7 发酵过程控制

4. 温度对产物合成的影响

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。 e.g. 青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol
青霉素合成活化能E2=112kJ/mol
∴青霉素合成速率Байду номын сангаас温度较敏感
4. 温度对产物合成的影响

改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。 影响生物合成方向。

dC L 0，OTR>γ dt



当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平衡通常发生
在正常情况的前、后期。

平衡点分析：
dC L 0，OTR<γ dt
②当CL↓（如对数生长期γ 很大），
∵ OTR KLa C CL ， CL , C CL , OTR
dC L ∴OT R γ ， 0 ，称低位平衡。 dt
e.g. 丙酮丁醇菌：生长 pH为5.5～7.0；合成pH为4.3～5.3
（2）pH对产物合成的影响

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
2. 温度对微生物生长的影响
dx x x dt

1 dx x dt
当μ>>α时，α可忽略，微生物处于生长状态。μ、α皆与T有 关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：
A1e

E RT
A 2e E
RT
∵Eμ＜Eα
∴死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感
嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系
因而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的分泌。 影响培养基某些重要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
（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。 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
下，控制基质浓度→限制μ、x→ 限制γ →控制溶解氧
（六）CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制 1. 定义 2. 发酵过程中CO2释放率的变化 3. CO2对发酵的影响
1. 定义

呼吸商（RQ）：指菌体呼吸过程中，CO2释放率和菌的耗
氧速率之比，RQ反映菌的代谢情况。

菌体耗氧速率 OUR，molO2/L· h
（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。
1）发酵液中pH变化的基本原理（续）

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。
，但同时会增加CO2的溶解度，影响pH及可能会影响 菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。
改变发酵液理化性质（ σ ， ，Ii） C 加消泡剂，补加无菌水，改变培养基成分→改变KL 改变温度：
提高推动力（C*－CL）

（3）溶解氧控制的工艺方法（续）

耗氧方面

限制性基质的流加控制（补料控制）：在OTR一定情况
（1）影响溶解氧（DO）的因素
两大类
供氧 耗氧
dt
以关系式表示： dC L OTR K La C C L Q O 2 x 影响供氧的因素：C*- CL 影响耗氧的因素： γ
温度、溶质、溶剂、氧分压
KLa 设备参数、操作参数、发酵液特性 菌种特性、培养基成分和浓度、菌 龄、培养条件（T、pH）、代谢类型
（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一
控制方法
溶氧和补糖控制系统 溶氧和pH控制的系统
（3）溶解氧控制的工艺方法：从供氧、需氧两方面考虑

供氧方面：
提高氧分压（氧分含量），即
，提高供氧能力
改变搅拌转速：通过改变KLa来提高供氧能力 通气速率Ws ↑：Ws增加有上限，引起“过载”、泡沫 C 提高罐压：
（2）CO2对细胞的作用机制

“麻醉”作用
CO2及HCO3-都会影响细胞膜的结构，使膜的流动 性及表面电荷密度发生变化，导致许多基质的跨膜运 输受阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻 醉”状态，细胞生长受到抑制，形态发生改变。
（3）CO2对菌体生长及产物形成的影响

CO2↑, 基质分解速率↓，ATP ↓ ，中间产物↓或形态变异 导致产量↓ 高浓度CO2抑制作用的独立性: 只要CO2在培养液中浓度 过量，即使供氧充足（CL>CCr），CO2的抑制作用不能 解除，这种负作用在放大过程更明显。 正确评价通气的作用：
（2）发酵过程中溶氧变化规律

批式发酵无DO控制情况下，溶氧变化规律为“波谷现象”
CL
x
QO2

随时间变化的关系 溶氧、x、QO2、

平衡点分析： ①当CL↑，即
∵ OTR K La C CL ，CL , C CL , OTR ∴OTR逐渐↓至OTR=γ，即
dC L ，高位平衡 0 dt
低位平衡通常发生在正常情况下的对数期。
值得注意的几点

CL , OT R 自然“波谷现象”，一般可以自适应调节（ ） 当 CL CCr ，则需要控制，增加OTR，防止需氧受阻。 补料与“波谷现象”对应：即补料时间、剂量选择与溶 氧变化有关。 a. 不能在波谷时补料，加重缺氧 b. 一次补料不能过量，防止 CL CCr ， 菌体停止呼吸、死亡 c.每次补料都会引起一次大的溶氧下降。
2. 温度对微生物生长的影响(续)


在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加， 当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅 速下降。 不同生长阶段的微生物对温度的反应不同 处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。 对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的 条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破 坏作用较弱。 处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于 溶解氧，而不是温度。
过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑
制作用
（2）溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一
控制原理
发酵过程中， 糖量↑→ x ↑, QO2 ↑ → γ ↑ → CL↓ 糖量 ↓ → QO2 ↓ → γ ↓ → CL ↑
补糖使CL下降，而CL回升的快慢取决于供氧效率。
对于一个具体的发酵，存在一个最适氧浓度（Cm）水 平，补糖速率应与其相适应。
常良好通气条件下低一些。

培养基成分和浓度的影响
5. 最适温度的选择与控制

变温培养：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒
温培养所获得的产物有较大幅度的提高。
e.g. 四环素发酵：0~30h稍高温度→30~150h稍低温度 →150h后升温发酵 青霉素发酵：30℃, 5h→25 ℃, 35h →20 ℃, 85h → 25 ℃, 40h；产量提高14.7％
CO 2
x CER ，CCO2出
（2）CER变化规律

CO2积累量渐增，与x曲线对应，基本类似S型曲线变化； 当工艺和设备参数一定的情况下，CER与x有比例关系
（CER∝菌体生长速率）；

CO2浓度变化与O2浓度变化成反向同步关系。
∫[CER]dt，菌体干重的时间曲线 1- [CER]dt；2-菌量
菌体CO2释放率CER，molCO2/L· h
CER RQ OUR
（1）影响尾气中CO2浓度的因素

通入空气量： VVM , CCO 2出 呼吸强度： QO2 QCO2 ，CCO2出 CO2溶解度：T、P T , CCO2出 ；P ，CCO2出

菌体量：x Q
e.g. 四环素发酵中金色链霉菌：T<30℃，产生金霉素； T达35 ℃，产生四环素； 谷氨酸发酵中扩展短杆菌： 30℃培养后37 ℃发酵， 积累过量乳酸。

温度对菌的调节机制关系密切 。
4. 温度对产物合成的影响

影响酶系组成及酶的特性。 米曲霉制曲：温度控制在低限，有利于蛋白酶 合成 凝结芽孢杆菌的 α-淀粉酶热稳定性： 55℃培养 → 90℃保 持 60min ，剩 留 活性 为 88%~99% ； 35℃培养 → 经相同条件处理，剩余活性仅有 6%~10%。
（四）pH对发酵的影响及其控制
1. 发酵对pH的影响 2. pH值对发酵过程的影响 3. 最适pH的选择 4. 发酵过程中pH的调节与控制
1）发酵液中pH变化的基本原理

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。

引起发酵液中pH下降的因素
（2）溶解氧对产物合成的影响

最适氧浓度（Cm）：溶氧浓度对产物合成有一个最适
范围，CL过高或过低，对合成都不利。 e.g.卷须霉素：12~70h之间，维持CL 在10%比在0或 45%的产量要高。
（1）溶解氧控制的一般原则

生长阶段： CL CCr
产物合成阶段： CL Cm
即可
即可
CL Cm，加大补糖速率
CL Cm ，减小补糖速率 实现用溶解氧水平控制补料速率
（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一
控制原则
补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓“半饥饿 状态”，使其仅能维持正常的生长代谢，即把更 多的糖用于产物合成，并永远不超过罐设计时的 KLa水平所能提供的最大供氧速率。
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
3. 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。
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
（1）pH调节方法




配制合适的培养基，有很好的缓冲能力； 发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂 (NaOH、HCl、CaCO3)； 发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH； 酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4＋) 碱性基质：NO3－盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素 原则: ①残糖高时，不用糖调pH ②残N高时，不用生理盐调pH pH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH

5. 最适温度的选择与控制

定义：最适温度是指在该温度下最适于菌的生 长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一 定条件下测得的结果。
二阶段发酵 e.g.青霉素发酵：菌体生长期,30 ℃ 青霉素合成分泌期, 20 ℃

5. 最适温度的选择与控制

最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握

通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正
(三)温度对发酵的影响及其控制
1. 影响发酵温度的因素 2. 温度对微生物生长的影响 3. 温度对基质消耗的影响 4. 温度对产物合成的影响 5. 最适温度的选择与控制
(1)发酵热

发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
(2)生物热


来源 ：微生物对营养物质的分解所释放的能量 影响因素： 菌株 培养基成分 发酵时期 生物热与其它参数的关系 ①呼吸强度QO2 当产生的生物热达到高峰时，菌的呼 吸强度最大，糖的利用速率也最大， ②糖利用速率 可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。
（1）溶解氧对生长的影响

临界氧浓度（CCr）： 指不影响菌体呼吸所允许的最低 氧浓度。

当 CL CCr 时,
QO2 QO2 m
呼吸不受抑制

当 CL CCr 时, QO 2
QO2 m CL
K 0 CL
QO 2 m 呼吸抑制
∴对生长应满足 CL CCr , 但并不是越高越好
2）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 成的范围 自溶阶段：pH又上升


（1）pH对微生物生长的影响
pH对生长的影响机制 对E合成的影响 对E活性的影响 对ATP生产率影响：AT P, x 影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜的渗透性的变化，