微生物發(fā)酵培養(yǎng)

1、關(guān)于微生物發(fā)酵培養(yǎng)第1頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三第六章 微生物發(fā)酵培養(yǎng)第一節(jié) 發(fā)酵動力學(xué)第二節(jié) 發(fā)酵培養(yǎng)方法的分類第三節(jié) 影響發(fā)酵過程的主要因素第四節(jié) 雜菌的污染與防治第2頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三第一節(jié) 微生物發(fā)酵動力學(xué)化學(xué)動力學(xué)： Chemical kinetics is the study of the speed with which a chemical reaction occurs and the factors that affect this speed. What is meant by the speed

2、 of a reaction? The speed of a reaction is the rate at which the concentrations of reactants and products change. kinetics ：The branch of chemistry that is concerned with the rates of change in the concentration of reactants in a chemical reaction.第3頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 XS（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）發(fā)

3、酵過程反應(yīng)的描述發(fā)酵過程的反應(yīng)描述及速度概念第4頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三發(fā)酵動力學(xué)（fermentation kinetics):研究發(fā)酵過程的反應(yīng)速率和環(huán)境因素對速率的影響。 菌體生成速率菌體生長動力學(xué)產(chǎn)物生成速率產(chǎn)物生成動力學(xué)基質(zhì)消耗速率基質(zhì)消耗動力學(xué)三者之間的關(guān)系單位時間內(nèi)單位菌體消耗基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量稱為比速，是生物反應(yīng)中用于描述反應(yīng)速度的常用概念第5頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 發(fā)酵反應(yīng)動力學(xué)的研究內(nèi)容研究反應(yīng)速度及其影響因素并建立反應(yīng)速度與影響因素的關(guān)聯(lián)反應(yīng)動力學(xué)模型反應(yīng)器特性+反應(yīng)器的操作模型操作條件與反

4、應(yīng)結(jié)果的關(guān)系，定量地控制反應(yīng)過程第6頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三發(fā)酵動力學(xué)研究的目的通過發(fā)酵動力學(xué)的研究，可進一步了解微生物的生理特征，菌體生長和產(chǎn)物形成的合適條件，以及各種發(fā)酵參數(shù)之間的關(guān)系，為發(fā)酵過程的工藝控制、發(fā)酵罐的設(shè)計放大和用計算機對發(fā)酵過程的控制創(chuàng)造條件。 第7頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三二、微生物生長動力學(xué) 微生物細(xì)胞的生長速率和環(huán)境條件對生長速率的影響。 第8頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（一）生長速率 菌體濃度的增加速率 比生長速率：單位菌體的生長速率 h-1比生長速率與許多因素有關(guān)

5、，當(dāng)溫度、pH、基質(zhì)濃度等條件改變時，隨之改變 第9頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（二）比生長速率與基質(zhì)濃度的關(guān)系1Monod方程只考慮一種基質(zhì)限制f (s, I, P, T, pH,)f (s)式中：max 最大比生長速率（1/h） Ks 底物飽和常數(shù)（g/L）第10頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三當(dāng)限制性底物濃度非常小時，一級反應(yīng) ；當(dāng)限制性底物濃度很大時，零級反應(yīng) ；存在高底物濃度抑制時， 與米氏方程比較第11頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三Monod方程的參數(shù)求解(雙倒數(shù)法)：將Monod方程取倒數(shù)可

6、得：或： 測定不同限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長速率，通過回歸分析計算出Monod方程的兩個參數(shù)。第12頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三例：在一定條件下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l) 6 33 64 153 221(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在該培養(yǎng)條件下，求大腸桿菌的max，Ks和td?解：將數(shù)據(jù)整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221第13頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 max= 1.11 (h-1); Ks = 97.6 m

7、g/Ltdln2/max0.64 h第14頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三三、產(chǎn)物形成動力學(xué)產(chǎn)物生成速率比生產(chǎn)速率第15頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（一）產(chǎn)物形成與菌體生長的關(guān)系1.生長聯(lián)系型 產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián)xp如乙醇、丙酮酸等初級代謝產(chǎn)物的發(fā)酵 第16頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三2.非生長聯(lián)系型 產(chǎn)物的形成和菌體的生長非偶聯(lián)xp多數(shù)抗生素發(fā)酵第17頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 3.復(fù)合型（部分生長聯(lián)系型） 產(chǎn)物的形成和菌體的生長部分偶聯(lián)xp檸檬酸 第18頁

8、，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三產(chǎn)物形成動力學(xué)模型舉例 1.青霉素發(fā)酵 2.谷氨酸發(fā)酵3.酒精發(fā)酵 第19頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三四、生長得率和產(chǎn)物得率1.生長得率：消耗單位數(shù)量基質(zhì)所得到的菌體的量，稱為基質(zhì)的生長得率。即： Yx/s 基質(zhì)生長得率（g菌體/g基質(zhì)）或（g菌體/mol基質(zhì)）2. 產(chǎn)物得率：消耗單位數(shù)量基質(zhì)所得到的產(chǎn)物量，稱為基質(zhì)的產(chǎn)物得率，其定義為： Yp/s 基質(zhì)產(chǎn)物得率（g產(chǎn)物/g基質(zhì)）或（mol產(chǎn)物/mol基質(zhì)） 轉(zhuǎn)化率：往往是指投入的原料與合成產(chǎn)物數(shù)量之比。第20頁，共119頁，2022年，5月20日，14點

9、58分，星期三（二）理論得率和表觀得率理論得率：只考慮細(xì)胞合成時細(xì)胞對底物的得率，YG表觀得率：既考慮細(xì)胞合成又考慮細(xì)胞維持時細(xì)胞對底物的得率，YX/S兩者的關(guān)系： 第21頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（三）其他生長得率的表示方法氧生長得率有效電子生長得率ATP生長得率能量生長得率第22頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三SS1 菌體S2 產(chǎn)物S3 維持 XS（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）+維持維持消耗(m) ：指維持細(xì)胞最低活性所需消耗的能量，一般來講，單位重量的細(xì)胞在單位時間內(nèi)用于維持消耗所需的基質(zhì)的量是一個常數(shù)。五、基質(zhì)消耗動力學(xué)第

10、23頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 XS（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）+維持m: 維持消耗系數(shù)YP/s: 產(chǎn)物對基質(zhì)的理論得率系數(shù)YG: 細(xì)胞對基質(zhì)的理論得率系數(shù)，Y* x/s物料衡算：第24頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 第二節(jié) 發(fā)酵培養(yǎng)方法一、概述物料狀態(tài)：固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵 深層培養(yǎng)：分批培養(yǎng)、流加培養(yǎng)、半連續(xù)培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng) 第25頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三分批發(fā)酵 (batch fermentation)是指在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進行培養(yǎng)，使微生物生長

11、繁殖，在特定的條件下只完成一個生長周期的微生物培養(yǎng)方法。 第26頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三流加培養(yǎng) (feed batch fermentation）流加培養(yǎng)又稱為補料分批培養(yǎng)，是指先將一定量的培養(yǎng)液裝入反應(yīng)器，在適宜的條件下接種細(xì)胞，進行培養(yǎng)，細(xì)胞不斷生長，產(chǎn)物也不斷形成。隨著細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)的不斷消耗，向反應(yīng)器中不斷補充新的營養(yǎng)成分，使細(xì)胞進一步生長代謝，到反應(yīng)終止時取出整個反應(yīng)系。 第27頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三半連續(xù)培養(yǎng) (semi-continuous fermentation)半連續(xù)培養(yǎng)又稱為反復(fù)分批培養(yǎng)或換液培養(yǎng)

12、，是指在分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上不全部取出反應(yīng)系，剩余部分重新補充新的營養(yǎng)成分，再按分批培養(yǎng)的方式進行操作。 第28頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三連續(xù)培養(yǎng) (continuous fermentation)連續(xù)發(fā)酵是指以一定的速度向培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)添加新鮮的培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)液的量維持恒定，使微生物細(xì)胞能在近似恒定狀態(tài)下生長的微生物發(fā)酵培養(yǎng)方式。 第29頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三二、分批培養(yǎng)密閉系統(tǒng) ，除氧氣供給、尾氣排出、消泡劑的添加和控制pH值需加入的酸或堿外，整個培養(yǎng)系統(tǒng)與外界沒有其他物質(zhì)的交換。 非

13、穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)方法 ：微生物生長的環(huán)境條件也隨之不斷變化 優(yōu)點：1.培養(yǎng)基一次滅菌，一次投料，易實現(xiàn)無菌狀態(tài)；2.易于操作控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；3.培養(yǎng)濃度較高，易于產(chǎn)品分離；缺點：輔助時間較多，設(shè)備生產(chǎn)能力低。廣泛采用第30頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三除了一次性投料和一次性回收產(chǎn)品的操作外，在分批培養(yǎng)還包括的兩種情況。1.營養(yǎng)成份連續(xù)供應(yīng)氧氮源：控制菌體生長，調(diào)節(jié)pH磷源：控制菌體生長，調(diào)節(jié)pH，不形成沉淀2.重復(fù)批式操作只分出一部分成熟醪，在原反應(yīng)器中，留一部分成熟醪作為種子，接入新鮮培養(yǎng)基后繼續(xù)培養(yǎng)。 酒精廠的酒母車間 ，省去了前幾級種子培養(yǎng) ，但是易變異第31

14、頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三分批發(fā)酵中微生物的生長情況時間菌體濃度延遲期指數(shù)生長期減速期靜止期衰亡期延遲期：指數(shù)生長期:減速期:靜止期： ;衰亡期:第32頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三分批發(fā)酵過程的細(xì)胞生長動力學(xué)方程細(xì)胞恒算：若服從monod方程：忽略死亡：第33頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三底物消耗動力學(xué)方程 底物的消耗速率： 第34頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三產(chǎn)物生成動力學(xué)方程產(chǎn)物生成速率 ： 生長偶聯(lián)型上述三個方程的適用范圍：對數(shù)生長期及減速生長期，對于穩(wěn)定期和衰退

15、期不適用 第35頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三穩(wěn)定期和衰退期的出現(xiàn)的原因 營養(yǎng)物的不足碳源和其他營養(yǎng)成分氧的供應(yīng)不足細(xì)胞濃度的增加，需氧速率越來越大，菌體濃度的增加，導(dǎo)致粘度增大，溶氧困難，容易造成供氧不足。抑制物質(zhì)的積累各種代謝產(chǎn)物的濃度逐漸增高，抑制作用。生物的空間不足據(jù)經(jīng)驗，在培養(yǎng)細(xì)菌及酵母等時，當(dāng)細(xì)胞濃度達(dá)到1091010個/毫升時，培養(yǎng)液中還有充分的營養(yǎng)物質(zhì)，但菌體的生長幾乎停止。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)有人認(rèn)為是由生長抑制物質(zhì)所引起，可是也有人認(rèn)為是由于單個細(xì)胞必須占有最小的空間所致。第36頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三三、補料分批

16、培養(yǎng)（一）為什么采用流加培養(yǎng)？存在底物抑制分解代謝物阻遏 營養(yǎng)缺陷型菌株的培養(yǎng)前體的補充 第37頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三例：酵母生產(chǎn)Crabtree 效應(yīng)糖濃度很低時（0.028%），在有氧條件下，酵母不產(chǎn)生乙醇，其生長得率可達(dá)50% 當(dāng)糖濃度較高時，酵母菌在生長的同時，產(chǎn)生部分乙醇，酵母得率低于50% 糖濃度達(dá)5%時，即是在有足夠氧的條件下，酵母菌的生長也會受到抑制，且產(chǎn)生大量乙醇，酵母得率很低。 解決辦法：流加，糖濃度保持低水平（一般為0.10.5%），流加速率等于酵母的耗糖速率。生長快速，得率高（Y x/S = 0.40.45g/g）第38頁，共119

17、頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三補料分批間歇流加連續(xù)流加恒速流加指數(shù)流加反復(fù)補料分批（二）不同的補料分批培養(yǎng)方式第39頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三細(xì)胞： 底物： 產(chǎn)物： （三）恒速流加對流加培養(yǎng)過程進行物料衡算（忽略細(xì)胞死亡）有 ：第40頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三最終得到：菌體生長速率：底物消耗速率：產(chǎn)物生成速率：式中： V 反應(yīng)器中培養(yǎng)液體積（L） SF 流加培養(yǎng)液中底物的濃度（g/L） F 流加速率（L/h），F(xiàn) = dv / dt第41頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三擬穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)

18、限制性基質(zhì)濃度趨于0,變化很小細(xì)胞濃度接近于定值細(xì)胞比生長速率近似于稀釋速率，逐漸減小。 第42頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（四）指數(shù)流加恒定的比生長速率限制性基質(zhì)濃度恒定第43頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（五）反復(fù)補料分批培養(yǎng)補充養(yǎng)分和前體，稀釋有害代謝物，延續(xù)產(chǎn)物合成培養(yǎng)液不斷排放，放出的培養(yǎng)液的體積可大于反應(yīng)器的體積，提高反應(yīng)器的利用效率和生產(chǎn)效率第44頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三四、連續(xù)培養(yǎng)優(yōu)點:與分批培養(yǎng)比較，連續(xù)培養(yǎng)設(shè)備生產(chǎn)能力高，易于實現(xiàn)自動控制和勞動生產(chǎn)率高，缺點:很難保證長期的無菌

19、操作，培養(yǎng)濃度較低。 第45頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三活塞流式（PFR） 物料遵循嚴(yán)格的先進先出，像活塞一樣；細(xì)胞濃度和營養(yǎng)物組分的濃度沿反應(yīng)器軸向逐漸變化，但沿徑向方向無濃度梯度；反應(yīng)器各處，各組分的濃度不隨時間變化。（一）連續(xù)培養(yǎng)模型第46頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三全混式（COST） 進料液和出料液流量相等，容器中液體的體積V恒定；反應(yīng)器中底物、產(chǎn)物和細(xì)胞的濃度均勻一致，即反應(yīng)器中無濃度梯度；流出液中的物料組成等于反應(yīng)器中的物料組成 Q，S0 x0，P0Q，Sx，PV，S, x，P第47頁，共119頁，2022年，5月20

20、日，14點58分，星期三全混式反應(yīng)器分類恒化器(Chemostat)穩(wěn)定態(tài)時，化學(xué)環(huán)境恒定 通過限制某些化學(xué)物質(zhì)的量（如以碳源或氮源作為限制基質(zhì)）來控制微生物生長 恒濁器(Turbidostat)穩(wěn)定態(tài)時，細(xì)胞濃度恒定 供給的營養(yǎng)組份都必須是過剩的，這樣才能保持穩(wěn)定的生長速率。 恒化器應(yīng)用廣泛，而恒濁器的應(yīng)用較少見 第48頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（二）單級連續(xù)培養(yǎng)細(xì)胞的物料衡算： 積累 輸入 輸出 生長 死亡穩(wěn)態(tài)下，反應(yīng)器中的細(xì)胞濃度x不變， 即進料液細(xì)胞濃度為零，且忽略細(xì)胞死亡，即x0=0，Kd=0, 定義稀釋速率：最后得：D = 連續(xù)培養(yǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的條件Q

21、，S0 x0，P0Q，Sx，PV，S, x，P第49頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三把Monod方程式代入上式得： 作圖法求得max 和Ks 值 在連續(xù)培養(yǎng)條件下，改變稀釋率D，在達(dá)到另一個穩(wěn)定態(tài)時，即有一個確定的底物濃度S DD1D2D3D4D5D6SS1S2S3S4S5S6斜率KS /max 1/max第50頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三細(xì)胞濃度： 產(chǎn)物濃度： 比生產(chǎn)速率： 基質(zhì)濃度：第51頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三2稀釋率對生長得率的影響一定稀釋率范圍內(nèi)Y x/s為一常數(shù)。而在稀釋率很低或接近最大

22、比生長速率時，Yx/S值有所下降。在稀釋率很低時，生長得率有所下降是因為維持細(xì)胞生命需要一定底物的緣故。在稀釋率很高而接近最大比生長速率時，發(fā)酵培養(yǎng)液中的底物濃度很高。在這種情況下，微生物通常產(chǎn)生較多的中間代謝產(chǎn)物，如醋酸、丙酮酸、乙醇等。中間代謝產(chǎn)物的大量生成，造成了底物的浪費，因而細(xì)胞得率隨之降低。 第52頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 3洗出 S，x，P均為稀釋率D的函數(shù)。調(diào)節(jié)的有限性當(dāng)逐漸提高稀釋率，使反應(yīng)器中底物濃度S接近于進料液中的底物濃度S0時，細(xì)胞濃度將趨于零，整個連續(xù)培養(yǎng)過程也就完全被破壞了。連續(xù)過程的最大稀釋率 臨界稀釋率當(dāng)KsS0， Dc =

23、 max當(dāng)稀釋率DDC，而使反應(yīng)器的細(xì)胞濃度xO時，即被稱為洗出。第53頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三4最適稀釋率(Dm )細(xì)胞或產(chǎn)物的生產(chǎn)能力達(dá)最大時的稀釋率 最適稀釋率下的底物濃度Sm，細(xì)胞濃度Xm和菌體最大生產(chǎn)率（DX)m第54頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三第55頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三細(xì)胞濃度、底物濃度及生產(chǎn)能力與稀釋率的關(guān)系濃度或生長能力Dx或DPS xS0稀釋率DDmDc第56頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（四）多級連續(xù)培養(yǎng)第57頁，共119頁，2022年，

24、5月20日，14點58分，星期三在很大的D范圍內(nèi)，第二級反應(yīng)器中的細(xì)胞生長十分有限第二級和第一級在同樣的Dc下被洗光，但在第二級反應(yīng)器中，只在D非常接近Dc時細(xì)胞濃度才迅速下降。限制性基質(zhì)在第二級反應(yīng)器中消耗比較完全第58頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三五、連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用（一）連續(xù)培養(yǎng)在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用 1、酵母、細(xì)菌等單細(xì)胞蛋白產(chǎn)品2、酒精、啤酒、醋酸等一次代謝產(chǎn)物3、污水的生化處理第59頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（二）連續(xù)培養(yǎng)在微生物生理特性和動力學(xué)研究中的應(yīng)用1、微生物生理特性的研究2微生物動力學(xué)參數(shù)的測定（1）max與KS

25、的測定 第60頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（2）YG與m的測定改變稀釋率D，在達(dá)另一穩(wěn)態(tài)時，再測定其值Yx/S 第61頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（三）連續(xù)培養(yǎng)在菌種分離與改良中的應(yīng)用連續(xù)培養(yǎng)中，最終在此培養(yǎng)體系中生存下來的微生物都是此時刻對該種底物表現(xiàn)出最大生長的微生物（或一個微生物生態(tài)）。當(dāng)只有B時, 建立穩(wěn)態(tài)：B=D,對應(yīng)S0如果引入微生物A：= A (S0)A DXA增加s下降； A ，B下降B1.第84頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過程中氧很容易

26、滿足。例：以微生物的攝氧率0.052 mmol O2L-1S-1 計， 0.25/0.052=4.8秒注意：產(chǎn)物形成臨界氧濃度和菌體呼吸臨界溶氧濃度常常不一樣；生物合成臨界溶氧濃度也不等于最適氧濃度。 頭孢菌素 卷須霉素生長 5% (相對于飽和濃度） 13%產(chǎn)物 13% 8%第85頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三三、影響需氧的因素 菌體濃度 QO2 遺傳因素 菌齡 營養(yǎng)的成分與濃度 有害物質(zhì)的積累 培養(yǎng)條件第86頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 反應(yīng)器中氧的傳遞一、發(fā)酵液中氧的傳遞方程CCiPPi氣膜液膜N：傳氧速率 kmol/m2.hk

27、g: 氣膜傳質(zhì)系數(shù) kmol/m2.h.atmKl: 液膜傳質(zhì)系數(shù) m/h第87頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三C*P/H, 與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl: 以氧濃度為推動力的總傳遞系數(shù) (m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為 a (m2/m3)Nv：體積傳氧速率 kmol/m3.hKla: 以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數(shù) h-1第88頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三二、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個動態(tài)的平衡中傳遞：消耗：氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面第89頁，共119頁，202

28、2年，5月20日，14點58分，星期三三、供氧的調(diào)節(jié)C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla 和C*來調(diào)節(jié)，其中C*P/HNvHPKla第90頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三影響供氧因素氧推動力增加氧分壓：通入純富氧空氣，增加溶氧濃度，不經(jīng)濟。提高罐壓：增加CO2濃度，對設(shè)備要求高改變通氣速率：兩倍，有時達(dá)510倍。降低發(fā)酵溫度第91頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三調(diào)節(jié)Kla是最常用的方法，kla反映了設(shè)備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。 45升 1噸 10噸攪拌速度 250 rpm 120 120供氧速率 7.6 10.7 20.1第

29、92頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 影響Kla的因素 Kla反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖瓶與發(fā)酵罐。一、影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機的種類搖瓶機往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)述250rpm第93頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三裝液量，一般取1/10左右： 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例： 500 ml 搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響 裝液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 92第9

30、4頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三影響發(fā)酵罐中Kla的因素攪拌器設(shè)計，類型、葉片、直徑、位置空氣分布器的類型與位置增加攪拌強度增加擋板 液體的粘度第95頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三例 黑曲霉生產(chǎn)糖化酶 n 230 230 270 通氣比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 產(chǎn)量 1812 2416 2846提高N, 比提高Q有效第96頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三2、實際上：對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時是有限度的通風(fēng)的增加也是有限的蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走第97頁，共119頁，2022年，5月20日，14點5

31、8分，星期三3、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)kla的特點 小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào) 大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào) 大型反應(yīng)器的合理設(shè)計 對現(xiàn)有設(shè)備一定要注意工藝配套第98頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三第四節(jié) 溶氧濃度的變化及其控制一、典型的分批發(fā)酵中氧濃度的變化規(guī)律（一定Kla下）：rXQCL一般有一個低谷，在對數(shù)生長的末期第99頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三發(fā)酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體生長，中后期有利用產(chǎn)物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于臨溶氧濃度，中后期滿足產(chǎn)物的形成。第100頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58

32、分，星期三2、溶氧控制的實例GAXDO谷氨酸發(fā)酵：要求：氧飽和度1控制：0-12小時 小通風(fēng) 12小時后 增加通風(fēng)原因：0-12小時菌體量較小，采用小通風(fēng)12第101頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三培養(yǎng)液中的溶氧濃度的變化可以反應(yīng)出菌體的生長生理狀況：開始明顯下降的時間的不同，反映種子活力、接種量以及培養(yǎng)基成分的不同對數(shù)期溶氧明顯下降，下降速率的不同反應(yīng)生長狀況溶氧低谷到來的早晚與低谷時溶氧的水平二次生長生長衰退或自溶第102頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三溶氧作為發(fā)酵異常的指示攪拌，氣液混合，油的添加量等操作過程故障中間補料污染雜菌作為

33、質(zhì)量控制指標(biāo)第103頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三四、基質(zhì)濃度比生長速率與基質(zhì)濃度呈線性關(guān)系 由于代謝產(chǎn)物及其基質(zhì)過濃，而導(dǎo)致抑制作用，出現(xiàn)比生長速率下降的趨勢。當(dāng)葡萄糖濃度低于100150g/L時，不出現(xiàn)抑制；當(dāng)葡萄糖濃度高于350500g/L時，多數(shù)微生物由于細(xì)胞脫水而不能生長。在發(fā)酵生產(chǎn)中，如果培養(yǎng)基中基質(zhì)濃度過高，即營養(yǎng)過于豐富，會使菌體生長過盛，發(fā)酵液非常粘稠，傳質(zhì)狀況很差。 第104頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（一）碳源對發(fā)酵的影響酵母的克雷布特（crabtree）效應(yīng)快速利用碳源；有利于菌體生長但分解代謝產(chǎn)物對產(chǎn)物的合

34、成可能產(chǎn)生阻遏作用緩慢利用碳源：被菌體緩慢利用，有利于延長代謝產(chǎn)物的合成，特別有利于延長抗生素的分泌期，也常為許多微生物藥物的發(fā)酵所采用。 碳源濃度的控制方法第105頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（二）氮源對發(fā)酵的影響快速利用氮源容易被菌體利用，促進菌體生長，但對某些代謝產(chǎn)物的合成，特別是某些抗生素的合成產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，影響產(chǎn)量。 緩慢利用的氮源對延長次級代謝產(chǎn)物的分泌期、提高產(chǎn)物的產(chǎn)量有好處。 發(fā)酵培養(yǎng)基中一般選用含有快速和慢速利用的混合氮源 補充有機氮源：如酵母粉、玉米漿、尿素等補充無機氮源 ：補加氨水或硫酸銨是工業(yè)上常見的方法 第106頁，共119頁，2022

35、年，5月20日，14點58分，星期三（三）磷酸鹽的影響菌體生長所允許的濃度比次級代謝產(chǎn)物合成所允許的濃度大得多，控制磷酸鹽濃度對微生物次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵來說非常重要。磷酸鹽濃度調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)物合成機制，對于初級代謝產(chǎn)物合成的影響，往往是通過促進生長而間接產(chǎn)生的，對于次級代謝產(chǎn)物來說，機制就比較復(fù)雜。磷酸鹽濃度的控制，一般是在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中采用適當(dāng)?shù)臐舛?。亞適量，對菌體生長不是最適合但又不影響生長的量 。第107頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三五、二氧化碳和呼吸商CO2的溶解度比氧氣大 ，隨發(fā)酵罐壓力增加而增加，pH值下降，影響菌體生長和發(fā)酵。 CO2對細(xì)胞的作用是影響細(xì)胞膜

36、的結(jié)構(gòu)。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及細(xì)胞膜表面上的蛋白質(zhì)。當(dāng)細(xì)胞膜的脂質(zhì)相中CO2濃度達(dá)到一臨界值時，膜的流動性及表面電荷密度發(fā)生變化。這將導(dǎo)致膜對許多基質(zhì)的運輸受阻，影響了細(xì)胞膜的運輸效率，使細(xì)胞處于“麻醉”狀態(tài)，生長受抑制，形態(tài)發(fā)生變化。溶解在發(fā)酵液中的CO2對氨基酸、抗生素等發(fā)酵有抑制或刺激作用 發(fā)酵過程中通過通風(fēng)量控制，可以達(dá)到調(diào)節(jié)CO2濃度的目的。 第108頁，共119頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系 呼吸商（RQ）是指菌體釋放二氧化碳的釋放率（CRR）與菌體的攝氧速率（OUR）之比 。RQ可以反映菌體的代謝情況如酵母培養(yǎng)過程：RQ=1，菌體生長，無產(chǎn)物生成；RQ大于1.1，生成乙醇；RQ=0.93，生成檸