微生物工程發(fā)酵第六章發(fā)酵工藝的控制第1頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對微生物發(fā)酵的影響主要由哪些？影響發(fā)酵溫度的因素主要有哪些？發(fā)酵熱的主要測定方法？如何確定最適發(fā)酵溫度？發(fā)酵過程中pH變化的原因主要有哪些？pH對發(fā)酵的影響主要有哪些？發(fā)酵過程中pH的控制措施主要有哪些？溶氧量對微生物發(fā)酵的影響主要有哪些？有氧發(fā)酵中，溶氧量如何變化？為何利用DO濃度的變化，可以對發(fā)酵過程進(jìn)行檢測？CO2對發(fā)酵的影響主要有哪些？CO2濃度的控制措施主要有哪些？發(fā)酵過程中泡沫產(chǎn)生的危害主要有哪些？選擇消泡劑的主要依據(jù)是什么？常用的消泡劑主要有哪幾類？第2頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月工藝條件控制的目的：為生產(chǎn)菌創(chuàng)造最適的環(huán)境，使我們所需要的代謝得以最充分的表達(dá)。第3頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1發(fā)酵過程溫度的控制6.2發(fā)酵過程的pH控制6.3發(fā)酵過程氧的供需6.4

CO2對發(fā)酵的影響及對其控制6.5發(fā)酵過程泡沫的形成與控制第4頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1溫度變化及其控制

6.1.1溫度對微生物的影響溫度對生長的影響溫度對發(fā)酵的影響第5頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對生長的影響不同微生物的生長對溫度的要求不同，根據(jù)它們對溫度的要求大致可分為四類：嗜冷菌適應(yīng)于0～260C生長，嗜溫菌適應(yīng)于15～430C生長，嗜熱菌適應(yīng)于37～650C生長，嗜高溫菌適應(yīng)于650C以上生長第6頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月每種微生物對溫度的要求可用最適溫度、最高溫度、最低溫度來表征。在最適溫度下，微生物生長迅速；超過最高溫度微生物即受到抑制或死亡；在最低溫度范圍內(nèi)微生物尚能生長，但生長速度非常緩慢，世代時間無限延長；第7頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月微生物受高溫的傷害比低溫的傷害大，即超過最高溫度，微生物很快死亡；低于最低溫度，微生物代謝受到很大抑制，并不馬上死亡。這是菌種保藏的原理；第8頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對發(fā)酵的影響a.溫度影響反應(yīng)速率發(fā)酵過程的反應(yīng)速率實際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個最適溫度。從阿累尼烏斯方程式可以看到dlnKr/dt=E/RT2

積分得E=E——活化能Kr——速率常數(shù)阿累尼烏斯方程：關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)與溫度之間的關(guān)系式；R——氣體常數(shù)第9頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

例：青霉菌生產(chǎn)青霉素青霉菌生長活化能E=34kJ/mol

青霉素合成活化能E=112kJ/mol

青霉素合成速率對溫度較敏感，溫度控制相當(dāng)重要第10頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月b.溫度影響發(fā)酵方向金色鏈霉菌可同時產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素，當(dāng)溫度低于300C時，合成金霉素能力較強(qiáng)；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達(dá)到350C時，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素第11頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月c.溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)

影響基質(zhì)溶解度，如氧；

影響基質(zhì)分解速率；第12頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.2影響發(fā)酵溫度的因素

產(chǎn)熱因素：生物熱攪拌熱散熱因素：蒸發(fā)熱輻射熱第13頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月生物熱：生物熱是生產(chǎn)菌在生長繁殖時產(chǎn)生的大量熱量。影響生物熱的因素：隨菌株、培養(yǎng)基、發(fā)酵時期的不同而不同。生物熱的大小還與菌體的呼吸強(qiáng)度有對應(yīng)關(guān)系。第14頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

培養(yǎng)過程中生物熱的產(chǎn)生具有強(qiáng)烈的時間性。在培養(yǎng)初期，菌體處于適應(yīng)期，菌數(shù)少，呼吸作用緩慢，產(chǎn)生熱量較少。菌體在對數(shù)生長期時，菌體繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌體也較多，所以產(chǎn)生的熱量多，溫度上升快，必須注意控制溫度。培養(yǎng)后期，菌體已基本上停止繁殖，產(chǎn)生熱量不多，溫度變化不大，且逐漸減弱。如果培養(yǎng)前期溫度上升緩慢，說明菌體代謝緩慢，發(fā)酵不正常；培養(yǎng)基營養(yǎng)越豐富，生物熱也越大；第15頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月攪拌熱：

好氣發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動造成液體之間，液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生熱

Q攪拌=3600（P/V）

3600：熱功當(dāng)量（kJ/（kW.h））（P/V）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率（kW/m3）第16頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月蒸發(fā)熱：通入發(fā)酵罐的空氣和發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)行熱交換。同時必然會引起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。第17頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射熱：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過罐體向外輻射的熱量。輻射熱可通過罐內(nèi)外的溫差求得，一般不超過發(fā)酵熱的5%。第18頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵熱：發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。

Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射第19頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.3發(fā)酵熱的測定方法一：是用冷卻水進(jìn)出口溫度差計算發(fā)酵熱。在工廠里，通過測量冷卻水進(jìn)出口的水溫，再從水表上得知每小時冷卻水流量來計算發(fā)酵熱。Q發(fā)酵＝GCm(T出－T進(jìn))Cm——水的比熱G——冷卻水流量第20頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月方法二：

根據(jù)罐溫上升速率來計算。先自控，讓發(fā)酵液達(dá)到某一溫度，然后停止加熱或冷卻，使罐溫自然上升或下降，根據(jù)罐溫變化的速率計算出發(fā)酵熱。第21頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.4最適溫度的確定最適溫度是一個相對概念，是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成；最適發(fā)酵溫度與菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān)；最適發(fā)酵溫度的選擇在發(fā)酵的整個周期內(nèi)僅選一個最適培養(yǎng)溫度不一定好；溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件；溫度的選擇還應(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度；第22頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.4.1根據(jù)菌種選擇微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。如黑曲霉生長溫度為370C，谷氨酸產(chǎn)生菌棒狀桿菌的生長溫度為30～320C，青霉菌生長溫度為300C。第23頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快產(chǎn)生大量菌體，取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長迅速；中期菌量已達(dá)到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低一些，可以推遲衰老。因為在稍低溫度下氨基酸合成蛋白質(zhì)和核酸的正常途徑關(guān)閉得比較嚴(yán)密，有利于產(chǎn)物合成。發(fā)酵后期，產(chǎn)物合成能力降低，延長發(fā)酵周期沒有必要，提高溫度，刺激產(chǎn)物合成到放罐。如四環(huán)素生產(chǎn)時，生長階段280C，合成期260C，后期再升溫；但也有菌種產(chǎn)物形成比生長溫度高。如谷氨酸產(chǎn)生菌生長30～320C，產(chǎn)酸34～370C。最適溫度選擇要根據(jù)菌種與發(fā)酵而階段選擇。6.1.4.2根據(jù)生長階段選擇第24頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.4.3根據(jù)培養(yǎng)條件選擇溫度選擇還要根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇。通氣條件差時可適當(dāng)降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。培養(yǎng)基稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營養(yǎng)利用快，會使菌過早自溶。第25頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.4.4根據(jù)菌生長情況選擇菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。培養(yǎng)條件適宜，如營養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長。總的來說，溫度的選擇根據(jù)菌種生長階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。要通過反復(fù)實踐來定出最適溫度。第26頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.5溫度的控制發(fā)酵罐：1.夾套

2.盤管（蛇管）第27頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2發(fā)酵過程的pH控制

pH是微生物代謝的綜合反映，又影響代謝的進(jìn)行，是十分重要的參數(shù)；發(fā)酵過程中pH是不斷變化的，通過觀察pH變化規(guī)律可以了解發(fā)酵過程正常與否第28頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.1發(fā)酵過程pH變化的原因

a.基質(zhì)代謝

（1）糖代謝特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH會上升，因此是補(bǔ)料的標(biāo)志之一（2）氮代謝當(dāng)氨基酸中的-NH2被利用后pH會下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當(dāng)碳源不足時氮源當(dāng)碳源利用pH上升。（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會上升或下降第29頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月b.產(chǎn)物形成

某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。

c.菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。

第30頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.2pH對發(fā)酵的影響

（1）pH影響酶的活性。當(dāng)pH值抑制菌體某些酶的活性時，菌的新陳代謝受阻（2）pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變，從而改變細(xì)胞膜的透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，影響新陳代謝的進(jìn)行

（3）pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用

第31頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）pH影響代謝方向

pH不同，往往引起菌體代謝過程不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。例如：黑曲霉在pH2~3時發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pH近中性時，則產(chǎn)生草酸。谷氨酸發(fā)酵，在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺第32頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.3最佳pH的確定配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況pH對產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響第33頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.4pH的控制

a.調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH?；A(chǔ)料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須調(diào)節(jié)pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要調(diào)到6.5~6.8b.在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)，如CaCO3

，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等第34頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào)pH沒有矛盾時采用補(bǔ)料調(diào)pH如：調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié)pH；當(dāng)NH2-N低，pH低時補(bǔ)氨水；當(dāng)NH2-N低，pH高時補(bǔ)(NH4)2SO4d.當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)pH

c.通過補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH

第35頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

分別在4種緩沖介質(zhì)中，于pH6．50一9．50測定天冬酰胺酶酶活力．1甘氨酸介質(zhì)pH8.00時酶活力最高；2硼酸在pH8．50，酶反應(yīng)最快3磷酸在pH8．50，酶反應(yīng)最快4Tris在pH8．50，酶反應(yīng)最快酶活1＞2＞4＞3e.選擇合適的調(diào)節(jié)劑天冬酰胺酶f.發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值第36頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月pH的控制方式基礎(chǔ)培養(yǎng)基調(diào)節(jié)pH在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)通過補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH

當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)pH

發(fā)酵的不同階段采取不同的pH值選擇合適的pH調(diào)節(jié)劑第37頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.3氧的供需及對發(fā)酵的影響氧是需氧微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反應(yīng)的最終電子受體，也是合成某些產(chǎn)物的基質(zhì)；利用DO（dissolvedoxygen）濃度的變化，可以了解微生物對氧利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個重要的控制參數(shù)；第38頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵液的DO值會直接影響微生物的酶活性、代謝途徑及產(chǎn)物產(chǎn)量；發(fā)酵過程中，氧的傳遞速率主要受發(fā)酵中溶氧濃度和傳遞阻力的影響；第39頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.1溶氧對微生物自身生長的影響厭氧（厭氣）發(fā)酵是利用厭氧微生物進(jìn)行的發(fā)酵生產(chǎn)，如乙醇、乳酸和丙酮、丁醇的生產(chǎn)。整個發(fā)酵過程不需要也不能夠通入空氣，是在完全密閉條件下進(jìn)行的，發(fā)酵設(shè)備比較簡單。第40頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月兼性好氧微生物的生長不一定需要氧，但如果在培養(yǎng)中供給氧，則菌體會生長更好；例：酵母的乙醇發(fā)酵

對DO的控制分為兩個階段，初始提供高DO濃度進(jìn)行菌體擴(kuò)大培養(yǎng)，后期嚴(yán)格控制DO進(jìn)行厭氧發(fā)酵；第41頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月多數(shù)發(fā)酵為有氧發(fā)酵，微生物利用分子態(tài)的氧作為呼吸鏈電子系統(tǒng)末端的最終電子受體，最終與氫離子結(jié)合成水，完成生物氧化作用，同時釋放大量能量，供細(xì)胞的維持、生長和代謝使用；供氧的具體的方法有通氣、通氣攪拌和表層培養(yǎng)等；第42頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月不同好氧微生物所含的氧化酶體系的種類和數(shù)量不同；同一種微生物的需氧量隨菌齡及培養(yǎng)條件的不同也不一樣；第43頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.2溶氧對發(fā)酵產(chǎn)物的影響對于某些好氧發(fā)酵來說，溶氧既是營養(yǎng)因素，又是環(huán)境因素；例：氨基酸的發(fā)酵谷氨酸系氨基酸發(fā)酵，供氧不足，合成受強(qiáng)烈限制；天冬氨酸系氨基酸發(fā)酵，供氧受限，產(chǎn)物影響不明顯；亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸發(fā)酵，供氧充足，產(chǎn)物形成受限制；第44頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月利用DO（dissolvedoxygen）濃度的變化，可以了解微生物對氧利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個重要的控制參數(shù)；發(fā)酵過程中，在供氧沒有變化的情況下，若DO出現(xiàn)明顯的升高或降低，往往是發(fā)酵異常的表現(xiàn)，如污染雜菌、污染噬菌體、菌體代謝發(fā)生異常等；第45頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月供氧與產(chǎn)物的合成溶解氧濃度過低（代謝異常，產(chǎn)量降低）溶解氧濃度過高（代謝異常，菌體提前自溶）第46頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.3發(fā)酵過程中溶氧的變化發(fā)酵初期，呼吸強(qiáng)度大，但菌體量少，總體需氧量不大，DO值高；對數(shù)生長期，菌體濃度不斷上升，需氧量不斷增加，DO值明顯下降；對數(shù)生長期后，呼吸強(qiáng)度下降，需氧量減少，DO值經(jīng)一段時間的平穩(wěn)后，有所回升；生產(chǎn)后期，菌體衰老，呼吸強(qiáng)度減弱，DO逐步上升，一旦自溶，則DO明顯上升；第47頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.4氧的傳遞

發(fā)酵過程中，空氣中的氧進(jìn)入細(xì)胞的過程：空氣泡中的氧轉(zhuǎn)移入發(fā)酵液；溶解的氧通過發(fā)酵液進(jìn)入微生物細(xì)胞；細(xì)胞吸收溶氧。第48頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月氧的傳遞途徑與傳質(zhì)阻力：供氧方面：液膜阻力耗氧方面：對于菌絲叢或團(tuán)擴(kuò)散阻力主要與菌種特性有關(guān)第49頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4二氧化碳對發(fā)酵的影響及控制CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時也是某些合成代謝所需要的基質(zhì)；溶解在發(fā)酵液中的CO2對氨基酸、抗生素等發(fā)酵有抑制或刺激的作用；6.4.1CO2對發(fā)酵的影響第50頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月通常當(dāng)排氣中CO2濃度高于4%時，對菌體發(fā)酵具抑制作用；作用機(jī)理：CO2與HCO3-影響細(xì)胞膜的流動性及表面電荷密度，是物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸受到抑制；引起發(fā)酵液pH下降；與生長所需的某些金屬離子形成碳酸鹽沉淀；與某些物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；第51頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月CO2是大腸桿菌和鏈霉菌突變株的生長因子，菌體需氣體中CO2含量達(dá)30%時才能生長，即CO2效應(yīng)；環(huán)狀芽孢桿菌等菌的芽孢在開始萌發(fā)生長的時候，對CO2有特殊需求；某些精氨酸發(fā)酵中，CO2作為碳源被加以利用；第52頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.1CO2濃度的控制CO2在發(fā)酵液中的濃度受細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變學(xué)特性、通氣攪拌程度、罐壓大小、設(shè)備規(guī)模等因素的影響；主要控制措施：改變通氣量和攪拌速率；第53頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5發(fā)酵過程泡沫的形成與控制6.5.1泡沫形成的原因通氣攪拌使氣泡被分割成無數(shù)小氣泡，氣液界面增加；發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡性物質(zhì)；第54頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.2起泡的危害a.降低生產(chǎn)能力在發(fā)酵罐中，為了容納泡沫，防止溢出而降低裝量b.引起原料浪費,導(dǎo)致產(chǎn)物的損失如果設(shè)備容積不能留有容納泡沫的余地，氣泡會引起原料流失，造成浪費。

第55頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月c.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吸，氣泡中充滿二氧化碳，且不能與空氣中氧進(jìn)行交換，這影響菌的呼吸。d.引起染菌泡沫增多引起逃液，排氣管因粘上培養(yǎng)基而長菌。隨著時間延長，雜菌會長入發(fā)酵罐而造成染菌；大量泡沫由罐頂進(jìn)滲入軸封，從軸封處落下的泡沫往往引起雜菌污染。第56頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月e.消泡劑會給后提取工序帶來困難第57頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.3發(fā)酵過程泡沫控制的方法物理消沫法化學(xué)消沫法第58頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.3.1.物理消泡法原理靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收第59頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月方法罐內(nèi)消沫法：罐內(nèi)的消泡器隨攪拌軸轉(zhuǎn)動時，將泡沫打