? 不同种类的微生物对pH要求不同
? 细菌 6.8-7.5 放线菌 6.8-8.8 ? 酵母 3.0-6.5 霉菌 4.5-5.8
? 同种微生物在不同的pH条件下产物不同
? 酵母菌：酒精（pH3.0-4.0）、甘油（pH7.0-7.5） ? 黑曲霉：柠檬酸（pH2.0-3.0）、草酸（pH7.0）
? 发酵的不同阶段微生物的最适pH不同
? 土霉素发酵：生长繁殖pH6.0-7.5，代谢pH5.5左右
? 对微生物生长和产物合成的影响：
? 酶的活性
? 细胞膜所带电荷的状态 改变通透性 ? 酪液中物质的电离 影响此物质利用 ? 改变菌体代谢的方向
? pH可以影响某些霉菌的形态（出芽短梗霉
? 影响pH变化的因素
pH值的变化取决于微生物的种类、发酵条件和培养基的组成
? 菌种：产酸、产碱代谢 ? 培养基成分：
? 基质利用不彻底，有机酸积累，pH下降 ? 基质中酸性物质或碱性物质含量高， ? 氮源被利用，pH上升
? 发酵条件：T高，代谢快，pH下降等
发酵过程中pH的控制
? 培养基原始pH值调节
? 变化大，加缓冲液
? 无机盐的比例（如磷酸盐、碳酸钙等） ? 消前pH值比最适pH值稍高0.2-0.4
? 发酵过程中pH值调节
? 流加弱酸弱碱
? 补加生理酸性物质（如硫酸铵）和生理碱性物质（如氨水） ? 补料：如青霉素发酵利用补加葡萄糖的速率控制pH
3、溶解氧浓度
对于好氧发酵，溶解氧浓度是最重要的参数之一 两个概念
? 呼吸强度QO2：单位重量的干菌体在单位时间内所消耗的氧的mmol量。 ? 耗氧速率γ：单位时间内单位体积的培养液所消耗的氧的mmol量。 ? 溶解氧对发酵的影响
? 不同微生物需氧量不同，20-80 mmol/L·h
? 青霉素γ＝40-45mmol/L·h ? 链霉素γ＝ 45-50 mmol/L·h
? 同种微生物在不同菌龄，需氧量不同
? 幼龄菌 （时间概念）正在繁殖状态，浓度小 ? 对数生长期：繁殖茂盛，耗氧速度大 ? 稳定期：耗氧较大，稳定
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? 晚龄期：主要生长代谢产物，耗氧小
? 发酵的不同阶段，需要量不同
? 谷氨酸：生长13mmol/L·h，代谢50mmol/L·h
? 受酪液中溶解氧的限制
临界氧浓度：某种MO对环境中的氧有最低的溶氧要求
? 发酵过程中溶解O2的变化 （图）
? 前期：大量繁殖，需氧量增加，溶解氧下降 ? 中期：需氧量稳定
? 后期：需氧量下降，溶解氧上升
? 影响氧溶解的因素 （重点）
? 搅拌与挡板
? 线速度 ：在一定范围内醪液中溶解氧与线速度呈正比 ? 空气分布管
? 氧的分压 ：分压越大溶解氧效果越好 ? 发酵罐内液注高度 ：（一般为70％） ? 发酵罐体积 ：体积越大，溶氧越好
? 发酵液的物理性质 ：浓度、粘度、表面张力等 ?
? 发酵过程中溶解氧的控制
供氧：将空气中氧气溶解在发酵液中的过程
耗氧：微生物在其生长代谢过程中所消耗的溶解在醪液中的氧的过程
控制供氧与耗氧平衡
三、 发酵设备
定义：进行微生物深层培养的设备统称 为发酵罐，又叫生物反应器。
作用：为细胞代谢提供一个适宜的物理及 化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量或代谢产物。
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一：一般生化反应过程 空气
↓
细胞或酶等生物催化剂 除菌 CO2等 监测和控制 （游离或固定化） ↓ ↑
↘ ↙
生物反应器 ↓ ↓ 冷却水
原材料 → 培养基→ 灭菌 产物预处理 }↗ ↓
废物
产品提取或液化 ↙ ↓ ↘
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产物 副产物 废物
由图可见，生物反应器在生物过程中，具中心作用，是实现产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。反应器中，通过产物合成，廉价原料被升值了。生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，对产品成本和质量有很大影响。 1、生物反应器设计的目标和原则
? 一个优良的生物反应器应具备的条件：
? 严密的结构
? 良好的液体混合性能 ? 高的传质和传热速率 ? 灵敏的检测和控制仪表
? 判断生物反应器好坏的唯一标准是：该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效
率。
2、生物反应器的分类
? 根据微生物与氧的关系分：
机械搅拌式发酵罐
? 好氧发酵设备
通风搅拌式发酵罐
? 厌氧发酵设备
机械搅拌式发酵罐
? 是发酵工厂常用的类型之一；
? 利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促进氧的溶解，以保证供给微
生物生长繁殖和代谢所需的溶解氧。 ? 典型的有：
? 通用式发酵罐和自吸式发酵罐
? 通用式发酵罐的基本条件
① 发酵罐应具适宜高径比（一般高径比为1.7～4倍） ② 发酵罐能承受一定压力
③发酵罐搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液 必须的溶解氧 ④发酵罐应具足够冷却面积。微生物生长代谢过程放出大量热量必须通过冷却来调节不同发酵阶段所需温度
⑤发酵罐应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌彻底 ⑥ 搅拌器轴封应严密，尽量减少泄漏 发酵罐的部分部件 ①机械搅拌的作用：（重点）
? 打碎空气气泡，增加气液接触面积，以提高气液间的传质速率； ? 使发酵液充分混合，液体中的固形物料保持悬浮状态。
②传热装置：有夹套（<5吨）和蛇管（>5吨）两种
③搅拌器分平叶式、弯叶式、箭叶式三种，国外多用平叶，我国多用弯叶。 其作用是打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于醪液中。
④挡板的作用：改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 ⑤消泡器
消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。 孔板式的孔径约10～20mm。 ⑥空气分布装置
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单管式分布装置：
管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm，这样的空气分散效果较好。 环形管的分布装置：
以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直径为φ5～8mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。空气流速取：20m/sec ⑦轴封
（2）自吸式发酵罐
是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。 应用：
? 医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵母、蛋白
酶等。取得了良好的成绩。
工作原理：
1. 搅拌器中央带吸气口
2.搅拌器由从罐底向上伸入的主轴带动
3.叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，于是将罐外空气通过搅拌器中心的吸气管而吸入罐内，
4.吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，
5.通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。 6.空气吸入管通常用一端面轴封与叶轮连接，确保不漏气。
? 优点：
? 气液接触良好，提高了氧的溶解速率 ? 虽搅拌功率大，但总体能耗较少
? 缺点：
? 对空气除菌装置要求高（普通过滤器阻力大） ? 进罐空气处于负压，易染菌
? 搅拌转速太高，可能切断菌丝，影响菌体正常生长
通风搅拌式发酵罐
? 通风的目的：
? 供给微生物所需要的氧气
? 利用通入的空气代替搅拌器使发酵液均匀混合
? 分类：
? 循环式通风发酵罐 ? 高位塔式发酵罐
? 循环式通风发酵罐是利用空气的动力使液体在循环管中上升，并沿着一定路线进行
循环。（空气带升式发酵罐或带升式发酵罐） ? 高位塔式发酵罐（略） 厌氧发酵设备
厌氧发酵也称静止培养，不需供氧，设备和工艺都较好氧发酵简单。
? 严格的厌氧液体深层发酵的主要特色：
? 排除发酵罐中的氧
? 罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层气相的影响，有时还需充人非氧气
体
? 发酵罐的排气口要安装水封装置
? 厌氧发酵需使用大剂量接种（一般接种量为总操作体积的10%～20%），使
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菌体迅速生长，减少其对外部氧渗入的敏感性。
厌氧发酵的应用
? 酒精、丙酮、丁醇、乳酸和啤酒等 四、下游加工过程
定义：从发酵液中分离、精制有关产品的过程。（提炼） 目的：将目的产品从发酵液中分离出来并纯化，制成成品 1. 发酵液的理化性质
? 组成：菌体细胞、代谢产物和剩余培养基等 ? 黏度通常很大，分离固体物质很困难 ? 发酵产品在发酵液中浓度很低
? 产品与其他物质共存于胞内或胞外，形成复杂的混合物
? 产品通常很不稳定，遇热、极端pH值、有机溶剂会分解或失活 2. 提炼工艺需考虑
? 发酵液的理化性质
? 发酵是分批操作，各批次不尽相同，要求工艺有弹性 ? 对待染菌批次也要能处理 ? 提纯的产品要求纯度较高
故：下游加工过程是最重要、成本费用最高的环节，如抗生素、乙醇、柠檬酸等占总投资60%
3. 提炼工艺一般分四个阶段
? 发酵液预处理和固液分离 ? 提取 ? 精制 ? 成品加工
4.提炼工艺的一般流程图： 发酵液 ↓
预处理（加热 调pH、絮凝） ↓
细胞分离（过滤、离心分离、错流过滤） ↓
细胞破碎（匀化、研磨） ﹜ 胞外产物 ↓
细胞碎片分离（离心分离、错流过滤、两水相萃取） ↓
初步纯化（沉淀、吸附、离子交换、萃取、超滤） （提取） ↓
高度纯化（沉淀、超滤、层析分离、结晶） （精制） ↓
成品加工（浓缩、无菌过滤、干燥） 5. 提炼工艺的具体操作阶段 发酵液预处理和固液分离
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