第七章发酵过程控制-发酵工程

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1、发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程精品课程精品课程精品课程精品课程http:/华东理工大学华东理工大学生物工程学院生物工程学院 第七章第七章 发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制发酵过程控制是发酵的重要部分发酵过程控制是发酵的重要部分控制难点：过程的不确定性和参数的非线性控制难点：过程的不确定性和参数的非线性同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同批次会同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同批次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响因素是复杂的，得到不同的结果，可见发酵过程的影响因素是复杂的，比如设备的差别、水的差别、培养基灭菌的差别，菌比如设备的差别、水的差别、培养基灭菌的差别，菌种保藏时间的

2、长短，发酵过程的细微差别都会引起微种保藏时间的长短，发酵过程的细微差别都会引起微生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的一般方生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的一般方法对于控制代谢是十分必要的法对于控制代谢是十分必要的发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制http:/第一节第一节 发酵过程工艺控制的发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次目的、研究的方法和层次一一 发酵过程的种类发酵过程的种类分批培养分批培养补料分批培养补料分批培养半连续培养半连续培养连续培养连续培养发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次htt

3、p:/1 1、 分批发酵分批发酵简单的过程，培养基中接入菌种以后，简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。整个过程中菌的浓度、通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。随时间变化。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/分批培养中微生物的生长分批培养中微生物的生长迟滞期迟滞期对数生长期对数生长期稳稳 定定 期期死亡期死亡期发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺

4、控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/微生物生长分为：迟滞期、对数生长期、微生物生长分为：迟滞期、对数生长期、稳定期和死亡期稳定期和死亡期在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为当菌种接种入一个新的环境，细胞内的核当菌种接种入一个新的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这时细胞不能分裂。酸、酶等稀释，这时细胞不能分裂。当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很快，比生长速率几近常数。这个时期称为对快，比生长速率几近常数

5、。这个时期称为对数生长期数生长期发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/随着细胞生长，培养液中的营养物减少，随着细胞生长，培养液中的营养物减少，废物积累，导致细胞生长速率下降，进入废物积累，导致细胞生长速率下降，进入减速期和稳定期。最后当细胞死亡速率大减速期和稳定期。最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入死亡期于生成速率，进入死亡期对于初级代谢产物，在对数生长期初期就对于初级代谢产物，在对数生长期初期就开始合成并积累，而次级代谢产物则在对开始合成并积累，而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳定期大量合成。数生

6、长期后期和稳定期大量合成。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/分批培养的优缺点分批培养的优缺点优点优点 操作简单，周期短，染菌机会少，生产操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握过程和产品质量容易掌握缺点缺点 产率低，不适于测定动力学数据产率低，不适于测定动力学数据发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/2 2、补料分批培养、补料分批培养 在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服在分批培养过程中补入

7、新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。很多。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/补料分批培养的优缺点补料分批培养的优缺点优点优点 在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，避免快速利

8、用碳源的阻遏效应；可以通过补料控避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料控制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以利用制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺。计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺。缺点缺点 由于没有物料取出，产物的积累最终导致由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌机会菌机会发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/3 3、半连续培养、半连续培养在补料分批培养的

9、基础上间歇放掉部分在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。某些发酵液（带放）称为半连续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发酵品种采取这种方式，如四环素发酵优点优点 放掉部分发酵液，再补入部分料液，放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量高了总产量。缺点缺点 代谢产生的前体物被稀释，提取的总代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大体积增大发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/4 4、连续培养、连续培养发

10、酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。度，限制性基质浓度都是恒定的。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/连续培养的优缺点连续培养的优缺点优点优点 控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，得到高的产量。由于酵周期长，得到高的产量。由于D，通过改，通过改

11、变稀释速率可以比较容易的研究菌生长的动力变稀释速率可以比较容易的研究菌生长的动力学学缺点缺点 菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增加。加。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/二二 发酵过程工艺控制的目的发酵过程工艺控制的目的有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来目标是得到最大的比生产

12、速率和最大的生产目标是得到最大的比生产速率和最大的生产率率发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/发挥菌种的最大生产潜力考虑之点发挥菌种的最大生产潜力考虑之点菌种本身的代谢特点菌种本身的代谢特点 生长速率、呼吸强度、生长速率、呼吸强度、营养要求（酶系统）、代谢速率营养要求（酶系统）、代谢速率菌代谢与环境的相关性菌代谢与环境的相关性 温度、温度、pH、渗透压、渗透压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等离子强度、溶氧浓度、剪切力等发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程

13、工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络形式，比如糖代谢产生的中间物可能用网络形式，比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的前体，可能用作合成产物的前作合成菌体的前体，可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物，而这些前体有可能体，也可能合成副产物，而这些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的差异会引流向不同的反应方向，环境条件的差异会引发代谢朝不同的方向进行。发代谢朝不同的方向进行。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:

14、/微生物的生长与产物合成有密切相关性，微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现在菌体量的大小影响产物量的多不仅表现在菌体量的大小影响产物量的多少，而且菌体生长正常与否，即前期的代少，而且菌体生长正常与否，即前期的代谢直接影响中后期代谢的正常与否。特别谢直接影响中后期代谢的正常与否。特别是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性因此对发酵过程的了解不能机械的，割裂因此对发酵过程的了解不能机械的，割裂的去认识，而要从细胞代谢水平和反应工的去认识，而要从细胞代谢水平和反应工程水平全面的认识程水平全面的认识发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、

15、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环境因素等等。因此发酵过程的控制具有素、环境因素等等。因此发酵过程的控制具有不确定性和复杂性。不确定性和复杂性。 为了全面的认识发酵过程，本章首先要告为了全面的认识发酵过程，本章首先要告诉大家分析发酵过程的基本方面，在此基础上诉大家分析发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子，说明如何综合分析发酵过程及再举一些例子，说明如何综合分析发酵过程及进行优化放大。进行优化

16、放大。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/三三 发酵过程研究的方法和层次发酵过程研究的方法和层次1、研究方法、研究方法单因子实验单因子实验：对实验中要考察的因子逐个进行试对实验中要考察的因子逐个进行试验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验验优点优点 一次可以进行多种条件的实验，可以在较一次可以进行多种条件的实验，可以在较快时间内得到的结果。快时间内得到的结果。缺点缺点 如果考察的条件多，实验时间会比较长如果考察的条件多，实验时间会比较长各因子之间可能会产

17、生交互作用，影响的结果准各因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性确性发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/数理统计学方法数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分运用统计学方法设计实验和分析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、均匀设计、响应面设计。均匀设计、响应面设计。优点优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经过同时进行多因子试验。用少量的实验，经过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，大大

18、提高了实验效率。大大提高了实验效率。 但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存在较大的误差就会得出错误的结果。存在较大的误差就会得出错误的结果。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/2 2、研究的层次、研究的层次初级层次的研究初级层次的研究：一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最生长和代谢的一般

19、条件，如培养基的组成、最适温度、最适适温度、最适pH等要求。等要求。摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几十种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优十种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较高的效率。化有较高的效率。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/代谢及工程参数层次研究代谢及工程参数层次研究：一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察

20、的参数，以及在反应器中微生物对各种营养成分的利数，以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以方式。由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以得到的代谢情况比较可信。得到的代谢情况比较可信。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/我们学院的国家生物工程中心创制的全参数发酵我们学院的国家生物工程中心创制的全参数发

21、酵罐除了装备有常规发酵罐的温度、溶氧、罐除了装备有常规发酵罐的温度、溶氧、pH电极，电极，得到发酵全过程的这些参数外，还有罐体称重，得到发酵全过程的这些参数外，还有罐体称重，补料计量装置和尾气采集分析系统，更重要的是，补料计量装置和尾气采集分析系统，更重要的是，有一套独特的数据处理软件，软件的开发是长期有一套独特的数据处理软件，软件的开发是长期科研成果的结晶，可以得到科研成果的结晶，可以得到14个发酵过程参数，个发酵过程参数，并且可以输入和绘制人工测定的参数，对发酵过并且可以输入和绘制人工测定的参数，对发酵过程的分析起到了重要的作用程的分析起到了重要的作用发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v

22、发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/鸟苷发酵过程曲线鸟苷发酵过程曲线发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/生产规模放大生产规模放大：在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优化条件在大型反应器上得以实现的优化条件在大型反应器上得以实现,达到产达到产业化的实现。业化的实现。一般来说微生

23、物在不同体积的反应器中的生一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速率是不同的，原因可能是，罐的深度造长速率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、空气停留时间和分布不同，成氧的溶解度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同所致。所致。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次http:/第二节第二节 发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。

24、因为示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断，所的代谢状况，只能从分析一些参数来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛。以说中间分析是生产控制的眼睛。这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中菌的生理代谢状况，如发酵过程中菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/代谢参数按性质分可分

25、三类：代谢参数按性质分可分三类：物理参数：物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等浓度等化学参数：化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、产物浓度、核酸量等产物浓度、核酸量等生物参数：生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/从检测手段分可分为：直接参数

26、、间接从检测手段分可分为：直接参数、间接参数参数直接参数：直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温度、的参数，如温度、pH、残糖等、残糖等间接参数：间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、如摄氧率、KLa等等发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/直接参数又可分为直接参数又可分为: 在线检测参数和离在线检测参数和离线检测参数线检测参数在线检测参数在线检测参数指不经取样直接从发酵罐上安装指不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参数，如温度、的仪表上得到的参数，如温度、

27、pH、搅拌转速；、搅拌转速；离线检测参数离线检测参数指取出样后测定得到的参数，如指取出样后测定得到的参数，如残糖、残糖、NH2-N、菌体浓度。、菌体浓度。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/一一 发酵过程主要分析的项目发酵过程主要分析的项目目前发酵过程主要分析项目如下目前发酵过程主要分析项目如下1 1、pHpH pH与微生物的生命活动密切相关与微生物的生命活动密切相关 酶酶催化活性催化活性 pH的变化又是微生物代谢状况的综合反映的变化又是微生物代谢状况的综合反映基质代谢、产物合成、细胞状态、营基质代谢、产物合成、细胞状态、营养状况、供氧状况养状

28、况、供氧状况发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/2 2、排气氧、排气、排气氧、排气COCO2 2和呼吸熵和呼吸熵排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，通余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，通过计算可以求得摄氧率（过计算可以求得摄氧率（OUR）。）。排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，因为微生物排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，因为微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的进入代谢摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的进入代谢中间物分子，

29、进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的氧。生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的氧。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/RQ值随微生物菌种的不同，培养基成分的不同，值随微生物菌种的不同，培养基成分的不同，生长阶段的不同而不同。测定生长阶段的不同而不同。测定RQ值一方面可以了值一方面可以了解微生物代谢的状况，另一方面也可以指导补料解微生物代谢的状况，另一方面也可以指导补料CER表示

30、单位体积发酵液单位时间内释放的二表示单位体积发酵液单位时间内释放的二氧化碳的量氧化碳的量呼吸熵呼吸熵呼吸熵反映了氧的利用状况呼吸熵反映了氧的利用状况发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/ 一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。对于这种持产生次级代谢产物的速率在较高水平。对于这种工艺，后期的补料控制是关键。过程中发现，在补工艺，后期的补料控制是关键。过程中发现，在补糖开始时，不

31、但糖开始时，不但CER、OUR大幅度提高，连大幅度提高，连RQ也也提高约提高约10，表明通过补糖不但提供了更多的碳源，表明通过补糖不但提供了更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。力也提高，产能增加。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/3 3、糖含量、糖含量微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。糖的消耗糖的消耗 反映产生菌的生长繁殖情况反映产生菌的生长繁殖情况 反映产物合成的活力反映产物合成的活力菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖

32、也就降低得快通过糖含菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快通过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来调节量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来调节pH，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵不正常。，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵不正常。糖含量测定包括总糖和还原糖。糖含量测定包括总糖和还原糖。 总糖总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、饴糖、单糖等各种糖淀粉、饴糖、单糖等各种糖。 还原糖还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程

33、的中间分析发酵过程的中间分析http:/4 4、氨基氮和氨氮、氨基氮和氨氮氨基氮氨基氮指有机氮中的氮（指有机氮中的氮（NH2-N），单位是），单位是 mg/100ml。如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。氨氮氨氮指无机氨中的氮（指无机氨中的氮（NH3-N）。）。氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子的抑制，因此必须控制适量的氮。通过氨基过量铵离子的抑制，因此必须控制适量

34、的氮。通过氨基氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施。氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施。发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过程。程。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/5 5、磷含量、磷含量微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的组成部分，是高能化合物磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的的组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培组成部分，磷还

35、能促进糖代谢。因此磷在培养基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就养基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷措施。要采取补磷措施。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/6 6、菌浓度和菌形态、菌浓度和菌形态菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态菌形态 显微镜观察显微镜观察菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。补料会引起菌浓的波动，这也是衡量基本恒定。补料会引起菌浓的波

36、动，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。补料量适合与否的一个参数。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/菌浓测定方法菌浓测定方法测粘度测粘度压缩体积法（离心）压缩体积法（离心）静置沉降体积法静置沉降体积法光密度测定法光密度测定法 OD600660 适合于细菌、酵适合于细菌、酵母母发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/7 7、产物浓

37、度、产物浓度 在培养过程中，产生菌的合成能力和产物积在培养过程中，产生菌的合成能力和产物积累情况都要通过产物量的测定来了解，产物浓累情况都要通过产物量的测定来了解，产物浓度直接反映了生产的状况度直接反映了生产的状况,是发酵控制的重要是发酵控制的重要参数。而且通过计算还可以得到生产速率和比参数。而且通过计算还可以得到生产速率和比生产速率，从而分析发酵条件如补料、生产速率，从而分析发酵条件如补料、pH对对产物形成的影响。产物形成的影响。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/二二 产物量的测定产物量的测定（一）（一） 产物量的特殊表示法产物量的特殊表示

38、法1 1、抗生素效价的表示、抗生素效价的表示抗生素效价表示抗生素的有效成分的多少，抗生素效价表示抗生素的有效成分的多少，效价大小用单位（效价大小用单位（U）来表示）来表示效价表示方法：重量折算法效价表示方法：重量折算法 重量单位重量单位 类似重量单位类似重量单位 特殊单位特殊单位发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/重量折算单位：以最低抑菌浓度为一个重量折算单位：以最低抑菌浓度为一个单位，如青霉素单位，如青霉素0.6微克微克1U重量单位：规定某些抗生素活性部分重量单位：规定某些抗生素活性部分1g=1u 如链霉素、卡那霉素、红霉素等如链霉素、卡那霉

39、素、红霉素等定义活性部分定义活性部分1g1u发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/类似重量单位：规定抗生素的某种盐类似重量单位：规定抗生素的某种盐1mg=1000u如金霉素、四环素的盐酸盐定一如金霉素、四环素的盐酸盐定一为为1g1u特殊单位：药检所制定某些抗生素的单位特殊单位：药检所制定某些抗生素的单位制霉菌素制霉菌素 1mg=3700u多粘菌素多粘菌素B 1mg=10000u发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/2 2、酶活力的表示法、酶活力的表示法酶活力用单位来表示。由于酶通常不是很纯，酶活力用

40、单位来表示。由于酶通常不是很纯，不能用重量来表示酶的量。同一种酶用不同不能用重量来表示酶的量。同一种酶用不同的方法测定会有不同的酶活单位，容易造成的方法测定会有不同的酶活单位，容易造成混乱，为此国际上作了统一规定，规定在混乱，为此国际上作了统一规定，规定在250C下，下，以最适的底物浓度，最适的缓冲液以最适的底物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及最适的离子强度，以及最适的pH诸条件下，每分钟诸条件下，每分钟能转化一微克分子底物的酶定量为一个活性能转化一微克分子底物的酶定量为一个活性单位。单位。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/（二）（二） 产物

41、量的测定产物量的测定1 1、化学法、化学法（1）滴定法）滴定法产物能使一定指示剂变色来指示反应终点的可用滴定法产物能使一定指示剂变色来指示反应终点的可用滴定法如青霉素在碱性条件下加入过量的如青霉素在碱性条件下加入过量的I2，反应生成青霉噻，反应生成青霉噻唑酸碘，用唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘，可计算出青霉素的滴定多余的碘，可计算出青霉素的单位单位柠檬酸可以用柠檬酸可以用NaOH滴定来计算柠檬酸产量滴定来计算柠檬酸产量发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/（2）比色法）比色法产物经一定化学反应产生颜色，且颜色深浅与产物浓产物经一定化学反应产

42、生颜色，且颜色深浅与产物浓度成正比，可以用比色法测定。度成正比，可以用比色法测定。淀粉酶活力测定：在淀粉酶活力测定：在1%可溶性淀粉溶液中加入淀粉酶，可溶性淀粉溶液中加入淀粉酶，所释放出的麦芽糖与生色试剂（所释放出的麦芽糖与生色试剂（3，5-二硝基水杨酸与二硝基水杨酸与酒石酸钾钠的碱溶液）产生颜色，它在酒石酸钾钠的碱溶液）产生颜色，它在540nm处所得处所得吸光度跟淀粉酶活力成正比。吸光度跟淀粉酶活力成正比。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/（3）测压法）测压法 产物特定反应放出或摄入气体，使系统有压力变产物特定反应放出或摄入气体，使系统有压

43、力变化，可以通过测定压力变化得知产物量。化，可以通过测定压力变化得知产物量。2、物理法、物理法 许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋光许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋光性，因此可以通过测定旋光度来测定酶或抗生性，因此可以通过测定旋光度来测定酶或抗生素的含量。素的含量。谷氨酸谷氨酸氨基丁酸氨基丁酸CO2发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/化学和物理方法优点：快速、方便，经常用于过程化学和物理方法优点：快速、方便，经常用于过程分析分析缺点产品中存在的杂质会干扰测定结果，因此抗生缺点产品中存在的杂质会干扰测定结果，因此抗生素成品的测定用生物法

44、测定。素成品的测定用生物法测定。 适用于抗生素效价的测定适用于抗生素效价的测定 生物法以抗生素的杀菌能力为衡量效价的标准生物法以抗生素的杀菌能力为衡量效价的标准，其其原理恰好与临床应用的要求相一致，而且此法灵敏原理恰好与临床应用的要求相一致，而且此法灵敏度高，需用的检品量较小，这是其它方法不能比的。度高，需用的检品量较小，这是其它方法不能比的。但此法得到结果比较慢，需经过但此法得到结果比较慢，需经过1618小时培养。生小时培养。生物法常用于发酵终了产品效价的测定。物法常用于发酵终了产品效价的测定。3 3、生物法、生物法发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析h

45、ttp:/常用的生物法测定抗生素，采用杯碟法常用的生物法测定抗生素，采用杯碟法“杯杯”是放被测抗生素的不锈钢小管，小管内径是放被测抗生素的不锈钢小管，小管内径为为6mm，高，高10mm的圆筒形管子，管子的重量尽的圆筒形管子，管子的重量尽可能相等。碟是摊布培养基的玻璃培养皿。可能相等。碟是摊布培养基的玻璃培养皿。操作方法是：将已灭菌的琼脂培养基加热到完全操作方法是：将已灭菌的琼脂培养基加热到完全融化，倒在培养皿内，每碟融化，倒在培养皿内，每碟15ml（下层），待其（下层），待其凝固。此外，将融化的培养基冷却到凝固。此外，将融化的培养基冷却到500C左右混左右混入试验菌，将混有菌的培养基入试验菌，

46、将混有菌的培养基5 ml加到已凝固的加到已凝固的培养基上待凝固（上层）。培养基上待凝固（上层）。 发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/在培养基表面垂直放上小杯，在杯中加入待检样在培养基表面垂直放上小杯，在杯中加入待检样品，加满后在品，加满后在370C培养培养1618小时。在培养中小时。在培养中,一方面试验菌开始生长另一方面抗生素呈球面扩一方面试验菌开始生长另一方面抗生素呈球面扩散，离杯越近，抗生素浓度越大，离杯越远抗生散，离杯越近，抗生素浓度越大，离杯越远抗生素浓度越小。随着抗生素浓度减小，有一条最低素浓度越小。随着抗生素浓度减小，有一条最低抑

47、菌浓度带，在带范围内，菌不能生长，而呈透抑菌浓度带，在带范围内，菌不能生长，而呈透明的圆圈，这就叫明的圆圈，这就叫“抑菌圈抑菌圈”。抗生素浓度越高，。抗生素浓度越高，抑菌圈越大，抑菌圈越大， 发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/r: 抑菌圈的半径抑菌圈的半径(毫米）毫米）M：抗生素在管中的量：抗生素在管中的量（单位）（单位）C：最低抑菌浓度（单：最低抑菌浓度（单位位/毫升）毫升）H：培养基的厚度（毫：培养基的厚度（毫米）米）L：管子的高度（毫米）：管子的高度（毫米）D：抗生素的扩散系数：抗生素的扩散系数（毫米（毫米/小时）小时）T：细菌生长到肉

48、眼所用：细菌生长到肉眼所用的时间的时间 （小时）（小时）发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/抗生素浓度与抑菌圈的半径成一定数学关系抗生素浓度与抑菌圈的半径成一定数学关系logM=(1/9.21DT)r2+log(C.4DTH)抗生素的总量的对数值与抑菌圈半径的平方抗生素的总量的对数值与抑菌圈半径的平方呈正比。此外还受呈正比。此外还受C、H、D、T的影响的影响但是但是C、H、D、T是无法测量的，在实际计是无法测量的，在实际计算中要设法消去算中要设法消去发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/一般的消去

49、方法有一般的消去方法有l二剂量法二剂量法l标准曲线法标准曲线法发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/两剂量法：两剂量法：标准品低单位标准品低单位总量总量:m抑菌圈半径抑菌圈半径SL标准品高单标准品高单位位总量总量:M抑菌圈半径：抑菌圈半径：SH样品高单位样品高单位总量总量:M抑菌圈半径抑菌圈半径UH样品低单位样品低单位总量总量:m抑菌圈半径：抑菌圈半径：UL已知：已知：令：令：得出：得出：发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/logMlogM_logM/M=同理同理logmlogm=logm/m=l

50、og=log2log=发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/logMlogm=logM/m=logKlogMlogm=logM/m=logK2logK=发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/标准曲线法标准曲线法优点：在一个碟子上可以优点：在一个碟子上可以同时做两个样品的效价，同时做两个样品的效价，当要做的样品量大时，采当要做的样品量大时，采取标准曲线法可以提高效取标准曲线法可以提高效率。率。假设选用的浓度为：假设选用的浓度为：3U，4U，5U，6U,7U中心点是中心点是5U1122发酵过程的代谢控制

51、发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/每个浓度做三个碟子。每个浓度做三个碟子。5U为中心点，每个碟为中心点，每个碟子中有子中有3个杯中加中心个杯中加中心点浓度，其余点浓度，其余3个加其个加其它浓度。测得抑菌圈后，它浓度。测得抑菌圈后，将浓度和抑菌圈平均直将浓度和抑菌圈平均直径做标准曲线。径做标准曲线。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/logMr发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/管碟法影响因素的讨论：管碟法影响因素的讨论：斜率小斜率小 D、T大大,误差小误差小截距

52、小截距小 C、D、T、H小，误差小小，误差小发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/logMrlogM1r1r1r1发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/l培养基厚度培养基厚度H越小，其它条件相同时越小，其它条件相同时r越大。越大。影响影响H的因素：培养基的厚度的因素：培养基的厚度l细菌生长到肉眼所需的时间细菌生长到肉眼所需的时间T越大在其它条件越大在其它条件相同时，相同时，r越大越大影响影响T的因素：菌体本身，及影响菌体生长的条的因素：菌体本身，及影响菌体生长的条件如：接种量，培养温度、及营养环境件

53、如：接种量，培养温度、及营养环境其它影响因素：上层铺得平整、菌液加入时的其它影响因素：上层铺得平整、菌液加入时的温度、钢圈的放置、滴液温度、钢圈的放置、滴液发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制v发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析http:/http:/发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程精品课程精品课程精品课程精品课程http:/华东理工大学华东理工大学生物工程学院生物工程学院 第三节第三节 微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测 在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头）在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头）放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控放入发酵系统，将发酵

54、的一些信息传递出来，为发酵控制提供依据制提供依据。黑箱黑箱 灰箱灰箱检测仪器：气相色谱、高效液相、离子色谱、检测仪器：气相色谱、高效液相、离子色谱、双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等检测代谢中间物，分析代谢流向、检测代谢中间物，分析代谢流向、RNARNA检测检测一一 参数在线检测参数在线检测发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高，由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高，因此对传感器有特殊要求：因此对传感器有特殊要求：l插入罐内的传感器必须能经受高压

55、蒸汽灭菌插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌（材料、数据）（材料、数据）l传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染菌（密封性好）菌（密封性好）l传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。（响应快、灵敏）（响应快、灵敏）l传感器性能要稳定，受气泡影响小。传感器性能要稳定，受气泡影响小。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/带计算机数据采集与控制的生物反应系统带计算机数据采集与控制的生物反应系统P188发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的

56、参数检测http:/原理：化学或物理信号原理：化学或物理信号 电信号电信号 放大放大 记录显示仪记录显示仪 控制器（与设定参数比较）控制器（与设定参数比较） 发出调节信号发出调节信号 控制器动作控制器动作发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/介绍几种常用的在线检测的传感器及其工作原理介绍几种常用的在线检测的传感器及其工作原理 lpHpH电极电极l溶氧电极溶氧电极它们是基础电极，以它们为基础可以制作各它们是基础电极，以它们为基础可以制作各种离子电极和酶电极种离子电极和酶电极发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测h

57、ttp:/（一）（一） pH pH测量测量pHpH值的测量在生物反应中普遍进行，对于生物过程值的测量在生物反应中普遍进行，对于生物过程控制是一个非常重要的参数。控制是一个非常重要的参数。1 1、pHpH的定义的定义影响化学平衡的往往是活度，而不是浓度，但对影响化学平衡的往往是活度，而不是浓度，但对于稀溶液为了避免在氢离子活度很小时表达方式于稀溶液为了避免在氢离子活度很小时表达方式上的麻烦上的麻烦引进引进pH=-lgH+ pH=-lgH+ H+=0.00001H+=0.00001时时 用用pH5pH5表示表示发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/2

58、 2、pHpH测量方法测量方法 pHpH试纸曾经是一种广泛采用的方法试纸曾经是一种广泛采用的方法优点：方便，易操作优点：方便，易操作缺点：它主观性较强缺点：它主观性较强 质量差异，不同厂家不同批号的质量差异，不同厂家不同批号的pHpH试纸测出试纸测出的的pHpH值会有较大的差别，有时甚至达值会有较大的差别，有时甚至达0.510.51。对于一些要求较高的场合就适用对于一些要求较高的场合就适用pHpH试纸试纸pHpH电极电极发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（1）pH电极测量原理电极测量原理pH电极实际上是由参比电极与指示电极实际上是由参比电极与

59、指示电极组成的一个自发电池，该电池电极组成的一个自发电池，该电池的表达式可写为：的表达式可写为：参比电极参比电极 溶液溶液X 指示电极指示电极该电池的参比电极的输出电位恒定，该电池的参比电极的输出电位恒定，指示电极的输出电位随被测体系中指示电极的输出电位随被测体系中氢离子活度而变化。因此整个自发氢离子活度而变化。因此整个自发电池的电动势就是被测体系中氢离电池的电动势就是被测体系中氢离子活度的函数。子活度的函数。 E=E0- ln1/ =E0-2.303 pH式中式中E0对某一给定电极为常数，是温度的函数，因此从对某一给定电极为常数，是温度的函数，因此从电位差计的电位差计的E值可测出值可测出pH

60、值。值。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 甘汞电极（甘汞电极（a）232型（型（b）217型型1导线；导线；2加液口；加液口；3-KCl溶液；溶液；4素烧瓷芯；素烧瓷芯；5铂丝；铂丝；6Hg；7Hg2Cl2一般的参比电极是甘汞电极。电极的外壳是玻璃管，里面套一根小一般的参比电极是甘汞电极。电极的外壳是玻璃管，里面套一根小玻璃管，其顶部伸出电极引线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端玻璃管，其顶部伸出电极引线，引线的下端浸没在汞中，汞的下端有糊状甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘有糊状甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，

61、而汞和甘汞不会漏失，小管和大管之间充满汞不会漏失，小管和大管之间充满KCl溶液，末端用多孔陶瓷渗入溶液，末端用多孔陶瓷渗入到溶液中，实现电极引线与溶液间的电导通。到溶液中，实现电极引线与溶液间的电导通。u参参比比电电极极发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 由此可见，甘汞电极是由金属汞及其难溶盐由此可见，甘汞电极是由金属汞及其难溶盐氯氯化亚汞以及含氯离子的电解质溶液组成。这种半电化亚汞以及含氯离子的电解质溶液组成。这种半电池可表示为池可表示为Hg(L) Hg2Cl2(S) Cl-(L) 电极电位产电极电位产生于汞和甘汞的界面，其电极反应为：生于

62、汞和甘汞的界面，其电极反应为： 2Cl-+2Hg Hg2Cl2+2e-其电极电位为其电极电位为Cl/HgCl,Hg= + ln1/ 由此可见甘汞电极的电极电位只与氯化钾的活由此可见甘汞电极的电极电位只与氯化钾的活度有关而不受被测溶液的酸碱度影响度有关而不受被测溶液的酸碱度影响发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（2）指示电极）指示电极对指示电极的电位值随被测溶液氢离子活度的变对指示电极的电位值随被测溶液氢离子活度的变化而变化。原则上讲，任何与氢离子可逆反应的化而变化。原则上讲，任何与氢离子可逆反应的电极都可用来测定溶液的电极都可用来测定溶液的p

63、H。 l离子选择性电极的结构离子选择性电极的结构离子选择性电极的结构离子选择性电极的结构其中敏感性膜部分随组成其中敏感性膜部分随组成材料的不同而各有特色。材料的不同而各有特色。测定测定pH值的玻璃电极的值的玻璃电极的敏感膜是厚度为敏感膜是厚度为101103mm的玻璃薄膜，其的玻璃薄膜，其电阻为电阻为50500m。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/指示电极的关键是敏感膜指示电极的关键是敏感膜H+H+H+H+H+H+KCl溶液溶液待测溶液待测溶液浓度差引起电位差浓度差引起电位差浓差电极浓差电极玻璃敏感膜玻璃敏感膜发酵过程控制发酵过程控制v微生物培

64、养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（3）膜电位）膜电位膜电位是由于膜两侧离子活度的差异而产生，故可膜电位是由于膜两侧离子活度的差异而产生，故可看作是一种浓差电位。玻璃电极在使用前必须先在看作是一种浓差电位。玻璃电极在使用前必须先在水中浸泡一段时间，玻璃膜表面吸收水分溶解，并水中浸泡一段时间，玻璃膜表面吸收水分溶解，并且其中的一价阳离子（如且其中的一价阳离子（如Na+离子）与水中离子）与水中H+离子发离子发生离子交换反应。生离子交换反应。SiO-Na+H+ SiO-H+Na+ 使膜表面形成以使膜表面形成以 SiO-H+为主要成分的水合硅胶层，为主要成分的水合硅胶层，厚度约为厚度

65、约为10-410-5mm发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/液液 试试水水合合硅硅胶胶层层干干 玻玻 璃璃 层层水水合合硅硅胶胶层层内内参参比比溶溶液液1 1 2 2 1-2以以1、2分别表示试液分别表示试液内与内参比溶液中内与内参比溶液中H+离离子活度，子活度，1、2分分别表示外侧与内侧硅胶别表示外侧与内侧硅胶层表面层表面H+离子活度，离子活度， 由于水合硅胶层表面与由于水合硅胶层表面与内（内参比溶液）、外内（内参比溶液）、外（试液）溶液中的（试液）溶液中的H+离离子从活度大的一方向小子从活度大的一方向小的一方迁移，使玻璃膜的一方迁移，使玻璃

66、膜的外、内侧分别产生相的外、内侧分别产生相界电位界电位1和和2。经水浸泡经水浸泡后的玻璃后的玻璃膜截面成膜截面成为三层结为三层结构，如图构，如图:则有：则有：外侧外侧: 1=K1+内侧：内侧：2=K2+发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/可以认为，玻璃膜两侧表面性状基本相同，故可以认为，玻璃膜两侧表面性状基本相同，故K1=K2，水合硅胶层表面一价阳离子点已基本被质，水合硅胶层表面一价阳离子点已基本被质子占据，故子占据，故1=2，于是玻璃膜内、外侧之间，于是玻璃膜内、外侧之间的电位差的电位差膜膜=1-2= 由于内参比溶液的由于内参比溶液的H+活度

67、活度2一定，故玻璃膜电位一定，故玻璃膜电位与待测溶液的与待测溶液的H+离子活度（离子活度（pH值）成线性关系。值）成线性关系。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/膜膜=常数常数+ 在在25下：下：膜膜=常数常数-0.0591pH（试液）（试液）但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即使但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即使1=2时，时，膜膜0，这差别所产生的电位叫不对称电，这差别所产生的电位叫不对称电位（位（不对称不对称），这样整个玻璃电极（指示电极）的电），这样整个玻璃电极（指示电极）的电位应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。

68、位应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/玻璃玻璃=0 +膜膜+不对称不对称其中，其中， 0 与与不对称不对称对于特定的电极是恒定的，对于特定的电极是恒定的，故玻璃电极的电极电位与试液故玻璃电极的电极电位与试液pH值呈线性关系。值呈线性关系。（4）玻璃电极的性能）玻璃电极的性能l存在不对称电势存在不对称电势不对称电势产生于电极敏感玻璃膜部分，由于膜内外不对称电势产生于电极敏感玻璃膜部分，由于膜内外表面状态不完全一样引起的，它与温度、玻璃组成、表面状态不完全一样引起的，它与温度、玻璃组成、敏感膜厚度及加工状况等

69、因素有关。不对称电势可以敏感膜厚度及加工状况等因素有关。不对称电势可以用已知用已知pH值的标准缓冲液来校正值的标准缓冲液来校正 发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/l零电势或等电势点零电势或等电势点 电极电位为零时的溶液电极电位为零时的溶液pH值称为零电势值称为零电势pH值，值，该值取决于内参比溶液的该值取决于内参比溶液的pH值。含有值。含有0.025mol/l的的 KCl和等摩尔浓度的磷酸混合缓冲液的等电势和等摩尔浓度的磷酸混合缓冲液的等电势点为点为pH=7，在，在pH7时，玻璃电极的极性时，玻璃电极的极性发生改变。发生改变。发酵过程控制发酵

70、过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/l玻璃电极的测量范围玻璃电极的测量范围 玻璃电极的实际转换系数并不是在整个玻璃电极的实际转换系数并不是在整个pH范范围都是常数，因而响应曲线会偏离直线，实围都是常数，因而响应曲线会偏离直线，实际的际的pH响应曲线如图响应曲线如图测量值测量值pH在碱性范围内在碱性范围内pH10 k降低，测量值偏高降低，测量值偏高在酸性范围内在酸性范围内pH1 k升高，测量值偏低升高，测量值偏低发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（5）玻璃电极的使用限制）玻璃电极的使用限制l对于蛋白质等粘度较大

71、的测量体系，容易在玻对于蛋白质等粘度较大的测量体系，容易在玻璃电极敏感膜上产生沉积，应设法缩短电极的沉璃电极敏感膜上产生沉积，应设法缩短电极的沉浸时间或设法对电极表面进行清洗，工业测试中浸时间或设法对电极表面进行清洗，工业测试中常用特制毛刷或超声波清洗电极表面。常用特制毛刷或超声波清洗电极表面。l强碱或其它对膜材料有腐蚀性的溶液，如氢氟强碱或其它对膜材料有腐蚀性的溶液，如氢氟酸溶液会破坏电极酸溶液会破坏电极l脱水性介质，如无水乙醇、浓硫酸会破坏水合脱水性介质，如无水乙醇、浓硫酸会破坏水合硅胶层硅胶层发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（6）复合

72、电极）复合电极将两支电极都装在将两支电极都装在一根玻璃管中，这一根玻璃管中，这种电极叫复合电极，种电极叫复合电极，工业上在线检测大工业上在线检测大都使用这种电极。都使用这种电极。它结构紧凑，便于它结构紧凑，便于安装。安装。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/pH复合电极的结构复合电极的结构屏蔽引线用于减少噪声（电磁波、感应）。当电屏蔽引线用于减少噪声（电磁波、感应）。当电极插入被测溶液中后，参比电极极插入被测溶液中后，参比电极 隔膜隔膜 被测被测体系体系 玻璃敏感膜玻璃敏感膜 内参比电极之间达到电导内参比电极之间达到电导通，组成原电池，其原理与

73、双电极通，组成原电池，其原理与双电极pH计的工作原计的工作原理完全相同，只是结构更紧凑，使用更方便。理完全相同，只是结构更紧凑，使用更方便。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（二）（二） 敏化离子选择性电极敏化离子选择性电极以离子选择性电极为基础电极，通过化学反应或以离子选择性电极为基础电极，通过化学反应或生化反应使离子选择性电极的响应得到敏化，叫生化反应使离子选择性电极的响应得到敏化，叫作敏化离子选择性电极。包括有气敏电极和酶电作敏化离子选择性电极。包括有气敏电极和酶电极等。极等。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养

74、过程的参数检测http:/气敏电极是基于界面化学反应的敏化电极气敏电极是基于界面化学反应的敏化电极 在某种离子选择性电极的表面覆盖一层憎水的透在某种离子选择性电极的表面覆盖一层憎水的透气膜，在透气膜和这种离子选择性电极之间充以中间气膜，在透气膜和这种离子选择性电极之间充以中间溶液，透气膜不允许溶液中的离子通过，而只允许被溶液，透气膜不允许溶液中的离子通过，而只允许被测定的气体通过，直到透气膜内外两边该气体的分压测定的气体通过，直到透气膜内外两边该气体的分压相等。相等。 进入透气膜的气体与中间溶液起反应，从而使中进入透气膜的气体与中间溶液起反应，从而使中间溶液中的某一被离子选择性电极响应的物质的

75、量发间溶液中的某一被离子选择性电极响应的物质的量发生变化，并通过选择性电极电位反映出来，达到间接生变化，并通过选择性电极电位反映出来，达到间接表征被测气体含量的目的。表征被测气体含量的目的。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ 能用气敏电极测定气体有能用气敏电极测定气体有CO2、NH3、SO2、NO2、H2S、HCN、HF、Cl2、Br2、I2的蒸气的蒸气等，其中以氨电极比较成熟，应用较广。等，其中以氨电极比较成熟，应用较广。 1、NH4的测量的测量氨是酶反应中最常见的产物和反应物，氨离氨是酶反应中最常见的产物和反应物，氨离子可用氨气敏电极来测

76、定。常用的氨电极为：子可用氨气敏电极来测定。常用的氨电极为：发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/1电极管；电极管；2透气膜；透气膜；30.1mol/LNH4Cl溶液；溶液；4pH玻玻璃电极；璃电极；5Ag/AgCl参比电极；参比电极；6，7玻璃膜；玻璃膜；8可卸电极头；可卸电极头；9内参比溶液，内参比溶液，10内参比电内参比电极极在电极管内装有玻璃在电极管内装有玻璃电极电极Ag-AgCl电电极，底部装有一微孔极，底部装有一微孔透气膜，玻璃电极的透气膜，玻璃电极的敏感膜紧贴于透气膜敏感膜紧贴于透气膜上，中间有一极薄的上，中间有一极薄的液层，当氨通

77、过透气液层，当氨通过透气膜渗入内充液薄层，膜渗入内充液薄层，即发生如下反应即发生如下反应NH3+H2O=NH4+OH-发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/内充液中内充液中NH4+远大于生成的远大于生成的NH4+，故其变化，故其变化可以忽略不计，而薄层的可以忽略不计，而薄层的pH则由于则由于OH-的生的生成而升高，因此由玻璃电极检出成而升高，因此由玻璃电极检出OH-的浓度，的浓度，即可检出即可检出NH3的浓度，电极电位与氨的浓度的浓度，电极电位与氨的浓度是对数响应。是对数响应。透气膜一般是透气膜一般是0.1mm厚的微孔聚四氟乙烯，厚的微孔聚四氟乙

78、烯，内充液为内充液为0. 1mol/L的的NH4Cl溶液。氨电极使溶液。氨电极使用的上限为用的上限为1mol/L,下限为下限为10-6mol/L。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/2、CO2的测量的测量（1）CO2电极（测溶液中的电极（测溶液中的CO2）结构与氨电极类似。测量结构与氨电极类似。测量CO2时，气体透过时，气体透过电极膜，电极膜，CO2和水反应，达到以下平衡：和水反应，达到以下平衡：CO2+H2O HCO3-+H+产生的氢离子引起产生的氢离子引起pH的变化，就可以测出溶解的变化，就可以测出溶解CO2的浓度。如果的浓度。如果CO2扩

79、散在水或扩散在水或NaHCO3的水的水溶液中，它们的溶液中，它们的pH值会依据下列的式子而变化：值会依据下列的式子而变化：发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/在纯水中在纯水中 pH=常数常数lg 在在NaHCO3溶液中溶液中 pH=常数常数-lgpCO2在在NaHCO3溶液中测量能方便地确定溶液中测量能方便地确定pH和和pCO2之间的对应关系。使用特殊的气体渗透膜，它之间的对应关系。使用特殊的气体渗透膜，它能够使能够使CO2扩散到扩散到NaHCO3溶液中去，溶液中溶液中去，溶液中pH变化就是变化就是CO2实际分压的测量值实际分压的测量值 发酵过

80、程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/(2)尾气尾气CO2的测量的测量常用的尾气测定仪是常用的尾气测定仪是不分光红外线二氧化碳测定不分光红外线二氧化碳测定仪（简称仪（简称IR），），其精度高，可达其精度高，可达 0.5%，量程的，量程的线性范围大，虽然仪器价格高，但在生物细胞培线性范围大，虽然仪器价格高，但在生物细胞培养时常被采用。养时常被采用。不分光红外线不分光红外线CO2气体分析原理是：除了单原子气体分析原理是：除了单原子气体（如氖、氩等）和无极性的双原子气体（如气体（如氖、氩等）和无极性的双原子气体（如氧、氢、氮等）外，几乎所有气体都在红外波段氧

81、、氢、氮等）外，几乎所有气体都在红外波段（即微米级）具有不同的红外吸收光谱，（即微米级）具有不同的红外吸收光谱，CO2的的红外吸收峰在红外吸收峰在2.62.9m和和4.14.5m之间有两之间有两个吸收峰，根据吸收峰值可以求出个吸收峰，根据吸收峰值可以求出CO2的所含浓的所含浓度。度。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（3）尾气氧的仪器分析）尾气氧的仪器分析采用热磁氧分析仪测定采用热磁氧分析仪测定原理是氧具有高顺磁性。在磁场中，氧气的磁化原理是氧具有高顺磁性。在磁场中，氧气的磁化率比其它气体高几百倍，故混合气体的磁化率几率比其它气体高几百倍，故

82、混合气体的磁化率几乎完全取决于含氧气的多少。将排气通入热磁氧乎完全取决于含氧气的多少。将排气通入热磁氧分析仪，就可测出排气氧的含量。分析仪，就可测出排气氧的含量。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/通过通过RQ值的测定，可以分析微生物可能利用的值的测定，可以分析微生物可能利用的基质基质氧化型的或还原型的，分析微生物生长氧化型的或还原型的，分析微生物生长阶段，分析补料的速率是否合理阶段，分析补料的速率是否合理例如，储炬等发现例如，储炬等发现RQ的变化与菌体生长、营养状况的变化与菌体生长、营养状况以及产生抗生素密切相关。如以及产生抗生素密切相关。如

83、20h菌丝开始发生膨大，菌丝开始发生膨大，而此时而此时RQ达到峰值开始下降；达到峰值开始下降；40h左右左右RQ降至谷底降至谷底开始回升，正是在这段时间产生抗生素启动。由于开始回升，正是在这段时间产生抗生素启动。由于RQ具有以上的关联特性，他们尝试在具有以上的关联特性，他们尝试在avemectin发发酵过程中利用酵过程中利用RQ作为补料控制的参考之一。作为补料控制的参考之一。3 3、排气氧、排气、排气氧、排气COCO2 2和呼吸熵和呼吸熵发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/酶电极与气敏电极相似，是在离子选择性电极的表酶电极与气敏电极相似，是在离

84、子选择性电极的表面覆盖一个涂层，把酶固定在涂层内，通过酶反应面覆盖一个涂层，把酶固定在涂层内，通过酶反应产生的物质的测定，可以推算出反应物的量。产生的物质的测定，可以推算出反应物的量。例如脲酶电极，把脲酶固定在例如脲酶电极，把脲酶固定在NH3气敏电极或气敏电极或CO2气敏电极的表面，在脲酶的催化下，尿素可以发生气敏电极的表面，在脲酶的催化下，尿素可以发生如下的分解反应：如下的分解反应：CO(NH2)2+H2O 2NH3+CO2通过通过NH3或或CO2气敏电极测定气敏电极测定NH3或或CO2的分压即的分压即可达到间接测定尿素的目的。可达到间接测定尿素的目的。4 4、酶电极、酶电极发酵过程控制发酵

85、过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（三）（三） 溶氧的测定溶氧的测定 对于好氧微生物来说氧的供应十分重要，了解对于好氧微生物来说氧的供应十分重要，了解发酵过程中溶氧情况是发酵控制的关键方面。现在发发酵过程中溶氧情况是发酵控制的关键方面。现在发酵中溶氧测定大多用溶氧电极来测定。溶氧电极可分酵中溶氧测定大多用溶氧电极来测定。溶氧电极可分为极谱型和原电池型。为极谱型和原电池型。 极谱型极谱型 需极化电压及放大器，耗氧少，受气流影需极化电压及放大器，耗氧少，受气流影响小响小 原电池型原电池型 简单便宜，适于中小罐。耗氧较大，受简单便宜，适于中小罐。耗氧较大，受气流和

86、气泡影响大。气流和气泡影响大。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/现在国内外测定溶液中的溶解氧基本上用现在国内外测定溶液中的溶解氧基本上用极极谱型的复膜氧电极。谱型的复膜氧电极。复膜氧电极可分为复膜氧电极可分为 敞口式敞口式 封闭式封闭式发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/敞口式敞口式 在电极的玻璃管上有一个小孔，使在电极的玻璃管上有一个小孔，使玻璃管与环境相通，这样在蒸汽灭菌时电极玻璃管与环境相通，这样在蒸汽灭菌时电极玻璃管内外压力相等，有利于保护电极玻璃管内外压力相等，有利于保护电极封闭式的

87、电极玻璃管上没有小孔，蒸汽灭菌封闭式的电极玻璃管上没有小孔，蒸汽灭菌时玻璃管受压大时玻璃管受压大现在使用的大多数是敞口式电极现在使用的大多数是敞口式电极发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/1 1、复膜氧电极的工作原理、复膜氧电极的工作原理阴极由铂、银、金等贵金属组成，阳极由铅、锡、阴极由铂、银、金等贵金属组成，阳极由铅、锡、铝等组成铝等组成 。当给电极施加极谱电压（。当给电极施加极谱电压（0.60.8V负负电压）时，溶液中的氧就在阴极被还原。当产生的电压）时，溶液中的氧就在阴极被还原。当产生的电流与溶液中氧含量成正比时，此时的电极电流为电流与溶

88、液中氧含量成正比时，此时的电极电流为饱和电流，此时的电压为极谱电压。氧浓度与饱和饱和电流，此时的电压为极谱电压。氧浓度与饱和电流成正比关系。电流成正比关系。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/在阴极表面发生的电极反应：在阴极表面发生的电极反应：1/2O2+H2O+e- 2OH-阴极上失去电子后，阳极反应产生的电子流向阴阴极上失去电子后，阳极反应产生的电子流向阴极，于是在二电极之间形成电流，将氧的信号转极，于是在二电极之间形成电流，将氧的信号转变成电信号。氧浓度越高，电流越大。变成电信号。氧浓度越高，电流越大。阳极上的反应是：阳极上的反应是：Pb

89、+2ACO- Pb(ACO)2+2e-化学信号转变成电信号化学信号转变成电信号发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/2 2、电极的构造、电极的构造在阴极银（铂）在阴极银（铂）片的前面包一张片的前面包一张半透膜，氧可以半透膜，氧可以透过半透膜达到透过半透膜达到阴极上进行电极阴极上进行电极反应。该半透膜反应。该半透膜固定在阴极表面。固定在阴极表面。小孔用于压力补小孔用于压力补偿。偿。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/3 3、溶氧电极的影响因素、溶氧电极的影响因素（1）电极的灵敏度）电极的灵敏度电极的

90、阴极表面覆盖了半透膜之后，在一定条件下当电极的阴极表面覆盖了半透膜之后，在一定条件下当膜成为氧扩散的控制因素时，氧分压的变化与电流输膜成为氧扩散的控制因素时，氧分压的变化与电流输出的稳态有以下对应式：出的稳态有以下对应式：IS=NFA(pm/dm)pO2式中式中IS电极电流电极电流 N电子数电子数 F法拉第常数法拉第常数 A阴极表面积阴极表面积 Pm氧在复膜中的穿透系数氧在复膜中的穿透系数 PO2被测溶液中的氧分压被测溶液中的氧分压 dm膜的厚度膜的厚度发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/增加灵敏度因素：增加灵敏度因素：l增加膜穿透系数增加膜穿

91、透系数pml减小膜厚度减小膜厚度dml增加阴极表面积增加阴极表面积A扩散速度扩散速度 因为电极表面的氧浓度与液因为电极表面的氧浓度与液体主流中的氧浓度存在浓度梯度体主流中的氧浓度存在浓度梯度搅拌速度、通气量和培养液粘度搅拌速度、通气量和培养液粘度发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（2）温度的影响）温度的影响电极还会受温度的影响电极还会受温度的影响l氧在溶液中的溶解度随温度上升而下降氧在溶液中的溶解度随温度上升而下降l温度上升使膜穿透系数增加，且氧的内相扩散增温度上升使膜穿透系数增加，且氧的内相扩散增加，增加了电化学反应速率。加，增加了电化学反

92、应速率。由于后者影响比较显著，因此随着温度的上升，电由于后者影响比较显著，因此随着温度的上升，电极输出电流呈指数上升。所以电极须有温度补偿功极输出电流呈指数上升。所以电极须有温度补偿功能，才能真正反映出氧溶解度变化的情况。能，才能真正反映出氧溶解度变化的情况。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/4 4、电极的标定、电极的标定一般测定中应进行以下二点标定一般测定中应进行以下二点标定（1）零点标定）零点标定用饱和用饱和Na2SO3作无氧状态的溶液，将氧电极放入作无氧状态的溶液，将氧电极放入该溶液中，显示仪表上可见溶氧浓度下降，待下降该溶液中，显示仪

93、表上可见溶氧浓度下降，待下降稳定后，调节零点旋钮显示零值。稳定后，调节零点旋钮显示零值。 （2）饱和校正（满刻度）饱和校正（满刻度） 进行简便测定时，可以采取空气饱和方式。将电进行简便测定时，可以采取空气饱和方式。将电极放入培养液中，通气搅拌一段时间，显示仪上极放入培养液中，通气搅拌一段时间，显示仪上可见溶氧上升，待上升稳定，调节满刻度旋钮至可见溶氧上升，待上升稳定，调节满刻度旋钮至100%即为饱和值。即为饱和值。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/5.5.摄氧率摄氧率r r的测定的测定(1)用溶氧电极测定用溶氧电极测定r要求电极响应时间短，能

94、跟上摄氧率的变化。要求电极响应时间短，能跟上摄氧率的变化。测定前先用纯水标定电极，得到单位电流代表测定前先用纯水标定电极，得到单位电流代表的溶氧浓度：的溶氧浓度： I饱饱在饱和氧浓度在饱和氧浓度C*时的电流值时的电流值I残残氧浓度为零时电极所具有的电流氧浓度为零时电极所具有的电流发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/若测定某培养时间的摄氧率，则关闭通气阀，保持若测定某培养时间的摄氧率，则关闭通气阀，保持搅拌，在罐顶通氮气，赶走上面的空气。此时，由搅拌，在罐顶通氮气，赶走上面的空气。此时，由于耗氧，于耗氧，CL下降，仪表上电流值也不断下降。下降，仪

95、表上电流值也不断下降。R= (-i/t) t停止供气后停止供气后CL下降到最低点下降到最低点时所需时间时所需时间 i在在t时间内的电流变化时间内的电流变化发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/(2)用热磁氧分析仪测定用热磁氧分析仪测定原理是氧具有高顺磁性，氧气的磁化率比其它原理是氧具有高顺磁性，氧气的磁化率比其它气体高几百倍，故混合气体的磁化率几乎完全气体高几百倍，故混合气体的磁化率几乎完全取决于含氧气的多少，根据排气中的氧含量，取决于含氧气的多少，根据排气中的氧含量，可以算出摄氧率可以算出摄氧率设进口氧含量为设进口氧含量为21%r=每小时通气量

96、每小时通气量（0.21-出口氧出口氧%）*22.41000*V发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/6 6、氧传递系数、氧传递系数kLakLa的测定的测定设备的设备的KLa可以用亚硫酸钠法来测定，但它是可以用亚硫酸钠法来测定，但它是在非发酵过程中测定的，不能完全代表发酵在非发酵过程中测定的，不能完全代表发酵过程中的过程中的KLa值。其它测定方法有值。其它测定方法有(1)用溶氧电极和热磁氧分析仪共同测定用溶氧电极和热磁氧分析仪共同测定在发酵过程中如果溶氧浓度恒定在一定值表示在发酵过程中如果溶氧浓度恒定在一定值表示此时供氧和需氧达到平衡，即此时供氧和

97、需氧达到平衡，即 r=KLa(C*-CL)式中式中C*可以查得，可以查得，CL可以用溶氧电极测得，可以用溶氧电极测得，r也可算出，因此可求得也可算出，因此可求得KLa值值发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/例：例：一装料为一装料为7L的发酵罐，通气量的发酵罐，通气量1l/L.m，操，操作压力为作压力为0.3Kg/cm2，在某发酵时间内发酵液的，在某发酵时间内发酵液的溶氧浓度为饱和氧浓度的溶氧浓度为饱和氧浓度的25%，空气进入时的，空气进入时的氧含量为氧含量为21%，废气排出时的氧含量为，废气排出时的氧含量为19.8%（1atm时氧饱和浓度时氧饱

98、和浓度C*=0.2mmol/L）求）求此时菌的摄氧率此时菌的摄氧率r=1*7*60/22.4*103*(0.21-0.198)/7KLar/0.26(0.21.0.198)发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/(2)单用溶氧仪测定单用溶氧仪测定用溶氧仪测定发酵过程的溶氧，开始时供氧和用溶氧仪测定发酵过程的溶氧，开始时供氧和需氧达到平衡，溶氧是一条水平线。这是停止需氧达到平衡，溶氧是一条水平线。这是停止通气，保持搅拌，在罐顶通入氮气，赶掉氧气。通气，保持搅拌，在罐顶通入氮气，赶掉氧气。由于微生物对氧的利用，溶氧迅速下降，过一由于微生物对氧的利用，溶

99、氧迅速下降，过一段时间溶氧下降缓慢，待溶氧到最低点后在恢段时间溶氧下降缓慢，待溶氧到最低点后在恢复通气。这样可以得到溶氧随时间变化的曲线复通气。这样可以得到溶氧随时间变化的曲线发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/CL/t=KLa(C*-CL)-rCL=-1/KLa(CL/t+r)+C*将将CL对对CL/t+r作图，得到一条直线，斜率作图，得到一条直线，斜率为为-1/KLa因此可求得因此可求得KLa,延长直线与纵坐标相延长直线与纵坐标相交点为交点为C* 溶解氧浓度随通气变化的情况溶解氧浓度随通气变化的情况 KLa的求取的求取发酵过程控制发酵过程控

100、制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/二二 参数的离线检测进展参数的离线检测进展（一）（一） 利用高效液相（利用高效液相（HPLC）分析代谢中间产）分析代谢中间产物物 通过中间代谢产物的测定可以深入了解微生物通过中间代谢产物的测定可以深入了解微生物代谢的流向，依此来分析代谢的情况。从而有的代谢的流向，依此来分析代谢的情况。从而有的放矢的控制发酵过程放矢的控制发酵过程发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/例：例：鸟苷生产鸟苷生产在鸟苷发酵中，发在鸟苷发酵中，发现发酵到现发酵到40小时后小时后鸟苷合成速率下降，鸟苷合成速率下

101、降，但糖耗速率并未下但糖耗速率并未下降，而且由于耗糖降，而且由于耗糖,使发酵过程使发酵过程pH下降，下降，补入氨水增多。那补入氨水增多。那么糖耗到哪里去了么糖耗到哪里去了呢？呢？于是进行以下一些于是进行以下一些测定与分析测定与分析发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/什么因素导致什么因素导致pH下降？下降？1 1、有机酸的积累、有机酸的积累 有机酸积累有机酸积累 pH下降下降 补加氨水补加氨水 在正常代谢情况下，细胞通过在正常代谢情况下，细胞通过EMP途径和途径和TCA循环循环的过程是为细胞合成提供前体和能量的，按照细胞的过程是为细胞合成提供前体

102、和能量的，按照细胞经济学的原则不会供过于求，即不会出现有机酸的经济学的原则不会供过于求，即不会出现有机酸的积累积累若发酵后期有机酸积累会引起加入的若发酵后期有机酸积累会引起加入的NH4+积累，相积累，相应出现产苷速率下降。应出现产苷速率下降。代谢不正常代谢不正常发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/测定以下中间物测定以下中间物发酵后期丙酮酸积累发酵后期丙酮酸积累发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/2 2、氨基酸的积累、氨基酸的积累在有机酸分析的基础上进一步通过在有机酸分析的基础上进一步通过HPLC

103、测测定发酵过程中不同时间发酵液中氨基酸，定发酵过程中不同时间发酵液中氨基酸，结果发现总氨基酸积累并且其积累晚于有结果发现总氨基酸积累并且其积累晚于有机酸和机酸和NH4+积累。积累。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/氨基酸成分分析表明，初始发酵液中谷氨酸浓度氨基酸成分分析表明，初始发酵液中谷氨酸浓度比较高，其它氨基酸浓度都较低，随着发酵过程比较高，其它氨基酸浓度都较低，随着发酵过程的进行谷氨酸很快被用于菌体合成，在的进行谷氨酸很快被用于菌体合成，在8小时之前小时之前已经降到很低水平，并始终维持在低水平，而在已经降到很低水平，并始终维持在低水平，

104、而在48小时左右丙氨酸开始出现明显的积累，发酵液小时左右丙氨酸开始出现明显的积累，发酵液中积累量达到初始量的中积累量达到初始量的12.6倍之多，其它十余种倍之多，其它十余种氨基酸浓度则变化不大，并且在整个发酵过程中氨基酸浓度则变化不大，并且在整个发酵过程中都维持在较低水平。因此，丙氨酸浓度变化可能都维持在较低水平。因此，丙氨酸浓度变化可能是导致代谢流迁移所致。是导致代谢流迁移所致。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/3 3、分析原因、分析原因发酵过程中积累的氨基酸主要是丙氨酸，而丙氨发酵过程中积累的氨基酸主要是丙氨酸，而丙氨酸的合成可以直接由丙

105、酮酸转化而来，因此可以酸的合成可以直接由丙酮酸转化而来，因此可以推断由于推断由于EMP途径代谢流的增加造成了丙酮酸的途径代谢流的增加造成了丙酮酸的积累，丙酮酸随后转化为丙氨酸积累，丙酮酸随后转化为丙氨酸丙氨酸本身又会对谷氨酸合成酶（丙氨酸本身又会对谷氨酸合成酶（GS）造成反馈）造成反馈抑制和阻遏，使产苷速率降低。抑制和阻遏，使产苷速率降低。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/丙酮酸积累丙酮酸积累 氨水补加增加氨水补加增加NH4+积累积累抑制抑制GS抑制抑制TCA循环循环丙酮酸积累丙酮酸积累激活磷酸果糖激酶激活磷酸果糖激酶EMP流量增加流量增加恶

106、性循环恶性循环丙氨酸丙氨酸积累积累发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（二）（二） 代谢流迁移的酶学证明代谢流迁移的酶学证明糖代谢途径关键酶糖代谢途径关键酶糖酵解途径（糖酵解途径（EMP）在糖酵解途径中有两个不可逆的步骤的酶：在糖酵解途径中有两个不可逆的步骤的酶：磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶 磷酸果糖激酶的时序分析磷酸果糖激酶的时序分析发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/12小时时由于生长处于对数生长初期，代谢活力较低，小时时由于生长处于对数生长初期，代谢活力较低，所以所以P

107、FK的活力相对较低。的活力相对较低。24小时后随着发酵过程进小时后随着发酵过程进入平稳产物形成期和细胞生长期，磷酸果糖激酶的活入平稳产物形成期和细胞生长期，磷酸果糖激酶的活力也基本保持平稳。但是到力也基本保持平稳。但是到40小时以后，鸟苷形成速小时以后，鸟苷形成速率减慢甚至停止，同时观察到氨基酸和有机酸积累，率减慢甚至停止，同时观察到氨基酸和有机酸积累，PFK相对酶活增加，这表明此时通过相对酶活增加，这表明此时通过EMP途径的糖代途径的糖代谢通量已有了明显的增加。谢通量已有了明显的增加。 发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/丙酮酸激酶时序分析丙

108、酮酸激酶时序分析发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/丙酮酸激酶没有表现出明显的酶活增加，而是在丙酮酸激酶没有表现出明显的酶活增加，而是在24小时就基本上达到其最大值，随后维持在恒定小时就基本上达到其最大值，随后维持在恒定的水平，这表明在糖代谢时的水平，这表明在糖代谢时EMP途径代谢流增加途径代谢流增加中丙酮酸激酶所起的作用不大，不是造成代谢流中丙酮酸激酶所起的作用不大，不是造成代谢流迁移的主要因素迁移的主要因素 磷酸戊糖途径（磷酸戊糖途径（HMP）关键酶）关键酶磷酸戊糖途径中主要的限速酶是磷酸戊糖途径中主要的限速酶是6磷酸葡萄糖脱磷酸葡萄糖脱氢

109、酶，该酶催化氢酶，该酶催化6磷酸葡萄糖脱氢生成磷酸葡萄糖脱氢生成6磷酸葡磷酸葡萄糖酸内酯萄糖酸内酯。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/6磷酸葡萄糖脱氢酶时序分析由图可以看到，早期由图可以看到，早期6磷酸葡萄糖脱氢酶活力很高，磷酸葡萄糖脱氢酶活力很高，这可能是前期菌体合成代谢比较活跃，通过这可能是前期菌体合成代谢比较活跃，通过HMP途径途径合成用于细胞成分的核酸等组成物质；随后基本不变，合成用于细胞成分的核酸等组成物质；随后基本不变，从而保持从而保持EMP和和HMP途径通量的平衡，此时稳定持续途径通量的平衡，此时稳定持续的形成产物；但是到的形成

110、产物；但是到40小时后，小时后，6磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶已经表现出明显的下降趋势，并且随着后期发酵过程已经表现出明显的下降趋势，并且随着后期发酵过程的进行而持续下降。根据物料平衡原则，有可能糖代的进行而持续下降。根据物料平衡原则，有可能糖代谢在谢在HMP途径通量下降而途径通量下降而EMP途径通量增加。途径通量增加。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/三羧酸三羧酸(TCA)循环的关键酶循环的关键酶三羧酸循环是三羧酸循环是“消耗消耗”丙酮酸的途径，三羧丙酮酸的途径，三羧酸流量大丙酮酸不会积累。三羧酸循环中的酸流量大丙酮酸不会积累。三羧酸循

111、环中的关键酶为关键酶为柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶，其催化乙酰辅酶，其催化乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，是三羧酸循环与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，是三羧酸循环的启动步骤，也是三羧酸循环中的主要控制的启动步骤，也是三羧酸循环中的主要控制点，由柠檬酸合成酶所催化的反应是三羧酸点，由柠檬酸合成酶所催化的反应是三羧酸循环中的第一个限速步骤。循环中的第一个限速步骤。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/柠檬酸合成酶时序分析柠檬酸合成酶时序分析发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/从图可以看到，从图可以看到，TC

112、A循环的关键酶柠檬酸合成循环的关键酶柠檬酸合成酶在整个发酵过程中，尤其是在后期产苷速率酶在整个发酵过程中，尤其是在后期产苷速率下降的过程中都维持比较平稳的水平，这表明下降的过程中都维持比较平稳的水平，这表明在发酵过程后期所发生的代谢流迁移时，在发酵过程后期所发生的代谢流迁移时，TCA循环的通量并没有发生明显的增加。即循环的通量并没有发生明显的增加。即代谢流代谢流迁移发生在迁移发生在EMP和和HMP之间，主要是由之间，主要是由于于EMP和和HMP途径之间的分配平衡被打途径之间的分配平衡被打破破所造成的。所造成的。EMP途径代谢流的增加造成了一途径代谢流的增加造成了一种代谢流的溢流现象。种代谢流的

113、溢流现象。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/丙氨酸脱氢酶的时序分析丙氨酸脱氢酶的时序分析发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/在发酵中后期，丙氨酸脱氢酶活力出现了明在发酵中后期，丙氨酸脱氢酶活力出现了明显的增加。丙氨酸脱氢酶催化由丙酮酸生成显的增加。丙氨酸脱氢酶催化由丙酮酸生成丙氨酸，该酶活性增加与丙酮酸和丙氨酸的丙氨酸，该酶活性增加与丙酮酸和丙氨酸的时序增加相吻合，这些数据表明代谢流的溢时序增加相吻合，这些数据表明代谢流的溢流现象发生在柠檬酸合成酶之前的丙酮酸节流现象发生在柠檬酸合成酶之前的丙

114、酮酸节点，通过丙氨酸脱氢酶生成丙氨酸，从而缓点，通过丙氨酸脱氢酶生成丙氨酸，从而缓解了解了EMP途径代谢流增加造成的代谢不平衡。途径代谢流增加造成的代谢不平衡。结果加入结果加入EMP途径的抑制剂，克服了代谢流途径的抑制剂，克服了代谢流迁移的问题，提高了鸟苷的产量迁移的问题，提高了鸟苷的产量发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/（三）与产物合成相关的酶和中间物（三）与产物合成相关的酶和中间物测定测定例：例：螺旋霉素生物合成的代谢研究螺旋霉素生物合成的代谢研究发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/图图3

115、 螺旋霉素生物合成代谢网络途径螺旋霉素生物合成代谢网络途径 发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/图图1 螺旋霉素生物合成中间物动态流量分布图螺旋霉素生物合成中间物动态流量分布图 哪哪个个代代谢谢中中间间物物过过多多积积累累发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/在在发发酵酵后后期期有有FO-积积累累， 要要减减少少FO-FO-转转化化为为FO-必必须须降降低低C3酰酰化化酶酶的的活活力力，但但这这与与SP、SP合成有矛盾合成有矛盾在发酵结束时，在发酵结束时， SP- SP-还有一定的积累，如能最大还

116、有一定的积累，如能最大限度的转化为限度的转化为SP-SP-、SP-SP-，即加强步骤，即加强步骤3 3对发酵对发酵效率和发酵效价是有积极意义的。而效率和发酵效价是有积极意义的。而FO-FO-、NSP-NSP-的最终积累则导致流量浪费，因为这两种物质最的最终积累则导致流量浪费，因为这两种物质最终不能转化为目的产物。因此必须减小步骤终不能转化为目的产物。因此必须减小步骤4 4的通的通量。但由于这几个步骤的转化都是由量。但由于这几个步骤的转化都是由C C3 3酰化酶催化酰化酶催化反应，这给改变通量带来一定的困难。反应，这给改变通量带来一定的困难。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生

117、物培养过程的参数检测http:/图图2 有机酸前体的动态流量分布图有机酸前体的动态流量分布图发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/在图在图2 2中，乙酸和丁酸在从中，乙酸和丁酸在从4040小时开始积累小时开始积累并在并在6464小时达到最高值，对照图小时达到最高值，对照图3 3螺旋霉素螺旋霉素生物合成代谢网络途径生物合成代谢网络途径99，我们可以推测在，我们可以推测在发酵中前期在图发酵中前期在图3 3中的步骤中的步骤1 1也即大环成环步也即大环成环步骤有一定程度的骤有一定程度的“瓶颈瓶颈”影响，从而导致乙影响，从而导致乙酸、丁酸有一定的积累。若能

118、加强这一步骤酸、丁酸有一定的积累。若能加强这一步骤的通量，应能提高代谢网络的通量，提高螺的通量，应能提高代谢网络的通量，提高螺旋霉素的效价。旋霉素的效价。我们测定了内酯环合成相关的酶活我们测定了内酯环合成相关的酶活前体前体的活化的活化发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/酰基激基激酶和和酰基基CoA合成合成酶活性活性趋势 测定酶活并建立酶活趋势曲线。测定酶活并建立酶活趋势曲线。分分析析：两两种种酶酶在在发发酵酵过过程程中中都都有有两两个个活活性性高高峰峰期期, ,但但出出现现的的时间时间相差很大。相差很大。酰酰基激基激酶酶的活性高峰期主要集中在的

119、活性高峰期主要集中在发发酵中前期酵中前期酰酰基基CoACoA合合成成酶酶的的活活性性高高峰峰期期主主要要集集中中在在发发酵酵中中后后期期。此此外外，酰酰基基CoACoA合合成成酶酶的的活活性性远远小小于于酰酰基基激激酶酶的活性。的活性。 发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/图图1 1 酰基激酶和酰基酰基激酶和酰基CoACoA合成酶活性趋势合成酶活性趋势 酰基激酶酰基激酶酰基酰基CoA合成酶合成酶发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/酰基激酶在发酵初期出现一个活性高峰，推测其酰基激酶在发酵初期出现一

120、个活性高峰，推测其参与了初级代谢；后一个活力峰出现在发酵中期，参与了初级代谢；后一个活力峰出现在发酵中期，且与酰基且与酰基CoACoA合成酶的第一个活力峰出现时间相合成酶的第一个活力峰出现时间相一致，意味着酰基激酶对次级代谢同样有着重要一致，意味着酰基激酶对次级代谢同样有着重要作用。在螺旋霉素的生物合成中，酰基作用。在螺旋霉素的生物合成中，酰基CoACoA合成合成酶的活性主要集中在发酵中后期，推测合成酶主酶的活性主要集中在发酵中后期，推测合成酶主要参与次级代谢。由于合成酶的活性较小，推测要参与次级代谢。由于合成酶的活性较小，推测其可能是大环合成的其可能是大环合成的“瓶颈瓶颈”，如果提高其活性，

121、如果提高其活性，就有可能大幅度提高发酵效价。就有可能大幅度提高发酵效价。 发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/采取措施：寻找酶的激活剂采取措施：寻找酶的激活剂添添加加ZnSOZnSO4 4、MnClMnCl2 2、CoClCoCl2 2、CuSOCuSO4 4等等无无机机盐盐，研研究究了了ZnZn2+2+、MnMn2+2+、CoCo2+2+、CuCu2+2+等等二二价价阳阳离离子子对对两种酶的影响。两种酶的影响。体体外外各各阳阳离离子子对对酶酶活活性性影影响响，确确定定了了各各阳阳离离子子对两种酶的最佳添加浓度（表对两种酶的最佳添加浓度（表1

122、1）。）。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ControlCo2+Zn2+Mn2+Cu2+图图2 2 二价阳离子对酰基激酶活性的影响二价阳离子对酰基激酶活性的影响发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/ControlCo2+Zn2+Mn2+Cu2+图图3 3 二价阳离子对酰基二价阳离子对酰基CoACoA合成酶活性的影响合成酶活性的影响 发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/在在最最佳佳浓浓度度下下，各各离离子子对对两两种种酶酶的的影影响响程程度度如如

123、图图2 2、3 3所所示示。对对于于酰酰基基激激酶酶， CoCo2+2+、MnMn2+2+、ZnZn2+2+离离子子都都有有明明显显的的激激活活作作用用；而而CuCu2+2+则则几几乎乎完完全全抑抑制制了了激激酶酶。对对于于酰酰基基CoACoA合合成成酶酶，CuCu2+2+却却有有很很强强的的激激活活作作用用；CoCo2+2+、MnMn2+2+有有较较高高的的激激活作用；而活作用；而ZnZn2+2+的作用不明显。的作用不明显。发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/摇瓶瓶发酵酵根根据据酰酰基基激激酶酶和和酰酰基基CoACoA合合成成酶酶活活性性趋趋

124、势势曲曲线线，分分别别在在发发酵酵0h0h和和48h48h添添加加上上述述最最佳佳浓浓度度的的离离子子，测测定定螺旋霉素的平均发酵效价（表螺旋霉素的平均发酵效价（表2 2）。）。表表2 2 不同时间添加二价阳离子对螺旋霉素效价的影响不同时间添加二价阳离子对螺旋霉素效价的影响0h0h48h48hControlControlMnMn2+2+CoCo2+2+MnMn2+2+CoCo2+2+CuCu2+2+1#1#2571257126122612280628062498249830243024295629562#2#2606 2606 3350 3350 322432242814 2814 3498

125、3498 3822 3822 AverageAverage2589 2589 2981 2981 301530152656265632613261 3389 3389 发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/代谢过程检测的新进展代谢过程检测的新进展转录谱转录谱基因芯片基因芯片微阵列检测微阵列检测RNA含量含量发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/思考题思考题1、用于在线检测的传感器必须符合哪些要求？、用于在线检测的传感器必须符合哪些要求？2、pH电极的指示电极能测定电极的指示电极能测定pH值的原理是什

126、么？值的原理是什么？3、pH电极的测量范围有没有限制？使用时应注意哪些电极的测量范围有没有限制？使用时应注意哪些问题？问题？4、溶氧电极能够测定液体中溶氧浓度的原理是什么？、溶氧电极能够测定液体中溶氧浓度的原理是什么？5、影响溶氧电极测定的灵敏度和准确性的因素有哪些、影响溶氧电极测定的灵敏度和准确性的因素有哪些？6、哪些仪器可以测定尾气氧和尾气二氧化碳？测定原、哪些仪器可以测定尾气氧和尾气二氧化碳？测定原理是什么？理是什么？发酵过程控制发酵过程控制v微生物培养过程的参数检测微生物培养过程的参数检测http:/http:/发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程精品课程精品课程精品课程精品课程http:

127、/华东理工大学华东理工大学生物工程学院生物工程学院 第四节第四节 发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制 pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，所以是十分重要的参数。行，所以是十分重要的参数。发酵过程中发酵过程中pH是不断变化的，通过观察是不断变化的，通过观察pH变变化规律可以了解发酵的正常与否化规律可以了解发酵的正常与否发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/一、发酵过程一、发酵过程pHpH变化的原因变化的原因 1 1、基质代谢、基质代谢 （1）糖代谢）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分特别是快速利用的糖，分解

128、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（2）氮代谢）氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH2被利用后被利用后pH会下会下降；尿素被分解成降；尿素被分解成NH3，pH上升，上升，NH3利用后利用后pH下下降，当碳源不足时氮源当碳源利用降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。上升。（3）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发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/2 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

129、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。3 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。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/二、二、pH对发酵的影响对发酵的影响例例 pH对林可霉素发酵的影响对林可霉素发酵的影响林林可可霉霉素素发发酵酵开开始始，葡葡萄萄糖糖转转化化为为有有机机酸酸类类中中间间产产物物，发发酵酵液液pH下下降降，待待有有机机酸酸被被生生产产菌菌利利用用，pH上上升升。若若不不及及时时补补糖糖、(N

130、H4)2SO4或或酸酸，发发酵酵液液pH可可迅迅速速升升到到8.0以以上上，阻阻碍碍或或抑抑制制某某些些酶酶系系，使使林林可可霉霉素素增增长长缓缓慢慢，甚甚至至停停止止。对对照照罐罐发发酵酵66小小时时pH达达7.93，以以后后维维持持在在8.0以以上上至至115小小时，菌丝浓度降低，时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。升高，发酵不再继续。发发酵酵15小小时时左左右右，pH值值可可以以从从消消后后的的6.5左左右右下下降降到到5.3，调调节节这这一一段段的的pH值值至至7.0左左右右，以以后后自自控控pH，可可提提高高发发酵酵单位。单位。1、实例、实例发酵过程控制发酵过程控制v发酵

131、过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/pH7.0t不调不调pH调调pH效价效价pH发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/例：例：培养基初始培养基初始pHpH值对漆酶分泌的影响值对漆酶分泌的影响pH在在47范围内产酶最高范围内产酶最高发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/2 2、pHpH对发酵的影响对发酵的影响（1）pH影影响响酶酶的的活活性性。当当pH值值抑抑制制菌菌体体某某些些酶酶的活性时使菌的新陈代谢受阻的活性时使菌的新陈代谢受阻（2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从

132、而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及改变细胞膜的透性，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代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行（3）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发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/（4）pH影响代谢方向影响代谢方向 pH不不同同，往往往往引引起起菌菌体体代代谢谢过过程程不不同同，使使代代谢谢产产物物的的质质量量和和比比例例发发生生改改变变。例例如如黑黑曲曲霉霉在在pH23时时发发酵酵产产

133、生生柠柠檬檬酸酸，在在pH近近中中性性时时，则产生草酸。则产生草酸。谷谷氨氨酸酸发发酵酵，在在中中性性和和微微碱碱性性条条件件下下积积累累谷谷氨氨酸酸，在在酸酸性性条条件件下下则则容容易易形形成成谷谷氨氨酰酰胺胺和和N-乙乙酰谷氨酰胺酰谷氨酰胺发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/3 3、pHpH在微生物培养的不同阶段有不同的在微生物培养的不同阶段有不同的影响影响生长合成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

134、生生长长最最适适pH6.06.8，产产物物合合成成最最适适pH5.86.0XpH四四环环素素发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/4 4、最佳最佳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发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/pH对海藻糖水解酶产生的影响对海藻糖水解酶产生的影响pH菌浓菌浓 pH酶活酶活发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/pH对谷氨酰胺转氨酶活力的影响对谷氨酰胺转氨

135、酶活力的影响发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/热凝胶产生不同阶段热凝胶产生不同阶段pH的考察的考察biomass发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/从图中可见，热凝胶发酵菌体生长和热凝胶合成是从图中可见，热凝胶发酵菌体生长和热凝胶合成是非偶联的，整个发酵过程可以分成两个阶段：前非偶联的，整个发酵过程可以分成两个阶段：前10 h是菌体生长期，之后热凝胶开始合成，至发酵结是菌体生长期，之后热凝胶开始合成，至发酵结束是热凝胶合成期。束是热凝胶合成期。在菌体生长期，在菌体生长期，DO 直线下降，培养液中的直线下降，培养液中的

136、pH也迅也迅速下降。速下降。10 h左右，菌体质量浓度达到最大值，左右，菌体质量浓度达到最大值，DO 和和pH降至最低点（降至最低点（5.45.6），菌体生长结束。此），菌体生长结束。此后进入热凝胶合成期。后进入热凝胶合成期。试验两阶段的最适试验两阶段的最适pH，见表，见表发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/稳定期随着稳定期随着pH降低，糖耗速率增加，生物降低，糖耗速率增加，生物量增加，但产物合成速率在量增加，但产物合成速率在pH5.6时达到最时达到最高。说明当高。说明当pH小于小于

137、5.6以后微生物消耗的糖以后微生物消耗的糖并非用于合成热凝胶，而是合成菌体。并非用于合成热凝胶，而是合成菌体。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/三、三、pHpH的控制的控制1 1、调调节节好好基基础础料料的的pHpH。基基础础料料中中若若含含有有玉玉米米浆浆，pH呈呈酸酸性性，必必须须调调节节pH。若若要要控控制制消后消后pH在在6.0，消前，消前pH往往要调到往往要调到6.56.82 2、在基础料中加入维持、在基础料中加入维持pHpH的物质的物质，如如CaCO3，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等等3 3、通过补料调节

138、、通过补料调节pHpH发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/在在发发酵酵过过程程中中根根据据糖糖氮氮消消耗耗需需要要进进行行补补料料。在补料与调在补料与调pH没有矛盾时采用补料调没有矛盾时采用补料调pH如如（1）调调节节补补糖糖速速率率，调调节节空空气气流流量量来来调调节节pH(2)当当NH2-N低，低，pH低时补氨水；低时补氨水；当当NH2-N低，低，pH高时补高时补(NH4)2SO44 4、当补料与调、当补料与调pHpH发生矛盾时，加酸碱发生矛盾时，加酸碱调调pHpH 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/ 分别在分别

139、在4 4种缓冲介质中，种缓冲介质中，于于pH 6pH 65050一一9 95050测定天测定天冬酰胺酶酶活力冬酰胺酶酶活力1 1 甘氨酸介质甘氨酸介质pH 8.00pH 8.00时酶时酶活力最高；活力最高；2 2 硼酸在硼酸在pH 8pH 85050，酶反，酶反应最快应最快3 3 磷酸磷酸在在pH 850，酶反，酶反应最快应最快4 Tris4 Tris在在pH 850，酶反应，酶反应最快最快酶活酶活1 12 24 43 35 5、不同调、不同调pHpH方法的影响方法的影响天冬酰胺酶天冬酰胺酶发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/不同不同pHpH控制方式对目的

140、突变株控制方式对目的突变株ISw330ISw330异亮氨酸摇异亮氨酸摇瓶发酵的影响，结果如图所示。瓶发酵的影响，结果如图所示。 “1” “1”表示只加表示只加CaC0CaC03 3控制控制pHpH值，值，“2”“2”表示只加尿素控制，表示只加尿素控制，“3”“3”表示表示CaC0CaC03 3和尿素联合控制和尿素联合控制pHpH值值。异亮氨酸发酵异亮氨酸发酵发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/例例：pH对对L-异亮氨酸发酵的影响异亮氨酸发酵的影响（天津科技大学）（天津科技大学）菌株最适生长菌株最适生长pHpH控制在控制在6.86.87.07.06 6、发酵

141、的不同阶段采取不同的、发酵的不同阶段采取不同的pHpH值值发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/不同不同pHpH值对菌体的形态影响很大，当值对菌体的形态影响很大，当pHpH值高于值高于7 75 5时，时，菌体易于老化，呈现球状；当菌体易于老化，呈现球状；当pHpH值低于值低于6 65 5时菌体同样时菌体同样受抑制，易于老化。而在受抑制，易于老化。而在7 72 2左右时，菌体是处于产酸左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在期，呈现长的椭圆形；在6 69 9左右时，菌体处于生长期，左右时，菌体处于生长期，呈呈“八八”字形状并占有绝对的优势。字形状并占有绝对

142、的优势。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/pH6pH69 9时，菌体生长旺盛，时，菌体生长旺盛，pH7pH71515时，对菌体的产酸时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段pHpH控控制模式进行发酵，在发酵中前期控制制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9pH6.9，到，到48h48h后后pHpH值为值为7 71515，到，到80h80h后后pHpH值为值为7 72525。产率。产率222227g/L27g/L，产酸

143、率提高产酸率提高12122323。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/例：例：克拉维酸发酵中克拉维酸发酵中pH变换控制变换控制问题的提出：问题的提出：在在pH低时菌体生长受抑制，低时菌体生长受抑制，在高在高pH时克拉维酸要分解时克拉维酸要分解用用2.52.5升罐进行的不控制升罐进行的不控制pHpH的发酵发现，前期的发酵发现，前期由于微生物产生的酸性副产物和有机酸使由于微生物产生的酸性副产物和有机酸使pHpH降至降至6.56.5。在达到最高细胞浓度后，。在达到最高细胞浓度后，pHpH开始从开始从6.56.5升至升至8.38.3。CACA产量达最高水平时，产量

144、达最高水平时，pHpH不再不再升高。在发酵终止时，升高。在发酵终止时，pHpH再次升至再次升至8.58.5。随着。随着pHpH升高，升高，CACA迅速分解。迅速分解。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/研究不同研究不同pH对发酵的影响对发酵的影响分别配置分别配置pH为为6.0，7.0，8.0的培养基测定菌的培养基测定菌的生长和产物合成的生长和产物合成pH6.0时，生长受时，生长受抑制，产物降解抑制，产物降解少少发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/pH8.0时生长良好时生长良好产量低，产物降产量低，产物降解解pH7.0时

145、的状况时的状况发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/控制控制pH7.0pH7.0和和8.08.0时，最高细胞浓度接近相同时，最高细胞浓度接近相同( (约约1616PMV)PMV)，但控制，但控制pH6pH60 0时细胞生长受抑制。时细胞生长受抑制。在在2 25 5升生物反应器内，升生物反应器内，不控制不控制pHpH时时2 247g47g(m1h )(m1h )控制控制pH7.0pH7.0时的产率时的产率3 337g37g(m1h) (m1h) 最高最高控制控制pH8.0pH8.0时，产率时，产率2 202g02g(m1h) (m1h) 在控制在控制pH6pH

146、60 0时，时，CACA产生被抑制产生被抑制, ,但降解少但降解少因此对细胞生长和因此对细胞生长和CACA产生最好将产生最好将pHpH控制于控制于7.07.0，但在控制但在控制pH7.0pH7.0时，仍出现时，仍出现CACA的迅速分解。的迅速分解。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/由于由于CACA生产的最适生产的最适pHpH和减少和减少CACA分解的分解的pHpH各不相同，各不相同，因此在分批发酵中应用了因此在分批发酵中应用了pHpH变换策略，使发酵变换策略，使发酵pHpH由中性由中性pH7pH70 0变换为酸性变换为酸性pH6.0pH6.0。在发酵前期

147、，在细胞生长和产生在发酵前期，在细胞生长和产生CACA期间控制期间控制pH7.0pH7.0，4d4d后，当后，当CACA产量达最高值时，变换产量达最高值时，变换pHpH为为6.06.0，以减少，以减少CACA分解。最高分解。最高CACA浓度可保持浓度可保持24h24h。由。由于改变于改变pHpH，使，使CACA分解速率明显降低。分解速率明显降低。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/pH控制是一项非常细致的工作，不仅考虑最控制是一项非常细致的工作，不仅考虑最佳佳pH值，而且要根据生长阶

148、段考察对值，而且要根据生长阶段考察对pH的要的要求。在求。在pH控制中还要采用合适的调节方法。控制中还要采用合适的调节方法。总结总结发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/小小 结结发酵过程发酵过程pH会发生变化会发生变化变变化化原原因因基质代谢基质代谢产物形成产物形成菌体自溶菌体自溶发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/对对发发酵酵的的影影响响pHpH影响酶的活性影响酶的活性pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变值影响微生物细胞膜所带电荷的改变pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离解离p

149、H影响代谢方向影响代谢方向 pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响在微生物培养的不同阶段有不同的影响 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/pHpH的的控控制制方方式式基础培养基调节基础培养基调节pH在基础料中加入维持在基础料中加入维持pH的物质的物质通过补料调节通过补料调节pH 当补料与调当补料与调pH发生矛盾时，加酸发生矛盾时，加酸碱调碱调pH 发酵的不同阶段采取不同的发酵的不同阶段采取不同的pH值值选择合适的选择合适的pH调节剂调节剂发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/思考题思考题7.12 发酵过程中发酵过程中pH

150、会不会发生变化为什么？会不会发生变化为什么？7.13 pH对发酵的影响表现在哪些方面？对发酵的影响表现在哪些方面？7.14 为了确定发酵的最佳为了确定发酵的最佳pH,我们该如何实验我们该如何实验？7.15 发酵过程的发酵过程的pH控制可以采取哪些措施？控制可以采取哪些措施？发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制http:/http:/发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程精品课程精品课程精品课程精品课程http:/华东理工大学华东理工大学生物工程学院生物工程学院 第五节第五节 温度变化及其控制温度变化及其控制 一、温度对生长的影响一、温度对生长的影响不同微生物的生长对温度的要

151、求不同，根据它们对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 发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生度、最低温度来表征。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；长迅速；

152、超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，世代时间无限延长。在最低和最高温非常缓慢，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温度升高而增加，度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，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。最后停止生长，引起死亡。 发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超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

153、最低温过最高温度，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理。亡。这就是菌种保藏的原理。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/1 1、微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物、微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物理化学性质有密切关系理化学性质有密切关系根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生理条根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生理条件下，膜中的脂质成分应保持件下，膜中的脂质成分应保持液晶状态液晶状态，只有当只有当细胞膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常生理细胞膜处于液晶状态，才能

154、维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最佳生长状态功能，使细胞处于最佳生长状态微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。致。二、微生物与温度相关性的原理二、微生物与温度相关性的原理发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/什么是液晶状态？什么是液晶状态？液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的过渡状态称为液晶态。过渡状态称为液晶态。由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示；表示；由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以由液晶态转变为液态

155、的温度称为清亮点，以T2表示。表示。T1与与T2之间的温度称为液晶温度范围。之间的温度称为液晶温度范围。那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物，胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物，其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸，其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸，而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/2 2、蛋白质结构、蛋白质结构人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结人们采用

156、二种方案来研究酶在低温条件下的结构完整性和催化功能：构完整性和催化功能：(1)(1)通过自然或诱导突变，通过自然或诱导突变，将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行对比；对比；(2)(2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白结构结构通过对嗜冷酶的蛋白质模型和通过对嗜冷酶的蛋白质模型和x x一射线衍射分析表一射线衍射分析表明，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加明，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加强，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底强，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底物诱导产生催化作用物诱导产生催化作

157、用发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/ 嗜冷菌具有在嗜冷菌具有在00合成蛋白质的能力。这是由于合成蛋白质的能力。这是由于其核糖体、酶类以及细胞中的可溶性因子等对其核糖体、酶类以及细胞中的可溶性因子等对低温的适应，蛋白质翻译的错误率最低。许多低温的适应，蛋白质翻译的错误率最低。许多中温菌不能在中温菌不能在O O0 0C C合成蛋白质，一方面是由于其合成蛋白质，一方面是由于其核糖体对低温的不适应，翻译过程中不能形成核糖体对低温的不适应，翻译过程中不能形成有效的起始复合物，另一方面是由于低温下细有效的起始复合物，另一方面是由于低温下细胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄

158、露。胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄露。3 3、蛋白质合成、蛋白质合成发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/4 4、合成冷休克蛋白、合成冷休克蛋白低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白将大肠杆菌从将大肠杆菌从37370 0C C突然转移到突然转移到10100 0C C条件时细胞中会条件时细胞中会诱导合成一组冷休克蛋白，它们对低温的生理适应诱导合成一组冷休克蛋白，它们对低温的生理适应过程中发挥着重要作用，检测嗜冷酵母的冷休克反过程中发挥着重要作用，检测嗜冷酵母的冷休克反应，发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内大量产应

159、，发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内大量产生。生。耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必须忍耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必须忍受温度的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋白是受温度的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋白是密切相关的。密切相关的。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/二、温度的影响与控制二、温度的影响与控制（一）温度对发酵的影响（一）温度对发酵的影响1 1、温度影响反应速率、温度影响反应速率发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有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。一个最适温度。从阿累尼乌斯方程式可以看到从阿累尼乌斯

160、方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2 积分得积分得 E=E活化能活化能Kr速率常数速率常数发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/K与温度有关与温度有关E越大温度变化对越大温度变化对K的影响越大的影响越大发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的青青 霉霉 素素120C300C发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/2 2、温度影响发酵方向、温度影

161、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产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于四环素，当温度低于300C时，这种菌合成金时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到例也提高，温度达到350C时，金霉素的合成时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。几乎停止，只产生四环素。温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此解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制。对发酵过程中的温度要严格控制。发酵工程控制发酵工程控制v

162、温度变化及其控制温度变化及其控制http:/（二）最适温度的选择（二）最适温度的选择1 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。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/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，在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达

163、到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，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，从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，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为而提高产量，因此中期温度要稍低一些，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闭得比较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。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，就又发酵后期，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

164、合成到放罐。如四环素生长阶段提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段280C，合，合成期成期260C后期再升温；黑曲霉生长后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖化酶，产糖化酶32340C。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30320C，产酸，产酸34370C。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。做试验。l根据生长阶段选择根据生长阶段选择发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/例：例：林可霉素发酵的变温培养林可霉素发酵的变温培养问题的提出问题的提出接种后接

165、种后10h10h左右已进入对数生长期，随后是左右已进入对数生长期，随后是10h10h左左右的加速生长期，在右的加速生长期，在40h40h左右对数生长期基本完成，左右对数生长期基本完成，在在50h50h左右转入生产期左右转入生产期主要问题：主要问题：如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相当数量的有强生产能力的菌丝体存在当数量的有强生产能力的菌丝体存在l根据生长阶段选择温度根据生长阶段选择温度发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/变温培养的正交设计变

166、温培养的正交设计发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/发酵工程控制发酵工程控制结论：结论：前前60h60h按按3131控制，缩短了适应期使发酵控制，缩短了适应期使发酵提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积提前转入生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗生素提供了物质基础累，为大量分泌抗生素提供了物质基础6060小时后将罐温降至小时后将罐温降至3O3O使与抗生素合成有关的使与抗生素合成有关的酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时因酶的活性增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的

167、延长有利于进一步积累抗生素分泌期的延长有利于进一步积累抗生素发酵进入后期罐温再回升至发酵进入后期罐温再回升至31 31 使生产菌在生命使生产菌在生命的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。的最后阶段最大限度的合成和排出次级代谢产物。v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/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。通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。些，溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利培养基稀薄时

168、，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。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/3 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。培养条件适宜，慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。以利于菌的生长。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。

169、条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/三、发酵过程引起温度变化的因素三、发酵过程引起温度变化的因素（一）发酵热（一）发酵热Q Q发酵发酵发酵热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净热量。什所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质产生么叫净热量呢？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、热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失空气

170、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和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。温度上升慢。现在来分析发酵热产生和散失的各因素。现在来分析发酵热产生和散失的各因素。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/1 1、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

171、高能化合物（如能化合物（如ATP）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，其余一部分以热的形式散发出来，这散发要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。出来的热就叫生物热。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。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/l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多微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多一摩尔葡萄糖彻底氧化成一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水和水好氧：产生好氧：产

172、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发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/l 培养过程中生物热的产生具有培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。强烈的时间性。生物的大小与呼吸作用强弱有关生物的大小与呼吸作用强弱有关在培养初期，菌体处于适应

173、期，菌数少，呼吸作用缓慢，产在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。生热量较少。菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体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，必须注意控制温也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。度。培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进培养后期，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，温度变化不大，且逐渐减弱。行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正如果培养前期温度上升

174、缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。营养越丰富，生物热也越大。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/2 2、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

175、计算： Q搅拌搅拌P8604186.8（焦耳（焦耳/小时）小时） P搅拌轴功率搅拌轴功率 4186.8机械能转变为热能的热功当量机械能转变为热能的热功当量电机功率电机功率P= E额定电压额定电压I额定电流额定电流cos功率因素，功率因素，1千瓦时千瓦时8604186.8焦耳焦耳发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/3 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，水分蒸发所需通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热叫显热Q显热显热，显热很小，一般可以忽略

176、不计。，显热很小，一般可以忽略不计。4 4、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通过罐体向外辐射。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，一般不超过境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的发酵热的5。Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/（二）发酵热的测定（二）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

177、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GCm(T出出T进进)Cm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降，根据罐温变化的速率计算出发酵自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。热。发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度

178、变化及其控制http:/根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。H（H）反应物反应物（H）产物产物如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：葡萄糖葡萄糖 1595

179、55.9KJ/Kg谷氨酸谷氨酸 15449.3KJ/Kg玉米浆玉米浆 12309.2KJ/Kg菌体菌体 20934KJ/Kg尿素尿素 10634.5KJ/Kg发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例可根据实测发酵过程中物质平衡计算生物热。例如某味精厂如某味精厂50M3发酵罐发酵过程测定结果的主要发酵罐发酵过程测定结果的主要物质变化如表：物质变化如表：发酵时间（h）0661212181831糖3730.324.041.7谷氨酸 5.9 15.4 23.9尿素2.96.0菌体 4.8 6.0 1.2玉米浆2.43.00.6发酵

180、工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/发酵发酵1218小时的生物热为：小时的生物热为：Q生物生物24159555.90.612309.2610634.51.22093415.415449.3191098.1KJ/M3191098.1631849.7每小时的生物热为每小时的生物热为31849.7KJ/M3发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/四、利用温度控制提高产量四、利用温度控制提高产量例例1 利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量背景：背景：（1）酵母在比常规发酵温度髙）酵母在比常规发酵温度髙102

181、00C的温度下的温度下经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。（2）Lewis发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力受力（3）Toshiro发现热冲击可使胞内发现热冲击可使胞内3磷酸甘油脱磷酸甘油脱氢酶的活力提高氢酶的活力提高1525，并导致甘油产量提高，并导致甘油产量提高发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/实验：实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因此甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量正交条件正交条

182、件A 冲击温度（冲击温度（0C） 40，45，50 B 开始时机（开始时机（h） 8，16，30 C 冲击时间（分）冲击时间（分） 15，30，60结果发酵结果发酵16小时，小时，450C冲击冲击30分钟最佳，发酵分钟最佳，发酵96小时后甘油浓度提高小时后甘油浓度提高32.6，发酵罐实验见图，发酵罐实验见图（A）16h,450C,30min（B）12h,450C,30min发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/A 温度；温度；B 开始时机；开始时机；C 冲击时间冲击时间发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/发酵工程控制发酵工程控制

183、v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/A比比B好好发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/例例2 重组大肠杆菌人重组大肠杆菌人Cu/Zn-SOD的高表达的高表达Lac启动子，用乳糖作诱导剂启动子，用乳糖作诱导剂 270C 300C 340C 370CSOD 4966 14270 6590 4638比活比活 810 1471 679 526蛋白蛋白 6.129 9.70 9.79 11.88OD600 7.41 10.72 11.78 24.77发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/原因：原因：1、乳糖被用于合成菌体和其它蛋白

184、，减少了合、乳糖被用于合成菌体和其它蛋白，减少了合成成SOD的原料，随着温度升高，蛋白和菌浓都的原料，随着温度升高，蛋白和菌浓都增加。增加。2、高温下可能、高温下可能SOD降解速率增加，杂蛋白增降解速率增加，杂蛋白增加加3、低温下由于比生长速率低，质粒脱落减少、低温下由于比生长速率低，质粒脱落减少4、低温下菌的衰老减缓，死亡率低、低温下菌的衰老减缓，死亡率低发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/小小 结结微生物最适生长温度微生物最适生长温度微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关微生物的生长温度与细胞膜的微生物的生长温度与

185、细胞膜的液晶温度液晶温度范围相范围相一致一致微生物对温度的要求与微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关，酶分子结构的区别有关，如蛋白构象稳定性因素改变，活性位点关键区如蛋白构象稳定性因素改变，活性位点关键区域氨基酸的取代，离子束缚作用域氨基酸的取代，离子束缚作用(ion binding)减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/温度对发酵的影响：温度对发酵的影响：温度影响反应速率温度影响反应速率温度影响发酵方向温度影响发酵方向最最适适温温度度的的选选择择根据菌种根据菌种生长阶段选择生长阶段选择根据培养

186、条件选择根据培养条件选择菌种的生长情况菌种的生长情况发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/发酵过程引起温度变化的因素发酵过程引起温度变化的因素发酵热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辐射辐射生物热的定义，产生的原因：基质代谢。它生物热的定义，产生的原因：基质代谢。它与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有关关搅拌热与搅拌功率有关搅拌热与搅拌功率有关发酵热测定发酵热测定: 冷却容量冷却容量 燃烧热燃烧热发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制

187、http:/思考题思考题7.16 根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类微生物？微生物？7.17 微生物对温度要求不同的原理是什么？微生物对温度要求不同的原理是什么？7.18 发酵过程的温度会不会变化？为什么发酵过程的温度会不会变化？为什么7.19 发酵热的定义发酵热的定义7.20 生物热的大小与哪些因素有关？生物热的大小与哪些因素有关？7.21 温度对发酵有哪些影响？温度对发酵有哪些影响？7.22 发酵过程温度的选择有什么依据？发酵过程温度的选择有什么依据？发酵工程控制发酵工程控制v温度变化及其控制温度变化及其控制http:/http:/发酵工程发酵工程发酵

188、工程发酵工程精品课程精品课程精品课程精品课程http:/华东理工大学华东理工大学生物工程学院生物工程学院 第六节第六节 染菌的防治染菌的防治什么是染菌？什么是染菌？发酵过程中除了生产菌以外，还有其发酵过程中除了生产菌以外，还有其它菌生长繁殖它菌生长繁殖发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/一、染菌的影响一、染菌的影响发酵过程污染杂菌，会严重的影响生产，是发发酵过程污染杂菌，会严重的影响生产，是发酵工业的致命伤。酵工业的致命伤。l造成大量原材料的浪费，在经济上造成巨大造成大量原材料的浪费，在经济上造成巨大损失损失l扰乱生产秩序，破坏生产计划。扰乱生产秩序，破坏生产计划。l遇到

189、连续染菌，特别在找不到染菌原因往往遇到连续染菌，特别在找不到染菌原因往往会影响人们的情绪和生产积极性。会影响人们的情绪和生产积极性。l影响产品外观及内在质量影响产品外观及内在质量发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/（一）染菌对发酵的影响（一）染菌对发酵的影响生产不同的品种，可污染不同种类和性质生产不同的品种，可污染不同种类和性质的微生物。的微生物。不同污染时间，不同污染途径，污染不同不同污染时间，不同污染途径，污染不同菌量，不同培养基和培养条件又可产生不菌量，不同培养基和培养条件又可产生不同后果同后果 发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/1 1、发酵

190、染菌对不同品种的影响、发酵染菌对不同品种的影响放线菌由于生长的最适放线菌由于生长的最适pH为为7左右，因此左右，因此染细菌为多，而霉菌生长染细菌为多，而霉菌生长pH为为5左右，因左右，因此染酵母菌为多。此染酵母菌为多。青霉素发酵染菌青霉素发酵染菌，绝大多数杂菌都能直接，绝大多数杂菌都能直接产生青霉素酶，而另一些杂菌则可被青霉产生青霉素酶，而另一些杂菌则可被青霉素诱导而产生青霉素酶。不论在发酵前期、素诱导而产生青霉素酶。不论在发酵前期、中期或后期，染有能产生青霉素酶的杂菌，中期或后期，染有能产生青霉素酶的杂菌，都能使青霉素迅速破坏。都能使青霉素迅速破坏。不同菌不同产品发酵过程控制发酵过程控制v染

191、菌的防治染菌的防治http:/链霉素、四环素、红霉素、卡那霉素链霉素、四环素、红霉素、卡那霉素等虽不等虽不象青霉素发酵染菌那样一无所得，但也会造象青霉素发酵染菌那样一无所得，但也会造成不同程度的危害。如杂菌大量消耗营养干成不同程度的危害。如杂菌大量消耗营养干扰生产菌的正常代谢；改变扰生产菌的正常代谢；改变pH，降低产量。，降低产量。灰黄霉素、制霉菌素、克念菌素灰黄霉素、制霉菌素、克念菌素等抗生素抑等抗生素抑制霉菌，对细菌几乎没有抑制和杀灭作用。制霉菌，对细菌几乎没有抑制和杀灭作用。不同产品发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/疫苗生产疫苗生产危害很大。现在疫苗多采用深层危害

192、很大。现在疫苗多采用深层培养，这是一类不加提纯而直接使用的产培养，这是一类不加提纯而直接使用的产品，在其深层培养过程中，一旦污染杂菌，品，在其深层培养过程中，一旦污染杂菌，不论死菌、活菌或内外毒素，都应全部废不论死菌、活菌或内外毒素，都应全部废弃。因此，发酵罐容积越大，污染杂菌后弃。因此，发酵罐容积越大，污染杂菌后的损失也越大。的损失也越大。不同产品发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/2 2、污染不同种类和性质的微生物的影响、污染不同种类和性质的微生物的影响（1）污染噬菌体）污染噬菌体 噬菌体的感染力很强，传播蔓延迅速，也噬菌体的感染力很强，传播蔓延迅速，也较防治，故危害

193、极大。污染噬菌体后，可较防治，故危害极大。污染噬菌体后，可使发酵产量大幅度下降，严重的造成断种，使发酵产量大幅度下降，严重的造成断种，被迫停产被迫停产。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/（2）污染其它杂菌）污染其它杂菌 有些杂菌会使生产菌有些杂菌会使生产菌自自溶溶产生大量泡沫，产生大量泡沫，即使添加消泡剂也无法控制逃液，影响发酵过即使添加消泡剂也无法控制逃液，影响发酵过程的通气搅拌。程的通气搅拌。有的杂菌会使发酵液发臭、发酸，致使有的杂菌会使发酵液发臭、发酸，致使pH下降下降，使不耐酸的产品破坏。使不耐酸的产品破坏。特别是染芽孢杆菌，由特别是染芽孢杆菌，由于芽孢耐热，不

194、易杀死，往往一次染菌后会反于芽孢耐热，不易杀死，往往一次染菌后会反复染菌。复染菌。 发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/3 3、不同时间染菌对发酵的影响、不同时间染菌对发酵的影响污染时间是指用无菌检测方法确准的污染时间，污染时间是指用无菌检测方法确准的污染时间，不是杂菌窜入培养液的时间。不是杂菌窜入培养液的时间。杂菌进入培养液后，需有足够的生长、繁殖的时杂菌进入培养液后，需有足够的生长、繁殖的时间才能显现出来，显现的时间又与污染菌量有关。间才能显现出来，显现的时间又与污染菌量有关。污染的菌量多，显现染菌所需的时间就短，污染污染的菌量多，显现染菌所需的时间就短，污染菌量少，

195、显现染菌的时间就长。菌量少，显现染菌的时间就长。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/（1）种子培养期染菌）种子培养期染菌由于接种量较小，生产菌生长一开始不占优势，由于接种量较小，生产菌生长一开始不占优势，而且培养液中几乎没有抗生素（产物）或只有而且培养液中几乎没有抗生素（产物）或只有很少抗生素（产物）。因而它防御杂菌能力低，很少抗生素（产物）。因而它防御杂菌能力低，容易污染杂菌。如在此阶段染菌，应将培养液容易污染杂菌。如在此阶段染菌，应将培养液全部废弃。全部废弃。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/（2）发酵前期染菌）发酵前期染菌发酵前期最易染菌，且

196、危害最大。发酵前期最易染菌，且危害最大。原因原因 发酵前期菌量不很多，发酵前期菌量不很多，与杂菌没有竞与杂菌没有竞争优势；争优势；且还未合成产物（抗生素）或产生且还未合成产物（抗生素）或产生很少，很少，抵御杂菌能力弱。抵御杂菌能力弱。在这个时期要特别警惕以制止染菌的发生。在这个时期要特别警惕以制止染菌的发生。染菌措施染菌措施 可以用降低培养温度，调整补料可以用降低培养温度，调整补料量，用酸碱调量，用酸碱调pH值，缩短培养周期等措施予值，缩短培养周期等措施予以补救。如果前期染菌，且培养基养料消耗以补救。如果前期染菌，且培养基养料消耗不多，可以重新灭菌，补加一些营养，重新不多，可以重新灭菌，补加一

197、些营养，重新接种再用。接种再用。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/（3）发酵中期染菌）发酵中期染菌 发酵中期染菌会严重干扰产生菌的代谢。杂菌大量产酸，发酵中期染菌会严重干扰产生菌的代谢。杂菌大量产酸，培养液培养液pH下降；糖、氮消耗快，发酵液发粘，菌丝自溶，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，有时甚至会使已产生的产物分解。产物分泌减少或停止，有时甚至会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。有时也会使发酵液发臭，产生大量泡沫。措施措施 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

198、位到达一定水平可以提前放罐，或者抗生素如果发酵单位到达一定水平可以提前放罐，或者抗生素生产中可以将高单位的发酵液输送一部分到染菌罐，抑生产中可以将高单位的发酵液输送一部分到染菌罐，抑制杂菌。制杂菌。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/（4）发酵后期染菌）发酵后期染菌发酵后期发酵液内已积累大量的产物，发酵后期发酵液内已积累大量的产物，特别是抗生素，对杂菌有一定的抑制或特别是抗生素，对杂菌有一定的抑制或杀灭能力。因此如果染菌不多，对生产杀灭能力。因此如果染菌不多，对生产影响不大。如果染菌严重，又破坏性较影响不大。如果染菌严重，又破坏性较大，可以提前放罐。大，可以提前放罐。发酵

199、过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/（二）发酵染菌对提炼和产品质量的影响（二）发酵染菌对提炼和产品质量的影响1 1、发酵染菌对过滤的影响、发酵染菌对过滤的影响染菌的发酵液一般发粘，菌体大多数自溶，所染菌的发酵液一般发粘，菌体大多数自溶，所以在发酵液过滤时不能或很难形成滤饼，导致以在发酵液过滤时不能或很难形成滤饼，导致过滤困难过滤困难。即使采取加热、冷却、添加助滤剂。即使采取加热、冷却、添加助滤剂等措施，使部分蛋白质凝聚，但效果并不理想。等措施，使部分蛋白质凝聚，但效果并不理想。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/污染杂菌的种类对过滤的影响程度有差异，污染

200、杂菌的种类对过滤的影响程度有差异，如污染霉菌时，影响较小，而污染细菌时很如污染霉菌时，影响较小，而污染细菌时很难过滤。由于过滤困难，过滤时间拉长，难过滤。由于过滤困难，过滤时间拉长，影影响发酵液储罐和过滤设备的周转使用，响发酵液储罐和过滤设备的周转使用，破坏破坏了生产平衡。染菌发酵液还会因过滤困难而了生产平衡。染菌发酵液还会因过滤困难而大幅度降低过滤收率大幅度降低过滤收率，直接影响提炼总收率。直接影响提炼总收率。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/2、发酵染菌对提炼的影响、发酵染菌对提炼的影响染菌发酵液中含有比正常发酵液更多的水溶性蛋白和染菌发酵液中含有比正常发酵液更多的

201、水溶性蛋白和其它杂质。其它杂质。采用有机溶剂萃取的提炼工艺，则采用有机溶剂萃取的提炼工艺，则极易发生乳化极易发生乳化，很，很难使水相和溶剂相分离，影响进一步提纯。难使水相和溶剂相分离，影响进一步提纯。采用直接用离子交换树脂的提取工艺，如链霉素、庆采用直接用离子交换树脂的提取工艺，如链霉素、庆大霉素，染菌后大量杂菌黏附在离子交换树脂表面，大霉素，染菌后大量杂菌黏附在离子交换树脂表面，或被离子交换树脂吸附，大大或被离子交换树脂吸附，大大降低离子交换树脂的交降低离子交换树脂的交换容量，换容量，而且有的杂菌很难用水冲洗干净，洗脱时与而且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，影响进一步提

202、纯。产物一起进入洗脱液，影响进一步提纯。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/二、染菌的原因二、染菌的原因（一）发酵染菌率计算基准（一）发酵染菌率计算基准总染菌率指一年发酵染菌的批（次）数与总投料批总染菌率指一年发酵染菌的批（次）数与总投料批（次）数之比的百分率。染菌批次数应包括染菌后培（次）数之比的百分率。染菌批次数应包括染菌后培养基经重新灭菌，又再次染菌的批次数在内。这是习养基经重新灭菌，又再次染菌的批次数在内。这是习惯的计算方法，也是我国的统一计算方法。惯的计算方法，也是我国的统一计算方法。总染菌率总染菌率%=发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/

203、（二）染菌原因（二）染菌原因 造成染菌的因素很多，但总结几十年的经验，对造成染菌的因素很多，但总结几十年的经验，对绝大部分罐批染菌的原因是比较清楚的，但在实际绝大部分罐批染菌的原因是比较清楚的，但在实际生产中发酵染菌率仍比较高，可以说产生这种现象生产中发酵染菌率仍比较高，可以说产生这种现象大多数是由于工作中大多数是由于工作中“明知故犯明知故犯”“不负责任不负责任”和和“侥幸心理侥幸心理”所造成的。例如，灭菌的蒸汽压不足所造成的。例如，灭菌的蒸汽压不足不能灭菌；设备有渗漏不能进罐等等都是众所周知不能灭菌；设备有渗漏不能进罐等等都是众所周知的，但因为有侥幸心理还是照样灭菌，进罐，结果的，但因为有侥

204、幸心理还是照样灭菌，进罐，结果以污染杂菌而告终。现将我们收集到的国内外几家以污染杂菌而告终。现将我们收集到的国内外几家抗生素工厂发酵染菌原因列于下：抗生素工厂发酵染菌原因列于下：发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/日本工业技术院发酵研究所多年来抗生素发酵染菌原因分析日本工业技术院发酵研究所多年来抗生素发酵染菌原因分析 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

205、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 24.94发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/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管理不善管理不善 25.80其它其它 7.49原因不明原因不明 5.78 发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治

206、http:/管理不善而染菌的有管理不善而染菌的有31个罐批，占个罐批，占25.08经分析有下经分析有下表所列原因：表所列原因： 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发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/第四制药厂链霉素发酵染菌原因分析第四制药厂链霉素发酵染菌原因分析 项目项目 百分率百分率%外界带入杂菌（取样、补料）外界带入杂菌（取样、补

207、料） 8.20设备穿孔设备穿孔 7.60空气系统有菌空气系统有菌 26.00停电罐压跌零停电罐压跌零 1.60接种接种 11.00蒸汽压力不足或蒸汽量不足蒸汽压力不足或蒸汽量不足 0.60管理问题管理问题 7.80 操作违反规程操作违反规程 1.60种子带菌种子带菌 0.60原因不明原因不明 35.00发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/造成染菌的主要原因总结造成染菌的主要原因总结1 1、设备渗漏、设备渗漏 设备渗漏包括夹套穿孔、盘管穿孔、接种管穿孔、设备渗漏包括夹套穿孔、盘管穿孔、接种管穿孔、阀门渗漏、搅拌轴渗漏、罐盖漏和其它设备漏等。阀门渗漏、搅拌轴渗漏、罐盖漏和其它

208、设备漏等。从日本工业技术院发酵研究所对染菌原因分析发现，从日本工业技术院发酵研究所对染菌原因分析发现，这类染菌占这类染菌占33.85，上海三厂的分析这类染菌为，上海三厂的分析这类染菌为37.5。所以说加强设备本身及附属零部件的严密。所以说加强设备本身及附属零部件的严密度检查，对制服染菌是极其主要的，也是重要的。度检查，对制服染菌是极其主要的，也是重要的。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/2 2、空气带菌、空气带菌从日本工业技术院和上海第四制药厂分析空气从日本工业技术院和上海第四制药厂分析空气带菌而造成的染菌分别为带菌而造成的染菌分别为19.96和和 26%。国。国内外空

209、气除菌技术虽已有较大改善，但仍然没内外空气除菌技术虽已有较大改善，但仍然没有使染菌率降低到理想的程度。因为空气除菌有使染菌率降低到理想的程度。因为空气除菌系统较为复杂，环节多，偶遇不慎便会导致空系统较为复杂，环节多，偶遇不慎便会导致空气除菌失败。气除菌失败。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/3、种子带菌、种子带菌种子带菌又分为种子本身带菌和种子培养种子带菌又分为种子本身带菌和种子培养过程中染菌。加强种子管理，严格无菌操过程中染菌。加强种子管理，严格无菌操作，种子本身带菌是可以克服的。种子培作，种子本身带菌是可以克服的。种子培养过程染菌与发酵一样有许多因素造成。养过程染菌

210、与发酵一样有许多因素造成。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/4 4、灭菌不彻底、灭菌不彻底灭菌技术的好坏与灭菌质量很有关系灭菌技术的好坏与灭菌质量很有关系l蒸汽通入培养基，蒸汽通入培养基，升温快慢、保温时间升温快慢、保温时间产生产生过多泡沫过多泡沫l蒸汽总压是否达到要求标准蒸汽总压是否达到要求标准l环境中的环境中的杂菌数量因季节而有很大差别杂菌数量因季节而有很大差别。如上海。如上海第四制药厂在卡那霉素生产中，于炎热的夏季将连第四制药厂在卡那霉素生产中，于炎热的夏季将连续灭菌预热至续灭菌预热至800C的培养基采样培养，可发现无的培养基采样培养，可发现无法计数的大量的芽孢杆

211、菌；而在冬季取样的培养中，法计数的大量的芽孢杆菌；而在冬季取样的培养中，则仅发现则仅发现23个芽孢杆菌。故染菌率因季节不同个芽孢杆菌。故染菌率因季节不同而发生明显变化。而发生明显变化。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/l原材料储存原材料储存和保管，如液胨、玉米浆、母和保管，如液胨、玉米浆、母液糖等有机原料液糖等有机原料杂菌的数量杂菌的数量l发酵罐、培养基配制罐等设备的清洗质量发酵罐、培养基配制罐等设备的清洗质量有无灭菌的死角有无灭菌的死角对减少或避免染菌仍然是十分必要的。对减少或避免染菌仍然是十分必要的。 发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/5 5

212、、技术管理不善、技术管理不善技术管理就是要对发酵每个环节严格控制，技术管理就是要对发酵每个环节严格控制，发酵中稍有不慎就可能染菌，所以不能有发酵中稍有不慎就可能染菌，所以不能有侥幸心理而放松管理侥幸心理而放松管理发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/三、无菌状况的检测三、无菌状况的检测1 1、环境无菌的检查、环境无菌的检查尘埃粒子检测尘埃粒子检测无菌平板检测无菌平板检测发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/2 2、种子及发酵液无菌状况检测、种子及发酵液无菌状况检测酚红肉汤培养基检测酚红肉汤培养基检测平板划线平板划线显微镜观察显微镜观察发酵过程控制发酵过程

213、控制v染菌的防治染菌的防治http:/四、染菌情况分析四、染菌情况分析染菌的原因有多种，对于实际情况如何分染菌的原因有多种，对于实际情况如何分析呢？析呢？1、单罐染菌、单罐染菌不是系统问题，而是该罐本身的问题。如不是系统问题，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、种子带菌、培养基灭菌不彻底、罐有渗漏、分过滤器失效分过滤器失效发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/2、多罐染菌、多罐染菌系统问题，如空气过滤系统有问题，特别是系统问题，如空气过滤系统有问题，特别是总过滤器长期没有检查，可能受潮失效；移总过滤器长期没有检查，可能受潮失效；移种或补料的分配站有渗

214、漏或灭菌不彻底种或补料的分配站有渗漏或灭菌不彻底3、前期染菌、前期染菌种子带菌、培养基灭菌不彻底种子带菌、培养基灭菌不彻底发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/4、中后期染菌、中后期染菌补料的料液灭菌不彻底或补料管道、阀门渗补料的料液灭菌不彻底或补料管道、阀门渗漏，一般不会是种子问题漏，一般不会是种子问题发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/五、染菌的防止五、染菌的防止1 1、防止种子带菌、防止种子带菌l制备种子时对沙土管及摇瓶严格加以控制。制备种子时对沙土管及摇瓶严格加以控制。l沙土制备时要多次间歇灭菌沙土制备时要多次间歇灭菌l注意接种时的无菌操作注意

215、接种时的无菌操作l子瓶、母瓶的移种和培养子瓶、母瓶的移种和培养l无菌室和摇床间都要保持清洁。无菌室内要供给恒温无菌室和摇床间都要保持清洁。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。药品灭菌。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/无菌室要求无菌室要求在无菌室中装有紫外灯，打开紫外灯，照半小时，在无菌室中装有紫外灯，打开紫外灯，照半小时，关灯后关灯后15分钟再接种。分钟再接种。用消毒药水如新洁而灭配成用消毒药水如新洁而灭配成1/1000浓度擦桌子、浓度擦桌子、拖地，开启超净台的通风，拖地，开启超净台的

216、通风，接种时必须在超净台上操作，超净台装有一台鼓接种时必须在超净台上操作，超净台装有一台鼓风机，进风口有一粗过滤器，出风口有高效过滤风机，进风口有一粗过滤器，出风口有高效过滤器，保证无菌风从超净台吹出，外界有菌空气不器，保证无菌风从超净台吹出，外界有菌空气不可能进入接种区域，保证无菌条件。可能进入接种区域，保证无菌条件。接种人员必须穿好无菌服，戴好口罩，手用酒精接种人员必须穿好无菌服，戴好口罩，手用酒精棉球擦干净。棉球擦干净。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/2 2、防止设备渗漏、防止设备渗漏发酵设备及附件由于化

217、学腐蚀、电化学腐蚀，物料与发酵设备及附件由于化学腐蚀、电化学腐蚀，物料与设备摩擦造成机械磨损以及加工制作不良等原因会导设备摩擦造成机械磨损以及加工制作不良等原因会导致设备及附件渗漏。致设备及附件渗漏。设备上一旦渗漏，就会造成染菌，例如冷却盘管、夹设备上一旦渗漏，就会造成染菌，例如冷却盘管、夹套穿孔渗漏，有菌的冷却水便会通过漏孔而进入发酵套穿孔渗漏，有菌的冷却水便会通过漏孔而进入发酵罐中招致染菌。阀门渗漏也会使带菌的空气或水进入罐中招致染菌。阀门渗漏也会使带菌的空气或水进入发酵罐而造成染菌。发酵罐而造成染菌。设备上的漏隙如果肉眼能看见，容易发现，也容易治设备上的漏隙如果肉眼能看见，容易发现，也容

218、易治理；但有的微小泄漏，肉眼看不见，必须通过一定的理；但有的微小泄漏，肉眼看不见，必须通过一定的试漏方法才能发现试漏方法才能发现 。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/试漏方法可采用试漏方法可采用水压试漏法水压试漏法。即被测设备的出口处装。即被测设备的出口处装上压力表，将水压入设备，待设备中压力上升到要求上压力表，将水压入设备，待设备中压力上升到要求压力，关闭进出水，看压力有否下降。压力下降则有压力，关闭进出水，看压力有否下降。压力下降则有渗漏。但有些渗漏很小，看不出何处漏水，可以用稀渗漏。但有些渗漏很小，看不出何处漏水，可以用稀碱溶液压入设备，然后用蘸有酚酞的纱布揩，只

219、要酚碱溶液压入设备，然后用蘸有酚酞的纱布揩，只要酚酞能变红处即为渗漏处。酞能变红处即为渗漏处。 阀门渗漏可以用阀门渗漏可以用集气桶集气桶来试漏。方法是先在集气桶来试漏。方法是先在集气桶中装满水，然后关闭所有阀门，向发酵罐中通入空气，中装满水，然后关闭所有阀门，向发酵罐中通入空气，使罐压上升到要求压力，一般一公斤以上。由于集气使罐压上升到要求压力，一般一公斤以上。由于集气桶连通各管道，观察哪根管子冒泡，即这根管子的阀桶连通各管道，观察哪根管子冒泡，即这根管子的阀门漏气。门漏气。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/3 3、防止培养基灭菌不彻底、防止培养基灭菌不彻底培养基灭菌方

220、法培养基灭菌方法高压蒸汽灭菌高压蒸汽灭菌分批灭菌分批灭菌 1210C，30分钟分钟连续灭菌连续灭菌 罐温罐温1251300C，3045分钟分钟发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/蒸汽下进上出发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/连续灭菌设备流程连续灭菌设备流程发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/连连 消消 塔塔发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/培养基灭菌前含有大量杂菌，灭菌时如果培养基灭菌前含有大量杂菌，灭菌时如果蒸汽压蒸汽压力力不足，就达不到要求的温度；灭菌时产生大量不足，就达不到要求的温度；灭菌时产生大

221、量泡沫泡沫或发酵罐中有或发酵罐中有污垢堆积污垢堆积，就会窝藏大量杂菌，就会窝藏大量杂菌，造成灭菌不彻底。造成灭菌不彻底。为什么蒸汽灭菌时会产生大量泡沫呢？为什么蒸汽灭菌时会产生大量泡沫呢？培养基和水的传热系数比空气的传热系数大，如培养基和水的传热系数比空气的传热系数大，如果灭菌时升温太快，培养基急剧膨胀，发酵罐内果灭菌时升温太快，培养基急剧膨胀，发酵罐内的空气排出较慢，就会产生大量泡沫，泡沫上升的空气排出较慢，就会产生大量泡沫，泡沫上升到发酵罐顶，泡沫中的耐热菌就不能与蒸汽直接到发酵罐顶，泡沫中的耐热菌就不能与蒸汽直接接触，未被杀死。接触，未被杀死。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防

222、治http:/防止方法：防止方法： 缓慢开启蒸汽阀门，或加入少缓慢开启蒸汽阀门，或加入少量消泡剂。量消泡剂。灭菌时还会因设备安装或污垢堆积造成一些灭菌时还会因设备安装或污垢堆积造成一些“死角死角”。这些死角蒸汽不能有效达到，常。这些死角蒸汽不能有效达到，常会窝藏耐热芽孢杆菌，所以设备安装要注意会窝藏耐热芽孢杆菌，所以设备安装要注意不能造成死角，发酵设备要经常清洗，铲除不能造成死角，发酵设备要经常清洗，铲除污垢。污垢。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/4 4、防止空气引起的染菌、防止空气引起的染菌空气过滤除菌设备流程空气过滤除菌设备流程空压机空压机储罐储罐二级冷却二级冷却

223、加热器加热器空气过滤空气过滤粗过滤粗过滤发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/空气冷却器的列管穿孔泄露，冷却水会渗入到空空气冷却器的列管穿孔泄露，冷却水会渗入到空气中，造成染菌。气中，造成染菌。棉花棉花-活性炭过滤器长期使用后，棉花和活性炭的活性炭过滤器长期使用后，棉花和活性炭的体积被压缩而松动，如果上下端棉花铺得厚薄不体积被压缩而松动，如果上下端棉花铺得厚薄不均，厚的一边阻力大空气不畅通，薄的一边空气均，厚的一边阻力大空气不畅通，薄的一边空气容易通过，久而久之，薄的一边长期受空气顶吹容易通过，久而久之，薄的一边长期受空气顶吹而使棉花活性炭改变位置，造成过滤器失效。而使棉花

224、活性炭改变位置，造成过滤器失效。过滤器用蒸汽灭菌时，若被蒸汽冷凝水润湿就会过滤器用蒸汽灭菌时，若被蒸汽冷凝水润湿就会降低或丧失过滤效能，灭菌完毕应立即缓慢通入降低或丧失过滤效能，灭菌完毕应立即缓慢通入压缩空气，将水分吹干。压缩空气，将水分吹干。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/超细纤维纸作过滤介质，灭菌时必须将管道超细纤维纸作过滤介质，灭菌时必须将管道中冷凝水放干净，以免介质受潮失效。中冷凝水放干净，以免介质受潮失效。在生产实践中，空气管道大多与其它物料管在生产实践中，空气管道大多与其它物料管道相接，要装上止逆阀防止其它物料窜入空道相接，要装上止逆阀防止其它物料窜入空气

225、管道污染过滤器，导致过滤介质失效。气管道污染过滤器，导致过滤介质失效。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/5 5、发酵染菌后的措施、发酵染菌后的措施l染菌后的培养基必须灭菌后才可放下水道染菌后的培养基必须灭菌后才可放下水道。灭菌。灭菌方法：可通蒸汽灭菌，也可加入过氧乙酸等化学灭方法：可通蒸汽灭菌，也可加入过氧乙酸等化学灭菌剂搅拌半小时，才放下水道。否则由于各罐的管菌剂搅拌半小时，才放下水道。否则由于各罐的管道相通，会造成其它罐的染菌，而且直接放下水道道相通，会造成其它罐的染菌，而且直接放下水道也会造成空气的污染而导致其它罐批染菌。也会造成空气的污染而导致其它罐批染菌。l凡

226、染菌的罐要找染菌的原因凡染菌的罐要找染菌的原因，对症下药，该罐也，对症下药，该罐也要彻底清洗，进行空罐消毒，才可进罐。要彻底清洗，进行空罐消毒，才可进罐。l染菌厉害时，车间环境要用石灰消毒染菌厉害时，车间环境要用石灰消毒，空气用甲，空气用甲醛熏蒸。特别，若染噬菌体，空气必须用甲醛蒸汽醛熏蒸。特别，若染噬菌体，空气必须用甲醛蒸汽消毒。消毒。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/四、染噬菌体的防治四、染噬菌体的防治（一）染噬菌体对发酵的影响（一）染噬菌体对发酵的影响发酵过程中如果受噬菌体的侵染，一般发生发酵过程中如果受噬菌体的侵染，一般发生溶菌，随之出现发酵迟缓或停止，而且受噬

227、溶菌，随之出现发酵迟缓或停止，而且受噬菌体感染后，往往会反复连续感染，使生产菌体感染后，往往会反复连续感染，使生产无法进行，甚至使种子全部丧失。无法进行，甚至使种子全部丧失。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/染噬菌体表现为：染噬菌体表现为：1、镜检可发现菌体数量明显减少，菌体不规则，严、镜检可发现菌体数量明显减少，菌体不规则，严重时完全看不到菌体，且是在短时间内菌体自溶。重时完全看不到菌体，且是在短时间内菌体自溶。2、发酵、发酵pH值逐渐上升，值逐渐上升，48小时之内可达小时之内可达8.0以上，以上，不再下降。不再下降。3、发酵液残糖高，有刺激臭味，粘度大，泡沫多。、发

228、酵液残糖高，有刺激臭味，粘度大，泡沫多。4、生产量甚少或增长缓慢或停止、生产量甚少或增长缓慢或停止有无染噬菌体，根本的要做噬菌斑检验有无染噬菌体，根本的要做噬菌斑检验发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/（二）产生噬菌体的原因（二）产生噬菌体的原因通常在工厂投产初期并不感到噬菌体的危害，经过通常在工厂投产初期并不感到噬菌体的危害，经过12年以后，主要是由于生产和试验过程中不断不加年以后，主要是由于生产和试验过程中不断不加注意地把许多活菌体排放到环境中去，自然界中的注意地把许多活菌体排放到环境中去，自然界中的噬菌体就在活菌体中大量生长，造成了自然界中噬噬菌体就在活菌体中大量生

229、长，造成了自然界中噬菌体增殖的好机会。这些噬菌体随着风沙尘土和空菌体增殖的好机会。这些噬菌体随着风沙尘土和空气流动传播，以及人们的走动、车辆的往来也携带气流动传播，以及人们的走动、车辆的往来也携带着噬菌体到处传播，使噬菌体有可能潜入生产的各着噬菌体到处传播，使噬菌体有可能潜入生产的各个环节，尤其是通过空气系统进入种子室、种子罐、个环节，尤其是通过空气系统进入种子室、种子罐、发酵罐发酵罐发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/（三）染噬菌体的检测（三）染噬菌体的检测在培养皿上倒入培养生产菌的培养基（加琼脂）在培养皿上倒入培养生产菌的培养基（加琼脂）作下层。同样的培养基中加入作下

230、层。同样的培养基中加入2030培养培养好的种子液，再加入怀疑染噬菌体的发酵液，摇好的种子液，再加入怀疑染噬菌体的发酵液，摇均匀后，铺上层。培养过夜观察培养皿上是否出均匀后，铺上层。培养过夜观察培养皿上是否出现噬菌斑。现噬菌斑。也可以在上层培养基中不加怀疑染噬菌体的发酵也可以在上层培养基中不加怀疑染噬菌体的发酵液，而将发酵液直接点种在上层培养基表面，培液，而将发酵液直接点种在上层培养基表面，培养过夜，观察有无透明圈出现。养过夜，观察有无透明圈出现。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/（三）噬菌体的防治（三）噬菌体的防治 1、必须建立工厂环境清洁卫生制度，定期检查、必须建立工

231、厂环境清洁卫生制度，定期检查、定期清扫，车间四周有严重污染噬菌体的地方应定期清扫，车间四周有严重污染噬菌体的地方应及时撒石灰或漂白粉。及时撒石灰或漂白粉。 2、车间地面和通往车间的道路尽量采取水泥地面、车间地面和通往车间的道路尽量采取水泥地面 3、种子和发酵工段的操作人员要严格执行无菌操、种子和发酵工段的操作人员要严格执行无菌操作规程，认真地进行种子保管，不使用本身带有作规程，认真地进行种子保管，不使用本身带有噬菌体的菌种。感染噬菌体的培养物不得带入菌噬菌体的菌种。感染噬菌体的培养物不得带入菌种室、摇瓶间种室、摇瓶间发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/ 4、认真进行发酵罐

232、、补料系统的灭菌。严格控制、认真进行发酵罐、补料系统的灭菌。严格控制逃液和取样分析和洗罐所废弃的菌体。对倒罐所逃液和取样分析和洗罐所废弃的菌体。对倒罐所排放的废液应灭菌后才可排放。排放的废液应灭菌后才可排放。 5、选育抗噬菌体的菌种，或轮换使用菌种。、选育抗噬菌体的菌种，或轮换使用菌种。 6、发现噬菌体停搅拌、小通风，将发酵液加热到、发现噬菌体停搅拌、小通风，将发酵液加热到70800C杀死噬菌体，才可排放。发酵罐周围的管杀死噬菌体，才可排放。发酵罐周围的管道也必须彻底灭菌。道也必须彻底灭菌。发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/小小 结结染菌对发酵的危害：染菌对发酵的危害：

233、干扰生产菌的正常代谢，降低产量干扰生产菌的正常代谢，降低产量改变改变pH，降解某些产物，降解某些产物污染不同的微生物，不同阶段染菌危害污染不同的微生物，不同阶段染菌危害染菌对提炼的危害：染菌对提炼的危害：过滤困难而大幅度降低过滤收率过滤困难而大幅度降低过滤收率有机溶剂萃取时发生乳化有机溶剂萃取时发生乳化发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/染染菌菌原原因因设备渗漏设备渗漏空气带菌空气带菌种子带菌种子带菌灭菌不彻底灭菌不彻底技术管理不善技术管理不善染染菌菌后后的的措措施施染染菌菌防防治治发酵液必须灭菌后才可放下水道发酵液必须灭菌后才可放下水道寻找染菌的原因寻找染菌的原因染菌厉

234、害时，车间环境要用石灰消毒染菌厉害时，车间环境要用石灰消毒发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/产生噬菌体的原因产生噬菌体的原因活菌体随意排放，造成噬菌体的感染源活菌体随意排放，造成噬菌体的感染源噬噬菌菌体体的的防防治治危害：造成断种，无法生产危害：造成断种，无法生产建立工厂环境清洁卫生制度建立工厂环境清洁卫生制度感染噬菌体的培养物不得带入菌种室、摇感染噬菌体的培养物不得带入菌种室、摇瓶间瓶间发现噬菌体停搅拌、小通风，将发酵液加发现噬菌体停搅拌、小通风，将发酵液加热到热到70800C杀死噬菌体，才可排放。杀死噬菌体，才可排放。环境用漂白粉消毒环境用漂白粉消毒选育抗噬菌体的菌

235、种选育抗噬菌体的菌种发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/思考题思考题7.23 染菌对发酵有什么危害，对提炼有什染菌对发酵有什么危害，对提炼有什么危害？么危害？7.24 有哪些原因会引起染菌？有哪些原因会引起染菌？7.25 染菌以后应采取什么措施？染菌以后应采取什么措施？ 7.26 为什么会感染噬菌体？感染了噬菌体为什么会感染噬菌体？感染了噬菌体后应采取哪些措施？后应采取哪些措施？发酵过程控制发酵过程控制v染菌的防治染菌的防治http:/http:/发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程精品课程精品课程精品课程精品课程http:/华东理工大学华东理工大学生物工程学院生物工程学院

236、第七节第七节 发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制一、泡沫形成的基本理论一、泡沫形成的基本理论泡沫的定义：一般来说：泡沫的定义：一般来说：泡沫是气体在液体中的泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系粗分散体，属于气液非均相体系美国道康宁公司对泡沫这样定义：美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近体积密度接近气体，而不接近液体的气体，而不接近液体的“气气/液液”分散体。分散体。发酵过程起泡的利弊：气体分散、增加气液发酵过程起泡的利弊：气体分散、增加气液接触面积，但过多的泡沫是有害的接触面积，但过多的泡沫是有害的发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的

237、形成与控制http:/（一）泡沫形成的原因（一）泡沫形成的原因1 1、气液接触、气液接触 因为泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡沫因为泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气的首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量的泡沫。体与液体连续、充分地接触才会产生过量的泡沫。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）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体体（2）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，形成的泡沫一般气泡较小

238、、较稳定。时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/2 2、含助泡剂、含助泡剂在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫，其在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫，其寿命在寿命在0.5秒之内，只能瞬间存在。摇荡纯溶剂不起秒之内，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。泡，如蒸馏水，只有摇荡某种溶液才会起泡。在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质是助

239、泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界物质是助泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。与液体亲和面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/3 3、起泡速度高于破泡速度、起泡速度高于破泡速度起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡的难易取决于气泡和泡破灭

240、后形成的液滴在表破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自由能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进面自由能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度因素。行得多快这一速度因素。高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。果。泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于泡沫破灭速最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态；泡沫产生

241、度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/4 4、发酵过程泡沫产生的原因、发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度）通气搅拌的强烈程度通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。丰富，易起泡。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。搅拌转

242、速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（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，培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌。前期难开搅拌。例：在例：在50L罐中投料罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900 rpm，通气，通气，泡沫生成量为培养基的泡沫生成量为培养基的2倍。如培养基适当稀一倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易些，接种量大一些，生长速度快些，前

243、期就容易开搅拌。开搅拌。 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（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。菌种生长慢的可利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量以加大接种量 （4）灭菌质量）灭菌质量培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。消泡剂也无效。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫

244、的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（二）起泡的危害（二）起泡的危害1 1、降低生产能力、降低生产能力在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量低装量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。会引起原料流失，造成浪费。 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/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，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，

245、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。 4 4、引起染菌、引起染菌由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上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，杂菌会长入培养基，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作用，从轴封轴封，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。处落下的泡沫往往引起杂菌污染。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发

246、酵过程泡沫的形成与控制http:/（三）泡沫的性质（三）泡沫的性质泡沫体系有独特的性质，研究泡沫的性质，泡沫体系有独特的性质，研究泡沫的性质，是解决消泡问题的基础。是解决消泡问题的基础。 1 1、气泡间液膜的性质、气泡间液膜的性质泡沫中气泡间的间距很小，仅以一薄层液膜泡沫中气泡间的间距很小，仅以一薄层液膜相隔，研究液膜的性质很有代表意义，又因相隔，研究液膜的性质很有代表意义，又因为，只有含有助泡的表面活性剂，才能形成为，只有含有助泡的表面活性剂，才能形成稳定的泡沫，所以应当首先研究稳定的泡沫，所以应当首先研究表面活性剂表面活性剂与液膜的关系与液膜的关系发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形

247、成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/表面活性剂示意图表面活性剂示意图亲水基亲水基 疏水基疏水基如图所示，表面活性剂是由疏水基与亲水基构如图所示，表面活性剂是由疏水基与亲水基构成的化合物，在水中，表面活性剂的分子不停成的化合物，在水中，表面活性剂的分子不停地转动在以下两种情况下泡沫才能比较稳定，地转动在以下两种情况下泡沫才能比较稳定，停留时间比较长：停留时间比较长：发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/第一种情况第一种情况 表面活性剂的亲水基留在水相，疏水表面活性剂的亲水基留在水相，疏水基伸到气相中，形成定向吸附层基伸到气相中，形成定向吸附

248、层第二种情况第二种情况 表面活性剂的疏水基在水相中互相靠表面活性剂的疏水基在水相中互相靠在一起，减少疏水基与水的接触，形成在一起，减少疏水基与水的接触，形成“胶束胶束”。胶束胶束定向吸附层定向吸附层发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/溶液中当表面活性剂的浓度低于临界胶束浓度溶液中当表面活性剂的浓度低于临界胶束浓度时，以第一种情况为主；表面活性剂浓度高于时，以第一种情况为主；表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况。在泡沫不断临界胶束浓度时出现第二种情况。在泡沫不断增加时，表面活性剂会从胶束中不断转移到新增加时，表面活性剂会从胶束中不断转移

249、到新产生的气液界面上产生的气液界面上发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/在液相中因为水分子之间的吸引力大于水对表面活在液相中因为水分子之间的吸引力大于水对表面活性剂的吸引力，表面活性剂的疏水部分被水分子之性剂的吸引力，表面活性剂的疏水部分被水分子之间的吸引力挤出溶液，到达气液界面。这就是表面间的吸引力挤出溶液，到达气液界面。这就是表面活性剂易于在泡沫上形成定向吸附层的原因。活性剂易于在泡沫上形成定向吸附层的原因。 表面活性剂为什么会定向排列在表面？表面活性剂为什么会定向排列在表面？发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的

250、形成与控制http:/2 2、泡沫是热力学不稳定体系、泡沫是热力学不稳定体系热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态变化。起泡能较高的状态向自由能较低的状态变化。起泡过程中自由能变化如下：过程中自由能变化如下：G=AG自由能的变化自由能的变化A表面积的变化表面积的变化比表面能比表面能发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/起泡时，液体表面积增加，起泡时，液体表面积增加，A为正值，因而为正值，因而G为为正值，也就是说，起泡过程不是自发过程。另一方正值，也就是说，起泡过程不是自发过程

251、。另一方面，泡沫的气液界面非常大，例如：半径面，泡沫的气液界面非常大，例如：半径1cm厚厚0.001cm的一个气泡，内外两面的气液界面达的一个气泡，内外两面的气液界面达25cm2；可是，当其破灭为一个液滴后，表面积只有；可是，当其破灭为一个液滴后，表面积只有0.2cm2,相差上百倍。显然，液体起泡后，表面自相差上百倍。显然，液体起泡后，表面自由能比无泡状态高得多。泡沫破灭、合并的过程中，由能比无泡状态高得多。泡沫破灭、合并的过程中，A是一个绝对值很大的负数，也就是说泡沫破灭、是一个绝对值很大的负数，也就是说泡沫破灭、合并的过程，自由能减小的数值很大。因此泡沫的合并的过程，自由能减小的数值很大。

252、因此泡沫的热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表面积的热力学不稳定体系，终归会变成具有较小表面积的无泡状态。无泡状态。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/3 3、泡沫体系的三阶段变化、泡沫体系的三阶段变化 即使外观看来平静、比较稳定的泡沫体系，泡沫即使外观看来平静、比较稳定的泡沫体系，泡沫液也在不断地下落、蒸发，不断进行着下述三阶段液也在不断地下落、蒸发，不断进行着下述三阶段的变化的变化(1)气泡大小分布的变化气泡大小分布的变化 液膜包裹的一个气泡，就像一个吹鼓了的气球。由液膜包裹的一个气泡，就像一个吹鼓了的气球。由于气球膜有收缩力，所以气球中

253、压力大于气球外的于气球膜有收缩力，所以气球中压力大于气球外的压力；同样气泡膜有表面张力，气泡中压力大于气压力；同样气泡膜有表面张力，气泡中压力大于气泡外的压力。气泡大小的再分布，就是由气泡膜内泡外的压力。气泡大小的再分布，就是由气泡膜内气体的压力变化引起的。气泡中气体压力的大小，气体的压力变化引起的。气泡中气体压力的大小，依赖气泡膜的曲率半径依赖气泡膜的曲率半径 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/由定量观点看，气泡内外压差由定量观点看，气泡内外压差P=如果起泡膜很薄，内外表面积近似相等，则如果起泡膜很薄，内外表面积近似相等，则P= =发酵过程

254、控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/由该式可知：压差由该式可知：压差P与气泡半径成反比。若气泡膜与气泡半径成反比。若气泡膜的表面张力均相同，则小气泡中的压力比大气泡中的的表面张力均相同，则小气泡中的压力比大气泡中的压力大。因此当相邻气泡大小不同时，气泡会不断地压力大。因此当相邻气泡大小不同时，气泡会不断地由小气泡高压区，经过吸附、溶解、解析，扩散到大由小气泡高压区，经过吸附、溶解、解析，扩散到大气泡低压区。于是小气泡进一步变小，大气泡进一步气泡低压区。于是小气泡进一步变小，大气泡进一步变大。即使相邻气泡曲率半径最初差别不大，也会由变大。即使相邻气泡曲率

255、半径最初差别不大，也会由于于P的不同，气体的扩散，泡径差别逐渐增大，直的不同，气体的扩散，泡径差别逐渐增大，直至小泡完全并入大泡。结果气泡数目减少，平均泡径至小泡完全并入大泡。结果气泡数目减少，平均泡径增大，气泡大小分别发生变化增大，气泡大小分别发生变化发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（2）气泡液膜变薄）气泡液膜变薄取一杯泡沫，放置一段时间，就会在杯底部出现取一杯泡沫，放置一段时间，就会在杯底部出现一些液体，而逐渐形成液相及液面上的泡沫相这一些液体，而逐渐形成液相及液面上的泡沫相这样具有界面的两层。底部出现的液体一部分是泡样具有界面的两层。

256、底部出现的液体一部分是泡沫破灭形成的，一部分是气泡膜变薄，排出液体沫破灭形成的，一部分是气泡膜变薄，排出液体形成的。形成的。泡沫生成初期，泡沫液还比较厚，以后因蒸发排泡沫生成初期，泡沫液还比较厚，以后因蒸发排液而变薄，泡沫液会受重力的影响向下排液，泡液而变薄，泡沫液会受重力的影响向下排液，泡沫液随时间延续而变薄。沫液随时间延续而变薄。 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（3）泡沫破灭）泡沫破灭泡沫由于排液，液量过少，表面张力降低，液膜会急泡沫由于排液，液量过少，表面张力降低，液膜会急剧变薄，最后液膜会变得十分脆弱，以至分子的热运剧变薄，最后液

257、膜会变得十分脆弱，以至分子的热运动都可以引起气泡破裂。因此只要泡沫液变薄到一定动都可以引起气泡破裂。因此只要泡沫液变薄到一定程度，泡沫即瞬间破灭。程度，泡沫即瞬间破灭。 泡沫层内部的小气泡破灭后，虽一时还不能导致气泡沫层内部的小气泡破灭后，虽一时还不能导致气液分离，只是合并成大气泡，但排液过程使泡膜液量液分离，只是合并成大气泡，但排液过程使泡膜液量大幅度减少，使合并成的大气泡快速地破灭，最后泡大幅度减少，使合并成的大气泡快速地破灭，最后泡沫体系崩溃，气液分离。沫体系崩溃，气液分离。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（四）影响泡沫稳定性的因素（

258、四）影响泡沫稳定性的因素引起危害，需要消除的，只是稳定的泡引起危害，需要消除的，只是稳定的泡沫。泡沫的稳定性受液体、气体许多性沫。泡沫的稳定性受液体、气体许多性质的影响。不同介质的泡沫，稳定程度质的影响。不同介质的泡沫，稳定程度相差很多，影响泡沫稳定性的因素十分相差很多，影响泡沫稳定性的因素十分复杂，概括国内外研究者的说法，主要复杂，概括国内外研究者的说法，主要因素有因素有发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/1 1、泡径大小、泡径大小对任何泡沫体系稍加观察都会发现：大泡易于破灭，对任何泡沫体系稍加观察都会发现：大泡易于破灭，寿命较长的的都是小泡

259、。泡越小，合并成大气泡的历寿命较长的的都是小泡。泡越小，合并成大气泡的历程就越长，而且小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，程就越长，而且小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，所以较能经受液体流失所造成的稳定性的损失。所以较能经受液体流失所造成的稳定性的损失。另一方面，气泡只有上升到液面才能够在破灭之后减另一方面，气泡只有上升到液面才能够在破灭之后减少泡沫体积。少泡沫体积。 气泡越小，上升速度越慢。溶液中溶解气泡越小，上升速度越慢。溶液中溶解状态或胶束状态的表面活性剂，在气泡上升的过程中，状态或胶束状态的表面活性剂，在气泡上升的过程中，吸附到气液界面上，形成定向吸附层。小气泡上升慢，吸附到气液界面上，

260、形成定向吸附层。小气泡上升慢，给表面活性剂的吸附提供充足的时间，增加了稳定性。给表面活性剂的吸附提供充足的时间，增加了稳定性。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/2 2、溶液所含助泡物的类型和浓度、溶液所含助泡物的类型和浓度 （1）降低表面张力）降低表面张力 降低表面张力会降低相邻气泡间的压差。压差小，小降低表面张力会降低相邻气泡间的压差。压差小，小泡并入大泡的速度就慢，泡沫的稳定性就好。泡并入大泡的速度就慢，泡沫的稳定性就好。 （2）增加泡沫弹性）增加泡沫弹性 助泡的表面活性剂，吸附在气液界面上，使表面层的助泡的表面活性剂，吸附在气液界面上，

261、使表面层的组分与液相组分产生差别，因而使泡沫液具有可以伸组分与液相组分产生差别，因而使泡沫液具有可以伸缩的称为缩的称为“吉布斯弹性吉布斯弹性”的性质，对于泡沫稳定性来的性质，对于泡沫稳定性来说表面活性剂使液膜具有说表面活性剂使液膜具有“吉布斯弹性吉布斯弹性”比降低表面比降低表面张力更重要。张力更重要。 P=发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/吉布斯曾对泡沫液弹性做如下定义：吉布斯曾对泡沫液弹性做如下定义：E=2A（ ）E膜弹性膜弹性A膜面积膜面积表面张力表面张力可以看出大，吉布斯弹性大，泡沫抵抗变形的能可以看出大，吉布斯弹性大，泡沫抵抗变形的能

262、力就大。大意味着：当面积发生变化时，表面张力就大。大意味着：当面积发生变化时，表面张力的变化较大，即收缩力较大，泡沫力的变化较大，即收缩力较大，泡沫“自愈作用自愈作用”就强，泡沫也就稳定。单一组分的纯净液体，就强，泡沫也就稳定。单一组分的纯净液体，表面张力不随表面积改变而改变，液体没有弹性，表面张力不随表面积改变而改变，液体没有弹性，所以纯净液体不会产生稳定的泡沫。所以纯净液体不会产生稳定的泡沫。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（3）助泡剂浓度）助泡剂浓度溶液中助泡剂浓度增加，气液界面上的吸附量就增溶液中助泡剂浓度增加，气液界面上的吸附量就

263、增加，液膜弹性随之增加，泡沫稳定性增高，直至到加，液膜弹性随之增加，泡沫稳定性增高，直至到达助泡物的临界胶束浓度为止。到达临界胶束浓度达助泡物的临界胶束浓度为止。到达临界胶束浓度后，气液界面上的定向排列后，气液界面上的定向排列“饱和饱和”，弹性不会再，弹性不会再增加，增加胶束浓度只会增大、增多胶束。增加，增加胶束浓度只会增大、增多胶束。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/3、起泡液的粘度、起泡液的粘度某些溶液，如蛋白质溶液，虽然表面张力不低，某些溶液，如蛋白质溶液，虽然表面张力不低，但因粘度很高，所产生的泡沫非常稳定。因为粘但因粘度很高，所产生

264、的泡沫非常稳定。因为粘稠的液膜，有助于吸收外力的冲击，起到缓冲的稠的液膜，有助于吸收外力的冲击，起到缓冲的作用，使泡沫能持久一些。液体粘度对泡沫稳定作用，使泡沫能持久一些。液体粘度对泡沫稳定性的影响比表面张力的影响还要大。性的影响比表面张力的影响还要大。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/4、其它、其它*温度温度 表面张力最低值时的浓度随温度变化。表面张力最低值时的浓度随温度变化。 在最低表面张力时泡沫排液迅速，否则排液缓慢。在最低表面张力时泡沫排液迅速，否则排液缓慢。表面活性剂浓度表面活性剂浓度20oC75oC发酵过程控制发酵过程控制v发酵过

265、程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/*pH 影响助泡剂的溶解度和表层的吸附状态影响助泡剂的溶解度和表层的吸附状态*表面电荷表面电荷 离子型表面活性剂，水解后带电荷，离子型表面活性剂，水解后带电荷，泡沫的定向吸附层为双电层结构。由于离子间静泡沫的定向吸附层为双电层结构。由于离子间静电的排斥，阻碍着离子彼此接近，减少排液速度，电的排斥，阻碍着离子彼此接近，减少排液速度，延缓泡沫变薄过程，使泡沫稳定。延缓泡沫变薄过程，使泡沫稳定。 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（二）、消泡剂消泡（二）、消泡剂消泡1、消泡剂的作用机理、消泡剂的

266、作用机理为了弄清消泡剂如何发挥作用，为了合理、有效地使为了弄清消泡剂如何发挥作用，为了合理、有效地使用消泡剂，需要了解消泡剂的作用机制及一般性质。用消泡剂，需要了解消泡剂的作用机制及一般性质。泡沫本来是极不稳定的，只因助泡剂的稳泡作用才难泡沫本来是极不稳定的，只因助泡剂的稳泡作用才难以破灭。人们研究消泡剂抵消助泡剂的稳泡作用的机以破灭。人们研究消泡剂抵消助泡剂的稳泡作用的机理是近几十年的事。下面分别介绍在消泡剂发展历史理是近几十年的事。下面分别介绍在消泡剂发展历史上有重要地位的罗氏假说以及其它几种消泡剂的作用上有重要地位的罗氏假说以及其它几种消泡剂的作用机理。机理。发酵过程控制发酵过程控制v发

267、酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（1）罗氏假说）罗氏假说1941年哈金斯（年哈金斯（Harkinss W.D）曾提出）曾提出铺展系数铺展系数S的概念，的概念，即：即：S=FFAAF起泡介质的表面张力起泡介质的表面张力FA消泡剂与起泡介质的界面张力消泡剂与起泡介质的界面张力A消泡剂的表面张力消泡剂的表面张力以铺展系数以铺展系数S值的正负判断消泡剂是否能值的正负判断消泡剂是否能够在泡沫上扩展。够在泡沫上扩展。AFAF发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/1948年鲁宾逊（年鲁宾逊（Robinson,J.V）和伍兹）和伍兹（W

268、ords,W.W）提出了浸入系数）提出了浸入系数E的概念，即的概念，即E=以浸入系数以浸入系数E值的正负判断消泡剂能否进入泡值的正负判断消泡剂能否进入泡沫表面。沫表面。AFAF发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/美国胶体化学家罗斯（美国胶体化学家罗斯（Ross,S.），四十年代初就开），四十年代初就开始研究泡沫问题，对添加了各种表面活性剂的起泡体始研究泡沫问题，对添加了各种表面活性剂的起泡体系，进行试验和观察，寻找消泡剂在起泡液中溶解性系，进行试验和观察，寻找消泡剂在起泡液中溶解性与消泡效力的对应关系。罗斯提出一种假说：与消泡效力的对应关系。罗

269、斯提出一种假说：在溶液在溶液中，溶解状态的溶质是稳泡剂；不溶状态的溶质，当中，溶解状态的溶质是稳泡剂；不溶状态的溶质，当浸入系数与铺展系数均为正值时即是消泡剂。浸入系数与铺展系数均为正值时即是消泡剂。罗斯认为，消泡剂的分子团，即一小滴，一接触泡沫，罗斯认为，消泡剂的分子团，即一小滴，一接触泡沫，首先便是浸入，之后在泡沫上扩展，局部变薄而破裂。首先便是浸入，之后在泡沫上扩展，局部变薄而破裂。当浸入系数和铺展系数均为负值时，小滴既不浸入也当浸入系数和铺展系数均为负值时，小滴既不浸入也不扩展；当浸入系数大于零，铺展系数为负数时小滴不扩展；当浸入系数大于零，铺展系数为负数时小滴成棱镜状，不铺展；只有二

270、者均为正值时才可能是消成棱镜状，不铺展；只有二者均为正值时才可能是消泡剂，这种假说为消泡剂作用机理奠定了基础。泡剂，这种假说为消泡剂作用机理奠定了基础。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（2）与稳泡因素有关的几种消泡机理）与稳泡因素有关的几种消泡机理a、消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导、消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导致泡沫破灭致泡沫破灭希勒（希勒（Shearer,L.T）和艾克斯）和艾克斯(Akers,W.W.)在油体在油体系中研究聚硅氧烷油的消泡过程。他们对泡沫体系以系中研究聚硅氧烷油的消泡过程。他们对泡沫体系以1/100

271、0秒的速度连续拍照，照片放大秒的速度连续拍照，照片放大100倍倍发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/由图可以看出，硅油微粒到达泡沫表面使泡沫破灭，由图可以看出，硅油微粒到达泡沫表面使泡沫破灭，气泡合并，气液迅速分离。研究发现：低浓度的，气泡合并，气液迅速分离。研究发现：低浓度的，表面张力比起泡液低的物质，如果与起泡液成为均表面张力比起泡液低的物质，如果与起泡液成为均相，则促进起泡；如果呈饱和状态，而且被均匀分相，则促进起泡；如果呈饱和状态，而且被均匀分散在起泡液中，就可能有消泡作用。附着了消泡剂散在起泡液中，就可能有消泡作用。附着了消泡剂小滴的

272、泡沫能够迅速破灭，与局部降低表面张力有小滴的泡沫能够迅速破灭，与局部降低表面张力有关。关。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/日本高野信之提出类似的观点：在起泡液中分日本高野信之提出类似的观点：在起泡液中分散的消泡剂颗粒，随着泡沫液变薄，露到表面，散的消泡剂颗粒，随着泡沫液变薄，露到表面，因消泡剂表面张力比泡沫液低，该处受到周围因消泡剂表面张力比泡沫液低，该处受到周围的拉伸、牵引。不断变薄，最后破灭。的拉伸、牵引。不断变薄，最后破灭。把高级醇或植物油洒在泡沫上，当其附着到泡沫上，把高级醇或植物油洒在泡沫上，当其附着到泡沫上，即溶入泡沫液，会显著

273、降低该处的表面张力。因为这即溶入泡沫液，会显著降低该处的表面张力。因为这些物质一般对水的溶解度较小，表面张力降低只限于些物质一般对水的溶解度较小，表面张力降低只限于局部，而泡沫周围的表面张力几乎没有发生变化。表局部，而泡沫周围的表面张力几乎没有发生变化。表面张力降低的部分，被强烈地向四周牵引、延展，最面张力降低的部分，被强烈地向四周牵引、延展，最后破裂。后破裂。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/b、消泡剂能破坏膜弹性而导致气泡破灭、消泡剂能破坏膜弹性而导致气泡破灭稳泡因素中谈到，因泡膜表面吸附表面活性剂，具有稳泡因素中谈到，因泡膜表面吸附表面

274、活性剂，具有“吉布斯弹性吉布斯弹性”，当受到外部压力时有自愈作用。，当受到外部压力时有自愈作用。消泡剂能破坏泡膜的这种弹性。离子型表面活性剂水消泡剂能破坏泡膜的这种弹性。离子型表面活性剂水溶液产生的泡沫，是因为表面活性剂定向排列形成双溶液产生的泡沫，是因为表面活性剂定向排列形成双电层，借助排斥作用阻碍泡沫合并而使泡沫稳定。这电层，借助排斥作用阻碍泡沫合并而使泡沫稳定。这种性质的泡沫，只需向体系中加入一种离子电荷相反种性质的泡沫，只需向体系中加入一种离子电荷相反的表面活性剂，甚至本身也是助泡剂，就可降低泡沫的表面活性剂，甚至本身也是助泡剂，就可降低泡沫稳定性。这是因为两种表面活性剂彼此干扰，妨碍

275、在稳定性。这是因为两种表面活性剂彼此干扰，妨碍在气液界面上定向排列，破坏了膜弹性，因而产生消泡气液界面上定向排列，破坏了膜弹性，因而产生消泡作用。作用。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/C、消泡剂能促使液膜排液，因而导致气泡破灭、消泡剂能促使液膜排液，因而导致气泡破灭 泡沫液厚泡沫弹性好，自愈效应强；泡膜排液速率反泡沫液厚泡沫弹性好，自愈效应强；泡膜排液速率反映泡沫的稳定性。起泡体系的粘度越高，排液速度越映泡沫的稳定性。起泡体系的粘度越高，排液速度越低，如蛋白质溶液，肽链之间能够形成氢键；有些表低，如蛋白质溶液，肽链之间能够形成氢键；有些表面

276、活性剂能与水分子形成氢键，能减少泡沫中的排液，面活性剂能与水分子形成氢键，能减少泡沫中的排液，起到稳泡作用。起到稳泡作用。加入不产生氢键的表面活性剂，取代产生氢键的表面加入不产生氢键的表面活性剂，取代产生氢键的表面活性剂，就可以使排液加快。活性剂，就可以使排液加快。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/还有另一方面的因素对排液速率有影响。即表面活性还有另一方面的因素对排液速率有影响。即表面活性剂吸附层与泡膜上两吸附层当中的泡膜液之间亲和力剂吸附层与泡膜上两吸附层当中的泡膜液之间亲和力的强弱。表面活性剂与泡膜液亲和性强，泡膜液随吸的强弱。表面活性剂

277、与泡膜液亲和性强，泡膜液随吸附层迁移，泡沫就稳定；亲和力弱，泡膜液不随吸附附层迁移，泡沫就稳定；亲和力弱，泡膜液不随吸附层迁移，泡沫也就不稳定。表面活性剂的层迁移，泡沫也就不稳定。表面活性剂的HLB值反映值反映这种亲和性，高这种亲和性，高HLB的表面活性剂，亲水性强，易于的表面活性剂，亲水性强，易于使吸附层之间的水随着迁移，是稳泡剂；低使吸附层之间的水随着迁移，是稳泡剂；低HLB值的值的表面活性剂，亲水性弱，不易使吸附层之间的水随着表面活性剂，亲水性弱，不易使吸附层之间的水随着迁移，往往是消泡剂。亲水性弱的低迁移，往往是消泡剂。亲水性弱的低HLB值的表面活值的表面活性剂取代了亲水性强的高性剂取

278、代了亲水性强的高HLB值的表面活性剂，能使值的表面活性剂，能使泡膜吸附层之间的水不随吸附层迁移，从而促进泡膜泡膜吸附层之间的水不随吸附层迁移，从而促进泡膜排液，起到消泡作用排液，起到消泡作用发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/2 2、破泡剂与抑泡剂的区别、破泡剂与抑泡剂的区别（1）消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂）消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂破泡剂是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。破泡剂是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。如低级醇、天然油脂。一般来说，破泡剂都是其分子如低级醇、天然油脂。一般来说，破泡剂都是其分子的亲液端与起泡液亲和性较强

279、，在起泡液中分散较快的亲液端与起泡液亲和性较强，在起泡液中分散较快的物质。这类消泡剂随着时间的延续，迅速降低效率，的物质。这类消泡剂随着时间的延续，迅速降低效率，并且当温度上升时，因溶解度增加，消泡效率会下降。并且当温度上升时，因溶解度增加，消泡效率会下降。抑泡剂是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚醚抑泡剂是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚醚及有机硅等属于抑泡剂。一般是分子与气泡液亲和性及有机硅等属于抑泡剂。一般是分子与气泡液亲和性很弱的难溶或不溶的液体很弱的难溶或不溶的液体 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（2）作用机理上的区别）作

280、用机理上的区别破泡剂的破泡机理大致有二种。第一，吸附助泡破泡剂的破泡机理大致有二种。第一，吸附助泡剂，加入电解质，瓦解双电层，及使助泡物被增剂，加入电解质，瓦解双电层，及使助泡物被增溶等机理，这样就破坏助泡物的稳泡作用。在这溶等机理，这样就破坏助泡物的稳泡作用。在这些过程中消泡剂发挥一次消泡作用就被消耗。同些过程中消泡剂发挥一次消泡作用就被消耗。同时消耗掉相应的助泡物。第二，低级醇等溶解性时消耗掉相应的助泡物。第二，低级醇等溶解性较大的消泡剂，加到气泡液中局部降低表面张力，较大的消泡剂，加到气泡液中局部降低表面张力，发挥破泡作用，同时本身不断破为碎块，陆续溶发挥破泡作用，同时本身不断破为碎块，

281、陆续溶解而失去破泡作用。破泡过程中，破泡剂不断失解而失去破泡作用。破泡过程中，破泡剂不断失效、消耗，而助泡剂却不受影响效、消耗，而助泡剂却不受影响 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/抑泡机理：一般认为抑泡剂分子在气液界面上抑泡机理：一般认为抑泡剂分子在气液界面上优先被吸附，它比助泡剂的表面活性更强，更优先被吸附，它比助泡剂的表面活性更强，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不赋予泡膜弹易吸附到泡膜上，但是由于本身不赋予泡膜弹性，所以不具备稳泡作用。这样当液体中产生性，所以不具备稳泡作用。这样当液体中产生泡沫时，抑泡剂首先占据泡膜，抑制了助泡剂泡沫时

282、，抑泡剂首先占据泡膜，抑制了助泡剂的作用，抑制了气泡。的作用，抑制了气泡。（3）破泡剂与抑泡剂的相互关系）破泡剂与抑泡剂的相互关系 溶解度大的破泡剂，消泡作用只发挥一次；溶解溶解度大的破泡剂，消泡作用只发挥一次；溶解度小的破泡剂，消泡作用可持续一段时间。如果溶解度小的破泡剂，消泡作用可持续一段时间。如果溶解度进一步降低，即成为抑泡剂。另一方面，破泡剂大度进一步降低，即成为抑泡剂。另一方面，破泡剂大量使用，比有抑泡作用，抑泡剂大量使用也比有破泡量使用，比有抑泡作用，抑泡剂大量使用也比有破泡作用。作用。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/3 3、对

283、消泡剂的要求、对消泡剂的要求（1）在起泡液中不溶或难溶）在起泡液中不溶或难溶 为破灭泡沫，消泡剂应该在泡膜上浓缩、集中。为破灭泡沫，消泡剂应该在泡膜上浓缩、集中。对破泡剂的情况，应在瞬间浓缩、集中，对于抑对破泡剂的情况，应在瞬间浓缩、集中，对于抑泡的情况应经常保持在这种状态。所以消泡剂在泡的情况应经常保持在这种状态。所以消泡剂在起泡液中是过饱和状态，只有不溶或难溶才易于起泡液中是过饱和状态，只有不溶或难溶才易于达到过饱和状态。不溶或难溶，才易于聚集在气达到过饱和状态。不溶或难溶，才易于聚集在气液界面，才易于浓缩在泡膜上，才能在较低浓度液界面，才易于浓缩在泡膜上，才能在较低浓度下发挥作用。用于水

284、体系的消泡剂，活性成分的下发挥作用。用于水体系的消泡剂，活性成分的分子，须为强疏水弱亲水，分子，须为强疏水弱亲水，HLB值在值在1.53范围，范围，作用才最好。作用才最好。 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（2）表面张力低于起泡液）表面张力低于起泡液 只有消泡剂分子间作用力小，表面张力低于只有消泡剂分子间作用力小，表面张力低于起泡液，消泡剂微粒才能够在泡膜上浸入及起泡液，消泡剂微粒才能够在泡膜上浸入及扩展。值得注意的是，起泡液的表面张力并扩展。值得注意的是，起泡液的表面张力并非溶液的表面张力，而是助泡溶液的表面张非溶液的表面张力，而是助泡溶

285、液的表面张力。力。 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（3）与起泡液有一定程度的亲和性）与起泡液有一定程度的亲和性 由于消泡过程实际上是泡沫崩溃速度与泡沫生由于消泡过程实际上是泡沫崩溃速度与泡沫生成速度的竞争，所以消泡剂必须能在起泡液中成速度的竞争，所以消泡剂必须能在起泡液中快速分散，以便迅速在起泡液中较广泛的范围快速分散，以便迅速在起泡液中较广泛的范围内发挥作用。要使消泡剂扩散较快，消泡剂活内发挥作用。要使消泡剂扩散较快，消泡剂活性成分须与起泡液具有一定程度的亲和性。消性成分须与起泡液具有一定程度的亲和性。消泡剂活性成分与起泡液过亲，会溶解

286、；过疏又泡剂活性成分与起泡液过亲，会溶解；过疏又难于分散。只有亲疏适宜，效力才会好。难于分散。只有亲疏适宜，效力才会好。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（4）与起泡液不发生化学反应）与起泡液不发生化学反应消泡剂与起泡液发生反应，一方面消泡剂会丧消泡剂与起泡液发生反应，一方面消泡剂会丧失作用，另一方面可能产生有害物质，影响微失作用，另一方面可能产生有害物质，影响微生物的生长。生物的生长。 （5）挥发性小，作用时间长）挥发性小，作用时间长发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/4 4、常用消泡剂的种

287、类和性能、常用消泡剂的种类和性能（1）天然油脂）天然油脂天然油脂是最早用的消泡剂，它来源容易，价格低，天然油脂是最早用的消泡剂，它来源容易，价格低，使用简单，一般来说没有明显副作用，如豆油、菜使用简单，一般来说没有明显副作用，如豆油、菜油、鱼油等。油脂主要成分是高级脂肪酸酯和高级油、鱼油等。油脂主要成分是高级脂肪酸酯和高级一元醇酯，还有高级醇、高级烃等。但油脂如保藏一元醇酯，还有高级醇、高级烃等。但油脂如保藏不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性。此外，不好，易变质，使酸值增高，对发酵有毒性。此外，有些油是发酵产物的前体，如豆油是红霉素的前体，有些油是发酵产物的前体，如豆油是红霉素的前体，鱼油

288、是螺旋霉素的前体。近年来出于对环境保护的鱼油是螺旋霉素的前体。近年来出于对环境保护的重视，天然产物消泡剂的地位又有些提高，而且还重视，天然产物消泡剂的地位又有些提高，而且还在研究新的天然消泡剂在研究新的天然消泡剂 发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/a酒糟榨出液酒糟榨出液 罗伯茨（罗伯茨（Roberts R.T.）在英国酿造业研）在英国酿造业研究基金会资助的试验啤酒厂发现：全麦芽浸出浆桶中最究基金会资助的试验啤酒厂发现：全麦芽浸出浆桶中最后倒出的沉积物能破灭泡沫。于是联想到，是否可以由后倒出的沉积物能破灭泡沫。于是联想到，是否可以由制作全麦芽浸

289、出浆以后的酒糟压榨出有效的消泡剂？经制作全麦芽浸出浆以后的酒糟压榨出有效的消泡剂？经过试验，由酒糟中压榨出大约过试验，由酒糟中压榨出大约40%液体，在液体，在500C真空蒸真空蒸馏，浓缩馏，浓缩19倍，果然得到可用于麦芽汁发酵过程的消泡倍，果然得到可用于麦芽汁发酵过程的消泡剂。效果很好，没有副作用。经分析证明，酒糟榨出液剂。效果很好，没有副作用。经分析证明，酒糟榨出液中存在中存在C8C18的全部脂肪酸，存在极性类脂物，尤其的全部脂肪酸，存在极性类脂物，尤其是卵磷脂等物，这些物质的协同作用下的消泡作用比这是卵磷脂等物，这些物质的协同作用下的消泡作用比这些物质单独消泡作用强得多。些物质单独消泡作用

290、强得多。b啤酒花油啤酒花油 研究年发现向啤酒添加研究年发现向啤酒添加15ppm啤酒花油是啤酒花油是减轻气泡溢出损失的有效措施。紧分析啤酒花油具含有减轻气泡溢出损失的有效措施。紧分析啤酒花油具含有消泡活性的物质有：石竹烯、荷兰芹萜烯、香叶烯和蒎消泡活性的物质有：石竹烯、荷兰芹萜烯、香叶烯和蒎烯等。烯等。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（2）聚醚类消泡剂）聚醚类消泡剂聚醚类消泡剂种类很多我国常用的主要是甘油三羟基聚聚醚类消泡剂种类很多我国常用的主要是甘油三羟基聚醚。六十年代发明此类消泡剂，美国道康宁化学公司首醚。六十年代发明此类消泡剂，美国道康

291、宁化学公司首先投产。它是以甘油为起始剂，由环氧丙烷，或环氧乙先投产。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制成的。只在甘烷与环氧丙烷的混合物进行加成聚合而制成的。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定名油分子上加成聚合环氧丙烷的产物叫聚氧丙烯甘油定名为为GP型消泡剂；用于链霉素发酵，代替天然油，加入基型消泡剂；用于链霉素发酵，代替天然油，加入基础料，效果很好。在础料，效果很好。在GP型消泡剂的聚丙二醇链节末端再型消泡剂的聚丙二醇链节末端再加成环氧乙烷，成为链端是亲水基的聚氧乙烯氧丙烯甘加成环氧乙烷，成为链端是亲水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫油，

292、也叫GPE型消泡剂（泡敌）。按照环氧乙烷加成量型消泡剂（泡敌）。按照环氧乙烷加成量为为10%，20%，50%分别称为分别称为GPE10，GPE20，GPE50。这类消泡剂称为。这类消泡剂称为“泡敌泡敌”。用于四环素发酵。用于四环素发酵效果很好，相当于豆油的效果很好，相当于豆油的1020倍。倍。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/GP型的消泡剂亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，型的消泡剂亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以宜使用在稀薄的发酵液中。它的抑泡能力比消泡所以宜使用在稀薄的发酵液中。它的抑泡能力比消泡能力优越，适宜在基础培养基中加入，以

293、抑制整个发能力优越，适宜在基础培养基中加入，以抑制整个发酵过程的泡沫产生。酵过程的泡沫产生。GPE型消泡剂亲水性较好，在发泡介质中易铺展，型消泡剂亲水性较好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，但溶解度也较大，消泡活性维持时间短，消泡能力强，但溶解度也较大，消泡活性维持时间短，因此用在粘稠发酵液中效果较好。因此用在粘稠发酵液中效果较好。有一种新的聚醚类消泡剂，在有一种新的聚醚类消泡剂，在GPE型消泡剂链端用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。这种结构的分子易于平卧隔有亲水链的嵌段共聚物。这种结构的分子易于

294、平卧状聚集在气液界面，因而表面活性强，消泡效率高。状聚集在气液界面，因而表面活性强，消泡效率高。这类化合物叫这类化合物叫GPES型消泡剂。型消泡剂。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（3）高碳醇）高碳醇高碳醇是强疏水弱亲水的线型分子，在水体系里是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。七十年代初前苏联学者在阴离子、有效的消泡剂。七十年代初前苏联学者在阴离子、阳离子、非离子型表面活性剂的水溶液中试验，提阳离子、非离子型表面活性剂的水溶液中试验，提出醇的消泡作用，与其在起泡液中的溶解度及扩散出醇的消泡作用，与其在起泡液中的溶解度

295、及扩散程度有关。程度有关。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，含量为，含量为2050%的水乳液，即是水体系的的水乳液，即是水体系的消泡剂。消泡剂。还有些成酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等还有些成酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素发酵中具有消泡作用，后者还可作为前体。在青霉素发酵中具有消泡作用，后者还可作为前体。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/（4）硅酮类）硅酮类最常用的是聚二甲基硅氧烷，也称二甲基硅油。最常用的是聚二甲基

296、硅氧烷，也称二甲基硅油。它表面能低，表面张力也较低，在水及一般油中它表面能低，表面张力也较低，在水及一般油中的溶解度低且活性高。它的主链为硅氧键，为非的溶解度低且活性高。它的主链为硅氧键，为非极性分子。与极性溶剂水不亲和，与一般油的亲极性分子。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。纯粹的聚二甲基硅氧烷，不经分稳定且毒性小。纯粹的聚二甲基硅氧烷，不经分散处理难以作为消泡剂。可能是由于它与水有高散处理难以作为消泡剂。可能是由于它与水有高的界面张力，铺展系数低，不易分散在发泡介质的界面张力，铺展系数低，不易分

297、散在发泡介质上。因此将硅油混入上。因此将硅油混入SiO2气溶胶，所构成的复合气溶胶，所构成的复合物，即将疏水处理后的物，即将疏水处理后的SiO2气溶胶混入二甲基硅气溶胶混入二甲基硅油中，经一定温度、一定时间处理，就可制得。油中，经一定温度、一定时间处理，就可制得。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/也有在硅油和也有在硅油和SiO2气溶胶的复合物中添加一种或两气溶胶的复合物中添加一种或两种乳化剂，加热溶匀，与增稠剂水溶液混合后乳化。种乳化剂，加热溶匀，与增稠剂水溶液混合后乳化。乳化剂有甘油单硬脂酸酯，聚氧乙烯山梨糖醇单硬乳化剂有甘油单硬脂酸酯，聚

298、氧乙烯山梨糖醇单硬脂酸酯（脂酸酯（Tween60）、聚氧乙烯山梨糖醇单油酸酯）、聚氧乙烯山梨糖醇单油酸酯（Tween80）、山梨糖醇单硬脂酸酯（）、山梨糖醇单硬脂酸酯（Spen60）、）、山梨糖醇三硬脂酸酯（山梨糖醇三硬脂酸酯（Spen65）。增稠剂有羧甲基）。增稠剂有羧甲基纤维素钠盐。这类消泡剂广泛用于抗生素发酵及食纤维素钠盐。这类消泡剂广泛用于抗生素发酵及食品工业。品工业。值得注意的是：消泡剂有选择性。消泡剂用多了有值得注意的是：消泡剂有选择性。消泡剂用多了有毒性，而且还影响通气和气体分散，因此要少量地毒性，而且还影响通气和气体分散，因此要少量地加。加。发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡

299、沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/小小 结结泡泡沫沫形形成成原原因因气液接触气液接触 气体从外部进入气体从外部进入 气体从内部产生气体从内部产生含助泡剂含助泡剂起泡速度高于破泡速度起泡速度高于破泡速度发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/发发酵酵过过程程泡泡沫沫产产生生的的原原因因通气搅拌通气搅拌培养基配比与原料组成培养基配比与原料组成菌种、种子质量和接种量菌种、种子质量和接种量灭菌质量灭菌质量发酵过程起泡的利弊发酵过程起泡的利弊有利之处：气体分散、增加气液接触面积有利之处：气体分散、增加气液接触面积发酵过程控制发酵过程控制v发酵

300、过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/有有害害之之处处降低生产能力降低生产能力引起原料浪费引起原料浪费影响菌的呼吸影响菌的呼吸引起染菌引起染菌泡沫的性质：泡沫的性质： 含有助泡剂含有助泡剂 泡沫是热力学不稳定体系泡沫是热力学不稳定体系发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/泡沫稳定性的因素泡沫稳定性的因素泡径大小泡径大小溶液所含助泡物的类型溶液所含助泡物的类型助泡剂浓度助泡剂浓度起泡液的粘度起泡液的粘度温度、温度、 pH、表面电荷、表面电荷 等等发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/

301、消消泡泡剂剂的的作作用用机机理理罗氏假说罗氏假说泡沫液局部表面张力降低泡沫液局部表面张力降低破坏膜弹性破坏膜弹性促使液膜排液促使液膜排液常常用用的的消消泡泡剂剂天然油脂天然油脂聚醚类消泡剂聚醚类消泡剂高碳醇高碳醇硅酮类硅酮类发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/思考题思考题7.27 泡沫对发酵有哪些有益之处，哪些有害之处？泡沫对发酵有哪些有益之处，哪些有害之处？7.28 发酵中泡沫形成的原因是什么？发酵中泡沫形成的原因是什么？7.29 没有外界作用力泡沫是否稳定？在什么条件下没有外界作用力泡沫是否稳定？在什么条件下泡沫会稳定？泡沫会稳定？7.30 罗氏假说对泡沫稳定的条件作了如何假释？罗氏假说对泡沫稳定的条件作了如何假释？7.31 植物油的消泡机理是什么？植物油的消泡机理是什么？7.32 对消泡剂有哪些要求？对消泡剂有哪些要求？7.33 常用的消泡剂有哪几类？常用的消泡剂有哪几类？7.34 对于黏稠的发酵液应选怎样的消泡剂，对于较对于黏稠的发酵液应选怎样的消泡剂，对于较稀的发酵液应选怎样的消泡剂？稀的发酵液应选怎样的消泡剂？发酵过程控制发酵过程控制v发酵过程泡沫的形成与控制发酵过程泡沫的形成与控制http:/http:/