第 7 章 发 酵 工 艺 控 制 方 海 红 微 生 物 学 教 研 室
发 酵 工 艺 控 制 最 优 化 在 特 定 的 发 酵 生 产 过 程 中, 生 产 效 率 的 高 低 取 决 于 工 艺 和 工 艺 控 制 的 最 优 化, 即 能 否 实 现 生 产 过 程 内 的 最 优 化 控 制 生 产 过 程 最 优 化 控 制 的 实 现, 包 含 了 从 明 确 目 标 到 目 标 值 实 施 等 全 部 内 容
问 题 如 何 实 施 最 佳 工 艺? 实 施 最 佳 工 艺 就 是 通 过 优 化 管 理, 严 格 执 行 发 酵 工 艺, 将 发 酵 控 制 在 最 佳 状 态, 从 而 最 终 实 现 目 标 值, 达 到 最 大 的 比 产 物 生 成 速 率 要 实 现 最 佳 工 艺 必 须 对 诸 如 温 度 ph 溶 解 氧 浓 度 泡 沫 等 进 行 控 制 发 酵 工 艺 控 制 最 优 化 明 确 控 制 目 标 明 确 影 响 因 素 确 定 实 现 目 标 值 的 方 法 确 定 最 佳 工 艺 实 施 最 佳 工 艺
第 一 节 温 度 变 化 及 其 控 制 一 温 度 对 生 长 的 影 响 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 0~26 o C 生 长, 嗜 温 菌 适 应 于 15~43 o C 生 长, 嗜 热 菌 适 应 于 37~65 o C 生 长, 嗜 高 温 菌 适 应 于 65 o C 以 上 生 长
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 长 迅 速 ; 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 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, 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
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 最 低 温 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
二 微 生 物 与 温 度 相 关 性 的 原 理 1 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 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 液 晶 状 态, 只 有 当 细 胞 膜 处 于 液 晶 状 态, 才 能 维 持 细 胞 的 正 常 生 理 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 致
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 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 T1 表 示 ; 由 液 晶 态 转 变 为 液 态 的 温 度 称 为 清 亮 点, 以 T2 表 示 T1 与 T2 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 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, 而 嗜 冷 菌 含 有 较 高 的 不 饱 和 脂 肪 酸
2 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 构 完 整 性 和 催 化 功 能 :(1) 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 对 比 ;(2) 对 比 同 属 嗜 热 嗜 温 及 嗜 冷 菌 的 蛋 白 结 构 通 过 对 嗜 冷 酶 的 蛋 白 质 模 型 和 X 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 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
3 蛋 白 质 合 成 嗜 冷 菌 具 有 在 0 o C 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 低 温 的 适 应, 蛋 白 质 翻 译 的 错 误 率 最 低 许 多 中 温 菌 不 能 在 O o C 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 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 露
4 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 37 o C 突 然 转 移 到 10 o C 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 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 生 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 密 切 相 关 的
二 温 度 的 影 响 与 控 制 ( 一 ) 温 度 对 发 酵 的 影 响 1 温 度 对 微 生 物 细 胞 生 长 的 影 响 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 从 阿 累 尼 乌 斯 方 程 式 可 以 看 到 dlnk r /dt=e/rt 2 积 分 得 E= E 活 化 能 4.6 log K 1/ T 1 r2 / 1/ T K 2 r1 K r 速 率 常 数
K 4.6 log K E = 1 1 T T 1 2 r 2 r1 K 与 温 度 有 关 E 越 大 温 度 变 化 对 K 的 影 响 越 大
2. 温 度 对 产 物 形 成 的 影 响 温 度 对 细 菌 的 生 长 产 物 合 成 的 影 响 可 能 是 不 同 的 青 霉 素 12 o C~30 o C
3. 温 度 影 响 发 酵 液 的 物 理 性 质 温 度 还 可 以 通 过 改 变 发 酵 液 的 物 理 性 质, 间 接 影 响 微 生 物 的 生 物 合 成 如 : 温 度 对 氧 在 发 酵 液 中 的 溶 解 度 就 有 很 大 的 影 响
4 温 度 影 响 生 物 合 成 的 方 向 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 30 o C 时, 这 种 菌 合 成 金 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 35 o C 时, 金 霉 素 的 合 成 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 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
三 发 酵 过 程 引 起 温 度 变 化 的 因 素 ( 一 ) 发 酵 热 Q 发 酵 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 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 空 气 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 温 度 上 升 发 酵 热 大, 温 度 上 升 快, 发 酵 热 小, 温 度 上 升 慢 现 在 来 分 析 发 酵 热 产 生 和 散 失 的 各 因 素
1 生 物 热 Q 生 物 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 能 化 合 物 ( 如 ATP) 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 出 来 的 热 就 叫 生 物 热
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 一 摩 尔 葡 萄 糖 彻 底 氧 化 成 CO 2 和 水 好 氧 : 产 生 287.2 千 焦 耳 热 量, 183 千 焦 耳 转 变 为 高 能 化 合 物 104.2 千 焦 以 热 的 形 式 释 放 厌 氧 : 产 生 22.6 千 焦 耳 热 量, 9.6 千 焦 耳 转 变 为 高 能 化 合 物 13 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 63.7% 和 42.6%
培 养 过 程 中 生 物 热 的 产 生 具 有 强 烈 的 时 间 性 生 物 热 的 大 小 与 呼 吸 作 用 强 弱 有 关 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 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 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 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 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
2 搅 拌 热 Q 搅 拌 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 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 : Q 搅 拌 =P 860 4186.8( 焦 耳 / 小 时 ) P 搅 拌 轴 功 率 4186.8 机 械 能 转 变 为 热 能 的 热 功 当 量 电 机 功 率 P= 3EI cosφ E 额 定 电 压 I 额 定 电 流 cosφ 功 率 因 素,1 千 瓦 时 =860 4186.8 焦 耳
3 蒸 发 热 Q 蒸 发 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 叫 显 热 Q 显 热, 显 热 很 小, 一 般 可 以 忽 略 不 计 4 辐 射 热 Q 辐 射 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 境 的 温 差 冬 天 大 一 些, 夏 天 小 一 些, 一 般 不 超 过 发 酵 热 的 5% Q 发 酵 =Q 生 物 +Q 搅 拌 -Q 蒸 发 -Q 辐 射
( 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 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 小 时 冷 却 水 流 量 来 计 算 发 酵 热 Q 发 酵 =GC m (T 出 -T 进 ) C m 水 的 比 热 G 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 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 热
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 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 应 物 的 燃 烧 热 总 和 减 去 生 成 物 的 燃 烧 热 的 总 和 ΔH= ( H) 反 应 物 - ( H) 产 物 如 谷 氨 酸 发 酵 中 主 要 物 质 的 燃 烧 热 为 : 葡 萄 糖 159555.9KJ/Kg 谷 氨 酸 15449.3KJ/Kg 玉 米 浆 12309.2KJ/Kg 菌 体 20934KJ/Kg 尿 素 10634.5KJ/Kg
发 酵 时 间 (h) 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 50M 3 发 酵 罐 发 酵 过 程 测 定 结 果 的 主 要 物 质 变 化 如 表 : 0~6 6~12 12~18 18~31 糖 -37-30.3-24.0-41.7 谷 氨 酸 5.9 15.4 23.9 尿 素 -2.9-6.0 菌 体 4.8 6.0 1.2 玉 米 浆 -2.4-3.0-0.6
发 酵 12~18 小 时 的 生 物 热 为 : Q 生 物 =24 159555.9+0.6 12309.2+6 10634.5-1.2 20934-15.4 15449.3=191098.1KJ/M 3 191098.1 6=31849.7 每 小 时 的 生 物 热 为 31849.7KJ/M 3
四 最 适 温 度 的 选 择 1 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 求 的 温 度 范 围 也 不 同 如 黑 曲 霉 生 长 温 度 为 37 o C, 谷 氨 酸 产 生 菌 棒 状 杆 菌 的 生 长 温 度 为 30~32 o C, 青 霉 菌 生 长 温 度 为 30 o C
根 据 生 长 阶 段 选 择 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, 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 而 提 高 产 量, 因 此 中 期 温 度 要 稍 低 一 些, 可 以 延 緩 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 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 提 高 温 度, 刺 激 产 物 合 成 到 放 罐 如 四 环 素 生 长 阶 段 28 o C, 合 成 期 26 o C 后 期 再 升 温 ; 黑 曲 霉 生 长 37 o C, 产 糖 化 酶 32~ 34 o C 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 30~32 o C, 产 酸 34~37 o C 最 适 温 度 选 择 要 根 据 菌 种 与 发 酵 阶 段 做 试 验
根 据 生 长 阶 段 选 择 温 度 例 : 林 可 霉 素 发 酵 的 变 温 培 养 问 题 的 提 出 接 种 后 10h 左 右 已 进 入 对 数 生 长 期, 随 后 是 10h 左 右 的 加 速 生 长 期, 在 40h 左 右 对 数 生 长 期 基 本 完 成, 在 50h 左 右 转 入 生 产 期 主 要 问 题 : 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 当 数 量 的 有 强 生 产 能 力 的 菌 丝 体 存 在
变 温 培 养 的 正 交 设 计
结 论 : 前 60h 按 31 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 累, 为 大 量 分 泌 抗 生 素 提 供 了 物 质 基 础 60 小 时 后 将 罐 温 降 至 3O 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 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 31 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
2 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 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 培 养 基 稀 薄 时, 温 度 也 该 低 些 因 为 温 度 高 营 养 利 用 快, 会 使 菌 过 早 自 溶
3 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 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, 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 条 件 综 合 考 虑 要 通 过 反 复 实 践 来 定 出 最 适 温 度
五 利 用 温 度 控 制 提 高 产 量 例 1 利 用 热 冲 击 处 理 技 术 提 高 发 酵 甘 油 的 产 量 背 景 : (1) 酵 母 在 比 常 规 发 酵 温 度 髙 10~20 0 C 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 (2)Lewis 发 现 热 冲 击 能 提 高 细 胞 对 盐 渗 透 压 的 耐 受 力 (3)Toshiro 发 现 热 冲 击 可 使 胞 内 3- 磷 酸 甘 油 脱 氢 酶 的 活 力 提 高 15~25%, 并 导 致 甘 油 产 量 提 高
实 验 : 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 正 交 条 件 A 冲 击 温 度 ( 0 C) 40,45,50 B 开 始 时 机 (h) 8,16,30 C 冲 击 时 间 ( 分 ) 15,30,60 结 果 发 酵 16 小 时,45 0 C 冲 击 60 分 钟 最 佳, 发 酵 96 小 时 后 甘 油 浓 度 提 高 32.6%, 发 酵 罐 实 验 见 图 (A)16h,45 0 C,30min (B)12h,45 0 C,30min
A 温 度 ;B 开 始 时 机 ;C 冲 击 时 间
A 比 B 好
例 2 重 组 大 肠 杆 菌 人 Cu/Zn-SOD 的 高 表 达 Lac 启 动 子, 用 乳 糖 作 诱 导 剂 27 0 C 30 0 C 34 0 C 37 0 C SOD 4966 14270 6590 4638 比 活 810 1471 679 526 蛋 白 6.129 9.70 9.79 11.88 OD 7.41 600 10.72 11.78 24.77
原 因 : 1 乳 糖 被 用 于 合 成 菌 体 和 其 它 蛋 白, 减 少 了 合 成 SOD 的 原 料, 随 着 温 度 升 高, 蛋 白 和 菌 浓 都 增 加 2 高 温 下 可 能 SOD 降 解 速 率 增 加, 杂 蛋 白 增 加 3 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
小 结 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 的 生 长 温 度 与 细 胞 膜 的 液 晶 温 度 范 围 相 一 致 微 生 物 对 温 度 的 要 求 与 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 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
温 度 对 发 酵 的 影 响 : 温 度 影 响 反 应 速 率 选 择 温 度 影 响 发 酵 方 向 最 适 温 度 的 根 据 菌 种 生 长 阶 段 选 择 根 据 培 养 条 件 选 择 菌 种 的 生 长 情 况
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 Q 发 酵 =Q 生 物 +Q 搅 拌 -Q 蒸 发 -Q 辐 射 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 关 搅 拌 热 与 搅 拌 功 率 有 关 发 酵 热 测 定 : 冷 却 容 量 燃 烧 热
思 考 题 1 发 酵 热 的 定 义 2 生 物 热 的 大 小 与 哪 些 因 素 有 关? 3 温 度 对 发 酵 有 哪 些 影 响? 4 发 酵 过 程 温 度 的 选 择 有 什 么 依 据?
第 二 节 ph 对 发 酵 的 影 响 及 控 制 ph 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 发 酵 过 程 中 ph 是 不 断 变 化 的, 通 过 观 察 ph 变 化 规 律 可 以 了 解 发 酵 的 正 常 与 否
大 多 数 微 生 物 生 长 都 有 最 适 ph 范 围 细 菌 :6.3~7.5 霉 菌 和 酵 母 :3~6 放 线 菌 :7~8 微 生 物 生 长 最 适 ph 与 产 物 积 累 最 适 ph 不 一 定 一 致 例 如 : 链 霉 素 生 长 最 适 ph:6.3~6.9 形 成 产 物 最 适 ph:6.7~7.3
例 如 : 生 产 利 福 霉 素 的 地 中 海 诺 卡 菌 进 行 发 酵 研 究,pH 为 6.0,6.8,7.5 三 个 出 发 值, 结 果 发 现 ph 为 6.8,7.5 时, 最 终 发 酵 液 的 ph 都 达 到 7.5 左 右, 菌 丝 生 长 和 发 酵 单 位 都 达 到 正 常 水 平 ;ph 为 6.0 时, 发 酵 中 期 的 ph 只 有 4.5, 菌 浓 仅 为 20%, 发 酵 单 位 为 零 这 说 明 菌 体 仅 有 一 定 的 自 调 能 力
发 酵 过 程 ph 值 变 化 的 规 律 性 生 长 阶 段 ph 有 上 升 或 下 降 的 趋 势 生 产 阶 段 ph 趋 于 稳 定, 维 持 在 最 适 合 产 物 合 成 的 范 围 菌 体 自 溶 阶 段 ph 上 升, 代 谢 终 止
一 发 酵 过 程 ph 变 化 的 原 因 1 基 质 代 谢 (1) 糖 代 谢 特 别 是 快 速 利 用 的 糖, 分 解 成 小 分 子 酸 醇, 使 ph 下 降 糖 缺 乏,pH 上 升, 是 补 料 的 标 志 之 一 (2) 氮 代 谢 当 氨 基 酸 中 的 -NH 2 被 利 用 后 ph 会 下 降 ; 尿 素 被 分 解 成 NH 3,pH 上 升,NH 3 利 用 后 ph 下 降, 当 碳 源 不 足 时 氮 源 当 碳 源 利 用 ph 上 升 (3) 生 理 酸 碱 性 物 质 利 用 后 ph 会 上 升 或 下 降
生 理 碱 性 物 质 有 机 氮 源 和 某 些 无 机 氮 源 的 代 谢 玉 米 浆 中 的 乳 酸 被 氧 化 后 可 使 ph 上 升, 这 些 物 质 被 称 为 生 理 碱 性 物 质 生 理 酸 性 物 质 碳 源 的 代 谢, 如 糖 类 不 完 全 氧 化 时 产 生 的 有 机 酸, 脂 肪 不 完 全 氧 化 产 生 的 脂 肪 酸, 或 者 某 些 铵 盐 氧 化 后 产 生 的 硫 酸 等, 可 使 ph 下 降, 这 些 物 质 被 称 为 生 理 酸 性 物 质
2 产 物 形 成 某 些 产 物 本 身 呈 酸 性 或 碱 性, 使 发 酵 液 ph 变 化 如 有 机 酸 类 产 生 使 ph 下 降, 红 霉 素 洁 霉 素 螺 旋 霉 素 等 抗 生 素 呈 碱 性, 使 ph 上 升 3 菌 体 自 溶,pH 上 升, 发 酵 后 期,pH 上 升
二 ph 对 发 酵 的 影 响 1 实 例 例 ph 对 林 可 霉 素 发 酵 的 影 响 林 可 霉 素 发 酵 开 始, 葡 萄 糖 转 化 为 有 机 酸 类 中 间 产 物, 发 酵 液 ph 下 降, 待 有 机 酸 被 生 产 菌 利 用,pH 上 升 若 不 及 时 补 糖 (NH 4 ) 2 SO 4 或 酸, 发 酵 液 ph 可 迅 速 升 到 8.0 以 上, 阻 碍 或 抑 制 某 些 酶 系, 使 林 可 霉 素 增 长 缓 慢, 甚 至 停 止 对 照 罐 发 酵 66 小 时 ph 达 7.93, 以 后 维 持 在 8.0 以 上 至 115 小 时, 菌 丝 浓 度 降 低,NH 2 -N 升 高, 发 酵 不 再 继 续 发 酵 15 小 时 左 右,pH 值 可 以 从 消 后 的 6.5 左 右 下 降 到 5.3, 调 节 这 一 段 的 ph 值 至 7.0 左 右, 以 后 自 控 ph, 可 提 高 发 酵 单 位
ph 7.0 ph 效 价 t 不 调 ph 调 ph
例 : 培 养 基 初 始 ph 值 对 漆 酶 分 泌 的 影 响 ph 在 4~7 范 围 内 产 酶 最 高
2 ph 对 发 酵 的 影 响 (1)pH 影 响 酶 的 活 性 当 ph 值 抑 制 菌 体 某 些 酶 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 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 (3)pH 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
(4)pH 影 响 代 谢 方 向 ph 不 同, 往 往 引 起 菌 体 代 谢 过 程 不 同, 使 代 谢 产 物 的 质 量 和 比 例 发 生 改 变 例 如 黑 曲 霉 在 ph2~3 时 发 酵 产 生 柠 檬 酸, 在 ph 近 中 性 时, 则 产 生 草 酸 谷 氨 酸 发 酵, 在 中 性 和 微 碱 性 条 件 下 积 累 谷 氨 酸, 在 酸 性 条 件 下 则 容 易 形 成 谷 氨 酰 胺 和 N- 乙 酰 谷 氨 酰 胺
3 ph 在 微 生 物 培 养 的 不 同 阶 段 有 不 同 的 影 响 X 生 长 合 成 四 环 素 ph ph 对 菌 体 生 长 影 响 比 产 物 合 成 影 响 小 例 青 霉 素 : 菌 体 生 长 最 适 ph3.5~6.0, 产 物 合 成 最 适 ph7.2~7.4 四 环 素 : 菌 体 生 长 最 适 ph6.0~6.8, 产 物 合 成 最 适 ph5.8~6.0
4 最 佳 ph 的 确 定 配 制 不 同 初 始 ph 的 培 养 基, 摇 瓶 考 察 发 酵 情 况 ph 对 产 海 藻 酸 裂 解 酶 的 影 响
发 酵 过 程 的 ph 控 制 ph 对 海 藻 糖 水 解 酶 产 生 的 影 响 ph 菌 浓 ph 酶 活
ph 对 谷 氨 酰 胺 转 氨 酶 活 力 的 影 响
ph 对 热 凝 胶 生 产 的 影 响 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 10 h 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 在 菌 体 生 长 期,DO 直 线 下 降, 培 养 液 中 的 ph 也 迅 速 下 降 10 h 左 右, 菌 体 质 量 浓 度 达 到 最 大 值,DO 和 ph 降 至 最 低 点 (5.4~5.6), 菌 体 生 长 结 束 此 后 进 入 热 凝 胶 合 成 期 试 验 两 阶 段 的 最 适 ph, 见 表
稳 定 期 随 着 ph 降 低, 糖 耗 速 率 增 加, 生 物 量 增 加, 但 产 物 合 成 速 率 在 ph5.6 时 达 到 最 高 说 明 当 ph 小 于 5.6 以 后 微 生 物 消 耗 的 糖 并 非 用 于 合 成 热 凝 胶, 而 是 合 成 菌 体
微 生 物 生 长 最 适 ph 和 产 物 最 适 ph 相 互 关 系 存 在 四 种 情 况 : μ: 菌 体 的 比 生 长 速 率 Qp: 产 物 的 比 生 产 速 率
三 ph 的 控 制 1 调 节 好 基 础 料 的 ph 基 础 料 中 若 含 有 玉 米 浆,pH 呈 酸 性, 必 须 调 节 ph 若 要 控 制 消 后 ph 在 6.0, 消 前 ph 往 往 要 调 到 6.5~6.8 2 在 基 础 料 中 加 入 维 持 ph 的 物 质, 如 CaCO 3, 或 具 有 缓 冲 能 力 的 试 剂, 如 磷 酸 缓 冲 液 等 3 通 过 补 料 调 节 ph
在 发 酵 过 程 中 根 据 糖 氮 消 耗 需 要 进 行 补 料 在 补 料 与 调 ph 没 有 矛 盾 时 采 用 补 料 调 ph 如 (1) 调 节 补 糖 速 率, 调 节 空 气 流 量 来 调 节 ph (2) 当 NH 2 -N 低,pH 低 时 补 氨 水 ; 当 NH 2 -N 低,pH 高 时 补 (NH 4 ) 2 SO 4 4 当 补 料 与 调 ph 发 生 矛 盾 时, 加 酸 碱 调 ph
天 冬 酰 胺 酶 5 不 同 调 ph 方 法 的 影 响 分 别 在 4 种 缓 冲 介 质 中, 于 ph 6.50 一 9.50 测 定 天 冬 酰 胺 酶 酶 活 力. 1 甘 氨 酸 介 质 ph 8.00 时 酶 活 力 最 高 ; 2 硼 酸 在 ph 8.50, 酶 反 应 最 快 3 磷 酸 在 ph 8.50, 酶 反 应 最 快 4 Tris 在 ph 8.50, 酶 反 应 最 快 酶 活 1>2>4>3
异 亮 氨 酸 发 酵 不 同 ph 控 制 方 式 对 目 的 突 变 株 ISw330 异 亮 氨 酸 摇 瓶 发 酵 的 影 响, 结 果 如 图 所 示 1 表 示 只 加 CaC0 3 控 制 ph 值, 2 表 示 只 加 尿 素 控 制, 3 表 示 CaC0 3 和 尿 素 联 合 控 制 ph 值
6 发 酵 的 不 同 阶 段 采 取 不 同 的 ph 值 例 :ph 对 L- 异 亮 氨 酸 发 酵 的 影 响 ( 天 津 科 技 大 学 ) 菌 株 最 适 生 长 ph 控 制 在 6.8~7.0
不 同 ph 值 对 菌 体 的 形 态 影 响 很 大, 当 ph 值 高 于 7.5 时, 菌 体 易 于 老 化, 呈 现 球 状 ; 当 ph 值 低 于 6.5 时 菌 体 同 样 受 抑 制, 易 于 老 化 而 在 7.2 左 右 时, 菌 体 是 处 于 产 酸 期, 呈 现 长 的 椭 圆 形 ; 在 6.9 左 右 时, 菌 体 处 于 生 长 期, 呈 八 字 形 状 并 占 有 绝 对 的 优 势
ph6.9 时, 菌 体 生 长 旺 盛,pH7.15 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 ph 控 制 模 式 进 行 发 酵, 在 发 酵 中 前 期 控 制 ph6.9, 到 48h 后 ph 值 为 7.15, 到 80h 后 ph 值 为 7.25 产 率 22.27g/L, 产 酸 率 提 高 12.23%
例 : 克 拉 维 酸 发 酵 中 ph 变 换 控 制 问 题 的 提 出 : 在 ph 低 时 菌 体 生 长 受 抑 制, 在 高 ph 时 克 拉 维 酸 要 分 解 用 2.5 升 罐 进 行 的 不 控 制 ph 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 ph 降 至 6.5 在 达 到 最 高 细 胞 浓 度 后,pH 开 始 从 6.5 升 至 8.3 CA 产 量 达 最 高 水 平 时,pH 不 再 升 高 在 发 酵 终 止 时,pH 再 次 升 至 8.5 随 着 ph 升 高,CA 迅 速 分 解
研 究 不 同 ph 对 发 酵 的 影 响 分 别 配 置 ph 为 6.0,7.0,8.0 的 培 养 基 测 定 菌 的 生 长 和 产 物 合 成 ph6.0 时, 生 长 受 抑 制, 产 物 降 解 少
ph7.0 时 的 状 况 ph8.0 时 生 长 良 好 产 量 低, 产 物 降 解
控 制 ph7.0 和 8.0 时, 最 高 细 胞 浓 度 接 近 相 同 ( 约 16%PMV), 但 控 制 ph6.0 时 细 胞 生 长 受 抑 制 在 2.5 升 生 物 反 应 器 内, 不 控 制 ph 时 2.47μg/(mL h ) 控 制 ph7.0 时 的 产 率 3.37μg/(mL h) 最 高 控 制 ph8.0 时, 产 率 2.02μg/(mL h) 在 控 制 ph6.0 时,CA 产 生 被 抑 制, 但 降 解 少 因 此 对 细 胞 生 长 和 CA 产 生 最 好 将 ph 控 制 于 7.0, 但 在 控 制 ph7.0 时, 仍 出 现 CA 的 迅 速 分 解
发 酵 过 程 的 ph 控 制 由 于 CA 生 产 的 最 适 ph 和 减 少 CA 分 解 的 ph 各 不 相 同, 因 此 在 分 批 发 酵 中 应 用 了 ph 变 换 策 略, 使 发 酵 ph 由 中 性 ph7.0 变 换 为 酸 性 ph6.0 在 发 酵 前 期, 在 细 胞 生 长 和 产 生 CA 期 间 控 制 ph7.0,4d 后, 当 CA 产 量 达 最 高 值 时, 变 换 ph 为 6.0, 以 减 少 CA 分 解 最 高 CA 浓 度 可 保 持 24h 由 于 改 变 ph, 使 CA 分 解 速 率 明 显 降 低
ph 值 调 节 和 控 制 的 方 法 ph 控 制 是 一 项 非 常 细 致 的 工 作, 不 仅 考 虑 最 佳 ph 值, 而 且 要 根 据 生 长 阶 段 考 察 对 ph 的 要 求 在 ph 控 制 中 还 要 采 用 合 适 的 调 节 方 法 在 实 际 生 产 中, 调 节 和 控 制 发 酵 液 PH 值 的 方 法 应 根 据 具 体 情 况 加 以 选 择 PH 值 调 节 和 控 制 的 方 法 主 要 有 : 1 调 节 培 养 基 的 原 始 ph 值, 或 加 缓 冲 溶 液 ( 如 磷 酸 盐 ) 制 成 缓 冲 能 力 强 ph 值 变 化 不 大 的 培 养 基, 或 使 盐 类 和 碳 源 的 配 比 平 衡 2 可 在 发 酵 过 程 中 加 入 弱 酸 或 弱 碱 进 行 ph 值 的 调 节, 进 而 合 理 地 控 制 发 酵 条 件 ; 也 可 通 过 调 整 通 风 量 控 制 ph 值
3 采 用 生 理 酸 性 铵 盐 作 为 氮 源 时, 由 于 NH + 4 被 微 生 物 细 胞 利 用 后, 剩 下 的 酸 根 会 引 起 发 酵 液 ph 值 的 下 降, 在 培 养 液 中 可 加 入 碳 酸 钙 来 调 节 ph 值 但 是 需 要 注 意 的 是, 碳 酸 钙 的 加 入 量 一 般 都 很 大, 在 操 作 上 很 容 易 引 起 染 菌 因 此, 此 方 法 在 发 酵 过 程 中 应 用 不 是 太 广 4 在 发 酵 过 程 中 根 据 ph 值 的 变 化 可 用 加 氨 水 的 方 法 来 调 节, 同 时 又 可 把 氨 水 作 为 氮 源 供 给 由 于 氨 水 作 用 快, 对 发 酵 液 的 ph 值 波 动 影 响 大, 应 采 用 少 量 多 次 的 流 加 方 法 进 行 流 加, 以 免 造 成 ph 值 过 高, 从 而 抑 制 微 生 物 细 胞 的 生 长, 或 ph 值 过 低,NH + 4 不 足 等 现 象 具 体 的 流 加 方 法 应 根 据 微 生 物 的 特 性 发 酵 过 程 的 菌 体 生 长 情 况 耗 糖 情 况 等 来 决 定, 一 般 控 制 在 ph 值 7.0-8.0, 最 好 是 采 用 自 动 控 制 连 续 流 加 方 法
5 如 果 仅 用 酸 或 碱 调 节 ph 值 不 能 改 善 发 酵 情 况 时, 进 行 补 料 是 一 个 较 好 的 办 法, 它 既 调 节 了 培 养 液 的 ph 值, 又 可 补 充 营 养, 增 加 培 养 液 的 浓 度 和 减 少 阻 遏 作 用, 进 一 步 提 高 发 酵 产 物 的 产 率 通 过 补 料 调 节 ph 值 来 提 高 发 酵 产 率 的 方 法 已 在 工 业 发 酵 过 程 中 取 得 了 明 显 的 效 果
6 以 尿 素 作 为 氮 源 进 行 流 加 调 节 ph 值, 是 目 前 国 内 味 精 厂 普 遍 采 用 的 方 法 尿 素 流 加 引 起 的 PH 值 变 化 有 一 定 的 规 律 性, 易 于 控 制 操 作 由 于 通 风 搅 拌 和 微 生 物 细 胞 内 脲 酶 的 作 用 使 尿 素 分 解 放 出 氨, 使 ph 值 上 升 ; 同 时 氨 和 培 养 基 中 的 营 养 成 分 被 微 生 物 利 用 后 和 补 充 氮 源 当 流 加 尿 素 后, 尿 素 被 微 生 物 的 脲 酶 分 解 放 出 氨, 使 ph 值 上 升, 氨 被 微 生 物 利 用 和 形 成 代 谢 产 物, 使 ph 值 降 低, 再 次 反 复 进 行 流 加 就 可 维 持 一 定 的 ph 值 流 加 时 除 主 要 根 据 ph 值 的 变 化 外, 还 应 考 虑 到 微 生 物 细 胞 的 生 长 发 酵 过 程 耗 糖 代 谢 等 不 同 的 阶 段 采 取 少 量 多 次 流 加, 以 控 制 合 适 的 发 酵 ph 值 目 前 已 有 适 合 于 发 酵 过 程 ph 值 的 测 量 的 电 极, 连 续 测 量 并 记 录 ph 值 的 变 化, 用 于 控 制 和 监 测 发 酵 ph 值
小 结 发 酵 过 程 ph 会 发 生 变 化 变 化 原 因 基 质 代 谢 产 物 形 成 菌 体 自 溶
对 发 酵 的 影 响 ph ph 影 响 酶 的 活 性 ph 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 解 离 ph 影 响 代 谢 方 向 ph 在 微 生 物 培 养 的 不 同 阶 段 有 不 同 的 影 响
ph 的 控 制 方 式 基 础 培 养 基 调 节 ph 在 基 础 料 中 加 入 维 持 ph 的 物 质 通 过 补 料 调 节 ph 当 补 料 与 调 ph 发 生 矛 盾 时, 加 酸 碱 调 ph 选 择 合 适 的 ph 调 节 剂 发 酵 的 不 同 阶 段 采 取 不 同 的 ph 值
发 酵 过 程 的 ph 控 制 思 考 题 1. 发 酵 过 程 中 ph 会 不 会 发 生 变 化 为 什 么? 2. ph 对 发 酵 的 影 响 表 现 在 哪 些 方 面? 3. 为 了 确 定 发 酵 的 最 佳 ph, 我 们 该 如 何 实 验? 4. 发 酵 过 程 的 ph 控 制 可 以 采 取 哪 些 措 施?
第 三 节 氧 对 发 酵 的 影 响
溶 氧 (DO) 是 需 氧 微 生 物 生 长 所 必 需 在 发 酵 过 程 中 有 多 方 面 的 限 制 因 素, 而 溶 氧 往 往 是 最 易 成 为 控 制 因 素 即 使 培 养 基 被 空 气 饱 和, 它 所 贮 存 的 氧 量 仍 然 是 很 少 的, 在 发 酵 旺 盛 时 期, 一 般 只 能 维 持 正 常 呼 吸 15~30s
氧 是 一 种 难 于 溶 于 水 的 气 体
生 物 氧 化 中 氧 吸 收 的 效 率 多 数 低 于 2%, 通 常 情 况 下 常 常 低 于 1% 通 入 发 酵 罐 约 99% 的 无 菌 空 气 被 白 白 浪 费 掉 而 且 大 量 无 用 空 气 是 引 起 多 泡 沫 的 因 素
( 一 ) 氧 的 传 递 1 氧 传 递 的 各 种 阻 力 氧 气 从 气 泡 传 递 至 细 胞 内, 需 要 克 服 一 系 列 阻 力 供 氧 方 面 的 阻 力 耗 氧 方 面 的 阻 力
1 K t = 1 K G + 1 K I + 1 K L + 1 K LB + 1 K LC + 1 K IS + 1 K A + 1 K W + 1 K R 1/K G --- 气 相 主 体 到 气 液 界 面 的 气 膜 传 递 阻 力 1/K I --- 气 液 界 面 的 传 递 阻 力 1/K L --- 从 气 液 界 面 通 过 液 膜 的 传 递 阻 力 1/K LB --- 液 相 主 体 的 传 递 阻 力 1/K LC --- 细 胞 或 细 胞 团 表 面 的 传 递 阻 力 1/K IS --- 固 液 界 面 的 传 递 阻 力 1/K A --- 细 胞 团 内 的 传 递 阻 力 1/K W --- 细 胞 壁 的 阻 力 1/K R --- 反 应 阻 力
2 氧 的 传 递 方 程 式 : OTR=K L a(c * -C L ) OTR 单 位 体 积 培 养 液 中 的 氧 传 递 速 率 [mol/(m 3 s) a- 比 表 面 积 (m 2 /m 3 ) K L - 以 氧 浓 度 为 推 动 力 的 总 传 递 系 数 (m/s) C * - 与 气 体 主 体 氧 分 压 平 衡 的 液 相 氧 浓 度 ( mol/m 3 ) C L - 液 相 主 体 氧 浓 度 (mol/m 3 )
容 积 传 递 系 数 --K L a 可 用 于 测 定 发 酵 罐 的 通 气 能 力, 在 实 验 条 件 下 K L a 越 大 则 说 明 系 统 的 通 气 能 力 越 强
稳 定 状 态 时 K L a C C = c Q O C 2 L C c 菌 体 细 胞 的 浓 度 (g/l) Q O 2 微 生 物 的 呼 吸 强 度 [mol/(k g s)] C*-C L 推 动 力
( 二 ) 影 响 微 生 物 对 氧 需 求 的 因 素 微 生 物 的 耗 氧 速 度 常 用 单 位 质 量 的 细 胞 ( 干 重 ) 在 单 位 时 间 内 消 耗 氧 的 量, 即 比 耗 氧 速 率 ( 或 呼 吸 强 度 ) 来 表 示
C = (Q ) L O2 O m K + 0 Q 2 C Q 比 耗 氧 速 率 ( 或 呼 吸 强 度 ) O 2 [mol/(k g s)] ( Q ) O 2 m 最 大 比 耗 氧 速 率 [mol/(k g s)] k 0 氧 的 米 氏 常 数 (mol/m 3 ) L C L 溶 解 氧 浓 度 (mol/m3)
摄 氧 率 : 单 位 体 积 培 养 液, 在 单 位 时 间 内 消 耗 的 氧 量 r=q O2 X r 摄 氧 率 [mol/(k g s)] X 细 胞 浓 度 (kg/m 3 )
各 种 微 生 物 的 呼 吸 强 度 是 不 同 的, 并 且 呼 吸 强 度 是 随 着 培 养 液 中 溶 解 氧 浓 度 的 增 加 而 加 强, 直 至 达 到 一 个 临 界 值 为 止 这 个 临 界 值 称 为 临 界 氧 浓 度 (C Cr ) 临 界 氧 浓 度 (C Cr ): 一 般 指 不 影 响 菌 体 呼 吸 所 允 许 的 最 低 氧 浓 度 一 般 对 于 微 生 物 : C Cr: =1~25% 饱 和 浓 度
1 培 养 液 的 摄 氧 率 : 细 胞 浓 度 直 接 影 响, 在 分 批 发 酵 过 程 中, 在 对 数 生 长 期 的 后 期 达 到 峰 值
2 摄 氧 率 : 培 养 基 的 成 分 和 浓 度 显 著 影 响
微 生 物 呼 吸 强 度 的 临 界 值 还 与 一 些 培 养 条 件 如 PH 值 温 度 有 关
有 时 溶 解 氧 浓 度 对 细 胞 生 长 和 产 物 生 成 的 影 响 可 能 是 不 同 的, 即 对 于 细 胞 生 长 的 最 佳 氧 浓 度, 不 一 定 就 是 形 成 产 物 的 最 佳 氧 浓 度 溶 解 氧 浓 度 与 临 界 氧 浓 度 之 比 称 为 氧 的 满 足 度
溶 氧 对 黄 色 短 杆 菌 生 产 各 种 氨 基 酸 的 影 响
( 三 ) 影 响 供 氧 的 因 素 OTR=K L a(c * -C L ) 推 动 力 容 积 传 递 系 数 发 酵 罐 高 度 发 酵 液 体 积 及 物 理 性 质
氧 对 发 酵 的 影 响 调 节 Kla 是 最 常 用 的 方 法, Kla 反 映 了 设 备 的 供 氧 能 力 不 同 的 设 备 供 氧 能 力 不 一 样 45 升 1 吨 10 吨 搅 拌 速 度 250 rpm 120 120 供 氧 速 率 7.6 10.7 20.1
氧 对 发 酵 的 影 响 影 响 Kla 的 因 素 A 影 响 摇 瓶 Kla 的 因 素 装 液 量 和 摇 瓶 机 摇 瓶 机 往 复, 频 率 80-120 分 / 次, 振 幅 8cm 旋 转, 偏 心 距 25 12, 转 述 250rpm
氧 对 发 酵 的 影 响 装 液 量, 一 般 取 1/10 左 右 : 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml 例 : 500 ml 摇 瓶 中 生 产 蛋 白 酶, 考 察 装 液 量 对 酶 活 的 影 响 装 液 量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶 活 力 713 734 253 92
氧 对 发 酵 的 影 响 B 影 响 发 酵 罐 中 Kla 的 因 素 1 搅 拌 2 空 气 流 量 3 培 养 液 性 质 4 微 生 物 的 生 长 5 消 泡 剂 6 离 子 强 度
氧 对 发 酵 的 影 响
氧 对 发 酵 的 影 响 小 型 发 酵 罐 和 大 型 发 酵 罐 调 节 Kla 的 特 点 小 型 发 酵 罐, 转 速 可 调 大 型 发 酵 罐, 转 速 往 往 不 可 调 大 型 反 应 器 的 合 理 设 计 对 现 有 设 备 一 定 要 注 意 工 艺 配 套
1 影 响 K L a 的 因 素 (1) 搅 拌 搅 拌 器 : 可 将 通 入 培 养 液 的 空 气 打 散 成 细 小 的 气 泡 ; 使 液 体 形 成 涡 流 延 长 气 泡 在 液 体 中 的 停 留 时 间 ; 增 加 液 体 的 湍 动 程 度 减 少 气 泡 外 滞 流 液 膜 的 厚 度 ; 使 培 养 液 中 的 成 分 均 匀 分 布
K l a=k(p G /V) a w β s K- 常 数 P G - 搅 拌 功 率 V- 培 养 液 体 积 w s - 通 气 的 表 观 线 速 度 α β- 发 酵 罐 体 积 搅 拌 器 形 状 和 结 构 有 关
不 同 形 式 搅 拌 器 的 α 和 β 值 搅 拌 器 形 式 α β 六 平 叶 涡 轮 0.933 0.488 六 弯 叶 涡 轮 1.00 0.713 六 箭 叶 涡 轮 0.755 0.578
从 搅 拌 程 度 来 说, 以 平 叶 涡 轮 最 为 激 烈, 功 率 消 耗 也 最 大, 弯 叶 次 之, 箭 叶 最 小
搅 拌 功 率 液 不 是 越 大 越 好, 因 为 过 于 激 烈 的 搅 拌, 产 生 很 大 的 剪 切 力, 可 能 对 细 胞 造 成 损 伤 ; 产 生 大 量 的 搅 拌 热
一 般 带 搅 拌 器 的 发 酵 罐 中, 都 装 有 4~6 块 挡 板, 或 以 蛇 管 兼 做 档 板 档 板 能 使 液 体 形 成 轴 向 运 动, 因 此 提 高 了 混 合 效 果
(2) 空 气 流 量 K L a 值 随 着 空 气 流 量 的 增 加 而 增 加, 但 并 非 没 有 限 度 如 果 超 过 这 一 限 度, 搅 拌 器 就 不 能 有 效 地 将 空 气 泡 分 散 到 液 体 中, 而 在 大 量 空 气 泡 中 空 转, 发 生 过 载 现 象
(3) 培 养 液 性 质 的 影 响 培 养 液 的 密 度 黏 度 表 面 张 力 扩 散 系 数 等 影 响 K La 例 : 液 体 的 黏 度 增 大 时, 由 于 滞 流 液 膜 厚 度 增 加, 传 质 阻 力 就 增 大, 同 时 黏 度 也 影 响 扩 散 系 数, 致 使 通 气 效 率 降 低
(4) 微 生 物 生 长 的 影 响
发 酵 液 中 细 胞 浓 度 的 增 加,K L a 值 逐 渐 变 小 菌 丝 体 的 形 态 不 同 也 明 显 影 响 K L a 值 例 如 : 球 状 菌 悬 液 的 K L a 值 是 相 同 浓 度 丝 状 菌 悬 液 的 2 倍
(5) 消 沫 剂 的 影 响 消 沫 剂 分 布 在 气 液 界 面, 增 大 传 递 阻 力, 使 K L 下 降
(6) 离 子 强 度 的 影 响 电 解 质 溶 液 中 生 成 的 气 泡 比 在 水 中 的 要 小 的 多,a 较 大 在 同 样 条 件 下, 电 解 质 溶 液 的 K L a 值 比 水 中 的 大 并 且 随 着 电 解 质 浓 度 的 增 加, K L a 值 也 有 较 大 的 增 加
2 影 响 推 动 力 的 因 素 OTR=K L a(c * -C L ) 提 高 推 动 力 实 际 上 是 增 加 氧 的 饱 和 度 C* 在 水 中, 氧 的 溶 解 度 随 温 度 的 升 高 而 降 低 ; 在 溶 液 中, 氧 的 溶 解 度 随 溶 质 浓 度 的 增 加 而 下 降 ;
提 高 发 酵 罐 罐 压 ; 提 高 空 气 中 的 氧 分 压 富 氧 通 气 用 纯 氧 来 增 加 氧 分 压 的 方 法, 如 深 冷 分 离 法, 吸 附 分 离 法, 膜 分 离 法
小 结 : 理 解 氧 传 递 的 各 种 阻 力 掌 握 氧 的 传 递 方 程 式 :OTR=K L a(c * -C L ) 掌 握 比 耗 氧 速 率 摄 氧 率 临 界 氧 浓 度 (C Cr ) 等 概 念 熟 悉 影 响 供 氧 的 因 素 影 响 发 酵 罐 中 Kla 的 因 素 影 响 推 动 力 的 因 素
第 四 节 CO 2 对 发 酵 的 影 响 及 控 制 一 CO 2 对 菌 体 生 长 和 产 物 形 成 的 影 响 CO 2 是 呼 吸 和 分 解 代 谢 的 终 产 物, 也 可 作 为 重 要 的 基 质 CO 2 对 生 产 过 程 具 有 抑 制 或 刺 激 作 用 CO 2 影 响 代 谢 产 物 的 合 成 CO 2 影 响 细 胞 膜 的 结 构, 从 而 影 响 膜 的 运 输
1 CO 2 对 氨 基 酸 抗 生 素 等 微 生 物 发 酵 具 有 刺 激 作 用 例 如 : 环 状 芽 孢 杆 菌 等 已 经 发 芽 的 孢 子 在 开 始 生 长 的 时 候, 对 CO 2 有 特 殊 需 要 CO 2 是 大 肠 杆 菌 和 链 霉 菌 突 变 株 的 生 长 因 子, 菌 体 有 时 需 要 含 30% CO 2 的 气 体 才 能 生 长, 称 为 CO 2 效 应
2 一 般 CO 2 对 菌 体 生 长 具 有 抑 制 作 用, 当 排 气 中 CO 2 的 浓 度 高 于 4% 时, 微 生 物 的 糖 代 谢 和 呼 吸 速 率 下 降
CO 2 影 响 产 黄 青 霉 菌 的 形 态 CO 2 分 压 0~8%, 菌 丝 丝 状 CO 2 分 压 15~22%, 菌 丝 膨 胀 粗 短 CO 2 0.08 10 5 Pa, 出 现 球 状 或 酵 母 状 细 胞, 青 霉 素 生 产 速 率 下 降 40%
3 CO 2 对 微 生 物 发 酵 有 影 响 例 如 : 精 氨 酸 发 酵 最 适 氧 分 压 0.12 10 5 pa; 红 霉 素 发 酵 15h 后,11% CO 2, 对 产 生 菌 无 影 响, 红 霉 素 产 量 减 少 60%;
2 CO 2 对 细 胞 作 用 机 制 CO 2 及 HCO 3 - 影 响 细 胞 膜 的 结 构 CO 2 影 响 发 酵 液 的 酸 碱 平 衡, 或 与 其 他 化 学 物 质 发 生 反 应, 或 与 生 长 必 需 金 属 离 子 形 成 碳 酸 盐 沉 淀
3 CO 2 浓 度 的 控 制 CO 2 溶 解 度 的 大 小 受 多 种 因 素 影 响 CO 2 浓 度 的 控 制 应 随 着 它 对 发 酵 的 影 响 而 定 (1) 通 风 和 搅 拌 速 率 的 大 小, 不 但 能 调 节 发 酵 液 中 的 溶 解 氧, 还 能 调 节 CO 2 的 溶 解 度
例 如 :3m 3 发 酵 罐 进 行 四 环 素 发 酵, 发 酵 40h 之 前, 通 气 量 维 持 在 76m 3 /h, 搅 拌 速 度 80r/min, 提 高 CO 2 浓 度 ;40h 以 后, 通 气 和 搅 拌 分 别 提 高 至 110m 3 /h 和 140r/min, 降 低 CO 2 浓 度 ; 使 四 环 素 产 量 提 高 25%~30%
(2) 与 补 料 控 制 有 密 切 关 系 例 如 : 青 霉 素 发 酵 中, 补 糖 可 增 加 排 气 中 CO 2 浓 度, 并 降 低 ph 青 霉 素 补 料 工 艺 重 要 参 数 : 补 糖 CO 2 浓 度 ph
第 五 节 泡 沫 对 发 酵 的 影 响 与 控 制 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
两 种 泡 沫 类 型 存 在 于 发 酵 液 液 面 上, 气 相 所 占 比 例 大, 泡 沫 之 间 只 有 很 薄 的 液 膜 分 开, 泡 沫 层 与 下 面 的 液 体 层 有 明 显 的 界 限 稀 薄 的 前 期 发 酵 液 或 种 子 培 养 液 中 常 见 存 在 于 粘 稠 的 菌 丝 发 酵 液 中, 泡 沫 均 匀 而 细 比 较 稳 定, 气 相 所 占 比 例 由 下 而 上 逐 渐 增 加, 气 泡 与 液 面 间 没 有 明 显 的 界 限, 又 称 为 流 态 型 泡 沫
1 泡 沫 的 消 长 规 律 (1) 不 同 搅 拌 速 度 和 通 气 量 对 泡 沫 产 生 的 影 响
(2) 与 培 养 基 所 用 原 材 料 性 质 有 关 营 养 丰 富 培 养 基 黏 度 较 大 产 生 泡 沫 多 而 持 久 起 泡 能 力 最 强 : 玉 米 浆, 其 次 花 生 饼 粉, 再 次 黄 豆 饼 粉 ; 糖 类 起 泡 能 力 差, 但 较 高 浓 度 能 增 加 培 养 基 粘 度, 有 利 于 泡 沫 稳 定 ; 培 养 基 的 灭 菌 方 法 影 响 培 养 基 起 泡 能 力
2 泡 沫 产 生 的 原 因 : (1) 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 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 搅 拌 转 速 也 如 此
(2) 培 养 基 配 比 与 原 料 组 成 培 养 基 营 养 丰 富, 黏 度 大, 产 生 泡 沫 多 而 持 久, 前 期 难 开 搅 拌 例 : 在 50L 罐 中 投 料 10L, 成 分 为 淀 粉 水 解 糖 豆 饼 水 解 液 玉 米 浆 等, 搅 拌 900 rpm, 通 气, 泡 沫 生 成 量 为 培 养 基 的 2 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 开 搅 拌
(3) 菌 种 种 子 质 量 和 接 种 量 菌 种 质 量 好, 生 长 速 度 快, 可 溶 性 氮 源 较 快 被 利 用, 泡 沫 产 生 几 率 也 就 少 菌 种 生 长 慢 的 可 以 加 大 接 种 量 (4) 灭 菌 质 量 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 消 泡 剂 也 无 效 如 : 糖 蜜 培 养 基 的 灭 菌 温 度 从 110 度 升 高 到 130 度, 灭 菌 时 间 为 半 小 时, 发 泡 系 数 几 乎 增 加 一 倍
3 泡 沫 对 发 酵 的 危 害 A 降 低 生 产 能 力 在 发 酵 罐 中, 为 了 容 纳 泡 沫, 防 止 溢 出 而 降 低 装 量, 应 为 0.6~0.7 B 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 会 引 起 原 料 流 失, 造 成 浪 费
3 影 响 菌 的 呼 吸 如 果 气 泡 稳 定, 不 破 碎, 那 么 随 着 微 生 物 的 呼 吸, 气 泡 中 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 4 引 起 染 菌 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 发 酵 罐 而 造 成 染 菌
4 泡 沫 的 消 除 和 防 止 主 要 包 括 机 械 消 沫 和 消 沫 剂 消 沫 调 整 培 养 基 的 成 分 或 改 变 某 些 物 理 化 学 参 数 或 改 变 发 酵 工 艺 来 控 制 减 少 泡 沫 的 形 成 也 可 从 菌 种 的 选 育 方 面 考 虑
(1) 机 械 方 法 消 沫 靠 机 械 的 强 烈 振 动 或 压 力 的 变 化 促 使 泡 沫 破 碎 方 法 一 : 在 罐 内 将 泡 沫 消 除, 另 一 种 : 将 泡 沫 引 出 罐 外 优 点 : 不 需 引 入 外 来 物 质, 节 省 原 材 料, 减 少 杂 菌 污 染, 减 少 培 养 液 性 质 的 变 化, 对 提 取 工 艺 无 副 作 用 缺 点 : 效 率 不 高, 对 黏 度 较 大 的 流 态 型 泡 沫 几 乎 没 有 作 用, 也 不 能 消 除 引 起 泡 沫 稳 定 的 根 本 原 因
(2) 消 沫 剂 消 沫 消 沫 剂 : 表 面 活 性 物 质 使 用 最 多 的 消 沫 剂 天 然 油 脂 聚 醚 类 高 级 醇 硅 酮 类 等
作 为 生 物 工 业 的 消 泡 剂, 应 该 具 备 下 列 条 件 : 有 一 定 的 水 溶 性 在 低 浓 度 时 具 有 消 泡 活 性 有 持 久 的 消 泡 或 抑 泡 性 能, 以 防 止 形 成 新 的 泡 沫 对 微 生 物 人 类 和 动 物 无 害 对 产 物 的 提 取 不 产 生 任 何 影 响 不 会 在 使 用 运 输 中 引 起 任 何 危 害 来 源 方 便, 成 本 低 对 氧 的 传 递 不 产 生 影 响 能 耐 高 温 灭 菌
常 用 消 泡 剂 的 种 类 和 性 能 1 天 然 油 脂 玉 米 油 米 糠 油 豆 油 棉 子 油 菜 子 油 猪 油 和 鱼 油 等 天 然 油 脂 不 仅 消 沫, 还 可 作 碳 源 特 点 : 来 源 容 易, 价 格 低, 使 用 简 单, 一 般 来 说 没 有 明 显 副 作 用 ; 但 消 泡 能 力 差, 油 脂 如 保 藏 不 好, 易 变 质, 使 酸 值 增 高, 对 发 酵 有 毒 性 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 在 研 究 新 的 天 然 消 泡 剂
(2) 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 醚 它 是 由 环 氧 丙 烯, 或 环 氧 丙 烯 和 环 氧 乙 烷 与 甘 油 聚 合 而 成 的 聚 合 物 环 氧 丙 烯 与 甘 油 聚 合 而 成 叫 聚 氧 丙 烯 甘 油 ( 简 称 GP 型 消 泡 剂 ); 环 氧 丙 烯 和 环 氧 乙 烷 与 甘 油 聚 合 而 成 的 聚 合 物 叫 做 聚 氧 乙 烯 氧 丙 烯 甘 油 ( 简 称 GPE 型 消 泡 剂 ) 又 称 泡 敌 CH CH CH 2 2 O( C3H 6O) H CH 2 O( C3H 6O) -( C H O) m m 2 4 O( C3H 6O) H CH O( C ) ( ) m 3H 6O C2H 4O m m O( C H O) H CH 2 O( C3H 6O) ( C2H 4O) 聚 氧 丙 烯 甘 油 3 6 m ( 简 称 GP型 ) 聚 氧 乙 烯 氧 丙 烯 甘 油 简 称 m m H H m H ( GPE型 )
GP 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 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 GPE 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, 因 此 用 在 粘 稠 发 酵 液 中 效 果 较 好 用 量 0.03%~0.035%
消 泡 剂 多 数 为 溶 解 度 小 分 散 性 不 十 分 好 的 高 分 子 化 合 物, 所 以 要 考 虑 降 低 黏 度 和 提 高 分 散 性 消 泡 剂 的 增 效 方 法 : 加 惰 性 载 体 ( 如 矿 物 油, 植 物 油 ) 使 消 泡 剂 分 散 ; 消 泡 剂 并 用 增 效 ; 乳 化 消 泡 剂 提 高 分 散 能 力 消 沫 剂 的 持 久 性 与 加 入 量 和 时 间 有 密 切 关 系 : 少 量 多 次 或 滴 加
小 结 发 酵 过 程 中 泡 沫 产 生 的 原 因 泡 沫 对 发 酵 的 利 弊 泡 沫 的 消 除 与 防 止
思 考 题 1. 发 酵 中 泡 沫 形 成 的 原 因 是 什 么? 2. 泡 沫 的 危 害? 3. 消 除 泡 沫 的 方 法?