页数：69页文件大小：1.96 MB来源： 生化生产工艺学ppt课件
本课件系统讲解发酵过程的工艺控制，先梳理分批培养、补料分批培养与连续培养三种培养方式的动力学特点与优缺点，再提出工艺控制最优化的实施步骤，随后分别讨论温度与发酵热、pH值变化规律与调节、泡沫的产生危害与化学机械消泡，最后说明流加补料的内容、原则与补糖时机的选择。
《生化生产工艺学》生化生产工艺课程教案封面，本章进入发酵过程的工艺控制部分。
第十章发酵过程的工艺控制，教学内容：
发酵的生产水平高低除了取决于生产菌本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺等的影响。只有深入了解生产菌种在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求，掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，有效控制，使生产菌种始终处于生长和产物合成的优化环境之中，才能最大限度地发挥其合成产物的能力，取得最大的经济效益。
一般来说，微生物的生长和培养方式可以分为：
系统中配置蒸汽、空气、发酵尾气、消泡剂、酸碱等管路与控制点。
问题：为什么说微生物分批培养是一种非稳态的过程？
在分批培养过程中，随着微生物细胞和底物、代谢物浓度等的不断变化，微生物的生长可分为停滞期、对数生长期、稳定期和死亡期四个阶段（图 10-1 为典型的细菌生长曲线）。
典型的细菌生长曲线以培养时间为横坐标、菌数的对数为纵坐标，依次划分出 a、b、c、d 四个阶段：
停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。接种物的生理状态和浓度是停滞期长短的关键：如果接种物处于对数生长期，就很有可能不存在停滞期，微生物细胞立即开始生长；反之，如果接种物本身已经停止生长，微生物细胞就需要更长的停滞期以适应新的环境。
思考：1、说说停滞期细胞特征？2、影响停滞期长短的决定因素有哪些？
处于对数生长期的微生物细胞生长速度大大加快，单位时间内细胞的数目或重量的增加维持恒定并达到最大值。
若 t=0 时细胞浓度为 x0，积分得：ln(x/x0) = μt，进而 x = x0·eμt。
于是，用微生物细胞浓度的自然对数对时间作图，就可得到一条直线，该直线的斜率就等于 μ，这是求取比生长速率的常用方法。
微生物细胞的比生长速率和倍增时间因受遗传特性及生长条件的控制有很大差异，见表 10-2。
表 10-2 一些微生物在不同碳源上的比生长速率和倍增时间：课件列出大肠杆菌（复合物培养基，比生长速率 1.2 h-1、倍增时间 35 min）、中型假丝酵母、地衣芽孢杆菌等在葡萄糖＋无机盐、醋酸＋无机盐、琥珀酸＋无机盐、葡萄糖＋维生素＋无机盐、C6H14＋维生素＋无机盐、葡萄糖＋水解酪蛋白、谷氨酸＋无机盐等不同碳源上的比生长速率与倍增时间。
说明：源文件本页数据为连续文本，各行数值与碳源的对应关系无法安全切分，此处仅列出可辨识的大肠杆菌一组数据，其余请对照教材表 10-2 原表补充。
进入稳定期后：
思考：说说稳定期微生物出现的原因？
问题：说说稳定期微生物出现的原因？
由于细胞的溶解作用，一些新的营养物质，诸如细胞内的一些糖类、蛋白质等被释放出来，又作为细胞的营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢地生长，出现通常所称的二次或隐性生长。
进入死亡期：
该方式广泛用于单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素、酶制剂、有机酸等的生产过程。此外还涉及分批培养时微生物细胞生长与产物形成的动力学方程。
2、补料分批培养的类型与3、不同补料方式对细胞生长的影响：
| 补料方式 | 细胞密度（g/L） | 比生长速率（1/h） | 产率（g/h） |
|---|---|---|---|
| 补加葡萄糖，提高最低溶氧浓度 | 26 | 0.46 | 2.3 |
| 改变加入蔗糖的量，控制最低溶氧浓度 | 42 | 0.36 | 4.7 |
| 按比例加入葡萄糖和铵盐，控制 pH 值 | 35 | 0.23 | 3.9 |
| 按比例加入葡萄糖和铵盐，控制 pH 值，低温 | 47 | 0.58 | 3.6 |
| 维持最低溶氧浓度大于 10% | 138 | 0.55 | 5.8 |
| 补加碳源维持恒定浓度，以适当比例加入盐和铵盐控制 pH 值 | 4 | 0.38 | 0.8 |
| 以恒定速度（不使供应受限）补加碳源 | 36 | 0.10—0.14 | 1.3 |
| 补加碳源限制细胞生长、避免乙酸产生，控制细胞生长 | 58 | 0.2—1.3 | 6.2 |
说明：源文件本页为连续文本，各行补料方式与数值的对应关系按出现顺序推定，建议对照教材表 10-5 原表复核（表中微生物均为大肠杆菌，培养基为完全培养基，通气为 O2）。
补料分批培养是介于分批培养和连续培养之间一种微生物细胞的培养方式，它兼有两种培养方式的优点，并在某种程度上克服了它们所存在的缺点。表 10-7 列出了补料分批培养的一些优点。
与分批培养方式比较：
与连续培养方式比较：
图 10-6 典型的实验室连续培养系统，主要组成：
三、连续培养：指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的液量维持恒定，使微生物细胞能在近似恒定状态下生长的微生物培养方式。
在连续培养过程中，微生物细胞所处的环境条件，如营养物质的浓度、产物的浓度、pH 值以及微生物细胞的浓度、比生长速度等可以自始至终基本保持不变，甚至还可以根据需要来调节微生物细胞的生长速度。
因此连续培养的最大特点是微生物细胞的生长速度、产物的代谢均处于恒定状态，可达到稳定、高速增殖微生物细胞或产生大量代谢产物的目的。
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 1. 提供微生物在恒定状态下高速生长的环境，便于进行代谢、生理、生化和遗传特性的研究；2. 工业生产上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等操作时间，提高生产效率；3. 产物质量比较稳定；4. 所需设备和投资较少，便于实现自动化 | 1. 在长时间的培养过程中，微生物菌种容易发生变异，发酵过程易染菌；2. 新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合，影响培养和营养物质的利用 |
提问：
四、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：
思考：
核心是找出营养物质的最大转化率并控制营养物质的最佳浓度。
问题7：最佳生长工艺是根据哪些参数来确定的？
问题8：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，必须对温度、pH、溶解氧浓度、泡沫等进行控制。
五、温度对发酵过程的影响及其控制：由于微生物的生长和产物的合成代谢都是在各种酶的催化下进行的，而温度是保证酶活性的重要条件，因此发酵过程中必须保证稳定而合适的温度环境。温度对发酵的影响是多方面的，对微生物细胞生长和产物生成、代谢的影响是由各种因素综合表现的结果。
简答：温度对发酵生产的影响有哪些？
温度对微生物的影响体现在：
对于同一微生物细胞，细胞生长和代谢产物积累的最适温度也往往是不同的。
思考：说说温度和微生物生长的关系？温度对细胞内酶有何影响？
思考：温度可影响培养液的哪些物理性质，举例说明；举例说说温度影响到微生物细胞的生物合成方向。
对于同一微生物细胞，细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往不同：
发酵过程中，随着微生物细胞对培养基中营养物质的利用、机械搅拌的作用，将会产生一定的热量；同时由于发酵罐壁的散热、水分的蒸发等将会带走部分热量。
思考：1、生物热来源于培养基中的什么物质？2、微生物产生的生物热有何作用？
思考：在发酵的哪一阶段，微生物产生的生物热最大？
发酵热平衡式：Q发酵 = Q生物 + Q搅拌 − Q蒸发 − Q辐射
3、发酵过程温度的控制和最适温度的选择：
六、pH 值对发酵过程的影响及其控制：发酵过程中培养液的 pH 值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是发酵过程中的重要参数，对微生物的生长和产物的积累有很大的影响。
发酵过程中微生物的正常生长需要有一定的 pH 值，pH 值对微生物的生长和代谢产物的形成都有很大影响，不同的微生物对 pH 值的要求也不同，每种微生物都有自己的生长最适 pH 和耐受的 pH 范围。
填表：比较细菌、放线菌、酵母菌、霉菌的最适 pH 值（具体数值见教材 P191）。
思考：举例说明控制一定的 pH 值也是防止杂菌污染的一个重要措施。
pH 值不仅影响微生物的生长繁殖，还会影响代谢产物的形成。对于同一种微生物，由于 pH 值不同，形成的发酵产物也会不同：
说明：源文件本页仅给出 pH 值区间，未列出对应产物名称，建议对照教材原表补充。
微生物生长的最适 pH 值和发酵产物形成的最适 pH 值往往是不同的。
填表：比较丙酮丁醇菌、青霉素产生菌、链霉素产生菌的菌体生长最适 pH 值与发酵产物形成最适 pH 值（具体数值见教材）。
思考：pH 值是如何影响微生物的生长繁殖和代谢产物形成的？
2、发酵过程中 pH 值的变化情况与3、发酵过程中 pH 的控制（教材 P191—P193）：本部分讨论发酵过程中 pH 值的实际变化规律，以及为把 pH 控制在最适范围内所采用的调节手段。
思考（教材 P191—P193）：
微生物本身具有一定的调节 pH 能力，会使 pH 值处于比较适宜的状态。但当外界条件发生较大变化时，微生物就失去了自身的调节能力，发酵液的 pH 值就会发生波动。
因此，为了使微生物能在最适 pH 值范围内生长、繁殖和发酵，首先应根据不同微生物的特性在原始培养基中控制适当的 pH 值，而且在整个发酵过程中必须随时检测 pH 值变化情况，然后根据 pH 变化规律选用适当方法进行调节和控制。
问题4：pH 值调节和控制的方法有哪些？实际生产中应根据具体情况选择，主要有：
4、采用生理酸性铵盐作为氮源时，由于 NH4+ 被微生物细胞利用后剩下的酸根会引起发酵液 pH 值下降，可在培养液中加入碳酸钙来调节 pH 值。但碳酸钙加入量一般都很大，操作上很容易引起染菌，因此该方法在发酵过程中应用不太广。
5、在发酵过程中根据 pH 值变化可用流加氨水的方法调节，同时又可把氨水作为氮源供给。氨水作用快、对 pH 波动影响大，应采用少量多次的流加方法，以免 pH 过高抑制细胞生长或 pH 过低、NH4+ 不足。一般控制在 pH 7.0—8.0，最好采用自动控制连续流加。
3、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明显效果。
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 值变化有一定规律性，易于控制操作。
流加时除主要根据 pH 值变化外，还应结合菌体生长、耗糖、代谢等不同阶段采取少量多次流加。目前已有适合发酵过程 pH 测量的电极，可连续测量并记录 pH 变化用于控制和监测。
七、泡沫对发酵过程的影响及其控制：在微生物的好氧发酵过程中，为适应微生物的生理特性并取得较好的生产效果，需要不断通入大量无菌空气；同时为加速氧在培养基中的溶解度，还必须进行剧烈搅拌，使空气成为无数小气泡以增加气液界面，有利于溶氧和逸出 CO2。再加上发酵液中含有蛋白质、糖和脂肪等容易发泡的物质，通气发酵过程中将会产生一定量的泡沫。
问题1：发酵过程中泡沫产生的原因是什么？
培养基的物理化学性质对泡沫形成的表面现象起决定性作用，培养液的温度、酸碱度、浓度等对泡沫形成也有一定影响。
问题2：过多的持久性泡沫会给发酵带来哪些不利影响？
问题3：说说泡沫的组成及存在类型？
问题4：泡沫形成的多少与哪些因素有关？
问题5：以霉菌发酵为例，说说发酵过程中泡沫的消长规律（图 10-7 霉菌发酵过程中培养液的性质与泡沫的关系，考察表观黏度、表面张力与泡沫寿命随培养时间的变化）。
发酵初期泡沫的高稳定性与发酵液的高表观黏度和低界面张力有关；随着霉菌产生的蛋白酶、淀粉酶增多和对营养物质的利用，产生泡沫的蛋白质等物质被分解，培养液黏度降低、界面张力上升，泡沫减少；到发酵后期由于细胞自溶又使蛋白质浓度增加，促使泡沫上升。此外染菌会使发酵液黏度变大并产生大量泡沫，微生物呼吸和发酵产生的 CO2 也会引起大量泡沫。
2、发酵过程中泡沫的消除和控制主要有化学消泡和机械消泡两种方法。
思考：1、说说什么叫化学消泡？2、化学消泡的原理有哪些？
化学消泡剂是表面活性剂，其表面张力相对于发酵液较低，一旦接触气泡表面就会使气泡膜局部表面张力降低，力的平衡受到破坏，因而使气泡破裂或合并，最后导致泡沫破裂。
最终目的都是使泡沫破裂。
问题3：对化学消泡剂有哪些要求（或化学消泡剂有哪些特点）？
问题4：发酵过程中常用的化学消泡剂主要有哪些（教材 P195）？
问题5：为增加消泡剂效果，生产上常用的方法有哪些？
机械消泡不同于化学消泡，它靠机械强烈振动和压力的变化促使气泡破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收，从而达到消泡作用。
理想的机械消泡装置必须满足动力消耗少、结构简单、坚固耐用、清洗杀菌容易、维修保养费用少等几个条件。机械消泡的方法有罐内消泡和罐外消泡两种：即在发酵罐内将泡沫消除，或将泡沫引出发酵罐外消除后再将液体返回罐内。
耙式消泡桨是结构比较简单的罐内机械消泡装置（图 10-8），装在发酵罐的搅拌轴上，安装时桨上的齿面略高于液面，靠轴的旋转带动来打碎泡沫。
该装置只是一种简单的消泡措施，消泡作用并不完全：少量泡沫产生时耙齿能随时将泡沫打碎；但当大量泡沫产生时耙齿来不及打碎，泡沫超过耙桨时就会失去消泡作用。
旋转圆板式机械消泡装置（图 10-9）设置在发酵罐内的气相中，与发酵液的液面保持平行。圆板旋转的同时将槽内发酵液注入圆板中央，通过离心力将其破碎成微小泡沫的微粒散向槽壁，以达到消泡的目的。
冲击反射板机械消泡：把气体吹入液面上部，然后通过在液面上部设置的冲击反射板吹回到液面，而将液面上产生的泡沫击碎（图 10-12）。
旋转叶片罐外机械消泡：将泡沫引出罐外，利用装置中的旋转叶片所产生的冲击力和剪切力进行消泡（图 10-15）。
转向板消泡装置（图 10-9）：泡沫以 30—90 m/s 的速度由喷头喷向转向板使泡沫破碎，分离液用泵送回发酵罐内，气体则排出消泡器外。该装置的优点是设备简单、运转费用较低。
八、流加补料的控制：流加补料是指在发酵过程中补充某些营养成分以维持生产菌的代谢活动和合成产物的需要。其明显效果是使生产菌的自溶期被推迟，生物合成期得到延长，可维持较高的产物增长幅度和增加发酵液总体积，从而使产量大幅度上升，对发酵单位或含量的提高起重要作用。同时，流加补料还可作为工业生产上纠正发酵异常的一种手段。
思考：1、流加补料的内容包括哪些？2、流加补料的原则是什么？
2、流加补料的控制：在确定补糖后，选择适当的补糖时机相当重要。图 10-20 给出四环素发酵过程中补糖时间对四环素发酵单位的影响。
由图可见，补糖时机对发酵产量有很大影响，过早或过晚补糖都不能收到良好效果，只有在适当的时机补糖才能取得明显效果。
流加补料是生产过程中较为灵活控制微生物中间代谢的一种措施。不同微生物或同一微生物的培养条件不同，控制方法也有差异，需要根据具体情况通过试验确定最适的控制方法。在流加补料中应注意：料液配比要适当、加强无菌控制、注意培养基的碳氮平衡和经济核算等各种因素。
第十章发酵过程的工艺控制内容结束。本章重点为三种培养方式的动力学、温度与发酵热、pH 值调节、泡沫控制与流加补料。
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