发酵工程第5讲课件.ppt

1、 发酵的过程实质上是在发酵的过程实质上是在分子水平的遗传特性分子水平的遗传特性，细胞水平的代谢调节和工程水平的传递特性细胞水平的代谢调节和工程水平的传递特性三个不三个不同水平上发生调控的。发酵过程受到多因素交叉的同水平上发生调控的。发酵过程受到多因素交叉的影响具影响具有不确定性和复杂性。有不确定性和复杂性。1 1 温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制 不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0260C生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于15430C生长，嗜热菌

2、适应于生长，嗜热菌适应于37650C生长，嗜高温菌适应于生长，嗜高温菌适应于650C以上生长以上生长 每种微生物对温度的要求可用每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最适温度、最高温度、最低温度最低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度范围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。在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超过最

3、适温度后，随温度升高，生长温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。速率下降，最后停止生长，引起死亡。微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代谢温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。理。1.1 1.1 温度对发酵的影响温度对发酵的影响发酵过程的反应速发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。1.1.3 1

4、.1.3 温温度影响发酵方向度影响发酵方向四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于温度低于300C时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到高，合成四环素的比例也提高，温度达到350C时，金霉时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。素的合成几乎停止，只产生四环素。温度还影响氧在基质中的溶解度，氧在发酵液中的溶解温度还影响氧在基质中的溶解度，氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控

5、制。的温度要严格控制。1.2 最适温度的选择最适温度的选择1.2.1 1.2.1 根据菌种及生长阶段选择根据菌种及生长阶段选择微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。求的温度范围也不同。如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为370C，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30320C，青霉菌生长温度为青霉菌生长温度为300C。在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，体，取稍高的温度取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；，促使菌

6、的呼吸与代谢，使菌生长迅速；在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，在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，因此从而提高产量，因此中期温度要稍低一些中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。，可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。闭得比较严密有利于产物合成。发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐就又提高温度，刺激产物合成到放罐。，6 6 36 36 四环素生长阶段四环素

7、生长阶段28，合成期，合成期26后期再升温；黑曲霉后期再升温；黑曲霉生长生长37，产糖化酶，产糖化酶3234。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长长3032，产酸，产酸3437。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段通过试验确定。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段通过试验确定。1.2.2 1.2.2 根据培养条件选择根据培养条件选择温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。通气条件差通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。些，溶氧浓

8、度也可髙些。培养基培养基稀薄稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。用快，会使菌过早自溶。1.2.3 1.2.3 根据菌生长情况根据菌生长情况菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。慢，维持较高温度时间可长些。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。1.3 引起发酵过程温度变化的因素引起发酵过程温度变化的因素发酵热发酵热Q Q发酵发酵发酵热

9、是引起发酵过程温度变化的原因。发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。净热量。在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。和就叫做净热量。Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射 生物热生物热Q Q生物生物在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，在发酵过程中，菌体不断利用培养

10、基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如能化合物（如ATPATP）提供细胞合成和代谢产物合成需）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余部分以热的形式散发出来，这散发出要的能量，其余部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。来的热就叫生物热。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。生物热与发酵类型有关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微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多多一摩尔葡萄糖彻底氧化成一摩尔葡萄糖彻底氧

11、化成CO2和水和水好氧：产生好氧：产生287.2千焦耳热量，千焦耳热量，183千焦耳转变为高能化合物千焦耳转变为高能化合物 104.2千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放厌氧：产生厌氧：产生22.6千焦耳热量，千焦耳热量，9.6千焦耳转变为高能化合物千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放二个例子中转化为高能化合物分别为二个例子中转化为高能化合物分别为63.7和和42.6生物热的产生具有强烈的时间性生物热的产生具有强烈的时间性。在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。缓慢，产生热量较少。菌体在对数生长期

12、时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。必须注意控制温度。培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。大，且逐渐减弱。搅拌热搅拌热Q Q搅拌搅拌在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设液作机械运动，造成液体之间，液体与

13、搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：功率有关，可用下式计算：Q Q搅拌搅拌=3600=3600（P/VP/V）36003600：热功当量（：热功当量（kJ/kJ/（kW.hkW.h）（P/VP/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（的功率（kW/mkW/m3 3）蒸发热蒸发热Q Q蒸发蒸发 通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所带通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所带走的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热走的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热量叫显

14、热Q显热显热，显热很小，一般可以忽略不计。，显热很小，一般可以忽略不计。辐射热辐射热Q Q辐射辐射发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通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温与环境的过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的的5。Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射发酵热的测定发酵热的测定有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进有二种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过出口温度差计算发酵热。在

15、工厂里，可以通过测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。小时冷却水流量来计算发酵热。Q发酵发酵GCw(T出出T进进)Cw水的比热水的比热 G冷却水流量冷却水流量 另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。1.4 1.4 发酵过程温度的控制发酵过程温度的控制发酵罐：夹套（发酵罐：夹套（5M5M3 3以下

16、）以下）盘管（蛇管）（盘管（蛇管）（5M5M3 3以上）以上）种子罐一般需升温或降温种子罐一般需升温或降温发酵罐一般只需降温发酵罐一般只需降温 3.2 3.2 起泡的危害起泡的危害3.2.13.2.1降低生产能力降低生产能力在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量，大多在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量，大多数罐的装料系数在数罐的装料系数在0.60.7，余下的空间用于容纳泡沫。，余下的空间用于容纳泡沫。3.2.23.2.2引起原料浪费引起原料浪费如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，造成浪费。原料流失，造成浪费。3.

17、2.3 3.2.3 影影响菌的呼吸响菌的呼吸 如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，气泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进气泡中充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进行交换，这样就影响了菌的呼吸。行交换，这样就影响了菌的呼吸。3.2.4 3.2.4 引引起染菌起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培养基，就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵养基，就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，罐而造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的润滑油可起

18、点消泡作用，从轴封处落下的轴封处的润滑油可起点消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。泡沫往往引起杂菌污染。在在2810028100的空气饱和浓度情况下，氧在发酵液中的空气饱和浓度情况下，氧在发酵液中只有只有7mg/L(0.25 mmol.L7mg/L(0.25 mmol.L-1-1)左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小70007000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100100空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟内便耗竭，使溶氧成为限制因素。几分钟内便耗竭，使溶氧成为限制因素。

19、mmol Ommol O/g/g菌菌h)h)mmol Ommol O/g/g菌菌hh2.2 10-3，黑曲霉为：，黑曲霉为：8.3 10-4 mmol O/Lh）CCrQO2 CL各种微生物各种微生物C C :细菌和酵母细菌和酵母3%3%10%10%，放线菌，放线菌5%5%30%30%，霉，霉菌菌10%10%15%15%例：酵母例：酵母 4.64.61010-3-3 mmol.L mmol.L-1-1产黄青霉产黄青霉 2.22.21010-2-2 mmol.L mmol.L-1-1（4）氧饱和度：发酵液中氧的浓度）氧饱和度：发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制

20、发酵过程中氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.注意：注意：4 4 3 3 (C*-C)根据亨利定律根据亨利定律：P=HCC*P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度:以氧浓度为推动力的总传递系数以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)亨利常数亨利常数（PaL/Lmmol)以单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为以单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 (气液比表气液比表面积面积m2/m3)a以氧浓度为推动以氧浓度为推动力的力的4 4 4 4 影响影响KlaKla的因素的因素Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与反映了设备的

21、供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。发酵罐。1.4.11.4.1影响摇瓶影响摇瓶klakla的因素的因素为装液量和摇瓶机的为装液量和摇瓶机的频率频率实例实例：黑曲霉生产糖化酶：黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812 2416 2846提高提高,比提高比提高通气比通气比有效有效5 pH5 pH值对发酵过程的影响及其调控值对发酵过程的影响及其调控 pH是是微生物代谢微生物代谢的综合反映，它对菌体的综合反映，它对菌体的生长和产品的积累有很大的的生长和产品的积累有很大的影响影响。所。所以是十分重要的参数。以是十分重要的参数

22、。发酵过程中发酵过程中pH是是不断变化不断变化的，通过观的，通过观察察pH变化规律可以变化规律可以了解发酵了解发酵的正常与的正常与否否5.1 5.1 发酵过程发酵过程pHpH值变化的原因值变化的原因 5.1.1 5.1.1 基质代谢基质代谢 5.1.1.1 糖代谢：特别是快速利用的糖，分解成小分糖代谢：特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pH上升，是补料上升，是补料的标志之一的标志之一5.1.1.2 氮代谢：氨基酸被利用后产生氮代谢：氨基酸被利用后产生NH3，pH会会上升上升；尿素被分解成；尿素被分解成NH3，pH上升。上升。5.1.1.3 生

23、理酸、碱性物质利用后生理酸、碱性物质利用后pH会上升或下降会上升或下降5.1.2 5.1.2 产物形成产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变变化，如有机酸类产生使化，如有机酸类产生使pH下降。红霉素、洁下降。红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。上升。5.1.3 5.1.3 菌体自溶菌体自溶 pH上升，发酵后期，上升，发酵后期，pH上升上升。5.1.4 5.1.4 pH下降下降 5.2 pH5.2 pH值对发酵的影响值对发酵的影响 5.2.1 pH影响微生物细胞膜所带影响微生物细胞膜所带电荷。电荷。从而

24、从而改变细胞改变细胞膜的透性，膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行排泄，因此影响新陈代谢的进行 5.2.2 pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，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从而影响微生物对这些物质的利用 5.2.3 pH值影响代谢方向值影响代谢方向 pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在pH23时发酵时发酵产生柠檬酸，在产生柠檬酸，在pH近中性时，则产生草

25、酸。近中性时，则产生草酸。谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。乙酰谷氨酰胺。5.2.4 pH5.2.4 pH在微生物培养的不同阶段有不同的影在微生物培养的不同阶段有不同的影响响 pH对菌体生长影响比产物合成影响小对菌体生长影响比产物合成影响小例例 青霉素：菌体生长最适青霉素：菌体生长最适pH3.56.0,产物合成最适产物合成最适pH7.27.4 四环素：菌体生长最适四环素：菌体生长最适pH6.06.8，产物合成最适，产物合成最适pH5.86.05.3 5.3 最

26、最佳佳pHpH的确定的确定配制不同初始配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情的培养基，摇瓶考察发酵情况况pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响5.4 pH5.4 pH值的控制值的控制 5.4.1 1 调调节好基础料的节好基础料的pH(pH(特别注意特别注意C/N)C/N)。基。基础料中若含有玉米浆，础料中若含有玉米浆，pHpH呈酸性，必须注意调呈酸性，必须注意调节节pHpH。5.4.2 5.4.2 在在基础料中加入维持基础料中加入维持pHpH的物质，如的物质，如CaCOCaCO3 3，或具有缓冲能力的试剂，具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等如磷酸缓冲液等 5.4.3 5.4.3 通

27、通过补料调节过补料调节pHpH，在发酵过程中根据糖，在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。氮消耗需要进行补料。5.4.4 发发酵的不同阶段控制不同的酵的不同阶段控制不同的pH值值并建立反应速度与影响因素的关联并建立反应速度与影响因素的关联 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）dxdtX XmaxsSKSmaxsSvvKSdxdt0 0maxmaxXXXXmaxsSKSPirt方程 a+b=0、0：可表示一类发酵0、=0：可表示三类发酵0、0：可表示二类发酵 +指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维

28、持消耗所需的基质的量讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。是一个常数。分批发酵培养分批发酵培养的优缺点的优缺点n优点优点 操作简单，周期短，染菌机会少，操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握。生产过程和产品质量容易掌握。n缺点缺点 非生产时间较长、设备利用率低。非生产时间较长、设备利用率低。流入速度=流出速度=F流入速度=流出速度=F 反应器内(V)全混流溶质浓度处处相等maxsSKS连续培养的优缺点连续培养的优缺点优点：优点：能维持低基质浓度；能维持低基质浓度；可以提高设备利用率和单位时间的产量；可以提高设备利用率和单位时间的产量；便于自动控制便于自动控制缺点：缺点：菌种发生变异的可能性较大；菌种发生变异的可能性较大；要求严格的无菌条件。要求严格的无菌条件。