第七章 发酵过程控制3-温度
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发酵工程发酵过程控制
发酵工程发酵过程控制1. 引言发酵工程是利用微生物的生理代谢过程来生产有机化合物的一种工程技术。
而发酵过程控制则是在发酵工程中对发酵过程进行调控和监控，以确保发酵过程能够稳定进行，并获得高产率和良好的产品质量。
发酵过程控制通过对微生物与培养基、发酵设备和操作条件等方面进行控制，研究微生物的生长规律和代谢产物的生成规律，实现对发酵过程的调控，以实现最佳的发酵效果。
本文将介绍发酵工程发酵过程控制的主要内容和方法。
2. 发酵过程控制的目标发酵过程控制的主要目标是实现以下几个方面的调控：1.生物量的控制：调控微生物的生长速率和生物量，使其在适宜的培养基和环境条件下获得最佳生长，提高产酶或产物的产量；2.代谢产物的控制：调控微生物代谢过程中的关键反应步骤，实现选择性产物的生成，并提高产量；3.溶氧的控制：调控发酵过程中的溶氧浓度，提高氧传递效率，防止氧的限制性产物的堆积；4.pH的控制：调控发酵过程中的pH值，维持合适的酸碱环境，促进微生物的生长和代谢；5.温度的控制：调控发酵过程中的温度，提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢。
3. 发酵过程控制的方法发酵过程控制主要采用以下几种方法：3.1 反馈控制反馈控制是一种基于对发酵过程变量的测量和反馈，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的反馈控制方法包括：•温度控制：通过测量发酵容器内的温度，控制加热或降温设备的输出，以维持适宜的温度；•pH控制：通过测量发酵液的pH值，控制酸碱调节器的输出，以维持适宜的酸碱环境；•溶氧控制：通过测量发酵液中的溶氧浓度，控制气体供应设备的输出，以维持适宜的溶氧浓度。
3.2 前馈控制前馈控制是一种基于对发酵过程中外部输入变量的预测，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的前馈控制方法包括：•溶氧前馈控制：根据发酵微生物对溶氧需求的特性，通过对气体供应设备输出的调节，提前调整溶氧浓度，以满足微生物的需求；•pH前馈控制：根据发酵产物对酸碱环境的敏感性，通过对酸碱调节器输出的调节，提前调整pH值，以维持合适的酸碱环境。
发酵工艺知识
多，氨基酸释放； ②生理碱性物质过多； ③中间补料时氨水或尿素等碱性物质的
加入量过多。
2．pH值对菌体生长和产物形成 的影响
培养液的pH值是微生物庞杂的代谢过程 的综合反映。反之，环境的pH值也能影 响微生物的代谢和形态
pH值能影响酶促反应和代谢途径的变化 微生物发育阶段，最适pH值并不一致，
6.控制pH值的应急措施
(1)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；
(2)改变温度，以控制微生物代谢速度； (3)改变罐压及通气量，改变溶解CO2浓
度；
(4)改变加油或加糖量等，调节有机酸的 积累量．
7.实例分析
霉酚酸 1.一级种子罐 碱性调节，培养基调节：灭菌前用液碱
（三）、基质浓度对发酵过程的 影响及其控制
1、碳源的种类和浓度的影响和控制
碳源，按利用快慢而言，有迅速利用的碳源和缓 慢利用的碳源
迅速利用的碳源，能迅速地参与代谢、合成菌体 和产生能量，并产生分解产物（如丙酮酸等）， 有利于菌体生长。但有的分解代谢产物对产物的 合成可能产生阻遏作用。
菌浓和菌龄
二、发酵过程中几个重要参数的 影响及其控制
（一）温度对发酵过程的影响及其控制
1．影响发酵温度的因索 (1)生物热(Q生物):微生物分解蛋白质、糖、脂
肪等生物氧化过程产生大量的能量，一部分转 变为热能散发出来，称为生物能。不同微生物 产热程度不同，比如辅酶Q10产生的生物热比 霉酚酸的要多。
按使用水系统分为冷冻水、热水和高温 水（自来水）
冷冻水：适用放热相对较大的种子罐和 发酵罐。
热水：适用于放热相对较小的种子罐。罐。
4．最适温度的选择
所谓最适温度是指在该温度下最适宜于 菌体生长或产物的合成。对不同的菌种 和不同的培养条件以及不同的酶反应和 不同的生长阶段，最适温度应有所不同
加入量过多。
2．pH值对菌体生长和产物形成 的影响
培养液的pH值是微生物庞杂的代谢过程 的综合反映。反之，环境的pH值也能影 响微生物的代谢和形态
pH值能影响酶促反应和代谢途径的变化 微生物发育阶段，最适pH值并不一致，
6.控制pH值的应急措施
(1)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；
(2)改变温度，以控制微生物代谢速度； (3)改变罐压及通气量，改变溶解CO2浓
度；
(4)改变加油或加糖量等，调节有机酸的 积累量．
7.实例分析
霉酚酸 1.一级种子罐 碱性调节，培养基调节：灭菌前用液碱
（三）、基质浓度对发酵过程的 影响及其控制
1、碳源的种类和浓度的影响和控制
碳源，按利用快慢而言，有迅速利用的碳源和缓 慢利用的碳源
迅速利用的碳源，能迅速地参与代谢、合成菌体 和产生能量，并产生分解产物（如丙酮酸等）， 有利于菌体生长。但有的分解代谢产物对产物的 合成可能产生阻遏作用。
菌浓和菌龄
二、发酵过程中几个重要参数的 影响及其控制
（一）温度对发酵过程的影响及其控制
1．影响发酵温度的因索 (1)生物热(Q生物):微生物分解蛋白质、糖、脂
肪等生物氧化过程产生大量的能量，一部分转 变为热能散发出来，称为生物能。不同微生物 产热程度不同，比如辅酶Q10产生的生物热比 霉酚酸的要多。
按使用水系统分为冷冻水、热水和高温 水（自来水）
冷冻水：适用放热相对较大的种子罐和 发酵罐。
热水：适用于放热相对较小的种子罐。罐。
4．最适温度的选择
所谓最适温度是指在该温度下最适宜于 菌体生长或产物的合成。对不同的菌种 和不同的培养条件以及不同的酶反应和 不同的生长阶段，最适温度应有所不同
发酵过程的控制
温度提高，合成四环素的比例也提高，温度到达 35 ℃
时，金霉素的合成几乎停顿，只产生四环素。
4、温度还影响基质溶解度
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。
五、最适温度的控制
1、根据菌种及生长阶段来选择 微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求
在发酵30h，一次性参加0.1%、0.2％、0.3％、0.4％的次黄嘌呤 对鸟苷产量的影响
第五节 菌体浓度与基质对发酵的影响
一、菌体浓度对发酵的影响 菌体浓度与菌体生长速率直接相关 菌体浓度的大小影响产物的得率 控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓
度
二、基质对发酵的影响及控制
1、碳源对发酵的影响及控制
容易实现自动控制 1、化学消泡机理 消泡剂外表张力低，使气泡膜局部的外表张力降低，
使得平衡受到破坏
2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类 〔1〕选用依据： ①外表活性剂 ②对气-液界面的散布系数必须足够大 ③无毒害性，且不影响发酵菌体； ④不干扰各种测量仪表的使用； ⑤在水中的溶解度较小 ⑥来源方便，本钱低
二、发酵热的测量及计算
发酵热的测定可采用以下几种方法：
①利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷 却水进出口温度，根据
Q发酵 = qvC〔t2 – t1〕/V；
qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg ℃；V为发酵液体积，m3
②利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度 随时间上升的速率，根据
异亮氨酸发酵
不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇 瓶发酵的影响，结果如下图。 “1〞表示只加CaC03 控制pH值，“2〞表示只加尿素控制，“3〞表示 CaC03和尿素联合控制pH值。
7发酵过程控制
பைடு நூலகம்
二
微生物培养过程的参数检测
参数在线检测
在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头） 放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控 制提供依据。
由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高， 因此对传感器有特殊要求： 插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 （材料、数据）
传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染 菌（密封性好）
发酵过程的中间分析
发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过 程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉 眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数 来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛。 这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中 菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳， 粘度，菌浓度等
实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的， 因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量
正交条件A 冲击温度（0C） 40，45，50
B 开始时机（h）
8，16，30
C 冲击时间（分） 15，30，60
A 温度；B 开始时机；C 冲击时间
• 结果发酵16小时，45℃ 冲击30分钟最佳， 发酵96小时后甘油浓度提高32.6％
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
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分
析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、 均匀设计、响应面设计。 优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经过 数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确， 大大提高了实验效率。 但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的 最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中 存在较大的误差就会得出错误的结果。
二
微生物培养过程的参数检测
参数在线检测
在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头） 放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控 制提供依据。
由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高， 因此对传感器有特殊要求： 插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 （材料、数据）
传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染 菌（密封性好）
发酵过程的中间分析
发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过 程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉 眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数 来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛。 这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中 菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳， 粘度，菌浓度等
实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的， 因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量
正交条件A 冲击温度（0C） 40，45，50
B 开始时机（h）
8，16，30
C 冲击时间（分） 15，30，60
A 温度；B 开始时机；C 冲击时间
• 结果发酵16小时，45℃ 冲击30分钟最佳， 发酵96小时后甘油浓度提高32.6％
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
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分
析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、 均匀设计、响应面设计。 优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经过 数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确， 大大提高了实验效率。 但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的 最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中 存在较大的误差就会得出错误的结果。
发酵工艺控制 温度控制
生物热：生产菌在生长繁殖过程中产生的热叫生物热。 营养基质被菌体分解产生大量的热能，部分用于合成高能化合物ATP，供给合成代 谢所需要的能量，多余的热量则以热能的形式释放出来，形成生物热。 搅拌热：搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之间的摩擦所产生的热能。
Q搅拌 ∝ P 蒸发热 ：空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，进行热交换，必然引起水分的
那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。 总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段
及培养条件综合考虑。要通过反复实践来 定出最适温度。
三、温度的控制
2、 温度的控制方法 发酵热在整个发酵过程中是随时间变化的。 所以，为使发酵在一定温度下进行，必须采取措施——在夹
套或蛇管内通入冷水加以控制（小型的发酵罐，在冬季和发 酵初期，散热量大于产热量则需用热水保温。）
一、温度对发酵的影响
3、影响发酵液的理化性质 发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基
质的分解吸收速率等。
二、影响温度变化的因素
发酵热：指的是发酵过程中释放出来的净热量，以J/(m3•h)为单位表示。是发
酵温度变化的主要因素 Q发酵 Q生物 Q搅拌 Q蒸发 Q显 Q辐射
蒸发，被空气和蒸发水分带走的热量。 辐射热：由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向
大气辐射的热量。 显热：废气因温度差异所带走的热量。
三、温度的控制
根据菌种及 生长阶段选择
温度选择还要根据培养条件综合考虑， 灵活选择。
通气条件差时可适当降低温度，使菌 呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。
培养基稀薄时，温度也该低些。因为 温度高营养利用快，会使菌过早自溶。
根据菌 生长情况
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37℃； 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为
Q搅拌 ∝ P 蒸发热 ：空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，进行热交换，必然引起水分的
那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。 总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段
及培养条件综合考虑。要通过反复实践来 定出最适温度。
三、温度的控制
2、 温度的控制方法 发酵热在整个发酵过程中是随时间变化的。 所以，为使发酵在一定温度下进行，必须采取措施——在夹
套或蛇管内通入冷水加以控制（小型的发酵罐，在冬季和发 酵初期，散热量大于产热量则需用热水保温。）
一、温度对发酵的影响
3、影响发酵液的理化性质 发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基
质的分解吸收速率等。
二、影响温度变化的因素
发酵热：指的是发酵过程中释放出来的净热量，以J/(m3•h)为单位表示。是发
酵温度变化的主要因素 Q发酵 Q生物 Q搅拌 Q蒸发 Q显 Q辐射
蒸发，被空气和蒸发水分带走的热量。 辐射热：由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向
大气辐射的热量。 显热：废气因温度差异所带走的热量。
三、温度的控制
根据菌种及 生长阶段选择
温度选择还要根据培养条件综合考虑， 灵活选择。
通气条件差时可适当降低温度，使菌 呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。
培养基稀薄时，温度也该低些。因为 温度高营养利用快，会使菌过早自溶。
根据菌 生长情况
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37℃； 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为
简明微生物工程_7.1发酵工艺控制-温度、pH
（3）、生物参数
a．菌丝形态
丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢 变化的反映。一般都以菌丝形态作为衡量种子质 量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和 决定发酵周期的依据之一。
b．菌体浓度
菌体浓度的大小和变化速度对菌体的生化反应 都有影响。在生产上，常常根据菌体浓度来决定 适合的补料量和供氧量，以保证生产达到预期的 水平。
影响发酵温度的因素：发酵热（续）
②、搅拌热(Q搅拌)
• 主要来源：液体之间、液体与搅拌器等设备之间 的摩擦产生。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下 式计 Q搅拌＝P/V*3600 拌功率，(kW/m3)； (kJ／h)
• 式中：P/V——通气条件下，单位体积发酵液搅 3600——机械能转变为热能的热功当量，
②通过罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再 关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率，按下
式求出发酵热：
Q发酵 = (m1cl +m2c2)*S
其中： m1 ——发酵液的质量，kg; cl ——发酵液的比热，kJ/(kg*º C)； m2 ——发酵罐的质量，kg； c2 ——发酵液的比热, kJ/(kg*º C) ； S —— 温度上升速率, º C/h。
代谢参数按性质可分为三类： （1）:物理参数 温度（℃） 压力（Pa） 搅拌转速(r/min) 搅拌功率（kW） 空气流量（V/(V· min)） 粘度（Pa· s 或kg.s/m2） 浊度（％） 料液流量（L／min）.
（2）、化学参数
1．pH（酸碱度） 2．基质浓度（g或mg％） 3．溶解氧浓度（ppm或饱和度，％） 4．氧化还原电位（mV） 5．产物的浓度（μg（u）／ml） 6. 废气中的氧浓度（Pa） 7. 废气中的CO2浓度（％） 细胞生物活性的其它化学参数：如NAD－ NADH体系、ATP－ADP－AMP体系、 DNA、RNA、生物合成的关键酶等
发酵过程控制课件
最佳状态，从而最终实现目标值，达到最大的比产物生成速率。要实现最 佳工艺必须对诸如温度、pH、溶解氧浓度、泡沫等进行控制。
发酵工艺控制最优化
明确控制目标
明确影响因素
确定实现目标值的方法
确定最佳工艺
发酵过程控制课件
实施最佳工艺
第一节 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0～26oC生 长，嗜温菌适应于15～43oC生长，嗜热菌适应于 37～65oC生长，嗜高温菌适应于65oC以上生长
生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧：产生287.2千焦耳热量，
发酵过程控制课件
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。
发酵过程控制课件
2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结 构完整性和催化功能：(1)通过自然或诱导突变， 将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行 对比；(2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白 结构
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和X一射线衍射分析表 明，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加 强，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底 物诱导产生催化作用
4 .6 log K r 2
E
K r1
11
T1 T2
K与温度有关
发酵工艺控制最优化
明确控制目标
明确影响因素
确定实现目标值的方法
确定最佳工艺
发酵过程控制课件
实施最佳工艺
第一节 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0～26oC生 长，嗜温菌适应于15～43oC生长，嗜热菌适应于 37～65oC生长，嗜高温菌适应于65oC以上生长
生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧：产生287.2千焦耳热量，
发酵过程控制课件
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。
发酵过程控制课件
2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结 构完整性和催化功能：(1)通过自然或诱导突变， 将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行 对比；(2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白 结构
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和X一射线衍射分析表 明，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加 强，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底 物诱导产生催化作用
4 .6 log K r 2
E
K r1
11
T1 T2
K与温度有关
发酵工艺的过程控制
发酵工艺的过程控制引言发酵工艺是一种将有机物质通过微生物的作用转化为需要的产物的过程。
在发酵过程中，微生物通过吸收养分、产生代谢产物和释放能量，完成了物质的转化。
为了保证发酵过程的高效和稳定，控制发酵过程至关重要。
本文将介绍发酵工艺的过程控制，包括控制参数和控制策略。
1. 发酵过程的控制参数发酵过程的控制参数是指影响发酵过程的参数，包括温度、pH值、溶氧量、搅拌速度、发酵菌种等等。
这些控制参数对于发酵过程的高效和稳定起到了重要的作用。
1.温度：发酵过程中适宜的温度可以促进微生物的生长和代谢活动。
不同的发酵过程需要不同的温度，一般在微生物的最适生长温度附近，通常在25-42摄氏度之间。
2.pH值：发酵过程中的pH值对微生物的生长和代谢活动有重要影响。
不同的微生物对于pH值的需求不同，一般在微生物最适生长pH值的附近维持。
3.溶氧量：溶氧量是指发酵液中的氧气饱和度。
微生物在发酵过程中需要氧气进行呼吸和代谢活动。
合适的溶氧量可以提高发酵效率和产物质量。
4.搅拌速度：搅拌速度对于发酵液中的微生物的分散性和氧气气液传递有着重要影响。
适当的搅拌速度可以保证发酵液中的微生物充分接触营养物质和氧气。
5.发酵菌种：选择适宜的发酵菌种对于发酵过程的控制至关重要。
合适的发酵菌种应具备高发酵活力、产物合成能力和抗污染能力。
2. 发酵过程的控制策略为了实现对发酵过程的有效控制，需要采取相应的控制策略。
以下是几种常见的发酵过程控制策略。
1.反馈控制：反馈控制是根据实时的监测数据对发酵过程进行调节。
通过监测发酵过程中的温度、pH值、溶氧量等参数，将实际参数与设定值进行比较，根据误差进行反馈调整，以维持发酵过程的稳定性。
2.前馈控制：前馈控制是根据预期的发酵过程需求提前对控制参数进行调整。
通过事先设定好的控制策略，根据发酵过程中的状态进行预测和计算，提前对控制参数进行调整，以达到预期的控制效果。
3.比例积分控制：比例积分控制是通过调整控制器的比例参数和积分参数来改变控制器的工作方式。
第七章菌体浓度对发酵的影响及控制3-PPT精选文档
• 此法只能作为细胞浓度的粗略估计。
• 工业发酵过程中菌体浓度的测定方法常用 的有浊度法、干重法、离心称湿法或测体
积法等。
• 浊度法：用于澄清发酵液中非丝状菌的菌 浓的测定。通常取发酵液在420～600nm 波长范围内测定光密度（OD值）。 吸光度要求控制在0.3-0.5范围内，此时吸 光值与细胞浓度呈线性关系，故对于较浓
发酵液需稀释在此范围内测量。
菌体对发酵的影响主要表现：
1.菌浓度对产物的率的影响
（1）在适当的比生长速率下，发酵产物的
产率与菌浓成正比关系
发酵产物的产率Rp = Qp ∙ X
其中Qp为菌体的比生产速率，X为菌
体浓度
（2）菌浓过高，对发酵产生多种不利影响 OUR：培养液的摄氧率，r； OTR：氧的传递速率，N；
可能改变菌体的代谢途径，特别是对培
养液中溶解氧的影响较明显。摄氧率OUR
按比例增加，氧传递速率OTR成对数减少
（3）为获得最高的生产率，需要采用摄氧
速率与传氧速率相平衡的菌体浓度，最好
维持在临界菌体浓度
临界菌体浓度?
在抗生素生产中，如何确定并维持临界
菌体浓度是提高抗生素生产能力的关键。 临界菌体浓度是由菌体的遗传特性和 发酵罐的传氧特性共同影响的结果。
临界菌体浓度
定义：摄氧速率随菌体浓度变化的曲线
和供氧速率随菌体浓度变化的曲线的
交点所对应的菌体浓度。
• 临界菌体浓度是菌体的遗传特性和发酵罐 的传氧特性的综合反映。 • 当发酵罐的通气和搅拌强度大、传氧速率 高时、供氧速率的曲线将向上扬，当菌种 需氧量小、耗氧速率相应降低时，摄氧速 率曲线的斜率将下降。这两种情况都将使
避免产生过浓（或过稀）的菌体量。
第七章 发酵过程控制
一、初级代谢的变化 二、次级代谢的变化 三、发酵过程的主要控制参数
初级代谢变化的根本原因在于菌体的代谢活 动引起环境的变化，而环境的变化又反过来影 响菌体的代谢。 在初级代谢中，菌体生长仍显示适应期、对 数生长期、静止期和衰亡期的特征。 由于菌体的生理状态与培养条件不同，各个 时期时间长短也不尽相同，且与接种微生物的 生理状态有关。
生物热的大小随培养时间的不同而不同。 实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产 量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈 代谢十分旺盛。
生物热的大小与菌体的呼吸强度有对应关系，呼 吸强度越大，所产生的生物热也越大。
在四环素发酵中，还发现 生物热和菌的呼吸强度的 变化有对应关系，特别是 在80小时以前。从此实验 中还可看到，当产生的生 物热达到高峰时，糖的利 用速度也最大。另外也有 人提出，可从菌体的耗氧 率来衡量生物热的大小。
• 蒸发热的计算： Q蒸发=G（I2-I1） G：空气流量，按干重计算，kg/h I1 、I2 ：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg （干空气）
• 辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐 体向外辐射的热量。
• 辐射热可通过罐内外的温差求得，一 般不超过发酵热的5%。
发酵热的测定
（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和 冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内 的发酵热。
影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶 的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；
H+或OH-在细胞内改变了胞内原有的中性状 态，影响到酶蛋白的解离度和电荷情况，从而 改变酶的结构和功能。
•
影响微生物原生质膜所带电荷的状态。改变 细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸 收和代谢产物的排泄。
第七章发酵工艺控制
如：许多抗生素和色素的发酵
第二节
一、物理参数
工业发酵过程的主要 控制参数
1、温度 与温度有关的因素： 氧在培养液中的溶解度和传递速率 菌体生长速率和产物合成速率 测量工具：铂电阻或热敏电阻
• 2、压力（Pa）
与压力高低有关的因素： 罐压高低与氧和CO2在培养液中的溶解度有关 罐压一般范围： 0.2×105～0.5×105 Pa 测量工具： 隔膜法压力表或压敏电阻压力表
1、分批发酵
概念：
分批发酵：指将微生物和营养物一次性加入发酵 罐中，经过培养生长，最后一次收获的培养方式， 中间除了空气进入和尾气排出，没有物料交换。 在分批发酵中，培养基是一次性加入，不再 补充，随着微生物的生长繁殖活跃，营养物质逐 渐消耗，有害代谢产物不断积累，因此其生长速 度将随时间发生有规律性的变化。
2.补料分批培养的优缺点 优点：与分批培养相比
① 解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。 ② 可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成 细胞大量生长所引起的一切影响；
③ 可用作为控制细胞质量的手段，以提高发芽 孢子的比例； ④ 可作为理论研究的手段，为自动控制和最优 控制提供实验基础。
与连续培养相比优点
④ 衰亡期
细胞死亡率增加，明显超过新生率，进入 衰亡期。多数发酵在到达衰亡期前就结束。 特点：活的细胞数目以对数速率急剧下降、 细胞裂解或自溶。衰亡期比其它期相对较 长。
分批发酵优缺点：
•
① ② ③ ④
优点：
操作简单 周期短 染菌机会少 产品质量易于控制
•
缺点：
① 生产能力不是很高 ② 非生产周期较长，使得发酵成本高
三、生物参数
1、菌体形态 菌体形态是衡量种子质量、区分发酵阶段、控 制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之 一。 用显微镜观察菌体形态 2、菌体浓度 概念：菌体浓度是指单位体积培养液中菌体的 含量。 根据菌体浓度的大小决定适合的补料量和供氧 量，同时可判断目的产物的产量是否达到最大量。
7 发酵过程控制
4. 温度对产物合成的影响
影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生 长代谢与产物生成。 e.g. 青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol
青霉素合成活化能E2=112kJ/mol
∴青霉素合成速率Байду номын сангаас温度较敏感
4. 温度对产物合成的影响
改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。 影响生物合成方向。
dC L 0，OTR>γ dt
当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平衡通常发生
在正常情况的前、后期。
平衡点分析：
dC L 0，OTR<γ dt
②当CL↓（如对数生长期γ 很大），
∵ OTR KLa C CL ， CL , C CL , OTR
dC L ∴OT R γ ， 0 ，称低位平衡。 dt
e.g. 丙酮丁醇菌：生长 pH为5.5～7.0；合成pH为4.3～5.3
（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
2. 温度对微生物生长的影响
dx x x dt
1 dx x dt
当μ>>α时，α可忽略，微生物处于生长状态。μ、α皆与T有 关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：
A1e
E RT
A 2e E
RT
∵Eμ＜Eα
∴死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感
发酵条件及过程控制资料
发酵条件及过程控制资料发酵是一种利用微生物代谢产生的酶来生产有机物的过程。
在发酵过程中，控制发酵条件和过程非常重要，这将直接影响到发酵产物的质量和产量。
以下是有关发酵条件及过程控制的资料。
一、发酵条件控制1.温度控制：不同的微生物对温度的需求有所不同，一般来说，适宜的温度可以提高发酵效率和发酵产物的质量。
常见的发酵温度范围为25-40摄氏度，需要根据具体的微生物进行调整。
2.pH值控制：微生物对pH值有不同的要求，有些微生物喜酸性环境，而有些则喜碱性环境。
根据不同的微生物和发酵产物的要求，调整发酵液的pH值，以保持适宜的生长和代谢环境。
3.氧气供应控制：有些微生物需要氧气来进行代谢活动，而有些则是厌氧微生物。
因此，在发酵过程中，需要根据微生物的特性来确定适宜的氧气供应方式，如空气曝气或搅拌曝气。
4.发酵液中的营养成分控制：发酵过程中，微生物需要适当的营养物质来进行生长和繁殖。
这些营养物质包括碳源、氮源、矿物盐等。
通过合理地调配和控制发酵液中的营养成分，可以提高微生物的生长速率和代谢效率。
二、发酵过程控制1.发酵菌种的筛选和培养：选择适合的发酵微生物菌种是保证发酵过程成功的关键。
有些菌种具有良好的发酵能力和产物选择性，而有些菌种则具有高生长速率和较高的产物产量。
通过对不同微生物菌种的筛选和培养，可以为发酵过程提供优质的起始菌群。
2.发酵容器和设备的选择：发酵容器的选择直接关系到发酵过程的高效性和安全性。
常见的发酵容器包括发酵罐、发酵塔、摇瓶等。
根据微生物的特性和发酵产物的需求，选择合适的发酵容器和设备，以提供良好的发酵环境和条件。
3.发酵条件的监测和控制：发酵过程中，需要对相关的物理化学参数进行监测和控制，以保持适宜的发酵条件。
常见的监测参数包括温度、pH 值、溶氧量、溶液浓度等。
通过合理地监测和控制这些参数，可以及时发现发酵过程中的异常情况，并及时采取措施进行调整和修正。
4.发酵产物的提取和纯化：发酵结束后，需要对发酵液中的产物进行提取和纯化。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和控制
3.2 基质浓度
①C源，青霉素生产中葡萄糖和 乳糖利用。因此工业上培养基中 含有迅速和缓慢利用的混合C源。 如为聚合物，利用缓慢。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
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。
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。
☆
第七章发酵过程中工艺参数的检测和
控制
❖ 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
第一节 工业发酵的主要类型
（三） 补料分批发酵法(fed-batch fermentation)
补料分批发酵又称半连续发酵，是 指在分批发酵过程中，间歇或连续地补 加新鲜培养基的培养方法。与传统分批 发酵相比，其优点在于使发酵系统中维 持很低的基质浓度。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
☆
第一节 工业发酵的主要类型
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
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
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。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
第一节 工业发酵的主要类型
发酵过程控制
3〕菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。
引起发酵液pH值变化的常见因素 (1)下降 ①培养基中C/N不当，有机酸积累； ②消沫油加得过多； ③生理酸性物质过多； (2)上升 ①C/N比例不当，N过多，氨基氮释放； ②生理碱性物质过多； ③中间补料时碱性物参加量过大；
➢ 发酵液的pH值变化是菌体代谢反响的综合结果。
②利用温度变化率S〔℃/h〕：先使罐温恒定， 再关闭自控装置，测量S，根据
③热力学方法：
根据盖斯定律：“在恒压和横容条件下，一个反响 不管是一步完成或几步完成，其反响热是一样的〞。这 实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓〔H〕是 状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始 态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计 算。
2 影响pH值变化的因素
在发酵过程中，pH值的变化决定于所用的菌 种、培养基的成分和培养条件。在产生菌的代 谢过程中，菌体本身具有一定的调整周围环境 pH值，构建最适pH值的能力。
1〕基质代谢
〔1〕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。
发酵过程的主要控制参数
⑴ pH值： 显示发酵过程中各种生化反响的综合 结果。
⑵ 温度：不同的菌种，不同产品，发酵不同阶 段所维持的温度亦不同。
⑶ 溶氧浓度〔DO值，简称溶氧〕：一般用绝对 含量(mg／L)来表示，有时也用在一样条件下 氧在培养液中饱和度的百分数(％)来表示。
⑷ 基质含量：定时测定糖(复原糖和总糖)、氮 (氨基氮或铵氮)等基质的浓度。
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。
2〕根据培养条件选择
➢温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 ➢通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低 些，溶氧浓度也可髙些。 ➢培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利 用快，会使菌过早自溶。
引起发酵液pH值变化的常见因素 (1)下降 ①培养基中C/N不当，有机酸积累； ②消沫油加得过多； ③生理酸性物质过多； (2)上升 ①C/N比例不当，N过多，氨基氮释放； ②生理碱性物质过多； ③中间补料时碱性物参加量过大；
➢ 发酵液的pH值变化是菌体代谢反响的综合结果。
②利用温度变化率S〔℃/h〕：先使罐温恒定， 再关闭自控装置，测量S，根据
③热力学方法：
根据盖斯定律：“在恒压和横容条件下，一个反响 不管是一步完成或几步完成，其反响热是一样的〞。这 实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓〔H〕是 状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始 态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计 算。
2 影响pH值变化的因素
在发酵过程中，pH值的变化决定于所用的菌 种、培养基的成分和培养条件。在产生菌的代 谢过程中，菌体本身具有一定的调整周围环境 pH值，构建最适pH值的能力。
1〕基质代谢
〔1〕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。
发酵过程的主要控制参数
⑴ pH值： 显示发酵过程中各种生化反响的综合 结果。
⑵ 温度：不同的菌种，不同产品，发酵不同阶 段所维持的温度亦不同。
⑶ 溶氧浓度〔DO值，简称溶氧〕：一般用绝对 含量(mg／L)来表示，有时也用在一样条件下 氧在培养液中饱和度的百分数(％)来表示。
⑷ 基质含量：定时测定糖(复原糖和总糖)、氮 (氨基氮或铵氮)等基质的浓度。
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。
2〕根据培养条件选择
➢温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 ➢通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低 些，溶氧浓度也可髙些。 ➢培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利 用快，会使菌过早自溶。
精选发酵工程07第七章发酵生产的设备
一、发酵罐
发酵罐的定义：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。
发酵罐系统
一个优良的发酵罐装置和组成（1）应具有严密的结构（2）良好的液体混合特性（3）好的传质相传热速率（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表
发酵罐容积
发酵罐采用圆柱形器身，底和顶为锥形盖，选取结构尺寸的比例关系如下：
由发酵罐的基本结构尺寸，可确定全罐表面积．罐体圆柱部分表面积F1和罐底罐顶表面积F2，F3分别为：
2．冷却面积和冷却装置主要结构尺寸
假定罐壁不包扎保温层，壁温最高可达35t，生产厂所在地区的夏季平均温度可查阅有关资料，现假定为32℃。
第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。
Q3=全罐总表面积× ac ×(t2-t1)
主发酵控制发酵液温度tw为30℃，按题意冷却水进出口温度分别为t1＝20℃，t2＝25℃
(4)传热总系数K值的确定选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为53/60mm，则管的横截面积为
考虑罐径较大，设罐内同心装两列蛇管，并同时进入冷却水，则水在管内流速为：
啤酒发酵容器的变迁过程
（2）开放式发酵容器向密闭式转变。小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理、泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便。随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，并为密闭式。从开放式转向密闭发酵的最大问题是发酵时被气泡带到表面的泡盖的处理。可用吸取法分离泡盖。
第七章 发酵过程的控制
• 1温度对微生物的影响 各种微生物都有自己最适的生长温度范围，在此范围 内，微生物的生长最快。同一种微生物的不同生长阶 段对温度的敏感性不同 • 2温度对微生物酶的影响 温度越高，酶反应速度越快，但酶的失活也越快，表 现出微生物细胞容易衰老，使发酵周期缩短，从而影 响发酵过程最终产物的产量。
1、发酵温度
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 三．发酵过程中CO2的控制 • CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞的 呼吸强度、通气搅拌程度、设备规模、罐 压大小、温度等。通气搅拌程度越大，体 系中CO2浓度越低。 • 工业发酵中，CO2的影响远比溶解氧的影 响要小得多，因此，一般不单独进行控制。
5、基质浓度的影响及补料控 制
压力法
覆膜氧电极 法
极普法
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 一．二氧化碳对发酵过程的影响 CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的 pH值下降，或与其他化学物质发生化学反 应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉 淀等原因，造成间接作用而影响菌体生长 和产物合成。
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 二．呼吸商与发酵的关系 • 微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干 重)在单位时间内消耗氧的量，即呼吸商或 比耗氧速率(或呼吸强度)。单位体积培养液， 在单位时间内消耗的氧量称为摄氧率。 • Q氧气 = γ/ Cc 在菌体浓度一定的情况下，摄氧率越大， 呼吸商越大，发酵就越旺盛。
主要内容
由于发酵过程的复杂性，使得发酵过程的控制较为复杂， 目前生产中较常见的参数主要包括：温度、pH值、溶解氧、 空气流量、基质浓度、泡沫、搅拌速率、罐压、效价等。
9 发酵参数和发酵终点的监测与控制 10 发酵过程的计算机控制 设备及管道清洗与消毒的控制
1、发酵温度
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 三．发酵过程中CO2的控制 • CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞的 呼吸强度、通气搅拌程度、设备规模、罐 压大小、温度等。通气搅拌程度越大，体 系中CO2浓度越低。 • 工业发酵中，CO2的影响远比溶解氧的影 响要小得多，因此，一般不单独进行控制。
5、基质浓度的影响及补料控 制
压力法
覆膜氧电极 法
极普法
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 一．二氧化碳对发酵过程的影响 CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的 pH值下降，或与其他化学物质发生化学反 应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉 淀等原因，造成间接作用而影响菌体生长 和产物合成。
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 二．呼吸商与发酵的关系 • 微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干 重)在单位时间内消耗氧的量，即呼吸商或 比耗氧速率(或呼吸强度)。单位体积培养液， 在单位时间内消耗的氧量称为摄氧率。 • Q氧气 = γ/ Cc 在菌体浓度一定的情况下，摄氧率越大， 呼吸商越大，发酵就越旺盛。
主要内容
由于发酵过程的复杂性，使得发酵过程的控制较为复杂， 目前生产中较常见的参数主要包括：温度、pH值、溶解氧、 空气流量、基质浓度、泡沫、搅拌速率、罐压、效价等。
9 发酵参数和发酵终点的监测与控制 10 发酵过程的计算机控制 设备及管道清洗与消毒的控制
微生物工程发酵第七章发酵中的参数检测及自动控制
7.1.1 物理参数
⑦浊度 能及时反映单细胞生长状况；
7.1.2 化学参数
① pH • 发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综
合结果，与菌体生长和产物合成有重要的 关系； • pH的高低与菌体生长和产物合成有着重要 的关系；
7.1.2 化学参数
② 基质浓度 • 指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的
• 不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、 尾气中的O2和CO2含量等。
• 参数测定方法有： • – 在线测定 • – 取样测定（离线测定）
7.2.1参数在线检测
• 在线检测必须用专门的传感器（也叫电极 或探头）放入发酵系统，将发酵的一些信 息传递出来，为发酵控制提供依据；
发酵用传感器及探头
发酵所用传感器的要求
• 发酵是一个较复杂的生化反应过程，大滞 后和时变性是其主要特征；
传感器 • – 不能蒸汽灭菌； • – 会和产品发生反应； • – 过分敏感；
7.3.4基本的自动控制系统(control loop)
7.3.4.1 前馈控制(feedforward control) 7.3.4.2 后（反）馈控制(feedback control ) 7.3.4.3 自适应控制(adaptive control)
动控制功能的自控系统。
7.3.2 自动化控制的优缺点
• 提高产品的得率； • 改进产品的质量； • 降低后续加工过程的损耗； • 在整个操作过程中能稳定的保持最优条件； • 提高对原料质量波动的适应性； • 减少人为因素的影响； • 提高工厂的生产效率； • 降低能耗； • 降低分析和操作成本；
7.3.3 存在的问题
化学或物理信号
电信号
放大
记录显示仪
控制器（与设定参数比较） 发出调节信号控制器动作
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温度变化及其控制
3、蒸发热Q蒸发
通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发的热 量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显 热Q显热，显热很小，一般可以忽略不计。
4、辐射热Q辐射
发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分 热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温 与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般 不超过发酵热的5％。 Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射
温度变化及其控制
1、生物热Q生物
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，
将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高
能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需 要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发 出来的热就叫生物热。
温度变化及其控制
生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧：产生287.2千焦耳热量， 183千焦耳转变为高能化合物 104.2千焦以热的形式释放
温度变化及其控制
第六节
温度变化及其控制
一、温度对生长的影响
1. 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0～200C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
温度变化及其控制
2. 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。 3. 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。
温度变化及其控制
（二）最适温度的选择
1、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。
温度变化及其控制
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； 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，可以推迟细胞衰老。 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。
厌氧：产生22.6千焦耳热量，
9.6千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的形式释放
温度变化及其控制
培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。
培养初期：菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生 热量较少。 对数生长期：菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多， 所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。 培养后期：菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进 行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。
温度变化及其控制
变温培养的正交设计
温度变化及其控制
温度变化及其控制
结论：前60h按31℃控制，缩短了对数期使发酵
提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积 累，为大量分泌抗生素提供了物质基础
60小时后将罐温降至3O℃使与抗生素合成有关的 酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时温 度下降使分泌期的延长有利于进一步积累抗生素 发酵进入后期罐温再回升至31℃ 使生产菌在发酵 的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。
培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期
温度可髙些，以利于菌的生长。
总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ培养条件
综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。
温度变化及其控制
三、发酵过程引起温度变化的因素 （一）发酵热Q发酵
发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。
发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。包括在 发酵过程中产生菌分解基质产生热量（生物热）， 机械搅拌产生热量（搅拌热），而罐壁散热、水 分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量 和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵 热引起发酵液的温度上升。
温度变化及其控制
4. 微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即 超过最高温度，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。
温度变化及其控制
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
温度变化及其控制
（二）发酵热的测定
有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进 出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过 测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每 小时冷却水流量来计算发酵热。 Q发酵＝GCm(T出－T进) Cm——水的比热 G——冷却水流量 另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发 酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温 自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵 热。
温度变化及其控制
温度变化及其控制
小
微生物生长温度
结
微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相 一致
温度变化及其控制
温度对发酵的影响：
温度影响反应速率 温度影响发酵方向
选最 适 温 度 择的
根据菌种
生长阶段选择 根据培养条件选择 菌种的生长情况
温度变化及其控制
最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。
温度变化及其控制
例：林可霉素发酵的变温培养 主要问题：
接种后10h左右已进入对数生长期，在40h左右 对数生长期基本完成，在50h左右转入生产期 如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？ 适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相 当数量的有强生产能力的菌丝体存在
胞处于最佳生长状态
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。
温度变化及其控制
液晶状态：指某些有机物在发生固相到液相转变时的 过渡状态。 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，具有不同最适生长温度的微 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。
如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正 常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基 营养越丰富，生物热也越大。
温度变化及其控制
2、搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵
液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设
备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴 功率有关，可用下式计算： Q搅拌＝Pg×860×4186.8（焦耳/小时） Pg——搅拌轴功率 4186.8——机械能转变为热能的热功当量
温度变化及其控制
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28 ℃ ，合成期26 ℃后期再升温；黑曲霉生长37℃， 产糖化酶32～34 ℃ 。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30～32 ℃ ，产酸34～37 ℃ 。
温度变化及其控制
四、利用温度控制提高产量
例1 利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量 背景： （1）酵母在比常规发酵温度髙10～200C的温度下 经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。 （2）Lewis发现热冲击能提高细胞对渗透压的耐受 力 （3）Toshiro发现热冲击可使胞内3-磷酸甘油脱氢 酶的活力提高15～25％，并导致甘油产量提高
温度变化及其控制
2、根据培养条件选择
温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低 些，溶氧浓度也可髙些。 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利 用快，会使菌过早自溶。
温度变化及其控制
3、根据菌生长情况
菌体生长速度快，维持在较高温度时间要短些； 菌体生长速度慢，维持较高温度时间可长些；
发酵过程引起温度变化的因素 发酵热是引起发酵过程温度变化的原因 Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射 生物热的定义，产生的原因：基质代谢。它 与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有 关 搅拌热与搅拌功率有关
温度变化及其控制
2、与蛋白质结构密切相关
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和X-射线衍射分析表 明，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加 强，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易结合 底物底物进行催化作用。
温度变化及其控制
3、与蛋白质合成能力有关
嗜冷菌具有在0℃合成蛋白质的能力。这是由于 其核糖体、酶类以及细胞中的可溶性因子等对 低温的适应，蛋白质翻译的错误率最低。
温度变化及其控制
二、温度的影响与控制
（一）温度对发酵的影响 1、温度影响微生物各种酶催化反应速率 发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有 一个最适温度。 阿累尼乌斯： d(lnK/dt)=△E/RT2 在生物学范围内温度每升高10℃，生长速度通常 就加快一倍；温度每升高10℃酶反应速度增加2～3倍；
许多中温菌不能在O0C合成蛋白质，一方面是由
于其核糖体对低温的不适应，翻译过程中不能 形成有效的起始复合物，另一方面是由于低温 下细胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄露。
温度变化及其控制
4、合成冷休克蛋白
低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白
将大肠杆菌从370C突然转移到100C条件时细胞中会 诱导合成一组冷休克蛋白，它们对低温的生理适应 过程中发挥着重要作用，检测嗜冷酵母的冷休克反 应，发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内大量产 生。 耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必须忍 受温度的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋白是 密切相关的。