-發(fā)酵過程控制

1、-發(fā)酵過程控制第1頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第一節(jié) 微生物發(fā)酵類型第2頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六發(fā)酵過程按進(jìn)行過程有三種方式：分批發(fā)酵(Batch fermentation)補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batch fermentation)連續(xù)發(fā)酵(Continuous fermentation)第3頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六是指在一封閉系統(tǒng)內(nèi)含有初始限量基質(zhì)的發(fā)酵方式。在這一過程中，除了氧氣、消泡劑及控制pH的酸或堿外，不再加入任何其它物質(zhì)。發(fā)酵過程中培養(yǎng)基成分減少，微生物得到繁殖。（一）分批發(fā)酵

2、第4頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單；操作引起染菌的概率低。不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問題缺點(diǎn)非生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)、設(shè)備利用率低。分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)第5頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六分批發(fā)酵的生長(zhǎng)曲線單細(xì)胞微生物第6頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六分批發(fā)酵的類型Gadens fermentation classification（按照菌體生長(zhǎng)，碳源利用和產(chǎn)物生成的變化）第一類型第二類型第三類型第7頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第一類型（生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型） 產(chǎn)物直接來源于產(chǎn)能的初級(jí)代謝

3、（自身繁殖所必需的代謝），菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)物形成不分開。例如單細(xì)胞蛋白和葡萄糖酸的發(fā)酵第8頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第二類型（部分生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型） 產(chǎn)物也來源于能量代謝所消耗的基質(zhì)，但產(chǎn)物的形成在與初級(jí)代謝分開的次級(jí)代謝中，出現(xiàn)兩個(gè)峰，菌體生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期，出現(xiàn)產(chǎn)物形成高峰。例如，檸檬酸和某些氨基酸的發(fā)酵。第9頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第三類型（非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型） 產(chǎn)物是在基質(zhì)消耗和菌體生長(zhǎng)之后，菌體利用中間代謝反應(yīng)來形成的，即產(chǎn)物的形成和初級(jí)代謝是分開的。如抗生素發(fā)酵。第10頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六生長(zhǎng)

4、關(guān)聯(lián)型（growth associated ）第11頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型non-growth associated 第12頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六分批發(fā)酵的分類對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義從上述分批發(fā)酵類型可以分析：如果生產(chǎn)的產(chǎn)品是生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型（如菌體與初級(jí)代謝產(chǎn)物），則宜采用有利于細(xì)胞生長(zhǎng)的培養(yǎng)條件，延長(zhǎng)與產(chǎn)物合成有關(guān)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期；如果產(chǎn)品是非生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型（如次級(jí)代謝產(chǎn)物），則宜縮短對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，并迅速獲得足夠量的菌體細(xì)胞后延長(zhǎng)平衡期，以提高產(chǎn)量。第13頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六（二）補(bǔ)料

5、分批發(fā)酵1、定義 補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵或流加分批發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方式。第14頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度；延長(zhǎng)發(fā)酵周期。缺點(diǎn)存在一定的非生產(chǎn)時(shí)間；和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險(xiǎn)。第15頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六補(bǔ)料分批發(fā)酵的類型補(bǔ)料方式連續(xù)流加不連續(xù)流加多周期流加補(bǔ)料成分單一組分流加多組分流加控制方式反饋控制無反饋控制第16頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六（三）連續(xù)發(fā)酵1、定義

6、 培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，同時(shí)以相同速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定的發(fā)酵過程。 第17頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)能維持低基質(zhì)濃度；可以提高設(shè)備利用率和單位時(shí)間的產(chǎn)量；便于自動(dòng)控制。缺點(diǎn)菌種發(fā)生變異的可能性較大；要求嚴(yán)格的無菌條件。第18頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六連續(xù)發(fā)酵的類型恒化培養(yǎng)使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定恒濁培養(yǎng)使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定第19頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第20頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六物理參數(shù)：

7、溫度壓力攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率空氣流量：通氣比大多在0.5-1.5vvm； 通氣比：每分鐘每單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積。粘度：PaS （反映：菌濃、形態(tài)）；第二節(jié) 發(fā)酵過程的工藝參數(shù)控制第21頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六二、化學(xué)參數(shù)pH：產(chǎn)酸、產(chǎn)堿反應(yīng)的綜合結(jié)果，重要參數(shù)之一；基質(zhì)濃度（殘C、N、溶Pi）：過程定時(shí)檢測(cè)，進(jìn)行補(bǔ)料；DO：調(diào)節(jié)通氣量、攪拌轉(zhuǎn)速、放大的依據(jù)；氧化還原電位：mV，影響生長(zhǎng)；產(chǎn)物濃度（發(fā)酵單位/效價(jià)）：u（g）/ml、g/L；排氣CO2濃度：計(jì)算呼吸商。第22頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六三、生物參數(shù)菌絲形態(tài)：判

8、斷種子質(zhì)量、發(fā)酵終點(diǎn)；菌體濃度：其變化反映為生長(zhǎng)曲線， 影響DO，用于動(dòng)力學(xué)研究。第23頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六四、間接參數(shù)根據(jù)發(fā)酵液的菌體量和單位時(shí)間的菌濃、溶氧濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)的變化值，可分別計(jì)算出菌體的比生長(zhǎng)速率、氧的比消耗速率、基質(zhì)的比消耗速率和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率。第24頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六攝氧率r：?jiǎn)挝惑w積培養(yǎng)液每小時(shí)所消耗的氧量（mmol/L.h） 1、攝氧率第25頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六呼吸強(qiáng)度QO2：?jiǎn)挝恢亓康母删w每小時(shí)所消耗的氧量（mmol/g.h） 2

9、、呼吸強(qiáng)度第26頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六呼吸商RQ：3、呼吸商第27頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六目前較常測(cè)定的參數(shù)有溫度、罐壓、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、pH、溶氧、基質(zhì)濃度、菌體濃度等。不常測(cè)定的參數(shù)有氧化還原電位、粘度、尾氣中的O2和CO2含量等。參數(shù)測(cè)定方法有：在線測(cè)定取樣測(cè)定（離線測(cè)定）第28頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六研究代謝變化：菌體生長(zhǎng)、發(fā)酵參數(shù)、產(chǎn)物形成速度之間的關(guān)系。（代謝曲線：隨時(shí)間的變化曲線）第三節(jié) 發(fā)酵過程中的代謝變化第29頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，

10、星期六一、初級(jí)代謝的代謝變化生長(zhǎng)過程：延滯期、對(duì)數(shù)期、靜止期、死亡期。 縮短、 接種、 此時(shí)接種會(huì)出現(xiàn)延滯期 第30頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六二、次級(jí)代謝的代謝變化次級(jí)代謝產(chǎn)物：抗生素、生物堿、微生物毒素等。 代謝變化分為菌體生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成和菌體自溶3個(gè)階段。1、菌體生長(zhǎng)階段（發(fā)酵前期）： C、N、磷酸鹽快速消耗； 菌濃快速增加； DO下降，pH下降后再上升/上升后再下降第31頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六2、產(chǎn)物合成階段（發(fā)酵中期）： 嚴(yán)格控制C、N、磷： 過多，轉(zhuǎn)向初級(jí)代謝； （半饑餓狀態(tài)） 過少，易衰老。 3、菌體自溶階段（

11、發(fā)酵后期）： NH2-N、pH回升，生產(chǎn)速度下降。 發(fā)現(xiàn)自溶，趕緊放罐(控制產(chǎn)物純度不下降)。 第32頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六Penicillin Fermentation Profile 變化曲線第33頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第四節(jié) 菌體濃度的影響及其控制 1、菌濃及其測(cè)定：菌濃（X）：?jiǎn)挝惑w積培養(yǎng)液中菌體的含量。菌濃測(cè)定（濕）：取10 ml發(fā)酵液于10 ml 刻度試管，3500 rpm離心15 min，計(jì)算菌體的體積百分?jǐn)?shù)。菌體干重測(cè)定：將50 ml發(fā)酵液于4800 rpm離心15 min，收集菌體用蒸餾水洗滌后離心，

12、重復(fù)2次，80（或100、105）干燥至恒重，稱重得菌體干重（Dry cell weight，DCW）。參考第34頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六影響菌體生長(zhǎng)的因素1.微生物的種類2.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和環(huán)境條件：基質(zhì)濃度、溶氧、溫度、pH、滲透壓、水活度等第35頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六2、菌濃的影響a、菌濃增加：基質(zhì)消耗、耗氧增加，粘度增大。b、菌濃過高：有毒中間產(chǎn)物的快速積累，會(huì)改變代謝途徑，抑制產(chǎn)物合成。c、在DO、營(yíng)養(yǎng)滿足的條件下，菌濃越大，產(chǎn)量越高。d、選擇合適菌濃，產(chǎn)量最大化第36頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)1

13、4分，星期六圖 不同菌濃(DCW) 對(duì)利迪鏈菌素發(fā)酵的影響最適菌濃的確定第37頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六3、菌濃的控制手段：調(diào)整基礎(chǔ)M：配比調(diào)整中間補(bǔ)料（氮源、磷酸鹽等）；菌濃過高：帶放、補(bǔ)無菌水；變溫培養(yǎng)：調(diào)控代謝速度。 第38頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第五節(jié) 基質(zhì)的影響及其控制M中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)：C、N、Pi基質(zhì)種類、濃度 菌體生長(zhǎng)、代謝影響 第39頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六一、碳源種類、濃度的影響和控制1、種類（按利用快慢分）：速效C源：利用快，有利于菌體生長(zhǎng)，過多有時(shí)對(duì)產(chǎn)物合成產(chǎn)生阻遏作用

14、。（葡萄糖）遲效C源：緩慢利用的碳源，有利于延長(zhǎng)產(chǎn)物的合成。 （淀粉、蔗糖、乳糖、麥芽糖，豆油等）第40頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六2、碳源濃度的控制在發(fā)酵過程中，補(bǔ)加糖類控制碳源濃度。補(bǔ)糖方式： a、連續(xù)流加/滴加； -殘?zhí)欠€(wěn)定 b、少量多次加入； c、多量少次加入。第41頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六補(bǔ)糖量-經(jīng)驗(yàn)法：例：青霉素： 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以最高產(chǎn)量罐批的加糖率為指標(biāo)，并依據(jù)菌體濃度、一定時(shí)間內(nèi)的糖比消耗速率和殘?zhí)堑燃右孕拚?青霉素發(fā)酵開始補(bǔ)糖在殘?zhí)墙抵?.5%、pH開始回升時(shí)補(bǔ)糖。補(bǔ)糖量以最高罐批經(jīng)驗(yàn)量為參考。每小時(shí) 前期0

15、40h 中期4090h 后期90以后 加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18% 第42頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六二、氮源種類、濃度的影響和控制1、氮源的種類影響：速效N源：易被菌體利用，明顯促進(jìn)菌體生長(zhǎng)。氨水、銨鹽和玉米漿，有些品種：高濃度NH4+抑制。遲效N源：有利于延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期。黃豆餅粉、花生餅粉、棉子餅粉。粘度大。發(fā)酵工業(yè)中常采用混合氮源。第43頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六2、氮源濃度的影響控制氮源濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的量與方向都有影響。氮源濃度的控制： 控制基礎(chǔ)

16、培養(yǎng)基中的配比。 通過補(bǔ)加氮源。補(bǔ)氮的依據(jù)：殘氮量、pH值、菌體量。第44頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六3、補(bǔ)加氮源一般補(bǔ)：（NH4）2SO4、氨水（NH3 H2O）； 也有補(bǔ)： 尿素、玉米漿、酵母粉。方式：流加、少量多次。第45頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六三、磷酸鹽濃度的影響和控制1、磷源種類： 磷酸二氫鉀(含磷31/136)、玉米漿 (1.8%)、黃豆餅粉（0.73%）發(fā)酵磷元素的平衡： 培養(yǎng)基中投入的磷量 + 接種帶入磷量 + 中間補(bǔ)磷量 = 放罐菌絲總含磷量 第46頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六

17、2、磷酸鹽濃度的影響：明顯促進(jìn)新生菌絲的生長(zhǎng)（菌量的增加）； （0.32-300mM）對(duì)于次級(jí)代謝產(chǎn)物，高濃度的磷酸鹽能抑制產(chǎn)物合成。（低濃促進(jìn)、高濃抑制） （10mM以下）第47頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六3、磷酸鹽濃度的控制a、基礎(chǔ)M中采用適宜濃度： 對(duì)于初級(jí)代謝產(chǎn)物，磷酸鹽濃度采用足量。 對(duì)于次級(jí)代謝產(chǎn)物，磷酸鹽濃度采用生長(zhǎng)亞適量。 生長(zhǎng)亞適量：對(duì)生長(zhǎng)不是最適合但又不影響生長(zhǎng)的量（比最適量要低）。第48頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六b、一般磷酸鹽采用單消，防止沉淀反應(yīng)。 c、當(dāng)菌體生長(zhǎng)和代謝緩慢時(shí)，可補(bǔ)加適量的磷，促進(jìn)菌體生長(zhǎng)

18、和產(chǎn)物合成。第49頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第六節(jié) 溫度的影響及其控制1、溫度對(duì)發(fā)酵的影響：影響各種酶促反應(yīng)的速度；影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)；影響合成代謝產(chǎn)物的方向，調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物的組分比例；黃曲霉毒素B2黃曲霉毒素G1第50頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六 例：青霉菌生產(chǎn)青霉素 青霉菌生長(zhǎng)活化能E=34kJ/mol 青霉素合成活化能E=112kJ/mol 青霉素合成速率對(duì)溫度較敏感，溫度控制相當(dāng)重要。第51頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六2、發(fā)酵熱（KJ/m3 h） 攪拌器/液體摩擦 排氣散熱 糖代謝 蒸

19、發(fā)水分 罐內(nèi)外溫差特點(diǎn)：全程都放熱，對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期放熱最厲害，冷卻水消耗多。第52頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六生物熱：生物熱是生產(chǎn)菌在生長(zhǎng)繁殖時(shí)過程中散發(fā)的大量熱量。影響生物熱的因素： 菌株 培養(yǎng)基 發(fā)酵時(shí)期 菌體的呼吸強(qiáng)度第53頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六1抗生素活性2抗生素活性發(fā)酵過程中生物熱的變化第54頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六攪拌熱：通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成液體之間，液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱 。 Q攪拌=3600（P/V） （P/V）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功

20、率（ kW/m3）第55頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六蒸發(fā)熱：空氣進(jìn)入發(fā)酵罐后和發(fā)酵液廣泛接觸,引起水分的蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。蒸發(fā)熱的計(jì)算： Q蒸發(fā)=G（I2-I1） G：空氣流量，按干重計(jì)算，kg/h I1 、 I2 ：進(jìn)出發(fā)酵罐的空氣的熱焓量，J/kg（干空氣）顯熱：排氣由于溫度差異帶走的熱量第56頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六輻射熱：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過罐體向外輻射的熱量。輻射熱可通過罐內(nèi)外的溫差求得，一般不超過發(fā)酵熱的5%。第57頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六發(fā)酵熱的測(cè)定（1）通過測(cè)定

21、一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度，由下式求得這段時(shí)間內(nèi)的發(fā)酵熱。第58頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六（2）通過罐溫的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自控裝置測(cè)得溫度隨時(shí)間上升的速率S，按下式可求得發(fā)酵熱：第59頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六3、最適發(fā)酵溫度的選擇選擇既適合菌體生長(zhǎng)又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度，可實(shí)行變溫控制。（1）根據(jù)菌種及生長(zhǎng)階段選擇 （2）根據(jù)培養(yǎng)條件選擇：通氣較差時(shí)， 培養(yǎng)基成分較易被利用或較稀薄時(shí)， （3）根據(jù)菌體生長(zhǎng)情況選擇第60頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六4、發(fā)酵溫度的

22、控制罐上安裝夾套或蛇管、外盤管，通過循環(huán)冷卻水控制。控制方式：手動(dòng)控制或自動(dòng)控制。第61頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第62頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六夾套 外盤管 蛇管第63頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第七節(jié) pH的影響及其控制1、pH對(duì)發(fā)酵的影響：影響菌體生長(zhǎng)代謝的酶活性；菌體細(xì)胞膜透性改變，影響營(yíng)養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌；影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的解離;pH不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變第64頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六

23、2、引起pH變化的因素：pH的變化決定于菌種、培養(yǎng)基成分、產(chǎn)物形成、培養(yǎng)條件。 菌體自調(diào)環(huán)境pH 生理酸堿性、碳源、氮源 供氧、補(bǔ)料 第65頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六C/N過高（特別是葡萄糖過量）/中間補(bǔ)糖過多/溶氧不足，致使有機(jī)酸積累，而pH下降 生理酸性物質(zhì)被利用，pH下降酸性產(chǎn)物形成 消泡劑添加過量1、引起pH下降的因素第66頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六C/N過低（N源過多） ，氨基氮釋放生理堿性物質(zhì)的存在中間補(bǔ)料，氨水或尿素等堿性物質(zhì)添加過多堿性產(chǎn)物形成發(fā)酵后期，菌體自溶造成pH的上升2、引起pH上升的因素第67頁，共1

24、10頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六3、最適pH的選擇不同菌種（特性），確定最適pH；同一菌種，生長(zhǎng)期采用最適生長(zhǎng)的pH， 合成期采用最適產(chǎn)物合成的pH。 第68頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第69頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六4、發(fā)酵pH的控制a、選擇合適的培養(yǎng)基配比： C/N合適； 生理酸、堿性物質(zhì)比例合適； 添加pH緩沖物質(zhì)：CaCO3b、發(fā)酵過程補(bǔ)料控制： 補(bǔ)加酸、堿、氨水、尿素、硫酸銨； 調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速度; 結(jié)合通氣量。第70頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六pH的控制系統(tǒng)pH電極設(shè)定控

25、制器調(diào)節(jié)閥6.5pHUncontrolledControlled第71頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六 青霉素發(fā)酵的補(bǔ)料工藝第72頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第八節(jié) 溶氧的影響及其控制 第73頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第74頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六溶氧的控制供氧需氧：限制基礎(chǔ)培養(yǎng)基的濃度，使發(fā)酵器內(nèi)的生物體濃度維持于適當(dāng)水平；并以補(bǔ)料方式供給某些營(yíng)養(yǎng)成分而控制菌體生長(zhǎng)率和呼吸率。 第75頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六（1）溶解氧控制的一

26、般原則 生長(zhǎng)階段： 即可產(chǎn)物合成階段： 即可過高的溶氧水平反而對(duì)菌體代謝有不可逆的抑制作用第76頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六（2）補(bǔ)料控制溶解氧控制原理發(fā)酵過程中， 糖量 x , QO2 r CL 糖量 QO2 r CL 對(duì)于一個(gè)具體的發(fā)酵，存在一個(gè)最適氧濃度（Cm）水平，補(bǔ)糖速率應(yīng)與其相適應(yīng)。 ，加大補(bǔ)糖速率 ，減小補(bǔ)糖速率實(shí)現(xiàn)用溶解氧水平控制補(bǔ)料速率 第77頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六溶解氧控制對(duì)鳥苷產(chǎn)量的影響不同的DO控制條件下鳥苷積累的比較DO()：5，l0，20，30發(fā)酵過程 DO 變化與鳥苷 積累的關(guān)系DO 控制在10

27、20，產(chǎn)物積累，鳥苷含量最高。DO在5和30，前期產(chǎn)物積累，但后期基本不增加.DO水平的超高階段(發(fā)酵周期28h44h)，鳥苷積累量基本不增加；調(diào)整DO 在適當(dāng)水平上，鳥苷積累量繼續(xù)上升。 第78頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第九節(jié) CO2的影響及其控制 一、CO2的影響：CO2是代謝產(chǎn)物，也是某些合成代謝的基質(zhì)，對(duì)生長(zhǎng)代謝有刺激或抑制作用。高CO2 濃度：影響細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，形態(tài)發(fā)生改變。 影響培養(yǎng)液的pH。排氣CO2 ：0-5%（大多在0.5-3.0%，4%抑制生長(zhǎng)） 例：環(huán)狀芽孢桿菌（B. circulus）開始生長(zhǎng)時(shí)，需CO2 ； 抗生素：進(jìn)氣CO2含量高，產(chǎn)

28、量會(huì)下降。第79頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六 CO2及HCO3-主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生改變，影響到細(xì)胞膜的輸送效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。培養(yǎng)液中的CO2主要作用于細(xì)胞膜的脂質(zhì)核心部位；HCO3-影響細(xì)胞膜的膜蛋白。 CO2對(duì)發(fā)酵影響的機(jī)理第80頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六影響尾氣中CO2濃度的因素 通入空氣量： 呼吸強(qiáng)度：CO2溶解度：菌體量：第81頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六研究參數(shù)CO2的意義 作為代謝產(chǎn)物或中間前體，尾氣中CO2積累與生物量 成

29、正比，估算生長(zhǎng)速率和細(xì)胞量。高濃度CO2對(duì)發(fā)酵多表現(xiàn)為抑制作用，應(yīng)實(shí)施測(cè)量與 控制；尾氣CO2不僅直接反映代謝情況，而且和其它參數(shù)及補(bǔ)料操作密切相關(guān)，可作為工藝優(yōu)化的指標(biāo)。 第82頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六二、CO2的控制：DCO2沒有規(guī)律，決定于菌體的呼吸強(qiáng)度（生長(zhǎng)期大）、補(bǔ)糖量、發(fā)酵液特性、通氣攪拌、罐壓、溫度等。若CO2對(duì)產(chǎn)物合成有抑制，則設(shè)法降低其濃度； 若有促進(jìn)作用，則應(yīng)提高其濃度。第83頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六CO2的控制手段： 選擇合適罐壓；調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基、中間補(bǔ)料的糖量；控制通氣量，及時(shí)帶走CO2第84頁，共

30、110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六CO2釋放與發(fā)酵過程參數(shù)pH及操作參數(shù)補(bǔ)糖速率的關(guān)系糖、CO2、pH三者的相關(guān)性，被青霉素工業(yè)生產(chǎn)上用于補(bǔ)料控制的參數(shù)，并認(rèn)為排氣CO2的變化比pH變化更為敏感，所以測(cè)定排氣CO2釋放率 （CER）來控制補(bǔ)糖速率。 補(bǔ)糖與溶氧及pH協(xié)同控制補(bǔ)糖速率與CER控制 第85頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第十節(jié) 補(bǔ)料的作用和控制一、補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)及作用： （Fed-batch culture，半連續(xù)發(fā)酵） 第86頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六優(yōu)點(diǎn)：1、可以解除底物抑制和分解代謝阻遏；（

31、高濃度葡萄糖、銨、磷、前體）2、可避免因一次投料過多造成菌體大量生長(zhǎng)；（速效）3、可提高菌體細(xì)胞質(zhì)量，延緩衰老，延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間；4、為自動(dòng)控制和最優(yōu)控制提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 第87頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長(zhǎng)限制性基質(zhì)以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)控制流加；以pH、尾氣中CO2、溶氧、產(chǎn)物濃度等參數(shù)間接控制流加；用傳感器直接測(cè)定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加。補(bǔ)料控制的策略第88頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六補(bǔ)料速率的確定優(yōu)化補(bǔ)料速率也是補(bǔ)料控制中十分重要的一環(huán)，因?yàn)轲B(yǎng)分和前體需要維持適當(dāng)?shù)臐舛?，而它們則以不同的速率被消耗

32、，所以補(bǔ)料速率要根據(jù)微生物對(duì)營(yíng)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。例如LhLhLh菌體濃度40g/L第89頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六（7）實(shí)例：四環(huán)素發(fā)酵中的補(bǔ)糖控制補(bǔ)糖時(shí)間適當(dāng) （ 45h后加）補(bǔ)糖時(shí)間過晚 （62h開始加） 補(bǔ)糖時(shí)間過早 （20h后加）第90頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六二、補(bǔ)料方式和控制：方式：連續(xù)流加或滴加、分次補(bǔ)加。微機(jī)補(bǔ)料自控系統(tǒng)：包括傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)器三個(gè)單元。有反饋控制和無反饋控制（閉環(huán)/開環(huán)控制）。第91頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六第十一節(jié) 泡沫的影響及其控制1、泡沫的影響分為兩類： 機(jī)械性泡沫：發(fā)酵液液面上的泡沫，氣、液有明顯界限。（前期泡沫） 流態(tài)性泡沫：發(fā)酵液中的泡沫，氣、液無明顯界限，比較穩(wěn)定。起泡因素：基質(zhì)（黃豆餅粉等有機(jī)N源）、滅菌條件、通氣攪拌、菌體生長(zhǎng)代謝等。危害：裝料系數(shù)減少、逃液、易染菌（頂罐）、影響氧傳遞、代謝異常。第92頁，共110頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)14分，星期六不同攪拌速度和通氣量對(duì)泡沫影響第93頁，共110頁，2022年，5月20日