第七章 发酵过程控制-1PPT课件
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第六章 发酵条件及过程控制
第六章 发酵条件及过程控制
第一节 营养基质和菌体浓度 第二节 温度的影响和控制 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 二氧化碳和呼吸熵 第七节 发酵终点的判断 第八节 发酵条件的优化控制 第九节 发酵的计算机控制 第十节 发酵过程的精确检测
（3）最适温度的选择
根据菌种及生长阶段选择
微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要 求的温度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为370C， 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30～320C， 青霉菌生长温度为300C。
根据生长阶段选择
在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌 体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；
碳源浓度对发酵影响控制
培养基中碳源含量超过5%，细胞生长会因脱水而下降。 酵母的Crabtree效应：即Crabtree(1929)发现，当酵母在 高糖浓度下，即时溶氧充足，它还会进行发酵，从葡萄糖 生产乙醇。为获得最大酵母得率，不能用恒速流加的方法， 而保持最大生长速率的补料分批培养或连续培养可以避免 该现像的出现。 利用重组酵母毕赤酵母高密度发酵生产水蛭素，甲醇一方 面作为碳源，同时也充当能源，提高甲醇的量可以促进产 物的表达量提高，但是高浓度甲醇会拟制细胞生长。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高 Hale Waihona Puke Baidu度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代 谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏 的原理。
二、微生物与温度相关性的原理
(1)微生物对温度的要求不同与它们的膜 结构物理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常 生理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶 状态，只有当细胞膜处于液晶状态，才能 维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最 佳生长状态
第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制
碳源种类对发酵影响及控制 氮源的种类和浓度的影响及控制 磷酸盐浓度的影响和控制 菌体浓度的影响及控制
碳源种类对发酵影响及控制
碳源种类 快速利用和缓慢利用碳源 有机和无机
碳酸气； 淀粉水解糖，糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等 石油、正构石蜡，天然气 醋酸、甲醇、乙醇等石油化工产品 青霉素发酵（快速利用碳源，产量低，细胞生长快，缓慢 利用碳源，产量高，细胞生长慢。 混合碳源 透明质酸（快速和缓慢利用碳源结合）
(2)温度影响发酵方向
四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉 素和四环素，当温度低于300C时，这 种菌合成金霉素能力较强；温度提高， 合成四环素的比例也提高，温度达到 350C时，金霉素的合成几乎停止，只 产生四环素。
温度还影响基质溶解度，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。
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。在最适温度下，微生物生长迅速； 超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度 范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代 时间无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生 长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度 升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。
菌体浓度的影响及控制
菌体浓度（Cell concentration)
比生长速率：µ=(lgNt-lgNt0)*2.303/t-t0 营养基质浓度与细菌生长速率之间关系
莫诺公式 µ= µm(S/Ks+S)
第二节 温度变化及其控制
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 0～260C生长，嗜温菌适应于15～430C生长， 嗜热菌适应于37～650C生长，嗜高温菌适应于 650C以上生长
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范 围相一致。
什么是液晶状态？
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的 过渡状态称为液晶态。
由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示；
由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。
T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。
那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细 胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物， 其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸， 而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
根据生长阶段选择温度
例：林可霉素发酵的变温培养
氮源种类对发酵影响及控制
氮源种类 无机氮和有机氮；快速氮和慢速氮 豆饼或蚕蛹水解液，味精废液，玉米浆，酒 糟水等有机氮 尿素，硫酸铵，氨水，硝酸盐等无机氮 气态氮
链霉菌的竹桃霉素发较中采用快速氮源（铵 盐）可以刺激菌丝的生长，但是抗生素的降 低。
氮源浓度对发酵影响及控制
氮源浓度过高会使细胞脱水死亡，浓度过 低，细胞生长缓慢。 一般工业发酵的碳氮比为100/0.2-2.0;谷氨酸 的发酵碳氮比为100：15-21；当其比为100： 11才开始积累谷氨酸。
在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期， 从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。 因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关 闭得比较严密有利于产物合成。
发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段 280C，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖 化酶32～340C。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如 谷氨酸产生菌生长30～320C，产酸34～370C。最适温度 选择要根据菌种与发酵阶段做试验。
磷酸盐浓度的影响和控制
无机盐 磷酸盐，钾盐，镁盐，钙盐等其他矿盐 铁、锰、钴等微量元素 其他 特殊生长因子 硫胺素、生物素、对氨基苯甲酸、肌醇等 杆菌肽的发酵中无机磷酸盐浓度控制在0.1-1mmol.L-1,这 时合成杆菌肽，但浓度高于1mmol.L-1其产生受抑制。 抗生素如链霉素，新霉素，四环素，万古霉素等对高浓度 磷酸盐敏感，过高会抑制，但是太低菌体生长受影响。一 般工业上采用生长亚适量（对菌体生长不是最适合，但不 影响生长的量的磷酸盐浓度。
第六章 发酵条件及过程控制
第一节 营养基质和菌体浓度 第二节 温度的影响和控制 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 二氧化碳和呼吸熵 第七节 发酵终点的判断 第八节 发酵条件的优化控制 第九节 发酵的计算机控制 第十节 发酵过程的精确检测
（3）最适温度的选择
根据菌种及生长阶段选择
微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要 求的温度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为370C， 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30～320C， 青霉菌生长温度为300C。
根据生长阶段选择
在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌 体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；
碳源浓度对发酵影响控制
培养基中碳源含量超过5%，细胞生长会因脱水而下降。 酵母的Crabtree效应：即Crabtree(1929)发现，当酵母在 高糖浓度下，即时溶氧充足，它还会进行发酵，从葡萄糖 生产乙醇。为获得最大酵母得率，不能用恒速流加的方法， 而保持最大生长速率的补料分批培养或连续培养可以避免 该现像的出现。 利用重组酵母毕赤酵母高密度发酵生产水蛭素，甲醇一方 面作为碳源，同时也充当能源，提高甲醇的量可以促进产 物的表达量提高，但是高浓度甲醇会拟制细胞生长。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高 Hale Waihona Puke Baidu度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代 谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏 的原理。
二、微生物与温度相关性的原理
(1)微生物对温度的要求不同与它们的膜 结构物理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常 生理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶 状态，只有当细胞膜处于液晶状态，才能 维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最 佳生长状态
第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制
碳源种类对发酵影响及控制 氮源的种类和浓度的影响及控制 磷酸盐浓度的影响和控制 菌体浓度的影响及控制
碳源种类对发酵影响及控制
碳源种类 快速利用和缓慢利用碳源 有机和无机
碳酸气； 淀粉水解糖，糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等 石油、正构石蜡，天然气 醋酸、甲醇、乙醇等石油化工产品 青霉素发酵（快速利用碳源，产量低，细胞生长快，缓慢 利用碳源，产量高，细胞生长慢。 混合碳源 透明质酸（快速和缓慢利用碳源结合）
(2)温度影响发酵方向
四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉 素和四环素，当温度低于300C时，这 种菌合成金霉素能力较强；温度提高， 合成四环素的比例也提高，温度达到 350C时，金霉素的合成几乎停止，只 产生四环素。
温度还影响基质溶解度，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。
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。在最适温度下，微生物生长迅速； 超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度 范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代 时间无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生 长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度 升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。
菌体浓度的影响及控制
菌体浓度（Cell concentration)
比生长速率：µ=(lgNt-lgNt0)*2.303/t-t0 营养基质浓度与细菌生长速率之间关系
莫诺公式 µ= µm(S/Ks+S)
第二节 温度变化及其控制
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 0～260C生长，嗜温菌适应于15～430C生长， 嗜热菌适应于37～650C生长，嗜高温菌适应于 650C以上生长
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范 围相一致。
什么是液晶状态？
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的 过渡状态称为液晶态。
由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示；
由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。
T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。
那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细 胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物， 其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸， 而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
根据生长阶段选择温度
例：林可霉素发酵的变温培养
氮源种类对发酵影响及控制
氮源种类 无机氮和有机氮；快速氮和慢速氮 豆饼或蚕蛹水解液，味精废液，玉米浆，酒 糟水等有机氮 尿素，硫酸铵，氨水，硝酸盐等无机氮 气态氮
链霉菌的竹桃霉素发较中采用快速氮源（铵 盐）可以刺激菌丝的生长，但是抗生素的降 低。
氮源浓度对发酵影响及控制
氮源浓度过高会使细胞脱水死亡，浓度过 低，细胞生长缓慢。 一般工业发酵的碳氮比为100/0.2-2.0;谷氨酸 的发酵碳氮比为100：15-21；当其比为100： 11才开始积累谷氨酸。
在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期， 从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。 因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关 闭得比较严密有利于产物合成。
发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段 280C，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖 化酶32～340C。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如 谷氨酸产生菌生长30～320C，产酸34～370C。最适温度 选择要根据菌种与发酵阶段做试验。
磷酸盐浓度的影响和控制
无机盐 磷酸盐，钾盐，镁盐，钙盐等其他矿盐 铁、锰、钴等微量元素 其他 特殊生长因子 硫胺素、生物素、对氨基苯甲酸、肌醇等 杆菌肽的发酵中无机磷酸盐浓度控制在0.1-1mmol.L-1,这 时合成杆菌肽，但浓度高于1mmol.L-1其产生受抑制。 抗生素如链霉素，新霉素，四环素，万古霉素等对高浓度 磷酸盐敏感，过高会抑制，但是太低菌体生长受影响。一 般工业上采用生长亚适量（对菌体生长不是最适合，但不 影响生长的量的磷酸盐浓度。