第七章 发酵工艺的控制

1、温度对发酵的影响
（1）温度影响菌的生长速率；
（2）温度影响菌体的代谢途径； （3）温度影响发酵液的理化性质。 如：四环素发酵中金色链丝菌在低于30℃时合成金霉素的 能力较强，随着温度升高，合成四环素比例提高 又如：谷氨酸发酵，37℃时乳酸积累，低于20℃时氨基酸 合成途径的终产物反馈抑制作用加强。

2、染菌主要原因

种子带菌 无菌空气带菌 设备渗漏 灭菌不彻底 操作失误 技术管理不善。
某制药厂发酵染菌分析举例
染菌原因 空气系统 设备问题
染菌率% 32.05 15.46
染菌原因 补料 种子带菌 环境污染或 不明原因
染菌率% 4.30 1.72
管理、操作
11.34
从菌种内在特点上满足： 生长速率、呼吸强度、营养要求（酶系统）、代谢速 率等； 从菌种外部环境上控制： 温度、pH、溶氧浓度、渗透压、离子强度、剪切力 等。
二、发酵过程的中间分析
中间分析是工艺控制的眼睛，从分析的代谢参数 来判断发酵过程中微生物的主要代谢变化。
代谢参数又称为状态参数，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

3、最适温度的选择
最适发酵温度Tm发酵：最适菌体生长温度+最适产物 合成温度（Tm生长+Tm合成）。 Tm生长和Tm合成往往不一致。 Tm发酵还与菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长 阶段而改变。



4、最适温度的控制
工业上控温一般不需加热，而是 冷 却。 冷却方式：夹套或蛇形管中通入冷 却水，通过热交换来降温，利用自 动或手动调整冷却量以保持恒温发 酵。
数，溢出损失或增加染菌机会，影响搅拌溶氧。 3、发酵过程中泡沫的产生：与通风、搅拌、原料 性质、微生物代谢活动状态



4、控制：
（1）化学消泡：气液界面散布系数大、水溶解度小、无毒、 不干扰溶氧、来源方便便宜。主要品种有：天然油脂；高 级醇、脂肪酸和酶类；聚醚类；硅酮类。 （2）机械消泡：

（五）发酵终点的判断



大多数细菌：最适pH 为6.5-7.5； 霉菌为：4.0-5.8； 酵母为：3.8-6.0； 放线菌为：6.5-8.0。 不同菌种所需的pH有 差别 同一种类的微生物菌 种由于生长pH值不同 也可能形成不同发酵 产物



不同菌种所需的pH有差 别 同一种类的微生物菌种 由于生长pH值不同也可 能形成不同发酵产物， 如：黑曲霉：在pH2-3 时产柠檬酸，中性时产 草酸。


产量P；产率RP；成本C；利润B

C`：单产成本
P：产量 Rp：产率

C：成本
B：利润

a
d
b c 发酵时间
四、发酵过程染菌及防治
（一）污染对发酵造成的后果



1、基质或产物消耗使生产能力下降； 2、产生新的代谢物使收率和质量下降； 3、改变发酵pH使发酵过程异常； 4、分解产物使发酵过程失败； 5、噬菌体感染使菌种细胞裂解。
发酵热的测定及计算：
通过测量一定时间内冷却水的进出口温度差来计算：Q 发酵 =GC(t2-t1)/V；
Q生物：随菌种、生长时期和培养基成分的不同而变化； Q生 物=0.12 QO2 Q搅拌：搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之间的摩 擦所产生的热量。 Q搅拌=（P/V）3600 Q蒸发：无菌空气与发酵液接触后，排出引起水分的蒸发报 需的热量。与温差大小有关。 Q辐射：发酵罐与环境温差而引起的热量辐射。与温差有关。
菌浓测定方法 测粘度
压缩体积法（离心）
静置沉降体积法
光密度测定法 OD600~660 适合于细菌、酵母
（4）产物浓度 产物浓度直接反映了生产的状况,是发酵控制的重 要参数。
①效价表示法 有效成分的多少，大小用单位（U）来表示
重量折算单位：以最低抑菌浓度为一个单位， 如青霉素0.6微克＝1U 重量单位：规定某些抗生素活性部分1μg=1u 如链霉素、
增加风量时，如空气线速度相应增加时，则溶
氧增加； 当空气线速度增加过大时，则会发生“过载” 现象，使搅拌效率和溶氧速率大大降低


（3）氧的分压：(p-p*) 加大罐压；提供纯氧。


（4）发酵罐内液柱高度 H/D从1增加到2时，kLα可增

加40%；H/D从2增加到3时，
kLα可增加20%；一般倾向 于H/D=3-5。但H/D过大， 对溶氧系数增加不大。


pH对菌体生长、代谢影响的主要原因： （1）细胞质膜的电性改变 （2）影响营养吸收和代谢途径 （3）影响酶活 （4）影响基质和产物性质。

2、影响pH值改变的因素

（1）产酸 （2）产碱 （3）耗酸耗碱 （4）加糖或加油过多 （5）生理酸性盐的利用（硫酸铵中氨离子被利用） （6）基质被分解形成碱性物质。

（二）pH值对发酵过程的影响及其控制


1、 pH对菌体生长和产物形成的影响：
（1）pH影响菌的生长速率； （2）pH影响菌体的代谢途径； （3）pH影响发酵液的理化性质。 黑曲霉：在pH2-3时产柠檬酸，中性时产草酸。 丙酮丁醇菌生长最适pH为5.5-7.0，而发酵最适pH为4.3-5.3。 青霉素菌生长最适pH为6.5-7.2，而青霉素合成最适pH为 6.2-6.8；
第七节 发酵工艺的控制

一、发酵工艺控制的目的与方法
二、温度对发酵过程的影响及其控制
三、pH值对发酵过程的影响及其控制
四、溶解氧对发酵过程的影响及其控制
五、泡沫对发酵过程的影响及其控制
六、发酵终点的判断
一、发酵过程工艺控制的目的
维持菌种最佳发酵条件，得到最大的比生 产速率和最大的生产率，使菌种的代谢潜 能得以发挥。


“临界氧浓度”：微生物对发酵液中溶氧的最低要求
浓度，以C临界表示。
2、影响菌体需氧的因素
r= QO2 .X
(1)菌体浓度
(2)QO2 遗传因素
菌龄
营养的成分与浓度 有害物质的积累 培养条件
3、发酵过程供氧方式

实验室中:摇瓶机往复运动或偏心旋转运动供 氧。
中试规模和生产规模:通入无菌压缩空气并同 时进行搅拌。

要确定合理的放罐时间，必须考虑以下几点： （1）经济因素： （2）产品质量因素： （3）其它因素：如染菌、代谢异常等。
确定放罐指标有：产物产量、过滤速度、氨基酸含量、 菌丝形态、pH值、发酵液外观和粘度。

分批发酵产量、产率、成本、利润与发酵时间的关系
（a,b,c三点分别为达到最高产率、最低成本和最大利润的发酵时间； d为无亏损点。发酵时间的选择ac之间的b 点比较理想）
直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得的参
数，如温度、pH、残糖等。
在线检测参数 指不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上 得到的参数，如温度、pH、搅拌转速； 指取出样后测定得到的参数，如残糖、
直接参数
离线检测参数
NH2-N、菌体浓度。
间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、KLa等。
2、几种重要发酵参数 （1）糖含量
糖的消耗：反映产生菌的生长繁殖情况；反映产物合成的活力。
糖含量测定包括总糖和还原糖。 总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、饴糖、 单糖等各种糖。 还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。
（2）氨基氮和氨氮
氨基氮指有机氮中的氮（NH2-N），单位是 mg/100ml。
氨氮指无机氨中的氮（NH3-N）。

4、氧在液体中的传递



传递过程可分供氧及耗氧两个方面。 供氧:是指空气中的氧气从空气泡里通 过气膜（1/k1） 、气液界面(1/k2)和 液膜(1/k3)扩散到液体主流(1/k4)中。 耗氧:是指氧分子自液体主流通过液膜 (1/k5)、菌丝丛（1/k6）、细胞膜 （1/k7）扩散到细胞内（1/k8） 。 氧在传递过程中必须克服一系列的阻 力，才能被微生物所利用。

（二）发酵染菌的症状


1、耗氧异常（加快或减慢）； 2、耗糖异常（加快或减慢）； 3、CO2含量异常（增加或减少）； 4、泡沫增多； 5、pH异常； 6、菌浓异常。

（三）染菌的检查、原因分析和防止措施
1、染菌的检查与判断： 镜检：染色观察。 肉汤培养检查：测细菌或噬菌体 平板或斜面培养：杂菌检出。 每6-8小时检测一次，一般连续三次阳性反应即可判为 染菌。

（5）发酵罐体积： 大利用氧效率高（7-10%），小的效率低（3-5%）。 （6）发酵液的物理性质： 粘度、表面张力、离子浓度、泡沫等。

（四）泡沫对发酵过程的影响及其控制

1、泡沫的性质：发酵液中气体的逸出，加上发酵 液中含有蛋白质等发泡成分，故产生泡沫。

2、影响：泡沫过多而持久会影响发酵罐的装料系
氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。 氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子 的抑制。通过氨基氮和氨氮的分析可控制发酵过程。 发酵后期氨基氮回升时要适时放罐，否则影响提取过程。
（3）菌浓度和菌形态 直接反映菌生长的情况。
菌形态：显微镜观察。
菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体 量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本 恒定。补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量 适合与否的一个参数。



2、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。
发酵过程中，随着菌体对培养基成分的利用，菌体进行氧 化代谢所释放的能量一部分被利用，其余则变成热能放出； 机械搅拌的作用产生的热量和因罐壁散热，水分蒸发等也 带走部分热量。