发酵条件及过程控制

菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的 影响
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最适菌体浓度的确定
• 优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的 产物。(dP/dtMAX)
dP/dt =qP X qP=f〔 X， μ ， qO 2 qS CL〕
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以青霉素发酵为例
青霉素发酵的qP与μ的关系
μ ＞ μC qP可维持在qPmax
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（2）pH对产物合成的影响
• pH影响代谢方向： 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。 e.g. 黑曲霉发酵：pH2~3, 柠檬酸；pH接近中性，草酸 酵母菌发酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸 和甘油 谷氨酸发酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；pH5.0~5.8, 谷酰胺 和N-乙酰谷酰胺
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二、氮源的影响和控制
（一）氮源的种类影响
迅速利用的氮源
缓慢利用的氮源
• 种类：氨水、铵盐和玉米浆 种类：黄豆饼粉、花生饼粉、
• 优点：
和棉子饼粉
易被菌体利用，明显促进菌 优点：
体生长
利用缓慢，有利于延长次
• 缺点： 对于有些品种高浓度的铵离
级代谢产物的分泌期。 防止早衰。
子抑制产物合成
1）发酵液中pH变化的基本原理
• 微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生：①酸性 或碱性代谢产物的生成或释放；②菌体对培养基中生 理酸性或碱性物质的利用。
• 引起发酵液中pH下降的因素 （1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机
酸积累，pH下降； （2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加； （3）生理酸性盐的利用； （4）酸性产物形成：如有机酸发酵。
(NaOH、HCl、CaCO3)； • 发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH；
缺点：
溶解度低，发酵液粘度大。
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（二）氮源种类的控制 发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢利用 的氮源的混合氮源。
迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的氮源， 满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。
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（三）氮源浓度的影响控制 氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。 氮源浓度的控制： 控制基础培养基中的配比。 通过补加氮源。
的范围 • 自溶阶段：pH又上升
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（1）pH对微生物生长的影响
• 每一类菌都有其最适pH和能耐受的pH范围 细菌: pH 6.3～7.5 ；霉菌和酵母菌：pH 3～6； 放线菌：pH 7～8
• 控制一定的pH值，不仅保证微生物生长，而且防止 杂菌感染
e.g.石油代腊酵母： pH3.5～5.0：生长良好且不易染菌 pH>5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌 pH<3.0：酵母生长受抑制，细胞极不整齐，且出现自溶
成。 （10mM以下） • 一般在基础培养基中采用适宜浓度。 对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。 对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。 • 一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷量
达不到最适量。 • 要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适
量。 • 当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌
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1）发酵液中pH变化的基本原理（续）
• 引起发酵液中pH上升的因素 （1）C/N过低（N源过多），氨基氮（NH4＋）释放； （2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多； （3）生理碱性盐的利用； （4）碱性产物形成。
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2）发酵过程中pH的变化规律
• 生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的趋势 • 生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合成
最高
速率恒定(0.055%/h)
*采用pH控制补糖速率的意义
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3. 最适pH的选择
• 选择pH准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量， 以获得最高产量。
配制不同初始pH的 培养基，摇瓶考察 发酵情况
pH对产海藻酸裂解酶的影响
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（1）pH调节方法
• 配制合适的培养基，有很好的缓冲能力； • 发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂
μ ＞＞ μC
OUR增大
X ＞＞ X C
CL ＜ CL C
qP减小
粘度增大
Kla减小
产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。
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（三）碳源浓度的控制
在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度 补料的类型：
1、流加 2、少量多次的加入 3、多量少次的加入
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补糖的依据：
• 残糖量 • pH值 • 菌体浓度 （ X ） • 粘度 • 溶氧 • 尾气中O2和CO2的含量 • 发酵液的总体积
补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量
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补氮量的控制 • 经验法： 依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算。 依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。 • 动力学方法； 通过qN、μ、 qP ，计算每小时的补氮量。
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三、磷酸盐的影响和控制
• 磷酸盐能明显促进产生菌的生长。（0.32-300mM） • 对于次级代谢产物，高浓度的磷酸盐能抑制产物合
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第一节 营养基质和菌体浓度的影响及控制
一、碳源
（一）碳源种类的影响及控制
迅速利用的碳源
缓慢利用的碳源
• 种类：葡萄糖
种类：淀粉、乳糖、蔗糖、
• 优点：
麦芽糖、玉米油
吸收快，利用快，能迅速参 优点：
加代谢合成菌体和产生能量 不易产生分解产物阻遏效
• 缺点： 有些品种产生分解产物 阻
应。有利于延长次级代谢 产物的分泌期
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（1）pH对微生物生长的影响
pH对生长的影响机制
对E合成的影响

对对EA活TP性生的产影率响影响AT：P
, x

影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜的渗透性的变化，
因而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的分泌。
影响培养基某些重要营养物质和中间代谢产物的离
解，从而影响微生物对这些物质的利用
影响微生物的代谢机制
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二、影响发酵温度变化的因素
发酵热 = 生物热 + 搅拌热 - 蒸发热 - 显热 - 辐射热
生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。 搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。 影蒸响发搅生热拌物：热热发=的酵P 因/液V素蒸36：发0水1（分k带J/走h）的热量。 与与显G菌菌热P3-空/6种龄：V0气-遗有发1通重-传关酵机气Q量特：排械蒸条流发性对气能件量=有数散转G下，关生(发变I单k出长带g为-位干I期进走热体空)生的能积气物热的发/热h量热酵；最。功液大当所。量消，耗K的j/功（率kw，·khw）/m3 与辐I进营射、养热I出基：-发质由酵有于罐关罐进内气外、的排温气差的，热辐焓射，带K走J/的Kg热干量空。气 与产量有关
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（2）pH对产物合成的影响（续）
• pH对青霉素发酵的影响：
在不同pH范围内加糖，青霉素产量和糖耗不一样。
pH范围
糖耗 残糖 青霉素相对单位
pH6.0～6.3加糖 10% 0.5%
较高
pH6.6～6.9加糖
7% 0.2%
高
pH7.3～7.6 加糖 7% >0.5%
低
pH6.8控制加糖
<7% <0.2%
qP / qPm
1.0-
μ ＜ μC qP随μ减小而减小
μC 1.0 μ / μm
要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的比生 长速率。
但是，过高的比生长速率造成过高的菌体浓度，造成不利影响：
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过高的比生长速率和过高的菌体浓度造成的不利影响：
1、 μ过高，S消耗过快，有限的营养基质只能用于生长， 而不足于产物合成。
第六章
发酵条件 及过程控制
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第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制 第二节 温度的影响及其控制 第三节 pH的影响和控制 第四节 通气和搅拌 第五节 泡沫的影响和控制 第六节 二氧化碳和呼吸商 第七节 发酵终点的判断 第八节 发酵的优化控制 第九节 发酵过程的计算机控制 第十节 发酵过程的精确检测
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第二节 温度的影响及控制
一、温度对发酵的影响：
酶活
影响各种酶促反应的速度
发改酵变温发度酵升高液，的生物长理代性谢质加快：，生
产期提前。
温度
发温改酵度变温影菌度响体太基高代质，和谢菌氧产体的物容吸的易收合衰速老成度，方发向
酵周期缩短。
多影例响组：饱分温和次度溶小级氧于代浓3谢度0℃产，物合的成组金分霉素比的例能力强 如同：温黄毒一青度曲素霉微G等霉1素和生于毒最B3素物15适比，的℃生例在，生长分2只0长温别℃合度和为、成332代0:5四1℃℃、谢环，和1产素:2产3、0物生℃1:积青发1。霉酵累素所的的产最最生适适的温温黄度度曲为霉不2同5℃。
2、有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢途径， 抑制产物合成。 3、 X过高，增加OUR，且发酵液粘度增大，减小OTR。 CL减小，抑制菌体生长和产物合成。
最适μ为等于或稍大于μC
最适X？
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青霉素发酵的qP、OUR、OTR与X的关系
OTR
1.0-
OUR=OTR时的菌体 浓度为最适菌体浓度，
qP / qPm dp/dt
OUR
XC X / Xm 1.0 在发酵过程中，控制目标为保持稳定的临界菌体浓度和 临界比生长速率，以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧 速率与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率和比速率达 到最大值。
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生长速度和菌体浓度的控制方法 • 确定基础培养基的适当配比，防止培养基
过于丰富或过于稀薄。 • 通过调节中间补料的速度和量来控制。
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第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制
一、碳源的种类和浓度对发酵过程的影响及控制 （一）碳源的种类对发酵的影响及控制 （二）碳源的浓度对发酵的影响及控制 二、氮源的种类及浓度的影响及控制 （一）氮源的种类对发酵的影响及控制 （二）氮源的浓度对发酵的影响及控制 三、磷酸盐浓度的影响及控制
生长亚适量 四、菌体浓度的影响及控制
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（2）pH对产物合成的影响
• 产物合成阶段的最适pH值和微生物生长阶段的最适pH往往 不一定相同，这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学 特性。
e.g. 丙酮丁醇菌：生长 pH为5.5～7.0；合成pH为4.3～5.3 青霉素产生菌：生长pH为6.5～7.2，合成pH为6.2～6.8 链霉素产生菌：生长pH为6.3～6.9，合成pH为6.7～7.3
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补糖量的控制 经验法
• 根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依 据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加 以修正。
例： 青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%, pH开始回升时补 糖。补糖量以最高罐批经验量为参考。 每小时 前期0~40h 中期40~90h 后期90h以后 加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18%
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补糖量的控制---动力学方法
依据μ、 qP 、 qC等动力学参数 之间的关系，计算加糖量
以次级代谢产物为例：
控制原则：
μ、
qP
、
qC之间的关系：以制
维 基
持 质
临 浓
界 度
生 、
长 临
限 界
X
μ
qp
S
qC
菌体浓度和临界比 生长速率为指标的 基质流加速率与消 耗速率的平衡。
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补糖的控制
把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加 料装置精确控制加入的糖量。
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四、发酵温度的控制
在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。 冷却介质：深井水或冷冻水 控制方式：手动控制或自动控制
温度计 温度控制器Fra Baidu bibliotek
调节阀
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第三节 pH对发酵的影响及其控制
1. 发酵对pH的影响 2. pH值对发酵过程的影响 3. 最适pH的选择 4. 发酵过程中pH的调节与控制
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遏效应。
缺点：
溶解度低，发酵液粘度大。
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碳源种类的控制
发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源的 混合碳源。 迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗， 缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，提高产 量，并可解除葡萄糖效应。
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（二）碳源浓度的影响
S过小
μ ＜ μC
qP随μ减小而减小
S过大
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三、最适发酵温度的选择
选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度 可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温 度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。 确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件： 在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利 培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利
体生长。
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四、 菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制
影响菌体浓度的因素
• 菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种 类和自身的遗传特性有关
菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的 种类和浓度有关 （ μ 正比于S ）
当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓 度营养基质引起生长速率下降。