【正文】 ? CO2產生與補料密切相關 青霉素發(fā)酵，補糖會增加 CO2的濃度和降低培養(yǎng)液的 pH值。 消泡劑具有不飽和性和還原性，使 RQ值偏低。 通氣攪拌調節(jié) CO2的溶解度：在 3 m3發(fā)酵罐中進行四環(huán)素發(fā)酵試驗，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)素產量提高 25%～ 30%。其偏離程度決 定于每單位菌體利用基質所形成的產物量。 發(fā)酵早期：主要是菌生長， RQ1； 過渡期：維持菌體生命活動，產物逐漸形成，基質葡萄糖的代謝不僅 僅用于菌體生長， RQ比生長期略有增加。 ?表征不同的基質利用情況 基質還原性強與弱的差異 例如： E. Coli 以琥珀酸為基質， RQ=； 以乳酸為基質， RQ= 以葡萄糖為基質， RQ=。采用增加罐壓的方法來消泡會增加 CO2的溶解度。 為了排除 CO2的影響，必須考慮 CO2在培養(yǎng)液中的溶解度，溫度及通氣情況。 （ 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， 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。 HCO3影響磷脂、親水頭部帶電荷表面及細胞膜表面的蛋白質。 ? CO2影響菌體形態(tài)： 例如：產黃青霉菌接種到溶解不同 CO2濃度的培養(yǎng)基中，發(fā)現： CO2分壓 0～ 8%時，菌絲主要是絲狀； CO2分壓 15%～ 22%，則膨脹，粗短的菌絲占優(yōu)勢； CO2為 MPa時，則出現球狀或酵母狀細胞，致使青霉素合成受阻，其比生成速率降低 40%左右。 舉例： ? CO2分壓 MPa，青霉素合成速度降低 40%； ? 氨基糖苷類抗生素紫蘇霉素生產：通以 1%CO2，微生物對基質的代謝極慢，菌絲增長速度降低，紫蘇霉素的產量比對照組降低 33%。min)的空氣流量通氣發(fā)酵，發(fā)酵液中溶解 CO2只達到抑制水平的 10%。當進氣口 CO2含量占混合氣體體積的 80%時，酵母活力只達到對照組的 80%。 ? CO2對菌體生長的作用：直接影響 ——排出 CO2高于 4%時，碳水化合物的代謝及微生物的呼吸速率下降。 例如：牛鏈球菌發(fā)酵生產多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含 5%的 CO2。 CO2對菌體生長和產物形成的影響 在發(fā)酵過程中， CO2有可能對發(fā)酵有促進作用，也有可能有抑制作用。它是細胞代謝的重要指標。當泡沫上升接觸探頭頂端時產生的信號，通過控制裝置，指令打開泵開關或閥門，自動加入消泡劑，泡沫消失，信號也隨之消失，閥門關閉。 ? 常見消泡劑： ?天然油脂類 玉米油、豆油、棉籽油、魚油等 ?高碳醇類 十八醇、乙二醇聚合物 ?聚醚類 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油 ?硅酮類 聚二甲基硅氧烷 （ 3）消泡劑具體使用過程 ? 最簡單的檢測是定時在發(fā)酵罐視孔上觀察泡沫產生情況，發(fā)現泡沫持續(xù)上升時，開啟消泡劑貯罐的閥門，流加少量消泡劑，使泡沫消失即可。 ? 罐內消泡法：借助耙式消泡槳 ? 罐外消泡法：旋轉葉片罐外消泡 優(yōu)點：不需引入其他物質，減少污 染機會； 缺點：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。 ⑶大量的泡沫易造成逃液，增加污染雜菌的機會，造成巨大損失。 ⑵使發(fā)酵液的裝料系數減少。泡沫與液體間沒有明顯的界線，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比列由下而上逐漸增加。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見到的。發(fā)酵過程中所遇到的泡沫，其分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。 表 影響需氧的工藝條件 項目 工藝條件 項目 工藝條件 好氣程度 補料或加糖 配方、方式、次數和時機 菌種特性 菌齡、數量 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 按生長或產物合成的臨界值控制 培養(yǎng)基性能 基礎培養(yǎng)基組成、配比 消泡劑或油 種類、數量、次數和時機 物理性質：黏度、表面張力等 表面活性劑 ?溶氧控制的方法及比較 本章主要內容 第一節(jié) 營養(yǎng)基質和菌體濃度 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)酵終點的控制 第八節(jié) 發(fā)酵過程的控制 第五節(jié) 泡沫的影響及控制 泡沫的性質 泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。工藝方面有許多行之有效地措施，如控制加糖或補料速率、改變發(fā)酵溫度、液化培養(yǎng)基、中間補水、添加表面活性劑等。X 原則上發(fā)酵罐的供氧能力無論提得多高，若 工藝條件 不配合，仍然會出現供氧不足的現象。h)； X——菌濃度， g/L。 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如：將氣泡的壓力提高到 10atm，則氧分壓就可達 。 ⑥消泡劑 消泡劑：降低氧的傳遞速率。 （ 1）影響體積氧傳遞系數 KLa的因素 ① 攪拌： ?形成小氣泡，增大比表面積 ?液體渦流運動，增加氣液接觸時間 ?料液湍流運動，促進傳質 ?使菌體分散，避免結團 ② 空氣流速（線速度）： ?空氣線速度較小時， KLa隨線速度增加而增加； ?空氣線速度增加至一定程度后，如不改變攪拌速度，則會降低攪拌功率，使 KLa降低，甚至發(fā)生“過載”現象 ③ 空氣分布管 ：改變氣泡大小，從而改變氣泡的比表面積。 CL——發(fā)酵液中氧濃度， mmol/L。h) KL——氧傳質系數， m/h； a——比表面積， m2/m3。 發(fā)酵過程溶氧的變化 （ 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，此時需氧超過供氧，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，如補料的數量、時機和方式等； （ 3）發(fā)酵后期：由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會明顯上升。 ? 根據需氧不同，可將初級代謝發(fā)酵分為以下三類： ①供氧充足條件下，產量最大；若供氧不足，合成受強烈抑制：如，谷氨酸、精氨酸、脯氨酸等； ②供氧充足條件下，可得最高產量；若供氧受限，產量受影響不明顯：如，異亮氨酸、賴氨酸、蘇氨酸等； ③若供氧受限，細胞呼吸受抑制時，才獲得最大量產物；若供氧充足，產物形成反而受抑制：如，亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸等。 ? 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。各種微生物的臨界氧值以空氣氧飽和度 %來表示，也可用單位體積中的溶氧量表示（ mmol/L） ,這必須在同樣的溫度、罐壓、通氣攪拌下進行比較。在好氧深層培養(yǎng)中，氧氣的供應往往是發(fā)酵能否成功的重要限制因素之一。h）。 ? 如果考慮呼吸的化學計量，則葡萄糖的氧化可由下式表示： C6H12O6+6O2=6H2O+6CO2 只有當這兩種物質都溶于水中才能進行反應。 菌體生長與產物合成間 pH值的相互關系 μ：菌體的比生長速率 Qp：產物比生產速率 表 幾種抗生素的最適 pH發(fā)酵范圍 本章主要內容 第一節(jié) 營養(yǎng)基質和菌體濃度 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)酵終點的控制 第八節(jié) 發(fā)酵過程的控制 第四節(jié) 溶氧的影響及控制 ? 氧是一種難溶于水的氣體。流加時除主要考慮 pH變化外，還當考慮菌體生長、耗糖、發(fā)酵的不同階段來調整添加的頻率和量。通過少量多次流加的方式進行。 發(fā)酵過程 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中和，在乳酸發(fā)酵中防止乳酸產量的降低。 （ 2）菌體的代謝產物會改變發(fā)酵液的 pH：代謝產生有機酸，如乳酸、乙酸、檸檬酸等；或一些堿性物質。 發(fā)酵過程中影響 pH變化的因素 （ 1）菌體對營養(yǎng)基質的吸收引起發(fā)酵液 pH的改變：培養(yǎng)基 pH在發(fā)酵過程中能被菌體代謝所改變。 發(fā)酵液 pH值對發(fā)酵的影響 ?影響微生物細胞原生質膜的電荷狀態(tài)：改變原生質膜的離子透性，影響營養(yǎng)物質的吸收和代謝產物的泄漏； ?影響酶的活性：酶需在最適的 pH值環(huán)境中工作；某些酶的活性在某 pH值下受到抑制是對產物的一種保護機制； ?影響菌體的形態(tài)： pH值還會影響某些霉菌的形態(tài)，如細胞壁厚度、菌絲直徑。 ?對于同一種微生物由于生長環(huán)境的 pH不同，也可能會形成不同的發(fā)酵產物。 ?pH是微生物生長和產物合成的重要參數，代謝活動的綜合指標。 本章主要