发酵工艺控制

值和氨氮含量都低时，补加氨水，就可以达到调节pH 和补充
氨氮的目的。反之， pH值较高，氨氮含量又低时，就补加硫酸 铵。
目前，已比较成功地采用补料的方法来调节pH值，如氨基酸 发酵采用流加尿素的方法，特别是次级代谢产物抗生素发酵，更
种的代谢规律和发酵调控的基本知识对生产的稳定和提高具有重
要的意义。
一、发酵条件的影响及其控制
微生物发酵的生产水平取决于生产菌种的特 性和发酵条件的控制。 了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握反映 菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助 人们有效地控制微生物的生长和生产。
常规的发酵条件：
罐温、搅拌转速、搅拌功率、空气流量、罐压、液位、补 料、加糖、油或前体，通氨速率以及补水等。
（5）影响发酵温度的因素
发酵热
发酵热指的是发酵过程中释放出来的净热 量，以J/(m3· h)为单位表示。
Q Q 生物 Q 搅拌 Q 蒸发 Q 辐射
生物热：生产菌在生长繁殖过程中产生的热叫 生物热。 营养基质被菌体分解产生大量的热能，部分 用于合成高能化合物ATP，供给合成代谢所需要 的能量，多余的热量则以热能的形式释放出来， 形成生物热。 搅拌热：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能。
蒸发热 ：空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后， 进行热交换，必然引起水分的蒸发，被空气和蒸 发水分带走的热量。 Q蒸发 =G（I出-I进） 辐射热：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。
发酵热在整个发酵过程中是随时间变化的。所以，为使 发酵在一定温度下进行，必须采取措施——在夹套或蛇管内 通入冷水加以控制（小型的发酵罐，在冬季和发酵初期，散 热量大于产热量则需用热水保温。）
各种微生物的临界氧值：
细菌和酵母：3~10% 注意： 放线菌：5~30% 霉菌：10~15%
●实际上，呼吸临界氧值不一定与产物合成临界氧值相同。
●生物合成临界氧浓度并不等于其最适氧浓度。 ●在培养过程中并不是维持溶氧越高越好。过高的溶氧对生长
可能不利。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（2）溶氧作为发酵异常的指标
生长过程从培养液中溶氧浓度的变化可以反映菌的生长
在微生物的培养过程中，应保持供氧与耗氧的平衡， 满足微生物对氧的利用。
（1）临界氧
发酵生产中用空气饱和度百分数来表示溶氧浓 度。这只能在相似的条件下，在同样的温度、罐压、 通气搅拌下进行比较。 这种方法能反映菌的生理代谢变化和对产物合 成的影响。
临界氧：不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度，如对产物而
言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度。
★ 菌龄影响耗氧：
呼吸旺盛，耗氧力强，发酵后期菌体处于衰老状 态，耗氧能力自然减弱。
★ 发酵条件影响耗氧：
在最适条件下发酵，耗氧量大。 发酵过程中，排除有毒代谢产物如二氧化碳、挥发性 的有机酸和过量的氨，也有利于提高菌体的摄氧量。
★ 空气的流速
KL a 随空气流速的增加而增大，但空气速度过
大，则可使叶轮 发生过载，即叶轮不能分散空
KL——氧传质系数，m/h； a——比表面积（m2/m3) c*——氧在水中的饱和浓度，mmol/L； cL——发酵液中的溶氧浓度， mmol/L。
作用机理
投资
中到低 高 中 低 低 中 中到高 中 中
运转成 本
高 低 低 低 低 低 低 低 中
效果
好 好 好 中 变化 好 中 高 好
对生产作用
好 好 好 不定 不定 不定 好 小规模 好
★ 空气分布器对通气效率的影响
发酵罐中装有多孔分布器和单孔分布器，在气 流速度很低时，多孔分布器有较高的通气效率。但 两者的区别随着气流速度的增加而逐渐减少。
可能是低气流时多孔分布器可形成更大的传递
面积，而当通气量增大时，单孔分布器能更大的增 加发酵液的湍动程度。
各种溶氧控制方法的比较
方法
气体成分 搅拌速度 挡板 通气速率 温度 基质浓度 罐压 电解生产氧 传氧中间介质
(3) 温度对发酵液物理性质的影响
＃影响氧在发酵液中的溶解度
温度
溶氧
＃影响基质的分解速率
如菌体对硫酸盐吸收在25℃时最小
(4) 温度对生物合成方向的影响
金色链丝菌
30℃ 金霉素 35℃ 四环素
研究发现，温度与微生物的调节机制关系密切。例如， 在20℃时，氨基酸末端产物对其合成途径的第一个酶的反馈 抑制作用，比在其正常生长温度37℃时更大。
等成分，它们在发酵过程中要影响pH的变化，特别是 CaCO3能与酮酸等反应，而起到缓冲作用，所以它的用量
比较重要。在分批发酵中，常采用这种方法来控制pH的变
化。
利用上述方法调节pH值的能力是有限的，如果达不到要求， 可以用在发酵过程直接补加酸或碱和补枓的方式来控制，特别 是补料的方式，效果比较明显。 现在常用的是以生理酸性物质(硫酸铵)和碱性物质(氨水)来 控制。它们不仅可以凋节pH值，还可以补充氮源。当发酵的pH
种酶催化下进行的，温度是保证酶活性的
重要条件，因此在发酵系统中必须保证稳
定而合适的温度环境。
(1) 温度对微生物生长的影响
大多数微生物在20-40℃的温度范围内生长。嗜冷菌在温 度低于20℃下生长速率最大，嗜中温菌在30-35℃左右生长， 嗜热菌在50℃以上生长。
(2) 温度对发酵过程的影响
温度对青霉菌生长速率、呼吸强度和青霉素生产速率的影 响如上图所示。可以看出，温度对参与生长繁殖、呼吸和青霉 素形成的各种酶的影响是不同的。
C*变化 KLa变化 KLa变化 KLa变化 C*、氧需求变化 氧需求变化 C*变化 C*变化 KLa变化
3、 pH对发酵的影响和及其控制
发酵过程中培养液的pH值是微生物在
一定环境条件下代谢活动的综合指标，是
一项重要的发酵参数，它对菌体的生长和
产品的积累有很大的影响。
（1） pH对发酵过程的影响
微生物生长和生物合成的最适pH
微生物生长： 细菌（6.3~7.5), 霉菌和酵母菌（3~6), 放线菌（7~8) 微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH往往不
一样，这不仅与菌种的特性有关，也取决于产物的化
学性质。
几种抗生素发酵的最适pH范围
产品 青霉素 链霉素 四环素 土霉素 红霉素 灰黄霉素
菌生长最适pH范围 6.5~7.2 6.3~6.9 6.1~6.6 6.0~6.6 6.6~7.0 6.4~7.0
表征过程性质的状态参数：
pH、溶氧（DO）、溶解CO2、氧化还原电位、尾气O2和 CO2 含量、基质或产物浓度、代谢中间物或前体浓度、菌浓 等。
间接状态参数： 比生长速率、摄氧率、释放速率（CER）、呼吸商（RQ）、 基质消耗速率和产物合成速率等。
1、温度对发酵的影响和及其控制
微生物的生长和产物的合成都是在各
气，气体不经分散而沿搅拌器缓慢运动的中心
迅速上升而逸出。
★ 培养液的物理性质
发酵液的表面张力、粘度、离子浓度等都会影响 气体的溶解度，还影响液体的湍动以及界面和液膜的 阻力，因而影响传递效率。
发酵液中菌丝浓度增大，表观粘度增大，通气效
率下降。
发酵过程中添加糖、花生饼粉等营养物质、前体
或无菌水、消泡剂等均可改变培养液的理化性质。
氧是一种难溶于水的气体。在25℃，1×105Pa条件下，
纯氧在水中的溶解度为1.26mmol/L，在28℃氧在发酵液中的
溶解度只有0.22 mmol/L，而发酵液中的大量微生物耗氧迅 速（耗氧速率大于25~100 mmol/L.h。
在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的
重要限制因素之一。
好氧微生物的生长和代谢活动都需要消耗氧气，它们 只有在氧分子存在的情况下才能完成生物氧化作用。 液体中的微生物只能利用溶解氧，气液界面处的微 生物还能利用气相中的氧。 强化气液界面也将有利于供氧。
（3） 最适pH的选择和调节
选择最适pH的原则：既有利于菌 体的生长繁殖，又要最大限度地使 产物合成获得高的产量。
控制pH的方法
考虑发酵培养基的基础配方，使之有适当的比例，使 发酵过程pH 的变化在适合的范围内。 因为培养基中含有代谢产酸[如葡萄糖产生酮酸、(NH4)2
SO4 ]和产碱 [如NaNO3 、尿素]的物质以及缓冲剂[如CaCO3 ]
生理状况。 发酵溶氧变化异常，可及时预告生产可能出现的问题。 ★操作故障或事故 ★中间补料是否得当 ★污染杂菌：溶氧会反常地迅速（一般2~5h)跌到零，并长时间不回
升。这比无菌试验发现染菌要提前几个小时。但有时会出现染菌后溶氧
反而升高的现象。
（3）溶氧的控制
需 氧 方 面 微生物的“需氧” 可用耗氧速率或呼吸强度来表示：
耗氧速率（oxygen uptake rate)：指单位体积的培养液在
单位 时间的耗氧量。单位为 mmol O2/(L· h)，用r表示 呼吸强度（respiratory strength)：单位质量的细胞干重在 单 位时间的耗氧量。单位为 mmol O2/(g · 干细胞 · ，用 h) Ｑo2表示
两者的关系：
r Q O2 X
式中，r——摄氧率，mmol O2/(L· h)； QO2——呼吸强度，mmol O2/(g菌· h)； X——菌浓，g/L。
在发酵过程中，影响耗氧的因素有以下几方面：
★ 培养基成分和补料
培养基的成分和浓度显著影响耗氧；培养液营养 丰富，菌体生长快，耗氧量大；发酵浓度高，耗氧量 大；发酵过程补料或补糖，微生物对氧的摄取量随着 增大。
pH影响菌体的生长和产物的合成： （1）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； （2）细胞膜的电荷状态：引起膜渗透性的变化，从而影 响菌对养分的吸收和代谢产物的分泌 （3）对某些生物合成途径有显著影响： pH值往往引起菌 体代谢过程的不同，使代谢产物的产量和比例发生改变。
• 应根据发酵的不同时期，选择不同的培养温度。生长 阶段，选最适生长温度，在产物分泌阶段，选最适生 产生产温度。即变温控制。 • e.g 青霉素变温发酵：起初5小时，维持在30 C ，以 后降到25 C培养5小时，再降到到20 C培养28小时， 最后又提高到25 C ，培养40小时，放罐。青霉素的 产量比在25 C恒温发酵条件下提高14.7%。
性。
引起培养液的pH发生波动的因素
引起pH下降的因素：
1）培养基中碳、氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过 量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大量积 累 2）消沫油加得过多 3）生理酸性物质的存在
引起pH上升的因素：
1）氮源过多 2）生理碱性物质存在 3）中间补料中氨水或尿素等的碱性物质加入过多
产物合成最适pH范围 6.2~6.8 6.7~7.3 5.9~6.3 5.8~6.1 6.8~7.3 6.2~6.5
（2） 发酵过程中pH的变化
发酵过程中，由于菌种在一定温度及通气条 件下对培养基中碳、氮源等的利用，随着有机酸
或氨基氮的积累，会使pH产生一定的变化。这
种变化的根源是培养基的成分和微生物的代谢特
第七章 发酵工艺控制
温度、pH、氧气、二氧化碳、泡沫
发酵染菌的防治与处理 发酵终点的判断等
发酵是一种很复杂的生产过程，其好坏涉及诸多因素，如菌 种的生产性能、培养基的配比、原料质量、灭菌条件、种子质量、 发酵条件和过程控制等。 研究意义： 1、不论是老或新品种，都必须经过发酵研究这一阶段，以考察其 代谢规律、影响产物合成的因素，优化发酵工艺条件。 2、高产菌种对工艺条件的波动比低产菌种更敏感，故掌握生产菌
（6） 最适温度的选择
所谓最适温度是指在该温度下最适于菌的生
长或产物的合成。对不同的菌种、不同的培养条
件、不同的酶反应以及不同的生长阶段，最适温 度有所不同。
★在不同的发酵阶段选择不同的温度
最适生长温度与最适生产温度往往是不一致的。如乳酸发 酵，乳链球菌最适生长温度是34C，而产酸最多的温度是30 C ，但发酵速度最高的温度达40 C 。青霉素产生菌的最适生 长温度为30℃，但产生青霉素的最适温度是24.7℃。
★参考其它发酵条件
例如，通气条件较差的情况下，可以适当降低温度， 一方面增加溶解氧浓度，另一方面降低菌体的生长速率，
以弥补因通气不足而造成的代谢异常。
★考虑培养基成分和浓度
例如，在使用较稀薄或较易利用的培养基时，提高温 度则养分往往过早耗竭，导致菌丝过早自溶，产量降低。
2、溶氧对发酵的影响和及其控制