第八章發(fā)酵過程2

發(fā)酵過程第八章定義發(fā)酵過程即細(xì)胞的生物反應(yīng)過程，是指由生長繁殖的細(xì)胞所引起的生物反應(yīng)過程。它不僅包括了以往“發(fā)酵”的全部領(lǐng)域，而且還包括固定化細(xì)胞的反應(yīng)過程、生物法廢水處理過程和細(xì)菌采礦等過程。為什么要研究發(fā)酵過程微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平不僅取決于生產(chǎn)菌種本身的性能，而且要賦以合適的環(huán)境條件才能使它的生產(chǎn)能力充分表達(dá)出來。為此我們必須通過各種研究方法了解有關(guān)生產(chǎn)菌種對環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度、pH、氧的需求等，并深入地了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過程中的代謝調(diào)控機(jī)制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計(jì)合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)，為了掌握菌種在發(fā)酵過程中的代謝變化規(guī)律，可以通過各種監(jiān)測手段如取樣測定隨時(shí)間變化的菌體濃度，糖、氮消耗及產(chǎn)物濃度，以及采用傳感器測定發(fā)酵罐中的培養(yǎng)溫度pH、溶解氧等參數(shù)的情況，并予以有效地控制，使生產(chǎn)菌種處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境之中。本章講述的內(nèi)容第一節(jié)發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律第二節(jié)發(fā)酵工藝的控制第三節(jié)發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)第四節(jié)發(fā)酵過程的自動控制第五節(jié)發(fā)酵動力學(xué)第六節(jié)發(fā)酵過程優(yōu)化第一節(jié)發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律代謝變化就是反映發(fā)酵過程中菌體的生長，發(fā)酵參數(shù)（培養(yǎng)基，培養(yǎng)條件等）和產(chǎn)物形成速率三者間的關(guān)系。了解生產(chǎn)菌種在具有合適的培養(yǎng)基、pH、溫度和通氣攪拌等環(huán)境條件下對基質(zhì)的利用、細(xì)胞的生長以及產(chǎn)物合成的代謝變化，有利于人們對生產(chǎn)的控制。代謝曲線代謝變化是反映發(fā)酵過程中菌體的生長，發(fā)酵參數(shù)（培養(yǎng)基，培養(yǎng)條件等）和產(chǎn)物形成速率三者間的關(guān)系。把它們隨時(shí)間變化的過程繪制成圖，就成為所說的代謝曲線?！霭l(fā)酵過程按進(jìn)行過程有三種方式：分批發(fā)酵(Batchfermentation)補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batchfermentation)連續(xù)發(fā)酵(Continuousfermentation)這節(jié)介紹分批發(fā)酵、補(bǔ)料分批發(fā)酵及連續(xù)發(fā)酵三種類型的操作方式下的代謝特征。1、分批發(fā)酵的定義是指在一封閉系統(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、分批發(fā)酵的特點(diǎn)微生物所處的環(huán)境在發(fā)酵過程中不斷變化，其物理，化學(xué)和生物參數(shù)都隨時(shí)間而變化，是一個不穩(wěn)定的過程。優(yōu)點(diǎn)操作簡單；操作引起染菌的概率低。不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題缺點(diǎn)非生產(chǎn)時(shí)間較長、設(shè)備利用率低。3、分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)4、分批發(fā)酵的生長曲線單細(xì)胞微生物絲狀真菌和放線菌5、分批發(fā)酵的類型Gaden'sfermentationclassification（按照菌體生長，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Piret'sfermentationclassification

（按照產(chǎn)物生成與菌體生長是否同步）生長關(guān)聯(lián)型(第一類型）生長無關(guān)聯(lián)型（第二，三類型）■第一類型（生長關(guān)聯(lián)型）產(chǎn)物直接來源于產(chǎn)能的初級代謝（自身繁殖所必需的代謝），菌體生長與產(chǎn)物形成不分開。例如單細(xì)胞蛋白和葡萄糖酸的發(fā)酵■第二類型（部分生長關(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)物的形成在與初級代謝分開的次級代謝中，出現(xiàn)兩個峰，菌體生長進(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?！龅谌愋停ǚ巧L關(guān)聯(lián)型）產(chǎn)物是在基質(zhì)消耗和菌體生長之后，菌體利用中間代謝反應(yīng)來形成的，即產(chǎn)物的形成和初級代謝是分開的。如抗生素發(fā)酵。產(chǎn)物形成與生長有關(guān)，如酒精、某些酶等?！錾L關(guān)聯(lián)型（growthassociated

）產(chǎn)物的形成速度與生長無關(guān)，只與細(xì)胞積累量有關(guān)。如，抗生素?！龇巧L關(guān)聯(lián)型non-growthassociated

■分批發(fā)酵的分類對實(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)品是生長關(guān)聯(lián)型（如菌體與初級代謝產(chǎn)物），則宜采用有利于細(xì)胞生長的培養(yǎng)條件，延長與產(chǎn)物合成有關(guān)的對數(shù)生長期；如果產(chǎn)品是非生長關(guān)聯(lián)型（如次級代謝產(chǎn)物），則宜縮短對數(shù)生長期，并迅速獲得足夠量的菌體細(xì)胞后延長平衡期，以提高產(chǎn)量?！龅湫偷姆峙l(fā)酵工藝流程二、補(bǔ)料分批發(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。2、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；和連續(xù)發(fā)酵比、不需要嚴(yán)格的無菌條件；不會產(chǎn)生菌種老化和變異等問題。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)。3、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四、連續(xù)發(fā)酵1、定義培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時(shí)放出含有產(chǎn)品的相同體積發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態(tài)（恒定的基質(zhì)濃度、恒定的產(chǎn)物濃度、恒定的pH、恒定菌體濃度、恒定的比生長速率）下生長的發(fā)酵方式。2、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。3、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4、連續(xù)發(fā)酵的代謝曲線從分批培養(yǎng)出發(fā)，無論在哪個時(shí)候開始加入新鮮培養(yǎng)基過渡到連續(xù)操作，達(dá)到一定的菌體濃度及限制基質(zhì)濃度則培養(yǎng)系統(tǒng)一定能成為穩(wěn)定狀態(tài)。第二節(jié)發(fā)酵工藝的控制工藝條件控制的目的：就是要為生產(chǎn)菌創(chuàng)造一個最適的環(huán)境，使我們所需要的代謝活動得以最充分的表達(dá)。一、溫度對發(fā)酵的影響及控制1，影響發(fā)酵溫度的因素產(chǎn)熱因素：生物熱攪拌熱散熱因素：蒸發(fā)熱輻射熱發(fā)酵熱發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。

Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射生物熱：生物熱是生產(chǎn)菌在生長繁殖時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。培養(yǎng)基中碳水化合物，脂肪，蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO2,NH3時(shí)釋放出的大量能量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代謝活動熱能散發(fā)影響生物熱的因素：生物熱隨菌株，培養(yǎng)基，發(fā)酵時(shí)期的不同而不同。生物熱的大小還與菌體的呼吸強(qiáng)度有對應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抗生素高產(chǎn)量批號的生物熱高于低產(chǎn)量批號的生物熱。說明抗生素合成時(shí)微生物的新陳代謝十分旺盛。

1、抗生素相對活性為12、抗生素相對活性為0.5發(fā)酵過程中生物熱的變化在四環(huán)素發(fā)酵中，還發(fā)現(xiàn)生物熱和菌的呼吸強(qiáng)度的變化有對應(yīng)關(guān)系，特別是在80小時(shí)以前。從此實(shí)驗(yàn)中還可看到，當(dāng)產(chǎn)生的生物熱達(dá)到高峰時(shí)，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可從菌體的耗氧率來衡量生物熱的大小。

四環(huán)素生物合成過程中系列參數(shù)的動態(tài)變化過程1：效價(jià)；2：呼吸強(qiáng)度；3：生物熱；4：糖濃度攪拌熱：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）3600：熱功當(dāng)量（kJ/（kW.h））（P/V）：通氣條件下單位體積發(fā)酵液所消耗的功率（kW/m3）蒸發(fā)熱：通入發(fā)酵罐的空氣，其溫度和濕度隨季節(jié)及控制條件的不同而有所變化。空氣進(jìn)入發(fā)酵罐后，就和發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)行熱交換。同時(shí)必然會引起水分的蒸發(fā)；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）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%。發(fā)酵熱的測定（1）通過測定一定時(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。（2）通過罐溫的自動控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自控裝置測得溫度隨時(shí)間上升的速率S，按下式可求得發(fā)酵熱：影響各種酶的反應(yīng)速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)影響生物合成的方向。例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時(shí)能產(chǎn)生金霉素。在低于30℃溫度下，該菌種合成金霉素能力較強(qiáng)。當(dāng)溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度達(dá)35℃則只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停止。2，溫度對發(fā)酵的影響發(fā)酵過程，微生物生長速率變化

dX/dt=μX-αXμ:比生長速率

α：比死亡速率當(dāng)處于生長狀態(tài)時(shí)，μ>>α,α可忽略。

μ與α與溫度有關(guān)根據(jù)Arrenhnius公式

μ=Ae-E/RT

α=A’e-E’/RT

通常E’大于E，所以α比μ對溫度變化更為敏感。

例：青霉菌生產(chǎn)青霉素青霉菌生長活化能E=34kJ/mol

青霉素合成活化能E=112kJ/mol

青霉素合成速率對溫度較敏感，溫度控制相當(dāng)重要。最適溫度是一種相對概念，是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān)。最適發(fā)酵溫度的選擇在發(fā)酵的整個周期內(nèi)僅選一個最適培養(yǎng)溫度不一定好。溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件。溫度的選擇還應(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度3，最適溫度的確定發(fā)酵罐：夾套（10M3以下）盤管（蛇管）（10M3以上）4，溫度的控制二、pH對發(fā)酵的影響及控制發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的pH值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動的綜合指標(biāo)，是一項(xiàng)重要的發(fā)酵參數(shù)。它對菌體的生長和產(chǎn)品的積累有很大的影響。因此，必須掌握發(fā)酵過程中pH的變化規(guī)律，及時(shí)監(jiān)測并加以控制，使它處于最佳的狀態(tài)。盡管多數(shù)微生物能在3~4個pH單位的pH范圍內(nèi)生長，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生長速率和最佳產(chǎn)物形成，必須使pH在很窄的范圍內(nèi)保持恒定。1，pH值對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響pH影響酶的活性pH影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)pH影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解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2，發(fā)酵過程中pH的變化生長階段生成階段自溶階段碳源過量消泡油添加過量生理酸性物質(zhì)的存在3，引起pH下降的因素氮源過多生理堿性物質(zhì)的存在中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過多4，引起pH上升的因素原則：有利于菌體生長和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。最適pH與菌株，培養(yǎng)基組成，發(fā)酵工藝有關(guān)。應(yīng)按發(fā)酵過程的不同階段分別控制不同的pH范圍。5，最適pH的選擇最適pH與微生物生長，產(chǎn)物形成之間相互關(guān)系有四種類型：菌體比生長速率μ和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率QP的最適pH在一個相似的較寬的范圍內(nèi)（比較容易控制）；μ較寬，Qp范圍較窄，或μ較窄，Qp范圍較寬（難控制，應(yīng)嚴(yán)格控制）；μ和Qp對pH都很敏感，其最適pH相同（應(yīng)嚴(yán)格控制）；更復(fù)雜，μ和Qp對pH都很敏感，并有各自的最適pH（難度最大）；調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方調(diào)節(jié)碳氮比（C/N）添加緩沖劑補(bǔ)料控制直接加酸加堿補(bǔ)加碳源或氮源6，pH的控制大多數(shù)發(fā)酵過程是好氧的，因此需要供氧。如果考慮呼吸的化學(xué)計(jì)量，則葡萄糖的氧化可由下式表示：

C6H12O6

十6O2＝6H2O十6CO2

只有當(dāng)這兩種反應(yīng)物均溶于水后，才對菌體有用。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小約6000倍左右(氧在水中的飽和度約為l0mg/L)

。許多發(fā)酵的生產(chǎn)能力受到氧利用限制，因此氧成為影響發(fā)酵效率的重要因素。三、氧對發(fā)酵的影響1，發(fā)酵過程中氧的需求盡管考慮了呼吸的化學(xué)計(jì)量而使供氧問題得以正確評價(jià)，但由于未曾將轉(zhuǎn)化為生物物質(zhì)的碳加以考慮而使菌體的真實(shí)需氧情況難以表明。許多研究工作者已經(jīng)考慮到氧、碳源、氮源轉(zhuǎn)化為生物物質(zhì)的總化學(xué)計(jì)量關(guān)系，并利用這樣的關(guān)系來預(yù)測發(fā)酵的需氧情況。從這些測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)菌體的需氧似乎完全取決于培養(yǎng)基中的碳源。

Darlington(1964)以C3.92H6.5O1.94來表述100克酵母菌體(干重)的組分，并對由碳?xì)浠衔锖吞妓衔锷a(chǎn)酵母推導(dǎo)得到如下方程式：根據(jù)Darlington方程式，可知同樣生100g菌體，用碳?xì)浠衔锼璧难跫s為用碳水化合物生產(chǎn)時(shí)的3倍。Johnson(1964)得出如下方程：A為燃燒1g底物成CO2、H2O和NH3（如底物中有氮存在）所需氧的量，此值易于計(jì)算獲得；B為燃燒1g菌體成CO2、H2O和NH3所需氧的量，如果菌體組分已知的話，則也可計(jì)算獲得。C為生產(chǎn)1克菌體所需氧的量；Y為1克底物轉(zhuǎn)化成菌體的克數(shù)。因此，A/Y為燃燒生成1g菌體的底物所需的氧，而B為燃燒菌體所需氧的量；它們之間的差為C，即為轉(zhuǎn)化底物成菌體所需氧的量。將Johnson方程式應(yīng)用于利用葡萄糖和烷烴生產(chǎn)酵母的下列方程式為：如果對葡萄糖來說Y值取50％，而對烷烴來說Y值取100％；則：C對葡萄糖＝24.95mmol氧/g菌體；

C對烷烴＝65.4mmol氧/g菌體；Mateles(1971)推導(dǎo)得一種碳源與需氧間關(guān)系的方程式，他假定代謝產(chǎn)物僅為菌體、CO2、H2O；以及菌體的正常組分C為53％、N為12％、O為19%、H為7％，則Mateles利用此關(guān)系式對許多菌體利用各種基質(zhì)所需的氧進(jìn)行了計(jì)算基質(zhì)微生物g氧/g干菌體葡萄糖大腸桿菌0.4甲醇假單孢菌C1.2辛烷假單孢菌1.7生長于不同基質(zhì)上的不同微生物的需氧要求上述方程式與生物物質(zhì)的形成有關(guān)，并假定微生物除產(chǎn)生水、二氧化碳外，無其它產(chǎn)物形成。因此，這些方程僅能適用于菌體生產(chǎn)過程中預(yù)測氧的要求，而對菌體能形成其它產(chǎn)物的過程則需要加以修正。例如Cooney(1979)建議用下列方程式計(jì)算青霉素發(fā)酵：但是，由于菌體的代謝是受發(fā)酵液中的溶氧濃度的影響，故簡單地依據(jù)總需求來供氧是欠妥的。溶氧濃度對比攝氧率(QO2每克干菌體每小時(shí)所消耗的氧的毫摩爾數(shù))用米氏型曲線表示。臨界氧濃度（C臨）：指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度，或微生物對發(fā)酵液中溶解氧濃度的最低要求。DissolvedOxygenConcentrationQO2Ccritical■某些微生物的臨界氧濃度微生物溫度（?C）臨界氧濃度（mmol/L）固氮菌300.018大腸桿菌370.008酵母300.004產(chǎn)黃青霉240.0222、溶氧對發(fā)酵的影響由此可知，只有使溶氧濃度高于其臨界值，才能維持菌體的最大比攝氧率，得到最大的菌體合成量。如果溶氧濃度低于臨界值，則菌體代謝受到干擾。但是，發(fā)酵工業(yè)的目標(biāo)是要得到菌體發(fā)酵的產(chǎn)物而不是菌體本身。因此，由氧饑餓而引起的細(xì)胞代謝干擾，可能對形成某些產(chǎn)物是有利的；同理，當(dāng)提供的氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值時(shí)，雖對菌體形成無妨，但也許能刺激產(chǎn)物的形成；所以，某種產(chǎn)物形成的最佳條件可能不同于菌體生長的最佳通氣條件。根據(jù)需氧不同，可將初級代謝發(fā)酵分為：

a.供氧充足條件下，產(chǎn)量最大；若供氧不足，合成受強(qiáng)烈抑制；如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等

b.供氧充足條件下，可得最高產(chǎn)量；若供氧受限，產(chǎn)量受影響不明顯；如：異亮氨酸，賴氨酸，蘇氨酸等

c.若供氧受限，細(xì)胞呼吸受抑制時(shí)，才獲得最大量產(chǎn)物；若供氧充足，產(chǎn)物形成反而受抑制；如：亮氨酸，纈氨酸，苯丙氨酸等但在實(shí)際生產(chǎn)過程中需注意：溶解氧濃度過低（代謝異常，產(chǎn)量降低）溶解氧濃度過高（代謝異常，菌體提前自溶）■實(shí)例一在對黃色短桿菌(Brevibacteriumflavum)生物合成氨基酸進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，溶氧濃度對相關(guān)的氨基酸的生物合成具有很大的影響。研究表明：菌體的臨界溶氧濃度為0.01mg/L；并根據(jù)“安全”的程度予以考慮供氧的程度，也即把菌體的呼吸率作為最大呼吸率的一個組成部分。因此，氧安全值低于最大呼吸率就意味著其溶氧濃度低于臨界值。當(dāng)溶氧濃度低于1.0時(shí)，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影響，但苯丙氨酸，纈氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧濃度分別為0.55、0.60和0.85。從合成途徑中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸來自于三羧酸循環(huán)(TCA)的中間體，而苯丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸來自于糖酵解的中間體，即來自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸。Feren和Squires(1969)對頂頭孢霉產(chǎn)生頭孢菌素和卷曲霉素(Capreomycin)的研究即是一個氧對次級代謝影響的例子。他們的研究表明，頭孢菌素產(chǎn)生菌的臨界氧濃度在0~7％的空氣飽和度間；而對卷曲霉素產(chǎn)生菌則為13~23％。但就抑制抗生素生物合成的溶氧濃度來說，對頭孢菌素為低于10-20％；而對卷曲霉素則為8％。因此，在生產(chǎn)頭孢菌素時(shí)，應(yīng)使其溶氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值，而在生產(chǎn)卷曲霉素時(shí)，則應(yīng)使其溶氧濃度低于臨界值。

■實(shí)例二3、發(fā)酵過程的溶氧變化發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時(shí)需氧超過供氧，溶氧明顯下降發(fā)酵中后期，溶氧濃度明顯地受工藝控制手段的影響，如補(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)和方式等發(fā)酵后期由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會明顯地上升

4、溶氧的控制調(diào)節(jié)通風(fēng)與攪拌（具體內(nèi)容在通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備中介紹）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)料方式供給某些營養(yǎng)成分而控制菌體生長率和呼吸率。

四、CO2對發(fā)酵的影響及控制CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時(shí)也是某些合成代謝的基質(zhì)。它是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。在發(fā)酵過程中，CO2有可能對發(fā)酵有促進(jìn)作用，也有可能有抑制作用。1、CO2對發(fā)酵的影響CO2對菌體具有抑制作用，當(dāng)排氣中CO2的濃度高于4%時(shí)，微生物的糖代謝和呼吸速率下降。例如，發(fā)酵液中CO2的濃度達(dá)到1.6×10-1mol，就會嚴(yán)重抑制酵母的生長；當(dāng)進(jìn)氣口CO2的含量占混合氣體的80%時(shí)，酵母活力與對照相比降低20%。CO2對發(fā)酵也有影響對發(fā)酵促進(jìn)。如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含5%的CO2

。對發(fā)酵抑制。如對肌苷、異亮氨酸、組氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制影響發(fā)酵液的酸堿平衡

CO2及HCO3-主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動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。2、CO2對發(fā)酵影響的機(jī)理3、CO2的控制CO2在發(fā)酵液中的濃度變化不像溶解氧那樣有一定的規(guī)律。它的大小受到許多因素的影響，如細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變學(xué)特性、通氣攪拌程度、罐壓大小、設(shè)備規(guī)模等。在發(fā)酵過程中通常通過調(diào)節(jié)通風(fēng)和攪拌來控制。五、發(fā)酵過程中的泡沫及其控制1，泡沫的性質(zhì)泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。發(fā)酵過程中所遇到的泡沫，其分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。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辮的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見到的。另一種泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當(dāng)中。這種泡沫分散很細(xì)，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體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例由下而上地逐漸增加。2，泡沫的類型由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（通風(fēng)、攪拌）；發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)）。3，泡沫產(chǎn)生的原因降低發(fā)酵設(shè)備的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的機(jī)會導(dǎo)致產(chǎn)物的損失消泡劑會給后提取工序帶來困難4，泡沫對發(fā)酵的不利影響通氣與攪拌的強(qiáng)度培養(yǎng)基的配比及原材料組成培養(yǎng)基的破壞程度接種量的大小培養(yǎng)液本身性質(zhì)的變化培養(yǎng)基滅菌的方法和操作染菌5，影響泡沫穩(wěn)定的因素不同攪拌速度和通氣量對泡沫影響不同濃度蛋白質(zhì)原科的起泡作用滅菌時(shí)間對泡沫穩(wěn)定性的影響

6，發(fā)酵過程泡沫的變化7，發(fā)酵過程泡沫控制的方法物理消沫法化學(xué)消沫法物理消泡法方法罐內(nèi)消沫法：罐外消沫法：原理靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收。優(yōu)點(diǎn)不需要引進(jìn)外界物質(zhì)、節(jié)省原材料、減少污染機(jī)會缺點(diǎn)不能從根本眾消除引起穩(wěn)定泡沫的因素?；瘜W(xué)消泡法機(jī)理當(dāng)泡沫的表層存在著由極性的表面活性物質(zhì)形成雙電層時(shí)，可以加入另一種具有相反電荷的表面活性劑，以降低泡沫的機(jī)械強(qiáng)曲或加入某些具有強(qiáng)極性的物質(zhì)與發(fā)泡劑爭奪液膜上的空間，降低液膜強(qiáng)度，使泡沫破裂。當(dāng)泡沫的液膜具有較大的表面粘度時(shí)，可以加入某些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液體流失，導(dǎo)致泡沫破裂。選擇消泡劑的依據(jù)對發(fā)酵過程無毒，對人、畜無害和不影響酶的生物合成。消泡作用迅速，效果高和持久性能好能耐高壓蒸氣滅菌而不變性，在滅菌溫庫下對設(shè)備無腐蝕性或不形成腐蝕性產(chǎn)物。不影響以后的提取過程。消沫劑的來源多，價(jià)格低，添加裝置簡單。不干擾分析系統(tǒng)，如溶解氧、pH測定儀的探頭。最好還能做到不影響氧的傳遞。消泡劑的種類和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、魚油及豬油等。聚醚類：在生產(chǎn)上應(yīng)用較多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又稱泡敵)。高級醇類十八醇是較常用的一種，可以單獨(dú)或與載體—起使用。據(jù)報(bào)導(dǎo)，它與冷榨豬油一起控制青男素發(fā)酵的泡沫，效果較好。聚二酵具有消沫效果持久的特點(diǎn)，尤其適用于霉菌發(fā)酵。硅酮類硅酮類消沫劑主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。六、補(bǔ)料控制1，基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響2，補(bǔ)料控制目的解除基質(zhì)過濃的抑制解除產(chǎn)物的反饋抑制解除葡萄糖分解代謝阻遏效應(yīng)補(bǔ)充微生物能源和碳源的需要。補(bǔ)充菌體所需要的氮源。補(bǔ)充微量元素或無機(jī)鹽。3、補(bǔ)料的內(nèi)容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。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在中間補(bǔ)料控制時(shí)，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)和補(bǔ)料速率。

4、補(bǔ)料的原則大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長限制性基質(zhì)以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或預(yù)測數(shù)據(jù)控制流加；以pH、尾氣、溶氧、產(chǎn)物濃度等參數(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(jì)算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加；用傳感器直接測定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加。5、補(bǔ)料控制的策略6、補(bǔ)料控制參數(shù)的選擇為了有效地進(jìn)行中間補(bǔ)料，必須選擇恰當(dāng)?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)利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系。采用最優(yōu)的補(bǔ)科程序也是依賴于比生長曲線形態(tài)、產(chǎn)物生成速率及發(fā)酵的初始條件等情況。因此，欲建立分批補(bǔ)料培養(yǎng)的數(shù)學(xué)模型及選擇最佳控制程序都必須充分了解微生物在發(fā)酵過程中的代謝規(guī)律及對環(huán)境條件的要求。例如，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。

連續(xù)補(bǔ)料和分批補(bǔ)料發(fā)酵的比較7、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，所以補(bǔ)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)液中最低維持濃度而定。例如，用連續(xù)培養(yǎng)方法測定了在不同比生長速率下青霉素生產(chǎn)菌產(chǎn)黃青霉的碳、氯、氧、磷、硫和乙酸鹽及菌最適生長所需的各種基質(zhì)的補(bǔ)料速率。

七、厭氧發(fā)酵工藝要求與控制發(fā)酵工業(yè)中，由于使用微生物不同，其代謝規(guī)律不一樣，因而有的是需氧發(fā)酵，有的是厭氧發(fā)酵，也稱靜置培養(yǎng)。例如：酒精、啤酒、丙酮、丁酵及乳酸等均是屬于厭氣發(fā)酵產(chǎn)品，其發(fā)酵設(shè)備因不需供氧，所以設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡單。固態(tài)發(fā)酵（如白酒）；液態(tài)發(fā)酵（如酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒）。1、固態(tài)發(fā)酵固態(tài)發(fā)酵主要是一些傳統(tǒng)發(fā)酵工藝。例如生產(chǎn)大曲酒、麩曲酒就是典型的固態(tài)發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵中無菌要求不高，整個生產(chǎn)過程都是敞口操作。除原料蒸煮過程能起到滅菌作用外，空氣、水、工具和場所，窖池等都存在大量的多種多樣的微生物，并把這些微生物帶到發(fā)酵原料中，它們與曲中的微生物一起協(xié)同作用，生產(chǎn)出豐富的香味物質(zhì)，因此固體厭氣發(fā)酵是多菌種的混合發(fā)酵。發(fā)酵過程中，一般都采用比較低的溫度，讓糖化作用和發(fā)酵作用同時(shí)進(jìn)行；即采用邊糖化邊發(fā)酵的工藝。當(dāng)采用20~30℃低溫時(shí)，糖化酶作用緩慢，故糖化時(shí)間要延長。

固態(tài)發(fā)酵的溫度控制固態(tài)發(fā)酵的溫度控制靠控制進(jìn)窖溫度和淀粉含量來解決。因在窖內(nèi)部沒有冷卻或加熱裝置，這樣只好把進(jìn)窖溫度控制得比較低(18~22℃)。糖化進(jìn)行緩慢，發(fā)酵也就緩慢，窖內(nèi)升溫慢些，酵母就不易衰老，發(fā)酵率就升高。進(jìn)窖時(shí)原料淀粉含量不能太高，在發(fā)酵過程中一部分能量被放出，升高了發(fā)酵溫度，一般發(fā)酵過程中，淀粉含量降低1.0％時(shí)，酒醅溫度實(shí)際約上升2℃左右。所以淀粉含量控制在14~l6％，隨氣溫的高低不同進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。固體發(fā)酵的pH控制一般工廠用酸度表示。酸度來自原料本身，曲和酒醅是最主要的。在發(fā)酵過程中酸度增加的原因，主要是雜菌的影響，淀粉濃度過高，糖化快，細(xì)菌生長繁殖快，造成酒醅酸度升高，也反過來影響酵母的生長，影響發(fā)酵，酸度低又影響糖化速度。因此控制酸度既適宜酵母生長又抑制了細(xì)菌生長。一般控制在1.4~2.0的酸度。水分的控制固體發(fā)酵中水份是微生物生長的條件，適當(dāng)?shù)乃质橇己冒l(fā)酵的重要因素。但入窖水分過高，會引起糖化和發(fā)酵作用加快，升溫過猛，使發(fā)酵不徹底；而水分過少，會引起酒醅發(fā)干，殘余淀粉高，酸度過低，槽不柔軟，影響發(fā)酵正常進(jìn)行；一般大曲酒入窖水分為53~57％，小曲57~62％，因原料而異，冬天與夏天也不同。另一方面為了調(diào)整淀粉濃度，增加疏松性，調(diào)節(jié)酸度，以利于微生物的生長繁殖，保持水在固態(tài)發(fā)酵時(shí)常常加入填充料、如谷殼等。

2、液態(tài)發(fā)酵

厭氣發(fā)酵在液體狀態(tài)下進(jìn)行，液體發(fā)酵速度快，發(fā)酵完全，發(fā)酵周期短，原料利用率高，而且適于大規(guī)模機(jī)械化、連續(xù)化、自動化生產(chǎn)。液態(tài)厭氣發(fā)酵對無菌要求較高，因此培養(yǎng)基必須經(jīng)過滅菌，對發(fā)酵容器也要定期滅菌。在發(fā)酵過程中對pH、溫度進(jìn)行連續(xù)控制，中間分析也與好氣發(fā)酵相似。

第三節(jié)發(fā)酵過程的參數(shù)檢測物理參數(shù)化學(xué)參數(shù)生物參數(shù)一、物理參數(shù)1，溫度指發(fā)酵整個過程或不同階段所維持的溫度。溫度的高低與下列參數(shù)有密切關(guān)系發(fā)酵中的酶反應(yīng)速度菌體生長速度，產(chǎn)物合成速度氧在培養(yǎng)液中的溶解度，傳遞速度發(fā)酵罐維持的壓力。罐內(nèi)維持正壓，可防止外界空氣中雜菌的侵入，保證純種培養(yǎng)。罐壓的高低與氧，CO2在培養(yǎng)液中的溶解度有關(guān)，間接影響菌體代謝。罐壓一般維持在0.2~0.5公斤。2，壓力3，攪拌轉(zhuǎn)速是指攪拌器在發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)動速度。攪拌轉(zhuǎn)速大小與發(fā)酵液的均勻性和氧在發(fā)酵液中的傳遞速率有關(guān)。發(fā)酵罐的容積(L)攪拌轉(zhuǎn)速范圍(r/min)3200~200010200~120030150~100050100~80020050~40050050~3001000025~2005000025~160指攪拌器攪拌時(shí)所消耗的功率，常指每立方米發(fā)酵液所消耗的功率（kW/m3）。它的大小與溶氧傳遞系數(shù)KLa有關(guān)。4，攪拌功率指單位時(shí)間內(nèi)單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積。它的大小與氧的傳遞和其它控制參數(shù)有關(guān)。一般控制在0.1~1.0vvm之間5，空氣流量粘度大小可作為細(xì)胞生長或細(xì)胞形態(tài)的標(biāo)志之一。在發(fā)酵過程中通常用表觀粘度表示。粘度的大小可改變氧傳遞的阻力。粘度的大小可表示相對菌體濃度。6，粘度能及時(shí)反映單細(xì)胞生長狀況。7，濁度二、化學(xué)參數(shù)1，pH發(fā)酵過程中各種產(chǎn)酸，產(chǎn)堿生化反應(yīng)的綜合結(jié)果，與菌體生長和產(chǎn)物合成有重要的關(guān)系。pH的高低與菌體生長和產(chǎn)物合成有著重要的關(guān)系。指發(fā)酵液中糖，氮，磷與重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度?；|(zhì)濃度的變化對產(chǎn)生菌的生長和產(chǎn)物的合成有重要影響，也是提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的重要控制手段。2，基質(zhì)濃度氧是微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反應(yīng)的最終電子受體，也是合成某些產(chǎn)物的基質(zhì)。利用DO濃度的變化，可以了解微生物對氧利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個重要的控制參數(shù)。3，溶解氧（DO）濃度培養(yǎng)基氧化還原電位是影響微生物生長及其生化活性的因素之一。4，氧化還原電位是發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量高低，代謝正常與否的重要參數(shù)，也是決定發(fā)酵周期長短的根據(jù)。5，產(chǎn)物濃度尾氣中O2濃度與生產(chǎn)菌的攝氧率和KLa有關(guān)。尾氣中CO2是產(chǎn)生菌呼吸放出的CO2。從尾氣中O2和CO2濃度的含量可以算出產(chǎn)生菌的攝氧率、呼吸商和發(fā)酵罐的供氧能力。從而了解產(chǎn)生菌的呼吸代謝規(guī)律。6，尾氣O2濃度和CO2濃度菌體RNA,DNA含量，以及ATP,ADP,AMP體系，NAD(P)-NAD(P)H體系。分別表示菌體生長情況，能量代謝能力，生物合成能力。7，其它參數(shù)三、生物參數(shù)1，菌（絲）體濃度（生物量biomass）

菌體濃度的大小和變化速度對生化反應(yīng)有影響，特別是對抗生素等次級代謝產(chǎn)物的發(fā)酵，菌體濃度與培養(yǎng)液的粘度，DO都有關(guān)。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。攝氧率r：單位體積培養(yǎng)液每小時(shí)所消耗的氧量（mmol/L.h）1、攝氧率呼吸強(qiáng)度QO2：單位重量的干菌體每小時(shí)所消耗的氧量（mmol/g.h）2、呼吸強(qiáng)度呼吸商RQ：發(fā)酵過程中氧的消耗比速與二氧化碳生成比速的商3、呼吸商參數(shù)名稱單位測試方法意義、主要作用溫度罐壓空氣流量攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率粘度濁度泡沫體積氧傳質(zhì)系數(shù)KLaoCPaV/V.minR/minKWPa.s透光度

l/h傳感器壓力表傳感器傳感器傳感器粘度計(jì)傳感器傳感器間接計(jì)算維持生長、合成維持正壓、增加溶氧供氧、排泄廢氣、提高KLa物料混合、提高KLa反映攪拌情況、KLa反映菌的生長、KLa反映菌的生長情況反映發(fā)酵代謝情況反映供氧效率物理參數(shù)參數(shù)名稱單位測試方法意義、主要作用pH基質(zhì)濃度溶解氧濃度氧化還原電位產(chǎn)物濃度尾氣氧濃度尾氣CO2濃度菌體濃度RNA、DNA含量ATP、ADP、AMPNADH含量攝氧率呼吸強(qiáng)度呼吸商比生長速率

g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌.h

1/h傳感器取樣傳感器傳感器取樣傳感器傳感器取樣取樣取樣取樣間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算了解生長和產(chǎn)物合成了解生長和產(chǎn)物合成反映氧供需情況反映菌的代謝情況產(chǎn)物合成情況了解耗氧情況了解菌的呼吸情況了解生長情況了解生長情況了解能量代謝活力了解菌的合成能力了解耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代謝途徑了解生長化學(xué)、生物參數(shù)目前較常測定的參數(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(干重、離心壓縮細(xì)胞體積%)等。不常測定的參數(shù)有氧化還原電位、粘度、尾氣中的O2和CO2含量等。參數(shù)測定方法有：在線測定取樣測定（離線測定）■

參數(shù)在線測定的優(yōu)點(diǎn)及問題優(yōu)點(diǎn)：主要是及時(shí)、省力，且可從繁瑣操作中解脫出來，便于用計(jì)算機(jī)控制。問題：發(fā)酵液的性質(zhì)復(fù)雜。一般培養(yǎng)液中同時(shí)存在三相，即液、氣、固體不溶物或油；發(fā)酵要求純種培養(yǎng)，培養(yǎng)基和有關(guān)設(shè)備需用高壓蒸汽滅菌。因而要求使用的傳感器能耐蒸汽滅菌，這給各種傳感器的制造帶來很大的困難。

■發(fā)酵工業(yè)用的傳感器應(yīng)滿足的要求

1)傳感器能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌；2)傳感器及其二次儀表具有長期穩(wěn)定性；3)最好能在過程中隨時(shí)校正；4)探頭材料不易老化，使用壽命長；5)探頭安裝使用和維修方便；6)解決探頭敏感部位被物料(反應(yīng)液)粘住、堵塞問題；7)價(jià)格合理，便于推廣應(yīng)用。第四節(jié)發(fā)酵過程的自動控制發(fā)酵過程的自動控制是根據(jù)過程變量的有效測量和對發(fā)酵過程變化規(guī)律的認(rèn)識，借助于由自動化儀表和計(jì)算機(jī)組成的控制器，控制一些發(fā)酵的關(guān)鍵變量，達(dá)到控制發(fā)酵過程的目的。包括三方面內(nèi)容：與發(fā)酵過程的未來狀態(tài)相相聯(lián)系的控制目標(biāo)（溫度、pH、生物量、濃度）；一組可供選擇的控制動作（閥門的開或關(guān)、泵的開動或停止）；能夠預(yù)測控制動作對過程狀態(tài)影響的模型（用加入基質(zhì)的濃度和速率控制細(xì)胞生長率時(shí)，表達(dá)兩者之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式）三者互相聯(lián)系、互相制約，組成具有特定自動控制功能的自控系統(tǒng)。對發(fā)酵過程進(jìn)行自動控制的優(yōu)點(diǎn)提高產(chǎn)品的得率；改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量；降低后續(xù)加工過程的損耗；在整個操作過程中能穩(wěn)定的保持最優(yōu)條件；提高對原料質(zhì)量波動的適應(yīng)性；減少認(rèn)為因素的影響；提高工廠的生產(chǎn)效率；降低能耗；降低分析和操作成本。存在的問題發(fā)酵是一個較復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，大滯后和時(shí)變性是其主要特征。傳感器不能蒸汽滅菌；會和產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)；過分敏感。一、基本的自動控制系統(tǒng)(controlloop)前饋控制(feedforward

control)

后（反）饋控制(feedbackcontrol

)自適應(yīng)控制(adaptivecontrol)1、前饋控制如果被控對象動態(tài)反應(yīng)慢，并且干擾頻繁，則可通過對一種動態(tài)反應(yīng)快的變量（干擾量）的測量來預(yù)測被控對象的變化，在被控對象尚未發(fā)生變化時(shí)，提前實(shí)施控制。這種控制方法叫做前饋控制。如，對溫度的控制，在系統(tǒng)中，冷卻水的壓力被測量但不控制，當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，控制器提前對冷卻水控制閥發(fā)出動作指令，以避免溫度的波動。前饋控制的控制精度取決于干擾量的測量精度，以及預(yù)報(bào)干擾量對控制變量影響的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。2、反饋控制反饋控制系統(tǒng)如圖所示，被控過程輸出量x(t)被傳感器檢測，以檢測量y(t)反饋到控制系統(tǒng)，控制器使之與預(yù)定的值r(t)

（設(shè)定點(diǎn)）比較，得出偏差值e

。然后采用某種控制算法根據(jù)偏差e確定控制動作u(t)

。開關(guān)控制；PID控制；串（聯(lián)）級反饋控制；前饋/反饋控制?？刂破鞅豢貙ο髠鞲衅鱮(t)+eu(t)y(t)x(t)■開關(guān)控制開關(guān)控制是最簡單的控制。如發(fā)酵溫度的開關(guān)控制系統(tǒng)是通過溫度傳感器檢測發(fā)酵罐內(nèi)溫度，如溫度低于設(shè)定點(diǎn)，冷水閥關(guān)閉，蒸汽或熱水閥打開；如溫度高于設(shè)定點(diǎn)，蒸汽或熱水閥關(guān)閉，冷水閥打開?？刂崎y的動作是全開或全關(guān)，所以稱為開關(guān)控制。100%open(on)Valveorswitchposition100%closed(off)100%open(on)Valveorswitchposition100%closed(off)■PID控制當(dāng)負(fù)荷不穩(wěn)定時(shí)，可采用比例（P）、積分（I）、微分（D）控制算法，及PID控制。P、I、D控制器的控制信號，分別正比于被控過程的輸出量與設(shè)定點(diǎn)的偏差、偏差相對與時(shí)間的積分和偏差的變化速率。PP+DP+I+DPositivedeviationControlledvariableSet-pointNegativedeviationTime

1.Outputwithoutcontrol2.Proportionalaction3.Integralaction4.Proportional+integralaction5.Proportional+derivativeaction6.Proportional+integral+derivativeaction1235,64■串聯(lián)（級）反饋控制串聯(lián)反饋控制是由兩個以上控制器對一種變量實(shí)施聯(lián)合控制的方法。如溶解氧在發(fā)酵罐中的控制。作為一級控制器的溶氧控制器根據(jù)檢測結(jié)果，由PID算法計(jì)算出控制輸出、但不用它來直接實(shí)施控制動作、而是被作為二級控制器的攪拌轉(zhuǎn)速、空氣流量和壓力控制器當(dāng)作設(shè)定點(diǎn)接受，二級控制器再由另一個PID算法計(jì)算出第二個控制輸出，用于實(shí)施控制動作，以滿足一級控制器設(shè)定的溶氧水平。溶解氧水平的串聯(lián)反饋控制■前/反饋控制前饋控制所根據(jù)的數(shù)學(xué)模型大多是近似值，加上一些干擾量難于測定，限制了它的單獨(dú)應(yīng)用。通常與反饋控制結(jié)合使用。如前饋/反饋控制應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)。污水處理的前/反饋控制系統(tǒng)SS：懸浮固體含量傳感器FRC：流量記錄和控制器3、自適應(yīng)控制(adaptivecontrol)發(fā)酵過程是復(fù)雜的和不確定的過程，而上述自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)都是確定的，過程的輸入信號均為時(shí)間的函數(shù)，過程的輸出響應(yīng)也是確定的，所以對發(fā)酵過程動態(tài)特性無法確定數(shù)學(xué)模型，過程的輸入信號也含有許多不可測的隨即因素。對于這樣過程的控制，必須提取有關(guān)的輸入、輸出信號，對模型和參數(shù)不斷進(jìn)行辯識，使模型逐漸完善，同時(shí)自動修改控制器的控制動作，使之適應(yīng)于實(shí)際過程。這樣的控制系統(tǒng)稱為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。二、發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件組成傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換器過程接口監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件組成三、發(fā)酵過程常見控制系統(tǒng)1、FeedcontrolScheduleoffermentation

2、Temperaturecontrolloop3、pHcontrolloop4、pO2-andrpm-control5、Antifoamcontrol■第五節(jié)發(fā)酵動力學(xué)(fermentationkinetics)反應(yīng)動力學(xué)：研究反應(yīng)速度變化規(guī)律的學(xué)科。發(fā)酵動力學(xué)：研究各種發(fā)酵過程變量在活細(xì)胞的作用下變化的規(guī)律，以及各種發(fā)酵條件對這些變量變化速度的影響。并以數(shù)學(xué)，工程學(xué)的原理，定量描述。目的通過動力學(xué)研究，優(yōu)化發(fā)酵的工藝條件及調(diào)控方式；（研究各種物理，化學(xué)因素的影響，為調(diào)控提供依據(jù)）建立反應(yīng)過程的動力學(xué)模型來模擬最適當(dāng)?shù)墓に嚵鞒毯凸に噮?shù)，預(yù)測反應(yīng)的趨勢；控制發(fā)酵過程，甚至用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行控制?！霭l(fā)酵動力學(xué)研究內(nèi)容發(fā)酵動力學(xué)是以化學(xué)熱力學(xué)（研究反應(yīng)方向）和化學(xué)動力學(xué)（研究反應(yīng)速度）為基礎(chǔ)，對發(fā)酵過程的物質(zhì)變化進(jìn)行描述具體內(nèi)容1.微生物生長，死亡動力學(xué)；2.基質(zhì)消耗動力學(xué)；3.氧消耗動力學(xué)；4.CO2生成動力學(xué)；5.產(chǎn)物合成和降解動力學(xué)；6.代謝熱生成動力學(xué)?！鲅芯糠椒ê暧^處理法結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型（通過研究微觀反應(yīng)機(jī)制建立）非結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型（不考慮微觀反應(yīng)機(jī)制，只考慮宏觀變量之間的關(guān)系）質(zhì)量平衡法（根據(jù)質(zhì)量守恒定律）

物質(zhì)在系統(tǒng)中的積累速度=物質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)速度+物質(zhì)在系統(tǒng)中生成的速度-物質(zhì)在系統(tǒng)中排除的速度-物質(zhì)在系統(tǒng)中消耗的速度一、發(fā)酵過程的速度1、發(fā)酵動力學(xué)涉及的常規(guī)參數(shù)1、發(fā)酵過程的速度概念

菌體生長速度為∶

氧和底物利用速度為∶

P、C和HV生成速度為:速度■比速率細(xì)胞生長的比速率為：

底物消耗的比速率為qs∶

產(chǎn)物形成的比速率為qp：■比速率

氧消耗的比速率為qo：

二氧化碳生成的比速率為qc：發(fā)酵熱生成的比速率：二、化學(xué)計(jì)量學(xué)(stoichiometry)1、化學(xué)計(jì)量方程表示通用化了的碳源根據(jù)元素分析得出的細(xì)胞組成表示產(chǎn)物2、產(chǎn)率系數(shù)(yieldcoefficients)(1)宏觀產(chǎn)率系數(shù)宏觀產(chǎn)率系數(shù)(或稱得率系數(shù))Yi/j是化學(xué)計(jì)量學(xué)中一種非常重要的參數(shù)，常用于對碳源等底物形成菌體或產(chǎn)物的潛力進(jìn)行評價(jià)，其中i表示菌體或產(chǎn)物，j表示底物例如，菌體對底物的產(chǎn)率系數(shù)可表示為：生物反應(yīng)過程中宏觀產(chǎn)率系數(shù)的定義總覽■有時(shí)，以摩爾為單位表示產(chǎn)率系數(shù)更有利：

相似的概念可用于表達(dá)重要的常數(shù)：值在實(shí)踐中對推導(dǎo)元素平衡方程很重要，對與氧化磷酸化有關(guān)的理論問題也有重要意義(2)理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率假設(shè)發(fā)酵過程中完全沒有菌體生成，則YP/S可達(dá)理論最高值，稱為理論代謝產(chǎn)物產(chǎn)率（a）根據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化學(xué)計(jì)量方程為∶依此計(jì)算=147/180=0.82此處沒有考慮反應(yīng)過程中NADH及ATP等輔助底物的生成和消耗（b）由生物化學(xué)計(jì)量關(guān)系計(jì)算根據(jù)由底物生成目標(biāo)代謝產(chǎn)物的代謝途徑，進(jìn)行代謝過程中有關(guān)NAD(P)+和ATP等輔底物的物料衡算，結(jié)合化學(xué)計(jì)量關(guān)系可求出上式：由該反應(yīng)式得=(147×13)/(12×180)=0.75此處-酮戊二酸的氨基化還原反應(yīng)中所需要的NADPH由異檸檬酸脫氫反應(yīng)供給!！用生化計(jì)量式時(shí),必須清楚有關(guān)的代謝途徑(3)實(shí)際發(fā)酵過程中的產(chǎn)率系數(shù)在實(shí)際發(fā)酵中，產(chǎn)率是變化的，產(chǎn)率取決于下列因素：Y=f(菌株、底物、、m、Ｓ；t、tm、OTR、C/N，P/O)式中m為混合度，S為底物濃度，t為平均滯留時(shí)間，tm為混合時(shí)間，OTR為氧傳遞速度，C/N為碳氮比，P/O為磷氧比另外，Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的概念來解釋菌體產(chǎn)率變化的原因：其中r1和r２分別為碳源分支代謝途徑1和途徑2的反應(yīng)速度，MX和MS為菌體和底物的分子量，x是S→X反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，可見產(chǎn)率只隨r２或r１變化在甲基營養(yǎng)菌中存在兩種不同的碳代謝流：同化(r2)和氧化(r1)碳源和其它營養(yǎng)物的濃度或溫度、pH等培養(yǎng)條件的任何變化都可能引起r２或r１變化這一概念表明，甲基營養(yǎng)菌菌體產(chǎn)率的變化是一個動力學(xué)問題，而不是生物合成問題3、化學(xué)計(jì)量的數(shù)學(xué)模型

(Stoichiometric

Mathematicalmodels

)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)非常復(fù)雜，在過程中有許多的輸入和輸出。而且和化學(xué)反應(yīng)不同的是，在過程中，催化劑本身是在不斷繁殖的；相比較而言，化學(xué)反應(yīng)過程則要簡單得多。一級反應(yīng)(firstorderchemicalreaction)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型一級反應(yīng)的方程式底物消耗動力學(xué)產(chǎn)物生產(chǎn)動力學(xué)方程由（2）推導(dǎo)底物濃度隨時(shí)間變化的模型由（5）推導(dǎo)產(chǎn)物濃度隨底物濃度變化的模型P2=n(S1-S2)+P1

計(jì)算舉例Areactionhasarateconstant(k)of0.1s-1.Att1=1s,[S]and[P]is3g.l-1and0g.l-1respectively.ThestoichiometricyieldcoefficientfortheformationofPfromSis2g.g-1.After10s,the[S]and[P]willbe

：[S]2=2.10g.l-1;[P]2=4.2g.l-1；[S]2=1.10g.l-1;[P]2=3.8g.l-1

；[S]2=1.10g.l-1;[P]2=4.2g.l-1

；[S]2=2.10g.l-1;[P]2=3.8g.l-1。三、分批發(fā)酵動力學(xué)

(kineticsofbatchfermentation)Xistheconcentrationofbiomassinthebioreactor.Biomassconcentrationsaretypicallyexpresseding/lofDryweight.

（一）細(xì)胞生長動力學(xué)模型μisthespecificgrowthrate.Bysplittingthevariablesinequation(1),weobtain:

Ifattimet0,thebiomassconcentrationinthebioreactorisrepresentedbyX0andattimet1thebiomassconcentrationisrepresentedbyX1,equation(2)becomes:

Sinceμisconstantduringtheexponentialphase:

Integratingbothsidesgives:

Finally:

1.無抑制作用的細(xì)胞生長動力學(xué)Monod方程Monod發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的比生長速率與單一限制性基質(zhì)(growthlimitingnutrient

)之間存在著一定模式關(guān)系（飽和雙曲線函數(shù)），創(chuàng)建了生化工程中著名的Monod方程（1942年）。溫度和pH恒定時(shí)，對于某一特定培養(yǎng)基組分的濃度s，Monod方程為∶式中:max稱為最大比生長速率(h-1)，Ks稱為半飽和常數(shù)(g/L)底物消耗速率方程對應(yīng)為∶Monod方程(Monodmodel)KS，微生物對底物的半飽和常數(shù),與親和力成反比。當(dāng)μ=1/2μmax，S=KS當(dāng)S<<KS，基質(zhì)濃度很低時(shí)，

dX/dt=μX提高S，可明顯提高μ，一級反應(yīng)。Monod方程當(dāng)S>>KS，基質(zhì)濃度較高時(shí)，μ與S無關(guān)，零級反應(yīng)。當(dāng)S時(shí)，

μ=μmaxμmax是理論上最大的生長潛力。Monod方程Monod方程Scrit臨界底物濃度，比生長速率μ達(dá)到最大比生長速率μmax時(shí)的最低底物濃度。對于任一營養(yǎng)物質(zhì)

S>Scrit，為非限制性底物

S<Scrit，為限制性底物ScritMonod方程Monod方程Monod方程中單一限制性底物可以是培養(yǎng)基中任何一種與微生物生長有關(guān)的營養(yǎng)物，只要該基質(zhì)相對貧乏，就成為限制性生長因子。實(shí)際過程中，可能出現(xiàn)多種限制性基質(zhì)和抑制性物質(zhì)，影響了Monod方程的適用性。Monod方程Monod方程應(yīng)滿足∶(1)菌體生長為均衡型非結(jié)構(gòu)生長;(2)培養(yǎng)基中只有一種底物是生長限制性底物；(3)菌體產(chǎn)率系數(shù)恒定。Monod方程與米氏方程的區(qū)別與聯(lián)系

Monod方程是對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)是經(jīng)驗(yàn)方程（empiricalmodel）米氏方程是根據(jù)酶反應(yīng)極力推導(dǎo)得出是機(jī)理方程（mechanisticmodel）

Monod方程與米氏方程的相似性。Monod方程Monod方程Monod方程參數(shù)(Monodmodelparameters

)的確定：

雙倒數(shù)法，線性回歸，求得μmax和KS

以1/S對1/μ作圖，為一直線斜率=KS/μmax，縱軸截距為1/μmaxMonod方程Monod方程式中μmax與KS的圖解求法Monod方程或者以S對S/μ作圖，為一直線斜率K=1/μmax，縱軸截距為C=KS/μmax計(jì)算舉例在一定培養(yǎng)條件下，培養(yǎng)大腸桿菌，測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表。求：該條件下，大腸桿菌的最大比生長速率μm，半飽和常數(shù)Ks。S（mg/L）μ（h-1）S（mg/L）μ（h-1）60.061220.60130.121530.66330.241700.69400.312210.70640.432100.731020.53先計(jì)算S/μS（mg/L）μ（h-1）S/μS（mg/L）μ（h-1）S/μ60.061001220.60203.3130.121081530.66231.8330.24137.51700.69246.4400.311292210.70311.3640.43148.82100.73287.71020.53192.5做S/μ-S圖C=90K=0.95由K=1/μm，C=KS/μm得：μm

=1.05h-1KS=0.095g/L用S/μ與S的數(shù)據(jù)做線性回歸，得回歸方程：S/μ=95.14+0.926S線性相關(guān)系數(shù)r=0.9960由該回歸方程計(jì)算得：μm

=1.08h-1KS=0.103g/L（2）雙基質(zhì)限制生長動力學(xué)兩種基質(zhì)濃度較低時(shí)，共同限制微生物生長，有以下方程：多種限制性底物時(shí)（3）對于粘稠發(fā)酵液由于菌體對基質(zhì)的擴(kuò)散阻力，Monod方程有偏差，采用Contois公式。這一方程對高密度培養(yǎng)，絲狀真菌比較滿意。（4）普通基質(zhì)抑制生長動力學(xué)某些基質(zhì)對生長是必需的，但過量后對生長產(chǎn)生抑制，適用Andrews公式；（當(dāng)KS較小時(shí)）

Ki，基質(zhì)抑制常數(shù)（5）產(chǎn)物抑制生長動力學(xué)當(dāng)微生物被其自身代謝產(chǎn)物抑制時(shí)，Aibe提出KP：產(chǎn)物抑制常數(shù)

Ki：飽和常數(shù)（6）其他一些動力學(xué)模型2.細(xì)胞生長穩(wěn)定期和延遲期的Monod型動力學(xué)(1)延遲期動力學(xué)模型的建立(2)生長穩(wěn)定期動力學(xué)模型的建立式中和是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取=max和=xmax3.微生物死亡期和內(nèi)源代謝(1)微生物死亡期的動力學(xué)模型Kd為比死亡速率(h-1)對應(yīng)于由底物生成菌體的一級反應(yīng)速率為∶(2)內(nèi)源代謝的動力學(xué)模型或ms為細(xì)胞的維持系數(shù)(s-1)，Y*X/S為最大細(xì)胞產(chǎn)率微生物的生長：

μ=μs-μdμ表觀比生長率

μs真比生長率（二）產(chǎn)物合成動力學(xué)產(chǎn)物的合成（指除細(xì)胞以外的產(chǎn)品），特別是次級代謝產(chǎn)物的生物合成是一個非常復(fù)雜的過程，目前大多數(shù)研究只限于以宏觀過程變量描述的模型，應(yīng)用上有一定的局限性。Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速率和細(xì)胞生長速率之間的關(guān)系，將產(chǎn)物形成區(qū)分為三種類型類型Ⅰ∶也稱為偶聯(lián)模型（醇類、葡萄糖酸、乳酸）類型Ⅱ∶也稱部分偶聯(lián)模型（檸檬酸、氨基酸）

類型Ⅲ∶也稱為非偶聯(lián)模型（抗生素、酶、維生素、多糖）產(chǎn)物合成動力學(xué)上述三種類型外還有一種模型是qP與負(fù)偶聯(lián)的模型，例如黑曲霉生產(chǎn)黑色素，其qP與的關(guān)系可表示為：當(dāng)考慮到產(chǎn)物可能存在分解時(shí)：式中，k’d為產(chǎn)物分解常數(shù)產(chǎn)物合成動力學(xué)產(chǎn)物合成動力學(xué)以產(chǎn)物生產(chǎn)率作為菌體生長率和菌體量的函數(shù)（Luedeking和Piret模型）k1

與菌體生長率關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物合成常數(shù)k2

與菌體生長關(guān)聯(lián)的產(chǎn)物合成常數(shù)產(chǎn)物合成動力學(xué)按k1,k2常數(shù)分，k1>0,k2=0，生長偶聯(lián)型k1>0,k2>0，部分生長偶聯(lián)型，混合型k1=0,k2>0，非生長偶聯(lián)型產(chǎn)物合成動力學(xué)產(chǎn)物合成動力學(xué)生長關(guān)聯(lián)型：當(dāng)k1=YP/X，k2=0，dP/dt=YP/X·dX/dt，QP=YP/X·μ非生長關(guān)聯(lián)型：當(dāng)k1=0，k2=QP，dP/dt=QP·Xk1,k2的確定：以μ對QP作圖

QP=k1μ+k2QP，產(chǎn)物比生產(chǎn)率產(chǎn)物合成動力學(xué)（三）基質(zhì)消耗動力學(xué)基質(zhì)包括細(xì)胞生長與代謝所需的各種營養(yǎng)成分，其消耗分為三個方面：細(xì)胞生長，合成新細(xì)胞；細(xì)胞維持生命所消耗能量的需求；合成代謝產(chǎn)物?；|(zhì)消耗動力學(xué)基質(zhì)比消耗率QS=-dS/Xdt產(chǎn)物比生產(chǎn)率QP=dP/Xdt基質(zhì)消耗動力學(xué)維持系數(shù)m：

單位質(zhì)量菌體在單位時(shí)間內(nèi)因維持代謝消耗的基質(zhì)量。是微生物的一種特性。得率系數(shù)Y:

兩種物質(zhì)得失之間的計(jì)量比。生長得率：

YX/S=-dX/dS或–ΔX/ΔS產(chǎn)物得率：

YP/S=-dP/dS或–ΔP/ΔS基質(zhì)消耗動力學(xué)維持系數(shù)m和得率系數(shù)YX/S，YP/S的確定：QP為常數(shù)的情況某些非生長偶聯(lián)型產(chǎn)物發(fā)酵中，若控制得當(dāng)，QP可保持穩(wěn)定（如恒化器中）。以μ對QS作圖，為一直線，斜率為1/YX/S,

縱軸截距MS=mS+QP/YP/S

作為廣義的維持常數(shù)?；|(zhì)消耗動力學(xué)基質(zhì)消耗動力學(xué)b.QP為變數(shù)的情況多數(shù)情況下，QP隨發(fā)酵條件，特別是比生長速率μ的變化而變化；利用恒化器在不同稀釋率D下可得到穩(wěn)定狀態(tài)下的多組QS，μ和Qp的觀測值，利用一個多元線性回歸，由回歸系數(shù)可得到所需的參數(shù)值。（四）分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率體積生產(chǎn)率是以每升發(fā)酵液每小時(shí)產(chǎn)生的產(chǎn)物克數(shù)表示的，是對發(fā)酵過程總成果的一種衡量。對于分批發(fā)酵過程，有必要計(jì)算總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)率?？傔\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不僅包括發(fā)酵周期，也包括從前一批放罐、洗罐和消毒新培養(yǎng)基所需的時(shí)間。這一段時(shí)間的間隔可以少到6個小時(shí)（酵母生產(chǎn)），多到20小時(shí)左右（抗生素生產(chǎn)）。在分批發(fā)酵過程中，產(chǎn)物的生成速率如圖所示。分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率總的生成率可用自發(fā)酵過程的起點(diǎn)到終點(diǎn)的直線斜率表示，最高生產(chǎn)率由通過原點(diǎn)與單產(chǎn)曲線相切的直線的斜率表示，切點(diǎn)位置的細(xì)胞產(chǎn)物濃度比終點(diǎn)（最大值）低。發(fā)酵過程總的運(yùn)轉(zhuǎn)周期：式中tT，tD和tL分別為放罐所需時(shí)間（包括放罐，洗罐和檢修）、進(jìn)罐時(shí)間（包括打料，滅菌）和生長停滯期；X0和Xt是起始和終了的細(xì)胞濃度?？偟纳a(chǎn)率由此式可以求出發(fā)酵操作過程的變化對總生產(chǎn)率的影響。較大的種子量將增加X0，從而縮短發(fā)酵的過程，減少放罐、檢修、打料、滅菌時(shí)間，同樣可縮短總周期。使用生長活力強(qiáng)的種子可縮短生長停滯期。例如，在發(fā)酵周期短（18-48小時(shí)）的面包酵母或谷氨酸的生產(chǎn)過程中，放罐和檢修時(shí)間對總的生產(chǎn)率影響較大；對于長周期（160-200小時(shí)）的抗生素發(fā)酵過程來說，幾小時(shí)的發(fā)酵罐準(zhǔn)備時(shí)間的差別對總的生產(chǎn)率的影響不大。分批發(fā)酵過程的生產(chǎn)率四、補(bǔ)料分批發(fā)酵動力學(xué)Fixedvolumefed-batch

Feedingthegrowthlimitingsubstrateinundilutedform,forexample,asaveryconcentratedliquidorgas(ex.oxygen)；

Dialysis；Cyclicfed-batchcultureforfixedvolumesystems

Variablevolumefed-batchrepeatedfed-batchprocessorcyclicfed-batchculture；singlefed-batchprocess.

1KineticsofFixedvolumefed-batchfermentationThemathematicaldevelopmentthatisgoingtobepresentedherehasthefollowingassumptions:Thefeedisprovidedataconstantrate;Theproductionofmassofbiomasspermassofsubstrateisconstantduringthefermentationtimeand;Averyconcentratedfeedisbeingprovidedtothefermentorinsuchawaythatthechangeinvolumeisnegligible.

1.1Mathematicalmodellingoffixedvolumefed-batch

F:thesubstratefeedrate[masssubstrate/(volume.time)]Yx/s

:theyieldfactor[massbiomass/masssubstrate]

P:theproductconcentration{massproduct/volume]and

qp:thespecificproductionrateofproduct[massproduct/(massbiomass.time)

rp:theproductformationrate[massproduct/(volume.time)]

Parameter

Equation

Equation#

SpecificGrowthRate

μ=(F.Yx/s)/x

1.1.1Biomass(asafunctionoftime)

xt=xo+F.Yx/s.t1.1.2ProductConcentration(non-growthassociated)P=Pi+qp

.xo.t+qp

.F.Yx/s.t2/2

1.1.3ProductConcentration(growthassociated)P=Pi

+rp.t

1.1.4Fromequations(1.1.1),(1.1.2),(1.1.3)and(1.1.4),itcanbeobservedthatthespecificgrowthratedecreaseswithtime,becausethebiomass(inthedenominator)isincreasingwithtime;thebiomassincreaseslinearlywithtimeTheproductvariationwithtimewilldependonitsbeinggrowthornon-growthassociated

Mathematicalmodellingoffixedvolumefed-batchTimeprofilesforafixed-volumefed-batchculture.μ=specificgrowthrate,x=biomassconcentration,S(GLS)=growthlimitingsubstrate,SN=anyothersubstrateotherthantheS(GLS),P(nga)isthenon-growthassociatedproductandP(ga)isthegrowthassociatedprofileforproductconcentration.

1.2Fixedvolumefed-batch(derivations)Themathematicaldevelopmentthatisgoingtobepresentedherehasthefollowingassumptions:Thefeedisprovidedataconstantrate;Theproductionofmassofbiomasspermassofsubstrateisconstantduringthefermentationtimeand;Averyconcentratedfeedisbeingprovidedtothefermentorinsuchawaythatthechangeinvolumeisnegligible.1.2.1μ

(derivations)Cons