(完整版)温度对发酵的影响

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1、1 温度对发酵的影响 （1） 影响产物生成速率和产率. 温度越高， 酶反应速度越快， 微生物细胞生长代谢加快， 产物提前生成。 （2） 改变发酵液的物理性质而间接影响发酵. 改变培养液的物理性质会影响到微生物 细胞的生长。例如，温度通过影响氧在培养液中的溶解、传递速度等，进而影响发酵过程。 （3）影响生物合成的方向：金色链霉菌的四环素发酵中，在低于 30主要合成金霉素， 温度达 35则只产四环素。通过改变酶的调节机制实现。 （4）影响酶系组成及酶的特性：温度越高，酶反应速度越快，微生物细胞生长代谢加 快，产物提前生成。但温度升高，酶的失活也越快，表现出微生物细胞容易衰老，使发酵周 期缩短，从而

2、影响发酵过程最终产物的产量。 （5）同一种生产菌，菌体生长和积累代谢产物的最适温度也往往不同。 最适温度： 最适于菌的生长或发酵产物生成的温度。如谷氨酸菌的生长最适温度为30 -32 ，产谷氨酸的最适温度为34-37 。 pH值对发酵的影响 发酵液 pH的改变将对发酵产生很大的影响。 改变细胞膜的电荷性质，影响新陈代谢的正常进行。原生质体膜具有胶体性质，在一 定 pH时原生质体膜可以带正电荷，而在另一pH值时， 原生质体膜则带负电荷。这种电荷的 改变同时会引起原生质体膜对个别离子渗透性的改变，从而影响微生物对培养基中营养物质 的吸收及代谢产物的分泌，妨碍新陈代谢的正常进行。如产黄青霉的细胞壁厚

3、度随pH的增 加而减小，其菌丝的直径在pH 6.0 时为 23um ，在 pH 7.4 时，则为21.8um，呈膨胀酵 母状细胞，随pH下降菌丝形状可恢复正常。 影响菌体代谢方向。培养液的pH对微生物的代谢有更直接的影响。在产气杆菌中， 与吡咯并喹呤醌(PQQ)结合的葡萄糖脱氢酶受培养液pH 影响很大。在钾营养限制性培养基 中， pH 8.O 时不产生葡萄糖酸，而在pH 5.0 5.5 时产生的葡糖酸和2- 酮葡萄糖酸最多。 此外，在硫或氨营养限制性的培养基中，此菌生长在pH 5.5 下产生葡萄酸与2-酮葡萄酸， 但在 pH 6.8 时不产生这些化合物。发酵过程中在不同pH范围内以恒定速率(O

4、.055%h) 加 糖，青霉素产量和糖耗并不一样，见表84。 表 84 在不同 pH范围内恒定速率加糖，青霉素产量和糖耗的关系 pH范围糖耗残糖PenG相对单位 pH范围糖耗残糖PenG相对单位 pH 6O 6.3 加糖 pH 6.6 6.9 加糖 10% 7% O.5 0.2 较高 高 pH 7.3 7.6 pH 6.8 控制加糖 7% O.5 1.1,表示走 EMP途径 , 生成乙醇 . (2) 菌在利用不同基质时, RQ值也不相同 . 如大肠杆菌发酵, 丙酮酸 RQ=1.26, 葡萄糖 RQ=1.02 (3) 在抗生素发酵的不同阶段, RQ值也不相同 :菌体生长RQ=0.909, 菌体维

5、持RQ=1,青霉素合 成 RQ=4 3 基质浓度对发酵的影响 （1）momod 模型=max*S/(Ks+S) 式中：-比生长速率max- 最大的比生长 速率 S-基质浓度 Ks-饱和常数，是在=0.5 max时的基质浓度解释 P148 图 9-34 （2） 、基质浓度对发酵的影响 1）高浓度基质制菌体生长和产物形成：主要是通过高渗压脱水、酶中毒、分解代谢物 阻遏作用实现的。2）培养基过于丰富，菌体生长过盛，对产物合成不利。 染菌的主要途径 1）种子带菌2）无菌空气带菌3）操作不当4）培养基和设备灭菌不彻底5）冷却管等设备 渗滤 6）泡沫外溢 杂菌污染的预防 1）杜绝种子染菌强无菌室管理、严格

6、接种的无菌操作、定期取样无菌检验。 2）消灭设备和管道死角检查设备消除死角、发酵罐每使用一次应彻底洗刷一次。 3）防止设备渗漏经常检查，按时更换和修理 4）加强空气净化，防止空气带菌减少进口空气中的含菌数、加强对空气的除油除水 保证介质过滤的高效率、合理设计过滤器、按要求装填过滤介质、定期检查分过滤器。 发酵产物的提取与精制过程一般包括如下四个阶段： (1)发酵液的预处理即去除细胞及不溶性物质，主要单元操作方法是离心和过滤。此 阶段产品浓度和质量仅有少量改善，其主要任务是去除发酵液中的固体物质，为后续阶段提 供澄清、洁净的原料液。 (2)产品的提取主要单元操作方法有萃取、吸附、沉淀、蒸发等典型

7、方法。此阶殷主 要任务是去除与目的产物有较大差异的物质以提高产品浓度，而提高产品质量为辅。 (3)产品的精制主要单元操作方法有层析法、膜分离法、离子交换法、沉淀法、电泳 法等。此阶段的主要任务是去除与目的产物有类似化学性质和物理性质的杂质，使产物的纯 度有较大程度的提高。 (4) 产品的最后加工主要单元操作方法有结晶、干燥、蒸馏等。最终产品的使用要求 决定了此阶段可采用的方法。 提取与精制的工艺流程 从该程序可见，各种发酵醪特性不同，含菌体不同，发酵产物的化学结构和物理性质不同， 提取和精制的方法的选择也不同。对于某些发酵产品，在提取和精制过程中要注意防止变性 和降解现象的发生。例如，酶制剂、

8、抗生素、单细胞蛋白、氨基酸及核酸等，由于其大分子 空间结构主要依靠氢键、盐键和范德华引力而形成，过酸、过碱、高温、剧烈的机械作用、 强烈的辐射等都可能导致大分子活性的丧失和不稳定。因此，在提取和精制过程中要注意避 免 pH值过高或过低，避免高温、剧烈搅拌而产生大量泡沫，避免和重金属离子及其他蛋白 质变性剂接触。 有必要用有机溶剂处理的，必须在低温下，短时间内进行。有些酶以金属离 子或小分子有机化合物为辅基，在进行提取和精制时，要防止这些辅基的流失。此外，在发 4 酵液中， 除所需要的酶以外，常常还同时存在蛋白酶，为防止发酵醪中所需的酶被蛋白酶分 解，要及早除去蛋白酶或使其失活。 生产效率 又称

9、发酵速率，是指单位操作时问、单位发酵体积所产生的发酵产物量，它 是评价发酵生产的主要指标之一。生产效率有如下两种表示方法：发酵过程的生产速率和发 酵设备的生产能力。 发酵液中的 产物浓度 一般以 g/L 表示，也有用质量百分比表示的,对于活性物质产品，则常 采用活性单位，称为发酵单位或发酵效价，以U /mL 表示 . 发酵产物浓度在一定情况下可以 代表菌种和发酵水平的高低，如酶试剂、抗生素等 基质转化率 是指发酵工艺中所使用的主要基质( 一般指碳源或其他成本较高的基质) 转 化为发酵产物的得率，常以 g/kg 或% 表示。 对于微生物代谢产物的发酵，基质转化率通常是 指发酵使用的碳源转化为目的

10、产物的得率。对于细胞产品， 则指碳源合成细胞的得率。对于 生物转化产品， 基质转化率表示前体物质转化为产物的得率。对于活性物质产品，基质转化 率的含义中还必须包括活力单位。基质转化率是原材料成本效益的指示值 以好氧发酵产品为例，试述生产工艺流程和工艺控制要点 谷氨酸发酵生产工艺 （一） 、工艺流程 淀粉 - 糖液 - 发酵 - 提取 - 精制 - 包装 - 成品 菌种 （二）、操作要点 1、淀粉水解糖的制备 （1）酸水解工艺流程 原料（淀粉、水、盐酸）调浆（调浆）糖化冷却中和、脱色过滤糖液 （2）工艺要点 1）调浆：淀粉乳浓度为1011 。波美，用盐酸调 pH值 1.5 左右。 2）糖化：在糖

11、化锅内进行， 直接蒸汽加热， 压力（表压） 控制 29.34*10 434.43*104Pa， 时间为 25min。 3）冷却：将糖化醪温度控制在80以下。 4）中和：用烧碱配成一定浓度调pH值 4.0 5.0 左右，使糖液中蛋白质和其它胶体物 质沉淀析出。 5）脱色：用粉末活性炭脱色，用量为淀粉原料的0.6%-0.8% ，在 70及酸性条件下进 行搅拌脱色 6）过滤：过滤温度控制在45-60 。 2、菌种的扩大培养 （1）工艺流程 菌种 - 斜面培养 - 一级种子培养- 二级种子培养- 发酵 5 （2）工艺要点 1）菌种：我国生产谷氨酸的菌种有北京棒状杆菌AS1229 、钝齿棒状杆菌AS15

12、42 、 HU7251及 7338、B9、 T6-13、 672等。 2）斜面培养： A 、培养基：葡萄糖0.1%、牛肉膏1% 、蛋白胨1% 、氯化钠0.5%、琼脂 2% ，40% 氢 氧化钠溶液调pH7.07.2 ； B 、装试管：传代用斜面每支18*180 试管装约10 毫升，生产用斜面每支25*200 毫升装约 25 毫升； C 、灭菌： 120， 30min, 取出冷至 45摊成斜面，凝固后入培养箱32-34 培养 48h，经检验无杂菌后包扎备用； D 、 经分离复壮、 活化至第三代的斜面菌种，在无菌操作下移种 （1 支接 10 支左右）， 于 32-34 培养 22-24h 。 3）

13、一级种子培养 A 、培养基：葡萄糖2.5%、尿素 0.5%、硫酸镁 0.04%、磷酸氢二钾0.1%、硫酸亚铁 2ppm 、硫酸锰2ppm 、玉米浆3%-3.5%，40% 氢氧化钠溶液调pH7.07.2 ； B 、装三角瓶：1000 毫升三角瓶液量约200 毫升，瓶口包扎要紧； C 、灭菌： 120， 30min； D 、接种培养：一支斜面菌接5 瓶， 34恒温振荡培养，T6-13 菌培养 10.5h,7338 菌培养 12h； E 、质量标准：种龄11-12h 、pH6.40.1 、OD净增 0.5 以上、残糖0.5%以下、无 杂菌和噬菌体，镜检菌体生长均匀、粗壮、排列整齐、革兰氏阳性反应。

14、4）二级种子培养： A 、接种培养： 培养基与一级相似，主要区别在于用水解糖代替葡萄糖，一般于 32 下进行通气培养7-10h ； B 、质量标准：种龄7-10h 、pH7.2 左右、 OD净增 0.5 左右、残糖消耗1% 左右、无 杂菌和噬菌体，镜检菌体生长旺盛、排列整齐、革兰氏阳性反应，活菌数为每毫升含 10 8109 个细胞。 3、谷氨酸发酵 发酵过程中代谢变化以P216图 25 6为例说明。 （1） 初期：菌体生长的迟滞期，糖基本没有利用， pH因尿素分解有所上升，一般为 2-4 h； （2）对数生长期：主要是菌体生长，耗糖快，pH先升后降，溶氧急剧下降后维持在一 定水平上，菌体浓度（

15、OD ）迅速增大。操作时通过流加尿素以供给氮源和调 pH7.58.0 ，控温在 30-32 ； （3）谷氨酸合成期：微生物利用糖与尿素分解后产生的- 酮戊二酸和氨合成谷氨酸。 6 流加尿素控制pH7.27.4 ，加大通风，提高发酵温度至34-37 ； （4）发酵后期：当营养耗尽酸不再增加时，应及时放罐，发酵周期一般为30 多小时。 4、谷氨酸提取 提取方法一般有等电点法、离子交换法、 金属盐沉淀法、 盐酸盐法和电渗析法及其组 合法，以等电点法为例讲述其工艺流程： 发酵液 - - 起晶中和点 pH44.5 20 。 波美盐酸 育晶 2 h - 等电搅拌 pH33.22 静置沉淀 46 h 母液

16、菌体及细小GA - 离心分离 谷氨酸 等电点法提取谷氨酸工艺流程 工艺控制要点 : 温度 pH 溶解氧二氧化碳和呼吸商基质浓度泡沫对发酵的影响与控制 发酵过程中pH值的变化规律 （1） 不同生长阶段的pH值 1 ） 生长阶段： pH值有上升或下降的趋势2）生产阶段： pH值趋于稳定3）自溶阶段：pH值有上升的趋势（2）引起 pH值变化的原因 1） pH值上升的原因 A 、培养基中C/N 偏低 B、生理碱性物质存在，如硝酸钠C、中间补料中氨水或尿素 等碱性物质加入过量 2）pH值下降的原因 A、培养基中C/N 偏高 B、生理酸性物质存在，如硫酸铵C、消泡油加入过量 1、温度对微生物发酵有何影响？ 2 、pH 值影响发酵的机理是什么？ 3 、CO2对 细胞作用的机理是什么？ 4