1、第七章 發(fā)酵過(guò)程中工藝參數(shù)的 檢測(cè)和控制,發(fā)酵涉及到微生物學(xué)、生物化學(xué)及發(fā)酵工藝學(xué)知識(shí)。要想獲得高產(chǎn)，對(duì)生產(chǎn)菌的生活規(guī)律要充分了解。除了生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)外，還需要科學(xué)的檢測(cè)手段。,第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的重要類型 第二節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的主要控制參數(shù) 第三節(jié) 菌體及基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的 影響及控制 第四節(jié) 溶氧的濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制 第五節(jié) pH對(duì)發(fā)酵的影響及控制,第七章 發(fā)酵工藝控制,第六節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響及控制 第七節(jié) 二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控制 第八節(jié) 補(bǔ)料及泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及控制 第九節(jié) 工業(yè)發(fā)酵染菌的防治 第十節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的判斷,第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的主要類型,一、按投料方式分 微生物培養(yǎng)有三種方式，分批、

2、連續(xù)培養(yǎng)和分批補(bǔ)料。 二、按菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成關(guān)系分 微生物發(fā)酵過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)類型 類型I、類型II、類型III,第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的主要類型, 分批發(fā)酵法(batch fermentation) 分批發(fā)酵又稱分批培養(yǎng)，發(fā)酵工業(yè)中常見(jiàn)的分批發(fā)酵方法是采用單罐深層分批發(fā)酵法。每一個(gè)分批發(fā)酵過(guò)程都經(jīng)歷接種、生長(zhǎng)繁殖、菌體衰老進(jìn)而結(jié)束發(fā)酵，最終提取出產(chǎn)物。,第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的主要類型,（二） 連續(xù)發(fā)酵法(continuous fermentation)在發(fā)酵罐中一方面以一定速度連續(xù)不斷地流加新鮮液體培養(yǎng)基，另一方面又以同樣的速度連續(xù)不斷地將發(fā)酵液排出，使發(fā)酵罐中的菌體進(jìn)行連續(xù)生長(zhǎng)和發(fā)酵。,Flash1

3、,第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的主要類型,（三） 補(bǔ)料分批發(fā)酵法(fed-batch fermentation)補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過(guò)程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。與傳統(tǒng)分批發(fā)酵相比，其優(yōu)點(diǎn)在于使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度。,第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵的主要類型,二、按菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成關(guān)系分 微生物發(fā)酵過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)類型 類型I、類型II、類型III,微生物發(fā)酵過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)類型,比速率：是1克細(xì)胞每小時(shí)形成產(chǎn)物的克數(shù)或每克細(xì)胞每小時(shí)利用糖的克數(shù)（g/g.h）或每克細(xì)胞每小時(shí)繁殖細(xì)胞的克數(shù)。,類型I：菌體的生長(zhǎng)、碳源的利用與產(chǎn)物形成的比速率曲線均有一個(gè)高峰，且高峰基本上在相同

4、的時(shí)間出現(xiàn)。如單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)等。,類型II：可粗略的分為兩個(gè)節(jié)段，在發(fā)酵的第一期菌體迅速生長(zhǎng)，產(chǎn)物形成很少或全無(wú)，在第二個(gè)階段產(chǎn)物高速形成，菌體生長(zhǎng)和糖耗也相應(yīng)增加。如檸檬酸和某些氨基酸發(fā)酵。,類型III：生長(zhǎng)和產(chǎn)物是來(lái)自兩個(gè)代謝途徑，而不是來(lái)自分解代謝途徑，在基質(zhì)消耗和菌體生長(zhǎng)之后，菌體利用中間代謝反應(yīng)來(lái)形成產(chǎn)物，也就是，初級(jí)代謝和產(chǎn)物形成是完全分開(kāi)的，如許多抗生素發(fā)酵。,Flash2,第二節(jié)、 發(fā)酵過(guò)程的主要控制參數(shù),工廠設(shè)備越先進(jìn)，產(chǎn)品附加值越高，檢測(cè)的參數(shù)就越多。但工廠生產(chǎn)講究越簡(jiǎn)單越好。發(fā)酵控制一般分為物理、化學(xué)、生物三類。 一、物理參數(shù) 1 溫度：最適生長(zhǎng)溫度，它與酶反應(yīng)速率，氧的

5、溶解、產(chǎn)物合成都有關(guān)。如四環(huán)素生產(chǎn)菌在30時(shí)合成金霉素，35時(shí)，只產(chǎn)生四環(huán)素，合成方向會(huì)改變。生長(zhǎng)溫度與合成溫度不同。如青霉素，生長(zhǎng)30，合成24.7。,2 壓力（Pa，帕斯卡）。 98070Pa=1Kg/cm2 1Mpa 103Kpa =106Pa。 滅菌壓力 1Kg/cm2=0.11Mpa。 發(fā)酵罐壓一般為 0.020.05Mpa。,3攪拌轉(zhuǎn)速（r/min）。 罐體積 轉(zhuǎn)速（r/min） 通風(fēng)量（m3/m3. min ） 50L 550 1：0.6 50000L 110 1：0.12 一般來(lái)說(shuō)，假如小罐與大罐的幾何相同。但為什么轉(zhuǎn)速會(huì)相差這么大？原因大罐氣液接觸時(shí)間長(zhǎng)，氧的溶解率高，攪拌和

6、通氣均可小些，,一、物理參數(shù),4攪拌功率（KW） P/V KW/m3 生產(chǎn)上：一般用瓦特計(jì)直接測(cè)量電動(dòng)機(jī)的耗用功率，從中減去各項(xiàng)傳動(dòng)摩擦所損耗的功率。對(duì)小罐，誤差較大。用電阻應(yīng)變式動(dòng)力計(jì)測(cè)量。,一、物理參數(shù),5 通氣量（V/V.min） 氣體流量用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。用m3/m3. min，指每分鐘每立方米發(fā)酵液通進(jìn)1立方米空氣，用11表示。 如檸檬酸10.15，而青霉素11。,6粘度 Pas(秒） Pa= 1N/m2 是細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞形態(tài)的一項(xiàng)標(biāo)志，它的大小可改變氧傳遞的阻力，又可表示相對(duì)菌體的濃度。,7濁度：反映單細(xì)胞生長(zhǎng)狀況的參數(shù)。如大腸桿菌，用光密度650nm上檢測(cè)或計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)。,8料液流

7、量（L/min） 這是控制流體進(jìn)料的參數(shù)。,二、化學(xué)參數(shù),1 PH：發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)酸或產(chǎn)堿的生化反應(yīng)的綜合結(jié)果。細(xì)菌是多少？酵母、霉菌、放線菌？,二、化學(xué)參數(shù),2 基質(zhì)濃度：指營(yíng)養(yǎng)成分的濃度，發(fā)酵過(guò)程中必須定時(shí)測(cè)定還原糖，總糖，磷酸鹽、氮（氨基酸或氨氮）等基質(zhì)的濃度。,二、化學(xué)參數(shù),3 溶解氧濃度：mmol/L, mg/L, ppm或用% （指飽和濃度的百分?jǐn)?shù)）表示。利用它的變化可了解生產(chǎn)菌對(duì)氧利用的規(guī)律也能反映發(fā)酵的異常情況?？蒲猩嫌糜跈z測(cè)設(shè)備供氧能力的指標(biāo)。,二、化學(xué)參數(shù),5 產(chǎn)物的濃度：ug/ml，生產(chǎn)中合成期產(chǎn)物的濃度需要測(cè)定，如檸檬酸生產(chǎn)用NaOH滴定，抗生素用抑菌圈大小測(cè)定。,二、化

8、學(xué)參數(shù),6 廢氣中氧和二氧化碳的濃度：用順磁氧分析儀測(cè)定氧氣的濃度，用紅外二氧化碳分析儀測(cè)定二氧化碳濃度，如氧氣減少和二氧化碳增加表明是好氧代謝的結(jié)果。,三、生物參數(shù),1.菌絲形態(tài)：觀察菌絲形態(tài)是生產(chǎn) 中最常用的方法。每隔8小時(shí)鏡檢， 能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常染菌。如青霉素生 產(chǎn)，生產(chǎn)菌生長(zhǎng)分為I.孢子發(fā)芽， II.菌絲增殖，III.菌絲分枝旺盛， 出現(xiàn)脂肪顆粒，IV.菌絲生長(zhǎng)減緩， 細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)小氣泡，V.氣泡增大， 顆粒消失，產(chǎn)物形成，VI.氣泡延伸 ，菌絲自溶。,2. 菌體濃度：測(cè)定方法有三種： A.濕重法：量100ml發(fā)酵液，進(jìn)行過(guò)濾，濾后菌體用水洗凈，然后用吸水紙將水分?jǐn)D干，直接稱量。,B.干重

9、法：上述步驟菌絲放85烘干至恒重。,C.體積法：取樣品10ml放于刻度離心管內(nèi)，用轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分離10min，計(jì)算%（V/V）。固體原料也在其中，但如培養(yǎng)基組成不變條件下，具有相對(duì)準(zhǔn)確性。,第三節(jié) 菌體及基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制 3.1 菌體濃度 對(duì)初級(jí)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，菌濃愈大，產(chǎn)量愈高，但菌濃符合生長(zhǎng)曲線。象檸檬酸生產(chǎn)由糖轉(zhuǎn)化成酸。 次級(jí)產(chǎn)品如菌濃過(guò)大，由于代謝產(chǎn)物的積累，會(huì)影響產(chǎn)量。因其產(chǎn)品與原料并非對(duì)應(yīng)（或底物抑制，分介產(chǎn)物抑制等）。,C源，青霉素生產(chǎn)中葡萄糖和乳糖利用。因此工業(yè)上培養(yǎng)基中含有迅速和緩慢利用的混合C源。如為聚合物，利用緩慢。,3.2 基質(zhì)濃度,N源，也有迅速利用和緩慢利

10、用，前者有氨基酸、硫酸銨、尿素和玉米漿，后者有黃豆餅粉、花生、棉子餅粉等蛋白質(zhì)。前者菌生長(zhǎng)快，但產(chǎn)量低，選用快、慢混合氮源很重要。生產(chǎn)上可補(bǔ)加有機(jī)或無(wú)機(jī)氮源。,3.2 基質(zhì)濃度,磷酸鹽：P是核酸，許多輔酶，ATP，組成部分，P對(duì)微生物生長(zhǎng)、代謝有重要作用。 工業(yè)多以供應(yīng)KH2PO4、K2HPO4為磷源，配料時(shí)， KH2PO4計(jì)算，每克KH2PO4理論磷含量227毫克，如將其溶在1L水中，就是227ppm。用鏈霉菌生產(chǎn)四環(huán)素時(shí)，菌體生長(zhǎng)最適磷為65-70ppm，合成為25-30ppm。,測(cè)定方法：磷與鉬酸銨（NH4）2M0O4作用，生成磷鉬酸銨，在酸性條件下，用VC還原，生成鉬藍(lán)，然后比色。,3

11、.3基質(zhì)濃度的控制,分批補(bǔ)料培養(yǎng)（fed-batch culture,簡(jiǎn)稱FBC），是指在分批培養(yǎng)過(guò)程中，間歇和連續(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。有報(bào)道四環(huán)素發(fā)酵不補(bǔ)料的話，培養(yǎng)72-96h，發(fā)酵單位5500-7000單位/mL，而補(bǔ)糖的批號(hào)，發(fā)酵周期延長(zhǎng)到120-130h，單位提高到10000-12000u/ml。,避免一次投料，菌絲生長(zhǎng)過(guò)盛。 延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期，提高產(chǎn)量。,中間補(bǔ)料的機(jī)理,FBC的內(nèi)容,補(bǔ)碳源、氮源（無(wú)機(jī)和有機(jī)），如蛋白胨、玉米漿、硫酸銨、尿素。 無(wú)機(jī)鹽，微量元素，前體和促進(jìn)劑。 補(bǔ)全料和補(bǔ)水，總之視情況不同，補(bǔ)單項(xiàng)還是全部。,補(bǔ)料的時(shí)間和方式,補(bǔ)料的

12、時(shí)間很重要，有人研究加糖時(shí)間對(duì)四環(huán)素發(fā)酵單位的影響。 接種 20h 45h 62h 產(chǎn)量 6000 u/ml 10000 u/ml 5000 u/ml 一般認(rèn)為，過(guò)早補(bǔ)糖，可能刺激菌絲生成，加速糖的利用，過(guò)遲補(bǔ)糖，可能菌絲的內(nèi)在質(zhì)量已受到一定損害，補(bǔ)糖只是干擾代謝并不能提高產(chǎn)量。,補(bǔ)料的時(shí)間和方式,補(bǔ)料的方式： 小量間隙多次補(bǔ)入。 小量連續(xù)滴加補(bǔ)入。 大量多次補(bǔ)入或大量少次補(bǔ)入等。,補(bǔ)料的實(shí)例: 如慶大霉素生產(chǎn)，大罐總體積20噸，第一次裝料7噸，接種后15h一次性補(bǔ)5噸，然后在30-60h中小量間隙多次補(bǔ)入6噸料（全料），視生長(zhǎng)情況決定是否在80h補(bǔ)適量水。總周期120-130h。,一、溶氧的

13、濃度對(duì)發(fā)酵的影響,微生物對(duì)氧的需求： 1、 C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量 從分子式看出，180g葡萄糖完全氧化需190克O2。 2、構(gòu)成細(xì)胞成分含有氧，如酵母細(xì)胞元素組成為C3.95 N6.5 O1.94。,第四節(jié) 溶氧的濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制,O2在水中的溶解度很低。如在25，1個(gè)大氣壓下O2溶解在水中的量為0.2mmol/L，或6.4mg/L。而微生物需氧量2050mmol/L.h，正常情況下，只能維持2050秒鐘,水中氧消耗完。 怎么供氧呢？用純O2輸入發(fā)酵罐，效果好，但O2在水中的溶解度較低，大多跑了，成本高，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。,返回,基本概念： 1、微生物攝氧率（ ）m

14、mol O2/（L） 單位體積培養(yǎng)液每小時(shí)消耗的氧量。 、呼吸強(qiáng)度（o2） mmol o2/g（干菌體）.h 單位重量的干菌體每小時(shí)消耗的氧量。 兩者關(guān)系 =Qo2.X X 發(fā)酵液中菌體密度（ g/L）。,臨界氧濃度,3.臨界氧濃度： 微生物對(duì)發(fā)酵液中溶解氧濃度有一個(gè) 最低要求，這個(gè)濃度叫臨界氧濃度。,臨界氧濃度,不同微生物C臨界不同，見(jiàn)下表： 菌種 溫度. C臨界（mg/L） 大腸桿菌 37.8 0.26 酵母菌 34.8 0.15 產(chǎn)黃青霉 24 0.7 表明青霉菌攝氧率高，發(fā)酵時(shí)空氣通氣量大。,同一種菌生長(zhǎng)不同階段C臨界不同。如幼齡菌大于老齡菌 另外一般生產(chǎn)菌都是： 生長(zhǎng)期大于合成期的臨

15、界氧濃度。,二、氧在液體中的溶解特性,飽和濃度：氣體與液體相接觸，氣體分子就會(huì)溶解于液體之中。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的接觸，氣體分子在氣液兩相中的濃度就會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 溶解氧的飽和濃度（ C* ）的單位可用mmol o2/L 、ppm、和mg o2/L。 影響氧飽和濃度的主要因素有：,二、氧在液體中的溶解特性,（一）溫度：工業(yè)產(chǎn)品大多是隨著溫度升高，溶解度增加，；利用這個(gè)特點(diǎn)得到晶體。如檸檬酸、葡萄糖等。而O2正相反，溫度增加，C降低。 溫度（） 0 35 溶解度 （mmol o2/L ） 2.18 1.09 （純氧）,（二）溶液的性質(zhì)：氧在不同性質(zhì)的溶液中的溶解度是不同的。 同一種溶液由于其中溶質(zhì)含

16、量不同，氧的溶解度也不同。 鹽酸 0.5 mol 1 mol 2mol 1.21 1.16 1.12 溶質(zhì)含量越高，氧的溶解度就越小。,氧在液體中的溶解特性,（三）氧分壓； 亨利公式：C*=H-1Po2 C*在平衡狀態(tài)下液體中氧的溶解度（m mol o2/L） Po2氧分壓 MPa H亨利常數(shù)MPaL/ mmol o2 從公式中可知C*與Po2成正比。氣相中氧的濃度取決大氣壓和純氧；罐壓提高，Po2提高。C*增大，但不能太高，純氧也可提高。利用吸氮裝置，減少空氣中的氮?dú)?，增加氧含量?理論上，發(fā)酵過(guò)程中： 溫度越低，C*越高， 溶質(zhì)越稀，C*越高， 罐壓越高，C*越大。 但工業(yè)上應(yīng)用都受到限制

17、。,三、 氧在溶液中的傳遞,N= KLa （C*CL) 式中 N氧的傳遞速率， mmol O2 /h； C* 溶液中飽和溶氧濃度，mmol O2 L； CL溶液主流中的溶氧濃度， mmol O2 L； KLa以濃度差為推動(dòng)力的氧傳質(zhì)系數(shù)， 1h； a比表面積（單位體積溶液中所含有的氣液接觸面積m2m3 ）。因?yàn)閍很難測(cè)定，所以將 L當(dāng)成一項(xiàng)，稱為液相體積氧傳遞系數(shù)， 1h,四、氧的傳遞方程式,N= KLa（C*CL) 雙膜理論： 是氣體吸收的基本理論： P空氣中的分壓； Pi界面處氧分壓； PPi 稱為推動(dòng)力（氣相） Ci界面處氧的濃度；CL液相中氧的濃度； CiCL 為液相推動(dòng)力。,在穩(wěn)定傳

18、質(zhì)過(guò)程中通過(guò)雙膜的傳氧速率N應(yīng)相等。 N=KGa（PPi）= KLa（CiCL） 由于Pi和Ci無(wú)法測(cè)量，因此改為 N=KGa（PP*）= KLa（ C*CL） N= KLa（C*CL),五、影響供氧的因素,氧的傳遞速率 N= KLa（C*-CL） 影響氧傳遞推動(dòng)力的因素：C*-CL 1提高C*，因素有溫度、溶液、氧分壓，三點(diǎn)都有局限性。在抗生素生產(chǎn)中有時(shí)需要補(bǔ)水，原理使溶液稀釋，C*提高。 2降低發(fā)酵液中的CL 如降低通氣量和攪拌速度可降低CL，但發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液的CL不能低于C臨界，否則就會(huì)影響微生物的呼吸。,影響 KLa的因素 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究和生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，影響發(fā)酵設(shè)備的 KLa 。主

19、要因素有攪拌效率、空氣流速、發(fā)酵液的物理化學(xué)性質(zhì)、泡沫狀態(tài)、空氣分布器形狀和發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)等。,（一）攪拌功率對(duì) KLa的影響,（1）攪拌的作用 A.把大氣泡打碎，增加氣液兩相的接觸面積， KLa增加； B.降低液膜厚度， KLa增加； C.減少菌絲結(jié)團(tuán)，減少菌周圍液膜阻力，并有利于排出廢氣；,啤酒酵母培養(yǎng),攪拌速度(rmin) KLa 攝氧率 300 40 576 500 169 720 700 216 864,（二）空氣流速,KLa與空氣流速（ V）有關(guān)。 V增加 KLa增加。但當(dāng)V增加到一定值后 KLa便不增加，因存在所謂氣泛現(xiàn)象，即空氣流速過(guò)大時(shí)，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出。,螺旋槳式

20、攪拌器 圓盤平直葉渦輪攪拌器,（三）發(fā)酵液理化性質(zhì)的影響。,KLa與粘度成反比。在發(fā)酵過(guò)程中，由于粘度變化，而使發(fā)酵液呈多種流變學(xué)性質(zhì)（液體的湍動(dòng)性和液膜的阻力）。 一般細(xì)菌、酵母發(fā)酵液粘度為一常數(shù)。 放線菌、霉菌粘度不是一個(gè)常數(shù)。,復(fù)膜氧電極的原理 溶氧電極可以看作是一種電解電池，它有兩只具有不同電性的電極，一只是銀絲做成的陰極，另一只是鉛皮卷成的陽(yáng)極。這對(duì)電極裝置在兩端開(kāi)口的細(xì)的玻璃套管內(nèi)，在靠近陰極的一端用一種耐熱的、只允許氣體透過(guò)而不透過(guò)水及離子的半滲透塑料膜覆蓋，形成一個(gè)有一定容積的電池，在電池中加入數(shù)毫升的電解質(zhì)溶液（5mol HAC0.5mol NaAC十0.1mol PbAC2

21、）。這就在兩極之間產(chǎn)生了一個(gè)電位，使陽(yáng)極的鉛變成鉛離子Pb+進(jìn)入電解質(zhì)溶液，同時(shí)放出的電子在陰極上把透過(guò)半透膜進(jìn)入電池的氧立即還原成OH（見(jiàn)圖）,六、液相中氧的濃度的測(cè)定,陽(yáng)極的反應(yīng)： Pb Pb+ +2e 陰極的反應(yīng)： 2e+1/2O2+H2O2 OH-,復(fù)膜氧電極操作：在實(shí)罐滅菌時(shí)將電極裝入，滅菌后電流表指示為最低值，這時(shí)通氣保壓、攪拌、降溫，溶氧CL會(huì)達(dá)到最大值，電流表指示為100%。一般在抗生素生產(chǎn)時(shí)，接種后11個(gè)小時(shí)電流值保持一定，12小時(shí)后開(kāi)始下降，43小時(shí)為最低值，隨后電流值便上升。,7.2 發(fā)酵過(guò)程中溶氧的變化。,培養(yǎng)基滅菌后，通入無(wú)菌空氣，降溫后培養(yǎng)基中的溶解氧達(dá)到 ，一般發(fā)

22、酵前期隨著微生物攝氧率（）的不斷上升，溶氧量出現(xiàn)一個(gè) 。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間平穩(wěn)期后，便隨之 。,返回,7.3 溶氧的控制,菌的生長(zhǎng)所需要的氧應(yīng)略高于臨界值。 控制溶氧濃度的方法有: 1.攪拌轉(zhuǎn)速 2.進(jìn)氣量 3.適當(dāng)降溫、補(bǔ)水和加泡敵來(lái)改善溶氧水平。,第五節(jié)、pH對(duì)發(fā)酵的影響及其控制,5.1 pH值對(duì)菌生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物形成的影響。 不同菌生長(zhǎng)pH值不同 改變發(fā)酵方向 黑曲霉pH2-3時(shí)產(chǎn)檸檬酸，pH7時(shí)生成草酸。 生長(zhǎng)和合成pH不同 如鏈霉素產(chǎn)生菌生長(zhǎng)的最適pH為6.3-6.9，而合成pH6.7-7.3。,改變菌膜電荷。 直接影響酶的活性。 影響培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的介離。 該物質(zhì)都在水中解

23、離，氫離子濃度對(duì)這些物質(zhì) 的解離影響很大，從而影響微生物的營(yíng)養(yǎng)吸收、 酶的活性等。,pH影響菌生長(zhǎng)的機(jī)理？,（1）調(diào)節(jié) 發(fā)酵過(guò)程中由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解，菌的代謝等，pH值會(huì)發(fā)生變化。調(diào)節(jié)的方法有： H2SO4和NaOH直接控制 用補(bǔ)硫酸銨和氨水控制 PH較高時(shí)補(bǔ)加硫酸銨。當(dāng)pH較低時(shí)補(bǔ)加氨水。 可以通過(guò)補(bǔ)加糖或油來(lái)調(diào)節(jié)pH,（2）控制 最適pH在微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的關(guān)系中有四種情況。比生長(zhǎng)速率（u）和產(chǎn)物比生產(chǎn) 速率（Qp）最適pH范圍較寬， 生產(chǎn)較易控制。 u、Qp二者一個(gè)較寬，一個(gè) 較窄。 二者都較窄，pH又相同。 二者都較窄，pH又不同。,在發(fā)酵過(guò)程中，產(chǎn)熱的因素有生物熱(Q生物)和攪拌

24、熱(Q攪拌)；散熱因素有蒸發(fā)熱(Q蒸發(fā))、輻射熱(Q輻射)。產(chǎn)生的熱能減去散失的熱能，所得的凈熱量就是發(fā)酵熱Q發(fā)酵，kJ(m3 .h)， 即Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射。,第六節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響與控制,第六節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響與控制,6.1 發(fā)酵熱 發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的熱能減去散失的熱能，所得的凈熱量就是發(fā)酵熱。 生物熱（Q生物） C6H12O6+12O66CO+6H2O+熱量，除了用于合成外，其余部分則以熱的形式散發(fā)出來(lái)。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期產(chǎn)熱量多。熱量的單位（ KJ/ m3 .h),第六節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響與控制,攪拌熱（Q攪拌） 液體與攪拌設(shè)備之間的摩擦產(chǎn)生的熱量。 Q攪拌=P/V360

25、0。 （KW/m3KJ/Kw.h） 3600為熱功當(dāng)量。,蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)） 通氣時(shí)，引起發(fā)酵液水分的蒸發(fā)被冷空氣和蒸發(fā)水分帶走的熱量叫蒸發(fā)熱。,輻射熱（Q輻射） 因發(fā)酵液溫度與罐外溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過(guò)罐體向外輻射。 由于Q生物及Q蒸發(fā)在發(fā)酵過(guò)程中是隨著時(shí)間變化的，因此發(fā)酵熱在整個(gè)過(guò)程中也隨時(shí)間變化，發(fā)酵罐操作也需要降溫、加溫控制。,通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度，用下式計(jì)算： Q發(fā)酵=G.c（t1-t2）/ V 單位 千卡/m3.h G冷卻水 c水的比熱 t1、t2 進(jìn)出的冷卻水溫度（）。 V發(fā)酵液體積（m3） 一般抗生素發(fā)酵過(guò)程中的最大發(fā)酵熱均為3000-5000

26、千卡/立方米.小時(shí)。,6.2 發(fā)酵熱的測(cè)定及計(jì)算,抗生素生產(chǎn)，菌的生長(zhǎng)和合成需不同溫度。有人試驗(yàn)青霉素變溫發(fā)酵，起初5小時(shí)，維持在30，以后降到25培養(yǎng)35h，再降到20培養(yǎng)85h，最后又提高到25，培養(yǎng)40小時(shí)，放罐。青霉素產(chǎn)量比在25恒溫培養(yǎng)提高14.7%。因此生長(zhǎng)的溫度和合成的溫度并不一致。,6.3 控制溫度的應(yīng)用,CO2的來(lái)源和影響 CO2濃度高對(duì)微生物生長(zhǎng)不利。 1. 當(dāng)細(xì)胞膜的脂質(zhì)相中的CO2濃度偏高，細(xì)胞膜運(yùn)輸受到阻礙，生長(zhǎng)受到抑制 2. 使發(fā)酵液pH降低，影響菌生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成。,第七節(jié) CO2的影響及其控制,但某些菌又需要適量的CO2 。栽培金針菇菌最明顯。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)需要CO

27、2培養(yǎng)箱 。 CO2能合成某些小分子前體物質(zhì)如: 丙酮酸+CO2+ATP草酰乙酸+ADP+Pi。 再如脂肪酸生物合成也需，如乙酰CoA+CO2 丙二酰CoA長(zhǎng)鏈脂肪酸。,8.1 泡沫的性質(zhì)：泡沫是氣體分散在液體中的一種膠體系統(tǒng)，氣泡間被一層液膜隔開(kāi)而彼此不相連通。 8.2泡沫的危害： 造成大量的逃液，而使裝料系數(shù)減少。 泡沫從軸封中滲出，增加染菌機(jī)會(huì)。 妨礙菌的呼吸和生長(zhǎng)，使產(chǎn)量下降。,第八節(jié)、泡沫的影響及其控制,8.3 泡沫產(chǎn)生的因素： 與高速攪拌及大空氣流量有關(guān)，發(fā)酵時(shí)前期要注意空氣流量，先小后逐步加大 培養(yǎng)基成份有關(guān)：蛋白胨、玉米漿、黃豆餅粉等，高蛋白，易起泡。 菌種不同，如有的生長(zhǎng)慢，

28、易起泡。,8.4 泡沫的消除： 機(jī)械消沫：在罐內(nèi)裝消沫漿。但作用不大。 化學(xué)消沫： A.消泡劑有天然油，豆油，菜子油等，它還作為碳源被菌利用。 B.高分子物質(zhì)如聚氧乙烯氧丙烯甘油，（GPE）又叫泡敵。消泡能力比植物油60-80倍強(qiáng)。目前工業(yè)上已取代油。,8.5消泡的原理： .泡沫表面層存在著極性的表面活性物質(zhì)，而形成雙電層時(shí)，可加入另一種有相反電荷的表面活性劑，可降低其機(jī)械強(qiáng)度，促使其破裂。 .泡沫表面粘度較大時(shí)，可加入某些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低其表面粘度而使其破裂。,（一）減少泡沫形成的機(jī)會(huì)。 原料配比。補(bǔ)料：如基礎(chǔ)料被抽出一部分蛋白質(zhì)原料，在菌絲長(zhǎng)濃后再加入。滅菌前加. （二）消除已

29、形成的泡沫。 起泡時(shí)加。加量一般為培養(yǎng)基總體積的0.02%-0.002%。多加對(duì)菌生長(zhǎng)不利。,8.6控制泡沫的方法,第九節(jié)發(fā)酵生產(chǎn)染菌及其防治,所謂發(fā)酵染菌是指在發(fā)酵過(guò)程中，生產(chǎn)菌以外的其他微生物侵入了發(fā)酵系統(tǒng)，從而造成生產(chǎn)損失。 據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)的青霉素發(fā)酵染菌率2，鏈霉素、紅霉素和四環(huán)素發(fā)酵染菌率5，谷氨酸發(fā)酵噬菌體感染率12。染菌對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)率、提取率、得率、產(chǎn)品質(zhì)量和三廢治理等都有很大的影響。,消耗營(yíng)養(yǎng)成分； 分泌某些使抗生素失去活性的物質(zhì)，如青霉素酶能分解青霉素； 分泌代謝產(chǎn)物改變發(fā)酵液的pH值，抑制菌種的生產(chǎn)和產(chǎn)物的合成； 增加發(fā)酵液的粘度造成過(guò)濾困難和提取得率下降；,一、雜菌的危害,二

30、、雜菌的檢測(cè),1顯微鏡檢查 2無(wú)菌試驗(yàn)法 3試劑盒檢驗(yàn)法,三、染菌發(fā)生的不同時(shí)間對(duì)發(fā)酵的影響及處理, 種子培養(yǎng)期染菌種子培養(yǎng)主要是使生產(chǎn)菌生長(zhǎng)與繁殖，此時(shí)，微生物菌體濃度低，培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)十分豐富，比較容易染菌。若將污染的種子帶入發(fā)酵罐，則危害極大，因此應(yīng)嚴(yán)格控制種子染菌的發(fā)生。一旦發(fā)現(xiàn)種子受到雜菌的污染，應(yīng)經(jīng)滅菌后棄去，并對(duì)種子罐、管道等進(jìn)行仔細(xì)檢查和徹底滅菌。, 發(fā)酵前期染菌在發(fā)酵前期，微生物菌體主要是處于生長(zhǎng)、繁殖階段，此時(shí)期代謝的產(chǎn)物很少，相對(duì)而言這個(gè)時(shí)期也容易染菌，染菌后的雜菌將迅速繁殖，與生產(chǎn)菌爭(zhēng)奪培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，嚴(yán)重干擾生產(chǎn)菌的正常生長(zhǎng)、繁殖及產(chǎn)物的生成?？芍匦聹缇匦陆臃N,

31、 發(fā)酵中期染菌發(fā)酵中期染菌將會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量消耗，并嚴(yán)重干擾生產(chǎn)菌的代謝，影響產(chǎn)物的生成。從目前的情況來(lái)看，發(fā)酵中期染菌一般較難挽救，危害性較大，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡力做到早發(fā)現(xiàn)，快處理。, 發(fā)酵后期染菌由于在發(fā)酵后期，培養(yǎng)基中的糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已接近耗盡，且發(fā)酵的產(chǎn)物也已積累較多，如果染菌量不太多，對(duì)發(fā)酵影響相對(duì)來(lái)說(shuō)就要小一些，可繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵，或提前放罐。,四、發(fā)酵染菌原因分析, 染菌的雜菌種類分析 若污染的雜菌是耐熱的芽孢桿菌，可能是由于培養(yǎng)基或設(shè)備滅菌不徹底、設(shè)備存在死角等引起； 若污染的是球菌等不耐熱雜菌，可能是由于種子帶菌、空氣過(guò)濾效率低、設(shè)備滲漏和操作問(wèn)題等引起；, 發(fā)酵染菌的規(guī)模分析, 大批量發(fā)酵罐染菌空氣過(guò)濾器介質(zhì)失效等問(wèn)題； 部分發(fā)酵罐染菌連消系統(tǒng)滅菌不徹底；也可能是中間補(bǔ)料染菌， 個(gè)別發(fā)酵罐連續(xù)染菌 大都是由于設(shè)備滲漏造成。,第十節(jié)、發(fā)