《发酵过程的控制》PPT课件

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1、第 十 章 发 酵 过 程 的 控 制10.1 发 酵 过 程 中 的 代 谢 变 化 参 数10.2 温 度 及 其 控 制10.3 pH的 影 响 及 其 控 制10.4 发 酵 过 程 中 的 代 谢 与 控 制10.5 泡 沫 的 影 响 及 其 控 制10.6 发 酵 终 点 的 判 断 及 不 正 常 发 酵 的 处 理10.7 发 酵 工 艺 的 研 究 种 子 扩 大 培 养 培 养 基 配 制 空 气 除 菌培 养 基 灭 菌发 酵 生 产下 游 处 理 发 酵 设 备发 酵 的 一 般 流 程 第 1节 发 酵 过 程 中 的 代 谢 变 化 参 数1、 物 理 参 数2、

2、 化 学 参 数3、 生 物 参 数与 代 谢 有 关 的 参 数 ： 1. 温 度温 度 对 发 酵 的 影 响 ：一 、 物 理 参 数酶 反 应 速 率氧 在 培 养 液 中 的 溶 解 度菌 体 生 长抗 生 素 合 成 2. 压 力发 酵 罐 维 持 一 定 程 度 的 正 压 的 好 处 ：一 、 物 理 参 数一 是 可 以 杜 绝 由 于 罐 压 为 零 时 造 成 的 染 菌 ；二 是 增 加 氧 在 培 养 液 中 的 溶 解 度 ， 有 利 于 菌的 生 长 及 合 成 抗 生 素 。但 罐 压 不 宜 过 高 ，原 因 是 二 氧 化 碳 在 水 中 的 溶 解 度 比

3、 氧 大 30倍 ，罐 压 增 大 ， 二 氧 化 碳 的 分 压 也 增 加 。 3. 搅 拌 转 速提 高 搅 拌 转 速 可 以 增 加 氧 溶 解 速 度 。一 、 物 理 参 数4. 搅 拌 功 率搅 拌 功 率 与 供 氧 系 数 KLa有 关 。5. 空 气 流 量 空 气 流 量 过 小 对 发 酵 不 利 ；过 大 ， 泡 沫 产 生 过 多 ， 培 养 液 表 观 体 积增 大 ， 装 料 体 积 减 少 ， 缩 短 空 气 在 罐 内 的滞 留 时 间 ， 浪 费 无 菌 空 气 。 6. 溶 解 氧 （ DO）空 气 中 的 氧 气 只 有 溶 于 发 酵 液 中 才

4、能 被 菌 体 利 用 ；溶 氧 浓 度 的 大 小 与 氧 的 传 递 速 率 及 摄 氧 率 有 关 。一 、 物 理 参 数7. 表 观 粘 度与 培 养 基 的 成 分 及 菌 体 的 浓 度 有 关 。 1. 基 质 浓 度发 酵 过 程 中 糖 、 氮 、 磷 等 营 养 物 质 的 含量 是 反 映 产 生 菌 代 谢 变 化 的 重 要 参 数 。二 、 化 学 参 数必 须 经 常 测 定 糖 、 氮 等 基 质 的 浓 度 。 2. pH发 酵 液 的 pH 是 发 酵 过 程 中 各 种 生 化 反 应的 酸 碱 性 的 综 合 反 映 。二 、 化 学 参 数酶 的 活

5、 性 与 基 质 的 pH 有 关 ， 不 同 的 菌 所含 的 酶 类 不 同 ， 其 合 适 pH 就 不 同 。 3. 脱 氧 核 糖 核 酸 （ DNA）DNA 是 细 胞 生 长 的 基 本 物 质 。二 、 化 学 参 数以 DNA为 参 数 可 以 清 楚 地 区 分 发 酵 的 各个 阶 段 。 1. 菌 丝 形 态菌 丝 形 态 的 改 变 是 代 谢 变 化 的 反 映 。三 、 生 物 参 数以 抗 生 素 生 产 说 明 ：以 菌 丝 形 态 作 为 衡 量 种 子 质 量 、 区 分 不同 的 发 酵 阶 段 、 控 制 发 酵 过 程 的 代 谢 变化 及 决 定

6、发 酵 周 期 的 依 据 之 一 。 2. 菌 体 干 重 （ 或 菌 体 浓 度 ）生 物 量三 、 生 物 参 数与 补 料 、 供 氧 工 艺 、 抗 生 素 产 量 等 都 有 关 系 。 3. 菌 体 比 生 长 速 率每 小 时 单 位 质 量 的 菌 体 所 增 加 的 菌 体 量 称 为菌 体 比 生 长 速 率 ， h-1。三 、 生 物 参 数需 将 菌 体 比 生 长 速 率 控 制 在 一 定 范 围 内 ， 以便 使 抗 生 素 的 生 产 速 率 维 持 在 较 高 的 水 平 。它 是 发 酵 动 力 学 中 的 一 个 重 要 参 数 。 4. 氧 比 消 耗

7、 速 率又 称 呼 吸 强 度 （ QO2）每 小 时 单 位 质 量 的 菌 体 所 消 耗 的 氧 的 数 量 。三 、 生 物 参 数 5. 糖 比 消 耗 速 率每 小 时 单 位 质 量 的 菌 体 所 消 耗 的 糖 量 。三 、 生 物 参 数6. 氮 比 消 耗 速 率每 小 时 单 位 质 量 的 菌 体 所 消 耗 的 氮 的 数 量 。 第 2节 温 度 及 其 控 制生 产 菌 在 最 适 温 度 范 围 以 下 培 养 时 ，生 长 代 谢 慢 ； 反 之 则 生 长 代 谢 加 快 。微 生 物 生 化 反 应 与 温 度 有 着 密 切 的 关 系 。 1、 温

8、度 对 发 酵 的 影 响 对 细 胞 生 长 的 影 响 ： 温 度 升 高 ， 从 酶 反 应 动 力 学 来 看 ， 生长 代 谢 加 快 ， 但 由 于 酶 很 容 易 热 失 活 ， 所 以 高 温 时 菌 体 易于 衰 老 ； 对 产 物 形 成 的 影 响 ： 菌 体 生 长 速 率 、 呼 吸 强 度 和 代 谢 产 物形 成 速 率 的 最 适 温 度 往 往 是 不 同 的 ； 温 度 升 高 ， 一 般 产 物生 成 提 前 ； 对 生 物 合 成 的 方 向 的 影 响 ： 反 馈 抑 制 随 温 度 变 化 而 改 变 ； 对 发 酵 液 物 理 性 质 及 溶 解

9、氧 的 影 响 ： 影 响 氧 的 溶 解 和 传 递 ，影 响 一 些 基 质 的 分 解 ， 间 接 影 响 生 物 合 成 。 2、 发 酵 热 的 产 生 （ p207） 发 酵 热 ： 发 酵 过 程 释 放 出 来 的 净 热 量 。 包 括 ：生 物 热 ： 微 生 物 生 长 繁 殖 过 程 中 的 产 热搅 拌 热 ： 机 械 搅 拌 造 成 的 摩 擦 热蒸 发 热 ： 被 通 气 和 蒸 发 水 分 带 走 的 热 量辐 射 热 ： 发 酵 罐 罐 体 向 外 辐 射 的 热 量显 热 ： 空 气 流 动 过 程 夹 带 着 的 热 量Q 发 酵 = Q生 物 + Q搅

10、拌 - Q蒸 发 - Q显 -Q辐 射 3、 发 酵 热 的 测 定 通 过 冷 却 水 进 出 口 温 度 和 流 量 测 定 ：Q发 酵 =Gcw(t1-t2)/V G冷 却 水 流 量 ； Cw水 的 比 热 ； V发 酵 液 体 积 。 通 过 发 酵 液 温 度 随 时 间 上 升 的 速 率 测 定 ：Q 发 酵 =(M1c1+ M2c2)S M1、 c1 发 酵 液 质 量 、 比 热 ； M2、 c2 发 酵 罐 质 量 、 比 热 ； S温 度 上 升 速 率 。 发 酵 热 在 发 酵 过 程 中 随 时 间 变 化 。 为 使 发 酵 在 一 定 温 度 下 进 行 ，措

11、 施 有 ：在 罐 夹 层 （ 即 夹 套 ） 或 盘 管 （ 即 蛇 管 ） 内 通入 冷 却 水 或 冰 盐 水 来 调 节 ；在 发 酵 前 期 或 种 子 罐 是 通 热 水 保 温 。 4、 最 适 温 度 选 择 与 发 酵 温 度 控 制 温 度 变 化 的 一 般 规 律 与 控 制 的 一 般 原 则 接 种 后 发 酵 温 度 有 下 降 趋 势 ， 此 时 可 适 当 升 高 温 度 ，以 利 于 孢 子 萌 发 和 菌 体 的 生 长 繁 殖 ； 待 发 酵 液 温 度 开 始 上 升 后 ， 应 保 持 在 菌 体 的 最 适 生 长温 度 ； 到 主 发 酵 旺 盛

12、 阶 段 ， 温 度 应 控 制 在 比 最 适 生 长 温 度 低些 ， 即 代 谢 产 物 合 成 的 最 适 温 度 ； 到 发 酵 后 期 ， 温 度 下 降 ， 此 时 适 当 升 温 可 提 高 产 量 。 选 择 是 相 对 的 ， 要 考 虑 培 养 基 成 分 、 浓 度 ； 溶 氧 （ 温升 氧 降 ） ； 生 长 阶 段 ； 培 养 条 件 等 。 4、 最 适 温 度 选 择 与 发 酵 温 度 控 制最 适 温 度 选 择 最 适 温 度 分 最 适 生 长 温 度 和 最 适 产 物 合 成 温 度 ， 两 者往 往 不 同 ， 各 阶 段 可 用 不 同 温 度

13、。 如 ： 青 霉 素 分 别 为 ： 30 和 24.7 。 青 霉 素 发 酵 的 温 度 控 制 0-5h： 30 C 6-35h： 25 C 36-85h： 20 C 86-125h： 25 C 0 5 35 85 12530 25 20 25 4、 最 适 温 度 选 择 与 发 酵 温 度 控 制发 酵 温 度 控 制 进 行 温 度 控 制 时 应 考 虑 的 因 素 ： 不 同 菌 种 在 不 同 生 长 阶 段 的 生 长 和 生 产 特 性 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 ，

14、则 最 适 发 酵 温 度比 通 气 良 好 时 低 。 4、 最 适 温 度 选 择 与 发 酵 温 度 控 制发 酵 温 度 控 制 温 度 控 制 的 方 法 ： 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 媒 (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 第 3节 pH 的 影 响 及 其 控 制 1、 pH 对 发 酵 的 影 响 2、 影 响 发 酵 pH 的 因 素

15、 3、 最 适 pH 的 选 择 和 调 节pH 是 决 定 产 生 菌 各 种 酶 活 性 的 重 要 因 素 。确 定 和 有 效 控 制 pH 在 菌 体 生 长 或 产 物积 累 的 最 适 范 围 是 高 产 的 保 证 。 1、 pH对 发 酵 的 影 响 微 生 物 生 长 最 适 pH值 范 围 不 同 的 微 生 物 具 有 不 同 的 最 适 生 长 的 pH值 。 细 菌 6.5-7.5； 放 线 菌 6.5-8.0； 霉 菌 4.0-5.8； 酵 母 菌 3.8-6.0 产 物 形 成 最 适 pH值 范 围 微 生 物 的 生 长 和 产 物 形 成 的 最 适 pH

16、值 往 往 不 同 。 少 数 一 致 ， 大 多 不 同 ； 有 的 偏 高 ， 有 的 偏 低 。 1） 影 响 微 生 物 的 生 长 繁 殖 。 石 油 吃 蜡 酵 母 （ 解 脂 假 丝 酵 母 和 热 带 假 丝酵 母 ） 在 pH 3.5-5.0 范 围 内 生 长 良 好 且 不 易染 菌 ； 高 于 5时 ， 形 态 变 小 ， 发 酵 液 变 黑 ， 发酵 过 程 中 容 易 被 细 菌 污 染 ； pH低 于 3时 ， 生 长受 到 严 重 的 抑 制 ， 细 胞 极 不 齐 整 ， 且 出 现 细 胞自 溶 的 情 况 。 2） 影 响 微 生 物 的 形 态 。 产

17、黄 青 霉 细 胞 壁 的 厚 度 会 随 pH 的 增 加 而 减小 。 pH 低 于 6时 ， 菌 丝 长 度 变 短 ， 直 径 为 2-3m； pH 大 于 7时 ， 菌 丝 直 径 为 2-8 m ， 膨 胀 菌 丝增 多 ； pH 下 降 后 ， 菌 丝 又 恢 复 到 正 常 状 态 。 3） pH影 响 代 谢 产 物 形 成 的 数 量 和 代 谢 途 径 方 向 pH不 同 ， 往 往 引 起 菌 体 代 谢 过 程 不 同 ， 使 代谢 产 物 的 质 量 和 比 例 发 生 改 变 。 如 黑 曲 霉 :在 pH 2-3时 发 酵 产 生 柠 檬 酸 ， 在 pH 近

18、中 性 时 ， 则 产 生 草 酸 。 谷 氨 酸 发 酵 :在 中 性 和 微 碱 性 条 件 下 积 累 谷氨 酸 ， 在 酸 性 条 件 下 则 容 易 形 成 谷 氨 酰 胺 和 N-乙酰 谷 氨 酰 胺 。 酵 母 在 酸 性 条 件 下 产 生 乙 醇 ， 而 在 碱 性 条 件下 发 酵 产 物 是 甘 油 。 4） 影 响 产 物 的 稳 定 性 如 噻 纳 霉 素 的 发 酵 中 ， pH值 在 6.7-7.5之 间 时 ， 抗 生 素 的 产 量 相 近 ，产 品 稳 定 性 未 受 影 响 ， 半 衰 期 也 无 变 化 ； 但 当 pH大 于 7.5时 ， 抗 生 素

19、半 衰 期 缩 短 ， 稳定 性 下 降 ， 发 酵 产 量 也 减 少 。 5） pH在 微 生 物 培 养 的 不 同 阶 段 有 不 同 的 影 响 生 长 合成pH 对 菌 体 生 长 影 响 比 产 物 合 成 影 响 小X pH 四环素放 线 菌 金 色 链 丛 菌 （ 1） pH影 响 酶 的 活 性 。 当 pH值 抑 制 菌 体某 些 酶 的 活 性 时 使 菌 的 新 陈 代 谢 受 阻 ；（ 2） pH值 影 响 微 生 物 细 胞 膜 所 带 电 荷 的 改 变 ，从 而 改 变 细 胞 膜 的 透 性 ， 影 响 微 生 物 对 营 养 物质 的 吸 收 及 代 谢

20、物 的 排 泄 ， 因 此 影 响 新 陈 代 谢的 进 行 ；（ 3） pH值 影 响 培 养 基 某 些 营 养 成 分 和 中 间 代 谢物 的 解 离 ， 从 而 影 响 微 生 物 对 这 些 物 质 的 利 用 。pH值 影 响 微 生 物 生 长 繁 殖 和 代 谢 的 原 因 2、 影 响 发 酵 pH的 因 素 影 响 pH值 的 因 素 ： 培 养 基 成 份 、 微 生 物 代 谢特 性 决 定 发 酵 过 程 的 pH变 化 。 （ 综 合 反 映 ） 微 生 物 改 变 培 养 液 pH以 适 合 自 身 生 长 的 能 力很 强 。 发 酵 液 的 实 际 pH是

21、“ 成 分 ” 和 “ 途 径 ” 的 统一 。 此 外 ， 通 气 状 况 的 变 化 ， 菌 体 自 溶 和 杂 菌 污染 都 可 能 引 起 发 酵 液 pH的 变 化 。 1.基 质 代 谢 糖 代 谢 特 别 是 快 速 利 用 的 糖 ， 分 解 成 小 分 子 酸 、 醇 ，使 pH下 降 。 糖 缺 乏 ， pH上 升 ， 是 补 料 的 标 志 之 一 。氮 代 谢 当 氨 基 酸 中 的 -NH2被 利 用 后 pH会 下 降 ； 尿 素 被分 解 成 NH3， pH上 升 ， NH3利 用 后 pH下 降 ， 当 碳 源 不足 时 氮 源 当 碳 源 利 用 pH上 升

22、。生 理 酸 碱 性 物 质 被 微 生 物 利 用 后 会 导 致 环 境 pH下 降 （ 上 升 ） 的物 质 称 为 生 理 酸 性 （ 碱 性 ） 物 质 。 生 理 碱 性 物 质 ： 经 微 生 物 代 谢 后 ， 导 致 pH上 升（ 碱 性 物 质 生 成 或 酸 性 物 质 消 耗 ） 的 物 质 。 如 ： 有 机 氮 源 ， 硝 酸 盐 ， 有 机 酸 （ 产 NH3、 NaOH） 生 理 酸 性 物 质 ： 经 微 生 物 代 谢 后 ， 导 致 pH下 降（ 酸 性 物 质 生 成 或 碱 性 物 质 消 耗 ） 的 物 质 。 如 ： 糖 类 （ 产 有 机 酸 ）

23、 ， 脂 肪 （ 产 脂 肪 酸 ） ， 铵 盐 （ 氧 化 产 硫 酸 ） 。 2.产 物 形 成 某 些 产 物 本 身 呈 酸 性 或 碱 性 ， 使 发 酵 液 pH变 化 。 如 有 机 酸 类 产 生 使 pH下 降 ， 红 霉 素 、 洁霉 素 、 螺 旋 霉 素 等 抗 生 素 呈 碱 性 ， 使 pH上 升 。 3.菌 体 自 溶 发 酵 后 期 ， pH 上 升 。 可 做 为 终 止 发 酵 的 指 示 。 3、 最 适 pH的 选 择 和 调 节最 适 pH的 选 择 和 调 节 的 原 则 ：既 有 利 于 菌 体 的 生 长 繁 殖 ， 又 可 最 大限 度 的 获

24、 得 高 产 。根 据 不 同 微 生 物 的 特 性 ， 在 发 酵 过 程中 随 时 检 查 pH 值 的 变 化 ， 选 用 适 当 的 方法 进 行 调 节 。最 适 pH值 是 根 据 实 验 结 果 来 确 定 的 。 3、 最 适 pH的 选 择 和 调 节生 长 最 适 pH和 产 物 形 成 最 适 pH的 相 互 关 系 ： 两 者 相 同 ， 范 围 都 宽 ； 容 易 控 制 。 两 者 相 同 ， 范 围 都 窄 ； 必 须 严 格 控 制 。 两 者 相 同 ， 范 围 一 宽 一 窄 ； 必 须 严 格 控 制 。 两 者 不 同 ， 范 围 都 窄 ； 分 别

25、严 格 控 制 。 实 际 生 产 中 ， 从 以 下 几 个 方 面 进 行 ： （ 1） 选 择 适 当 的 培 养 基 成 分 和 配 比 ： 适 当 调 整 C/N比 ， 使 盐 类 与 碳 源 配 比 平 衡 。一 般 情 况 ： C/N高 时 （ 真 菌 培 养 基 ） ， pH降 低 ；C/N低 时 （ 一 般 细 菌 ） ， 经 过 发 酵 后 ， pH上 升 。有 些 成 分 可 在 中 间 补 料 时 补 充 调 控 。pH的 控 制 在 发 酵 过 程 中 ， 发 酵 液 的 pH随 着 微 生 物 活 动 而 不 断 变 化 ， 为提 供 菌 体 适 宜 的 生 长 或

26、 产 物 积 累 的 pH值 ， 需 要 对 发 酵 生 产 过程 各 阶 段 的 pH值 实 施 监 控 。 （ 2） 加 适 量 缓 冲 剂如 碳 酸 钙 、 磷 酸 盐 等 添 加 CaCO3最 普 遍价 格 便 宜 、 使 用 方 便 、 效 果 好 。当 用 NH4+盐 作 为 氮 源 时 ， 可 在 培 养 基 中 加 入 CaCO3，用 于 中 和 NH4+被 吸 收 后 剩 余 的 酸 。 磷 酸 盐 在 生 产 上 使 用 较 少u价 格 高 u磷 酸 浓 度 增 高 对 发 酵 有 影 响 （ 3） 直 接 加 入 酸 或 碱 类 物 质如 盐 酸 、 氢 氧 化 钠 、

27、氨 水 等 加 盐 酸 、 氢 氧 化 钠 等 强 酸 碱 效 果 明 显 ， 能使 pH迅 速 恢 复 正 常 ； 但 同 时 会 增 加 Cl-1、 Na+的 浓 度 。 改 用 氨 水 、 尿 素 、 乙 酸 等 弱 有 机 物 。 氨 水 流 加 法 ： 氨 水 可 以 中 和 发 酵 中 产 生 的酸 ， 且 NH4+可 作 为 氮 源 ， 供 给 菌 体 营 养 。 通 氨 一 般 是 使 压 缩 氨 气 或 工 业 用 氨 水 (浓度 20 左 右 )， 采 用 少 量 间 歇 添 加 或 连 续自 动 流 加 ， 可 避 免 一 次 加 入 过 多 造 成 局 部偏 碱 。 氨

28、 极 易 和 铜 反 应 产 生 毒 性 物 质 ， 对发 酵 产 生 影 响 ， 故 需 避 免 使 用 铜 制 的 通 氨设 备 。 氨 基 酸 发 酵 常 用 此 法 ； 这 种 方 法 既 可 以 达 到 稳 定 pH值 的 目 的 ， 又可 以 不 断 补 充 营 养 物 质 ， 特 别 是 能 产 生 阻遏 作 用 的 物 质 。 少 量 多 次 补 加 还 可 解 除 对产 物 合 成 的 阻 遏 作 用 ， 提 高 产 物 产 量 。 也 就 是 说 ， 采 用 补 料 的 方 法 ， 可 以 同 时 实 现补 充 营 养 、 延 长 发 酵 周 期 、 调 节 pH值 和 培

29、养 液 的 特 性 (如 菌 浓 等 )等 几 个 目 的 。 应 急 措 施 ： 改 变 搅 拌 转 速 或 通 气 量 ， 以 改 变 溶 解 氧 浓 度 ，控 制 有 机 酸 的 积 累 量 及 其 代 谢 速 度 ； 改 变 温 度 ， 以 控 制 微 生 物 代 谢 速 度 ； 改 变 罐 压 及 通 气 量 ， 降 低 CO2的 溶 解 量 ； 改 变 加 油 或 加 糖 量 等 ， 调 节 有 机 酸 的 积 累 量 ； 第 4节 发 酵 过 程 中 的 代 谢 与 控 制随 时 掌 握 发 酵 液 的 代 谢 变 化 情 况 ， 并 加 以控 制 ， 使 发 酵 过 程 最 优

30、 化 ， 需 要 进 行 中 间分 析 。发 酵 过 程 中 在 一 系 列 酶 的 催 化 作 用 下 ，培 养 基 基 质 不 断 消 耗 ， 菌 体 不 断 积 累 ，产 物 浓 度 不 断 增 加 。 1.分 析 项 目抗 生 素 效 价pH糖 含 量氨 基 氮 和 氨 氮磷菌 丝 浓 度 和 黏 度 培 养 基 基 质 既 有 浓 度 限 定 ， 又 需 要 合 适 的配 比 ； 在 搅 拌 功 率 不 太 大 的 情 况 下 ， 培 养 基 基 质的 总 浓 度 不 宜 过 高 ， 以 能 满 足 菌 体 在 一 定时 间 内 生 长 代 谢 需 要 为 原 则 ； 中 间 浓 度

31、 低 时 ， 可 通 过 补 料 予 以 补 充 ， 使培 养 基 维 持 在 一 个 适 当 的 浓 度 ； 通 过 补 料 ， 推 迟 菌 的 自 溶 期 ， 延 长 菌 的 生产 期 ， 提 高 了 发 酵 单 位 ， 使 产 量 大 幅 上 升 。2.发 酵 基 质 浓 度 与 中 间 补 料 1） 补 充 碳 源 和 能 源 物 质补 料 内 容如 葡 萄 糖 、 糊 精 、 液 化 淀 粉 等 2） 补 充 氮 源 物 质分 无 机 和 有 机 氮 源 3） 补 充 无 机 盐 、 微 量 元 素 前 体 和 促 进 剂 1） 补 糖 补 料 控 制间 歇 或 连 续 定 速 流

32、加 ， 使 罐 内 糖 浓 度 不超 出 限 定 范 围过 早 ： 菌 丝 生 长 太 快 ， 增 加 糖 的 消 耗 ，干 扰 代 谢 平 衡 。浓 度 过 高 ： 影 响 呼 吸 作 用 。过 迟 ： 菌 体 生 长 不 良 。 2） 通 氨 及 补 氮 补 料 控 制通 氨 是 许 多 发 酵 代 谢 控 制 的 重 要 项 目 。调 节 pH补 充 无 机 氮 源通 过 空 气 分 布 管 通 入 ， 借 搅 拌 作 用 与 发酵 液 迅 速 混 合 ， 并 减 少 大 量 泡 沫 的 产 生 。 补 料 中 应 注 意 的 问 题 选 择 合 适 的 补 料 的 时 机 、 方 式

33、和 控 制 指 标 料 液 的 配 比 要 恰 当 （ 如 C/N等 ） 注 意 对 培 养 基 性 质 的 改 变 （ 如 pH值 等 ） 加 强 无 菌 控 制 经 济 、 节 约 第 5节 发 酵 过 程 中 溶 解 氧 的 控 制 由 于 依 赖 获 得 能 量 的 代 谢 方 面 的 差 异 ， 微 生 物 对 氧的 需 要 也 存 在 不 同 。 好 气 菌 主 要 是 有 氧 呼 吸 ， 厌 气菌 为 厌 气 发 酵 ， 兼 性 厌 气 菌 则 两 者 兼 而 有 之 。 不 同 微 生 物 或 同 一 微 生 物 的 不 同 生 长 阶 段 对 通 风 量的 要 求 也 不 相

34、 同 。 呼 吸 商 （ Respiratory quotient, RQ） 消 耗 速 率生 成 速 率22OCORQ 影 响 微 生 物 摄 氧 率 的 因 素 菌 种 ； 细 胞 浓 度 ； 培 养 基 成 分 和 浓 度 ： 如 ： 碳 源 ， 利 用 速 度 不 同 摄 氧 率 不 同 ； pH； 温 度 ： 温 度 高 ， 临 界 值 增 高 ； 有 毒 物 积 累 ， 抑 制 呼 吸 ； 挥 发 性 中 间 物 （ 有 机 酸 ） ， 加 强 ； 溶 解 氧 浓 度 。 r= QO2.X 提 高 溶 氧 的 方 法 减 小 培 养 基 粘 度 ； 合 适 的 细 胞 浓 度 、

35、碳 源 种 类 、 pH、 温 度 ；调 节 微 生 物 呼 吸 强 度 的 临 界 值 ； 加 强 搅 拌 ； 适 当 的 空 气 流 量 ； 提 高 氧 分 压 。 通 风 和 搅 拌 通 气 量 与 菌 种 、 培 养 基 性 质 、 培 养 阶 段 有 关 。 通 气 量 的 多 少 ， 最 好 按 溶 解 氧 的 多 少 来 决 定 。 只有 氧 溶 解 的 速 度 大 于 菌 体 的 吸 氧 量 时 ， 菌 体 才 能正 常 地 生 长 、 繁 殖 。 因 此 随 着 菌 体 繁 殖 ， 呼 吸 增强 ， 必 须 按 菌 体 的 吸 氧 量 加 大 通 气 量 ， 以 增 加 溶解

36、 氧 的 量 。 通 风 和 搅 拌 搅 拌 则 能 使 氧 气 更 好 地 与 培 养 液 混 合 ， 保 证 氧的 最 大 限 度 溶 解 ; 搅 拌 有 利 于 热 交 换 ， 使 培 养 液 的 温 度 一 致 ; 还 有 利 于 营 养 物 质 和 代 谢 物 的 分 散 ; 此 外 ， 挡 板 则 有 助 于 搅 拌 ， 使 其 效 果 更 好 。 通 风 和 搅 拌 一 般 来 说 ， 若 发 酵 罐 深 ， 搅 拌 转 速 大 ， 通 气 管 开 孔小 ， 气 泡 在 培 养 液 内 停 留 时 间 就 长 ， 氧 的 溶 解 速 度就 大 ， 而 且 在 这 些 因 素 确

37、定 的 情 况 下 ， 培 养 基 的 粘度 越 小 ， 氧 的 溶 解 速 度 也 越 大 。 搅 拌 可 以 提 高 通 气 效 果 ， 但 是 过 度 地 剧 烈 搅 拌 会 导致 培 养 液 大 量 涌 泡 ， 容 易 增 加 杂 菌 污 染 的 机 会 ， 微生 物 细 胞 也 不 宜 剧 烈 搅 拌 。 第 6节 泡 沫 对 发 酵 的 影 响 及 控 制 泡 沫 产 生 的 原 因 泡 沫 过 多 对 发 酵 的 危 害 泡 沫 的 消 长 规 律 泡 沫 的 消 除 和 防 止 1、 泡 沫 产 生 的 原 因 通 气 产 生 泡 沫 微 生 物 代 谢 气 体 形 成 泡 沫

38、 泡 沫 的 产 生 与 培 养 基 性 质 有 关 （ 蛋 白 质 原 料 、 蜜 糖 水 解 原 料 ， 淀 粉 水 解 不 完 全时 易 发 泡 ） 2、 泡 沫 过 多 对 发 酵 的 危 害1. 使 装 量 减 少 ， 或 造 成 逃 液 ， 使 产 量 降 低 ；2. 通 过 轴 封 泄 漏 ， 污 染 设 备 ， 增 加 染 菌 机 会 ；3. 菌 体 粘 附 罐 顶 、 罐 壁 ， 发 酵 液 中 菌 体 量 减 少 ；4. 影 响 通 气 搅 拌 的 进 行 ， 造 成 减 产 或 菌 体 提 前 自 溶 ；5. 菌 体 提 前 自 溶 会 促 使 更 多 泡 沫 形 成 ，

39、 恶 性 循 环 ；6. 加 消 泡 剂 ， 给 提 取 工 艺 带 来 困 难 。 3、 泡 沫 的 消 长 规 律 通 气 和 搅 拌 ： 随 通 气 和 搅 拌 增 加 而 增 加 ， 搅 拌 比 通 气 影 响 大 ； 培 养 基 原 料 性 质 ： 蛋 白 胨 、 玉 米 浆 、 花 生 饼 粉 、 黄 豆 饼 粉 、 酵 母 粉 等蛋 白 质 原 料 是 主 要 发 泡 物 质 ； 培 养 基 灭 菌 方 法 ： 温 度 过 高 ， 形 成 蛋 白 黑 色 素 ， 5羟 甲 基 糖 醛 ， 泡沫 增 多 ； 细 胞 代 谢 活 动 ： 初 期 ， 高 粘 度 、 低 张 力 ， 泡

40、 多 ； 中 期 ， 粘 度 降 、 张 力 升 ， 泡 少 ； 后 期 ， 自 溶 ， 泡 上 升 。 4、 泡 沫 的 消 除 和 防 止 消 泡 方 法 ： 改 变 培 养 基 成 份 ， 减 少 通 气 ， 选 育 新 生 产 种 机 械 法 ： 靠 机 械 强 烈 振 动 ， 压 力 的 变 化 ， 使 气 泡 破 裂 ， 或 借 助 机 械 力 将 排 出 气 体 中 的 液 体 加 以 分 离 回 收 化 学 法 ： 添 加 消 泡 剂 （ 油 类 等 ） ， 应 用 面 广 4、 泡 沫 的 消 除 和 防 止 机 械 消 泡 优 点 ： 节 省 原 料 、 减 少 了 染 菌

41、 机 会 缺 点 ： 不 如 化 学 消 泡 迅 速 可 靠 ， 不 能 从 根 本上 消 除 引 起 气 泡 的 原 因 ， 需 设 备 ， 耗 能 。 机 械 消 泡 装 置 的 选 择 依 据 ：动 力 小 、 结 构 简 单 、 坚 固 耐 用 、 清 洁 （ 杀 菌 ）容 易 、 维 修 （ 保 养 ） 费 用 少 4、 泡 沫 的 消 除 和 防 止 机 械 消 泡 方 法 罐 内 消 泡 ： 在 发 酵 罐 内 消 除 泡 沫 耙 式 消 泡 桨 、 碟 式 消 泡 器 等 罐 外 消 泡 ： 将 泡 沫 引 出 发 酵 罐 外 ， 消 泡 后 再 返 回 罐 内 旋 转 叶 片

42、 消 泡 器 、 离 心 式 消 泡 器 等 4、 泡 沫 的 消 除 和 防 止 耙 式 消 泡 桨 4、 泡 沫 的 消 除 和 防 止 碟 片 式 消 泡 器 优 点 ： 消 泡 能 力 强 ， 功 耗 小缺 点 ： 结 构 复 杂 ， 维 护 麻 烦 4、 泡 沫 的 消 除 和 防 止 旋 转 叶 片 罐 外 消 泡 4、 泡 沫 的 消 除 和 防 止 离 心 力 罐 外 消 泡 4、 泡 沫 的 消 除 和 防 止 化 学 法 ： 发 酵 工 业 常 用 的 消 泡 剂 ， 有 各 种 天然 的 动 植 物 油 及 来 自 石 油 化 工 生 产 的 矿 物 油 、改 性 油 、

43、 表 面 活 性 剂 等 。 而 新 型 的 有 机 硅 聚合 物 如 硅 油 、 硅 树 脂 等 ， 具 有 效 率 高 、 用 量省 、 无 毒 性 、 无 代 谢 性 是 一 类 有 发 展 前 途 的消 泡 剂 。 泡 沫 的 控 制 除 了 添 加 消 泡 剂 外 ， 改 进 培 养 基成 分 也 是 相 辅 相 成 的 一 个 重 要 方 面 。 化 学 消 泡 的 机 理 ： 、 消 泡 剂 是 表 面 活 性 剂 ， 加 到 发 酵 液 中 ， 由 于 消泡 剂 本 身 的 表 面 张 力 相 对 于 发 酵 液 来 说 是 比 较 低 的 ，一 旦 接 触 到 气 泡 表 面

44、 ， 将 会 使 气 泡 膜 局 部 的 表 面 张力 降 低 ， 平 衡 受 到 破 坏 ， 因 而 使 气 泡 破 裂 或 合 并 。 、 对 于 泡 沫 表 面 存 在 着 极 性 的 表 面 活 性 物 质 而形 成 双 电 层 时 ， 加 入 带 相 反 电 荷 的 表 面 活 性 剂 ，可 以 降 低 液 膜 的 弹 性 （ 机 械 强 度 ） ， 或 加 入 某 些具 有 强 极 性 的 物 质 与 起 泡 沫 剂 争 夺 液 膜 上 的 空 间 ，并 使 液 膜 的 机 械 强 度 降 低 ， 进 而 促 使 泡 沫 破 裂 。 、 当 泡 沫 的 液 膜 具 有 较 大 的

45、表 面 黏 度 时 ， 加入 某 些 分 子 内 聚 力 较 弱 的 物 质 ， 可 降 低 膜 的 表观 黏 度 ， 从 而 促 使 液 膜 的 液 体 流 失 而 使 泡 沫 破裂 。 化 学 消 泡 剂 应 具 备 以 下 特 点 ： 是 表 面 活 性 剂 ， 消 泡 作 用 迅 速 有 效 ； 具 有 一 定 的 亲 水 性 ， 使 消 泡 剂 对 气 液 界 面 的 分 散系 数 足 够 大 ， 从 而 迅 速 发 挥 消 泡 活 性 ； 在 水 中 的 溶 解 度 必 须 小 ， 以 保 持 持 久 地 消 泡 或 抑 泡性 能 ； 无 毒 ； 不 影 响 氧 在 发 酵 液 中

46、 的 溶 解 和 传 递 ； 来 源 方 便 、 广 泛 、 价 格 便 宜 。 第 7节 发 酵 终 点 的 判 断 及 不 正 常 发 酵 的 处 理 抗 生 素 的 生 物 合 成 能 力 和 单 位 增 长 速 度 随 发 酵 时间 的 延 长 逐 渐 减 退 ； 发 酵 后 期 ， 明 显 减 慢 ， 甚 至 接 近 停 止 。判 断 发 酵 终 点 的 必 要 性 提 高 抗 生 素 的 生 产 率 ， 降 低 成 本 保 证 下 游 提 炼 质 量 放 罐 前 做 好 发 酵 控 制 补 糖 补 氮 加 消 泡 剂 pH调 节判 断 发 酵 终 点 的 参 考 抗 生 素 发 酵 单 位 菌 丝 形 态 阶 段 、 菌 丝 浓 度 、 菌 丝 黏 度 残 留 糖 氮 含 量 发 酵 液 外 观 、 pH判 断 放 罐 的 指 标 培 养 液 稀 化 感 染 噬 菌 体 或 菌 体 自 溶 发 酵 液 过 浓 培 养 基 过 于 丰 富 糖 氮 代 谢 缓 慢 菌 种 、 培 养 基 pH不 正 常发 酵 不 正 常 现 象 和 处 理