第四章 发酵工艺条件的确定

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第四章 发酵工艺条件的确定

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第二节 温度对发酵的影响及控制

在生物学范围内通常每升高 10℃，生长速度就加快一倍，所以温度直接影响酶反应，对于微生物来说，温度直接影响其生长和合成酶。

微生物可生长的温度范围较广 :-10-95℃。

任何微生物的生长都需要有最适的生长温度，在此温度范围内微生物生长繁殖最快。

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一、温度对生长的影响

不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于 0 ～ 26℃ 生长，嗜温菌适应于 15 ～ 43 ℃ 生长，嗜热菌适应于 37 ～ 650C 生长，嗜高温菌适应于 650C 以上生长。

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每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温度来表征。

最适温度：微生物生长迅速；

最高温度：超过此温度，微生物受到抑制或死亡；

最低温度：微生物尚能生长，但生长速度非常

缓慢，世代时间无限延长。

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二、温度的影响与控制

（一）温度对发酵的影响

1 、温度影响反应速率

发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。

从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2

积分得 E=21

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/1/1

/log6.4

TT

KK rr

E——活化能 Kr——速率常数

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2 、温度影响发酵方向

3 、温度还影响基质溶解度，同时氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。

因此对发酵过程中的温度要严格控制。

温度变化及其控制

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（二）最适温度的选择

1 、根据菌种及生长阶段选择

2 、根据培养条件选择

3 、根据菌生长情况

总之，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。

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三、发酵过程引起温度变化的因素

（一）发酵热 Q 发酵

发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。

所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。

1 、生物热 Q 生

物

2 、搅拌热 Q 搅拌

3 、蒸发热 Q 蒸发 4 、辐射热 Q 辐射

Q 发酵＝ Q 生物＋ Q 搅拌－ Q 蒸发－ Q 辐射

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（二）发酵热的测定

方法：①一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。

Q 发酵＝ GCm(T 出－ T 进 )

Cm—— 水的比热， G—— 冷却水流量

②另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。

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最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。

最适发酵温度与菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段有关。

最适发酵温度的选择–在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。

最适温度的确定

五、温度的控制四、利用温度控制提高产量

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进行温度控制时应考虑的因素

A 不同菌种在不同生长阶段的生长和生产特性；

B 参考其它发酵条件（通气、培养基成分和浓度、 pH 值等），如通气条件差时，则最适发酵温度比通气良好时低。

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冷却是主要的方法，通常是利用发酵罐的热交换装置进行降温，如果气温较高，冷却水温度也较高时，多采用冷盐水进行降温。

发酵罐的热交换装置：•罐外夹套•罐内蛇管、列管

温度控制的方法

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温度对发酵的影响：

温度影响反应速率

温度影响发酵方向

最适温度的

选择

根据菌种

生长阶段选择

根据培养条件选择

菌种的生长情况

发酵过程引起温度变化的因素

发酵热是引起发酵过程温度变化的原因Q 发酵＝ Q 生物＋ Q 搅拌－ Q 蒸发－ Q 辐射

小 结

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一、发酵过程 pH 变化的原因

1 、基质代谢

第三节 发酵过程的 pH 控制

2 、产物形成

3 、菌体自溶， pH 上升，发酵后期， pH 上升。

二、 pH对发酵的影响

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三、 pH 的控制

1 、调节好基础料的 pH 。

2 、在基础料中加入维持 pH 的物质。

3 、通过补料调节 pH 4 、当补料与调 pH 发生矛盾时，加酸碱调 pH 5 、不同调 pH 方法的影响6 、发酵的不同阶段采取不同的 pH值

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pH 控制是一项非常细致的工作，不仅考虑最佳 pH 值，而且要根据生长阶段考察对 pH 的要求。

在 pH 控制中还要采用合适的调节方法。

总 结

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小 结发酵过程 pH 会发生变化

变化原因

基质代谢

产物形成

菌体自溶

• 发酵过程的 pH 控制

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对发酵的影响

pHpH 影响酶的活性

pH 值影响微生物细胞膜所带电荷的改变

pH 值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离

pH 影响代谢方向

pH 在微生物培养的不同阶段有不同的影响

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pH的控制方式

基础培养基调节 pH

在基础料中加入维持 pH 的物质

通过补料调节 pH 当补料与调 pH 发生矛盾时，加酸碱调 pH

发酵的不同阶段采取不同的 pH值

选择合适的 pH 调节剂

• 发酵过程的 pH 控制

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临界氧浓度（ C 临）：

指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求。

Dissolved Oxygen Concentration

QO2

Ccritical

第四节 氧、二氧化碳和泡沫对发酵的影响与第四节 氧、二氧化碳和泡沫对发酵的影响与控制控制

一、氧对发酵的影响一、氧对发酵的影响11 ，发酵过程中氧的需求，发酵过程中氧的需求

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22 、溶氧对发酵的影响、溶氧对发酵的影响

由此可知，只有使溶氧浓度高于其临界值，才能维持菌体的最大比摄氧率，得到最大的菌体合成量。如果溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受到干扰。

氧是制约发酵进行的重要因素

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根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为：

a. 供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制；如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等；

b. 供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显；如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等；

c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制；如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等。

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33 、、发酵过程的溶氧变化发酵过程的溶氧变化

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44 、溶氧的控制、溶氧的控制

4.1 调节通风与搅拌

4.2 限制基础培养基的浓度

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二、二、 COCO22 对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制

11 、 、 COCO22 对发酵的影响对发酵的影响

22 、 、 COCO22 对发酵影响的机理对发酵影响的机理33 、 、 COCO22 的控的控制制

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三、发酵过程泡沫的形成与控制

（一）、泡沫的形成

一般来说：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系。

发酵过程起泡的利弊：

气体分散、增加气液接触面积，

但过多的泡沫是有害的。

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1 、泡沫的类型

2 、泡沫形成的原因

（ 1 ）气液接触

（ 2 ）含助泡剂

（ 3 ）起泡速度高于破泡速度

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3 、发酵过程泡沫产生的原因

（ 1 ）通气搅拌的强烈程度

（ 2 ）培养基配比与原料组成

（ 3 ）菌种、种子质量和接种量

（ 4 ）灭菌质量

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（二）起泡的危害

降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难

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（三）泡沫的性质

泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。

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（四）发酵过程泡沫控制的方法

泡沫控制的目的在于打碎泡沫液膜，使气相和液相分离。因此，可以通过化学方法，降低泡沫液膜的表面张力，使泡沫破灭，也可利用物理方法，使泡沫液膜的某些部分局部受力，打破液膜原来的受力平衡而破裂。

• 物理消沫法• 化学消沫法

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1 、物理消泡法

方 法罐内消沫法：罐外消沫法：

原 理靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。

优 点不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会

缺 点不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。

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2、化学消泡法

机 理 当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强度或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。

当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。

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3 、对消泡剂的要求

（ 1 ）在起泡液中不溶或难溶

（ 2 ）表面张力低于起泡液

（ 3 ）与起泡液有一定程度的亲和性

（ 4 ）与起泡液不发生化学反应

（ 5 ）挥发性小，作用时间长

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4 、常用消泡剂的种类和性能

（ 1 ）天然油脂

（ 2 ）聚醚类消泡剂

（ 3 ）高碳醇

（ 4 ）硅酮类

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第五节 发酵过程的检测参数第五节 发酵过程的检测参数

一、发酵过程的种类

1 、分批培养2 、补料分批培养3 、半连续培养4 、连续培养

37对数期：㏑对数期：㏑ ХХ tt = = ㏑㏑ ХХ 00+ + μμtt

μ-比生长速率

Х-菌体浓度

延滞期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡期

μmax

微生物生长分为四个时期微生物生长分为四个时期

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二、补料控制二、补料控制1 、基质浓度对发酵的影响

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22 、补料控制目的、补料控制目的

3 、补料的内容

4 、补料的原则

5 、补料控制的策略

66 、补料控制参数的选择、补料控制参数的选择

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三、发酵过程的检测参数三、发酵过程的检测参数

物理参数

化学参数

生物参数

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化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、 pH、产物浓度、核酸量等。

代谢参数按性质分可分三类：

物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气 流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等。

生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等。

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从检测手段分可分为： 直接参数、间接参数

直接参数又可分为 :

在线检测参数和离线检测参数

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目前发酵过程主要分析项目如下

1 、 pH

2 、排气氧、排气 CO2 和呼吸熵

3 、糖含量4 、氨基氮和氨氮

5 、磷含量 6 、菌浓度和菌形态7、产物浓度

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第六节 微生物培养过程的参数检测

在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头）放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控制提供依据。

黑箱 灰箱 参数检测

检测代谢中间物、分析代谢流向、 RNA检测

一、 参数在线检测

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原理：化学或物理信号 电信号

放大 记录显示仪

控制器（与设定参数比较）

发出调节信号 控制器动作

二、 参数的离线检测进展

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第四章 要 点1 、需要控制的发酵条件主要有哪些？ 怎样对发酵条件进行控制？

2 、影响发酵的主要因素有哪些？ 如何利用这些因素对发酵进行调节？ 3 、发酵过程中为什么会产生泡沫？ 产生的泡沫对发酵有什么危害？ 发酵过程中怎样防止和消除泡沫？