【導(dǎo)讀】菌種保藏原理和方法。發(fā)酵過程的參數(shù)檢測(cè)和自動(dòng)控制。微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)下游處理。微生物工程生產(chǎn)設(shè)備。微生物工程，曹軍衛(wèi)，科學(xué)出版社。微生物工程工藝原理，姚汝華，當(dāng)代食品生產(chǎn)技術(shù)叢書，化學(xué)工業(yè)出版社。環(huán)境工程微生物學(xué)，周群英，高等教育出版社。微生物工程的發(fā)展簡史。利用微生物的生長和代謝活動(dòng)產(chǎn)生的各種生理活性物質(zhì)來生產(chǎn)商業(yè)產(chǎn)品的工程技術(shù)。養(yǎng)的微生物或動(dòng)植物細(xì)胞積累所需產(chǎn)品的一門技術(shù)學(xué)科。是微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合的交叉性學(xué)科。微生物工程基本上可分為發(fā)酵和提純兩大部分。提純部分（后處理）：細(xì)胞破碎，過濾，沉淀，色譜，萃取，蒸發(fā)，結(jié)晶，干燥，包裝等。發(fā)酵連續(xù)化、自動(dòng)化技術(shù)的建立。微生物工業(yè)的范圍。微生物工程工業(yè)生產(chǎn)三要素。人為控制條件，利于目的菌，不利其他菌

　　

【正文】 堿性物質(zhì)消耗）的物質(zhì)。 如：糖類（產(chǎn)有機(jī)酸），脂肪（產(chǎn)脂肪酸），銨鹽 （氧化產(chǎn)硫酸）。 最適 PH 的選擇和調(diào)節(jié) ?最適 PH 的選擇和調(diào) 節(jié)的原則： ?既有利于菌體的生長繁殖，又可最大限度的獲得高產(chǎn)。 ?根據(jù)不同微生物的特性，在發(fā)酵過程中隨時(shí)檢查 pH 值的變化，選用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行調(diào)節(jié)。 ?生長最適 PH 和產(chǎn)物形成最適 PH 的相互關(guān)系： ①兩者相同，范圍都寬；容易控制。 ②兩者相同，范圍都窄；必須嚴(yán)格控制。 ③兩者相同，范圍一寬一窄；必須嚴(yán)格控制。 ④兩者不同，范圍都窄；分別嚴(yán)格控制。 最適 PH 的選擇和調(diào)節(jié) ?選擇 pH 值的方法：通過實(shí)驗(yàn)確定。 配制并始終調(diào)節(jié)控制不同 PH，檢出菌體或產(chǎn)物最 大值。 ? 調(diào)節(jié) pH 值的方法： ?主要考慮培養(yǎng)基中生理酸、堿性物質(zhì)的配比； ?補(bǔ)料調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)通氣量、調(diào)整鹽類、氮源、碳源的配比平衡； 如：青霉素生產(chǎn)的葡萄糖補(bǔ)加控制 PH。 （按需補(bǔ)糖比恒速補(bǔ)糖效果好。） ?添加弱酸或弱堿、加緩沖劑。（一般效果不好） 三、氧對(duì)發(fā)酵的影響 ?氧是制約發(fā)酵進(jìn)行的重要因素 ? 氧難溶于水，培養(yǎng)基中貯存的氧量很少； 【純氧溶純水， ；空氣氧溶純水， ；培養(yǎng)基更低】 ? 高產(chǎn)株和加富培養(yǎng)基的采用以及發(fā)酵周 期的縮短 加劇了對(duì)氧的需求； ? 形成產(chǎn)物的最佳氧濃度和生長的最佳氧濃度有可 能是不同的； ? 發(fā)酵罐中氧的吸收率很低；（多數(shù)＜ 2%；通常＜ 1%） ? 加大通氣量會(huì)引起過多泡沫； ? 消泡劑不利于溶氧。 氧的傳遞和傳質(zhì)方程式 ①氧傳遞的阻力： 氣相到氣液界面； 氣液界面； 通過液膜； 液相； 細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)表面； 固液界面； 細(xì)胞團(tuán)內(nèi)； 細(xì)胞壁； 反應(yīng)（生化）阻力。 ?從空氣泡到細(xì)胞內(nèi)總阻力為上述阻力之和。 即 1/kt=1/kG+1/kI+1/kL+1/kLB+1/kLC+1/kIS+1/kA+1/kW+ 1/kR ?液相主體到細(xì)胞壁，氧的濃度差很小。 （不結(jié)團(tuán)，壁近液膜）。 氧的傳遞和傳質(zhì)方程式 ?氧傳遞的總推動(dòng)力： 氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧分壓差和濃度差。 ?減小阻力方法： 液膜，氣液混合所生湍動(dòng)； 細(xì)胞團(tuán)表面液膜，攪拌減小外徑； 細(xì)胞團(tuán)內(nèi)阻力和壁阻力，攪拌減少逆向擴(kuò)散梯度； 反應(yīng)阻力，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件，去產(chǎn)物。 氧的傳遞和傳質(zhì)方程式 ②氣液相間的氧傳遞和氧傳質(zhì)方程式。 （氧分壓和濃度變化圖 77） ?氧傳遞的主要阻力存在于氣膜和液膜中。 單位體積培養(yǎng)液中的氧傳遞速率 ： OTR=KLα （ C*CL） KL α —容積傳遞系數(shù)； α —比表面積； KL—以氧濃度為動(dòng)力的總傳遞系數(shù)； C*—?dú)庖浩胶獾囊?相氧濃度（應(yīng)有）； CL—液相主體氧濃度（存在）。 培養(yǎng)物處于充裕的通氣情況下， CL 會(huì)逐漸接近 C*，氧傳 遞速率漸小； 而處于不充裕的通氣情況下， CL 下降趨于 0，氧傳遞速率 最大。（ C*CL—推動(dòng)力） 影響微生物對(duì)氧需求的因素 ?不同微生物對(duì)氧的需求不同，其耗氧速度用呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率）來表示： CL QO2 =( QO2 )m ———— (當(dāng)氧是限制性基質(zhì)時(shí) ) K0 + CL ( QO2 )m——最大比耗氧速率； CL——溶解氧濃度； K0——氧的米氏常。 各種菌的 K0 和 ( QO2 )m有定值。 ?菌的呼吸強(qiáng)度與菌種種類 [K0， ( QO2 )m]和培養(yǎng)液中溶解氧濃度有關(guān)。 CL 增加， ( QO2 )m 增強(qiáng)；直至達(dá)到 [CL /（ K0 + CL ）≈ 1] 臨界值，再 不加大。如：圖 78。 影響微生物對(duì)氧需求的因素 ?攝氧率：單位體積培養(yǎng)液，在單位時(shí)間內(nèi)耗氧量。 r = QO2X X—細(xì)胞濃度。 ?影響微生物攝氧率的因素： ①菌種； ② 溶解氧濃度； ③細(xì)胞濃度； ④培養(yǎng)基成分和濃度：如：碳源，利用速度不同攝氧率不同； ⑤ PH； ⑥溫度：溫度高，臨界值增高； ⑦有毒物積累。抑制呼吸； ⑧揮發(fā)性中間物（有機(jī)酸），加強(qiáng)； ?氧的滿足度：溶解氧濃度與臨 界氧濃度之比。 ?產(chǎn)物形成的最佳氧濃度有時(shí)與細(xì)胞生長最佳氧濃度不同，需氧量差別較大，各有不同。 培養(yǎng)基的流變特性 ?培養(yǎng)基的流變特性影響： 動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞，繼而影響各種發(fā)酵條件。如： 溶氧速率、氣體交換、發(fā)酵溫度、營養(yǎng)物補(bǔ)充、 PH 值的調(diào)節(jié)等。 ? 培養(yǎng)液是 一多相體系，由液相、固相（菌體，不溶性培養(yǎng)基組分）和氣相構(gòu) 成。 ①牛頓流體和非牛頓流體 ?牛頓型流體：服從牛頓黏性定律，黏度只是溫度的函數(shù)，與流變狀態(tài)無關(guān)。即發(fā)酵罐中任何局部黏度相同，與攪拌速度 、半徑無關(guān)。 （清細(xì)菌、酵母液） ?非牛頓型流體：不服從牛頓黏性定律，其黏度不僅受溫度影響，而且隨流動(dòng)狀態(tài)而異?？煞譃閹追N類型的流體。與切變率有關(guān)。 （放線菌、霉菌、高濃度細(xì)菌、酵母培養(yǎng)液） ②非牛頓流體的攪拌功率 ?罐中非牛頓流體的平均切變率與攪拌速 度成正比。 _ 平均切變率 r = k N k—無因次常數(shù) N—攪拌器轉(zhuǎn)速 對(duì)不同的非牛頓流體，采用不同型式和大小的攪拌器， k 值一般在 1013 之間。 ? 在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液和黏度系數(shù)、流變特征指數(shù)表現(xiàn)出時(shí)變性。 影響供氧的因素 ?由氧傳質(zhì)方程式： OTR=KLα （ C*CL） 可知，以下因素影響氧傳遞速率： （ 1 ）影響 KLα 的因素 ； （ 2 ）影響推動(dòng)力（ C*CL） 的因素 。 （ 1）影響 KLα 的因素 ①攪拌： 汽泡變小，增大汽液相接觸面積；延長汽泡 在液體中的停留時(shí)間；增加湍動(dòng)程度，減小氣泡 外液膜厚度，減小阻力；使培養(yǎng)基成分和細(xì)胞均 勻分布，利于營養(yǎng)物吸收，代謝物 擴(kuò)散。攪拌比 通氣速度對(duì) KLα 的影響更明顯。 但攪拌速度過高，會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損傷，并會(huì) 增加傳熱的負(fù)擔(dān)。 通氣效率還與罐體積（越小越好）、罐形狀、 結(jié)構(gòu)、攪拌器形式、擋板有關(guān)。 （ 1）影響 KLα 的因素 ②空氣流量： 供氧，帶走廢氣。 KLα 隨空氣流量增加而增加，但有限度。 如超過限度，攪拌器在空氣泡中空轉(zhuǎn)，不能分散空氣，攪拌功率下降。氣沿軸逸出。 （ 1）影響 KLα 的因素 ③培養(yǎng)掖性質(zhì)的影響： 微生物生長繁 殖和代謝可引起發(fā)酵液密度、黏度、表面張力、擴(kuò)散系數(shù)的變化。這些性質(zhì)的變化都會(huì)影響 KLα 值。 如：黏度增大，滯留液膜厚度增加，傳質(zhì)阻力增大；同時(shí)黏度影響擴(kuò)散系數(shù)，使通氣效率降低。 綜合操作條件和流體性質(zhì)對(duì) KLα 的影響，有： KLα =f(Di,N,ω s,DL,181。,ρ ,σ ,g) （ 1）影響 KLα 的因素 ④微生物生長的影響： 細(xì)胞濃增加， KLα 值變小，細(xì)胞濃度相同時(shí)，球狀菌懸液的 KLα 值是絲狀菌懸液 KLα 值的兩倍。 （流動(dòng) 特性，稠度差別較大） （ 1）影響 KLα 的因素 ⑤消沫劑的影響： 分布于氣液截界面，增大傳遞阻力，使 KL 下降（雖使 α 增大）。 產(chǎn)生泡沫原因多樣，其中發(fā)酵性泡沫氧低， CO2 高，不易破， ― 逃液 ‖ 。 消沫劑雖然使 KL 下降，但最終會(huì)有 效的改善發(fā)酵液的通氣效率。 （消沫劑的重要手段） （ 1）影響 KLα 的因素 ⑥離子強(qiáng)度的影響： 氣泡在電解質(zhì)溶液中，比在水中小很多， α 較 大， KLα 值也比水大。并隨濃度增加而增大。 丙酮、乙醇、甲醇等有機(jī)溶劑也有類似情況。 （ 2）影響推動(dòng)力的因素 ?提高推動(dòng)力實(shí)際上是增加氧的泡和度 C*。 影響因素有： ①溫度：常壓下，隨溫度升高而降低。 ②溶質(zhì)的影響：隨濃度增加氧飽和度下降。電解質(zhì)，因鹽析作用而降低；有機(jī)溶液，升高。 ③缸壓：缸壓增加，溶解氧濃度增加，但 CO2 也增加且更快。不利于液相中 CO2 排出。對(duì)細(xì)胞滲透壓有不利影響。 ④純氧：富氧通氣、溶解氧增加。但生產(chǎn)成本提高，不夠經(jīng)濟(jì)。 液相體積氧傳遞系數(shù) KLα 的測(cè)定 ?常握供氧，需氧情況，要測(cè)定： 溶解氧濃度，攝氧率和液相體積氧傳遞系數(shù) KLα 。 1. 攝氧率的測(cè)定： 先用純水標(biāo)定電極，得單位電流值代表的溶解氧濃度；測(cè)定時(shí)、關(guān)氣、除氣、保持?jǐn)嚢?；?xì)胞耗氧，培養(yǎng)基氧降，電流值降，攝氧率 r 求出。 液相體積氧傳遞系數(shù) KLα 的測(cè)定 KLα 的測(cè)定： 可用直接測(cè)定法，動(dòng)態(tài)測(cè)定法。 用復(fù)膜氧電極測(cè)定，停氣、 N 氣、除氣，保攪拌；溶氧下降， 到呼吸臨界氧濃度 時(shí)，恢復(fù)通氣。溶解氧濃度為縱坐標(biāo)，測(cè)定時(shí)間為橫坐標(biāo)。制得曲線，其斜率 =1/ KLα ；延長線與 縱軸的截距為 C* 。 提高溶氧的方法 ?加強(qiáng)攪拌； ?適當(dāng)?shù)目諝饬髁浚? ?減小培養(yǎng)基粘度； ?提高氧分壓； ?調(diào)節(jié)微生物呼吸強(qiáng)度的臨界值； ?合適的細(xì)胞濃度、碳源種類、 pH、溫度。 四、二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控制 ?二氧化碳的來源： 是微生物的代謝產(chǎn)物，也是某些合成代謝的一種基質(zhì)。 ?二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響： 對(duì)菌體： ◆ CO2 效應(yīng)：在發(fā)酵生產(chǎn)中不同微生物或某一生長階 段對(duì)二氧化碳有著特殊的要求（促進(jìn)或必須）； ◆通常對(duì)菌體生長有抑制作用。排氣中高于 4％時(shí)，糖 代謝和呼吸速率下降。 對(duì)產(chǎn)物： ◆需占一定的比例（或分壓），過高、過低產(chǎn)量都會(huì)下降； ◆ CO2 對(duì)某些發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。如：抗生素，組氨酸等。 ◆二氧化碳可通過改變 pH 而影響發(fā)酵生產(chǎn)。 四、二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控制 ?原因： CO2 作用膜脂質(zhì)核心部位，改變膜流動(dòng)性及表面電荷密度，影響膜運(yùn)輸效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長受限制，形態(tài)改變；（ HCOO3影響細(xì)胞膜的膜蛋白） 也可產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫?PH 下降，與其他物質(zhì)反應(yīng)，與生長必需金屬離子形成碳酸鹽沉淀，過分耗氧，引起溶解氧下降等，影響菌體生長和產(chǎn)物合成。 四、二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響及控制 ?發(fā)酵液中 CO2 濃度的影響因素： ◆細(xì)胞呼吸強(qiáng)度； ◆發(fā)酵液流變學(xué)特性； ◆通氣攪拌程度； ◆罐壓大??； ◆設(shè)備規(guī)模。 ?二氧化碳濃度的控制方法： ◆調(diào)節(jié)罐壓、通氣量和攪拌速度； ◆補(bǔ)料。（青霉素：補(bǔ)糖，增加 CO2 產(chǎn)生，降低 PH。） 五、泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及控制 ?泡沫產(chǎn)生的原因 ?泡沫過多對(duì)發(fā)酵的危害 ?泡沫的消長規(guī)律 ?泡沫的消除和防止 泡沫產(chǎn)生的原因 ?充氣產(chǎn)生泡沫 ?微生物代謝氣體形成泡沫 ?泡沫的產(chǎn)生與培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)（蛋白質(zhì)原料、蜜糖水解原料，淀粉水解不完全時(shí)易發(fā)泡） 泡沫過多對(duì)發(fā)酵的危害 ?使裝量減少，或造成跑液，使產(chǎn)量降低； ?通過軸封泄漏，污染設(shè)備，增加染菌機(jī)會(huì)； ?菌體粘附罐頂、罐壁，發(fā)酵液中菌體量減少； ?影響通氣攪拌的進(jìn)行，造成