第七章 发酵过程中工艺参数的检测和控制

中间补料的机理
①避免一次投料，菌丝生长过盛。 ②延长次级代谢产物的分泌期， 提高产量。
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FBC的内容
①补碳源、氮源（无机和有机），如蛋 白胨、玉米浆、硫酸铵、尿素。 ②无机盐，微量元素，前体和促进剂。 ③补全料和补水，总之视情况不同，补 单项还是全部。
补料的时间和方式
补料的时间很重要，有人研究加糖时间对四 环素发酵单位的影响。
接种 20h 产量 6000 u/ml 45h 10000 u/ml 62h 5000 u/ml
一般认为，过早补糖，可能刺激菌丝生成， 加速糖的利用，过迟补糖，可能菌丝的内 在质量已受到一定损害，补糖只是干扰代 谢并不能提高产量。
补料的时间和方式
补料的方式： ①小量间隙多次补入。 ②小量连续滴加补入。 ③大量多次补入或大量少次补入等。
2. 菌体浓度：测定方法有三种：
A.湿重法：量100ml发酵液，进行过滤， 滤后菌体用水洗净，然后用吸水纸将水分 挤干，直接称量。
B.干重法：上述步骤菌丝放85℃烘干 至恒重。
C.体积法：取样品10ml放于刻度离 心管内，用转速为3000转/分离 10min，计算%（V/V）。固体原料 也在其中，但如培养基组成不变条件 下，具有相对准确性。
溶氧的浓度对发酵的影响及控制 pH对发酵的影响及控制
第六节 第七节 第八节 第九节 第十节
温度对发酵的影响及控制 二氧化碳对发酵的影响及控制 补料及泡沫对发酵的影响及控制 工业发酵染菌的防治 发酵终点的判断
第一节 工业发酵的主要类型
一、按投料方式分 微生物培养有三种方式，分批、连续培 养和分批补料。 二、按菌体生长与产物形成关系分 微生物发酵过程中的动力学类型 类型I、类型II、类型III
第一节 工业发酵的主要类型
㈠ 分批发酵法(batch fermentation) 分批发酵又称分批培养，发酵工 业中常见的分批发酵方法是采用单罐 深层分批发酵法。每一个分批发酵过 程都经历接种、生长繁殖、菌体衰老 进而结束发酵，最终提取出产物。
第一节 工业发酵的主要类型 （二） 连续发酵法(continuous fermentation) 在发酵罐中一方面以一定速度连续 不断地流加新鲜液体培养基，另一方面 又以同样的速度连续不断地将发酵液排 出，使发酵罐中的菌体进行连续生长和 发酵。
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第 二节、 发酵过程的主要控制参数
工厂设备越先进，产品附加值越高，检测的参数就越 多。但工厂生产讲究越简单越好。发酵控制一般分为物 理、化学、生物三类。 一、物理参数
1． 温度：最适生长温度，它与酶反应速 率，氧的溶解、产物合成都有关。①如四 环素生产菌在30℃时合成金霉素，35℃时， 只产生四环素，合成方向会改变。②生长 温度与合成温度不同。如青霉素，生长 30℃，合成24.7℃。
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• 测定方法：磷与钼酸铵（NH4 ） 2M0O4 作用， 生成磷钼酸铵，在酸性条件下，用VC还原， 生成钼蓝，然后比色。
3.3基质浓度的控制
分 批 补 料 培 养 （ fed-batch culture, 简 称 FBC），是指在分批培养过程中，间歇 和连续地补加一种或多种成分的新鲜培 养基的培养方法。有报道四环素发酵不 补料的话，培养72-96h，发酵单位55007000单位/mL，而补糖的批号，发酵周期 延 长 到 120-130h ， 单 位 提 高 到 1000012000u/ml。
2． 压力（Pa，帕斯卡）。 98070Pa=1Kg/cm2 1Mpa ﹦103Kpa =106Pa。 灭菌压力 1Kg/cm2=0.11Mpa。 发酵罐压一般为 0.02~0.05Mpa。
3．搅拌转速（r/min）。 罐体积 50L 50000L 转速（r/min） 550 110 通风量（m3/m3. min ） 1：0.6 1：0.12
二、氧在液体中的溶解特性
（一）温度：工业产品大多是随着温度升高， 溶解度增加，；利用这个特点得到晶体。 如柠檬酸、葡萄糖等。而O2 正相反，温度 增加，C降低。 温度（℃） 0 ℃ 35 ℃ 溶解度 （mmol o2/L ） 2.18 1.09 （纯氧）
氧在液体中的溶解特性
（二）溶液的性质：氧在不同性质的溶液 中的溶解度是不同的。
补料的实例: 如庆大霉素生产，大罐 总体积20吨，第一次装料7吨，接种 后15h一次性补5吨，然后在30-60h中 小量间隙多次补入6吨料（全料）， 视生长情况决定是否在80h补适量水。 总周期120-130h。
一、溶氧的浓度对发酵的影响
微生物对氧的需求：
1、 C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量
一、物理参数
5． 通气量（V/V.min） 气体流量用转子流量计测量。用m3/m3. min，指每分钟每立方米发酵液通进1立方 米空气，用1︰1表示。 如柠檬酸1︰0.15，而青霉素1︰1。
6．粘度 Pa· s(秒）
Pa= 1N/m2
是细胞生长和细胞形态的一项标志，它 的大小可改变氧传递的阻力，又可表示 相对菌体的浓度。
7．浊度：反映单细胞生长状况 的参数。如大肠杆菌，用光密度 650nm上检测或计数板计数。
8．料液流量（L/min） 这 是控制流体进料的参数。
二、化学参数
1． PH：发酵过程中产酸或产碱的 生化反应的综合结果。细菌是多少？ 酵母、霉菌、放线菌？
二、化学参数
2． 基质浓度：指营养成分的浓度， 发酵过程中必须定时测定还原糖， 总糖，磷酸盐、氮（氨基酸或氨氮） 等基质的浓度。
同一种溶液由于其中溶质含量不同，氧的溶解度也不同。 盐酸 0.5 mol 1 mol 2mol 1.21 1.16 1.12
溶质含量越高，氧的溶解度就越小。
（三）氧分压； 亨利公式：C*=H-1×Po2
C*—在平衡状态下液体中氧的溶解度（m mol o2/L） Po2—氧分压 MPa
检测和控制
发酵涉及到微生物学、生物化学及发 酵工艺学知识。要想获得高产，对生 产菌的生活规律要充分了解。除了生 产经验外，还需要科学的检测手段。
第七章 发酵工艺控制
第 一节 第二节 第三节 控制 第四节 第五节
工业发酵的重要类型 发酵过程的主要控制参数 菌体及基质浓度对发酵的 影响及
从公式中可知C*与Po2成正比。气相中氧的浓度取决大气压 和①纯氧；②罐压提高，Po2提高。C*增大，但不能太高， 纯氧也可提高。③利用吸氮装置，减少空气中的氮气，增加 氧含量。
理论上，发酵过程中：
温度越低，C*越高，
溶质越稀，C*越高，
罐压越高，C*越大。 但工业上应用都受到限制。
类型II：可粗略的分为两个节段， 在发酵的第一期菌体迅速生长， 产物形成很少或全无，在第二个 阶段产物高速形成，菌体生长和 糖耗也相应增加。如柠檬酸和某 些氨基酸发酵。
类型III：生长和产物是来自两个代 谢途径，而不是来自分解代谢途径， 在基质消耗和菌体生长之后，菌体利 用中间代谢反应来形成产物，也就是， 初级代谢和产物形成是完全分开的， 如许多抗生素发酵。
临界氧浓度
①不同微生物C临界不同，见下表：
菌种
大肠杆菌
温度.℃
37.8
C临界（mg/L）
0.26
酵母菌
产黄青霉
34.8
24
0.15
0.7
表明青霉菌摄氧率高，发酵时空气通气量大。
②同一种菌生长不同阶段C临界不同。 如幼龄菌大于老龄菌 另外一般生产菌都是：
生长期大于合成期的临界氧浓度。
二、氧在液体中的溶解特性 饱和浓度：气体与液体相接触，气 体分子就会溶解于液体之中。经过一 段时间的接触，气体分子在气液两相 中的浓度就会达到动态平衡。 溶解氧的饱和浓度（ C* ）的单位可用 mmol o2/L 、ppm、和mg o2/L。 影响氧饱和浓度的主要因素有：
二、化学参数
3． 溶解氧浓度：mmol/L, mg/L, ppm或用% （指饱和浓度的百分数） 表示。利用它的变化可了解生产菌 对氧利用的规律也能反映发酵的异 常情况。科研上用于检测设备供氧 能力的指标。
二、化学参数
5． 产物的浓度：ug/ml，生产中合 成期产物的浓度需要测定，如柠檬 酸生产用NaOH滴定，抗生素用抑 菌圈大小测定。
从分子式看出，180g葡萄糖完全氧化需 190克O2。
2、构成细胞成分含有氧，如酵母细胞元素组成 为C3.95 N6.5 O1.94。
第四节
溶氧的浓度对发酵的影响及控制
O2 在水中的溶解度很低。如在25℃，1个大 气 压 下 O2 溶 解 在 水 中 的 量 为 0.2mmol/L ， 或 6.4mg/L。而微生物需氧量20—50mmol/L.h， 正常情况下，只能维持20—50秒钟,水中氧消耗完。 怎么供氧呢？用纯O2输入发酵罐，效果好，但 O2 在水中的溶解度较低，大多跑了，成本高，没 有实用价值。
二、按菌体生长与产物形成关系分 微生物发酵过程中的动力学类型 类型I、类型II、类型III
微生物发酵过程中的动力学类型
比速率：是1克细胞每小时形成产 物的克数或每克细胞每小时利用 糖的克数（g/g.h）或每克细胞 每小时繁殖细胞的克数。
类型I：菌体的生长、碳源的利用 与产物形成的比速率曲线均有一个 高峰，且高峰基本上在相同的时间 出现。如单细胞蛋白生产等。
3.2 基质浓度
②N源，也有迅速利用和缓慢利用， 前者有氨基酸、硫酸铵、尿素和玉 米浆，后者有黄豆饼粉、花生、棉 子饼粉等蛋白质。前者菌生长快， 但产量低，选用快、慢混合氮源很 重要。生产上可补加有机或无机氮 源。
• ③磷酸盐：P是核酸，许多辅酶，ATP，组 成部分，P对微生物生长、代谢有重要作用。 • 工业多以供应KH2PO4、K2HPO4为磷源，配 料时， KH2PO4计算，每克KH2PO4理论磷含 量 227 毫 克 ， 如 将 其 溶 在 1L 水 中 ， 就 是 227ppm。用链霉菌生产四环素时，菌体生长 最适磷为65-70ppm，合成为25-30ppm。