第六章 发酵过程作业参考答案

第六章 发酵过程作业参考答案

1、简述补料分批发酵的定义及优缺点、分类。（20分）

答：补料分批发酵又称半连续发酵或培养，是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。（4分）补料分批发酵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。低基质浓度的优点：1）可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧的矛盾。2)避免培养基积累有毒代谢物。3）与连续发酵相比，补料分批发酵不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问题，其应用范围十分广泛，包括抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸、及高聚物等、4）在发酵的不同时间不断补加一定的养料，可以延长微生物对数期的持续时间，增加生物量的积累和静止期代谢产物的积累。（8分）补料分批发酵可以分为两种类型：a: 单一补料分批发酵：在开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳源和(或)氮源和(或)其他必须基质，直到发酵液体积达到发酵罐最大工作容积后停止补料，将发酵液一次全部放出。这种操作方式称为单一补料分批发酵，由于受发酵罐工作容积的限制，发酵周期只能控制在较短的范围内。（4分）b 重复补料分批发酵：重复补料分批发酵是在单一补料分批发酵的基础上，每隔一定时间按一定比例放出一部分发酵液，使发酵液体积始终不超过发酵罐的最大工作容积，从而可以延长发酵周期，直至发酵产率明现下降，才最终将发酵液全部放出．这种操作方式既保留了单一补料分批发酵的优点，又避免了它的缺点。（4分）

2、通过哪些手段可提高发酵过程的溶氧量并分析比较各种措施的效果。（３０分）

答：(1) 提高KL a

KL a 与其中的主要影响因素的函数关系可以使用下式表示：

对于牛顿型流体发酵液， KL a 的关联式可简单表示为：

（２分） ①搅拌效率对KL a 的影响：一般情况下，高转速可有效地提高KL a ，但太大或搅拌器的类型不当也会损伤菌丝，或产生漩涡，反而降低混合效果。对于高粘度的流体，转速、器型的影响会更明显。

②气体流速对KL a 的影响：由上式得知：提高WS ，即提高通气量Q ，也可以有效的提高KL a 。研究表明，当通气量Q 较低时，随着通气量Q 的增加，WS 空气表观线速度也会增加。但Q 过大时，搅拌器不能有效地将空气气泡充分分散，而在大量气体中空转，形成所谓的“过载”现象。会导致Pw/V 会随着Q 的增加而下降，即单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下降。

③设备参数的影响：式中的α、β与发酵罐的大小、形状、搅拌器的类型等因素有关。Bartholomew 研究指出，9L 的发酵罐的α为0.95；0.5m3的发酵罐，α变为0.67；而27~57m3的发酵罐的α变为0.5。搅拌器的类型不同，α、β值的大小也不相同，对于α值，弯叶>平叶>箭叶；对

),,,,,,,(g D W N d f K L s L a σρη=βαs w L W V P K K a )(=

于β值，则箭叶>弯叶>平叶。

④发酵液的性质：在发酵过程中，菌体本身的繁殖、代谢还会引起发酵液物理化学性质的不断改变。如改变了培养液的表面张力、pH、粘度和离子强度，进而影响到培养液中气泡的大小、气泡的溶解性、稳定性以及合并为大气泡的速度。发酵液的物理性质还会影响液体的湍动以及界面或液膜的阻力，因而显著影响溶氧传递速率。（每点３分，共１２分）

(2) 提高氧的传递动力(C﹡－C) （每点２分，共６分）氧传递动力中的饱和溶氧浓度C﹡，受菌体生长、生产对发酵工艺要求的限制，C﹡的变化幅度并不大。

提高罐压，对增加气体在液体中的溶解度，对提高(C﹡－C)是有一定作用的。但在溶氧浓度增加的同时，代谢产物CO2等在发酵液中的浓度也会增加，同样也不利于菌体的正常代谢。

利用纯氧，虽可提高发酵液中溶氧浓度，但会导致生产成本高；在发酵罐中局部氧的浓度高，引起菌体的氧中毒；而且纯氧易引起爆炸，增加了生产管理的难度。

3、影响发酵温度变化的因素有哪些？（5分）

答：在发酵过程中，既有产生热能的因素，又有散失热能的因素，因而引起发酵温度的变化。

Q发酵[kJ／(m3．h)]＝Q生物+Q搅拌—Q蒸发—Q显—Q辐射。它就是发酵温度变化的

主要因素。

4、简述在发酵过程中pH的变化情况。（16分）

（1）在发酵过程中，pH的变化决定于所用菌种、培养基的成分和培养条件，在产生菌的代谢过程中，菌本身具有一定的调整周围pH的能力，建成最适pH的环境。（4分）

（2）一般在正常情况下：

1)生长阶段在菌体生长阶段pH有上升或下降的趋势。（4分）

2)生产阶段在生产阶段pH趋于稳定，维持在最适产物合成的范围；（4分）

3)自溶阶段菌丝自溶阶段，随着基质的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升，此时菌丝趋于自溶而代谢活动终止。（4分）

5、试分析发酵过程中溶解氧的异常情况.（14分）

在发酵过程中，有时出现溶氧浓度明显降低或明显升高的异常变化，常见的是溶氧下降。可能有下列几种原因：①污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在较短时间内下降到零附近，如果杂菌本身耗氧能力不强，溶氧变化就可能不明显。②菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加，使溶氧下降。

③某些设备或工艺控制发生故障或变化，也可能引起溶氧下降．如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。又如消沫油因自动加油器失灵或人为加量太多，也会引起溶氧迅速下降。其他影响供氧的工艺操作，如停止搅拌等。(9分。每点3分)

引起溶氧异常升高的原因：

在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改变，如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特别是污染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受到抑制，溶氧有可能迅速上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能力，溶氧就直线上升。（5分）

6、发酵过程中泡沫的控制方式有哪些及工业上主要采用那两种方式？（10分）

泡沫的控制通常采用两种主要途径：

一是调整培养基中的成分，如少加或缓加易起泡的原材料，或改变某些发酵控制参数，如温度、通气和搅拌功率，或改变发酵方式，如采用分次投料，以减少泡沫形成的机会。但这些方法的效果有一定的限度。（2分）

二是在发酵过程中，采用机械消泡或化学消泡这两大类方法来消除已形成的泡沫（2分。

另外，近年来也从生产菌种本身的特性着手，从遗传的角度来预防泡沫的形成。（2分

（2分）

工业上主要采用机械消沫和消沫剂消沫两大类方法。

1）机械消泡法：

这是一种物理消沫的方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。

机械消泡：有罐内消沫和罐外消沫两种方法。前者是靠罐内消沫装置消泡；后者是将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或利用离心力来消除泡沫。该法的优点是节省原料，减少染菌机会。但消沫效果不理想，仅可作为消沫的辅助方法。（2分）

2）消沫剂消沫

这是利用外界加入消沫剂，使泡沫破裂的方法。消沫剂的作用是降低泡沫液膜的机械强度，或者是降低液膜的表面黏度，或者兼有两者的作用，达到破裂泡沫的目的。

常用的消沫剂：主要有天然油脂类，高碳醇

（十八醇）脂肪酸和酯类，聚醚类，硅酮类4大类。其中以天然油酯类和聚醚类在微生物