(2)消泡油添加过量 (3)生理酸性物质的存在 4,引起pH上升的因素(1)氮源过多 (2)生理碱性物质的存在 (3)中间补料,碱性物质添加过多 5,最适pH的选择选择原则:有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实 验结果确定。 最适pH与菌株,培养基组成,发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控 制不同的pH范围。 最适pH与微生物生长,产物形成之间相互关系有四种类型 (1)菌体比生长速率u和产物比生产速率QP的最适pH在一个相似的较宽 的范围内(比较容易控制) (2)μ较宽,Qp范围较窄,或μ较窄,Q范围较宽(难控制,应严格控 制) (3)μ和Qp对pH都很敏感,其最适pH相同(应严格控制); (4)更复杂,μ和Qp对p都很敏感,并有各自的最适pH(难度最大); 6,p的控制在发酵过程中可通过以下方式来控制pH (1)调节基础培养基的配方 (2)调节碳氮比(C/N) 3)添加缓冲剂 (4)补料控制 (5)直接加酸加碱 (6)补加碳源或氮源 三、氧对发酵的影响 大多数发酵过程是好氧的,因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量,则葡 萄糖的氧化可由下式表示 C6H1206十602=6H2O十6C02 只有当这两种反应物均溶于水后,才对菌体有用。 氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为 10mg/L)。许多发酵的生产能力受到氧利用限制,因此氧成为影响发酵效率的重 要因素。1,发酵过程中氧的需求 尽管考虑了呼吸的化学计量而使供氧问题得以正确评价,但由于未曾将转化 为生物物质的碳加以考虑而使菌体的真实需氧情况难以表明。许多研究工作者已 经考虑到氧、碳源、氮源转化为生物物质的总化学计量关系,并利用这样的关系 来预测发酵的需氧情况。从这些测定结果发现菌体的需氧似乎完全取决于培养基 中的碳源。 Darlington(1964)以C39H65O19来表述100克酵母菌体(干重)的组分 并对由碳氢化合物和碳水化合物生产酵母推导得到如下方程式: 667CH2O+2.102=C392H63O9+2.75C02+3.42H2O 14CH2+6.13502=C392H6O9+3.22C02+3.89H2O 根据 Darlington方程式,可知同样生100g菌体,用碳氢化合物所需的氧约
（2）消泡油添加过量 （3）生理酸性物质的存在 4，引起 pH 上升的因素（1）氮源过多 （2）生理碱性物质的存在 （3）中间补料，碱性物质添加过多 5，最适 pH 的选择选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实 验结果确定。 最适 pH 与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控 制不同的 pH 范围。 最适 pH 与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型： （1）菌体比生长速率μ和产物比生产速率 QP 的最适 pH 在一个相似的较宽 的范围内（比较容易控制）； （2）μ较宽， Qp 范围较窄，或μ较窄， Qp 范围较宽（难控制，应严格控 制）； （3）μ和 Qp 对 pH 都很敏感，其最适 pH 相同（应严格控制）； （4）更复杂，μ和 Qp 对 pH 都很敏感，并有各自的最适 pH（难度最大）； 6，pH 的控制在发酵过程中可通过以下方式来控制 pH （1）调节基础培养基的配方 （2）调节碳氮比（C/N） （3）添加缓冲剂 （4）补料控制 （5）直接加酸加碱 （6）补加碳源或氮源 三、氧对发酵的影响 大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡 萄糖的氧化可由下式表示： C6H 12O6 十 6O2＝6H2O 十 6CO2 只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。 氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约 6000 倍左右(氧在水中的饱和度约为 l0mg/L) 。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重 要因素。1，发酵过程中氧的需求 尽管考虑了呼吸的化学计量而使供氧问题得以正确评价，但由于未曾将转化 为生物物质的碳加以考虑而使菌体的真实需氧情况难以表明。许多研究工作者已 经考虑到氧、碳源、氮源转化为生物物质的总化学计量关系，并利用这样的关系 来预测发酵的需氧情况。从这些测定结果发现菌体的需氧似乎完全取决于培养基 中的碳源。Darlington(1964)以 C3.92H6.5O1.94 来表述 100 克酵母菌体(干重)的组分， 并对由碳氢化合物和碳水化合物生产酵母推导得到如下方程式： 根据 Darlington 方程式，可知同样生 100g 菌体，用碳氢化合物所需的氧约 6.67CH2O + 2.1O2 = C3.92H6.5O1.94 + 2.75CO2 +3.42H2O 7.14CH2 + 6.135O2 = C3.92H6.5O1.94 +3.22CO2 +3.89H2O
为用碳水化合物生产时的3倍。 Johnson(1964)得出如下方程: 4-B=C A为燃烧1g底物成CO2、H2O和NH3(如底物中有氮存在)所需氧的量, 此值易于计算获得;B为燃烧lg菌体成CO2、H2O和NH3所需氧的量,如果 菌体组分已知的话,则也可计算获得 C为生产1克菌体所需氧的量; Y为1克底物转化成菌体的克数。 对葡萄糖C(mmol/g)=332-41.7 对烷烃C(mmol/g)=1y2-41.7 因此,A/Y为燃烧生成lg菌体的底物所需的氧,而B为燃烧菌体所需氧的 量;它们之间的差为C,即为转化底物成菌体所需氧的量。将 Johnson方程式 应用于利用葡萄糖和烷烃生产酵母的下列方程式为:如果对葡萄糖来说Y值取 50%,而对烷烃来说Y值取100% 则:C对葡萄糖=2495mmol氧/g菌体; 耗氧的克数 菌体形成的克数 =32+86-1.58 Y:与碳源有关的菌体生成量 M:碳源的分子量 C对烷烃=654mmol氧g菌体 Mateles(1971)推导得一种碳源与需 氧间关系的方程式,他假定代谢产物仅为菌体、CO2、H2O;以及菌体的正常组 分C为53%、N为12%、O为19%、H为7%,则 Mateles利用此关系式对许多菌体利用各种基质所需的氧进行了计算生长 于不同基质上的不同微生物的需氧要求 质微生物g氧/g干菌体 葡萄糖大肠杆菌 甲醇假单孢菌C 辛烷假单孢菌 Yo=y3-9x-043 Yop:形成每克卞青霉素钠所需氧的克数 Ypo:消耗每克葡萄糖所形成的卞青霉素钠的克数 Y:形成的干菌体克数 P:形成的卞青霉素钠的克数 上述方程式与生物物质的形成有关,并假定微生物除产生水、二氧化碳外, 无其它产物形成。因此,这些方程仅能适用于菌体生产过程中预测氧的要求,而 对菌体能形成其它产物的过程则需要加以修正。例如 Cooney(1979)建议用下列方 程式计算青霉素发酵:
为用碳水化合物生产时的 3 倍。 Johnson(1964)得出如下方程： A 为燃烧 1g 底物成 CO2、H2O 和 NH3（如底物中有氮存在）所需氧的量， 此值易于计算获得；B 为燃烧 1g 菌体成 CO2、H2O 和 NH3 所需氧的量，如果 菌体组分已知的话，则也可计算获得。 C 为生产 1 克菌体所需氧的量； Y 为 1 克底物转化成菌体的克数。 因此，A/Y 为燃烧生成 1g 菌体的底物所需的氧，而 B 为燃烧菌体所需氧的 量；它们之间的差为 C，即为转化底物成菌体所需氧的量。 将 Johnson 方程式 应用于利用葡萄糖和烷烃生产酵母的下列方程式为： 如果对葡萄糖来说 Y 值取 50％，而对烷烃来说 Y 值取 100％； 则：C 对葡萄糖 ＝24.95mmol 氧/g 菌体； C 对烷烃 ＝65.4mmol 氧/g 菌体 Mateles(1971)推导得一种碳源与需 氧间关系的方程式，他假定代谢产物仅为菌体、CO2、H2O；以及菌体的正常组 分 C 为 53％、N 为 12％、O 为 19%、H 为 7％，则 Mateles 利用此关系式对许多菌体利用各种基质所需的氧进行了计算 生长 于不同基质上的不同微生物的需氧要求 基 质 微生物 g 氧/g 干菌体 葡萄糖 甲 醇 辛 烷 大肠杆菌 假单孢菌 C 假单孢菌 0.4 1.2 1.7 上述方程式与生物物质的形成有关，并假定微生物除产生水、二氧化碳外， 无其它产物形成。因此，这些方程仅能适用于菌体生产过程中预测氧的要求，而 对菌体能形成其它产物的过程则需要加以修正。例如 Cooney(1979)建议用下列方 程式计算青霉素发酵： Y B C A − = / 41.7 / 41.7 101.7 33.33 = − = − Y Y C mmol g C mmol g 对烷烃 （ ） 对葡萄糖 （ ） ：碳源的分子量 ：与碳源有关的菌体生成量 菌体形成的克数 耗氧的克数 M Y Y M C H O 1.58 32 8 16 = − + − ：形成的卞青霉素钠的克数 ：形成的干菌体克数 ：消耗每克葡萄糖所形成的卞青霉素钠的克数 形成每克卞青霉素钠所需氧的克数 P X Y Y Y Y P O O P P X O P P O / / 0.5 3 0.6 / : 0.43 / = − −
但是,由于菌体的代谢是受发酵液中的溶氧浓度的影响,故简单地依据总需 求来供氧是欠妥的。溶氧浓度对比摄氧率(QO2每克干菌体每小时所消耗的氧的 毫摩尔数用米氏型线表示。 Qo2 Dissolved Oxygen Concentration 临界氧浓度(C囌):指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度,或微生物对发 酵液中溶解氧浓度的最低要求。某些微生物的临界氧浓度 微生物温度(C)临界氧浓度(mmoM 固氮菌 0.018 大肠杆菌 0.008 酵母 0.004 产黄青霉 0.022 2、溶氧对发酵的影响由此可知,只有使溶氧浓度髙于其临界值,才能维持 菌体的最大比摄氧率,得到最大的菌体合成量。如果溶氧浓度低于临界值,则菌 体代谢受到干扰。但是,发酵工业的目标是要得到菌体发酵的产物而不是菌体本 身。因此,由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰,可能对形成某些产物是有利的;同 理,当提供的氧浓度远大于临界值时,虽对菌体形成无妨,但也许能刺激产物的 形成;所以,某种产物形成的最佳条件可能不同于菌体生长的最佳通气条件。根 据需氧不同,可将初级代谢发酵分为 a.供氧充足条件下,产量最大;若供氧不足,合成受强烈抑制; 如:谷氨酸,精氨酸,脯氨酸等 b供氧充足条件下,可得最高产量:若供氧受限,产量受影响不明显; 如:异亮氨酸,赖氨酸,苏氨酸等 c.若供氧受限,细胞呼吸受抑制时,才获得最大量产物;若供氧充足,产物 形成反而受抑制 如:亮氨酸,缬氨酸,苯丙氨酸等但在实际生产过程中需注意: 溶解氧浓度过低(代谢异常,产量降低)
但是，由于菌体的代谢是受发酵液中的溶氧浓度的影响，故简单地依据总需 求来供氧是欠妥的。溶氧浓度对比摄氧率(QO2 每克干菌体每小时所消耗的氧的 毫摩尔数)用米氏型曲线表示。 临界氧浓度（C 临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发 酵液中溶解氧浓度的最低要求。某些微生物的临界氧浓度 微 生 物 温度（˚C） 临界氧浓度（mmol/L） 固 氮 菌 大肠杆菌 酵 母 产黄青霉 30 37 30 24 0.018 0.008 0.004 0.022 2、溶氧对发酵的影响由此可知，只有使溶氧浓度高于其临界值，才能维持 菌体的最大比摄氧率，得到最大的菌体合成量。如果溶氧浓度低于临界值，则菌 体代谢受到干扰。但是，发酵工业的目标是要得到菌体发酵的产物而不是菌体本 身。因此，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的；同 理，当提供的氧浓度远大于临界值时，虽对菌体形成无妨，但也许能刺激产物的 形成；所以，某种产物形成的最佳条件可能不同于菌体生长的最佳通气条件。 根 据需氧不同，可将初级代谢发酵分为： a.供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显； 如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等 c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物 形成反而受抑制； 如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等但在实际生产过程中需注意： –溶解氧浓度过低（代谢异常，产量降低） Dissolved Oxygen Concentration Ccritical QO2
-溶解氧浓度过高(代谢异常,菌体提前自溶)实例一在对黄色短杆菌 Brε vibacteriuⅧ m flavum)生物合成氨基酸进行研究时发现,溶氧浓度对相关的氨基 酸的生物合成具有很大的影响。研究表明:菌体的临界溶氧浓度为0.0lmg/L 并根据“安全”的程度予以考虑供氧的程度,也即把菌体的呼吸率作为最大呼吸率 的一个组成部分。因此,氧安全值低于最大呼吸率就意味着其溶氧浓度低于临界 值 当游亩王1叶酴和王和有融计有甘酴众术动m但雨 氨酸, 赤轟糖 径中可 磷酸烯酢式丙惘酸 苯丙氨酸 缬贰酸 苯丙氨 亮氦酸 式丙酮数.9 乙酰C。A 天冬氨酸 草酰乙酸 拧酸 糗氨酸苏氨酸 a·酮戊二酸 异亮氨酸 谷氨酸 氧安全程度 脯氨酸 图9.2溶氧对产生氨基酸的影响 图9.3黄色短杆菌生物合成 (Hirose and Shibai, 1980) 氨基酸途径 t。亮氨酸;2.辙氨酸:3.苯丙氨酸:4.赖氨酿 6。异亮瓠酸;6,苏氨酸;7,鼬炙酸:8.谷氨酸 9.谷氨酰胺:10.精氨酸 实例二 Feren和 Squires(1969)对顶头孢霉产生头孢菌素和卷曲霉素 ( Capreomycin)的研究即是一个氧对次级代谢影响的例子。他们的研究表明,头孢 菌素产生菌的临界氧浓度在0-7%的空气饱和度间;而对卷曲霉素产生菌则为 13~23%。但就抑制抗生素生物合成的溶氧浓度来说,对头孢菌素为低于10-20%; 而对卷曲霉素则为8%。因此,在生产头孢菌素时,应使其溶氧浓度远大于临界 值,而在生产卷曲霉素时,则应使其溶氧浓度低于临界值。3、发酵过程的溶氧 变化发酵前期:由于微生物大量繁殖,需氧量不断大幅度增加,此时需氧超过供 氧,溶氧明显下降。 发酵中后期,溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响,如补料的数量、时机 和方式等。 发中艹烹皿短出人,上口苎体自溶 溶氧就 氧 邮50 粘度 100
–溶解氧浓度过高（代谢异常，菌体提前自溶）实例一在对黄色短杆菌 (Brevibacterium flavum)生物合成氨基酸进行研究时发现，溶氧浓度对相关的氨基 酸的生物合成具有很大的影响。研究表明：菌体的临界溶氧浓度为 0.01mg/L； 并根据“安全”的程度予以考虑供氧的程度，也即把菌体的呼吸率作为最大呼吸率 的一个组成部分。因此，氧安全值低于最大呼吸率就意味着其溶氧浓度低于临界 值。 当溶氧浓度低于 1.0 时，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影响，但苯丙 氨酸，缬氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧浓度分别为 0.55、0.60 和 0.85。从合成途 径中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸来自于三羧酸循环(TCA)的中间体，而 苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸来自于糖酵解的中间体，即来自于丙酮酸和磷酸稀醇 式丙酮酸。 实例二 Feren 和 Squires(1969)对顶头孢霉产生头孢菌素和卷曲霉素 (Capreomycin)的研究即是一个氧对次级代谢影响的例子。他们的研究表明，头孢 菌素产生菌的临界氧浓度在 0~7％的空气饱和度间；而对卷曲霉素产生菌则为 13~23％。但就抑制抗生素生物合成的溶氧浓度来说，对头孢菌素为低于 10-20％； 而对卷曲霉素则为 8％。因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于临界 值，而在生产卷曲霉素时，则应使其溶氧浓度低于临界值。 3、发酵过程的溶氧 变化发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供 氧，溶氧明显下降。 发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机 和方式等。 发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶， 溶氧就会明显地上升
4、溶氧的控制 (1)调节通风与搅拌(具体内容在通风发酵设备中介绍) (2)限制基础培养基的浓度,使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平; 并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。 四、CO2对发酵的影响及控制 CO是微生物的代谢产物,同时也是某些合成代谢的基质。它是细胞代谢的 重要指标。在发酵过程中,CO2有可能对发酵有促进作用,也有可能有抑制作用 1、CO2对发酵的影响 (1)CO2对菌体具有抑制作用 当排气中CO2的浓度高于4%时,微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如 发酵液中CO2的浓度达到16×10-mol,就会严重抑制酵母的生长;当进气口 CO的含量占混合气体的80%时,酵母活力与对照相比降低20%。(2)CO2对发 酵的影响 ①对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖,最重要的发酵条件是提供的空气 中要含5%的CO2。 ②对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制 ③影响发酵液的酸碱平衡2、CO2对发酵影响的机理 CO及HCO主要是影响细胞膜的结构,导致膜的流动性及表面电荷密度发 生改变,影响到细胞膜的输送效率,导致细胞生长受到抑制、形态发生改变 培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位;HCO3影响细胞膜的膜蛋白 3、CO2的控制 CO在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律。它的大小受到许 多因素的影响,如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压 大小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制 五、发酵过程中的泡沫及其控制 1,泡沫的性质 泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此 不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫,其分散相是无菌空气和代谢气体,连续相 是发酵液。 2,泡沫的类型一类存在于发酵液的液面上,这类泡沫气相所占比例特别大 并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种 子培养液中所见到的。 另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细,而且很均 匀,也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限,在鼓泡的发酵液中气体分散
4、溶氧的控制 （1）调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍） （2）限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平； 并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。 四、CO2对发酵的影响及控制 CO2 是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢的基质。它是细胞代谢的 重要指标。在发酵过程中，CO2 有可能对发酵有促进作用，也有可能有抑制作用。 1、CO2 对发酵的影响 （1）CO2 对菌体具有抑制作用 当排气中 CO2 的浓度高于 4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如， 发酵液中 CO2 的浓度达到 1.6×10-1mol，就会严重抑制酵母的生长；当进气口 CO2 的含量占混合气体的 80%时，酵母活力与对照相比降低 20%。（2）CO2 对发 酵的影响 ①对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气 中要含 5%的 CO2。 ②对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制 ③影响发酵液的酸碱平衡 2、CO2 对发酵影响的机理 CO2 及 HCO3 -主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发 生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。 培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位；HCO3 -影响细胞膜的膜蛋白。 3、CO2 的控制 CO2 在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律。它的大小受到许 多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压 大小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。 五、发酵过程中的泡沫及其控制 1，泡沫的性质 泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此 不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相 是发酵液。 2，泡沫的类型一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大， 并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种 子培养液中所见到的。 另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均 匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散