發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制

1、第八章發(fā)酵過(guò)程控制本章內(nèi)容發(fā)酵過(guò)程控制概述溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制pH對(duì)發(fā)酵的影響及其控制溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制CO2和呼吸商對(duì)發(fā)酵的影響及其控制基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響及補(bǔ)料控制通氣攪拌對(duì)發(fā)酵的影響及其控制泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制高密度發(fā)酵及過(guò)程控制發(fā)酵終點(diǎn)的檢測(cè)與控制自動(dòng)控制技術(shù)在發(fā)酵過(guò)程控制中的應(yīng)用發(fā)酵過(guò)程控制概述1. 過(guò)程控制的重要性2. 發(fā)酵過(guò)程控制的一般步驟3. 參數(shù)檢測(cè)1. 過(guò)程控制的重要性過(guò)程控制的意義：最佳工藝條件的優(yōu)選（即最佳工藝參數(shù)的確定）以及在發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)過(guò)程調(diào)節(jié)達(dá)到最適水平的控制。決定發(fā)酵單位(水平)的因素外部環(huán)境因素工藝條件生物因素設(shè)備性能：傳遞性能菌株特性(營(yíng)養(yǎng)

2、要求、生長(zhǎng)速率、 呼吸強(qiáng)度、產(chǎn)物合成速率)物理：n、T、Ws化學(xué)：pH、DO、濃度2. 發(fā)酵過(guò)程控制的一般步驟 確定能反映過(guò)程變化的各種理化參數(shù)及其檢測(cè)方法 研究這些參數(shù)的變化對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)水平的影響及其機(jī)制，獲取最適水平或最佳范圍建立數(shù)學(xué)模型定量描述各參數(shù)之間隨時(shí)間變化的關(guān)系通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)施在線自動(dòng)檢測(cè)和控制，驗(yàn)證各種控制模型的可行性及其適用范圍，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程最優(yōu)控制 3. 參數(shù)檢測(cè)代謝參數(shù)按性質(zhì)可分為三類：生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌體濃度、菌體比生長(zhǎng)速率、呼吸強(qiáng)度、攝氧率、關(guān)鍵酶活力等物理參數(shù)：溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、罐壓、空氣流量、溶解氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）濃度等化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度（包括糖、氮、

3、磷）、 pH、產(chǎn)物濃度、核酸量等參數(shù)按獲取方式可分為兩類： 直接參數(shù)：如T、pH、罐壓、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、溶氧濃度等間接參數(shù)：將直接參數(shù)通過(guò)公式計(jì)算獲得的。如攝氧率()、呼吸強(qiáng)度(QO2)、比生長(zhǎng)速率（) 、體積溶氧系數(shù)(KLa)、呼吸商(RQ)等。參數(shù)的測(cè)量形式：離線測(cè)量：基質(zhì)（糖、脂類、無(wú)機(jī)鹽等）、前體和代謝產(chǎn)物（抗生素、酶、有機(jī)酸、氨基酸等）在線測(cè)量：如T 、pH、DO、溶解CO2、尾氣CO2、黏度、攪拌轉(zhuǎn)速等優(yōu)點(diǎn)：及時(shí)、省力，可從繁瑣操作中解脫出來(lái)，便于計(jì)算機(jī)控制。 困難：傳感器要求較高。對(duì)傳感器的要求：能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌；探頭材料不易老化，使用壽命長(zhǎng)；傳感器及其二次儀表具有長(zhǎng)期穩(wěn)定

4、性；最好能在過(guò)程中隨時(shí)校正，靈敏度好；解決探頭敏感部位被物料（反應(yīng)液）粘住、堵塞 問(wèn)題；安裝使用和維修方便；價(jià)格合理，便于推廣。 溫度測(cè)量 感溫元件：熱電偶（溫度信號(hào) 電信號(hào)） 二次儀表：將熱電偶輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成 被測(cè)介質(zhì)的溫度值參數(shù)檢測(cè)方法攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測(cè)量攪拌轉(zhuǎn)速：磁感應(yīng)式，光感應(yīng)式， 測(cè)速電機(jī)；攪拌功率：功率表空氣流量測(cè)定體積流量型： 會(huì)引起流體能量損失，受溫度和壓力變化的影響； 同心孔板壓差式流量計(jì)； 轉(zhuǎn)子流量計(jì)。質(zhì)量流量型： 根據(jù)流體固有性質(zhì)（質(zhì)量、導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性能）設(shè)計(jì)的流量計(jì)。罐壓測(cè)量 壓力表 壓力傳感器 pH測(cè)量 復(fù)合pH電極 pH測(cè)量?jī)x器溶解氧的測(cè)量 化學(xué)法 極譜法

5、 復(fù)膜氧電極法 復(fù)膜氧電極示意圖（a）極譜型 （b）原電池型細(xì)胞濃度的測(cè)量 化學(xué)法：如DNA、RNA分析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、 濁度分析等新技術(shù)：以電容法為測(cè)量原理的在線 活細(xì)胞濃度測(cè)量傳感器 原位活細(xì)胞在線檢測(cè)儀溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1. 影響發(fā)酵溫度的因素2. 溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響3. 溫度對(duì)基質(zhì)消耗的影響4. 溫度對(duì)產(chǎn)物合成的影響5. 最適溫度的選擇與控制 影響發(fā)酵溫度的因素(1)發(fā)酵熱發(fā)酵過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量，叫做發(fā)酵熱。 Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射 (2) 生物熱來(lái)源 ：微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解所釋放的能量影響因素：菌株發(fā)酵時(shí)期培養(yǎng)基成分 生物熱與其它參數(shù)

6、的關(guān)系 呼吸強(qiáng)度QO2 糖利用速率當(dāng)產(chǎn)生的生物熱達(dá)到高峰時(shí)，菌的呼吸強(qiáng)度最大，糖的利用速率也最大，可用耗氧量、糖耗來(lái)衡量生物熱。2. 溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響當(dāng)時(shí)，可忽略，微生物處于生長(zhǎng)狀態(tài)。、皆與T有關(guān)，其關(guān)系均可用阿累尼烏斯公式描述：EE 死亡速率比生長(zhǎng)速率對(duì)溫度變化更為敏感。嗜冷、嗜中溫、嗜熱菌的典型生長(zhǎng)與溫度關(guān)系在其最適溫度范圍內(nèi)，生長(zhǎng)速率隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度超過(guò)最適生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)速率隨溫度增加而迅速下降。 不同生長(zhǎng)階段的微生物對(duì)溫度的反應(yīng)不同 處于延遲期的細(xì)菌對(duì)溫度的影響十分敏感。對(duì)于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)菌，如果在略低于最適溫度的條件下培養(yǎng)，即使在發(fā)酵過(guò)程中升溫，則升溫的破壞作用較弱。

7、處于生長(zhǎng)后期的細(xì)菌，其生長(zhǎng)速度一般主要取決于溶解氧，而不是溫度。 Righelato假定：m維持因子，即生長(zhǎng)速率為零時(shí)的葡萄糖的消耗。m項(xiàng)與滲透壓調(diào)節(jié)、代謝產(chǎn)物的生成、遷移性及除繁殖以外的其它生物轉(zhuǎn)化等過(guò)程所需的能量有關(guān)。這些過(guò)程受溫度的影響，所以m也和溫度相關(guān)。B生長(zhǎng)系數(shù)，即同一生長(zhǎng)速率下的糖耗，B值越大，說(shuō)明同樣比生長(zhǎng)速率下，用于純粹生長(zhǎng)的糖耗越大。 改變溫度可以控制qs和 3. 溫度對(duì)基質(zhì)消耗的影響(1) 糖比消耗速率qs（2）T對(duì)B、m和的影響 qs一定：當(dāng)TTm時(shí)， m ， , B 底物轉(zhuǎn)化效率低當(dāng)T=Tm時(shí)，T(K)m溫度對(duì)B、m和不同qs下對(duì)值的影響4. 溫度對(duì)產(chǎn)物合成的影響影響

8、發(fā)酵過(guò)程中各種反應(yīng)速率，從而影響微生物的生長(zhǎng)代謝與產(chǎn)物生成。 e.g. 青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素 青霉菌生長(zhǎng)活化能E1=34kJ/mol 青霉素合成活化能E2=112kJ/mol 青霉素合成速率對(duì)溫度較敏感改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間接影響菌的生物合成 。影響生物合成方向。 e.g. 四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌：T5.0：酵母形態(tài)變小，發(fā)酵液變黑，且污染大量細(xì)菌 pH0.5% 低pH6.8控制加糖 7% ， OTR逐漸至OTR=，即 ，高位平衡 當(dāng)處于高位平衡時(shí)，表明供氧性能好。高位平衡通常發(fā)生在正常情況的前、后期。平衡點(diǎn)分析：當(dāng)CL（如對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期很大）， ，OTRCm, 卷須霉素: 而有些菌株 Ccr

9、CCr，生產(chǎn)階段滿足CLCm。 （1）發(fā)酵異常指標(biāo)發(fā)酵中污染雜菌，溶解氧發(fā)生異常變化。對(duì)于好氣性雜菌，溶解氧會(huì)一反往常在較短時(shí)間內(nèi)跌到零附近，跌零后長(zhǎng)時(shí)間不回升。對(duì)于厭氣性雜菌，溶解氧升高。污染噬菌體或其它不明原因引起 發(fā)酵液變稀，此時(shí)溶解氧迅速上升。 操作故障或事故分析 谷氨酸正常發(fā)酵和異常發(fā)酵的溶解氧曲線正常發(fā)酵溶解氧曲線-異常發(fā)酵溶解氧曲線異常發(fā)酵光密度曲線（2）補(bǔ)料控制指標(biāo) 中間補(bǔ)料是否得當(dāng)可以從溶解氧的變化看出。發(fā)酵過(guò)程中出現(xiàn)“發(fā)酸”現(xiàn)象，此時(shí)溶解氧很快下降。 （3）代謝方向控制指標(biāo) 測(cè)量溶解氧可以確定CCr、Cm值通過(guò)溶氧測(cè)量可以掌握由好氣轉(zhuǎn)為厭氣培養(yǎng)的關(guān)鍵時(shí)機(jī) e.g.天門冬酰胺

10、酶發(fā)酵：45%飽和度 在酵母以及其他微生物菌體的生產(chǎn)中，溶氧值是控制其代謝方向的最好的指標(biāo)之一 。（4）設(shè)備性能、工藝合理性指標(biāo)評(píng)價(jià)設(shè)備性能、工藝合理性的最終指標(biāo)：發(fā)酵單位 設(shè)備反映供氧性能： 攪拌槳形式 葉片形式 攪拌器直徑d 攪拌檔數(shù)m和攪拌器間距s 檔板寬度w和檔板數(shù)z 通氣：空氣分布器的類型和位置 n，P/V 設(shè)備操作參數(shù) 罐壓 WS或VVM攪拌設(shè)備幾何參數(shù)（4）設(shè)備性能、工藝合理性指標(biāo)工藝條件反映耗氧和供氧特征菌種性能：耗O2培養(yǎng)基性能：耗O2、供O2溫度：耗O2、供O2RQ（O2與CO2水平比較）：耗O2表面活性劑：耗O2、供O2改進(jìn)工藝：控制補(bǔ)料速度、T 的調(diào)節(jié)、中間補(bǔ)水、 添加

11、表面活性劑等等 對(duì)現(xiàn)有發(fā)酵工廠進(jìn)行技術(shù)改造 淺層次 修改設(shè)備和工藝 規(guī)模和控制水平上檔次 引入新型發(fā)酵類型 深層次 工藝的改進(jìn)是否有效可通過(guò)溶解氧水平進(jìn)行評(píng)價(jià)： P/V的改變對(duì)溶解氧和產(chǎn)量的影響 e.g.利福霉素發(fā)酵：5080h波谷階段，P/V，KLa，供氧；3W/L比1 W/L批號(hào)的發(fā)酵單位增加約900u/ml 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)n 對(duì)溶解氧和產(chǎn)量的影響e.g.赤霉素發(fā)酵：15 50h期間，n從155 提高至180r/min， 赤霉素單位（1）溶解氧控制的一般原則 生長(zhǎng)階段： 即可產(chǎn)物合成階段： 即可過(guò)高的溶氧水平反而對(duì)菌體代謝有不可逆的抑制作用（2）溶解氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一 控制原理發(fā)酵

12、過(guò)程中， 糖量 x , QO2 CL 糖量 QO2 CL 補(bǔ)糖使CL下降，而CL回升的快慢取決于供氧效率。對(duì)于一個(gè)具體的發(fā)酵，存在一個(gè)最適氧濃度（Cm）水平，補(bǔ)糖速率應(yīng)與其相適應(yīng)。 ，加大補(bǔ)糖速率 ，減小補(bǔ)糖速率實(shí)現(xiàn)用溶解氧水平控制補(bǔ)料速率 補(bǔ)糖速率控制在正好使生產(chǎn)菌處于所謂“半饑餓狀態(tài)”，使其僅能維持正常的生長(zhǎng)代謝，即把更多的糖用于產(chǎn)物合成，并永遠(yuǎn)不超過(guò)罐設(shè)計(jì)時(shí)的KLa水平所能提供的最大供氧速率。 控制原則（2）溶氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一 控制方法 溶氧和補(bǔ)糖控制系統(tǒng) 溶氧和pH控制的系統(tǒng) （2）溶氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一 溶氧在加糖控制上的應(yīng)用溶氧與pH協(xié)同控制系統(tǒng)（3）溶

13、解氧控制的工藝方法：從供氧、需氧兩方面考慮 供氧方面：提高氧分壓（氧分含量），即 ，提高供氧能力改變攪拌轉(zhuǎn)速：通過(guò)改變KLa來(lái)提高供氧能力 通氣速率Ws ：Ws增加有上限，引起“過(guò)載”、泡沫提高罐壓： ，但同時(shí)會(huì)增加CO2的溶解度，影響pH及可能會(huì)影響菌的代謝，另外還會(huì)增加對(duì)設(shè)備的強(qiáng)度要求。 改變發(fā)酵液理化性質(zhì)（， ，Ii） 加消泡劑，補(bǔ)加無(wú)菌水，改變培養(yǎng)基成分改變KL改變溫度： ，提高推動(dòng)力（C*CL）（3）溶解氧控制的工藝方法（續(xù)） 供氧方面：（3）溶解氧控制的工藝方法（續(xù)）耗氧方面 限制性基質(zhì)的流加控制（補(bǔ)料控制）：在OTR一定情況下，控制基質(zhì)濃度限制、x 限制 控制溶解氧（4）溶解氧自

14、動(dòng)控制系統(tǒng)改變通氣速率的溶氧控制系統(tǒng) 改變攪拌轉(zhuǎn)速的溶氧控制系統(tǒng)改變通氣量、轉(zhuǎn)速、罐壓所組成的多參數(shù)溶氧控制系統(tǒng)溶解氧對(duì)被孢霉合成花生四烯酸 (AA) 的影響 溶氧量對(duì)AA產(chǎn)量的影響注：搖床轉(zhuǎn)速150r/min, 25 KLa越大，培養(yǎng)基中溶解氧越多, AA合成速度越快溶解氧控制對(duì)鳥苷產(chǎn)量的影響不同的DO控制條件下鳥苷積累的比較DO()：5，l0，20，30發(fā)酵過(guò)程 DO 變化與鳥苷 積累的關(guān)系DO 控制在1020，產(chǎn)物積累，鳥苷含量最高。DO在5和30，前期產(chǎn)物積累，但后期基本不增加.DO水平的超高階段(發(fā)酵周期28h44h)，鳥苷積累量基本不增加；調(diào)整DO 在適當(dāng)水平上，鳥苷積累量繼續(xù)上升

15、。 CO2和呼吸商對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1. 定義 2. 發(fā)酵過(guò)程中CO2釋放率的變化3. CO2對(duì)發(fā)酵的影響 1. 定義 呼吸商（RQ）：指菌體呼吸過(guò)程中，CO2釋放率和菌的耗 氧速率之比，RQ反映菌的代謝情況。菌體耗氧速率 OUR，molO2/Lh 菌體CO2釋放率CER，molCO2/Lh（1）影響尾氣中CO2濃度的因素 通入空氣量： 呼吸強(qiáng)度：CO2溶解度：菌體量：（2）CER變化規(guī)律 CO2積累量漸增，與x曲線對(duì)應(yīng)，基本類似S型曲線變化；當(dāng)工藝和設(shè)備參數(shù)一定的情況下，CER與x有比例關(guān)系（CER菌體生長(zhǎng)速率）；CO2濃度變化與O2濃度變化成反向同步關(guān)系。CERdt，菌體干重的時(shí)間曲線1

16、- CERdt；2-菌量（3）CER的測(cè)量與計(jì)算 測(cè)量方法：熱導(dǎo)、紅外分析儀、質(zhì)譜儀計(jì)算 （1）研究參數(shù)CO2的意義 作為代謝產(chǎn)物或中間前體，尾氣中CO2積累與生物量 成正比，通過(guò)C質(zhì)量平衡估算生長(zhǎng)速率和細(xì)胞量。高濃度CO2對(duì)發(fā)酵多表現(xiàn)為抑制作用，應(yīng)實(shí)施測(cè)量與 控制；尾氣CO2不僅直接反映代謝情況，而且和其它參數(shù)及補(bǔ)料操作密切相關(guān)，可作為工藝優(yōu)化的指標(biāo)。 （2）CO2對(duì)細(xì)胞的作用機(jī)制“麻醉”作用 CO2及HCO3-都會(huì)影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，使膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生變化，導(dǎo)致許多基質(zhì)的跨膜運(yùn)輸受阻，影響了細(xì)胞膜的運(yùn)輸效率，使細(xì)胞處于“麻醉”狀態(tài)，細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制，形態(tài)發(fā)生改變。 （3）CO2對(duì)

17、菌體生長(zhǎng)及產(chǎn)物形成的影響 CO2, 基質(zhì)分解速率，ATP ，中間產(chǎn)物或形態(tài)變異導(dǎo)致產(chǎn)量高濃度CO2抑制作用的獨(dú)立性: 只要CO2在培養(yǎng)液中濃度過(guò)量，即使供氧充足（CLCCr），CO2的抑制作用不能解除，這種負(fù)作用在放大過(guò)程更明顯。正確評(píng)價(jià)通氣的作用：供氧：排廢氣：水分及揮發(fā)性組分的散失 （4）CO2釋放與發(fā)酵過(guò)程參數(shù)pH及操作參數(shù)補(bǔ)糖速率的關(guān)系在青霉素發(fā)酵中補(bǔ)糖將引起排氣CO2增加，同時(shí)pH下降。 糖、CO2、pH三者的相關(guān)性，被青霉素工業(yè)生產(chǎn)上用于補(bǔ)料控制的參數(shù)，并認(rèn)為排氣CO2的變化比pH變化更為敏感，所以測(cè)定排氣CO2釋放率 （CER）來(lái)控制補(bǔ)糖速率。 補(bǔ)糖與溶氧及pH協(xié)同控制補(bǔ)糖速率與

18、CER控制 補(bǔ)糖對(duì)排氣CO2和pH的影響（4）尾氣CO2與O2的相關(guān)性 相關(guān)程度表示：尾氣CO2與O2相關(guān)性：反向同步關(guān)系呼吸商（RQ）與發(fā)酵的關(guān)系不同菌株、同一菌株不同代謝途徑、同一菌株利用不同基質(zhì)、同一菌株在不同發(fā)酵階段，RQ值不相同。RQ值可以表征發(fā)酵狀況。 青霉素發(fā)酵不同階段： 菌體生長(zhǎng)階段：RQ0.909 維持階段：RQ=1 生產(chǎn)階段：RQ=4如果產(chǎn)物的還原性比基質(zhì)大時(shí)，其RQ值就增加；反之，當(dāng)產(chǎn)物的氧化性比基質(zhì)大時(shí)，RQ值就要減少，其偏離程度決定于單位菌體利用基質(zhì)形成產(chǎn)物的量。 產(chǎn)物形成對(duì)RQ影響最大基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1. 基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響 2. 補(bǔ)料控制（1） 基質(zhì)

19、濃度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響sKS情況下，比生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度呈直線關(guān)系：一般情況下符合Monod方程式基質(zhì)濃度高時(shí) (2) 基質(zhì)濃度對(duì)產(chǎn)物合成的影響低濃度限制低水平誘導(dǎo)高濃度抑制及分解阻遏作用e.g.葡萄糖氧化酶發(fā)酵：葡萄糖用量從8%降至6%，補(bǔ)入2%氨基乙酸或甘油，使酶活力分別提高26%或6.7%。 谷氨酸發(fā)酵（乙醇為碳源）：當(dāng)乙醇濃度為2.5g/L和35g/L時(shí)，可延長(zhǎng)谷氨酸生產(chǎn)時(shí)間，但在更高濃度下，菌體生長(zhǎng)受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量降低。（1）補(bǔ)料的目的解除基質(zhì)過(guò)濃的抑制解除產(chǎn)物的反饋抑制解除分解代謝物阻遏作用避免因一次性投糖過(guò)多造成細(xì)胞大量生長(zhǎng)，耗氧過(guò)多而造成波谷現(xiàn)象。在生產(chǎn)上，補(bǔ)料還經(jīng)常作為糾

20、正異常發(fā)酵的一個(gè)重要手段。（2）補(bǔ)料的內(nèi)容 補(bǔ)充微生物能源和碳源 補(bǔ)充菌體所需要的氮源 補(bǔ)充微量元素或無(wú)機(jī)鹽 添加前體、誘導(dǎo)劑等（3）補(bǔ)料的原則中間補(bǔ)料的數(shù)量為基礎(chǔ)料的13倍 。補(bǔ)料的原則就在于控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展?，F(xiàn)有的各種補(bǔ)料措施都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定的。 大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長(zhǎng)限制性基質(zhì)以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)控制流加；用傳感器直接測(cè)定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加；以溶氧、pH、RQ、排氣中CO2分壓及代謝物質(zhì)濃度等參數(shù)間接控制流加；以物料平衡方程，通過(guò)傳感器在線測(cè)定的一些參數(shù)計(jì)算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加。（4）補(bǔ)料控制的策略（5）反饋控制參數(shù)的

21、確定為了有效地進(jìn)行中間補(bǔ)料，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)，以及了解這些參數(shù)與微生物代謝、菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系。 e.g. 谷氨酸發(fā)酵 在谷氨酸發(fā)酵過(guò)程中的某階段，生產(chǎn)菌的攝氧率和基質(zhì)消耗速率之間存在著線性關(guān)系。K=1.51K=1.75K=2.16谷氨酸發(fā)酵中K值對(duì)糖濃度的控制的影響（6）補(bǔ)料速率的確定優(yōu)化補(bǔ)料速率是補(bǔ)料控制中十分重要的一環(huán)，補(bǔ)料速率要根據(jù)微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)等的消耗速率及所設(shè)定的培養(yǎng)液中最低維持濃度而定。補(bǔ)糖速率最佳點(diǎn)與設(shè)備的供氧能力有關(guān)。 e.g.青霉素發(fā)酵：KLa大的設(shè)備補(bǔ)料速率相應(yīng)大些；供氧低的設(shè)備，補(bǔ)料速率相應(yīng)減少，產(chǎn)量比供氧能力好的設(shè)備降低23。（7）實(shí)例：

22、四環(huán)素發(fā)酵中的補(bǔ)糖控制補(bǔ)糖時(shí)間對(duì)四環(huán)素發(fā)酵單位的影響補(bǔ)糖時(shí)間適當(dāng) （ 45h后加）補(bǔ)糖時(shí)間過(guò)晚 （62h開始加） 補(bǔ)糖時(shí)間過(guò)早 （20h后加） 維持不同還原糖水平的四環(huán)素發(fā)酵中流加補(bǔ)糖的作用補(bǔ)糖對(duì)四環(huán)素發(fā)酵的影響 在最適補(bǔ)加葡萄糖的條件下，能正確控制菌絲量的增加、糖的消耗與發(fā)酵單位增長(zhǎng)三者之間的關(guān)系，就可獲得比采用豐富培養(yǎng)基時(shí)更長(zhǎng)的生物合成期。 維持不同還原糖水平的四環(huán)素發(fā)酵中流加補(bǔ)糖的作用泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1. 泡沫的產(chǎn)生及其影響2. 發(fā)酵過(guò)程中泡沫的消長(zhǎng)規(guī)律3. 泡沫的控制1. 泡沫的產(chǎn)生及其影響泡沫的產(chǎn)生 通氣和攪拌 代謝氣體的逸出 存在穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)1. 泡沫的產(chǎn)生及其影

23、響泡沫的類型一類存在于發(fā)酵液的液面上。這類泡沫氣相所占比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辨的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見(jiàn)的泡沫。另一類出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當(dāng)中。這種泡沫分散很細(xì)，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體間沒(méi)有明顯的波面界限，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比例由下而上地逐漸增加。泡沫的不利影響降低了發(fā)酵罐的裝料系數(shù) 增加了菌群的非均一性增加了染菌機(jī)會(huì) 大量起泡引起“逃液”，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失 泡沫嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響通氣攪拌的正常進(jìn)行消泡劑的加入將給提取工序帶來(lái)困難1. 泡沫的產(chǎn)生及其影響2.發(fā)酵過(guò)程中泡沫的消長(zhǎng)規(guī)律影響因素通氣攪拌的強(qiáng)度培養(yǎng)基的配比及原材料組成培養(yǎng)基

24、的滅菌方法和操作條件微生物代謝活動(dòng)造成發(fā)酵液性質(zhì)變化染菌 霉菌發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)液的性質(zhì)與泡沫的關(guān)系3. 泡沫的控制 （1）機(jī)械消泡（2）化學(xué)消泡 （3）從微生物本身特性著手，防止泡沫形成 篩選不產(chǎn)生泡沫的微生物突變株 幾種微生物混合培養(yǎng) （1）機(jī)械消泡原理：靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動(dòng)或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不需引入外來(lái)物質(zhì)，可節(jié)省原材料，減少 污染機(jī)會(huì)，并可減少培養(yǎng)液性質(zhì)復(fù)雜化的程度。缺點(diǎn)：不如化學(xué)消泡迅速可靠，需要一定的設(shè)備和消耗一定的動(dòng)力；不能從根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素 （1）機(jī)械消泡機(jī)械消泡裝置的選擇依據(jù)動(dòng)力小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 堅(jiān)固耐用 清洗

25、、殺菌容易 維修保養(yǎng)費(fèi)用少 機(jī)械消泡方法 罐內(nèi)消泡：耙式消泡槳、旋轉(zhuǎn)圓板式、氣流吸入式、沖擊反射板式、碟式及超聲波等機(jī)械消泡裝置。罐外消泡：旋轉(zhuǎn)葉片式、噴霧式、離心式及轉(zhuǎn)向板式等機(jī)械消泡裝置。 （1）機(jī)械消泡（2）化學(xué)消泡消泡機(jī)理當(dāng)泡沫的表層存在著極性的表面活性物質(zhì)而形成雙電層時(shí)，可以加入一種具有相反電荷的表面活性劑，以降低泡沫的機(jī)械強(qiáng)度；或加入某些具有強(qiáng)極性的物質(zhì)與發(fā)泡劑爭(zhēng)奪液膜上的空間，降低液膜強(qiáng)度，導(dǎo)致泡沫破裂。當(dāng)泡沫的液膜具有較大的表面粘度時(shí)，可以加入某些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液體流失，導(dǎo)致泡沫破裂。（2）化學(xué)消泡化學(xué)消泡的優(yōu)點(diǎn)來(lái)源廣泛作用迅速可靠，消泡效

26、率高 不需改造現(xiàn)有設(shè)備 容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 消泡劑選擇的依據(jù)必須是表面活性劑，且具有較低的表面張力，消泡作用 迅速，效率高。對(duì)氣液界面的散布系數(shù)足夠大，具有一定的親水性。在水中的溶解度較小，以保持其持久的消泡或抑泡性能。對(duì)發(fā)酵過(guò)程無(wú)毒，對(duì)人、畜無(wú)害，不被微生物同化，對(duì)菌 體生長(zhǎng)和代謝無(wú)影響，不影響產(chǎn)物的提取和產(chǎn)品質(zhì)量。不干擾溶解氧、pH等測(cè)定儀表使用，最好不影響氧的傳遞。能耐高壓蒸氣滅菌而不變性，對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕性影響來(lái)源方便，價(jià)格便宜。 常用的消泡劑種類天然油脂類:玉米油、米糠油、豆油、棉子油、魚油及豬油 高碳醇、脂肪酸和酯類:如十八醇、聚二醇 聚醚類:聚氧丙烯甘油,聚氧乙烯氧丙烯甘油（又稱泡敵）硅酮類（聚硅油類） 聚二甲基硅氧烷及其衍生物 ：適用于放線菌和細(xì)菌發(fā)酵 羥基聚二甲基硅氧烷 ：曾用于青霉素和土霉素發(fā)酵氟化烷烴: 具有極其小的表面能消泡劑的應(yīng)用 消泡劑的消泡效果與使用方式密切相關(guān)消泡劑的分散可借助于機(jī)械方法，也可加入某種稱為載體或分散劑的物質(zhì)，將消泡劑乳化成細(xì)小液滴消泡作用的持久性：本身性能，加入量及時(shí)機(jī)使用天然油脂時(shí)應(yīng)注意一次不能加得太多 消泡劑對(duì)細(xì)胞的生理有重要的影響 在應(yīng)用消泡劑之前需作比較性試驗(yàn)消泡劑應(yīng)制成乳濁液，并且不被同化，消耗最少高密度發(fā)酵及過(guò)程控制1. 高密度發(fā)酵2.高密