發(fā)酵工程-第八章

1、第六章第六章 本章內(nèi)容本章內(nèi)容一、一、概述概述二、代謝調(diào)控在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用二、代謝調(diào)控在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用1. 初級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)初級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié) 2. 次級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)次級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)三、三、溫度對發(fā)酵的影響及其控制溫度對發(fā)酵的影響及其控制四、四、pH對發(fā)酵的影響及其控制對發(fā)酵的影響及其控制五、五、溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制六、六、CO2和呼吸商對發(fā)酵的影響及其控制和呼吸商對發(fā)酵的影響及其控制七、七、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響及補料控制基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響及補料控制八、八、高密度發(fā)酵及過程控制高密度發(fā)酵及過程控制九、九、泡沫對發(fā)酵的影響及其控制泡沫對

2、發(fā)酵的影響及其控制十、十、自動控制技術(shù)在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用自動控制技術(shù)在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用1. 過程控制的重要性過程控制的重要性 菌株特性菌株特性(營養(yǎng)要求、生長速率、營養(yǎng)要求、生長速率、 呼吸強度、產(chǎn)物合成速率呼吸強度、產(chǎn)物合成速率) 傳遞性能傳遞性能 物理：物理：n、T、Ws 化學(xué)化學(xué)：pH、DO、濃度濃度 過程控制的意義：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)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)達到最適水平的的確定）以及在發(fā)酵過程中通過過程調(diào)節(jié)達到最適水平的 控制?？刂?。決定發(fā)酵決定發(fā)酵單位單位(水平水平)的因素的因素外部環(huán)境因素外部環(huán)

3、境因素工藝條件工藝條件生物因素：生物因素：設(shè)備性能：設(shè)備性能：2. 發(fā)酵過程控制的一般步驟發(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)的變化對發(fā)酵生產(chǎn)水平的影響及其機制，研究這些參數(shù)的變化對發(fā)酵生產(chǎn)水平的影響及其機制，獲取最適水平或最佳范圍獲取最適水平或最佳范圍 建立數(shù)學(xué)模型定量描述各參數(shù)之間隨時間變化的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型定量描述各參數(shù)之間隨時間變化的關(guān)系 通過計算機實施在線自動檢測和控制，驗證各種控制通過計算機實施在線自動檢測和控制，驗證各種控制模型的可行性及其適用范圍，實現(xiàn)發(fā)酵過程最優(yōu)控制模型的可行性及其適用范

4、圍，實現(xiàn)發(fā)酵過程最優(yōu)控制 3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測n代謝參數(shù)按性質(zhì)可分為三類：代謝參數(shù)按性質(zhì)可分為三類：物理參數(shù)：物理參數(shù)：溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、罐壓、空氣流量、溶解溫度、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）濃度等氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）濃度等化學(xué)參數(shù)：化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、 pH、產(chǎn)物、產(chǎn)物濃度、核酸量等濃度、核酸量等生物參數(shù)：生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌體濃度、菌體比生長速率、菌絲形態(tài)、菌體濃度、菌體比生長速率、呼吸強度、攝氧率、關(guān)鍵酶活力等呼吸強度、攝氧率、關(guān)鍵酶活力等3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測n參數(shù)按獲取方式可分為兩類：參數(shù)按

5、獲取方式可分為兩類： 如如T、pH、罐壓、空氣流量、攪罐壓、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、溶氧濃度等拌轉(zhuǎn)速、溶氧濃度等 如攝氧率如攝氧率()、呼吸強度、呼吸強度(QO2)、比生長、比生長速率（速率（) 、體積溶氧系數(shù)體積溶氧系數(shù)(KLa)、呼吸商呼吸商(RQ)等等。直接參數(shù)直接參數(shù)： 間接參數(shù)間接參數(shù)：將直接參數(shù)通過公式計算獲得的：將直接參數(shù)通過公式計算獲得的參數(shù)，參數(shù)，3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測n參數(shù)的測量形式參數(shù)的測量形式離線測量：離線測量：基質(zhì)（糖、脂類、無機鹽等）、前體和代基質(zhì)（糖、脂類、無機鹽等）、前體和代謝產(chǎn)物（抗生素、酶、有機酸、氨基酸等）謝產(chǎn)物（抗生素、酶、有機酸、氨基酸等）在線測量在線測量

6、：如：如T 、pH、DO、溶解、溶解CO2、尾氣、尾氣CO2、黏度、黏度、攪拌轉(zhuǎn)速等攪拌轉(zhuǎn)速等n優(yōu)點：及時、省力，可從繁瑣操作中解脫出來，便優(yōu)點：及時、省力，可從繁瑣操作中解脫出來，便于計算機控制。于計算機控制。 n困難：傳感器要求較高。困難：傳感器要求較高。 v對傳感器的要求對傳感器的要求能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌；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；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校正，靈敏度好；最好能在過程中隨時校正，靈敏度好；探頭材料不易老化，使用壽命長；探頭材料不易老化，使用壽命長；安裝使用和維修方便；安裝使用和維修方便；解決探頭敏感部位被物料（反應(yīng)液）

7、粘住、堵塞解決探頭敏感部位被物料（反應(yīng)液）粘住、堵塞 問題；問題；價格合理，便于推廣。價格合理，便于推廣。 3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法溫度測量溫度測量 感溫元件：熱電偶（溫度信號感溫元件：熱電偶（溫度信號 電信號電信號） 二次儀表：將熱電偶輸出的電信號轉(zhuǎn)換成二次儀表：將熱電偶輸出的電信號轉(zhuǎn)換成 被測介質(zhì)的溫度被測介質(zhì)的溫度v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量攪拌轉(zhuǎn)速：磁感應(yīng)式，光感應(yīng)式，攪拌轉(zhuǎn)速：磁感應(yīng)式，光感應(yīng)式， 測速電機；測速電機；攪拌功率：功率表，測定力矩求功率法。攪拌功率：功率表，測定力矩求功率法。3.

8、 參數(shù)檢測參數(shù)檢測3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法空氣流量測定空氣流量測定體積流量型：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；會引起流體能量損失，受溫度和壓力變化的影響； 同心孔板壓差式流量計；同心孔板壓差式流量計； 轉(zhuǎn)子流量計。轉(zhuǎn)子流量計。質(zhì)量流量型：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）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。設(shè)計的流量計。v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法罐壓測量罐壓測量 壓力表壓力表 壓力傳感器壓力傳感器 3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法料液計量與液位控制料液計量與液位控制 壓差法：壓差法：

9、H=（P2/P1）H 直接重量測量法：直接稱重直接重量測量法：直接稱重 體積計量法：計算進出料液體積計量法：計算進出料液 流量計量法：計算流量和時間流量計量法：計算流量和時間 液位探針液位探針3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法發(fā)酵液粘度測定發(fā)酵液粘度測定 毛細管粘度計毛細管粘度計 回轉(zhuǎn)式粘度計回轉(zhuǎn)式粘度計 渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法pH測量測量 復(fù)合復(fù)合pH電極電極 pH測量儀器測量儀器3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法n溶解氧的測量溶解氧的測量 化學(xué)法化學(xué)法 極譜法極譜法 復(fù)膜氧電極法復(fù)膜氧電極法 3. 參數(shù)檢測參

10、數(shù)檢測復(fù)膜氧電極示意圖復(fù)膜氧電極示意圖（a）極譜型極譜型 （b）原電池型原電池型v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法溶解二氧化碳測量溶解二氧化碳測量 復(fù)膜式電極法復(fù)膜式電極法 滲透膜滲透膜碳酸氫鈉法碳酸氫鈉法發(fā)酵尾氣的在線分析發(fā)酵尾氣的在線分析 CO2分析分析 O2分析分析3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法細胞濃度的測量細胞濃度的測量 化學(xué)法：如化學(xué)法：如DNA、RNA分分析等析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、物理法：如重量分析、分光光度分析、 濁度分析等濁度分析等新技術(shù)：以電容法為測量原理的在線新技術(shù)：以電容法為測量原理的在線 活細胞濃度測量傳感器活細胞濃度測量傳感器 3. 參數(shù)檢

11、測參數(shù)檢測原位活細胞在線檢測儀原位活細胞在線檢測儀1. 初級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)初級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)初級代謝物初級代謝物：指一類低分子量的終點產(chǎn)物及這些：指一類低分子量的終點產(chǎn)物及這些終點產(chǎn)物的生物合成途徑中的中間體。終點產(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)避開固有的反饋調(diào)節(jié)(2) 細胞通透性的變更細胞通透性的變更n反饋調(diào)節(jié)包括反饋調(diào)節(jié)包括 反饋抑制反饋抑制：某一生物合成途徑的最終代謝物抑：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酶的活性。制該途徑的第一或第二個酶的活性。 反饋阻遏反饋阻遏：抑制酶的形成，是由途徑終點產(chǎn)物：抑制酶的形成，是由途徑終點產(chǎn)物或其衍生物施

12、行的?；蚱溲苌锸┬械?。（1）避開固有的反饋調(diào)節(jié)避開固有的反饋調(diào)節(jié)黃色短桿菌賴氨酸生物合成調(diào)節(jié)機制黃色短桿菌賴氨酸生物合成調(diào)節(jié)機制1-天冬氨酸激酶；天冬氨酸激酶；2-DDP合成酶；合成酶；3-高絲氨酸脫氫酶；高絲氨酸脫氫酶；4-琥珀酰高絲氨酸合成酶；琥珀酰高絲氨酸合成酶；5-蘇氨酸脫氫酶蘇氨酸脫氫酶（1）避開固有的反饋調(diào)節(jié)避開固有的反饋調(diào)節(jié)n方法方法限制菌在胞內(nèi)積累終點產(chǎn)物的能力以解除負反饋調(diào)節(jié)限制菌在胞內(nèi)積累終點產(chǎn)物的能力以解除負反饋調(diào)節(jié)作用作用 從遺傳上改變酶的活性和酶的形成系統(tǒng)，篩選有抗反從遺傳上改變酶的活性和酶的形成系統(tǒng)，篩選有抗反饋作用的基因突變型（對反饋作用不敏感）。饋作用的基因突

13、變型（對反饋作用不敏感）。n具體應(yīng)用具體應(yīng)用積累中間產(chǎn)物積累中間產(chǎn)物積累終點產(chǎn)物積累終點產(chǎn)物耐反饋作用的突變株的篩選耐反饋作用的突變株的篩選：抗結(jié)構(gòu)類似物突變株抗結(jié)構(gòu)類似物突變株 抗結(jié)構(gòu)類似物突變株的篩選機制抗結(jié)構(gòu)類似物突變株的篩選機制n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，因而能夠引起反饋作用，但是它們不能參與生物合成。在培養(yǎng)基中添加饋作用，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，未突變的細胞將由于代謝途徑受阻末端產(chǎn)物類似物后，未突變的細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)致細而不能獲得生物合成所需的該

14、種末端產(chǎn)物，從而導(dǎo)致細胞死亡。那些對類似物不敏感的突變株仍能制造末端產(chǎn)胞死亡。那些對類似物不敏感的突變株仍能制造末端產(chǎn)物并長成菌落。物并長成菌落。 n突變株耐結(jié)構(gòu)類似物的原因：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（指耐反饋阻遏的突變株）酶的合成系統(tǒng)起了變化（指耐反饋阻遏的突變株）（1）避開固有的反饋調(diào)節(jié)避開固有的反饋調(diào)節(jié)n雙突變株的概念：雙突變株的概念：單一菌株內(nèi)同時發(fā)生耐反饋抑制和耐單一菌株內(nèi)同時發(fā)生耐反饋抑制和耐反饋阻遏的突變作用。反饋阻遏的突變作用。 n思考題：思考題： 某一菌株對所要生產(chǎn)的產(chǎn)物

15、的類似物有天然的耐受力，某一菌株對所要生產(chǎn)的產(chǎn)物的類似物有天然的耐受力，這種時候能否利用類似物篩選突變株呢？這種時候能否利用類似物篩選突變株呢？n回復(fù)篩選回復(fù)篩選：用突變除去反饋敏感的酶和用第二次突變置用突變除去反饋敏感的酶和用第二次突變置換它，常產(chǎn)生分泌終點產(chǎn)物的回復(fù)子。換它，常產(chǎn)生分泌終點產(chǎn)物的回復(fù)子。 細胞通透性的變更細胞通透性的變更n細菌細胞膜通透性的增加是谷氨酸過量生產(chǎn)的原因之一。細菌細胞膜通透性的增加是谷氨酸過量生產(chǎn)的原因之一。n能過量生產(chǎn)谷氨酸的細菌有兩個共同特征：能過量生產(chǎn)谷氨酸的細菌有兩個共同特征： -酮戊二酸脫氫酶缺失：表明這類細菌的酮戊二酸脫氫酶缺失：表明這類細菌的TCA

16、上的酶受上的酶受阻，保證了碳引向谷氨酸的合成歧路。阻，保證了碳引向谷氨酸的合成歧路。 對生物素的營養(yǎng)需求：表明這類細菌的生物素的生物合對生物素的營養(yǎng)需求：表明這類細菌的生物素的生物合成受阻，導(dǎo)致細胞膜通透性的改變，使細胞可以分泌出谷成受阻，導(dǎo)致細胞膜通透性的改變，使細胞可以分泌出谷氨酸。氨酸。 2. 次級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)次級代謝物的生產(chǎn)調(diào)節(jié)(1) 次級代謝的特點及與初級代謝的關(guān)系次級代謝的特點及與初級代謝的關(guān)系(2) 調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)方法n誘導(dǎo)作用誘導(dǎo)作用 n避開固有的負反饋避開固有的負反饋n操縱環(huán)境條件來控制次級代謝物的生物合成操縱環(huán)境條件來控制次級代謝物的生物合成n耐負反饋調(diào)節(jié)的抗性突變株的篩

17、選耐負反饋調(diào)節(jié)的抗性突變株的篩選n初級代謝物的調(diào)節(jié)作用初級代謝物的調(diào)節(jié)作用n能荷調(diào)節(jié)能荷調(diào)節(jié) e.g.磷酸鹽影響金霉素的合成磷酸鹽影響金霉素的合成n （1）次級代謝的特點及與初級代謝的關(guān)系次級代謝的特點及與初級代謝的關(guān)系n次級代謝酶的特異性較初級代謝酶的特異性低，故受次級代謝酶的特異性較初級代謝酶的特異性低，故受遺傳及環(huán)境因素的影響大。遺傳及環(huán)境因素的影響大。 n次級代謝物的合成途徑比初級代謝的種類多，但大多次級代謝物的合成途徑比初級代謝的種類多，但大多數(shù)次級代謝物都是由少數(shù)關(guān)鍵中間代謝物組裝的。數(shù)次級代謝物都是由少數(shù)關(guān)鍵中間代謝物組裝的。n次級代謝產(chǎn)物的合成一般是在生長期后，即培養(yǎng)基中次級代

18、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才合成。的養(yǎng)分快耗盡，菌的比生長速率降低時才合成。 操縱環(huán)境條件來控制次級代謝物的生物合成操縱環(huán)境條件來控制次級代謝物的生物合成n改變培養(yǎng)基成分來避免分解阻遏作用改變培養(yǎng)基成分來避免分解阻遏作用 n改變培養(yǎng)基成分來避免反饋抑制和阻遏作用改變培養(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，避免其對參與生鏈霉素發(fā)酵中限制磷酸鹽的加量，避免其對參與生物合成的磷酸酯酶的反饋抑制和阻遏作用物合成的磷酸酯酶的反饋抑制和阻遏作用n培養(yǎng)基中添加前體物來避免分支途徑終產(chǎn)物對發(fā)酵產(chǎn)培養(yǎng)基中添加前體物來避免分支途徑終

19、產(chǎn)物對發(fā)酵產(chǎn)品的間接抑制作用品的間接抑制作用n 分解阻遏作用的解除主要是在多個碳源中選擇慢碳分解阻遏作用的解除主要是在多個碳源中選擇慢碳源或者采用緩慢流加快碳源的工藝源或者采用緩慢流加快碳源的工藝 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)酵代謝曲線耐負反饋調(diào)節(jié)的抗性突變株的篩選耐負反饋調(diào)節(jié)的抗性突變株的篩選n篩選耐結(jié)構(gòu)類似物的突變株篩選耐結(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)菌株不需添加色氨酸的硝吡咯菌素的高產(chǎn)菌株n回復(fù)篩選回復(fù)篩選 e.g. 高產(chǎn)金霉素產(chǎn)生菌高產(chǎn)金霉素產(chǎn)生菌n篩選耐藥性菌株篩選耐藥性菌株 e.g. 利用抗生

20、素篩選耐藥性菌株利用抗生素篩選耐藥性菌株 (三三)溫度對發(fā)酵的影響及其控制溫度對發(fā)酵的影響及其控制1. 影響發(fā)酵溫度的因素影響發(fā)酵溫度的因素2. 溫度對微生物生長的影響溫度對微生物生長的影響3. 溫度對基質(zhì)消耗的影響溫度對基質(zhì)消耗的影響4. 溫度對產(chǎn)物合成的影響溫度對產(chǎn)物合成的影響5. 最適溫度的選擇與控制最適溫度的選擇與控制 (1)發(fā)酵熱發(fā)酵熱n發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的熱量，叫做發(fā)酵熱發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的熱量，叫做發(fā)酵熱。 Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射 (2)生物熱生物熱n來源來源 ：微生物微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的分解所釋放的能量對營養(yǎng)物質(zhì)的分解所釋放的能量n影響因素：影響因素：n菌株菌株n培養(yǎng)

21、基成分培養(yǎng)基成分 n發(fā)酵時期發(fā)酵時期 n生物熱與其它參數(shù)的關(guān)系生物熱與其它參數(shù)的關(guān)系 呼吸強度呼吸強度QO2 糖利用速率糖利用速率當產(chǎn)生的生物熱達到高峰時，菌的呼當產(chǎn)生的生物熱達到高峰時，菌的呼吸強度最大，糖的利用速率也最大，吸強度最大，糖的利用速率也最大，可用耗氧量、糖耗來衡量生物熱?？捎煤难趿俊⑻呛膩砗饬可餆?。2. 溫度對微生物生長的影響溫度對微生物生長的影響n當當時時，可忽略，微生物處于生長狀態(tài)可忽略，微生物處于生長狀態(tài)。、皆與皆與T有有關(guān)，其關(guān)系均可用阿累尼烏斯公式描述關(guān)，其關(guān)系均可用阿累尼烏斯公式描述：nEE 死亡速率比生長速率對溫度變化更為敏感死亡速率比生長速率對溫度變化更為敏感

22、 xxdtdxdtdxx1RTE1eARTE2eA嗜冷、嗜中溫、嗜熱菌的典型生長與溫度關(guān)系嗜冷、嗜中溫、嗜熱菌的典型生長與溫度關(guān)系2. 溫度對微生物生長的影響溫度對微生物生長的影響(續(xù)續(xù))n在其最適溫度范圍內(nèi)，生長速率隨溫度升高而增加，在其最適溫度范圍內(nèi)，生長速率隨溫度升高而增加，當溫度超過最適生長溫度，生長速率隨溫度增加而迅當溫度超過最適生長溫度，生長速率隨溫度增加而迅速下降。速下降。 n不同生長階段的微生物對溫度的反應(yīng)不同不同生長階段的微生物對溫度的反應(yīng)不同 n處于延遲期的細菌對溫度的影響十分敏感。處于延遲期的細菌對溫度的影響十分敏感。n對于對數(shù)生長期的細菌，如果在略低于最適溫度的對于對數(shù)

23、生長期的細菌，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。壞作用較弱。 n處于生長后期的細菌，其生長速度一般主要取決于處于生長后期的細菌，其生長速度一般主要取決于溶解氧，而不是溫度。溶解氧，而不是溫度。 (1) 糖比消耗速率糖比消耗速率qs nRighelato假定假定：m維持因子，即生長速率為零時的葡萄糖的消耗維持因子，即生長速率為零時的葡萄糖的消耗。m項項與滲透壓調(diào)節(jié)、代謝產(chǎn)物的生成、遷移性及除繁殖以與滲透壓調(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)。這些過程外的其它生物轉(zhuǎn)化等過程

24、所需的能量有關(guān)。這些過程受溫度的影響，所以受溫度的影響，所以m也和溫度相關(guān)也和溫度相關(guān)。B生長系數(shù)，即同一生長速率下的糖耗生長系數(shù)，即同一生長速率下的糖耗，B值越大，說值越大，說明同樣比生長速率下，用于純粹生長的糖耗越大明同樣比生長速率下，用于純粹生長的糖耗越大。 n改變溫度可以控制改變溫度可以控制qs和和 Bmqs（2）T對對B、m和和的影響的影響 nqs一定一定：n當當TTm時時， m ， , B 底物轉(zhuǎn)化效率低底物轉(zhuǎn)化效率低當當T=Tm時時，mT(K)m溫度對溫度對B、m和不同和不同qs下對下對值的影響值的影響4. 溫度對產(chǎn)物合成的影響溫度對產(chǎn)物合成的影響n影響發(fā)酵過程中各種反應(yīng)速率，從

25、而影響微生物的生影響發(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)物生成。長代謝與產(chǎn)物生成。 e.g. 青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素 青霉菌生長活化能青霉菌生長活化能E1=34kJ/mol 青霉素合成活化能青霉素合成活化能E2=112kJ/mol 青霉素合成速率對溫度較敏感青霉素合成速率對溫度較敏感n改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間接影響菌的生物合成改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間接影響菌的生物合成 。n影響生物合成方向。影響生物合成方向。 e.g. 四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌：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，且污染大量細菌酵母形態(tài)變小，發(fā)酵液變黑，且污染大量細菌 p

26、H0.5% 低低pH6.8控制加糖控制加糖 7% ， OTR逐漸逐漸至至OTR=，即即 ，高位平衡高位平衡 當處于高位平衡時，表明供氧性能好。高位平衡通常發(fā)生當處于高位平衡時，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。在正常情況的前、后期。LLaCCKOTR0dtdCLOTR,CC,CLL0dtdCLn平衡點分析平衡點分析：當當CL（如對數(shù)生長期如對數(shù)生長期很大很大）， ，OTRCm, 卷須霉素卷須霉素: n而有些菌株而有些菌株 Ccr CCr，生產(chǎn)階段滿足生產(chǎn)階段滿足CLCm。 （1 1）發(fā)酵異常指標）發(fā)酵異常指標n發(fā)酵中污染雜菌，溶解氧發(fā)生異常變化。發(fā)酵中污染雜菌，溶解氧發(fā)生異

27、常變化。對于好氣性雜菌，溶解氧會一反往常在較短時間內(nèi)跌對于好氣性雜菌，溶解氧會一反往常在較短時間內(nèi)跌到零附近，跌零后長時間不回升到零附近，跌零后長時間不回升。對于厭氣性雜菌，對于厭氣性雜菌，溶解氧溶解氧升高。升高。n污染噬菌體或其它不明原因引起污染噬菌體或其它不明原因引起 發(fā)酵液變稀，此時發(fā)酵液變稀，此時溶解氧溶解氧迅速上升。迅速上升。 n操作故障或事故分析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（2）補料控制指標補料控制指標 n中間補料是否得當可以從中間補料是否得當可以從溶解氧溶解氧的變化看出。的變化看出。n發(fā)酵過程中出

28、現(xiàn)發(fā)酵過程中出現(xiàn)“發(fā)酸發(fā)酸”現(xiàn)象，此時溶解氧很快下降?，F(xiàn)象，此時溶解氧很快下降。 （3）代謝方向控制指標）代謝方向控制指標 n測量溶解氧可以確定測量溶解氧可以確定CCr、Cm值值n通過溶氧測量可以掌握由好氣轉(zhuǎn)為厭氣培養(yǎng)的關(guān)鍵時機通過溶氧測量可以掌握由好氣轉(zhuǎn)為厭氣培養(yǎng)的關(guān)鍵時機 e.g.天門冬酰胺酶發(fā)酵天門冬酰胺酶發(fā)酵：45%飽和度飽和度 n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之一謝方向的最好的指標之一 。（4）設(shè)備性能、工藝合理性指標）設(shè)備性能、工藝合理性指標n評價設(shè)備性能、工藝合理性的最終指標：發(fā)酵單位評價設(shè)備

29、性能、工藝合理性的最終指標：發(fā)酵單位 n設(shè)備反映供氧性能：設(shè)備反映供氧性能： 攪拌槳形式攪拌槳形式 葉片形式葉片形式 攪拌器直徑攪拌器直徑d 攪拌檔數(shù)攪拌檔數(shù)m和攪拌器間距和攪拌器間距s 檔板寬度檔板寬度w和檔板數(shù)和檔板數(shù)z 通氣：空氣分布器的類型和位置通氣：空氣分布器的類型和位置 n，P/V 設(shè)備操作參數(shù)設(shè)備操作參數(shù) 罐壓罐壓 WS或或VVM攪拌攪拌設(shè)備幾何參數(shù)設(shè)備幾何參數(shù)（4）設(shè)備性能、工藝合理性指標）設(shè)備性能、工藝合理性指標工藝條件反映耗氧和供氧特征工藝條件反映耗氧和供氧特征菌種性能：耗菌種性能：耗O2培養(yǎng)基性能：耗培養(yǎng)基性能：耗O2、供供O2溫度：耗溫度：耗O2、供供O2RQ（O2與與

30、CO2水平比較水平比較）：耗耗O2表面活性劑：耗表面活性劑：耗O2、供供O2改進工藝：控制補料速度、改進工藝：控制補料速度、T 的調(diào)節(jié)、中間補水、的調(diào)節(jié)、中間補水、 添加表面活性劑等等添加表面活性劑等等 對現(xiàn)有發(fā)酵工對現(xiàn)有發(fā)酵工廠進行技術(shù)改造廠進行技術(shù)改造 淺層次淺層次 修改設(shè)備和工藝修改設(shè)備和工藝 規(guī)模和控制水平上檔次規(guī)模和控制水平上檔次 引入新型發(fā)酵類型引入新型發(fā)酵類型 深層次深層次 工藝的改進是否有效可通過溶解氧水平進行評價：工藝的改進是否有效可通過溶解氧水平進行評價： P/V的改變對溶解氧和產(chǎn)量的影響的改變對溶解氧和產(chǎn)量的影響 e.g.利福霉素發(fā)酵利福霉素發(fā)酵：5080h波谷階段波谷階

31、段，P/V，KLa，供氧供氧；3W/L比比1 W/L批號的發(fā)酵單位增加約批號的發(fā)酵單位增加約900u/ml 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)攪拌轉(zhuǎn)數(shù)n 對溶解氧和產(chǎn)量的影響對溶解氧和產(chǎn)量的影響e.g.赤霉素發(fā)酵赤霉素發(fā)酵：15 50h期間期間，n從從155 提高至提高至180r/min， 赤霉素單位赤霉素單位（1 1）溶解氧控制的一般原則）溶解氧控制的一般原則 n生長階段生長階段： 即可即可n產(chǎn)物合成階段產(chǎn)物合成階段： 即可即可v過高的溶氧水平反而對菌體代謝有不可逆的抑過高的溶氧水平反而對菌體代謝有不可逆的抑制作用制作用CrLCC mLCC （2）溶解氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一溶解氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之

32、一 v控控制原理制原理發(fā)酵過程中，發(fā)酵過程中， 糖量糖量 x , QO2 CL 糖量糖量 QO2 CL 補糖使補糖使CL下降，而下降，而CL回升的快慢取決于供氧效率回升的快慢取決于供氧效率。對于一個具體的發(fā)酵，存在一個最適氧濃度對于一個具體的發(fā)酵，存在一個最適氧濃度（Cm）水水平，補糖速率應(yīng)與其相適應(yīng)。平，補糖速率應(yīng)與其相適應(yīng)。 mLCC ，加大補糖速率加大補糖速率 mLCC ，減小補糖速率減小補糖速率實現(xiàn)用溶解氧水平控制補料速率實現(xiàn)用溶解氧水平控制補料速率 補糖速率控制在正好使生產(chǎn)菌處于所謂補糖速率控制在正好使生產(chǎn)菌處于所謂“半饑餓半饑餓狀態(tài)狀態(tài)”，使其僅能維持正常的生長代謝，即把更，使其僅

33、能維持正常的生長代謝，即把更多的糖用于產(chǎn)物合成，并永遠不超過罐設(shè)計時的多的糖用于產(chǎn)物合成，并永遠不超過罐設(shè)計時的KLa水平所能提供的最大供氧速率。水平所能提供的最大供氧速率。 v控制原則控制原則（2）溶氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一溶氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一 v控制方法控制方法 溶氧和補糖控制系統(tǒng)溶氧和補糖控制系統(tǒng) 溶氧和溶氧和pH控制的系統(tǒng)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溶氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一 溶氧在加糖控制上的應(yīng)用溶氧在加糖控制上的應(yīng)用溶氧與溶氧與pH協(xié)同控制系統(tǒng)協(xié)同控制系統(tǒng)（3）溶解氧控制的工藝方法：溶解氧控制的工藝方法：從供氧、需氧兩方面考慮從

34、供氧、需氧兩方面考慮 n供氧方面：供氧方面：提高氧分壓（氧分含量），即提高氧分壓（氧分含量），即 ，提高供氧能力提高供氧能力改變攪拌轉(zhuǎn)速：通過改變改變攪拌轉(zhuǎn)速：通過改變KLa來提高供氧能力來提高供氧能力 通氣速率通氣速率Ws ：Ws增加有上限，引起增加有上限，引起“過載過載”、泡沫、泡沫提高罐壓：提高罐壓： ，但同時會增加，但同時會增加CO2的溶解度，影響的溶解度，影響pH及及可能會影響菌的代謝，另外還會增加對設(shè)備的強度要求。可能會影響菌的代謝，另外還會增加對設(shè)備的強度要求。 CC改變發(fā)酵液理化性質(zhì)改變發(fā)酵液理化性質(zhì)（， ，Ii） 加消泡劑，補加無菌水，改變培養(yǎng)基成分加消泡劑，補加無菌水，改變

35、培養(yǎng)基成分改變改變KL改變溫度：改變溫度： ，提高推動力提高推動力（C*CL）C,T（3）溶解氧控制的工藝方法（續(xù)）溶解氧控制的工藝方法（續(xù)）n 供氧方面：供氧方面：（3）溶解氧控制的工藝方法（續(xù)）溶解氧控制的工藝方法（續(xù)）n耗氧方面耗氧方面 n限制性基質(zhì)的流加控制（補料控制）：在限制性基質(zhì)的流加控制（補料控制）：在OTR一定情況一定情況下，控制基質(zhì)濃度下，控制基質(zhì)濃度限制限制、x 限制限制 控制溶解氧控制溶解氧（4）溶解氧自動控制系統(tǒng)）溶解氧自動控制系統(tǒng)n改變通氣速率的溶氧控制系統(tǒng)改變通氣速率的溶氧控制系統(tǒng) n改變攪拌轉(zhuǎn)速的溶氧控制系統(tǒng)改變攪拌轉(zhuǎn)速的溶氧控制系統(tǒng)n改變通氣量、轉(zhuǎn)速、罐壓所組成

36、的多參數(shù)溶氧改變通氣量、轉(zhuǎn)速、罐壓所組成的多參數(shù)溶氧控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 溶解氧對被孢霉合成溶解氧對被孢霉合成花生四烯酸花生四烯酸 (AA) 的影響的影響 溶氧量對溶氧量對AA產(chǎn)量的影響產(chǎn)量的影響注：搖床轉(zhuǎn)速注：搖床轉(zhuǎn)速150r/min, 25 KLa越大越大，培養(yǎng)基中溶培養(yǎng)基中溶解氧越多解氧越多, , AA合成速合成速度越快度越快溶解氧控制對鳥苷產(chǎn)量的影響溶解氧控制對鳥苷產(chǎn)量的影響不同的不同的DO控制條件下鳥苷積累的比較控制條件下鳥苷積累的比較DO()：5，l0，20，30發(fā)酵過程發(fā)酵過程 DO 變化與鳥苷變化與鳥苷 積累的關(guān)系積累的關(guān)系DO 控制在控制在1020，產(chǎn)物積累產(chǎn)物積累，鳥苷含量最高

37、。，鳥苷含量最高。DO在在5和和30，前期產(chǎn)物積累前期產(chǎn)物積累，但后期基本不增加，但后期基本不增加.DO水平的超高階段水平的超高階段(發(fā)酵周期發(fā)酵周期28h44h)，鳥苷積累量基本不，鳥苷積累量基本不增加；調(diào)整增加；調(diào)整DO 在適當水平上，鳥苷積累量繼續(xù)上升。在適當水平上，鳥苷積累量繼續(xù)上升。 （六）（六）CO2和呼吸商對發(fā)酵的影響及其控制和呼吸商對發(fā)酵的影響及其控制1. 定義定義 2. 發(fā)酵過程中發(fā)酵過程中CO2釋放率的變化釋放率的變化3. . CO2對發(fā)酵的影響對發(fā)酵的影響 1. 定義定義 n 呼吸商呼吸商（RQ）：指菌體呼吸過程中，指菌體呼吸過程中，CO2釋放率和菌的耗釋放率和菌的耗 氧

38、速率之比，氧速率之比，RQ反映菌的代謝情況反映菌的代謝情況。n菌體耗氧速率菌體耗氧速率 OUR，molO2/Lh 菌體菌體CO2釋放率釋放率CER，molCO2/LhOURCERRQ （1 1）影響尾氣中）影響尾氣中CO2濃度的因素濃度的因素 n通入空氣量通入空氣量： n呼吸強度：呼吸強度：nCO2溶解度：溶解度：n菌體量菌體量：出2COC,VVM出，2CO2CO2OCQQ出出，；、2CO2COCPC,TPT出，2CO2COCCERxQx（2）CER變化規(guī)律變化規(guī)律 nCO2積累量漸增，與積累量漸增，與x曲線對應(yīng)，基本類似曲線對應(yīng)，基本類似S型曲線變化型曲線變化；n當工藝和設(shè)備參數(shù)一定的情況下

39、當工藝和設(shè)備參數(shù)一定的情況下，CER與與x有比例關(guān)系有比例關(guān)系（CER菌體生長速率菌體生長速率）；nCO2濃度變化與濃度變化與O2濃度變化成反向同步關(guān)系濃度變化成反向同步關(guān)系。CERdtCERdt，菌體干重的時間曲線，菌體干重的時間曲線1- CERdt1- CERdt；2-2-菌量菌量（3）CER的測量與計算的測量與計算 n測量方法：熱導(dǎo)、測量方法：熱導(dǎo)、紅外分析儀紅外分析儀、質(zhì)譜儀、質(zhì)譜儀n計算計算 fCCC1CCVFxQCER2CO2O2CO2COL2CO進出出出惰進進（1 1）研究參數(shù)）研究參數(shù)CO2的意義的意義 n作為代謝產(chǎn)物或中間前體，尾氣中作為代謝產(chǎn)物或中間前體，尾氣中CO2積累與

40、生物量積累與生物量 成正比，通過成正比，通過C質(zhì)量平衡估算生長速率和細胞量。質(zhì)量平衡估算生長速率和細胞量。n高濃度高濃度CO2對發(fā)酵多表現(xiàn)為抑制作用，應(yīng)實施測量與對發(fā)酵多表現(xiàn)為抑制作用，應(yīng)實施測量與 控制；控制；n尾氣尾氣CO2不僅直接反映代謝情況，而且和其它參數(shù)及不僅直接反映代謝情況，而且和其它參數(shù)及補料操作密切相關(guān)，可作為工藝優(yōu)化的指標。補料操作密切相關(guān)，可作為工藝優(yōu)化的指標。 （2）CO2對細胞的作用機制對細胞的作用機制n“麻醉麻醉”作用作用 CO2及及HCO3-都會影響細胞膜的結(jié)構(gòu)，使膜的流動都會影響細胞膜的結(jié)構(gòu)，使膜的流動性及表面電荷密度發(fā)生變化，導(dǎo)致許多基質(zhì)的跨膜運性及表面電荷密度

41、發(fā)生變化，導(dǎo)致許多基質(zhì)的跨膜運輸受阻，影響了細胞膜的運輸效率，使細胞處于輸受阻，影響了細胞膜的運輸效率，使細胞處于“麻麻醉醉”狀態(tài)，細胞生長受到抑制，形態(tài)發(fā)生改變。狀態(tài)，細胞生長受到抑制，形態(tài)發(fā)生改變。 （3）CO2對菌體生長及產(chǎn)物形成的影響對菌體生長及產(chǎn)物形成的影響 nCO2, 基質(zhì)分解速率基質(zhì)分解速率，ATP ，中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物或形態(tài)變異或形態(tài)變異導(dǎo)致產(chǎn)量導(dǎo)致產(chǎn)量n高濃度高濃度CO2抑制作用的獨立性抑制作用的獨立性: 只要只要CO2在培養(yǎng)液中濃度在培養(yǎng)液中濃度過量，即使供氧充足過量，即使供氧充足（CLCCr），CO2的抑制作用不能的抑制作用不能解除，這種負作用在放大過程更明顯。解除，這種負

42、作用在放大過程更明顯。n正確評價通氣的作用：正確評價通氣的作用：n供氧：供氧：n排廢氣：排廢氣：n水分及揮發(fā)性組分的散失水分及揮發(fā)性組分的散失 LaK,VVM（4）CO2釋放與發(fā)酵過程參數(shù)釋放與發(fā)酵過程參數(shù)pH及操作參數(shù)補糖速率的關(guān)系及操作參數(shù)補糖速率的關(guān)系n在青霉素發(fā)酵中補糖將引起排氣在青霉素發(fā)酵中補糖將引起排氣CO2增加，同時增加，同時pH下降下降。 n糖糖、CO2、pH三者的相關(guān)性三者的相關(guān)性，被青霉素工業(yè)生產(chǎn)上用于補被青霉素工業(yè)生產(chǎn)上用于補料控制的參數(shù)，并認為排氣料控制的參數(shù)，并認為排氣CO2的變化比的變化比pH變化更為敏感，變化更為敏感，所以測定排氣所以測定排氣CO2釋放率釋放率 （

43、CER）來控制補糖速率來控制補糖速率。 補糖與溶氧及補糖與溶氧及pH協(xié)同控制協(xié)同控制補糖速率與補糖速率與CER控制控制 補糖對排氣補糖對排氣CO2和和pH的影響的影響（4）尾氣）尾氣CO2與與O2的相關(guān)性的相關(guān)性 n相關(guān)程度表示：相關(guān)程度表示：n尾氣尾氣CO2與與O2相關(guān)性：反向同步關(guān)系相關(guān)性：反向同步關(guān)系n呼吸商呼吸商（RQ）與發(fā)酵的關(guān)系與發(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，同基質(zhì)、同一菌株在不同發(fā)酵階段，RQ值不相同值不相同。RQ值可以表征發(fā)酵狀況值可以表征發(fā)酵狀況。 OURCERRQ fCC

44、1CCCVFxQOUR2O2CO2O2OL2O出出出惰進進青霉素發(fā)酵不同階段青霉素發(fā)酵不同階段： 菌體生長階段菌體生長階段：RQ0.909 維持階段維持階段：RQ=1 生產(chǎn)階段生產(chǎn)階段：RQ=4如果產(chǎn)物的還原性比基質(zhì)大時，其如果產(chǎn)物的還原性比基質(zhì)大時，其RQ值就增加；反之，當值就增加；反之，當產(chǎn)物的氧化性比基質(zhì)大時產(chǎn)物的氧化性比基質(zhì)大時，RQ值就要減少值就要減少，其偏離程度決其偏離程度決定于單位菌體利用基質(zhì)形成產(chǎn)物的量。定于單位菌體利用基質(zhì)形成產(chǎn)物的量。 產(chǎn)物形成對產(chǎn)物形成對RQ影響最大影響最大（七）基質(zhì)濃度對發(fā)酵過程的影響及補料控制（七）基質(zhì)濃度對發(fā)酵過程的影響及補料控制1. 基質(zhì)濃度對發(fā)酵

45、的影響基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響 2. 補料控制補料控制（1） 基質(zhì)濃度對微生物生長的影響基質(zhì)濃度對微生物生長的影響nsKS情況下情況下，比生長速率與基質(zhì)濃度呈直線關(guān)系比生長速率與基質(zhì)濃度呈直線關(guān)系：n一般情況下符合一般情況下符合Monod方程式方程式n基質(zhì)濃度高時基質(zhì)濃度高時 SkSmaxSkSSmaxSkkiimax(2) 基質(zhì)濃度對產(chǎn)物合成的影響基質(zhì)濃度對產(chǎn)物合成的影響n低濃度限制低濃度限制n低水平誘導(dǎo)低水平誘導(dǎo)n高濃度抑制及分解阻遏作用高濃度抑制及分解阻遏作用e.g.葡萄糖氧化酶發(fā)酵葡萄糖氧化酶發(fā)酵：葡萄糖用量從：葡萄糖用量從8%降至降至6%，補入補入2%氨基乙酸或甘油，使酶活力分別提高氨基

46、乙酸或甘油，使酶活力分別提高26%或或6.7%。 谷氨酸發(fā)酵谷氨酸發(fā)酵（乙醇為碳源）：當乙醇濃度為（乙醇為碳源）：當乙醇濃度為2.5g/L和和35g/L時，可延長谷氨酸生產(chǎn)時間，但在更高濃度下，時，可延長谷氨酸生產(chǎn)時間，但在更高濃度下，菌體生長受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量降低。菌體生長受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量降低。（1）補料的目的補料的目的n解除解除基質(zhì)過濃的抑制基質(zhì)過濃的抑制n解除解除產(chǎn)物的反饋抑制產(chǎn)物的反饋抑制n解除分解代謝物阻遏作用解除分解代謝物阻遏作用n避免避免因一次性投糖過多造成細胞大量生長，耗氧因一次性投糖過多造成細胞大量生長，耗氧過多而造成波谷現(xiàn)象。過多而造成波谷現(xiàn)象。n在生產(chǎn)上，補料還經(jīng)常

47、作為糾正異常發(fā)酵的一個在生產(chǎn)上，補料還經(jīng)常作為糾正異常發(fā)酵的一個重要手段。重要手段。（2）補料的內(nèi)容補料的內(nèi)容n 補充微生物能源和碳源補充微生物能源和碳源n 補充菌體所需要的氮源補充菌體所需要的氮源n 補充微量元素或無機鹽補充微量元素或無機鹽n 添加前體、誘導(dǎo)劑等添加前體、誘導(dǎo)劑等（3）補料的原則）補料的原則n中間補料的數(shù)量為基礎(chǔ)料的中間補料的數(shù)量為基礎(chǔ)料的13倍倍 。n補料的原則就在于控制微生物的中間代謝，使之向著有補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。利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。n現(xiàn)有的各種補料措施都是通過實驗方法確定的?，F(xiàn)有的各種補料措施都是通過實驗方法確定

48、的。 n大多數(shù)補料分批發(fā)酵均補加生長限制性基質(zhì)大多數(shù)補料分批發(fā)酵均補加生長限制性基質(zhì)以經(jīng)驗數(shù)據(jù)或預(yù)測數(shù)據(jù)控制流加；以經(jīng)驗數(shù)據(jù)或預(yù)測數(shù)據(jù)控制流加；用傳感用傳感器直接測定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加；器直接測定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加；以以溶氧、溶氧、pH、RQ、排氣中、排氣中CO2分壓及代謝物質(zhì)濃度分壓及代謝物質(zhì)濃度等等參數(shù)間接控制流加；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)計算以物料平衡方程，通過傳感器在線測定的一些參數(shù)計算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加。限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加。（4）補料控制的策略）補料控制的策略（5）反饋控制參數(shù)的確定）反饋控制參數(shù)的

49、確定n為了有效地進行中間補料，必須選擇恰當?shù)姆答伩刂茀榱擞行У剡M行中間補料，必須選擇恰當?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)數(shù)，以及了解這些參數(shù)與微生物代謝、菌體生長、基質(zhì)利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系。利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系。 e.g. 谷氨酸發(fā)酵谷氨酸發(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。質(zhì)消耗速率之間存在著線性關(guān)系。mmolmmolOxqOURk2S糖耗耗氧量K=1.51K=1.75K=2.16谷氨酸發(fā)酵中谷氨酸發(fā)酵中K值對糖濃度的控制的影響值對糖濃度的控制的影響（6）補料

50、速率的確定）補料速率的確定n優(yōu)化補料速率是補料控制中十分重要的一環(huán)，優(yōu)化補料速率是補料控制中十分重要的一環(huán)，補料速補料速率要根據(jù)微生物對營養(yǎng)等的消耗速率及所設(shè)定的培養(yǎng)率要根據(jù)微生物對營養(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。液中最低維持濃度而定。n補糖速率最佳點與設(shè)備的供氧能力有關(guān)。補糖速率最佳點與設(shè)備的供氧能力有關(guān)。 e.g.青霉素發(fā)酵：青霉素發(fā)酵：KLa大的設(shè)備補料速率相應(yīng)大些；供大的設(shè)備補料速率相應(yīng)大些；供氧低的設(shè)備，補料速率相應(yīng)減少，產(chǎn)量比供氧能力好氧低的設(shè)備，補料速率相應(yīng)減少，產(chǎn)量比供氧能力好的設(shè)備降低的設(shè)備降低23。（7）實例：四環(huán)素發(fā)酵中的補糖控制）實例：四環(huán)素發(fā)酵中的

51、補糖控制n補糖時間對四環(huán)素發(fā)酵單位的影響補糖時間對四環(huán)素發(fā)酵單位的影響補糖時間適當補糖時間適當 （ 45h后加）后加）補糖時間過晚補糖時間過晚 （62h開始加）開始加） 補糖時間過早補糖時間過早 （20h后加）后加）n 維持不同還原糖水平的四環(huán)素發(fā)酵中流加補糖的作用維持不同還原糖水平的四環(huán)素發(fā)酵中流加補糖的作用補糖對四環(huán)素發(fā)酵的影補糖對四環(huán)素發(fā)酵的影響響 在最適補加葡萄在最適補加葡萄糖的條件下，能正糖的條件下，能正確控制菌絲量的增確控制菌絲量的增加、糖的消耗與發(fā)加、糖的消耗與發(fā)酵單位增長三者之酵單位增長三者之間的關(guān)系，就可獲間的關(guān)系，就可獲得比采用豐富培養(yǎng)得比采用豐富培養(yǎng)基時更長的生物合基時更

52、長的生物合成期。成期。n 維持不同還原糖水平的四環(huán)素發(fā)酵中流加補糖的作用維持不同還原糖水平的四環(huán)素發(fā)酵中流加補糖的作用（八）高密度發(fā)酵及過程控制（八）高密度發(fā)酵及過程控制1. 高密度發(fā)酵高密度發(fā)酵2.高密度發(fā)酵策略高密度發(fā)酵策略3.高密度發(fā)酵技術(shù)高密度發(fā)酵技術(shù)4.高密度發(fā)酵存在的問題高密度發(fā)酵存在的問題1. 高密度發(fā)酵高密度發(fā)酵n代謝產(chǎn)物的合成是靠菌體作為生產(chǎn)者來完成的。代謝產(chǎn)物的合成是靠菌體作為生產(chǎn)者來完成的。 n高細胞密度發(fā)酵就是為了適應(yīng)這一要求而得到廣高細胞密度發(fā)酵就是為了適應(yīng)這一要求而得到廣泛的重視。泛的重視。n高密度發(fā)酵：在發(fā)酵過程中保持較高的細胞密度，高密度發(fā)酵：在發(fā)酵過程中保持較

53、高的細胞密度，同時細胞或菌體的生產(chǎn)能力保持在較佳的狀態(tài)。同時細胞或菌體的生產(chǎn)能力保持在較佳的狀態(tài)。 高細胞密度發(fā)酵成功的實例高細胞密度發(fā)酵成功的實例2.高密度發(fā)酵策略高密度發(fā)酵策略n使用最低合成培養(yǎng)基以便進行準確的培養(yǎng)基設(shè)使用最低合成培養(yǎng)基以便進行準確的培養(yǎng)基設(shè)計和計算生長得率。計和計算生長得率。 n優(yōu)化細胞生長速率，使得碳源能被充分利用和優(yōu)化細胞生長速率，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)物對氧的需求和產(chǎn)熱速率。速率還能控制培養(yǎng)物對氧的需求和產(chǎn)熱速率。 n可用碳源作為限制性養(yǎng)分，且采用補料分批發(fā)可用碳源作為限

54、制性養(yǎng)分，且采用補料分批發(fā)酵來實現(xiàn)高密度發(fā)酵。酵來實現(xiàn)高密度發(fā)酵。 3.高密度發(fā)酵技術(shù)高密度發(fā)酵技術(shù)n用于高密度發(fā)酵的生物反應(yīng)器類型：用于高密度發(fā)酵的生物反應(yīng)器類型： 攪拌罐，透析膜反應(yīng)器，攪拌罐，透析膜反應(yīng)器， 氣升式反應(yīng)器，氣旋式反應(yīng)器氣升式反應(yīng)器，氣旋式反應(yīng)器 n在工業(yè)化生產(chǎn)中，通常采用的是攪拌罐與補料工藝來在工業(yè)化生產(chǎn)中，通常采用的是攪拌罐與補料工藝來進行高細胞密度發(fā)酵。進行高細胞密度發(fā)酵。n重組大腸桿菌高密度發(fā)酵成功的關(guān)鍵技術(shù)是補料策略，重組大腸桿菌高密度發(fā)酵成功的關(guān)鍵技術(shù)是補料策略，限制性基質(zhì)（葡萄糖）的流加模式有限制性基質(zhì)（葡萄糖）的流加模式有3種：恒速流加補種：恒速流加補料、變

55、速流加補料和指數(shù)流加補料。料、變速流加補料和指數(shù)流加補料。 4. 高密度發(fā)酵存在的問題高密度發(fā)酵存在的問題n水溶液中的固體與氣體物質(zhì)的溶解度，基質(zhì)對水溶液中的固體與氣體物質(zhì)的溶解度，基質(zhì)對生長的限制或抑制作用，基質(zhì)與產(chǎn)物的不穩(wěn)定生長的限制或抑制作用，基質(zhì)與產(chǎn)物的不穩(wěn)定性和揮發(fā)性，產(chǎn)物或副產(chǎn)物的積累達到抑制生性和揮發(fā)性，產(chǎn)物或副產(chǎn)物的積累達到抑制生長的水平，高濃度的長的水平，高濃度的CO2與熱的釋放速率，高與熱的釋放速率，高的氧需求以及培養(yǎng)基的粘度不斷增加等的氧需求以及培養(yǎng)基的粘度不斷增加等 。1. 泡沫的產(chǎn)生及其影響泡沫的產(chǎn)生及其影響n泡沫的產(chǎn)生泡沫的產(chǎn)生 通氣和攪拌通氣和攪拌 代謝氣體的逸出

56、代謝氣體的逸出 存在穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)存在穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)1. 泡沫的產(chǎn)生及其影響泡沫的產(chǎn)生及其影響n泡沫的類型泡沫的類型一類存在于發(fā)酵液的液面上。這類泡沫氣相所占比例一類存在于發(fā)酵液的液面上。這類泡沫氣相所占比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辨的界特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辨的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見的泡沫。的泡沫。另一類出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當中。這種泡沫分散另一類出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當中。這種泡沫分散很細，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體間沒有明很細，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體

57、間沒有明顯的波面界限，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比顯的波面界限，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比例由下而上地逐漸增加。例由下而上地逐漸增加。n泡沫的泡沫的不利影響不利影響降低了發(fā)酵罐的裝料系數(shù)降低了發(fā)酵罐的裝料系數(shù) 增加了菌群的非均一性增加了菌群的非均一性增加了染菌機會增加了染菌機會 大量起泡引起大量起泡引起“逃液逃液”，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失 泡沫嚴重時會影響通氣攪拌的正常進行泡沫嚴重時會影響通氣攪拌的正常進行消泡劑的加入將給提取工序帶來困難消泡劑的加入將給提取工序帶來困難1. 泡沫的產(chǎn)生及其影響泡沫的產(chǎn)生及其影響2.發(fā)酵過程中泡沫的消長規(guī)律發(fā)酵過程中泡沫的消長規(guī)律n影響因素影響

58、因素n通氣攪拌的強度通氣攪拌的強度n培養(yǎng)基的配比及原材料組成培養(yǎng)基的配比及原材料組成n培養(yǎng)基的滅菌方法和操作條件培養(yǎng)基的滅菌方法和操作條件n微生物代謝活動造成發(fā)酵液性質(zhì)變化微生物代謝活動造成發(fā)酵液性質(zhì)變化n染菌染菌 霉菌發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的性質(zhì)與泡沫的關(guān)系霉菌發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的性質(zhì)與泡沫的關(guān)系3. 泡沫的控制泡沫的控制 （1）機械消泡）機械消泡（2）化學(xué)消泡）化學(xué)消泡 （3）從）從微生物本身特性著手，防止泡沫形微生物本身特性著手，防止泡沫形成成 篩選不產(chǎn)生泡沫的微生物突變株篩選不產(chǎn)生泡沫的微生物突變株 幾種微生物混合培養(yǎng)幾種微生物混合培養(yǎng) （1）機械消泡）機械消泡n原理：靠機械力引起強烈振動或者

59、壓力變化，促使原理：靠機械力引起強烈振動或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分泡沫破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分離回收。離回收。n優(yōu)缺點優(yōu)缺點n優(yōu)點：不需引入外來物質(zhì)，可節(jié)省原材料，減少優(yōu)點：不需引入外來物質(zhì)，可節(jié)省原材料，減少 污染機會，并可減少培養(yǎng)液性質(zhì)復(fù)雜化的程度。污染機會，并可減少培養(yǎng)液性質(zhì)復(fù)雜化的程度。n缺點：不如化學(xué)消泡迅速可靠，需要一定的設(shè)備缺點：不如化學(xué)消泡迅速可靠，需要一定的設(shè)備和消耗一定的動力；不能從根本上消除引起穩(wěn)定和消耗一定的動力；不能從根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素泡沫的因素 （1）機械消泡）機械消泡n機械機械消泡裝置的選擇依據(jù)消泡裝置的選擇依據(jù)n動力小動力小n結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 n堅固耐用堅固耐用 n清洗、殺菌容易清洗、殺菌容易 n維修保養(yǎng)費用少維修保養(yǎng)費用少 n機械消泡方法機械消泡方法 n罐內(nèi)消泡：耙式消泡槳、旋轉(zhuǎn)圓板式、氣流罐內(nèi)消泡：耙式消泡槳、旋轉(zhuǎn)圓板式、氣流吸入式、沖擊反射板式、