第五章 微生物发酵及

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1、第五章第五章 微生物发酵及微生物发酵及 工艺控制工艺控制 第一节第一节 基本概念基本概念第二节第二节 发酵基本原理发酵基本原理第三节第三节 发酵过程及工艺控制发酵过程及工艺控制第四节第四节 问题分析及处理手段问题分析及处理手段发酵及工艺原理第一节第一节 基本概念基本概念 微生物发酵：微生物发酵： 二次或隐形生长：二次或隐形生长： 生长相关型：生长相关型： 利用微生物体来制得产物的需氧或厌氧的任何利用微生物体来制得产物的需氧或厌氧的任何过程杀灭物料及设备中一切生命物质的过程过程杀灭物料及设备中一切生命物质的过程由于细胞的自溶作用，一些新的营养物质被释由于细胞的自溶作用，一些新的营养物质被释放出来

2、，又作为营养物质，从而使细胞在稳定放出来，又作为营养物质，从而使细胞在稳定期又缓慢生长的现象。期又缓慢生长的现象。菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在相同的时间菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在相同的时间出现高峰。出现高峰。 基本概念发酵及工艺原理第一节第一节 基本概念基本概念 生长部分相关型：生长部分相关型： 生长不相关型：生长不相关型： 发酵第一时期菌体迅速增长，而产物的形成发酵第一时期菌体迅速增长，而产物的形成很少或全无；第二时期，产物以高速度形成很少或全无；第二时期，产物以高速度形成碳源利用在这两个时期都很高。碳源利用在这两个时期都很高。产物在菌体生长接近或达到最高生长期产物在菌体生

3、长接近或达到最高生长期基本概念发酵及工艺原理第二节第二节 发酵基本原理发酵基本原理2.22.2 发酵动力学发酵动力学发酵基本原理2.12.1 发酵操作方式发酵操作方式发酵及工艺原理 向反应器中一次投入所需的培养基，然后接种培养，培向反应器中一次投入所需的培养基，然后接种培养，培养过程中除控制温度和养过程中除控制温度和pH外不进行其他任何控制，反应外不进行其他任何控制，反应结束后将全部培养液排出进行处理。结束后将全部培养液排出进行处理。 缺点：缺点： 效率低效率低 尽管微生物的活性和机能因其所处的环境大幅度变化，也根本不控尽管微生物的活性和机能因其所处的环境大幅度变化，也根本不控制培养基组分浓度

4、等环境因素，而任其自然变化，这样不利于生产。制培养基组分浓度等环境因素，而任其自然变化，这样不利于生产。 在每一批主反应（生产阶段）之前，必须进行几级种子培养。在每一批主反应（生产阶段）之前，必须进行几级种子培养。分批发酵分批发酵12.12.1 发酵操作方式发酵操作方式但由于操作相对较易，目前但由于操作相对较易，目前仍是发酵工业的主要方式！仍是发酵工业的主要方式！发酵基本原理发酵及工艺原理 介于分批培养和连续培养之间的操作方式；介于分批培养和连续培养之间的操作方式； 在进行分批培养的时候，随着营养的消耗，向反应器内在进行分批培养的时候，随着营养的消耗，向反应器内补充一种或多种营养物质，以达到延

5、长生产期和控制发酵补充一种或多种营养物质，以达到延长生产期和控制发酵过程的目的。过程的目的。补料分批操作补料分批操作2发酵基本原理发酵及工艺原理补料分批培养应用：补料分批培养应用： 以某些很容易被微生物利用的物质（如葡萄糖）作为碳源以某些很容易被微生物利用的物质（如葡萄糖）作为碳源时，其某些分解代谢物会使细胞某些酶的合成受到阻遏；时，其某些分解代谢物会使细胞某些酶的合成受到阻遏； 采用补料的手段将葡萄糖逐渐加入反应器中，使发酵液中采用补料的手段将葡萄糖逐渐加入反应器中，使发酵液中的葡萄糖保持在低水平，避免分解代谢物的积累，从而可以的葡萄糖保持在低水平，避免分解代谢物的积累，从而可以有效去阻遏。

6、有效去阻遏。 细胞的高密度培养细胞的高密度培养 一般培养基中的营养物质浓度有一定的限度，过高的底一般培养基中的营养物质浓度有一定的限度，过高的底物浓度会抑制菌体的生长；物浓度会抑制菌体的生长； 采用补料的方法将高浓度的营养物质逐渐加入反应器，采用补料的方法将高浓度的营养物质逐渐加入反应器，可使发酵液中的菌体浓度达到很高的程度，如大肠杆菌浓可使发酵液中的菌体浓度达到很高的程度，如大肠杆菌浓度可达度可达145g/L。 发生底物抑制的过程发生底物抑制的过程一些微生物能利用甲醇、乙醇、乙酸、某些芳香族化合一些微生物能利用甲醇、乙醇、乙酸、某些芳香族化合物等，但它们在较高浓度下会对菌体的生产产生抑制。物

7、等，但它们在较高浓度下会对菌体的生产产生抑制。 分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏 营养缺陷型菌株的培养营养缺陷型菌株的培养 一些营养缺陷型菌株可以积累某种有用产物，如氨一些营养缺陷型菌株可以积累某种有用产物，如氨基酸、核苷、核苷酸等，利用这些菌株进行生产时须基酸、核苷、核苷酸等，利用这些菌株进行生产时须补充其不能合成的物质供生产所需；补充其不能合成的物质供生产所需； 但这些物质过量存在时，可能产生反馈抑制或阻遏但这些物质过量存在时，可能产生反馈抑制或阻遏作用，影响产物的合成。作用，影响产物的合成。 采用补料的方法可将这些物质保持在低浓度水平，采用补料的方法可将这些物质保持在低浓度水平，有助于提高产

8、物的生产。有助于提高产物的生产。 前体的补充前体的补充 在一些发酵过程中，加入前体可使产物的生产大大增加；在一些发酵过程中，加入前体可使产物的生产大大增加； 但许多前体对菌体有毒性；但许多前体对菌体有毒性； 通过补料加入前体既满足产物合成的需要，又不使前体大通过补料加入前体既满足产物合成的需要，又不使前体大量积累而产生抑制作用。量积累而产生抑制作用。发酵基本原理发酵及工艺原理概念：培养液一起装入发酵罐，一次性接种。间歇取出概念：培养液一起装入发酵罐，一次性接种。间歇取出部分发酵培养物（部分发酵培养物（带放带放），同时补充同等数量的新培养基；），同时补充同等数量的新培养基；然后继续培养，直至发酵

9、结束。然后继续培养，直至发酵结束。 特点：特点：发酵罐内的培养液总体积保持不变；发酵罐内的培养液总体积保持不变；使生长和生产保持适宜水平。使生长和生产保持适宜水平。 缺点：丧失部分前体，丧失部分菌体，非生产菌突变。缺点：丧失部分前体，丧失部分菌体，非生产菌突变。半连续发酵半连续发酵3发酵基本原理发酵及工艺原理罐流式发酵罐流式发酵4 概念：是菌体与培养液一起装入发酵罐进行培养，在培养后概念：是菌体与培养液一起装入发酵罐进行培养，在培养后期不断的加入新鲜培养基，同时以同样的流量排出部分培养期不断的加入新鲜培养基，同时以同样的流量排出部分培养液，借助于出口介质过滤把菌体滞留在反应器内的培养方式。液，

10、借助于出口介质过滤把菌体滞留在反应器内的培养方式。 罐流体系的分类罐流体系的分类固定化包埋细胞，可通过中空纤维、平板膜、凝胶颗粒和固定化包埋细胞，可通过中空纤维、平板膜、凝胶颗粒和微囊等实现；微囊等实现；发酵基本原理发酵及工艺原理连续操作连续操作5概念：连续不断地补加新鲜培养基，连续不断地排出培养物。概念：连续不断地补加新鲜培养基，连续不断地排出培养物。发酵基本原理发酵及工艺原理连续培养的类型：连续培养的类型：据设备类型据设备类型罐式连续培养罐式连续培养管式连续培养管式连续培养据控制方法据控制方法恒化连续培养恒化连续培养 恒浊连续培养恒浊连续培养据菌种据菌种循环式连续培养循环式连续培养非循环式

11、连续培养非循环式连续培养 经连续培养后，流出的培养液进行固液分离，经浓缩后的细经连续培养后，流出的培养液进行固液分离，经浓缩后的细胞悬浮液再被送回发酵罐；胞悬浮液再被送回发酵罐； 也称为细胞回流连续培养；也称为细胞回流连续培养； 相当于不断进行接种，可以提高发酵罐中的细胞浓度，也有相当于不断进行接种，可以提高发酵罐中的细胞浓度，也有利于提高连续培养系统的操作稳定性。利于提高连续培养系统的操作稳定性。据级数据级数单级连续培养单级连续培养 多级连续培养多级连续培养多个发酵罐串联起来，前一罐的出料作为下一罐的进料；多个发酵罐串联起来，前一罐的出料作为下一罐的进料；多级串联可以提高生产能力多级串联可以

12、提高生产能力多级连续培养特别适用于细胞生长和产物合成的最佳条件不同的情况。多级连续培养特别适用于细胞生长和产物合成的最佳条件不同的情况。例如用葡萄糖例如用葡萄糖-半乳糖培养基培养半乳糖培养基培养Monascus生产生产 -半乳糖苷酶时，葡萄糖有半乳糖苷酶时，葡萄糖有利于菌体的生长，而酶的生产则受半乳糖的诱导，但葡萄糖又对半乳糖的利利于菌体的生长，而酶的生产则受半乳糖的诱导，但葡萄糖又对半乳糖的利用产生阻遏作用。根据这一特点，靠考虑采用二级连续培养。第一级用葡萄用产生阻遏作用。根据这一特点，靠考虑采用二级连续培养。第一级用葡萄糖作为碳源，以获得大量菌体，第二级加入半乳糖，促进酶的生产。糖作为碳源

13、，以获得大量菌体，第二级加入半乳糖，促进酶的生产。发酵基本原理发酵及工艺原理 省去了反复放料、清洗、装料、灭菌等步骤，避免了延迟期，省去了反复放料、清洗、装料、灭菌等步骤，避免了延迟期，提高设备的利用率和单位时间产量。提高设备的利用率和单位时间产量。 发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制；发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制； 易于分期控制，可以在不同罐中控制不同的条件。易于分期控制，可以在不同罐中控制不同的条件。连续培养的优点：连续培养的优点： 发酵基本原理发酵及工艺原理 丝状菌丝的阻塞丝状菌丝的阻塞连续培养存在的问题：连续培养存在的问题：连续发酵对设备的密封性、培养液和空气的无菌度要连续发酵对

14、设备的密封性、培养液和空气的无菌度要求严格，目前使用的空气过滤器不能完全保证（长时求严格，目前使用的空气过滤器不能完全保证（长时间）间）100%100%的除菌效率的除菌效率加入连续发酵罐的培养基与罐内发酵液的混合不均匀，加入连续发酵罐的培养基与罐内发酵液的混合不均匀，即均匀度不够，就会使罐内各部分的微生物生长不一致，即均匀度不够，就会使罐内各部分的微生物生长不一致，某部分微生物得不到充分的营养而引起操作不确定并降某部分微生物得不到充分的营养而引起操作不确定并降低产率。对于高黏度发酵液均匀度不够的情况更为严重。低产率。对于高黏度发酵液均匀度不够的情况更为严重。 反应器传质能力反应器传质能力实际运

15、行时间实际运行时间 菌种的变异菌种的变异发酵基本原理发酵及工艺原理发酵过程各种参数处于不断变化状态发酵过程各种参数处于不断变化状态, ,关键在于过程检关键在于过程检测与控制测与控制过程及工艺控制第三节第三节 发酵过程及工艺控制发酵过程及工艺控制微生物发酵生产水平取决于微生物发酵生产水平取决于: 生产菌种性能与合适的环境条件生产菌种性能与合适的环境条件发酵及工艺原理3. 3. 1 1生物学检测主要参数与控制生物学检测主要参数与控制镜检：镜检：显微镜检测，染色，光学、荧光，电镜应用：显微镜检测，染色，光学、荧光，电镜应用：是否污染，发酵过程状态，菌种的真实性。是否污染，发酵过程状态，菌种的真实性。

16、过程及工艺控制发酵及工艺原理菌浓：单位体积发酵培养液内菌体细胞的含量。干重、菌浓：单位体积发酵培养液内菌体细胞的含量。干重、浊度、活菌计数、离心沉降。浊度、活菌计数、离心沉降。应用：决定适宜补料量、供氧量等，以得到最佳生产应用：决定适宜补料量、供氧量等，以得到最佳生产水平。水平。过程及工艺控制发酵及工艺原理 若是噬菌体污染，则可能造成产量大幅度下降，若是噬菌体污染，则可能造成产量大幅度下降，严重的造成断种或停产严重的造成断种或停产若是其他菌污染，则会造成菌种自溶若是其他菌污染，则会造成菌种自溶1 染菌的种类不同对发酵的影响不同染菌的种类不同对发酵的影响不同发酵及工艺原理污染污染时间是指用无菌检

17、测方法污染污染时间是指用无菌检测方法确定的污染时间确定的污染时间，不是杂菌窜入培养液的时间。不是杂菌窜入培养液的时间。全部废弃全部废弃2、不同时间染菌对发酵影响不同、不同时间染菌对发酵影响不同（1）种子培养期染菌）种子培养期染菌过程及工艺控制发酵及工艺原理（2）发酵前期染菌）发酵前期染菌 危害最大危害最大用降低培养温度，调整补料量，用降低培养温度，调整补料量，用酸碱调用酸碱调pH值，缩短培养周期等措施予以补救。值，缩短培养周期等措施予以补救。如果培养基养料消耗不多，可以重新灭菌，如果培养基养料消耗不多，可以重新灭菌，补加一些营养，重新接种再用。补加一些营养，重新接种再用。过程及工艺控制发酵及工

18、艺原理（3）发酵中期染菌）发酵中期染菌对产物的合成影响最大对产物的合成影响最大培养液培养液pH下降；糖、氮消耗快；发酵液发粘；菌丝自溶；产物分下降；糖、氮消耗快；发酵液发粘；菌丝自溶；产物分泌减少或停止；甚至使已产生的产物分解；有时也会使发酵液发泌减少或停止；甚至使已产生的产物分解；有时也会使发酵液发臭；产生大量泡沫，即使消泡剂也无法消除。臭；产生大量泡沫，即使消泡剂也无法消除。降温培养，减少补料，密切注意代谢变化情况；降温培养，减少补料，密切注意代谢变化情况；如果发酵单位到达一定水平可以提前放罐；如果发酵单位到达一定水平可以提前放罐；若是防腐剂的生产可以将高单位的部分发酵液输送到染菌罐，抑若

19、是防腐剂的生产可以将高单位的部分发酵液输送到染菌罐，抑制杂菌。制杂菌。过程及工艺控制发酵及工艺原理（4）发酵后期染菌）发酵后期染菌 对产量影响不大对产量影响不大发酵后期发酵液内已积累大量的产物，因此如果染菌不多，对生发酵后期发酵液内已积累大量的产物，因此如果染菌不多，对生产影响不大。如果染菌严重，又破坏性较大，可以提前放罐。产影响不大。如果染菌严重，又破坏性较大，可以提前放罐。过程及工艺控制发酵及工艺原理离子交换树脂提取工艺，杂菌的存在降低离子交换树脂的交换离子交换树脂提取工艺，杂菌的存在降低离子交换树脂的交换容量。容量。有的杂菌很难用水冲洗干净，洗脱时与产物一起进入洗脱液，有的杂菌很难用水冲

20、洗干净，洗脱时与产物一起进入洗脱液，影响进一步提纯。影响进一步提纯。3、发酵提取与精制的影响、发酵提取与精制的影响染菌发酵液中含有较多的水溶性蛋白和其它杂质。采用有机溶染菌发酵液中含有较多的水溶性蛋白和其它杂质。采用有机溶剂萃取的提炼工艺，则极易发生乳化。剂萃取的提炼工艺，则极易发生乳化。过程及工艺控制发酵及工艺原理日本工业技术院发酵研日本工业技术院发酵研究所多年来抗生素发酵究所多年来抗生素发酵染菌原因分析染菌原因分析项目项目百分率（百分率（%）种子带菌或怀疑种子带菌种子带菌或怀疑种子带菌 9.64接种时罐压跌零接种时罐压跌零 0.19培养基灭菌不透培养基灭菌不透 0.79总空气系统有菌总空气

21、系统有菌 19.96泡沫冒顶泡沫冒顶 0.48夹套穿孔夹套穿孔 12.36盘管穿孔盘管穿孔 5.89接种管穿孔接种管穿孔0.39阀门渗漏阀门渗漏1.45搅拌轴密封渗漏搅拌轴密封渗漏2.09罐盖漏罐盖漏1.54其它设备渗漏其它设备渗漏10.13操作原因操作原因10.15原因不明原因不明24.944、发酵中染菌的原因、发酵中染菌的原因过程及工艺控制发酵及工艺原理4、发酵中染菌的原因、发酵中染菌的原因上海第三制药厂染菌原因分析上海第三制药厂染菌原因分析项目项目百分率（百分率（%）种子带菌种子带菌14.15盘管穿孔盘管穿孔14.20阀门渗漏阀门渗漏23.30空气系统有菌空气系统有菌10.0管理不善管理

22、不善25.80其它其它7.49原因不明原因不明5.78管理不善而染菌占管理不善而染菌占25.80经分析有以下原因经分析有以下原因项目项目百分率（百分率（%）进罐前未做设备严密度检查进罐前未做设备严密度检查 25.8接种违反操作规程接种违反操作规程 25.8检修质量缺乏验收制度检修质量缺乏验收制度19.35操作不熟练操作不熟练19.35配料违反工艺规程配料违反工艺规程6.45调度不当调度不当 3.25过程及工艺控制发酵及工艺原理无菌状况的检测无菌状况的检测 环境无菌的检查：尘埃粒子检测；无菌平板检测环境无菌的检查：尘埃粒子检测；无菌平板检测 种子及发酵液无菌状况检测：酚红肉汤培养基检种子及发酵液

23、无菌状况检测：酚红肉汤培养基检测；平板划线；显微镜观察测；平板划线；显微镜观察过程及工艺控制发酵及工艺原理染菌情况分析染菌情况分析 单罐染菌：单罐染菌：不是系统问题，而是该罐本身的问题。如种子不是系统问题，而是该罐本身的问题。如种子带菌、培养基灭菌不彻底、罐有渗漏、分过滤器失效带菌、培养基灭菌不彻底、罐有渗漏、分过滤器失效 多罐染菌：多罐染菌：系统问题，如空气过滤系统有问题。特别是总系统问题，如空气过滤系统有问题。特别是总过滤器长期没检查，可能受潮失效；移种或补料的分配站有过滤器长期没检查，可能受潮失效；移种或补料的分配站有渗漏或灭菌不彻底。渗漏或灭菌不彻底。过程及工艺控制发酵及工艺原理3.4

24、 染菌防控措施染菌防控措施防止种子带菌防止种子带菌制备种子时对沙土管及摇瓶严格加以控制。注意制备种子时对沙土管及摇瓶严格加以控制。注意接种时的无菌操作。无菌室内要供给恒温恒湿的无菌空气，还接种时的无菌操作。无菌室内要供给恒温恒湿的无菌空气，还要装紫外灯用以灭菌，或用化学药品灭菌。要装紫外灯用以灭菌，或用化学药品灭菌。防止设备渗漏防止设备渗漏防止培养基灭菌不彻底防止培养基灭菌不彻底过程及工艺控制发酵及工艺原理 发酵过程各种参数处于不断变化状态发酵过程各种参数处于不断变化状态, ,关键在于过程关键在于过程检测与控制检测与控制过程及工艺控制第三节第三节 发酵过程及工艺控制发酵过程及工艺控制微生物发酵

25、生产水平取决于微生物发酵生产水平取决于: 生产菌种性能与合适的环境条件生产菌种性能与合适的环境条件发酵及工艺原理控制方式控制方式 一般检控系统包括一般检控系统包括3个部分。个部分。测定元件：如温度计、压力表、电流计、测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH计直接测定计直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。发酵过程的各种参数，并输出相应信号。控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种参数信号控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指令执行元件进行与预先确定值进行比较，并且输出信号指令执行元件进行调整控制。调整控制。执行元件：它接受控制部分的指令开

26、启、或关闭有关阀门、执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位置。手泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位置。手动控制和自动控制动控制和自动控制过程及工艺控制发酵及工艺原理发发 酵酵 控控 制制Fermentation Control Sample AnalysispHDOSugarAmmoniaPhosphateSulphateProductsPrecursorsContaminationPressure probeLevel probepH probeTemp. probeDO probeAntifoamAcid/BaseCool

27、ingAir/agitationSugar/Oilfeed过程及工艺控制发酵及工艺原理过程及工艺控制温度对发酵的影响：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

28、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3. 3. 2 2物理参数的检测与控制物理参数的检测与控制发酵及工艺原理发酵热发酵热 =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。显热：发酵排气散发带走的

29、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发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q显热显热Q辐射辐射1）影响发酵温度变化的因素：发酵热）影响发酵温度变化的因素：发酵热发酵及工艺原理选择最适温度并严格控制，既适合菌体生长又适合代选择最适温度并严格控制，既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度。谢产物合成的温度。不同菌种：不同温度。不同菌种：不同温度。两段变温发酵培养：生长阶段，选择适宜的菌体生长两段变温发酵培养：生长阶段，选择适宜的菌体生长温度，生产阶段选择最适宜的产物生产温度。温度，生产阶段选择最适宜的产物生产温度。

30、后期降温控制：避免产物降解。后期降温控制：避免产物降解。2）温度的选择原则）温度的选择原则过程及工艺控制发酵及工艺原理（3）温度的控制方式）温度的控制方式 一般不需要加热，往往经常需要降温冷却一般不需要加热，往往经常需要降温冷却 夹套层、蛇形管，热交换；电热缛夹套层、蛇形管，热交换；电热缛 冷却水降温：滞后，需要一定的经验和技巧冷却水降温：滞后，需要一定的经验和技巧 冷冻盐水循环式降温：迅速冷冻盐水循环式降温：迅速 建立冷冻站：提高冷却能力建立冷冻站：提高冷却能力过程及工艺控制发酵及工艺原理 概念：罐体内的压力，由压力表读出。概念：罐体内的压力，由压力表读出。 罐压的影响：维持正压，防止污染；

31、影响罐压的影响：维持正压，防止污染；影响CO2和和O2的的溶解度溶解度 不同生物对压力耐受不同不同生物对压力耐受不同 控制：进或出口阀门，进入或排出气体或空气流量控制：进或出口阀门，进入或排出气体或空气流量 维持工艺所需压力：维持工艺所需压力：0.020.05 MPa过程及工艺控制发酵及工艺原理 搅拌的影响：搅拌的影响： 气体的传递速度和发酵液的混合均匀程度气体的传递速度和发酵液的混合均匀程度 搅拌指标：搅拌转速和搅拌功率。搅拌指标：搅拌转速和搅拌功率。 搅拌控制策略：搅拌控制策略： 发酵中不同阶段对氧需求进行调节。发酵中不同阶段对氧需求进行调节。过程及工艺控制发酵及工艺原理基质浓度基质浓度p

32、H溶解氧溶解氧尾气尾气3. 3. 3 3化学参数的检测与控制化学参数的检测与控制过程及工艺控制发酵及工艺原理 基质代谢基质代谢 糖代谢糖代谢 氮代谢氮代谢 生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 产物形成产物形成 菌体自溶菌体自溶发酵过程中发酵过程中pH波动的原因波动的原因 过程及工艺控制发酵及工艺原理1) pH对发酵的影响：对发酵的影响：影响菌体生长代谢的酶活性影响菌体生长代谢的酶活性影响代谢产物的合成方向影响代谢产物的合成方向影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用，影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌

33、。，影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。酶活酶活pH发酵及工艺原理2) 影响发酵影响发酵pH变化的因素：变化的因素： pH的变化决定于所用的生产菌的变化决定于所用的生产菌 培养基中营养物质的代谢引起培养基中营养物质的代谢引起pH的变化：的变化：培养基培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子氮源被利用在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子氮源被利用后产生后产生NH3 ，则，则pH上升；有机酸的积累，使上升；有机酸的积累，使pH下降。下降。一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源培养基倾向转移，高氮源培养基倾向于向碱性于向碱性pH转移，这都跟

34、碳氮比直接有关。转移，这都跟碳氮比直接有关。生理酸性物质和生理碱性物质的消耗生理酸性物质和生理碱性物质的消耗发酵及工艺原理3) 最适最适pH的选择的选择根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的pH，在产物采用最适产物合成的在产物采用最适产物合成的pH。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青青 霉霉 素素 ： 菌菌 体体 生生 长长 最最 适适 pH3.56.0， 产产 物物 合合 成成 最最 适适pH7.27.4四四 环环 素素 ： 菌菌 体体

35、 生生 长长 最最 适适 pH6.06.8， 产产 物物 合合 成成 最最 适适pH5.86.0生长合成XpH四四环环素素发酵及工艺原理4) pH的控制的控制 生理酸性物质和生理碱性物质比例合适生理酸性物质和生理碱性物质比例合适 添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐 在发酵过程中直接补加酸或碱在发酵过程中直接补加酸或碱 过去流加硫酸或氢氧化钠，过去流加硫酸或氢氧化钠， 现采用补加氨水、尿素、硫酸铵现采用补加氨水、尿素、硫酸铵 在发酵过程中调节补糖速度控制在发酵过程中调节补糖速度控制pH采用合适的培养基配比，C：N合适发酵及工艺原理 基质浓度：发酵液中糖、氮、磷等发酵液中营基

36、质浓度：发酵液中糖、氮、磷等发酵液中营养物质的浓度养物质的浓度 检测：在线或离线。检测：在线或离线。过程及工艺控制种类：葡萄糖种类：葡萄糖优点：优点： 吸收快，利用快，能迅速参加吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量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有些品种产生分解产物 阻遏阻遏效应。效应。种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油玉米油优点：优点： 不易产生分解产物不易产生分解产物 阻遏效应。阻遏效应。 有利于延长次级代谢产物的分泌期有利于延长次级代谢产物的分泌期缺点：溶解度低，发酵液粘度大。缺点：溶解度低，发酵液粘度大。迅速利用的

37、碳源迅速利用的碳源缓慢利用的碳源缓慢利用的碳源发酵及工艺原理发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢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。利用的碳源的混合碳源。迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳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，提高产量，并可源，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。解除葡萄糖效应。碳源种类的控制碳源种类的控制发酵及工艺原理根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据根据经验，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以修正。菌体浓度、一定

38、时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。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开始回升时补糖。补开始回升时补糖。补糖量以最高罐批经验量为参考。糖量以最高罐批经验量为参考。每小时每小时 前期前期040h 中期中期4090h 后期后期90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：发酵及工艺原理 概念：溶于培养液中的氧含量概念：溶于培养液中的氧含量 表示：绝对含量，饱和氧浓度的百分数。表示：绝对含量，饱和氧浓度的百分数。 检测：在线溶氧电极。检测：在线溶氧电极。 控制策略：

39、供应量和需要量二个方面考使之需氧不控制策略：供应量和需要量二个方面考使之需氧不超过设备的供氧能力。超过设备的供氧能力。过程及工艺控制发酵及工艺原理 废气中的氧含量和细胞的摄氧速率有关废气中的氧含量和细胞的摄氧速率有关 二氧化碳为细胞呼吸产生并释放出二氧化碳为细胞呼吸产生并释放出 细胞的摄氧速率、呼吸速率和发酵罐的供细胞的摄氧速率、呼吸速率和发酵罐的供氧能力。氧能力。过程及工艺控制发酵及工艺原理概念：气体分散在少量液体中，气体与液体之间被一概念：气体分散在少量液体中，气体与液体之间被一层液膜隔开就形成了泡沫。层液膜隔开就形成了泡沫。3. 3. 4 4泡沫检测与控制泡沫检测与控制过程及工艺控制发酵

40、及工艺原理气液接触气液接触气液接触大致有以下两类情况：气液接触大致有以下两类情况：（1 1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体（2 2）气体从液体内部产生，此时形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。）气体从液体内部产生，此时形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。含助泡剂含助泡剂不纯净的水产生泡沫，其寿命在不纯净的水产生泡沫，其寿命在0.50.5秒之内，只能瞬间存在；秒之内，只能瞬间存在；摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡。摇荡纯溶剂不起泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡。 过程及工艺控制发酵及工艺原理2.1 通气搅拌的程度通气搅拌的程度

41、 通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，反之则少。通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，反之则少。 发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。起泡。 应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。 也可在基础料中加入消泡剂。也可在基础料中加入消泡剂。过程及工艺控制发酵及工艺原理2.2 培养基配比与原料组成培养基配比与原料组成培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌。培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌。如在如在50L罐中投料罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、

42、玉米，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌浆等，搅拌900 rpm，通气，泡沫生成量为培养基的，通气，泡沫生成量为培养基的2倍。倍。 如接种量大一些，生长速度快些，前期就容易开搅拌。如接种量大一些，生长速度快些，前期就容易开搅拌。 过程及工艺控制发酵及工艺原理2.3 菌种、种子质量和接种量菌种、种子质量和接种量 菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量 2.4 灭菌质量灭菌质量 培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生培养基灭菌质量不好，糖

43、氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产长，使种子菌丝自溶，产 生大量泡沫，加消泡剂也无效。生大量泡沫，加消泡剂也无效。过程及工艺控制发酵及工艺原理1 3.1.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在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量3.2 引起原料浪费引起原料浪费如果设备容积没留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，如果设备容积没留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，造成浪费。造成浪费。 3.3 影响菌的呼吸影响菌的呼吸 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

44、气中氧进行交换，这样就影响充满二氧化碳，而且又不能与空气中氧进行交换，这样就影响了菌的呼吸。了菌的呼吸。 过程及工艺控制发酵及工艺原理3.4 造成杂菌污染造成杂菌污染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。长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌。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，轴封处的润滑油可起点消泡大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，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。作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。过程及工艺控制发酵及工艺原理 调节培养

45、基成分或改变某些物理化学参数或改发酵工调节培养基成分或改变某些物理化学参数或改发酵工艺；艺； 选育不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素；选育不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素； 采用机械消泡消除泡沫；采用机械消泡消除泡沫； 消泡剂消除泡沫。消泡剂消除泡沫。过程及工艺控制发酵及工艺原理 罐内消沫桨转动打破泡沫罐内消沫桨转动打破泡沫 泡沫引出罐外，通过喷嘴加速力或离心力消除泡沫引出罐外，通过喷嘴加速力或离心力消除泡沫。泡沫。 消沫转子上添加消沫剂，能增强消沫效果。消沫转子上添加消沫剂，能增强消沫效果。 优点：节省原料，污染机会低，优点：节省原料，污染机会低，但效果不理想。但效果不理想

46、。 1）机械消沫）机械消沫 过程及工艺控制机械强烈震动或压力变化使泡沫破裂。机械强烈震动或压力变化使泡沫破裂。发酵及工艺原理 1）机械消沫）机械消沫 过程及工艺控制耙式消泡桨图耙式消泡桨图直径一般取直径一般取0.8 0.9倍罐径，倍罐径，以不妨碍旋转为原则。以不妨碍旋转为原则。发酵及工艺原理 1）机械消沫）机械消沫 过程及工艺控制旋转圆板型消泡装置旋转圆板型消泡装置 马达；马达； 旋转圆板；旋转圆板； 槽内液；槽内液； 发酵槽；发酵槽； 供液泵供液泵发酵及工艺原理 1）机械消沫）机械消沫 过程及工艺控制吸引消泡吸引消泡 培养槽；培养槽； 无菌空气；无菌空气； 空气吹入管；空气吹入管； 增速喷头

47、；增速喷头； 吸入管吸入管发酵及工艺原理 1）机械消沫）机械消沫 过程及工艺控制冲击反射板式消泡冲击反射板式消泡 喷嘴；喷嘴； 气体；气体； 小孔；小孔； 冲击板；冲击板； 气泡；气泡； 培养槽；培养槽； 空气空气发酵及工艺原理 1）机械消沫）机械消沫 过程及工艺控制超声波消泡器超声波消泡器发酵及工艺原理 1）机械消沫）机械消沫 过程及工艺控制旋转叶片罐外消泡旋转叶片罐外消泡发酵及工艺原理 机理：机理： 消泡剂表面张力低，使气泡膜局部的表面张力降消泡剂表面张力低，使气泡膜局部的表面张力降低，使得平衡受到破坏低，使得平衡受到破坏 优点：来源广泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，优点：来源广泛、

48、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易实现自动控制容易实现自动控制 种类：种类：天然油脂类：动植物油脂天然油脂类：动植物油脂高碳醇脂肪酸和酯类：十八醇，聚乙二醇。高碳醇脂肪酸和酯类：十八醇，聚乙二醇。聚醚类：聚氧乙烯氧丙烯甘油，泡敌聚醚类：聚氧乙烯氧丙烯甘油，泡敌硅酮类：不溶于水，硅酮类：不溶于水，10乳液。乳液。2） 化学消沫化学消沫 过程及工艺控制发酵及工艺原理消沫剂的种类消沫剂的种类 天然油脂天然油脂天然油脂天然油脂 是最早用的消泡剂，常用的有豆油、菜油、鱼油等。是最早用的消泡剂，常用的有豆油、菜油、鱼油等。有些油是发酵产物的前体。有些油是发酵产物的前体。如豆油是红霉素的前体，鱼油是螺旋

49、霉素的前体。如豆油是红霉素的前体，鱼油是螺旋霉素的前体。油脂主要成分是高级脂肪酸酯和高级一元醇酯，高级醇、高级烃等。油脂主要成分是高级脂肪酸酯和高级一元醇酯，高级醇、高级烃等。油脂如保藏不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性。油脂如保藏不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性。过程及工艺控制发酵及工艺原理消沫剂的种类消沫剂的种类 聚醚类消泡剂聚醚类消泡剂它是以甘油为起始剂，由环氧丙烷，或环氧乙烷与环氧丙烷的混合物它是以甘油为起始剂，由环氧丙烷，或环氧乙烷与环氧丙烷的混合物进行加成聚合而成的。进行加成聚合而成的。在在GP型消泡剂的聚丙二醇链节末端再加成环氧乙烷，成为链端是亲水型消泡剂的聚丙二醇链节

50、末端再加成环氧乙烷，成为链端是亲水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPE型消泡剂（泡敌）型消泡剂（泡敌）只在甘油分子上加成聚合环氧丙烷的产物叫聚氧丙烯甘油（只在甘油分子上加成聚合环氧丙烷的产物叫聚氧丙烯甘油（GP）；）；在在GPE型消泡剂链端用疏水基硬脂酸酯封头，便形成两端是疏水链，型消泡剂链端用疏水基硬脂酸酯封头，便形成两端是疏水链，当中间隔有亲水链的嵌段共聚物。当中间隔有亲水链的嵌段共聚物。过程及工艺控制发酵及工艺原理消沫剂的种类消沫剂的种类 高碳醇消泡剂高碳醇消泡剂高碳醇是强疏水弱亲水的线型分子，在水体系里是有效的消泡剂。高碳醇是强疏水弱亲水的线型分子，在水体系里

51、是有效的消泡剂。C7C9的醇是最有效的消泡剂。的醇是最有效的消泡剂。C12C22的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为49m，含，含量为量为2050%的水乳液，即是水体系的消泡剂。的水乳液，即是水体系的消泡剂。过程及工艺控制发酵及工艺原理消沫剂的种类消沫剂的种类 硅酮类消泡剂硅酮类消泡剂最常用的是聚二甲基硅氧烷，也称二甲基硅油。在水及一般油中的溶最常用的是聚二甲基硅氧烷，也称二甲基硅油。在水及一般油中的溶解度低且活性高。解度低且活性高。该物质为非极性分子。该物质为非极性分子。与极性溶剂水不亲和，与一般油的亲和性也很小。与极性溶剂水不亲和，与一般油的亲和性也很小。它挥发性低并具有化学惰性，比较稳定且毒性小。它挥发性低并具有化学惰性，比较稳定且毒性小。过程及工艺控制发酵及工艺原理 取决于在发酵液中扩散能力。取决于在发酵液中扩散能力。 与惰性载体、乳化剂或分散剂并用与惰性载体、乳化剂或分散剂并用 消沫剂之间联合使用，也能互补增效。消沫剂之间联合使用，也能互补增效。 消沫剂的添加会影响发酵过程，微生物的生长消沫剂的添加会影响发酵过程，微生物的生长和产物的合成，要注意其不良影响。和产物的合成，要注意其不良影响。消沫剂的使用消沫剂的使用 过程及工艺控制