風(fēng)，就可能影響菌體在生產(chǎn)期的糖代謝途徑，由戊糖磷酸途徑轉(zhuǎn)向糖酵解在生產(chǎn)期的糖代謝途徑，由戊糖磷酸途徑轉(zhuǎn)向糖酵解途徑，使金霉素產(chǎn)量減少。途徑，使金霉素產(chǎn)量減少。 12在培養(yǎng)過程中并不是維持溶氧越高越好在培養(yǎng)過程中并不是維持溶氧越高越好。即使是專性好。即使是專性好氧菌，過高的溶氧對(duì)生長可能不利。氧的有害作用是通過形氧菌，過高的溶氧對(duì)生長可能不利。氧的有害作用是通過形成新生成新生O，超氧化物基，超氧化物基O2-和過氧化物基和過氧化物基O22-等破壞細(xì)胞體現(xiàn)等破壞細(xì)胞

10、體現(xiàn)的。另外，的。另外，次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)，控制生長不使過量是必須，控制生長不使過量是必須的，否則產(chǎn)量會(huì)減少。的，否則產(chǎn)量會(huì)減少。 如，如，亮氨酸亮氨酸、纈氨酸纈氨酸和和苯丙氨酸苯丙氨酸，僅在供氧受限、細(xì)胞，僅在供氧受限、細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才能獲得最大量的氨基酸，如果供氧充足，呼吸受抑制時(shí)，才能獲得最大量的氨基酸，如果供氧充足，產(chǎn)物形成反而受到抑制。產(chǎn)物形成反而受到抑制。13 在在天冬酰胺酶天冬酰胺酶發(fā)酵中，發(fā)酵中，前期是好氧培養(yǎng)前期是好氧培養(yǎng)，后期轉(zhuǎn)后期轉(zhuǎn)為厭氧培養(yǎng)為厭氧培養(yǎng)，酶活可大大提高。所以掌握由好氧轉(zhuǎn)為，酶活可大大提高。所以掌握由好氧轉(zhuǎn)為厭氧的時(shí)機(jī)頗為關(guān)鍵。據(jù)實(shí)驗(yàn)研

11、究，當(dāng)溶氧下降到厭氧的時(shí)機(jī)頗為關(guān)鍵。據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)溶氧下降到45%空氣飽和度時(shí)由好氧切換到厭氧培養(yǎng)，并適當(dāng)補(bǔ)空氣飽和度時(shí)由好氧切換到厭氧培養(yǎng)，并適當(dāng)補(bǔ)充營養(yǎng)可提高酶活充營養(yǎng)可提高酶活6倍。倍。 而而異亮氨酸異亮氨酸、賴氨酸賴氨酸、蘇氨酸蘇氨酸和和天冬氨酸天冬氨酸，供氧充足，供氧充足可得最高產(chǎn)量，但供氧受限，產(chǎn)量受影響并不明顯?？傻米罡弋a(chǎn)量，但供氧受限，產(chǎn)量受影響并不明顯。 14氧的滿足程度氧的滿足程度氨氨基基酸酸的的相相對(duì)對(duì)產(chǎn)產(chǎn)量量 返回15四、發(fā)酵過程中溶解氧的變化四、發(fā)酵過程中溶解氧的變化在正常發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧變化都有自己的規(guī)律。在正常發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧變化都有自

12、己的規(guī)律。 16 在谷氨酸發(fā)酵前期，產(chǎn)生菌大量繁殖，需氧量不斷增加。在谷氨酸發(fā)酵前期，產(chǎn)生菌大量繁殖，需氧量不斷增加。此時(shí)的需氧量超過供氧量，使溶氧明顯下降，出現(xiàn)一個(gè)低峰，此時(shí)的需氧量超過供氧量，使溶氧明顯下降，出現(xiàn)一個(gè)低峰，發(fā)酵液中的菌濃同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)高峰。過了生長階段，需氧量發(fā)酵液中的菌濃同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)高峰。過了生長階段，需氧量有所減少，溶氧經(jīng)過一段時(shí)間的平穩(wěn)階段后，就開始形成產(chǎn)有所減少，溶氧經(jīng)過一段時(shí)間的平穩(wěn)階段后，就開始形成產(chǎn)物，溶氧也不斷上升。物，溶氧也不斷上升。 谷氨酸發(fā)酵的溶氧低峰約在谷氨酸發(fā)酵的溶氧低峰約在620h，低峰出現(xiàn)的時(shí)間和，低峰出現(xiàn)的時(shí)間和低峰溶氧隨菌種、工藝條件和設(shè)備供

13、氧能力不同而異。低峰溶氧隨菌種、工藝條件和設(shè)備供氧能力不同而異。17 引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因：引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因： 污染好氣性雜菌污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在較短時(shí)間內(nèi)下降到零附近；較短時(shí)間內(nèi)下降到零附近； 菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧要求增加菌體代謝發(fā)生異?，F(xiàn)象，需氧要求增加，使溶氧下降；，使溶氧下降； 某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化， 攪拌功率變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧攪拌功率變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。降低。 消泡劑因自動(dòng)加油器失靈或人為加

14、量太多，也會(huì)引起溶氧消泡劑因自動(dòng)加油器失靈或人為加量太多，也會(huì)引起溶氧迅速下降。迅速下降。 在發(fā)酵過程中，有時(shí)出現(xiàn)溶氧明顯降低或明顯升高的異常變化，在發(fā)酵過程中，有時(shí)出現(xiàn)溶氧明顯降低或明顯升高的異常變化，常常見的是溶氧下降見的是溶氧下降。18 在供氧條件沒有發(fā)生變化的情況下，主要是在供氧條件沒有發(fā)生變化的情況下，主要是耗氧出現(xiàn)改變耗氧出現(xiàn)改變，如菌體代謝出現(xiàn)異常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特別是如菌體代謝出現(xiàn)異常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特別是污污染烈性噬菌體染烈性噬菌體，影響最為明顯，產(chǎn)生菌尚未裂解前，呼吸已受，影響最為明顯，產(chǎn)生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能上升，直到菌體破裂后

15、，完全失去呼吸能到抑制，溶氧有可能上升，直到菌體破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧就直線上升。力，溶氧就直線上升。由上可知，從發(fā)酵液中的溶氧變化，就可以了解微生物生由上可知，從發(fā)酵液中的溶氧變化，就可以了解微生物生長代謝是否正常，工藝控制是否合理，設(shè)備供氧能力是否充足長代謝是否正常，工藝控制是否合理，設(shè)備供氧能力是否充足等問題，幫助我們查找發(fā)酵不正常的原因和控制好發(fā)酵生產(chǎn)。等問題，幫助我們查找發(fā)酵不正常的原因和控制好發(fā)酵生產(chǎn)。 返回引起溶氧異常升高的原因引起溶氧異常升高的原因19溶氧控制的一般策略：溶氧控制的一般策略： 前期前期大于臨界呼吸溶氧濃度有利于菌體生長，大于臨界呼吸溶氧濃度有利于菌體生長

16、，中后期中后期滿滿足產(chǎn)物的形成。足產(chǎn)物的形成。 發(fā)酵液的溶氧濃度，是由發(fā)酵液的溶氧濃度，是由供氧供氧和和需氧需氧兩方面所決定的。因兩方面所決定的。因此要控制好發(fā)酵液中的溶氧，需從這兩方面著手。此要控制好發(fā)酵液中的溶氧，需從這兩方面著手。 五、發(fā)酵過程中溶解氧的控制五、發(fā)酵過程中溶解氧的控制20 一般認(rèn)為，一般認(rèn)為，發(fā)酵初期發(fā)酵初期較大的通風(fēng)和攪拌而產(chǎn)生過大較大的通風(fēng)和攪拌而產(chǎn)生過大的剪切力，對(duì)菌體的生長有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利的影響，所以的剪切力，對(duì)菌體的生長有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利的影響，所以有時(shí)有時(shí)發(fā)酵初期采用小通風(fēng)，停攪拌發(fā)酵初期采用小通風(fēng)，停攪拌，不但有利于降低能，不但有利于降低能耗，而且在工藝上也是必須

17、的。但是耗，而且在工藝上也是必須的。但是增大通氣的時(shí)間一增大通氣的時(shí)間一定要把握好定要把握好。例：例： 生產(chǎn)肌苷酸：生產(chǎn)肌苷酸：通氣量不變通氣量不變 17.15 mg/ml24小時(shí)增加小時(shí)增加 22.55 mg/ml30小時(shí)增加小時(shí)增加 18.25 mg/ml36小時(shí)增加小時(shí)增加 12.34 mg/ml21 溶氧控制在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用溶氧控制在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用國內(nèi)外都有將溶氧、國內(nèi)外都有將溶氧、pH和補(bǔ)糖綜合控制用于青霉素和補(bǔ)糖綜合控制用于青霉素發(fā)酵的成功例子?？刂频脑瓌t是發(fā)酵的成功例子?？刂频脑瓌t是加糖速率加糖速率應(yīng)正好使培養(yǎng)應(yīng)正好使培養(yǎng)物處于半饑餓狀態(tài)，即僅能維持菌的正常生理代謝，

18、而物處于半饑餓狀態(tài)，即僅能維持菌的正常生理代謝，而把更多的糖用于產(chǎn)物的合成，并且其把更多的糖用于產(chǎn)物的合成，并且其攝氧率攝氧率不至于超過不至于超過設(shè)備的供氧能力設(shè)備的供氧能力KLa，如下圖。，如下圖。22氧控制點(diǎn) 其加糖閥由控制器操其加糖閥由控制器操縱。當(dāng)培養(yǎng)液的溶氧高縱。當(dāng)培養(yǎng)液的溶氧高于控制點(diǎn)時(shí)，加糖閥開于控制點(diǎn)時(shí)，加糖閥開大，糖的利用需要消耗大，糖的利用需要消耗更多的氧，導(dǎo)致溶氧讀更多的氧，導(dǎo)致溶氧讀數(shù)下跌；反之，加糖速數(shù)下跌；反之，加糖速率便自動(dòng)減小，攝氧率率便自動(dòng)減小，攝氧率也會(huì)隨之降低，引起溶也會(huì)隨之降低，引起溶氧讀數(shù)逐漸上升。氧讀數(shù)逐漸上升。圖圖 溶氧在加糖控制中的應(yīng)用溶氧在加糖

19、控制中的應(yīng)用KLa因子推因子推動(dòng)溶氧上升動(dòng)溶氧上升總攝氧率驅(qū)總攝氧率驅(qū)動(dòng)溶氧下降動(dòng)溶氧下降加糖閥加糖閥+5%補(bǔ)糖閥開大補(bǔ)糖閥開大5%補(bǔ)糖閥關(guān)小補(bǔ)糖閥關(guān)小氧濃度氧濃度100%飽和飽和補(bǔ)料的控制補(bǔ)料的控制 補(bǔ)料分批發(fā)酵補(bǔ)料分批發(fā)酵(fed-batch culture，F(xiàn)BC)： 又稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批又稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加一種或多種成分發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加一種或多種成分的新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，是分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)的新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，是分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種過渡培養(yǎng)方式，是一種控制發(fā)酵的酵之間的一種過渡培養(yǎng)方式，是一種控制發(fā)

20、酵的好方法，現(xiàn)已廣泛用于發(fā)酵工業(yè)。好方法，現(xiàn)已廣泛用于發(fā)酵工業(yè)。 1 FBC1 FBC的作用的作用 1 1） 可以控制抑制性底物的濃度可以控制抑制性底物的濃度高濃度營養(yǎng)物抑制微生物生長：高濃度營養(yǎng)物抑制微生物生長： 基質(zhì)過濃使?jié)B透壓過高，細(xì)胞因脫水而死亡；基質(zhì)過濃使?jié)B透壓過高，細(xì)胞因脫水而死亡； 高濃度基質(zhì)能使微生物細(xì)胞熱致死高濃度基質(zhì)能使微生物細(xì)胞熱致死(themal death)(themal death)，如乙，如乙醇濃度達(dá)醇濃度達(dá)1010時(shí)，就可使酵母細(xì)胞熱致死；時(shí)，就可使酵母細(xì)胞熱致死； 有的是因某種或某些基質(zhì)對(duì)代謝關(guān)鍵酶或細(xì)胞組分產(chǎn)生抑有的是因某種或某些基質(zhì)對(duì)代謝關(guān)鍵酶或細(xì)胞組分產(chǎn)

21、生抑制作用，如高濃度苯酚制作用，如高濃度苯酚(3(35 5) )可凝固蛋白；可凝固蛋白； 高濃度基質(zhì)還會(huì)改變菌體的生化代謝而影響生長等。高濃度基質(zhì)還會(huì)改變菌體的生化代謝而影響生長等。有的基質(zhì)是合成產(chǎn)物必需的前體物質(zhì)，濃度過高，有的基質(zhì)是合成產(chǎn)物必需的前體物質(zhì)，濃度過高，就會(huì)影響菌體代謝或產(chǎn)生毒性，使產(chǎn)物產(chǎn)量降低。就會(huì)影響菌體代謝或產(chǎn)生毒性，使產(chǎn)物產(chǎn)量降低。如苯乙酸、丙醇如苯乙酸、丙醇(或丙酸或丙酸)分別是青霉素、紅霉素分別是青霉素、紅霉素的前體物質(zhì)，濃度過大，就會(huì)產(chǎn)生毒性，使抗生的前體物質(zhì)，濃度過大，就會(huì)產(chǎn)生毒性，使抗生素產(chǎn)量減少。素產(chǎn)量減少。有的底物溶解度小，達(dá)不到應(yīng)有的濃度而影響轉(zhuǎn)有的底物

22、溶解度小，達(dá)不到應(yīng)有的濃度而影響轉(zhuǎn)化率。如甾類化合物轉(zhuǎn)化中，因它們的溶解度小，化率。如甾類化合物轉(zhuǎn)化中，因它們的溶解度小，使基質(zhì)的濃度低，造成轉(zhuǎn)化率不高。使基質(zhì)的濃度低，造成轉(zhuǎn)化率不高。采用采用FBC方式，可以控制適當(dāng)?shù)幕|(zhì)濃度，解除方式，可以控制適當(dāng)?shù)幕|(zhì)濃度，解除抑制作用，得到高濃度的產(chǎn)物。抑制作用，得到高濃度的產(chǎn)物。 2 2） 解除或減弱分解代謝物的阻遏解除或減弱分解代謝物的阻遏 有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，如葡萄糖阻有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，如葡萄糖阻抑纖維素酶、赤霉素、青霉素等多種酶或產(chǎn)物的合成。通過抑纖維素酶、赤霉素、青霉素等多種酶或產(chǎn)物的合成。通過補(bǔ)

23、料來限制基質(zhì)葡萄糖的濃度，就可解除酶或其產(chǎn)物的阻遏，補(bǔ)料來限制基質(zhì)葡萄糖的濃度，就可解除酶或其產(chǎn)物的阻遏，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。提高產(chǎn)物產(chǎn)量。 緩慢流加葡萄糖，纖維素酶的產(chǎn)量幾乎增加緩慢流加葡萄糖，纖維素酶的產(chǎn)量幾乎增加200200倍；將葡萄倍；將葡萄糖濃度控制在糖濃度控制在0.020.02水平，赤霉素濃度可達(dá)水平，赤霉素濃度可達(dá)905 mg905 mgL L；采；采用滴加葡萄糖的技術(shù)，可明顯提高青霉素的發(fā)酵單位等。這用滴加葡萄糖的技術(shù)，可明顯提高青霉素的發(fā)酵單位等。這都是利用發(fā)酵技術(shù)解決分解代謝物阻遏的實(shí)際應(yīng)用。在植物都是利用發(fā)酵技術(shù)解決分解代謝物阻遏的實(shí)際應(yīng)用。在植物細(xì)胞培養(yǎng)中，也采用該技術(shù)來提高

24、產(chǎn)量。細(xì)胞培養(yǎng)中，也采用該技術(shù)來提高產(chǎn)量。3）可以使發(fā)酵過程最佳化）可以使發(fā)酵過程最佳化分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究，闡明了各個(gè)參數(shù)之間的分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究，闡明了各個(gè)參數(shù)之間的相互關(guān)系。利用相互關(guān)系。利用FBC技術(shù)，就可以使菌種保持在技術(shù)，就可以使菌種保持在最大生產(chǎn)力的狀態(tài)。最大生產(chǎn)力的狀態(tài)。隨著隨著FBC補(bǔ)料方式的不斷改進(jìn)，為發(fā)酵過程的優(yōu)補(bǔ)料方式的不斷改進(jìn)，為發(fā)酵過程的優(yōu)化和反饋控制奠定了基礎(chǔ)?；头答伩刂频於嘶A(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)、傳感器等的發(fā)展和應(yīng)用，已有可能隨著計(jì)算機(jī)、傳感器等的發(fā)展和應(yīng)用，已有可能用離線方式計(jì)算或用模擬復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型在線方用離線方式計(jì)算或用模擬復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型在線方式實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化

25、控制。式實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。 FBCFBC的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻遏；遏； 避免一次投料過多造成細(xì)胞大量生長所引起的一避免一次投料過多造成細(xì)胞大量生長所引起的一切影響，改善發(fā)酵液流變學(xué)性質(zhì)；切影響，改善發(fā)酵液流變學(xué)性質(zhì)； 可提高發(fā)芽孢子的比例，控制細(xì)胞質(zhì)量；可提高發(fā)芽孢子的比例，控制細(xì)胞質(zhì)量； 不需要嚴(yán)格的無菌條件，產(chǎn)生菌不易老化變異，不需要嚴(yán)格的無菌條件，產(chǎn)生菌不易老化變異，比連續(xù)發(fā)酵適用廣泛。比連續(xù)發(fā)酵適用廣泛。2 2 補(bǔ)料內(nèi)容補(bǔ)料內(nèi)容 能源和碳源；能源和碳源； 氮源；氮源； 微量元素；微量元素； 誘導(dǎo)物；誘導(dǎo)物；3

26、3 補(bǔ)料的原則補(bǔ)料的原則原則原則：根據(jù)菌體生長代謝規(guī)律；：根據(jù)菌體生長代謝規(guī)律； 生產(chǎn)需要；生產(chǎn)需要； 環(huán)境條件環(huán)境條件方法：充足而不過量（少量多次或分批流加）方法：充足而不過量（少量多次或分批流加）4 4 補(bǔ)糖的控制補(bǔ)糖的控制補(bǔ)糖時(shí)機(jī)補(bǔ)糖時(shí)機(jī) 過早，刺激生長，加速糖利用；過早，刺激生長，加速糖利用； 過遲，所需能量跟不上。如谷氨酸發(fā)酵在對(duì)數(shù)生過遲，所需能量跟不上。如谷氨酸發(fā)酵在對(duì)數(shù)生長期的末期補(bǔ)料。長期的末期補(bǔ)料。判斷：培養(yǎng)基條件，菌種，發(fā)酵狀況（殘?zhí)?，判斷：培養(yǎng)基條件，菌種，發(fā)酵狀況（殘?zhí)?，pHpH，菌形態(tài)等），在需要時(shí)加入；菌形態(tài)等），在需要時(shí)加入；補(bǔ)糖方式補(bǔ)糖方式 連續(xù)流加：連續(xù)流加：

27、每次流加又可分為快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加和變速流加。 少量多次間歇補(bǔ)入少量多次間歇補(bǔ)入 大量少次補(bǔ)入 可與其他組分一起進(jìn)行多組分補(bǔ)料?？膳c其他組分一起進(jìn)行多組分補(bǔ)料。 以不引起發(fā)酵液成分劇烈波動(dòng)為前提；以不引起發(fā)酵液成分劇烈波動(dòng)為前提； 補(bǔ)糖量補(bǔ)糖量加入與消耗平衡，維持穩(wěn)定的糖濃度加入與消耗平衡，維持穩(wěn)定的糖濃度；例：例：a 四環(huán)素發(fā)酵還原糖維持在四環(huán)素發(fā)酵還原糖維持在0.8-1.2%b 谷氨酸追加糖液發(fā)酵：在原工藝基礎(chǔ)上，加大接種量到谷氨酸追加糖液發(fā)酵：在原工藝基礎(chǔ)上，加大接種量到10%，增加生物素用量達(dá)，增加生物素用量達(dá)5g/L，減少初糖濃度（，減少初糖濃度（12%7-8%）盡快獲

28、得大量的生產(chǎn)型菌體，當(dāng)菌體處在生長）盡快獲得大量的生產(chǎn)型菌體，當(dāng)菌體處在生長對(duì)數(shù)期后進(jìn)入產(chǎn)酸期，糖濃度在對(duì)數(shù)期后進(jìn)入產(chǎn)酸期，糖濃度在2%左右時(shí)，連續(xù)流加糖左右時(shí)，連續(xù)流加糖液，維持液，維持2%左右的糖濃度。左右的糖濃度。 優(yōu)點(diǎn)：低濃度發(fā)酵，以利于生長和發(fā)酵；優(yōu)點(diǎn)：低濃度發(fā)酵，以利于生長和發(fā)酵； 總糖濃度達(dá)總糖濃度達(dá)20%，產(chǎn)酸高。，產(chǎn)酸高。補(bǔ)糖開始時(shí)，不但補(bǔ)糖開始時(shí)，不但CO2 的釋放率、耗氧速率大的釋放率、耗氧速率大幅度提高，連呼吸商也提高約幅度提高，連呼吸商也提高約10，表明通過，表明通過補(bǔ)糖不但提供了更多的碳源，而且隨著體系內(nèi)葡補(bǔ)糖不但提供了更多的碳源，而且隨著體系內(nèi)葡萄糖濃度提高，糖代

29、謝相關(guān)酶活力也提高，產(chǎn)能萄糖濃度提高，糖代謝相關(guān)酶活力也提高，產(chǎn)能增加。增加。發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物，有意使發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物，有意使菌體處于半饑餓狀態(tài)，在營養(yǎng)限制的條件下，維菌體處于半饑餓狀態(tài)，在營養(yǎng)限制的條件下，維持產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物的速率在較高水平。持產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物的速率在較高水平。5 補(bǔ)償?shù)醇盁o機(jī)鹽補(bǔ)償?shù)醇盁o機(jī)鹽流加尿素，一方面調(diào)節(jié)流加尿素，一方面調(diào)節(jié)pH，另一方面補(bǔ)氮。，另一方面補(bǔ)氮。谷氨酸發(fā)酵時(shí)，初次加入尿素量和補(bǔ)加量取決谷氨酸發(fā)酵時(shí)，初次加入尿素量和補(bǔ)加量取決于菌種的脲酶活力強(qiáng)弱和耐尿能力。于菌種的脲酶活力強(qiáng)弱和耐尿能力。脲酶活力低，耐尿素強(qiáng)，初次加入

30、用量多脲酶活力低，耐尿素強(qiáng)，初次加入用量多2%，流加次數(shù)少流加次數(shù)少脲酶活力強(qiáng)，耐尿素低，初次加入用量少脲酶活力強(qiáng)，耐尿素低，初次加入用量少0.6%，流加以少量多次好流加以少量多次好6 補(bǔ)料的控制補(bǔ)料的控制流加操作控制系統(tǒng)分為有反饋控制和無反饋控制流加操作控制系統(tǒng)分為有反饋控制和無反饋控制兩類。反饋控制系統(tǒng)是由傳感器、控制器和驅(qū)動(dòng)兩類。反饋控制系統(tǒng)是由傳感器、控制器和驅(qū)動(dòng)器三個(gè)單元所組成。根據(jù)控制依據(jù)的指標(biāo)不同，器三個(gè)單元所組成。根據(jù)控制依據(jù)的指標(biāo)不同，又分為直接方法和間接方法。又分為直接方法和間接方法。間接方法：以溶氧、間接方法：以溶氧、pH值、呼吸商、排氣中值、呼吸商、排氣中CO2分壓及代

31、謝產(chǎn)物濃度等作為控制參數(shù)。對(duì)間接方分壓及代謝產(chǎn)物濃度等作為控制參數(shù)。對(duì)間接方法來說，選擇與過程直接相關(guān)的可檢參數(shù)作為控法來說，選擇與過程直接相關(guān)的可檢參數(shù)作為控制指標(biāo)，是研究的關(guān)鍵。通氣發(fā)酵利用排氣中制指標(biāo)，是研究的關(guān)鍵。通氣發(fā)酵利用排氣中CO2含量作為含量作為FBC反饋控制參數(shù)是較為常用的間接方反饋控制參數(shù)是較為常用的間接方法。法。直接法：隨著一系列技術(shù)障礙的克服，該法將會(huì)直接法：隨著一系列技術(shù)障礙的克服，該法將會(huì)得到迅速普及。反饋控制的得到迅速普及。反饋控制的FBC，常常是依據(jù)個(gè)，常常是依據(jù)個(gè)別指標(biāo)來進(jìn)行，在許多情況下，并不能奏效，尚別指標(biāo)來進(jìn)行，在許多情況下，并不能奏效，尚需進(jìn)行多因子分

32、析。需進(jìn)行多因子分析。FBC還可采用還可采用“放料和補(bǔ)料放料和補(bǔ)料”(withdraw and fill)方方法：發(fā)酵一定時(shí)間，產(chǎn)生了代謝產(chǎn)物后，定時(shí)放出法：發(fā)酵一定時(shí)間，產(chǎn)生了代謝產(chǎn)物后，定時(shí)放出一部分發(fā)酵液一部分發(fā)酵液(可供提煉可供提煉)，同時(shí)補(bǔ)充一部分新鮮營，同時(shí)補(bǔ)充一部分新鮮營養(yǎng)液，并重復(fù)進(jìn)行。養(yǎng)液，并重復(fù)進(jìn)行。維持一定菌體生長速率，延長發(fā)酵產(chǎn)物生產(chǎn)期，有維持一定菌體生長速率，延長發(fā)酵產(chǎn)物生產(chǎn)期，有利于提高產(chǎn)物產(chǎn)量，降低成本。注意染菌。利于提高產(chǎn)物產(chǎn)量，降低成本。注意染菌。 如控制青霉素生產(chǎn)所用的葡萄糖流加的質(zhì)量平衡法，如控制青霉素生產(chǎn)所用的葡萄糖流加的質(zhì)量平衡法，就是利用就是利用CO

33、2的反饋控制。它是依靠精確測量的反饋控制。它是依靠精確測量CO2的釋放率的釋放率CRR和葡萄糖的流動(dòng)速度，達(dá)到控制菌體和葡萄糖的流動(dòng)速度，達(dá)到控制菌體的比生長速率和菌濃。的比生長速率和菌濃。pH值也可用作糖的流加控制的參數(shù)。值也可用作糖的流加控制的參數(shù)。注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：適宜料液比適宜料液比無菌操作無菌操作碳氮平衡，經(jīng)濟(jì)合理碳氮平衡，經(jīng)濟(jì)合理泡沫的控制泡沫的控制1 1 泡沫的產(chǎn)生、性質(zhì)及變化泡沫的產(chǎn)生、性質(zhì)及變化 形成條件：形成條件： 氣氣- -液兩相共存；液兩相共存； 表面張力大的物質(zhì)存在；表面張力大的物質(zhì)存在；發(fā)酵過程中泡沫有兩種類型：發(fā)酵過程中泡沫有兩種類型：一種是發(fā)酵液液面上的泡沫，

34、氣相所占的比例一種是發(fā)酵液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如發(fā)酵前期特別大，與液體有較明顯的界限，如發(fā)酵前期的泡沫；的泡沫；另一種是發(fā)酵液中的泡沫，又稱流態(tài)泡沫另一種是發(fā)酵液中的泡沫，又稱流態(tài)泡沫(fluid foam)，分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，與液體之間無明顯的界限。與液體之間無明顯的界限。 實(shí)質(zhì)：氣溶膠構(gòu)成的膠體系統(tǒng)，其分散相是空氣和代實(shí)質(zhì)：氣溶膠構(gòu)成的膠體系統(tǒng)，其分散相是空氣和代謝氣，連續(xù)相是發(fā)酵液，泡沫間隔著一層液膜而謝氣，連續(xù)相是發(fā)酵液，泡沫間隔著一層液膜而被彼此分開不相連通。被彼此分開不相連通。泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系泡沫是熱力學(xué)

35、不穩(wěn)定體系 熱力學(xué)第二定律指出：自發(fā)過程，總是從自熱力學(xué)第二定律指出：自發(fā)過程，總是從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)變化。起泡由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)變化。起泡過程中自由能變化如下：過程中自由能變化如下：G=AG自由能的變化自由能的變化A表面積的變化表面積的變化比表面能比表面能 起泡時(shí)，液體表面積增加，起泡時(shí)，液體表面積增加，A A為正值，因而為正值，因而G G為正值，也就是說，起泡過程不是自發(fā)過程。為正值，也就是說，起泡過程不是自發(fā)過程。另一方面，泡沫的氣液界面非常大。另一方面，泡沫的氣液界面非常大。 例如：半徑例如：半徑1cm1cm厚厚0.001cm0.001cm的一個(gè)氣泡，內(nèi)

36、外兩的一個(gè)氣泡，內(nèi)外兩面的氣液界面達(dá)面的氣液界面達(dá)25cm25cm2 2；可是，當(dāng)其破滅為一個(gè)液；可是，當(dāng)其破滅為一個(gè)液滴后，表面積只有滴后，表面積只有0.2cm0.2cm2 2, ,相差上百倍。相差上百倍。 泡沫破滅、合并的過程中，自由能減小的數(shù)值泡沫破滅、合并的過程中，自由能減小的數(shù)值很大。因此泡沫的熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，終歸會(huì)變成很大。因此泡沫的熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，終歸會(huì)變成具有較小表面積的無泡狀態(tài)。具有較小表面積的無泡狀態(tài)。發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的原因發(fā)酵過程泡沫產(chǎn)生的原因（1）通氣攪拌的強(qiáng)烈程度）通氣攪拌的強(qiáng)烈程度發(fā)酵前期培養(yǎng)基成分豐富，易起泡。發(fā)酵前期培養(yǎng)基成分豐富，易起泡。采用較小通氣量及攪

37、拌轉(zhuǎn)速，再逐步加大。采用較小通氣量及攪拌轉(zhuǎn)速，再逐步加大。也可在基礎(chǔ)料中加入消泡劑。也可在基礎(chǔ)料中加入消泡劑。（2）培養(yǎng)基配比與原料組成）培養(yǎng)基配比與原料組成前期培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富粘度大，產(chǎn)泡沫多而持久。前期培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富粘度大，產(chǎn)泡沫多而持久。例：在例：在50L罐中投料罐中投料10L，成分為淀粉水解糖、豆，成分為淀粉水解糖、豆餅水解液、玉米漿等，攪拌餅水解液、玉米漿等，攪拌900 rpm，通氣，泡，通氣，泡沫生成量為培養(yǎng)基的沫生成量為培養(yǎng)基的2倍。如培養(yǎng)基適當(dāng)稀一些，倍。如培養(yǎng)基適當(dāng)稀一些，接種量大一些，生長速度快些，前期就容易攪拌接種量大一些，生長速度快些，前期就容易攪拌開。開。 （3）菌種、

38、種子質(zhì)量和接種量）菌種、種子質(zhì)量和接種量菌種質(zhì)量好，生長速度快，可溶性氮源較快被菌種質(zhì)量好，生長速度快，可溶性氮源較快被利用，泡沫產(chǎn)生幾率也就少。菌種生長慢的可利用，泡沫產(chǎn)生幾率也就少。菌種生長慢的可以加大接種量以加大接種量 （4）滅菌質(zhì)量）滅菌質(zhì)量培養(yǎng)基滅菌質(zhì)量不好，糖氮被破壞，抑制微生培養(yǎng)基滅菌質(zhì)量不好，糖氮被破壞，抑制微生物生長，使種子菌絲自溶，產(chǎn)生大量泡沫，加物生長，使種子菌絲自溶，產(chǎn)生大量泡沫，加消泡劑也無效。消泡劑也無效。泡沫的形成一般有以下幾種規(guī)律：泡沫的形成一般有以下幾種規(guī)律： 整個(gè)發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平；整個(gè)發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平； 發(fā)酵早期，起泡后穩(wěn)定地下降

39、，以后保持恒定；發(fā)酵早期，起泡后穩(wěn)定地下降，以后保持恒定； 發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升；發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升； 發(fā)酵開始起泡能力低，以后上升；發(fā)酵開始起泡能力低，以后上升；泡沫體系的三階段變化泡沫體系的三階段變化 (1)氣泡大小分布的變化氣泡大小分布的變化 液膜包裹的一個(gè)氣泡，就像一個(gè)吹鼓了的氣球。液膜包裹的一個(gè)氣泡，就像一個(gè)吹鼓了的氣球。由于氣球膜有收縮力，所以氣球中壓力大于氣球由于氣球膜有收縮力，所以氣球中壓力大于氣球外的壓力；同樣氣泡膜有表面張力，氣泡中壓力外的壓力；同樣氣泡膜有表面張力，氣泡中壓力大于氣泡外的壓力。氣泡大小的再分布，就是由大于氣泡外的壓力。氣泡大小

40、的再分布，就是由氣泡膜內(nèi)氣體的壓力變化引起的。氣泡中氣體壓氣泡膜內(nèi)氣體的壓力變化引起的。氣泡中氣體壓力的大小，依賴氣泡膜的曲率半徑力的大小，依賴氣泡膜的曲率半徑 （2）氣泡液膜變薄）氣泡液膜變薄 取一杯泡沫，放置一段時(shí)間，就會(huì)在杯底取一杯泡沫，放置一段時(shí)間，就會(huì)在杯底部出現(xiàn)一些液體，而逐漸形成液相及液面上的部出現(xiàn)一些液體，而逐漸形成液相及液面上的泡沫相這樣具有界面的兩層。底部出現(xiàn)的液體泡沫相這樣具有界面的兩層。底部出現(xiàn)的液體一部分是泡沫破滅形成的，一部分是氣泡膜變一部分是泡沫破滅形成的，一部分是氣泡膜變薄，排出液體形成的。薄，排出液體形成的。 泡沫生成初期，泡沫液還比較厚，以后因蒸泡沫生成初期

41、，泡沫液還比較厚，以后因蒸發(fā)排液而變薄，泡沫液會(huì)受重力的影響向下排發(fā)排液而變薄，泡沫液會(huì)受重力的影響向下排液，泡沫液隨時(shí)間延續(xù)而變薄。液，泡沫液隨時(shí)間延續(xù)而變薄。 （3）泡沫破滅）泡沫破滅 泡沫由于排液，液量過少，表面張力降低，泡沫由于排液，液量過少，表面張力降低，液膜會(huì)急劇變薄，最后液膜會(huì)變得十分脆弱，以至液膜會(huì)急劇變薄，最后液膜會(huì)變得十分脆弱，以至分子的熱運(yùn)動(dòng)都可以引起氣泡破裂。因此只要泡沫分子的熱運(yùn)動(dòng)都可以引起氣泡破裂。因此只要泡沫液變薄到一定程度，泡沫即瞬間破滅。液變薄到一定程度，泡沫即瞬間破滅。 泡沫層內(nèi)部的小氣泡破滅后，雖一時(shí)還不能導(dǎo)泡沫層內(nèi)部的小氣泡破滅后，雖一時(shí)還不能導(dǎo)致氣液分

42、離，只是合并成大氣泡，但排液過程使泡致氣液分離，只是合并成大氣泡，但排液過程使泡膜液量大幅度減少，使合并成的大氣泡快速地破滅，膜液量大幅度減少，使合并成的大氣泡快速地破滅，最后泡沫體系崩潰，氣液分離。最后泡沫體系崩潰，氣液分離。影響泡沫穩(wěn)定性的因素影響泡沫穩(wěn)定性的因素 引起危害，需要消除的，只是穩(wěn)定的泡沫。泡引起危害，需要消除的，只是穩(wěn)定的泡沫。泡沫的穩(wěn)定性受液體、氣體許多性質(zhì)的影響。不同沫的穩(wěn)定性受液體、氣體許多性質(zhì)的影響。不同介質(zhì)的泡沫，穩(wěn)定程度相差很多，影響泡沫穩(wěn)定介質(zhì)的泡沫，穩(wěn)定程度相差很多，影響泡沫穩(wěn)定性的因素十分復(fù)雜，概括國內(nèi)外研究者的說法，性的因素十分復(fù)雜，概括國內(nèi)外研究者的說法

43、，主要因素一下幾種：主要因素一下幾種：1 1）泡徑大?。┡輳酱笮〈笈菀子谄茰纾瑝勖^長的的都是小泡。大泡易于破滅，壽命較長的的都是小泡。因?yàn)椋阂驗(yàn)椋号菰叫?，合并成大氣泡的歷程就越長；泡越小，合并成大氣泡的歷程就越長；小氣泡的泡膜中所含液量相對(duì)比較大，所以較能小氣泡的泡膜中所含液量相對(duì)比較大，所以較能經(jīng)受液體流失所造成的穩(wěn)定性的損失；經(jīng)受液體流失所造成的穩(wěn)定性的損失；氣泡越小，上升速度越慢，給表面活性劑的吸附氣泡越小，上升速度越慢，給表面活性劑的吸附提供充足的時(shí)間，增加了穩(wěn)定性。提供充足的時(shí)間，增加了穩(wěn)定性。2 2）溶液所含助泡物的類型和濃度）溶液所含助泡物的類型和濃度 （1）降低表面張力）降低

44、表面張力 降低表面張力會(huì)降低相鄰氣泡間的壓差。壓降低表面張力會(huì)降低相鄰氣泡間的壓差。壓差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的穩(wěn)定性差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的穩(wěn)定性就好。就好。 （2）增加泡沫彈性）增加泡沫彈性 助泡的表面活性劑，吸附在氣液界面上，使助泡的表面活性劑，吸附在氣液界面上，使表面層的組分與液相組分產(chǎn)生差別，因而使泡沫表面層的組分與液相組分產(chǎn)生差別，因而使泡沫液具有彈性。液具有彈性。 （3）助泡劑濃度）助泡劑濃度 溶液中助泡劑濃度增加，氣液界面上的吸附量溶液中助泡劑濃度增加，氣液界面上的吸附量就增加，液膜彈性隨之增加，泡沫穩(wěn)定性增高。就增加，液膜彈性隨之增加，泡沫穩(wěn)定性增高。

45、到達(dá)臨界膠束濃度后，氣液界面上的定向排列到達(dá)臨界膠束濃度后，氣液界面上的定向排列“飽和飽和”，彈性不會(huì)再增加。，彈性不會(huì)再增加。3）起泡液的粘度）起泡液的粘度 某些溶液，如蛋白質(zhì)溶液，雖然表面張力不高，某些溶液，如蛋白質(zhì)溶液，雖然表面張力不高，但因粘度很高，所產(chǎn)生的泡沫非常穩(wěn)定。因?yàn)檎吵淼蛘扯群芨?，所產(chǎn)生的泡沫非常穩(wěn)定。因?yàn)檎吵淼囊耗?，有助于吸收外力的沖擊，起到緩沖的作用，的液膜，有助于吸收外力的沖擊，起到緩沖的作用，使泡沫能持久一些。液體粘度對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響使泡沫能持久一些。液體粘度對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響比表面張力的影響還要大。比表面張力的影響還要大。4）其它）其它* *溫度溫度 表面張力最

46、低值時(shí)的濃度隨溫度變化。表面張力最低值時(shí)的濃度隨溫度變化。* *pH pH 影響助泡劑的溶解度和表層的吸附狀態(tài)影響助泡劑的溶解度和表層的吸附狀態(tài)* *表面電荷表面電荷 離子型表面活性劑，由于離子間靜離子型表面活性劑，由于離子間靜電的排斥，阻礙著離子彼此接近，減少排液速度，電的排斥，阻礙著離子彼此接近，減少排液速度，延緩泡沫變薄過程，使泡沫穩(wěn)定。延緩泡沫變薄過程，使泡沫穩(wěn)定。2 泡沫對(duì)發(fā)酵的影響泡沫對(duì)發(fā)酵的影響1 1）降低生產(chǎn)能力）降低生產(chǎn)能力在發(fā)酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低在發(fā)酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量裝量2 2）引起原料浪費(fèi)）引起原料浪費(fèi)如果設(shè)備容積不能留有容納泡沫的余

47、地，氣泡如果設(shè)備容積不能留有容納泡沫的余地，氣泡會(huì)引起原料流失，造成浪費(fèi)。會(huì)引起原料流失，造成浪費(fèi)。 3 3） 影響菌的呼吸影響菌的呼吸 如果氣泡穩(wěn)定，不破碎，那么隨著微生物的呼如果氣泡穩(wěn)定，不破碎，那么隨著微生物的呼吸，氣泡中充滿二氧化碳，而且又不能與空氣中氧吸，氣泡中充滿二氧化碳，而且又不能與空氣中氧進(jìn)行交換，這樣就影響了菌的呼吸。進(jìn)行交換，這樣就影響了菌的呼吸。 4 4） 引起染菌引起染菌 由于泡沫增多而引起逃液，于是在排氣管中粘上由于泡沫增多而引起逃液，于是在排氣管中粘上培養(yǎng)基，就會(huì)長菌。隨著時(shí)間延長，雜菌會(huì)長入發(fā)酵培養(yǎng)基，就會(huì)長菌。隨著時(shí)間延長，雜菌會(huì)長入發(fā)酵罐而造成染菌。大量泡沫由

48、罐頂進(jìn)一步滲到軸封，軸罐而造成染菌。大量泡沫由罐頂進(jìn)一步滲到軸封，軸封處的潤滑油可起點(diǎn)消泡作用，從軸封處落下的泡沫封處的潤滑油可起點(diǎn)消泡作用，從軸封處落下的泡沫往往引起雜菌污染。往往引起雜菌污染。3 3 泡沫的控制泡沫的控制泡沫的控制，可以采用三種途徑：泡沫的控制，可以采用三種途徑： 調(diào)整培養(yǎng)基中的成分調(diào)整培養(yǎng)基中的成分( (如少加或緩加易起泡的原如少加或緩加易起泡的原材料材料) )或改變某些物理化學(xué)參數(shù)或改變某些物理化學(xué)參數(shù)( (如如pHpH值、溫度、值、溫度、通氣和攪拌通氣和攪拌) )或者改變發(fā)酵工藝或者改變發(fā)酵工藝( (如采用分次投料如采用分次投料) )來控制，以減少泡沫形成的機(jī)會(huì)。但這

49、些方法的來控制，以減少泡沫形成的機(jī)會(huì)。但這些方法的效果有一定的限度。效果有一定的限度。 采用機(jī)械消泡或消泡劑消泡這兩種方法來消除已采用機(jī)械消泡或消泡劑消泡這兩種方法來消除已形成的泡沫：通過化學(xué)方法，降低泡沫液膜的表形成的泡沫：通過化學(xué)方法，降低泡沫液膜的表面張力，使泡沫破滅；利用物理方法，使泡沫液面張力，使泡沫破滅；利用物理方法，使泡沫液膜的局部受力，打破液膜原來受力平衡而破裂。膜的局部受力，打破液膜原來受力平衡而破裂。 采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的菌種，來消除起泡的內(nèi)在因素菌種，來消除起泡的內(nèi)在因素如：雜交選育不產(chǎn)流態(tài)泡沫的土霉素生產(chǎn)菌株如

50、：雜交選育不產(chǎn)流態(tài)泡沫的土霉素生產(chǎn)菌株 對(duì)于已形成的泡沫，工業(yè)上可以采用機(jī)械消泡對(duì)于已形成的泡沫，工業(yè)上可以采用機(jī)械消泡和化學(xué)消泡劑消泡或兩者同時(shí)使用消泡。和化學(xué)消泡劑消泡或兩者同時(shí)使用消泡?；瘜W(xué)消泡化學(xué)消泡 這是利用外界加入消泡劑，使泡沫破裂的方這是利用外界加入消泡劑，使泡沫破裂的方法。消泡劑都是表面活性劑，具有較低的表面張法。消泡劑都是表面活性劑，具有較低的表面張力，或者是降低泡沫液膜的機(jī)械強(qiáng)度，或者是降力，或者是降低泡沫液膜的機(jī)械強(qiáng)度，或者是降低液膜的表面黏度，或者兼有兩者的作用，達(dá)到低液膜的表面黏度，或者兼有兩者的作用，達(dá)到破裂泡沫的目的。如聚氧乙烯氧丙烯甘油破裂泡沫的目的。如聚氧乙烯

51、氧丙烯甘油(GPE)的表面張力僅為的表面張力僅為3.310-2 Nm，而青霉素發(fā)酵液，而青霉素發(fā)酵液的表面張力為的表面張力為(6.06.8)10-2 Nm。 （2）作用機(jī)理上的區(qū)別）作用機(jī)理上的區(qū)別破泡劑的破泡機(jī)理大致有二種。破泡劑的破泡機(jī)理大致有二種。第一，吸附助泡劑，加入電解質(zhì)，瓦解雙電層，及使助泡第一，吸附助泡劑，加入電解質(zhì)，瓦解雙電層，及使助泡物被增溶等機(jī)理，這樣就破壞助泡物的穩(wěn)泡作用。在這些物被增溶等機(jī)理，這樣就破壞助泡物的穩(wěn)泡作用。在這些過程中消泡劑發(fā)揮一次消泡作用就被消耗。同時(shí)消耗掉相過程中消泡劑發(fā)揮一次消泡作用就被消耗。同時(shí)消耗掉相應(yīng)的助泡物。應(yīng)的助泡物。第二，低級(jí)醇等溶解性較

52、大的消泡劑，加到氣泡液中局部第二，低級(jí)醇等溶解性較大的消泡劑，加到氣泡液中局部降低表面張力，發(fā)揮破泡作用，同時(shí)本身不斷破為碎塊，降低表面張力，發(fā)揮破泡作用，同時(shí)本身不斷破為碎塊，陸續(xù)溶解而失去破泡作用。破泡過程中，破泡劑不斷失效、陸續(xù)溶解而失去破泡作用。破泡過程中，破泡劑不斷失效、消耗，而助泡劑卻不受影響消耗，而助泡劑卻不受影響 抑泡機(jī)理：一般認(rèn)為抑泡劑分子在氣液界面上優(yōu)先被吸附，抑泡機(jī)理：一般認(rèn)為抑泡劑分子在氣液界面上優(yōu)先被吸附，它比助泡劑的表面活性更強(qiáng)，更易吸附到泡膜上，但是由它比助泡劑的表面活性更強(qiáng)，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不賦予泡膜彈性，所以不具備穩(wěn)泡作用。這樣當(dāng)液于本身不賦予泡

53、膜彈性，所以不具備穩(wěn)泡作用。這樣當(dāng)液體中產(chǎn)生泡沫時(shí)，抑泡劑首先占據(jù)泡膜，抑制了助泡劑的體中產(chǎn)生泡沫時(shí)，抑泡劑首先占據(jù)泡膜，抑制了助泡劑的作用，抑制了氣泡。作用，抑制了氣泡。（3）破泡劑與抑泡劑的相互關(guān)系）破泡劑與抑泡劑的相互關(guān)系 溶解度大的破泡劑，消泡作用只發(fā)揮一次；溶解度小的溶解度大的破泡劑，消泡作用只發(fā)揮一次；溶解度小的破泡劑，消泡作用可持續(xù)一段時(shí)間。如果溶解度進(jìn)一步降破泡劑，消泡作用可持續(xù)一段時(shí)間。如果溶解度進(jìn)一步降低，即成為抑泡劑。另一方面，破泡劑大量使用，比有抑低，即成為抑泡劑。另一方面，破泡劑大量使用，比有抑泡作用，抑泡劑大量使用也比有破泡作用。泡作用，抑泡劑大量使用也比有破泡作用

54、。1 1）消泡劑選用依據(jù)：）消泡劑選用依據(jù)： 表面活性劑，具有較低的表面張力（內(nèi)聚力弱），表面活性劑，具有較低的表面張力（內(nèi)聚力弱），消泡效果明顯。消泡效果明顯。 對(duì)氣對(duì)氣- -液界面的散布系數(shù)必須足夠大，才能迅速消液界面的散布系數(shù)必須足夠大，才能迅速消泡；泡； 無毒害性，且不影響發(fā)酵菌體；無毒害性，且不影響發(fā)酵菌體；不會(huì)在使用、運(yùn)不會(huì)在使用、運(yùn)輸中引起任何危害；輸中引起任何危害； 不干擾各種測量儀表的使用；不干擾各種測量儀表的使用； 在水中的溶解度較小，以保持持久的消泡性能；在水中的溶解度較小，以保持持久的消泡性能； 應(yīng)該在低濃度時(shí)具有消泡活性；應(yīng)該在低濃度時(shí)具有消泡活性； 應(yīng)該對(duì)產(chǎn)物的提取

55、不產(chǎn)生任何影響；應(yīng)該對(duì)產(chǎn)物的提取不產(chǎn)生任何影響； 應(yīng)該對(duì)氧傳遞不產(chǎn)生影響；應(yīng)該對(duì)氧傳遞不產(chǎn)生影響； 能耐高溫滅菌。能耐高溫滅菌。 來源方便，使用成本低；來源方便，使用成本低；常用的一些消泡劑：常用的一些消泡劑： 天然油脂：天然油脂： 高碳醇、脂肪酸和酯類：十八醇是常用的一種，它可以單高碳醇、脂肪酸和酯類：十八醇是常用的一種，它可以單獨(dú)或與載體一起使用。獨(dú)或與載體一起使用。 聚醚類；聚醚類； 硅酮類；主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物，無色液體，不硅酮類；主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物，無色液體，不溶于水，表面張力低達(dá)溶于水，表面張力低達(dá)21dyn/cm（泡敵為（泡敵為33，向日葵油，向日葵油40，青霉

56、素發(fā)酵液青霉素發(fā)酵液60-68 dyn/cm）。純聚二甲基硅氧烷的消泡）。純聚二甲基硅氧烷的消泡能力低，常加分散劑來提高消泡活性，或乳化劑成乳狀液。能力低，常加分散劑來提高消泡活性，或乳化劑成乳狀液。適用于微堿性發(fā)酵，對(duì)于微酸性發(fā)酵較差。適用于微堿性發(fā)酵，對(duì)于微酸性發(fā)酵較差。 （1）天然油脂）天然油脂最早消泡劑，來源容易，價(jià)格低，使用簡單，一般來說最早消泡劑，來源容易，價(jià)格低，使用簡單，一般來說沒有明顯副作用，如豆油、菜油、魚油等。沒有明顯副作用，如豆油、菜油、魚油等。有些油是發(fā)酵產(chǎn)物的前體，如豆油是紅霉素的前體，魚有些油是發(fā)酵產(chǎn)物的前體，如豆油是紅霉素的前體，魚油是螺旋霉素的前體。油是螺旋霉

57、素的前體。分子中無親水基團(tuán)，在發(fā)酵液中難鋪展，所以消泡活性分子中無親水基團(tuán)，在發(fā)酵液中難鋪展，所以消泡活性差，用量大，一般為發(fā)酵液的差，用量大，一般為發(fā)酵液的0.1-0.2%近年來出于對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，天然產(chǎn)物消泡劑的地位近年來出于對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，天然產(chǎn)物消泡劑的地位又有些提高，而且還在研究新的天然消泡劑又有些提高，而且還在研究新的天然消泡劑 油的種類：土霉素發(fā)酵，豆油、玉米油較好，而亞油的種類：土霉素發(fā)酵，豆油、玉米油較好，而亞麻油則會(huì)產(chǎn)生不良的作用。麻油則會(huì)產(chǎn)生不良的作用。油的質(zhì)量、新鮮程度：油新鮮，消泡能力強(qiáng)，副作油的質(zhì)量、新鮮程度：油新鮮，消泡能力強(qiáng)，副作用也??；用也?。恢参镉团c鐵離

58、子接觸能與氧形成過氧化物，對(duì)四環(huán)植物油與鐵離子接觸能與氧形成過氧化物，對(duì)四環(huán)素、卡那霉素的合成不利，故要注意此類油的貯存素、卡那霉素的合成不利，故要注意此類油的貯存保管。保管。 a a 酒糟榨出液酒糟榨出液 羅伯茨（羅伯茨（Roberts R.T.Roberts R.T.）發(fā)現(xiàn)：全麥芽浸出漿桶中最后倒出）發(fā)現(xiàn)：全麥芽浸出漿桶中最后倒出的沉積物能破滅泡沫。于是聯(lián)想到，是否可以由制作全麥芽的沉積物能破滅泡沫。于是聯(lián)想到，是否可以由制作全麥芽浸出漿以后的酒糟壓榨出有效的消泡劑？浸出漿以后的酒糟壓榨出有效的消泡劑？經(jīng)試驗(yàn)，由酒糟中壓榨出大約經(jīng)試驗(yàn)，由酒糟中壓榨出大約40%40%液體，在液體，在5050

59、0 0C C真空蒸餾，濃真空蒸餾，濃縮縮1919倍，得到可用于麥芽汁發(fā)酵過程的消泡劑。效果很好，倍，得到可用于麥芽汁發(fā)酵過程的消泡劑。效果很好，沒有副作用。沒有副作用。經(jīng)分析證明，酒糟榨出液中存在經(jīng)分析證明，酒糟榨出液中存在C8C18C8C18的全部脂肪酸，存在的全部脂肪酸，存在極性類脂物，尤其是卵磷脂等物，這些物質(zhì)的協(xié)同作用下的極性類脂物，尤其是卵磷脂等物，這些物質(zhì)的協(xié)同作用下的消泡作用比這些物質(zhì)單獨(dú)消泡作用強(qiáng)得多。消泡作用比這些物質(zhì)單獨(dú)消泡作用強(qiáng)得多。b 啤酒花油啤酒花油 研究年發(fā)現(xiàn)向啤酒添加研究年發(fā)現(xiàn)向啤酒添加15ppm啤酒花油是減輕啤酒花油是減輕氣泡溢出損失的有效措施。緊分析啤酒花油具

60、含有氣泡溢出損失的有效措施。緊分析啤酒花油具含有消泡活性的物質(zhì)有：石竹烯、荷蘭芹萜烯、香葉烯消泡活性的物質(zhì)有：石竹烯、荷蘭芹萜烯、香葉烯和蒎烯等和蒎烯等。（2）聚醚類消泡劑）聚醚類消泡劑我國常用甘油三羥基聚醚。六十年代發(fā)明此類消泡劑，美國我國常用甘油三羥基聚醚。六十年代發(fā)明此類消泡劑，美國道康寧化學(xué)公司首先投產(chǎn)。道康寧化學(xué)公司首先投產(chǎn)。它是以甘油為起始劑，由環(huán)氧丙烷，或環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷它是以甘油為起始劑，由環(huán)氧丙烷，或環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷的混合物進(jìn)行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成聚合的混合物進(jìn)行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成聚合環(huán)氧丙烷的產(chǎn)物叫聚氧丙烯甘油定名為環(huán)氧丙烷的產(chǎn)物叫聚氧