2.1微生物的代謝-人工控制5、6合并

釀造工藝學(xué)

微生物的代謝調(diào)控（5）主講老師：陳健凱微生物第三節(jié)、微生物代謝的人工控制

微生物在正常情況下，通過細(xì)胞內(nèi)的自我調(diào)節(jié)，維持各個代謝途徑的相互協(xié)調(diào)，使其代謝產(chǎn)物既不缺少又不會過多的積累。而人類利用微生物進行發(fā)酵則需要微生物積累較多的代謝產(chǎn)物，因此對微生物的代謝必須進行人工控制。一、生物合成途徑的遺傳控制

生物合成途徑的遺傳控制是通過誘變來實現(xiàn)的。這種突變不僅包括結(jié)構(gòu)基因的突變，而且包括調(diào)節(jié)基因的突變。1、反饋抑制作用的解除

實質(zhì)是使代謝途徑中的關(guān)鍵酶（別構(gòu)酶）的調(diào)節(jié)亞基的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，使末端產(chǎn)物或其類似物不再與別構(gòu)中心結(jié)合，從而解除反饋抑制，積累末端產(chǎn)物。2、反饋阻遏作用的解除

實質(zhì)是使調(diào)節(jié)基因或操縱基因發(fā)生突變，使調(diào)節(jié)蛋白改變或不發(fā)生，調(diào)節(jié)蛋白不再與末端產(chǎn)物相結(jié)合，或結(jié)合后的復(fù)合物不能同操縱基因結(jié)合，從而解除了末端產(chǎn)物對酶合成的阻遏3、遺傳障礙

使某酶蛋白結(jié)構(gòu)基因突變，使酶蛋白缺失或酶蛋白的活性中心改變，可以解除末端產(chǎn)物對途徑中的第一個酶的反饋抑制，積累中間產(chǎn)物4、使細(xì)胞膜透性增大

如利用甘油缺陷型或生物素缺陷型或油酸缺陷型，通過控制甘油或生物素或油酸濃度以控制細(xì)胞膜的透性，使胞內(nèi)代謝產(chǎn)物外漏，緩解反饋抑制或阻遏作用微生物的代謝調(diào)控（6）主講老師：陳健凱第三節(jié)、微生物代謝的人工控制

微生物在正常情況下，通過細(xì)胞內(nèi)的自我調(diào)節(jié)，維持各個代謝途徑的相互協(xié)調(diào)，使其代謝產(chǎn)物既不缺少又不會過多的積累。而人類利用微生物進行發(fā)酵則需要微生物積累較多的代謝產(chǎn)物，因此對微生物的代謝必須進行人工控制。微生物發(fā)酵二、微生物發(fā)酵條件的控制當(dāng)菌株確定后，環(huán)境條件合適與否是發(fā)酵成敗的重要因素，環(huán)境條件既影響微生物的生長，又影響代謝的速度和方向及產(chǎn)物的形成和積累發(fā)酵條件的控制因素主要的有：溫度、pH、氧氣含量、離子濃度等多種因素1、發(fā)酵過程的常規(guī)監(jiān)控溫度

pH值

泡沫

罐壓

空氣流量

攪拌轉(zhuǎn)速

微生物發(fā)酵1）．溫度

由于微生物利用碳源、能源進行代謝活動能產(chǎn)生放熱反應(yīng)，

此外，攪拌也能產(chǎn)生一定熱量，因此發(fā)酵過程中升溫的快慢常?？梢宰鳛榕袛喟l(fā)酵速度的粗略參考。

發(fā)酵正常，菌體生長繁殖旺盛時自然升溫較快，發(fā)酵后期，升溫較緩慢，為了維持生長的適合溫度必須在發(fā)酵過程隨時調(diào)節(jié)發(fā)酵罐傳熱裝置內(nèi)冷卻水或蒸汽來維持發(fā)酵液的溫度。

微生物發(fā)酵

最簡單的溫度測定方法是觀察發(fā)酵罐罐壁上的溫包內(nèi)的溫度計。然后，對照工藝規(guī)程，罐溫偏高時，開啟自來水(或冷卻水)的閥門，使發(fā)酵液溫度降至規(guī)定的溫度。升溫或降溫終了時，應(yīng)注意出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。適時合理的控制往往需要一定的經(jīng)驗和技巧。

溫度自控方法，可采用熱電偶或熱變電阻器或金屬電阻溫度計，這些熱敏感元件都能將溫度變化轉(zhuǎn)變成電信號，然后與控制儀表相連，并且經(jīng)各類控制開關(guān)或回路將指令傳給執(zhí)執(zhí)行元件，同樣可以開啟或關(guān)閉冷卻或加熱裝置，使罐溫維持恒定。1）．溫度微生物發(fā)酵2）．pH值發(fā)酵過程中，培養(yǎng)基pH的變化主要決定于培養(yǎng)基的成分和微生物的代謝特性，這是由于微生物不斷消耗和利用營養(yǎng)物質(zhì)，同時又分泌各種代謝產(chǎn)物到培養(yǎng)基中去的結(jié)果。

培養(yǎng)基的pH值是反映了微生物對營養(yǎng)物質(zhì)進行同化和異化作用后的最終氫離子濃度。

顯然在固定的培養(yǎng)條件下，微生物發(fā)酵過程中pH的變化是有一定規(guī)律性的，掌握這種變化，對于判斷和控制發(fā)酵生產(chǎn)有相當(dāng)重要的意義。微生物發(fā)酵測定pH的方法：a.通常可用pH試紙測定;

b.精確的則用pH計測定。

目前已有可經(jīng)消毒的pH電極裝入發(fā)酵罐內(nèi)定時直接測定培養(yǎng)基的pH，同時還可以與控制儀表連結(jié)，通過回路系統(tǒng)控制閥門或泵進行pH調(diào)節(jié)。微生物發(fā)酵3）．泡沫的檢測和控制

簡單的檢測是定時在發(fā)酵罐視孔上觀察泡沫產(chǎn)生情況，發(fā)現(xiàn)泡沫持續(xù)上升時，開啟消泡劑貯罐的閥門，流加少量消泡劑，使泡沫消失即可。

也可在罐內(nèi)頂部裝一不銹鋼探頭并與控制儀表連結(jié)，用以控制消泡貯率閥門的開啟。當(dāng)泡沫上升接觸探頭頂端時產(chǎn)生的信號，通過控制裝置，指令打開泵開關(guān)或閥門，自動加入消泡劑，泡沫消失，信號也隨之消失，閥門關(guān)閉。

微生物發(fā)酵4）．罐壓發(fā)酵容器都裝有壓力測量裝置，最通用的是彈簧壓力表。因為培養(yǎng)過程和高壓蒸汽滅菌時都需要觀察壓力的變化情況。

發(fā)酵過程中，空氣壓力對微生物生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響主要表現(xiàn)為壓力提高氧的溶解度，改善發(fā)酵過程中溶氧的供應(yīng)。但是罐壓增加，也相應(yīng)地提高CO2分壓，而后者的增加對有些微生物的正常生長可能產(chǎn)生不利的影響。

微生物發(fā)酵單圈彈簧管壓力計是最常用的壓力表，一般安裝在發(fā)酵罐和過濾器的頂部，它所指示的數(shù)字是表示高于大氣壓的壓力數(shù)。

控制壓力的方法，一般為調(diào)節(jié)進口或出口閥門，改變進入或排出的空氣(或氣體)量，以維持工藝規(guī)程所需的壓力。

在自動控制的發(fā)酵罐中，可選用霍爾效應(yīng)壓力計或各種遠傳式壓力計，它們可以將壓力轉(zhuǎn)變成各種電信號然后與儀表聯(lián)接，后者根據(jù)壓力大小，反饋控制閥門的開關(guān)，達到調(diào)節(jié)的目的。微生物發(fā)酵5）．空氣流量

發(fā)酵生產(chǎn)中，一般以通風(fēng)比來表示空氣流量，通常以一分鐘內(nèi)通過單位體積培養(yǎng)液的空氣體積比來表示(V／V·m)。例如，裝有2.5m3培養(yǎng)液的發(fā)酵罐，若每分鐘通入無菌空氣1.25m3，則稱為通氣比為1:0.5，或簡稱通風(fēng)量為0.5(V／V·m)。通氣對氧的溶解速率的影響主要表現(xiàn)為氣體的表面線速度(V)與溶氧系數(shù)(KLa)成正比，由于通氣量增大，有利于提高溶氧速率，但如果加大通氣量而不維持原有攪拌功率，則由于增加通氣量，使發(fā)酵液密度下降，從而導(dǎo)致攪拌功耗下降，而攪拌功耗對提高溶氧的影響將更為顯著。因此，如果加大通氣量而不維持原有攪拌功率時，對提高溶氧并不十分有效微生物發(fā)酵測定和調(diào)節(jié)空氣流量的方法

測定空氣流量最簡便的方法是轉(zhuǎn)子流量計。它是—種結(jié)構(gòu)簡單、直觀、壓力損失小、維修方便的儀器；通常直接安裝在發(fā)酵罐的排氣管道上。轉(zhuǎn)子流量計基本上由兩個部件組成，一件是從下向上逐漸擴大的錐形管；另—件是置于錐形管中可以上下自由移動的轉(zhuǎn)子，當(dāng)流量足夠大時，氣流產(chǎn)生的作用力能將轉(zhuǎn)子托起并使之升高，流量的大小決定了轉(zhuǎn)子平衡時所在位置的高低。因此，可以從已知刻度上測出空氣流量?？諝饬髁空{(diào)節(jié)是通過開啟閥門實現(xiàn)的。微生物發(fā)酵攪拌轉(zhuǎn)速

發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速與發(fā)酵的溶氧系數(shù)關(guān)系十分密切。因為溶氧系數(shù)KLa正比于單位發(fā)酵液的攪拌功率消耗，而功耗與攪拌轉(zhuǎn)速的三次方成正比。所以在一定幾何結(jié)構(gòu)條件下(如罐的徑高比、攪拌葉片直徑、擋板等)發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)(或稱體積傳質(zhì)系數(shù))KLa主要受攪拌轉(zhuǎn)速的影響。微生物發(fā)酵微生物發(fā)酵攪拌影響溶氧系數(shù)主要有3個方面：①

攪拌把通入的無菌空氣打成細(xì)小氣泡，增加氣液接觸面積(即增大內(nèi)表面積a)，而且小氣泡從罐底上升到液面要比大氣泡慢，也增加氣液接觸時間；

②攪拌造成的渦流運動使氣泡不直接從罐底上升至頂部，而變成螺旋運動上升，這也增加了氣液表面的上升時間，利于氧的溶解；

③攪拌所形成的湍流斷面減少液膜的厚度，從而減少液膜阻力，增大了KLa。攪拌轉(zhuǎn)速微生物發(fā)酵2、發(fā)酵過程的控制和監(jiān)測A、發(fā)酵過程的監(jiān)測內(nèi)容與方式

發(fā)酵過程的參數(shù)檢測意義在發(fā)酵過程中，過程狀態(tài)經(jīng)歷著不斷的變化，尤其是分批發(fā)酵這種狀態(tài)的變化更快。

底物和營養(yǎng)物由于生物活性而變化，生物量的增加和生物量組成也在變化(包括物理、生化和形態(tài)學(xué)上的變化），而各種具有生物活性的產(chǎn)物被積累。

發(fā)酵過程檢測和控制的目的就是利用盡量少的原料而獲得最大的所需產(chǎn)物。

微生物發(fā)酵B、發(fā)酵過程監(jiān)控的主要指標(biāo)

物理檢測指標(biāo)：溫度；壓力；攪拌轉(zhuǎn)速；功耗；泡沫；氣體流速；粘度等?；瘜W(xué)檢測指標(biāo)：pH；氧化還原電位；溶解氧；氣體CO2、O2；糖含量；化合物含量等。生物檢測指標(biāo)：菌體濁度；ATP；各種酶活力；中間代謝產(chǎn)物。（

當(dāng)然并非所有產(chǎn)品的發(fā)酵過程中都需檢測上述全部參數(shù)，而是根據(jù)該產(chǎn)品的特點和可能條件，有選擇地檢測部分參數(shù)。）（

當(dāng)然并非所有產(chǎn)品的發(fā)酵過程中都需檢測上述全部參數(shù)，而是根據(jù)該產(chǎn)品的特點和可能條件，有選擇地檢測部分參數(shù)。）微生物發(fā)酵C