【文章內(nèi)容簡介】 面孢子→大米孢子→一級種子→二級種子→發(fā)酵 第八章 發(fā)酵工藝控制 微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平取決于生產(chǎn)菌種本身的性能和合適的環(huán)境條件。 發(fā)酵過程的代謝變化 從產(chǎn)物形成來說，代謝變化就是反映發(fā)酵中的菌體生長、發(fā)酵參數(shù)的變化（培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件）和產(chǎn)物形成速率這三者之間的關系。在分批培養(yǎng)過程中根據(jù)產(chǎn)物生成是否與菌體生長同步的關系，將微生物產(chǎn)物形成動力學分為① 生長關聯(lián)型 和② 非生長關聯(lián)型。 發(fā)酵方式 （ 1）補料－分批發(fā)酵：指分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法。 優(yōu)點在于使發(fā)酵系統(tǒng) 中維持很低的基質(zhì)濃度。 低基質(zhì)濃度的優(yōu)點：① 可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；② 克服養(yǎng)分的不足，避免發(fā)酵過早結束。 （ 2）半連續(xù)發(fā)酵：是指在補料－分批發(fā)酵的基礎上，間歇地放掉部分發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。 優(yōu)點：① 可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；② 克服養(yǎng)分的不足，避免發(fā)酵過早結束；③緩解有害代謝產(chǎn)物的積累。 （ 3）連續(xù)發(fā)酵：指培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時放出含有產(chǎn)品的發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。在這樣的環(huán)境中培養(yǎng)，菌的生長就受到所提供基質(zhì)的限制，培養(yǎng)液中的菌體濃度能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。 與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，連續(xù)培養(yǎng)有以下優(yōu)點： ① 維持低基質(zhì)濃度：可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當?shù)木w濃度，使不至于加劇供氧的矛盾； ② 避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物； ③ 可以提高設備利用率和單位時間的產(chǎn)量，節(jié)省發(fā)酵罐的非生產(chǎn)時間； ④ 便于自動控 制。 發(fā)酵控制參數(shù) 按性質(zhì)分類：物理參數(shù)、化學參數(shù)、生物參數(shù) 按檢測手段分類：①直接參數(shù)：?在線檢測參數(shù) ? 離線檢測參數(shù) ②間接參數(shù) 發(fā)酵熱 發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。 Q 發(fā)酵 =Q生物 + Q 攪拌 Q 蒸發(fā) Q 顯 Q 輻射 生物熱 (biological heat)是菌體生長過程中直接釋放到體外的熱能，使發(fā)酵液溫度升高。 攪拌熱 (agitation heat)是攪拌器引起的液體之間和液體與設備之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量。 6. pH 值對發(fā)酵的影響 （ 1）影響酶的活性，當 pH 值抑制菌體中某些酶的活性時，會阻礙菌體的新陳代謝； （ 2）影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細胞膜的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的排泄；影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進而微生物對這些成分的吸收； （ 3） pH 值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。 引起發(fā)酵液 pH值異常波動的因素 pH 值的變化決定于所用的菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件 pH 下降： ① 培養(yǎng)基中碳、氮比例不當。碳源過多，特別是葡萄糖過量，或者中間補糖過多加上溶氧不足，致使有機酸大量積累而 pH 下降； ② 消泡劑加得過多； ③ 生理酸性物質(zhì)的存在，銨被利用， pH 下降。 pH 上升： ① 培養(yǎng)基中碳、氮比例不當。氮源過多，氨基氮釋放，使 pH 上升； ② 生理堿性物質(zhì)存在； ③ 中間補料氨水或尿素等堿性物質(zhì)加入過多。 臨界氧濃度 (critical value of dissolved oxygen concentration) ：指不影響菌的呼吸所允許的最低氧濃度。如對產(chǎn)物形成而言便稱為產(chǎn)物合成的臨界氧濃度。 呼吸強度又稱氧比消耗速率，是指單位質(zhì)量的干菌體在單位時間內(nèi)所吸取的氧量，以 Q O2 表示，單位為 mmolO2／ (g 干菌體 h)。 耗氧速率又稱攝氧率，是指單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)的吸氧量，以 r 表示，單位為 mmol O2／ (L h)。 引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因： ① 污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在較短時間內(nèi)下降到零附近，如果雜菌本身耗氧能力不強，溶氧變化就可能不明顯； ② 菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧要求增加，使溶氧下降； ③ 某些設備或工藝控制發(fā)生故障或變化，也可能引起溶氧下降，如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。 泡沫的形成及其對發(fā)酵的影響 在大多數(shù)微生物發(fā)酵過程中，通氣、攪 拌以及代謝氣體的逸出，再加上培養(yǎng)基中糖、蛋白質(zhì)、代謝物等表面活性劑的存在，培養(yǎng)液中就形成了泡沫。 形成的泡沫有兩種類型： 一種是發(fā)酵液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如發(fā)酵前期的泡沫； 另一種是發(fā)酵液中的泡沫，又稱流態(tài)泡沫 (fluid foam)，分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，與液體之間無明顯的界限 大量的泡沫引起的負作用： 發(fā)酵罐的裝料系數(shù)減少、氧傳遞系統(tǒng)減??； 增加了菌群的非均一性； 造成大量逃液，增加染菌機會； 嚴重時通氣攪拌無法進行，菌體呼吸受到阻礙，導致代謝異?；蚓w自溶； 消泡劑的添加將給提取工序帶來困難。 泡沫的消除 調(diào)整培養(yǎng)基中的成分（如少加或緩加易起泡的原料）或改變某些物理化學參數(shù)（如 pH 值、溫度、通氣和攪拌）或者改變發(fā)酵工藝（如采用分次投料）來控制，以減少泡沫形成的機會。 采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的菌種，來消除起泡的內(nèi)在因素。 采用機械消泡或消泡劑來消除已形成的泡沫。 常用的消泡劑有 4大類： 天然油脂類、脂肪酸和酯類、聚醚類、硅酮類 1造成染菌的主要原因 設備滲漏 空氣帶菌 種子帶菌 滅菌不徹底 技術管理不善 第九章 生物反應動力學 研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間相互作用隨時間而變化的規(guī)律。 具體研究內(nèi)容：微生物生長過程中質(zhì)量的平衡；發(fā)酵過程中菌體的生長速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率的相互關系 ；環(huán)境因素對這三種速率的影響。 2. 分批發(fā)酵工藝 中縮短和消除延遲期的方法有： 增加接種量、采用最適種齡、選用繁殖速度快的菌種以及盡量保持接種前后所處的培養(yǎng)基介質(zhì)和條件一致。 3. Monod方程的參數(shù)求解： 181。mS KS+S 181。= S:限制性基質(zhì)濃度 mol/m3； KS:飽和常數(shù) mol/m3 例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)： S(mg/l) 6 33 64 153 221 μ (h1) 利用 MONOD 方程作圖如下，求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的μmax， KS和 td? 解：據(jù)圖可知 1/181。max=； KS/181。max=90；根據(jù) 可以求得： μ max＝ (h1)。 KS＝ 99mg/L， td＝ ln2/μ max＝ 4. 連續(xù)培養(yǎng)動力學 稀釋率：單位時間內(nèi)加入的培養(yǎng)基體積占發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基體積的分率 5. 細胞的物料平衡 單級連續(xù)培養(yǎng)的細胞物料平衡方程如下： 根據(jù)單級連續(xù)培養(yǎng)的細胞物料平衡方程，按照比生長速率μ和稀釋率 D 的大小關系，討論培養(yǎng)罐內(nèi)細胞濃度和營養(yǎng)物質(zhì)濃度的變化情況。 答： μ D: 則 dX/dt 0，培養(yǎng)罐內(nèi)細胞濃度不斷增加，營養(yǎng)物質(zhì)濃度隨之減少 μ Al3+ Ca2+ Mg2+ Na+ ， 陰離子順序為：檸檬酸根 硫酸根 硝酸根 2）溶液濃度的影響 樹脂對離子交換吸附的選擇性，在稀溶液中比較大，而在濃溶液中選擇性較小。 3）離子的