發(fā)酵過程控制

1、發(fā)酵過程控制第1頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二重點(diǎn)掌握:溫度、pH、溶解氧、菌體濃度、基質(zhì)濃度、二氧化碳、泡沫等因素對(duì)發(fā)酵過程的影響第2頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第3頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二（5）空氣流量 空氣滅菌系統(tǒng)、流量、溫度、目的是供氧。（6）罐壓 正壓防止空氣中的雜菌侵入發(fā)酵液，罐壓過高時(shí)CO2 濃度陡增，負(fù)面作用。（7）攪拌速度 延長(zhǎng)空氣的停留時(shí)間，提高溶氧；促進(jìn)菌體與培養(yǎng)基之間的質(zhì)量傳遞。過高時(shí)會(huì)損傷菌體、產(chǎn)生過多的泡沫。（8）攪拌功率 其成本比重較大。第4頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，

2、4點(diǎn)53分，星期二（9）粘度 菌體濃度增大時(shí)，粘度增加，溶氧下降。（10）濁度 能直接反應(yīng)菌體的濃度，但不能區(qū)分菌體的死活。（11）料液流量 連續(xù)發(fā)酵時(shí)，涉及稀釋率。（12）產(chǎn)物濃度 生產(chǎn)目標(biāo)（13）氧化還原電位 其原因往往十分復(fù)雜。測(cè)量手段有待開發(fā)。第5頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二（14）廢氣中的氧含量 （15）廢氣中的CO2 從中可了解生產(chǎn)菌株的呼吸代謝規(guī)律。（16）菌絲形態(tài) 判別種子質(zhì)量、區(qū)分發(fā)酵階段、確認(rèn)染菌的重要依據(jù)。（17）菌體濃度 是確定補(bǔ)料量、供氣量、階段轉(zhuǎn)換的重要依據(jù)。第6頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二發(fā)酵過程的主要控制參

3、數(shù)pH值（酸堿度）溫度（）溶解氧濃度基質(zhì)含量空氣流量壓力攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率粘度濁度料液流量產(chǎn)物濃度氧化還原電位廢氣中的氧含量廢氣中的CO2含量菌絲形態(tài)菌體濃度第7頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二二、發(fā)酵過程的參數(shù)檢測(cè)1.直接狀態(tài)參數(shù)2.間接狀態(tài)參數(shù)3.離線發(fā)酵分析方法第8頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二1.直接狀態(tài)參數(shù)直接反映發(fā)酵過程微生物生理代謝狀況的參數(shù)。如pH、DO、溶解CO2、尾氣O2、尾氣CO2、黏度等。在線檢測(cè)傳感器第9頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二2.間接狀態(tài)參數(shù)指那些采用直接狀態(tài)參數(shù)計(jì)算求得的參數(shù)。比生長(zhǎng)速

4、率，攝氧率（OUR）,CO2釋放速率，呼吸商（RQ），KLa。可以提供反應(yīng)過程狀態(tài)、反應(yīng)速率、設(shè)備性能、設(shè)備利用效率等信息。第10頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二3、離線發(fā)酵分析方法從發(fā)酵液中取出樣品進(jìn)行離線分析,分析菌體濃度，形態(tài)、培養(yǎng)基成分和產(chǎn)物成分及含量。顯微觀察，細(xì)胞體積，干重，光密度，平板計(jì)數(shù)及基質(zhì)及產(chǎn)物分析等。第11頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第1節(jié) 溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、影響發(fā)酵溫度的因素 二、溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)的影響三、溫度對(duì)發(fā)酵的影響四、最適溫度的選擇第12頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二一、影

5、響發(fā)酵溫度的因素發(fā)酵熱：發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。菌分解基質(zhì)產(chǎn)生熱量，攪拌產(chǎn)生熱量，罐壁散熱，水分蒸發(fā)、空氣排氣帶走熱量，發(fā)酵熱引起發(fā)酵溫度的上升。發(fā)酵熱大，溫度上升快；發(fā)酵熱小，溫度上升慢。第13頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第14頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二例如一摩爾葡萄糖徹底氧化成水和二氧化碳好氧：產(chǎn)生287.2千焦熱量 183千焦轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?104.2千焦以熱的形式釋放厭氧：產(chǎn)生22.6千焦的熱量 9.6千焦轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?13千焦以熱的形式釋放二例中葡萄糖轉(zhuǎn)化為高能化合物的熱量分別占63.7%和42.6%，放出的熱量分別

6、為104.2千焦和13千焦。微生物的好氧培養(yǎng)產(chǎn)生的熱比厭氧培養(yǎng)多。第15頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二生物熱的產(chǎn)生具有強(qiáng)烈的時(shí)間性1. 初 期：適應(yīng)期，菌量少，呼吸慢，熱量少2. 對(duì)數(shù)期：菌量大，呼吸旺盛，熱量多3. 合成期：菌體合成減緩，靠已合成的酶進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)熱減少，溫升小。如果培養(yǎng)前期溫度上升過緩，發(fā)酵不正常；若培養(yǎng)前期溫度上升過于劇烈，有可能染菌。此外培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。第16頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二攪拌熱Q攪拌 攪拌熱與攪拌功率有關(guān)，可用下式計(jì)算：Q攪拌=P*860*4186.8J/hP攪拌軸功率860*4186.

7、8機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量第17頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二蒸發(fā)熱Q蒸發(fā) 通氣時(shí)引起發(fā)酵液的水分蒸發(fā)所需的熱量叫蒸發(fā)熱，此外排氣也會(huì)帶走部分熱量叫顯熱Q顯，顯熱很小，一般可忽略。輻射熱Q輻射 發(fā)酵罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。輻射熱的大小取決于罐內(nèi)與環(huán)境的溫差。冬天大一些，夏天小一些。 Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射第18頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二二、溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)的影響微生物生長(zhǎng)對(duì)溫度要求不同，大致可分為：嗜冷菌： 20 最大 026生長(zhǎng)，嗜溫菌： 3035 1543生長(zhǎng)，嗜熱菌： 50 37

8、65生長(zhǎng)。最適溫度最高溫度最低溫度第19頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二在最適溫度范圍內(nèi)，微生物生長(zhǎng)迅速，生長(zhǎng)速率隨溫度升高而增加，溫度增加10，生長(zhǎng)速率增長(zhǎng)一倍。超過最高溫度微生物即受到抑制或死亡，在最低溫度范圍內(nèi)微生物尚能生長(zhǎng)，但生長(zhǎng)速度非常緩慢，世代時(shí)間無限延長(zhǎng)。如黑曲霉生長(zhǎng)溫度為37。 谷氨酸棒狀桿菌生長(zhǎng)溫度為3032 。青霉菌生長(zhǎng)溫度為30。第20頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二為什么不同微生物對(duì)溫度要求不同呢？ 根據(jù)細(xì)胞膜脂質(zhì)成分分析表明不同最適溫度生長(zhǎng)的微生物，其膜內(nèi)磷脂組成有很大區(qū)別。嗜熱菌只含飽和脂肪酸，嗜冷菌含有較高的不飽和脂

9、肪酸。 第21頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二三、溫度對(duì)發(fā)酵的影響溫度影響反應(yīng)速率發(fā)酵過程的反應(yīng)速率實(shí)際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個(gè)最適反應(yīng)溫度，低于最適溫度，反應(yīng)速率隨溫度升高而上升，高于最適溫度，發(fā)酵速率隨溫度升高而下降。阿累尼烏斯方程式 第22頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第23頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二根據(jù)菌的生長(zhǎng)特性，菌體生長(zhǎng)快，維持較高溫度時(shí)間要短些，菌體生長(zhǎng)慢，維持較高溫度時(shí)間可長(zhǎng)些溫度影響細(xì)胞生長(zhǎng)，也影響細(xì)胞得率，因?yàn)樵诟邷叵录?xì)胞維持生命活動(dòng)的消耗增加。第24頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)

10、53分，星期二在生長(zhǎng)的不同階段所控制的最適溫度也不同。在發(fā)酵前期，由于菌量少，培養(yǎng)目的是盡快達(dá)到大量的菌體，因此取稍高的溫度，促使菌的生長(zhǎng)及代謝。中期菌量已達(dá)到合成產(chǎn)物的最適量，發(fā)酵需要延長(zhǎng)中期，從而提高產(chǎn)量，因此中期溫度要稍低些，可以推遲菌體衰老。在稍低溫度下，氨基酸合成蛋白質(zhì)、核酸的正常途徑關(guān)閉得比較嚴(yán)密，有利于產(chǎn)物合成。第25頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二發(fā)酵后期，產(chǎn)物合成能力降低，沒有必要延長(zhǎng)發(fā)酵周期，所以提高溫度刺激產(chǎn)物合成到放罐。第26頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二溫度影響發(fā)酵方向影響關(guān)鍵酶活性改變發(fā)酵途徑.如四環(huán)素產(chǎn)生菌金色鏈霉

11、菌低于30 0C時(shí)合成金霉素能力較強(qiáng)。溫度提高,合成四環(huán)素的比例提高。溫度達(dá)到35 0C時(shí)金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。第27頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二四、最適溫度的選擇1)最適溫度，最適于菌的生長(zhǎng)或產(chǎn)物的生成的溫度，適合菌體的生長(zhǎng)的最適溫度發(fā)酵產(chǎn)物合成的最適溫度2)二階段的發(fā)酵青霉素產(chǎn)生菌最適的生長(zhǎng)溫度30，而青霉素合成分泌的最適溫度20。第28頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第29頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二（3）其他發(fā)酵條件根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇溫度。1通氣條件差時(shí)可適當(dāng)降低溫度，使菌呼吸速率

12、降低些，溶氧濃度提高一些；2培養(yǎng)基稀薄時(shí)，溫度也該低些，因?yàn)闇囟雀郀I(yíng)養(yǎng)利用快，會(huì)使菌過早自溶。第30頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二4）變溫培養(yǎng)在抗生素發(fā)酵過程中，采用變溫培養(yǎng)往往會(huì)比恒溫培養(yǎng)獲得的產(chǎn)物更多。青霉素發(fā)酵05h,30,535h 25,3585h,20,最后回升到25培養(yǎng)40小時(shí)放罐,比恒溫25培養(yǎng)提高14.7%第31頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二通用式發(fā)酵罐第32頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二工業(yè)生產(chǎn)上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況較多。利用自動(dòng)控制

13、或手動(dòng)調(diào)整的閥門，將冷卻水通入發(fā)酵罐的夾層或蛇行管中，通過熱交換來降溫，保持恒溫發(fā)酵。如果氣溫較高（特別是我國(guó)南方的夏季氣溫），冷卻水的溫度又高，致使冷卻效果很差，達(dá)不到預(yù)定的溫度，就可采用冷凍鹽水進(jìn)行循環(huán)式降溫，以迅速降到最適溫度。因此大工廠需要建立冷凍站，提高冷卻能力，以保證在正常溫度下進(jìn)行發(fā)酵。第33頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第2節(jié) pH值對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、發(fā)酵過程中pH值變化的規(guī)律二、最適pH值的選擇三、pH值的調(diào)控策略第34頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二一、發(fā)酵過程中pH值變化的規(guī)律1. 基質(zhì)代謝（1）糖代謝 特別是快速利

14、用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降（2）氮代謝 當(dāng)氨基酸中的-NH2被利用后pH會(huì)下降，尿素被分解成NH3， pH上升，NH3利用后pH下降，當(dāng)碳源不足時(shí)氮源當(dāng)碳源利用pH上升。（3）生理酸堿性物質(zhì)利用后pH會(huì)上升或下降，生理酸性物質(zhì)（如(NH4)2SO4）和生理堿性物質(zhì)（如NaNO3）。第35頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二2. 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。如有機(jī)酸類產(chǎn)生使pH下降，紅霉素、潔霉素、螺旋霉素等抗生素呈堿性，使pH上升。3. 菌體自溶，pH上升，發(fā)酵后期，pH上升。第36頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二

15、二、最適pH值的選擇選擇最適發(fā)酵pH的準(zhǔn)則是獲得最大比生產(chǎn)速率和合適的菌體量,以獲得最高產(chǎn)量。利福霉素,最適pH值第37頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第38頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二簡(jiǎn)述一般發(fā)酵過程pH值如何變化？在發(fā)酵過程中，隨著菌種對(duì)培養(yǎng)基種碳、氮源的利用，隨著有機(jī)酸和氨基酸的積累，會(huì)使pH值產(chǎn)生一定的變化。1、生長(zhǎng)階段：菌體產(chǎn)生蛋白酶水解培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)，生成銨離子，使pH上升至堿性；隨著菌體量增多，銨離子的消耗也增多，另外糖利用過程中有機(jī)酸的積累使pH值下降。2、生產(chǎn)階段：這個(gè)階段pH值趨于穩(wěn)定。3、自溶階段：隨著養(yǎng)分的耗盡，菌體

16、蛋白酶的活躍，培養(yǎng)液中氨基氮增加，致使pH又上升，此時(shí)菌體趨于自溶而代謝活動(dòng)終止。第39頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二pH值培養(yǎng)時(shí)間培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液pH值的大致變化趨勢(shì)由此可見，在適合于菌生長(zhǎng)及合成產(chǎn)物的環(huán)境條件下，菌體本身具有一定的調(diào)節(jié)pH的能力，但是當(dāng)外界條件變化過于劇烈，菌體就失去了調(diào)節(jié)能力，培養(yǎng)液的pH就會(huì)波動(dòng)。第40頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā)pH值，進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵過程中，定時(shí)測(cè)定和調(diào)節(jié)pH值，以分別維持出發(fā)pH值，或者利用緩沖液來配制培養(yǎng)基來維持。到時(shí)觀察菌體的生長(zhǎng)情況，以菌體生長(zhǎng)達(dá)到最高值的pH值

17、為菌體生長(zhǎng)的合適pH值。用同樣的方法，可測(cè)得產(chǎn)物合成的合適pH值。同一產(chǎn)品的合適pH值，與所用的菌種、培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件有關(guān)。在確定合適發(fā)酵pH值時(shí)，不定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響。如何確定發(fā)酵pH值第41頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二三、pH值的調(diào)控策略考慮基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方,調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)料的pH，然后通過加酸堿或中間補(bǔ)料來控制。基礎(chǔ)料中含有玉米漿，pH呈酸性，必須調(diào)節(jié)pH。有機(jī)酸或氨水調(diào)節(jié)注意監(jiān)測(cè)氧濃度變化防止菌體出現(xiàn)氨中毒。在基礎(chǔ)料中加入維持pH 的物質(zhì)，如CaCO3第42頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二如何通過補(bǔ)料調(diào)節(jié)pH？在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮

18、消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào) pH 沒有矛盾時(shí)采用補(bǔ)料調(diào) pH。（1）調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速率，調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié)pH 。(2）當(dāng)NH2-N低，pH 低時(shí)補(bǔ)氨水；當(dāng)NH2-N低，pH 高時(shí)補(bǔ)(NH4)2SO4 。當(dāng)補(bǔ)料與調(diào) pH 發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH。第43頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第3節(jié) 溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、溶解氧變化的規(guī)律二、溶解氧在發(fā)酵過程控制中的重要應(yīng)用三、影響溶解氧的主要因素與控制方法四、溶解氧控制對(duì)發(fā)酵的影響第44頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二一、溶解氧變化的規(guī)律溶解氧 DO 值 溶氧電極溶解氧濃度：一般用mg/L或mmol

19、/L表示,一般耗氧菌呼吸臨界溶解氧濃度為還可以用空氣飽和百分比或氧分壓表示,以接種前的空氣飽和度為100%計(jì)算,第45頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第46頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二溶氧監(jiān)測(cè)的作用1)從發(fā)酵液中的溶解氧濃度變化，可以了解微生物 生長(zhǎng)代謝是否異常。a、溶解氧判斷是操作故障或事故引起的異?，F(xiàn)象。b、判斷中間補(bǔ)料是否恰當(dāng)。c、溶解氧判斷發(fā)酵體系是否污染雜菌。d、溶解氧作為控制代謝方向的指標(biāo)。第47頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二舉例：供氧對(duì)谷氨酸發(fā)酵的影響通風(fēng)適量 生成谷氨酸通風(fēng)過量 生成-酮戊二酸 通風(fēng)不

20、足 生成乳酸或琥珀酸 2)工藝控制是否合理 3)設(shè)備供氧能力是否充足。第48頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二谷氨酸發(fā)酵時(shí)正常和異常的溶氧曲線 紅霉素發(fā)酵過程中溶氧和黏度的曲線 第49頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二溶解氧濃度的控制決定因素：供氧和需氧。供氧控制：設(shè)法提高氧傳遞的推動(dòng)力和Kla。需氧控制：需氧量受菌體濃度、基質(zhì)種類、和濃度及培養(yǎng)條件等因素影響，以菌濃度影響最明顯。發(fā)酵液攝氧率隨菌濃增加而按比例增加但氧的傳遞速率隨菌濃度的對(duì)數(shù)關(guān)系減少。第50頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二對(duì)于好氧發(fā)酵過程是否是維持DO值越高越

21、好？即使是專性好氧菌，過高的DO值對(duì)生長(zhǎng)也可能不利。氧的有害作用是因?yàn)樾律鶲，超氧化物基O2-和超氧化物基O22-或羥基自由基OH-，破壞細(xì)胞及細(xì)胞膜。第51頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第4節(jié) CO2和呼吸商對(duì)發(fā)酵的影響及其控制一、CO2 對(duì)菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響1 CO2影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和通透性 溶解CO2主要作用于細(xì)胞膜的脂肪酸核心部位，而HCO3則影響磷脂，親水頭部帶電荷表面上的蛋白質(zhì)。當(dāng)細(xì)胞膜的磷脂相中CO2濃度達(dá)到臨界值時(shí)，膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生變化。這將導(dǎo)致膜對(duì)許多基質(zhì)的運(yùn)輸受阻，使細(xì)胞處于“麻醉”狀態(tài)，生長(zhǎng)受抑制，形態(tài)發(fā)生變化。第52頁(yè)，共9

22、3頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二2、抑制代謝 溶解在發(fā)酵液中的CO2的抑制作用。大多數(shù)微生物適應(yīng)低CO2濃度（0.02 0.04 體積分?jǐn)?shù)）。 當(dāng)尾氣CO2濃度高于4 時(shí)，微生物的糖代謝與呼吸速率下降。CO2的溶解度是O2 的24倍。應(yīng)控制罐壓。舉例：青霉素生產(chǎn)中： CO2濃度0.08105 Pa 作用：產(chǎn)物的合成速率40 措施：H / D；排氣第53頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第54頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第55頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二三、呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系攝氧率:OURCO2的釋放率

23、(CER)：呼吸商: RQ=CER/OUR：酵母培養(yǎng)時(shí)：若RQ=1,表示糖代謝進(jìn)行有氧分解代謝途徑，僅供生長(zhǎng)，無產(chǎn)物形成。若RQ1.1,表示進(jìn)行EMP途徑，生成乙醇。當(dāng)RQ=0.93,生產(chǎn)檸檬酸；RQ0.7表示生成乙醇被當(dāng)作基質(zhì)再利用。第56頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系1、菌體利用不同基質(zhì)時(shí)RQ值也是不同的。2、在抗生素發(fā)酵中生長(zhǎng)、維持和產(chǎn)物形成階段的RQ值也不一樣。如青霉素分別0.909，1.0，4.0。3、產(chǎn)物的還原性比基質(zhì)的還原性大，其RQ值增加。4、當(dāng)蔗糖、葡萄糖或淀粉等碳水化合物作為呼吸底物時(shí)，如果它們被完全氧化RQ值約等于1。5、無氧呼

24、吸時(shí)，沒有O2的吸收，只有CO2的釋放，此時(shí)RQ值為無窮大；第57頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第5節(jié) 基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1、培養(yǎng)基的質(zhì)量:有機(jī)碳源和有機(jī)氮源，除規(guī)定的外觀，含水量，灰分，主要成分含量等參數(shù)外，更重要的需經(jīng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)來確定。2、培養(yǎng)基的數(shù)量:控制底物濃度在適當(dāng)?shù)某潭龋梢苑乐沟孜镆种坪妥瓒舻淖饔?，也可以控制微生物適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)階段。第58頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二糖對(duì)青霉素生物合成的影響試驗(yàn)第59頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二如何避免發(fā)酵的過程中底物和前體發(fā)生抑制和阻遏？根據(jù)底物消耗速度連續(xù)流

25、加以避免出現(xiàn)不足或過量。具體可以：1、以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)控制流加；2、以pH、尾氣、溶氧、產(chǎn)物濃度等參數(shù)間接控制流加；3、以物料平衡方程，通過傳感器在線測(cè)定的一些參數(shù)計(jì)算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加；4、用傳感器直接測(cè)定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加。第60頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第 6 節(jié) 通氣攪拌對(duì)發(fā)酵的影響及其控制影響氧的傳遞速率影響物料的混合均勻影響泡沫的產(chǎn)生影響菌絲體形態(tài)第61頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第 7 節(jié) 泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制 泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。 第62頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月2

26、0日，4點(diǎn)53分，星期二第63頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第64頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二 不同濃度蛋白質(zhì)原料的起泡作用第65頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第66頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二三、泡沫的消除1、機(jī)械消泡法原理 用機(jī)械力或壓力變化擊碎泡沫。方法 罐內(nèi)法：在攪拌軸上方安裝消沫槳，形式多樣，擊碎泡沫； 罐外法：泡沫引出罐外，噴嘴加速作用或離心破碎泡沫。優(yōu)點(diǎn)： 不用引入外界物質(zhì)；減小染菌機(jī)會(huì)；節(jié)省原料；不增加下游分離負(fù)擔(dān)；缺點(diǎn)： 僅限于泡沫較輕的情況；不能根本解決泡沫生成的原因

27、。第67頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二2、消泡劑消泡消泡劑可使泡沫液局部表面張力降低、液膜排液，因而導(dǎo)致泡沫破滅。對(duì)消泡劑的要求（1）消泡能力強(qiáng)，有一定的水性 ，揮發(fā)性小 。（2）使用濃度要低。降低成本、減少副作用。（3） 對(duì)產(chǎn)物無影響。 與發(fā)酵液不起化學(xué)反應(yīng)。（4）無毒 ，能耐高溫滅菌 。（5） 便于使用、運(yùn)輸安全，來源方便、價(jià)廉。第68頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第69頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第70頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二一、高細(xì)胞密度發(fā)酵成功實(shí)例大腸桿菌在基本培養(yǎng)基，葡萄

28、糖、礦物鹽或甘油礦物鹽，培養(yǎng)方法葡萄糖（甘油）非限制指數(shù)補(bǔ)料，細(xì)胞干重140150g/L第8節(jié) 高密度發(fā)酵及控制過程第71頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第72頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二三、高密度培養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)1、常用攪拌罐和帶有外置式或內(nèi)置式細(xì)胞持留裝置的反應(yīng)器，如透析膜反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器、氣旋式反應(yīng)器等。2工業(yè)化生產(chǎn)中常采用攪拌罐和補(bǔ)料工藝來進(jìn)行高細(xì)胞密度發(fā)酵。第73頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二四、高密度發(fā)酵存在的問題：1、水溶液中的固體與氣體物質(zhì)的溶解度。2、基質(zhì)對(duì)生長(zhǎng)的限制或抑制作用；3、基質(zhì)對(duì)產(chǎn)物的不穩(wěn)

29、定性，揮發(fā)性；4、產(chǎn)物或副產(chǎn)物的積累達(dá)到抑制生長(zhǎng)的水平；5、高濃度的二氧化碳與熱的釋放速率；6、高的氧需求以及培養(yǎng)基的粘度不斷增加等。第74頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第9節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的檢測(cè)與控制一、經(jīng)濟(jì)因素以最低的成本來獲得最大生產(chǎn)能力的時(shí)間為最適發(fā)酵時(shí)間。 1. 原料成本高 ： 主要追求提高產(chǎn)率kg / (m3h)、得率（轉(zhuǎn)化率）kg 產(chǎn)物 / kg基質(zhì)和發(fā)酵系數(shù)kg 產(chǎn)物 /（罐容積m3發(fā)酵周期h）。此時(shí)如果發(fā)酵時(shí)間過短，則營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)殘留過多，成本高，廢水處理成本高。第75頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二2. 產(chǎn)品價(jià)值高、提純成本高 ：

30、要提高產(chǎn)率、發(fā)酵系數(shù)、產(chǎn)物濃度。要計(jì)算總的體積產(chǎn)率g 產(chǎn)物/（發(fā)酵液Lh）(內(nèi)含放罐、洗罐、配料、滅菌等時(shí)間)。此時(shí)要求盡量縮短輔助工作時(shí)間。3. 總的生產(chǎn)效益最高。第76頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二二、產(chǎn)品質(zhì)量因素放罐時(shí)間過早：殘留的營(yíng)養(yǎng)成份過高，可能增加后部提取工序的負(fù)擔(dān)。放罐時(shí)間過晚：菌體分泌毒素可能增加、有些產(chǎn)物可能開始分解、菌體自溶延長(zhǎng)過濾時(shí)間。第77頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二三、特殊因素在正常情況下，可根據(jù)作業(yè)計(jì)劃，按時(shí)放罐；在異常情況下，如染菌、代謝異常（糖耗緩慢等），就應(yīng)根據(jù)不同情況，進(jìn)行適當(dāng)處理，以免倒罐。為了能夠得到

31、盡量多的產(chǎn)物，應(yīng)該及時(shí)采取措施（如改變溫度或補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)等），并適當(dāng)提前或拖后放罐時(shí)間。第78頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第79頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二第10節(jié) 自動(dòng)控制技術(shù)在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用第80頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二2022/9/5發(fā)酵過程自控是根據(jù)對(duì)過程變量的有效測(cè)量及對(duì)過程變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，借助于由自動(dòng)化儀表和電子計(jì)算機(jī)組成的控制器，操縱其中一些關(guān)鍵變量，使過程向著預(yù)定的目標(biāo)發(fā)展。包括：和過程的未來狀態(tài)相聯(lián)系的控制目的或目標(biāo)（如要求控制的溫度、pH值、生物量濃度等）的檢測(cè)；一組可供選擇的控制動(dòng)作（如閥門的開、關(guān)，泵的開、停等）；一種能夠預(yù)測(cè)控制動(dòng)作對(duì)過程狀態(tài)影響的模型（如用加入基質(zhì)的濃度和速率控制細(xì)胞生長(zhǎng)率時(shí)需要能表達(dá)它們之間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學(xué)式）。 三者相互聯(lián)系、相互制約，組成具有特定自控功能的自控系統(tǒng)。第81頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二生物傳感器測(cè)量原理第82頁(yè)，共93頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)53分，星期二在我國(guó)發(fā)酵工廠普及應(yīng)用的SBA-40型谷氨酸-葡萄糖雙功能分析儀工廠發(fā)酵車間化驗(yàn)員