微生物工程第5章发酵过程及控制
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第五章 发酵过程及控制
发酵是一个复杂的生物化学过程影响因素很 多：菌种、培养基、温度、pH、溶氧、污染等。
第五章 发酵过程及控制
一、种子制备工艺及质量控制 二、发酵过程中的代谢变化及规律 三、基质浓度变化及控制 四、温度对发酵的影响及控制 五、溶解氧对发酵的影响及控制 六、pH对发酵的影响及控制 七、CO2对发酵的影响 八、泡沫的形成及控制 九、染菌分析及控制
一、种子制备工艺及质量控制
菌种是发酵的关键，从一个保存的菌 种，到生产上使用的种子，如果按几 十～几百吨的发酵规模，10％的种子量 （接种量）计，需要几吨～几十吨的种 子。
（一）、作为种子的要求： 1、细胞的生活力强，移种至发酵罐后能迅速生长 2、菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求 3、无杂菌污染 4、生理形状稳定、保持稳定的生产能力
需氧方面 控制最适的菌体浓度
供氧方面： 1、改变气体成份 2、提高搅拌速度 3、增加挡板 4、增加通气量 5、提高罐压
几个概念：
呼吸强度：指一克干菌体，在一小时内所需氧的 毫摩尔数
摄氧量：指一升发酵液，在一小时内所需氧的毫 摩尔数
通气量：指一分钟内，通过发酵液的空气体积比 发酵液的体积
六、pH对发酵的影响及控制
二、发酵过程中的代谢变化及规律
与代谢有关的参数： 1、物理参数 ⑴、温度 ⑵、罐压 ⑶、搅拌速度 ⑷、空气流量 ⑸、表观粘度 ⑹、发酵液重量
与代谢有关的参数： 2、化学参数 ⑴、基质浓度 ⑵、pH ⑶、产物浓度 ⑷、DNA量 ⑸、关键酶 ⑹、溶解氧 ⑺、排气中的氧含量 ⑻、排气中的CO2含量
与代谢有关的参数： 3、生物参数 ⑴、菌丝形态 ⑵、菌丝干重或湿重 ⑶、菌体比生长速率 ⑷、氧的比消耗速率 ⑸、糖的比消耗速率 ⑹、氮的比消耗速率 ⑺、产物的比生产速率
（二）、种子制备的工艺流程及对发酵的影响 1、工艺流程
2、接种时间（种龄）和接种量 接种时间：对数生长期，菌体量还未达最高峰。
接种量：决定于生产菌种在发酵罐中的繁殖速度。
谷氨酸棒状杆菌：1％
大多数抗生素发酵：5～10%
个别的发酵：20～25％
接种量过小，除延长发酵周期外，往往还引起其 它不正常情况。
2、菌体生长的最适温度与产物形成的最适 温度往往不一致。
3、菌种在不同的生长期对温度的敏感性不 同。
4、温度归根结底是影响酶的活力。
谷氨酸菌种的最适生长温度和产物形成的最适温度
菌种 温度（℃）
1299 617 1542 T-613
最适生长温度 最适产物形成温度
30-32 32-34 30-34 32-36 34 34-36 34-36 36-38
（二）、氮源浓度变化及控制
氮源物质主要用于菌体中蛋白质、核酸等含 氮物质的合成，有些发酵产物中含有氮。
发酵前期，氮源物质随菌体浓度的急剧增加 而迅速减少，发酵中期，氮源（氨基氮）的下降 速度比较缓慢，发酵后期，由于菌体自溶，氨基 氮会回升。
氮源物质往往抑制次级产物的合成。
快速利用的氮源物质：如氨水、铵盐促进 菌体生长。
（一）、pH值对发酵的影响： 1、pH影响酶的活性 2、pH影响微生物细胞膜的带电状况，从而影响
微生物对养料的吸收和对代谢产物的分泌 3、pH影响培养基中某些营养物质的可给性 4、pH可能改变培养基的氧化还原电位 5、pH会影响某些微生物的形态
缓慢利用的氮源物质：有利于延长产物的合 成期。
一般情况下，发酵培养基中同时含快速利用 的氮源和缓慢利用的氮源物质。
如果氮源物质投料多，会造成菌体生长快， 但菌体衰老也快。
解决方法：“中间补料”。
四、温度对发酵的影响及控制
（一）、温度对微生物和发酵的影响
1、不同的菌、不同的发酵对温度的要求不 一样。
到发酵的中后期，发酵液中的残糖基本耗尽， 影响百度文库物的合成。
如果采用丰富碳源的培养基，又会产生其它的问题; 如培养基浓度过高，影响通气搅拌，过高的碳源浓度也抑制菌体的 生长。
解决的方法是采取“中间补料” 补糖的方法：
连续滴加补糖 小量多次间歇补糖 大量少次补糖
“中间补料”可以延长产物的产生时 间，推迟菌体的自溶时间，增加了发酵液 的体积，而使发酵单位大幅度上升。
30
0.009
32
0.02
（一）影响需氧和供氧的因素
影响微生物需氧量的因素 1、菌种 2、菌体浓度 3、菌龄 4、培养基
影响供氧量的因素 1、搅拌 2、通气量 3、空气分布管的结构 4、发酵罐的液柱高度/直径比 5、培养液的物理性质 6、泡沫
（二）溶解氧的控制
溶解氧的控制： 应满足需氧≤供氧
三、基质浓度变化及控制
（一）、碳源浓度变化及控制
碳源物质是发酵过程中菌体生长和产物合成 的能量和碳素的来源。
在发酵的前期，碳源物质主要用于生长，消 耗较快，在发酵后期，碳源物质主要用于产物合 成，消耗速度放缓。
快速利用的碳源物质：对生长有利，对次级 代谢产物的形成有抑制作用。
缓慢利用的碳源物质：对延长产物的合成是 有利的，尤其是次级代谢产物。
一般好气性微生物约为0.003～0.05m mol/ 升之间。
微生物名称 固氮菌 大肠杆菌 大肠杆菌 酵母菌 酵母菌
橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌
温度（℃） C临界（m mol/升）
30
0.018-0.049
15
0.0031
37.8
0.0082
20
0.0037
34.8
0.0046
24
0.0022
接种量过高，会使菌体生长过快，培养液粘度过 高，造成供氧不足。
3、种子质量检查与判断 ①检查pH ②检查培养基灭菌后糖、氮、磷等的含量 ③检查菌丝的形态、浓度、种子液外观等 ④无菌检查 ⑤稳定性检查 ⑥其它参数检查： 某种酶的活性 产物量等
（三）、影响种子质量的因素： 1、原材料质量 2、培养温度、湿度、时间等 3、种子罐通气量 4、冷藏时间 5、传代次数
（二）、温度在发酵中的变化规律 图生物热的变化规律
（三）、温度的控制 依靠夹层或蛇管控制。 目前许多发酵罐都采用自动化控制。
五、溶解氧对发酵的影响及控制
溶解氧：溶解于液体（发酵液）中的氧。
氧难溶于水，在25℃，1atm下，氧在水中的 溶解度为0.26m mol/升，
临界溶解氧浓度：满足微生物呼吸的最低限度 的溶解氧浓度。
发酵是一个复杂的生物化学过程影响因素很 多：菌种、培养基、温度、pH、溶氧、污染等。
第五章 发酵过程及控制
一、种子制备工艺及质量控制 二、发酵过程中的代谢变化及规律 三、基质浓度变化及控制 四、温度对发酵的影响及控制 五、溶解氧对发酵的影响及控制 六、pH对发酵的影响及控制 七、CO2对发酵的影响 八、泡沫的形成及控制 九、染菌分析及控制
一、种子制备工艺及质量控制
菌种是发酵的关键，从一个保存的菌 种，到生产上使用的种子，如果按几 十～几百吨的发酵规模，10％的种子量 （接种量）计，需要几吨～几十吨的种 子。
（一）、作为种子的要求： 1、细胞的生活力强，移种至发酵罐后能迅速生长 2、菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求 3、无杂菌污染 4、生理形状稳定、保持稳定的生产能力
需氧方面 控制最适的菌体浓度
供氧方面： 1、改变气体成份 2、提高搅拌速度 3、增加挡板 4、增加通气量 5、提高罐压
几个概念：
呼吸强度：指一克干菌体，在一小时内所需氧的 毫摩尔数
摄氧量：指一升发酵液，在一小时内所需氧的毫 摩尔数
通气量：指一分钟内，通过发酵液的空气体积比 发酵液的体积
六、pH对发酵的影响及控制
二、发酵过程中的代谢变化及规律
与代谢有关的参数： 1、物理参数 ⑴、温度 ⑵、罐压 ⑶、搅拌速度 ⑷、空气流量 ⑸、表观粘度 ⑹、发酵液重量
与代谢有关的参数： 2、化学参数 ⑴、基质浓度 ⑵、pH ⑶、产物浓度 ⑷、DNA量 ⑸、关键酶 ⑹、溶解氧 ⑺、排气中的氧含量 ⑻、排气中的CO2含量
与代谢有关的参数： 3、生物参数 ⑴、菌丝形态 ⑵、菌丝干重或湿重 ⑶、菌体比生长速率 ⑷、氧的比消耗速率 ⑸、糖的比消耗速率 ⑹、氮的比消耗速率 ⑺、产物的比生产速率
（二）、种子制备的工艺流程及对发酵的影响 1、工艺流程
2、接种时间（种龄）和接种量 接种时间：对数生长期，菌体量还未达最高峰。
接种量：决定于生产菌种在发酵罐中的繁殖速度。
谷氨酸棒状杆菌：1％
大多数抗生素发酵：5～10%
个别的发酵：20～25％
接种量过小，除延长发酵周期外，往往还引起其 它不正常情况。
2、菌体生长的最适温度与产物形成的最适 温度往往不一致。
3、菌种在不同的生长期对温度的敏感性不 同。
4、温度归根结底是影响酶的活力。
谷氨酸菌种的最适生长温度和产物形成的最适温度
菌种 温度（℃）
1299 617 1542 T-613
最适生长温度 最适产物形成温度
30-32 32-34 30-34 32-36 34 34-36 34-36 36-38
（二）、氮源浓度变化及控制
氮源物质主要用于菌体中蛋白质、核酸等含 氮物质的合成，有些发酵产物中含有氮。
发酵前期，氮源物质随菌体浓度的急剧增加 而迅速减少，发酵中期，氮源（氨基氮）的下降 速度比较缓慢，发酵后期，由于菌体自溶，氨基 氮会回升。
氮源物质往往抑制次级产物的合成。
快速利用的氮源物质：如氨水、铵盐促进 菌体生长。
（一）、pH值对发酵的影响： 1、pH影响酶的活性 2、pH影响微生物细胞膜的带电状况，从而影响
微生物对养料的吸收和对代谢产物的分泌 3、pH影响培养基中某些营养物质的可给性 4、pH可能改变培养基的氧化还原电位 5、pH会影响某些微生物的形态
缓慢利用的氮源物质：有利于延长产物的合 成期。
一般情况下，发酵培养基中同时含快速利用 的氮源和缓慢利用的氮源物质。
如果氮源物质投料多，会造成菌体生长快， 但菌体衰老也快。
解决方法：“中间补料”。
四、温度对发酵的影响及控制
（一）、温度对微生物和发酵的影响
1、不同的菌、不同的发酵对温度的要求不 一样。
到发酵的中后期，发酵液中的残糖基本耗尽， 影响百度文库物的合成。
如果采用丰富碳源的培养基，又会产生其它的问题; 如培养基浓度过高，影响通气搅拌，过高的碳源浓度也抑制菌体的 生长。
解决的方法是采取“中间补料” 补糖的方法：
连续滴加补糖 小量多次间歇补糖 大量少次补糖
“中间补料”可以延长产物的产生时 间，推迟菌体的自溶时间，增加了发酵液 的体积，而使发酵单位大幅度上升。
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（一）影响需氧和供氧的因素
影响微生物需氧量的因素 1、菌种 2、菌体浓度 3、菌龄 4、培养基
影响供氧量的因素 1、搅拌 2、通气量 3、空气分布管的结构 4、发酵罐的液柱高度/直径比 5、培养液的物理性质 6、泡沫
（二）溶解氧的控制
溶解氧的控制： 应满足需氧≤供氧
三、基质浓度变化及控制
（一）、碳源浓度变化及控制
碳源物质是发酵过程中菌体生长和产物合成 的能量和碳素的来源。
在发酵的前期，碳源物质主要用于生长，消 耗较快，在发酵后期，碳源物质主要用于产物合 成，消耗速度放缓。
快速利用的碳源物质：对生长有利，对次级 代谢产物的形成有抑制作用。
缓慢利用的碳源物质：对延长产物的合成是 有利的，尤其是次级代谢产物。
一般好气性微生物约为0.003～0.05m mol/ 升之间。
微生物名称 固氮菌 大肠杆菌 大肠杆菌 酵母菌 酵母菌
橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌
温度（℃） C临界（m mol/升）
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0.018-0.049
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接种量过高，会使菌体生长过快，培养液粘度过 高，造成供氧不足。
3、种子质量检查与判断 ①检查pH ②检查培养基灭菌后糖、氮、磷等的含量 ③检查菌丝的形态、浓度、种子液外观等 ④无菌检查 ⑤稳定性检查 ⑥其它参数检查： 某种酶的活性 产物量等
（三）、影响种子质量的因素： 1、原材料质量 2、培养温度、湿度、时间等 3、种子罐通气量 4、冷藏时间 5、传代次数
（二）、温度在发酵中的变化规律 图生物热的变化规律
（三）、温度的控制 依靠夹层或蛇管控制。 目前许多发酵罐都采用自动化控制。
五、溶解氧对发酵的影响及控制
溶解氧：溶解于液体（发酵液）中的氧。
氧难溶于水，在25℃，1atm下，氧在水中的 溶解度为0.26m mol/升，
临界溶解氧浓度：满足微生物呼吸的最低限度 的溶解氧浓度。