第五章 发酵过程控制

（2）产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。 如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、 螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。 （3）菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。
3.发酵过程中pH值的调节及控制
（1） 发酵pH值的确定
• 一般是在5～8之间，上限8.5，下限2.5
• 随菌种和产品不同而不同。同一菌种，生长最适 pH值可能与产物合成的最适pH值是不一样的。 • 按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH，使产 量最大。
如：
四环素生长阶段280C，合成期260C后期再升温；
黑曲霉生长370C，产糖化酶32～340C。
最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。
（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。
发酵过程各参数概况
参数名称 温度
罐压 空气流量 搅拌转速 pH
测试方法 传感器
压力表 传感器 传感器 酸度计
意义、主要作用 维持生长、合成
维持正压、增加DO 供氧排泄废气提高KLα 物料混合、提高KLα 反映pH、KLα
第二节、发酵过程控制
一、温度变化及控制 1.温度对发酵的影响
（1）影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。 在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率 也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的 催化活力就下降。温度对菌体生长的酶反应和代谢 产物合成的酶反应的影响不同。
2．基质浓度（g或mg％） •是指发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的 浓度。 •它们的变化对产生菌的生长和产物的合成有 着重要的影响，也是提高代谢产物产量的重 要控制手段。 •在发酵过程中，必须定时测定糖（还原糖和 总糖）、氮（氨基氮或氨氮）等基质的浓度。
3．溶解氧浓度［10-6（ppm）或饱和度（％）］
发酵过程中，发酵液温度变化取 决于上面几个因素：
Q发酵= Q生物+ Q搅拌—Q蒸发—Q辐射
总的来说抗生素发酵是一个放热过程。 对温度通过冷却进行控制。 夹套 冷却蛇管
二、 pH的影响与控制
1. pH对发酵的影响
(1)发酵过程中微生物的正常生长需要有一定的 pH值，不同的微生物对PH值的要求也是不同 的。
（三）发酵参数在发酵过程控制中的作用 • （发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、 糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值）
• 计算
（菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速 率、氮比消耗速率和产物比生产速率） （控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件）
研究
发酵动力学
由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数 据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接 从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多 有用的参数就地通过传感方式变成各种输出信号。 目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、 搅拌转速、pH、溶氧、效价、糖含量、前体(如 苯乙酸)浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体 积%)等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、 排气中的O2和CO2含量等。
（1）生物热（Q生物）： 产生菌在生长繁殖 过程中产生的热能。
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 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 生物热的大小，还与菌种和培养基成分等不同而变化。
• 溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。 •利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的 规律，反映发酵的异常情况，也可作为发醉中间 控制的参数及设备供氧能力的指标。 •溶氧浓度一般用绝对含量（10-6）来表示、有时 也用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。
4．产物的浓度[μg（u）／ml] 这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的 重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。 5．废气中的氧含量（％） • 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数 有关。 •从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率 和发酵罐的供氧能力。
酵 母：pH 3.8－6.0
细
霉
菌：pH 6.5－7.5
菌：pH 4.0－5.8
放线菌：pH 6.5－8.0
(2)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； (3)影响微生物细胞膜所带电荷的状态，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；
(4)pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，
如产黄青霉菌体的最适生长温度为30℃，黑曲酶的 最适生长温度为37度
（2）温度还能改变菌种代谢产物的合成方 向，细胞生长和代谢产物积累的最适温度也 往往是不同的。 例如，青霉素产生菌的生长最适温度为 30度，而产生青霉素的最适温度为25度； （3）影响发酵液的物理性质。 发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的 溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收 速率等。
例 pH对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物， 发酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补 糖、酸，发酵液 pH 可迅速升到 8.0 以上，阻碍或抑制某些酶系， 使林可霉素增长缓慢，甚至停止。
（2）发酵pH的控制： ①调整基础培养基：适当调整C/N比，或加入产 酸或产碱物料—作用有限 ②补料控制：可直接补加酸、碱性物质
（2）搅拌热（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。 搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：
Q搅拌＝P×860×4186.8（焦耳/小时）
（3）蒸发热（Q蒸发）：空气进入发酵罐与发酵 液广泛接触后，引起水分蒸发所需的热能。 （4）辐射热（Q辐射）：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。
一般加生理性酸碱 pH低：补尿素、氨水
pH高：硫酸氨
加生理性酸碱，即可调节pH,同时补充营养。
三、溶氧的影响和控制
1. 定义： 溶氧（DO）指溶解在发酵液中的氧。单位ppm
(毫克· 分子/升）
2.DO对发酵的影响 DO不足：微生物代谢异常，产量下降，菌体过 早衰老死亡； DO太多：发酵液泡沫过多，抑制产物生产，同 时空气消耗增加。
• （2）机械消沫
• 靠机械引起的强烈振动或压力的变化促使气泡破裂。 罐内消沫法：在搅拌轴上方装消沫桨，通过消沫 桨转动打碎泡沫。 罐外消沫法：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。 • 优点：不需加入外界物料，可节省原料，减少污染 杂菌的机会。 • 缺点：消沫效果不理想，仅可作为辅助的消沫方 法。
使代谢产物的质量和比例发生改变。
pH：4.5-5.0－3，乙醇 发酵 酿酒酵母
pH：8.0，甘ຫໍສະໝຸດ Baidu发酵
2.影响pH值变化的因素
• 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：C源过多，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 ②氮代谢：当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降； 尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降， 当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。 ③生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降
3.对发酵的影响：
使发酵罐的装填系数减少； 造成大量逃液，导致产物的损失，增加了染菌 的机会； 氧传递减弱； 使微生物菌体提早自溶，降低发酵物产量。
4.泡沫的控制
泡沫的控制，可以采用三种途径：
（1） 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。但这些方法的效果有一定的限度。
6．废气中的CO2浓度（％） • 废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的CO2。测定 它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生菌的 呼吸代谢规律。 ７.氧化还原电位（mV) 也是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。 对微生物，培养基最适宜和所允许的最大电位值， 应与微生物本身的种类和生理状态有关。 其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的酶等。
7．浊度（％） 浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数， 对某些产品的生产是极其重要的参数。一般采 用分光光度计的波长420～660 nm测量。浊度 对氨基酸、核苷酸等产品的生产是极其重要的。 8. 料液流量（L／min） 这是控制流体进料的参数。
（二）化学参数
1． pH（酸碱度） •发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和产碱 的生化反应的综合结果。 •它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的高 低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。
（三）生物参数
1．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。
2．菌体浓度 •菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵的重要 参数之一。 •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，以保证生产达到顶期的水平。
第五章 发酵过程控制
典型的细菌生长曲线
a适应期（迟滞期）
10
b对数生长期期 c稳定期(平稳期） d死亡期（衰老期）
a
0
16
b
c
d
时间
ab菌体生长阶段
c产物合成阶段
d菌体自溶阶段
第一节、发酵过程的主要控制参数
（一）物理参数 1．温度（℃） •发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。 •影响酶反应速率、氧在培养液中的溶解度与传 递速率、菌体生长速率和产物合成速率 2．压力（Pa） 发酵过程中发酵罐维持的压力, 罐内维持正压可 以防止外界空气中的杂菌侵入，保证纯种的培养, 间接影响菌体代谢。一般维持在 0.2×105~0.5×105Pa。
3. 溶氧（DO）的判断
一般发酵液的DO范围在20-25ppm,在菌体 生长阶段及产物合成阶段氧的需求最大，DO表 现最低。而菌体进入衰老自溶阶段后，DO的浓 度会逐步升高。
4.DO的测定：溶氧电极传感器（氧化还原反应）
5.DO的控制：搅拌转速-搅拌器
通气速率
四、 泡沫的影响与控制
• 一、泡沫的性质及对发酵的影响 1.产生原因： 2.泡沫的性质： 发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例特别大，与 液体有较明显的界限，如发酵前期的泡沫； 发酵液中的泡沫，又称流态泡沫，分散在发酵液中， 比较稳定，与液体之间无明显的界限。
（3）根据菌生长情况 生长快的菌种，维持在较高温度时间要短些；生 长慢的菌种，维持较高温度时间可长些。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及培养 条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。
3.发酵热的产生和控制
3．搅拌转速（r／min） •搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度， 通常以每1min的转数来表示。 •它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液的 均匀性有关。 4．搅拌功率（kw） 指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每1m3发酵 液所消耗的功率（kw／m3）。 它的大小与氧容量传递系数有关。
5．空气流量［V／（V· min），简称VVM］ •每1min内每单性体积发酵液通入空气的体积， 也是需氧发酵的控制参数。 •与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在 0.5～1.0V／（V· min）范围内。 6．粘度（Pa· s） 粘度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项 标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况。 通常用表观粘度表示之：它的大小可改变氧传递 的阻力。
2.最适温度的选择
（1）根据菌种及生长阶段选择 •前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速；
•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，因此温度要稍低一些，可以 推迟衰老。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。
•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。