第六章发酵过程控制

第六章发酵过程控制

微生物的代谢产物。 合成产物的一种基质。反映微生物生长和发酵状况，可通过碳质量平衡来估算菌体生长速率和细胞量。溶解在发酵液中的CO2对氨基酸、抗生素等微生物发酵具有抑制和刺激作用，对许多产物的生产菌亦有影响。第四节 CO2和呼吸商二氧化碳

CO2对菌体生长的作用：直接影响——排出CO2高于4%时，碳水化合物的代谢及微生物的呼吸速率下降。CO2对菌体生长的作用：直接影响——排出CO2高于4%时，碳水化合物的代谢及微生物的呼吸速率下降。 1、CO2对菌体生长和产物形成的影响

CO2影响产物形成：阻碍基质分解和ATP生成，影响产物的合成。CO2影响产物形成：阻碍基质分解和ATP生成，影响产物的合成。

产黄青霉菌接种到溶解不同CO2浓度的培养基中，发现：产黄青霉菌接种到溶解不同CO2浓度的培养基中，发现： CO2分压0～8％时，菌丝主要是丝状； CO2分压15％～22％，则膨胀，粗短的菌丝占优势； CO2为0.008 MPa时，则出现球状或酵母状细胞，致使青霉素合成受阻，其比生成速率降低40％左右。 • CO2影响菌体形态

CO2作用在细胞膜的脂肪核心部位。 HCO3-影响磷脂，亲水头部带电荷表面及细胞膜表面的蛋白质。 • CO2对细胞的作用机制

大发酵罐中CO2的分压是液体深度的函数，10 m深的发酵罐在0.101 MPa气压下操作，底部CO2分压是顶部CO2分压的2倍。 • CO2与发酵环境

对数期菌体生长速率与CO2释放率成正比： CER=QCO2·c（X） QCO2 ——呼出二氧化碳量，mmol CO2／(g干菌体·h)； c(X)——菌体浓度，g干菌体／L。 2. CO2释放率

测出耗氧速率OUR，计算出呼吸商RQ。 代谢情况不同，RQ不同： 3. 呼吸商与发酵的关系 RQ=1，糖有氧代谢，生成菌体，无产物形成； RQ>1.1，糖经EMP生成乙醇。酵母发酵

以延胡索酸为基质，RQ=1.44； 以丙酮酸为基质，RQ=1.26； E. Coli以琥珀酸为基质，RQ=1.12；以乳酸为基质，RQ=1.02 以葡萄糖为基质，RQ=1.00。 • 不同基质，菌的RQ不同

青霉素发酵的理论呼吸商： 发酵早期，主要是菌生长，RQ<1；过渡期：维持菌体生命活动，产物逐渐形成，基质葡萄糖的代谢不仅仅用于菌体生长，RQ比生长期略有增加。产物形成期：对RQ的影响较为明显，如产物还原性比基质大，RQ增加；产物氧化性比基质大，RQ就减少。 • 不同阶段，RQ不同菌体生长0.909，菌体维持1，青霉素合成4。

RQ是碳能源代谢情况的指示值。 碳能源完全氧化，RQ达到完全氧化理论值碳能源不完全氧化，RQ异常。实测RQ值低于理论值因为：不完全氧化的中间代谢物和存在多种碳源

一些碳能源基质的理论呼吸商

CO2在发酵液中的浓度大小受到许多因素的影响：CO2在发酵液中的浓度大小受到许多因素的影响：菌体呼吸强度；发酵液流变学特性；通气搅拌程度；外界压力大小；设备规模大小也有影响。 4. CO2浓度的控制

CO2浓度控制应随它对发酵的影响而定 CO2抑制产物合成：降低浓度； CO2促进产物合成：提高浓度。

青霉素发酵，补糖会增加CO2的浓度和降低培养液的pH值。青霉素发酵，补糖会增加CO2的浓度和降低培养液的pH值。因此，补糖、CO2、pH值三者具有相关性。 CO2产生与补料密切相关

第五节补料的作用和控制 • 分批补料培养是先投入一定量底物装入罐内，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳-能源或氮源或其他基质，使发酵过程中，限制性底物浓度在罐内保持一定；发酵液体积达到最大工作体积时，终止发酵，醪液一次全部取出的发酵方法。

一、分批补料发酵的优点 （1）可以解除底物抑制，产物反馈抑制，分解代谢产物抑制；（2）可避免菌体过量生长，能改善发酵液性质；（3）能有效控制菌浓度，菌体细胞的质量；（4）可作为理论研究的手段，为自动控制和最优化提供实验基础。

二、补料的内容 （1）补充微生物能源和碳源；（2）补充菌体所需要的氮源；（3）加入某些微生物生长或合成所需要的微量元素或无机盐；（4）加入某些诱导酶的作用底物。

三、补料的原则 1、根据菌体本身的遗传特性、生长代谢规律 2、根据生产需要

补料方式有连续流加、非连续流加和多周期流加；每次流加又可分为快速流加、恒速流加、指数速率流加和变速流加；补料方式有连续流加、非连续流加和多周期流加；每次流加又可分为快速流加、恒速流加、指数速率流加和变速流加； • 从补料的培养基成分来分可分为单一组分补料和多组分补料等； • 流加操作控制系统分为反馈控制系统和无反馈控制系统。

第六节溶氧的影响和控制 • 溶氧是需氧发酵控制的重要参数之一，氧的溶解度很小，氧的溶解度仅为6.4mg /L ，只能保证氧化8.3mg葡萄糖，仅相当于常用培养基葡萄糖浓度的1‰。 1. 溶氧的影响

微生物对氧的需要不同，是由于依赖获得能量的代谢方面的差异。微生物对氧的需要不同，是由于依赖获得能量的代谢方面的差异。 • 好气性菌主要是有氧呼吸或氧化代谢，厌气菌为厌气发酵(分子间呼吸)，兼性厌气菌则两者兼而有之。

溶氧大小对菌体生长和产物的性质和产量产生不同影响；例如，谷氨酸发酵时，通气不足会积累大量乳酸和琥珀酸；溶氧大小对菌体生长和产物的性质和产量产生不同影响；例如，谷氨酸发酵时，通气不足会积累大量乳酸和琥珀酸；

不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对通风量的要求也不相同。例如，天氡酰胺酶发酵，前期为好气培养，后期为厌氧培养，产酶能力会大大提高。不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对通风量的要求也不相同。例如，天氡酰胺酶发酵，前期为好气培养，后期为厌氧培养，产酶能力会大大提高。

2. 发酵过程的溶氧变化 • 发酵前期（生长期），菌体繁殖迅速，菌体摄氧率增加，醪液粘度上升，需氧量增加，溶氧下降。 • 发酵中期（静止期），需氧量在有所减少，菌体和发酵液粘度均达到峰值；溶氧在较低水平维持一段时间后，开始上升，菌体进入次生代谢物合成期；

发酵后期，产物大量合成，呼吸强度比较稳定，溶氧增加，若此时补糖，可降低溶氧，否则，菌体衰老，菌体进入自溶阶段。发酵后期，产物大量合成，呼吸强度比较稳定，溶氧增加，若此时补糖，可降低溶氧，否则，菌体衰老，菌体进入自溶阶段。

发酵过程中有时会发生溶氧异常情况（异常下降或升高）发酵过程中有时会发生溶氧异常情况（异常下降或升高）异常下降原因可能有：污染好氧菌；或菌体向好氧代谢途径迁移，或供氧设备发生故障等。异常上升原因可能有：污染噬菌体，菌体完全被裂解；或菌体向厌氧代谢途径迁移。

3. 溶氧的控制 • 需氧方面：需氧量与菌体浓度，基质浓度和种类，培养条件有关。 • 供氧方面：提高氧的传递推动力和液相体积氧的传递系数速率；生产中常采用加大通气速率，或提高搅拌转速，或适当增加罐压；

通气可以供给大量的氧：通气量与菌种、培养基性质、培养阶段有关。通气可以供给大量的氧：通气量与菌种、培养基性质、培养阶段有关。 • 搅拌则能使新鲜氧气更好地与培养液混合，保证氧的最大限度溶解，并且搅拌有利于热交换，使培养液的温度一致，还有利于营养物质和代谢物的分散。 • 此外，挡板则有助于搅拌，发酵液为湍流状态，使其效果更好。

罐压方面，一般来说，若培养罐深，搅拌转速大，通气管开孔小或多，气泡在培养液内停留时间就长，氧的溶解速度就大，而且在这些因素确定下，培养基的粘度越小，氧的溶解速度也越大。罐压方面，一般来说，若培养罐深，搅拌转速大，通气管开孔小或多，气泡在培养液内停留时间就长，氧的溶解速度就大，而且在这些因素确定下，培养基的粘度越小，氧的溶解速度也越大。

作业 生物热的大小与哪些因素有关？温度对发酵有哪些影响？ pH对发酵的影响表现在哪些方面？ • 发酵过程的pH控制可以采取哪些措施？ • 发酵中泡沫形成的原因是什么？对消泡剂有哪些要求？ • 补料的优点与内容各有哪些？

思考题 • 为了确定发酵的最佳pH，我们该如何实验？ • 发酵过程温度的选择有什么依据？ • 常用的消泡剂有哪几类？ • 基质浓度对发酵有何影响？如何进行控制？ • 排气中二氧化碳控制的意义是什么？ • 发酵过程主要分析项目有哪些？

第六章 发酵过程控制