反應(yīng)工程整理課件

1.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)生物技術(shù)的定義利用生物有機(jī)體(從微生物直到高等動(dòng)植物)或其組成部分(包括器官、組織、細(xì)胞或細(xì)胞器等)發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的一種操作技術(shù)體系應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠生物作用劑的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)

——國際經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織(1982)11.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)生物技術(shù)的定義11.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)生物技術(shù)的特點(diǎn)物料—可再生資源(碳水化合物、蛋白質(zhì)等)：價(jià)廉物美生物作用劑—生物催化劑(酶、細(xì)胞)：專一性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化率高、條件溫和、機(jī)理復(fù)雜產(chǎn)品或服務(wù)—涉及多領(lǐng)域知識(shí)與技術(shù)—交叉多學(xué)科21.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)生物技術(shù)的特點(diǎn)21.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)工程生物工程生物化學(xué)化學(xué)工程生物化學(xué)生物技術(shù)生物技術(shù)（Biotechnology）多學(xué)科示意圖Bioengineering31.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)工程生物工程生物化學(xué)化學(xué)工程生物化“生物工程”（生化工程）是運(yùn)用化學(xué)工程的原理和方法對實(shí)驗(yàn)室所取得的生物技術(shù)成果加以開發(fā)，使之成為生物反應(yīng)過程的一門學(xué)科。簡單地說：是為生物技術(shù)服務(wù)的化學(xué)工程。“生物工程”研究生物反應(yīng)過程中有普遍性意義的特殊工程技術(shù)問題，如大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)過程、大規(guī)模培養(yǎng)基和空氣的滅菌過程、細(xì)胞生長和產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)、生物反應(yīng)器的優(yōu)化操作和設(shè)計(jì)、生物反應(yīng)過程的參數(shù)檢測和計(jì)算機(jī)應(yīng)用、生化產(chǎn)品的分離純化等過程中的工程技術(shù)問題。由于“生物工程”是化學(xué)工程的一個(gè)分支學(xué)科或被認(rèn)為是生物學(xué)和化學(xué)工程相結(jié)合的交叉學(xué)科而又被稱為“生物化工”。1.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)4“生物工程”（生化工程）是運(yùn)用化學(xué)工程的原理和方法對實(shí)驗(yàn)室所2.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)“生物反應(yīng)過程”實(shí)質(zhì)上是利用生物催化劑以從事生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。當(dāng)過程采用游離的整體微生物活細(xì)胞為生物催化劑時(shí)，一般稱此為發(fā)酵過程（也稱微生物培養(yǎng)過程、微生物轉(zhuǎn)化過程等）。當(dāng)生物催化劑為游離或固定化酶時(shí)，此過程則稱為酶反應(yīng)過程。另外，還有動(dòng)、植物細(xì)胞（組織）培養(yǎng)過程。52.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)“生物反應(yīng)過程”實(shí)質(zhì)上是利用生2.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)一般生物反應(yīng)過程示意圖生物催化劑的制備原材料的預(yù)處理反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇產(chǎn)物的分離純化62.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)一般生物反應(yīng)過程示意圖生物催化

生物反應(yīng)過程具有下列特點(diǎn)：由于采用生物催化劑，反應(yīng)過程在常溫常壓下進(jìn)行，且可運(yùn)用DNA重組技術(shù)及原生質(zhì)體融合等現(xiàn)代生物技術(shù)組建或改造生物催化劑而賦予生物反應(yīng)過程以現(xiàn)實(shí)和潛在的活力，但生物催化劑易于失活，易受環(huán)境的影響和雜菌的污染，一般不能長時(shí)間使用。以采用可再生資源（renewableresources—碳水化合物、蛋白質(zhì)等）為主要原材料，來源豐富、價(jià)格低廉，過程中廢物的危害性較小，但原料成分往往難以控制，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定影響。2.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)7生物反應(yīng)過程具有下列特點(diǎn)：2.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)7與化工生產(chǎn)相比，生產(chǎn)設(shè)備較為簡單，能量消耗一般也較少，但由于過高的底物或產(chǎn)物濃度常導(dǎo)致酶的抑制或細(xì)胞不能耐受如此高的滲透壓而失活，因此反應(yīng)液中的底物（基質(zhì)）濃度不能過高，因此導(dǎo)致很大的反應(yīng)器體積且要求在無雜菌污染情況下進(jìn)行操作。酶反應(yīng)過程的專一性強(qiáng)，轉(zhuǎn)化率高，但成本較高，發(fā)酵過程成本低，應(yīng)用廣，但反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，較難控制，反應(yīng)液中雜質(zhì)較多，給提取純化帶來團(tuán)難。2.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)8與化工生產(chǎn)相比，生產(chǎn)設(shè)備較為簡單，能量消耗一般也較少，但由于4.生物反應(yīng)過程的生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)──形成了經(jīng)典的以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的工程學(xué)概念生物反應(yīng)工程：它涉及二方面的內(nèi)容，即宏觀微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和生物反應(yīng)器工程。其中反應(yīng)器工程是指包括影響微生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)的生物反應(yīng)器形式、結(jié)構(gòu)、操作方式、物料混和傳遞過程特性等

宏觀動(dòng)力學(xué)：但是實(shí)際發(fā)酵過程是在生物反應(yīng)器中進(jìn)行，因此，從實(shí)用意義出發(fā)，人們重視一定反應(yīng)器內(nèi)檢測到的反應(yīng)速率即總反應(yīng)速率及其影響因素，這就是宏觀動(dòng)力學(xué)研究。動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)器工程本征動(dòng)力學(xué)：即沒有在生物反應(yīng)器中各種形式的傳遞過程等工程因素影響時(shí)的微生物反應(yīng)的固有反應(yīng)速率。94.生物反應(yīng)過程的生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)──形成了經(jīng)典的以4.生物反應(yīng)過程的生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)───形成了經(jīng)典的以化學(xué)計(jì)量學(xué)和熱力學(xué)研究為基礎(chǔ)的發(fā)酵工程生物學(xué)從工程學(xué)角度研究對生長反應(yīng)的影響。研究各類微生物代謝平衡的理論、方法和實(shí)際有效的實(shí)驗(yàn)量化數(shù)據(jù)。例如胞內(nèi)反應(yīng)中分解代謝、合成代謝和大分子物質(zhì)合成之間的物質(zhì)和能量的關(guān)系。要經(jīng)過1000多步胞內(nèi)反應(yīng)才能轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物和細(xì)胞成分，我們不可能對這些反應(yīng)進(jìn)行一一定量的計(jì)算微生物生長和反應(yīng)過程研究必須從基質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，胞內(nèi)反應(yīng)，代謝產(chǎn)物的胞內(nèi)外分泌等全過程進(jìn)行分析104.生物反應(yīng)過程的生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)───形成了經(jīng)典的以種子擴(kuò)大培養(yǎng)將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)扁瓶或搖瓶及種子罐逐級擴(kuò)大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種。種子擴(kuò)培的目的獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種縮短發(fā)酵時(shí)間、提高設(shè)備利用率、保證生產(chǎn)水平11種子擴(kuò)大培養(yǎng)11種子的要求總量及濃度能滿足要求生理狀況穩(wěn)定活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵后，能夠迅速生長無雜菌污染12種子的要求12種子制備一般工藝流程實(shí)驗(yàn)室階段：不用種子罐，所用的設(shè)備為培養(yǎng)箱、搖床等實(shí)驗(yàn)室常見設(shè)備，在工廠這些培養(yǎng)過程一般都在菌種室完成，因此形象地將這些培養(yǎng)過程稱為實(shí)驗(yàn)室階段的種子培養(yǎng)。生產(chǎn)車間階段：種子培養(yǎng)在種子罐里面進(jìn)行，一般在工程歸為發(fā)酵車間管理，因此形象地稱這些培養(yǎng)過程為生產(chǎn)車間階段種子培養(yǎng)。13種子制備一般工藝流程實(shí)驗(yàn)室階段：不用種子罐，所用的設(shè)備為培養(yǎng)

一般手段有：保持培養(yǎng)基營養(yǎng)成分在最低水平缺氧狀態(tài)干燥低溫

菌種保藏方法：斜面冰箱保藏法（低溫）沙土管保藏法（缺營養(yǎng)、低溫）石蠟油封存法（缺氧、低溫）真空冷凍干燥保藏法（缺營養(yǎng)、缺氧、干燥、低溫）液氮超低溫保藏法（缺營養(yǎng)、缺氧、干燥、超低溫）

2.1.1種子保藏

14一般手段有：

2.1.1種子保藏

14

1）搖瓶液體培養(yǎng)：產(chǎn)孢子能力不強(qiáng)、孢子發(fā)芽慢（灰色鏈霉菌）和不產(chǎn)孢子的菌種（谷氨酸棒狀桿菌、釀酒酵母）2）茄子瓶固體培養(yǎng)：產(chǎn)孢子能力強(qiáng)的菌種（產(chǎn)黃青霉菌）3）茄子瓶斜面培養(yǎng)：不產(chǎn)孢子的菌種（細(xì)菌）

2.1.2菌種移接15

1）搖瓶液體培養(yǎng)：產(chǎn)孢子能力不強(qiáng)、孢子孢子懸浮液：微孔接種法搖瓶菌絲體：火焰保護(hù)接種或壓差法種子罐之間或發(fā)酵罐之間：壓差法2.2.1菌種移接16孢子懸浮液：微孔接種法2.2.1菌種移接16種子罐級數(shù)：是指制備種子需逐級擴(kuò)大培養(yǎng)的次數(shù)。發(fā)酵級數(shù)確定的依據(jù)級數(shù)受發(fā)酵規(guī)模、菌體生長特性、接種量的影響級數(shù)大，難控制、易染菌、易變異，管理困難，一般2-4級。在發(fā)酵產(chǎn)品的放大中，反應(yīng)級數(shù)的確定是非常重要的一個(gè)方面2.2.2種子罐級數(shù)的確定17種子罐級數(shù)：2.2.2種子罐級數(shù)的確定17一級種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)（二級發(fā)酵）：茄子瓶斜面或搖瓶種子經(jīng)過一次種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)，接入發(fā)酵罐作為種子，這稱為一級種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)。2.2.2種子罐級數(shù)的確定182.2.2種子罐級數(shù)的確定18二級種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)（三級發(fā)酵）：茄子瓶斜面或搖瓶種子經(jīng)過兩次種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)，接入發(fā)酵罐作為種子，這稱為二級種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)。三級種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)（四級發(fā)酵）：一級發(fā)酵：孢子或菌絲體直接接入罐中發(fā)酵，稱一級發(fā)酵。2.2.2種子罐級數(shù)的確定19二級種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)（三級發(fā)酵）：2.2.2種子罐級數(shù)的確定接種齡：指種子罐中培養(yǎng)的菌體，移入下一級種子罐或發(fā)酵罐之前在原種子罐中的培養(yǎng)時(shí)間。通常接種齡以菌體處于生命力極為旺盛的對數(shù)生長期，且培養(yǎng)液中菌體量還未達(dá)到最高峰時(shí)為好。種子過于年輕會(huì)出現(xiàn)：（1）前期生長緩慢（2）整個(gè)發(fā)酵周期延長（3）產(chǎn)物開始形成時(shí)間晚。種子過于衰老：引起菌絲過早自溶，生產(chǎn)能力下降。2.2.3接種齡與接種量20接種齡：2.2.3接種齡與接種量20接種量：是指移入的種子液體積（V1）和接種后培養(yǎng)液體積（V1+V2）的比例（V1/V1+V2）。一般接種量：5％～15％過大過小都不好，最終以實(shí)踐定，如大多數(shù)抗生素為7-15%。但是一般認(rèn)為大一點(diǎn)好。接種量較大：接種量過多：接種量過少：獲得高產(chǎn)的其它措施：雙種法：兩個(gè)種子罐接種到一個(gè)發(fā)酵罐中。倒種法：一部分種子來源于種子罐，一部分來源于發(fā)酵罐。

2.2.3接種齡與接種量21接種量：是指移入的種子液體積（V1）和接種后培養(yǎng)液體積（V1生產(chǎn)中通常測定的參數(shù)：pH值；磷、糖及氨基氮的含量；菌絲形態(tài)、菌絲濃度、培養(yǎng)液外觀（色素、顆粒等）；其它如酶活等；2.2.4種子質(zhì)量判斷22生產(chǎn)中通常測定的參數(shù)：pH值；2.2.4種子質(zhì)2.3.1原材料質(zhì)量質(zhì)量波動(dòng)：1）產(chǎn)地、品種、加工方法及用量；2）無機(jī)離子含量不同（起主要作用）；2.3.2培養(yǎng)條件1）溫度2）濕度3）通氣量2.3.3斜面冷藏時(shí)間2.3影響種子質(zhì)量的因素232.3.1原材料質(zhì)量2.3影響種子質(zhì)量的因素232.4種子質(zhì)量控制措施種子質(zhì)量的最終指標(biāo)：考察其在發(fā)酵罐中所表現(xiàn)出來的生產(chǎn)能力。1）保證生產(chǎn)菌種的穩(wěn)定性檢查穩(wěn)定性方法：242.4種子質(zhì)量控制措施種子質(zhì)量的最終指標(biāo)：考察其在發(fā)酵罐中

2）保證無雜菌侵入通常方法：種子液顯微鏡觀察種子液瓊脂斜面：無菌試驗(yàn)生化分析：營養(yǎng)消耗速度、pH變化、溶氧利用、色澤氣味等252）保證無雜菌侵入通常方法：25培養(yǎng)基：廣義上講培養(yǎng)基是指一切可供微生物細(xì)胞生長繁殖所需的一組營養(yǎng)物質(zhì)和原料。同時(shí)培養(yǎng)基也為微生物培養(yǎng)提供除營養(yǎng)外的其它所必須的條件。

發(fā)酵培養(yǎng)基的作用：

滿足菌體的生長促進(jìn)產(chǎn)物的形成26培養(yǎng)基：廣義上講培養(yǎng)基是指一切可供微生物細(xì)胞生長繁殖所需的發(fā)酵培養(yǎng)基的要求①培養(yǎng)基能夠滿足產(chǎn)物最經(jīng)濟(jì)的合成。②發(fā)酵后所形成的副產(chǎn)物盡可能的少。③培養(yǎng)基的原料應(yīng)因地制宜，價(jià)格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購運(yùn)輸，適合大規(guī)模儲(chǔ)藏，能保證生產(chǎn)上的供應(yīng)。④所選用的培養(yǎng)基應(yīng)能滿足總體工藝的要求，如不應(yīng)該影響通氣、提取、純化及廢物處理等。27發(fā)酵培養(yǎng)基的要求①培養(yǎng)基能夠滿足產(chǎn)物最經(jīng)濟(jì)的合成。27第二節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的成分及來源

一、碳源1、作用提供微生物菌種的生長繁殖所需的能源合成菌體所必需的碳成分提供合成目的產(chǎn)物所必須的碳成分2、來源糖類、油脂、有機(jī)酸、正烷烴28第二節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的成分及來源一、碳源1、作用提供微生物菌3、工業(yè)上常用的糖類①葡萄糖幾乎所有的微生物都能利用葡萄糖但是會(huì)引起葡萄糖效應(yīng)

工業(yè)上常用淀粉水解糖，但是糖液必須達(dá)到一定的質(zhì)量指標(biāo)②糖蜜糖蜜是制糖生產(chǎn)時(shí)的結(jié)晶母液，它是制糖工業(yè)的副產(chǎn)物。

糖蜜主要含有蔗糖，總糖可達(dá)50%～75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜、葡萄糖蜜。293、工業(yè)上常用的糖類①葡萄糖幾乎所有的微生物都能利用葡萄糖蜜使用的注意點(diǎn)：除糖份外，含有較多的雜質(zhì)，其中有些是有用的，但是許多都會(huì)對發(fā)酵產(chǎn)生不利的影響，需要進(jìn)行預(yù)處理。例：谷氨酸發(fā)酵有害物資：膠體成分（起泡、結(jié)晶）、鈣鹽（結(jié)晶）生物素（發(fā)酵控制）預(yù)處理：澄清→脫鈣→脫除生物素例：檸檬酸發(fā)酵有害物質(zhì)：鐵離子含量高（導(dǎo)致異檸檬酸的生成）預(yù)處理：→黃血鹽30糖蜜使用的注意點(diǎn)：除糖份外，含有較多的雜質(zhì)，其中有些是有用的③淀粉、糊精使用條件：微生物必須能分泌水解淀粉、糊精的酶類缺點(diǎn)：難利用、發(fā)酵液比較稠、一般>2.0%時(shí)加入一定的α-淀粉酶成分比較復(fù)雜，有直鏈淀粉和支鏈淀粉等等。優(yōu)點(diǎn)：來源廣泛、價(jià)格低、可以解除葡萄糖效應(yīng)31③淀粉、糊精使用條件：微生物必須能分泌水解淀粉、糊精的酶類二、氮源

氮源主要用于構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)（氨基酸，蛋白質(zhì)、核酸等）和含氮代謝物。常用的氮源可分為兩大類：有機(jī)氮源和無機(jī)氮源。

1、無機(jī)氮源種類：氨鹽、硝酸鹽和氨水特點(diǎn)：微生物對它們的吸收快，所以也稱之謂迅速利用的氮源。但無機(jī)氮源的迅速利用常會(huì)引起pH的變化如：

(NH4)2SO4

→2NH3+2H2SO4

NaNO3+4H2→NH3+2H2O+NaOH32二、氮源氮源主要用于構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)（氨基酸，蛋白質(zhì)

無機(jī)氮源被菌體作為氮源利用后，培養(yǎng)液中就留下了酸性或堿性物質(zhì)，這種經(jīng)微生物生理作用（代謝）后能形成酸性物質(zhì)的無機(jī)氮源叫生理酸性物質(zhì)，如硫酸胺，若菌體代謝后能產(chǎn)生堿性物質(zhì)的則此種無機(jī)氮源稱為生理堿性物質(zhì)，如硝酸鈉。正確使用生理酸堿性物質(zhì)，對穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程的pH有積極作用。所以選擇合適的無機(jī)氮源有兩層意義：

滿足菌體生長穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中的pH33無機(jī)氮源被菌體作為氮源利用后，培養(yǎng)液中就留下了酸性或2、有機(jī)氮源來源：工業(yè)上常用的有機(jī)氮源都是一些廉價(jià)的原料，花生餅粉、黃豆餅粉、棉子餅粉、玉米漿、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、魚粉、蠶蛹粉、尿素、廢菌絲體和酒糟。成分復(fù)雜：除提供氮源外，有些有機(jī)氮源還提供大量的無機(jī)鹽及生長因子。例玉米漿：①可溶性蛋白、生長因子（生物素）、苯乙酸②較多的乳酸③硫、磷、微量元素等342、有機(jī)氮源來源：工業(yè)上常用的有機(jī)氮源都是一些廉價(jià)的原料，花

有機(jī)氮源成分復(fù)雜可以從多個(gè)方面對發(fā)酵過程進(jìn)行影響，而另一方面有機(jī)氮源的來源具有不穩(wěn)定性。所以在有機(jī)氮源選取時(shí)和使用過程中，必須考慮原料的波動(dòng)對發(fā)酵的影響。35有機(jī)氮源成分復(fù)雜可以從多個(gè)方面對發(fā)酵過程進(jìn)行影響氮源使用的一些相關(guān)問題：

有機(jī)氮源和無機(jī)氮源應(yīng)當(dāng)混合使用早期：容易利用易同化的氮源—無機(jī)氮源中期：菌體的代謝酶系已形成、則利用蛋白質(zhì)

有些產(chǎn)物會(huì)受氮源的誘導(dǎo)和阻遏例：蛋白酶的生產(chǎn)

有機(jī)氮源選取時(shí)也要考慮微生物的同化能力

開發(fā)效果好、有針對性的有機(jī)氮源仍然是令人感興趣的課題36氮源使用的一些相關(guān)問題：有機(jī)氮源和無機(jī)氮源應(yīng)當(dāng)混合使用早期三、無機(jī)鹽及微量元素1、作用：各種不一樣2、來源：C、N源，以鹽的形式補(bǔ)充3、用量：根據(jù)具體的產(chǎn)品，以實(shí)驗(yàn)決定，P1044、使用注意點(diǎn)A.對于其它渠道有可能帶入的過多的某種無機(jī)離子和微量元素在發(fā)酵過程中必須加以考慮例：鐵離子青霉素發(fā)酵中，鐵離子的濃度要小于20μg/ml發(fā)酵罐必須進(jìn)行表面處理37三、無機(jī)鹽及微量元素1、作用：各種不一樣2、來源：C、N源，B、使用時(shí)注意鹽的形式（pH的變化）例：黑曲酶NRRL-330,生產(chǎn)α-淀粉酶，P對酶活的影響pH酶活不加4.25120分鐘加K2HPO45.4530分鐘加KH2PO44.6275分鐘38B、使用時(shí)注意鹽的形式（pH的變化）例：黑曲酶NRRL-33四、生長因子、前體和產(chǎn)物促進(jìn)劑從廣義上講，凡是微生物生長不可缺少的微量的有機(jī)物質(zhì)，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等均稱生長因子。

1、生長因子

如以糖質(zhì)原料為碳源的谷氨酸生產(chǎn)菌均為生物素缺陷型，以生物素為生長因子,生長因子對發(fā)酵的調(diào)控起到重要的作用。

有機(jī)氮源是這些生長因子的重要來源，多數(shù)有機(jī)氮源含有較多的B族維生素和微量元素及一些微生物生長不可缺少的生長因子39四、生長因子、前體和產(chǎn)物促進(jìn)劑從廣義上講，凡是微生物生長不可

前體指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接被微生物在生物合成過程中合成到產(chǎn)物分子中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，但是產(chǎn)物的產(chǎn)量卻因加入前體而有較大的提高。2、前體青霉素：分子量356苯乙酸:分子量13640前體指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接被作用：前體有助于提高產(chǎn)量和組份P107用量：前體的用量可以按分子量衡算，具體使用有個(gè)轉(zhuǎn)化率的問題例：6000單位/ml的青霉素G,需要多少苯乙酸青霉素＝6000*0.6（微克）＝36mg/ml苯乙酸＝（36*136）/356=13.8mg/ml=1.38%實(shí)際使用時(shí)的轉(zhuǎn)化率在46-90%之間例某廠單耗為：0.337（kg/10億青霉素）轉(zhuǎn)化率為：0.6/(0.337*36/13.8)=68%41作用：前體有助于提高產(chǎn)量和組份P107用量：前體的用量可以用法：前體使用時(shí)普遍采用流加的方法

前體一般都有毒性，濃度過大對菌體的生長不利苯乙酸，一般基礎(chǔ)料中僅僅添加0.07%

前體相對價(jià)格較高，添加過多，容易引起揮發(fā)和氧化，流加也有利于提高前體的轉(zhuǎn)化率42用法：前體使用時(shí)普遍采用流加的方法423、產(chǎn)物促進(jìn)劑所謂產(chǎn)物促進(jìn)劑是指那些非細(xì)胞生長所必須的營養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產(chǎn)量的添加劑。

促進(jìn)劑提高產(chǎn)量的機(jī)制還不完全清楚，其原因是多方面的。有些促進(jìn)劑本身是酶的誘導(dǎo)物；有些促進(jìn)劑是表面活性劑，可改善細(xì)胞的透性，改善細(xì)胞與氧的接觸從而促進(jìn)酶的分泌與生產(chǎn)；也有人認(rèn)為表面活性劑對酶的表面失活有保護(hù)作用；有些促進(jìn)劑的作用是沉淀或螯合有害的重金屬離子。433、產(chǎn)物促進(jìn)劑促進(jìn)劑提高產(chǎn)量的機(jī)制還不完全清楚，其原因是多方五、水

對于發(fā)酵工廠來說，恒定的水源是至關(guān)重要的，因?yàn)樵诓煌粗写嬖诘母鞣N因素對微生物發(fā)酵代謝影響甚大。

水源質(zhì)量的主要考慮參數(shù)包括pH值、溶解氧、可溶性固體、污染程度以及礦物質(zhì)組成和含量。對于釀造行業(yè)，水的重要性不言而喻對于常規(guī)發(fā)酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清潔的水。44五、水對于發(fā)酵工廠來說，恒定的水源是至關(guān)重要的第三節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化一、培養(yǎng)基成分選擇的原則

菌種的同化能力

代謝的阻遏和誘導(dǎo)

合適的C、N比100∶0.2～2.0

pH的要求

45第三節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化一、培養(yǎng)基成分選擇的原則菌（一）、理論轉(zhuǎn)化率與實(shí)際轉(zhuǎn)化率

理論轉(zhuǎn)化率是指理想狀態(tài)下根據(jù)微生物的代謝途徑進(jìn)行物料衡算，所得出的轉(zhuǎn)化率的大小。實(shí)際轉(zhuǎn)化率是指實(shí)際發(fā)酵過程中轉(zhuǎn)化率的大小如何使實(shí)際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)化是發(fā)酵控制的一個(gè)目標(biāo)

二、成分含量的確定46（一）、理論轉(zhuǎn)化率與實(shí)際轉(zhuǎn)化率理論轉(zhuǎn)化率是指理想狀態(tài)下根據(jù)例:如在酒精生產(chǎn)中葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論轉(zhuǎn)化率計(jì)算如下∶

葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的代謝總反應(yīng)衡算式為∶C6H12O6─→2C2H5OH+2CO2葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論得率為∶2*46

Y=───=0.5716247例:如在酒精生產(chǎn)中葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論轉(zhuǎn)化率計(jì)算如下∶4四、搖瓶水平到反應(yīng)器水平的優(yōu)化配方搖瓶、反應(yīng)器培養(yǎng)基研究的兩個(gè)層次

搖瓶——培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的第一步

反應(yīng)器—最終的優(yōu)化的基礎(chǔ)配方48四、搖瓶水平到反應(yīng)器水平的優(yōu)化配方搖瓶、反應(yīng)器培養(yǎng)基研究的兩滅菌

在大規(guī)模發(fā)酵中應(yīng)該盡可能的采取連續(xù)滅菌的操作，而且保證滅菌條件的穩(wěn)定是保證發(fā)酵穩(wěn)定的前提

有時(shí)避免營養(yǎng)物質(zhì)在加熱的條件下，相互作用，可以將營養(yǎng)物質(zhì)分開消毒。

有些物質(zhì)由于揮發(fā)和對熱非常敏感，就不能采用濕熱的滅菌方法Na2HPO4+CaCO3→CaHPO4+Na2CO349滅菌在大規(guī)模發(fā)酵中應(yīng)該盡可能的采取連續(xù)滅菌的操作，第四章滅菌(sterilization)4.1滅菌的意義和方法4.1.1

意義滅菌：指用物理或化學(xué)方法殺滅或去除物料或設(shè)備中所有雜菌的過程。雜菌：除生產(chǎn)菌以外的所有有生命的物質(zhì)。生產(chǎn)菌：用于生產(chǎn)人們所需物質(zhì)的微生物。染菌：若生產(chǎn)菌在培養(yǎng)過程中污染了雜菌，稱染菌。50第四章滅菌(sterilization)4.1滅菌的意義染菌的危害：1）消耗培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分；2）雜菌分泌對生產(chǎn)菌有害的物質(zhì)或使代謝產(chǎn)物分解；3）雜菌的代謝物會(huì)改變環(huán)境的pH值，抑制生產(chǎn)菌的生長和代謝物的合成；4）影響發(fā)酵液的過濾、提煉和精制，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和收率；5）發(fā)酵染菌不但影響個(gè)別罐的生產(chǎn)，還會(huì)引起連續(xù)大幅度的染菌，給生產(chǎn)帶來極大威脅。意義：保持純種培養(yǎng)以確保得到所需產(chǎn)物。51染菌的危害：1）消耗培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分；514.1.2滅菌的方法類別方法措施原理使用場合用甲醛、苯酚、cl2、酒精、K4mno4、Hgcl及新潔爾滅等藥劑進(jìn)行滅菌化學(xué)法化學(xué)藥劑滅菌化學(xué)藥劑與細(xì)胞發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而起到消毒和防腐作用實(shí)驗(yàn)室器皿、工具或生產(chǎn)用水（很少用于培養(yǎng)基滅菌：因?yàn)橐恍┡囵B(yǎng)基成分也會(huì)與其反應(yīng)且不易去除）物理法熱滅菌干熱濕熱160℃干熱空氣或壓縮空氣所產(chǎn)生的熱維持1小時(shí)微生物由于氧化作用而死亡，高溫時(shí)微生物體內(nèi)各種與溫度有關(guān)的氧化反應(yīng)加快（Q10=2--3），導(dǎo)致死亡要求滅菌后保持干燥狀態(tài)的物質(zhì)（如容器等）常用120℃飽和蒸汽維持20--30min蒸汽冷凝時(shí)釋放出大量潛熱并且有很強(qiáng)的穿透性（在高溫且有水分存在下微生物細(xì)胞中蛋白質(zhì)極易凝固而引起微生物死亡）廣泛用于工業(yè)培養(yǎng)基和設(shè)備滅菌---經(jīng)濟(jì)、快速（當(dāng)直接通入蒸汽滅菌，配制培養(yǎng)基時(shí)注意扣除冷凝水的體積）介質(zhì)過濾除菌常用棉花、活性碳或超濾膜等過濾介質(zhì)利用過濾介質(zhì)捕集流體（空氣、液體）中的灰塵和雜菌廣泛用于好氧培養(yǎng)中的空氣除菌（及產(chǎn)品提取中無菌過濾）輻射滅菌利用紫外線高能量的熱磁波（如λ及γ射線）的輻射一定波長的射線對微生物的殺滅作用因其穿透力低，只能用于表面滅菌（如無菌室內(nèi)空氣的滅菌，γ射線特別用于食品工業(yè)）524.1.2滅菌的方法類別方法措施原理使用場合用甲醛、除菌：用物理方法除去流體中雜質(zhì)的操作。消毒（disinfection）：用物理或化學(xué)方法殺滅病原菌的操作。滅菌（sterilization）：用物理或化學(xué)方法殺滅物料中所有有生命的物質(zhì)。53除菌：534.2微生物的熱死動(dòng)力學(xué)4.2.1微生物的熱阻1)微生物對溫度的適應(yīng)性類別 最低限溫度最適生長溫度最高限溫度致死溫度致死時(shí)間嗜冷菌 0℃ 10~20℃ 30℃ 常溫菌 5℃ 20~40℃50℃ 無芽孢60℃10mim有芽孢100℃幾分鐘～幾小時(shí)嗜熱菌30℃ 50~60℃90℃ 120℃20~30min致死溫度：殺死微生物的極限溫度。致死時(shí)間：在致死溫度下，殺滅全部微生物所需的時(shí)間。在致死溫度以上，致死溫度愈高，致死時(shí)間愈短。

544.2微生物的熱死動(dòng)力學(xué)4.2.1微生物的熱阻542)微生物抗熱能力的度量熱阻：在特定條件下（主要是溫度和加熱方式），微生物的致死時(shí)間稱為熱阻。相對熱阻：在特定條件下，微生物1的致死時(shí)間與微生物2的致死時(shí)間之比。3)滅菌程度的度量

滅菌度:N0/N殘存率:N/N0，N0、N滅菌前后微生物（雜菌）含量4)滅菌準(zhǔn)則：以殺滅芽孢細(xì)菌的程度為標(biāo)準(zhǔn)。552)微生物抗熱能力的度量554.2.2對數(shù)殘留定律—微生物熱死的規(guī)律1)數(shù)學(xué)表達(dá)式式中t：滅菌時(shí)間N：微生物存活數(shù)-dN/dt：表示某一瞬間微生物的變化量“—”：表示微生物隨滅菌時(shí)間的延長而減少k：微生物死亡速度常數(shù)k=f（微生物、溫度、加熱方式……）564.2.2對數(shù)殘留定律—微生物熱死的規(guī)律1)數(shù)學(xué)表達(dá)式式中邊界條件：N|t=0=N0(滅菌始態(tài)原有菌數(shù))

N|t=t=Ne（滅菌終態(tài)殘留菌數(shù)）積分上式得

以~t作圖斜率為k

十進(jìn)制衰減時(shí)間：當(dāng)N0/Ne=10時(shí)，D=2.303/k57邊界條件：57Ne的確定：Ne＝0，t=∞，沒有意義；Ne＝0.5，意味著兩次滅菌可能有一次染菌；一般工業(yè)上設(shè)：Ne＝10-3，意味著1000次滅菌可能有一次染菌。

58Ne的確定：58相繼死亡模型：（此章節(jié)內(nèi)容不做考試要求）

抗熱芽孢熱敏芽孢死亡芽孢（個(gè)/ml）

KR、Ks死亡速度常數(shù)（min-1）比失活速率動(dòng)力學(xué)方程

－dNR/dt=KRNR-----------------①+

dNS/dt=KRNR－

KSNS-----②59相繼死亡模型：（此章節(jié)內(nèi)容不做考試要求）動(dòng)力學(xué)方程由①積分：得：㏑（NR/N0）=－KRtNR=N0e-KRt=N0exp(-KRt)代入②得:(dNs/dt)=KRN0exp(-KRt)－KSNS即：(dNs/dt)+KSNS=KRN0exp(-KRt)------一階非齊次常微分方程〕形如：y`+p(x)y=Q(x)通解：y=e-∫p(x)dx〔∫Q(x)e∫p(x)dxdx+c〕60由①積分：得：㏑（NR/N0）=－KRt代入②得:得:NS=e-∫Ksdt〔∫KRN0exp(-KRt)e∫Ksdtdt+c〕

=e-Kst〔∫KRN0exp(-KRt)eKstdt+c〕

=e-Kst〔KRN0∫e(

Ks–KR)tdt+c〕

=e-Kst(N0KR/(Ks-KR))〔e(Ks-KR)t+c`〕由Ns|t=0=0得：c`=-1則：NS/N0=(KR/(Ks-KR))〔e(Ks-KR)t-Kst-e-Kst〕=(KR/(Ks-KR))〔e-KR

t-e-Kst

〕61得:NS=e-∫Ksdt〔∫KRN0exp(-KRtNe/N0=(NR+NS)/N0=e-KRt+(KR/(Ks-KR))〔e-KRt-e-Kst〕

=e-KRt(Ks-KR+KR)/(Ks-KR)-e-KstKR/(Ks-KR)

=e-KRtKs/(Ks-KR)-e-KstKR/(Ks-KR)

當(dāng)Ks>>KR

Ne/N0=e-KRt62Ne/N0=(NR+NS)/N0=e-KRt4.2.3k的求取及溫度對k的影響

1)k的求取

2)溫度對k的影響阿累尼烏斯定律:k=Aexp(-E/RT)A：頻率因子(min-1)T：絕對溫度(K)E：微生物熱死活化能（J/mol或cal/mol）R：氣體常數(shù)(8.314J/mol*K或1.987cal/mol*K)634.2.3k的求取及溫度對k的影響1)k的求取3)E的求取lnk=lnA-E/RT以lnk~1/T作圖E=-R*斜率

E(kcal/mol) Q10 有芽孢微生物細(xì)胞100 35 微生物營養(yǎng)細(xì)胞 50~60 5~10 化學(xué)分解反應(yīng) 2~20 1.5~2 活化能越高，k對溫度越敏感，溫度對k的影響越大。643)E的求取lnk=lnA-E/RT644.2.4培養(yǎng)基滅菌最佳操作條件的選擇1)培養(yǎng)基營養(yǎng)成分分解動(dòng)力學(xué)

dc/dt=-k’c式中c：營養(yǎng)成分的濃度（mol/升）t：反應(yīng)時(shí)間（秒）k’：營養(yǎng)成分分解速度常數(shù)（秒-1）k’=f(T,反應(yīng)類型……)2)k’與T關(guān)系k’=A’exp(-E’/RT)一般E>E’654.2.4培養(yǎng)基滅菌最佳操作條件的選擇653）培養(yǎng)基滅菌最佳操作條件的選擇設(shè)滅菌溫度由T1升至T2，對于微生物死亡而言：（2）－（1）得：663）培養(yǎng)基滅菌最佳操作條件的選擇（2）－（1）得：66同理對于營養(yǎng)成分的破壞而言有：

（3）/（4）得：因?yàn)镋>E’所以:67同理對于營養(yǎng)成分的破壞而言有：（3）/（4）得：因?yàn)镋>E’討論：1）T升高，k(k’)也升高，但k升高的幅度大于k’

升高的幅度，這對滅菌有利（無菌培養(yǎng)的基礎(chǔ)）；2）T升高，k升高，如滅菌度一定，t減少；因此，培養(yǎng)基滅菌最佳操作條件高溫快速。

溫度對VB1破壞的影響滅菌溫度(℃） 100 110 120 130 140 150 N/N0=10-16時(shí)所需時(shí)間（min）843 75 7.6 0.851 0.107 0.105 VB1損失（%） 99.99 89 27 10 3 1 由此表求E、A、E’、A’68討論：溫度對VB1破壞的影響684.2.5影響培養(yǎng)基滅菌的因素1)培養(yǎng)基中雜菌的種類和數(shù)量耐熱菌k小Ne/N0一定t大N0大Ne和k一定t大t大可能的后果：c/c0?。挥锌赡墚a(chǎn)生妨礙微生物生長和代謝的產(chǎn)物。694.2.5影響培養(yǎng)基滅菌的因素1)培養(yǎng)基中雜菌的種類和數(shù)2）培養(yǎng)基的pH值pH6~8時(shí)，微生物耐熱性最強(qiáng)；pH<6時(shí)，H+易滲入微生物細(xì)胞，改變細(xì)胞的生理狀態(tài)促進(jìn)其死亡因此，pH降低，t減少。702）培養(yǎng)基的pH值703）培養(yǎng)基成份高濃度的糖類、油脂及蛋白質(zhì)耐熱性t高濃度的有機(jī)物培養(yǎng)基粘度傳熱效果t高濃度的鹽類細(xì)胞滲透壓傳熱t(yī)培養(yǎng)基中的顆粒物質(zhì)傳熱t(yī)

4）泡沫5）其它：是否飽和蒸汽、空氣排除、菌齡、攪拌713）培養(yǎng)基成份714.3.1分批滅菌的設(shè)備及計(jì)算1)分批滅菌設(shè)備：發(fā)酵罐、進(jìn)出蒸汽管道2)分批滅菌的全過程三個(gè)階段：a.預(yù)熱升溫：

目的：避免料液與蒸汽溫差太大，產(chǎn)生小泡撞擊聲；對培養(yǎng)基固體顆粒起糊化作用。b.保溫：維持118～120℃，0.9～1.0kg/cm2，30min冷卻：完成整個(gè)滅菌周期3～5小時(shí)724.3.1分批滅菌的設(shè)備及計(jì)算1)分批滅菌設(shè)備：發(fā)酵罐、進(jìn)3)分批滅菌計(jì)算N0N1NeN2733)分批滅菌計(jì)算N0N1NeN273各階段滅菌貢獻(xiàn)分別為：△升＝0.2△總△保＝0.75△總△冷＝0.05△總滅菌所需時(shí)間t總=t升+t保+t冷△總＝△升＋△保＋△冷74各階段滅菌貢獻(xiàn)分別為：滅菌所需時(shí)間74升溫階段k值計(jì)算：

k平均求解：圖解積分法辛普生積分法75k平均求解：75升溫結(jié)束時(shí)的殘菌數(shù)保溫時(shí)間76升溫結(jié)束時(shí)的殘菌數(shù)保溫時(shí)間764.3.2.2連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)營養(yǎng)物質(zhì)破壞少，有利于提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)率；發(fā)酵罐利用率提高；過程限制容易，便于自控；系統(tǒng)避免反復(fù)加熱冷卻，提高熱能利用率。缺點(diǎn)不適于含有顆?；蛱嵌却蟮呐囵B(yǎng)基；需額外投資滅菌上設(shè)備；需較穩(wěn)定的壓強(qiáng)，不低于4kg/cm2（表壓）的蒸汽。774.3.2.2連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)77典型流型：活塞流滯流湍流=umax=0.5umax=0.82umax

培養(yǎng)基受熱時(shí)間相同培養(yǎng)基受熱時(shí)間不同

存在停留時(shí)間分布

分析問題：對于存在停留時(shí)間分布的培養(yǎng)基，其滅菌保溫時(shí)間不能直接用對數(shù)殘留定律計(jì)算。解決問題：介紹一種公式化的模型——軸向擴(kuò)散模型。78典型流型：782)返混（backmixing）與停留時(shí)間分布（residenttimedistribution）返混：不同瞬間進(jìn)入容器的物料質(zhì)點(diǎn)之間的混合。返混原因：分子擴(kuò)散、渦流返混與RTD關(guān)系：前因后果注意點(diǎn)：活塞流不存在返混，pe→∞；全混流返混程度最大，pe→0；返混與RTD是因果關(guān)系，RTD反映了返混的程度，但不同的返混可能存在著同一RTD；返混是流體連續(xù)流動(dòng)的宏觀參數(shù)，任何連續(xù)流動(dòng)過程都必須考慮之，分批過程不存在返混；一般返混將導(dǎo)致設(shè)備利用能力降低，但對于連續(xù)發(fā)酵、自催化而言，返混則有利。792)返混（backmixing）與停留時(shí)間分布（resi3）軸向擴(kuò)散模型——流動(dòng)＝活塞流＋軸向擴(kuò)散在一根截面積為A（米2）的長管中，任取一長度為dx（米）的微元，含有雜菌濃度為N（個(gè)/m3）的培養(yǎng)基以平均流速（m/h）的速度等溫連續(xù)流過微元，培養(yǎng)基流體存在返混，其軸向混合擴(kuò)散系數(shù)為Ez（m2/h），流體流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，對dx小段可作如下的微生物物料衡算：8080對dx小段可如下的微生物物料衡算單位時(shí)間內(nèi)按活塞流流入微元的芽孢數(shù):(1)式單位時(shí)間內(nèi)按活塞流流出微元的芽孢數(shù):(2)式81對dx小段可如下的微生物物料衡算81單位時(shí)間內(nèi)因返混離開微元的芽孢數(shù)：（3）式單位時(shí)間內(nèi)因返混進(jìn)入微元的芽孢數(shù)：

（4）式8282單位時(shí)間內(nèi)在微元中殺滅的芽孢數(shù):

（5）式就微元中的芽孢作物料衡算：即

(1)-(2)+(4)-(3)=(5) 得：

83單位時(shí)間內(nèi)在微元中殺滅的芽孢數(shù):83則上式為（1）

對此式進(jìn)行無因次化設(shè)得

8484代入（1）得令Pe=UL/Ez（Peclet準(zhǔn)數(shù)表征通混的程度Pe=0全混Pe->無窮活塞流）N=Lk/U(反應(yīng)準(zhǔn)數(shù)ReactionNumber)85代入（1）得85則（2）式可寫成：

二階齊次常微分方程組設(shè)

代入（3）得：86則（2）式可寫成：86即

87即87即通解

88888989左式代入右式：得：90左式代入右式：得：9091915.1微生物對氧的需求及影響因素

5.1.1微生物對氧的需求氧的作用：1)作為呼吸鏈電子傳遞系統(tǒng)的最終電子受體。2H++2e-+1/2O2Cyta3

H2ONADHFMNCoQCytbCytcCytaa3O2H+電子傳遞部位線粒體膜壁——真核微生物（高等原生生物）質(zhì)膜——原核微生物（低等原生生物）2)直接參與一些生物反應(yīng)。925.1微生物對氧的需求及影響因素5.1.1

決定氧消耗速率的因素：1)

線粒體上的酶活力。2)

底物種類與濃度3)

溶解氧濃度表征氧消耗速率的物理量

呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率）：mmol/g(drycell)*h

攝氧率：mmol/l*h~的關(guān)系：x:g(drycell)/l~CL關(guān)系：CL<C臨（微生物的呼吸臨界氧濃度）CLCL>C臨

恒定一般C臨0.003~0.05mmol/l，氧飽和濃度的1～25％。在發(fā)酵過程中，氧不需達(dá)到飽和濃度，CL>C臨即可，細(xì)胞呼吸不受抑制。

93決定氧消耗速率的因素：93~CL的關(guān)系（溶解氧為限制性底物）：其中：最大比生長速度（1/h）K0：某一系統(tǒng)飽和常數(shù)與K0求取：與的關(guān)系：=K(合成產(chǎn)物和維持代謝的呼吸忽略時(shí))與CL的關(guān)系：

[]m：微生物最大呼吸強(qiáng)度，通常可當(dāng)作微生物固有的對O2的需求值。討論：滿足雙曲線形式當(dāng)CL<<K0，

滿足線性關(guān)系；當(dāng)CL~K0

，滿足雙曲線關(guān)系；當(dāng)CL>>K0

，恒值。94~CL的關(guān)系（溶解氧為限制性底物）：94

1）培養(yǎng)基（成份、濃度）補(bǔ)料增加礦物質(zhì)濃度

2）菌種與菌齡

不同菌種有不同的、同一菌種年輕菌絲3）菌體濃度菌體濃度注意：與代謝產(chǎn)物形成之間沒有固定關(guān)系

5.1.2影響微生物需氧量的因素951）培養(yǎng)基（成份、濃度）5.1.2影響微生物需氧量的

4）培養(yǎng)條件：T[]m5）其它因素有毒代謝產(chǎn)物的形成積累；NH3、CO2等不能及時(shí)排出影響生長揮發(fā)性中間產(chǎn)物的損失；動(dòng)植物油等消泡劑被利用。964）培養(yǎng)條件：T[5.2培養(yǎng)過程中氧的傳遞5.2.1氧在液體中的溶解特性：1）溫度T溶解性2）溶液性質(zhì)：不同溶液（在相同溫度、氣體分壓）不同溶解度；水1atm25℃溶解度0.26mmol/l發(fā)酵液1atm25℃溶解度0.20mmol/l同一溶液溶質(zhì)濃度溶解度3）氧的分壓：

975.2培養(yǎng)過程中氧的傳遞5.2.1氧在液體中的溶解特性：998985.2.2氧傳遞的各項(xiàng)阻力995.2.2氧傳遞的各項(xiàng)阻力99傳遞過程：1—4供氧方面的阻力，5－9耗氧方面的阻力；傳遞阻力及其表示：

：傳遞系數(shù)(m/s)游離細(xì)胞：==0;細(xì)胞吸附在氣液界面：~=0;、較小，與細(xì)胞外徑平方成正比；攪拌、工藝條件合理，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象少，較??；生長條件合適、代謝產(chǎn)物及時(shí)排出，較小。100傳遞過程：1—4供氧方面的阻力，5－9耗氧方面的阻力；100總阻力R=1/k1+1/k2+…＋1/k9傳遞動(dòng)力及其表示：或氧傳遞速率（穩(wěn)態(tài)）：NA=總推動(dòng)力/總阻力＝＝（mol/m2*s）101總阻力R=1/k1+1/k2+…＋1/k9101假設(shè)：把氣液相視作兩個(gè)靜止的膜：氣膜、液膜。視膜內(nèi)傳遞為分子擴(kuò)散過程。界面上氣液兩相呈平衡狀態(tài)，服從亨利定律。氣相到液相的傳質(zhì)過程視作穩(wěn)定串聯(lián)過程（膜上無積累、一維擴(kuò)散）。102假設(shè)：102方程的建立：1）單位界面積上氣相組分A的傳遞速率方程式：

NA==

==(mol/m2*s)

：氣液膜傳質(zhì)系數(shù)；

：界面上組分A氣體分壓與液體濃度；PCL：氣相主體組分A分壓與液相主體組分A的濃度103方程的建立：103

、難測定，NA==

==

(mol/m2*s)

式中，KL：以濃度差表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)；KG：以氧分壓差表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)；P*：與液相中CL成平衡時(shí)的氣相分壓；C*：與氣相中P成平衡時(shí)的液相中溶解氧濃度（飽和濃度）。104、難測定，104KGKL與kgkl的關(guān)系：105KGKL與kgkl的關(guān)系：105同理：106同理：106由于H>1，107由于H>1，1072）單位體積氧傳遞速率(OTR)方程式

a:單位體積液體中所含的氣液接觸面積（m2/m3）:體積氧傳遞系數(shù)、供氧系數(shù)，表征通氣攪拌效果及通氣效率(1/h)。雙模理論的研究和建立已有長久的歷史，從理論到解決工程問題都較為成熟，因而目前仍被認(rèn)為是工程上解決傳氧問題的基本理論和方法。單位體積氧傳遞速率(OTR)方程式(mol/m2*s)(mol/m3*s)單位界面積上氣相組分A的傳遞速率方程式單位體積氧傳遞速率(OTR)方程式1082）單位體積氧傳遞速率(OTR)方程式5.2.4發(fā)酵液中溶解氧濃度的變化規(guī)律

=傳氧速率－耗氧速率

＝(mol/m3*s)討論：>0，通氣良好；

<0，缺氧；=0，穩(wěn)態(tài)，此時(shí)，當(dāng)01095.2.4發(fā)酵液中溶解氧濃度的變化規(guī)律

預(yù)防措施：移出部分發(fā)酵液，加入新鮮培養(yǎng)基；直接補(bǔ)充無菌水。110預(yù)防措施：1105.3影響傳氧的因素

5.3.1影響供氧系數(shù)的因素影響因素：攪拌（P）、空氣流速（Vs）、發(fā)酵液粘度（）、空氣分布器型式、發(fā)酵液高度、攪拌漿形式等.1）攪拌作用分散氣泡，減少氣泡直徑，a；減少菌絲結(jié)團(tuán)，細(xì)胞外液膜阻力減少，細(xì)胞周圍廢氣、廢物濃度降低，細(xì)胞對氧氣和營養(yǎng)吸收增加；1115.3影響傳氧的因素5.3.1影響供氧系數(shù)的因素111

渦流延長氣泡在液體中的停留時(shí)間湍流k3k4增加，提高。攪拌功率過大，剪切作用大，細(xì)胞損傷，動(dòng)植物細(xì)胞尤為敏感；產(chǎn)生大量攪拌熱，加重傳熱負(fù)擔(dān)；2）Vs0.4~0.72有機(jī)械攪拌，攪拌器形式；0.33~0.82無機(jī)械攪拌，空氣分布器形式；0Vs>過載速度，攪拌器無法分散空氣，空轉(zhuǎn)。112渦流延長氣泡在液體中的停留時(shí)間1123）培養(yǎng)液的物性：密度、粘度、表面活性劑、離子強(qiáng)度的變化影響

菌體濃度、氣體溶解性、穩(wěn)定性及液體流動(dòng)性。4）空氣分布器及發(fā)酵液高度5.3.2影響氧傳遞動(dòng)力的因素（）1）培養(yǎng)溫度T大C*??；2）發(fā)酵液組成對C*的影響水電解質(zhì)溶液1133）培養(yǎng)液的物性：密度、粘度、表面活性劑、離子強(qiáng)度的變化影響電解質(zhì)混合液非電解質(zhì)溶液或有機(jī)物電解質(zhì)＋非電解質(zhì)溶液3）氧分壓提高罐壓升高通入純氧降低培養(yǎng)溫度114電解質(zhì)混合液114變化的規(guī)律：接種前飽和濃度的100％；接種后降低；對數(shù)期大大降低；對數(shù)期后略升；補(bǔ)料降低；后期上升；染好氧菌下降。

115變化的規(guī)律：1155.4KLa的測定5.4.1冷膜法（不存在微生物情況下）1）1165.4KLa的測定5.4.1冷膜法（不存在微生物情況下）測定一系列數(shù)據(jù)，作圖，斜率＝1/kLa。2）ts：容器中溶液被氧飽和時(shí)間。3）測定：通氮?dú)狻⑼諝?、利用溶氧電極測數(shù)據(jù)。117117t118t118曲線Ⅰ：溶氧飽和度曲線

I

119曲線Ⅰ：溶氧飽和度曲線I1191返回1201返回120

4）溶氧電極滯后帶來的偏差的校正階躍相應(yīng)曲線：校正：5.4.2直接測定法或物料衡算法（存在微生物)當(dāng)溶解氧濃度的變化達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，(1/h)1)r求取：用氧氣分析儀在正常發(fā)酵過程中測定發(fā)酵罐進(jìn)氣、出氣口氣體中的氧氣量而得。

121

PV=nRTn=PV/RT：體積氧傳遞速率（mol/l*h）y:氧氣分壓（mol(O2)/mol(air)）122122發(fā)酵罐進(jìn)口空氣中氧傳遞速率：發(fā)酵罐出口空氣中氧傳遞速率：123123物料衡算：no2(mol/lh)Q=V/tQ(l/min)VL(l)T(k)P(atm)R=0.082r(mmol/lh)

若P1=P2=1atmQ1=Q2=GT1=T2=273.15k124物料衡算：1242)C*求?。盒⌒桶l(fā)酵罐（可理想混合）：C*＝C*2（排氣中氧分壓平衡的氧濃度），則大型發(fā)酵罐：（一般不能獲得理想混合）1252)C*求?。?255.4.3動(dòng)態(tài)測定法（快速響應(yīng)復(fù)膜氧電極）5.4.4化學(xué)模擬法（亞硫酸鈉氧化法）Na2SO3+O22Na2SO4特點(diǎn)：（1）反應(yīng)速度不受Na2SO3濃度影響（2）CL=01265.4.3動(dòng)態(tài)測定法（快速響應(yīng)復(fù)膜氧電極）1262Na2SO3+O22Na2SO4nO2測定：通氣、攪拌，取不同時(shí)間樣品與I-KI作用Na2SO3+I2Na2SO4+2HI多余I2用標(biāo)定過Na2S3O3滴定2Na2S2O3+I2Na2S4O6+2NaI4Na2S2O3≈1O2N:Na2S2O3溶液的毫克當(dāng)量濃度t:時(shí)間（h）Vs:試樣體積(ml)V0:開始通氣時(shí)樣品用Na2S2O3溶液滴定時(shí)的用量(ml)；Vt:t時(shí)樣品用Na2S2O3溶液滴定時(shí)的用量(ml)1272Na2SO3+O22Na2SO41128128優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)典利用氧的傳遞特性方法簡便、可靠缺點(diǎn)：非實(shí)際發(fā)酵過程測試工作需要大量的手工操作對于大型發(fā)酵罐，用此法估算kLa的材料費(fèi)用較高。129優(yōu)點(diǎn)：1291.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)生物技術(shù)的定義利用生物有機(jī)體(從微生物直到高等動(dòng)植物)或其組成部分(包括器官、組織、細(xì)胞或細(xì)胞器等)發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的一種操作技術(shù)體系應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠生物作用劑的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)

——國際經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織(1982)1301.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)生物技術(shù)的定義11.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)生物技術(shù)的特點(diǎn)物料—可再生資源(碳水化合物、蛋白質(zhì)等)：價(jià)廉物美生物作用劑—生物催化劑(酶、細(xì)胞)：專一性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化率高、條件溫和、機(jī)理復(fù)雜產(chǎn)品或服務(wù)—涉及多領(lǐng)域知識(shí)與技術(shù)—交叉多學(xué)科1311.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)生物技術(shù)的特點(diǎn)21.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)工程生物工程生物化學(xué)化學(xué)工程生物化學(xué)生物技術(shù)生物技術(shù)（Biotechnology）多學(xué)科示意圖Bioengineering1321.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)工程生物工程生物化學(xué)化學(xué)工程生物化“生物工程”（生化工程）是運(yùn)用化學(xué)工程的原理和方法對實(shí)驗(yàn)室所取得的生物技術(shù)成果加以開發(fā)，使之成為生物反應(yīng)過程的一門學(xué)科。簡單地說：是為生物技術(shù)服務(wù)的化學(xué)工程?！吧锕こ獭毖芯可锓磻?yīng)過程中有普遍性意義的特殊工程技術(shù)問題，如大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)過程、大規(guī)模培養(yǎng)基和空氣的滅菌過程、細(xì)胞生長和產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)、生物反應(yīng)器的優(yōu)化操作和設(shè)計(jì)、生物反應(yīng)過程的參數(shù)檢測和計(jì)算機(jī)應(yīng)用、生化產(chǎn)品的分離純化等過程中的工程技術(shù)問題。由于“生物工程”是化學(xué)工程的一個(gè)分支學(xué)科或被認(rèn)為是生物學(xué)和化學(xué)工程相結(jié)合的交叉學(xué)科而又被稱為“生物化工”。1.生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)133“生物工程”（生化工程）是運(yùn)用化學(xué)工程的原理和方法對實(shí)驗(yàn)室所2.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)“生物反應(yīng)過程”實(shí)質(zhì)上是利用生物催化劑以從事生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。當(dāng)過程采用游離的整體微生物活細(xì)胞為生物催化劑時(shí)，一般稱此為發(fā)酵過程（也稱微生物培養(yǎng)過程、微生物轉(zhuǎn)化過程等）。當(dāng)生物催化劑為游離或固定化酶時(shí)，此過程則稱為酶反應(yīng)過程。另外，還有動(dòng)、植物細(xì)胞（組織）培養(yǎng)過程。1342.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)“生物反應(yīng)過程”實(shí)質(zhì)上是利用生2.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)一般生物反應(yīng)過程示意圖生物催化劑的制備原材料的預(yù)處理反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇產(chǎn)物的分離純化1352.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)一般生物反應(yīng)過程示意圖生物催化

生物反應(yīng)過程具有下列特點(diǎn)：由于采用生物催化劑，反應(yīng)過程在常溫常壓下進(jìn)行，且可運(yùn)用DNA重組技術(shù)及原生質(zhì)體融合等現(xiàn)代生物技術(shù)組建或改造生物催化劑而賦予生物反應(yīng)過程以現(xiàn)實(shí)和潛在的活力，但生物催化劑易于失活，易受環(huán)境的影響和雜菌的污染，一般不能長時(shí)間使用。以采用可再生資源（renewableresources—碳水化合物、蛋白質(zhì)等）為主要原材料，來源豐富、價(jià)格低廉，過程中廢物的危害性較小，但原料成分往往難以控制，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定影響。2.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)136生物反應(yīng)過程具有下列特點(diǎn)：2.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)7與化工生產(chǎn)相比，生產(chǎn)設(shè)備較為簡單，能量消耗一般也較少，但由于過高的底物或產(chǎn)物濃度常導(dǎo)致酶的抑制或細(xì)胞不能耐受如此高的滲透壓而失活，因此反應(yīng)液中的底物（基質(zhì)）濃度不能過高，因此導(dǎo)致很大的反應(yīng)器體積且要求在無雜菌污染情況下進(jìn)行操作。酶反應(yīng)過程的專一性強(qiáng)，轉(zhuǎn)化率高，但成本較高，發(fā)酵過程成本低，應(yīng)用廣，但反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，較難控制，反應(yīng)液中雜質(zhì)較多，給提取純化帶來團(tuán)難。2.生物反應(yīng)過程的意義和特點(diǎn)137與化工生產(chǎn)相比，生產(chǎn)設(shè)備較為簡單，能量消耗一般也較少，但由于4.生物反應(yīng)過程的生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)──形成了經(jīng)典的以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的工程學(xué)概念生物反應(yīng)工程：它涉及二方面的內(nèi)容，即宏觀微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和生物反應(yīng)器工程。其中反應(yīng)器工程是指包括影響微生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)的生物反應(yīng)器形式、結(jié)構(gòu)、操作方式、物料混和傳遞過程特性等

宏觀動(dòng)力學(xué)：但是實(shí)際發(fā)酵過程是在生物反應(yīng)器中進(jìn)行，因此，從實(shí)用意義出發(fā)，人們重視一定反應(yīng)器內(nèi)檢測到的反應(yīng)速率即總反應(yīng)速率及其影響因素，這就是宏觀動(dòng)力學(xué)研究。動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)器工程本征動(dòng)力學(xué)：即沒有在生物反應(yīng)器中各種形式的傳遞過程等工程因素影響時(shí)的微生物反應(yīng)的固有反應(yīng)速率。1384.生物反應(yīng)過程的生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)──形成了經(jīng)典的以4.生物反應(yīng)過程的生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)───形成了經(jīng)典的以化學(xué)計(jì)量學(xué)和熱力學(xué)研究為基礎(chǔ)的發(fā)酵工程生物學(xué)從工程學(xué)角度研究對生長反應(yīng)的影響。研究各類微生物代謝平衡的理論、方法和實(shí)際有效的實(shí)驗(yàn)量化數(shù)據(jù)。例如胞內(nèi)反應(yīng)中分解代謝、合成代謝和大分子物質(zhì)合成之間的物質(zhì)和能量的關(guān)系。要經(jīng)過1000多步胞內(nèi)反應(yīng)才能轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物和細(xì)胞成分，我們不可能對這些反應(yīng)進(jìn)行一一定量的計(jì)算微生物生長和反應(yīng)過程研究必須從基質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，胞內(nèi)反應(yīng)，代謝產(chǎn)物的胞內(nèi)外分泌等全過程進(jìn)行分析1394.生物反應(yīng)過程的生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)───形成了經(jīng)典的以種子擴(kuò)大培養(yǎng)將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)扁瓶或搖瓶及種子罐逐級擴(kuò)大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種。種子擴(kuò)培的目的獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種縮短發(fā)酵時(shí)間、提高設(shè)備利用率、保證生產(chǎn)水平140種子擴(kuò)大培養(yǎng)11種子的要求總量及濃度能滿足要求生理狀況穩(wěn)定活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵后，能夠迅速生長無雜菌污染141種子的要求12種子制備一般工藝流程實(shí)驗(yàn)室階段：不用種子罐，所用的設(shè)備為培養(yǎng)箱、搖床等實(shí)驗(yàn)室常見設(shè)備，在工廠這些培養(yǎng)過程一般都在菌種室完成，因此形象地將這些培養(yǎng)過程稱為實(shí)驗(yàn)室階段的種子培養(yǎng)。生產(chǎn)車間階段：種子培養(yǎng)在種子罐里面進(jìn)行，一般在工程歸為發(fā)酵車間管理，因此形象地稱這些培養(yǎng)過程為生產(chǎn)車間階段種子培養(yǎng)。142種子制備一般工藝流程實(shí)驗(yàn)室階段：不用種子罐，所用的設(shè)備為培養(yǎng)

一般手段有：保持培養(yǎng)基營養(yǎng)成分在最低水平缺氧狀態(tài)干燥低溫

菌種保藏方法：斜面冰箱保藏法（低溫）沙土管保藏法（缺營養(yǎng)、低溫）石蠟油封存法（缺氧、低溫）真空冷凍干燥保藏法（缺營養(yǎng)、缺氧、干燥、低溫）液氮超低溫保藏法（缺營養(yǎng)、缺氧、干燥、超低溫）

2.1.1種子保藏

143一般手段有：

2.1.1種子保藏

14

1）搖瓶液體培養(yǎng)：產(chǎn)孢子能力不強(qiáng)、孢子發(fā)芽慢（灰色鏈霉菌）和不產(chǎn)孢子的菌種（谷氨酸棒狀桿菌、釀酒酵母）2）茄子瓶固體培養(yǎng)：產(chǎn)孢子能力強(qiáng)的菌種（產(chǎn)黃青霉菌）3）茄子瓶斜面培養(yǎng)：不產(chǎn)孢子的菌種（細(xì)菌）

2.1.2菌種移接144

1）搖瓶液體培養(yǎng)：產(chǎn)孢子能力不強(qiáng)、孢子孢子懸浮液：微孔接種法搖瓶菌絲體：火焰保護(hù)接種或壓差法種子罐之間或發(fā)酵罐之間：壓差法2.2.1菌種移接145孢子懸浮液：微孔接種法2.2.1菌種移接16種子罐級數(shù)：是指制備種子需逐級擴(kuò)大培養(yǎng)的次數(shù)。發(fā)酵級數(shù)確定的依據(jù)級數(shù)受發(fā)酵規(guī)模、菌體生長特性、接種量的影響級數(shù)大，難控制、易染菌、易變異，管理困難，一般2-4級。在發(fā)酵產(chǎn)品的放大中，反應(yīng)級數(shù)的確定是非常重要的一個(gè)方面2.2.2種子罐級數(shù)的確定146種子罐級數(shù)：2.2.2種子罐級數(shù)的確定17一級種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)（二級發(fā)酵）：茄子瓶斜面或搖瓶種子經(jīng)過一次種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)，接入發(fā)酵罐作為種子，這稱為一級種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)。2.2.2種子罐級數(shù)的確定1472.2.2種子罐級數(shù)的確定18二級種子