發(fā)酵工程第六章發(fā)酵過程控制演示文稿

發(fā)酵工程第六章發(fā)酵過程控制演示文稿目前一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點優(yōu)選發(fā)酵工程第六章發(fā)酵過程控制目前二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點1.

過程控制的重要性

菌株特性(營養(yǎng)要求、生長速率、呼吸強(qiáng)度、產(chǎn)物合成速率)

傳遞性能物理：n、T、Ws

化學(xué)：pH、DO、濃度

過程控制的意義：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)酵過程中通過過程調(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：目前三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點2.

發(fā)酵過程控制的一般步驟

確定能反映過程變化的各種理化參數(shù)及其檢測方法

研究這些參數(shù)的變化對發(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)之間隨時間變化的關(guān)系

通過計算機(jī)實施在線自動檢測和控制，驗證各種控制模型的可行性及其適用范圍，實現(xiàn)發(fā)酵過程最優(yōu)控制

目前四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點3.

參數(shù)檢測代謝參數(shù)按性質(zhì)可分為三類：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、磷）、pH、產(chǎn)物濃度、核酸量等生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌體濃度、菌體比生長速率、呼吸強(qiáng)度、攝氧率、關(guān)鍵酶活力等目前五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點3.參數(shù)檢測參數(shù)按獲取方式可分為兩類：

如T、pH、罐壓、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、溶氧濃度等如攝氧率(γ)、呼吸強(qiáng)度(QO2)、比生長速率（μ)、體積溶氧系數(shù)(KLa)、呼吸商(RQ)等。直接參數(shù)：

間接參數(shù)：將直接參數(shù)通過公式計算獲得的參數(shù)，目前六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點3.

參數(shù)檢測參數(shù)的測量形式離線測量：基質(zhì)（糖、脂類、無機(jī)鹽等）、前體和代謝產(chǎn)物（抗生素、酶、有機(jī)酸、氨基酸等）在線測量：如T

、pH、DO、溶解CO2、尾氣CO2、黏度、攪拌轉(zhuǎn)速等優(yōu)點：及時、省力，可從繁瑣操作中解脫出來，便于計算機(jī)控制。困難：傳感器要求較高。

目前七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點對傳感器的要求能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌；傳感器及其二次儀表具有長期穩(wěn)定性；最好能在過程中隨時校正，靈敏度好；探頭材料不易老化，使用壽命長；安裝使用和維修方便；解決探頭敏感部位被物料（反應(yīng)液）粘住、堵塞問題；價格合理，便于推廣。3.

參數(shù)檢測目前八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點3.

參數(shù)檢測參數(shù)檢測方法溫度測量

感溫元件：熱電偶（溫度信號→

電信號）二次儀表：將熱電偶輸出的電信號轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度目前九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點參數(shù)檢測方法攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量攪拌轉(zhuǎn)速：磁感應(yīng)式，光感應(yīng)式，測速電機(jī)；攪拌功率：功率表，測定力矩求功率法。3.

參數(shù)檢測目前十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點3.

參數(shù)檢測參數(shù)檢測方法空氣流量測定體積流量型：會引起流體能量損失，受溫度和壓力變化的影響；①同心孔板壓差式流量計；②轉(zhuǎn)子流量計。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)計的流量計。目前十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點參數(shù)檢測方法罐壓測量壓力表壓力傳感器

3.參數(shù)檢測/jpkc目前十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點參數(shù)檢測方法料液計量與液位控制壓差法：H=（△P2/△P1）·△H

直接重量測量法：直接稱重體積計量法：計算進(jìn)出料液流量計量法：計算流量和時間液位探針3.

參數(shù)檢測目前十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點參數(shù)檢測方法發(fā)酵液粘度測定毛細(xì)管粘度計回轉(zhuǎn)式粘度計渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計3.

參數(shù)檢測/jpkc目前十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點參數(shù)檢測方法pH測量復(fù)合pH電極

pH測量儀器

3.

參數(shù)檢測/jpkc目前十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點參數(shù)檢測方法溶解氧的測量化學(xué)法極譜法復(fù)膜氧電極法

3.

參數(shù)檢測復(fù)膜氧電極示意圖（a）極譜型（b）原電池型目前十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點參數(shù)檢測方法溶解二氧化碳測量復(fù)膜式電極法滲透膜—碳酸氫鈉法發(fā)酵尾氣的在線分析

CO2分析

O2分析3.

參數(shù)檢測目前十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點參數(shù)檢測方法細(xì)胞濃度的測量化學(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)：以電容法為測量原理的在線活細(xì)胞濃度測量傳感器

3.

參數(shù)檢測原位活細(xì)胞在線檢測儀目前十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點1.

初級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)初級代謝物：指一類低分子量的終點產(chǎn)物及這些終點產(chǎn)物的生物合成途徑中的中間體。

(1)避開固有的反饋調(diào)節(jié)(2)

細(xì)胞通透性的變更目前十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點反饋調(diào)節(jié)包括①反饋抑制：某一生物合成途徑的最終代謝物抑制該途徑的第一或第二個酶的活性。②反饋阻遏：抑制酶的形成，是由途徑終點產(chǎn)物或其衍生物施行的。（1）避開固有的反饋調(diào)節(jié)目前二十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點/jpkc黃色短桿菌賴氨酸生物合成調(diào)節(jié)機(jī)制1-天冬氨酸激酶；2-DDP合成酶；3-高絲氨酸脫氫酶；4-琥珀酰高絲氨酸合成酶；5-蘇氨酸脫氫酶目前二十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）避開固有的反饋調(diào)節(jié)方法限制菌在胞內(nèi)積累終點產(chǎn)物的能力以解除負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用從遺傳上改變酶的活性和酶的形成系統(tǒng)，篩選有抗反饋作用的基因突變型（對反饋作用不敏感）。具體應(yīng)用積累中間產(chǎn)物積累終點產(chǎn)物耐反饋作用的突變株的篩選：抗結(jié)構(gòu)類似物突變株

目前二十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點目前二十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點目前二十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點目前二十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點抗結(jié)構(gòu)類似物突變株的篩選機(jī)制末端產(chǎn)物類似物和末端產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似，因而能夠引起反饋作用，但是它們不能參與生物合成。在培養(yǎng)基中添加末端產(chǎn)物類似物后，未突變的細(xì)胞將由于代謝途徑受阻而不能獲得生物合成所需的該種末端產(chǎn)物，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。那些對類似物不敏感的突變株仍能制造末端產(chǎn)物并長成菌落。

突變株耐結(jié)構(gòu)類似物的原因：①酶的結(jié)構(gòu)起了變化（指耐反饋抑制的突變株）②酶的合成系統(tǒng)起了變化（指耐反饋阻遏的突變株）目前二十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）避開固有的反饋調(diào)節(jié)雙突變株的概念：單一菌株內(nèi)同時發(fā)生耐反饋抑制和耐反饋阻遏的突變作用?；貜?fù)篩選：用突變除去反饋敏感的酶和用第二次突變置換它，常產(chǎn)生分泌終點產(chǎn)物的回復(fù)子。

目前二十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點細(xì)胞通透性的變更細(xì)菌細(xì)胞膜通透性的增加是谷氨酸過量生產(chǎn)的原因之一。能過量生產(chǎn)谷氨酸的細(xì)菌有兩個共同特征：①

α-酮戊二酸脫氫酶缺失：表明這類細(xì)菌的TCA上的酶受阻，保證了碳引向谷氨酸的合成歧路。②

對生物素的營養(yǎng)需求：表明這類細(xì)菌的生物素的生物合成受阻，導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性的改變，使細(xì)胞可以分泌出谷氨酸。

目前二十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點2.

次級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)(1)次級代謝的特點及與初級代謝的關(guān)系(2)

調(diào)節(jié)方法誘導(dǎo)作用避開固有的負(fù)反饋操縱環(huán)境條件來控制次級代謝物的生物合成耐負(fù)反饋調(diào)節(jié)的抗性突變株的篩選初級代謝物的調(diào)節(jié)作用能荷調(diào)節(jié)

e.g.磷酸鹽影響金霉素的合成

目前二十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）次級代謝的特點及與初級代謝的關(guān)系次級代謝酶的特異性較初級代謝酶的特異性低，故受遺傳及環(huán)境因素的影響大。次級代謝物的合成途徑比初級代謝的種類多，但大多數(shù)次級代謝物都是由少數(shù)關(guān)鍵中間代謝物組裝的。次級代謝產(chǎn)物的合成一般是在生長期后，即培養(yǎng)基中的養(yǎng)分快耗盡，菌的比生長速率降低時才合成。

目前三十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點操縱環(huán)境條件來控制次級代謝物的生物合成改變培養(yǎng)基成分來避免分解阻遏作用改變培養(yǎng)基成分來避免反饋抑制和阻遏作用

e.g.鏈霉素發(fā)酵中限制磷酸鹽的加量，避免其對參與生物合成的磷酸酯酶的反饋抑制和阻遏作用培養(yǎng)基中添加前體物來避免分支途徑終產(chǎn)物對發(fā)酵產(chǎn)品的間接抑制作用/jpkc目前三十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點

分解阻遏作用的解除主要是在多個碳源中選擇慢碳源或者采用緩慢流加快碳源的工藝

/jpkc在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中的青霉素發(fā)酵代謝曲線目前三十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點耐負(fù)反饋調(diào)節(jié)的抗性突變株的篩選篩選耐結(jié)構(gòu)類似物的突變株

e.g.

不需添加色氨酸的硝吡咯菌素的高產(chǎn)菌株回復(fù)篩選

e.g.高產(chǎn)金霉素產(chǎn)生菌篩選耐藥性菌株

e.g.利用抗生素篩選耐藥性菌株

目前三十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點目前三十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點本章主要內(nèi)容第一節(jié)營養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度的影響及控制第二節(jié)溫度的影響及其控制第三節(jié)pH的影響及控制第四節(jié)溶氧的影響及控制第五節(jié)泡沫的影響及控制第六節(jié)二氧化碳和呼吸商第七節(jié)發(fā)酵終點的控制第八節(jié)發(fā)酵過程的控制/jpkc目前三十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點第一節(jié)營養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度的影響及控制（一）碳源

1、碳源的種類的影響遲效碳源種類：淀粉、乳糖、蔗糖、麥芽糖、玉米油優(yōu)點：不易產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏效應(yīng)；有利于延長次級代謝產(chǎn)物的分泌期缺點：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。速效碳源種類：葡萄糖優(yōu)點：吸收快，利用快，能迅速參加代謝合成菌體和產(chǎn)生能量缺點：有的分解代謝產(chǎn)物對產(chǎn)物的合成會產(chǎn)生阻遏作用。糖對青霉素生物合成的影響目前三十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點2、碳源的濃度影響發(fā)酵過程舉例（1）碳分解代謝物阻遏：在某一濃度下碳源會阻遏一個或多負(fù)責(zé)產(chǎn)物合成的酶。克服該效應(yīng)一種方法是采用中間補(bǔ)料的方式使補(bǔ)入碳源的速率等于其消耗速率；另一種方法是使用非阻遏性碳源。（2）過高濃度對菌體生長的影響：在重組畢赤酵母發(fā)酵生產(chǎn)水蛭素過程中，甲醇既作為碳骨架，使細(xì)胞生長，又作為誘導(dǎo)物可以提高產(chǎn)物表達(dá)，但甲醇濃度的提高會抑制細(xì)胞生長甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此，利用甲醇傳感器控制甲醇流量，同時以限制性速度混合流加甘油，可獲得較高的水蛭素產(chǎn)量。（3）yeastCrabtreeeffect：即酵母生長在高糖濃度下，即使溶氧充足，它還會進(jìn)行厭氧發(fā)酵，從葡萄糖生產(chǎn)乙醇。因此，一般采用補(bǔ)料分批或連續(xù)培養(yǎng)方式來避免crabtree效應(yīng)。目前三十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點yeastCrabtreeeffectdescribesthephenomenonwherebytheyeast,Saccharomycescerevisiae,producesethanol(alcohol)aerobicallyinthepresenceofhighexternalglucoseconcentrationsratherthanproducingbiomassviathetricarboxylicacidcycle,theusualprocessoccurringaerobicallyinmostyeastse.g.Kluyveromycesspp.Increasingconcentrationsofglucoseacceleratesglycolysis(thebreakdownofglucose)whichresultsintheproductionofappreciableamountsofATPthroughsubstrate-levelphosphorylation.ThisreducestheneedofoxidativephosphorylationdonebytheTCAcycleviatheelectrontransportchainandthereforedecreasesoxygenconsumption.Thephenomenonisbelievedtohaveevolvedasacompetitionmechanism(duetotheantisepticnatureofethanol)aroundthetimewhenthefirstfruitsonEarthfellfromthetrees.HereisthedetailofyeastCrabtreeeffect目前三十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（二）氮源1、氮源的種類無機(jī)氮源和有機(jī)氮源：發(fā)酵工業(yè)中常用的無機(jī)氮源包括硝酸鹽、銨鹽、氨水等；有機(jī)氮源包括豆餅粉、花生餅粉、蛋白胨、酵母粉、酒糟、尿素等。無機(jī)氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機(jī)氮源可以直接被菌體吸收利用，這種氮源叫做速效氮源，反之為遲效氮源。前者包括氨基態(tài)氮的氨基酸或者銨鹽形式的硫酸銨和玉米漿等，后者包括黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉等。速效氮源易于被菌體吸收利用，所以有利于菌體生長，卻會影響某些產(chǎn)物的的產(chǎn)量；遲效氮源對延長次級代謝產(chǎn)物的分泌期、提高產(chǎn)物產(chǎn)量有好處，但一次性投入容易使養(yǎng)分過早耗竭，導(dǎo)致菌體過早衰老自溶，從而縮短產(chǎn)物分泌期。因此，發(fā)酵培養(yǎng)基一般選用含有速效遲效氮源的混合氮源。對某些發(fā)酵過程來說，培養(yǎng)基中某些氮源的添加有利于該發(fā)酵過程中產(chǎn)物的積累，這些主要是培養(yǎng)基中的有機(jī)氮源作為菌體生長繁殖的營養(yǎng)外，還有作為產(chǎn)物的前體。無機(jī)氮源利用會快于有機(jī)氮源，但是常會引pH值的變化，這必須注意隨時調(diào)整。

目前三十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點2、氮源的濃度氮源濃度過高，會導(dǎo)致細(xì)胞脫水死亡，且影響傳質(zhì)；濃度過低，菌體營養(yǎng)不足，影響產(chǎn)量。影響發(fā)酵的方向：谷氨酸發(fā)酵——NH4+供應(yīng)不足,促使形成α-酮戊二酸；NH4+過量,促使谷氨酸轉(zhuǎn)變成谷氨酰胺，所以要控制適量的NH4+濃度。為調(diào)節(jié)菌體生長和防止菌體衰老自溶，可根據(jù)需要隨時補(bǔ)加有機(jī)和無機(jī)氮源。目前四十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（三）磷酸鹽濃度的影響及控制基礎(chǔ)培養(yǎng)基中采用適量的濃度給予控制，以保證菌體的正常生長所需；

代謝緩慢：補(bǔ)加磷酸鹽。舉例：在四環(huán)素發(fā)酵中,間歇,微量添加磷酸二氫鉀,有利于提高四環(huán)素的產(chǎn)量。微生物生長良好時，所允許的磷酸鹽濃度為0.32～300mmol/L，但次級代謝產(chǎn)物合成良好時所允許的磷酸鹽最高水平濃度僅為1mmol/L。因此，在許多抗生素，如鏈霉素、新霉素、四環(huán)素、土霉素、金霉素和萬古霉素等的合成中要以亞適量添加。

舉例：四環(huán)素發(fā)酵：菌體生長最適的磷濃度為65～70μg/mL,而四環(huán)素合成最適磷濃度為25～30μg/mL。目前四十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（四）菌體濃度的影響及控制1、菌體濃度（cellconcentration）指單位體積中菌體的含量，是發(fā)酵工業(yè)中的一個重要參數(shù)。它不僅代表菌體細(xì)胞的多少，而且反應(yīng)菌體細(xì)胞生理特性不完全相同的分化階段。在發(fā)酵動力學(xué)研究中，常采用菌體濃度來計算菌體的比生長速率和產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率等動力學(xué)參數(shù)及相互關(guān)系。菌體濃度的檢測濁度法：用于非絲狀菌的濃度測定。通常測定420-600nm波長范圍內(nèi)的光密度值（OD）。吸光度要求控制在。干重法：取一定體積的發(fā)酵液離心或過濾，105℃烘至恒重稱重。離心稱濕重法：取一定體積的發(fā)酵液離心或過濾，自然沉降或離心，測定濕重。目前四十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點2、影響菌體生長速率的因素：菌體生長速率與微生物的種類和自身的遺傳特性相關(guān)；如：典型的細(xì)菌，酵母，霉菌和原生動物的倍增時間分別為45min，90min，3h和6h左右，這說明各類微生物增殖速率的差異。取決于營養(yǎng)物質(zhì)的種類和濃度，基質(zhì)濃度與比生長率的關(guān)系如右圖所示。如：各種碳源和氮源等成分和它們的濃度。上限濃度，基質(zhì)抑制(滲透壓，關(guān)鍵酶，代謝廢物)。一些營養(yǎng)物質(zhì)的上限濃度(g/L)如下：葡萄糖100，NH4+5，PO43-10。有影響的環(huán)境條件有溫度,pH值,滲透壓和水分活度等因素。目前四十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點3、菌體濃度對產(chǎn)物的影響在適當(dāng)?shù)谋壬L速率下，發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率與菌濃成正比關(guān)系,即

P=QPmc(X)。式中，P——發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率(產(chǎn)物最大生成速率或生率),g/(L·h);QPm——產(chǎn)物最大比生成速率,h-1;c(X)

——菌體濃度,g/L.初級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率與菌體濃度成正比；而次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)中，控制菌體的比生長速率μ比μ臨略高一點的水平，即c(X)

≤c(X)臨時，菌體濃度越大，產(chǎn)物的產(chǎn)量才越大。c(X)過高，攝氧率增加，溶氧成為限制因素，使產(chǎn)量降低。目前四十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點控制接種量：接種量指種子液體積和培養(yǎng)液體積之比。一般發(fā)酵常用接種量5%～10%；抗生素的接種量有時可增至20%～25%，甚至更大。基質(zhì)含量：營養(yǎng)的配比和中間補(bǔ)料的方式。生長速率取決于基質(zhì)的濃度，在微生物發(fā)酵的研究和控制中，營養(yǎng)條件（含溶氧）的控制至關(guān)重要，主要受基質(zhì)濃度的影響，所以要依靠調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的濃度來控制菌濃。4、發(fā)酵中菌體濃度的控制為了獲得抗生素最高的生產(chǎn)率，需要采用攝氧速率OUR與傳氧速率OTR相平衡時的菌體濃度，也就是傳氧速率隨菌濃變化的曲線和攝氧速率隨菌濃變化的曲線的交點所對應(yīng)的菌體濃度，即臨界菌體濃度c(X)臨。目前四十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（七）基質(zhì)濃度對發(fā)酵過程的影響及補(bǔ)料控制1.基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響

2.補(bǔ)料控制目前四十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）

基質(zhì)濃度對微生物生長的影響s<<KS情況下，比生長速率與基質(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

目前四十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點目前四十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點(2)基質(zhì)濃度對產(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，可延長谷氨酸生產(chǎn)時間，但在更高濃度下，菌體生長受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量降低。/jpkc目前四十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）補(bǔ)料的目的解除基質(zhì)過濃的抑制解除產(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多造成細(xì)胞大量生長，耗氧過多而造成波谷現(xiàn)象。在生產(chǎn)上，補(bǔ)料還經(jīng)常作為糾正異常發(fā)酵的一個重要手段。目前五十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（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)充微量元素或無機(jī)鹽添加前體、誘導(dǎo)劑等目前五十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（3）補(bǔ)料的原則中間補(bǔ)料的數(shù)量為基礎(chǔ)料的1～3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。現(xiàn)有的各種補(bǔ)料措施都是通過實驗方法確定的。

目前五十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長限制性基質(zhì)以經(jīng)驗數(shù)據(jù)或預(yù)測數(shù)據(jù)控制流加；用傳感器直接測定限制性基質(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，通過傳感器在線測定的一些參數(shù)計算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加。（4）補(bǔ)料控制的策略目前五十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（5）反饋控制參數(shù)的確定為了有效地進(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、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。目前五十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點K=1.51K=1.75K=2.16谷氨酸發(fā)酵中K值對糖濃度的控制的影響目前五十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（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)微生物對營養(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％。目前五十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（7）實例：四環(huán)素發(fā)酵中的補(bǔ)糖控制補(bǔ)糖時間對四環(huán)素發(fā)酵單位的影響Ⅰ－補(bǔ)糖時間適當(dāng)（45h后加）Ⅱ－補(bǔ)糖時間過晚（62h開始加）Ⅲ－補(bǔ)糖時間過早（20h后加）/jpkc目前五十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點

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/jpkc目前五十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點補(bǔ)糖對四環(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)酵單位增長三者之間的關(guān)系，就可獲得比采用豐富培養(yǎng)基時更長的生物合成期。

維持不同還原糖水平的四環(huán)素發(fā)酵中流加補(bǔ)糖的作用目前五十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（八）高密度發(fā)酵及過程控制1.

高密度發(fā)酵2.高密度發(fā)酵策略3.高密度發(fā)酵技術(shù)4.高密度發(fā)酵存在的問題目前六十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點1.

高密度發(fā)酵代謝產(chǎn)物的合成是靠菌體作為生產(chǎn)者來完成的。高細(xì)胞密度發(fā)酵就是為了適應(yīng)這一要求而得到廣泛的重視。高密度發(fā)酵：在發(fā)酵過程中保持較高的細(xì)胞密度，同時細(xì)胞或菌體的生產(chǎn)能力保持在較佳的狀態(tài)。

目前六十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點高細(xì)胞密度發(fā)酵成功的實例菌種特征基礎(chǔ)培養(yǎng)基發(fā)酵罐類型培養(yǎng)方法細(xì)胞干重（g/L）培養(yǎng)時間（h）產(chǎn)率

(g/L)/d大腸桿菌需氧、葡萄糖過量、形成乙醇葡萄糖礦物鹽或甘油礦物鹽攪拌罐葡萄糖（甘油）非限制指數(shù)補(bǔ)料140～15030～4090～100枯草桿菌嗜溫菌含葡萄糖的完全培養(yǎng)基攪拌罐補(bǔ)料分批培養(yǎng)，以葡萄糖調(diào)節(jié)pH18530160畢氏酵母嗜溫菌葡萄糖礦物鹽攪拌罐補(bǔ)料分批培養(yǎng)，補(bǔ)甲醇10050～120120～150釀酒酵母嗜溫菌含葡萄糖的完全培養(yǎng)基攪拌罐連續(xù)培養(yǎng)，流加葡萄糖2108050～150目前六十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點2.高密度發(fā)酵策略使用最低合成培養(yǎng)基以便進(jìn)行準(zhǔn)確的培養(yǎng)基設(shè)計和計算生長得率。優(yōu)化細(xì)胞生長速率，使得碳源能被充分利用和獲得較高的產(chǎn)率，用養(yǎng)分流加來限制菌的生長速率還能控制培養(yǎng)物對氧的需求和產(chǎn)熱速率?？捎锰荚醋鳛橄拗菩责B(yǎng)分，且采用補(bǔ)料分批發(fā)酵來實現(xiàn)高密度發(fā)酵。目前六十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點3.高密度發(fā)酵技術(shù)用于高密度發(fā)酵的生物反應(yīng)器類型：攪拌罐，透析膜反應(yīng)器，氣升式反應(yīng)器，氣旋式反應(yīng)器在工業(yè)化生產(chǎn)中，通常采用的是攪拌罐與補(bǔ)料工藝來進(jìn)行高細(xì)胞密度發(fā)酵。重組大腸桿菌高密度發(fā)酵成功的關(guān)鍵技術(shù)是補(bǔ)料策略，限制性基質(zhì)（葡萄糖）的流加模式有3種：恒速流加補(bǔ)料、變速流加補(bǔ)料和指數(shù)流加補(bǔ)料。目前六十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點4.高密度發(fā)酵存在的問題水溶液中的固體與氣體物質(zhì)的溶解度，基質(zhì)對生長的限制或抑制作用，基質(zhì)與產(chǎn)物的不穩(wěn)定性和揮發(fā)性，產(chǎn)物或副產(chǎn)物的積累達(dá)到抑制生長的水平，高濃度的CO2與熱的釋放速率，高的氧需求以及培養(yǎng)基的粘度不斷增加等

。目前六十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點本章主要內(nèi)容第一節(jié)營養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度的影響及控制第二節(jié)溫度的影響及其控制第三節(jié)pH的影響及控制第四節(jié)溶氧的影響及控制第五節(jié)泡沫的影響及控制第六節(jié)二氧化碳和呼吸商第七節(jié)發(fā)酵終點的控制第八節(jié)發(fā)酵過程的控制目前六十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點第二節(jié)溫度對發(fā)酵的影響及控制微生物的生長和產(chǎn)物的合成都是在各種酶催化下進(jìn)行的，溫度是保證酶活性的重要條件，因此在發(fā)酵系統(tǒng)中必須保證穩(wěn)定而合適的溫度環(huán)境。通常在生物學(xué)范圍內(nèi)每升高10℃，生長速度就加快一倍，溫度直接影響其生長。機(jī)體的重要組成如蛋白質(zhì)、核酸等都對溫度較敏感，隨著溫度的增高有可能遭受不可逆的破壞。微生物可生長的溫度范圍較廣，總體說在-10～95℃。目前六十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點1、溫度對發(fā)酵的影響

（1）溫度對微生物生長的影響大多數(shù)微生物在20-40℃的溫度范圍內(nèi)生長。嗜冷菌在溫度低于20℃下生長速率最大，嗜中溫菌在30-35℃左右生長，嗜熱菌在50℃以上生長。目前六十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（2）溫度對發(fā)酵過程的影響溫度對青霉菌生長速率、呼吸強(qiáng)度和青霉素生產(chǎn)速率的影響如上圖所示?？梢钥闯?，溫度對參與生長繁殖、呼吸和青霉素形成的速率影響是不同的。溫度對青霉菌生長速率的影響溫度對青霉菌呼吸強(qiáng)度的影響溫度對青霉素生產(chǎn)速率的影響溫度對青霉菌生長速率的影響溫度對青霉菌呼吸強(qiáng)度的影響溫度對青霉素生產(chǎn)速率的影響目前六十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（3）溫度對發(fā)酵液物理性質(zhì)的影響＃影響氧在發(fā)酵液中的溶解度溫度↑溶氧↓＃影響基質(zhì)的分解和吸收速率如：菌體對硫酸鹽吸收在25℃時最小。（4）溫度對生物合成方向的影響金色鏈霉菌四環(huán)素發(fā)酵中所用的金色鏈霉菌，其發(fā)酵過程中能產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素。低于30℃時，合成金霉素能力強(qiáng)，合成四環(huán)素能力隨溫度升高而增加；當(dāng)達(dá)到35℃時，只產(chǎn)生四環(huán)素。目前七十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（5）溫度對微生物代謝調(diào)節(jié)的影響溫度與微生物的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制關(guān)系密切

例如：在低溫（20℃）時，氨基酸末端產(chǎn)物對其合成途徑的第一個酶的反饋抑制作用，比在其正常生長溫度37℃時更大。因此，考慮在抗生素發(fā)酵的后期降低溫度，加強(qiáng)氨基酸的反饋抑制作用，使蛋白質(zhì)和核酸的正常合成途徑關(guān)閉得早些，從而使發(fā)酵代謝轉(zhuǎn)向抗生素的合成。微生物的酶的組成和特性也受到溫度的控制

例如：用米曲霉制曲時，溫度控制在低限，有利于蛋白酶的合成，α-淀粉酶的活性受到抑制。目前七十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點2、影響發(fā)酵溫度的因素發(fā)酵熱：指的是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量，以J/(m3·h)為單位表示。發(fā)酵熱的通式可表示為：

Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)±Q輻射（1）生物熱（Q生物）：指微生物在生長繁殖中，培養(yǎng)基質(zhì)中的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)被氧化分解為二氧化碳、水和其他物質(zhì)時釋放出的熱。這些釋放出來的能量一部分用于合成和代謝活動，另一部分用于合成代謝產(chǎn)物，其余部分則以熱的形式散失。發(fā)酵過程中的生物熱與菌株和培養(yǎng)基成分相關(guān)，菌種在營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基中因代謝活力較強(qiáng)，所以生物熱要高于在營養(yǎng)一般的培養(yǎng)基中；在呼吸作用和發(fā)酵作用較強(qiáng)的對數(shù)生長期，所產(chǎn)生的熱量要高于發(fā)酵初期的延滯期和發(fā)酵后期的衰亡期。目前七十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（2）攪拌熱（Q攪拌）：指在機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵罐中，由于機(jī)械攪拌帶動發(fā)酵液作機(jī)械運(yùn)動，造成液體之間、液體與攪拌器等設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱。攪拌熱與攪拌軸的功率有關(guān)，計算公式為：

Q攪拌=P×3601(kJ/h)

式中，P——攪拌功率，kW；

3601——機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量，kJ/(kW?h)。目前七十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（3）蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）：指發(fā)酵過程中通氣時，引起發(fā)酵液水分的蒸發(fā)，被空氣和水分帶走的熱量，也叫汽化熱。這部分熱量在發(fā)酵過程中先以蒸汽形式散發(fā)到發(fā)酵罐的液面，再由排氣管帶走。可按下式計算：

Q蒸發(fā)=qm（H出-H進(jìn)）式中，qm——干空氣的質(zhì)量流量，kg/h；

H出、H進(jìn)——發(fā)酵罐排氣、進(jìn)氣的熱焓，kg/h。（4）輻射熱（Q輻射）：指由于發(fā)酵罐液體溫度與罐外環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中部分熱向外輻射或由外界向發(fā)酵液輻射所產(chǎn)生的熱。輻射熱的大小取決于罐內(nèi)外溫度差。目前七十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（5）發(fā)酵熱（Q發(fā)酵）發(fā)酵熱的計算：①通過測量一定時間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度來計算：

Q發(fā)酵=qvc（t2-t1）/V

式中，qv——冷卻水的體積流量，L/h；

c——水的比熱容，kJ/(kg?℃)；

t2，t1——進(jìn)、出冷卻水的溫度；

V——發(fā)酵液體積，m3。②通過罐溫度的自動控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自動裝置，測量溫度隨時間上升的速率，按下式求出發(fā)酵熱：

Q發(fā)酵=（M1c1+M2c2）u

式中，M1——發(fā)酵液的質(zhì)量，kg；

M2——發(fā)酵罐的質(zhì)量，kg；

c1——發(fā)酵液的比熱容，kJ/(kg?℃)；

c2——發(fā)酵罐材料的比熱容，kJ/(kg?℃)；

u——溫度上升速率，℃/h。目前七十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點3、發(fā)酵過程溫度的控制發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中是隨時間變化的。所以，為使發(fā)酵在一定溫度下進(jìn)行，必須采取措施——在夾套或蛇管內(nèi)通入冷水加以控制；小型的發(fā)酵罐，在冬季和發(fā)酵初期，散熱量大于產(chǎn)熱量則需用熱水保溫。最適菌體生長溫度和最適產(chǎn)物合成溫度有時存在差異，因此可分為兩個階段分別控制溫度。溫度選擇還需參考其他條件，如培養(yǎng)基特性和通風(fēng)條件。通過計算機(jī)模擬發(fā)酵條件，結(jié)合實驗和實際生產(chǎn)過程研究特定發(fā)酵過程隨溫度的變化的規(guī)律性，可有效提高產(chǎn)量。目前七十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點(三)溫度對發(fā)酵的影響及其控制1.

影響發(fā)酵溫度的因素2.溫度對微生物生長的影響3.溫度對基質(zhì)消耗的影響4.溫度對產(chǎn)物合成的影響5.最適溫度的選擇與控制

/jpkc目前七十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點(1)發(fā)酵熱發(fā)酵過程中所產(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

/jpkc目前七十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點(2)生物熱來源：微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的分解所釋放的能量影響因素：菌株培養(yǎng)基成分發(fā)酵時期

生物熱與其它參數(shù)的關(guān)系

①呼吸強(qiáng)度QO2②糖利用速率當(dāng)產(chǎn)生的生物熱達(dá)到高峰時，菌的呼吸強(qiáng)度最大，糖的利用速率也最大，可用耗氧量、糖耗來衡量生物熱。/jpkc目前七十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點2.溫度對微生物生長的影響當(dāng)μ>>α?xí)r，α可忽略，微生物處于生長狀態(tài)。μ、α皆與T有關(guān)，其關(guān)系均可用阿累尼烏斯公式描述：∵Eμ＜Eα∴死亡速率比生長速率對溫度變化更為敏感

/jpkc目前八十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點/jpkc嗜冷、嗜中溫、嗜熱菌的典型生長與溫度關(guān)系目前八十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點2.溫度對微生物生長的影響(續(xù))在其最適溫度范圍內(nèi)，生長速率隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度超過最適生長溫度，生長速率隨溫度增加而迅速下降。不同生長階段的微生物對溫度的反應(yīng)不同處于延遲期的細(xì)菌對溫度的影響十分敏感。對于對數(shù)生長期的細(xì)菌，如果在略低于最適溫度的條件下培養(yǎng)，即使在發(fā)酵過程中升溫，則升溫的破壞作用較弱。處于生長后期的細(xì)菌，其生長速度一般主要取決于溶解氧，而不是溫度。/jpkc目前八十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點(1)糖比消耗速率qs

Righelato假定：m－維持因子，即生長速率為零時的葡萄糖的消耗。m項與滲透壓調(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)化等過程所需的能量有關(guān)。這些過程受溫度的影響，所以m也和溫度相關(guān)。B－生長系數(shù)，即同一生長速率下的糖耗，B值越大，說明同樣比生長速率下，用于純粹生長的糖耗越大。改變溫度可以控制qs和μ

/jpkc目前八十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（2）T對B、m和μ的影響

qs一定：當(dāng)T<Tm時，m↑，μ↑,B↓

底物轉(zhuǎn)化效率高

當(dāng)T>Tm時，m↓，μ↓,B↑

底物轉(zhuǎn)化效率低 當(dāng)T=Tm時，/jpkcT(K)m溫度對B、m和不同qs下對μ值的影響目前八十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點4.溫度對產(chǎn)物合成的影響影響發(fā)酵過程中各種反應(yīng)速率，從而影響微生物的生長代謝與產(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

∴青霉素合成速率對溫度較敏感/jpkc目前八十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點改變發(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：T<30℃，產(chǎn)生金霉素；T達(dá)35℃，產(chǎn)生四環(huán)素；谷氨酸發(fā)酵中擴(kuò)展短桿菌：30℃培養(yǎng)后37℃發(fā)酵，積累過量乳酸。

溫度對菌的調(diào)節(jié)機(jī)制關(guān)系密切。4.溫度對產(chǎn)物合成的影響/jpkc目前八十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點4.溫度對產(chǎn)物合成的影響影響酶系組成及酶的特性。米曲霉制曲：溫度控制在低限，有利于蛋白酶合成凝結(jié)芽孢桿菌的α-淀粉酶熱穩(wěn)定性：55℃培養(yǎng)→90℃保持60min，剩留活性為88%~99%；35℃培養(yǎng)→經(jīng)相同條件處理，剩余活性僅有6%~10%。/jpkc目前八十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點5.最適溫度的選擇與控制定義：最適溫度是指在該溫度下最適于菌的生長或產(chǎn)物的生成，它是一種相對概念，是在一定條件下測得的結(jié)果。二階段發(fā)酵

e.g.青霉素發(fā)酵：菌體生長期,30℃

青霉素合成分泌期,20℃/jpkc目前八十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點最適溫度的選擇還要參考其它發(fā)酵條件靈活掌握通氣條件較差情況下，最適發(fā)酵溫度可能比正常良好通氣條件下低一些。培養(yǎng)基成分和濃度的影響/jpkc5.最適溫度的選擇與控制目前八十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點變溫培養(yǎng)：在抗生素發(fā)酵過程中采用變溫培養(yǎng)比用恒溫培養(yǎng)所獲得的產(chǎn)物有較大幅度的提高。

e.g.四環(huán)素發(fā)酵：0~30h稍高溫度→30~150h稍低溫度→150h后升溫發(fā)酵青霉素發(fā)酵：30℃,5h→25℃,35h→20℃,85h

→25℃,40h；產(chǎn)量提高14.7％/jpkc5.

最適溫度的選擇與控制目前九十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（四）pH對發(fā)酵的影響及其控制1.

發(fā)酵對pH的影響2.pH值對發(fā)酵過程的影響3.最適pH的選擇4.發(fā)酵過程中pH的調(diào)節(jié)與控制/jpkc目前九十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點1）發(fā)酵液中pH變化的基本原理微生物代謝對pH影響主要在兩種情況下發(fā)生：①酸性或堿性代謝產(chǎn)物的生成或釋放；②菌體對培養(yǎng)基中生理酸性或堿性物質(zhì)的利用。引起發(fā)酵液中pH下降的因素（1）C/N過高，或中間補(bǔ)糖過多，溶氧不足，致使有機(jī)酸積累，pH下降；（2）消泡劑加得過多：脂肪酸增加；（3）生理酸性鹽的利用；（4）酸性產(chǎn)物形成：如有機(jī)酸發(fā)酵。

/jpkc目前九十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點1）發(fā)酵液中pH變化的基本原理（續(xù)）引起發(fā)酵液中pH上升的因素（1）C/N過低（N源過多），氨基氮（NH4＋）釋放；（2）中間補(bǔ)料中氨水或尿素等堿性物質(zhì)加入過多；（3）生理堿性鹽的利用；（4）堿性產(chǎn)物形成。/jpkc目前九十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點

2）發(fā)酵過程中pH的變化規(guī)律生長階段：pH相對于起始pH有上升或下降的趨勢生產(chǎn)階段：pH趨于穩(wěn)定，維持在最適于產(chǎn)物合成的范圍自溶階段：pH又上升

/jpkc目前九十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）pH對微生物生長的影響每一類菌都有其最適pH和能耐受的pH范圍細(xì)菌:pH6.3～7.5；霉菌和酵母菌：pH3～6；

放線菌：pH7～8控制一定的pH值，不僅保證微生物生長，而且防止雜菌感染e.g.石油代臘酵母：

pH3.5～5.0：生長良好且不易染菌

pH>5.0：酵母形態(tài)變小，發(fā)酵液變黑，且污染大量細(xì)菌

pH<3.0：酵母生長受抑制，細(xì)胞極不整齊，且出現(xiàn)自溶

/jpkc目前九十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點pH對生長的影響機(jī)制對E合成的影響對E活性的影響對ATP生產(chǎn)率影響：影響菌體細(xì)胞膜電荷狀況，引起膜的滲透性的變化，因而影響菌體對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌。影響培養(yǎng)基某些重要營養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用

（1）pH對微生物生長的影響/jpkc目前九十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點

（2）pH對產(chǎn)物合成的影響產(chǎn)物合成階段的最適pH值和微生物生長階段的最適pH往往不一定相同，這不僅與菌種特性有關(guān)，還取決于產(chǎn)物的化學(xué)特性。

e.g.丙酮丁醇菌：生長

pH為5.5～7.0；合成pH為4.3～5.3

青霉素產(chǎn)生菌：生長pH為6.5～7.2，合成pH為6.2～6.8

鏈霉素產(chǎn)生菌：生長pH為6.3～6.9，合成pH為6.7～7.3

/jpkc目前九十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點pH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。

e.g.黑曲霉發(fā)酵：pH2~3,檸檬酸；pH接近中性，草酸酵母菌發(fā)酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸和甘油谷氨酸發(fā)酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；pH5.0~5.8,谷酰胺和N-乙酰谷酰胺/jpkc（2）pH對產(chǎn)物合成的影響目前九十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（2）pH對產(chǎn)物合成的影響（續(xù)）pH對青霉素發(fā)酵的影響：在不同pH范圍內(nèi)加糖，青霉素產(chǎn)量和糖耗不一樣。pH范圍

糖耗殘?zhí)?/p>

青霉素相對單位pH6.0～6.3加糖

10%0.5%較高pH6.6～6.9加糖

7%0.2%高pH7.3～7.6加糖

7%>0.5%低pH6.8控制加糖

<7%<0.2%最高速率恒定(0.055%/h)*采用pH控制補(bǔ)糖速率的意義/jpkc目前九十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點3.最適pH的選擇

選擇pH準(zhǔn)則：獲得最大比生產(chǎn)速率和合適的菌體量，以獲得最高產(chǎn)量。pH對產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況/jpkc目前一百頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）pH調(diào)節(jié)方法

配制合適的培養(yǎng)基，有很好的緩沖能力；發(fā)酵過程中加入非營養(yǎng)基質(zhì)的酸堿調(diào)節(jié)劑

(NaOH、HCl、CaCO3)；發(fā)酵過程中加入生理酸性或堿性基質(zhì)，通過代謝調(diào)節(jié)pH；

酸性基質(zhì)：銨鹽、糖、油脂、玉米漿(脫NH4＋)

堿性基質(zhì)：NO3－鹽、有機(jī)酸鹽、有機(jī)氮、氨水、尿素原則:①殘?zhí)歉邥r，不用糖調(diào)pH

②殘N高時，不用生理鹽調(diào)pHpH控制與代謝調(diào)節(jié)結(jié)合起來，通過補(bǔ)料來控制pH

/jpkc目前一百零一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（2）pH控制方法比較以青霉素發(fā)酵為例，最適pH為6.6～6.9控制方案：方案一：培養(yǎng)基中供應(yīng)充足的糖，并配用pH緩沖劑方案二：培養(yǎng)基中供應(yīng)充足的糖，以非基質(zhì)NaOH調(diào)節(jié)pH方案三：在發(fā)酵過程中恒速補(bǔ)糖，以NaOH、H2SO4調(diào)節(jié)pH方案四：改變補(bǔ)糖速率來控制pH為6.6～6.9/jpkc目前一百零二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點

（3）pH控制系統(tǒng)

執(zhí)行單元調(diào)節(jié)器pH變選器給定值補(bǔ)料pH電極mA4~20mA/jpkc目前一百零三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（五）溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制1.

引起溶解氧變化的因素2.溶解氧對發(fā)酵的影響3.

溶解氧在發(fā)酵過程控制中的重要作用4.發(fā)酵液中溶解氧的控制5.溶解氧控制實例/jpkc目前一百零四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）影響溶解氧（DO）的因素

供氧

耗氧兩大類以關(guān)系式表示：影響供氧的因素：影響耗氧的因素：

C*-CL溫度、溶質(zhì)、溶劑、氧分壓KLa設(shè)備參數(shù)、操作參數(shù)、發(fā)酵液特性菌種特性、培養(yǎng)基成分和濃度、菌齡、培養(yǎng)條件（T、pH）、代謝類型γ/jpkc目前一百零五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（2）發(fā)酵過程中溶氧變化規(guī)律批式發(fā)酵無DO控制情況下，溶氧變化規(guī)律為“波谷現(xiàn)象”

溶氧、x、QO2、隨時間變化的關(guān)系

CLxQO2/jpkc目前一百零六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點平衡點分析：①當(dāng)CL↑，即，OTR>γ∵，∴OTR逐漸↓至OTR=γ，即，高位平衡當(dāng)處于高位平衡時，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。/jpkc目前一百零七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點平衡點分析：②當(dāng)CL↓（如對數(shù)生長期γ很大），，OTR<γ∵，∴，，稱低位平衡。低位平衡通常發(fā)生在正常情況下的對數(shù)期。

/jpkc目前一百零八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點值得注意的幾點自然“波谷現(xiàn)象”，一般可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)（）當(dāng)，則需要控制，增加OTR，防止需氧受阻。補(bǔ)料與“波谷現(xiàn)象”對應(yīng)：即補(bǔ)料時間、劑量選擇與溶氧變化有關(guān)。

a.

不能在波谷時補(bǔ)料，加重缺氧

b.

一次補(bǔ)料不能過量，防止，菌體停止呼吸、死亡

c.每次補(bǔ)料都會引起一次大的溶氧下降。/jpkc目前一百零九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點

（1）溶解氧對生長的影響臨界氧濃度（CCr）：

當(dāng)時,當(dāng)時,∴對生長應(yīng)滿足,但并不是越高越好呼吸抑制呼吸不受抑制/jpkc指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度。目前一百一十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（2）溶解氧對產(chǎn)物合成的影響

最適氧濃度（Cm）：溶氧濃度對產(chǎn)物合成有一個最適范圍，CL過高或過低，對合成都不利。

e.g.卷須霉素：12~70h之間，維持CL在10%比在0或45%的產(chǎn)量要高。

/jpkc目前一百一十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（3）CCr與Cm比較：通常Cm與CCr不一致對于某些菌株

Ccr>Cm,卷須霉素:

而有些菌株

Ccr<Cm,頭孢菌素C：Cm8%Ccr13~23%Ccr

5%Cm

10~20%/jpkc目前一百一十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點QO2(QO2)mCcrCLPCmCL生長階段要求CL>CCr，生產(chǎn)階段滿足CL≥Cm。

/jpkc目前一百一十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（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。對于好氣性雜菌，溶解氧會一反往常在較短時間內(nèi)跌到零附近，跌零后長時間不回升。對于厭氣性雜菌，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/jpkc目前一百一十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（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)酵過程中出現(xiàn)“發(fā)酸”現(xiàn)象，此時溶解氧很快下降。

/jpkc目前一百一十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（3）代謝方向控制指標(biāo)

測量溶解氧可以確定CCr、Cm值通過溶氧測量可以掌握由好氣轉(zhuǎn)為厭氣培養(yǎng)的關(guān)鍵時機(jī)

e.g.天門冬酰胺酶發(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。/jpkc目前一百一十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（4）設(shè)備性能、工藝合理性指標(biāo)評價設(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)/jpkc目前一百一十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（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/jpkc目前一百一十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點改進(jìn)工藝：控制補(bǔ)料速度、T

的調(diào)節(jié)、中間補(bǔ)水、添加表面活性劑等等

對現(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

目前一百一十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點

工藝的改進(jìn)是否有效可通過溶解氧水平進(jìn)行評價：

P/V的改變對溶解氧和產(chǎn)量的影響

e.g.利福霉素發(fā)酵：50~80h波谷階段，P/V↑，KLa↑，供氧↑；3W/L比1W/L批號的發(fā)酵單位增加約900u/ml

攪拌轉(zhuǎn)數(shù)n對溶解氧和產(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↑/jpkc目前一百二十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）溶解氧控制的一般原則

生長階段：即可產(chǎn)物合成階段：即可過高的溶氧水平反而對菌體代謝有不可逆的抑制作用/jpkc目前一百二十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（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)酵過程中，糖量↑→x↑,QO2↑

→

γ

↑

→

CL↓

糖量

↓→QO2↓→γ↓→

CL↑

補(bǔ)糖使CL下降，而CL回升的快慢取決于供氧效率。對于一個具體的發(fā)酵，存在一個最適氧濃度（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)糖速率實現(xiàn)用溶解氧水平控制補(bǔ)料速率

/jpkc目前一百二十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點

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代謝，即把更多的糖用于產(chǎn)物合成，并永遠(yuǎn)不超過罐設(shè)計時的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

/jpkc目前一百二十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點控制方法

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

/jpkc目前一百二十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點溶氧在加糖控制上的應(yīng)用/jpkc目前一百二十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點溶氧與pH協(xié)同控制系統(tǒng)/jpkc目前一百二十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（3）溶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：通過改變KLa來提高供氧能力

通氣速率Ws↑：Ws增加有上限，引起“過載”、泡沫提高罐壓：

，但同時會增加CO2的溶解度，影響pH及可能會影響菌的代謝，另外還會增加對設(shè)備的強(qiáng)度要求。

/jpkc目前一百二十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點改變發(fā)酵液理化性質(zhì)（σ，，Ii）

加消泡劑，補(bǔ)加無菌水，改變培養(yǎng)基成分→改變KL改變溫度：，提高推動力（C*－CL）/jpkc（3）溶解氧控制的工藝方法（續(xù)）

供氧方面：目前一百二十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（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μ、x→

限制γ→控制溶解氧/jpkc目前一百二十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（4）溶解氧自動控制系統(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)

/jpkc目前一百三十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點溶解氧對被孢霉合成花生四烯酸

(AA)的影響

溶氧量對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/jpkc目前一百三十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點溶解氧控制對鳥苷產(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)酵過程DO

變化與鳥苷積累的關(guān)系/jpkcDO控制在10~20％，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28h～44h)，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。

目前一百三十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（六）CO2和呼吸商對發(fā)酵的影響及其控制1.

定義2.發(fā)酵過程中CO2釋放率的變化3.

CO2對發(fā)酵的影響

/jpkc目前一百三十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點1.定義

呼吸商（RQ）：指菌體呼吸過程中，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/L·h

菌體CO2釋放率CER，molCO2/L·h/jpkc目前一百三十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（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：/jpkc目前一百三十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（2）CER變化規(guī)律

CO2積累量漸增，與x曲線對應(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∝菌體生長速率）；CO2濃度變化與O2濃度變化成反向同步關(guān)系。/jpkc目前一百三十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點/jpkc∫[CER]dt，菌體干重的時間曲線1-[CER]dt；2-菌量目前一百三十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（3）CER的測量與計算

測量方法：熱導(dǎo)、紅外分析儀、質(zhì)譜儀計算

/jpkc目前一百三十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（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C質(zhì)量平衡估算生長速率和細(xì)胞量。高濃度CO2對發(fā)酵多表現(xiàn)為抑制作用，應(yīng)實施測量與控制；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)。/jpkc目前一百三十九頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（2）CO2對細(xì)胞的作用機(jī)制“麻醉”作用

CO2及HCO3-都會影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，使膜的流動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)胞生長受到抑制，形態(tài)發(fā)生改變。

/jpkc目前一百四十頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（3）CO2對菌體生長及產(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抑制作用的獨立性:只要CO2在培養(yǎng)液中濃度過量，即使供氧充足（CL>CCr），CO2的抑制作用不能解除，這種負(fù)作用在放大過程更明顯。正確評價通氣的作用：供氧：排廢氣：水分及揮發(fā)性組分的散失

/jpkc目前一百四十一頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（4）CO2釋放與發(fā)酵過程參數(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，所以測定排氣CO2釋放率（CER）來控制補(bǔ)糖速率。

補(bǔ)糖與溶氧及pH協(xié)同控制補(bǔ)糖速率與CER控制

/jpkc補(bǔ)糖對排氣CO2和pH的影響目前一百四十二頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（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。

/jpkc目前一百四十三頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點青霉素發(fā)酵不同階段：

菌體生長階段：RQ＝0.909

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，其RQ值就增加；反之，當(dāng)產(chǎn)物的氧化性比基質(zhì)大時，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。/jpkc產(chǎn)物形成對RQ影響最大目前一百四十四頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（七）基質(zhì)濃度對發(fā)酵過程的影響及補(bǔ)料控制1.基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響

2.補(bǔ)料控制/jpkc目前一百四十五頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）

基質(zhì)濃度對微生物生長的影響s<<KS情況下，比生長速率與基質(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

/jpkc目前一百四十六頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點/jpkc目前一百四十七頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點(2)基質(zhì)濃度對產(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，可延長谷氨酸生產(chǎn)時間，但在更高濃度下，菌體生長受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量降低。/jpkc目前一百四十八頁\總數(shù)一百七十五頁\編于十一點（1）補(bǔ)料的目的解除基質(zhì)過濃的抑制解除產(chǎn)物的反饋抑制解除分