發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn) 課件

第六章發(fā)酵工藝過程控制微生物與發(fā)酵工藝第六章發(fā)酵工藝過程控制微生物與發(fā)酵工藝1第六章發(fā)酵工藝過程控制

第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變化與控制參數(shù)

第二節(jié)溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制

第三節(jié)pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制第六章發(fā)酵工藝過程控制

第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變2第六章發(fā)酵工藝過程控制

第四節(jié)溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制

第五節(jié)菌體濃度與基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響及其控制

第六節(jié)CO2和呼吸商

第六章發(fā)酵工藝過程控制

第四節(jié)溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響3第六章發(fā)酵工藝過程控制

第七節(jié)補(bǔ)料的控制

第八節(jié)泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制

第九節(jié)發(fā)酵終點(diǎn)的判斷

第十節(jié)發(fā)酵過程檢測與自控第六章發(fā)酵工藝過程控制

第七節(jié)補(bǔ)料的控制

第八節(jié)4第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變化與控制參數(shù)微生物發(fā)酵有三種方式即分批發(fā)酵(batchfermentation)、補(bǔ)料分批發(fā)酵(fed-batchfermentation)和連續(xù)發(fā)酵(continuousfermentation)。工業(yè)上為了防止出現(xiàn)菌種衰退和雜菌污染等實(shí)際問題，大都采用分批發(fā)酵或補(bǔ)料分批發(fā)酵這兩種方式。第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變化與控制參數(shù)微生物發(fā)酵有三種方式5一、初級(jí)代謝的代謝變化生長過程仍顯示停滯期（1、2）、對(duì)數(shù)期（3、4）、穩(wěn)定期（5）和衰亡期（6）等生長史的特征。一、初級(jí)代謝的代謝變化6工業(yè)發(fā)酵中往往要接入處于對(duì)數(shù)期(特別是中期)的菌體，以盡量縮短停滯期。工業(yè)發(fā)酵中往往要接入處于對(duì)數(shù)期(特別是中期)的菌體，以盡量縮7二、次級(jí)代謝的代謝變化次級(jí)代謝產(chǎn)物的發(fā)酵屬于菌體的生長與產(chǎn)物非偶聯(lián)的類型，菌體生長繁殖階段(又稱生長期)與產(chǎn)物生成階段(又稱生產(chǎn)期)是分開的。UAA—可利用的氨基酸二、次級(jí)代謝的代謝變化UAA—可利用的氨基酸8⒈菌體生長階段菌體DNA含量達(dá)到定值，即不進(jìn)行繁殖，細(xì)胞數(shù)量恒定，但多元醇、脂類等細(xì)胞內(nèi)含物仍在積累，使菌體干重增加，此時(shí)開始合成產(chǎn)物，此刻的菌體濃度稱為臨界濃度。這個(gè)階段一般又稱為菌體生長期或發(fā)酵前期，也有人稱為平衡期⒉產(chǎn)物生成階段這階段一般稱為產(chǎn)物生產(chǎn)期或發(fā)酵中期。⒈菌體生長階段9⒊菌體自溶階段這個(gè)階段一般稱為菌體自溶期或發(fā)酵后期。根據(jù)發(fā)酵過程中的參數(shù)變化繪制出的次級(jí)代謝的代謝曲線，可清楚地說明過程中的代謝變化，并反映出碳源、氮源的利用和pH值、菌體濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)之間的相互關(guān)系。分析研究代謝曲線，還有利于掌握發(fā)酵代謝變化的規(guī)律和發(fā)現(xiàn)工藝控制中存在的問題，有助于改進(jìn)工藝，提高產(chǎn)物的產(chǎn)量。⒊菌體自溶階段10發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn)課件11三、發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)

⑴pH值(酸堿度)⑽濁度（OD值）⑵溫度(℃)(11)料液流量⑶溶氧濃度（DO值，簡稱溶氧）⑷基質(zhì)含量(12)產(chǎn)物的濃度⑸空氣流量(13)氧化還原電位⑹壓力(14)廢氣中的氧含量⑺攪拌轉(zhuǎn)速(15)廢氣中的CO2含量⑻攪拌功率(16)菌絲形態(tài)⑼黏度(17)菌體濃度（簡稱菌濃）三、發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)12小型發(fā)酵罐小型發(fā)酵罐13第二節(jié)溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響溫度會(huì)影響各種酶反應(yīng)的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機(jī)制，影響發(fā)酵液的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響常用溫度系數(shù)（Q10）（溫度每升高10℃，化學(xué)反應(yīng)速度所增加的倍數(shù)）來表示。第二節(jié)溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響14發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解吸收速率等，都受溫度變化的影響，進(jìn)而影響發(fā)酵動(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)15二、影響發(fā)酵溫度變化的因素產(chǎn)熱的因素有生物熱(Q生物)和攪拌熱(Q攪拌)；散熱因素有蒸發(fā)熱(Q蒸發(fā))、輻射熱(Q輻射)和顯熱(Q顯)。產(chǎn)生的熱能減去散失的熱能，所得的凈熱量就是發(fā)酵熱[Q發(fā)酵，kJ／(m3·h)]，即Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射。這就是發(fā)酵溫度變化的主要因素。⒈生物熱(Q生物)；⒉攪拌熱(Q攪拌)；⒊蒸發(fā)熱(Q蒸發(fā))；⒋輻射熱(Q輻射)二、影響發(fā)酵溫度變化的因素16三、溫度的控制⒈最適溫度的選擇最適生長溫度與最適生產(chǎn)溫度往往是不一致的，可采用變溫發(fā)酵。⒉溫度的控制三、溫度的控制17通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐18通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐19第三節(jié)pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、pH值對(duì)發(fā)酵的影響①影響酶的活性，當(dāng)pH值抑制菌體中某些酶的活性時(shí)，會(huì)阻礙菌體的新陳代謝；②影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的排泄；③影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進(jìn)而微生物對(duì)這些成分的吸收；④pH值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。第三節(jié)pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、pH值對(duì)發(fā)酵的影響20發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn)課件21二、發(fā)酵過程pH值的變化三、發(fā)酵pH值的確定和控制⒈發(fā)酵pH值的確定同一菌種，生長最適pH值可能與產(chǎn)物合成的最適pH值是不一樣的。同一產(chǎn)物的最適pH值，還與所用的菌種、培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件有關(guān)。二、發(fā)酵過程pH值的變化22⒉pH值的控制在各種類型的發(fā)酵過程中，實(shí)驗(yàn)所得的最適pH值、菌體的比生長速率(μ)和產(chǎn)物比生成速率(Qp)等3個(gè)參數(shù)的相互關(guān)系有四種情況

⒉pH值的控制23①第一種情況是μ和Qp的最適pH值都在一個(gè)相似的較寬的適宜范圍內(nèi)(a)，這種發(fā)酵過程易于控制；②第二種情況是Qp(或μ)的最適pH值范圍很窄，而μ(或Qp)的范圍較寬(b)；③第三種情況是μ和Qp對(duì)pH值都很敏感，它們的最適pH值又是相同的(c)，第二、第三種情況的發(fā)酵pH值應(yīng)嚴(yán)格控制；④第四種情況更復(fù)雜，μ和Qp有各自的最適pH值(d)，應(yīng)分別嚴(yán)格控制各自的最適pH值，才能優(yōu)化發(fā)酵過程。①第一種情況是μ和Qp的最適pH值都在一個(gè)相似的較寬的適宜24補(bǔ)料方法，既可以達(dá)到穩(wěn)定pH值的目的，又可以不斷補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)，特別是能產(chǎn)生阻遏作用的物質(zhì)。少量多次補(bǔ)加還可解除對(duì)產(chǎn)物合成的阻遏作用，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。最成功的例子就是青霉素的補(bǔ)料工藝，利用控制葡萄糖的補(bǔ)加速率來控制pH值的變化范圍(現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化)，其青霉素產(chǎn)量比用恒定的加糖速率和加酸或堿來控制pH值的產(chǎn)量高25％。補(bǔ)料方法，既可以達(dá)到穩(wěn)定pH值的目的，又可以不斷補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)25第四節(jié)溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響影響耗氧的因素有以下幾方面：⑴培養(yǎng)基的成分和菌濃顯著影響耗氧⑵菌齡影響耗氧⑶發(fā)酵條件影響耗氧滿足微生物呼吸的最低氧濃度叫臨界溶氧濃度(criticalvalueofdissolvedoxygenconcentration)，用c臨界表示第四節(jié)溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響26發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn)課件27初級(jí)代謝的氨基酸發(fā)酵，需氧量的大小與氨基酸的合成途徑密切相關(guān)。根據(jù)發(fā)酵需氧要求不同可分為三類

初級(jí)代謝的氨基酸發(fā)酵，需氧量的大小與氨基酸的合成途徑密切相關(guān)28第一類有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它們在菌體呼吸充足的條件下，產(chǎn)量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就會(huì)受到強(qiáng)烈的抑制，大量積累乳酸和琥珀酸；第二類，包括異亮氨酸、賴氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高產(chǎn)量，但供氧受限，產(chǎn)量受影響并不明顯；第三類，有亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸，僅在供氧受限、細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才能獲得最大量的氨基酸，如果供氧充足，產(chǎn)物形成反而受到抑制。第一類有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它29第一類氨基酸是經(jīng)過乙醛酸循環(huán)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)兩個(gè)途徑形成的，產(chǎn)生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量為最多，供氧愈多，合成氨基酸當(dāng)然亦愈順利。第二類的合成途徑是產(chǎn)生NADH的乙醛酸循環(huán)或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)，產(chǎn)生的NADH量不多，因而與供氧量關(guān)系不明顯。第三類，如苯丙氨酸的合成，并不經(jīng)過TCA循環(huán)，NADH產(chǎn)量很少，過量供氧，反而起到抑制作用。由此可知，供氧大小是與產(chǎn)物的生物合成途徑有關(guān)。第一類氨基酸是經(jīng)過乙醛酸循環(huán)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)兩個(gè)途30二、供氧與微生物呼吸代謝的關(guān)系微生物的吸氧量常用呼吸強(qiáng)度和耗氧速率兩種方法來表示。呼吸強(qiáng)度又稱氧比消耗速率，是指單位質(zhì)量的干菌體在單位時(shí)間內(nèi)所吸取的氧量，以QO2表示，單位為mmolO2／(g干菌體·h)。耗氧速率又稱攝氧率，是指單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的吸氧量，以r表示，單位為mmolO2／(L·h)。二、供氧與微生物呼吸代謝的關(guān)系31

式中

r——微生物的耗氧速率，mmolO2／(L·h)；

——菌體的呼吸強(qiáng)度，mmolO2／(g干菌體·h)；c(X)——發(fā)酵液中菌體的濃度，g干菌體／L。式中32三、發(fā)酵過程溶氧的變化

谷氨酸發(fā)酵時(shí)正常和異常的溶氧曲線紅霉素發(fā)酵過程中溶氧和黏度的曲線三、發(fā)酵過程溶氧的變化谷氨酸發(fā)酵時(shí)正常和異常的溶氧曲線33引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因：①污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在較短時(shí)間內(nèi)下降到零附近，如果雜菌本身耗氧能力不強(qiáng)，溶氧變化就可能不明顯；②菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧要求增加，使溶氧下降；③某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，也可能引起溶氧下降，如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因：34四、溶氧濃度控制㈠氧的傳遞方程式液相體積氧傳遞系數(shù)KLα代表氧由氣相至液相傳遞的難易程度，它與發(fā)酵過程控制、放大和反應(yīng)器設(shè)計(jì)密切相關(guān)。當(dāng)發(fā)酵液中溶氧濃度保持穩(wěn)定，即發(fā)酵過程中的氧傳遞量與氧消耗量達(dá)到平衡時(shí)，KLα可由下式確定：當(dāng)微生物的耗氧速率r不變，同時(shí)液相飽和溶氧濃度c*不變，KLα愈大，液相實(shí)際溶氧濃度cL愈高，故可用KLα的變化來衡量發(fā)酵罐的通氣效率。四、溶氧濃度控制35式中OTR——氧由氣相向液相的傳遞速率(傳氧速率，oxygentakerate)，mmolO2／(L·h)；KLα——液相體積氧傳遞系數(shù)，1／h；c*——液相飽和溶氧濃度，mmolO2／L；cL——液相實(shí)際溶氧濃度，mmolO2／L；OUR——菌的耗氧速率(攝氧速率，oxygenuptakerate)，mmolO2／(L·h)。式中36㈡溶氧濃度控制在供氧方面，主要是設(shè)法提高氧傳遞的推動(dòng)力和液相體積氧傳遞系數(shù)KLα值。發(fā)酵液的需氧量，受菌濃、基質(zhì)的種類和濃度以及培養(yǎng)條件等因素的影響，其中以菌濃的影響最為明顯。臨界比生長速率，以μ臨表示最適菌濃，即c(X)臨㈡溶氧濃度控制37第五節(jié)菌體濃度與基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制

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產(chǎn)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。第五節(jié)菌體濃度與基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、菌體濃度對(duì)發(fā)酵38影響菌體生長的環(huán)境條件有溫度、pH值、滲透壓和水分活度等因素。按照Monod方程式來看，生長速率取決于基質(zhì)的濃度，當(dāng)基質(zhì)濃度c(S)>10Ks時(shí)，比生長速率就接近最大值。對(duì)抗生素這類次級(jí)代謝產(chǎn)物來說，控制菌體的比生長速率μ比μ臨略高一點(diǎn)的水平，達(dá)到最適菌濃[即c(X)臨]，菌體的生產(chǎn)率最高。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。影響菌體生長的環(huán)境條件有溫度、pH值、滲透壓和水分活度等因素39為了獲得最高的生產(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。為了獲得最高的生產(chǎn)率，需要采用攝氧速率OUR與傳氧速率OTR40二、基質(zhì)對(duì)發(fā)酵影響及其控制⒈碳源對(duì)發(fā)酵的影響及其控制按菌體利用快慢而言，分為迅速利用的碳源和緩慢利用的碳源。前者(如葡萄糖)能較迅速地參與代謝、合成菌體和產(chǎn)生能量，并產(chǎn)生分解代謝產(chǎn)物，因此有利于菌體生長，但有的分解代謝產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)物的合成可能產(chǎn)生阻遏作用；后者(如乳糖)為菌體緩慢利用，有利于延長代謝產(chǎn)物的合成，特別有利于延長抗生素的生產(chǎn)期，也為許多微生物藥物的發(fā)酵所采用。二、基質(zhì)對(duì)發(fā)酵影響及其控制41選擇最適碳源對(duì)提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量是很重要的糖對(duì)青霉素生物合成的影響試驗(yàn)選擇最適碳源對(duì)提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量是很重要的糖對(duì)青霉素生物合成42⒉氮源對(duì)發(fā)酵的影響及其控制氮源有無機(jī)氮源和有機(jī)氮源兩類如谷氨酸發(fā)酵，當(dāng)NH4+供應(yīng)不足時(shí)，就促使形成α-酮戊二酸；過量的NH4+，反而促使谷氨酸轉(zhuǎn)變成谷氨酰胺發(fā)酵培養(yǎng)基一般是選用含有快速利用和慢速利用的混合氮源。如氨基酸發(fā)酵用銨鹽(硫酸銨或醋酸銨)和麩皮水解液、玉米漿⒉氮源對(duì)發(fā)酵的影響及其控制43

⑴補(bǔ)加有機(jī)氮源根據(jù)產(chǎn)生菌的代謝情況，可在發(fā)酵過程中添加某些具有調(diào)節(jié)生長代謝作用的有機(jī)氮源，如酵母粉、玉米漿、尿素等⑴補(bǔ)加有機(jī)氮源44⑵補(bǔ)加無機(jī)氮源補(bǔ)加氨水或硫酸銨是工業(yè)上的常用方法。氨水既可作為無機(jī)氮源，又可調(diào)節(jié)pH值。在抗生素發(fā)酵工業(yè)中，通氨是提高發(fā)酵產(chǎn)量的有效措施。當(dāng)pH值偏高而又需補(bǔ)氮時(shí)，就可補(bǔ)加生理酸性物質(zhì)的硫酸銨，以達(dá)到提高氮含量和調(diào)節(jié)pH值的雙重目的⑵補(bǔ)加無機(jī)氮源45⒊磷酸鹽對(duì)發(fā)酵的影響及其控制磷是微生物菌體生長繁殖所必需的成分，也是合成代謝產(chǎn)物所必需的磷酸鹽濃度的控制，對(duì)于初級(jí)代謝來說，要求不如次級(jí)代謝那么嚴(yán)格。對(duì)抗生素發(fā)酵來說，常常是采用生長亞適量(對(duì)菌體生長不是最適合但又不影響生長的量)的磷酸鹽濃度其最適濃度取決于菌種特性、培養(yǎng)條件、培養(yǎng)基組成和來源等因素其他培養(yǎng)基成分影響發(fā)酵，如Cu2+，Mn2+⒊磷酸鹽對(duì)發(fā)酵的影響及其控制46第六節(jié)CO2和呼吸商一、CO2對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成的影響CO2對(duì)菌體的生長有直接作用，引起碳水化合物的代謝及微生物的呼吸速率下降CO2會(huì)影響產(chǎn)黃青霉菌(penicilliumchrysogenum)的形態(tài)CO2對(duì)細(xì)胞作用機(jī)制第六節(jié)CO2和呼吸商一、CO2對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成的影響47二、CO2的釋放率連續(xù)測得排氣氧和CO2濃度，可計(jì)算出整個(gè)發(fā)酵過程中CO2的釋放率(Carbondioxidereleaseratio，簡稱CRR)。式中——二氧化碳比釋放率，mmolCO2／(g干菌體·h)；

c(X)——發(fā)酵液中菌體的濃度，g干菌體／L。二、CO2的釋放率48三、呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系耗氧速率OUR可通過熱磁氧分析儀或質(zhì)譜儀測量進(jìn)氣和排氣中的氧含量計(jì)算而得，并最終計(jì)算出呼吸商RQRQ可以反映菌的代謝情況，酵母發(fā)酵，RQ=1，糖有氧代謝，僅生成菌體，無產(chǎn)物形成；RQ>1.1，糖經(jīng)EMP生成乙醇RQ是碳-能源代謝情況的指示值三、呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系49四、CO2濃度的控制CO2的大小受到許多因素的影響，如菌體的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液流變學(xué)特性、通氣攪拌程度和外界壓力大小等因素CO2濃度的控制應(yīng)隨它對(duì)發(fā)酵的影響而定CO2的產(chǎn)生與補(bǔ)料工藝控制密切相關(guān)補(bǔ)糖、CO2、pH值三者具有相關(guān)性，被用于青霉素補(bǔ)料工藝的控制參數(shù)采用測定CRR作為控制補(bǔ)糖速率參數(shù)四、CO2濃度的控制50第七節(jié)補(bǔ)料的控制補(bǔ)料分批發(fā)酵(fed-batchculture，簡稱FBC)，又稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加一種或多種成分的新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，是分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種過渡培養(yǎng)方式，是一種控制發(fā)酵的好方法，現(xiàn)已廣泛用于發(fā)酵工業(yè)。第七節(jié)補(bǔ)料的控制補(bǔ)料分批發(fā)酵(fed-batchcult51同傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，F(xiàn)BC具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①可以解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻遏；②可以避免在分批發(fā)酵中因一次投料過多造成細(xì)胞大量生長所引起的一切影響，改善發(fā)酵液流變學(xué)的性質(zhì)；③可用作為控制細(xì)胞質(zhì)量的手段，以提高發(fā)芽孢子的比例；④可作為理論研究的手段，為自動(dòng)控制和最優(yōu)控制提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。同連續(xù)發(fā)酵相比，F(xiàn)BC不需要嚴(yán)格的無菌條件，產(chǎn)生菌也不會(huì)產(chǎn)生老化和變異等問題，適用范圍也比連續(xù)發(fā)酵廣泛。同傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，F(xiàn)BC具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①可以解除底物52實(shí)驗(yàn)室連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)示意圖(a)恒化培養(yǎng)系統(tǒng)(b)恒濁培養(yǎng)系統(tǒng)1容器2控制閥3培養(yǎng)室4排出管5光源6光電池7流出液

實(shí)驗(yàn)室連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)示意圖53發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn)課件54一、FBC的作用⒈可以控制抑制性底物的濃度如苯乙酸、丙醇(或丙酸)分別是青霉素、紅霉素的前體物質(zhì)，濃度過大，就會(huì)產(chǎn)生毒性，使抗生素產(chǎn)量減少⒉可以解除或減弱分解代謝物的阻遏如緩慢流加葡萄糖，纖維素酶的產(chǎn)量幾乎增加200倍⒊可以使發(fā)酵過程最佳化一、FBC的作用55二、補(bǔ)料的方式及控制

補(bǔ)料方式有很多種情況，有連續(xù)流加、不連續(xù)流加或多周期流加。每次流加又可分為快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加和變速流加。從補(bǔ)加培養(yǎng)基的成分來分，又可分為單組分補(bǔ)料和多組分補(bǔ)料。流加操作控制系統(tǒng)又分為有反饋控制和無反饋控制兩類。反饋控制系統(tǒng)是由傳感器、控制器和驅(qū)動(dòng)器三個(gè)單元所組成。根據(jù)控制依據(jù)的指標(biāo)不同，又分為直接方法和間接方法。

二、補(bǔ)料的方式及控制 56第八節(jié)泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、泡沫的形成及其對(duì)發(fā)酵的影響形成的泡沫有兩種類型：一種是發(fā)酵液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如發(fā)酵前期的泡沫；另一種是發(fā)酵液中的泡沫，又稱流態(tài)泡沫(fluidfoam)，分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，與液體之間無明顯的界限第八節(jié)泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、泡沫的形成及其對(duì)發(fā)酵的影57泡沫的多少一方面與發(fā)酵罐攪拌、通風(fēng)有關(guān)；另一方面，與培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)。發(fā)酵時(shí)起泡的方式被認(rèn)為有五種：①整個(gè)發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平；②發(fā)酵早期，起泡后穩(wěn)定地下降，以后保持恒定；③發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升；④發(fā)酵開始起泡能力低，以后上升；⑤以上類型的綜合方式。泡沫的多少一方面與發(fā)酵罐攪拌、通風(fēng)有關(guān)；58二、泡沫的消除①調(diào)整培養(yǎng)基中的成分(如少加或緩加易起泡的原材料)或改變某些物理化學(xué)參數(shù)(如pH值、溫度、通氣和攪拌)或者改變發(fā)酵工藝(如采用分次投料)來控制，以減少泡沫形成的機(jī)會(huì)②采用機(jī)械消泡或消泡劑消泡這兩種方法來消除已形成的泡沫③還可以采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的菌種，來消除起泡的內(nèi)在因素二、泡沫的消除59對(duì)于已形成的泡沫，工業(yè)上可以采用機(jī)械消泡和化學(xué)消泡劑消泡或兩者同時(shí)使用消泡。

對(duì)于已形成的泡沫，工業(yè)上可以采用機(jī)械消泡和化學(xué)消泡劑消泡或兩60⒈機(jī)械消泡這是一種物理消泡的方法，利用機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)或壓力變化而使泡沫破裂⒈機(jī)械消泡61⒉消泡劑消泡這是利用外界加入消泡劑，使泡沫破裂的方法。理想的消泡劑，應(yīng)具備下列條件：①應(yīng)該在氣-液界面上具有足夠大的鋪展系數(shù)，才能迅速發(fā)揮消泡作用；②應(yīng)該在低濃度時(shí)具有消泡活性；③應(yīng)該具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；④應(yīng)該對(duì)微生物、人類和動(dòng)物無毒性；⑤應(yīng)該對(duì)產(chǎn)物的提取不產(chǎn)生任何影響；⑥不會(huì)在使用、運(yùn)輸中引起任何危害；⑦來源方便，成本低；⑧應(yīng)該對(duì)氧傳遞不產(chǎn)生影響；⑨能耐高溫滅菌。⒉消泡劑消泡62常用的消泡劑主要有天然油脂類，高碳醇、脂肪酸和酯類，聚醚類及硅酮類等4大類聚醚類消泡劑：聚氧丙烯甘油(簡稱GP型)；聚氧乙烯氧丙烯甘油(簡稱GPE型)，又稱泡敵常用的消泡劑主要有天然油脂類，高碳醇、脂肪酸和酯類，聚醚類及63發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn)課件64第九節(jié)發(fā)酵終點(diǎn)的判斷生產(chǎn)能力（或稱生產(chǎn)率、產(chǎn)率）是指單位時(shí)間內(nèi)單位罐體積發(fā)酵液的產(chǎn)物積累量而言。

式中，生產(chǎn)率單位一般為g／(L·h)或kg／(m3·h)，產(chǎn)物濃度單位為g／L或kg／m3，發(fā)酵時(shí)間單位為h。第九節(jié)發(fā)酵終點(diǎn)的判斷生產(chǎn)能力（或稱生產(chǎn)率、產(chǎn)率）是指單位時(shí)65生產(chǎn)過程不能只單純追求高生產(chǎn)率，而不顧及產(chǎn)品的成本，必須把二者結(jié)合起來，既要有高產(chǎn)量，又要降低成本。要確定一個(gè)合理的放罐時(shí)間，需要考慮下列幾個(gè)因素：一、經(jīng)濟(jì)因素二、產(chǎn)品質(zhì)量因素三、特殊因素另外，放罐時(shí)間對(duì)下游工序有很大影響生產(chǎn)過程不能只單純追求高生產(chǎn)率，而不顧及產(chǎn)品的成本，必須把二66

第十節(jié)發(fā)酵過程檢測與自控檢測的方法有：物理測量(如溫度、壓力、體積、流量等)物理化學(xué)測量(pH值、溶O2、溶CO2、氧化還原電位、氣相成分等)化學(xué)測量(基質(zhì)、前體、產(chǎn)物等的濃度)生物學(xué)和生物化學(xué)測量(生物量、細(xì)胞形態(tài)、酶活性、胞內(nèi)成分等)第十節(jié)發(fā)酵過程檢測與自控檢測的方法有：67生物傳感器測量原理生物傳感器測量原理68一、發(fā)酵過程對(duì)傳感器的特殊要求傳感器除了滿足常規(guī)要求，諸如：可靠性、準(zhǔn)確性、精確度、響應(yīng)時(shí)間、分辨能力、靈敏度、測量范圍、特異性、可維修性等，還應(yīng)當(dāng)滿足一些特殊要求：一般要求傳感器能與發(fā)酵液同時(shí)進(jìn)行高壓蒸汽滅菌其次是在發(fā)酵過程中保持無菌的問題還有一個(gè)問題是傳感器易被培養(yǎng)基和細(xì)胞沾污一、發(fā)酵過程對(duì)傳感器的特殊要求69二、發(fā)酵過程的主要在線傳感器⒈pH值一般采用可原位蒸汽滅菌的復(fù)合pH傳感器⒉溶氧一般使用覆膜溶氧探頭，它實(shí)際測量的是溶氧分壓，與溶氧濃度并不直接相關(guān)，故測量結(jié)果稱為溶氧壓（dissolvedoxygentension，簡稱DOT），它以飽和值(即與氣相氧分壓平衡的溶氧濃度)的百分?jǐn)?shù)表示pH計(jì)溶氧儀二、發(fā)酵過程的主要在線傳感器pH計(jì)溶氧儀70

cL=c*·DOT式中P——實(shí)際操作壓力，Pa；c0*——在0.101325MPa壓力下的飽和溶氧濃度，mol／m3或mmol／L；c*——在實(shí)際操作壓力P下的飽和溶氧濃度，mol／m3或mmol／L；cL——發(fā)酵液中溶氧濃度，mol／m3或mmol／L；DOT——溶氧傳感器測量的溶氧壓，％。cL=c*·DOT71

三、發(fā)酵過程自控①和過程的未來狀態(tài)相聯(lián)系的控制目的或目標(biāo)（如要求控制的溫度、pH值、生物量濃度等）；②一組可供選擇的控制動(dòng)作（如閥門的開、關(guān)，泵的開、停等）；③一種能夠預(yù)測控制動(dòng)作對(duì)過程狀態(tài)影響的模型（如用加入基質(zhì)的濃度和速率控制細(xì)胞生長速率時(shí)需要能表達(dá)它們之間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學(xué)式）。三、發(fā)酵過程自控72過程監(jiān)控計(jì)算機(jī)在發(fā)酵自控中的作用有：①從發(fā)酵過程中采集和存貯數(shù)據(jù)；②用圖形和列表方式顯示存貯的數(shù)據(jù)；③對(duì)存貯的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理和分析；④和檢測儀表和其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊；⑤對(duì)模型及其參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)；⑥實(shí)施復(fù)雜的控制算法。過程監(jiān)控計(jì)算機(jī)在發(fā)酵自控中的作用有：73思考題⒈發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)中控制的參數(shù)有哪些？排氣中二氧化碳控制的意義是什么？⒉發(fā)酵過程溫度升高的原因及其對(duì)微生物生長和產(chǎn)物合成的影響有哪些？發(fā)酵溫度如何進(jìn)行管理？⒊生產(chǎn)中為什么要對(duì)pH值進(jìn)行控制？如何進(jìn)行控制？思考題⒈發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)中控制的參數(shù)有哪些？排氣中二氧74思考題⒋臨界溶氧濃度的概念及意義。供氧與微生物代謝有何關(guān)系？如何控制溶氧？⒌基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵有何影響？如何進(jìn)行控制？FBC的優(yōu)點(diǎn)與作用。⒍消泡的方法有哪幾種？各有何優(yōu)缺點(diǎn)？⒎發(fā)酵過程主要在線傳感器有哪些？使用時(shí)應(yīng)注意什么問題？

思考題⒋臨界溶氧濃度的概念及意義。供氧與微生物代謝75發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn)課件76演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！77第六章發(fā)酵工藝過程控制微生物與發(fā)酵工藝第六章發(fā)酵工藝過程控制微生物與發(fā)酵工藝78第六章發(fā)酵工藝過程控制

第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變化與控制參數(shù)

第二節(jié)溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制

第三節(jié)pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制第六章發(fā)酵工藝過程控制

第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變79第六章發(fā)酵工藝過程控制

第四節(jié)溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制

第五節(jié)菌體濃度與基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響及其控制

第六節(jié)CO2和呼吸商

第六章發(fā)酵工藝過程控制

第四節(jié)溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響80第六章發(fā)酵工藝過程控制

第七節(jié)補(bǔ)料的控制

第八節(jié)泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制

第九節(jié)發(fā)酵終點(diǎn)的判斷

第十節(jié)發(fā)酵過程檢測與自控第六章發(fā)酵工藝過程控制

第七節(jié)補(bǔ)料的控制

第八節(jié)81第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變化與控制參數(shù)微生物發(fā)酵有三種方式即分批發(fā)酵(batchfermentation)、補(bǔ)料分批發(fā)酵(fed-batchfermentation)和連續(xù)發(fā)酵(continuousfermentation)。工業(yè)上為了防止出現(xiàn)菌種衰退和雜菌污染等實(shí)際問題，大都采用分批發(fā)酵或補(bǔ)料分批發(fā)酵這兩種方式。第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變化與控制參數(shù)微生物發(fā)酵有三種方式82一、初級(jí)代謝的代謝變化生長過程仍顯示停滯期（1、2）、對(duì)數(shù)期（3、4）、穩(wěn)定期（5）和衰亡期（6）等生長史的特征。一、初級(jí)代謝的代謝變化83工業(yè)發(fā)酵中往往要接入處于對(duì)數(shù)期(特別是中期)的菌體，以盡量縮短停滯期。工業(yè)發(fā)酵中往往要接入處于對(duì)數(shù)期(特別是中期)的菌體，以盡量縮84二、次級(jí)代謝的代謝變化次級(jí)代謝產(chǎn)物的發(fā)酵屬于菌體的生長與產(chǎn)物非偶聯(lián)的類型，菌體生長繁殖階段(又稱生長期)與產(chǎn)物生成階段(又稱生產(chǎn)期)是分開的。UAA—可利用的氨基酸二、次級(jí)代謝的代謝變化UAA—可利用的氨基酸85⒈菌體生長階段菌體DNA含量達(dá)到定值，即不進(jìn)行繁殖，細(xì)胞數(shù)量恒定，但多元醇、脂類等細(xì)胞內(nèi)含物仍在積累，使菌體干重增加，此時(shí)開始合成產(chǎn)物，此刻的菌體濃度稱為臨界濃度。這個(gè)階段一般又稱為菌體生長期或發(fā)酵前期，也有人稱為平衡期⒉產(chǎn)物生成階段這階段一般稱為產(chǎn)物生產(chǎn)期或發(fā)酵中期。⒈菌體生長階段86⒊菌體自溶階段這個(gè)階段一般稱為菌體自溶期或發(fā)酵后期。根據(jù)發(fā)酵過程中的參數(shù)變化繪制出的次級(jí)代謝的代謝曲線，可清楚地說明過程中的代謝變化，并反映出碳源、氮源的利用和pH值、菌體濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)之間的相互關(guān)系。分析研究代謝曲線，還有利于掌握發(fā)酵代謝變化的規(guī)律和發(fā)現(xiàn)工藝控制中存在的問題，有助于改進(jìn)工藝，提高產(chǎn)物的產(chǎn)量。⒊菌體自溶階段87發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn)課件88三、發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)

⑴pH值(酸堿度)⑽濁度（OD值）⑵溫度(℃)(11)料液流量⑶溶氧濃度（DO值，簡稱溶氧）⑷基質(zhì)含量(12)產(chǎn)物的濃度⑸空氣流量(13)氧化還原電位⑹壓力(14)廢氣中的氧含量⑺攪拌轉(zhuǎn)速(15)廢氣中的CO2含量⑻攪拌功率(16)菌絲形態(tài)⑼黏度(17)菌體濃度（簡稱菌濃）三、發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)89小型發(fā)酵罐小型發(fā)酵罐90第二節(jié)溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響溫度會(huì)影響各種酶反應(yīng)的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機(jī)制，影響發(fā)酵液的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響常用溫度系數(shù)（Q10）（溫度每升高10℃，化學(xué)反應(yīng)速度所增加的倍數(shù)）來表示。第二節(jié)溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響91發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解吸收速率等，都受溫度變化的影響，進(jìn)而影響發(fā)酵動(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)92二、影響發(fā)酵溫度變化的因素產(chǎn)熱的因素有生物熱(Q生物)和攪拌熱(Q攪拌)；散熱因素有蒸發(fā)熱(Q蒸發(fā))、輻射熱(Q輻射)和顯熱(Q顯)。產(chǎn)生的熱能減去散失的熱能，所得的凈熱量就是發(fā)酵熱[Q發(fā)酵，kJ／(m3·h)]，即Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射。這就是發(fā)酵溫度變化的主要因素。⒈生物熱(Q生物)；⒉攪拌熱(Q攪拌)；⒊蒸發(fā)熱(Q蒸發(fā))；⒋輻射熱(Q輻射)二、影響發(fā)酵溫度變化的因素93三、溫度的控制⒈最適溫度的選擇最適生長溫度與最適生產(chǎn)溫度往往是不一致的，可采用變溫發(fā)酵。⒉溫度的控制三、溫度的控制94通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐95通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐96第三節(jié)pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、pH值對(duì)發(fā)酵的影響①影響酶的活性，當(dāng)pH值抑制菌體中某些酶的活性時(shí)，會(huì)阻礙菌體的新陳代謝；②影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的排泄；③影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進(jìn)而微生物對(duì)這些成分的吸收；④pH值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。第三節(jié)pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、pH值對(duì)發(fā)酵的影響97發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn)課件98二、發(fā)酵過程pH值的變化三、發(fā)酵pH值的確定和控制⒈發(fā)酵pH值的確定同一菌種，生長最適pH值可能與產(chǎn)物合成的最適pH值是不一樣的。同一產(chǎn)物的最適pH值，還與所用的菌種、培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件有關(guān)。二、發(fā)酵過程pH值的變化99⒉pH值的控制在各種類型的發(fā)酵過程中，實(shí)驗(yàn)所得的最適pH值、菌體的比生長速率(μ)和產(chǎn)物比生成速率(Qp)等3個(gè)參數(shù)的相互關(guān)系有四種情況

⒉pH值的控制100①第一種情況是μ和Qp的最適pH值都在一個(gè)相似的較寬的適宜范圍內(nèi)(a)，這種發(fā)酵過程易于控制；②第二種情況是Qp(或μ)的最適pH值范圍很窄，而μ(或Qp)的范圍較寬(b)；③第三種情況是μ和Qp對(duì)pH值都很敏感，它們的最適pH值又是相同的(c)，第二、第三種情況的發(fā)酵pH值應(yīng)嚴(yán)格控制；④第四種情況更復(fù)雜，μ和Qp有各自的最適pH值(d)，應(yīng)分別嚴(yán)格控制各自的最適pH值，才能優(yōu)化發(fā)酵過程。①第一種情況是μ和Qp的最適pH值都在一個(gè)相似的較寬的適宜101補(bǔ)料方法，既可以達(dá)到穩(wěn)定pH值的目的，又可以不斷補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)，特別是能產(chǎn)生阻遏作用的物質(zhì)。少量多次補(bǔ)加還可解除對(duì)產(chǎn)物合成的阻遏作用，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。最成功的例子就是青霉素的補(bǔ)料工藝，利用控制葡萄糖的補(bǔ)加速率來控制pH值的變化范圍(現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化)，其青霉素產(chǎn)量比用恒定的加糖速率和加酸或堿來控制pH值的產(chǎn)量高25％。補(bǔ)料方法，既可以達(dá)到穩(wěn)定pH值的目的，又可以不斷補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)102第四節(jié)溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響影響耗氧的因素有以下幾方面：⑴培養(yǎng)基的成分和菌濃顯著影響耗氧⑵菌齡影響耗氧⑶發(fā)酵條件影響耗氧滿足微生物呼吸的最低氧濃度叫臨界溶氧濃度(criticalvalueofdissolvedoxygenconcentration)，用c臨界表示第四節(jié)溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響103發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn)課件104初級(jí)代謝的氨基酸發(fā)酵，需氧量的大小與氨基酸的合成途徑密切相關(guān)。根據(jù)發(fā)酵需氧要求不同可分為三類

初級(jí)代謝的氨基酸發(fā)酵，需氧量的大小與氨基酸的合成途徑密切相關(guān)105第一類有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它們在菌體呼吸充足的條件下，產(chǎn)量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就會(huì)受到強(qiáng)烈的抑制，大量積累乳酸和琥珀酸；第二類，包括異亮氨酸、賴氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高產(chǎn)量，但供氧受限，產(chǎn)量受影響并不明顯；第三類，有亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸，僅在供氧受限、細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才能獲得最大量的氨基酸，如果供氧充足，產(chǎn)物形成反而受到抑制。第一類有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它106第一類氨基酸是經(jīng)過乙醛酸循環(huán)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)兩個(gè)途徑形成的，產(chǎn)生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量為最多，供氧愈多，合成氨基酸當(dāng)然亦愈順利。第二類的合成途徑是產(chǎn)生NADH的乙醛酸循環(huán)或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)，產(chǎn)生的NADH量不多，因而與供氧量關(guān)系不明顯。第三類，如苯丙氨酸的合成，并不經(jīng)過TCA循環(huán)，NADH產(chǎn)量很少，過量供氧，反而起到抑制作用。由此可知，供氧大小是與產(chǎn)物的生物合成途徑有關(guān)。第一類氨基酸是經(jīng)過乙醛酸循環(huán)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系統(tǒng)兩個(gè)途107二、供氧與微生物呼吸代謝的關(guān)系微生物的吸氧量常用呼吸強(qiáng)度和耗氧速率兩種方法來表示。呼吸強(qiáng)度又稱氧比消耗速率，是指單位質(zhì)量的干菌體在單位時(shí)間內(nèi)所吸取的氧量，以QO2表示，單位為mmolO2／(g干菌體·h)。耗氧速率又稱攝氧率，是指單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)的吸氧量，以r表示，單位為mmolO2／(L·h)。二、供氧與微生物呼吸代謝的關(guān)系108

式中

r——微生物的耗氧速率，mmolO2／(L·h)；

——菌體的呼吸強(qiáng)度，mmolO2／(g干菌體·h)；c(X)——發(fā)酵液中菌體的濃度，g干菌體／L。式中109三、發(fā)酵過程溶氧的變化

谷氨酸發(fā)酵時(shí)正常和異常的溶氧曲線紅霉素發(fā)酵過程中溶氧和黏度的曲線三、發(fā)酵過程溶氧的變化谷氨酸發(fā)酵時(shí)正常和異常的溶氧曲線110引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因：①污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗掉，可能使溶氧在較短時(shí)間內(nèi)下降到零附近，如果雜菌本身耗氧能力不強(qiáng)，溶氧變化就可能不明顯；②菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧要求增加，使溶氧下降；③某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，也可能引起溶氧下降，如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因：111四、溶氧濃度控制㈠氧的傳遞方程式液相體積氧傳遞系數(shù)KLα代表氧由氣相至液相傳遞的難易程度，它與發(fā)酵過程控制、放大和反應(yīng)器設(shè)計(jì)密切相關(guān)。當(dāng)發(fā)酵液中溶氧濃度保持穩(wěn)定，即發(fā)酵過程中的氧傳遞量與氧消耗量達(dá)到平衡時(shí)，KLα可由下式確定：當(dāng)微生物的耗氧速率r不變，同時(shí)液相飽和溶氧濃度c*不變，KLα愈大，液相實(shí)際溶氧濃度cL愈高，故可用KLα的變化來衡量發(fā)酵罐的通氣效率。四、溶氧濃度控制112式中OTR——氧由氣相向液相的傳遞速率(傳氧速率，oxygentakerate)，mmolO2／(L·h)；KLα——液相體積氧傳遞系數(shù)，1／h；c*——液相飽和溶氧濃度，mmolO2／L；cL——液相實(shí)際溶氧濃度，mmolO2／L；OUR——菌的耗氧速率(攝氧速率，oxygenuptakerate)，mmolO2／(L·h)。式中113㈡溶氧濃度控制在供氧方面，主要是設(shè)法提高氧傳遞的推動(dòng)力和液相體積氧傳遞系數(shù)KLα值。發(fā)酵液的需氧量，受菌濃、基質(zhì)的種類和濃度以及培養(yǎng)條件等因素的影響，其中以菌濃的影響最為明顯。臨界比生長速率，以μ臨表示最適菌濃，即c(X)臨㈡溶氧濃度控制114第五節(jié)菌體濃度與基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制

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產(chǎn)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。第五節(jié)菌體濃度與基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、菌體濃度對(duì)發(fā)酵115影響菌體生長的環(huán)境條件有溫度、pH值、滲透壓和水分活度等因素。按照Monod方程式來看，生長速率取決于基質(zhì)的濃度，當(dāng)基質(zhì)濃度c(S)>10Ks時(shí)，比生長速率就接近最大值。對(duì)抗生素這類次級(jí)代謝產(chǎn)物來說，控制菌體的比生長速率μ比μ臨略高一點(diǎn)的水平，達(dá)到最適菌濃[即c(X)臨]，菌體的生產(chǎn)率最高。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。影響菌體生長的環(huán)境條件有溫度、pH值、滲透壓和水分活度等因素116為了獲得最高的生產(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。為了獲得最高的生產(chǎn)率，需要采用攝氧速率OUR與傳氧速率OTR117二、基質(zhì)對(duì)發(fā)酵影響及其控制⒈碳源對(duì)發(fā)酵的影響及其控制按菌體利用快慢而言，分為迅速利用的碳源和緩慢利用的碳源。前者(如葡萄糖)能較迅速地參與代謝、合成菌體和產(chǎn)生能量，并產(chǎn)生分解代謝產(chǎn)物，因此有利于菌體生長，但有的分解代謝產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)物的合成可能產(chǎn)生阻遏作用；后者(如乳糖)為菌體緩慢利用，有利于延長代謝產(chǎn)物的合成，特別有利于延長抗生素的生產(chǎn)期，也為許多微生物藥物的發(fā)酵所采用。二、基質(zhì)對(duì)發(fā)酵影響及其控制118選擇最適碳源對(duì)提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量是很重要的糖對(duì)青霉素生物合成的影響試驗(yàn)選擇最適碳源對(duì)提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量是很重要的糖對(duì)青霉素生物合成119⒉氮源對(duì)發(fā)酵的影響及其控制氮源有無機(jī)氮源和有機(jī)氮源兩類如谷氨酸發(fā)酵，當(dāng)NH4+供應(yīng)不足時(shí)，就促使形成α-酮戊二酸；過量的NH4+，反而促使谷氨酸轉(zhuǎn)變成谷氨酰胺發(fā)酵培養(yǎng)基一般是選用含有快速利用和慢速利用的混合氮源。如氨基酸發(fā)酵用銨鹽(硫酸銨或醋酸銨)和麩皮水解液、玉米漿⒉氮源對(duì)發(fā)酵的影響及其控制120

⑴補(bǔ)加有機(jī)氮源根據(jù)產(chǎn)生菌的代謝情況，可在發(fā)酵過程中添加某些具有調(diào)節(jié)生長代謝作用的有機(jī)氮源，如酵母粉、玉米漿、尿素等⑴補(bǔ)加有機(jī)氮源121⑵補(bǔ)加無機(jī)氮源補(bǔ)加氨水或硫酸銨是工業(yè)上的常用方法。氨水既可作為無機(jī)氮源，又可調(diào)節(jié)pH值。在抗生素發(fā)酵工業(yè)中，通氨是提高發(fā)酵產(chǎn)量的有效措施。當(dāng)pH值偏高而又需補(bǔ)氮時(shí)，就可補(bǔ)加生理酸性物質(zhì)的硫酸銨，以達(dá)到提高氮含量和調(diào)節(jié)pH值的雙重目的⑵補(bǔ)加無機(jī)氮源122⒊磷酸鹽對(duì)發(fā)酵的影響及其控制磷是微生物菌體生長繁殖所必需的成分，也是合成代謝產(chǎn)物所必需的磷酸鹽濃度的控制，對(duì)于初級(jí)代謝來說，要求不如次級(jí)代謝那么嚴(yán)格。對(duì)抗生素發(fā)酵來說，常常是采用生長亞適量(對(duì)菌體生長不是最適合但又不影響生長的量)的磷酸鹽濃度其最適濃度取決于菌種特性、培養(yǎng)條件、培養(yǎng)基組成和來源等因素其他培養(yǎng)基成分影響發(fā)酵，如Cu2+，Mn2+⒊磷酸鹽對(duì)發(fā)酵的影響及其控制123第六節(jié)CO2和呼吸商一、CO2對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成的影響CO2對(duì)菌體的生長有直接作用，引起碳水化合物的代謝及微生物的呼吸速率下降CO2會(huì)影響產(chǎn)黃青霉菌(penicilliumchrysogenum)的形態(tài)CO2對(duì)細(xì)胞作用機(jī)制第六節(jié)CO2和呼吸商一、CO2對(duì)菌體生長和產(chǎn)物形成的影響124二、CO2的釋放率連續(xù)測得排氣氧和CO2濃度，可計(jì)算出整個(gè)發(fā)酵過程中CO2的釋放率(Carbondioxidereleaseratio，簡稱CRR)。式中——二氧化碳比釋放率，mmolCO2／(g干菌體·h)；

c(X)——發(fā)酵液中菌體的濃度，g干菌體／L。二、CO2的釋放率125三、呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系耗氧速率OUR可通過熱磁氧分析儀或質(zhì)譜儀測量進(jìn)氣和排氣中的氧含量計(jì)算而得，并最終計(jì)算出呼吸商RQRQ可以反映菌的代謝情況，酵母發(fā)酵，RQ=1，糖有氧代謝，僅生成菌體，無產(chǎn)物形成；RQ>1.1，糖經(jīng)EMP生成乙醇RQ是碳-能源代謝情況的指示值三、呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系126四、CO2濃度的控制CO2的大小受到許多因素的影響，如菌體的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液流變學(xué)特性、通氣攪拌程度和外界壓力大小等因素CO2濃度的控制應(yīng)隨它對(duì)發(fā)酵的影響而定CO2的產(chǎn)生與補(bǔ)料工藝控制密切相關(guān)補(bǔ)糖、CO2、pH值三者具有相關(guān)性，被用于青霉素補(bǔ)料工藝的控制參數(shù)采用測定CRR作為控制補(bǔ)糖速率參數(shù)四、CO2濃度的控制127第七節(jié)補(bǔ)料的控制補(bǔ)料分批發(fā)酵(fed-batchculture，簡稱FBC)，又稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加一種或多種成分的新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，是分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種過渡培養(yǎng)方式，是一種控制發(fā)酵的好方法，現(xiàn)已廣泛用于發(fā)酵工業(yè)。第七節(jié)補(bǔ)料的控制補(bǔ)料分批發(fā)酵(fed-batchcult128同傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，F(xiàn)BC具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①可以解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻遏；②可以避免在分批發(fā)酵中因一次投料過多造成細(xì)胞大量生長所引起的一切影響，改善發(fā)酵液流變學(xué)的性質(zhì)；③可用作為控制細(xì)胞質(zhì)量的手段，以提高發(fā)芽孢子的比例；④可作為理論研究的手段，為自動(dòng)控制和最優(yōu)控制提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。同連續(xù)發(fā)酵相比，F(xiàn)BC不需要嚴(yán)格的無菌條件，產(chǎn)生菌也不會(huì)產(chǎn)生老化和變異等問題，適用范圍也比連續(xù)發(fā)酵廣泛。同傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，F(xiàn)BC具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①可以解除底物129實(shí)驗(yàn)室連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)示意圖(a)恒化培養(yǎng)系統(tǒng)(b)恒濁培養(yǎng)系統(tǒng)1容器2控制閥3培養(yǎng)室4排出管5光源6光電池7流出液

實(shí)驗(yàn)室連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)示意圖130發(fā)酵工藝過程控制培訓(xùn)課件131一、FBC的作用⒈可以控制抑制性底物的濃度如苯乙酸、丙醇(或丙酸)分別是青霉素、紅霉素的前體物質(zhì)，濃度過大，就會(huì)產(chǎn)生毒性，使抗生素產(chǎn)量減少⒉可以解除或減弱分解代謝物的阻遏如緩慢流加葡萄糖，纖維素酶的產(chǎn)量幾乎增加200倍⒊可以使發(fā)酵過程最佳化一、FBC的作用132二、補(bǔ)料的方式及控制

補(bǔ)料方式有很多種情況，有連續(xù)流加、不連續(xù)流加或多周期流加。每次流加又可分為快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加和變速流加。從補(bǔ)加培養(yǎng)基的成分來分，又可分為單組分補(bǔ)料和多組分補(bǔ)料。流加操作控制系統(tǒng)又分為有反饋控制和無反饋控制兩類。反饋控制系統(tǒng)是由傳感器、控制器和驅(qū)動(dòng)器三個(gè)單元所組成。根據(jù)控制依據(jù)的指標(biāo)不同，又分為直接方法和間接方法。

二、補(bǔ)料的方式及控制 133第八節(jié)泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、泡沫的形成及其對(duì)發(fā)酵的影響形成的泡沫有兩種類型：一種是發(fā)酵液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如發(fā)酵前期的泡沫；另一種是發(fā)酵液中的泡沫，又稱流態(tài)泡沫(fluidfoam)，分散在發(fā)酵液中，比較穩(wěn)定，與液體之間無明顯的界限第八節(jié)泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、泡沫的形成及其對(duì)發(fā)酵的影134泡沫的多少一方面與發(fā)酵罐攪拌、通風(fēng)有關(guān)；另一方面，與培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)。發(fā)酵時(shí)起泡的方式被認(rèn)為有五種：①整個(gè)發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平；②發(fā)酵早期，起泡后穩(wěn)定地下降，以后保持恒定；③發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升；④發(fā)酵開始起泡能力低，以后上升；⑤以上類型的綜合方式。泡沫的多少一方面與發(fā)酵罐攪拌、通風(fēng)有關(guān)；135二、泡沫的消除①調(diào)整培養(yǎng)基中的成分(如少加或緩加易起泡的原材料)或改變某些物理化學(xué)參數(shù)(如pH值、溫度、通氣和攪拌)或者改變發(fā)酵工藝(如采用分次投料)來控制，以減少泡沫形成的機(jī)會(huì)②采用機(jī)械消泡或消泡劑消泡這兩種方法來消除已形成的泡沫③還可以采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的菌種，來消除起泡的內(nèi)在因素二、泡沫的消除136對(duì)于已形成的泡沫，工業(yè)上可以采用機(jī)械消泡和化學(xué)消泡劑消泡或兩者同時(shí)使用消泡。

對(duì)于已形成的泡沫，工業(yè)上可以采用機(jī)械消泡和化學(xué)消泡劑消泡或兩137⒈機(jī)械消泡這是一種物理消泡的方法，利用機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)或壓