第六章第二节 发酵条件及过程控制

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补料时机
补糖时机
过早，刺激生长，加速糖利用；
过迟，所需能量跟不上。如谷氨酸发酵在对数生 长期的末期补料。
判断：培养基条件，菌种，发酵状况（残糖，pH， 菌形态等），在需要时加入；
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补料方式
一次性大量
少量多次 连续流加 快速流加 恒速流加
指数流加 变速流加
可与其他组分一起进行多组分补料。 以不引起发酵液成分剧烈波动为前提；
补料速度较慢，供氧充足时：糖完全转化为 污染杂菌
酵母、CO2和水。
补料速度提高，培养液DO跌至临界值以下：
中间补料 糖不完全氧化，生成乙醇，酵母产量减少。
作为控制代谢方向的指标
有些操作故障或事故引起发酵异常
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一、泡沫的产生及其对发酵的影响 1、泡沫产生的原因
外界引进的气流被机械地分散而形成。 发酵过程产生的气体聚结生产的发酵泡沫。 培养基的物理化学性质。
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三、泡沫的消除和控制
机械消泡：依靠物理学原理，即靠机械力引起强 烈振动或压力变化，促使泡沫破裂。 化学消泡：使用化学消泡剂消沫。
优点：不需要引入外来物质，可节省原材料， 减少杂菌污染的机会，减少培养液性质的变 优点：消泡剂来源广泛，消泡效率高，作用 化，对提取工艺无任何副作用。 迅速。 缺点：效率不高，不能从根本上消除引起泡 沫稳定的因素，需要一定的设备，消耗一定 的动力。
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金色链霉菌：可同时产生金霉素和四环素。 低于30℃：金霉素合成能力强； 温度升高：四环素合成比例提高； 高于35℃：只产生四环素。 青霉素产生菌：
生长最适温度：30 ℃ ；
青霉素合成最适温度：25 ℃ 。
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温度的控制——变温培养
接种后培养温度应适当提高，以利孢子萌发或加 快菌体生长、繁殖。
液体的表面性质：表面张力、表观粘度； 蛋白质及微生物菌体具稳定泡沫作用；
培养液的温度、酸碱度、浓度及泡沫表面积对
泡沫稳定性也有一定影响。
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2、泡沫对发酵的影响
降低了发酵罐的装料系数；
增加了菌群的非均一性；
增加了染菌的机会；
引起“逃液”，导致产物的损失；
影响通气搅拌的正常进行，造成发酵异常，导致 产物产量下降； 菌体提前自溶，使更多泡沫生成； 消泡剂的加入给提取工序带来困难。
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1、引起溶解氧异常下降的原因
污染好氧性杂菌；
菌体代谢发生异常，需氧要求增加；
某些设备或工艺控制发生障碍或变化。
搅拌功率变小或搅拌速度变慢。
消泡剂过量。
搅拌停止。
闷罐。
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2、引起溶解氧异常上升的原因
污染烈性噬菌体； 菌体代谢异常，耗氧能力下降。
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五、溶氧作为发酵异常的指示
添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐
在发酵过程中直接补加酸或碱
过去流加硫酸或氢氧化钠，
现采用补加氨水、尿素、硫酸铵， 在发酵过程中调节补糖速度控制pH
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解释： ①添加CaCO3：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.
②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。
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青霉素发酵的补料控制
碳源 葡萄糖：根据发酵液残糖量、pH值，排气中 CO2及O2含量控制加糖。一般在残糖降至0.6% 左右、pH上升时开始加糖。 氮源 硫酸铵、氨水或尿素，使氨氮控制在0.05%。 前体 发酵的合适阶段添加，使其浓度维持在一定范 围。
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第二节 温度对发酵过程的影响
待发酵液的温度表现为上升时，发酵液温度应控 制在菌体最适生长温度。 主发酵旺盛阶段，温度应控制在代谢产物合成的 最适温度。
发酵后期，温度出现下降趋势，直至发酵成熟即 可放罐。
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第三节 pH的影响及其控制
一、 pH值对发酵过程的影响
二、发酵对pH的影响
三、最适pH的选择
四、发酵过程中pH的调节与控制
检验学院 《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
一、pH对发酵的影响
影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子
的渗透作用，影响了营养物的吸收和代谢产物的
分泌。
影响菌体生长代谢的酶活性
影响代谢产物的合成方向
Growth 2-3 pH units
pH
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引起发酵液中pH下降的常见因素 （ 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。
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引起发酵液中pH上升的常见因素
（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。
检验学院 《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
四、pH的控制
采用合适的培养基配比
C：N合适
生理酸性物质和生理碱性物质比例合适
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一、营养基质的影响及控制
碳、氮、无机盐、前体、生长因子
种类的控制 浓度的控制
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1.种类的控制
工业中发酵wk.baidu.com养基常采用含迅速利用和缓慢利用 的混合氮源和混合碳源。
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补料内容
① 能源和碳源； ② 氮源； ③ 微量元素； ④ 诱导物；
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补料控制方法
反馈控制
无反馈控制
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第六章 发酵条件及过程控制
吉林医药学院
董 媛
检验学院 《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
控制方式
一般检控系统包括3个部分。
1．测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH计 直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。 2．控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各 种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指 令执行元件进行调整控制。 3．执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关 闭有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数 达到预定位置。
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二、发酵过程中泡沫的变化
泡沫随通气、搅拌速度的增加而增加，搅拌引起 初期，泡沫的高稳定性与高的表观粘度和低 的泡沫比通气来得大； 表面张力有关； 泡沫多少与培养基所用原材料性质有关； 同一浓度下：玉米浆＞花生饼粉＞黄豆饼粉 随着微生物对碳、氮源的利用，粘度降低， 培养基的灭菌方法、温度、时间会改变培养基性 质，从而影响泡沫的产生； 表面张力上升，泡沫减少； 发酵过程中，培养液的性质随微生物的代谢活动 发酵后期，菌体自溶，可溶性蛋白质浓度增 而不断变化，影响泡沫的消长。 加，泡沫上升。
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③尿素流加法：味精厂多用，尿素首先被菌体尿酶分解成氨， 氨进入发酵液，使pH上升，当NH4+被菌体作为氮源消耗并 形成有机酸时，发酵液pH下降，这时随着尿素的补加，氨 进入发酵液，又使发酵液pH上升及补充氮源，如此循环， 致至发酵液中碳源耗尽，完成发酵。
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pH的控制方法
常用方法
① 调节好基础料的 pH 。基础料中若含有玉米浆， pH 呈酸性，必须调节 pH 。若要控制灭菌后 pH 在 6.0，消前pH往往要调到6.5-6.8 ② 在基础料中加入维持pH的物质，如CaCO3 ，或 具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等 ③ 通过补料调节pH
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放罐指标
产物浓度
氨基氮
菌体形态 pH值 DO值 培养液外观和粘度
过滤速度
影响发酵温度变化的因素
温度对微生物生长和发酵的影响 最适温度的选择和温度的控制
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发酵热 =
生物热 + 搅拌热 - 蒸发热± 辐射热
温度控制措施：
大罐：在夹套或蛇管内通入冷却水。 小罐：控制冷却水水温。
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2、温度对发酵的影响
影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质；
通过改变发酵液的物理性质，间接影响微生物的 生物合成； 会影响生物合成方向； 对同一微生物，细胞生长和产物合成的最适温度 往往不同。
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2、化学消泡
化学消泡剂的种类 化学消泡剂的应用
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（1）化学消泡剂的种类
天然油脂：玉米油、菜油、豆油、猪油等。
高级醇类：十八醇、聚二醇。
聚醚类：聚氧丙烯甘油（GP）、泡敌（聚氧乙烯 氧丙烯甘油，GPE）。 硅酮类：聚二甲基硅氧烷及其衍生物、羟基聚二 甲基硅氧烷。 氧化烷烃