8.发酵条件及过程控制

问题5
发酵热包括哪些热？ Q发酵= Q生物+ Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
Hale Waihona Puke Baidu
8.1.4 最适温度的选择与发酵温度的控制
（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。如： 黑曲霉生长温度为37 ℃ ， 谷氨酸棒状杆菌的生长温度为30～32 ℃ ， 青霉菌生长温度为30 ℃ 。
第8章 发酵工艺控制
影响发酵过程的因素

菌体生产能力
温度 溶解氧浓度 泡沫
基质含量
pH 搅拌转速、搅拌功率 尾气中的氧气和二氧化碳

罐压力、料液流量、粘度、浊度、产物浓 度、氧化还原电位、菌丝形态
8.1 温度对发酵的影响及调节控制
温度对微生物生长的影响、对代谢产物合成的影响
8.1.1 温度对微生物生长的影响 （1）微生物对低温的适应能力强于对高温的适应能力
（3）温度影响多组分次级代谢产物的比例

在20℃发酵时黄曲霉所产生的黄曲霉毒素G1 与B1的比例为3:1，25℃时为1:2，30℃为1:1.
（4）温度影响微生物的代谢调控机制
（5）温度还影响基质溶解度、发酵液的物理性 质如黏度

因此对发酵过程中的温度要严格控制。

8.1.2 影响发酵温度的因素
发酵过程中，随着微生物对营养物质的利用、机 械搅拌的作用，将会产生一定的热量；同时由于发酵 罐壁的散热、水分的蒸发等将会带走部分热量。
问题1
生物热来源于培养基中的什么物质？
在发酵的哪一阶段，微生物产生的 生物热最大？
问题2
生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸和厌氧发酵产生的热量对比
1mol葡萄糖彻底氧化成CO2和水
好氧：产生287.2 KJ热量，
183 KJ转变为ATP+104.2 KJ 生物热释放
厌氧：产生22.6KJ热量，
8.3 氧对发酵的影响及其调节控制
溶氧（DO）是好氧微生物生长繁殖、产生 代谢产物必需的，而微生物只能利用溶解到液 体中的氧，故溶氧往往是最易成为控制因素。
28℃，氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度 只有0.25 mmol/L左右，比糖的溶解度小7000倍。 在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％ 空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可 在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。
目前已有适合于发酵过程pH值的测 量的电极，连续测量并记录pH值的变化， 用于控制和监测发酵pH值 。
例： 异亮氨酸发酵
不同pH控制方式对目的突变株ISw330异 亮氨酸摇瓶发酵的影响 “1”表示只加CaCO3控制pH值， “2”表示只加尿素控制， “3”表示CaCO3和尿素联合控制pH值。
发酵的不同阶段采取不同的pH值
pH在微生物培养的不同阶段影响不同
pH对菌体生长影响比产物合成影响小 青霉素：菌体生长最适 pH3.5~6.0, 产物合成 最适pH7.2~7.4 四环素：菌体生长最适 pH6.0~6.8，产物合成
最适pH5.8~6.0
8.2.4 发酵过程中pH的控制
配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况
pH对产海藻酸裂解酶的影响
pH 6.9，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产酸有利。 采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵前期控制pH6.9， 到48h后pH值为7.15，到80h后pH值为7.25。 产率22.27g/L，产酸率提高12.23％。
pH控制是一项非常细致的工作，不仅
考虑最佳pH值，而且要根据生长阶段
考察对pH的要求。
（2）微生物的生长阶段不同，温度对其影响不同，
不同的温度范围内，对微生物的影响也不相同。

a.在最适生长温度范围内，微生物的生长速度会随温 度升高而加快。
b.不同生长阶段的微生物对温度变化的反应也不一样

发酵的最适生长温度是什么 ？ ——微生物生长繁殖最快的温度
不同微生物的生长对温度的要求不同，据此， 将微生物大致可分为四类： 嗜冷菌：0～26℃； 嗜温菌：15～43 ℃ ； 嗜热菌：37～65 ℃ ；嗜高温菌：65 ℃以上
例：pH对L-异亮氨酸发酵的影响（天津科技大学）
菌株最适生长pH控制在6.8～7.0
不同pH值对菌体的形态影响很大： 当pH＞7.5时，菌体易于老化，呈现球状； 当pH＜6.5时菌体同样受抑制，易于老化。 在7.2左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形； 在6.9左右时，菌体处于生长期，呈“八”字形状并占 有绝对的优势。
（2）氮代谢：当氨基酸中的-NH2被利用后pH会↓ ； 尿素被分解成NH3，pH↑，NH3利用后pH↓，当碳源 不足时氮源当碳源利用pH↑。 （3）生理酸、碱性物质利用后pH会↑或↓。
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↓，红霉素、螺旋霉素等抗
生素呈碱性，使pH↑。
根据菌种及生长阶段选择
根据培养条件选择
菌种的生长情况
8.2
pH对发酵的影响及调节控制
8.2.1 pH值对发酵过程的影响

pH值对微生物生长和代谢产物形成都有很大影响

培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活
动的综合指标，是发酵过程中重要参数
（1）不同的微生物对pH值的要求不同 每种微生物都有生长最适的和耐受的pH值

黑曲霉生长37 ℃ ，产糖化酶32～34 ℃ 。
黄原胶的发酵生产，菌体生长的最适温度 为27℃，黄原胶的产生温度则在32℃ 谷氨酸产生菌生长30～34 ℃ ，产谷氨酸 36～37 ℃ 。

（2）根据培养条件选择
通气条件差时可适当降低温度，使菌体呼吸速率 降低些，溶氧浓度也可高些。
培养基稀薄时，温度也低些。因为温度高营养利
9.6 KJ转变为ATP+13 KJ生物热释放
转化为高能化合物的转化率分别为63.7％和42.6％
生物热的产生具有明显的阶段性，与呼吸作用强弱有关
发酵初期，菌体呼吸作用缓慢，产生热量较少。 菌体在对数期，繁殖迅速，呼吸作用强，产生的 热量多，温度上升快，必须注意控制温度。 发酵后期，菌体繁殖↓，主要靠菌体内的酶系进行 代谢作用，产生热量不多，温度变化不大。 如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢， 发酵不正常。 如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌。 培养基营养越丰富，生物热也越大。
微生物 丙酮丁醇菌 青霉素产生菌
菌体生长最适 发酵产物形成最适 pH值 pH值 5.5~7.0 4.3~5.3 6.5~7.2 6.2~6.8
8.2.2 发酵过程中发酵液的pH值 为什么会发生变化？
1、基质代谢
（1）糖代谢：快速利用的糖分解成小分子酸、醇使
pH↓。 若pH上升则糖缺乏，是补料的标志之一。
在pH控制中要采用合适的调节方法。
对 发 酵 的 影 响
pH影响酶的活性
pH值影响微生物细胞膜所带电荷的 改变
pH值影响培养基某些成分和中间代 谢物的解离 pH影响代谢方向
pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
基础培养基调节pH
pH 的 控 制 方 式
在基础料中加入维持pH的物质
通过补料调节pH 当补料与调pH发生矛盾时，加 酸碱调pH 选择合适的pH调节剂 发酵的不同阶段采取不同的pH值

（1）温度升高，微生物的生长和代谢速 度会加快，发酵产物会提前生成。 但温度过高可能会造成酶的受热失活， 微生物菌体容易过早衰老和自溶，从而 缩短发酵周期，降低发酵产量。

（2）温度影响微生物的生物合成方向
金色链霉菌具有产生金霉素和四环素能力.

温度低于30℃时，合成金霉素能力较强；

温度提高，合成四环素的比例也提高，温度 达到35℃时，几乎只产生四环素。
方法对pH值进行适当的调节和控制。
PH值调节和控制的方法有哪些 ？
（1）调节培养基的原始pH值。或加缓 冲溶液（如磷酸盐）制成缓冲能力强、 pH值变化不大的培养基，或使盐类和碳 源的配比平衡。 （2）可在发酵过程中加入弱酸或弱碱 进行pH值的调节。也可通过调整通风 量控制pH值。
（3）补料调节：它既调节了培养液的pH值， 又可补充营养，增加培养液的浓度和减少阻遏 作用，进一步提高发酵产物的产率。 例如：谷氨酸发酵中pH的调节 （4）加入碳酸钙法：采用生理酸性铵盐作 为氮源时，会引起发酵液pH值的下降，可 加入碳酸钙来调节pH值。但在操作上很容 易引起染菌。
3、菌体自溶，pH上升
发酵后期，pH上升。
8.2.3 pH改变影响微生物生长及产物形成的原因
（1）pH影响酶的活性：当pH值抑制菌体某些酶的活 性时，菌体的新陈代谢受阻； （ 2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷：从而改变细 胞膜的透性，影响对营养物质的吸收及代谢物的排泄， 因此影响新陈代谢的进行； （ 3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离： 从而影响微生物对这些物质的利用 。 （4）影响微生物的生物合成方向：发酵液的pH 变化 往往引起菌体代谢途径的改变，从而使代谢产物的产 量发生改变。
※尽管在发酵过程中，微生物本身具有使生长适
应pH值的能力，但是当外界的条件发生较大的
变化时，微生物就失去了自身的调节能力，发
酵液的pH值就会发生波动。 ※为使微生物能在最适的pH值范围内生长、繁殖 和发酵，首先应根据不同微生物的特性，不仅 在原始培养基中要控制适当的pH值，而且在整 个发酵过程中，必须随时检测pH值的变化情况， 根据发酵过程中的pH值变化规律，选用适当的

每种微生物对温度的要求可用最低温度、最 适温度、最高温度来表征。 在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速 度非常缓慢，世代时间无限延长。


在最适温度下，微生物的生长速率随温度升高 而增加，微生物生长迅速； 微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过 最高温度，微生物很快死亡；

8.1.1.2 温度对发酵过程的影响
﹠ 发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量 的菌体，稍高的温度，使菌生长迅速； ﹠ 发酵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，因此中期温度要稍低一些， 可以推迟衰老。 ﹠ 发酵后期，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。
多数情况下，微生物的生长和发酵产物的合成所需要 的最适温度不一样
搅拌热（Q搅拌）
问题3
搅拌热是如何产生的？
对于机械搅拌通气式发酵罐，由于机 械搅拌带动培养液作相应的比较剧烈的运 动，造成液体之间、液体与搅拌器等设备 之间的摩擦，会产生相应的热量。
搅拌热与搅拌轴功率的关系： Q搅拌＝P×860×4186.8（焦耳/小时） P—搅拌轴功率 4186.8——机械能转变为热能的热功当量

发酵热（Q发酵）：发酵过程中产生的净热量。单位 kJ/(m3· h)。 包括生物热、搅拌热、蒸发热以及辐射热 。
发酵热引起发酵液的温度上升。
发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。
生物热（Q生物）
在发酵过程中，菌体不断将营养物质氧化分解，产生的能量， 一部分用于合成高能化合物如ATP，供细胞合成和代谢活动 一部分用于合成代谢产物 一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。
用快，会使菌过早自溶。
（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。
总之，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条 件综合考虑。通过反复实践来定出最适温度。
最 适 温 度 的 选 择
（5）氨水流加法：加氨水调节，同时又可把氨 水作为氮源，采用自动控制连续流加方法。 同时根据微生物的特性、发酵过程的菌体生长情 况、耗糖情况等。一般控制在pH值7.0-8.0。
（6）尿素流加法：引起的pH值变化有一定的规 律性，易于控制操作。尿素分解释放氨，使pH 值↑；氨被利用和形成代谢产物，使pH值↓，再 次反复进行流加就可维持一定的pH值。
蒸发热（Q蒸发）
通气时，空气进入发酵罐后就与发酵液进行广泛的接触， 除部分氧等被微生物利用外，大部分气体仍从发酵液中 逸出。通气还引起发酵液的水分蒸发，被空气和水分带 走的热量叫蒸发热。
辐射热（Q辐射）
发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过 罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。 冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5％
微生物
最适pH
细菌
放线菌 酵母菌 霉菌
6.5~7.5
6.5~7.5 4.0~5.0 5.0~7.0
（2）pH值不同，微生物形成的发酵产物不同
微生物 黑曲霉
pH值 2-3
发酵产物 柠檬酸
近中性
4.5-5.0
草酸
酒精 酒精、醋酸、 甘油
酵母菌
8.0
（3）微生物的生长、发酵产物形成的 最适pH值通常不同