發(fā)酵過程工藝

發(fā)酵過程工藝第一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵，原本是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。在廣義的工藝上，則把發(fā)酵看做是微生物把一些原料養(yǎng)分在合適的條件下（通常是需氧）經特定的代謝轉變成產物的過程。發(fā)酵是一種很復雜的生化過程，發(fā)酵生產受許多因素的影響和工藝條件的制約。需要多年的經驗才能掌握。生產菌種的代謝規(guī)律和發(fā)酵調控的基本知識對穩(wěn)定生產，提高產量意義重大。第二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五微生物發(fā)酵的生產水平不僅取決于生產菌種本身的性能，而且要賦以合適的環(huán)境條件才能使它的生產能力充分表達出來；必須了解有關生產菌種對環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、pH、氧的需求等，并深入了解生產菌在合成產物過程中的代謝調控機制以及可能的代謝途徑，為設計合理的生產工藝提供理論基礎；通過各種監(jiān)測手段如取樣測定隨時間變化的菌體濃度，糖、氮消耗及產物，以及采用傳感器測定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度、pH、溶解氧等參數情況，并予以有效地控制，使生產菌種處于產物合成的優(yōu)化環(huán)境中。第一節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變化與控制參數一、發(fā)酵工藝過程控制的重要性第三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五從產物形成來說，代謝變化就是反映發(fā)酵中的菌體生長、發(fā)酵參數的變化（培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件）和產物形成速率這三者之間的關系。二、發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律一般來說，微生物的培養(yǎng)方式分為分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵及連續(xù)發(fā)酵四種類型的操作方式。第四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五1、分批發(fā)酵指在一個封閉的培養(yǎng)系統內投入有限數量的營養(yǎng)物質（基質）后接入種子進行培養(yǎng)的發(fā)酵方式。即一次性投料，一次性收獲產品的發(fā)酵方式。在該系統里種子接種到培養(yǎng)基后，除了氣體流通外，發(fā)酵液始終留在生物反應器內。延滯期指數期穩(wěn)定期衰亡期時間（t）菌體濃度分批培養(yǎng)條件下的典型生長曲線第五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五分批培養(yǎng)過程中隨著培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質不斷減少，微生物生長的環(huán)境條件也不斷變化，因此，微生物分批培養(yǎng)是一種非穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)方法。第六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五生長階段細胞特征停滯期為適應新環(huán)境的需要，細胞個體增大，合成新的酶及細胞物質，細胞數量增加很少，微生物對不良環(huán)境的抵抗力下降。當接種的是老齡化的或饑餓的細胞時，停滯期將延長對數生長期細胞活力很強，生長速率達到最大值且保持穩(wěn)定、速率大小取決于培養(yǎng)基的營養(yǎng)和環(huán)境穩(wěn)定期隨著營養(yǎng)物質的消耗和產物的積累，微生物的生長速率下降等于死亡速率，系統中活微生物數保持穩(wěn)定衰亡期由于自溶酶的作用或有害物質的積累，使細胞破裂死亡第七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五2、微生物分批培養(yǎng)生長速度的動力學方程1942年，Monod提出了在特定溫度、pH值、營養(yǎng)物類型、營養(yǎng)物濃度條件下，微生物細胞的比生長速率與限制性營養(yǎng)物濃度之間存在如下關系：μ=μmaxS/（Ka+S）μmax——微生物的最大比生長速率S——限制性營養(yǎng)基質的濃度Ks——飽和常數第八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五Monod方程的幾點說明a：分批培養(yǎng)過程的經驗方程，在純培養(yǎng)情況下，只有當微生物細胞生長受一種限制性營養(yǎng)物質制約時，與實驗數據相一致。b：K s反映了微生物對營養(yǎng)物質的吸收的親和力的大小，數值越小，表明微生物對營養(yǎng)物質的親和力大。反之則親和力小。一般微生物的Ks值為0.1—120mg/L，是很小的。c：μmax隨微生物的種類和培養(yǎng)條件不同，一般來說細菌的μmax大于霉菌，就同種微生物來說，培養(yǎng)溫度升高，μmax增大。第九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五3、分批培養(yǎng)時微生物細胞的生長與產物形成的動力學在發(fā)酵過程中，常用得率系數來描述微生物生長過程的特征，即生成的細胞或產物與消耗的營養(yǎng)物質之間的關系。在實際中，最常用的是細胞得率系數（Yx/s）和產物得率系數（Yp/s），分別定義為消耗1g營養(yǎng)物質生成的細胞的克數和生成產物的克數。工業(yè)生產中可通過測定一定時間內細胞和產物的生成量及營養(yǎng)物質的消耗量來進行計算。第十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五在分批培養(yǎng)過程中根據產物生成是否與菌體生長同步的關系，將微生物產物形成動力學分為①生長關聯型和②非生長關聯型。A（葡萄糖異構酶）B（菌體濃度）B（菌體濃度）A（殺念珠菌素）生長關聯型非生長關聯型產物的生成速率與菌體生長速率成正比。這種產物通常是微生物分解基質的直接產物，如酒精，但也有某些酶類，如脂肪酶和葡萄糖異構酶產物的生成速率與菌體生長速率成無關，而與菌體量的多少有關。對于生長關聯型產品，可采用有利于細胞生長的培養(yǎng)條件，延長與產物合成有關的對數生長期。對于非生長關聯型產品，則宜縮短菌體的對數生長期，并迅速獲得足夠量的菌體細胞后，延長穩(wěn)定期，從而提高產量。第十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（1）有關分批發(fā)酵的幾點討論生產的對象不同，掌握工藝的重點不同產物為細胞本身——采用能支持最高生長量的培養(yǎng)條件產物為初級代謝物——延長對數生長期產物為次級代謝物——縮短對數生長期，延長穩(wěn)定期（2）分批發(fā)酵的優(yōu)缺點優(yōu)點：操作簡單，周期短，染菌的機會減少生產過程易于控制、產品質量易掌握。x缺點：分批發(fā)酵不適于測定過程動力學，存在基質的抑制問題，出現二次生長現象，對與一些對基質敏感的產物，由于養(yǎng)分易耗盡，產率較低。第十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五2、補料－分批發(fā)酵（fed-batch）由于此過程只有料液的輸入沒有輸出，發(fā)酵液的體積在增加。補料分批培養(yǎng)（fed-batchculture，簡稱FBC），是指在分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)地補加一種或多種成分的新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，是分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的一種過渡培養(yǎng)方式，是一種控制發(fā)酵的好方法，現已廣泛用于發(fā)酵工業(yè)。第十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五可以解除底物抑制、產物反饋抑制和分解代謝物的阻遏；可以避免在分批發(fā)酵中因一次投料過多造成細胞大量生長所引起的影響，改善發(fā)酵流變學的性質；可用作控制細胞質量的手段，以提高發(fā)芽孢子的比例；可作為理論研究的手段，為自動控制和最優(yōu)控制提供實驗基礎。（1）補料分批培養(yǎng)（FBC）的優(yōu)點第十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（2）補料優(yōu)化方式及控制連續(xù)流加、不連續(xù)流加、多周期流加快速流加、恒速流加、指數速率流加、變速流加單組分流加、多組分流加補料方式流加操作控制系統反饋控制無反饋控制直接方法間接方法以溶氧、pH值、呼吸商、排氣中CO2分壓及代謝產物濃度等作為控制參數直接以限制性營養(yǎng)物濃度作為反饋參數，如控制氮源、碳源、C/N比等，由于目前缺乏能直接測量重要參數的傳感器，因此直接方法的使用受到了限制。第十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五３、半連續(xù)發(fā)酵是指在補料－分批發(fā)酵的基礎上，間歇地放掉部分發(fā)酵液（行業(yè)中稱為帶放）的培養(yǎng)方法。優(yōu)點：①可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當的菌體濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；②克服養(yǎng)分的不足，避免發(fā)酵過早結束；③緩解有害代謝產物的積累。放掉發(fā)酵液的同時也丟失了未利用的養(yǎng)分和處于生長旺盛期的菌體丟失前體菌體易變異缺點第十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五４、連續(xù)發(fā)酵又稱連續(xù)流動培養(yǎng)或開放型培養(yǎng)，即發(fā)酵過程中一邊補入新鮮的料液，并同時以相近的流速放出含有產品的發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。在這樣的環(huán)境中培養(yǎng)，所提供的基質對菌的生長就受到限制，培養(yǎng)液中的菌體濃度能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)（發(fā)酵液的體積不變）。第十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五連續(xù)培養(yǎng)系統又稱為恒化器，培養(yǎng)物的生長速率受其周圍化學環(huán)境，即受培養(yǎng)基組分的限制。恒化器：一種微生物連續(xù)培養(yǎng)器。它以恒定的速度流出培養(yǎng)液，使容器中的微生物生長繁殖始終低于最快生長速度。這種容器反映的是培養(yǎng)基的化學環(huán)境恒定。第十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五連續(xù)發(fā)酵的缺點：長時間的連續(xù)培養(yǎng)難以保證純種培養(yǎng)，并且菌種發(fā)生變異的可能性較大，且易污染雜菌。故在工業(yè)規(guī)模上很少采用。生產上只有丙酮丁醇厭氧發(fā)酵、紙漿液生產飼料酵母、以及活性污泥處理各種廢水等才使用連續(xù)培養(yǎng)工藝，此方法多數用于實驗室以研究微生物的生理特性。與傳統的分批發(fā)酵相比，連續(xù)發(fā)酵有以下優(yōu)點：①維持低基質濃度：可以除去快速利用碳源的阻遏效應，并維持適當的菌體濃度，使不至于加劇供氧的矛盾；②避免培養(yǎng)基積累有毒代謝物；③可以提高設備利用率和單位時間的產量，節(jié)省發(fā)酵罐的非生產時間；產物質量比較穩(wěn)定④便于自動控制。第十九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五在發(fā)酵工藝中，要想控制發(fā)酵，使其按人的意志轉移，是很難辦到的。因為影響發(fā)酵的因素太多，有些因素還是未知的，但了解發(fā)酵工藝條件對過程的影響和掌握反映菌的生理代謝和發(fā)酵過程變化的規(guī)律，可以幫助人們有效地控制微生物的生長和生產。第二節(jié)發(fā)酵過程的主要控制參數第二十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)發(fā)酵過程的主要控制參數pH值（酸堿度）溫度（℃）溶解氧濃度基質含量空氣流量壓力攪拌轉速攪拌功率粘度濁度料液流量產物濃度氧化還原電位廢氣中的氧含量廢氣中的CO2含量菌絲形態(tài)菌體濃度第二十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五種子擴大培養(yǎng)培養(yǎng)基配制空氣除菌培養(yǎng)基滅菌發(fā)酵生產下游處理發(fā)酵設備發(fā)酵的一般流程第二十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵工藝中幾個最常用的控制點溫度控制pH值控制溶氧控制二氧化碳控制泡沫的控制第二十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五一、溫度對發(fā)酵的影響對細胞生長的影響：溫度升高，從酶反應動力學來看，生長代謝加快，但由于酶很容易熱失活，所以高溫時菌體易于衰老；對產物形成的影響：菌體生長速率、呼吸強度和代謝產物形成速率的最適溫度往往是不同的；溫度升高，一般產物生成提前；對生物合成的方向的影響：反饋抑制隨溫度變化而改變；對發(fā)酵液物理性質及溶解氧的影響：影響氧的溶解和傳遞，影響一些基質的分解，間接影響生物合成。第二十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五1、影響發(fā)酵溫度的因素發(fā)酵熱的成分生物熱：微生物生長繁殖過程中的產熱攪拌熱：機械攪拌造成的摩擦熱蒸發(fā)熱：被通氣和蒸發(fā)水分帶走的熱量輻射熱：發(fā)酵罐罐體向外輻射的熱量Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射

第二十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五2、發(fā)酵熱的測定①通過冷卻水進出口溫度和流量測定：Q發(fā)酵=G·cw·(t1-t2)/VG—冷卻水流量；Cw—水的比熱；V—發(fā)酵液體積。②通過發(fā)酵液溫度隨時間上升的速率測定：Q發(fā)酵=(M1c1+M2c2)·SM1、c1—發(fā)酵液質量、比熱；M2、c2—發(fā)酵罐質量、比熱；S—溫度上升速率。第二十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五3、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制溫度變化的一般規(guī)律與控制的一般原則接種后發(fā)酵溫度有下降趨勢，此時可適當升高溫度，以利于孢子萌發(fā)和菌體的生長繁殖；待發(fā)酵液溫度開始上升后，應保持在菌體的最適生長溫度；到主發(fā)酵旺盛階段，溫度應控制在比最適生長溫度低些，即代謝產物合成的最適溫度；到發(fā)酵后期，溫度下降，此時適當升溫可提高產量。選擇是相對的，要考慮培養(yǎng)基成分、濃度；溶氧（溫升氧降）；生長階段；培養(yǎng)條件等。第二十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五3、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制

—最適溫度選擇最適溫度分最適生長溫度和最適產物合成溫度，兩者往往不同，各階段可用不同溫度。如：青霉素分別為：30℃和24.7℃。青霉素發(fā)酵的溫度控制0-5h：30°C5-40h：25°C40-125h：20°C125-165h：25°C05358512530252025第二十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制

—發(fā)酵溫度控制進行溫度控制時應考慮的因素不同菌種在不同生長階段的生長和生產特性參考其它發(fā)酵條件（通氣、培養(yǎng)基成分和濃度、pH值等），如通氣條件差時，則最適發(fā)酵溫度比通氣良好時低。第二十九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制

—發(fā)酵溫度控制溫度控制的方法冷卻是主要的方法，通常是利用發(fā)酵罐的熱交換裝置進行降溫，如果氣溫較高，冷卻水溫度也較高時，多采用冷媒(鹽水)進行降溫。發(fā)酵罐的熱交換裝置：罐外夾套罐內蛇管、列管第三十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五二、pH值對發(fā)酵的影響及控制發(fā)酵液pH對菌體生長、繁殖和產物積累影響較大。生產前應進行試驗和研究。菌體生長、繁殖和產物積累的最適pH不一定相同。整個發(fā)酵過程的pH是變化的。

1、pH對發(fā)酵的影響

2、影響發(fā)酵pH的因素

3、最適pH的選擇和調節(jié)第三十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五1、pH對發(fā)酵的影響微生物生長最適pH值范圍不同的微生物具有不同的最適生長的pH值和忍受的上下限細菌（6.5）7.0-8.0；放線菌（6.5）7.5-8.5；霉菌4.0-5.8；酵母菌3.8-6.0產物形成最適pH值范圍微生物的生長和產物形成的最適pH值往往不同。少數一致，大多不同；有的偏高，有的偏低。第三十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五幾種抗生素生物合成的最適pH值鏈霉素（灰色鏈霉菌）、紅霉素：6.8~7.3金霉素（放線菌）、四環(huán)素（放線菌金色鏈叢菌）：5.9~6.3青霉素：6.5~6.8檸檬酸：3.5—4.0第三十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五同一種微生物在其不同的生長階段和不同的生理生化過程中，對pH值的要求也不同。舉例：Aspergillusniger在pH2~2.5范圍時有利于合成檸檬酸，當在pH2.5~6.5范圍內時以菌體生長為主，而在pH7.0時，則以合成草酸為主。丙酮丁醇梭菌在pH5.5~7.0范圍時，以菌體生長為主，而在pH4.3~5.3范圍內才進行丙酮丁醇發(fā)酵。微生物 生長最適pH 合成抗生素最適pH灰色鏈霉菌 6.3~6.9 6.7~7.3紅霉素鏈霉菌 6.6~7.0 6.8~7.3產黃青霉 6.5~7.2 6.2~6.8金霉素鏈霉菌 6.1~6.6 5.9~6.3龜裂鏈霉菌 6.0~6.6 5.8~6.1灰黃青霉 6.4~7.0 6.2~6.5生長的最適pH值與發(fā)酵的最適pH值第三十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五1、pH對發(fā)酵的影響pH對微生物生長和產物形成影響的原因：pH值影響菌體形態(tài)，如壁厚薄、長徑比；pH值改變使原生質膜電荷發(fā)生改變，影響菌體對營養(yǎng)物質的吸收和代謝產物的排出；pH值直接影響酶活性；pH值影響某些重要營養(yǎng)物質和中間代謝產物的離解，從而影響微生物對這些物質的利用。pH影響生物合成的途徑。如：黑曲霉pH=2-3時產檸檬酸；近中性時產草酸、葡萄糖酸。第三十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五2、發(fā)酵過程pH值的變化在發(fā)酵過程中，隨著菌種對培養(yǎng)基碳、氮源的利用，隨著有機酸和氨基酸的積累，會使pH值產生一定的變化。1、生長階段：相對于起始pH值來說有變化。菌體產生蛋白酶水解培養(yǎng)基中的蛋白質，生成銨離子，使pH上升至堿性；隨著菌體量增多，銨離子的消耗也增多，另外糖利用過程中有機酸的積累使pH值下降。2、生產階段：這個階段pH值趨于穩(wěn)定。3、自溶階段：隨著養(yǎng)分的耗盡，菌體蛋白酶的活躍，培養(yǎng)液中氨基氮增加，致使pH又上升，此時菌體趨于自溶而代謝活動終止。第三十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五pH值培養(yǎng)時間培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液pH值的大致變化趨勢由此可見，在適合于菌生長及合成產物的環(huán)境條件下，菌體本身具有一定的調節(jié)pH的能力，但是當外界條件變化過于劇烈，菌體就失去了調節(jié)能力，培養(yǎng)液的pH就會波動。第三十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五3、影響發(fā)酵pH的因素影響pH值的因素：培養(yǎng)基成份、微生物代謝特性決定發(fā)酵過程的pH變化。（綜合反映）此外，通氣狀況的變化，菌體自溶和雜菌污染都可能引起發(fā)酵液pH的變化。微生物改變培養(yǎng)液pH以適合自身生長的能力很強。發(fā)酵液的實際pH是“成分”和“途徑”的統一。確定和有效控制pH在菌體生長或產物積累的最適范圍是高產的保證。第三十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五3、影響發(fā)酵pH的因素生理堿性物質和生理酸性物質生理堿性物質：經微生物代謝后，導致pH上升（堿性物質生成或酸性物質消耗）的物質。

如：有機氮源，硝酸鹽，有機酸。（產NH3、NaOH）生理酸性物質：經微生物代謝后，導致pH下降（酸性物質生成或堿性物質消耗）的物質。

如：糖類（產有機酸），脂肪（產脂肪酸），銨鹽（氧化產硫酸）。第三十九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、最適pH的選擇和調節(jié)最適pH的選擇和調節(jié)的原則：既有利于菌體的生長繁殖，又可最大限度的獲得高產。根據不同微生物的特性，在發(fā)酵過程中隨時檢查pH

值的變化，選用適當的方法進行調節(jié)。生長最適pH和產物形成最適pH的相互關系：①兩者相同，范圍都寬；容易控制。②兩者相同，范圍都窄；必須嚴格控制。③兩者相同，范圍一寬一窄；必須嚴格控制。④兩者不同，范圍都窄；分別嚴格控制。第四十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、最適pH的選擇和調節(jié)選擇pH值的方法：通過實驗確定。配制并始終調節(jié)控制不同pH，檢出菌體或產物最大值。調節(jié)pH值的方法：主要考慮培養(yǎng)基中生理酸、堿性物質的配比；補料調節(jié)：調節(jié)通氣量、調整鹽類、氮源、碳源的配比平衡；如：青霉素生產的葡萄糖補加控制pH。（按需補糖比恒速補糖效果好。）添加弱酸或弱堿、加緩沖劑。（一般效果不好）第四十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五三、溶氧對發(fā)酵的影響氧是制約發(fā)酵進行的重要因素氧難溶于水，培養(yǎng)基中貯存的氧量很少；

【25℃在水中的溶解度0.25mmol/L，在發(fā)酵液中則更低28℃時，飽和濃度7mg/L左右】高產株和加富培養(yǎng)基的采用以及發(fā)酵周期的縮短加劇了對氧的需求；形成產物的最佳氧濃度和生長的最佳氧濃度有可能是不同的；發(fā)酵罐中氧的吸收率很低；（多數＜2%；通常＜1%）加大通氣量會引起過多泡沫；消泡劑不利于氧的溶解。第四十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五目前的發(fā)酵工業(yè)氧的利用率是很低的。在抗生素發(fā)酵中，被微生物利用的氧不超過空氣中含氧量的2%，即使是利用率高的谷氨酸發(fā)酵，也不過10%~30%，大量的無菌空氣被浪費掉。第四十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五1、氧的傳遞和傳質方程式①氧傳遞的阻力：氣相到氣液界面；氣液界面；通過液膜；液相；細胞或細胞團表面液膜；固液界面；細胞團內；細胞壁；反應（生化）阻力。從空氣泡到細胞內總阻力為上述阻力之和。即1/kt=1/kG+1/kI+1/kL+1/kLB+1/kLC+1/kIS+1/kA+1/kW+1/kR液相主體到細胞壁，氧的濃度差很小。（細胞不結團時，壁氧的濃度與液膜接近）。第四十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五1、氧的傳遞和傳質方程式氧傳遞的總推動力：氣相與細胞內的氧分壓差和濃度差。減小阻力方法：

★液膜，氣液混合所生湍動；細胞團表面液膜，攪拌減小外徑，減少阻力；

★細胞團內阻力和壁阻力，攪拌減少逆向擴散梯度；反應阻力，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件，產物移去。第四十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五1、氧的傳遞和傳質方程式②氣液相間的氧傳遞和氧傳質方程式。（氧分壓和濃度變化圖7-7）氧傳遞的主要阻力存在于氣膜和液膜中。單位體積培養(yǎng)液中的氧傳遞速率：OTR（dc/dt）=KLa（C*-CL）

a—比表面積；KL—以氧濃度為推動力的總傳遞系數（氧傳質系數）

C*—氣液平衡的液相氧濃度（應有）；

CL—液相主體氧濃度（存在）。

第四十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五氣液相間的氧傳遞和氧傳質方程式

培養(yǎng)物處于充裕的通氣情況下，

CL會逐漸接近C*，氧傳遞速率漸?。欢幱诓怀湓５耐馇闆r下，CL下降趨于0，氧傳遞速率最大。

（C*-CL—推動力）第四十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五2、影響微生物對氧需求的因素

不同微生物對氧的需求不同，其耗氧速度用呼吸強度（比耗氧速率）來表示：

CLQO2=(QO2)m————(當氧是限制性基質時)K0+CL(QO2)m——最大比耗氧速率；

CL——溶解氧濃度；

K0——氧的米氏常數。各種菌的K0和(QO2)m有定值（表7-3；表7-4）。第四十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五影響微生物對氧需求的因素菌的呼吸強度與菌種種類[K0，(QO2)m]和培養(yǎng)液中溶解氧濃度有關。CL增加，QO2增強；直至達到[CL/（K0+CL）≈1]臨界值，再不加大。如：圖7-8。第四十九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五2、影響微生物對氧需求的因素攝氧率：單位體積培養(yǎng)液，在單位時間內耗氧量。r=QO2·XX—細胞濃度。氧的滿足度：溶解氧濃度與臨界氧濃度之比。產物形成的最佳氧濃度有時與細胞生長最佳氧濃度不同，需氧量差別較大，各有不同。第五十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五影響微生物攝氧率的因素

①菌種；②溶解氧濃度；③細胞濃度；④培養(yǎng)基成分和濃度：如：碳源，利用速度不同攝氧率不同；⑤pH；⑥溫度：溫度高，臨界值增高；⑦有毒物積累。抑制呼吸；⑧揮發(fā)性中間物（有機酸），加強。第五十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五3、培養(yǎng)基的流變特性

培養(yǎng)基的流變特性影響：動量、熱量、質量傳遞，繼而影響各種發(fā)酵條件。如：溶氧速率、氣體交換、發(fā)酵溫度、營養(yǎng)物補充、PH值的調節(jié)等。培養(yǎng)液是一多相體系，由液相、固相（菌體，不溶性培養(yǎng)基組分）和氣相構成。第五十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五①牛頓流體和非牛頓流體

牛頓型流體：服從牛頓黏性定律，黏度只是溫度的函數，與流變狀態(tài)無關。即發(fā)酵罐中任何局部黏度相同，與攪拌速度、半徑無關。（清細菌、酵母液）非牛頓型流體：不服從牛頓黏性定律，其黏度不僅受溫度影響，而且隨流動狀態(tài)而異?？煞譃閹追N類型的流體。與切變率r有關。（放線菌、霉菌、高濃度細菌、酵母培養(yǎng)液）第五十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五②非牛頓流體的攪拌功率罐中非牛頓流體的平均切變率與攪拌速度成正比。_

平均切變率r=kN

k—無因次常數

N—攪拌器轉速對不同的非牛頓流體，采用不同型式和大小的攪拌器，k值一般在10-13之間。在發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液的黏度系數K、流變特征指數n表現出時變性。第五十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、影響供氧的因素

由氧傳質方程式：

OTR=KLa（C*-CL）可知，以下因素影響氧傳遞速率：（1）影響KLα的因素；（2）影響推動力（C*-CL）的因素。第五十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（1）影響KLα的因素①攪拌：攪拌的作用是把通入的氣體打碎氣泡變小，增大氣液相接觸面積；延長汽泡在液體中的停留時間；增加湍動程度，減小氣泡外液膜厚度，減小阻力；使培養(yǎng)基成分和細胞均勻分布，利于營養(yǎng)物吸收，代謝物擴散。攪拌比通氣速度對KLα的影響更明顯。

第五十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五通氣效率還與罐體積（越小越好）、罐形狀、結構、攪拌器形式、擋板有關。而通常發(fā)酵裝置采用的機械攪拌的方式是普通提高溶氧系數的行之有效的方法但攪拌速度過高，會對細胞造成損傷，并會增加傳熱的負擔。第五十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（1）影響KLα的因素②空氣流量：供氧，帶走廢氣。KLa隨空氣流量增加而增加，但有限度。如超過限度，攪拌器在空氣泡中空轉，不能分散空氣，攪拌功率下降。氣沿軸逸出。第五十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（1）影響KLα的因素③培養(yǎng)液性質的影響：微生物生長繁殖和代謝可引起發(fā)酵液密度、黏度、表面張力、擴散系數的變化。這些性質的變化都會影響KLa值。如：黏度增大，滯留液膜厚度增加，傳質阻力增大；同時黏度影響擴散系數，使通氣效率降低。綜合操作條件和流體性質對KLα的影響，有：KLα表面張力、黏度、離子濃度、密度等)第五十九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（1）影響KLα的因素④微生物生長的影響：

細胞濃度增加，KLa值變小，細胞濃度相同時，如球狀菌菌懸液的KLa值是絲狀菌懸液KLa值的兩倍。（流動特性，稠度差別較大）

第六十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（1）影響KLα的因素

⑤消沫劑的影響：消泡劑的油脂等具有親水基團和疏水端分布于氣液界面，增大傳遞阻力，使KL下降（雖使a增大）。產生泡沫原因多樣，其中發(fā)酵性泡沫氧低，CO2高，不易破，“逃液”。消沫劑雖然使KL下降，但最終會有效的改善發(fā)酵液的通氣效率。（消泡沫的重要手段）第六十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（1）影響KLα的因素⑥離子強度的影響：氣泡在電解質溶液中，比在水中小很多，a較大，KLa值也比水大。并隨濃度增加而增大。丙酮、乙醇、甲醇等有機溶劑也有類似情況。第六十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五綜上，KL和a兩個系數常以乘積的形式一起應用，俗稱為“通氣效率”可用來衡量發(fā)酵罐的通氣狀況。高值表示通氣條件富裕；低值則表示通氣條件貧乏。第六十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（2）影響推動力的因素

提高推動力實際上是增加氧的飽和度C*。影響因素有：①溫度：常壓下，隨溫度升高而降低。②溶質的影響：隨濃度增加氧飽和度下降。電解質，因鹽析作用而降低；有機溶液，升高。③罐壓：罐壓增加，溶解氧濃度增加，但CO2也增加且更快。不利于液相中CO2排出。對細胞滲透壓有不利影響。④純氧：富氧通氣、溶解氧增加。但生產成本提高，不夠經濟。第六十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五5、液相體積氧傳遞系數KLα的測定常握供氧，需氧情況，要測定：溶解氧濃度，攝氧率和液相體積氧傳遞系數KLa。1.攝氧率的測定：先用純水標定電極，得單位電流值代表的溶解氧濃度；測定時、關氣、除氣、保持攪拌；細胞耗氧，培養(yǎng)基氧降，電流值降，攝氧率r求出。第六十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五5、液相體積氧傳遞系數KLα的測定2.液相體積氧傳遞系數KLa的測定：可用直接測定法，動態(tài)測定法。用復膜氧電極測定，停氣、N氣、除氣，保攪拌；溶氧下降，到呼吸臨界氧濃度時，恢復通氣。溶解氧濃度為縱坐標，測定時間為橫坐標。制得曲線，其斜率=-1/KLα；延長線與縱軸的截距為C*。第六十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五6、控制溶氧的工藝手段（1）改變通氣速率改變通氣速率主要是通過變化KLα來改變供氧能力。有2種情況：A：在低通氣量的情況下，增大通氣量對提高溶氧濃度有十分顯著的效果B:在空氣流速已經十分大的情況下，再增加通氣速率，作用便不明顯。反而會產生某些副作用。如：泡沫的形成，水分的蒸發(fā)、罐溫的增加、以及雜菌幾率增加等第六十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（2）改變攪拌速度一般說來，改變攪拌速度的效果要比改變通氣速率大，原因是A:通氣泡沫被充分破碎，增加有效氣液接觸面積B：液流的滯流增加，氣泡周圍液膜厚度和菌絲表面液膜厚度減小，并延長了氣泡在液體中的停留時間，因而就較明顯地增加了KLα提高了供氧能力。第六十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（3）改變氣體組成中的氧分壓用通入純氧的方法來改變空氣中氧的含量，提高了C*,因而提高了供氧能力。純氧成本高，但對于某些發(fā)酵需要時，如溶氧低于臨界值時，短時間內加入純氧是有效而可行的。這種方法在實驗室動植物細胞培養(yǎng)中已被采用第六十九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（4）改變罐壓改變罐壓，實際上就是改變氧的分壓來提高C*，從而提高供氧能力，但是通常不是一種高效方法因為：A：提高罐壓就要相應的增加空壓機的出口壓力，增加了動能消耗B:發(fā)酵罐的強度也要相應增加C：提高罐壓后，產生的CO2溶解量也要增加，會使發(fā)酵液的pH值發(fā)生變化，對菌體生產是極為不利的。第七十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（5）改變發(fā)酵液的理化性質如果培養(yǎng)基的性質是限制氧傳遞的因素時，要根據具體的狀況對培養(yǎng)液的某一物理性質加以改造：如加入消泡劑、補加無菌水、改變培養(yǎng)基的成分等都可以改善通氣效果，以適應菌的生長和生產。第七十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（6）加入傳氧中間介質近年來通過中間介質的加入來提高生物應用的傳氧系數已引起了注意。這些傳氧介質一般是不溶于培養(yǎng)基的液體，呈乳化狀態(tài)來提高氣液相之間的傳遞。在氣液相之間起到了氧傳遞的促進作用A：血紅蛋白B：烴類碳氫化合物（煤油、石蠟、甲苯）C:含氟碳化物第七十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五四、二氧化碳對發(fā)酵的影響及控制二氧化碳的來源：是微生物的代謝產物，也是某些合成代謝的一種基質。二氧化碳對發(fā)酵的影響：

1、對菌體；

2、對產物。第七十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五例如，在產黃青霉的生長和產物形成中的CO2來源菌體生長：菌體維持：青霉素生產：第七十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五二氧化碳對發(fā)酵的影響1、對菌體：

◆CO2效應：在發(fā)酵生產中不同微生物或某一生長階段對二氧化碳有著特殊的要求（促進或必須）；

◆通常對菌體生長有抑制作用。排氣中高于4％時，糖代謝和呼吸速率下降。2、對產物：

◆需占一定的比例（或分壓），過高、過低產量都會下降；

◆CO2對某些發(fā)酵產生抑制作用。如：抗生素，組氨酸等；

◆二氧化碳可通過改變pH而影響發(fā)酵生產。第七十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五原因：

CO2作用膜脂質核心部位，改變膜流動性及表面電荷密度，影響膜運輸效率，導致細胞生長受限制，形態(tài)改變；（HCO3-影響細胞膜的膜蛋白）也可產生反饋作用，使PH下降，與其他物質反應，與生長必需金屬離子形成碳酸鹽沉淀，過分耗氧，引起溶解氧下降等，影響菌體生長和產物合成。第七十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵液中CO2濃度的影響因素：◆細胞呼吸強度；◆發(fā)酵液流變學特性；◆通氣攪拌程度；◆罐壓大小；◆設備規(guī)模。二氧化碳濃度的控制方法：◆調節(jié)罐壓、通氣量和攪拌速度；◆補料。（青霉素：補糖，增加CO2

產生，降低PH。）第七十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五呼吸商與發(fā)酵的關系呼吸商：發(fā)酵過程中二氧化碳的釋放率（CER）與攝氧率（OUR）的比值稱為呼吸商。也即呼吸作用所釋放的CO2和吸收的O2的分子比。第七十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五糖類：當其完全氧化分解時，氧只用于與碳形成二氧化碳，也就是說每釋放m摩爾CO2需吸收m摩爾O2，故呼吸商為1。

脂質：完全氧化分解時，由于其分子中氫對氧的比例較糖分子中高，氧既需用于碳氧化，也要用于與氫氧化，需消耗較多的氧，故呼吸商小于1（0.7～0.8

）在低氧的條件下，由于生物體內存在無氧呼吸，特別是以糖類做為呼吸底物時，呼吸商明顯會大于1。因此生物體呼吸作用類型的不同，在一定程度上也影響呼吸商數值的大小。另外，如果呼吸底物是機酸，因其相對含氧量高，呼吸商也會大于1。

第七十九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五五、泡沫對發(fā)酵的影響及控制泡沫產生的原因泡沫過多對發(fā)酵的危害泡沫的消長規(guī)律泡沫的消除和防止第八十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五1、泡沫產生的原因充氣產生泡沫微生物代謝氣體形成泡沫泡沫的產生與培養(yǎng)基性質有關（蛋白質原料、蜜糖水解原料，淀粉水解不完全時易發(fā)泡）第八十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五2、泡沫過多對發(fā)酵的危害使裝量減少，或造成跑液，使產量降低；通過軸封泄漏，污染設備，增加染菌機會；菌體粘附罐頂、罐壁，發(fā)酵液中菌體量減少；影響通氣攪拌的進行，造成減產或菌體提前自溶；菌體提前自溶會促使更多泡沫形成，惡性循環(huán)；減風量，影響溶解氧濃度，影響生長、代謝；加消泡劑，給提取工藝帶來困難。第八十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五3、泡沫的消長規(guī)律通氣和攪拌：隨通氣和攪拌增加而增加，攪拌比通氣影響大；培養(yǎng)基原料性質：蛋白胨、玉米漿、花生餅粉、黃豆餅粉、酵母粉等蛋白質原料是主要發(fā)泡物質；第八十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五培養(yǎng)基滅菌方法：溫度過高，形成蛋白黑色素，5—羥甲基糖醛，泡沫增多；細胞代謝活動：初期，高粘度、低張力，泡多；中期，粘度降、張力升，泡少；后期，自溶，泡沫上升。第八十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、泡沫的消除和防止消泡方法：改變培養(yǎng)基成份，減少通氣，選育新生產種化學法：添加消泡劑（油類等），應用面廣機械法：靠機械強烈振動，壓力的變化，使 氣泡破裂，或借助機械力將排出氣 體中的液體加以分離回收 第八十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、泡沫的消除和防止化學消泡法機理：由于消泡劑本身的表面張力較低，當其與氣泡膜表面接觸時，使氣泡膜局部的表面張力降低，從而使氣泡破裂。消泡劑的特點：是表面活性劑，具有一定的親水性，溶解度較小，無毒，不干擾溶氧、pH值等測定儀表的使用，來源廣，價廉。缺點： 1、消耗多種油類或化工原料；

2、使發(fā)酵液中氧的吸收減少1/5-1/3。第八十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4.化學消泡法A.消泡劑的作用：降低泡沫液膜的機械強度；降低液膜的表面黏度；兼有兩者的作用，達到破裂泡沫的目的。B.作為生物工業(yè)理想的消泡劑，應具備下列條件：應該在氣－液界面上具有足夠大的鋪展系數，才能迅速發(fā)揮消泡作用，這就要求消泡劑有一定的親水性；應該在低濃度時具有消泡活性；應該具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；應該對微生物、人類和動物無毒性；應該對產物的提取不產生影響；不會在使用、運輸中引起任何危害；來源方便，成本低；應該對氧傳遞不產生影響；能耐高溫滅菌。第八十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五C.常用的消泡劑有4大類：天然油脂類高級醇類聚醚類硅樹脂類以天然油脂類和聚醚類在生物發(fā)酵中最為常用。豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和豬油等。油不僅用作消泡劑，還可作為碳源和發(fā)酵控制的手段。在發(fā)酵中，要控制油的質量、新鮮程度，并要進行發(fā)酵試驗檢驗。聚醚類消泡劑品種很多，它們是氧化丙稀或氧化丙稀和環(huán)氧乙烷與甘油聚合而成的聚合物。聚氧丙稀甘油（GP型）——氧化丙稀和甘油聚合；親水性差，在發(fā)泡介質中的溶解度小，所以用于稀薄發(fā)酵液中要比用于粘稠發(fā)酵液中的效果好；抑泡性能比消泡性能好，適宜用于基礎培養(yǎng)基中，以抑制泡沫的產生。聚氧乙烯氧丙稀甘油（GPE型，泡敵）——氧化丙稀、環(huán)氧乙烷與甘油聚合；親水性好，在發(fā)泡介質中易鋪展，消泡能力強，作用快，溶解度大，消泡活性維持時間短，用于粘稠發(fā)酵液的效果比用于稀薄的好。第八十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五化學消泡劑的應用主要取決于該消泡劑的消泡性能和擴散能力，還與加入量和加入時機有關。生產上常用以下方法：（1）借助某些載體和機械作用使消泡劑更易于在發(fā)酵液中進行分散。同時載體的使用能產生明顯的增效作用：如當用聚丙烯甘油作消泡劑時，以豆油為載體的消泡增效作用非常明顯。第八十九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五（2）多種消泡劑并用可增強消泡效果：如用0.5%-3%的硅酮、20%-30%的植物油、5%-10%的聚乙醇二油酸脂、1%-4%的多元醇脂肪酸組成的混合消泡劑有明顯的消泡增強效果（3）利用乳化劑增強消泡劑的消泡效果，如與吐溫80-作為乳化劑可增強聚氧丙烯甘油的消泡效果1—2倍。第九十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、泡沫的消除和防止機械消泡優(yōu)點：節(jié)省原料、減少了染菌機會缺點：不能從根本上消除引起氣泡的原因，不如化學消泡迅速可靠，需設備，耗能。機械消泡裝置的選擇依據：

動力小、結構簡單、堅固耐用、清潔（殺菌）容易、維修（保養(yǎng)）費用少第九十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、泡沫的消除和防止機械消泡方法罐內消泡：在發(fā)酵罐內消除泡沫耙式消泡槳、碟式消泡器等罐外消泡：將泡沫引出發(fā)酵罐外，消泡后再 返回罐內旋轉葉片消泡器、離心式消泡器等第九十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、泡沫的消除和防止耙式消泡槳第九十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、泡沫的消除和防止碟片式消泡器（罐頂）優(yōu)點：消泡能力強，功耗小

缺點：結構復雜，維護麻煩馬達泡沫液體第九十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、泡沫的消除和防止旋轉葉片罐外消泡第九十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五4、泡沫的消除和防止離心力罐外消泡（分散法）第九十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五*、中間控制—補料補料的內容補充能源和碳源補充氮源補充微量元素和無機鹽補充誘導酶的作用底物補料的原則：根據微生物的生長代謝與生物合成規(guī)律，控制微生物的中間代謝，使之向有利于生產的方向發(fā)展。第九十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五中間控制—補料補料中應注意的問題選擇合適的補料的時機、方式和控制指標料液的配比要恰當（如C/N等）注意對培養(yǎng)基性質的改變（如pH值等）加強無菌控制經濟、節(jié)約第九十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五六發(fā)酵終點的判斷要確定一個合理的放罐時間，需要考慮下列幾個因素：一、經濟因素二、產品質量因素三、特殊因素以最低的成本來獲得最大生產能力的時間為最適發(fā)酵時間。在正常情況下，可根據作業(yè)計劃，按時放罐；在異常情況下，如染菌、代謝異常（糖耗緩慢等），就應根據不同情況，進行適當處理，以免倒罐。為了能夠得到盡量多的產物，應該及時采取措施（如改變溫度或補充營養(yǎng)等），并適當提前或拖后放罐時間。第九十九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五判斷放罐的指標：產物濃度、過濾速度、菌絲形態(tài)、氨基氮、pH、DO、發(fā)酵液的黏度和外觀等。一般，菌絲自溶前會出現一些跡象：如氨基氮、DO和pH值開始上升、菌絲碎片增多、黏度增加、過濾速度下降等。對于絕大多數抗生素類，放罐時間掌握在菌絲自溶前，以便胞內抗生素釋放出來。總之，發(fā)酵終點的判斷需綜合多方面的因素統籌考慮。第一百頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)發(fā)酵過程檢測與自控電子計算機的使用，為發(fā)酵過程的檢測和自控注入了巨大的活力。檢測方法：物理測量（如溫度、壓力、體積、流量等）物理化學測量（pH值、溶氧、溶CO2、氧化還原電位、氣相成分等）化學測量（基質、前體、產物等的濃度）生物學和生物化學測量（生物量、細胞形態(tài)、酶活性、胞內成分等）第一百零一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵過程自控是根據對過程變量的有效測量及對過程變化規(guī)律的認識，借助于由自動化儀表和電子計算機組成的控制器，操縱其中一些關鍵變量，使過程向著預定的目標發(fā)展。包括：和過程的未來狀態(tài)相聯系的控制目的或目標（如要求控制的溫度、pH值、生物量濃度等）；一組可供選擇的控制動作（如閥門的開、關，泵的開、停等）；一種能夠預測控制動作對過程狀態(tài)影響的模型（如用加入基質的濃度和速率控制細胞生長率時需要能表達它們之間相關關系的數學式）。這三者相互聯系、相互制約，組成具有特定自控功能的自控系統。第一百零二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五一、狀態(tài)參數指能反映過程中菌的生理代謝狀況的參數，如pH、溶氧、CO2、尾氣O2、黏度、菌濃等。應用的探頭必須耐反復的高溫蒸汽滅菌?；蚩缮炜s的探頭二、間接參數指通過基本參數求得的，如攝氧率（OUR）、KLα、呼吸商（RQ）等。三、離線發(fā)酵分析目前的發(fā)酵液中的基質、前體和代謝產物的分析都依賴于人工取樣和離線分析，見表7-16.第一百零三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五計算機控制技術在發(fā)酵工業(yè)中的應用

工業(yè)生產發(fā)酵過程控制系統,可用于發(fā)酵過程營養(yǎng)劑補加控制、消沫控制以及對發(fā)酵過程中溫度、罐壓、PH值、供氣量等參數的控制。系統用于抗生素、VC、VB、酶制劑、酵母、味精等發(fā)酵生產過程控制。第一百零四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五在線監(jiān)測圖示第一百零五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五我國是發(fā)酵工業(yè)大國,但目前我國發(fā)酵工業(yè)的控制技術還比較落后,在工業(yè)生產中仍以人工控制為主,采用計算機控制技術起步較晚,普及率太低。“七五”末期,首先在青霉素發(fā)酵過程中進行試驗,并取得了良好的效果。“八五”期間又陸續(xù)在土霉素、潔霉素、維生素C等產品中推廣應用,經濟效益十分顯著。統計資料表明,我國青霉素發(fā)酵單位“七五”期間在25000U/m1左右徘徊,由于采用計算機發(fā)酵過程控制技術和菌種的改進,到“八五”期間已經突破5000U/m1大關。僅華北制藥廠、哈藥總廠與“七五”期間相比,年純增經濟效益超過3000萬元?！笆濉逼陂g,國家醫(yī)藥管理局仍然把發(fā)酵生產過程采用計算機控制技術列為推廣工作的重點。

第一百零六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五FKⅠ型發(fā)酵過程控制系統

1主要技術參數

·檢測參數:發(fā)酵溫度、消毒溫度、通氣流量、罐壓力、發(fā)酵液體積、PH值、溶解氧分子含量、尾氣中的二氧化碳和二氧化碳含量、攪拌速度等,以及公用工程參數檢測。

·控制參數:發(fā)酵溫度控制、發(fā)酵液PH值控制、營養(yǎng)劑流加控制、消沫防逃液控制、通氣流量控制、罐頂壓力控制、連消控制等。

第一百零七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五2系統的構成

發(fā)酵過程控制系統采用三級管理,也可只取二級管理系統。在該系統中,自成一個二級管理的控制DCS系統,監(jiān)控站用于對全車間發(fā)酵罐群的集中檢測與參數給定控制,并對各罐發(fā)酵參數集中顯示和存儲。監(jiān)控站配有51厘米彩色CRT、點陣打印機和彩色噴墨打印機(PRN)。針式點陣打印機用于各種數據表格打印,彩噴用于顯示彩色畫面拷貝。主要畫面括概貌畫面,分組畫面,單元畫面,報警畫面,動態(tài)流程畫面,實時趨勢畫面和歷史趨勢畫面等。第一百零八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五3與發(fā)酵控制系統配套的儀表(1)補料控制器

補料控制器主要是為了解決發(fā)酵過程中由于料液清潔度、粘度和高溫滅菌等因素,使用常規(guī)的流量計與調節(jié)閥反饋控制難以保持正常工作狀態(tài),特別是無法克服發(fā)酵過程染菌的問題而設計的。采用了計量罐與開關閥控制的方法。其工作原理是:根據計量罐體積和補料速率計算出補一罐營養(yǎng)劑的周期,通過改變補一罐料液的周期來改變補料速率。例如:選用1升罐體,設定補料率為100升/小時,在計算機控制下,把1小時分成100個等間隔時間,分別在此時間內流加一罐營養(yǎng)劑,即每36秒鐘補加一罐營養(yǎng)劑。

第一百零九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五3與發(fā)酵控制系統配套的儀表(2)FXⅠ防污染消沫控制器

在發(fā)酵工業(yè)生產中,經常拌隨著泡沫的產生,當泡沫增多時,除了給發(fā)酵帶來很多不利因素,還會出現逃液,給生產帶來直接的經濟損失。發(fā)酵過程中,消沫控制是不可缺少的工作。

目前在國內發(fā)酵工業(yè)中,均采用電阻式單電極測量原理的消沫控制,在一般正常工作條件下來達到消沫目的。但在使用過程中,由于污染結垢而引起電極絕緣性能下降,在電極表面產生泄漏電流,造成電極呈短路狀態(tài),引起控制失靈,產生誤動作,造成過量加入消泡劑,同樣給生產造成損失。

第一百一十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五FXⅠ防污染消沫控制器采用雙電極式電阻測量原理,其中一個敏感電極用于探測液位,另一個保護電極用于抵消污垢產生的泄漏電流;有效地避免了因污染造成的誤動作。該控制器在系統中配套使用效果良好。

第一百一十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五三、傳感器和執(zhí)行器

發(fā)酵過程控制系統是一個機電一體化的控制系統,在系統中,計算機是核心和紐帶,就工業(yè)現場應用而言,系統成敗的關鍵卻在傳感器與執(zhí)行器上。特別是執(zhí)行器,如果滿足不了防污染、不染菌的技術條件,將會給生產帶來災難性的后果。

在執(zhí)行器方面,利用航天技術成果,開發(fā)出一系列可滿足發(fā)酵過程補料控制,消沫控制,PH值控制等專用計量罐和不銹鋼波紋管氣動隔膜閥,閥門工作壽命達100萬次以上。由于實現了控制回路與受控介質之間全密封,有效地解決了不泄漏,耐高溫、不染菌等難題。在系統中配套使用,取得了良好的效益。

第一百一十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五本章知識體系掌握溫度對發(fā)酵的影響及調節(jié)控制掌握PH對發(fā)酵的影響及控制理解氧對發(fā)酵的影響及控制了解氧的傳遞與傳質方程式；了解影響供氧的因素了解二氧化碳對發(fā)酵的影響及控制掌握泡沫對發(fā)酵的影響及控制第一百一十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五第七章結束第一百一十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)溫度對發(fā)酵的影響及其控制一、溫度對發(fā)酵的影響微生物發(fā)酵所用的菌體絕大多數是中溫菌，如霉菌、放線菌和一般細菌。它們的最適生長溫度一般在20～40℃。溫度會影響各種酶反應的速率，改變菌體代謝產物的合成方向，影響微生物的代謝調控機制。影響發(fā)酵液的理化性質，進而影響發(fā)酵的動力學特性和產物的生物合成。在發(fā)酵過程中，需要維持適當的溫度，才能使菌體生長和代謝產物的合成順利進行。第一百一十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五二、影響發(fā)酵溫度變化的因素產熱因素：生物熱（Q生物）、攪拌熱（Q攪拌）散熱因素：蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）、輻射熱（Q輻射）、顯熱（Q顯）發(fā)酵熱（Q發(fā)酵）是發(fā)酵溫度變化的主要因素。Q發(fā)酵＝Q生物＋Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q輻射－Q顯為了使發(fā)酵能在一定溫度下進行，要設法進行控制。由于Q生物、Q蒸發(fā)和Q顯，特別是Q生物在發(fā)酵過程中隨時間變化，因此發(fā)酵熱在整個發(fā)酵過程中也隨時間變化，引起發(fā)酵溫度發(fā)生波動。第一百一十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五三、溫度的控制最適溫度的選擇溫度的控制在生長階段，應選擇最適生長溫度；在產物分泌階段，應選擇最適生產溫度。發(fā)酵溫度可根據不同菌種、不同產品進行選擇。工業(yè)生產上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況較多。利用自動控制或手動調整的閥門，將冷卻水通入發(fā)酵罐的夾層或蛇行管中，通過熱交換來降溫，保持恒溫發(fā)酵。如果氣溫較高（特別是我國南方的夏季氣溫），冷卻水的溫度又高，致使冷卻效果很差，達不到預定的溫度，就可采用冷凍鹽水進行循環(huán)式降溫，以迅速降到最適溫度。因此大工廠需要建立冷凍站，提高冷卻能力，以保證在正常溫度下進行發(fā)酵。第一百一十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)pH值對發(fā)酵的影響及其控制一、pH值對發(fā)酵的影響影響酶的活性，當pH值抑制菌體中某些酶的活性時，會阻礙菌體的新陳代謝；影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細胞膜的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物的吸收和代謝產物的排泄；影響培養(yǎng)基中某些組分的解離，進而微生物對這些成分的吸收；pH值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產物的質量和比例發(fā)生改變。第一百一十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五二、發(fā)酵過程pH值的變化在發(fā)酵過程中，隨著菌種對培養(yǎng)基種碳、氮源的利用，隨著有機酸和氨基酸的積累，會使pH值產生一定的變化。1、生長階段：菌體產生蛋白酶水解培養(yǎng)基中的蛋白質，生成銨離子，使pH上升至堿性；隨著菌體量增多，銨離子的消耗也增多，另外糖利用過程中有機酸的積累使pH值下降。2、生產階段：這個階段pH值趨于穩(wěn)定。3、自溶階段：隨著養(yǎng)分的耗盡，菌體蛋白酶的活躍，培養(yǎng)液中氨基氮增加，致使pH又上升，此時菌體趨于自溶而代謝活動終止。第一百一十九頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五pH值培養(yǎng)時間培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液pH值的大致變化趨勢由此可見，在適合于菌生長及合成產物的環(huán)境條件下，菌體本身具有一定的調節(jié)pH的能力，但是當外界條件變化過于劇烈，菌體就失去了調節(jié)能力，培養(yǎng)液的pH就會波動。第一百二十頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五三、引起發(fā)酵液pH值異常波動的因素pH值的變化決定于所用的菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件。1、pH下降：①培養(yǎng)基中碳、氮比例不當。碳源過多，特別是葡萄糖過量，或者中間補糖過多加上溶氧不足，致使有機酸大量積累而pH下降；②消泡劑加得過多；③生理酸性物質的存在，銨被利用，pH下降。2、pH上升：①培養(yǎng)基中碳、氮比例不當。氮源過多，氨基氮釋放，使pH上升；②生理堿性物質存在；③中間補料氨水活尿素等堿性物質加入過多。第一百二十一頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五四、發(fā)酵pH值的確定和控制1.發(fā)酵pH值的確定微生物發(fā)酵的最適pH值范圍一般是在5～8之間。最適pH值是根據實驗結果來確定的。將發(fā)酵培養(yǎng)基調節(jié)成不同的出發(fā)pH值，進行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，定時測定和調節(jié)pH值，以分別維持出發(fā)pH值，或者利用緩沖液來配制培養(yǎng)基來維持。到時觀察菌體的生長情況，以菌體生長達到最高值的pH值為菌體生長的合適pH值。用同樣的方法，可測得產物合成的合適pH值。同一產品的合適pH值，與所用的菌種、培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件有關。在確定合適發(fā)酵pH值時，不定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響，若溫度提供或降低，合適pH值也可能發(fā)生變動。第一百二十二頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五2.pH值的控制首先考慮和試驗發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎配方，使它們有個適當的配比，使發(fā)酵過程中的pH值變化在合適的范圍內。在發(fā)酵過程中直接補加酸或堿和補料的方式來控制；補充生理酸性物質（如(NH4)2SO4）和生理堿性物質（如NaNO3）來控制。第一百二十三頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制一、溶解氧對發(fā)酵的影響在發(fā)酵過程中，影響耗氧的因素有以下幾方面：（1）培養(yǎng)基的成分和濃度（2）菌齡（3）發(fā)酵條件第一百二十四頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五二、溶解氧濃度的控制在供氧方面，主要是設法提高氧傳遞的推動力和液相體積氧傳遞系數。調節(jié)攪拌轉速或通氣速率來控制供氧；控制補料速度來控制基質的濃度，從而達到最適的菌體濃度，保證產物的比生長速率維持在最大值，又不會使需氧大于供氧。采用調節(jié)溫度（降低培養(yǎng)溫度可提高溶氧濃度）、液化培養(yǎng)基、中間補水、添加表面活性劑等工藝措施，來改善溶氧水平。第一百二十五頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五第五節(jié)菌體濃度和基質對發(fā)酵的影響及其控制一、菌體濃度對發(fā)酵的影響及控制菌體（細胞）濃度【簡稱菌濃】是指單位體積培養(yǎng)液中菌體的含量。菌濃的大小，在一定條件下，不僅反映菌體細胞的多少，而且反映菌體細胞生理特性不完全相同的分化階段。第一百二十六頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五依靠調節(jié)培養(yǎng)基的濃度來控制菌濃。首先確定基礎培養(yǎng)基配方中有個適當的配比，避免產生過濃（或過?。┑木w量。然后通過中間補料來控制，如當菌體生長緩慢、菌濃太稀時，則可補加一部分磷酸鹽，促進生長，提高菌濃；但補加過多，則會使菌體過分生長，超過臨界濃度，對產物合成產生抑制作用。利用菌體代謝產生的CO2量來控制生產過程的補糖量，以控制菌體的生長和濃度。第一百二十七頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五二、基質對發(fā)酵的影響及控制基質即培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物質。1.碳源對發(fā)酵的影響及控制迅速利用的碳源緩慢利用的碳源葡萄糖、蔗糖等迅速參與代謝、合成菌體和產生能量，并產生分解產物，有利于菌體生長，但有的分解代謝產物對產物的合成可能產生阻遏作用；多數為聚合物，淀粉等為菌體緩慢利用，有利于延長代謝產物的合成，特別有利于延長抗生素的分泌期，也有許多微生物藥物的發(fā)酵所采用。在工業(yè)上，發(fā)酵培養(yǎng)基中常采用含迅速和緩慢利用的混合碳源。第一百二十八頁，共一百四十三頁，編輯于2023年，星期五2.氮