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1、第4章 发 酵 工 艺 控 制,生化生产工艺学 Technology of Biochemicals production,第一节 温度对发酵的影响及其控制,一、 发酵热,- 发酵过程中释放出的净热量。 J / m3 h 或 - 单位体积的发酵液在单位时间内释放出来的净热量。,Q发酵 = Q生物 + Q搅拌 - Q蒸发 - Q显 Q辐射,1、生物热 （Q生物）, 产生菌在生长繁殖过程中本身会产生大量的热，此为生物热。, 这种热的主要来源是培养基中的碳水化合物、脂肪和蛋白质等的分解。, 释放出的能量部分用来合成高能化合物(ATP),部分用来合成产物，其余的则以热的形式散发出来,影响生物热的因素：
2、 菌株特性 培养基成分和浓度 发酵时期, 菌株对营养物质利用的速率越大，培养基成分越丰富，生物热也就越大。 发酵旺盛期的生物热大于其它时间的生物热 （四环素20-50小时； 苏云金杆菌10-18小时）,2、搅拌热 （Q搅拌）,搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间、液体和设备之间的摩擦，产生数量可观的热。,搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算： Q = P 860 4186.8 (J / h) P - 搅拌轴功率，kW 8604186.8 - 机械能转变为热能的热功当量， J /kW.h,影响因素： 搅拌器的类型及搅拌速度,3、蒸发热 （Q蒸发),空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换
3、，同时必然会引起水分的蒸发，蒸发所需的热量即为蒸发热。,4、显热 （Q显）,排出气体所带的热,5、辐射热 （Q辐射）, 因罐内外的温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。 辐射热的大小决定于罐内外的温差,1）菌种特性 2）培养基 （成分及配比） 3）发酵阶段 4）搅拌类型及搅拌速度 5）通气速度 （影响Q蒸发和Q显） 6）罐内外的温差,影响发酵温度的因素：,由于Q生物、Q蒸发、Q显在发酵过程中随时间而变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化。为了使发酵在一定温度下进行，必须采取措施加以控制。,二、发酵热的测定,方法一： 通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出口温度，由下式求得这段
4、时间内的发酵热： Q发酵 = GC (t2- t1) / V (J / m3 h),G - 冷却水流量，kg/h C - 水的比热， J/kg t 1、t 2 - 进、出口的冷却水温度， V - 发酵液体积 ， m3,方法二： 通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制装置测得温度随时间上升的速率S, 按下式可求得发酵热 ： Q 发酵 = K S,S - 温度随时间上升的速率，/h K - 总参数，代表系统的热容量，J/L,K值可由下式求得： K = (MCp)发酵液 + (MCp)容器 + (MCp)附件,M 以每升发酵液计的发酵液、容器、附件的重量 Cp 代表各自的比热,一般微生
5、物发酵过程中的最大发酵热约为 4.186 (30008000) kJ / m3 h,三、温度与发酵的关系,1、温度对微生物生长的影响, 嗜冷菌在温度低于20下生长速率最大 嗜中温菌在30-35左右生长速率最大 嗜热菌在50以上生长速率最大, 曲线形状相似；当温度增加10，生长速率大致增长一倍。 当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅速下降,微生物产物的生成与微生物的生长一样受温度的影响，但适于生长和适于产物合成的温度不一定相同；必须分别考察，在考虑培养温度时需要采用折中的办法。,温度也会影响微生物培养的其它重要方面，如细胞得率系数等。,当温度超过一定数值，细胞得率降低。主要原因是生命活
6、动维持方面的需求增加,2、温度对发酵的影响, 温度对发酵的影响是各种因素综合表现的结果 从酶动力学来看，温度升高，反应速率加大，代谢加快，生产期提前；但因酶本身很易因热而失去活性，温度越高，酶的失活也越快，表现在菌体易于衰老，发酵周期缩短，影响产物的最终产量。,1） 温度影响产物合成的速率及产量, 温度除了直接影响发酵过程中各种反应速率外，还通过改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。,2）温度可能会影响终产物的质量 例如： 苏云金杆菌的发酵，一般在30-31进行，这样形成的晶体毒力强。若发酵温度提高到37以上，虽然菌体生长繁殖较快，最终含菌数也较高，但生物毒力较低，直接影响产品的质量。,
7、3）温度还可能影响生物合成的方向 例如： 四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于30下，该菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例提高；在温度达到35时，则只产生四环素，金霉素的合成停止,四、最适温度的选择, 最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的形成。, 在发酵的整个周期内仅选一个温度不一定好。 因为最适合菌生长的温度不一定适合产物的合成。,例如： 青霉素产生菌的最适生长温度是30，而最适于青霉素合成的温度是20。 发酵过程中，在生长初期抗生素还未开始合成，菌丝还未长浓，这时的温度应适于微生物的生长；到抗生素分泌期，菌丝已长到一定浓度，积累抗生素是重点考虑，此时应满足生
8、物合成的最适温度。,温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握, 通气条件 在通气条件差的情况下，最适的发酵温度应比在正常良好通气条件下低一些；这是由于在较低的温度下，氧溶解度相应大些，菌的生长速率相应小些，从而弥补可能因通气不足而造成的代谢异常。, 培养基成分和浓度 在使用较稀薄或较易利用的培养基时，提高培养温度则养料往往过早耗竭，导致菌丝过早自溶，使抗生素产量降低。,利用计算机模拟确定最佳发酵条件，正逐步得到推广应用。 根据模拟计算机对发酵温度最佳点的计算，得到青霉素发酵的最适温度是： 起初5h维持在30；随后降到25，培养35h；再降到20培养85h；最后回升到25培养40h放罐。 采用这种
9、变温培养，比在25恒温培养青霉素产量提高15%。,五、温度的控制,方法： 罐壁调温 夹层调温 罐内调温,第二节 pH对发酵的影响及其控制,一、pH对菌体生长和产物合成的影响,1）pH影响酶的活性 当pH抑制菌体中某些酶的活性时，使菌体的新陈代谢受阻,2）pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄，因此影响代谢的正常进行。,4）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。,3）影响培养基某些组分和中间产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用。, 例如：黑曲霉在pH2-3时，发酵产生柠檬酸，在pH接近中性时，则
10、产生草酸。 又如：丙酮丁醇发酵中，发酵后期pH为4.3-5.3时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。,二、发酵过程中pH的变化及影响pH变化的因素,1、发酵过程中pH的变化,1）生长阶段 pH有上升或下降趋势（相对于接种后起始pH而言） 如：利福霉素B发酵起始pH为中性，但生长初期由于菌体产生的蛋白酶水解蛋白胨而生成铵离子，使pH上升至碱性；接着，随着铵离子的利用及葡萄糖利用过程中产生的有机酸使pH下降到酸性范围。,2）生产阶段 在生产阶段，pH趋于稳定，维持在最适 产物合成的范围,3）自溶阶段 菌丝自溶阶段，随着基质的耗尽，菌体蛋白酶的活 跃，培养液中氨基氮增加，
11、致使pH上升，此时菌 丝趋于自溶而代谢活动终止。,2、引起发酵液中pH变化的因素, 发酵过程中pH的变化取决于微生物的种类、培养基的组成和发酵条件。 在菌体代谢过程中，菌体本身有建成其生长最适pH的能力，但外界条件发生较大变化时，pH将会不断波动。,引起pH下降的因素： （凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗的发酵，其pH都会下降）,1）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大量积累而pH下降。,2）消泡油加得过多,3）生理酸性物质的存在，氨被利用，pH下降,引起pH上升的因素： （凡是导致碱性物质生成或释放及酸性物质消耗的发酵，其pH
12、都会下降）,1）培养基中碳氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放，使pH上升。,2）生理碱性物质存在,3）中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH上升。,三、最适pH的选择,1、微生物生长和产物合成的最适pH,微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH往往不同，这不仅与菌种特性有关，也取决于产物的化学性质。,例如： 一般产生碱性抗生素的，如灰色链霉菌生产链霉素、红色链霉菌产生红霉素，其合成产物的最适pH为6.8-7.3，中性偏碱；而产生两性抗生素的，如金色链霉菌生产金霉素，其合成产物的最适pH为5.9-6.3,弱酸性。,2、最适pH的选择, 选择合适pH值的准则是有利于菌的生长和产物的合成，以获得
13、较高的产量, 生长期和生产期的pH不一定相同 例如利福霉素B发酵的最佳pH方案是：生长期pH保持在6.5，生产期pH为7.0。,四、 pH的控制,1、在基础培养基配方中考虑到维持pH的需要 例如加入CaCO3，使用缓冲液等,2、通过补加酸、碱来调节控制,3、通过中间补料来控制 例如可以根据生产菌的代谢需要用改变加糖速率来控制pH, 也可通过中间补加尿素或硫酸铵等调节,第三节 基质浓度对发酵的影响及其控制,一、基质浓度对发酵的影响,1、 对生长的影响 可用Monod 方程来描述基质浓度与生长速率的关系,-比生长速率 max - 最大比生长速率 S - 基质浓度 Ks - 饱和常数 （= 0.5m
14、ax时的基质浓度）, SKs，趋向于max 然而，由于代谢产物或基质浓度过浓可能会导 致抑制作用，出现比生长速率下降 当浓度超过某值，还可能导致细胞脱水,2、 对产物形成的影响, 基质浓度对产物形成的影响类似于生长 在一定范围内，基质浓度大，通常产物产量高 过浓，使菌体生长过于旺盛，发酵液非常粘稠， 传质状况差，对产物的合成不利,例如： 以乙醇为碳源发酵谷氨酸，当乙醇浓度达35g/L，可延长谷氨酸生产时间，提高产量；但在更高浓度下，菌体生长受到抑制，产量降低,二、 基质浓度的控制 补料控制,为解除基质过浓的抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖效应，以及避免在分批发酵中因一次性投糖（料）过多造成细胞大量
15、生长，耗氧过多而供氧不足的状况，通常采用中间补料工艺。,补料的方式： 1）于预定时间一次性补料或间歇补料 2）连续恒速补料 3）变速补料（指数流加）,为有效地进行中间补料，须选择恰当的反馈控制参数；掌握这些参数与微生物生长、基质利用和产物形成之间的关系。,反馈控制操作分直接法和间接法,1）直接法：, 直接以限制性营养物质浓度作为反馈控制参数 例如碳源、氮源、碳氮比, 由于缺乏直接测量重要参数的传感器，该法的使用受到 一定限制。 目前只有少数基质，如甲醇、乙醇、葡萄糖等可直接测量,2）间接法 以溶氧、呼吸商、代谢物浓度等作为反馈控制参数,第四节 溶氧浓度对发酵的影响及控制,一、溶氧测定的意义,1
16、、溶氧作为发酵中氧是否足够的度量，了解菌对氧利用的规律。,2、溶氧作为发酵异常情况的指示, 溶氧一反往常，在较短的时间内跌到零附近，且跌零后长时间不回升，这很可能说明污染了好气菌 如发酵过程中溶氧迅速回升，发酵液变稀，则很可能是污染了噬菌体,3、溶氧作为发酵中间控制的手段之一, 补糖后，溶氧出现明显下降的趋势 因此可利用溶氧作为参数来控制加料的次数、流加速度和加入量,4、溶氧作为考查设备、工艺条件对氧供需与产物形成影响的指标之一,二、适当溶解氧的选择, 在好氧微生物反应中，一般取 DO DOcri 以保证反应的正常进行。,临界氧浓度是不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度。, 氧的满足度, 实际溶解氧浓度与临界氧浓度之比。,合
