第七章 发酵工艺控制
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07 第七章 发酵工艺过程控制 20171024 课后
第七章发酵工艺过程控制11. 发酵工艺过程控制2. 温度对发酵的影响及其控制3. pH值对发酵的影响及其控制4. 溶解氧对发酵的影响及其控制5. 泡沫对发酵的影响及其控制6. 补料（基质浓度）控制7. 发酵过程中的参数检测8. 高密度发酵21.发酵工艺过程控制3发酵过程控制的重要性•过程控制的内容：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。
•过程控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使所需要的代谢活动得以最充分的表达，以最经济、最大限度地获得发酵产物。
决定发酵水平的因素外部环境因素生物因素：菌株特性(营养要求、生长速率、产物合成速率)设备性能: 传递性能工艺条件物理：T 、Ws化学：pH 、DO 、基质浓度4工业微生物发酵过程52.温度对发酵的影响及其控制影响发酵温度变化的因素温度对微生物生长的影响温度对基质消耗的影响温度对产物合成的影响最适温度的选择与控制62.1 影响发酵温度的因素发酵热就是发酵过程中所产生的净热量Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射产热因素：生物热机械搅拌热散热因素：蒸发热辐射热7（1）生物热Q生物生物热是生产菌在生长繁殖过程中产生的热能。
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化产生能量，一部分用于合成ATP提供细胞代谢产物合成需的能量，另一部分以热的形式散发，这散发出来的热就叫生物热。
影响生物热的因素：菌株发酵类型、培养基、发酵时期8生物热与发酵类型有关微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。
和水一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2好氧：产生287.2千焦耳热量，–183千焦耳转变为高能化合物–104.2千焦以热的形式释放厌氧：产生22.6千焦耳热量，–9.6千焦耳转变为高能化合物–13千焦以热的形式释放9培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性细胞呼吸量强弱与生物热的大小有关：1.在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。
发酵工艺过程控制
第七章发酵工艺过程控制发酵产品生产过程是非常复杂的生物化学反应过程。
为了使生产过程达到预期的目的，获得较高的产品得率，只有采取各种不同方法测定生物代谢过程中代谢变化的各种参数，掌握代谢过程的变化情况，结合代谢控制理论，才能有效控制发酵过程。
不管是微生物发酵还是动植物细胞的培养过程，均是细胞按照生命固有的一系列遗传信息，在所处的营养和培养条件下，进行复杂而细微的各种动态的生化反应的集合。
为了充分表达生物细胞的生产能力，对某一特定的生物来讲，就要研究细胞的生长发育和代谢等生物过程，以及各种生物、理化和工程环境因素对这些过程的影响。
因此研究菌体的培养规律、外界控制因素对过程影响及如何优化条件，达到最佳效果是发酵工程的重要任务。
本章主要介绍微生物发酵的工艺过程控制。
第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数前已述及微生物发酵有三种方式即分批发酵(batchfermentation)、补料分批发酵(fed-batchfermentation)和连续发酵(continuousfermentation)。
工业上为了防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题，大都采用分批发酵或补料分批发酵这两种方式。
其中补料分批发酵已被广泛采用，因为它的技术介于分批发酵和连续发酵之间，兼有两者的优点，又克服了它们的缺点。
各种不同发酵方式菌体代谢变化也不相同，但为了了解其基本变化，仍以分批发酵为基础来说明其代谢规律。
微生物的分批发酵过程，因其代谢产物的种类不同而有一定的差异，但大体上是相同的。
产生菌体经过一定时间不同级数的种子培养，达到一定菌体量后，移种到发酵罐进行纯种和通气搅拌发酵（发酵工业中，绝大部分是好氧发酵），到规定时间即结束。
如在霉菌、放线菌的发酵过程中，随着菌体的生长和繁殖，培养液的物理性质、菌体形态和生理状态都可能会发生显著的变化，如：培养液的表观黏度可能增大，液体的流变学特性改变，进而影响罐内的氧传递、热传递和液体混合等过程。
7发酵工艺控制(1引言-2发酵过程原理)【发酵工程】
，这时α>μ，生长呈负增长。 工业发酵一般不会等到菌体开始自溶时才结束培养。
发酵周期的长短不仅取决于前面五期的长短，还取决于X0。 Bu’lock等将对数期称为生长期(trophophase)；将静止期称为分 化期(idiophase)。
7.2.1.1.1 生长关联型
根据产物的形成是否与菌体生长同步关联，Pirt将产物形成动力学分 为生长关联型和非生长关联型。
7.2.2.2 分批补料的优化
为了获得最大的产率，需优化补料的策略。 通过描述比生长速率μ与比生产速率之间的关系的数学模型，藉最大原理 (maximum principle)可容易获得比生长速率的最佳方案。这可以从实际分批补料培养中改变补料的速率，如边界控制实现。 在分批培养的前期μ应维持在其最大值μmax；下一阶段应保持在μc上。这 种控制策略可理解为细胞生长和产物合成的两阶段生产步骤。
静止期(V)： 实际上是一种生长和死亡的动态平衡，净生长速率等于零，即μ=α，α为
比死亡速率。 由于此期菌体的次级代谢十分活跃，许多次级代谢物在此期大量合成，
菌的形态也发生较大的变化，如菌已分化、染色变浅、形成空胞等。
死亡期(Ⅵ)： 当养分耗竭，对生长有害代谢物在发酵液中大量积累便进入死亡期(Ⅵ)
Shioya将生物反应器的优化分为三个步骤，即过程的建模、最佳解法 的计算和解法实现。为此，需考虑模型与真实过程之间的差异和优化计算的 难易。
在建模阶段出现的问题之一是怎样定量描述包括在质量平衡方程中的反应 速率。
图7—6 生物反应器优化的三个步骤
Shioya等对分批培养进行优化和控制方法如图7—7所示，用一模型鉴 别和描述比生长速率与比生产速率之间的关系，藉最大原理获得比生长速率 的最佳策略和这一策略得实现。
发酵周期的长短不仅取决于前面五期的长短，还取决于X0。 Bu’lock等将对数期称为生长期(trophophase)；将静止期称为分 化期(idiophase)。
7.2.1.1.1 生长关联型
根据产物的形成是否与菌体生长同步关联，Pirt将产物形成动力学分 为生长关联型和非生长关联型。
7.2.2.2 分批补料的优化
为了获得最大的产率，需优化补料的策略。 通过描述比生长速率μ与比生产速率之间的关系的数学模型，藉最大原理 (maximum principle)可容易获得比生长速率的最佳方案。这可以从实际分批补料培养中改变补料的速率，如边界控制实现。 在分批培养的前期μ应维持在其最大值μmax；下一阶段应保持在μc上。这 种控制策略可理解为细胞生长和产物合成的两阶段生产步骤。
静止期(V)： 实际上是一种生长和死亡的动态平衡，净生长速率等于零，即μ=α，α为
比死亡速率。 由于此期菌体的次级代谢十分活跃，许多次级代谢物在此期大量合成，
菌的形态也发生较大的变化，如菌已分化、染色变浅、形成空胞等。
死亡期(Ⅵ)： 当养分耗竭，对生长有害代谢物在发酵液中大量积累便进入死亡期(Ⅵ)
Shioya将生物反应器的优化分为三个步骤，即过程的建模、最佳解法 的计算和解法实现。为此，需考虑模型与真实过程之间的差异和优化计算的 难易。
在建模阶段出现的问题之一是怎样定量描述包括在质量平衡方程中的反应 速率。
图7—6 生物反应器优化的三个步骤
Shioya等对分批培养进行优化和控制方法如图7—7所示，用一模型鉴 别和描述比生长速率与比生产速率之间的关系，藉最大原理获得比生长速率 的最佳策略和这一策略得实现。
07 酵工艺控制.ppt
48
✓ 最适pH与微生物生长，产物形成之间 相互关系有四种类型：
➢ 菌体比生长速率μ和产物比生产速率QP的 最适pH在一个相似的较宽的范围内（比 较容易控制）；
➢ μ较宽， Qp范围较窄，或μ较窄， Qp范围 较宽（难控制，应严格控制）；
➢ μ和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（ 应严格控制）；
24
4、连续发酵的代谢曲线
从分批培养出发，无论在 哪个时候开始加入新鲜培 养基过渡到连续操作，达 到一定的菌体浓度及限制 基质浓度则培养系统一定 能成为稳定状态。
25
第二节 发酵工艺的控制
工艺条件控制的目的：就是要为生产 菌创造一个最适的环境，使我们所需 要的代谢活动得以最充分的表达。
26
一、温度对发酵的影响及控制
43
1、pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响
• pH影响酶的活性 • pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态 • pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离
解 • pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使
代谢产物的质量和比例发生改变
44
2、发酵过程中pH的变化
❖生长阶段 ❖生成阶段 ❖自溶阶段
45
产物形成与生长有关， 如酒精、某些酶等。
Q Y
P
P/ x
Q :产物形成比速g率/h（ L） P
Y ：菌体生长为基准物的的产率g（/ g） P/ x
h ：比生长速率1（ ）
15
■非生长关联型 non-growth associated
产物的形成速度与生 长无关，只与细胞积 累量有关。如，抗生 素。
– 第一类型 – 第二类型 – 第三类型
• Piret's fermentation classification （按照产物生成 与菌体生长是第二，三类型）
✓ 最适pH与微生物生长，产物形成之间 相互关系有四种类型：
➢ 菌体比生长速率μ和产物比生产速率QP的 最适pH在一个相似的较宽的范围内（比 较容易控制）；
➢ μ较宽， Qp范围较窄，或μ较窄， Qp范围 较宽（难控制，应严格控制）；
➢ μ和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（ 应严格控制）；
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4、连续发酵的代谢曲线
从分批培养出发，无论在 哪个时候开始加入新鲜培 养基过渡到连续操作，达 到一定的菌体浓度及限制 基质浓度则培养系统一定 能成为稳定状态。
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第二节 发酵工艺的控制
工艺条件控制的目的：就是要为生产 菌创造一个最适的环境，使我们所需 要的代谢活动得以最充分的表达。
26
一、温度对发酵的影响及控制
43
1、pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响
• pH影响酶的活性 • pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态 • pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离
解 • pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使
代谢产物的质量和比例发生改变
44
2、发酵过程中pH的变化
❖生长阶段 ❖生成阶段 ❖自溶阶段
45
产物形成与生长有关， 如酒精、某些酶等。
Q Y
P
P/ x
Q :产物形成比速g率/h（ L） P
Y ：菌体生长为基准物的的产率g（/ g） P/ x
h ：比生长速率1（ ）
15
■非生长关联型 non-growth associated
产物的形成速度与生 长无关，只与细胞积 累量有关。如，抗生 素。
– 第一类型 – 第二类型 – 第三类型
• Piret's fermentation classification （按照产物生成 与菌体生长是第二，三类型）
发酵工艺控制培训课程.pptx
Q发酵=G·cw·(t1-t2)/V G—冷却水流量； Cw—水的比热； V—发酵液体积。 ②通过发酵液温度随时间上升的速率测定：
Q发酵=(M1c1+ M2c2)·S M1、c1 —发酵液质量、比热； M2、c2 —发酵罐质量、比热； S—温度上升速率。
4、最适温度选择与发酵温度控制
温度变化的一般规律与控制的一般原则
接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度， 以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖；
待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长 温度；
到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低 些，即代谢产物合成的最适温度；
到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。 选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温
第七章 发酵工艺控制
发酵的一般流程
培养基配制
种子扩大培养
空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
提纲
温度控制 pH值控制 溶氧控制 二氧化碳控制 泡沫的控制
1、温度对发酵的影响
对细胞生长的影响：温度升高，从酶反应动力学来看，生 长代谢加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易 于衰老； 对产物形成的影响：菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物 形成速率的最适温度往往是不同的；温度升高，一般产物 生成提前； 对生物合成的方向的影响：反馈抑制随温度变化而改变； 对发酵液物理性质及溶解氧的影响：影响氧的溶解和传递， 影响一些基质的分解，间接影响生物合成。
2、影响发酵温度的因素
发酵热的成分
生物热：微生物生长繁殖过程中的产热 搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热 蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量 辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量 显 热：空气流动过程夹带着的热量 Q发酵= Q生物+ Q搅拌- Q蒸发Q显-Q辐射
Q发酵=(M1c1+ M2c2)·S M1、c1 —发酵液质量、比热； M2、c2 —发酵罐质量、比热； S—温度上升速率。
4、最适温度选择与发酵温度控制
温度变化的一般规律与控制的一般原则
接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度， 以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖；
待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长 温度；
到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低 些，即代谢产物合成的最适温度；
到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。 选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温
第七章 发酵工艺控制
发酵的一般流程
培养基配制
种子扩大培养
空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
提纲
温度控制 pH值控制 溶氧控制 二氧化碳控制 泡沫的控制
1、温度对发酵的影响
对细胞生长的影响：温度升高，从酶反应动力学来看，生 长代谢加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易 于衰老； 对产物形成的影响：菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物 形成速率的最适温度往往是不同的；温度升高，一般产物 生成提前； 对生物合成的方向的影响：反馈抑制随温度变化而改变； 对发酵液物理性质及溶解氧的影响：影响氧的溶解和传递， 影响一些基质的分解，间接影响生物合成。
2、影响发酵温度的因素
发酵热的成分
生物热：微生物生长繁殖过程中的产热 搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热 蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量 辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量 显 热：空气流动过程夹带着的热量 Q发酵= Q生物+ Q搅拌- Q蒸发Q显-Q辐射
发酵学 第7章 发酵工艺的控制2
• 微生物生长和发酵的最适宜pH可能不同。
丙酮丁醇菌 生长：pH 5.5－7.0; 发酵：pH 4.3-5.3; 生长：pH 6.5-7.2 青霉素菌 发酵：pH 6.2-6.8 生长： pH 6.3-6.9 链霉素菌 发酵： pH 6.7-7.3
pH对发酵影响的机理 • 1.pH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
• 初级代谢的氨基酸发酵，需氧量的大小与 氨基酸的合成途径密切相关。 • 根据发酵需氧要求不同可分为三类
• 第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等 谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下， 产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受 到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸； • 第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬 氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高 产量，但供氧受限，产量受影响并不明显； • 第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供 氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的 氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。
对照罐发酵66小时pH达7.93，以后维持在8.0以上至115小 时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。 发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3， 调节这一段的 pH 值至 7.0 左右，以后自控 pH ，可提高发酵单位。
pH 7.0 pH 效价
t 不调pH 调pH
例：克拉维酸发酵中pH变换控制
• 2. pH值影响基质和中间代谢物的解离
– 进而影响微生物对这些成分的吸收
• 3. pH影响发酵产物的稳定性
影响产物稳定性
• β-内酰胺抗生素沙纳霉素的发酵中，pH在6.7～7.5 之间时抗生素的产量相近，高于或低于这个范围， 合成受到抑制。在这个pH值范围内，沙纳霉素的稳 定性未受到严重影响；但pH>7.5时，稳定性下降， 半衰期缩短，发酵单位也下降。 • 青霉素在碱性条件下发酵单位低，也与青霉素的稳 定性有关。
第7章 发酵工艺控制
生物热产生的大小有明显的阶段性， 其大小与菌体的呼吸强度呈正相关，呼吸强 度越大，所产生的生物热也越大。
并且也随着培养基成分的不同而变化。
在相同条件下，培养基成分越丰富，营养 被利用的速度越快，产生的生物热就越大。
（2）搅拌热（Q搅拌）
在好气发酵中，机械搅拌是增加溶解氧的必要手 段，所以好气培养的发酵罐都装有大功率的搅拌器。 搅拌热：搅拌带动液体作机械运动，造成液体之间、 液体与设备之间发生摩擦，这样机械搅拌的动能以摩 擦放热的方式，使热量散发在发酵液中，即搅拌热。 其可近似地按照式（7-4）计算。 Q搅拌=(P/V)×3600 P/V—通气条件下，单位体积发酵液所消耗的功率 （kW/m3)
发酵热：所谓发酵热即发酵过程中释放出来的 净热量，用[J/m3· h]表示，它是由产热因素和散热 因素两方面所决定的：
Q发酵= Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q显—Q辐射
（7-3）
（1）生物热（Q生物）
生物热：微生物在生长繁殖过程中，本
身产生的大量热称为生物热。
这种热主要来源于营养物质如碳水化合
物、蛋白质和脂肪等的分解产生的大量能 量。
实际上，生物氧化中氧吸收的效率多数低 于2%，通常情况下常常低于1%。也就是说，通 入发酵罐约99%的无菌空气被白白浪费掉。而 且大量无用空气还是引起过多泡沫的因素。
所以通气效率的改进可减少空气的使用量，
从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。
7.3.1 氧的传递和传质方程式 7.3.1.1 氧传递的各种阻力
3600——热功当量〔 kJ/(kW· 〕 h)
（3）蒸发热（Q蒸发）
蒸发热：通气时，进入发酵罐的空气与发酵液可 以进行热交换，使温度下降。并且空气带走了一部 分水蒸气，这些水蒸气由发酵液中蒸发时，带走了 发酵液中的热量，也使温度下降。被排出的水蒸气 和空气夹带着部分显热（Q显）散失到罐外的热量称 为蒸发热。 因为空气的温度和湿度随着季节的变化而不同， 所以蒸发热和Q显也会随之变化。 蒸发热可按下式（7-5）计算。 Q蒸发=G(I出-I进) G—通入发酵罐的干空气质量流量 I出、I进—分别为发酵罐排气和进气的热焓
七章发酵工艺控制-资料
Sugar/Oil feed Pressure probe
Level probe Antifoam
pH probe Acid/Base
Temp. probe Cooling
DO probe Air/agitation
Sample Analysis •pH •DO •Sugar •Ammonia •Phosphate •Sulphate •Products •Precursors •Contamination
二）、碳源浓度的影响
S过小
μ ＜ μC
qP随μ减小而减小
S过大
μ ＞＞ μC
OUR增大
X ＞＞ X C
CL ＜ CL C
qP减小
粘度增大
Kla减小
产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。
三）、碳源浓度的控制
在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度 补料的类型：
1、流加 2、少量多次的加入 3、多量少次的加入
调节阀 设定控制器
Controlled
Uncontrolled 6.5
pH电极
pH
第三节 菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制
影响菌体浓度的因素
菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种 类和自身的遗传特性有关
菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的 种类和浓度有关 （ μ 正比于S ）
当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓 度营养基质引起生长速率下降。
罐压(0.20.5×105Pa) 隔膜传感器 Pa 压敏电阻
搅拌转数
频率计数器 r/min
搅拌功率(2 -4KW/m3)
功率计
Kw
空气流量 粘度
浮子流量计 孔板差压计 旋转粘度计
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为什么不同微生物对温度要求不同呢？
根据细胞膜脂质成分分析表明不同 最适温度生长的微生物，其膜内磷脂组 成有很大区别。 嗜热菌只含饱和脂肪酸， 嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
三、温度对发酵的影响
1.温度影响反应速率*** 发酵过程的反应速率实际是酶反应速率， 酶反应有一个最适反应温度，低于最适温 度，反应速率随温度升高而上升，高于最 适温度，发酵速率随温度升高而下降。 阿累尼乌斯方程式
• （3）其他发酵条件
• 根据培养条件综合考虑，灵活选择温度。 • 1.通气条件差时可适当降低温度，使菌呼 吸速率降低些，溶氧浓度提高一些；***
• 2.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。
4）变温培养 ***
• 在抗生素发酵过程中，采用变温培养往往 会比恒温培养获得的产物更多。 青霉素发酵 • 0～5 h,30 ℃,5～35 h 25℃,35～85 h,20 ℃,最后回升到25 ℃培养 40 小时 放罐,比恒温 25 ℃培养提高 14.7 %。
第七章 发酵工艺控制
• 重点掌握: 温度、pH、溶解氧、菌体浓度、基 质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵 过程的影响
一、发酵过程的主要控制参数***
(1) 温度 最适生长温度与最佳代谢产物合成温 度往往不同。 （2）pH 菌体的代谢影响培养基的pH，培养基 的pH又影响菌体的生长和酶系统活性 和代谢途径。 （3）溶解氧的浓度（DO） 溶解氧是需氧菌发酵的 必要条件。 （4）基质含量 要保证菌体生长、维持生存、避 免抑制、合成产物等不同目的和阶段的 工艺需要。
通 用 式 发 酵 罐
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。
• 四、最适温度的选择
一、影响发酵温度的因素
发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。
•菌分解基质产生热量， •搅拌产生热量， •罐壁散热， •水分蒸发、空气排气带走热量， •发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大， 温度上升快；发酵热小，温度上升慢。
生物热Q生物 微生物在生长繁殖过程中，产生热量， 部分用来合成高能化合物，供微生物合成 和代谢活动的需要，部分用来合成产物， 其余部分则以热形式散发出来，这部分热 叫生物热。
如何确定发酵pH值?
将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发酵， 在发酵过程中，定时测定和调节pH值，以分别维 持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维 持。 到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高 值的pH值为菌体生长的合适pH值。 用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。 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。在确定合适发酵pH值时，不 定期要考虑培养温度的影响。
（5）空气流量
空气灭菌系统、流量、温度、 目的是供氧。
（6）罐压 正压防止空气中的杂菌侵入发酵液， 罐压过高时CO2 浓度陡增，负面作用。 （7）搅拌速度 延长空气的停留时间，提高溶 氧；促进菌体与培养基之间的质量传递。 过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫。 （8）搅拌功率 其成本比重较大。
（9）粘度
第2节 pH值对发酵的影响及其控制 一、pH 对发酵的影响 1. pH影响酶的活性。 2. pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变， 从而改变细胞膜的透性。 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. pH不同，代谢过程不同，使代谢产物的质 量和比例发生改变。
在最适温度范围内，微生物生长迅速，生 长速率随温度升高而增加，温度增加10℃， 生长速率增长一倍。 超过最高温度微生物即受到抑制或死亡， 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。 如黑曲霉生长温度为37。 谷氨酸棒状杆 菌生长温度为30～32 。青霉菌生长温度 为30。
第3节 溶解氧对发酵的影响及其控制
• 一般，微生物在发酵过程中的需氧量为20 ~
50 mmol / L· ，而空气中的氧在培养液中 h
的饱和浓度在一个大气压，25 0C 时，大约是
0.2 mmol / L。在这种情况下。如果外界不
能及时补充氧，则原来培养液中的氧只能维持
2、生产阶段：这个阶段 pH 值趋于稳定。 3、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的 活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升， 此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。
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。
影响关键酶活性改变发酵途径. 如四环素产生菌金色链霉菌 低于30℃时合成金霉素能力较强。 • 温度提高,合成四环素的比例提高。 • 温度达到35℃时金霉素的合成几乎停止， 只产生四环素。
生长不同阶段最适温度也不同 ***
• 在发酵前期，由于菌量少，培养目的是尽快达 到大量的菌体，因此取稍高的温度，促使菌的 生长及代谢。 • 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 低些，可以推迟菌体衰老。在稍低温度下，氨 基酸合成蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较 严密，有利于产物合成。
发酵过程的主要控制参数
• • • • • • • • pH值（酸碱度） 温度（℃） 溶解氧浓度 基质含量 空气流量 压力 搅拌转速 搅拌功率 粘度
•
• • • •
浊度
料液流量 产物浓度 氧化还原电位 废气中的氧含量
•
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废气中的CO2含量
菌丝形态 菌体浓度
二、发酵过程的参数检测
• 1.直接状态参数 • 2.间接状态参数 • 3.离线发酵分析方法
• 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内与环境的 温差。冬天大一些，夏天小一些。
• Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
二、温度对微生物的生长的影响
微生物生长对温度要求不同，大致可分为： •嗜冷菌： 20℃ 最大 0℃～26℃生长， •嗜温菌： 30～35℃ 15℃～43℃生长， •嗜热菌： 50℃ 37℃～65℃生长。 最适温度 最高温度 最低温度
菌体浓度增大时，粘度增加，溶氧 下降。 （10）浊度 能直接反应菌体的浓度，但不能区 分菌体的死活。 （11）料液流量 连续发酵时，涉及稀释率. （12）产物浓度 生产目标。 （13）氧化还原电位 其原因往往十分复杂。测 量手段有待开发。
（14）废气中的氧含量
（15）废气中的CO2 从中可了解生产 菌株的呼吸代谢规律。 （16）生产菌形态判别种子质量、区分 发酵阶段、确认染菌的重要依据。 （17）生产菌浓度 是确定补料量、供 气量、阶段转换的重要依据。
简述一般发酵过程pH值如何变化？
在发酵过程中，随着菌种对培养基各种碳、 氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会 使pH值产生一定的变化。
1、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中 的蛋白质，生成铵离子，使pH上升至碱性；随 着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖 利用过程中有机酸的积累使pH值下降。
三、pH 值的调控策略
1.考虑基础培养基配方,调节好基础料的pH，然后通 过加酸碱或中间补料来控制。 基础料中含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH。 有机酸或氨水调节注意监测氧浓度变化防止菌体 出现氨中毒。 若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到 6.5～6.8。 2.在基础料中加入维持pH 的物质，如CaCO3
• 3、离线发酵分析方法
• 从发酵液中取出样品进行离线分析, • 分析菌体浓度，形态、培养基成分和产物 成分及含量。 • 显微观察，细胞体积，干重，光密度，平 板计数及基质及产物分析等。
第1节 温度对发酵的影响及其控制
• 一、影响发酵温度的因素 • 二、温度对微生物的生长的影响
• 三、温度对发酵的影响
例如
• 黑曲霉 pH 2～3时 合成 柠檬酸 pH近中性时 合成 草酸 谷氨酸棒状杆菌 谷氨酸发酵 中性和微碱 谷氨酸， 酸性 谷氨酰胺和 N-乙酰谷氨酰胺
二、最适pH值的选择
选择最适发酵pH的准则是获得最大比生产 速率和合适的菌体量,以获得最高产量。 • 举例: • 图8-1 利福霉素,最适 pH 值 7.0～7.5
• 发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶 解度和传递速率、某些基质的分解吸收速 率等，都受温度变化的影响，进而影响发 酵动力学特性和产物的生物合成。***
L-亮氨酸/g•L 糖酸转化率/%
20 16 12 8 24 22
种子培养温度/℃
L-亮氨酸
2.温度影响发酵方向
搅拌热 Q搅拌
搅拌热与搅拌功率有关，可用下式计算：
Q搅拌= P×860×4186.8 〔J/h〕 P——搅拌轴功率 860×4186.8——机械能转变为热能的热 功当量
蒸发热 Q蒸发 通气时引起发酵液的水分蒸发所 需的热量叫蒸发热，此外排气也会带 走部分热量叫显热 Q显，显热很小，一 般可忽略。
3.通过补料调节pH
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。 （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。