《发酵工程》第6章课件.ppt

1、第六章第六章发酵条件及过程控制1第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制第二节 温度的影响及其控制第三节 pH的影响和控制第四节 通气和搅拌第五节 泡沫的影响和控制第六节 二氧化碳和呼吸商第七节 发酵终点的判断第八节 发酵的优化控制第九节 发酵过程的计算机控制第十节 发酵过程的精确检测2第一节第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制营养基质和菌体浓度的影响及其控制一、碳源的种类和浓度对发酵过程的影响及控制（一）碳源的种类对发酵的影响及控制（二）碳源的浓度对发酵的影响及控制二、氮源的种类及浓度的影响及控制（一）氮源的种类对发酵的影响及控制（二）氮源的浓度对发酵的影响及控制三、磷酸盐浓度的影响及控

2、制 生长亚适量四、菌体浓度的影响及控制3第一节 营养基质和菌体浓度的影响及控制 种类：种类：葡萄糖 优点：优点：吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量 缺点：缺点：有些品种产生分解产物 阻遏效应。（一）碳源种类的影响及控制（一）碳源种类的影响及控制迅速利用的碳源迅速利用的碳源缓慢利用的碳源缓慢利用的碳源n种类：种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油n优点：优点：不易产生分解产物阻遏效 应。有利于延长次级代谢 产物的分泌期n缺点：缺点：溶解度低，发酵液粘度大。一、碳源4发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源的发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源的混合碳源。混合碳源

3、。迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，提高产缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可解除葡萄糖效应。量，并可解除葡萄糖效应。碳源种类的控制碳源种类的控制5（二）碳源浓度的影响（二）碳源浓度的影响S过小过小 CqP随随减小而减小减小而减小S过大过大 CX X COUR增大增大CL CL CqP减小减小粘度增大粘度增大Kla减小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。产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。6（三）碳源浓度的控制在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度在发酵过程中，补

4、加糖类控制碳源浓度补料的类型：补料的类型：1、流加、流加2、少量多次的加入、少量多次的加入3、多量少次的加入、多量少次的加入7 残糖量 pH值 菌体浓度（X）粘度 溶氧 尾气中O2和CO2的含量 发酵液的总体积补糖的依据：补糖的依据：8 根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。以修正。例：例：青霉素发酵开始补糖在残糖降至青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%,pH开始回升时补开始回升时补糖。补糖量以最高罐批经验量为参考。糖。补糖量以最高罐批经验量

5、为参考。每小时每小时 前期前期040h 中期中期4090h 后期后期90h以后以后 加糖量加糖量 0.08%-0.15%0.15%-0.18%0.15%-0.18%补糖量的控制补糖量的控制 经验法 9补糖量的控制补糖量的控制-动力学方法动力学方法依据依据、qP、qC等动力学参数等动力学参数 之间的关系，计算加糖量之间的关系，计算加糖量以次级代谢产物为例：以次级代谢产物为例：、qP、qC之间的关系：之间的关系：X qp qCS控制原则：控制原则：以维持临界生长限以维持临界生长限制基质浓度、临界制基质浓度、临界菌体浓度和临界比菌体浓度和临界比生长速率为指标的生长速率为指标的基质流加速率与消基质流加

6、速率与消耗速率的平衡。耗速率的平衡。10补糖的控制把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加料装置精确控制加入的糖量。料装置精确控制加入的糖量。11二、氮源的影响和控制二、氮源的影响和控制 种类：种类：氨水、铵盐和玉米浆 优点：优点：易被菌体利用，明显促进菌体生长 缺点：缺点：对于有些品种高浓度的铵离子抑制产物合成迅速利用的氮源迅速利用的氮源缓慢利用的氮源缓慢利用的氮源n种类：种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和棉子饼粉n优点：优点：利用缓慢，有利于延长次 级代谢产物的分泌期。防止早衰。n缺点：缺点：溶解度低，发酵液粘度大。（一）氮源的种类影响12发酵工业中常

7、采用含迅速利用的氮源和缓慢利用发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源的的氮源的混合氮源混合氮源。迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的氮源，迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的氮源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。（二）氮源种类的控制（二）氮源种类的控制13（三）氮源浓度的影响控制（三）氮源浓度的影响控制补氮的依据补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。氮源浓度的控制：氮源浓度的控制：控制基础培养基中的配比。通过补加氮源。14补氮量的控制

8、补氮量的控制 经验法：依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算。依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。动力学方法；通过qN、qP，计算每小时的补氮量。15 磷酸盐能明显促进产生菌的生长。（0.32-300mM）对于次级代谢产物，高浓度的磷酸盐能抑制产物合成。（10mM以下）一般在基础培养基中采用适宜浓度。一般在基础培养基中采用适宜浓度。对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。一般磷酸盐采用一般磷酸盐采用单消单消，防止发生沉淀反应使溶磷量，防止发生沉淀反应使溶磷量达不到最适量。

9、达不到最适量。要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量。量。当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌体生长。体生长。三、磷酸盐的影响和控制三、磷酸盐的影响和控制16 菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种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类和自身的遗传特性有关四、四、菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制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影响菌体浓度的因素n菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的种类和浓度

10、有关种类和浓度有关 （正比于正比于S）n当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓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。度营养基质引起生长速率下降。n菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的影响影响17最适菌体浓度的确定 优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的产物。产物。(dP/dtMAX)ndP/dt=qP XnqP=f X，qO 2 qS CL18以青霉素发酵为例qP/qPm/m1.0-1.0青霉素发酵的青霉素发酵的qP与与的关系的关系C C qP可维持在可维持在qPm

11、ax C qP随随减小而减小减小而减小要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的比生要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的比生长速率。长速率。但是，过高的比生长速率造成过高的菌体浓度，造成不利影响：但是，过高的比生长速率造成过高的菌体浓度，造成不利影响：19过高的比生长速率和过高的菌体浓度造成的不利影响：1、过高，过高，S消耗过快，有限的营养基质只能用于生长，消耗过快，有限的营养基质只能用于生长，而不足于产物合成。而不足于产物合成。2、有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢途径，、有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢途径，抑制产物合成。抑制产物合成。3、X过高，增加过

12、高，增加OUR，且发酵液粘度增大，减小，且发酵液粘度增大，减小OTR。CL减小，抑制菌体生长和产物合成。减小，抑制菌体生长和产物合成。最适最适X？最适最适为等于或稍大于为等于或稍大于C20青霉素发酵的青霉素发酵的qP、OUR、OTR与与X的关系的关系1.0-X/Xm1.0OURqP/qPmOTRdp/dtXCOUR=OTR时的菌体时的菌体浓度为最适菌体浓度，浓度为最适菌体浓度，在发酵过程中，控制目标为保持稳定的临界菌体浓度和在发酵过程中，控制目标为保持稳定的临界菌体浓度和临界比生长速率临界比生长速率，以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧速率与供氧速率的平衡，从而

13、使产物合成速率和比速率达速率与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率和比速率达到最大值。到最大值。21生长速度和菌体浓度的控制方法 确定基础培养基的适当配比，防止培养基过于丰富或过于稀薄。通过调节中间补料的速度和量来控制。22第二节 温度的影响及控制一、温度对发酵的影响：一、温度对发酵的影响：影响各种酶促反应的速度影响各种酶促反应的速度酶活酶活温度温度发酵温度升高，生长代谢加快，生发酵温度升高，生长代谢加快，生产期提前。产期提前。发酵温度太高，菌体容易衰老，发发酵温度太高，菌体容易衰老，发酵周期缩短。酵周期缩短。改变发酵液的物理性质：改变发酵液的物理性质：温度影响基质和氧的吸收速度温度影响基质和氧

14、的吸收速度影响饱和溶氧浓度影响饱和溶氧浓度改变菌体代谢产物的合成方向改变菌体代谢产物的合成方向例：温度小于例：温度小于30，合成金霉素的能力强，合成金霉素的能力强温度等于温度等于35，只合成四环素，只合成四环素多组分次级代谢产物的组分比例多组分次级代谢产物的组分比例黄曲霉毒素，在黄曲霉毒素，在20、25和和30发酵所产生的黄曲霉发酵所产生的黄曲霉毒素毒素G1和和B1比例分别为比例分别为3:1、1:2、1:1。同一微生物的生长和代谢产物积累的最适温度不同同一微生物的生长和代谢产物积累的最适温度不同如：青霉素最适生长温度如：青霉素最适生长温度30，产生青霉素的最适温度为，产生青霉素的最适温度为25

15、。影响微生物的代谢机制影响微生物的代谢机制23二、影响发酵温度变化的因素发酵热发酵热=生物热生物热+搅拌热搅拌热-蒸发热蒸发热-显热显热-辐射热辐射热生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。影响生物热的因素：与菌种遗传特性有关与菌龄有关：对数生长期生物热最大。与营养基质有关与产量有关搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。搅拌热=P/V3601（kJ/h）P/V-通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率，kw/m33

16、601-机械能转变为热能的热功当量，Kj/（kwh）显热：发酵排气散发带走的热量。显热：发酵排气散发带走的热量。辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。Q蒸发=G(I出-I进)G-空气重量流量，kg干空气/h；I进、I出-发酵罐进气、排气的热焓，KJ/Kg干空气24三、最适发酵温度的选择三、最适发酵温度的选择选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。度，在产物合成阶段，选

17、择适合代谢产物合成的温度。确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件：确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件：在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利25四、发酵温度的控制四、发酵温度的控制在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。冷却介质：深井水或冷冻水冷却介质：深井水或冷冻水控制方式：手动控制或自动控制控制方式：手动控制或自动控制温度计温度计温度控制器温度控制器调节阀调节阀26第三节 pH对发酵的影响及其控制1.发

18、酵对发酵对pH的影响的影响2.pH值对发酵过程的影响值对发酵过程的影响3.最适最适pH的选择的选择 4.发酵过程中发酵过程中pH的调节与控制的调节与控制271）发酵液中pH变化的基本原理 微生物代谢对微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生：影响主要在两种情况下发生：酸性酸性或碱性代谢产物的生成或释放；或碱性代谢产物的生成或释放；菌体对培养基中生菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。理酸性或碱性物质的利用。引起发酵液中引起发酵液中pH下降的因素下降的因素 （1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机酸积累，酸积累，pH下降；下降；（2）消泡剂加

19、得过多：脂肪酸增加；）消泡剂加得过多：脂肪酸增加；（3）生理酸性盐的利用；）生理酸性盐的利用；（4）酸性产物形成：如有机酸发酵。）酸性产物形成：如有机酸发酵。281）发酵液中pH变化的基本原理（续）引起发酵液引起发酵液中中pH上升的因素上升的因素 （1）C/N过低（过低（N源过多），氨基氮（源过多），氨基氮（NH4）释放；释放；（2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；）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；）生理碱性盐的利用；（4）碱性产物形成。）碱性产物形成。29 2）发酵过程中pH的变化规律 生长阶段：生长阶段：pH相对于起始相对于起始pH有上升或下降的趋势

20、有上升或下降的趋势 生产阶段生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合成趋于稳定，维持在最适于产物合成的范围的范围 自溶阶段：自溶阶段：pH又上升又上升 30（1）pH对微生物生长的影响 每一类菌都有其最适每一类菌都有其最适pH和能耐受的和能耐受的pH范围范围 细菌细菌:pH 6.37.5；霉菌和酵母菌：霉菌和酵母菌：pH 36；放线菌放线菌：pH 78 控制一定的控制一定的pH值，不仅保证微生物生长，而且防止值，不仅保证微生物生长，而且防止 杂菌感染杂菌感染 e.g.石油代腊酵母：石油代腊酵母：pH3.55.0：生长良好且不易染菌生长良好且不易染菌 pH5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污

21、染大量细菌酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌 pH0.5%低低pH6.8控制加糖控制加糖 7%0.2%最高最高速率恒定速率恒定(0.055%/h)*采用采用pH控制补糖速率的意义控制补糖速率的意义353.最适pH的选择 选择选择pH准则：准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量，获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量。以获得最高产量。pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响配制不同初始配制不同初始pH的的培养基，摇瓶考察培养基，摇瓶考察发酵情况发酵情况36（1）pH调节方法 配制合适的培养基，有很好的缓冲能力；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

22、酸碱调节剂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、玉米浆酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱脱NH4)碱性基质：碱性基质：NO3盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素 原则原则:残糖高时，不用糖调残糖高时，不用糖调pH 残残N高时，不用生理盐调高时，不用生理盐调pH pH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH 37（2）pH控制方法比较 以青霉素发酵为例，最适以青霉素发酵为

23、例，最适pH为为6.66.9控制方案：控制方案：方案一：培养基中供应充足的糖，并配用方案一：培养基中供应充足的糖，并配用pH缓冲剂缓冲剂方案二：培养基中供应充足的糖，以非基质方案二：培养基中供应充足的糖，以非基质NaOH调节调节pH方案三：在发酵过程中恒速补糖，以方案三：在发酵过程中恒速补糖，以NaOH、H2SO4调节调节pH 方案四：改变补糖速率来控制方案四：改变补糖速率来控制pH为为6.66.938（3）pH控制系统 执行单元执行单元调节器调节器pH变选器变选器给定值给定值补料补料pH电极电极mA420mA39第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌大多数工业发酵属于大多数工业发酵属于好氧发酵好

24、氧发酵提供氧的方法：提供氧的方法：实验室实验室阶段阶段摇床的转动摇床的转动中试及生产中试及生产规模规模通入无菌空气搅拌通入无菌空气搅拌好氧微生物好氧微生物缺氧不行缺氧不行兼性厌氧微生物兼性厌氧微生物有氧无氧均可生长有氧无氧均可生长厌氧微生物厌氧微生物氧有害氧有害40一、微生物对氧的需求 溶氧(DO，dissolved oxyen)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。在28氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有7mg.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数 生即使发酵液中的溶氧能达到 100空气饱和度，若此时中止 供氧，发酵液中溶氧可在几分

25、钟 之内便耗竭，使溶氧成为限制因 素。第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌41在培养液中氧的溶解度比水中还小在培养液中氧的溶解度比水中还小.因为氧的溶解度随着温度的升高和培养液固形因为氧的溶解度随着温度的升高和培养液固形物的增多或粘度的增大而下降。物的增多或粘度的增大而下降。氧在水中的溶解度氧在水中的溶解度因此，必须向发酵液中补充足够的氧，并要不因此，必须向发酵液中补充足够的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵液中的断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵液中的溶解度。溶解度。42（一）微生物的临界氧浓度 CC:临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。对产物而言，是不影响产物合成所允许

26、的最低浓 度.第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌43（一）微生物的临界氧浓度 呼吸临界溶氧浓度测法：呼吸临界溶氧浓度测法：将供氧充分的微生物培养将供氧充分的微生物培养体系停止通风，检测培养系统的溶氧浓度变化情体系停止通风，检测培养系统的溶氧浓度变化情况。况。首先是加强搅拌，使溶氧上升到最高值，然后中止首先是加强搅拌，使溶氧上升到最高值，然后中止通气，继续搅拌，在罐顶空间充氮。溶氧浓度这通气，继续搅拌，在罐顶空间充氮。溶氧浓度这时呈直线下降趋势，下降到一定程度后，开始呈时呈直线下降趋势，下降到一定程度后，开始呈缓慢下降趋势，溶氧浓度曲线拐点处的溶氧浓度缓慢下降趋势，溶氧浓度曲线拐点处的溶氧浓度值

27、即为该微生物的临界溶氧浓度。值即为该微生物的临界溶氧浓度。第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌44不同微生物菌体最适的生长条件不同，需氧量不同，不同微生物菌体最适的生长条件不同，需氧量不同，Cc常常不常常不 一样。一样。当各种微生物临界氧以当各种微生物临界氧以空气氧饱和度空气氧饱和度表示时：表示时：细菌和酵母为310，放线菌为530，霉菌为1015。45（二）溶解氧控制1.溶氧对菌体生长和产物的影响注意：注意：同种微生物在进行不同生理活动同种微生物在进行不同生理活动，Cc常常也不相同。常常也不相同。头头 孢菌素孢菌素 卷卷 须须 霉霉 素素生长（呼吸生长（呼吸Cc ）5%13%产物产物（抗生素合

28、成（抗生素合成Cc ）13%8%呼吸临界氧值呼吸临界氧值不一定与不一定与产物合成临界氧值产物合成临界氧值相同相同通过在各批发酵中通过在各批发酵中维持溶氧在某一浓度范围维持溶氧在某一浓度范围，考查，考查不同浓度对生产的影响，便可知道合适的临界氧值。不同浓度对生产的影响，便可知道合适的临界氧值。第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌46 问题:生物合成临界氧浓度等于其最适氧浓度?生物合成临界氧浓度是指生物合成临界氧浓度是指溶解氧不低于其临界氧值溶解氧不低于其临界氧值；生物合成最适氧浓度是指生物合成有一生物合成最适氧浓度是指生物合成有一最适溶氧范围最适溶氧范围，即除了有一即除了有一低限低限外，还有一外，

29、还有一高限高限。在培养过程中并不是维持溶氧越高越好，即使是专性在培养过程中并不是维持溶氧越高越好，即使是专性好气菌，过高的溶氧对生长可能不利。好气菌，过高的溶氧对生长可能不利。氧的有害作用是通过形成新生氧的有害作用是通过形成新生O O，超氧化物基和过氧，超氧化物基和过氧化物基或羟基自由基，破坏许多细胞组分。化物基或羟基自由基，破坏许多细胞组分。472.发酵过程中的溶氧规律 生长过程从培养液中溶氧浓度的变化可以反映菌生长过程从培养液中溶氧浓度的变化可以反映菌的生长生理状况；的生长生理状况；溶氧变化随菌种的活力和接种量以及培养基的不溶氧变化随菌种的活力和接种量以及培养基的不同而异。同而异。溶氧在培

30、养初期开始明显下降的时间不同，一般溶氧在培养初期开始明显下降的时间不同，一般在接种后在接种后15h内，内，这也取决于供氧情况。这也取决于供氧情况。通常，在对数生长期溶氧明显下降，从其下降的通常，在对数生长期溶氧明显下降，从其下降的速率可估计菌的大致生长情况速率可估计菌的大致生长情况。483.发酵过程中溶氧的异常（1）有些操作故障或事故引起的发酵异常现象也能）有些操作故障或事故引起的发酵异常现象也能 从溶氧的变化中得到反映（如搅拌发生故障，从溶氧的变化中得到反映（如搅拌发生故障，未及时开启）未及时开启）（2）中间补料是否得当可以从溶氧的变化看出）中间补料是否得当可以从溶氧的变化看出 赤霉素发酵“

31、发酸”现象 补料时机不当，长时间低DO，产生乙醇，并与 代谢中的有机酸反应，形成一种带有酒香味的 酯类，视为发酸。49（3）污染杂菌）污染杂菌 溶氧会迅速（一般25h内）跌到零，并长时间 不回升。有时会出现染菌后溶氧反而升高的现象。（4）作为代谢方向的控制指标）作为代谢方向的控制指标天冬氨酸发酵：前期好气培养。后期厌气培养当DO降至45%空气饱和度时切换,并适当补充养分,产量提高6倍.50二、影响溶氧及传递的因素影响溶氧的条件有：温度、通气量、发酵液性质、物料的性质、补料的情况、压力、搅拌的形式、设备的各种 参数、菌丝本身的情况、染菌等等1.供氧方面的影响2.需氧方面的影响*/()LLdC d

32、tK a CC2OrQX第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌51发酵液中氧的传递方程发酵液中氧的传递方程CCiPPi气气 膜膜 液液 膜膜气-液界面a:比界面面积。单位体积的液体中所具有的氧比界面面积。单位体积的液体中所具有的氧 的传递面积的传递面积 (m2/m3)C*：与气相中氧分压相平衡的液：与气相中氧分压相平衡的液 体中氧的浓度，也就是一定体系下液相体中氧的浓度，也就是一定体系下液相 中的最大的溶氧浓度。（中的最大的溶氧浓度。（mol/m3）C:液相中氧的实际浓度液相中氧的实际浓度,（mol/m3）(*)LNvK a ccNv：单位时间内发酵液溶氧浓度的变化：单位时间内发酵液溶氧浓度的变化

33、mmol/(L.h)Kl:以以(C*-C)为推动力的为推动力的氧传质系数氧传质系数 m/h气相主流液相主流521.供氧方面的影响第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌53 改变搅拌器直径或转速，改变挡板的数目和位置 提高提高N可以有效的提高可以有效的提高kLa，从而增加发酵液中的，从而增加发酵液中的 溶氧浓度。溶氧浓度。(形成小气泡形成小气泡,增加气液接触面积增加气液接触面积;使液体形成涡流使液体形成涡流,增增加气泡在液体中的停留时间加气泡在液体中的停留时间.)不足之处：不足之处：能耗较高，生产成本高能耗较高，生产成本高 对于某些微生物，高转速产生的高剪切力，对于某些微生物，高转速产生的高剪切力，

34、不利于菌体的生长不利于菌体的生长 提高设备的供氧能力，即提高设备的供氧能力，即氧的体积传质系数氧的体积传质系数KL a：54 改变空气流速 通气量较小时通气量较小时增加空气流量增加空气流量溶氧提高效果显著，溶氧提高效果显著，当通风量增加到一定的量后，单位体积发酵液所拥当通风量增加到一定的量后，单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下降，不但不能提高有的搅拌功率会下降，不但不能提高kLa，甚至会，甚至会造成造成kLa值的下降。值的下降。此外，增加空气流量使搅拌浆过载，达此外，增加空气流量使搅拌浆过载，达不到良好的混合效果；发酵液水分蒸发加大，不到良好的混合效果；发酵液水分蒸发加大，增加了发酵液的粘度；

35、挥发性中间产物有一定增加了发酵液的粘度；挥发性中间产物有一定量的损失；逃液增加染菌机会。量的损失；逃液增加染菌机会。55 总之：提高KLa最有效的方法是提高搅拌转数与空气流速，并协调两者之间的关系，其他方法效果不大，且受限制较多。56 在通气中掺入纯氧或富氧在通气中掺入纯氧或富氧，使，使氧分压氧分压提高，提高，一般只在小试中应用；一般只在小试中应用；缺点：价格较高,易引起爆炸 提高罐压提高罐压 缺点：有害气体（CO2）浓度也在增加 微生物的生长也会对罐压提出要求增加增加c*办法办法:提高（提高（c*-c)，即氧传递动力，即氧传递动力57 此外，此外，空气分部管的形式、喷口直径及管口与罐底的相空

36、气分部管的形式、喷口直径及管口与罐底的相 对位置对氧的溶解速率有较大的影响。对位置对氧的溶解速率有较大的影响。发酵罐内的液柱高度和发酵罐体积也是影响溶氧发酵罐内的液柱高度和发酵罐体积也是影响溶氧 的因素。的因素。发酵液的物理性质，尤其是黏度与溶氧也发酵液的物理性质，尤其是黏度与溶氧也 有关系。有关系。58例：例：500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活 的影的影 响响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 9259描述微生物需氧的物理量描述微生物需氧的物理量比耗氧速率或呼吸强度（比耗氧速率或呼吸

37、强度（QO2）：单位时间内单位：单位时间内单位质量干菌体所吸取的氧气，质量干菌体所吸取的氧气，mmol O2g菌菌-1h-1 摄氧率摄氧率(r)：单位体积的发酵液单位时间内：单位体积的发酵液单位时间内的耗氧量。的耗氧量。mmol O2L-1h-1。r=QO2.X微生物对氧的需求主要受微生物对氧的需求主要受菌体代谢活动菌体代谢活动的影响的影响60 由于遗传特性不同及各种因素对溶解氧的影响，各种微生物对氧的摄取量也不相同。随着生活环境的变化，呼吸强度也在变化，因而其摄氧量也不同。612.需氧方面的影响r=QO2.X 菌体浓度菌体浓度 QO2 遗传因素遗传因素 菌菌 龄龄 营养的成分与浓度营养的成分

38、与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件(温度、温度、pH)代谢类型（产物通过三羧酸循环代谢类型（产物通过三羧酸循环 获取，则呼吸强度高；通过糖酵获取，则呼吸强度高；通过糖酵 解获取，则呼吸强度低。解获取，则呼吸强度低。第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌62发酵液中氧的平衡发酵液中氧的平衡 发酵液中供氧和耗氧处于一个动态的平衡中发酵液中供氧和耗氧处于一个动态的平衡中供氧：供氧：需氧：需氧：*/()LLdC dtK a CC2OrQX 工业发酵中产率是否受氧的限制，单凭工业发酵中产率是否受氧的限制，单凭通气量通气量的大的大小是难以确定的。因溶氧的高低不仅取决于小是难以确定的。因溶氧

39、的高低不仅取决于供氧、通供氧、通气搅拌气搅拌等，还取决于等，还取决于耗耗氧氧状况。状况。63 发酵初期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降。发酵后期发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上会逐步上 升，升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升。升。发酵中后期发酵中后期：溶氧浓度明显：溶氧浓度明显地地 受工艺控制手段的影响受工艺控制手段的影响，如补，如补 料的料的 数量、时机和方式等。数量、时机和方式等。64三、提高溶解氧的措施1.搅拌是提高溶解氧的重要措施2.在培养基方面3.改善发酵

40、液的黏度能有效地提高传质，尤其 是溶氧溶氧只是发酵参数之一。它对发酵过程的影响还必须与其他参数配合起来分析。第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌65发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期有利于产物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。控制溶解氧的意义：发酵不同阶段对氧的要求不同控制溶解氧的意义：发酵不同阶段对氧的要求不同第四节第四节 通气和搅拌通气和搅拌66第五节第五节 泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制一、发酵过程中泡沫的产生 加速溶氧，搅拌，增加了气液接触面积（一）泡沫的性质1.泡沫的定义2.泡沫的分类 机械性泡沫：存在于发酵液表面上面的泡沫 流态泡沫

41、：分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显的界限。3.影响泡沫形成及稳定性的因素67（二）、发酵过程中泡沫的变化 搅拌、通风；培养基性质；微生物代谢 起泡方式：1.整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平2.发酵早期起泡，后稳定下降，以后保持恒定3.发酵前期泡沫稍微降低后又开始回升4.发酵开始起泡能力低，以后上升5.以上类型的综合方式 第五节第五节 泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制68二、泡沫对发酵的影响 装料系数减少 逃液、渗漏，增加染菌 影响溶氧，影响代谢 菌群的非均一性 消泡剂影响产物提取第五节第五节 泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制69三、泡沫的消除和控制泡沫的控制：1.通过调整培养基成分

42、，或改变发酵条件，以减少泡沫形成的机会。2.消除已形成的泡沫，采用机械消泡或 消沫剂消泡。第五节第五节 泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制70三、泡沫的消除和控制（一）、化学消泡1.消泡机理 降低液膜的机械强度或表面黏度2.消泡剂选择的原则必须是表面活性剂必须有一定的亲水性水中的溶解度要小无毒对发酵过程无影响第五节第五节 泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制713.常用消泡剂种类 天然油脂；高级醇类、脂肪酸和酯类；聚醚类 硅酮类4.影响消泡作用的因素（消泡作用持久性）消泡剂本身的性能 消泡剂加入量 消泡剂加入时间 制备成乳浊液使用第五节第五节 泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制72（二）、机械消泡（物

43、理方法）罐内、罐外第五节第五节 泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制73第六节第六节 二氧化碳和呼吸商二氧化碳和呼吸商OUR CER RQ：呼吸商指单位时间内进行呼吸作用的生物释放 二氧化碳量与吸收氧气量的比值。RQ释放的二氧化碳体积/消耗的氧气体积1.二氧化碳对菌体生长及产物合成的影响 对菌体生长直接影响 影响抗生素的合成 细胞作用机制上影响膜结构2.影响二氧化碳浓度变化的因素 多因素 通气搅拌抑制二氧化碳浓度74第七节第七节 发酵终点的判断发酵终点的判断1.影响放罐时间的因素 （1）经济因素 （2）产品质量因素 发酵时间 （3）特殊因素 异常情况 合理的放罐时间由实验确定2.发酵终点判断的依据

44、 原料成本、生产成本、下游技术 发酵生产时间 主要指标：产物浓度、氨基氮、菌体形态、pH、培养液外观、黏度 75第八节第八节 发酵的优化控制发酵的优化控制主要进行两方面的工作：（1）发酵配方优化（2）发酵工艺参数的优化一、培养基的优化 正交试验设计、均匀设计、中心组合设计、因素重构分析法及响应面分析、76二、工艺优化控制法第一类：包含代谢网络模型在内，细致考虑细胞内构 成成分变化的构造性模型构造性模型。第二类：完全基于生物过程状态变量和操作变量时间 序列数据的模型。考虑的是发酵过程 某一时间段内状态变量和操作变量之 间的表观动力学特性。黑箱模型黑箱模型第三类：介于前两者之间的非构造式数学模型非构造式数学模型，使用最广泛第八节第八节 发酵的优化控制发酵的优化控制77第九节第九节 发酵过程的计算机控制发酵过程的计算机控制一、计算机控制概述 通过计算机实现：过程数据的存储、过程数据的分析、过程控制。二、计算机控制系统及其功能三、计算机在最优化控制中的作用78第十节第十节 发酵过程的精确检测发酵过程的精确检测一、发酵过程的参数 状态参数、间接状态参数二、在线仪器监测三、离线发酵分析79