1、生物制藥工藝技術(shù)課程教學(xué)方案教師：蘇艷授課專業(yè)生物技術(shù)及應(yīng)用、生物制藥技卜上課地點(diǎn)術(shù)授課時(shí)間第周學(xué)習(xí)內(nèi)容項(xiàng)目6、發(fā)酵過程控制（2）工業(yè)發(fā)酵主要類型及主要控制 參數(shù)課時(shí)8教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)了解發(fā)酵過程中各參數(shù)：溫度、pH、泡沫等對(duì)發(fā)酵過程的影響。技能目標(biāo)能根據(jù)不同發(fā)酵過程控制發(fā)酵參數(shù)。能處理發(fā)酵過程中出現(xiàn)的問題。素質(zhì)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際動(dòng)手操作能力、自主性、創(chuàng)造性、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度；吃苦耐勞、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，良好的職業(yè)素養(yǎng)。教學(xué) 重點(diǎn) 難點(diǎn)重點(diǎn)：發(fā)酵過程中參數(shù)的控制。 難點(diǎn)：發(fā)酵過程中參數(shù)的選擇。目標(biāo) 群體學(xué)生在前面學(xué)習(xí)了 發(fā)酵罐及附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)”，具備了應(yīng)用微生物技術(shù)的基礎(chǔ) 知識(shí)。教學(xué)環(huán)境教室教

2、學(xué)方法理論講授時(shí)間 安排教學(xué)過程設(shè)計(jì)課型理論課：多媒體輔助講授組織教學(xué)5分鐘演講，1分鐘安全教育實(shí)施新課講授：項(xiàng)目6發(fā)酵過程的控制知識(shí)目標(biāo)：? 了解發(fā)酵過程中各參數(shù)對(duì)發(fā)酵過程的影響。?掌握發(fā)酵過程中各發(fā)酵參數(shù)的控制。能力目標(biāo)：?能根據(jù)不同發(fā)酵過程控制發(fā)酵參數(shù)。?能處理發(fā)酵過程中出現(xiàn)的問題。素質(zhì)目標(biāo)：?培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際動(dòng)手操作能力、自主性、創(chuàng)造性、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度； 吃苦耐勞、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。任務(wù)1工業(yè)發(fā)酵主要類型及主要控制參數(shù)一、概述發(fā)酵：指在厭氧條件下葡萄糖通過酵解途徑生成乳酸或乙醇等的分解代謝過 程。廣義上將發(fā)酵看作是微生物把一些原料養(yǎng)分在合適的發(fā)酵條件下經(jīng)過特定的 代謝轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)物的過

3、程。微生物培養(yǎng)亦稱微生物發(fā)酵，發(fā)酵生產(chǎn)按微生物培養(yǎng)工藝不同可以分為固態(tài)發(fā) 酵和液態(tài)發(fā)酵兩種類型。兩者在工藝過程上大體相同，主要工藝過程為： 斜面困種培養(yǎng)-困體或抱子懸浮液制備-種子擴(kuò)大培養(yǎng)-發(fā)酵培養(yǎng)-發(fā)酵產(chǎn)物與發(fā)酵基 質(zhì)分離-提純與精制-成品。固態(tài)發(fā)酵是將微生物接種到經(jīng)過處理的固體發(fā)酵基質(zhì)上，或?qū)l(fā)酵原料及菌體吸附在疏松的固體支撐物上，通過微生物的代謝活動(dòng)，使發(fā)酵原料轉(zhuǎn)化成發(fā)酵產(chǎn)品。采用固態(tài)發(fā)酵工藝所需設(shè)備簡單，不需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)酵堆；操作方法簡單， 能耗較低，不需要大量的通風(fēng)和攪拌。但是固態(tài)發(fā)酵不宜采用自動(dòng)化控制，勞動(dòng)強(qiáng) 度較大，生產(chǎn)率較低。液態(tài)發(fā)酵是將物料首先制備成液態(tài)，再將微生物接入進(jìn)行

4、發(fā) 酵。液態(tài)發(fā)酵谷易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率咼。深層培養(yǎng)可分為分批培養(yǎng)、補(bǔ)料-分批（流加培養(yǎng)）培養(yǎng)、半連續(xù)培養(yǎng)（發(fā)酵 液帶放）、連續(xù)培養(yǎng)和灌注培養(yǎng)五種方式。以發(fā)酵方式可分為分批發(fā)酵、補(bǔ)料-分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵等。二、分批發(fā)酵1.分批發(fā)酵的理論基礎(chǔ)分批發(fā)酵是指在一個(gè)密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，使微生物生長繁殖，在特定的條件下只完成一個(gè)生長周期的微生 物培養(yǎng)方法。分批培養(yǎng)的特點(diǎn)是操作簡單，易于掌握，是最常見的操作方式。分批發(fā)酵過程一般可粗分為四期：即適應(yīng)期（也有稱停滯期或延滯期的）、對(duì)數(shù)（指數(shù)）生長期、生長穩(wěn)定期和死亡期；也可細(xì)分為六期：即停滯期、加速期、對(duì)數(shù)期

5、、減速期、靜止期和死亡（衰亡） 期2.重要的生長參數(shù)得率系數(shù)丫在濃度較低的范圍內(nèi)，靜止期的細(xì)胞濃度與初始基質(zhì)濃度成正 比，可用下式表示：X= Y （ S St）式中s o初始基質(zhì)濃度，g/L;St經(jīng)培養(yǎng)時(shí)間t時(shí)基質(zhì)濃度；丫一一得率系數(shù)，g細(xì)胞/g基質(zhì)當(dāng)生長停止時(shí)，St等于零。方程可用于預(yù)測用多少初始基質(zhì)便能得到相應(yīng)的菌 量。比生長速率 卩 用Monod方程可描述比生長速率和殘留的限制性基質(zhì)濃度之 間的關(guān)系卩=max s /（ KS + S）式中 卩比生長速率，h-1;Pma最大比生長速率，h-1 ；S基質(zhì)濃度，g/L;Ks基質(zhì)利用常數(shù)，相當(dāng)于 卩二卩mas時(shí)的基質(zhì)濃度，g/L，是菌對(duì)基質(zhì) 的親

6、和力的一種度量。3.分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是：周期短，培養(yǎng)基一次滅菌，一次投料，容易實(shí)現(xiàn)無菌狀態(tài)；操作簡單， 易于操作控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；培養(yǎng)濃度較高，易于產(chǎn)品分離。分批培養(yǎng)的輔助時(shí)間較多，設(shè)備生產(chǎn)能力低。分批發(fā)酵不適用于測定其過程動(dòng) 力學(xué)，因使用復(fù)合培養(yǎng)基，不能簡單地運(yùn)用 Monoc方程來描述生長，存在基質(zhì)抑制 問題，出現(xiàn)二次生長現(xiàn)象。對(duì)基質(zhì)濃度敏感的產(chǎn)物，或次級(jí)代謝物，如對(duì)基質(zhì)濃度 敏感的產(chǎn)物，或次級(jí)代謝物，比如抗生素，用分批發(fā)酵不合適，因其周期較短，一 般在12天，產(chǎn)率較低。在目前國內(nèi)外絕大多數(shù)發(fā)酵生產(chǎn)中，都是采用分批培養(yǎng)的方法。三、補(bǔ)料(流加)分批發(fā)酵1.補(bǔ)料-分批發(fā)酵理論基礎(chǔ)補(bǔ)料-分批

7、發(fā)酵是指先將一定量的培養(yǎng)液裝入反應(yīng)器，在適宜的條件下接種細(xì) 胞，進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì)胞不斷生長，產(chǎn)物也不斷形成。目前國內(nèi)外的酵母生產(chǎn)行業(yè)大多采用這種操作方法。目前補(bǔ)料-分批發(fā)酵的類型很多，就補(bǔ)料的方式而言，有連續(xù)補(bǔ)料、不連續(xù)補(bǔ) 料和多周期補(bǔ)料；每次補(bǔ)料又可分為快速補(bǔ)料、恒速補(bǔ)料、指數(shù)速度補(bǔ)料和變速補(bǔ) 料；按反應(yīng)器中發(fā)酵液體積區(qū)分，又有變體積和恒體積之分；從反應(yīng)器數(shù)目分類又 有單級(jí)和多級(jí)之分；從補(bǔ)加的培養(yǎng)基成分來分，又可分為單一組分補(bǔ)料和多組分補(bǔ) 料。補(bǔ)料-分批發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)在于它能在這樣一種系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度，從而 避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)和能夠按設(shè)備的通氣能力去維持適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵條件，并且能減緩代謝

8、有害物的不利影響。四、半連續(xù)發(fā)酵半連續(xù)培養(yǎng)又稱為反復(fù)分批培養(yǎng)或換液培養(yǎng)，在補(bǔ)料-分批發(fā)酵的基礎(chǔ)上 加上間歇放掉部分發(fā)酵液(帶放)便可稱為半連續(xù)發(fā)酵。半連續(xù)發(fā)酵也有它的不足：放掉發(fā)酵液的同時(shí)也丟失了未利用的養(yǎng)分和處于 生產(chǎn)旺盛期的菌體；定期補(bǔ)充和帶放使發(fā)酵液稀釋，送去提煉的發(fā)酵液體積更大； 發(fā)酵液被稀釋后可能產(chǎn)生更多的代謝有害物，最終限制發(fā)酵產(chǎn)物的合成；一些 經(jīng)代謝產(chǎn)生的前體可能丟失；有利于非產(chǎn)生菌突變株的生長。據(jù)此，在采用此工 藝時(shí)必須考慮上述的技術(shù)上限制，不同的品種應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。五、連續(xù)發(fā)酵1.單級(jí)連續(xù)發(fā)酵的理論基礎(chǔ)流入罐內(nèi)的料液使得發(fā)酵液變稀，流量與培養(yǎng)液體積之比可用D來表示，稱為稀釋率(h-1)，表示單位時(shí)間內(nèi)加入的培養(yǎng)基體積占發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基體積的分率， 其倒數(shù)表示培養(yǎng)液在發(fā)酵罐內(nèi)平均停留時(shí)間。2 多級(jí)連續(xù)培養(yǎng)3連續(xù)培養(yǎng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用(1) 酵母、細(xì)菌等單細(xì)胞蛋白產(chǎn)品(2) 酒精、啤酒、醋酸等一次代謝產(chǎn)物(3) 污水的生化處理4.連續(xù)培養(yǎng)中存在的冋題(1) 污染雜菌問題(2) 生產(chǎn)菌種突變冋題六、灌注培養(yǎng)灌注培養(yǎng)是指細(xì)胞接種后進(jìn)行培養(yǎng)，一方面新鮮培養(yǎng)基不斷加入反應(yīng)器，另一 方面又將反應(yīng)液連續(xù)不斷地取出，但細(xì)胞留在反應(yīng)器內(nèi)，使細(xì)胞處于一種不斷的營 養(yǎng)狀態(tài)