《發(fā)酵工程》教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容：第九章第一節(jié)氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響第九章第二節(jié)發(fā)酵過程的pH控制一教學(xué)目標(biāo)：1、了解微生物對(duì)氧的需求并掌握其中的基本概念。2、掌握反應(yīng)器氧的傳遞方程，及其參數(shù)的測(cè)定。3、深入理解Kla的意義，了解反應(yīng)器放大的基本概念。4、掌握發(fā)酵過程中溶氧濃度的調(diào)節(jié)方法，并認(rèn)識(shí)監(jiān)控溶氧濃度的意義。5、發(fā)酵過程pH變化的原因是：基質(zhì)代謝、產(chǎn)物形成、生理酸堿性物質(zhì)的代謝。6、pH影響發(fā)酵的機(jī)理。7、發(fā)酵過程pH控制包括靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制。靜態(tài)控制就是確定最適pH條件，動(dòng)態(tài)控制就是對(duì)過程的pH變化進(jìn)行調(diào)控。8、發(fā)酵過程調(diào)節(jié)pH的方法，原則是：在調(diào)節(jié)pH與補(bǔ)料沒有矛盾的情況下用補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH，否則用酸堿調(diào)節(jié)。二教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1、教學(xué)重點(diǎn)：了解微生物對(duì)氧的需求并掌握一些基本概念；掌握發(fā)酵過程中溶氧濃度的調(diào)節(jié)方法；了解發(fā)酵過程pH變化的原因及pH對(duì)發(fā)酵的影響；掌握發(fā)酵過程中調(diào)控pH的方法。2、教學(xué)難點(diǎn)：理解Kla的意義及反應(yīng)器中氧的傳遞及平衡；掌握發(fā)酵過程中調(diào)控pH的方法。三課時(shí)安排：3課時(shí)四教學(xué)方法：講授法五教學(xué)內(nèi)容1氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響溶氧(DO)是需氧微生物生長(zhǎng)所必需。在發(fā)酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往最易成為控制因素。28℃時(shí)氧在發(fā)酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100％空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。1.1微生物對(duì)氧的需求1.1.1描述微生物需氧的物理量1.1.1.1比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-11.1.1.2攝氧率(r)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1。r=QO2.X1.1.2溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響1.1.2.1臨界溶氧濃度(CCr)：指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度。1.1.2.2溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)速率的關(guān)系QO2：比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度CCr:臨界溶氧濃度CL：發(fā)酵液中氧的濃度CL>Ccr，QO2保持恒定；CL<Ccr，QO2大大下降。所以對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過程中氧飽和度>1.1.1.3影響需氧的因素1.1.3.1菌體濃度1.1.3.2QO2影響QO2的因素：遺傳因素、菌齡、營(yíng)養(yǎng)的成分與濃度、有害物質(zhì)的積累、培養(yǎng)條件菌齡的影響:一般幼齡菌QO2大，晚齡菌QO2小培養(yǎng)基的成分和濃度：不同碳源的耗氧速率：油脂或烴類>葡萄糖>蔗糖>乳糖培養(yǎng)基濃度:濃度大,QO2↑;濃度小,QO2↓發(fā)酵條件的影響：pH值→通過酶活來影響耗氧特征;溫度→通過酶活及溶氧來影響耗氧特征：T↑,DO2↓

代謝類型(發(fā)酵類型)的影響：若產(chǎn)物通過TCA循環(huán)獲取,則QO2高,耗氧量大若產(chǎn)物通過EMP途徑獲取,則QO2低,耗氧量小1.2反應(yīng)器中氧的傳遞1.2.1發(fā)酵液中氧的傳遞方程1.2.1.1N：傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質(zhì)系數(shù)kmol/m2.h.atmKl:液膜傳質(zhì)系數(shù)m/h1.2.1.2C*＝P/H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:以氧濃度為推動(dòng)力的總傳遞系數(shù)(m/h)1.2.1.3令：?jiǎn)挝惑w積的液體中所具有的氧的傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)h-11.2.2發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中:傳遞：消耗：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面1.2.3供氧的調(diào)節(jié)C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla和C*來調(diào)節(jié)，其中C*＝P/H所以，影響Nv的因素有：P、H、Kla1.2.3.1根據(jù)亨利定律，與溶解濃度達(dá)到平衡的氣體分壓與該氣體被溶解的分子分?jǐn)?shù)成正比，即P=H/C*。H為亨利常數(shù)，表示氣體溶解于液體的難易程度，與氣體、溶劑種類及溫度有關(guān)。因此，可以通過控制溫度、溶質(zhì)、溶劑、氧分壓來調(diào)節(jié)Nv1.2.3.2調(diào)節(jié)Kla是最常用的方法，Kla反映了設(shè)備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。1.3影響Kla的因素Kla反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖瓶與發(fā)酵罐。1.3.1影響搖瓶Kla的因素裝液量:一般取搖瓶1/10左右搖瓶機(jī)：往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8cm；旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12，轉(zhuǎn)速250rpm。1.3.2影響發(fā)酵罐中Kla的因素1.3.2.1理論上：提高n、d通氣量，Kla↑1.3.2.2實(shí)際上：對(duì)于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時(shí)是有限度的、通風(fēng)的增加也是有限的（通風(fēng)增大，蒸發(fā)量大，中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走），所以這些因素的存在，發(fā)酵設(shè)備的供養(yǎng)是有限的。通氣、攪拌的關(guān)聯(lián)對(duì)Kla的影響：當(dāng)通氣量超過一定上限時(shí),攪拌器就不能有效地將空氣泡分散到液體中去,而在大量氣泡中空轉(zhuǎn),發(fā)生“過載”現(xiàn)象,此時(shí)攪拌功率PG會(huì)大大下降,Kla也會(huì)大大下降。只有Q↑，N↑同時(shí)提高，PG才不會(huì)大大下降，Kla↑。1.3.2.3小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)kla的特點(diǎn)小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)；大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào)1.3.2.4影響Kla的其它因素：空氣分布器、液體的粘度、氧載體1.4溶氧濃度的變化及其控制1.4.1典型的分批發(fā)酵中氧濃度的變化規(guī)律（一定Kla下）：一般有一個(gè)低谷，在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)的末期1.4.2發(fā)酵過程中溶氧的控制發(fā)酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體生長(zhǎng)，中后期有利用產(chǎn)物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于臨溶氧濃度，中后期滿足產(chǎn)物的形成。溶氧控制的實(shí)例：谷氨酸發(fā)酵的溶氧控制。一般認(rèn)為，發(fā)酵初期較大的通風(fēng)和攪拌而產(chǎn)生過大的剪切力，對(duì)菌體的生長(zhǎng)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不利的影響，所以有時(shí)發(fā)酵初期采用小通風(fēng)，停攪拌，不但有利于降低能耗，而且在工藝上也是必須的。但是通氣增大的時(shí)間一定要把握好。1.4.3發(fā)酵過程中溶氧濃度監(jiān)控的意義考察工藝控制是否滿足要求；其它異常情況的表征（染菌、噬菌體、設(shè)備和操作故障）；間接控制的措施；1.4.4溶解氧控制的意義溶解氧濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的影響可能是不同的，所以須了解長(zhǎng)菌階段和代謝產(chǎn)物形成階段的最適需氧量；氧傳遞速率已成為許多好氣性發(fā)酵產(chǎn)量的限制因素；目前,在發(fā)酵工業(yè)上氧的利用率很低，因此提高傳氧效率,就能大大降低空氣消耗量,從而降低設(shè)備費(fèi)和動(dòng)力消耗,且減少泡沫形成和染菌的機(jī)會(huì),大大提高設(shè)備利用率。2發(fā)酵過程的pH控制pH是微生物代謝的綜合反映，又影響代謝的進(jìn)行，所以是十分重要的參數(shù)。發(fā)酵過程中pH是不斷變化的，通過觀察pH變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否。2.1發(fā)酵過程pH變化的原因2.1.1基質(zhì)代謝2.1.1.1糖代謝特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。2.1.1.2氮代謝當(dāng)氨基酸中的-NH2被利用后pH會(huì)下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用pH上升。2.1.1.3生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會(huì)上升或下降。2.1.2產(chǎn)物形成某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。2.1.3菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。2.2pH對(duì)發(fā)酵的影響2.2.1pH對(duì)發(fā)酵的影響實(shí)例：pH對(duì)林可霉素發(fā)酵的影響林可霉素發(fā)酵開始，葡萄糖轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸類中間產(chǎn)物，發(fā)酵液pH下降，待有機(jī)酸被生產(chǎn)菌利用，pH上升。若不及時(shí)補(bǔ)糖、(NH4)2SO4或酸，發(fā)酵液pH可迅速升到8.0以上，阻礙或抑制某些酶系，使林可霉素增長(zhǎng)緩慢，甚至停止。對(duì)照罐發(fā)酵66小時(shí)pH達(dá)7.93，以后維持在8.0以上至115小時(shí)，菌絲濃度降低，NH2-N升高，發(fā)酵不再繼續(xù)。發(fā)酵15小時(shí)左右，pH值可以從消后的6.5左右下降到5.3，調(diào)節(jié)這一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高發(fā)酵單位。PH調(diào)節(jié)對(duì)發(fā)酵的影響：2.2.2pH對(duì)發(fā)酵的影響2.2.2.1pH影響酶的活性。當(dāng)pH值抑制菌體某些酶的活性時(shí)使菌的新陳代謝受阻2.2.2.2pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變，從而改變細(xì)胞膜的透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進(jìn)行2.2.2.3pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用2.2.2.4pH影響代謝方向pH不同，往往引起菌體代謝過程不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。例如黑曲霉在pH2~3時(shí)發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，在pH近中性時(shí)，則產(chǎn)生草酸。谷氨酸發(fā)酵，在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性條件下則容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。2.2.3pH在微生物培養(yǎng)的不同階段有不同的影響pH對(duì)菌體生長(zhǎng)影響比產(chǎn)物合成影響小。例如青霉素：菌體生長(zhǎng)最適pH3.5~6.0，產(chǎn)物合成最適pH7.2~7.4。四環(huán)素：菌體生長(zhǎng)最適pH6.0~6.8，產(chǎn)物合成最適pH5.8~6.0。2.2.4最佳pH的確定配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況，從而確定最佳pH值。2.3pH的控制2.3.1調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH?；A(chǔ)料中若含有玉米漿，pH呈酸性，必須調(diào)節(jié)pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要調(diào)到6.5~6.8。2.3.2在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)，如CaCO3，或具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等。2.3.3通過補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào)pH沒有矛盾時(shí)采用補(bǔ)料調(diào)pH。例如調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié)pH；當(dāng)NH2-N低，pH低時(shí)補(bǔ)氨水；當(dāng)NH2-N低，pH高時(shí)補(bǔ)(NH