發(fā)酵過程控制

1、關(guān)于發(fā)酵過程控制現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共99頁第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵過程工藝控制的目發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次的、研究的方法和層次一一 發(fā)酵過程的種類發(fā)酵過程的種類分批培養(yǎng)分批培養(yǎng)補料分批培養(yǎng)補料分批培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共99頁1 1、 分批發(fā)酵分批發(fā)酵 簡單的過程，培養(yǎng)基中接入菌種簡單的過程，培養(yǎng)基中接入菌種以后，沒有物料的加入和取出，除了以后，沒有物料的加入和取出，除了空氣的通入和排氣。整個過程中菌的空氣的通入和排氣。整個過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)都隨時間變化。參數(shù)都隨時間變化?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是

2、第三頁，共99頁分批培養(yǎng)中微生物的生長分批培養(yǎng)中微生物的生長遲滯期遲滯期對數(shù)生長期對數(shù)生長期穩(wěn)穩(wěn) 定定 期期死亡期死亡期現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共99頁XdtdXNdtdNn現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁，共99頁21211ttXXdtdXX 若為常數(shù)，則： tXX12ln對式（1）積分得： 此式可在t=td （td為倍增時間）時求得， td即在 時所需時間，于是td=ln2/=0.693/。122XX 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共99頁 例題：某微生物的 0.125 h-1，求td。htd544. 5125. 0693. 02ln現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共99頁微生物生長分為：遲滯期、對數(shù)生長期微生物生長分為：遲滯期

3、、對數(shù)生長期、穩(wěn)定期和死亡期、穩(wěn)定期和死亡期在遲滯期，菌體沒有分裂只有生長，因在遲滯期，菌體沒有分裂只有生長，因為當(dāng)菌種接種入一個新的環(huán)境，細(xì)胞內(nèi)為當(dāng)菌種接種入一個新的環(huán)境，細(xì)胞內(nèi)的核酸、酶等稀釋，這時細(xì)胞不能分裂的核酸、酶等稀釋，這時細(xì)胞不能分裂。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的與細(xì)胞分裂相關(guān)的物質(zhì)濃度達當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的與細(xì)胞分裂相關(guān)的物質(zhì)濃度達到一定程度，細(xì)胞開始分裂，這時細(xì)胞生到一定程度，細(xì)胞開始分裂，這時細(xì)胞生長很快，比生長速率幾近常數(shù)。這個時期長很快，比生長速率幾近常數(shù)。這個時期稱為對數(shù)生長期稱為對數(shù)生長期現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共99頁隨著細(xì)胞生長，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物減少，隨著細(xì)胞生長，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物減少，廢物積

4、累，導(dǎo)致細(xì)胞生長速率下降，進入廢物積累，導(dǎo)致細(xì)胞生長速率下降，進入減速期和穩(wěn)定期。最后當(dāng)細(xì)胞死亡速率大減速期和穩(wěn)定期。最后當(dāng)細(xì)胞死亡速率大于生成速率，進入死亡期于生成速率，進入死亡期對于初級代謝產(chǎn)物，在對數(shù)生長期初期對于初級代謝產(chǎn)物，在對數(shù)生長期初期就開始合成并積累，而次級代謝產(chǎn)物則就開始合成并積累，而次級代謝產(chǎn)物則在對數(shù)生長期后期和穩(wěn)定期大量合成。在對數(shù)生長期后期和穩(wěn)定期大量合成?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共99頁分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點 操作簡單，周期短，染菌機會少，操作簡單，周期短，染菌機會少，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握缺點缺點 產(chǎn)率低，不適于測定動力

5、學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)率低，不適于測定動力學(xué)數(shù)據(jù)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共99頁2 2、補料分批培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng) 在分批培養(yǎng)過程中補入新鮮的料液，以克在分批培養(yǎng)過程中補入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點服營養(yǎng)不足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點。在此過程中只有料液的加入沒有料液在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出，所以發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵液體積的取出，所以發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵液體積比發(fā)酵開始時有所增加。在工廠的實比發(fā)酵開始時有所增加。在工廠的實際生產(chǎn)中采用這種方法很多。際生產(chǎn)中采用這種方法很多?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共99頁補料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點補料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點 在這樣一種系統(tǒng)中可以維持低的基在

6、這樣一種系統(tǒng)中可以維持低的基質(zhì)濃度，避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)；可質(zhì)濃度，避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)；可以通過補料控制達到最佳的生長和產(chǎn)物合成以通過補料控制達到最佳的生長和產(chǎn)物合成條件；還可以利用計算機控制合理的補料速條件；還可以利用計算機控制合理的補料速率，穩(wěn)定最佳生產(chǎn)工藝。率，穩(wěn)定最佳生產(chǎn)工藝。缺點缺點 由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比生產(chǎn)速率的下降。由于有物料的終導(dǎo)致比生產(chǎn)速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌機會加入增加了染菌機會現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共99頁3 3、半連續(xù)培養(yǎng)、半連續(xù)培養(yǎng)在補料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉部在補料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉

7、部分發(fā)酵液（帶放）稱為半連續(xù)培養(yǎng)。分發(fā)酵液（帶放）稱為半連續(xù)培養(yǎng)。某些品種采取這種方式，如四環(huán)素發(fā)某些品種采取這種方式，如四環(huán)素發(fā)酵酵優(yōu)點優(yōu)點 放掉部分發(fā)酵液，再補入部分料液放掉部分發(fā)酵液，再補入部分料液，使代謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成，使代謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成，提高了總產(chǎn)量。，提高了總產(chǎn)量。缺點缺點 代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，提代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，提取的總體積增大取的總體積增大現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共99頁4 4、連續(xù)培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵過程中一邊補入新鮮料液一邊放出發(fā)酵過程中一邊補入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持等量的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持恒定。恒定

8、。達到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中菌的濃度，產(chǎn)物達到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度都是恒定的。濃度，限制性基質(zhì)濃度都是恒定的?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁，共99頁連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點 控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化?？刂葡♂屗俾士梢允拱l(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量。由于發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量。由于D，通，通過改變稀釋速率可以比較容易的研究菌生過改變稀釋速率可以比較容易的研究菌生長的動力學(xué)長的動力學(xué)缺點缺點 菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會引菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌種退化，降低產(chǎn)量。長時間補料染菌機起菌種退化，降低產(chǎn)量。長時間補料染菌機會大大增加

9、。會大大增加?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共99頁二二 發(fā)酵過程工藝控制的目的發(fā)酵過程工藝控制的目的有一個好的菌種以后要有一個配合菌有一個好的菌種以后要有一個配合菌種生長的最佳條件，使菌種的潛能發(fā)種生長的最佳條件，使菌種的潛能發(fā)揮出來揮出來目標(biāo)是得到最大的比生產(chǎn)速率和最大的生目標(biāo)是得到最大的比生產(chǎn)速率和最大的生產(chǎn)率產(chǎn)率現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共99頁發(fā)揮菌種的最大生產(chǎn)潛力考慮之點發(fā)揮菌種的最大生產(chǎn)潛力考慮之點菌種本身的代謝特點菌種本身的代謝特點 生長速率、呼吸強生長速率、呼吸強度、營養(yǎng)要求（酶系統(tǒng)）、代謝速率度、營養(yǎng)要求（酶系統(tǒng)）、代謝速率菌代謝與環(huán)境的相關(guān)性菌代謝與環(huán)境的相關(guān)性 溫度、溫度、pH、滲

10、、滲透壓、離子強度、溶氧濃度、剪切力等透壓、離子強度、溶氧濃度、剪切力等現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共99頁微生物代謝是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它的代謝微生物代謝是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它的代謝呈網(wǎng)絡(luò)形式，比如糖代謝產(chǎn)生的中間物可呈網(wǎng)絡(luò)形式，比如糖代謝產(chǎn)生的中間物可能用作合成菌體的前體，可能用作合成產(chǎn)能用作合成菌體的前體，可能用作合成產(chǎn)物的前體，也可能合成副產(chǎn)物，而這些前物的前體，也可能合成副產(chǎn)物，而這些前體有可能流向不同的反應(yīng)方向，環(huán)境條件體有可能流向不同的反應(yīng)方向，環(huán)境條件的差異會引發(fā)代謝朝不同的方向進行。的差異會引發(fā)代謝朝不同的方向進行?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共99頁微生物的生長與產(chǎn)物合成有密切相關(guān)性，不微

11、生物的生長與產(chǎn)物合成有密切相關(guān)性，不僅表現(xiàn)在菌體量的大小影響產(chǎn)物量的多少，僅表現(xiàn)在菌體量的大小影響產(chǎn)物量的多少，而且菌體生長正常與否，即前期的代謝直接而且菌體生長正常與否，即前期的代謝直接影響中后期代謝的正常與否。特別是對于次影響中后期代謝的正常與否。特別是對于次級代謝產(chǎn)物的合成更具有復(fù)雜性級代謝產(chǎn)物的合成更具有復(fù)雜性因此對發(fā)酵過程的了解不能機械的，割因此對發(fā)酵過程的了解不能機械的，割裂的去認(rèn)識，而要從細(xì)胞代謝水平和反裂的去認(rèn)識，而要從細(xì)胞代謝水平和反應(yīng)工程水平全面的認(rèn)識應(yīng)工程水平全面的認(rèn)識現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁，共99頁發(fā)酵過程受到多因素又相互交叉的影響如菌發(fā)酵過程受到多因素又相互交叉的影響如

12、菌本身的遺傳特性、物質(zhì)運輸、能量平衡、工本身的遺傳特性、物質(zhì)運輸、能量平衡、工程因素、環(huán)境因素等等。因此發(fā)酵過程的控程因素、環(huán)境因素等等。因此發(fā)酵過程的控制具有不確定性和復(fù)雜性。制具有不確定性和復(fù)雜性。 為了全面的認(rèn)識發(fā)酵過程，本章首先要為了全面的認(rèn)識發(fā)酵過程，本章首先要告訴大家分析發(fā)酵過程的基本方面，在此告訴大家分析發(fā)酵過程的基本方面，在此基礎(chǔ)上再舉一些例子，說明如何綜合分析基礎(chǔ)上再舉一些例子，說明如何綜合分析發(fā)酵過程及進行優(yōu)化放大。發(fā)酵過程及進行優(yōu)化放大?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共99頁三三 發(fā)酵過程研究的方法和層次發(fā)酵過程研究的方法和層次1、研究方法、研究方法單因子實驗單因子實驗：對實驗中

13、要考察的因子逐個進行：對實驗中要考察的因子逐個進行試驗，尋找每個因子的最佳條件。一般用搖瓶試驗，尋找每個因子的最佳條件。一般用搖瓶做實驗做實驗優(yōu)點優(yōu)點 一次可以進行多種條件的實驗，可以一次可以進行多種條件的實驗，可以在較快時間內(nèi)得到的結(jié)果。在較快時間內(nèi)得到的結(jié)果。缺點缺點 如果考察的條件多，實驗時間會比如果考察的條件多，實驗時間會比較長較長各因子之間可能會產(chǎn)生交互作用，影響的結(jié)各因子之間可能會產(chǎn)生交互作用，影響的結(jié)果準(zhǔn)確性果準(zhǔn)確性現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共99頁數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法：運用統(tǒng)計學(xué)方法設(shè)計實驗和分析：運用統(tǒng)計學(xué)方法設(shè)計實驗和分析實驗結(jié)果，得到最佳的實驗條件。如正交設(shè)計、均實

14、驗結(jié)果，得到最佳的實驗條件。如正交設(shè)計、均勻設(shè)計、響應(yīng)面設(shè)計。勻設(shè)計、響應(yīng)面設(shè)計。優(yōu)點優(yōu)點 同時進行多因子試驗。用少量的實驗同時進行多因子試驗。用少量的實驗，經(jīng)過數(shù)理分析得到單因子實驗同樣的結(jié)果，經(jīng)過數(shù)理分析得到單因子實驗同樣的結(jié)果，甚至更準(zhǔn)確，大大提高了實驗效率。甚至更準(zhǔn)確，大大提高了實驗效率。 但對于生物學(xué)實驗要求準(zhǔn)確性高，因為實驗但對于生物學(xué)實驗要求準(zhǔn)確性高，因為實驗的最佳條件是經(jīng)過統(tǒng)計學(xué)方法算出來的，如果實的最佳條件是經(jīng)過統(tǒng)計學(xué)方法算出來的，如果實驗中存在較大的誤差就會得出錯誤的結(jié)果。驗中存在較大的誤差就會得出錯誤的結(jié)果?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共99頁2 2、研究的層次、研究的層次初

15、級層次的研究初級層次的研究：一般在搖瓶規(guī)模進行試驗。主要考察目的菌一般在搖瓶規(guī)模進行試驗。主要考察目的菌株生長和代謝的一般條件，如培養(yǎng)基的組成株生長和代謝的一般條件，如培養(yǎng)基的組成、最適溫度、最適、最適溫度、最適pH等要求。等要求。搖瓶研究的優(yōu)點是工作量大，可以一次搖瓶研究的優(yōu)點是工作量大，可以一次試驗幾十種甚至幾百種條件，對于菌種試驗幾十種甚至幾百種條件，對于菌種培養(yǎng)條件的優(yōu)化有較高的效率。培養(yǎng)條件的優(yōu)化有較高的效率。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共99頁代謝及工程參數(shù)層次研究代謝及工程參數(shù)層次研究：一般在小型反應(yīng)器規(guī)模進行試驗。在搖瓶試驗一般在小型反應(yīng)器規(guī)模進行試驗。在搖瓶試驗的基礎(chǔ)上，考察溶氧

16、、攪拌等搖瓶上無法考察的基礎(chǔ)上，考察溶氧、攪拌等搖瓶上無法考察的參數(shù)，以及在反應(yīng)器中微生物對各種營養(yǎng)成的參數(shù)，以及在反應(yīng)器中微生物對各種營養(yǎng)成分的利用速率、生長速率、產(chǎn)物合成速率及其分的利用速率、生長速率、產(chǎn)物合成速率及其它一些發(fā)酵過程參數(shù)的變化，找出過程控制的它一些發(fā)酵過程參數(shù)的變化，找出過程控制的最佳條件和方式。由于罐發(fā)酵中全程參數(shù)的監(jiān)最佳條件和方式。由于罐發(fā)酵中全程參數(shù)的監(jiān)控是連續(xù)的，所以得到的代謝情況比較可信?？厥沁B續(xù)的，所以得到的代謝情況比較可信?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共99頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁，共99頁鳥苷發(fā)酵過程曲線鳥苷發(fā)酵過程曲線現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁，共99頁生產(chǎn)規(guī)模放

17、大生產(chǎn)規(guī)模放大：在大型發(fā)酵罐規(guī)模進行試驗。將小型發(fā)酵在大型發(fā)酵罐規(guī)模進行試驗。將小型發(fā)酵罐的優(yōu)化條件在大型反應(yīng)器上得以實現(xiàn)罐的優(yōu)化條件在大型反應(yīng)器上得以實現(xiàn),達達到產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)。到產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)。一般來說微生物在不同體積的反應(yīng)器中的一般來說微生物在不同體積的反應(yīng)器中的生長速率是不同的，原因可能是，罐的深生長速率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、空氣停留時間和分布度造成氧的溶解度、空氣停留時間和分布不同，剪切力不同，滅菌時營養(yǎng)成分破壞不同，剪切力不同，滅菌時營養(yǎng)成分破壞程度不同所致。程度不同所致。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁，共99頁第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)酵過程的中間分析發(fā)酵過程的中間分析發(fā)酵過程

18、的中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛，發(fā)酵過程的中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛，它顯示了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變它顯示了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變化。因為微生物個體極微小，肉眼無法看化。因為微生物個體極微小，肉眼無法看見，要了解它的代謝狀況，只能從分析一見，要了解它的代謝狀況，只能從分析一些參數(shù)來判斷，所以說中間分析是生產(chǎn)控些參數(shù)來判斷，所以說中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛。制的眼睛。這些代謝參數(shù)又稱為狀態(tài)參數(shù)，因為它們反映這些代謝參數(shù)又稱為狀態(tài)參數(shù)，因為它們反映發(fā)酵過程中菌的生理代謝狀況，如發(fā)酵過程中菌的生理代謝狀況，如pH，溶氧，溶氧，尾氣氧，尾氣二氧化碳，粘度，菌濃度等，尾氣氧，尾氣二氧化碳，粘度，菌濃

19、度等現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁，共99頁代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：物理參數(shù)物理參數(shù)：溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、空氣壓力、空氣流：溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、空氣壓力、空氣流量、溶解氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）量、溶解氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）濃度等濃度等化學(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)物濃度、核酸量等、產(chǎn)物濃度、核酸量等生物參數(shù)生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌濃度、菌體比生長速率：菌絲形態(tài)、菌濃度、菌體比生長速率、呼吸強度、基質(zhì)消耗速率、關(guān)鍵酶活力等、呼吸強度、基質(zhì)消耗速率、關(guān)鍵酶活力等現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁，共99頁從檢測手段分可分為：直接

20、參數(shù)、間接參數(shù)從檢測手段分可分為：直接參數(shù)、間接參數(shù)直接參數(shù)：直接參數(shù)：通過儀器或其它分析手段可以通過儀器或其它分析手段可以測得的參數(shù)，如溫度、測得的參數(shù)，如溫度、pH、殘?zhí)堑取執(zhí)堑乳g接參數(shù)間接參數(shù)：將直接參數(shù)經(jīng)過計算得到的參：將直接參數(shù)經(jīng)過計算得到的參數(shù)，如攝氧率、數(shù)，如攝氧率、KLa(氧傳遞系數(shù)氧傳遞系數(shù))等等現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁，共99頁直接參數(shù)又可分為在線檢測參數(shù)和離線檢測參直接參數(shù)又可分為在線檢測參數(shù)和離線檢測參數(shù)數(shù)在線檢測參數(shù)在線檢測參數(shù)指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速；攪拌轉(zhuǎn)速；離線檢

21、測參數(shù)離線檢測參數(shù)指取出樣后測定得到的參數(shù)，指取出樣后測定得到的參數(shù)，如殘?zhí)?、如殘?zhí)?、NH2-N、菌體濃度。、菌體濃度?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁，共99頁一一 發(fā)酵過程主要分析的項目發(fā)酵過程主要分析的項目目前發(fā)酵過程主要分析項目如下目前發(fā)酵過程主要分析項目如下1 1、pHpH pH與微生物的生命活動密切相關(guān)與微生物的生命活動密切相關(guān) 酶催化活性酶催化活性 pH的變化又是微生物代謝狀況的綜合反的變化又是微生物代謝狀況的綜合反映映基質(zhì)代謝、產(chǎn)物合成、細(xì)胞狀基質(zhì)代謝、產(chǎn)物合成、細(xì)胞狀態(tài)、營養(yǎng)狀況、供氧狀況態(tài)、營養(yǎng)狀況、供氧狀況現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁，共99頁2 2、排氣氧、排氣、排氣氧、排氣COCO2

22、 2和呼吸熵和呼吸熵排氣氧的濃度表征了進氣的氧被微生物利用以后排氣氧的濃度表征了進氣的氧被微生物利用以后還剩余的氧，因此排氣氧的大小反映了菌生長的還剩余的氧，因此排氣氧的大小反映了菌生長的活性，通過計算可以求得攝氧率（活性，通過計算可以求得攝氧率（OUR）。）。OUR=Qo2X Qo2為呼吸強度，為呼吸強度，X為菌濃度為菌濃度排氣二氧化碳反映了微生物代謝的情況，因為微生排氣二氧化碳反映了微生物代謝的情況，因為微生物攝入的氧并不是全部變成二氧化碳的，有的進入物攝入的氧并不是全部變成二氧化碳的，有的進入代謝中間物分子，進入細(xì)胞或產(chǎn)物，因此消耗的氧代謝中間物分子，進入細(xì)胞或產(chǎn)物，因此消耗的氧并不等于

23、排出的二氧化碳，此外，含氧的有機物降并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有機物降解后會產(chǎn)生二氧化碳，使排氣二氧化碳大于消耗的解后會產(chǎn)生二氧化碳，使排氣二氧化碳大于消耗的氧。氧?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁，共99頁RQ值隨微生物菌種的不同，培養(yǎng)基成分的值隨微生物菌種的不同，培養(yǎng)基成分的不同，生長階段的不同而不同。測定不同，生長階段的不同而不同。測定RQ值值一方面可以了解微生物代謝的狀況，另一方一方面可以了解微生物代謝的狀況，另一方面也可以指導(dǎo)補料面也可以指導(dǎo)補料CER表示單位體積發(fā)酵液單位時間內(nèi)釋放的二表示單位體積發(fā)酵液單位時間內(nèi)釋放的二氧化碳的量氧化碳的量呼吸熵呼吸熵OURCERRQ 呼吸熵反映了

24、氧的利用狀況呼吸熵反映了氧的利用狀況現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁，共99頁 一般在發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物，一般在發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物，有意使菌體處于半饑餓狀態(tài)，在營養(yǎng)限制的條有意使菌體處于半饑餓狀態(tài)，在營養(yǎng)限制的條件下，維持產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物的速率在較高水件下，維持產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物的速率在較高水平。對于這種工藝，后期的補料控制是關(guān)鍵。平。對于這種工藝，后期的補料控制是關(guān)鍵。過程中發(fā)現(xiàn)，在補糖開始時，不但過程中發(fā)現(xiàn)，在補糖開始時，不但CER、OUR大幅度提高，連大幅度提高，連RQ也提高約也提高約10，表明通過，表明通過補糖不但提供了更多的碳源，而且隨著體系補糖不但提供了更多的碳源，

25、而且隨著體系內(nèi)葡萄糖濃度提高，糖代謝相關(guān)酶活力也提內(nèi)葡萄糖濃度提高，糖代謝相關(guān)酶活力也提高，產(chǎn)能增加。高，產(chǎn)能增加?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁，共99頁3 3、糖含量、糖含量微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關(guān)系。微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關(guān)系。糖的消耗糖的消耗 反映產(chǎn)生菌的生長繁殖情況反映產(chǎn)生菌的生長繁殖情況 反映產(chǎn)物合成的活力反映產(chǎn)物合成的活力菌體生長旺盛糖耗一定快，殘?zhí)且簿徒档偷每?。通過菌體生長旺盛糖耗一定快，殘?zhí)且簿徒档偷每?。通過糖含量的測定，可以控制菌體生長速率，可控制補糖糖含量的測定，可以控制菌體生長速率，可控制補糖來調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)pH，促進產(chǎn)物合成，不致于盲目補糖，造成發(fā)，促進產(chǎn)

26、物合成，不致于盲目補糖，造成發(fā)酵不正常。酵不正常。糖含量測定包括總糖和還原糖。糖含量測定包括總糖和還原糖。 總糖總糖指發(fā)酵液中殘留的各種糖的總量。如發(fā)酵中指發(fā)酵液中殘留的各種糖的總量。如發(fā)酵中的淀粉、飴糖、單糖等各種糖。的淀粉、飴糖、單糖等各種糖。 還原糖還原糖指含有自由醛基的單糖，通常指的是葡萄指含有自由醛基的單糖，通常指的是葡萄糖。糖?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁，共99頁4 4、氨基氮和氨氮、氨基氮和氨氮氨基氮氨基氮指有機氮中的氮（指有機氮中的氮（NH2-N），單位是），單位是 mg/100ml。如氨。如氨基酸中的氮，黃豆餅粉、花生餅粉中都有有機氮?；嶂械牡S豆餅粉、花生餅粉中都有有機氮。

27、氨氮氨氮指無機氨中的氮（指無機氨中的氮（NH3-N）。）。氮利用快慢可分析出菌體生長情況，含氮產(chǎn)物合成情況。氮利用快慢可分析出菌體生長情況，含氮產(chǎn)物合成情況。但是氮源太多會促使菌體大量生長。有些產(chǎn)物合成受到過量銨離但是氮源太多會促使菌體大量生長。有些產(chǎn)物合成受到過量銨離子的抑制，因此必須控制適量的氮。通過氨基氮和氨氮的分析可子的抑制，因此必須控制適量的氮。通過氨基氮和氨氮的分析可控制發(fā)酵過程，適時采取補氨措施?？刂瓢l(fā)酵過程，適時采取補氨措施。發(fā)酵后期氨基氮回升，這時就要放罐，否則影響提取過程。發(fā)酵后期氨基氮回升，這時就要放罐，否則影響提取過程?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十七頁，共99頁5 5、磷含量、磷

28、含量微生物體內(nèi)磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸鹽為微生物體內(nèi)磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸鹽為主，發(fā)酵中用來計算磷含量的是磷酸根。主，發(fā)酵中用來計算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的組成部分，是高能化合物磷是核酸的組成部分，是高能化合物ATP的組成部的組成部分，磷還能促進糖代謝。因此磷在培養(yǎng)基中具有非分，磷還能促進糖代謝。因此磷在培養(yǎng)基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取補磷措施。常重要的作用，如果磷缺乏就要采取補磷措施?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十八頁，共99頁6 6、菌濃度和菌形態(tài)、菌濃度和菌形態(tài)菌形態(tài)和菌濃度直接反映菌生長的情況。菌形態(tài)和菌濃度直接反映菌生長的情況。菌形態(tài)菌形態(tài) 顯微鏡觀察顯微鏡觀察菌濃度的測

29、定是衡量產(chǎn)生菌在整個培養(yǎng)過程中菌體量菌濃度的測定是衡量產(chǎn)生菌在整個培養(yǎng)過程中菌體量的變化，一般前期菌濃增長很快，中期菌濃基本恒定的變化，一般前期菌濃增長很快，中期菌濃基本恒定。補料會引起菌濃度的波動，這也是衡量補料量適合。補料會引起菌濃度的波動，這也是衡量補料量適合與否的一個參數(shù)。與否的一個參數(shù)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十九頁，共99頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁，共99頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十一頁，共99頁菌濃測定方法菌濃測定方法測粘度測粘度壓縮體積法（離心）壓縮體積法（離心）靜置沉降體積法靜置沉降體積法光密度測定法光密度測定法 OD600660 適合于細(xì)菌、適合于細(xì)菌、酵母酵母現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十二頁，共99頁

30、7 7、產(chǎn)物濃度、產(chǎn)物濃度 在培養(yǎng)過程中，產(chǎn)生菌的合成能力和產(chǎn)物積在培養(yǎng)過程中，產(chǎn)生菌的合成能力和產(chǎn)物積累情況都要通過產(chǎn)物量的測定來了解，產(chǎn)物累情況都要通過產(chǎn)物量的測定來了解，產(chǎn)物濃度直接反映了生產(chǎn)的狀況濃度直接反映了生產(chǎn)的狀況,是發(fā)酵控制的是發(fā)酵控制的重要參數(shù)。而且通過計算還可以得到生重要參數(shù)。而且通過計算還可以得到生產(chǎn)速率和比生產(chǎn)速率，從而分析發(fā)酵條產(chǎn)速率和比生產(chǎn)速率，從而分析發(fā)酵條件如補料、件如補料、pH對產(chǎn)物形成的影響。對產(chǎn)物形成的影響?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十三頁，共99頁二二 產(chǎn)物量的測定產(chǎn)物量的測定（一）（一） 產(chǎn)物量的特殊表示法產(chǎn)物量的特殊表示法1 1、抗生素效價的表示、抗生素效價的

31、表示抗生素效價表示抗生素的有效成分的多抗生素效價表示抗生素的有效成分的多少，效價大小用單位（少，效價大小用單位（U）來表示）來表示效價表示方法：重量折算法效價表示方法：重量折算法 重量單位重量單位 類似重量單位類似重量單位 特殊單位特殊單位現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十四頁，共99頁重量折算單位：以最低抑菌濃度為一重量折算單位：以最低抑菌濃度為一個單位，如青霉素個單位，如青霉素0.6微克微克1U重量單位：規(guī)定某些抗生素活性部重量單位：規(guī)定某些抗生素活性部分分1g=1u 如鏈霉素、卡那霉素、紅霉如鏈霉素、卡那霉素、紅霉素等定義活性部分素等定義活性部分1g1u現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十五頁，共99頁類似重量單位：規(guī)定

32、抗生素的某種鹽類似重量單位：規(guī)定抗生素的某種鹽1mg=1000u如金霉素、四環(huán)素的鹽酸鹽如金霉素、四環(huán)素的鹽酸鹽定義為定義為1g1u特殊單位：藥檢所制定某些抗生素的單位特殊單位：藥檢所制定某些抗生素的單位制霉菌素制霉菌素 1mg=3700u多粘菌素多粘菌素B 1mg=10000u現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十六頁，共99頁2 2、酶活力的表示法、酶活力的表示法酶活力用單位來表示。由于酶通常不是酶活力用單位來表示。由于酶通常不是很純，不能用重量來表示酶的量。同一很純，不能用重量來表示酶的量。同一種酶用不同的方法測定會有不同的酶活種酶用不同的方法測定會有不同的酶活單位，容易造成混亂，為此國際上作了單位，容易造

33、成混亂，為此國際上作了統(tǒng)一規(guī)定，規(guī)定在統(tǒng)一規(guī)定，規(guī)定在250C下，下，以最適的底以最適的底物濃度，最適的緩沖液離子強度，以及最適物濃度，最適的緩沖液離子強度，以及最適的的pH諸條件下，每分鐘能轉(zhuǎn)化一微克諸條件下，每分鐘能轉(zhuǎn)化一微克分子底物的酶定量為一個活性單位。分子底物的酶定量為一個活性單位?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十七頁，共99頁（二）（二） 產(chǎn)物量的測定產(chǎn)物量的測定1 1、化學(xué)法、化學(xué)法（1）滴定法）滴定法產(chǎn)物能使一定指示劑變色來指示反應(yīng)終點的可用產(chǎn)物能使一定指示劑變色來指示反應(yīng)終點的可用滴定法滴定法如青霉素在堿性條件下加入過量的如青霉素在堿性條件下加入過量的I2，反應(yīng)生成青霉，反應(yīng)生成青霉噻唑酸

34、碘，用噻唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘，可計算出滴定多余的碘，可計算出青霉素的單位青霉素的單位計算青霉素效價青霉噻唑酸碘青霉素滴定多余過量23222,IOSNAIOH檸檬酸可以用檸檬酸可以用NaOH滴定來計算檸檬酸產(chǎn)量滴定來計算檸檬酸產(chǎn)量現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十八頁，共99頁（2）比色法）比色法產(chǎn)物經(jīng)一定化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生顏色，且顏色深淺與產(chǎn)物經(jīng)一定化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生顏色，且顏色深淺與產(chǎn)物濃度成正比，可以用比色法測定。產(chǎn)物濃度成正比，可以用比色法測定。藍(lán)色麥芽酚鏈霉素加熱，22,FeOHOH淀粉酶活力測定：在淀粉酶活力測定：在1%可溶性淀粉溶液中加入可溶性淀粉溶液中加入淀粉酶，所釋放出的麥芽糖與生色試劑（

35、淀粉酶，所釋放出的麥芽糖與生色試劑（3，5-二硝基水楊酸與酒石酸鉀鈉的堿溶液）產(chǎn)生顏色二硝基水楊酸與酒石酸鉀鈉的堿溶液）產(chǎn)生顏色，它在，它在540nm處所得吸光度跟淀粉酶活力成正處所得吸光度跟淀粉酶活力成正比。比?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十九頁，共99頁（3）測壓法）測壓法 產(chǎn)物特定反應(yīng)放出或攝入氣體，使系統(tǒng)有壓力產(chǎn)物特定反應(yīng)放出或攝入氣體，使系統(tǒng)有壓力變化，可以通過測定壓力變化得知產(chǎn)物量。變化，可以通過測定壓力變化得知產(chǎn)物量。2、物理法、物理法 許多酶、抗生素都有不對稱碳原子，具有旋許多酶、抗生素都有不對稱碳原子，具有旋光性，因此可以通過測定旋光度來測定酶或光性，因此可以通過測定旋光度來測定酶或抗生

36、素的含量?？股氐暮俊９劝彼峁劝彼峁裙劝卑彼崴崦撁摎錃涿该赴被∷岚被∷酑O2現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十頁，共99頁化學(xué)和物理方法優(yōu)點：快速、方便，經(jīng)常用化學(xué)和物理方法優(yōu)點：快速、方便，經(jīng)常用于過程分析于過程分析缺點產(chǎn)品中存在的雜質(zhì)會干擾測定結(jié)果，因此抗缺點產(chǎn)品中存在的雜質(zhì)會干擾測定結(jié)果，因此抗生素成品的測定用生物法測定。生素成品的測定用生物法測定。 適用于抗生素效價的測定適用于抗生素效價的測定 生物法以抗生素的殺菌能力為衡量效價的標(biāo)生物法以抗生素的殺菌能力為衡量效價的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，其原理恰好與臨床應(yīng)用的要求相一致，而，其原理恰好與臨床應(yīng)用的要求相一致，而且此法靈敏度高，需用的檢品量較小，這是其且此法靈

37、敏度高，需用的檢品量較小，這是其它方法不能比的。但此法得到結(jié)果比較慢，需它方法不能比的。但此法得到結(jié)果比較慢，需經(jīng)過經(jīng)過1618小時培養(yǎng)。生物法常用于發(fā)酵終了產(chǎn)小時培養(yǎng)。生物法常用于發(fā)酵終了產(chǎn)品效價的測定。品效價的測定。3 3、生物法、生物法現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十一頁，共99頁常用的生物法測定抗生素，采用杯碟法常用的生物法測定抗生素，采用杯碟法“杯杯”是放被測抗生素的不銹鋼小管，小管內(nèi)徑是放被測抗生素的不銹鋼小管，小管內(nèi)徑為為6mm，高，高10mm的圓筒形管子，管子的重量的圓筒形管子，管子的重量盡可能相等。碟是攤布培養(yǎng)基的玻璃培養(yǎng)皿。盡可能相等。碟是攤布培養(yǎng)基的玻璃培養(yǎng)皿。操作方法是：將已滅菌的瓊

38、脂培養(yǎng)基加熱到操作方法是：將已滅菌的瓊脂培養(yǎng)基加熱到完全融化，倒在培養(yǎng)皿內(nèi)，每碟完全融化，倒在培養(yǎng)皿內(nèi)，每碟15ml（下層（下層），待其凝固。此外，將融化的培養(yǎng)基冷卻），待其凝固。此外，將融化的培養(yǎng)基冷卻到到500C左右混入試驗菌，將混有菌的培養(yǎng)左右混入試驗菌，將混有菌的培養(yǎng)基基5 ml加到已凝固的培養(yǎng)基上待凝固（上層加到已凝固的培養(yǎng)基上待凝固（上層）。）。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十二頁，共99頁在培養(yǎng)基表面垂直放上小杯，在杯中加入待在培養(yǎng)基表面垂直放上小杯，在杯中加入待檢樣品，加滿后在檢樣品，加滿后在370C培養(yǎng)培養(yǎng)1618小時。在小時。在培養(yǎng)中培養(yǎng)中,一方面試驗菌開始生長另一方面抗生一方面試驗菌

39、開始生長另一方面抗生素呈球面擴散，離杯越近，抗生素濃度越大素呈球面擴散，離杯越近，抗生素濃度越大，離杯越遠(yuǎn)抗生素濃度越小。隨著抗生素濃，離杯越遠(yuǎn)抗生素濃度越小。隨著抗生素濃度減小，有一條最低抑菌濃度帶，在帶范圍度減小，有一條最低抑菌濃度帶，在帶范圍內(nèi)，菌不能生長，而呈透明的圓圈，這就叫內(nèi)，菌不能生長，而呈透明的圓圈，這就叫“抑菌圈抑菌圈”。抗生素濃度越高，抑菌圈越大?？股貪舛仍礁?，抑菌圈越大， 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十三頁，共99頁r: 抑菌圈的半徑抑菌圈的半徑(毫米）毫米）M：抗生素在管中的量（：抗生素在管中的量（單位）單位）C：最低抑菌濃度（單位：最低抑菌濃度（單位/毫升）毫升）H：培養(yǎng)基的厚

40、度（毫米：培養(yǎng)基的厚度（毫米）L：管子的高度（毫米）：管子的高度（毫米）D：抗生素的擴散系數(shù)（毫：抗生素的擴散系數(shù)（毫米米/小時）小時）T：細(xì)菌生長到肉眼所用的：細(xì)菌生長到肉眼所用的時間時間 （小時）（小時）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十四頁，共99頁抗生素濃度與抑菌圈的半徑成一定數(shù)學(xué)抗生素濃度與抑菌圈的半徑成一定數(shù)學(xué)關(guān)系關(guān)系logM=(1/9.21DT)r2+log(C.4DTH)抗生素的總量的對數(shù)值與抑菌圈半徑的抗生素的總量的對數(shù)值與抑菌圈半徑的平方呈正比。此外還受平方呈正比。此外還受C、H、D、T的的影響影響但是但是C、H、D、T是無法測量的，在實際是無法測量的，在實際計算中要設(shè)法消去計算中要設(shè)法消

41、去現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十五頁，共99頁一般的消去方法有一般的消去方法有l(wèi)二劑量法二劑量法l標(biāo)準(zhǔn)曲線法標(biāo)準(zhǔn)曲線法現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十六頁，共99頁KmMmM兩劑量法：兩劑量法：標(biāo)準(zhǔn)品低單位標(biāo)準(zhǔn)品低單位總量總量:m抑菌圈半徑抑菌圈半徑SL標(biāo)準(zhǔn)品高單標(biāo)準(zhǔn)品高單位位總量總量:M抑菌圈半徑抑菌圈半徑：SH樣品高單位樣品高單位總量總量:M抑菌圈半徑抑菌圈半徑UH樣品低單位樣品低單位總量總量:m抑菌圈半徑：抑菌圈半徑：UL)4log()21. 91(log2DTHCSDTMH)4log()21. 91(log2DTHCUDTMH)4log()21. 91(log2DTHCSDTmL)4log()21. 91(lo

42、g2DTHCUDTmLMMKUSUSSUSULLHHLLHHloglog22222222已知：已知：令：令：得出：得出：KUSUSSUSULLHHLLHHloglogKWVloglog現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十七頁，共99頁logMlogMDTHCDTUH4 .log)21. 91(2_DTHCDTSH4 .log)21. 91(2logM/M=同理同理logmlogm=logm/m=)(21. 9122SUHHDT=log=log)(21. 9122LLSUDT2log=)(21. 912222LLHHSUSUDT)()(loglog22222222LHLHLLHHSSUUSUSUK現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五

43、十八頁，共99頁logMlogm=logM/m=)(21. 9122UULHDT=logKlogMlogm=logM/m=)(21. 9122LHSSDT=logK2logK=)(21. 912222LHLHSSUUDT)()(loglog22222222LHLHLLHHSSUUSUSUK現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十九頁，共99頁標(biāo)準(zhǔn)曲線法標(biāo)準(zhǔn)曲線法優(yōu)點：在一個碟子上可優(yōu)點：在一個碟子上可以同時做兩個樣品的效以同時做兩個樣品的效價，當(dāng)要做的樣品量大價，當(dāng)要做的樣品量大時，采取標(biāo)準(zhǔn)曲線法可時，采取標(biāo)準(zhǔn)曲線法可以提高效率。以提高效率。假設(shè)選用的濃度為：假設(shè)選用的濃度為：3U，4U，5U，6U,7U中心點是中

44、心點是5U1122現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十頁，共99頁每個濃度做三個碟子每個濃度做三個碟子。5U為中心點，每個碟為中心點，每個碟子中有子中有3個杯中加中個杯中加中心點濃度，其余心點濃度，其余3個個加其它濃度。測得加其它濃度。測得抑菌圈后，將濃度抑菌圈后，將濃度和抑菌圈平均直徑和抑菌圈平均直徑做標(biāo)準(zhǔn)曲線。做標(biāo)準(zhǔn)曲線。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十一頁，共99頁logMr現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十二頁，共99頁管碟法影響因素的討論：管碟法影響因素的討論：)4log()21. 91(log2DTHCrDTM斜率小斜率小 D、T大大,誤差小誤差小截距小截距小 C、D、T、H小，誤差小小，誤差小現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十三頁，共99頁l

45、ogMrlogM1r1r1r1現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十四頁，共99頁l培養(yǎng)基厚度培養(yǎng)基厚度H越小，其它條件相同時越小，其它條件相同時r越大。越大。影響影響H的因素：培養(yǎng)基的厚度的因素：培養(yǎng)基的厚度l細(xì)菌生長到肉眼所需的時間細(xì)菌生長到肉眼所需的時間T越大在其它條件越大在其它條件相同時，相同時，r越大越大影響影響T的因素：菌體本身，及影響菌體生長的因素：菌體本身，及影響菌體生長的條件如：接種量，培養(yǎng)溫度、及營養(yǎng)環(huán)境的條件如：接種量，培養(yǎng)溫度、及營養(yǎng)環(huán)境其它影響因素：上層鋪得平整、菌液加入時其它影響因素：上層鋪得平整、菌液加入時的溫度、鋼圈的放置、滴液的溫度、鋼圈的放置、滴液現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十五頁，共99

46、頁在線檢測必須用專門的傳感器（也叫電極或探頭）放入發(fā)酵系統(tǒng)，將發(fā)酵的一些信息傳遞出來，為發(fā)酵控制提供依據(jù)。一一 參數(shù)在線檢測參數(shù)在線檢測 由于微生物培養(yǎng)過程是純培養(yǎng)過程，無菌要求高，由于微生物培養(yǎng)過程是純培養(yǎng)過程，無菌要求高，因此對傳感器有特殊要求：因此對傳感器有特殊要求： 插入罐內(nèi)的傳感器必須能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌（材料、插入罐內(nèi)的傳感器必須能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌（材料、數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)） 傳感器結(jié)構(gòu)不能存在滅菌不透的死角，以防染菌傳感器結(jié)構(gòu)不能存在滅菌不透的死角，以防染菌（密封性好）（密封性好） 傳感器對測量參數(shù)要敏感，且能轉(zhuǎn)換成電信號。（響應(yīng)傳感器對測量參數(shù)要敏感，且能轉(zhuǎn)換成電信號。（響應(yīng)快、靈敏）快

47、、靈敏） 傳感器性能要穩(wěn)定，受氣泡影響小。傳感器性能要穩(wěn)定，受氣泡影響小?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十六頁，共99頁氨是酶反應(yīng)中最常見的產(chǎn)物和反應(yīng)物，氨離子可氨是酶反應(yīng)中最常見的產(chǎn)物和反應(yīng)物，氨離子可用氨氣敏電極來測定。用氨氣敏電極來測定。CO2電極（測溶液中的電極（測溶液中的CO2）結(jié)構(gòu)與氨電極）結(jié)構(gòu)與氨電極類似。測量類似。測量CO2時，氣體透過電極膜，時，氣體透過電極膜，CO2和水反應(yīng)，達到以下平衡：和水反應(yīng)，達到以下平衡：pH電極電極溶氧電極溶氧電極 它們是基礎(chǔ)電極，以它們?yōu)榛A(chǔ)可以制作它們是基礎(chǔ)電極，以它們?yōu)榛A(chǔ)可以制作各種離子電極和酶電極各種離子電極和酶電極CO2+H2O HCO3-+H+現(xiàn)在

48、學(xué)習(xí)的是第六十七頁，共99頁什么因素導(dǎo)致什么因素導(dǎo)致pH下降？下降？1 1、有機酸的積累、有機酸的積累 有機酸積累有機酸積累 pH下降下降 補加氨水補加氨水 在正常代謝情況下，細(xì)胞通過在正常代謝情況下，細(xì)胞通過EMP途徑和途徑和TCA循環(huán)的過程是為細(xì)胞合成提供前體和能量循環(huán)的過程是為細(xì)胞合成提供前體和能量的，按照細(xì)胞經(jīng)濟學(xué)的原則不會供過于求，即的，按照細(xì)胞經(jīng)濟學(xué)的原則不會供過于求，即不會出現(xiàn)有機酸的積累不會出現(xiàn)有機酸的積累若發(fā)酵后期有機酸積累會引起加入的若發(fā)酵后期有機酸積累會引起加入的NH4+積累積累，相應(yīng)出現(xiàn)產(chǎn)苷速率下降。，相應(yīng)出現(xiàn)產(chǎn)苷速率下降。代謝不正常代謝不正?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十八頁，共

49、99頁測定以下中間物測定以下中間物發(fā)酵后期丙酮酸積累發(fā)酵后期丙酮酸積累現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十九頁，共99頁2 2、氨基酸的積累、氨基酸的積累在有機酸分析的基礎(chǔ)上進一步通過在有機酸分析的基礎(chǔ)上進一步通過HPLC測測定發(fā)酵過程中不同時間發(fā)酵液中氨基酸，結(jié)果發(fā)定發(fā)酵過程中不同時間發(fā)酵液中氨基酸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)總氨基酸積累并且其積累晚于有機酸和現(xiàn)總氨基酸積累并且其積累晚于有機酸和NH4+積累。積累。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十頁，共99頁氨基酸成分分析表明，初始發(fā)酵液中谷氨酸氨基酸成分分析表明，初始發(fā)酵液中谷氨酸濃度比較高，其它氨基酸濃度都較低，隨著濃度比較高，其它氨基酸濃度都較低，隨著發(fā)酵過程的進行谷氨酸很快被用于菌體

50、合成發(fā)酵過程的進行谷氨酸很快被用于菌體合成，在，在8小時之前已經(jīng)降到很低水平，并始終維小時之前已經(jīng)降到很低水平，并始終維持在低水平，而在持在低水平，而在48小時左右丙氨酸開始出小時左右丙氨酸開始出現(xiàn)明顯的積累，發(fā)酵液中積累量達到初始量現(xiàn)明顯的積累，發(fā)酵液中積累量達到初始量的的12.6倍之多，其它十余種氨基酸濃度則變化倍之多，其它十余種氨基酸濃度則變化不大，并且在整個發(fā)酵過程中都維持在較低水不大，并且在整個發(fā)酵過程中都維持在較低水平。因此，丙氨酸濃度變化可能是導(dǎo)致代謝流平。因此，丙氨酸濃度變化可能是導(dǎo)致代謝流遷移所致。遷移所致。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十一頁，共99頁3 3、分析原因、分析原因發(fā)酵過程中

51、積累的氨基酸主要是丙氨酸，而丙發(fā)酵過程中積累的氨基酸主要是丙氨酸，而丙氨酸的合成可以直接由丙酮酸轉(zhuǎn)化而來，因此氨酸的合成可以直接由丙酮酸轉(zhuǎn)化而來，因此可以推斷由于可以推斷由于EMP途徑代謝流的增加造成了途徑代謝流的增加造成了丙酮酸的積累，丙酮酸隨后轉(zhuǎn)化為丙氨酸丙酮酸的積累，丙酮酸隨后轉(zhuǎn)化為丙氨酸丙氨酸本身又會對谷氨酸合成酶（丙氨酸本身又會對谷氨酸合成酶（GS）造）造成反饋抑制和阻遏，使產(chǎn)苷速率降低。成反饋抑制和阻遏，使產(chǎn)苷速率降低?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十二頁，共99頁丙酮酸積累丙酮酸積累 氨水補加增加氨水補加增加NH4+積累積累抑制抑制GS抑制抑制TCA循環(huán)循環(huán)丙酮酸積累丙酮酸積累激活磷酸果糖激酶

52、激活磷酸果糖激酶EMP流量增加流量增加惡性循環(huán)惡性循環(huán)丙氨酸積丙氨酸積累累現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十三頁，共99頁（二）（二） 代謝流遷移的酶學(xué)證明代謝流遷移的酶學(xué)證明糖代謝途徑關(guān)鍵酶糖代謝途徑關(guān)鍵酶糖酵解途徑（糖酵解途徑（EMP）在糖酵解途徑中有兩個不可逆的步驟的酶：在糖酵解途徑中有兩個不可逆的步驟的酶：磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶 磷酸果糖激酶的時序分析磷酸果糖激酶的時序分析現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十四頁，共99頁12小時時由于生長處于對數(shù)生長初期，代謝活力較低，所以小時時由于生長處于對數(shù)生長初期，代謝活力較低，所以PFK的活力相對較低。的活力相對較低。24小時后隨著發(fā)酵過程進入平穩(wěn)產(chǎn)

53、小時后隨著發(fā)酵過程進入平穩(wěn)產(chǎn)物形成期和細(xì)胞生長期，磷酸果糖激酶的活力也基本保持平物形成期和細(xì)胞生長期，磷酸果糖激酶的活力也基本保持平穩(wěn)。但是到穩(wěn)。但是到40小時以后，鳥苷形成速率減慢甚至停止，同小時以后，鳥苷形成速率減慢甚至停止，同時觀察到氨基酸和有機酸積累，時觀察到氨基酸和有機酸積累，PFK相對酶活增加，這表相對酶活增加，這表明此時通過明此時通過EMP途徑的糖代謝通量已有了明顯的增加途徑的糖代謝通量已有了明顯的增加。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十五頁，共99頁丙酮酸激酶時序分析丙酮酸激酶時序分析現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十六頁，共99頁丙酮酸激酶沒有表現(xiàn)出明顯的酶活增加，而丙酮酸激酶沒有表現(xiàn)出明顯的酶活增加，而

54、是在是在24小時就基本上達到其最大值，隨后維持小時就基本上達到其最大值，隨后維持在恒定的水平，這表明在糖代謝時在恒定的水平，這表明在糖代謝時EMP途徑代途徑代謝流增加中丙酮酸激酶所起的作用不大，不謝流增加中丙酮酸激酶所起的作用不大，不是造成代謝流遷移的主要因素是造成代謝流遷移的主要因素 磷酸戊糖途徑（磷酸戊糖途徑（HMP）關(guān)鍵酶）關(guān)鍵酶磷酸戊糖途徑中主要的限速酶是磷酸戊糖途徑中主要的限速酶是6磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖脫氫酶，該酶催化脫氫酶，該酶催化6磷酸葡萄糖脫氫生成磷酸葡萄糖脫氫生成6磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十七頁，共99頁6磷酸葡萄糖脫氫酶時序分析磷酸葡萄糖脫氫酶時序

55、分析由圖可以看到，早期由圖可以看到，早期6磷酸葡萄糖脫氫酶活力很高，這磷酸葡萄糖脫氫酶活力很高，這可能是前期菌體合成代謝比較活躍，通過可能是前期菌體合成代謝比較活躍，通過HMP途徑合成用途徑合成用于細(xì)胞成分的核酸等組成物質(zhì)；隨后基本不變，從而于細(xì)胞成分的核酸等組成物質(zhì)；隨后基本不變，從而保持保持EMP和和HMP途徑通量的平衡，此時穩(wěn)定持續(xù)的形成產(chǎn)途徑通量的平衡，此時穩(wěn)定持續(xù)的形成產(chǎn)物；但是到物；但是到40小時后，小時后，6磷酸葡萄糖脫氫酶已經(jīng)表現(xiàn)出明磷酸葡萄糖脫氫酶已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，并且隨著后期發(fā)酵過程的進行而持續(xù)下降。根顯的下降趨勢，并且隨著后期發(fā)酵過程的進行而持續(xù)下降。根據(jù)物料平衡

56、原則，有可能糖代謝在據(jù)物料平衡原則，有可能糖代謝在HMP途徑通量下降而途徑通量下降而EMP途徑通量增加。途徑通量增加?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十八頁，共99頁三羧酸三羧酸(TCA)循環(huán)的關(guān)鍵酶循環(huán)的關(guān)鍵酶三羧酸循環(huán)是三羧酸循環(huán)是“消耗消耗”丙酮酸的途徑，丙酮酸的途徑，三羧酸流量大丙酮酸不會積累。三羧酸三羧酸流量大丙酮酸不會積累。三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵酶為循環(huán)中的關(guān)鍵酶為檸檬酸合成酶檸檬酸合成酶，其催，其催化乙酰輔酶化乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合形成檸檬酸與草酰乙酸縮合形成檸檬酸，是三羧酸循環(huán)的啟動步驟，也是三羧酸，是三羧酸循環(huán)的啟動步驟，也是三羧酸循環(huán)中的主要控制點，由檸檬酸合成酶所循環(huán)中的主要控制點，由檸檬

57、酸合成酶所催化的反應(yīng)是三羧酸循環(huán)中的第一個限速催化的反應(yīng)是三羧酸循環(huán)中的第一個限速步驟。步驟?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十九頁，共99頁檸檬酸合成酶時序分析檸檬酸合成酶時序分析現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十頁，共99頁從圖可以看到，從圖可以看到，TCA循環(huán)的關(guān)鍵酶檸檬酸循環(huán)的關(guān)鍵酶檸檬酸合成酶在整個發(fā)酵過程中，尤其是在后期合成酶在整個發(fā)酵過程中，尤其是在后期產(chǎn)苷速率下降的過程中都維持比較平穩(wěn)的產(chǎn)苷速率下降的過程中都維持比較平穩(wěn)的水平，這表明在發(fā)酵過程后期所發(fā)生的代水平，這表明在發(fā)酵過程后期所發(fā)生的代謝流遷移時，謝流遷移時，TCA循環(huán)的通量并沒有發(fā)生循環(huán)的通量并沒有發(fā)生明顯的增加。即明顯的增加。即代謝流遷移發(fā)生在代謝

58、流遷移發(fā)生在EMP和和HMP之間，主要是由于之間，主要是由于EMP和和HMP途徑之途徑之間的分配平衡被打破間的分配平衡被打破所造成的。所造成的。EMP途徑代途徑代謝流的增加造成了一種代謝流的溢流現(xiàn)象。謝流的增加造成了一種代謝流的溢流現(xiàn)象?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十一頁，共99頁丙氨酸脫氫酶的時序分析丙氨酸脫氫酶的時序分析現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十二頁，共99頁在發(fā)酵中后期，丙氨酸脫氫酶活力出現(xiàn)了明顯在發(fā)酵中后期，丙氨酸脫氫酶活力出現(xiàn)了明顯的增加。丙氨酸脫氫酶催化由丙酮酸生成丙氨的增加。丙氨酸脫氫酶催化由丙酮酸生成丙氨酸，該酶活性增加與丙酮酸和丙氨酸的時序增酸，該酶活性增加與丙酮酸和丙氨酸的時序增加相吻合，這些

59、數(shù)據(jù)表明代謝流的溢流現(xiàn)象發(fā)加相吻合，這些數(shù)據(jù)表明代謝流的溢流現(xiàn)象發(fā)生在檸檬酸合成酶之前的丙酮酸節(jié)點，通過丙生在檸檬酸合成酶之前的丙酮酸節(jié)點，通過丙氨酸脫氫酶生成丙氨酸，從而緩解了氨酸脫氫酶生成丙氨酸，從而緩解了EMP途徑途徑代謝流增加造成的代謝不平衡。代謝流增加造成的代謝不平衡。結(jié)果加入結(jié)果加入EMP途徑的抑制劑，克服了代途徑的抑制劑，克服了代謝流遷移的問題，提高了鳥苷的產(chǎn)量謝流遷移的問題，提高了鳥苷的產(chǎn)量現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十三頁，共99頁（三）與產(chǎn)物合成相關(guān)的酶和中間物測定（三）與產(chǎn)物合成相關(guān)的酶和中間物測定例：螺旋霉素生物合成的代謝研究例：螺旋霉素生物合成的代謝研究現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十四頁，共

60、99頁圖圖3 螺旋霉素生物合成代謝網(wǎng)絡(luò)途徑螺旋霉素生物合成代謝網(wǎng)絡(luò)途徑 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十五頁，共99頁05010015020025030035001624324048566472808896發(fā)酵時間(h)峰面積0100020003000400050006000峰面積FO-FO-NSP-NSP-SP-SP-SP-圖圖1 螺旋霉素生物合成中間物動態(tài)流量分布圖螺旋霉素生物合成中間物動態(tài)流量分布圖 哪個代謝中間物過多積累哪個代謝中間物過多積累現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十六頁，共99頁在發(fā)酵后期有在發(fā)酵后期有FO-積累，積累， 要減少要減少FO-FO-轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為FO-必須降低必須降低C3?；傅幕盍Γ@與酰