第5章 发酵过程及控制

(一)、CO2 对菌体生长及 产物形成的影响
当排气中的CO2 浓度高于4％时，菌体碳 水化合物的合成及呼吸速率下降 发酵液中的CO2浓度为1.6×10－2 mol时，会 严重抑制酵母菌的生长 CO2 影响产黄青霉的形态
CO2 对氨基酸合成的影响
CO2 对紫苏霉素生物合成的影响
进气中CO2含量(％) 0 1 2 3 4
的罐移种
2、发酵罐早期染菌：调酸以抑制杂
菌生长；加入药物抑制杂菌生长；培养基 重新灭菌，转入发酵旺盛的发酵液
3、发酵罐后期染菌：根据情况，提
前放罐
（四）噬菌体污染与防治
噬菌体在自然界广泛存在，噬 菌体污染轻则减产，重则倒罐，长 时间停产。
噬菌体污染的征兆 (以谷氨酸发酵为例)
1、发酵前期菌丝量不上升或回落 2、pH逐渐上升达8.0以上，不下降 3、糖耗缓慢或停止 4、产生大量泡沫，有时发酵液呈粘状可拔丝 5、谷氨酸产生量甚少，或增长极为缓慢，或停止 6、镜检菌体数少，菌体不规则 7、发酵液残糖高，颜色重(红色、灰色)，有刺激性气味
五、溶解氧对发酵的影响及控制
溶解氧：溶解于液体(发酵液)中的氧
氧难溶于水，在25℃，1atm下，氧在水中的溶 解度为0.26m mol/升
临界溶解氧浓度：满足微生物呼吸的最低限度 的溶解氧浓度。
一般好气性微生物约为0.003～0.05m mol/升 之间。
微生物名称 固氮菌 大肠杆菌 大肠杆菌 酵母菌 酵母菌
第五节 发酵过程及控制
一、种子制备工艺及质量控制 二、常用代谢参数 三、基质浓度变化及控制 四、温度对发酵的影响及控制 五、溶解氧对发酵的影响及控制 六、pH对发酵的影响及控制 七、CO2对发酵的影响 八、泡沫的形成及控制 九、染菌分析及控制
发酵是一个复杂的生物化学过程影 响因素很多：菌种、培养基、温度、 pH、溶氧、污染等。
紫苏霉素相对产量 100 66 15 0 0
(二)、排气中CO2 与菌体生长的关系
(三)、排气中CO2 与pH的关系
(四)、排气中CO2与 排气中O2之间的关系
RQ(呼吸商)= CEO OUT
CEO：CO2释放率(molCO2/Lh) OUT：菌耗氧率(molO2/Lh)
酵母菌：
RQ=0.93 RQ=1.0 RQ＞1.1
呼吸强度：指一克干菌体，在一小时内所需氧的 毫摩尔数
摄氧量：指一升发酵液，在一小时内所需氧的毫 摩尔数
通气量：指一分钟内，发酵液的体积比通过发酵 液的空气体积
六、pH对发酵的影响及控制
(一)、pH值对发酵的影响： 1、pH影响酶的活性 2、pH影响微生物细胞膜的带电状况，从而影响
微生物对养料的吸收和对代谢产物的分泌 3、pH影响培养基中某些营养物质的可给性 4、pH可能改变培养基的氧化还原电位 5、pH会影响某些微生物的形态
(一)、温度对微生物和发酵的影响
1、不同的菌、不同的发酵对温度的要求不 一样。
2、菌体生长的最适温度与产物形成的最适 温度往往不一致。
3、菌种在不同的生长期对温度的敏感性不 同。
温度对发酵的影响归根结底是影响酶的活 力。
谷氨酸菌种的最适生长温度和产物形成的最适温度
菌种 温度（℃）
1299 617 1542 T-613
快速利用的碳源物质：对生长有利，对次级 代谢产物的形成有抑制作用。
缓慢利用的碳源物质：对延长产物的合成是 有利的，尤其是次级代谢产物。
到发酵的中后期，发酵液中的残糖基本耗尽，影响 产物的合成
如果采用丰富碳源的培养基，又会产生其它的问题， 如培养基浓度过高，影响通气搅拌，过高的碳源浓 度也抑制菌体的生长。
1、通气搅拌的强烈程度 2、培养基的配比及原材料 3、灭菌 4、种子和接种量 5、培养液本身的性质变化 6、染菌
泡沫的消除
1、机械消泡 消沫桨 引出罐外消泡后再引回罐内
2、化学消沫 油脂 泡敌
九、染菌分析及控制
（一）染菌原因分析
某发酵厂染菌现象的统计分析
1、种子带菌或怀疑种子带菌 2、罐压跌零造成染菌 3、培养基未彻底灭菌 4、空气系统带菌 5、泡沫冒顶 6、夹层穿孔 7、其它管道穿孔 8、接种管穿孔 9、阀门泄漏 10、搅拌轴密封泄漏 11、罐基漏 12、其它设备漏 13、操作问题 14、原因不祥
9.64％ 0.19％ 0.79％ 19.96％ 0.48％ 12.36％ 5.89％ 0.59％ 1.54％ 2.09％ 1.54％ 10.13％ 10.15％ 20.91％
1、种子带菌或怀疑种子带菌 2、培养基未彻底灭菌 3、空气系统带菌 4、操作问题 5、设备问题 6、原因不祥
～10％ ～1％ ～20％ ～10％ ～40％ ～20％
在生长后期，由于菌体自溶，释放出铵，pH 又回升。
（四）、发酵过程中pH的调节
1、调节培养基的配方 2、补料控制
① 加酸、加碱 ② 流加无机氮源 ③ 加碳源物质 3、调节通气量
七、CO2对发酵的影响
➢CO2是微生物的代谢产物，同时它往 往也是合成所需的一种基质 ➢排气中CO2的浓度与细胞量有一定的 联系，通过测定CO2的生成，可用来估 算菌的生长速率和细胞量 ➢溶解在发酵液中的CO2对氨基酸、抗 生素等发酵具基组成 3、发酵条件
(三)、pH在发酵过程中的变化规律
在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少， 铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。
随菌的生长，菌分解了含氮有机物，释放出 铵，培养基的pH会缓慢上升。
当菌转入对数生长期，由于菌体大量繁殖， 大量利用糖和铵离子，培养基的pH逐渐下降。
接种量过小，除延长发酵周期外，往往还引起其 它不正常情况
接种量过高，会使菌体生长过快，培养液粘度过 高，造成供氧不足
酶活力(μ/mL)
1400 1200 1000
800 600 400 200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 接种量(％)
3、种子质量检查与判断 ①检查pH ②检查培养基灭菌后糖、氮、磷等的含量 ③检查菌丝的形态、浓度、种子液外观等 ④无菌检查 ⑤稳定性检查 ⑥其它参数检查：某种酶的活性、产物量等
橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌
温度(℃) 30 15 37.8 20 34.8 24 30 32
C临界(m mol/升) 0.018-0.049 0.0031 0.0082 0.0037 0.0046 0.0022 0.009 0.02
(一)影响需氧和供氧的因素
影响微生物需氧量的因素 1、菌种 2、菌体浓度 3、菌龄 4、培养基
(二)、种子制备的工艺流程及对发酵的影响 1、工艺流程
酶活力(μ/mL)
2、接种时间(种龄)和接种量 接种时间：对数生长期，菌体量还未达最高峰
1000 800 600 400 200 0 8 10 12 14 16 18 20 22 接种菌龄(小时)
接种量：决定于生产菌种在发酵罐中的繁殖速度
谷氨酸棒状杆菌：1％ 大多数抗生素发酵：5～10% 个别的发酵：20～25％
氮源物质往往抑制次级产物的合成。
快速利用的氮源物质：如氨水、铵盐促进 菌体生长。
缓慢利用的氮源物质：有利于延长产物的 合成期。
一般情况下，发酵培养基中同时含快速利 用的氮源和缓慢利用的氮源物质。
如果氮源物质投料多，会造成菌体生长快， 但菌体衰老也快。
解决方法：“中间补料”。
四、温度对发酵的影响及控制
染菌规模：大批发酵罐染菌、部分发酵罐染
菌、个别发酵罐染菌
染菌时间：早期、中后期
染菌种类：芽孢杆菌、小球菌、霉菌、酵母
菌、水生细菌
（二）防止染菌的措施
主要是加强管理： 1、培养基的无菌试验 2、种子的无菌试验 3、设备的定期检查、维修 4、严格、规范的操作
（三）染菌后的挽救措施
1、种子罐染菌：倒罐，从其它未染菌
解决的方法是采取“中间补料”
补糖的方法：连续滴加补糖、小量多次间歇补糖
大量少次补糖
“中间补料”可以延长产物的产生时间， 推迟菌体的自溶时间，增加了发酵液的体 积，而使发酵单位大幅度上升。
2、氮源浓度变化及控制
氮源物质主要用于菌体中蛋白质、核酸等含 氮物质的合成，有些发酵产物中含有氮。
发酵前期，氮源物质随菌体浓度的急剧增加 而迅速减少，发酵中期，氮源(氨基氮)的下降速 度比较缓慢，发酵后期，由于菌体自溶，氨基氮 会回升。
最适生长温度 最适产物形成温度
30-32 32-34 30-34 32-36 34 34-36 34-36 36-38
（二）、温度在发酵中的变化规律
Q生物热(4.19KJ/m3h)
8000
6000
4000
2000
0
0
24 48 72 96 120 144 168
时间(h)
生物热的变化规律
（三）、温度的控制 依靠夹层或蛇管 目前许多发酵罐都采用自动化控制
影响供氧量的因素 1、搅拌 2、通气量 3、空气分布管的结构 4、发酵罐的液柱高度/直径比 5、培养液的物理性质 6、泡沫
（二）溶解氧的控制
溶解氧的控制： 应满足需氧≤供氧
需氧方面 控制最适的菌体浓度
供氧方面： 1、改变气体成份 2、提高搅拌速度 3、增加挡板 4、增加通气量 5、提高罐压
几个概念：
生成柠檬酸 生成菌体 生成乙醇
青霉素发酵
RQ=0.909 RQ=1 RQ=4
菌体生长 菌体维持 青霉素生产
八、泡沫的形成及控制
泡沫的危害
1、气泡中的空气有隔热作用，影响灭菌 2、泡沫多会从轴封溢出，容易造成染菌 3、降低了发酵罐的装料系数 4、严重时停搅拌，影响正常的发酵过程
影响泡沫消长的因素
一、种子制备工艺及质量控制
菌种是发酵的关键，从一个保存的菌 种，到生产上使用的种子，如果按几 十～几百吨的发酵规模，10％的种子量 (接种量)计，需要几吨～几十吨的种子。