【正文】 Pa?s KLa 濁度 濁度計(jì) % 反映單細(xì)胞的生長(zhǎng) 料液的流量 蠕動(dòng)泵 荷重傳感器 量筒 L ?h1 S 化學(xué)參數(shù) 檢測(cè)參數(shù) 檢測(cè)方法 單位 影響及作用 pH g?L1 菌體和產(chǎn)物合成速度；酶促反應(yīng)的方向 基質(zhì)濃度 HPLC g?L1 菌生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成 產(chǎn)物濃度 生物傳感器 取樣 發(fā)酵周期的長(zhǎng)短 氧化還原電位 氧化還原電位電極 mV 生長(zhǎng)和生化活性 溶氧濃度 覆膜氧電極 % 反應(yīng)異常、發(fā)酵中間控制參數(shù)、設(shè)備供氧能力 氣相 O2含量 順磁氧分析儀 Pa 反映產(chǎn)生菌的攝氧率 氣相 CO2含量 紅外氣體分析儀 % 反映產(chǎn)生菌呼吸放出的 CO2 生物參數(shù) 檢測(cè)參數(shù) 檢測(cè)方法 影響 菌絲形態(tài) 取樣顯微鏡觀察 反映菌體發(fā)育階段正常與否 菌體濃度 濁度法、干重法、離心稱濕重法、沉淀測(cè)體積法、顯微計(jì)數(shù)法、平板計(jì)數(shù)法等 控制微生物發(fā)酵的重要參數(shù)之一 影響菌體的生化反應(yīng) 細(xì)胞濃度在線濁度檢測(cè)計(jì) 細(xì)胞濃度在線濁度檢測(cè)計(jì)間接狀態(tài)參數(shù) （二） 發(fā)酵傳感器 發(fā)酵工業(yè)對(duì)傳感器的要求 由于微生物培養(yǎng)過(guò)程是純培養(yǎng)過(guò)程，無(wú)菌要求高，因此對(duì)傳感器有特殊要求： ? 插入罐內(nèi)的傳感器必須能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌（材料、數(shù)據(jù)） ? 傳感器結(jié)構(gòu)不能存在滅菌不透的死角，以防染菌（密封性好） ? 傳感器對(duì)測(cè)量參數(shù)要敏感，且能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（響應(yīng)快、靈敏） ? 傳感器性能要穩(wěn)定，受氣泡影響小。宏觀的信息流、物質(zhì)流和能量流的變化實(shí)際上和微生物的代謝流息息相關(guān)。 特殊因素：異常情況下，如染菌，代謝異常（糖耗緩慢等）時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況適當(dāng)處理。 菌體自溶的跡象：氨基氮 ↑， pH↑，菌體碎片增多，黏度增大，過(guò)濾速度降低。 過(guò)早：尚未代謝的發(fā)酵物（如糖、可溶性蛋白、脂肪等），對(duì)分離純化不利（這些物質(zhì)能增加乳化作用，干擾樹(shù)脂的交換作用）； 過(guò)晚：菌體自溶，釋放的蛋白酶會(huì)顯著改變發(fā)酵液性質(zhì)，甚至降解目的產(chǎn)物的產(chǎn)量，擾亂分離純化作業(yè)計(jì)劃。h)； ? 體積生產(chǎn)率：每升發(fā)酵液每小時(shí)形成的產(chǎn)物量； ? 總生產(chǎn)率：放罐時(shí)發(fā)酵單位除以總發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)間（包括發(fā)酵周期和總輔助操作時(shí)間）。 ? CO2形成的碳酸，可用除 CaCO3以外的堿來(lái)中和。 ? CO2產(chǎn)生與補(bǔ)料密切相關(guān) 青霉素發(fā)酵，補(bǔ)糖會(huì)增加 CO2的濃度和降低培養(yǎng)液的 pH值。 通氣攪拌調(diào)節(jié) CO2的溶解度：在 3 m3發(fā)酵罐中進(jìn)行四環(huán)素發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)酵 40 h以前，通氣量減小到 75 m3/h，攪拌為 80 r/min，提高 CO2的濃度； 40 h以后，通氣量和攪拌分別提高到 110 m3/h和 140 r/min，降低 CO2濃度，使四環(huán)素產(chǎn)量提高 25%～ 30%。 發(fā)酵早期：主要是菌生長(zhǎng)， RQ1； 過(guò)渡期：維持菌體生命活動(dòng)，產(chǎn)物逐漸形成，基質(zhì)葡萄糖的代謝不僅 僅用于菌體生長(zhǎng)， RQ比生長(zhǎng)期略有增加。采用增加罐壓的方法來(lái)消泡會(huì)增加 CO2的溶解度。 （ 2） CO2與發(fā)酵環(huán)境 大發(fā)酵罐中 CO2的分壓是液體深度的函數(shù)， 10 m深的發(fā)酵罐在 MPa氣壓下操作，底部 CO2分壓是頂部 CO2分壓的 2倍。 ? CO2影響菌體形態(tài)： 例如：產(chǎn)黃青霉菌接種到溶解不同 CO2濃度的培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)： CO2分壓 0～ 8%時(shí)，菌絲主要是絲狀； CO2分壓 15%～ 22%，則膨脹，粗短的菌絲占優(yōu)勢(shì)； CO2為 MPa時(shí)，則出現(xiàn)球狀或酵母狀細(xì)胞，致使青霉素合成受阻，其比生成速率降低 40%左右。min)的空氣流量通氣發(fā)酵，發(fā)酵液中溶解 CO2只達(dá)到抑制水平的 10%。 ? CO2對(duì)菌體生長(zhǎng)的作用：直接影響 ——排出 CO2高于 4%時(shí)，碳水化合物的代謝及微生物的呼吸速率下降。 CO2對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響 在發(fā)酵過(guò)程中， CO2有可能對(duì)發(fā)酵有促進(jìn)作用，也有可能有抑制作用。當(dāng)泡沫上升接觸探頭頂端時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)，通過(guò)控制裝置，指令打開(kāi)泵開(kāi)關(guān)或閥門(mén)，自動(dòng)加入消泡劑，泡沫消失，信號(hào)也隨之消失，閥門(mén)關(guān)閉。 ? 罐內(nèi)消泡法：借助耙式消泡槳 ? 罐外消泡法：旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡 優(yōu)點(diǎn)：不需引入其他物質(zhì)，減少污 染機(jī)會(huì)； 缺點(diǎn)：效果不夠迅速可靠，不能從 根本上消除引起泡沫穩(wěn)定的因素。 ⑵使發(fā)酵液的裝料系數(shù)減少。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見(jiàn)到的。 表 影響需氧的工藝條件 項(xiàng)目 工藝條件 項(xiàng)目 工藝條件 好氣程度 補(bǔ)料或加糖 配方、方式、次數(shù)和時(shí)機(jī) 菌種特性 菌齡、數(shù)量 溫度 恒溫或階段變溫控制 菌的聚集狀態(tài)、絮狀或小球狀 溶氧與尾氣 O2及CO2水平 按生長(zhǎng)或產(chǎn)物合成的臨界值控制 培養(yǎng)基性能 基礎(chǔ)培養(yǎng)基組成、配比 消泡劑或油 種類、數(shù)量、次數(shù)和時(shí)機(jī) 物理性質(zhì)：黏度、表面張力等 表面活性劑 ?溶氧控制的方法及比較 本章主要內(nèi)容 第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制 第二節(jié) 溫度的影響及其控制 第三節(jié) pH的影響及控制 第四節(jié) 溶氧的影響及控制 第五節(jié) 泡沫的影響及控制 第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商 第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制 第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制 第五節(jié) 泡沫的影響及控制 泡沫的性質(zhì) 泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。X 原則上發(fā)酵罐的供氧能力無(wú)論提得多高，若 工藝條件 不配合，仍然會(huì)出現(xiàn)供氧不足的現(xiàn)象。 Pbase=ρgh+1atmosphere 式中， Pbase：罐底部壓力（ Pa） ρ：發(fā)酵液密度 g：重力加速度（ ） h：液柱高度（ m） ?發(fā)酵液中氧的供需平衡 ? 耗氧速率： γ(OUR)=QO2 ⑥消泡劑 消泡劑：降低氧的傳遞速率。 CL——發(fā)酵液中氧濃度， mmol/L。 發(fā)酵過(guò)程溶氧的變化 （ 1）發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時(shí)需氧超過(guò)供氧，溶氧明顯下降； （ 2）發(fā)酵中后期：溶氧濃度明顯受工藝控制手段的影響，如補(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)和方式等； （ 3）發(fā)酵后期：由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會(huì)明顯上升。 ? 溶氧濃度高于臨界值，才能維持菌體的最大比攝氧率，得到最大的菌體合成量；低于臨界值，菌體代謝受到干擾。在好氧深層培養(yǎng)中，氧氣的供應(yīng)往往是發(fā)酵能否成功的重要限制因素之一。 ? 如果考慮呼吸的化學(xué)計(jì)量，則葡萄糖的氧化可由下式表示： C6H12O6+6O2=6H2O+6CO2 只有當(dāng)這兩種物質(zhì)都溶于水中才能進(jìn)行反應(yīng)。流加時(shí)除主要考慮 pH變化外，還當(dāng)考慮菌體生長(zhǎng)、耗糖、發(fā)酵的不同階段來(lái)調(diào)整添加的頻率和量。 發(fā)酵過(guò)程 pH的控制方法 （ 1）添加碳酸鈣：生理酸性銨鹽的利用引起 pH的下降可用碳酸鈣來(lái)中和，在乳酸發(fā)酵中防止乳酸產(chǎn)量的降低。 發(fā)酵過(guò)程中影響 pH變化的因素 （ 1）菌體對(duì)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的吸收引起發(fā)酵液 pH的改變：培養(yǎng)基 pH在發(fā)酵過(guò)程中能被菌體代謝所改變。 ?對(duì)于同一種微生物由于生長(zhǎng)環(huán)境的 pH不同，也可能會(huì)形成不同的發(fā)酵產(chǎn)物。 本章主要內(nèi)容 第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制 第二節(jié) 溫度的影響及其控制 第三節(jié) pH的影響及控制 第四節(jié) 溶氧的影響及控制 第五節(jié) 泡沫的影響及控制 第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商 第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制 第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制 第三節(jié) pH的影響和控制 ?不同種類微生物對(duì) pH的要求不同。所以，為使發(fā)酵在一定溫度下進(jìn)行，必須采取措施 ——在 夾套或蛇管 內(nèi)通入冷水加以控制；小型的發(fā)酵罐，在冬季和發(fā)酵初期，散熱量大于產(chǎn)熱量則需用熱水保溫。輻射熱的大小取決于罐內(nèi)外溫度差。 （ 3）蒸發(fā)熱（ Q蒸發(fā) ）：指發(fā)酵過(guò)程中通氣時(shí)，引起發(fā)酵液水分的蒸發(fā)，被空氣和水分帶走的熱量，也叫汽化熱。這些釋放出來(lái)的能量一部分用于合成和代謝活動(dòng)，另一部分用于合成代謝產(chǎn)物，其余部分則以熱的形式散失。 影響發(fā)酵溫度的因素 ? 發(fā)酵熱：指的是發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量，以 J/(m3 ?低于 30℃ 時(shí)，合成金霉素能力強(qiáng)，合成四環(huán)素能力隨溫度升高而增加；當(dāng)達(dá)到 35 ℃ 時(shí)，只產(chǎn)生四環(huán)素。 （ 2）溫度對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響 溫度對(duì)青霉菌生長(zhǎng)速率、呼吸強(qiáng)度和青霉素生產(chǎn)速率的 影響如上圖所示。機(jī)體的重要組成如蛋白質(zhì)、核酸等都對(duì)溫度較敏感，隨著溫度的增高有可能遭受不可逆的破壞。生長(zhǎng)速率取決于基質(zhì)的濃度，在微生物發(fā)酵的研究和控制中，營(yíng)養(yǎng)條件（含溶氧）的控制至關(guān)重要，主要受基質(zhì)濃度的影響，所以要依靠調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的濃度來(lái)控制菌濃。 ? c(X)過(guò)高，攝氧率增加，溶氧成為限制因素，使產(chǎn)量降低。 式中， P ——發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率 (產(chǎn)物最大生成速率或生率 ),g/(L上限濃度，基質(zhì)抑制 (滲透壓，關(guān)鍵酶，代謝廢物 )。 ? 離心稱濕重法：取一定體積的發(fā)酵液離心或過(guò)濾，自然沉降或離心，測(cè)定濕重。 ? 菌體濃度的檢測(cè) ? 濁度法：用于非絲狀菌的濃度測(cè)定。 舉例：四環(huán)素發(fā)酵：菌體生長(zhǎng)最適的磷濃度為 65～ 70 μg/mL,而四環(huán)素合成最適磷濃度為 25～ 30 μg/mL。 （三）磷酸鹽濃度的影響及控制 ?基礎(chǔ)培養(yǎng)基中采用適量的濃度給予控制，以保證菌體的正常生長(zhǎng)所需； 代謝緩慢：補(bǔ)