第6章 發(fā)酵條件及工藝控制

發(fā)酵工藝控制第六章目的要求：了解發(fā)酵類型及其發(fā)酵規(guī)律。掌握發(fā)酵控制、產(chǎn)物檢測(cè)的方法，以保證發(fā)酵正常進(jìn)行，獲得高效產(chǎn)品。熟悉發(fā)酵工業(yè)的逐級(jí)放大過(guò)程。了解發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化原理。幾個(gè)問(wèn)題1、發(fā)酵的類型2、發(fā)酵的規(guī)律3、發(fā)酵的控制4、發(fā)酵中所用的檢測(cè)方法5、發(fā)酵過(guò)程的逐級(jí)放大定義發(fā)酵過(guò)程：即微生物細(xì)胞的生物反應(yīng)過(guò)程，是指由微生物生長(zhǎng)繁殖所引起的生物反應(yīng)過(guò)程。它不僅包括了以往“發(fā)酵”的全部領(lǐng)域，而且還包括固定化細(xì)胞的反應(yīng)過(guò)程、生物法廢水處理過(guò)程和細(xì)菌采礦等過(guò)程。

為什么要研究發(fā)酵過(guò)程？

微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平不僅取決于生產(chǎn)菌種本身的性能，而且要賦以合適的環(huán)境條件才能使它的生產(chǎn)能力充分表達(dá)出來(lái)。為此我們必須通過(guò)各種研究方法了解有關(guān)生產(chǎn)菌種對(duì)環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、pH、氧的需求等，并深入地了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過(guò)程中的代謝調(diào)控機(jī)制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計(jì)合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)，為了掌握菌種在發(fā)酵過(guò)程中的代謝變化規(guī)律，可以通過(guò)各種監(jiān)測(cè)手段如取樣測(cè)定隨時(shí)間變化的菌體濃度，糖、氮消耗及產(chǎn)物濃度，以及采用傳感器測(cè)定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度pH、溶解氧等參數(shù)的情況，并予以有效地控制，使生產(chǎn)菌種處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境之中，過(guò)量產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。本章內(nèi)容：第一節(jié)發(fā)酵工程常見(jiàn)的主要發(fā)酵類型第二節(jié)發(fā)酵工藝的控制第三節(jié)發(fā)酵的優(yōu)化控制第四節(jié)發(fā)酵過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制第五節(jié)發(fā)酵工業(yè)的逐級(jí)放大第六節(jié)發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)第一節(jié)發(fā)酵工程常見(jiàn)的主要發(fā)酵類型

(p24-39)一、液體發(fā)酵與固體發(fā)酵二、厭氧發(fā)酵與好氧發(fā)酵三、分批發(fā)酵與連續(xù)發(fā)酵四、單一發(fā)酵與混合發(fā)酵五、固定化發(fā)酵技術(shù)采用哪種發(fā)酵方式？（p25）在微生物發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，究竟應(yīng)該采用什么方式進(jìn)行發(fā)酵主要取決于以下幾點(diǎn)：菌種特性、原料特點(diǎn)、產(chǎn)物特色、設(shè)備狀況、技術(shù)可行性、成本核算等。一般各種發(fā)酵方式往往是結(jié)合進(jìn)行的?，F(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)主要的發(fā)酵方式：好氧、液體、深層、分批、單一純種發(fā)酵方式結(jié)合進(jìn)行的。優(yōu)點(diǎn)：p25一、液體發(fā)酵與固體發(fā)酵（一）液體發(fā)酵（也叫液體培養(yǎng)）p25是指將微生物接種到液體培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)的過(guò)程。如采用液體培養(yǎng)時(shí)利用的是好氧微生物則需要培養(yǎng)液中有較高的溶解氧。1、實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的液體發(fā)酵方式實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的好氧液體發(fā)酵方式：試管液體培養(yǎng)淺層液體培養(yǎng)搖瓶培養(yǎng)：裝液量為三角瓶的10%以下，如250mL的三角瓶裝量為10～20mL培養(yǎng)液。臺(tái)式發(fā)酵罐：發(fā)酵罐的體積為幾升至幾十升。液體厭氧培養(yǎng)方式：在厭氧罐中進(jìn)行。在培養(yǎng)基中添加還原劑。為滿足微生物的厭氧需要采取的措施：培養(yǎng)基中添加有機(jī)還原劑（巰基乙醇、半胱氨酸）、無(wú)機(jī)還原劑（鐵絲）。使培養(yǎng)基的氧化還原電位在﹣429～﹣

150mV。2、工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的液體發(fā)酵方式p27靜置培養(yǎng)（淺盤培養(yǎng)）：容器中盛裝淺層培養(yǎng)液進(jìn)行靜止培養(yǎng)。通氣培養(yǎng)（發(fā)酵罐深層培養(yǎng)）：在發(fā)酵罐中加入液體培養(yǎng)基，通入無(wú)菌空氣并攪拌，進(jìn)行微生物發(fā)酵的方式。厭氧發(fā)酵：在發(fā)酵罐中加入液體培養(yǎng)基不需通入無(wú)菌空氣，進(jìn)行微生物發(fā)酵的方式。（二）固體發(fā)酵

(p28-30)固體發(fā)酵（固體培養(yǎng)、固態(tài)發(fā)酵）就是利用固體培養(yǎng)基培養(yǎng)微生物的方法。1、固態(tài)發(fā)酵概述固體發(fā)酵：也稱固態(tài)培養(yǎng)，是利用固體培養(yǎng)基進(jìn)行微生物的培養(yǎng)。應(yīng)用:固體培養(yǎng)在微生物鑒定、計(jì)數(shù)、純化和保藏等方面發(fā)揮著重要作用。固態(tài)發(fā)酵主要是一些傳統(tǒng)發(fā)酵工藝。例如生產(chǎn)大曲酒、麩曲酒就是典型的固態(tài)發(fā)酵。一些絲狀真菌可以進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)模的固體發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵的一般過(guò)程：原料預(yù)處理，蒸煮滅菌，接種，固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束及時(shí)后處理。固體發(fā)酵的形式：好氧、厭氧厚層，25～30cm厚的物料。如曲池、曲箱等。薄層，1～2cm厚的物料。簾子、曲盤等。2、實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的固體培養(yǎng)形式：試管斜面、培養(yǎng)皿平板、較大型的克氏扁瓶和茄子瓶斜面。用途：菌種的分離、純化、保藏和生產(chǎn)種子的制備。方法：（1）用接種環(huán)挑取原始培養(yǎng)物后，在固體培養(yǎng)基表面劃線接種（2）用涂布棒將少量的液體培養(yǎng)物涂布在整個(gè)固體培養(yǎng)基表面（3）將少量液體培養(yǎng)物與融化后降溫至50～60℃的固體培養(yǎng)基混勻，倒入培養(yǎng)皿中，澆注成平板。（4）接種后的培養(yǎng)物直接放入培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)。這些方法適用于好氧和兼性好氧微生物的培養(yǎng)。3、生產(chǎn)中常見(jiàn)的固體培養(yǎng)（1）好氧固體培養(yǎng)方法：在生產(chǎn)實(shí)踐中，好氧真菌的固體培養(yǎng)方法都是將接種后的固體基質(zhì)薄薄地?cái)備佋谌萜鞯谋砻?，可使菌體獲得充足的氧氣，又可以將生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)釋放。特點(diǎn)：固體培養(yǎng)使用的基本培養(yǎng)基原料是小麥麩皮等。滅菌后待冷卻到合適溫度便可接種。固體培養(yǎng)基中的含水量控制在40％～80％之間（典型的液體培養(yǎng)基含水量在95％以上）。細(xì)菌和酵母菌將無(wú)法忍受如此低水含量的環(huán)境，所以，固體培養(yǎng)被細(xì)菌或酵母菌污染的可能性大大降低。發(fā)酵形式：厚層：25～30cm厚的物料。如曲池、曲箱等。薄層：1～2cm厚的物料。簾子、曲盤等。產(chǎn)品：麩曲、食用菌、醬油、米酒。（2）厭氧固體發(fā)酵我國(guó)傳統(tǒng)白酒的生產(chǎn)采用的是大型深層地窖堆積式的固體發(fā)酵。酵母菌是兼性厭氧菌。4、固態(tài)發(fā)酵特點(diǎn)邊糖化邊發(fā)酵：一般都采用比較低的溫度，讓糖化作用和發(fā)酵作用同時(shí)進(jìn)行；即采用邊糖化邊發(fā)酵的工藝。當(dāng)采用20～30℃低溫時(shí)，糖化酶作用緩慢，故糖化時(shí)間要延長(zhǎng)。多菌種的混合發(fā)酵。除原料蒸煮過(guò)程能起到滅菌作用外，空氣、水、工具和場(chǎng)所，窖池等都存在大量的多種多樣的微生物，并把這些微生物帶到發(fā)酵原料中，它們與曲中的微生物一起協(xié)同作用，生產(chǎn)出豐富的香味物質(zhì)，如固體厭氣發(fā)酵。開(kāi)放式發(fā)酵，無(wú)菌程度要求不高。在霉菌發(fā)酵時(shí)就可以防止污染雜菌。設(shè)備簡(jiǎn)單。生產(chǎn)成本低、能耗低。原料來(lái)源廣，價(jià)格低廉。固體發(fā)酵的產(chǎn)物回收一般步驟少，費(fèi)用也省。缺點(diǎn)：發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)耗費(fèi)勞動(dòng)力多占地面積大生產(chǎn)規(guī)模難以擴(kuò)大pH、溶氧和溫度難以控制固體發(fā)酵存在的主要工程問(wèn)題是大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的散熱比較困難，參數(shù)檢測(cè)如pH值、溫度、菌體增殖量、產(chǎn)物生成量等是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，實(shí)現(xiàn)固體發(fā)酵的最優(yōu)化困難重重。5、固態(tài)發(fā)酵的控制（1）固態(tài)發(fā)酵的溫度控制固態(tài)發(fā)酵的溫度控制靠控制進(jìn)窖溫度和淀粉含量來(lái)解決。因在窖內(nèi)部沒(méi)有冷卻或加熱裝置，這樣只好把進(jìn)窖溫度控制得比較低(18～22℃)。糖化進(jìn)行緩慢，發(fā)酵也就緩慢，窖內(nèi)升溫慢些，酵母就不易衰老，發(fā)酵率就升高。進(jìn)窖時(shí)原料淀粉含量不能太高，在發(fā)酵過(guò)程中一部分能量被放出，升高了發(fā)酵溫度。一般發(fā)酵過(guò)程中，淀粉含量每降低1.0％時(shí)，酒醅溫度實(shí)際約上升2℃左右。所以淀粉含量控制在14～16％，隨氣溫的高低不同進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

(2)固體發(fā)酵的pH控制

一般工廠用酸度表示。酸度來(lái)源：原料本身，曲和酒醅是最主要的。發(fā)酵過(guò)程中酸度增加的原因：主要是雜菌的影響，淀粉濃度過(guò)高，糖化快，細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖快，造成酒醅酸度升高，也反過(guò)來(lái)影響酵母的生長(zhǎng)，影響發(fā)酵，酸度低又影響糖化速度?？刂圃颍嚎刂扑岫燃冗m宜酵母生長(zhǎng)又抑制了細(xì)菌生長(zhǎng)?？刂瞥潭龋阂话憧刂苝H在1.4～2.0的酸度。(3)水分的控制固體發(fā)酵中水分的作用：水分是微生物生長(zhǎng)的條件，適當(dāng)?shù)乃质橇己冒l(fā)酵的重要因素。但入窖水分過(guò)高，會(huì)引起糖化和發(fā)酵作用加快，升溫過(guò)猛，使發(fā)酵不徹底；而水分過(guò)少，會(huì)引起酒醅發(fā)干，殘余淀粉高，酸度過(guò)低，槽不柔軟，影響發(fā)酵正常進(jìn)行。控制措施：一般大曲酒入窖水分為53～57％，小曲57～62％，因原料而異，冬天與夏天也不同。其他控制措施：另一方面為了調(diào)整淀粉濃度，增加疏松性，調(diào)節(jié)酸度，以利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，保持水分，在固態(tài)發(fā)酵時(shí)常常加入填充料、如谷殼等。二、厭氧發(fā)酵與好氧發(fā)酵(p30)厭氧培養(yǎng)：深層培養(yǎng)好氧培養(yǎng)：液體表面培養(yǎng)、固體培養(yǎng)、通氧深層培養(yǎng)（一）厭氧液態(tài)發(fā)酵厭氧發(fā)酵也稱靜置培養(yǎng)：是利用厭氧微生物在液體狀態(tài)下進(jìn)行的發(fā)酵。特點(diǎn)：液體發(fā)酵速度快，發(fā)酵完全，發(fā)酵周期短，原料利用率高，而且適于大規(guī)模機(jī)械化、連續(xù)化、自動(dòng)化生產(chǎn)。液態(tài)厭氧發(fā)酵對(duì)無(wú)菌要求較高，因此培養(yǎng)基必須經(jīng)過(guò)滅菌，對(duì)發(fā)酵容器也要定期滅菌。接種量大，在發(fā)酵過(guò)程中對(duì)pH、溫度進(jìn)行連續(xù)控制，中間分析也與好氧發(fā)酵相似。應(yīng)用：酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒等發(fā)酵。三、分批發(fā)酵與連續(xù)發(fā)酵

（p31～37）（一）分批發(fā)酵（二）補(bǔ)料分批發(fā)酵（三）連續(xù)發(fā)酵■深層發(fā)酵按進(jìn)行過(guò)程可分為：分批發(fā)酵(Batchfermentation)補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batchfermentation)連續(xù)發(fā)酵(Continuousfermentation)1、分批發(fā)酵的定義是指在一封閉系統(tǒng)內(nèi)將細(xì)胞和培養(yǎng)液一次性裝入反應(yīng)器內(nèi)，進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)胞不斷生長(zhǎng)，產(chǎn)物不斷形成，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后將整個(gè)反應(yīng)物取出的發(fā)酵方式。在這一過(guò)程中，除了氧氣、消泡劑及控制pH的酸或堿外，不再加入任何其它物質(zhì)。發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)基成分減少，微生物得到繁殖。它是發(fā)酵工業(yè)中常見(jiàn)的一種方法。（一）分批發(fā)酵（p31-33）2、分批發(fā)酵的特點(diǎn)微生物所處的環(huán)境在發(fā)酵過(guò)程中不斷變化，其物理，化學(xué)和生物參數(shù)都隨時(shí)間而變化，是一個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程。微生物處在限制性培養(yǎng)基中，只能在有限時(shí)間內(nèi)維持微生物的增殖，其生長(zhǎng)表現(xiàn)為典型的生長(zhǎng)周期。發(fā)酵周期：包括空罐滅菌、加入滅菌過(guò)的培養(yǎng)基、接種、發(fā)酵過(guò)程、放罐和洗罐所需的整個(gè)時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單；操作引起染菌的概率低。不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問(wèn)題。缺點(diǎn)非生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)、設(shè)備利用率低。生長(zhǎng)到一定程度就要受到抑制（原因：基質(zhì)抑制或產(chǎn)物抑制）。3、典型的分批發(fā)酵工藝流程（二）補(bǔ)料分批發(fā)酵（p33-34）1、定義

又稱半連續(xù)發(fā)酵或流加分批發(fā)酵：是指在分批發(fā)酵過(guò)程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方式。即在分批培養(yǎng)伊始，投入較低濃度的底物，然后在發(fā)酵過(guò)程中，當(dāng)微生物開(kāi)始消耗底物后，再以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)加一定的物料，使培養(yǎng)基中的底物濃度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在一定范圍內(nèi)，以維持微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成，并避免不利因素的產(chǎn)生，從而達(dá)到提高容積產(chǎn)量、產(chǎn)物濃度和產(chǎn)物得率的目的。2、補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度，可以解除底物抑制、產(chǎn)物抑制和葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)；（可以除去快速利用碳源的阻遏效應(yīng)、避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物。）和連續(xù)發(fā)酵比、不需要嚴(yán)格的無(wú)菌條件；不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問(wèn)題。維持適當(dāng)?shù)木w濃度，減少通風(fēng)設(shè)備的壓力，避免分批發(fā)酵初始階段供需氧量大的問(wèn)題。缺點(diǎn)存在一定的非生產(chǎn)時(shí)間；和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險(xiǎn)。分批補(bǔ)料系統(tǒng)并不連續(xù)地向罐外放出發(fā)酵液，因而發(fā)酵罐內(nèi)的培養(yǎng)基體積不再是個(gè)常數(shù)，而是隨時(shí)間和物料流速而變化的變量。3、適用范圍培養(yǎng)基成分的濃度顯著影響菌體和產(chǎn)物得率的發(fā)酵，利用此發(fā)酵方式可減輕高底物濃度的抑制作用，有利于更多產(chǎn)物的生成。受到分解代謝物阻遏的發(fā)酵。營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的培養(yǎng)。（流加該菌株所需的物質(zhì)，不至于過(guò)量而產(chǎn)生反饋抑制或阻遏）前體的補(bǔ)充。（可以避免前體對(duì)細(xì)胞的毒害）目前補(bǔ)料分批發(fā)酵廣泛應(yīng)用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有機(jī)酸、色素及高聚物等的生產(chǎn)。液體發(fā)酵、固體發(fā)酵、混合發(fā)酵。4、補(bǔ)料量和補(bǔ)料率的確定目前生產(chǎn)中還只是憑經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)檢測(cè)的靜態(tài)參數(shù)如基質(zhì)殘留量、pH值、溶氧濃度等。5、補(bǔ)料分批發(fā)酵的類型補(bǔ)料方式連續(xù)流加不連續(xù)流加多周期流加補(bǔ)料成分單一組分流加多組分流加控制方式反饋控制（以DO值為反饋指標(biāo)等）無(wú)反饋控制發(fā)酵過(guò)程中不同的補(bǔ)料方法對(duì)微生物細(xì)胞的密度、生長(zhǎng)速度以及產(chǎn)率都有影響。參見(jiàn)p34表1-5（三）連續(xù)發(fā)酵（p34-37）1、定義

1、定義連續(xù)發(fā)酵：新鮮培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時(shí)以相同速度放出含有產(chǎn)品的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態(tài)（恒定的基質(zhì)濃度、恒定的產(chǎn)物濃度、恒定的pH、恒定菌體濃度、恒定的比生長(zhǎng)速率）下生長(zhǎng)的發(fā)酵方式。是在開(kāi)放系統(tǒng)中進(jìn)行的。2、連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)（p35）能維持低基質(zhì)濃度?？s短發(fā)酵周期，提高設(shè)備利用率和單位時(shí)間的產(chǎn)量。增加了生產(chǎn)效率。便于自動(dòng)控制。恒定狀態(tài)可以有效地延長(zhǎng)分批培養(yǎng)中的指數(shù)生長(zhǎng)期。在恒定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、產(chǎn)物濃度、pH值，以及微生物細(xì)胞的濃度、比生長(zhǎng)速率等可以始終維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速率。

缺點(diǎn)（p36-37）菌種發(fā)生變異的可能性較大。要求嚴(yán)格的無(wú)菌條件。工藝中的變量較分批發(fā)酵復(fù)雜，較難控制和擴(kuò)大。不適于次級(jí)代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)。3、連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中的主要問(wèn)題雜菌污染問(wèn)題生產(chǎn)菌株突變問(wèn)題（1）雜菌污染問(wèn)題在連續(xù)發(fā)酵過(guò)程中，需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)不斷地向發(fā)酵系統(tǒng)供給無(wú)菌的新鮮空氣和培養(yǎng)基，這就不可避免地發(fā)生雜菌污染問(wèn)題。雜菌污染問(wèn)題是連續(xù)培養(yǎng)中難以解決的問(wèn)題。要了解污染的雜菌在什么樣的條件下會(huì)在系統(tǒng)中發(fā)展成為主要的微生物群體。（2）生產(chǎn)菌株突變問(wèn)題微生物在復(fù)制過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)引起突變，一旦在連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中的生產(chǎn)菌細(xì)胞群體中某一個(gè)細(xì)胞發(fā)生了突變，而且突變的結(jié)果使這一細(xì)胞獲得在給定條件下高速生長(zhǎng)的能力，那么它就有可能像雜菌一樣，取代系統(tǒng)中原來(lái)的生產(chǎn)菌株，而使連續(xù)發(fā)酵過(guò)程失敗。

4、分批培養(yǎng)與連續(xù)培養(yǎng)的關(guān)系

（p35）5、連續(xù)培養(yǎng)器6、連續(xù)培養(yǎng)的兩種主要工藝類型(1)均勻混合的生物反應(yīng)器恒化培養(yǎng)使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定。恒濁培養(yǎng)使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定。(2)活塞流反應(yīng)器7、連續(xù)發(fā)酵的類型（p35-36）開(kāi)放式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)：?jiǎn)喂蘧鶆蚧旌线B續(xù)發(fā)酵、多罐均勻混合連續(xù)發(fā)酵、管道非均勻混合連續(xù)發(fā)酵、塔式非均勻混合連續(xù)發(fā)酵封閉式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)：8、連續(xù)發(fā)酵的代謝曲線從分批培養(yǎng)出發(fā)，無(wú)論在哪個(gè)時(shí)候開(kāi)始加入新鮮培養(yǎng)基過(guò)渡到連續(xù)操作，達(dá)到一定的菌體濃度及限制基質(zhì)濃度，則培養(yǎng)系統(tǒng)一定能成為穩(wěn)定狀態(tài)——連續(xù)發(fā)酵。9、連續(xù)發(fā)酵的應(yīng)用

采用連續(xù)發(fā)酵的方法可以有效地提高產(chǎn)量，但是也存在著某些較難克服的困難，因此目前僅在一些比較簡(jiǎn)單的發(fā)酵產(chǎn)品中應(yīng)用。如：酵母，單細(xì)胞蛋白，酒精發(fā)酵、丙酮、乳酸、丁醇、石油脫蠟、活性污泥廢水處理等。其余產(chǎn)品的連續(xù)發(fā)酵尚未工業(yè)化生產(chǎn)。四、單一發(fā)酵與混合發(fā)酵

（p37-38）單一發(fā)酵：只用一種微生物的發(fā)酵。混合發(fā)酵：多種微生物混合在一起共用一種培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵。五、固定化發(fā)酵技術(shù)

（p38-39）固定化酶：利用物理或化學(xué)的方法使水溶性的酶制劑變?yōu)椴蝗苡谒?，但仍保持酶的催化能力的制劑。特點(diǎn)：用固相的酶作用于液相的底物。固定化細(xì)胞固定化細(xì)胞發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用：p39表1-8第二節(jié)發(fā)酵工藝的控制

（p150-175）發(fā)酵條件：是指影響發(fā)酵過(guò)程中各種化學(xué)及生物學(xué)反應(yīng)的環(huán)境因素。發(fā)酵主要的條件有：營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的濃度、溫度、pH值、通氣和攪拌、泡沫、二氧化碳等。發(fā)酵工藝控制的主要內(nèi)容：營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度溫度pH值通氣和攪拌泡沫二氧化碳發(fā)酵終點(diǎn)的判斷影響發(fā)酵的主要因素：溫度：根據(jù)發(fā)酵不同階段，確定最適溫度。發(fā)酵中釋放發(fā)酵熱，一般需要進(jìn)行冷卻操作。pH：pH不同產(chǎn)物不同，基質(zhì)加緩沖性物質(zhì)，生產(chǎn)過(guò)程中加入無(wú)機(jī)酸、堿等。通風(fēng)和攪拌：可以生長(zhǎng)和最適生長(zhǎng)氧的濃度。染菌的控制：1）設(shè)備、管道、閥門漏損。2）設(shè)備及管道滅菌不徹底存在死角。3）空氣凈化不徹底。4）菌種不純或培養(yǎng)基滅菌不徹底。5）無(wú)菌操作不嚴(yán)格，生產(chǎn)操作出錯(cuò)。工藝條件控制的目的：就是要為生產(chǎn)菌創(chuàng)造一個(gè)最適的環(huán)境，使我們所需要的代謝活動(dòng)得以最充分的表達(dá)，從而生產(chǎn)出過(guò)量的代謝產(chǎn)物。一、營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度的影響及控制

(p150-155)（一）基質(zhì)濃度和菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響1、基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響（1）碳源種類和濃度（2）氮源種類和濃度（3）磷酸鹽的濃度2、菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制（二）基質(zhì)濃度的控制（補(bǔ)料控制）（一）基質(zhì)濃度和菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響

1、基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響

（1）碳源種類和濃度碳源種類：快速利用碳源（分解代謝產(chǎn)物阻遏）、緩慢利用碳源。碳源濃度：不同微生物不同，同一微生物不同生長(zhǎng)階段不同。如培養(yǎng)基中碳源含量超過(guò)5%時(shí)，細(xì)菌生長(zhǎng)不良；酵母和霉菌可耐受200g/L的葡萄糖濃度。（2）氮源的種類和濃度氮源種類和濃度對(duì)微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成產(chǎn)生影響，不同的產(chǎn)物，需要不同的氮的濃度不同。氮源的種類：？有機(jī)氮（促進(jìn)菌體生長(zhǎng)、是前體物質(zhì)）、無(wú)機(jī)氮速效氮、遲效氮不同種類的氮源對(duì)發(fā)酵的影響：？速效氮：有利于菌體的生長(zhǎng)、不利于某些代謝產(chǎn)物的合成。遲效氮：可延長(zhǎng)次級(jí)產(chǎn)物的分泌期、提高其產(chǎn)量。但過(guò)量時(shí)也易促進(jìn)菌體生長(zhǎng)。氮源的濃度：過(guò)高時(shí)導(dǎo)致細(xì)胞脫水死亡；過(guò)低菌體營(yíng)養(yǎng)不足，影響產(chǎn)物合成。不同的發(fā)酵所需氮源濃度不同，各有一個(gè)合適的C/N比；不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段所需氮源濃度不同：菌體生長(zhǎng)階段、產(chǎn)物合成階段。（3）磷酸鹽的濃度磷酸鹽的濃度對(duì)微生物的生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有一定影響；菌體生長(zhǎng)和次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成所需濃度相差懸殊：菌體生長(zhǎng)所需的磷酸鹽濃度為：0.32～300mmol/L；次級(jí)代謝產(chǎn)物所允許的最高濃度為：1mmol/L。2、菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響菌體濃度是指單位體積中菌體的含量。菌體濃度與菌體生長(zhǎng)速率直接相關(guān)。菌體濃度大小對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物得率會(huì)產(chǎn)生重要影響：對(duì)初級(jí)代謝產(chǎn)物有直接影響；對(duì)次級(jí)代謝產(chǎn)物則存在菌種濃度范圍。菌體濃度的控制：在發(fā)酵中應(yīng)將菌種濃度控制在一定范圍內(nèi)。控制的方法：接種量。培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量：通過(guò)各成分合適的配比、補(bǔ)料來(lái)控制菌種的濃度。（二）基質(zhì)濃度的控制（補(bǔ)料控制）1、補(bǔ)料控制目的解除基質(zhì)過(guò)濃的抑制解除產(chǎn)物的反饋抑制解除葡萄糖分解代謝阻遏效應(yīng)補(bǔ)充微生物能源和碳源的需要。補(bǔ)充菌體所需要的氮源。補(bǔ)充微量元素或無(wú)機(jī)鹽。2、補(bǔ)料的內(nèi)容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。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在中間補(bǔ)料控制時(shí)，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)和補(bǔ)料速率。3、補(bǔ)料的原則大多數(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；以pH、尾氣、溶氧、產(chǎn)物濃度等參數(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；用傳感器直接測(cè)定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加。4、補(bǔ)料控制的策略5、補(bǔ)料控制參數(shù)的選擇根據(jù)微生物在發(fā)酵過(guò)程中的代謝規(guī)律及對(duì)環(huán)境條件的要求來(lái)選擇。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。采用最優(yōu)的補(bǔ)科程序也是依賴于比生長(zhǎng)曲線形態(tài)、產(chǎn)物生成速率及發(fā)酵的初始條件等情況。因此，欲建立分批補(bǔ)料培養(yǎng)的數(shù)學(xué)模型及選擇最佳控制程序都必須充分了解微生物在發(fā)酵過(guò)程中的代謝規(guī)律及對(duì)環(huán)境條件的要求。常用的反饋控制參數(shù)恒pH法：通過(guò)pH值的變化推測(cè)菌體的生長(zhǎng)狀態(tài)，調(diào)節(jié)流加速度，使pH為恒定值。恒溶氧法：以溶氧為反饋指標(biāo)，根據(jù)溶解氧的變化曲線調(diào)整碳源的流加量。菌體密度法：通過(guò)檢測(cè)菌體的濃度，以及營(yíng)養(yǎng)利用情況，調(diào)整碳源的加入量。二氧化碳釋放率（CER）法：通過(guò)檢測(cè)CER。估計(jì)碳源的利用情況，控制營(yíng)養(yǎng)的流加。連續(xù)補(bǔ)料和分批補(bǔ)料發(fā)酵的比較7、補(bǔ)料速率的確定優(yōu)化補(bǔ)料速率也是補(bǔ)料控制中十分重要的一環(huán)，因?yàn)轲B(yǎng)分和前體需要維持適當(dāng)?shù)臐舛龋鼈儎t以不同的速率被消耗，所以補(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。例如，用連續(xù)培養(yǎng)方法測(cè)定了在不同比生長(zhǎng)速率下青霉素生產(chǎn)菌產(chǎn)黃青霉的碳、氮、氧、磷、硫和乙酸鹽及菌最適生長(zhǎng)所需的各種基質(zhì)的補(bǔ)料速率。

二、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及控制（一）影響發(fā)酵溫度的因素（p155）（二）溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)和發(fā)酵的影響（p157-158）（三）最適溫度的確定（p158）（四）溫度控制的方法（一）影響發(fā)酵溫度的因素（p155）產(chǎn)熱因素：生物熱、攪拌熱、通氣熱散熱因素：蒸發(fā)熱、輻射熱發(fā)酵熱發(fā)酵熱就是發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量。

Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌+

Q通氣-Q蒸發(fā)-

Q輻射生物熱：生物熱是生產(chǎn)菌在生長(zhǎng)繁殖時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。培養(yǎng)基中碳水化合物，脂肪，蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO2，NH3時(shí)釋放出的大量能量。用途：合成高能化合物供微生物生命代謝活動(dòng)熱能散發(fā)影響生物熱的因素：生物熱隨菌株，培養(yǎng)基，發(fā)酵時(shí)期的不同而不同。生物熱的大小還與菌體的呼吸強(qiáng)度有對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抗生素高產(chǎn)量批號(hào)（1）的生物熱高于低產(chǎn)量批號(hào)（2）的生物熱。說(shuō)明抗生素合成時(shí)微生物的新陳代謝十分旺盛。

1、抗生素相對(duì)活性為12、抗生素相對(duì)活性為0.5發(fā)酵過(guò)程中生物熱的變化在四環(huán)素發(fā)酵中，還發(fā)現(xiàn)生物熱和菌的呼吸強(qiáng)度的變化有對(duì)應(yīng)關(guān)系，特別是在80h以前。從此實(shí)驗(yàn)中還可看到，當(dāng)產(chǎn)生的生物熱達(dá)到高峰時(shí)，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可從菌體的耗氧率來(lái)衡量生物熱的大小。

四環(huán)素生物合成過(guò)程中系列參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程1：效價(jià)；2：呼吸強(qiáng)度；3：生物熱；4：糖濃度攪拌熱：通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成液體之間，液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱。

Q攪拌=3600（P/V）3600：熱功當(dāng)量（kJ/（kW.h））（P/V）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率（kW/m3）蒸發(fā)熱：通入發(fā)酵罐的空氣，其溫度和濕度隨季節(jié)及控制條件的不同而有所變化?？諝膺M(jìn)入發(fā)酵罐后，就和發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)行熱交換。同時(shí)必然會(huì)引起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。蒸發(fā)熱的計(jì)算：Q蒸發(fā)=G（I2-I1）

G：空氣流量，按干重計(jì)算，kg/h

I1、I2：進(jìn)出發(fā)酵罐的空氣的熱焓量，J/kg（干空氣）輻射熱：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過(guò)罐體向外輻射的熱量。輻射熱可通過(guò)罐內(nèi)外的溫差求得，一般不超過(guò)發(fā)酵熱的5%。發(fā)酵熱的測(cè)定（1）通過(guò)測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度，由下式求得這段時(shí)間內(nèi)的發(fā)酵熱。（2）通過(guò)罐溫的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自控裝置測(cè)得溫度隨時(shí)間上升的速率S，按下式可求得發(fā)酵熱：影響微生物的生長(zhǎng)（不同微生物不同、同一微生物不同培養(yǎng)條件不同）影響各種酶的反應(yīng)速率和酶的特性影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)影響生物合成的方向。例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時(shí)能產(chǎn)生金霉素。在低于30℃溫度下，該菌種合成金霉素能力較強(qiáng)。當(dāng)溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度達(dá)35℃則只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停止。

（二）溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)和發(fā)酵的影響

（p157-158）最適溫度是一種相對(duì)概念，是指在該溫度下最適于菌的生長(zhǎng)或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生長(zhǎng)階段有關(guān)。最適發(fā)酵溫度的選擇和控制：在發(fā)酵的整個(gè)周期內(nèi)僅選一個(gè)最適培養(yǎng)溫度不一定好。溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件。溫度的選擇還應(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度總之要考慮各方面的因素，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程研究其規(guī)律性，最終有效提高產(chǎn)物的產(chǎn)量。（三）最適溫度的確定（p158）

升溫設(shè)備：降溫設(shè)備：

發(fā)酵罐：夾套（體積在10M3以下）盤管（蛇管）（體積在10M3以上）溫度傳感器（四）溫度控制的方法三、pH對(duì)發(fā)酵的影響及控制

（p159-162）發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)液的pH值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動(dòng)的綜合指標(biāo)，是一項(xiàng)重要的發(fā)酵參數(shù)。它對(duì)菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)品的積累有很大的影響。因此，必須掌握發(fā)酵過(guò)程中pH的變化規(guī)律，及時(shí)監(jiān)測(cè)并加以控制，使它處于最佳的狀態(tài)。盡管多數(shù)微生物能在3～4個(gè)pH單位的pH范圍內(nèi)生長(zhǎng)，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生長(zhǎng)速率和最佳產(chǎn)物形成，必須使pH在很窄的范圍內(nèi)保持恒定。（一）pH值對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物合成的影響影響：pH不同會(huì)形成不同的代謝產(chǎn)物。微生物菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成的pH往往不同。影響微生物生長(zhǎng)和代謝的原因：pH影響酶的活性。pH影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)。直接影響代謝過(guò)程：pH影響培養(yǎng)基某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的解離，影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用，從而引起菌體代謝過(guò)程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變，影響代謝產(chǎn)物的合成（二）發(fā)酵過(guò)程中pH的變化微生物生長(zhǎng)階段產(chǎn)物生成階段微生物自溶階段碳源過(guò)量消泡油添加過(guò)量微生物生長(zhǎng)過(guò)程中形成了生理酸性物質(zhì)引起pH下降的因素氮源過(guò)多微生物生長(zhǎng)過(guò)程中形成了生理堿性物質(zhì)中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過(guò)多引起pH上升的因素原則：有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。最適pH與菌株，培養(yǎng)基組成，發(fā)酵工藝有關(guān)。應(yīng)按發(fā)酵過(guò)程的不同階段分別控制不同的pH范圍。（三）最適pH的選擇最適pH與微生物生長(zhǎng)，產(chǎn)物形成之間相互關(guān)系的四種類型：菌體比生長(zhǎng)速率μ和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率QP的最適pH在一個(gè)相似的較寬的范圍內(nèi)（比較容易控制）；μ較寬，Qp范圍較窄，或μ較窄，Qp范圍較寬（難控制，應(yīng)嚴(yán)格控制）；μ和Qp對(duì)pH都很敏感，其最適pH相同（應(yīng)嚴(yán)格控制）；更復(fù)雜，μ和Qp對(duì)pH都很敏感，并有各自的最適pH（難度最大）；調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方調(diào)節(jié)碳氮比（C/N）添加緩沖劑（如磷酸鹽）補(bǔ)料控制直接加酸加堿補(bǔ)加碳源或氮源（氨水等）（四）pH值的控制方法（一）發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧的需求大多數(shù)發(fā)酵過(guò)程是好氧的，因此需要供氧。如果考慮呼吸的化學(xué)計(jì)量，則葡萄糖的氧化可由下式表示：

C6H12O6

十6O2＝6H2O十6CO2

只有當(dāng)這兩種反應(yīng)物均溶于水后，才對(duì)菌體有用。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小約6000倍左右(氧在水中的飽和度約為l0mg/L

。28?C時(shí)氧在發(fā)酵液中100%的空氣飽和濃度只有7mg/L

)。許多發(fā)酵的生產(chǎn)能力受到氧利用限制，因此溶氧（DO）成為影響發(fā)酵效率的重要因素。四、氧對(duì)發(fā)酵的影響（p162-167）基質(zhì)微生物g氧/g干菌體葡萄糖大腸桿菌0.4甲醇假單孢菌C1.2辛烷假單孢菌1.7生長(zhǎng)于不同基質(zhì)上的不同微生物的需氧要求由于菌體的代謝是受發(fā)酵液中的溶氧（DO）濃度的影響，故簡(jiǎn)單地依據(jù)總需求來(lái)供氧是欠妥的，而影響溶解氧的因素有許多，如供氧、通氣攪拌、微生物的需氧情況等。如何判斷溶氧是否能夠滿足微生物的需求的有效方法是就地檢測(cè)發(fā)酵液中溶氧的濃度。常用的方法是在發(fā)酵罐中安裝溶氧電極。（二）微生物的臨界氧濃度（C臨界）臨界氧濃度（C臨界）：指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度，或微生物對(duì)發(fā)酵液中溶解氧濃度的最低要求。各種微生物的臨界氧值以空氣飽和度%來(lái)表示。不同微生物不同，同種微生物的呼吸臨界值不一定與產(chǎn)物合成臨界值相同?！鲆恍┪⑸锏呐R界氧濃度微生物溫度（?C）臨界氧濃度%細(xì)菌373-10酵母303-10放線菌305-30青霉素2410-15（三）溶氧對(duì)發(fā)酵的影響由此可知，只有使溶氧濃度高于其臨界值，才能維持菌體的最大比攝氧率，得到最大的菌體合成量。如果溶氧濃度低于臨界值，則菌體代謝受到干擾。但是，發(fā)酵工業(yè)的目標(biāo)是要得到菌體發(fā)酵的產(chǎn)物而不是菌體本身。因此，由氧饑餓而引起的細(xì)胞代謝干擾，可能對(duì)形成某些產(chǎn)物是有利的；同理，當(dāng)提供的氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值時(shí)，雖對(duì)菌體形成無(wú)妨，但也許能刺激產(chǎn)物的形成；所以，某種產(chǎn)物形成的最佳條件可能不同于菌體生長(zhǎng)的最佳通氣條件。

根據(jù)需氧不同，可將初級(jí)代謝發(fā)酵分為：（p163）

a.供氧充足條件下，產(chǎn)量最大；若供氧不足，合成受強(qiáng)烈抑制。如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等。

b.供氧充足條件下，可得最高產(chǎn)量；若供氧受限，產(chǎn)量受影響不明顯。如：異亮氨酸，賴氨酸，蘇氨酸，天冬氨酸等。

c.若供氧受限，細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才獲得最大量產(chǎn)物；若供氧充足，產(chǎn)物形成反而受抑制。如：亮氨酸，纈氨酸，苯丙氨酸等。由此可見(jiàn)，供氧大小與產(chǎn)物的合成途徑密切相關(guān)。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需注意兩種情況：溶解氧濃度過(guò)低（代謝異常，產(chǎn)量降低）溶解氧濃度過(guò)高（代謝異常，菌體提前自溶）■實(shí)例一在對(duì)黃色短桿菌(Brevibacteriumflavum)生物合成氨基酸進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，溶氧濃度對(duì)相關(guān)的氨基酸的生物合成具有很大的影響。研究表明：菌體的臨界溶氧濃度為0.01mg/L；并根據(jù)“安全”的程度予以考慮供氧的程度，也即把菌體的呼吸率作為最大呼吸率的一個(gè)組成部分。因此，氧安全值低于最大呼吸率就意味著其溶氧濃度低于臨界值。當(dāng)溶氧濃度低于1.0時(shí)，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影響，但苯丙氨酸，纈氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧濃度分別為0.55、0.60和0.85。從合成途徑中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸來(lái)自于三羧酸循環(huán)(TCA)的中間體，而苯丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸來(lái)自于糖酵解的中間體，即來(lái)自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸。Feren和Squires(1969)對(duì)頂頭孢霉產(chǎn)生頭孢菌素和卷曲霉素(Capreomycin)的研究即是一個(gè)氧對(duì)次級(jí)代謝影響的例子。研究表明，頭孢菌素產(chǎn)生菌的臨界氧濃度在0～7％的空氣飽和度間；而對(duì)卷曲霉素產(chǎn)生菌則為13～23％。但就抑制抗生素生物合成的溶氧濃度來(lái)說(shuō)，對(duì)頭孢菌素為低于10～20％；而對(duì)卷曲霉素則為8％。因此，在生產(chǎn)頭孢菌素時(shí)，應(yīng)使其溶氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值，而在生產(chǎn)卷曲霉素時(shí)，則應(yīng)使其溶氧濃度低于臨界值。■實(shí)例二（四）發(fā)酵過(guò)程的溶氧變化規(guī)律（p164）發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時(shí)需氧超過(guò)供氧，溶氧明顯下降。發(fā)酵中期，溶氧明顯受工藝控制手段的影響，如補(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)和方式等。微生物需氧量仍然大，溶氧雖有波動(dòng)但變化不大，維持在一定水平。發(fā)酵后期由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會(huì)明顯地上升，甚至是直線上升。

發(fā)酵過(guò)程中溶氧的異常（p164）溶氧的異常：發(fā)酵過(guò)程中溶氧明顯上升或下降的現(xiàn)象。溶氧下降出現(xiàn)的原因：污染好氣雜菌菌體代謝異常某些設(shè)備或工藝發(fā)生故障或變化。（五）溶氧的控制措施調(diào)節(jié)通風(fēng)與攪拌。限制基礎(chǔ)培養(yǎng)基的濃度，使發(fā)酵器內(nèi)的生物體濃度維持于適當(dāng)水平；并以補(bǔ)料方式供給某些營(yíng)養(yǎng)成分而控制菌體生長(zhǎng)率和呼吸率。改善發(fā)酵液的黏度。五、發(fā)酵過(guò)程中的泡沫及其控制（p168-172）（一）泡沫的性質(zhì)泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被一層液膜隔開(kāi)而彼此不相連通。發(fā)酵過(guò)程中所遇到的泡沫，其分散相是無(wú)菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。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辮的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見(jiàn)到的。另一種泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液中。

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。（二）泡沫的類型由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（通風(fēng)、攪拌）；發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)）。（三）泡沫產(chǎn)生的原因降低發(fā)酵設(shè)備的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的機(jī)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物的損失消泡劑會(huì)給后提取工序帶來(lái)困難（四）泡沫對(duì)發(fā)酵的不利影響通氣與攪拌的強(qiáng)度培養(yǎng)基的配比及原材料組成培養(yǎng)基的破壞程度接種量的大小培養(yǎng)液本身性質(zhì)的變化培養(yǎng)基滅菌的方法和操作染菌（五）影響泡沫穩(wěn)定的因素不同攪拌速度和通氣量對(duì)泡沫影響不同濃度蛋白質(zhì)原科的起泡作用滅菌時(shí)間對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

（六）發(fā)酵過(guò)程泡沫的變化發(fā)酵過(guò)程中泡沫的消長(zhǎng)規(guī)律（1）發(fā)酵初期，泡沫穩(wěn)定，其原因是發(fā)酵液的高表面粘度和低表面張力。（2）發(fā)酵進(jìn)程中，表面粘度下降，表面張力上升，泡沫壽命縮短而減少，原因是微生物產(chǎn)生的胞外酶把造成泡沫穩(wěn)定的物質(zhì)如蛋白質(zhì)等逐步降低的結(jié)果。（3）發(fā)酵后期，隨菌體的自溶，導(dǎo)致培養(yǎng)基中的可溶性蛋白質(zhì)的增加，又產(chǎn)生泡沫。

（七）發(fā)酵過(guò)程泡沫控制的方法1、物理消泡法2、化學(xué)消泡法使用時(shí)要注意：加入量及時(shí)機(jī)，一般要盡可能減少消泡劑的用量。在應(yīng)用前要做比較性試驗(yàn)，找在已知培養(yǎng)基中消泡劑對(duì)微生物生理特性影響最小，消泡效率最大的條件，并要考慮成本及對(duì)終產(chǎn)物的影響。1、物理消泡法方法罐內(nèi)消泡法：可在攪拌軸上安裝消泡漿（最簡(jiǎn)單的方法）。

罐外消泡法：將泡沫引出罐外，泡沫消除后再回罐內(nèi)。

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)點(diǎn)不需要引進(jìn)外界物質(zhì)、節(jié)省原材料、減少污染機(jī)會(huì)。缺點(diǎn)不能從根本眾消除引起穩(wěn)定泡沫的因素。2、化學(xué)消泡法機(jī)理消泡劑消泡的原理：降低泡沫液膜表面的機(jī)械強(qiáng)度；降低泡沫液膜表面的黏度。當(dāng)泡沫的表層存在著由極性的表面活性物質(zhì)形成雙電層時(shí)，可以加入另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，使泡沫破裂。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。3、選擇消泡劑的依據(jù)對(duì)發(fā)酵過(guò)程無(wú)毒，對(duì)人、畜無(wú)害和不影響酶的生物合成。消泡作用迅速，效果高和持久性能好能耐高壓蒸氣滅菌而不變性，在滅菌溫度下對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕性或不形成腐蝕性產(chǎn)物。不影響以后的提取過(guò)程。消沫劑的來(lái)源多，價(jià)格低，添加裝置簡(jiǎn)單。不干擾分析系統(tǒng)，如溶解氧、pH測(cè)定儀的探頭。最好還能做到不影響氧的傳遞。4、消泡劑的種類和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、魚(yú)油及豬油等。化學(xué)合成物質(zhì)：聚醚類：在生產(chǎn)上應(yīng)用較多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又稱泡敵)。高級(jí)醇類：十八醇是較常用的一種，可以單獨(dú)或與載體一起使用。據(jù)報(bào)導(dǎo)，它與冷榨豬油一起控制青男素發(fā)酵的泡沫，效果較好。聚二酵具有消沫效果持久的特點(diǎn)，尤其適用于霉菌發(fā)酵。硅酮類：硅酮類消沫劑主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。六、CO2對(duì)發(fā)酵的影響及控制（p172-174）CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，它是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。同時(shí)也是某些合成代謝的基質(zhì)。在發(fā)酵過(guò)程中，CO2有可能對(duì)發(fā)酵有促進(jìn)作用，也有可能有抑制作用。（一）CO2對(duì)發(fā)酵的影響一般適宜的CO2濃度為0.02%～0.04%。CO2濃度過(guò)高對(duì)菌體具有抑制作用：當(dāng)排氣中CO2的濃度高于4%時(shí)，微生物的糖代謝和呼吸速率下降。例如，發(fā)酵液中CO2的濃度達(dá)到1.6×10-1mol，就會(huì)嚴(yán)重抑制酵母的生長(zhǎng)；當(dāng)進(jìn)氣口CO2的含量占混合氣體的80%時(shí)，酵母活力與對(duì)照相比降低20%。CO2對(duì)發(fā)酵也有影響對(duì)發(fā)酵促進(jìn)：如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含5%的CO2。對(duì)發(fā)酵抑制：如對(duì)肌苷、異亮氨酸、組氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制。影響發(fā)酵液的酸堿平衡

CO2溶于水后形成HCO3-主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生改變，影響到細(xì)胞膜的輸送效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。培養(yǎng)液中的CO2主要作用于細(xì)胞膜的脂質(zhì)核心部位。HCO3-影響細(xì)胞膜的膜蛋白。（二）CO2對(duì)發(fā)酵影響的機(jī)理（三）CO2的控制CO2在發(fā)酵液中的濃度變化不像溶解氧那樣有一定的規(guī)律。它的大小受到許多因素的影響，如細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變學(xué)特性、通氣、攪拌程度、罐壓大小、設(shè)備規(guī)模等。在發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)和攪拌來(lái)控制。如果對(duì)產(chǎn)物形成有抑制作用，要降低其濃度；如果有促進(jìn)作用，則提高其濃度。七、高濃度微生物的培養(yǎng)（補(bǔ)充）（一）為什么要采用高濃度微生物的培養(yǎng)？微生物利用分批培養(yǎng)技術(shù)，但發(fā)酵液中最終細(xì)胞濃度不高。如果通過(guò)改進(jìn)工藝技術(shù)，使發(fā)酵液中微生物細(xì)胞增殖到很高的濃度，那么，高濃度的細(xì)胞將會(huì)產(chǎn)生高濃度的發(fā)酵產(chǎn)物，這樣就可以大大提高發(fā)酵設(shè)備的利用率，降低生產(chǎn)成本?；谶@種目的，人們開(kāi)始研究微生物高細(xì)胞濃度的培養(yǎng)技術(shù)。采用高細(xì)胞濃度培養(yǎng)技術(shù)，發(fā)酵液中菌體濃度比分批式培養(yǎng)可高10倍以上。例如用高細(xì)胞濃度連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)，培養(yǎng)大腸桿菌HBl01(pPAKS2)，可得到95g／L的菌體。用同樣的方法培養(yǎng)酒精酵母可得到219g／L的菌體。而一般用分批法培養(yǎng)酵母和細(xì)菌，得到的菌體濃度僅為10g／L左右。

高密度培養(yǎng)技術(shù)（HighCell-densityCulture）是指利用一定的培養(yǎng)技術(shù)或裝置提高菌體的密度，使菌體密度較分批培養(yǎng)技術(shù)有顯著的提高，最終提高特定產(chǎn)物的比生產(chǎn)率的技術(shù)。（二）高細(xì)胞濃度培養(yǎng)技術(shù)的原理

采用一定的工藝技術(shù)，保證微生物生長(zhǎng)的適宜條件，延長(zhǎng)微生物的指數(shù)增殖過(guò)程，從而得到高濃度的細(xì)胞。（三）高細(xì)胞濃度培養(yǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)可大大提高發(fā)酵設(shè)備的利用率節(jié)省能源

（四）高濃度細(xì)胞培養(yǎng)的方法流加培養(yǎng)（補(bǔ)料分批發(fā)酵）高細(xì)胞濃度連續(xù)培養(yǎng)菌體循環(huán)利用1、流加培養(yǎng)優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過(guò)程的控制，如控制代謝途徑、菌體比生長(zhǎng)速率等。無(wú)需增添設(shè)備。解除底物抑制。解除分解代謝阻遏。解除葡萄糖效應(yīng)。流加培養(yǎng)的控制方式無(wú)反饋控制恒速流加變速流加指數(shù)流加反饋控制DO-恒定控制pH-恒定控制CO2生成速率控制細(xì)胞濃度控制底物濃度控制2、高濃度細(xì)胞連續(xù)培養(yǎng)原理無(wú)菌培養(yǎng)基以一定速度連續(xù)補(bǔ)入發(fā)酵液，同時(shí)采用離心、膜過(guò)濾等方法，回收排出液中的細(xì)胞，使之重新進(jìn)入發(fā)酵液中，這樣微生物就可以在發(fā)酵液中高濃度地積累。高濃度的細(xì)胞產(chǎn)生大量的發(fā)酵產(chǎn)物，這些產(chǎn)物隨排出液排出進(jìn)入提取過(guò)程，同時(shí)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)起抑制作用的代謝產(chǎn)物也被排出。除去抑制物質(zhì)的方法透析培養(yǎng)萃取發(fā)酵過(guò)濾培養(yǎng)3、菌體循環(huán)利用這種方法大致過(guò)程是：待分批發(fā)酵終了將菌體與發(fā)酵液分離，收集的菌體經(jīng)去雜菌等處理后返回發(fā)酵罐，再加入無(wú)菌培養(yǎng)基進(jìn)行第二批發(fā)酵，因發(fā)酵液中菌體濃度很高，故發(fā)酵時(shí)間可大大縮短。第二批發(fā)酵終了，進(jìn)行同樣處理，然后再開(kāi)始第三批發(fā)酵；這種技術(shù)與前面所述兩種技術(shù)原理不同，但也能起到縮短發(fā)酵時(shí)間、提高設(shè)備利用率的作用。4、高細(xì)胞濃度培養(yǎng)中的問(wèn)題培養(yǎng)基流加控制與其他條件控制菌體分離裝置的效能菌種退化

八、發(fā)酵終點(diǎn)的判斷(p174)（一）發(fā)酵終點(diǎn)的判斷（即放罐時(shí)間的判斷）1、判斷發(fā)酵終點(diǎn)時(shí)要考慮的因素不同類型的發(fā)酵，要求達(dá)到的目的不同，因而對(duì)發(fā)酵終點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)各有不同。2、一般終點(diǎn)判斷標(biāo)準(zhǔn)歸納起來(lái)有兩個(gè)：即產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益（成本）一般原材料成本占整個(gè)生產(chǎn)成本核算主要部分的發(fā)酵。主要追求提高生產(chǎn)率、得率（轉(zhuǎn)化系數(shù)）和發(fā)酵系數(shù)。若下游提取精制成本占主要部分，且產(chǎn)品價(jià)格比較昂貴，則除了要求高的產(chǎn)率和發(fā)酵系數(shù)外還要求高的產(chǎn)物濃度。因此，如以提高總的生產(chǎn)率就要縮短發(fā)酵周期，就要在產(chǎn)物合成速率較低時(shí)結(jié)束發(fā)酵。放罐過(guò)早、過(guò)晚都將對(duì)下階段提取有不利的影響。因殘留物對(duì)提煉有影響。（二）判斷放罐的依據(jù)主要有：產(chǎn)物濃度、過(guò)濾速度、氨基酸、菌絲形態(tài)、DO（溶氧）、pH值、培養(yǎng)液的外觀、粘度等。菌體自溶的跡象：氨基酸開(kāi)始升高、pH值上升、菌絲碎片增多、粘度增加、過(guò)濾速度降低等。抗生素放罐時(shí)間的判斷：老品種的抗生素發(fā)酵放罐時(shí)間一般都根據(jù)作業(yè)計(jì)劃放罐。但在發(fā)酵異常時(shí)，放罐時(shí)間要當(dāng)機(jī)立斷，以免倒罐。新品種發(fā)酵要摸索合理的放罐時(shí)間。不同抗生素品種發(fā)酵終點(diǎn)判斷有出入。絕大多數(shù)以菌體開(kāi)始自溶前，極少數(shù)則在菌絲部分自溶后，以便抗生素從菌絲體內(nèi)釋放出來(lái)。合理放罐時(shí)間是由實(shí)驗(yàn)確定得，即根據(jù)不同發(fā)酵時(shí)間所得的產(chǎn)物量計(jì)算出發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品成本，采用生產(chǎn)力高而成本低的時(shí)間為放罐時(shí)間。同時(shí)，還要綜合分析各方面的因素。第三節(jié)發(fā)酵的優(yōu)化控制(p23、p175-177)一、概述如何才能更好地發(fā)揮現(xiàn)代生物技術(shù)的作用？以工業(yè)微生物為例，選育或構(gòu)建一株優(yōu)良菌株僅僅是一個(gè)開(kāi)始，要使優(yōu)良菌株的潛力充分發(fā)揮出來(lái)，還必須優(yōu)化其發(fā)酵過(guò)程，以獲得較高的產(chǎn)物濃度(便于下游處理)、較高的底物轉(zhuǎn)化率(降低原料成本)和較高的生產(chǎn)強(qiáng)度(縮短發(fā)酵周期)。發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化：最佳控制發(fā)酵過(guò)程的方案。（一）發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的目的目的：使細(xì)胞生理調(diào)節(jié)、細(xì)胞環(huán)境、反應(yīng)器特性、工藝操作條件與反應(yīng)器控制之間這種復(fù)雜的相互作用盡可能地簡(jiǎn)化，并對(duì)這些條件和相互關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，使之最適于特定發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行。發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的基礎(chǔ)：是進(jìn)行生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)和生物反應(yīng)器的研究。發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的結(jié)果

發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化底物轉(zhuǎn)化率高

菌種性能的發(fā)揮

產(chǎn)物濃度高有利于下游處理（二）發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的主要研究?jī)?nèi)容第一個(gè)方面是細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程研究第二個(gè)方面是微生物反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量第三個(gè)方面是生物反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究（主要研究生物反應(yīng)速率及其影響因素）第四個(gè)方面的內(nèi)容是生物反應(yīng)器工程（包括生物反應(yīng)器及參數(shù)的檢測(cè)與控制）生物反應(yīng)器的形式、結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動(dòng)與混合狀況、傳遞過(guò)程特征等。它是影響微生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)的重要因素。生物反應(yīng)器工程的研究?jī)?nèi)容（三）如何實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制？生物反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的建立發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制的過(guò)程建立動(dòng)力學(xué)模型的目的：是為了模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)適用性很強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)模型，還可以推測(cè)待測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定最佳生產(chǎn)條件。發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化涉及非結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)模型的建立。(1)生物模型；(2)傳感器技術(shù)；(3)適用于生物過(guò)程的最優(yōu)化技術(shù)；(4)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；(5)計(jì)算機(jī)─檢測(cè)系統(tǒng)─發(fā)酵罐之間的接口技術(shù)（四）實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化與控制必須解決的五個(gè)問(wèn)題:20世紀(jì)40年代初抗生素工業(yè)的興起，標(biāo)志著發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新階段。40年代末一門反映生物和化工相交叉的學(xué)科──生化工程誕生。1954年,Hasting指出,生化工程要解決的十大問(wèn)題是深層培養(yǎng)、通氣、空氣除菌、攪拌、結(jié)構(gòu)材料、容器、冷卻方式、設(shè)備及培養(yǎng)基除菌、過(guò)濾、公害。1964年Aiba等人認(rèn)為通氣攪拌與放大是生化工程學(xué)科的核心，其中放大是生化工程的焦點(diǎn)。20世紀(jì)60年代中期，建立了無(wú)菌操作的一整套技術(shù)。（五）發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的研究進(jìn)展1973年Aiba等人進(jìn)一步指出，在大規(guī)模研究方面，僅僅把重點(diǎn)放在無(wú)菌操作、通氣攪拌等過(guò)程的物理現(xiàn)象解析和設(shè)備的開(kāi)發(fā)上是不夠的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)微生物反應(yīng)本質(zhì)的研究。1979年，日本學(xué)者山根恒夫編著了《生物反應(yīng)工程》一書(shū)，認(rèn)為生物反應(yīng)工程是一門以速度為基礎(chǔ)，研究酶反應(yīng)、微生物反應(yīng)及廢水處理過(guò)程的合理設(shè)計(jì)、操作和控制的工程學(xué)。1985年，德國(guó)學(xué)者卡爾許格爾提出生物反應(yīng)工程的研究應(yīng)當(dāng)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容∶一是宏觀動(dòng)力學(xué)，它涉及生物、化學(xué)、物理之間的相互關(guān)系；二是生物反應(yīng)器工程，它主要涉及反應(yīng)器本身，特別是不同的反應(yīng)器對(duì)生物化學(xué)和物理過(guò)程的影響。發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的研究進(jìn)展目前一般認(rèn)為生物反應(yīng)工程是一門以生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究生物反應(yīng)過(guò)程優(yōu)化和控制以及生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大與操作的學(xué)科。生物反應(yīng)工程的研究主要采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳遞過(guò)程原理、設(shè)備工程學(xué)、過(guò)程動(dòng)態(tài)學(xué)及最優(yōu)化原理等化學(xué)工程學(xué)原理，也涉及到生物化學(xué)、微生物學(xué)、微生物生理學(xué)和遺傳學(xué)等許多學(xué)科領(lǐng)域，因此是一門綜合性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科。生化反應(yīng)工程的核心是生物反應(yīng)過(guò)程的數(shù)量化處理和動(dòng)力學(xué)模型的建立，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化則是生物反應(yīng)工程的研究目標(biāo)。發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的研究進(jìn)展1)針對(duì)有關(guān)發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)研究，提出新的或修正的動(dòng)力學(xué)模型或表達(dá)式。2)結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，進(jìn)行基因工程菌、哺乳動(dòng)物細(xì)胞或植物細(xì)胞的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)的研究。3)在動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化控制的研究，包括狀態(tài)觀察方程的建立、觀察數(shù)據(jù)的噪聲過(guò)濾、不可測(cè)參數(shù)及狀態(tài)的識(shí)別、過(guò)程離線或在線的優(yōu)化控制。其中尤以流加發(fā)酵的最優(yōu)化研究報(bào)道居多。（六）運(yùn)用生物反應(yīng)工程原理進(jìn)行發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制的研究發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的微生物反應(yīng)原理發(fā)酵過(guò)程數(shù)量化方法

微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

微生物反應(yīng)優(yōu)化的一般原理二、發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化原理１、大腸桿菌生長(zhǎng)過(guò)程中觀察到下列現(xiàn)象∶在大腸桿菌快速生長(zhǎng)期間，生物合成的中間體很少滲漏到胞外培養(yǎng)基中，結(jié)構(gòu)單元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致。大腸桿菌胞內(nèi)的大分子物質(zhì)隨比生長(zhǎng)速率而變化。一旦生長(zhǎng)培養(yǎng)基中的結(jié)構(gòu)單元足夠，細(xì)胞就不再合成這些物質(zhì)。特定的代謝途徑代謝特定的底物，只有底物存在時(shí)，細(xì)胞才合成相應(yīng)的酶。若兩個(gè)不同的底物同時(shí)存在于培養(yǎng)基中，細(xì)胞先合成能在一種底物上以較高比生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)的酶系，當(dāng)這種底物消耗完畢，再合成利用另一底物的酶。（一）發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的微生物反應(yīng)原理２、細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程可分為三個(gè)步驟：底物傳遞進(jìn)入細(xì)胞。通過(guò)胞內(nèi)反應(yīng)，將底物轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞質(zhì)和代謝產(chǎn)物。代謝產(chǎn)物排泄進(jìn)入非生物相，即胞外培養(yǎng)基。３、底物、代謝產(chǎn)物和細(xì)胞質(zhì)成分的定義為：底物是一種存在于初始非生物相或者攝入物中起作用的可交換的化合物。代謝產(chǎn)物是一種作為代謝物產(chǎn)生于某代謝途徑進(jìn)入非生物相的化合物。細(xì)胞質(zhì)成分是一種細(xì)胞利用底物產(chǎn)生的不可交換的化合物。研究表明在膜上可能存在三種不同的運(yùn)輸機(jī)制：(1)自由擴(kuò)散(2)協(xié)助擴(kuò)散(3)主動(dòng)運(yùn)輸前兩種機(jī)制是沿著濃度梯度進(jìn)行運(yùn)輸，是被動(dòng)的過(guò)程，在運(yùn)輸過(guò)程中不需要提供外部能量。而主動(dòng)過(guò)程逆著濃度梯度進(jìn)行運(yùn)輸，需要輸入一定的吉布斯自由能。分解代謝反應(yīng)糖類在轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同時(shí)，還形成ATP、NADH和NADPH。NADH和NADPH都在分解代謝反應(yīng)中產(chǎn)生，但NADPH主要消耗于合成代謝中，NADH則主要消耗于分解代謝途徑，如氧化磷酸化。生物合成和聚合反應(yīng)為了合成細(xì)胞物質(zhì)，需要合成結(jié)構(gòu)單元并將其聚合。合成蛋白質(zhì)需消耗大量的自由能，細(xì)胞一般根據(jù)其自身需求來(lái)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成,其合成由蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)(PSS)負(fù)責(zé)，該系統(tǒng)中核糖體是主要部分。E.coli中大約70%的能量和還原力用于合成蛋白質(zhì)。４、微生物細(xì)胞的胞內(nèi)反應(yīng)細(xì)胞合成所需要的結(jié)構(gòu)單元數(shù)在75～100之間，這些物質(zhì)都是從12種前體代謝物合成得到的，這些前體代謝物就是分解代謝反應(yīng)的中間產(chǎn)物，因此分解代謝在細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中起著雙重的作用(為生物合成提供能量和前體代謝物)。次級(jí)細(xì)胞代謝細(xì)胞代謝和生長(zhǎng)過(guò)程偶聯(lián)在一起的過(guò)程，稱之為初級(jí)代謝。但許多工業(yè)上重要的產(chǎn)品，其合成反應(yīng)并不與生長(zhǎng)過(guò)程偶聯(lián)，我們稱之為次級(jí)代謝，這些反應(yīng)合成的產(chǎn)物叫次級(jí)代謝產(chǎn)物，就象初級(jí)代謝形成的產(chǎn)物叫初級(jí)代謝產(chǎn)物一樣。乳酸是初級(jí)代謝產(chǎn)物，但它是乳酸菌在非生長(zhǎng)條件下形成的，許多其它的初級(jí)代謝產(chǎn)物也同樣是在非生長(zhǎng)條件下產(chǎn)生的。發(fā)酵過(guò)程的數(shù)量化處理包括：發(fā)酵過(guò)程的速度化學(xué)計(jì)量學(xué)和熱力學(xué)生產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率只有當(dāng)變量可測(cè)量時(shí)，才有可能對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行數(shù)量化處理。（二）發(fā)酵過(guò)程數(shù)量化方法１、發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的一般步驟反應(yīng)過(guò)程的簡(jiǎn)化：是指把工藝過(guò)程的復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓縮為少數(shù)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以用關(guān)鍵變量來(lái)表示。定量化：系統(tǒng)、準(zhǔn)確地檢測(cè)發(fā)酵過(guò)程的各種參數(shù)。分離：是指在生物過(guò)程和物理過(guò)程的各種速度相互不影響的情況下，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以獲得關(guān)于生物和物理現(xiàn)象的數(shù)據(jù)。（三）微生物反應(yīng)優(yōu)化的一般原理數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)模型是能以簡(jiǎn)化的形式表征過(guò)程行為，并實(shí)現(xiàn)特定目的的數(shù)學(xué)公式。數(shù)學(xué)模型可將特定結(jié)果通用化，并為推論系統(tǒng)的其它性質(zhì)提供基礎(chǔ)。建立數(shù)學(xué)模型的主要目標(biāo)是：(a)為了預(yù)見(jiàn)任何系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率或生產(chǎn)率；(b)用以檢查在各種操作條件下工廠操作的性質(zhì)和行為，檢查模型適用的范圍(包括外推性)；(c)用于進(jìn)行工藝優(yōu)化和計(jì)算機(jī)模擬；(d)用于檢測(cè)出可能重要但被忽視了的參數(shù)；(e)檢查是否已有效地區(qū)分生物現(xiàn)象和物理現(xiàn)象；(f)有助于闡明反應(yīng)機(jī)理。從工程角度來(lái)看，要建立比較理想的模型應(yīng)遵循以下原則首先要明確建立模型的目的。除為了深入研究微生物生長(zhǎng)這一復(fù)雜現(xiàn)象之外，多數(shù)是為了設(shè)計(jì)微生物反應(yīng)器、探索最優(yōu)操作條件，或者對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行最優(yōu)控制要明確建立模型的假設(shè)，從而明確模型的適用范圍。模型中所含的參數(shù)，最好能分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。模型應(yīng)盡量簡(jiǎn)單。據(jù)以上4點(diǎn)，可以說(shuō)決定論的均相模型最合適，且使用方便。微生物是微生物反應(yīng)的主角，所以希望由底物得到目的代謝產(chǎn)物的量最大，或者像廢水的生物處理過(guò)程那樣希望底物消耗量最大時(shí)，根據(jù)對(duì)微生物生長(zhǎng)速率的影響來(lái)考慮環(huán)境條件。單一細(xì)胞或懸浮絮凝物微生物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的核心是微生物的生長(zhǎng)速率。

建立數(shù)學(xué)模型的一般原則

最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：產(chǎn)量、生產(chǎn)率、純利潤(rùn)等，有時(shí)也對(duì)這些指標(biāo)的其中二個(gè)以上進(jìn)行多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化。最優(yōu)化的操作變量：反應(yīng)時(shí)間、培養(yǎng)基組成、溫度、pH、溶氧等。培養(yǎng)基組成的優(yōu)化２、分批微生物反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化無(wú)機(jī)離子或生長(zhǎng)因子等一旦被細(xì)胞吸收，在細(xì)胞內(nèi)保持原化學(xué)狀態(tài)，且含量恒定不變。這類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)稱為儲(chǔ)存性底物?？筛鶕?jù)這些物質(zhì)在菌體內(nèi)的實(shí)際含量，用類似于上式的方法確定其需要量。當(dāng)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量與培養(yǎng)基組成之間的關(guān)系很復(fù)雜，不能用解析函數(shù)的方式表示時(shí)，可采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法確定最優(yōu)初始濃度。利用最優(yōu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，即使不能提高產(chǎn)量，也可探索培養(yǎng)基組分的最小需用量，從而避免不必要的浪費(fèi)。第四節(jié)發(fā)酵過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制

(p177-180)發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)控制是根據(jù)過(guò)程變量的有效測(cè)量和對(duì)發(fā)酵過(guò)程變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，借助于由自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)組成的控制器，控制一些發(fā)酵的關(guān)鍵變量，達(dá)到控制發(fā)酵過(guò)程的目的。一、計(jì)算機(jī)在發(fā)酵過(guò)程中的功能1、過(guò)程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)通過(guò)在發(fā)酵罐上安裝的與計(jì)算機(jī)連接的儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵參數(shù)的記錄。2、數(shù)據(jù)分析由計(jì)算機(jī)的分析系統(tǒng)完成，可反映出發(fā)酵的狀態(tài)和性質(zhì)，并可顯示或打印出分析結(jié)果。3、過(guò)程控制由計(jì)算機(jī)程序來(lái)完成，即計(jì)算機(jī)的信號(hào)被送至泵、閥或由接口的開(kāi)關(guān)等執(zhí)行元件，對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行控制。二、發(fā)酵過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及功能組成：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：控制硬件、操作軟件被控對(duì)象：發(fā)酵罐、發(fā)酵液、菌種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能：數(shù)據(jù)信息的采集和處理、發(fā)酵過(guò)程的操作控制

發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件組成傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換器過(guò)程接口監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件組成三、發(fā)酵過(guò)程控制水平的三個(gè)層次第一級(jí)水平的控制：閥、泵的開(kāi)關(guān)、儀表的重新校對(duì)、在線維持及故障切斷過(guò)程等順序操作。如培養(yǎng)基的滅菌等操作。第二級(jí)水平控制：將各種控制回路與控制系統(tǒng)相連，這些控制回路主要是溫度、pH、泡沫、溶解氧等簡(jiǎn)單的參數(shù)。最高級(jí)控制：是生產(chǎn)能力提高和過(guò)程最優(yōu)化的控制水平。目前仍處于初級(jí)發(fā)展階段。四、發(fā)酵過(guò)程自動(dòng)控制的內(nèi)容

包括三方面內(nèi)容：與發(fā)酵過(guò)程的未來(lái)狀態(tài)相相聯(lián)系的控制目標(biāo)（溫度、pH、生物量、濃度）；一組可供選擇的控制動(dòng)作（閥門的開(kāi)或關(guān)、泵的開(kāi)動(dòng)或停止）；能夠預(yù)測(cè)控制動(dòng)作對(duì)過(guò)程狀態(tài)影響的模型（用加入基質(zhì)的濃度和速率控制細(xì)胞生長(zhǎng)率時(shí)，表達(dá)兩者之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式）三者互相聯(lián)系、互相制約，組成具有特定自動(dòng)控制功能的自控系統(tǒng)。五、發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)提高產(chǎn)品的得率；改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量；降低后續(xù)加工過(guò)程的損耗；在整個(gè)操作過(guò)程中能穩(wěn)定的保持最優(yōu)條件；提高對(duì)原料質(zhì)量波動(dòng)的適應(yīng)性；減少人為因素的影響；提高工廠的生產(chǎn)效率；降低能耗；降低分析和操作成本。六、存在的問(wèn)題發(fā)酵是一個(gè)較復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，太滯后和時(shí)變性是其主要特征。傳感器：不能蒸汽滅菌；會(huì)和產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)；過(guò)分敏感。第五節(jié)發(fā)酵工業(yè)的逐級(jí)放大

（24）一、發(fā)酵工業(yè)的逐級(jí)放大二、逐級(jí)放大的階段一、發(fā)酵工業(yè)的逐級(jí)放大

由實(shí)驗(yàn)室小型設(shè)備到試驗(yàn)工廠小規(guī)模設(shè)備的試驗(yàn)發(fā)酵，再轉(zhuǎn)為大規(guī)模設(shè)備的工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)，這個(gè)過(guò)程稱為發(fā)酵的逐級(jí)放大。（二）逐級(jí)放大的階段逐級(jí)放大的階段：小試：小型試驗(yàn)中試：中間試驗(yàn)大試：大規(guī)模性工業(yè)試驗(yàn)工業(yè)發(fā)酵過(guò)程的三種規(guī)模：實(shí)驗(yàn)室規(guī)?！M(jìn)行菌種的篩選和培養(yǎng)基等的研究。中試工廠規(guī)模——確定菌種培養(yǎng)的最佳操作條件。工廠生產(chǎn)規(guī)?！M(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，取得經(jīng)濟(jì)效益的過(guò)程。1、小試設(shè)備：實(shí)驗(yàn)室的小型設(shè)備。如三角瓶、1-50L發(fā)酵罐等。研究的內(nèi)容：培養(yǎng)基的成分、配比、pH值、培養(yǎng)溫度、通氣量的大小。得出小試最佳發(fā)酵條件。產(chǎn)物的初步分析：產(chǎn)物的功能、安全性、結(jié)構(gòu)。小試目標(biāo)：初步評(píng)估出所發(fā)酵的產(chǎn)物是否具有效益性和生產(chǎn)的可能性。2、中試設(shè)備：試驗(yàn)工廠或發(fā)酵車間的小規(guī)模設(shè)備。如50L-5000L的發(fā)酵罐等。以及與之相適應(yīng)的分離、過(guò)濾、提取、精制設(shè)備。研究的內(nèi)容：驗(yàn)證小試中的最佳發(fā)酵條件、改進(jìn)，使最佳發(fā)酵條件接近大規(guī)模生產(chǎn)，為大生產(chǎn)提供各種參數(shù)。核算成本、生產(chǎn)提供出足夠的產(chǎn)品，進(jìn)行正式的功能性、安全性、質(zhì)量分析鑒定等試驗(yàn)，取得具有法律效力的新產(chǎn)品等文件。中試目標(biāo)：基本確定發(fā)酵產(chǎn)物能否進(jìn)行工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，初步確定生產(chǎn)該產(chǎn)品的必要性和可能性。3、大試大試：也稱為試驗(yàn)性生產(chǎn)或工程性試驗(yàn)研究。設(shè)備：5000L以上的發(fā)酵罐。以及與之相適應(yīng)的分離、過(guò)濾、提取、精制大型設(shè)備。研究?jī)?nèi)容：根據(jù)中試獲得的最佳發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，以驗(yàn)證、或者改進(jìn)中試工藝，生產(chǎn)出質(zhì)量合格、具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的商業(yè)性產(chǎn)品。核算成本、制定生產(chǎn)規(guī)程等。取得具有法律效力的生產(chǎn)許可證等有關(guān)證書(shū)。目標(biāo)：確定發(fā)酵產(chǎn)物能否進(jìn)行工業(yè)性大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)該產(chǎn)品的必要性和可能性。第六節(jié)發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)

(p180-182)要實(shí)施發(fā)酵過(guò)程的控制，就必須選取一些參數(shù)，并且只有通過(guò)對(duì)各種參數(shù)的檢測(cè)，才能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行定性和定量的描述，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過(guò)程的控制。發(fā)酵參數(shù)可正確地反映發(fā)酵條件和代謝的變化。因此，通過(guò)對(duì)發(fā)酵參數(shù)的檢測(cè)可以較好地指導(dǎo)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵的控制。

一、發(fā)酵過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的意義二、發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)三、發(fā)酵過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)一、發(fā)酵過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的意義（一）發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)：采用一定的方法獲得所給定發(fā)酵過(guò)程及其菌株的生理生化特征數(shù)據(jù)，以便對(duì)發(fā)酵過(guò)程實(shí)施有效控制。（二）目的了解過(guò)程變量的變化是否與預(yù)期的目標(biāo)值相符；決定種子罐移種和發(fā)酵罐放罐時(shí)間；對(duì)不同測(cè)變量進(jìn)行間接估計(jì)；對(duì)過(guò)程變量按給定值進(jìn)行手動(dòng)控制或自動(dòng)控制；通過(guò)過(guò)程模型實(shí)施計(jì)算機(jī)控制；總之，通過(guò)對(duì)發(fā)酵參數(shù)的檢測(cè)可以較好地指導(dǎo)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵的控制。（三）檢測(cè)的意義發(fā)酵工程的基本任務(wù)是高效利用微生物所具有的內(nèi)在生產(chǎn)力，以較低的能耗和物耗最大限度的生產(chǎn)生物產(chǎn)品。要達(dá)到這樣的目的，主要取決于能否維持一個(gè)生長(zhǎng)受控的和對(duì)生產(chǎn)良好的環(huán)境，而要達(dá)到這樣的環(huán)境，最直接和最有效的方法是通過(guò)直接測(cè)量發(fā)酵的變量來(lái)調(diào)節(jié)生物過(guò)程。因此，在線測(cè)量是高效過(guò)程運(yùn)行的先決條件。在線檢測(cè)對(duì)于發(fā)酵過(guò)程的控制具有十分重要的意義。二、發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)（一）直接狀態(tài)參數(shù)能直接反映發(fā)酵過(guò)程中微生物生理代謝狀況的參數(shù)。包括：物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)、生物參數(shù)（二）間接狀態(tài)參數(shù)由直接參數(shù)計(jì)算求得的參數(shù)。（一）直接參數(shù)（直接狀態(tài)參數(shù)）1、物理參數(shù)2、化學(xué)參數(shù)3、生物參數(shù)1、物理參數(shù)（1）溫度指發(fā)酵整個(gè)過(guò)程或不同階段所維持的溫度。溫度的高低與下列參數(shù)有密切關(guān)系發(fā)酵中的酶反應(yīng)速度。菌體生長(zhǎng)速度，產(chǎn)物合成速度。氧在培養(yǎng)液中的溶解度，傳遞速度。發(fā)酵罐維持的壓力。罐內(nèi)維持正壓，可防止外界空氣中雜菌的侵入，保證純種培養(yǎng)。罐壓的高低與氧，CO2在培養(yǎng)液中的溶解度有關(guān)，間接影響菌體代謝。罐壓一般維持在0.2～0.5公斤。（2）壓力（3）攪拌轉(zhuǎn)速是指攪拌器在發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)動(dòng)速度。攪拌轉(zhuǎn)速大小與發(fā)酵液的均勻性和氧在發(fā)酵液中的傳遞速率有關(guān)。發(fā)酵罐的容積(L)攪拌轉(zhuǎn)速范圍(r/min)3200~200010200~120030150~100050100~80020050~40050050~3001000025~2005000025~160指攪拌器攪拌時(shí)所消耗的功率，常指每立方米發(fā)酵液所消耗的功率（kW/m3）。它的大小與溶氧傳遞系數(shù)KLa有關(guān)。（4）攪拌功率指單位時(shí)間內(nèi)單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積。它的大小與氧的傳遞和其它控制參數(shù)有關(guān)。一般控制在0.1～1.0vvm之間vvm：每分鐘通氣量與罐體實(shí)際料液體積的比值。

（5）空氣流量粘度大小可作為細(xì)胞生長(zhǎng)或細(xì)胞形態(tài)的標(biāo)志之一。在發(fā)酵過(guò)程中通常用表觀粘度表示。粘度的大小可改變氧傳遞的阻力。粘度的大小可表示相對(duì)菌體濃度。（6）粘度能及時(shí)反映單細(xì)胞生長(zhǎng)狀況。（7）濁度2、化學(xué)參數(shù)（1）pH發(fā)酵過(guò)程中各種產(chǎn)酸，產(chǎn)堿生化反應(yīng)的綜合結(jié)果，與菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有重要的關(guān)系。pH的高低與菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有著重要的關(guān)系。指發(fā)酵液中糖、氮、磷等重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度。基質(zhì)濃度的變化對(duì)產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成有重要影響，也是提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的重要控制手段。（2）基質(zhì)濃度氧是微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反應(yīng)的最終電子受體，也是合成某些產(chǎn)物的基質(zhì)。利用DO濃度的變化，可以了解微生物對(duì)氧利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個(gè)重要的控制參數(shù)。（3）溶解氧（DO）濃度培養(yǎng)基氧化還原電位是影響微生物生長(zhǎng)及其生化活性的因素之一。（4）氧化還原電位

是發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量高低，代謝正常與否的重要參數(shù)，也是決定發(fā)酵周期長(zhǎng)短的根據(jù)。（5）產(chǎn)物濃度尾氣中O2濃度與生產(chǎn)菌的攝氧率和體積氧傳質(zhì)速率KLa有關(guān)。尾氣中CO2是產(chǎn)生菌呼吸放出的CO2。從尾氣中O2和CO2濃度的含量可以算出產(chǎn)生菌的攝氧率、呼吸商和發(fā)酵罐的供氧能力。從而了解產(chǎn)生菌的呼吸代謝規(guī)律。（6）尾氣O2濃度和CO2濃度

菌體RNA,DNA含量，以及ATP,ADP,AMP體系，NAD(P)-NAD(P)H體系。分別表示菌體生長(zhǎng)情況，能量代謝能力，生物合成能力。（7）其它參數(shù)3、生物參數(shù)

菌（絲）體濃度（生物量biomass）

菌體濃度的大小和變化速度對(duì)生化反應(yīng)有影響，特別是對(duì)抗生素等次級(jí)代謝產(chǎn)物的發(fā)酵，菌體濃度與培養(yǎng)液的粘度，DO都有關(guān)。（二）間接參數(shù)（間接狀態(tài)參數(shù)）根據(jù)發(fā)酵液的菌體量和單位時(shí)間的菌濃、溶氧濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)的變化值，可分別計(jì)算出菌體的比生長(zhǎng)速率、氧的比消耗速率、基質(zhì)的比消耗速率和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率，以及攝氧率（OUR）、CO2釋放速率（CER）、呼吸商（RQ）等。攝氧率r：?jiǎn)挝惑w積培養(yǎng)液每小時(shí)所消耗的氧量（mmol/L.h）

。1、攝氧率呼吸強(qiáng)度QO2：?jiǎn)挝恢亓康母删w每小時(shí)所消耗的氧量（mmol/g.h）

。2、呼吸強(qiáng)度呼吸商RQ：發(fā)酵過(guò)程中氧的消耗比速與二氧化碳生成比速的商。3、呼吸商三、發(fā)酵過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)（一）發(fā)酵過(guò)程參數(shù)檢測(cè)方式（二）參數(shù)檢測(cè)常用的方法（三）參數(shù)在線測(cè)定（四）菌體濃度的測(cè)定（一）發(fā)酵過(guò)程參數(shù)檢測(cè)方式１、利用儀器進(jìn)行在線檢測(cè)所用儀器：傳感器。用于測(cè)定：罐溫、壓力、空氣流量、電機(jī)顯示攪拌轉(zhuǎn)速等，以及測(cè)量狀態(tài)參數(shù)pH、溶氧以及尾氣中O2、CO2等。近年來(lái)菌體量、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度也可以在線測(cè)量。２、從發(fā)酵罐中取樣品進(jìn)行離線檢測(cè)常采用的分析方法：濕化學(xué)法、分光光度、原子吸收、高效液相色譜（HPLC）、氣相色譜（GC）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、核磁共振（NMR）等。測(cè)定參數(shù)：發(fā)酵中的基質(zhì)（糖、脂質(zhì)、鹽、氨基酸）、前體和代謝產(chǎn)物質(zhì)（抗生素、酶、有機(jī)酸和氨基酸）以及菌量等。（二）參數(shù)檢測(cè)常用的方法1、物理參數(shù)常用的檢測(cè)方法2、化學(xué)、生物參數(shù)的測(cè)定方法參數(shù)名稱單位測(cè)試方法意義、主要作用溫度罐壓空氣流量攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率粘度濁度泡沫體積氧傳質(zhì)系數(shù)KLa

oCPaV/V.minR/minKWPa.s透光度

l/h

傳感器壓力表傳感器傳感器傳感器粘度計(jì)傳感器傳感器間接計(jì)算維持生長(zhǎng)、合成維持正壓、增加溶氧供氧、排泄廢氣、提高KLa物料混合、提高KLa反映攪拌情況、KLa反映菌的生長(zhǎng)、KLa反映菌的生長(zhǎng)情況反映發(fā)酵代謝情況反映供氧效率1、物理參數(shù)常用的檢測(cè)方法參數(shù)名稱單位測(cè)試方法意義、主要作用pH基質(zhì)濃度溶解氧濃度氧化還原電位產(chǎn)物濃度尾氣氧濃度尾氣CO2濃度菌體濃度RNA、DNA含量ATP、ADP、AMPNADH含量攝氧率呼吸強(qiáng)度呼吸商比生長(zhǎng)速率

g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌.h

1/h傳感器取樣傳感器傳感器取樣傳感器傳感器取樣取樣取樣取樣間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算了解生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成了解生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成反映氧供需情況反映菌的代謝情況產(chǎn)物合成情況了解耗氧情況了解菌的呼吸情況了解生長(zhǎng)情況了解生長(zhǎng)情況了解能量代謝活力了解菌的合成能力了解耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代謝途徑了解生長(zhǎng)2、化學(xué)、生物參數(shù)常用的測(cè)定方法目前較常測(cè)定的參數(shù)：溫度、罐壓、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、pH、溶氧、基質(zhì)濃度、菌體濃度(干重、離心壓縮細(xì)胞體積%)等。不常測(cè)定的參數(shù)：氧化還原電位、粘度、尾氣中的O2和CO2含量等。（三）參數(shù)在線測(cè)定1、參數(shù)在線測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)及問(wèn)題優(yōu)點(diǎn)：主要是