1、發(fā)酵工程第六章發(fā)酵過程控制演示文稿第一頁，共一百七十五頁。優(yōu)選發(fā)酵工程第六章發(fā)酵過程控制第二頁，共一百七十五頁。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：第三頁，共一百七十五頁。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(duì)發(fā)酵生產(chǎn)水平的影響及其機(jī)制，獲取最適水平或最佳范圍建立數(shù)

2、學(xué)模型定量描述各參數(shù)之間隨時(shí)間變化的關(guān)系通過計(jì)算機(jī)實(shí)施在線自動(dòng)檢測和控制，驗(yàn)證各種控制模型的可行性及其適用范圍，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程最優(yōu)控制 第四頁，共一百七十五頁。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)鍵酶活力等第五頁，共一百七十五頁。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()、呼吸強(qiáng)度(QO2)、比生長速率（) 、體積溶氧系

3、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(jì)算獲得的參數(shù)，第六頁，共一百七十五頁。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(diǎn)：及時(shí)、省力，可從繁瑣操作中解脫出來，便于計(jì)算機(jī)控制。 困難：傳感器要求較高。 第七頁，共一百七十五頁。對(duì)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(shí)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

4、題；價(jià)格合理，便于推廣。 3. 參數(shù)檢測第八頁，共一百七十五頁。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(hào) 電信號(hào)） 二次儀表：將熱電偶輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成 被測介質(zhì)的溫度第九頁，共一百七十五頁。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)檢測第十頁，共一百七十五頁。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(huì)引起流體能量損失，受溫度和壓力變化的影響； 同心孔板壓差式流量計(jì)； 轉(zhuǎn)子流量計(jì)。質(zhì)量流量型： 根據(jù)流體固有性質(zhì)（質(zhì)量、導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性能）設(shè)計(jì)的流量計(jì)。第十一頁，共一百七十五頁。參

5、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第十二頁，共一百七十五頁。參數(shù)檢測方法料液計(jì)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(jì)量法：計(jì)算進(jìn)出料液 流量計(jì)量法：計(jì)算流量和時(shí)間 液位探針3. 參數(shù)檢測第十三頁，共一百七十五頁。參數(shù)檢測方法發(fā)酵液粘度測定 毛細(xì)管粘度計(jì) 回轉(zhuǎn)式粘度計(jì) 渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)3. 參數(shù)檢測/jpkc第十四頁，共一百七十五頁。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第十五頁，共一百七十五頁。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 （

6、b）原電池型第十六頁，共一百七十五頁。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)檢測第十七頁，共一百七十五頁。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)胞在線檢測儀第十八頁，共一百七十五頁。1. 初級(jí)代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)初級(jí)代謝物：指一類低分子量的終點(diǎn)產(chǎn)物及這些終點(diǎn)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)胞通透性的變更第十九頁，共一百七十五頁。反饋調(diào)節(jié)包括 反饋抑

7、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(gè)酶的活性。 反饋?zhàn)瓒簦阂种泼傅男纬?，是由途徑終點(diǎn)產(chǎn)物或其衍生物施行的。（1）避開固有的反饋調(diào)節(jié)第二十頁，共一百七十五頁。/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-蘇氨酸脫氫酶第二十一頁，共一百七十五頁。（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(diǎn)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?zhàn)饔玫幕蛲蛔冃停▽?duì)反饋?zhàn)饔貌幻舾校?。具體應(yīng)用積累中間產(chǎn)物積累終點(diǎn)產(chǎn)物耐反饋?zhàn)饔玫耐蛔冎甑暮Y選：抗結(jié)構(gòu)類似物突變株 第二十二頁，

8、共一百七十五頁。第二十三頁，共一百七十五頁。第二十四頁，共一百七十五頁。第二十五頁，共一百七十五頁?？菇Y(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?zhàn)饔?，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(duì)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： 酶的結(jié)構(gòu)起了變化（指耐反饋抑制的突變株） 酶的合成系統(tǒng)起了變化（指耐反饋?zhàn)瓒舻耐蛔冎辏┑诙摚惨话倨呤屙?。?）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(shí)發(fā)生耐反饋抑制和耐反

9、饋?zhàn)瓒舻耐蛔冏饔谩?回復(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(diǎn)產(chǎn)物的回復(fù)子。 第二十七頁，共一百七十五頁。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(gè)共同特征： -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。 對(duì)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。 第二十八頁，共一百七十五頁。2. 次級(jí)代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)(1) 次級(jí)代謝的特點(diǎn)及與初級(jí)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(jí)代謝物的生物

10、合成耐負(fù)反饋調(diào)節(jié)的抗性突變株的篩選初級(jí)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第二十九頁，共一百七十五頁。（1）次級(jí)代謝的特點(diǎn)及與初級(jí)代謝的關(guān)系次級(jí)代謝酶的特異性較初級(jí)代謝酶的特異性低，故受遺傳及環(huán)境因素的影響大。 次級(jí)代謝物的合成途徑比初級(jí)代謝的種類多，但大多數(shù)次級(jí)代謝物都是由少數(shù)關(guān)鍵中間代謝物組裝的。次級(jí)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(shí)才合成。 第三十頁，共一百七十五頁。操縱環(huán)境條件來控制次級(jí)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(duì)參與

11、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(duì)發(fā)酵產(chǎn)品的間接抑制作用/jpkc第三十一頁，共一百七十五頁。 分解阻遏作用的解除主要是在多個(gè)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)酵代謝曲線第三十二頁，共一百七十五頁。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第三十三頁，共一百七十五頁。第三十四頁，共一百七十五頁。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

12、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(diǎn)的控制第八節(jié) 發(fā)酵過程的控制/jpkc第三十五頁，共一百七十五頁。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(diǎn)：不易產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏效應(yīng)；有利于延長次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期 缺點(diǎn)：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。速效碳源種類：葡萄糖優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：有的分解代謝產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)物的合成會(huì)產(chǎn)生阻遏作用。糖對(duì)青霉素生物合成的影響第三十六頁，共一百七十五頁。2、碳源

13、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(huì)阻遏一個(gè)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(duì)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(huì)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(shí)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）yeast Crabtree effect：即酵母生長在高糖濃度下，即使溶氧充足，它還會(huì)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)

14、料分批或連續(xù)培養(yǎng)方式來避免crabtree效應(yīng)。第三十七頁，共一百七十五頁。yeast Crabtree effect describes the phenomenon whereby the yeast, Saccharomyces cerevisiae, produces ethanol (alcohol) aerobically in the presence of high external glucose concentrations rather than producing biomass via the tricarboxylic acid cycle, the usual p

15、rocess occurring aerobically in most yeasts e.g. Kluyveromyces spp.Increasing concentrations of glucose accelerates glycolysis (the breakdown of glucose) which results in the production of appreciable amounts of ATP through substrate-level phosphorylation. This reduces the need of oxidative phosphor

16、ylation done by the TCA cycle via the electron transport chain and therefore decreases oxygen consumption. The phenomenon is believed to have evolved as a competition mechanism (due to the antiseptic nature of ethanol) around the time when the first fruits on Earth fell from the trees.Here is the de

17、tail of yeast Crabtree effect第三十八頁，共一百七十五頁。（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(huì)影響某些產(chǎn)物的的產(chǎn)量；遲效氮源對(duì)延長次級(jí)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

18、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(duì)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(huì)快于有機(jī)氮源，但是常會(huì)引pH值的變化，這必須注意隨時(shí)調(diào)整。 第三十九頁，共一百七十五頁。2、氮源的濃度氮源濃度過高，會(huì)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-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

19、衰老自溶，可根據(jù)需要隨時(shí)補(bǔ)加有機(jī)和無機(jī)氮源。第四十頁，共一百七十五頁。（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(shí)，所允許的磷酸鹽濃度為0.32300mmol/L，但次級(jí)代謝產(chǎn)物合成良好時(shí)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6570 g/mL,而四環(huán)素合成最適磷濃度為2530 g/mL。第四十

20、一頁，共一百七十五頁。（四）菌體濃度的影響及控制1、菌體濃度（cell concentration）指單位體積中菌體的含量，是發(fā)酵工業(yè)中的一個(gè)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(dòng)力學(xué)研究中，常采用菌體濃度來計(jì)算菌體的比生長速率和產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率等動(dòng)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。第四十二頁，共一百七十五頁。2

21、、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(dòng)物的倍增時(shí)間分別為45 min，90 min，3 h和6 h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。第四十三頁，共一百七十五頁。3、菌體濃度對(duì)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

22、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/(Lh);QPm 產(chǎn)物最大比生成速率,h-1;c(X) 菌體濃度,g/L.初級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率與菌體濃度成正比；而次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)中，控制菌體的比生長速率比臨略高一點(diǎn)的水平，即c(X) c(X)臨時(shí)，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。第四十四頁，共一百七十五頁?？刂平臃N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(shí)可增至20% 25%，甚至更大?；|(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

23、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(shí)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的菌體濃度，即臨界菌體濃度c(X)臨。第四十五頁，共一百七十五頁。（七）基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵過程的影響及補(bǔ)料控制1. 基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響 2. 補(bǔ)料控制第四十六頁，共一百七十五頁。（1） 基質(zhì)濃度對(duì)微生物生長的影響s時(shí)，可忽略，微生物處于生長狀態(tài)。、皆與T有關(guān)，其關(guān)系均可用阿累尼烏斯公式描述：EE 死亡速率比

24、生長速率對(duì)溫度變化更為敏感 /jpkc第八十頁，共一百七十五頁。/jpkc嗜冷、嗜中溫、嗜熱菌的典型生長與溫度關(guān)系第八十一頁，共一百七十五頁。2. 溫度對(duì)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(duì)溫度的反應(yīng)不同 處于延遲期的細(xì)菌對(duì)溫度的影響十分敏感。對(duì)于對(duì)數(shù)生長期的細(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第八十二頁，共一百七十五頁。(1) 糖比消耗速率qs Righela

25、to假定：m維持因子，即生長速率為零時(shí)的葡萄糖的消耗。m項(xiàng)與滲透壓調(diào)節(jié)、代謝產(chǎn)物的生成、遷移性及除繁殖以外的其它生物轉(zhuǎn)化等過程所需的能量有關(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 /jpkc第八十三頁，共一百七十五頁。（2）T對(duì)B、m和的影響 qs一定：當(dāng)TTm時(shí)， m ， , B 底物轉(zhuǎn)化效率低當(dāng)T=Tm時(shí)，/jpkcT(K)m溫度對(duì)B、m和不同qs下對(duì)值的影響第八十四頁，共一百七十五頁。4. 溫度對(duì)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

26、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(duì)溫度較敏感/jpkc第八十五頁，共一百七十五頁。改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間接影響菌的生物合成 。影響生物合成方向。 e.g. 四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌：T5.0：酵母形態(tài)變小，發(fā)酵液變黑，且污染大量細(xì)菌 pH0.5% 低pH6.8控制加糖 7% ， OTR逐漸至OTR=，即 ，高位平衡 當(dāng)處于高位平衡時(shí)，表明供氧性能好。高位平衡通常發(fā)生在正常情況的前、后期。/jpkc第一百零七頁，共一百七十五頁。平衡點(diǎn)分析：當(dāng)CL（如對(duì)數(shù)生長期很大）， ，OTRCm, 卷須霉素

27、: 而有些菌株 Ccr CCr，生產(chǎn)階段滿足CLCm。 /jpkc第一百一十三頁，共一百七十五頁。（1）發(fā)酵異常指標(biāo)發(fā)酵中污染雜菌，溶解氧發(fā)生異常變化。對(duì)于好氣性雜菌，溶解氧會(huì)一反往常在較短時(shí)間內(nèi)跌到零附近，跌零后長時(shí)間不回升。對(duì)于厭氣性雜菌，溶解氧升高。污染噬菌體或其它不明原因引起 發(fā)酵液變稀，此時(shí)溶解氧迅速上升。 操作故障或事故分析 谷氨酸正常發(fā)酵和異常發(fā)酵的溶解氧曲線正常發(fā)酵溶解氧曲線-異常發(fā)酵溶解氧曲線異常發(fā)酵光密度曲線/jpkc第一百一十四頁，共一百七十五頁。（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(shí)溶解氧很快下降。 /jpkc第一百

28、一十五頁，共一百七十五頁。（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(shí)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第一百一十六頁，共一百七十五頁。（4）設(shè)備性能、工藝合理性指標(biāo)評(píng)價(jià)設(shè)備性能、工藝合理性的最終指標(biāo)：發(fā)酵單位 設(shè)備反映供氧性能： 攪拌槳形式 葉片形式 攪拌器直徑d 攪拌檔數(shù)m和攪拌器間距s 檔板寬度w和檔板數(shù)z 通氣：空氣分布器的類型和位置 n，P/V 設(shè)備操作參數(shù) 罐壓 WS或VVM攪拌設(shè)備幾何參數(shù)/jpkc第一百一十七頁，共一百七十五頁

29、。（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第一百一十八頁，共一百七十五頁。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(duì)現(xiàn)有發(fā)酵工廠進(jìn)行技術(shù)改造 淺層次 修改設(shè)備和工藝 規(guī)模和控制水平上檔次 引入新型發(fā)酵類型 深層次 第一百一十九頁，共一百七十五頁。 工藝的改進(jìn)是否有效可通過溶解氧水平進(jìn)行評(píng)價(jià)： P/V的改變對(duì)溶解氧和產(chǎn)量的影響 e.g.利福霉素發(fā)酵：5080h波谷階段，P/V，KLa，供氧；3W/L比1 W/L批號(hào)的發(fā)酵

30、單位增加約900u/ml 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)n 對(duì)溶解氧和產(chǎn)量的影響e.g.赤霉素發(fā)酵：15 50h期間，n從155 提高至180r/min， 赤霉素單位/jpkc第一百二十頁，共一百七十五頁。（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(duì)菌體代謝有不可逆的抑制作用/jpkc第一百二十一頁，共一百七十五頁。（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 CL 糖量 QO2 CL 補(bǔ)糖使CL下降，而CL回升的快慢取決于供氧效率。對(duì)于一個(gè)具體的發(fā)酵，存在一個(gè)最適氧濃度（Cm）水平，補(bǔ)糖速率應(yīng)與其相適應(yīng)。 ，加大補(bǔ)糖速率 ，減小補(bǔ)糖

31、速率實(shí)現(xiàn)用溶解氧水平控制補(bǔ)料速率 /jpkc第一百二十二頁，共一百七十五頁。 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(jì)時(shí)的KLa水平所能提供的最大供氧速率。 控制原則（2）溶氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一 /jpkc第一百二十三頁，共一百七十五頁?？刂品椒?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第一百二十四頁，共一百七十五頁。溶氧在加糖控制上的應(yīng)用/jpkc第一百二十五頁，共一百七十五頁。溶氧與pH協(xié)同控制系統(tǒng)/jpkc第一百二十六頁，共一百七十五頁。（3

32、）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(shí)會(huì)增加CO2的溶解度，影響pH及可能會(huì)影響菌的代謝，另外還會(huì)增加對(duì)設(shè)備的強(qiáng)度要求。 /jpkc第一百二十七頁，共一百七十五頁。改變發(fā)酵液理化性質(zhì)（， ，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(dòng)力（C*CL）/jpkc（3）溶解氧控制的工藝方法（續(xù)） 供氧方面：第一百二十八頁，共一百七十五頁。（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

33、制（補(bǔ)料控制）：在OTR一定情況下，控制基質(zhì)濃度限制、x 限制 控制溶解氧/jpkc第一百二十九頁，共一百七十五頁。（4）溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)改變通氣速率的溶氧控制系統(tǒng) 改變攪拌轉(zhuǎn)速的溶氧控制系統(tǒng)改變通氣量、轉(zhuǎn)速、罐壓所組成的多參數(shù)溶氧控制系統(tǒng)/jpkc第一百三十頁，共一百七十五頁。溶解氧對(duì)被孢霉合成花生四烯酸 (AA) 的影響 溶氧量對(duì)AA產(chǎn)量的影響注：搖床轉(zhuǎn)速150r/min, 25 KLa越大，培養(yǎng)基中溶解氧越多, AA合成速度越快/jpkc第一百三十一頁，共一百七十五頁。溶解氧控制對(duì)鳥苷產(chǎn)量的影響不同的DO控制條件下鳥苷積累的比較DO()：5，l0，20，30發(fā)酵過程 DO 變化與鳥苷

34、積累的關(guān)系/jpkcDO 控制在1020，產(chǎn)物積累，鳥苷含量最高。DO在5和30，前期產(chǎn)物積累，但后期基本不增加.DO水平的超高階段(發(fā)酵周期28h44h)，鳥苷積累量基本不增加；調(diào)整DO 在適當(dāng)水平上，鳥苷積累量繼續(xù)上升。 第一百三十二頁，共一百七十五頁。（六）CO2和呼吸商對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1. 定義 2. 發(fā)酵過程中CO2釋放率的變化3. CO2對(duì)發(fā)酵的影響 /jpkc第一百三十三頁，共一百七十五頁。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/Lh 菌體CO2釋放率CER，molCO2/Lh/j

35、pkc第一百三十四頁，共一百七十五頁。（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第一百三十五頁，共一百七十五頁。（2）CER變化規(guī)律 CO2積累量漸增，與x曲線對(duì)應(yīng)，基本類似S型曲線變化；當(dāng)工藝和設(shè)備參數(shù)一定的情況下，CER與x有比例關(guān)系（CER菌體生長速率）；CO2濃度變化與O2濃度變化成反向同步關(guān)系。/jpkc第一百三十六頁，共一百七十五頁。/jpkcCERdt，菌體干重的時(shí)間曲線1- CERdt；2-菌量第一百三十七頁，共一百七十五頁。（3）CER的測量與計(jì)算 測量方法：熱導(dǎo)、紅外分析儀、質(zhì)譜儀計(jì)算 /jpkc第一百三十八頁，共一百七十五頁

36、。（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(duì)發(fā)酵多表現(xiàn)為抑制作用，應(yīng)實(shí)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第一百三十九頁，共一百七十五頁。（2）CO2對(duì)細(xì)胞的作用機(jī)制“麻醉”作用 CO2及HCO3-都會(huì)影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，使膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生變化，導(dǎo)致許多基質(zhì)的跨膜運(yùn)輸受阻，影響了細(xì)胞膜的運(yùn)輸效率，使細(xì)胞處于“麻醉”狀態(tài)，細(xì)胞生長受到抑制，形態(tài)發(fā)生改變。 /jpkc第一百四十頁，共一百七十五頁。（3）CO2對(duì)菌體生

37、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(dú)立性: 只要CO2在培養(yǎng)液中濃度過量，即使供氧充足（CLCCr），CO2的抑制作用不能解除，這種負(fù)作用在放大過程更明顯。正確評(píng)價(jià)通氣的作用：供氧：排廢氣：水分及揮發(fā)性組分的散失 /jpkc第一百四十一頁，共一百七十五頁。（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(shí)pH下降。 糖、CO2、pH三者的相關(guān)性，被青霉素工業(yè)生產(chǎn)上用于補(bǔ)料控制的參數(shù)，并認(rèn)為排氣CO2的變化比pH變化更為敏感，所以測定排氣CO2釋放率 （CER）來控制補(bǔ)糖速率。

38、 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(duì)排氣CO2和pH的影響第一百四十二頁，共一百七十五頁。（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第一百四十三頁，共一百七十五頁。青霉素發(fā)酵不同階段： 菌體生長階段：RQ0.909 維持階段：RQ=1 生產(chǎn)階段：RQ=4如果產(chǎn)物的還原性比基質(zhì)大時(shí)，其RQ值就增加；反之，當(dāng)產(chǎn)物的氧化性比基質(zhì)大時(shí)，RQ值就要減少，其偏離程度決定于單位菌體利用基質(zhì)

39、形成產(chǎn)物的量。 /jpkc產(chǎn)物形成對(duì)RQ影響最大第一百四十四頁，共一百七十五頁。（七）基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵過程的影響及補(bǔ)料控制1. 基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響 2. 補(bǔ)料控制/jpkc第一百四十五頁，共一百七十五頁。（1） 基質(zhì)濃度對(duì)微生物生長的影響sKS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(shí) /jpkc第一百四十六頁，共一百七十五頁。/jpkc第一百四十七頁，共一百七十五頁。(2) 基質(zhì)濃度對(duì)產(chǎn)物合成的影響低濃度限制低水平誘導(dǎo)高濃度抑制及分解阻遏作用e.g.葡萄糖氧化酶發(fā)酵：葡萄糖用量從8%降至6%，補(bǔ)入2%氨基乙酸或甘油，使酶活力分別提高26%或6.7%。

40、谷氨酸發(fā)酵（乙醇為碳源）：當(dāng)乙醇濃度為2.5g/L和35g/L時(shí)，可延長谷氨酸生產(chǎn)時(shí)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第一百四十八頁，共一百七十五頁。（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(gè)重要手段。/jpkc第一百四十九頁，共一百七十五頁。/jpkc（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)劑等第一百五十頁，共一百七十五頁。（3）補(bǔ)料的原則中間補(bǔ)料的數(shù)量為基礎(chǔ)料的13倍

41、。補(bǔ)料的原則就在于控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展?，F(xiàn)有的各種補(bǔ)料措施都是通過實(shí)驗(yàn)方法確定的。 /jpkc第一百五十一頁，共一百七十五頁。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(yàn)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(jì)算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加。（4）補(bǔ)料控制的策略第一百五十二頁，共一百七十五頁。（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

42、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。/jpkc第一百五十三頁，共一百七十五頁。/jpkcK=1.51K=1.75K=2.16谷氨酸發(fā)酵中K值對(duì)糖濃度的控制的影響第一百五十四頁，共一百七十五頁。（6）補(bǔ)料速率的確定優(yōu)化補(bǔ)料速率是補(bǔ)料控制中十分重要的一環(huán)，補(bǔ)料速率要根據(jù)微生物對(duì)營養(yǎng)等的消耗速率及所設(shè)定的培養(yǎng)液中最低維持濃度而定。補(bǔ)糖速率最佳點(diǎn)與設(shè)備的供氧能力有關(guān)。 e.g.青霉素發(fā)酵：KLa大的設(shè)備補(bǔ)料速率相應(yīng)大些；供氧低的設(shè)備，補(bǔ)料速率相應(yīng)減少，產(chǎn)量比供氧能力好的設(shè)備降低23。/jpkc第一百五十五頁，共一

43、百七十五頁。（7）實(shí)例：四環(huán)素發(fā)酵中的補(bǔ)糖控制補(bǔ)糖時(shí)間對(duì)四環(huán)素發(fā)酵單位的影響補(bǔ)糖時(shí)間適當(dāng) （ 45h后加）補(bǔ)糖時(shí)間過晚 （62h開始加） 補(bǔ)糖時(shí)間過早 （20h后加）/jpkc第一百五十六頁，共一百七十五頁。 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第一百五十七頁，共一百七十五頁。補(bǔ)糖對(duì)四環(huán)素發(fā)酵的影響 在最適補(bǔ)加葡萄糖的條件下，能正確控制菌絲量的增加、糖的消耗與發(fā)酵單位增長三者之間的關(guān)系，就可獲得比采用豐富培養(yǎng)基時(shí)更長的生物合成期。 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/jpkc第一百五十八頁，共一百七十五頁。（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

44、策略3.高密度發(fā)酵技術(shù)4.高密度發(fā)酵存在的問題/jpkc第一百五十九頁，共一百七十五頁。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(shí)細(xì)胞或菌體的生產(chǎn)能力保持在較佳的狀態(tài)。 /jpkc第一百六十頁，共一百七十五頁。高細(xì)胞密度發(fā)酵成功的實(shí)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(shí)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140150304090100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10050120120150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2108050150/jpkc第一百六十一頁，共一百七十五頁。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(jì)和計(jì)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(duì)氧的需求和產(chǎn)熱速率。 可用碳源作為限制性養(yǎng)分，且采用補(bǔ)料分批發(fā)酵來實(shí)現(xiàn)高密度發(fā)酵。 /jpkc第一百六十二頁，共一百七十五頁。3.高密度