發(fā)酵工藝控制

--好好學(xué)習(xí)，每天向上--10一.發(fā)酵體系的主要特征

發(fā)酵工藝把握概述1.2.3.過(guò)程系統(tǒng)狀態(tài)的時(shí)變性及參數(shù)的多樣性和簡(jiǎn)潔性影響因素多，有的因素未知，主要影響因素變化。發(fā)酵水平主要取決于：生產(chǎn)菌種的特性；對(duì)工藝條件的把握〔適合程度〕必需了解：菌體的生理代謝規(guī)律工藝條件對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響及其把握發(fā)酵過(guò)程的有關(guān)變化規(guī)律常規(guī)發(fā)酵的工藝把握參數(shù)：溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速與功率、空氣流量、罐壓、液位、補(bǔ)料速率及補(bǔ)料量等。二.發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)直接狀態(tài)參數(shù)指能直接反映發(fā)酵過(guò)程中微生物生理代謝狀況的參數(shù)包括：pHDOCO2O2CO2〔OD、DCW、濕重〕等參數(shù)的檢測(cè)在線檢測(cè)各種傳感器：pH電極、DO電極、溫度電極、液位電極、泡沫電極尾氣：測(cè)尾氣O2CO2含量pH〔GC)〔HPLC)〔GC-MS)等間接狀態(tài)參數(shù)指利用直接狀態(tài)參數(shù)計(jì)算求得的參數(shù)μO(píng)URCO2釋放率CERRQYX/O、氧體積傳質(zhì)系數(shù)KLa、基質(zhì)比消耗速率QS、產(chǎn)物比生成速率Qp等綜合各種狀態(tài)參數(shù)，獲得代謝過(guò)程的各種信息，從而對(duì)發(fā)酵過(guò)程做出相應(yīng)的調(diào)整和把握，以獲得最經(jīng)濟(jì)的發(fā)酵生產(chǎn)。三.發(fā)酵過(guò)程的代謝調(diào)控和優(yōu)化代謝調(diào)控以代謝〔流〕的調(diào)整最重要調(diào)整酶的合成量，稱為“粗調(diào)” 調(diào)整酶的催化活性，稱為“細(xì)調(diào)”工藝把握和過(guò)程優(yōu)化的實(shí)質(zhì)，就是利用各種方法和手段，使細(xì)胞的外部和內(nèi)部環(huán)境最適合基質(zhì)和能量流向產(chǎn)物合成的生物途徑，以獲得最大的產(chǎn)量。發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的一般步驟確定反映發(fā)酵過(guò)程的各種理化參數(shù)及其檢測(cè)方法爭(zhēng)論這些參數(shù)的變化對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響及其機(jī)制，獲得最正確的范圍和最適的水平建立數(shù)學(xué)模型定量描述個(gè)參數(shù)間隨時(shí)間的變化關(guān)系，為過(guò)程優(yōu)化把握供給依據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)施在線自動(dòng)檢測(cè)和把握，驗(yàn)證各種把握模型的可行性及其適用范圍，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的最優(yōu)把握基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響及其把握先進(jìn)的培育基組成是充分支持高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)酵過(guò)程的關(guān)鍵因素之一。一.基質(zhì)種類一般包括：碳源、氮源和無(wú)機(jī)鹽前體二.基質(zhì)〔原料〕的質(zhì)量隨產(chǎn)地和生產(chǎn)工藝而異須保證穩(wěn)定的原料質(zhì)量尤其對(duì)有機(jī)碳源和氮源，經(jīng)屢次試驗(yàn)而定三. 基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響每一種基質(zhì)都有一個(gè)適宜的濃度范圍基質(zhì)濃度太低影響細(xì)胞的生長(zhǎng)，不能保證足夠量的菌體進(jìn)展生產(chǎn)；延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間，降低生產(chǎn)效率基質(zhì)濃度太高菌體生長(zhǎng)太旺盛，發(fā)酵液黏度很大，KLa很小，DO很低，影響發(fā)酵正常進(jìn)展；影響產(chǎn)物形成：如酵母利用葡萄糖進(jìn)展培育，葡萄糖濃度太高，將進(jìn)展無(wú)氧發(fā)酵，產(chǎn)生乙醇，即為crabtree效應(yīng)又如葡萄糖氧化酶〔GOD)發(fā)酵中：低濃度下：誘導(dǎo)作用高濃度下：分解代謝物阻遏作用8%→6%26%以銨鹽為氮源發(fā)酵：NH4+濃度過(guò)高，產(chǎn)生銨離子效應(yīng)，影響生長(zhǎng)和合成基質(zhì)濃度的把握初始培育基中：基質(zhì)濃度適宜〔由試驗(yàn)而定〕發(fā)酵過(guò)程：通過(guò)補(bǔ)料操作來(lái)把握基質(zhì)濃度應(yīng)依據(jù)菌體特性、工藝條件要求和發(fā)酵過(guò)程中代謝的具體狀況，確定補(bǔ)料方式、速率和補(bǔ)料量。滅菌狀況滅菌溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)培育基破壞作用越大，影響菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成。如葡萄糖氧化酶〔GOD)發(fā)酵中，滅菌溫度比滅菌時(shí)間對(duì)產(chǎn)酶的影響更大。一些易被高溫破壞的成分如葡萄糖、前體等應(yīng)當(dāng)分消。種子質(zhì)量的影響種子的質(zhì)和量對(duì)菌種生長(zhǎng)的快慢和產(chǎn)物的合成存在重要的影響。接種菌齡菌齡指在種子罐中培育的菌體從開(kāi)頭培育至接種到下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐的這段培育時(shí)間適宜菌齡以對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的后期，即培育液中菌濃接近頂峰時(shí)的種子較適宜菌齡過(guò)小發(fā)酵前期生長(zhǎng)緩慢，整個(gè)發(fā)酵周期延長(zhǎng)，產(chǎn)物開(kāi)頭形成的時(shí)間推遲菌齡過(guò)大菌量較多，生產(chǎn)力氣下降，菌體過(guò)早自溶最適的菌齡須屢次試驗(yàn)，由發(fā)酵的結(jié)果而定接種量接種量指接〔移〕種的種子液體積與培育液體積之比適宜的接種量與菌體的特性〔生長(zhǎng)生殖速度〕及發(fā)酵工藝有關(guān)常用接種量：5%~10%抗生素生產(chǎn)：20%~25%，甚至更大較大的接種量：可縮短生長(zhǎng)到達(dá)頂峰的時(shí)間，使產(chǎn)物合成提前，削減雜菌生長(zhǎng)的時(shí)機(jī)接種量太小生長(zhǎng)延遲期延長(zhǎng)，發(fā)酵周期長(zhǎng)，產(chǎn)物形成較遲，生產(chǎn)效率降低接種量過(guò)大生長(zhǎng)過(guò)快，發(fā)酵液黏度增加，溶氧缺乏，影響產(chǎn)物合成溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其把握菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成都是在各種酶的催化下完成的，溫度是保證酶活性的重要條件，因此在發(fā)酵過(guò)程中維持穩(wěn)定而適宜的溫度就顯得格外重要?！绊懓l(fā)酵溫度的因素1發(fā)酵熱發(fā)酵熱是指發(fā)酵過(guò)程中釋放的凈熱量，Q發(fā)酵[J/(m3·h)]Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌－Q蒸發(fā)－Q顯－Q輻射生物熱Q生物：菌體在生長(zhǎng)生殖過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱稱為生物熱；由生物大分子〔碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)〕分解為小分子〔CO2、NH3、H2O等〕而產(chǎn)生的；一局部用于合成高能化合物、菌體合成、維持代謝、產(chǎn)物合成，其余以熱的形式釋放出來(lái)；攪拌熱Q攪拌：好氣培育中由于攪拌作用而產(chǎn)生的熱量Q蒸發(fā)Q顯：由于發(fā)酵液中水分的蒸發(fā)帶走的熱量為Q蒸發(fā)由尾氣的排出帶走的熱量為顯熱輻射熱Q輻射：由于罐內(nèi)外溫差，發(fā)酵液中通過(guò)罐體向外輻射的熱量3000~7000×(m3·h)為了維持確定的溫度，須實(shí)行相應(yīng)的措施：在蛇管或夾套內(nèi)，通入冷卻水〔或熱水〕進(jìn)展冷卻〔或加熱。影響生物熱的因素12菌體對(duì)基質(zhì)的利用速率越大3發(fā)酵過(guò)程中代謝越旺盛》生物熱越大抗生素高產(chǎn)量批號(hào)的生物熱高于低產(chǎn)量批號(hào)，說(shuō)明抗生素合成時(shí)菌體的代謝格外旺盛生物熱與呼吸強(qiáng)度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系二溫度對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響最適生長(zhǎng)溫度和耐受范圍各異，跨度一般為30℃1 溫度對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響溫度對(duì)菌體生長(zhǎng)和死亡的影響菌體的生長(zhǎng)速率： dX/dt=μX－αX (2-1)式中μ為比生長(zhǎng)速率，α為比死亡速率溫度對(duì)μ和α的影響可以用Arrennius方程表示：lnμ=lnA－Ea/RT (2-2)lnα=lnA”－E”a/RT (2-3)式中AEa分別為Arrennius常數(shù)和活化能，R和T分別為通用氣體常數(shù)和確定溫度典型活化能Ea：50~70kJ/mol死亡活化能E”a：300~380kJ/mol假設(shè)發(fā)酵溫度從T1提高至T〔T=T2－T1，菌體的μ(2-2ln〔μ1/μ2〕=－Ea/R〔1/T1－1/T2〕=－〔Ea/R〕×△T/〔T1T2〕 (2-4)同樣可得： ln〔α1/α2〕=－〔E”a/R〕×△T/〔T1T2〕 (2-5)由于E”a＞Ea，因此比死亡速率α的變化大于比生長(zhǎng)速率μ的變化，即溫度對(duì)具有高活化能的死亡速率的影響遠(yuǎn)大于具有較低活化能的生長(zhǎng)速率；菌體的生長(zhǎng)必需保持在確定的溫度范圍，假設(shè)超過(guò)這個(gè)范圍，菌體就生長(zhǎng)不好，甚至無(wú)法生長(zhǎng)又如青霉素發(fā)酵中：生長(zhǎng)的Ea=34kJ/mol合成的Ea=112kJ/mol說(shuō)明青霉素合成速率對(duì)溫度更敏感，可以承受變溫發(fā)酵來(lái)提高青霉素的合成；YX/S的影響在酵母的培育中：溫度上升，得率系數(shù)YX/S隨之下降；維持所需的能量增加；維持活化能：50~70kJ/mol；T最大轉(zhuǎn)化率略低于T最適生長(zhǎng)溫度對(duì)細(xì)胞代謝的影響溫度上升，μ增大，生物大分子的比例也增大重組蛋白生產(chǎn)：T3042℃，以誘導(dǎo)產(chǎn)物的形成。溫度對(duì)細(xì)胞脂質(zhì)成分的影響溫度降低， 脂質(zhì)成分不飽和程度增加， 不飽和脂肪酸的含量增大三溫度對(duì)發(fā)酵的影響溫度對(duì)生長(zhǎng)和生產(chǎn)的影響是不同T↑，酶反響速率↑ 生長(zhǎng)代謝加快，生產(chǎn)期提前T↑，酶易因過(guò)熱而失活， 菌體簡(jiǎn)潔年輕，發(fā)酵周期縮短，影響最終產(chǎn)量T變化轉(zhuǎn)變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，氧的溶解度基質(zhì)的傳質(zhì)速率 菌體對(duì)養(yǎng)分的分解和吸取速率影響產(chǎn)物的合成溫度還會(huì)影響生物合成的方向金色鏈霉菌培育中：T≤30℃，合成金霉素T≥35℃，合成四環(huán)素利用溫度對(duì)代謝的調(diào)整作用〔20℃〕〔37℃〕下抗生素發(fā)酵中：后期降低溫度，使蛋白質(zhì)和核酸合成途徑關(guān)閉早些 代謝轉(zhuǎn)向產(chǎn)物合成途徑四最適溫度的選擇●依據(jù)菌種及生長(zhǎng)階段選擇最適生長(zhǎng)溫度與最適生產(chǎn)溫度往往不同■微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同■在發(fā)酵前期由于菌量少，發(fā)酵目的是要盡快到達(dá)大量的菌體，取稍高的溫度，促使菌的呼吸與代謝，使菌生長(zhǎng)快速24~27℃；中后期黃原膠形成溫度：30~33℃20~25h20%●依據(jù)培育條件選擇最適溫度的選擇應(yīng)參考其他發(fā)酵條件，靈敏把握◆供氧條件供氧較差溫度降低→生長(zhǎng)速率小→發(fā)酵液較稀→提高DO◆培育基的成分和濃度較稀或較易利用溫度提高→養(yǎng)分耗竭早→菌絲自溶早→產(chǎn)量降低紅霉素發(fā)酵：提高溫度黃豆餅粉培育基效果＞玉米漿培育基效果紅霉素發(fā)酵：0~30h：溫度較高，促進(jìn)生長(zhǎng)30~150h：稍低溫度，維持較長(zhǎng)產(chǎn)素期150h后：升溫，促進(jìn)抗生素分泌青霉素發(fā)酵：0~5h：30℃→5~40h：25℃→40~125h：20℃→125~165h：25℃2515%最適發(fā)酵溫度應(yīng)依據(jù)具體的菌種特性和發(fā)酵條件來(lái)確定，以利于產(chǎn)物的最大生產(chǎn)pH對(duì)發(fā)酵的影響及其把握pH是微生物代謝活動(dòng)的綜合指標(biāo)，是發(fā)酵過(guò)程格外重要的狀態(tài)參數(shù)pH變化規(guī)律不同微生物的最適pH范圍不一樣最適pH pH上下限細(xì)菌和放線菌： ~ ~酵母菌： ~ ~霉菌： ~ ~生長(zhǎng)pH跨度：3~4個(gè)pH單位 最正確生長(zhǎng)pH跨度：~1生長(zhǎng)最適溫度高的菌種，其最適pH也相應(yīng)高微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的最適pH通常不一樣菌種特性 產(chǎn)物化學(xué)性質(zhì)抗生素合成的pH：鏈霉素和紅霉素： ~，中性偏堿金霉素和四環(huán)素： ~青霉素： ~檸檬酸： ~pH是變化的■糖代謝特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一■氮代謝當(dāng)氨基酸中的-NH2被利用后pHNH3，pH上升，NH3利用后pH下降，當(dāng)碳源缺乏時(shí)氮源當(dāng)碳源利用pH上升?！錾硭嵝浴⑸韷A性物質(zhì)利用后pH會(huì)下降或上升；■產(chǎn)物形成某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液pH變化■菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升pH的變化對(duì)發(fā)酵過(guò)程各種酶的活性 菌體對(duì)基質(zhì)的利用速率 細(xì)胞的構(gòu)造 影響生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成二發(fā)酵過(guò)程最適pH的選擇選擇的準(zhǔn)則： 獲得最大的比生長(zhǎng)速率， 適當(dāng)?shù)木浚?最高產(chǎn)物產(chǎn)量利福霉素B生產(chǎn)： 生長(zhǎng)期pH：生產(chǎn)期p比全程pH14%pH的把握調(diào)整好根底料的pH 根底料中假設(shè)含有玉米漿，pH呈酸性，必需調(diào)整pH。假設(shè)要把握消后pH在，消前pH往往要調(diào)到~pH的物質(zhì)如CaCO3通過(guò)補(bǔ)料調(diào)整pH 在發(fā)酵過(guò)程中依據(jù)糖氮消耗需要進(jìn)展補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào)pH沒(méi)有沖突時(shí)承受補(bǔ)料調(diào)pH：〔1〕調(diào)整補(bǔ)糖速率，調(diào)整空氣流量來(lái)調(diào)整pH〔2〕當(dāng)NH2-N低，pH低時(shí)補(bǔ)氨水；當(dāng)NH2-N高，pH高時(shí)補(bǔ)(NH4)2SO4pHpH溶氧對(duì)發(fā)酵的影響及其把握氧的溶解度及溶氧檢測(cè)方法氧的溶解度 氧的溶解度很低 28℃，發(fā)酵液中100%DO：7mg/LDO易成為限制因素 與供氧(攪拌)、需氧狀況有關(guān)溶氧的檢測(cè)測(cè)氧覆膜電極極譜型電極原電池型電極外加穩(wěn)壓電源 白金和銀-氯化銀電極自身產(chǎn)生確定電流 銀-鉛電極經(jīng)得起高壓蒸汽滅菌〔130℃，1h〕漂移不大于1%/d 精度和準(zhǔn)確度在±3%臨界氧及發(fā)酵過(guò)程溶氧變化規(guī)律溶氧濃度單位氧分壓或氧張力(DOT) 大氣壓或毫米汞柱 100%DO，DOT=159mmHg汞柱 醫(yī)療單位確定濃度 mgO2/L或ppm，Winkler氏化學(xué)法測(cè)定 環(huán)保單位相對(duì)濃度 空氣飽和度百分?jǐn)?shù)，發(fā)酵行業(yè) 反映菌體生理代謝變化和對(duì)產(chǎn)物合成的影響溶氧電極的標(biāo)定接種前進(jìn)展標(biāo)定方法：在確定的溫度、罐壓和通氣攪拌下以消后培育基100%作為基準(zhǔn)臨界氧呼吸臨界氧指不影響細(xì)胞呼吸所允許的最低溶氧濃度對(duì)產(chǎn)物：指不影響產(chǎn)物合成所允許的最低溶氧濃度兩者一般不同測(cè)定■呼吸臨界氧可用尾氣O2含量變化和通氣量測(cè)定或用電極測(cè)定■產(chǎn)物合成的臨界氧 維持氧在確定的范圍，考察不同DO濃度對(duì)合成的影響臨界氧呼吸合成卷須霉素13%~23%8%頭孢霉素5%~7%10%~20%溶氧變化可反映菌體的生長(zhǎng)生理狀況初期DO開(kāi)頭下降：1~5h 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期DO明顯下降，并消滅一低谷如抗生素：10~70h消滅DO低谷土霉素：10~30h 卷須霉素：25~30h 赤霉素：20~60h 紅霉素：25~50h二次生長(zhǎng)DO先上升，后下降 生長(zhǎng)衰退或自溶DO上升DO并非越高越好過(guò)高的DO對(duì)生長(zhǎng)不利，甚至產(chǎn)生有害作用：形成生O、O2－、O22－或OH－破壞細(xì)胞的組成生產(chǎn)次級(jí)代謝產(chǎn)物，須把握生長(zhǎng)不過(guò)量溶氧可作為發(fā)酵過(guò)程特別的指示有些操作故障或事故引起的溶氧變化1攪拌問(wèn)題2空氣與液體未能充分混合3一次加油過(guò)量》》 DO下降●補(bǔ)料是否得當(dāng)引起的溶氧變化補(bǔ)料過(guò)密或補(bǔ)料量過(guò)多 DO缺乏，消滅“發(fā)酸”現(xiàn)象■“發(fā)酸” 指DO缺乏，產(chǎn)生乙醇，與代謝中的有機(jī)酸反響，形成一種帶香味的酯類物質(zhì)的現(xiàn)象●污染雜菌DO特別在短時(shí)間內(nèi)跌至零2~5DO●作為質(zhì)量把握指標(biāo)天冬酰氨酶發(fā)酵 前期好氣培育，后期厭氣培育；DO降為45%，培育方式轉(zhuǎn)變；酶活力提高6倍酵母或其他菌體生產(chǎn) 溶氧分壓高于×105Pa，進(jìn)展同化作用；溶氧低，消滅糖的異化作用生成乙醇；酵母產(chǎn)量減產(chǎn)溶氧參數(shù)在發(fā)酵過(guò)程把握方面的應(yīng)用把握原理 補(bǔ)糖后，代謝增加，DO下降；碳源缺乏，呼吸減小，DO上升；利用DO并結(jié)合其他參數(shù)進(jìn)展補(bǔ)料把握青霉素發(fā)酵的過(guò)程把握 利用DO、pH、尾氣O2和CO2進(jìn)展補(bǔ)料把握原則： 加糖速率正好使菌體處于半饑餓狀態(tài)，僅能維持菌的正常生理代謝，把更多的糖用于產(chǎn)物合成，且其攝氧率不超過(guò)設(shè)備的供氧力氣KLa把握系統(tǒng)： 帶氧電極的直接類比的加糖系統(tǒng)方法：按DO、KLaDO高于把握點(diǎn)，糖閥開(kāi)大，使DO下降；DO低于把握點(diǎn)，加糖速率減小，使DO上升優(yōu)點(diǎn)：DO把握更符合要求；到達(dá)把握參數(shù)所需時(shí)間縮短；抑制由于種子質(zhì)量的不穩(wěn)定導(dǎo)缺點(diǎn)：前期只能人工把握溶氧的把握 溶氧的變化是氧的供需不平衡的結(jié)果●供氧方面dC/dt=KLa(C*－CL) (2-6)式中，dC/dt為溶氧濃度變化，KLa為氧體積傳質(zhì)系數(shù)，KL為氧傳質(zhì)系數(shù)，a為氣液比外表積，C*為罐內(nèi)氧分壓下在水中的飽和濃度，CL為發(fā)酵液中的溶氧濃度KL、aC*DOC*的措施CCO2濃度也增加，逃液KLa的措施提高攪拌轉(zhuǎn)速：較低轉(zhuǎn)速下，效果明顯如赤霉素發(fā)酵15~50h，DO降為10% 155r/min→180r/min，DO提前24h上升 158h發(fā)酵單位到達(dá)比照180h水平，產(chǎn)量提高15%攪拌器的構(gòu)造： 攪拌器類型：封閉式、開(kāi)放式；葉片外形：彎葉、平葉、箭葉；擋板數(shù)和擋板寬度；攪拌器直徑/罐直徑；攪拌擋數(shù)和位置發(fā)酵液黏度： 加無(wú)菌水 把握補(bǔ)料速率及補(bǔ)料量●需氧方面攝氧率 r=QO2X (2-7)r為攝氧率，QO2為呼吸強(qiáng)度，X為菌體濃度需氧與菌種、培育基、溫度、補(bǔ)料等條件有關(guān)培育基養(yǎng)分的豐富程度 限制養(yǎng)分的供給削減菌的生長(zhǎng)速率；限制對(duì)氧的消耗，提高DO；從總的經(jīng)濟(jì)狀況，有利于提高生產(chǎn)力氣溫度的影響降低溫度，可以增加氧的溶解度；由于C*增加，提高DO；溶氧只是發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)之一，必需協(xié)作其他參數(shù)，才能對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)展調(diào)控，到達(dá)增產(chǎn)節(jié)能的目標(biāo)二氧化碳和呼吸商CO2是呼吸和分解代謝的終產(chǎn)物 發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生大量的二氧化碳二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響CO2可作為某些產(chǎn)物合成的基質(zhì)精氨酸合成： 其前體氨甲酰磷酸合成需要CO2作為基質(zhì)化能養(yǎng)分菌： 能以CO2作為唯一碳源利用異養(yǎng)菌： 在需要時(shí)可利用補(bǔ)給反響固定CO2CO2對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響CO2對(duì)生長(zhǎng)有直接的影響如尾氣中CO2濃度高于4%： 碳水化合物的代謝和菌體的呼吸速率下降溶解的CO2濃度到達(dá)×10－2mol： 嚴(yán)峻抑制酵母的生長(zhǎng)進(jìn)口CO2含量到達(dá)80%： 酵母的活力只為比照值的80%生長(zhǎng)受到CO2的抑制阻遏基質(zhì)的異化及ATP的生成 影響產(chǎn)物的合成CO2對(duì)氨基酸、抗生素合成有抑制或刺激作用組氨酸發(fā)酵 CO2濃度大于×105Pa； 產(chǎn)量隨CO2分壓的增大而下降精氨酸發(fā)酵 最適CO2分壓：×105Pa；高于此值，對(duì)合成存在較大影響青霉素發(fā)酵CO2分壓：×105Pa； 比合成速率降低40%紫蘇霉素合成 進(jìn)口CO2含量為1%和2%時(shí)；產(chǎn)量為比照的2/3和1/7CO2對(duì)細(xì)胞的影響CO2對(duì)細(xì)胞形態(tài)的影響產(chǎn)黃青霉：不同CO2濃度，菌絲形態(tài)也發(fā)生變化CO2分壓 菌絲形態(tài)0~8% 絲狀15%~22% 膨脹、粗短×105Pa 球狀、酵母狀 合成受阻CO2對(duì)細(xì)胞的作用機(jī)制CO2和HCO3－都會(huì)影響細(xì)胞膜的構(gòu)造▲溶解的CO2：細(xì)胞膜的脂肪酸核心部位▲HCO3－：磷脂、親水頭部帶電荷外表、膜外表上的蛋白質(zhì)CO2濃度達(dá)一臨界值膜的流淌性；膜外表電荷密度；基質(zhì)的膜運(yùn)輸受阻；細(xì)胞處于麻醉狀態(tài)；形態(tài)發(fā)生變化；抑制細(xì)胞生長(zhǎng)CO2的影響10m，氣壓×105Pa；罐底CO22CO2CO2的溶解度、溫度及通氣狀況呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系RQOUR=QO2X(2-7)CER=QCO2X(2-8)RQ=CER/OUR(2-9)OUR和CER可用進(jìn)出口氣體中O2和CO2濃度計(jì)算O2濃度CO2濃度變化呈反向同步關(guān)系RQ與發(fā)酵過(guò)程的代謝途徑的關(guān)系RQ反映菌體的代謝狀況RQ=：糖代謝遵循有氧代謝途徑，僅供生產(chǎn)，無(wú)產(chǎn)物生成RQ﹥：遵循EMP途徑，生成乙醇 RQ=：生成檸檬酸RQ﹤：生成的乙醇被當(dāng)作基質(zhì)利用利用不同基質(zhì)及發(fā)酵不同階段，RQ值不同大腸桿菌/RQ丙酮酸葡萄糖甘油青霉素生產(chǎn)/RQ〔理論值〕生長(zhǎng)維持生產(chǎn)產(chǎn)物復(fù)原性比基質(zhì)大，RQ值增加；產(chǎn)物氧化性比基質(zhì)大，RQ值減小RQ測(cè)定值明顯低于理論值說(shuō)明存在不完全氧化的中間代謝物和葡萄糖以外的碳源，比方油等油主要用于把握生長(zhǎng)，并作為維持和產(chǎn)物合成的碳源補(bǔ)料對(duì)發(fā)酵的影響及其把握補(bǔ)料的作用是準(zhǔn)時(shí)供給菌體合成產(chǎn)物的需要補(bǔ)料的策略●補(bǔ)料的方法一次性大量補(bǔ)料；屢次少量；連續(xù)流加；快速、恒速、指數(shù)、變速抗生素生產(chǎn)：屢次少量補(bǔ)料培育基成分單一成分多組分補(bǔ)料●補(bǔ)料速率的優(yōu)化■依據(jù) 菌體對(duì)養(yǎng)分的消耗速率及所設(shè)定的最低維持濃度■方法▲連續(xù)培育方法產(chǎn)黃青霉 不同μ下：C、N、O、P、S、乙酸鹽，最適生長(zhǎng)所需的各種基質(zhì)補(bǔ)料速率▲模型法青霉素發(fā)酵建立菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成和基質(zhì)消耗模型，優(yōu)化不同設(shè)備供氧力氣的補(bǔ)料速率不管KLa的大小，都有一最正確補(bǔ)料速率KLa有關(guān)KLa大，補(bǔ)料速率加大，產(chǎn)量提高；KLa小，補(bǔ)料速率減小，到達(dá)相應(yīng)最高水平▲間歇補(bǔ)糖黃原膠發(fā)酵以間歇補(bǔ)糖方法；生長(zhǎng)期：葡萄糖含量把握在30~40g/L；維持較高的葡96h43g/L補(bǔ)料的依據(jù)和推斷●補(bǔ)料的依據(jù)菌的形態(tài)、糖濃度、DOCO2含量、攝氧率、RQ的變化等一般以發(fā)酵液中的殘?zhí)菨舛葹檠a(bǔ)料依據(jù)次級(jí)代謝產(chǎn)物，把握復(fù)原糖濃度在5g/L■以其他指標(biāo)做依據(jù)纖維素酶生產(chǎn)： 監(jiān)控CO2的生成進(jìn)展把握現(xiàn)代酵母生產(chǎn)： 測(cè)量尾氣中的微量乙醇把握糖蜜的流加■不同的補(bǔ)料方式會(huì)產(chǎn)生不同的效果大腸桿菌培育〔通過(guò)補(bǔ)料：把握DO不低于臨界值，菌體濃度40g/；把握pH值，有利提高產(chǎn)率；把握生長(zhǎng)速率適中，有利提高菌體濃度和產(chǎn)率谷氨酸發(fā)酵：補(bǔ)料速率用攝氧率把握使補(bǔ)料速率與基質(zhì)消耗速率相等攝氧率OUR與糖耗速率qsX的關(guān)系：K=OUR/qsX=耗氧量/糖耗 (2-10)KOUR估算糖耗K理論值為，最正確值為計(jì)算：K=，糖耗估算過(guò)高，補(bǔ)糖過(guò)量；K=，糖耗估算過(guò)低，補(bǔ)糖不夠；K=，加糖速率與糖耗速率相當(dāng)青霉素發(fā)酵：通過(guò)補(bǔ)料把握生長(zhǎng)和氧耗補(bǔ)糖過(guò)量，酸的積存和供氧缺乏；補(bǔ)糖缺乏，有機(jī)氮當(dāng)作碳源，pH上升和菌量失調(diào)；把握補(bǔ)糖，維持確定范圍的DO和pH；菌體處于半饑餓狀態(tài)生產(chǎn)期：DO比pH的影響更大， 主要把握DO補(bǔ)料把握的依據(jù)：糖、CO2、pH的相關(guān)性作為補(bǔ)料把握的參數(shù)；尾氣CO2中的變化比pH更敏感CO2CER來(lái)把握補(bǔ)糖速率前體苯乙酸的補(bǔ)加：少量屢次補(bǔ)加；把握在亞水平；高產(chǎn)菌種399#：0.3g/L；菌種RA18：~1.2g/L比生長(zhǎng)速率作用和把握μ是生物反響器動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)重要參數(shù)●面包酵母的培育葡萄糖傳感器進(jìn)展在線檢測(cè)；把握殘?zhí)窃谧钸m濃度；或通過(guò)監(jiān)控乙醇濃度和 RQ值承受指數(shù)補(bǔ)料；維持μ最大值●閉環(huán)把握系統(tǒng)能直接測(cè)定μ值；程序把握器/反響補(bǔ)償器〔PF〕系統(tǒng)：程序把握器把握μ值，反響補(bǔ)償器補(bǔ)償噪音或干擾的損失整個(gè)系統(tǒng)稱PF-MRAC系統(tǒng)公稱基質(zhì)補(bǔ)料速率〔SF遠(yuǎn)大于S：F=μ*XV/YSF (2-11)μ*S的函數(shù)，可用卡爾曼濾波器估算X值；由X和V計(jì)算F值，到達(dá)把握μ的目的酵母培育生產(chǎn)谷胱甘肽〔GSH)：μ對(duì)GSH和乙醇的比生產(chǎn)速率QG和QB都有影響；μ在左右對(duì)QG有一臨界值μC酵母培育生產(chǎn)酸性磷酸酯酶：27℃，有利于μ；32.56h最適合泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其把握泡沫的產(chǎn)生及其影響●定義■泡沫是氣體在液體中的粗分散體，屬于氣液非均相體系■美國(guó)道康寧公司：體積密度接近氣體，而不接近液體的“氣/液”分散體●產(chǎn)生由于通氣、攪拌、產(chǎn)生的CO2及發(fā)酵液中的某些外表活性物質(zhì)形成定向吸附層，起到穩(wěn)定泡沫的作用，在發(fā)酵液中形成泡沫●影響增加氣液接觸面積，利于氧的傳遞；降低了發(fā)酵罐的裝料系數(shù)；增加了菌群的非均一性，影響菌群整體效果；增加了染菌的時(shí)機(jī)；大量泡沫，易引起逃液；消泡劑的參與影響發(fā)酵和產(chǎn)物的提取●泡沫穩(wěn)定性的因素pH、基質(zhì)濃度、泡沫外表積作用發(fā)酵過(guò)程泡沫產(chǎn)生的緣由●通氣攪拌的猛烈程度 通氣大、攪拌猛烈可使泡沫增多●培育基配比與原料組成 培育基養(yǎng)分豐富，黏度大，產(chǎn)生泡沫多而長(zhǎng)期●菌種、種子質(zhì)量和接種量 菌種質(zhì)量好，生長(zhǎng)速度快，可溶性氮源較快被利用，泡沫產(chǎn)生幾率也就少。菌種生長(zhǎng)慢的可以加大接種量●滅菌質(zhì)量 培育基滅菌質(zhì)量不好，糖氮被破壞，抑制微生物生長(zhǎng)，使種子菌絲自溶，產(chǎn)生大量泡沫，加消泡劑也無(wú)效泡沫的把握泡沫的把握可分為機(jī)械和消泡劑兩種方法●機(jī)械消泡法利用機(jī)械力起猛烈振動(dòng)或壓力變化起消泡作用消泡裝置：罐內(nèi)或罐外罐內(nèi)：在攪拌軸上安裝消泡槳罐外：將泡沫引出罐外，通過(guò)噴嘴的加速作用或離心力粉碎泡沫■優(yōu)點(diǎn) 不需引入外界物質(zhì)，削減了染菌時(shí)機(jī)■缺點(diǎn) 不能從根本上消退泡沫●消泡劑法消泡劑種類自然油脂、聚醚類、高級(jí)醇類和硅樹(shù)脂類▲自然油脂 玉米油、豆油、米糠油、棉籽油、豬油等同時(shí)可作碳源▲聚醚類 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯氧丙烯甘油〔泡敵〕用%，消泡力氣比植物油大10倍泡敵： 親水性好，易鋪展，消泡力氣強(qiáng)，但溶解度大，維持時(shí)間短▲高級(jí)醇類十八醇：與冷榨豬油一起用于青霉素發(fā)酵的消泡聚二醇：消泡效果長(zhǎng)期，用于霉菌發(fā)酵▲硅樹(shù)脂類 聚二甲基硅氧烷及其衍生物；不溶于水，單獨(dú)使用效果差；與分散劑〔微晶SiO2〕一起使用；用于放線菌、細(xì)菌的發(fā)酵消泡劑的應(yīng)用▲消泡作用取決于集中力氣分散方式：機(jī)械法和分散劑法分散劑的作用：水；幫助消泡劑集中和緩慢釋；加速和延長(zhǎng)消泡劑的作用；減小消泡劑的粘性，便于運(yùn)輸；土霉素和金霉素發(fā)酵： 泡敵︰植物油︰水=2~3︰5~6︰30青霉素發(fā)酵： 滴加玉米油KLaa下降；DO快速降低，甚至跌至零過(guò)量的消泡劑：影響菌體的呼吸和物質(zhì)透過(guò)細(xì)胞壁的運(yùn)輸，因此應(yīng)盡量削減消泡劑的用量發(fā)酵終點(diǎn)的推斷發(fā)酵的目標(biāo)●原材料和發(fā)酵本錢(qián)占整個(gè)生產(chǎn)本錢(qián)的主要局部追求目標(biāo)：提高產(chǎn)率、得率、發(fā)酵系數(shù)●下游提取本錢(qián)占主要局部和產(chǎn)物附加值高追求目標(biāo)：高產(chǎn)率、發(fā)酵系數(shù)和高產(chǎn)物濃度總生產(chǎn)率●體積生產(chǎn)率 單位體積發(fā)酵液、單位發(fā)酵時(shí)間形成的產(chǎn)物量●總生產(chǎn)率 發(fā)酵時(shí)間為總的發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)間，包括發(fā)酵周期、及放罐、洗罐和滅菌時(shí)間等t=tT+tD+tL+ln(X1/X2)/μm (2-12)tT、tD、tL分別為放罐檢修，洗罐、打料和滅菌時(shí)間，生長(zhǎng)延遲時(shí)間；X1和X2分別μm為最大比生長(zhǎng)速率提高總生產(chǎn)率，必需縮短發(fā)酵周期放罐的時(shí)機(jī)●放罐太早殘留過(guò)多養(yǎng)分，增加提取工藝的負(fù)擔(dān)●放罐太晚菌絲自溶，延長(zhǎng)過(guò)濾時(shí)間，使不穩(wěn)定產(chǎn)物濃度下降，影響提取流程打算●放罐時(shí)間適當(dāng)一般在菌絲自溶前放罐pH、DO、發(fā)酵液黏度和外觀等pH、DO開(kāi)頭上升，菌絲碎片增多，黏度增大，過(guò)濾速率下