发酵工业与发酵工程_06发酵过程控制1-3节

范围； • 自溶阶段：pH又上升。
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三、 pH值对发酵过程的影响
1. pH对微生物生长的影响 每一类菌都有其最适pH和能耐受的pH范围
细菌: pH 6.3～7.5 ； 霉菌和酵母菌：pH 3～6； 放线菌：pH 7～8
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2. pH对产物合成的影响
产物合成阶段的最适pH值和微生物生长阶段的最适pH 往往不一定相同，这不仅与菌种特性有关，还取决于产 物的化学特性。
菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被 利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可 以加大接种量。
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（4）灭菌质量
培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生 物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加 消泡剂也无效。
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泡沫的形成一般有以下几种规律：
• 整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平； • 发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定； • 发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升； • 发酵开始起泡能力低，以后上升； • 以上类型的综合方式。
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（2）培养基配比与原料组成
前期培养基营养丰富粘度大，产泡沫多而持久。 例：在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水 解液、玉米浆等，搅拌900 rpm，通气，泡沫生成量为 培养基的2倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些， 生长速度快些，前期就容易搅拌开。
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（3）菌种、种子质量和接种量
• 代谢参数按性质可分为三类： ➢ 物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、表观
粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等 ➢ 化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、溶氧浓度、
pH、产物浓度、核酸量等 ➢ 生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、
呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等
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• 参数按获取方式可分为两类： 直接参数：如T、pH、罐压、空气流量、搅拌 转速、溶氧浓度等 间接参数：将直接参数通过公式计算获得的 参数，如摄氧率(γ)、呼吸强度(QO2)、比生 长 速 率 （ μ) 、 体 积 溶 氧 系 数 (KLa) 、 呼 吸 商 (RQ)等。
生变化。
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四、 最适pH的选择
• 选择pH准则：获得最大比生产速率和合适的 菌体量，以获得最高产量。
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五、 pH的控制方法
① 调节好基础料的pH。 ② 在基础料中加入维持pH的物质，如CaCO3，
或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等。 ③ 通过补料调节pH。
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在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补 料与调pH没有矛盾时采用补料调pH，如 （1）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH （2）当NH2-N低，pH低时补氨水；当NH2-N低， pH高时补(NH4)2SO4 ④ 当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH
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散热的情况：
③ 蒸发热：空气经发酵液时，发酵液中有部分水汽化，
变成水蒸气，随空气一起排出罐外，这部分水汽化时 带走的热量用Q蒸发表示，假设进出口气体温度相同， 则由通气带走的热量为：
Q蒸发=G（I出-I进），G：空气流量；I：气体热 焓；
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散热的情况：
④ 辐射热：因发酵罐液体温度与罐外周围 环境温度不同，发酵液中一部分热通过 罐体向大气辐射即称为辐射热。
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2.泡沫对发酵的影响
1）降低生产能力 2）引起原料浪费 3）影响菌的呼吸 4） 引起染菌
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3.泡沫的控制
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。
特点：
• 具有时间性； • 具有生物特异性； • 与营养有关；
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② 搅拌热（Q搅拌）
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌 带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体 与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。 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） P——搅拌轴功率 1千瓦时＝860×4186.8焦耳
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发酵过程中泡沫有两种类型：
• 一种是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；
• 另一种是发酵液中的泡沫，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。
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发酵过程泡沫产生的原因 （1）通气搅拌的强烈程度
发酵前期培养基成分丰富，易起泡。 采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。 也可在基础料中加入消泡剂。
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常用的一些消泡剂：
①天然油脂： ②高碳醇、脂肪酸和酯类：十八醇是常用的一种，它
可以单独或与载体一起使用。 ③聚醚类； ④硅酮类；主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物。适用于
微碱性发酵，对于微酸性发酵较差。
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• 其他的消泡剂，如：聚乙二醇等高碳醇消泡剂 多适用于霉菌发酵，硅酮类较适用于微碱性的 细菌发酵。所以，应结合具体产品发酵，试验 上述各种消泡剂的消泡效果，以获得良好的消 泡作用。
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pH对微生物生长和发酵产物合成的影响机制有：
① 影响酶的活性。 ② 影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜的渗透性的变化，
因而影响菌体对营养的吸收和代谢产物的形成。 ③ 影响培养基某些重要的营养物质和中间代谢产物的
离解，从而影响微生物对这些物质的利用。 ④ 影响代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发
第六章 发酵过程控制
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1. 过程控制的重要性
▪决定发 酵水平的 因素
生物因素： 外部环境因素
菌株特性(营养要求、生长速率、
呼吸强度、产物合成速率)
设备性能：
传递性能 物理：n、T、Ws
工艺条件
化学：pH、DO、浓度
过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数 的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的 控制。
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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； 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。
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2）根据培养条件选择
➢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。
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引起发酵液中pH上升的因素
（1）C/N过低（N源过多），氨基氮（NH4＋）释放； （2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多； （3）生理碱性盐的利用； （4）碱性产物形成。
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二、发酵过程中pH的变化规律
• 生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的趋势； • 生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合成的
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4. 温度对发酵的影响
（1）影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的 生长代谢与产物生成。 （2）改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。 （3）影响生物合成方向。 （4）温度对菌的调节机制关系密切。 （5）影响酶系组成及酶的特性。
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5 . 温度的控制
最适温度的选择 1）根据菌种及生长阶段选择 微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同， 所要求的温度范围也不同。
e.g. 丙酮丁醇菌：生长 pH为5.5～7.0；合成pH为4.3～5.3 青霉素产生菌：生长pH为6.5～7.2，合成pH为6.2～6.8 链霉素产生菌：生长pH为6.3～6.9，合成pH为6.7～7.3
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pH影响代谢方向： pH不同，往往引起菌体代谢过程不 同，使代谢产物的质量和比例发生改变。 e.g. 黑曲霉发酵：pH2~3, 柠檬酸；pH接近中性，草酸 酵母菌发酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋 酸和甘油 谷氨酸发酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；pH5.0~5.8, 谷酰 胺和N-乙酰谷酰胺
• 微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生： ①酸性或碱性代谢产物的生成或释放； ②菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。
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引起发酵液中pH下降的因素
（1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使 有机酸积累，pH下降； （2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加； （3）生理酸性盐的利用； （4）酸性产物形成：如有机酸发酵。
– 当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些 分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使 液膜的液体流失，导致泡沫破裂。
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•化学消泡的优点
– 来源广泛； – 作用迅速可靠，消泡效率高； – 不需改造现有设备； – 容易实现自动控制。
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消泡剂选用依据：
① 表面活性剂，具有较低的表面张力（内聚力弱）， 消泡效果明显。
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2. 发酵过程控制的一般步骤
确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法
研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及 其机制，获取最适水平或最佳范围
建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的 关系
通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制 模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制
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3. 参数检测
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应急措施：
• 改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，控 制有机酸的积累量及其代谢速度；
• 改变温度，以控制微生物代谢速度； • 改变罐压及通气量，降低CO2的溶解量； • 改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；
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第三节 泡沫的控制
1、泡沫的产生、性质及变化
形成条件： – 气-液两相共存； – 表面张力大的物质存在；
② 对气-液界面的散布系数必须足够大，才能迅速消 泡；
③ 无毒害性，且不影响发酵菌体；不会在使用、运 输中引起任何危害；
④ 不干扰各种测量仪表的使用； ⑤ 在水中的溶解度较小，以保持持久的消泡性能；
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⑥ 应该在低浓度时具有消泡活性； ⑦ 应该对产物的提取不产生任何影响； ⑧ 应该对氧传递不产生影响； ⑨ 能耐高温灭菌。 ⑩ 来源方便，使用成本低；
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最适
最低 T
最高
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①微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围 相一致。液晶状态是指某些有机物在发生固相 到液相转变时的过渡状态称为液晶态。 ②酶在低温条件下的结构完整性和催化功能。
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③不能低温合成蛋白质。 ④低温微生物可合成冷休克蛋白。 ⑤微生物受高温的伤害比低温的伤害大，低于最 低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死 亡。这就是菌种保藏的原理。
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② 采用机械消泡或消泡剂消泡这两种方法来消 除已形成的泡沫：
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③ 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
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化学消泡
•消泡机理
– 当泡沫的表层存在着极性的表面活性物质而形成双电 层时，可以加入一种具有相反电荷的表面活性剂，以 降低泡沫的机械强度；或加入某些具有强极性的物质 与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，导致泡 沫破裂。
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3）根据菌生长情况
➢菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢， 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。
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第二节 pH对发酵的影响及其控制 一、发酵液中pH变化的基本原理
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参数的测量方法
➢ 离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、 前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨 基酸等）
➢ 在线测量：如T、pH、DO、溶解CO2、尾气 CO2、黏度、搅拌转速等
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第一节 温度控制
1、发酵热
伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热；发酵热 的产生引起发酵液温度变化。在发酵过程中，某些因 素导致热的产生，另外一些因素又导致热量散失。 产热>散热 净热量堆积 发酵液的温度上升； 相反，产热小于耗热，温度下降。
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2.温度对微生物生长的影响
温度影响微生物生长的机理 (1)影响酶活性。 (2)影响细胞膜的流动性。 (3)影响物质的溶解度。
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嗜冷菌适应于0～26℃生长，嗜温菌适应于15～43℃生长， 嗜热菌适应于37～65℃生长，嗜高温菌适应于65℃上生长
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温度对微生物生长的影响具体表现在：
(1)有最适宜温度范围。 (2)高温使蛋白质凝固。耐热能力与pH值有关。
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产热的情况：
① 生物热（Q生物）
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质， 将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能 化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的 能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的 热就叫生物热。
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。
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