教案6-3： 发酵技术(三)

有机酸生产技术
生物工程系
谷氨酸发酵生产技术
第六章 发酵技术

第一节 概述


第二节 溶解氧对发酵的影响
第三节 温度的控制
第四节 pH 的控制
第五节 泡沫的控制
第六节 补料的控制
第七节 淀粉糖原料生产谷氨酸的发酵技术
第五节 泡沫的控制
主要内容
一、泡沫的形成及其对发酵的影响
二、泡沫的控制
油。
（1）化学消泡剂种类
（1）化学消泡剂种类

硅酮类：主要有聚二甲基硅氧烷及其衍生 物。 以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为 常用。泡敌较常使用

②作为理想的消泡剂，应具备下列条件：

消泡剂必须是表面活性剂，且具有较低的表面张力，消泡
作用迅速，效率高；

应该在低浓度时具有消泡活性； 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； 应该对微生物、人类和动物无毒性；应该对产物的提取不 产生影响；
（3）消泡剂的使用方法
在生产过程中，消泡的效果除了与消泡剂的种
类、性质、分子量大小、消泡剂亲油亲水基团等密
切相关外，还与消泡剂使用时加入方法、使用浓度、 温度等有很大关系，应结合生产实际加以注意和解
决。
3、控制泡沫的方法

（一）减少泡沫形成的机会。
质原料，在菌丝长浓后再加入。③灭菌前加.
①原料配比。②补料：如基础料被抽出一部分蛋白 （二）消除已形成的泡沫。 机械消泡与化学消泡并用，化学消泡为主， 机械消泡为辅。
6.8-7.0.

目前主要采用连续流加液氨的方法控制pH值。
7.60 7.40 7.20 7.00 6.80 6.60 6.40 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
（三）补料的控制
2、补料速率

通过控制料液流速来控制补料速率。 间歇流加补料时，遵循的原则是少量多次补料， 避免罐内的物料浓度波动过大。 连续流加补料，尽量使补料速率等于底物消耗速 率。

（三）补料的控制
3、补料配比

控制补料配比包括两个方面：一是所补料液的配比。二是 所补料液的流速。 控制补料配比的目的是：使发酵过程中，培养基的营养配 比有一个合理的比例。

如：谷氨酸、赖氨酸发酵通常补入500-600g/L的高浓度的葡 萄糖，防止发酵液的量升高过快，其他物质被稀释。 谷氨酸发酵，补入液氨调整pH，同时补充产物合成所需的氮 源。
一、泡沫的形成及其对发酵的影响
1、泡沫形成原因及规律
（1）泡沫形成原因
①有气体存在：通气、搅拌以及代谢气体的逸出。
②有发泡物质存在：培养基中糖、蛋白质、代谢物等 表面活性剂。
1、泡沫形成原因及规律

（2）泡沫形成规律
泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。
①泡沫随通气量和搅拌速度的增加而增加；搅拌引起 泡沫的作用比通气明显。 ②发泡物质越多，发酵液黏度越高，泡沫越多； 蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母 粉等是主要的发泡剂。 糊精含量多也引起泡沫的形成。

（三）、生产上泡沫的自动控制
泡沫的控制操作
被调节参数：泡沫； 调节参数：消泡
检测器：消泡电极；
剂的用量；
执行机构：消泡剂 补料阀门
第六节 补料的控制
主要内容
一、补料的目的
二、补料的控制内容
第六节 补料的控制

补料分批发酵(fed-batch culture，简称FBC)，
是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加一种 或多种成分的新鲜培养基的培养方法，是分批发 酵和连续发酵之间的一种过渡培养方式，是一种 控制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。
（3）消泡剂的使用方法

①添加方法：
基础培养基添加：配制培养基时加入一定量（浓 度为0.3g/L），培养基灭菌。 发酵过程中流加：配制成溶液（消泡剂：水=1:23），灭菌，冷却、贮存，按一定量添加。

起泡时添加，加量一般为培养基总体积的0.02%0.002%。多加对菌生长不利。
（3）消泡剂的使用方法
缺点：如贮存不好，易变质，

高级醇类：聚二醇、十八醇；C7～C9的醇是最有效的消泡 剂。
（1）化学消泡剂种类

聚醚类：聚醚类消泡剂品种很多，它们是氧化丙
烯或氧化丙烯和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合 物。
聚氧丙烯甘油醚（GP型消泡剂）：
聚氧乙烯氧丙烯甘油醚（GPE型消泡剂，泡敌）：
消泡能力比植物油60-80倍强。目前工业上已取代
如：谷氨酸发酵补加碳源： 若采用间歇流加法，控制发酵残糖浓度为 30g/L左右时第一次 补料，补料后，残糖浓度都会升高，于是进行第二次补料依次 类推。 采用连续流加补料，一般在残糖浓度为10-15g/L时补料，补料 速率尽量与底物消耗速率一致。
（三）补料的控制
谷氨酸发酵补充氮源：

如果采用间歇流加补加尿素的方法； 如果采用连续流加补加液氨的方法是：发酵过程中，连续 补料控制溶液pH在7.0-7.2补料，发酵后期，控制pH在

一、补料的目的

低浓度机营养物，对发酵不利：基质浓度低，产
物浓度低；基质浓度低，营养物消耗快，菌体过 早衰老和死亡。

采用补料分批发酵方式，可以控制适当的基质浓 度，维持适当的菌体浓度，延长菌体存活时间， 得到高浓度的产物。
二、补料的控制内容
（一）、补料内容 碳源、氮源、无机盐、生长因子。 （二）、补料方式：间歇流加、连续流加。

（一）、控制方法

（1）调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的
原料）或改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通
气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来
控制，以减少泡沫形成的机会。

（2）采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的 菌种，来消除起泡的内在因素。 （3）采用机械消泡或化学消泡剂来消除已形成的泡
制适当的残留底物浓度时补料。
在微生物生长阶段补料，容易引起微生物过度生
长，菌体生长期延长，发酵转化不易控制，对产物 合成不利。残留底物较高时补料，补料后会使菌体 浓度维持在较高水平，对发酵不利；若残留底物浓 度过低，由于补料操作需要一定时间，容易导致底
物被耗尽，而使菌体衰老、自溶。
（三）补料的控制


不会在使用、运输中引起任何危害；来源方便，成本低；
应该对氧传递不产生影响；能耐高温灭菌。
（2）化学消泡剂的作用

表面活性剂(surfactant)，是指具有固定
的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排
列，并能使表面张力显著下降的物质。
（2）化学消泡剂的作用

破泡作用：降低泡沫液膜的机械强度； 抑泡作用：降低液膜的表面黏度；

发酵工业中，中间流加产生菌所需要的碳源、氮
源、微量元素、无机盐以及诱导底物等物质，通 常称为补料。

正常情况下氨基酸生产中一般补充碳源和氮源。
补料控制得当，有利于提高发酵产量。
一、补料的目的

目的：既可以避免高浓度底物的不良影响，又可
以使产物合成的旺盛期延长，达到提高发酵产量 的目的。 高浓度营养物抑制微生物生长：在一定范围内， 基质浓度大，通常产物产量高；过浓，使菌体生 长过于旺盛，发酵液非常粘稠，传质状况差，对 产物的合成不利。
当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。
2、泡沫对发酵的危害

（1）少量泡沫的作用：
一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接 触面积，导致氧传递速率增加； （2）大量的泡沫引起许多负作用：

①造成大量的逃液，而使装料系数减少。 ②泡沫从轴封中渗出，增加染菌机会。 ③妨碍菌的呼吸和生长，使产量下降。
二、泡沫的控制
罐外消泡——将泡沫引出罐外，通过喷嘴的 加速作用或离心力来消除泡沫。

优点：节省原料，减少染菌机会。
缺点：消泡效果不理想，仅可作为消泡的辅助方 法
1、 机械消泡

（1）罐内消泡 ①耙式消泡浆的机械消泡 ②旋转圆板式的机械消泡
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1、 机械消泡

（2）罐外消泡
将泡沫引出发酵罐外，通过罐外消泡设备消除泡 沫后，液体再返回罐内。

①喷雾消泡； ②离心力消泡；
2、化学消泡

化学消泡既是使用化学消泡剂进行消泡。是目前
发酵工业应用最广的消泡方法。 优点：消泡作用持续可靠； 缺点：用量过多会增加成本，且有可能影响菌体 的生长、代谢，对产物的提取、精制不利。

（1）化学消泡剂种类

天然油脂类：豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。 油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。 优点：来源容易，价格低，使用简单；

沫。
（二）泡沫的消除方法

消泡方法有两种：
机械（物理）消泡：在罐内外装消泡装置。 但作用不大。 化学消泡：通过加入化学消泡剂的方法消除 泡沫。

采用机械（物理）消泡为主；化学消泡为辅的方
法。
1、 机械消泡

物理消泡方法，利用机械强烈振动或压力变化而 使泡沫破裂。
罐内消泡——靠罐内消泡桨转动打碎泡沫。

②消泡剂增效作用

加载体增效，即用惰性载体（如矿物油、植物油
等）使消泡剂溶解分散，达到增效的目的；

消泡剂并用增效，多种消泡剂按一定比例成混合
消泡剂，取各种消泡剂的优点进行互补，达到增 效； 乳化消泡剂增效，用乳化剂（或分散剂）将消泡 剂制成乳剂，以提高分散能力，增强消泡效力，

一般只适用于亲水性差的消泡剂。

1、间歇流加：指在发酵过程中，补充
的物料分成若干次流加到发酵罐中。 遵循的原则：少量多次。避免罐内的物料 浓度波动过大。

2、连续流加：指在发酵过程中，补充 流加的原则：尽量使底物的补充速率等于
的物料连续流加进入发酵罐中。
底物的消耗速率。
（三）补料的控制
1、补料时间
时间控制：微生物细胞进入产物合成期，同时控