微生物工程課件

發(fā)酵過程的參數(shù)檢測

和自動控制提綱一、發(fā)酵過程的參數(shù)檢測

1、物理參數(shù)檢測

2、化學(xué)參數(shù)檢測

3、間接參數(shù)檢測二、發(fā)酵過程的自動控制

1、基本的自動控制系統(tǒng)

2、發(fā)酵自動控制系統(tǒng)的硬件組成一、發(fā)酵過程的參數(shù)檢測微生物工程的基本任務(wù)：通過對發(fā)酵過程的有效控制，高效利用微生物內(nèi)在能力，低能耗、低物耗地最大限度生產(chǎn)生物產(chǎn)品。方法：發(fā)酵過程的參數(shù)檢測，定性、定量描述，有效控制。微生物的生長代謝過程是動態(tài)變化過程，屬于開放系統(tǒng)。根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)特點可分為：物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)、間接參數(shù)三類。測參數(shù)的測量形式分為：就地信號系統(tǒng)，在線測量系統(tǒng)和離線測量。測量難度：傳感器須耐高溫；固形物附著傳感器；氣泡干擾；產(chǎn)生滅菌死角；成分分析難轉(zhuǎn)電信號。一、發(fā)酵過程的參數(shù)檢測1、物理參數(shù)檢測1）溫度測量

感溫元件：鉑電阻（精、穩(wěn)但貴）；銅電阻（便宜、但需長、大，易氧化）；半導(dǎo)體（精、小、簡、耐腐蝕但非線形）。二次儀表：溫度，0—150℃，與熱電阻型號匹配。1、物理參數(shù)檢測2）熱量測量（屬“微熱量”）①利用熱交換原理，測量一定時間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度（影響因素較多Q散Q顯Q攪，只能定性和估計）②利用溫度變化率S（℃/h）：先使罐溫恒定，再關(guān)閉自控裝置，測量S；③熱力學(xué)方法：

根據(jù)蓋斯定律：“在恒壓和恒容條件下，一個反應(yīng)不論是一步完成或幾步完成，其反應(yīng)熱是相同的”。這實際上是熱力學(xué)第一定律的必然推論，因為焓（H）是狀態(tài)函數(shù)，過程的焓變與途徑無關(guān)，只決定于過程的始態(tài)和終態(tài)。發(fā)酵熱可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱或標(biāo)準(zhǔn)生成熱來計算。1、物理參數(shù)檢測3）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；攪拌功率：（影響因素：菌絲濃度、黏度、泡沫）方法：功率表，測定力矩求功率法。1、物理參數(shù)檢測4）空氣流量測定體積流量型：會引起流體能量損失，受溫度和壓力變化的影響；①同心孔板壓差式流量計；②轉(zhuǎn)子流量計。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)計的流量計。1、物理參數(shù)檢測5）罐壓測量就地指示；轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄟh(yuǎn)傳）。選測、控點時，要避免死角，防止染菌。

1、物理參數(shù)檢測6）料液計量與液位控制壓差法：H=（△P2/△P1）·△H

直接重量測量法：直接稱重體積計量法：計算進(jìn)出料液流量計量法：計算流量和時間液位探針1、物理參數(shù)檢測7）發(fā)酵液粘度測定毛細(xì)管粘度計回轉(zhuǎn)式粘度計渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計2、化學(xué)參數(shù)檢測1）PH測量復(fù)合PH電極

（滅菌、穩(wěn)定、流通、耐壓）

PH測量儀器2、化學(xué)參數(shù)檢測2）溶解氧的測量溶氧電極法：這是一種參量變換器：把溶氧濃度變成一個與之呈線性關(guān)系的電流量，進(jìn)行測量，這種溶氧電極能耐蒸汽殺菌時的高溫，可以固定裝在發(fā)酵罐上，連續(xù)地測量培養(yǎng)液中溶氧濃度。亞硫酸鹽氧化法取樣極普法排氣法2、化學(xué)參數(shù)檢測3）溶解二氧化碳測量復(fù)膜式電極法滲透膜—碳酸氫鈉法4）發(fā)酵尾氣的在線分析

CO2分析氧濃度測量（如質(zhì)譜分析儀）2、化學(xué)參數(shù)檢測5）菌濃度的測量濁度法熒光測量排氣分析法粘度測定法熱量恒算法酶電極法恒電位電極法3、間接參數(shù)檢測1）數(shù)據(jù)處理2）間接數(shù)據(jù)的獲得質(zhì)量傳遞速率:OTR≈OUR(氧吸收率)=QO2X

組分比率

（呼吸商RQ：形成的CO2與耗O2之比）質(zhì)量傳遞系數(shù)：如氧：W=OTR=KLα（C*-CL）熱傳遞系數(shù)：QC=Fin

△H0in-Fout△H0out

其他間接參數(shù):如攪拌功率、葉尖速度、發(fā)酵液體積等。二、發(fā)酵過程的自動控制

變量測量和變化規(guī)律的認(rèn)識→控制器(自動化儀表、計算機組成)→控制關(guān)鍵變量→控制發(fā)酵過程1、基本的自動控制系統(tǒng)①前饋控制②反饋控制③自適應(yīng)控制2、發(fā)酵自動控制系統(tǒng)的硬件組成1、基本的自動控制系統(tǒng)①前饋控制：通過動態(tài)反應(yīng)快的變量測量來預(yù)測反應(yīng)慢、易干擾的被控對象的變化，并提前實施控制。如：通過冷卻水壓力（控制閥）控制溫度變化。1、基本的自動控制系統(tǒng)②反饋控制反饋控制是自動控制的主要方式控制器被控對象傳感器1、基本的自動控制系統(tǒng)②反饋控制溶解氧的串聯(lián)反饋控制1、基本的自動控制系統(tǒng)②反饋控制開關(guān)控制：控制閥門的全開全關(guān)；

PID控制：采用比例、積分、微分控制算法；串聯(lián)反饋控制：兩個以上控制器對一變量實施聯(lián)合控制；前饋/反饋控制：前饋控制與反饋控制相結(jié)合。1、基本的自動控制系統(tǒng)③自適應(yīng)控制：提取有關(guān)輸入、輸出信息，對模型和參數(shù)不斷進(jìn)行辯識，使模型逐漸完善；同時自動修改控制器的動作，適應(yīng)實際過程。——自適應(yīng)控制系統(tǒng)。2、發(fā)酵自動控制系統(tǒng)的硬件組成傳感器變送器執(zhí)行機構(gòu)電磁閥、氣動控制閥、電動調(diào)節(jié)閥、變速電機、正位移泵、蠕動泵。轉(zhuǎn)換器過程接口監(jiān)控計算機本章知識結(jié)構(gòu)發(fā)酵過程的參數(shù)檢測方法★溶解氧（DO）的測量發(fā)酵過程的自動控制方法★前饋控制和反饋控制預(yù)習(xí)內(nèi)容—微生物反應(yīng)動力學(xué)

分批培養(yǎng)中細(xì)胞的生長動力學(xué)細(xì)胞循環(huán)使用的單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)

微生物反應(yīng)動力學(xué)提綱一、發(fā)酵類型—動力學(xué)模型

1、第Ⅰ型2、第Ⅱ型3、第Ⅲ型二、分批培養(yǎng)動力學(xué)

1、分批培養(yǎng)中細(xì)胞的生長動力學(xué)

2、分批培養(yǎng)中基質(zhì)的消耗動力學(xué)

3、產(chǎn)物的生成動力學(xué)三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)

1、連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)點2、單級連續(xù)培養(yǎng)

3、多級連續(xù)培養(yǎng)4、細(xì)胞循環(huán)使用的連續(xù)培養(yǎng)

5、連續(xù)培養(yǎng)的實施一、發(fā)酵類型微生物反應(yīng)動力學(xué)：

研究各種環(huán)境因素與微生物代謝活動之間相互作用隨時間而變化的規(guī)律。發(fā)酵過程的動力學(xué)模型：討論產(chǎn)物形成與底物利用的關(guān)系。

如：碳源利用與產(chǎn)物形成速度的關(guān)系。一、發(fā)酵類型1、第Ⅰ型產(chǎn)物形成直接與碳源利用有關(guān)特點：菌體生長、碳源利用和產(chǎn)物形成幾乎都在相同的時間出現(xiàn)高峰。（直接相關(guān)）分兩種情況：①菌體生長類型：產(chǎn)物就是菌體；②代謝產(chǎn)物類型：產(chǎn)物是碳源的直接氧化產(chǎn)物。

如：酒精、乳酸、葡萄糖酸等。一、發(fā)酵類型2、第Ⅱ型產(chǎn)物形成間接與碳源利用有關(guān)特點：第一時期，菌體迅速增長，產(chǎn)物很少或無；第二時期，產(chǎn)物高速形成，生長可能有第二峰；碳源利用出現(xiàn)兩高峰。（部分相關(guān)）其產(chǎn)物不是碳源的直接氧化產(chǎn)物，而是菌體代謝的主流產(chǎn)物，產(chǎn)量較高。分兩類：①產(chǎn)物的形成是經(jīng)過連鎖反應(yīng)的過程；如：丙酮丁醇②產(chǎn)物的形成不經(jīng)過中間產(chǎn)物的積累。如：谷氨酸一、發(fā)酵類型3、第Ⅲ型產(chǎn)物形成表面上與碳源利用無關(guān)（不相關(guān)）特點：產(chǎn)物形成在菌體生長達(dá)最高時（穩(wěn)定期）。產(chǎn)量遠(yuǎn)低于碳源耗量，無準(zhǔn)量關(guān)系。如：抗生素、維生素等次級代謝產(chǎn)物。產(chǎn)量一般不超過碳源耗量的10％。一、發(fā)酵類型二、分批培養(yǎng)動力學(xué)

一次投料，一次接種，一次收獲的間歇培養(yǎng)。細(xì)胞、基質(zhì)、產(chǎn)物濃度均隨時間而不斷變化。1、分批培養(yǎng)中細(xì)胞的生長動力學(xué)

延遲期：細(xì)胞增加少，培養(yǎng)基濃度對其長短影響不大；對數(shù)生長期：細(xì)胞增加與種類、培養(yǎng)基、溫度、PH、限制性基質(zhì)濃度等因素有關(guān)；減速期：營養(yǎng)物（限制性基質(zhì)）不足，有害物積累，細(xì)胞增長速度下降；穩(wěn)定期：營養(yǎng)物（限制性基質(zhì)）耗盡，有害物大量積累，細(xì)胞濃度達(dá)最大值；衰亡期：細(xì)胞濃度下降，菌體開始死亡。二、分批培養(yǎng)動力學(xué)2、分批培養(yǎng)中基質(zhì)的消耗動力學(xué)①得率系數(shù)(倒數(shù)表示生成單位細(xì)胞或產(chǎn)物需要量)

菌體耗基質(zhì)Yx/s=△X/△S

菌體耗氧Yx/o=△X/△O2

產(chǎn)物耗基質(zhì)YP/s=△P/△S

產(chǎn)物耗氧YP/O=△P/△O2

種不同，基質(zhì)不同，系數(shù)各異。二、分批培養(yǎng)動力學(xué)②基質(zhì)消耗速率（以碳源討論）

ds

μx1dP

基質(zhì)消耗：-—=—+mx+—

—dtYGYPdt

YG、

YP—細(xì)胞、產(chǎn)物對基質(zhì)的得率系數(shù)；

m—維持系數(shù)，單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)，維持代謝消耗的基質(zhì)量；

μ—比速率，單位質(zhì)量干菌體在單位時間內(nèi)，產(chǎn)物生成或基質(zhì)消耗的速率。二、分批培養(yǎng)動力學(xué)②基質(zhì)消耗速率（以碳源討論）產(chǎn)物生成忽略：

11m

—=—+—

Yx/sYG

μ

Yx/s易測出，以不同μ的Yx/s作圖，可圖解法求出YG與m對應(yīng)值。而利用連續(xù)培育，易求出Yx/s與μ的關(guān)系，進(jìn)而求出YG與m。二、分批培養(yǎng)動力學(xué)3、產(chǎn)物的生成動力學(xué)第Ⅰ型（直接相關(guān)）dPdX

—=YP/X

—

dtdt

第Ⅱ型（部分相關(guān)）dPdX

—=α

—+βX

α：與生長關(guān)聯(lián)的細(xì)胞生產(chǎn)能力；

dtdt

β：非生長關(guān)聯(lián)比生長速率；第Ⅲ型（不相關(guān)）dP

—=qPX–KPK：不穩(wěn)定產(chǎn)物的失活常數(shù)

dt

三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)連續(xù)培養(yǎng)的兩種方式：罐式；管式反應(yīng)器。1、連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)點：①提高設(shè)備利用率和單位時間產(chǎn)量，只保持一個期的穩(wěn)定狀態(tài)；②發(fā)酵中各參數(shù)趨于恒值，便于自動控制；③易于分期控制，可以在不同的罐中控制不同的條件。三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)2、單級連續(xù)培養(yǎng)物料平衡計算式：流入速率=流出速率+消耗速率+積累速率D（稀釋率）：單位時間內(nèi)加入的培養(yǎng)基體積占罐內(nèi)培養(yǎng)基體積的分率。=F/V達(dá)穩(wěn)態(tài)后，D=μ（但D有一臨界值DC）若D﹥DC，μ﹤D，X不斷下降，最后罐中細(xì)胞被洗光。細(xì)胞濃度X，限制性基質(zhì)S，細(xì)胞生產(chǎn)速率DX與稀釋率D的關(guān)系如圖。三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)3、多級串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)多級串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)可提高生產(chǎn)能力。

二級連續(xù)培養(yǎng)的細(xì)胞濃度X1、X2，限制性基質(zhì)S1、S2，細(xì)胞生產(chǎn)速率DX1DX2與稀釋率D的關(guān)系如圖。

D﹥DC時，一、二級罐中細(xì)胞被洗光。

D﹤DC時，X2﹥

X1；S2﹥S1。說明二級連續(xù)培養(yǎng)的限制性基質(zhì)利用較完全。三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)4、細(xì)胞循環(huán)使用的單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)細(xì)胞回流的連續(xù)培養(yǎng)：流出液固液分離→濃縮后的細(xì)胞懸浮液→發(fā)酵罐優(yōu)點：提高了發(fā)酵罐中的細(xì)胞濃度，有利于提高連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性。回流和不回流時，細(xì)胞濃度X，細(xì)胞生產(chǎn)速率DX（XC）與稀釋率D的關(guān)系如圖?；亓鲿r，臨界稀釋率增大，可在D＞μ下操作，提高了細(xì)胞的生產(chǎn)速率，加快了基質(zhì)消耗速率。三、連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)5、連續(xù)培養(yǎng)的實施優(yōu)點：①細(xì)胞的比生長速率越大，輔助操作時間越長，連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)勢越大。②在連續(xù)培養(yǎng)中，選擇適當(dāng)?shù)南拗菩曰|(zhì)，可使產(chǎn)物量大大提高。③多級連續(xù)培養(yǎng)方法可滿足微生物不同生長階段對不同營養(yǎng)的要求。缺點：①發(fā)酵周期長，雜菌污染機會多。②傳代次數(shù)多，菌變異而使生產(chǎn)能力下降。本章知識結(jié)構(gòu)三種發(fā)酵類型的特點分批培養(yǎng)動力學(xué)★分批培養(yǎng)中細(xì)胞的生長動力學(xué)連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)★細(xì)胞循環(huán)使用的單級連續(xù)培養(yǎng)動力學(xué)預(yù)習(xí)內(nèi)容—下游加工工程

下游加工工程的一般程序下游加工工程的常用分離、純化方法培養(yǎng)基及其制備發(fā)酵的一般流程種子擴大培養(yǎng)培養(yǎng)基配制空氣除菌培養(yǎng)基滅菌發(fā)酵生產(chǎn)下游處理發(fā)酵設(shè)備提綱培養(yǎng)基的成分能源物質(zhì)碳源物質(zhì)氮源物質(zhì)無機鹽和微量元素前體物質(zhì)促進(jìn)劑和抑制劑水分淀粉水解糖的制備：酸解法、酶解法、酶酸結(jié)合法營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)節(jié)不同碳源的利用速度氮源利用及與碳源利用的關(guān)系碳、氮比例的調(diào)節(jié)前體的控制補料培養(yǎng)基的類型第一節(jié)、培養(yǎng)基的成分培養(yǎng)基(Culturemedium)：選用各種營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)配制成適合不同微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。培養(yǎng)基的組成和配比合適與否，對微生物的生長發(fā)育、產(chǎn)品的產(chǎn)量、提煉工藝的選擇和成品質(zhì)量都會產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分及其功能1.碳源(Carbonsource)【糖類、脂肪、有機酸】：

能源物質(zhì)，構(gòu)成菌體和代謝產(chǎn)物2.氮源(Nitrogensource)【無機氮源：氨水、硫酸銨、尿素、硝酸鈉；有機氮源：豆餅粉、麥麩、玉米漿、蛋白胨；發(fā)酵菌絲體、酒糟】：

構(gòu)成菌體和代謝產(chǎn)物，硝化細(xì)菌的能源物質(zhì)3.無機鹽類(Mineralnutrition)【P、Mg、S、Fe、K、Na、Pb、Cl、Zn、Co、Mn等】：

維持酶活力，調(diào)節(jié)滲透壓、pH值、電位等4.特殊生長因子【生物素、硫胺素、肌醇等】：

構(gòu)成輔酶的組成部分，促進(jìn)生命活動5.水：溶解營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物培養(yǎng)基的配置原則

根據(jù)不同微生物的需要配置不同的培養(yǎng)基何菌種？何產(chǎn)物？是固態(tài)還是液態(tài)？是種子還是發(fā)酵培養(yǎng)基？各種營養(yǎng)物質(zhì)的濃度與配比，特別是C/N將培養(yǎng)基的pH控制在一定范圍內(nèi)考慮利用價廉且易于獲得的原料廢代好、粗代精、野代家、烴代糧、纖代糖、國代進(jìn)、簡代繁一、能源物質(zhì)光能自養(yǎng)微生物：光能

如：螺旋藻生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白

化能自養(yǎng)微生物：氫、硫、氨、亞硝酸鹽、亞鐵鹽等無機物

如：細(xì)菌煉銅異養(yǎng)微生物：碳水化合物、石油、天然氣及石化產(chǎn)品二、碳源物質(zhì)碳源物質(zhì)是培養(yǎng)基主要成分；

占細(xì)胞干物質(zhì)的50％左右，提供能源、碳架、代謝產(chǎn)物。碳源物質(zhì)的易利用順序：葡萄糖（單）→蔗糖、麥芽糖、乳糖（雙）→糊精→淀粉其他碳源物質(zhì)：

脂類、有機酸、石油等也能作碳源。糖蜜：蔗糖等的結(jié)晶母液，含糖50-70％，成分豐富，物美價廉。淀粉水解糖的制備糖化(Saccharify)：在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖的過程，得到的水解糖液叫淀粉糖。糖化的原料：薯類淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉、大米淀粉等。水解糖液的質(zhì)量直接關(guān)系到生產(chǎn)菌的生長速度與代謝產(chǎn)物的積累，其中的低聚糖類與復(fù)合糖類等雜質(zhì)越低越好。淀粉水解糖的制備淀粉水解糖的制備酸解法反應(yīng)原理：淀粉——————>葡萄糖優(yōu)點：設(shè)備單一、時間短（幾分鐘）缺點： 對設(shè)備要求高（高溫、高壓、高腐蝕）

副反應(yīng)多，淀粉轉(zhuǎn)化率低

對原料要求高，淀粉顆粒大小均勻

淀粉乳濃度不能太高酸（催化劑）

高溫高壓StarchGlucose酶解法（雙酶水解法）反應(yīng)原理：

淀粉———>糊精、低聚糖———>葡萄糖優(yōu)點： 對設(shè)備要求低，

副反應(yīng)少，產(chǎn)品純度高，營養(yǎng)豐富

對原料要求較低，淀粉乳濃度高缺點： 所需設(shè)備較多

反應(yīng)時間較長（2-3天）

淀粉酶糖化酶液化糖化淀粉水解糖的制備淀粉水解糖的制備酶酸結(jié)合法之一，酸酶法反應(yīng)原理：

淀粉———>糊精、低聚糖———>葡萄糖優(yōu)點： 產(chǎn)品質(zhì)量高，反應(yīng)時間較短（<2d）

對原料要求較低，淀粉乳濃度較高用酸量少

酸水解糖化酶淀粉水解糖的制備酶酸結(jié)合法之二，酶酸法反應(yīng)原理：

淀粉———>糊精、低聚糖———>葡萄糖優(yōu)點： 反應(yīng)時間短（<2hrs），產(chǎn)品質(zhì)量較好

對原料要求較低，淀粉乳濃度較高

對淀粉顆粒大小無嚴(yán)格要求

淀粉酶酸水解30min30min淀粉水解糖的制備淀粉水解糖的制備幾種水解方法的比較從時間上看：

酸解法最快，酶解法最慢從原料轉(zhuǎn)化率和糖液質(zhì)量上看：

酶解法>酸酶法>酶酸法>酸解法三、氮源物質(zhì)氮源物質(zhì)是培養(yǎng)基的主要成分之一。

提供菌體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，能源（少），含氮代謝產(chǎn)物。有機氮源：豆餅粉、花生餅粉、棉子餅粉、酵

母粉、麥麩、魚粉、玉米漿、蛋白胨、尿素等。

成分復(fù)雜，除含蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸外，還含糖、脂、無機鹽、維生素及其他生長因子，對菌體生長非常有利。無機氮源：氨水、銨鹽、硝酸鹽

被吸收、利用快，但成分單一，常作輔助氮源。四、無機鹽和微量元素?zé)o機鹽：酶的激活劑，生理活性物質(zhì)的組成，生理活性作用的調(diào)節(jié)劑。

主要包括：P、Mg、S、Fe、K、Na、

Pb、Cl、Zn、Co、Mn等。

較低濃度對細(xì)胞的生長和產(chǎn)物合成有促進(jìn)作用，而高濃度有抑制作用。不同菌種、不同生長階段需求量不同。

小試常加P、K、S、Mg、Fe五、前體物質(zhì)前體物質(zhì)(Precursor)：最終所需的代謝產(chǎn)物的前身或其結(jié)構(gòu)中的一部分。在生物合成中直接結(jié)合到產(chǎn)物分子中，自身結(jié)構(gòu)變化不大，能顯著提高產(chǎn)量的小分子物質(zhì)。抗生素(Antibiotin)發(fā)酵中常用的前體物質(zhì)：抗生素前體物質(zhì)青霉素Ｇ苯乙酸（或在發(fā)酵中生成苯乙酸的物質(zhì)）鏈霉素肌醇、精氨酸、甲硫氨酸紅霉素丙酸、丙醇、丙酸鹽、乙酸鹽五、前體物質(zhì)影響前體物質(zhì)效力的因素菌種的特性與菌齡(Cellage)前體物質(zhì)的投入量(Inoculationconcentration)前體物質(zhì)的毒性(Toxicity)苯乙酸用量（％）青霉素產(chǎn)量（單位/ml)青霉素Ｇ比例（％）0.1７７５０57.30.2８５１５73.00.3９６３０90.60.4９２００95.6六、促進(jìn)劑和抑制劑促進(jìn)劑Accelerator（刺激劑Stimulant）并非前體或營養(yǎng)物，可影響正常代謝或中間代謝物積累、或提高次級代謝物的產(chǎn)量的一類刺激因子。作用原理：改變細(xì)胞的滲透性，或“啟動”微生物體內(nèi)的生產(chǎn)部位，否則這些部位是被阻遏的，因此促進(jìn)劑的添加可以大大提高產(chǎn)量。常用促進(jìn)劑：各種表面活性劑Surfactant（洗滌劑、吐溫80、EDTA、植酸等）、大豆油提煉物、甲醇等六、促進(jìn)劑和抑制劑抑制劑(Inhibitor)的作用原理：通過抑制某些合成其它產(chǎn)物的途徑而使所需產(chǎn)物的合成得到加強?？股厣a(chǎn)中的抑制劑：抗生素被抑制的產(chǎn)物抑制劑鏈霉素甘露糖鏈霉素甘露聚糖四環(huán)素金霉素溴化物、硫脲等頭孢霉素C頭孢霉素NL-蛋氨酸利福霉素B其它利福霉素巴比妥藥物七、水分原生質(zhì)的重要組分；優(yōu)良溶劑；（物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞）維持大分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；參與生化反應(yīng)；重要的物理性質(zhì)：如：高比熱；高汽化熱；高沸點；冰的密度小于水等，保證生命活動的正常進(jìn)行。其質(zhì)量對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。第二節(jié)、營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中各營養(yǎng)物的濃度和比例很嚴(yán)格。直接影響菌體的繁殖和產(chǎn)物的積累。尤其是碳氮比。（維持正常滲透壓，節(jié)約原料也必需）

1.不同碳源的利用速度

2.氮源利用及碳源利用的關(guān)系

3.碳氮比例的調(diào)節(jié)

4.前體的控制

5.補料一、不同碳源的利用速度不同菌能利用的碳源不同，同一菌種對不同碳源利用速度不同。

如：青霉素產(chǎn)生菌利用葡萄糖快（30-40小時），利用乳糖速度慢（6天）。一般情況：單糖比雙糖快；雙糖比多糖快；純多糖比雜多糖快（淀粉最好）?？煺邽樗傩荚?，慢者為遲效碳源。二、氮源利用及與碳源利用的關(guān)系不同氮源的利用速度也不同。

如：銨鹽比硝基氮更容易利用。氨及銨鹽等氮源的利用速度常隨碳源的利用速度而變。

糖代謝中間產(chǎn)物是氨基酸的前體。氨濃度過高或過低，特別是過高，對某些產(chǎn)物（如：青霉素）的形成不利。三、碳氮比例的調(diào)節(jié)碳氮比能直接影響微生物的生長和發(fā)酵產(chǎn)品的積累。

碳氮比嚴(yán)格講指元素比，但通常指原料比。一般情況：產(chǎn)物不含氮，細(xì)菌，100:0.2-2.0；酵母菌，

100:20；霉菌，100:10。產(chǎn)物含氮，碳氮比較高。如：谷氨酸生產(chǎn)，100:15-21。四、前體的控制同前體對不同菌作用不同；不同前體對同種菌作用不同；同前體，同種菌，使用不同，效果不同。一般前體越多，增產(chǎn)越多；但大多毒性也增大。

所以應(yīng)該少量（0.05-0.1％），多次（1次/12小時）。同時要注意前體物質(zhì)被作為營養(yǎng)物質(zhì)利用。五、補料補料解決的問題：

菌體早衰；料粘，攪拌能耗高，消泡難，溶氧降低，滲透壓高。補料有利于：豐富培養(yǎng)基；產(chǎn)物合成旺盛期延長；控制PH和代謝方向；補足發(fā)酵液體積。補料的目的和方法：限制生長速度；僅維持呼吸，半饑餓狀態(tài)，利于產(chǎn)物合成；控制好時間、速率和配比。第三節(jié)、培養(yǎng)基的類型培養(yǎng)基的類型

分類依據(jù)類型

營養(yǎng)物質(zhì)來源天然、合成、半合成

培養(yǎng)基物理狀態(tài)液體、固體、半液體

培養(yǎng)基的成分和目的基本、完全、鑒別、選擇

生產(chǎn)工藝的要求孢子(Spore)、種子、發(fā)酵培養(yǎng)基的用途：

篩選菌種、保藏菌種、檢驗雜菌、培養(yǎng)種子、

發(fā)酵生產(chǎn)等一、按營養(yǎng)物質(zhì)來源

1、天然培養(yǎng)基這是一種利用動、植物或微生物體或其提取物制成的培養(yǎng)基，人們無法確切知道其中成分。優(yōu)點：取材方便，營養(yǎng)豐富，種類多樣，配制方便。缺點：成分不穩(wěn)定也不清楚。一、按營養(yǎng)物質(zhì)來源2、合成培養(yǎng)基又稱組成培養(yǎng)基或綜合培養(yǎng)基。是一類用多種高純化學(xué)試劑配制成的，各成分的量都確切知道的培養(yǎng)基。優(yōu)點：成分精確，重演性高。缺點：價格較高、配制麻煩。一、按營養(yǎng)物質(zhì)來源3、半合成培養(yǎng)基是一種既含有天然成分又含有純化學(xué)試劑的培養(yǎng)基。又稱半合成培養(yǎng)基。瓊脂未經(jīng)處理的組合培養(yǎng)基也視為半組合培養(yǎng)基。優(yōu)缺點：成分精確性、重演性、價格、配制等介于合成培養(yǎng)基和天然培養(yǎng)基之間。二、按培養(yǎng)基物理狀態(tài)

1、液體培養(yǎng)基：呈液體狀態(tài)的培養(yǎng)基。用于：大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)；實驗室搖瓶試驗；微生物生理代謝研究。二、按培養(yǎng)基物理狀態(tài)2、固體培養(yǎng)基：用于菌種培養(yǎng)、分離、保存，育種。A.固化培養(yǎng)基：液體培養(yǎng)基中加入適量凝固劑，如：斜面、平板；B.天然固體培養(yǎng)基：天然固態(tài)基質(zhì)直接配置。如：孢子培養(yǎng)，藥用、食用真菌生產(chǎn)。二、按培養(yǎng)基物理狀態(tài)3、半固體培養(yǎng)基：介于固態(tài)和液態(tài)之間（加0.5%左右瓊脂）的培養(yǎng)基。用于菌種鑒定、細(xì)菌運動性觀察和噬菌體效價測定；厭氧菌培養(yǎng)、保藏。三、按培養(yǎng)基的成分和目的

1、選擇性培養(yǎng)基：就是根據(jù)某種微生物的特殊營養(yǎng)要求或其對某化學(xué)、物理因素的抗性而設(shè)計的培養(yǎng)基。其功能是從混合菌樣本中的選取優(yōu)勢菌，從而提高該菌的篩選效率。

1)加富性選擇培養(yǎng)基：用作加富的營養(yǎng)物主要是一些特殊的碳源或氮源，如甘露醇、纖維素、石蠟油、糖液等。

2)抑制性選擇培養(yǎng)基：

選擇性抑制劑有染料、抗生素、脫氧膽酸鈉、疊氮化鈉等。用于選擇性的其他理化因素還有溫度、氧、pH和滲透壓等。三、按培養(yǎng)基的成分和目的2、鑒別性培養(yǎng)基培養(yǎng)基中加有能與某一菌的無色代謝產(chǎn)物發(fā)生顯色反應(yīng)的指示劑，從而達(dá)到只須用肉眼辨別顏色就能方便的從近似菌落中找出目的菌菌落的培養(yǎng)基。最常見的鑒別性培養(yǎng)基是伊紅美藍(lán)乳糖培養(yǎng)基，即EMB培養(yǎng)基。四、按生產(chǎn)工藝的要求

1、孢子(Spore)培養(yǎng)基：固體；營養(yǎng)不太豐富（尤其是氮源）；適當(dāng)?shù)臒o機鹽濃度；適當(dāng)?shù)腜H和溫度；分天然和半合成兩種類型。四、按生產(chǎn)工藝的要求2、種子培養(yǎng)基：液體；常用速效C、N源；

P較高；

PH穩(wěn)定；盡量接近發(fā)酵培養(yǎng)基。四、按生產(chǎn)工藝的要求3、發(fā)酵培養(yǎng)基：液體；營養(yǎng)豐富，完全；

C、N源遲速搭配；應(yīng)注意C:N、PH、生長因子、前體等。本章知識結(jié)構(gòu)培養(yǎng)基的成分★不同碳源的利用速度營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)節(jié)方法★碳氮比例的調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的類型預(yù)習(xí)內(nèi)容—發(fā)酵工藝控制

氧的傳遞與傳質(zhì)方程式影響供氧的因素溫度對發(fā)酵的影響發(fā)酵工藝控制種子擴大培養(yǎng)培養(yǎng)基配制空氣除菌培養(yǎng)基滅菌發(fā)酵生產(chǎn)下游處理發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵的一般流程提綱溫度控制pH值控制溶氧控制二氧化碳控制泡沫的控制1、溫度對發(fā)酵的影響對細(xì)胞生長的影響：溫度升高，從酶反應(yīng)動力學(xué)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(chǎn)物形成的影響：菌體生長速率、呼吸強度和代謝產(chǎn)物形成速率的最適溫度往往是不同的；溫度升高，一般產(chǎn)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(zhì)及溶解氧的影響：影響氧的溶解和傳遞，影響一些基質(zhì)的分解，間接影響生物合成。2、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(chǎn)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顯熱：空氣流動過程夾帶著的熱量Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)Q顯-Q輻射

3、發(fā)酵熱的測定①通過冷卻水進(jìn)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(zhì)量、比熱；

M2、c2—發(fā)酵罐質(zhì)量、比熱；

S—溫度上升速率。4、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(dāng)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(yīng)保持在菌體的最適生長溫度；到主發(fā)酵旺盛階段，溫度應(yīng)控制在比最適生長溫度低些，即代謝產(chǎn)物合成的最適溫度；到發(fā)酵后期，溫度下降，此時適當(dāng)升溫可提高產(chǎn)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。4、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(chǎn)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°C6-35h：25°C36-85h：20°C86-125h：25°C053585125302520254、最適溫度選擇與發(fā)酵溫度控制

—發(fā)酵溫度控制進(jìn)行溫度控制時應(yīng)考慮的因素不同菌種在不同生長階段的生長和生產(chǎn)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。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(jìn)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(jìn)行降溫。發(fā)酵罐的熱交換裝置：罐外夾套罐內(nèi)蛇管、列管二、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(chǎn)物積累影響較大。生產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行試驗和研究。菌體生長、繁殖和產(chǎn)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(diào)節(jié)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。細(xì)菌6.5-7.5；放線菌6.5-8.0；霉菌4.0-5.8；酵母菌3.8-6.0產(chǎn)物形成最適pH值范圍微生物的生長和產(chǎn)物形成的最適pH值往往不同。少數(shù)一致，大多不同；有的偏高，有的偏低。1、pH對發(fā)酵的影響pH對微生物生長和產(chǎn)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(zhì)膜電荷發(fā)生改變，影響菌體對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)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(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用。pH影響生物合成的途徑。如：黑曲霉pH=2-3時產(chǎn)檸檬酸；近中性時產(chǎn)草酸、葡萄糖酸。2、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(tǒng)一。確定和有效控制pH在菌體生長或產(chǎn)物積累的最適范圍是高產(chǎn)的保證。2、影響發(fā)酵pH的因素生理堿性物質(zhì)和生理酸性物質(zhì)生理堿性物質(zhì)：經(jīng)微生物代謝后，導(dǎo)致pH上升（堿性物質(zhì)生成或酸性物質(zhì)消耗）的物質(zhì)。

如：有機氮源，硝酸鹽，有機酸。（產(chǎn)NH3、NaOH）生理酸性物質(zhì)：經(jīng)微生物代謝后，導(dǎo)致pH下降（酸性物質(zhì)生成或堿性物質(zhì)消耗）的物質(zhì)。

如：糖類（產(chǎn)有機酸），脂肪（產(chǎn)脂肪酸），銨鹽（氧化產(chǎn)硫酸）。3、最適pH的選擇和調(diào)節(jié)最適pH的選擇和調(diào)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(chǎn)。根據(jù)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(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行調(diào)節(jié)。生長最適pH和產(chǎn)物形成最適pH的相互關(guān)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(yán)格控制。③兩者相同，范圍一寬一窄；必須嚴(yán)格控制。④兩者不同，范圍都窄；分別嚴(yán)格控制。3、最適pH的選擇和調(diào)節(jié)選擇pH值的方法：通過實驗確定。配制并始終調(diào)節(jié)控制不同pH，檢出菌體或產(chǎn)物最大值。調(diào)節(jié)pH值的方法：主要考慮培養(yǎng)基中生理酸、堿性物質(zhì)的配比；補料調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)通氣量、調(diào)整鹽類、氮源、碳源的配比平衡；如：青霉素生產(chǎn)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）三、氧對發(fā)酵的影響氧是制約發(fā)酵進(jìn)行的重要因素氧難溶于水，培養(yǎng)基中貯存的氧量很少；

【純氧溶純水，1.26mmol/L；空氣氧溶純水，0.25；培養(yǎng)基更低】高產(chǎn)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(chǎn)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(shù)＜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。1、氧的傳遞和傳質(zhì)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(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)表面液膜；固液界面；細(xì)胞團(tuán)內(nèi)；細(xì)胞壁；反應(yīng)（生化）阻力。從空氣泡到細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞壁，氧的濃度差很小。（細(xì)胞不結(jié)團(tuán)時，壁氧的濃度與液膜接近）。1、氧的傳遞和傳質(zhì)方程式氧傳遞的總推動力：氣相與細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞團(tuán)表面液膜，攪拌減小外徑，減少阻力；

★細(xì)胞團(tuán)內(nèi)阻力和壁阻力，攪拌減少逆向擴散梯度；反應(yīng)阻力，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件，產(chǎn)物移去。1、氧的傳遞和傳質(zhì)方程式②氣液相間的氧傳遞和氧傳質(zhì)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=KLα（C*-CL）

KLα—容積傳遞系數(shù)；

α—比表面積；

KL—以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù)；

C*—氣液平衡的液相氧濃度（應(yīng)有）；

CL—液相主體氧濃度（存在）。

氣液相間的氧傳遞和氧傳質(zhì)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??；

而處于不充裕的通氣情況下，CL下降趨于0，氧傳遞速率最大。

（C*-CL—推動力）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(dāng)氧是限制性基質(zhì)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(shù)。各種菌的K0和(QO2)m有定值（表7-3；表7-4）。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(guān)。

CL增加，QO2

增強；直至達(dá)到[CL/（K0+CL

）≈1]臨界值，再不加大。如：圖7-8。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(nèi)耗氧量。r=QO2·XX—細(xì)胞濃度。氧的滿足度：溶解氧濃度與臨界氧濃度之比。產(chǎn)物形成的最佳氧濃度有時與細(xì)胞生長最佳氧濃度不同，需氧量差別較大，各有不同。影響微生物攝氧率的因素

①菌種；②溶解氧濃度；③細(xì)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。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(zhì)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(diào)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(gòu)成。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(shù)，與流變狀態(tài)無關(guān)。即發(fā)酵罐中任何局部黏度相同，與攪拌速度、半徑無關(guān)。（清細(xì)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(guān)。（放線菌、霉菌、高濃度細(xì)菌、酵母培養(yǎng)液）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(shù)

N—攪拌器轉(zhuǎn)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(shù)K、流變特征指數(shù)n表現(xiàn)出時變性。4、影響供氧的因素

由氧傳質(zhì)方程式：

OTR=KLα（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。（1）影響KLα的因素①攪拌：汽泡變小，增大汽液相接觸面積；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(xì)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。但攪拌速度過高，會對細(xì)胞造成損傷，并會增加傳熱的負(fù)擔(dān)。通氣效率還與罐體積（越小越好）、罐形狀、結(jié)構(gòu)、攪拌器形式、擋板有關(guān)。（1）影響KLα的因素②空氣流量：供氧，帶走廢氣。KLα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(zhuǎn)，不能分散空氣，攪拌功率下降。氣沿軸逸出。（1）影響KLα的因素③培養(yǎng)液性質(zhì)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(shù)的變化。這些性質(zhì)的變化都會影響KLα值。如：黏度增大，滯留液膜厚度增加，傳質(zhì)阻力增大；同時黏度影響擴散系數(shù)，使通氣效率降低。綜合操作條件和流體性質(zhì)對KLα的影響，有：KLα=f(Di,N,ωs,DL,μ,ρ,σ,g)（1）影響KLα的因素④微生物生長的影響：細(xì)胞濃度增加，KLα值變小，細(xì)胞濃度相同時，球狀菌懸液的KLα值是絲狀菌懸液KLα值的兩倍。（流動特性，稠度差別較大）

（1）影響KLα的因素

⑤消沫劑的影響：分布于氣液截界面，增大傳遞阻力，使KL下降（雖使α

增大）。產(chǎn)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）（1）影響KLα的因素⑥離子強度的影響：氣泡在電解質(zhì)溶液中，比在水中小很多，α較大，KLα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。（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(zhì)的影響：隨濃度增加氧飽和度下降。電解質(zhì)，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(xì)胞滲透壓有不利影響。④純氧：富氧通氣、溶解氧增加。但生產(chǎn)成本提高，不夠經(jīng)濟(jì)。5、液相體積氧傳遞系數(shù)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(shù)KLα。1.攝氧率的測定：先用純水標(biāo)定電極，得單位電流值代表的溶解氧濃度；測定時、關(guān)氣、除氣、保持?jǐn)嚢?；?xì)胞耗氧，培養(yǎng)基氧降，電流值降，攝氧率r求出。5、液相體積氧傳遞系數(shù)KLα的測定2.液相體積氧傳遞系數(shù)KLα的測定：可用直接測定法，動態(tài)測定法。用復(fù)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(fù)通氣。溶解氧濃度為縱坐標(biāo)，測定時間為橫坐標(biāo)。制得曲線，其斜率=-1/KLα；延長線與縱軸的截距為C*

。6、提高溶氧的方法加強攪拌；適當(dāng)?shù)目諝饬髁浚粶p小培養(yǎng)基粘度；提高氧分壓；調(diào)節(jié)微生物呼吸強度的臨界值；合適的細(xì)胞濃度、碳源種類、pH、溫度。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(chǎn)物，也是某些合成代謝的一種基質(zhì)。二氧化碳對發(fā)酵的影響：

1、對菌體；

2、對產(chǎn)物。二氧化碳對發(fā)酵的影響1、對菌體：

◆CO2效應(yīng)：在發(fā)酵生產(chǎn)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(jìn)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(chǎn)物：

◆需占一定的比例（或分壓），過高、過低產(chǎn)量都會下降；

◆

CO2對某些發(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)。四、二氧化碳對發(fā)酵的影響及控制原因：

CO2作用膜脂質(zhì)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(dǎo)致細(xì)胞生長受限制，形態(tài)改變；（HCO3-影響細(xì)胞膜的膜蛋白）也可產(chǎn)生反饋作用，使PH下降，與其他物質(zhì)反應(yīng)，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(chǎn)物合成。四、二氧化碳對發(fā)酵的影響及控制發(fā)酵液中CO2濃度的影響因素：◆細(xì)胞呼吸強度；◆發(fā)酵液流變學(xué)特性；◆通氣攪拌程度；◆罐壓大小；◆設(shè)備規(guī)模。二氧化碳濃度的控制方法：◆調(diào)節(jié)罐壓、通氣量和攪拌速度；◆補料。（青霉素：補糖，增加CO2

產(chǎn)生，降低PH。）五、泡沫對發(fā)酵的影響及控制泡沫產(chǎn)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1、泡沫產(chǎn)生的原因充氣產(chǎn)生泡沫微生物代謝氣體形成泡沫泡沫的產(chǎn)生與培養(yǎng)基性質(zhì)有關(guān)（蛋白質(zhì)原料、蜜糖水解原料，淀粉水解不完全時易發(fā)泡）2、泡沫過多對發(fā)酵的危害使裝量減少，或造成跑液，使產(chǎn)量降低；通過軸封泄漏，污染設(shè)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(jìn)行，造成減產(chǎn)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(fēng)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。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(zhì)：蛋白胨、玉米漿、花生餅粉、黃豆餅粉、酵母粉等蛋白質(zhì)原料是主要發(fā)泡物質(zhì)；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(xì)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，泡上升。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(chǎn)種化學(xué)法：添加消泡劑（油類等），應(yīng)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 4、泡沫的消除和防止化學(xué)消泡法機理：由于消泡劑本身的表面張力較低，當(dāng)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。4、泡沫的消除和防止工業(yè)上常用的消泡劑天然油脂類高碳醇、脂肪酸和酯類聚醚類硅酮類（聚硅油類）消泡劑的增效增強消泡劑的散布：載體增效、乳化增效、 并用增效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(xué)消泡迅速可靠，需設(shè)備，耗能。機械消泡裝置的選擇依據(jù)：

動力小、結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、清潔（殺菌）容易、維修（保養(yǎng)）費用少4、泡沫的消除和防止機械消泡方法罐內(nèi)消泡：在發(fā)酵罐內(nèi)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(nèi)旋轉(zhuǎn)葉片消泡器、離心式消泡器等4、泡沫的消除和防止耙式消泡槳4、泡沫的消除和防止碟片式消泡器優(yōu)點：消泡能力強，功耗小

缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)麻煩4、泡沫的消除和防止旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡4、泡沫的消除和防止離心力罐外消泡中間控制—補料補料的內(nèi)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(dǎo)酶的作用底物補料的原則：根據(jù)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(chǎn)的方向發(fā)展。通常中間補料的數(shù)量為基礎(chǔ)料的1-3倍。中間控制—補料補料中應(yīng)注意的問題選擇合適的補料的時機、方式和控制指標(biāo)料液的配比要恰當(dāng)（如C/N等）注意對培養(yǎng)基性質(zhì)的改變（如pH值等）加強無菌控制經(jīng)濟(jì)、節(jié)約本章知識體系★溫度對發(fā)酵的影響及調(diào)節(jié)控制PH對發(fā)酵的影響及控制氧對發(fā)酵的影響及控制★氧的傳遞與傳質(zhì)方程式；★影響供氧的因素二氧化碳對發(fā)酵的影響及控制泡抹對發(fā)酵的影響及控制預(yù)習(xí)內(nèi)容——參數(shù)檢測和自控

溶解氧（DO）的測量前饋控制和反饋控制微生物工程

生產(chǎn)舉例

提綱第一節(jié)抗生素生產(chǎn)工藝第二節(jié)檸檬酸生產(chǎn)工藝第三節(jié)啤酒生產(chǎn)工藝第四節(jié)氨基酸生產(chǎn)工藝第五節(jié)污水的生物處理第一節(jié)抗生素生產(chǎn)工藝重點：

抗生素的生物合成；微生物的次級代謝與初級代謝的關(guān)系；抗生素生物合成的代謝調(diào)節(jié)機制；細(xì)胞生長期到抗生素產(chǎn)生期的過渡；酶的誘導(dǎo)作用；分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)控制。難點：

抗生素生物合成的代謝調(diào)節(jié)機制；分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)控制。概述

抗生素是微生物產(chǎn)生的具有生物活性的物質(zhì)，它不但可以抑制其他微生物的發(fā)育與代謝，有的還可以抑制癌的發(fā)育與代謝，及具有抗血纖維蛋白溶酶作用。

抗生素是人們使用最多的藥物，也是制藥工業(yè)中利潤最高的產(chǎn)品。世界各國由發(fā)酵法生產(chǎn)的抗生素約400種，廣泛應(yīng)用的僅120種，其他主要是毒性大、成本高，無商業(yè)應(yīng)用價值。

抗生素生產(chǎn)為近代微生物技術(shù)中最大產(chǎn)業(yè)之一，世界產(chǎn)量超過35000噸，不但在經(jīng)濟(jì)上占有重要位置，且為人類健康作了出巨大貢獻(xiàn)。

一、抗生素的分類按生物來源、作用、化學(xué)結(jié)構(gòu)、作用機制、合成途徑可分為：表22-1二、抗生素生產(chǎn)工藝生產(chǎn)方法：

1、生物合成法：

①傳統(tǒng)方法②“工程菌”制造法③細(xì)胞融合技術(shù)法

2、化學(xué)合成法；

3、生物合成加化學(xué)合成法。

二、抗生素生產(chǎn)工藝

1、生物合成法：

①傳統(tǒng)方法

大多數(shù)抗生素是由放線菌和霉菌產(chǎn)生的。菌種是通過從土壤中分離、篩選獲得，一般采用深層通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐生產(chǎn)。傳統(tǒng)方法目前存在很多不足，因此，人們采用基因工程和細(xì)胞融合技術(shù)，對抗生素產(chǎn)生菌進(jìn)行了改造和重新設(shè)計，不僅可以制造出許多高效低毒的新型抗生素，還可改革工藝，使抗生素產(chǎn)量成倍地增長。二、抗生素生產(chǎn)工藝1、生物合成法：②“工程菌”制造法

第一次由“工程菌”制造的全新抗生素—麥迪紫紅素A，是美國報道的。他們將產(chǎn)放線紫紅素的部分基因插入產(chǎn)麥迪霉素的放線菌中，構(gòu)建的“工程菌”產(chǎn)生了全新的抗生素。我國新構(gòu)建的生產(chǎn)丁胺卡那霉素的“工程菌”，就是把?；富蚩寺〉娇敲顾禺a(chǎn)生菌中獲得的。新的“工程菌”生產(chǎn)的新抗生素毒副作用小，對耐卡那霉素、慶大霉素致病菌臨床療效顯著。二、抗生素生產(chǎn)工藝1、生物合成法：③細(xì)胞融合技術(shù)法

對抗生素產(chǎn)生菌采用細(xì)胞融合技術(shù)的成果更為突出。橄欖色無孢小單孢菌細(xì)胞融合株抗生素產(chǎn)率比原菌株提高100倍。目前DNA重組技術(shù)已廣泛用于紅霉素、鏈霉素等20多種抗生素的育種工作，可以預(yù)見不久將來會有更多的由“工程菌”生產(chǎn)的新型抗生素問世。二、抗生素生產(chǎn)工藝2、化學(xué)合成法

根據(jù)某種抗生素的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，通過化學(xué)合成的方法，可生產(chǎn)部分抗生素。如：氯霉素、磷霉素等。經(jīng)過化學(xué)合成方法和控制條件的不斷深入研究，越來越多的抗生素可用化學(xué)合成法生產(chǎn)。二、抗生素生產(chǎn)工藝3、生物合成加化學(xué)合成法

許多細(xì)菌逐漸出現(xiàn)了抗藥性，已經(jīng)證實某些抗藥性因子位于細(xì)菌內(nèi)的質(zhì)粒上，質(zhì)粒可以在細(xì)菌之間轉(zhuǎn)移，結(jié)果抗性菌日益增多，抗生素療效就越來越低。為了對付細(xì)菌的抗藥性，科學(xué)家對原有的抗生素進(jìn)行了“整容手術(shù)”，細(xì)菌因再無法識別改頭換面的抗生素而被抑制或殺死?，F(xiàn)在已能使用克隆了?；富虻摹肮こ叹保ù竽c桿菌）高效率的生產(chǎn)半合成抗生素。臨床現(xiàn)在使用的貴重特效藥物先鋒霉素（頭孢菌素類）、氨芐青霉素，就是這類半合成抗生素類藥物。國外已有幾十種這類藥物在實驗室研制成功。三、青霉素生產(chǎn)工藝三、青霉素生產(chǎn)工藝三、青霉素生產(chǎn)工藝1、菌種：產(chǎn)黃青霉生長發(fā)育分六個階段：Ⅰ—Ⅳ期：菌絲生長期，適宜做種子；Ⅳ—Ⅴ期：青霉素分泌期；Ⅵ期：菌絲體自溶期。三、青霉素生產(chǎn)工藝2、培養(yǎng)基：

碳源：乳糖、蔗糖、葡萄糖等；氮源：玉米漿、麩皮粉、無機氮源；前體：苯乙酸或苯乙酰胺；（一次﹤0.1％）無機鹽：S、P、Ga、Mg、K等。鐵離子有害，控制在﹤30μg/mL。三、青霉素生產(chǎn)工藝3、發(fā)酵條件控制補糖：殘?zhí)墙抵?.6％（PH上升）；補氮：氨氮0.05％，補硫銨、氨水或尿素；

PH：6.4—6.6，加糖、加酸、加堿調(diào)節(jié)；溫度：前期，25-26℃；后期，23℃；通氣比：1：0.8；溶氧：﹥氧飽和溶解度的30％；消沫劑：玉米油、豆油或化學(xué)合成消沫劑。三、青霉素生產(chǎn)工藝4、青霉素的分離純化過濾：板框、真空轉(zhuǎn)鼓；萃?。捍姿岫≈?，2-3次；脫色：活性碳，150-200g/10億單位；結(jié)晶：濃縮結(jié)晶或直接結(jié)晶；洗滌干燥第二節(jié)檸檬酸生產(chǎn)工藝重點：檸檬酸生物合成途徑；檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)；三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)。難點：檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)；糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié)。一、檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝（一）檸檬酸合成途徑檸檬酸又名枸櫞酸，學(xué)名α-羥基丙烷三羧酸，是生物體主要代謝產(chǎn)物之一。

檸檬酸合成途徑：丙乙酰COA葡萄糖酮→檸檬酸酸草酰乙酸氧化脫羧羧化EMP（二）檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)1、糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié)

1）在正常情況下，檸檬酸、ATP對磷酸果糖激酶有抑制作用，而ATP、無機磷、銨離子對該酶則有激活作用，特別是還能解除檸檬酸、ATP對磷酸果糖激酶的抑制作用。

2）比較底物錳充足、錳缺乏時分批培養(yǎng)物的最大活力時發(fā)現(xiàn)，錳缺乏時黑曲霉的組成（合成）代謝受損傷，這與檸檬酸的積累有關(guān)。

3）丙酮酸激酶是EMP途徑的第2個調(diào)節(jié)點，在某些真菌得到證實，但黑曲霉未被證實。（二）檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)2、檸檬酸生物合成代謝調(diào)節(jié)的特點：

1）TCA環(huán)的起始酶：檸檬酸合成酶是一種調(diào)節(jié)酶。但在黑曲霉中，檸檬酸合成酶沒有調(diào)節(jié)作用，這是黑曲霉TCA環(huán)的第一個特點。

2）第二個特點：黑曲霉菌體內(nèi)α-酮戊二酸脫氫酶缺失或活力很低（TCA環(huán)被阻斷）。

3）氧和pH值對檸檬酸發(fā)酵的影響很大。（二）檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)3、檸檬酸積累的原因：①Mn2+缺乏→抑制蛋白合成→NH4↑

有一條呼吸活動強的不產(chǎn)生ATP的側(cè)呼吸鏈；②由于丙酮酸羧化酶是組成型酶，不被調(diào)節(jié)控制。丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA和CO2的固定兩個反應(yīng)的平衡，以及檸檬酸合成酶不被調(diào)節(jié)，增強了合成檸檬酸的能力。③由于順烏頭酸水合酶在催化時建立了以下平衡：檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸=90：3：7

同時控制Fe2+含量時，順烏頭酸酶活力降低，使檸檬酸積累。④隨著檸檬酸積累，pH降低到一定程度時，使順烏頭酸酶和異檸檬酸脫氫酶失活，更有利于檸檬酸的積累及排出細(xì)胞外。（三）檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝（三）檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝

1、菌種：黑曲霉。2、一級種子培養(yǎng)：麥芽汁瓊脂斜面，35±1℃，培育5天；麩皮三角瓶，35±1℃，培育10天；轉(zhuǎn)種子罐。（三）檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝3、種子罐培養(yǎng)：培養(yǎng)基：玉米淀粉水解糖+淀粉水解濾渣；空消：種子罐、分過濾器，130℃，30分；實消：列管加熱至80℃，直接進(jìn)蒸汽至125℃，

15-20分；接種：冷卻至35±1℃，接麩曲種1‰；培養(yǎng)：35±1℃，罐壓：0.1Mpa，風(fēng)量：

1：0.1-0.16，時間16-30小時。（三）檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝4、發(fā)酵：培養(yǎng)基：玉米淀粉水解糖；空消：發(fā)酵罐、分過濾器，130℃，30分；實消：列管加熱至80℃，直接進(jìn)蒸汽至125℃，

15-20分；接種：冷卻至35±1℃，接種子罐菌種10％；培養(yǎng)：溫度：35±1℃，罐壓：0.1Mpa，風(fēng)量：1：0.1-0.15，時間：50-60小時。二、檸檬酸提取生產(chǎn)工藝1、發(fā)酵液過濾：帶式過濾機2、中和：濾液中除含檸檬酸外，還含可溶性的殘?zhí)且约暗鞍踪|(zhì)、金屬離子等雜質(zhì)。利用檸檬酸鈣難溶于水的特點，與雜質(zhì)分離的過程。3、酸解：

中和所得鈣鹽經(jīng)過濾、洗滌，與硫酸反應(yīng)生成檸檬酸和硫酸鈣沉淀，過濾，濾液含較純的檸檬酸。三、檸檬酸精制生產(chǎn)工藝

1、離子交換：陽離子交換：主要除鈣離子、鐵離子；陰離子交換：主要除硫酸根、氯離子；2、蒸發(fā)濃縮：外循環(huán)減壓蒸發(fā)，﹤65℃；3、結(jié)晶分離：高溫連續(xù)或分批冷卻結(jié)晶；4、干燥包裝：離心、沸騰干燥、質(zhì)檢、裝袋、封口。第三節(jié)啤酒生產(chǎn)工藝啤酒生產(chǎn)工藝流程簡介糖化發(fā)酵濾酒包裝麥汁清酒待濾酒成品酒一、啤酒原料介紹水：203米深井水，并采用沙濾、炭濾、反滲透膜過濾等多道工藝處理；麥芽：青島啤酒采用進(jìn)口大麥生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)麥芽；大米（玉米淀粉）：采用新鮮的粳米和秈米，要求使用前儲存期不超過七天；酒花：成品酒花、顆粒酒花、酒花提取物二、生產(chǎn)流程（一）糖化麥芽粉碎糖化→過濾洗糟→煮沸→沉淀→冷卻

大米粉碎→糊化（一）糖化1、大米糊化大米粉碎（淀粉）+熱量α-淀粉酶水可溶性的低聚糖和糊精（一）糖化2、麥芽糖化

糖化定義：利用麥芽中含有的及輔助添加的各種水解酶類，在水和熱力的作用下，將麥芽和輔料中的高分子物質(zhì)及其分解產(chǎn)物（淀粉、蛋白質(zhì)、半纖維素、植酸鹽等及其中間分解產(chǎn)物），逐步分解并溶解于水的過程為什麥芽不需要糊化？制麥過程中麥芽已經(jīng)深度降解，僅20-30%的分解在糖化過程中完成（一）糖化3、麥汁過濾糊化大米