第七章发酵

三、温度的控制
2. 温度的控制
❖工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加 热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。
❖利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的 夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。
❖如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的 温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就可采 用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大 工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下 进行发酵。
➢ pH对某些生物合成途径有显著影响。例如，丙酮 丁醇发酵中，细菌增殖的pH范围是5.5～7.0为好， 发酵后期pH=4.3～5.3时积累丙酮丁醇，pH升高则 丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。又 如，黑曲霉在pH=2～3时产生柠檬酸，pH近中性 时，积累草酸和葡萄糖酸。谷氨酸发酵中，pH=7 或微碱时形成谷氨酸，pH酸性时产生N—乙酰谷酰 胺。
➢pH还会影响菌体的形态。例如，产黄青霉细胞壁
的厚度随pH的增加而减小；当pH低于6时，菌丝的
长度缩短，直径为2～3μm，当pH=7或>7时，直径为
2～18μm，酵母状膨胀菌丝的数目增加。pH下降后，
菌丝形态又恢复正常。pH还影响细胞膜的电荷状态， 引起膜的渗透性发生改变，进而影响菌体对营养物
质的吸收和代谢产物的形成。
10. 浊度 11. 料液流量 12. 产物浓度 13. 氧化还原电位 14. 废气中的氧含量 15. 废气中的CO2含量 16. 菌丝形态 17. 菌体浓度
第二节 温度对发酵的影响及其控制
第二节 温度对发酵的影响及其控制
一、温度对发酵的影响
温度对发酵的影响主要表现在对细胞生长、产物合 成、发酵液的物理性质和生物合成方向等方面。
（三）、温度影响生物合成的方向。
例如，在四环类抗生素发酵中，金色链丝菌能同时产 生四环素和金霉素，在30℃时，它合成金霉素的能 力较强。随着温度的提高，合成四环素的比例提高。 当温度超过35℃时，金霉素的合成几乎停止，只产 生四环素。
（四）、温度影响发酵液的物理性质
温度除了影响发酵过程中各种反应速率外，还 可以通过改变发酵液的物理性质间接影响微生 物的生物合成。例如，温度对氧在发酵液中的 溶解度就有很大影响，随着温度的升高，气体 在溶液中的溶解度减小，氧的传递速率也会改 变。另外温度还影响基质的分解速率，例如， 菌体对硫酸盐的吸收在25℃时最小。
（一）、温度影响微生物细胞生长 随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。这是由于生
长代谢以及繁殖都是酶参加的。根据酶促反应的动力学 来看，温度升高，反应速度加快，呼吸强度增加，最终 导致细胞生长繁殖加快。但随着温度的上升，酶失活的 速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生 产是极为不利的。
（二）、温度影响产物的生成量。
四、溶解氧的影响
需氧发酵并不是溶氧越大越好，因为每一种发酵产物都有具体的C临界和 最适氧浓度，需通过实验来确定； 谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸的积累就会明显降低，产生大量的琥 珀酸和乳酸； 天冬酰胺酶的发酵中，前期是好气培养，后期需转为厌气培养（溶氧浓 度下降到45%时，就从好气培养转为厌气培养），可大大提高酶活；
pH值
培养过程中培 养液pH值的大 致变化趋势
培养时间
由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下， 菌体本身具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变 化过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的pH就会 波动。
三、引起发酵液pH值异常波动的因素
pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。
第七章 发酵条件及过程控制
第一节 发酵过程中的代谢变化与控制参数
一、发酵工艺过程控制的重要性
微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合 适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来；
通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产 物，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、pH、溶解氧等参数情 况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境中。
二、溶解氧浓度单位
氧分压（mm Hg）
100%空气饱和水中氧分压是159mm Hg，多在 医疗单位中使用；
绝对浓度（mg O2/L或ppm）
用化学方法来测定，主要在环保单位使用；
饱和度百分数（%）
在发酵行业使用。
三、临界氧（C临界）
临界氧：满足微生物呼吸的最低氧浓度（呼吸临界氧）。对产物而言，
1、pH下降：
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上溶氧不足，致使有机酸大量积累而pH下 降；
② 消泡剂加得过多；
③ 生理酸性物质的存在，铵被利用，pH下降。(糖类氧化不完全
时产生的有机酸，脂肪不完全氧化产生的脂肪酸、铵盐氧化后产生的 硫酸等 )
2、pH上升：
分
菌体 浓度
批
培
养
条
件
稳定期
下
衰亡期
的
典
指数期
时间（t）
型
生
长
延滞期
曲
线
在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系，将 微生物产物形成动力学分为① 生长关联型 和② 非生长关联型。
对于非生长关A联（型葡产萄糖品异，构则酶） 宜缩短菌体的B对（数菌体生浓长度期），
对于生长关联型A产（品杀，念珠可菌素） 采用有利于细胞B生（长菌体的浓培度）
二、影响发酵温度变化的因素
产热因素：生物热（Q生物）、搅拌热（Q搅拌） 散热因素：蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）、显热（Q显）
发酵热（Q发酵）是发酵温度变化的主要因素。 Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射－Q显
为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。
三、温度的控制
1. 最适温度的选择
二、发酵过程的代谢变化规律
从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的菌体 生长、发酵参数的变化（培养基和培养条件）和产 物形成速率这三者之间的关系。
这里介绍分批发酵、补料分批发酵、半连续发 酵及连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征。
（一）、分批发酵
指在一个封闭的培养系统内含有初始限制量的基质的发酵 方式。即一次性投料，一次性收获产品的发酵方式。
是不影响产物合成所允许的最低氧浓度（合成临界氧）；
测定：先加强通氧，使溶解氧上升到最高值，然后中止通气，继续搅拌，
在罐顶部空间充氮，此时用溶氧电极测定，溶解氧会迅速直线下降，当直 线斜率开始减小时的溶解氧即呼吸临界氧值；通过在发酵中维持不同的溶 解氧，考查不同浓度对产物合成的影响，可求得合成临界氧；
① 维持低基质浓度：可以除去快速利用碳源的阻遏效应， 并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；
② 避免培养基积累有毒代谢物；
③ 可以提高设备利用率和单位时间的产量，节省发酵罐的 非生产时间；
④ 便于自动控制。
连续培养的缺点：
➢长时间的连续培养难以保证纯种培养，并且菌种发生 变异的可能性较大，故在工业规模上很少采用。
（二）、补料分批发酵
是指分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培 养方法。
与传统的分批发酵相比，优点在于使发酵系统中维持 很低的基质浓度。低基质浓度的优点： ① 可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的 菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾； ② 克服养分的不足，避免发酵过早结束。
（三）、半连续发酵
➢生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、 以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺，此 方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。
三、发酵过程的主要控制参数
1. pH值（酸碱度） 2. 温度（℃） 3. 溶解氧浓度 4. 基质含量 5. 空气流量 6. 压力 7. 搅拌转速 8. 搅拌功率 9. 粘度
① 培养基中碳、氮比例不当。氮源过多，氨基氮释放，使pH上 升；
② 生理碱性物质存在；(有机氮源、硝酸盐、有机酸 )
③ 中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多。
四、发酵pH值的确定和控制
（一）. 发酵pH值的确定
微生物生长和生物合成都有其最适 和能够耐受的pH范围，大多数细 菌生长的最适pH范围在6.3～7.5， 霉菌和酵母生长的最适pH范围在 3～6，放线菌生长的最适pH范围 在7～8。
最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌 的生长或发酵产物的生成。
选择最适温度应该考虑微生物生长的最适温度和产物 合成的最适温度。
最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体 生长阶段有关。
例如，溶解氧浓度是受温度影响的，其溶解度随温度的 下降而增加。因此当通气条件较差时，可以适当降低温 度以增加溶解氧浓度。在较低的温度下，既可使氧的溶 解度相应大一些，又能降低菌体的生长速率，减少氧的 消耗量，这样可以弥补较差的通气条件造成的代谢异常。
3. 用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。 4. 同一产品的合适pH值，与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。 5. 在确定合适发酵pH值时，不定期要考虑培养温度的影响，若温度提
高或降低，合适pH值也可能发生变动。
（二）. pH值的控制
1. 首先考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们有个 适当的配比，使发酵过程中的pH值变化在合适的范 围内。
2. 在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制； 补充生理酸性物质（如(NH4)2SO4）和生理碱性物质 （控制
一、溶解氧（DO） 氧在水中的溶解度很低，溶解氧最易成为限制 因素； 溶解氧的高低取决于供氧、通气搅拌和需氧状 况的影响； 采用电极测定发酵液中的溶解氧； 溶解氧的变化可提示氧的供需规律及其对生长 和产物合成的影响；
第三节 pH值对发酵的影响及其控制
一、pH值对发酵的影响
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；