微生物发酵及工艺控制课件

• 基质的消耗速率 指单位时间、单位体 积发酵液中消耗的基质量，可表示为：
•
• 基质的消耗速率常以单位体积发酵液内 干菌体质量表示，称基质的比消耗速率， 以Qs表示
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• ms——以基质消耗表示的维持代谢系数（维持因数），维
持（M）是指活细胞群体在没有实质性的生长（即生长 和死亡处于动态平衡状态）和没有胞外代谢产物合成情 况下的生命活动。所需能量由细胞物质的氧化或降解产 生。这种用于“维持”的物质代谢称维持代谢，叫做内 源代谢（对好氧发酵称“呼吸”），代谢释放能叫维持 能。
被菌体利用后，会促使氢离子浓度增加，pH值下降。另一方面 水解酪蛋白和酵母粉等培养基成份，在其利用后会产生NH3，造成 培养液碱性。一些生理碱性物质（硝酸钠、氨基酸、尿素、 氨水等）被菌体利用后，将释放出游离NH3或生成碱使pH值上 升。
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➢ 溶氧量
氧是细胞呼吸的底物，氧浓度的变化对细胞影响很大，也反
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• 灌流式发酵（Perfusion fermentation）是指菌体与培
养液一起装入发酵罐进行培养，在培养过程中一方 面不断补充新培养基，同时取出部分条件培养液， 但菌体仍然滞留在发酵罐内。灌流式操作，能及时 除去有害的代谢产物，并补充营养物质，满足了菌 体进一步生长的需求。通过调节灌流速度，可把菌
控制流加式操作的形式有两种，即反馈控制 和无反馈控制。
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• 半连续式发酵(Semi-continuous fermentation)又称反
复分批式或换液式补料发酵。是指菌体和培养液一起 装入发酵罐，在菌体生长过程中，每隔一定时间取出 部分发酵培养物（行业中称为“带放”），同时补充 同等数量的新的培养基，然后继续培养，直到发酵结 束，取出全部发酵液。与流加式操作相比，半连续式 操作过程发酵罐内得到培养液总体积保持不变，同样 可起到解除高浓度基质和产物对发酵的抑制作用。
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• 分批式（Batch fermentation）发酵又称间歇式 (Intermittent fermentation)发酵或不连续式
(Discontinuous fermentation)发酵，也称原位发酵，是 把培养液一次性装入发酵罐，灭菌消毒后接入一定 量的种子液，在最佳条件下进行发酵培养。经过一 段时间完成菌体的生长和产物的合成积累后，将全 部培养物取出，结束发酵培养。然后清洗发酵罐， 装料、灭菌后再进行下一轮分批操作。
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• 代谢产物的生成速率指单位体积、单位时间内产物的生 成量，记为up 。
•如果产物生成速率以 单位体积发酵液内干 菌体质量为基准时， 称产物的比生成速率 ，记为QP 。
•比当生以成产速物率C常O表2 记示时为，
产
物的 。好
氧微生物发酵反应中生成CO2 量相对于氧的消耗，称呼吸
商（RQ）
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• 分批培养中基质的消耗速率 us
•分批培养中产物的形成速率up • 产物形成与细胞生长 相关（偶联型） • 产物形成与细胞生长 部分相关（混合型） •产 物 形 成 与 细 胞 生 长 不相关（非生长偶联型 ）
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第三节 发酵过程及其工艺控制
发酵过程的影响因素
第一节 基本概念
• 菌体量 一般指微生物菌体干重量。
• 生长期 指微生物接种后，经短暂迟滞期后，至某种必
需营养消耗造成生长限制这一时期。这一时期微生物 快速生长，菌体浓度迅速增加。
• 生产期 微生物开始积累代谢产物的时期。 • 二次或隐性生长 由于细胞的自溶作用，一些新的营
养物质，诸如细胞内的一些糖类蛋白质等被释放出来， 又作为细胞营养物质，从而使活细胞在稳定期又缓慢 地生长，通常称二次或隐性生长。
➢ 温度
温度是指发酵罐中所维持的温度。温度影响微生物发 酵化学反应速度；温度也会影响发酵液的物理性质，通过 影响粘度、溶解氧量、氧的传递速率等间接影响微生物代 谢产物合成；温度也会改变产物合成方向；温度对菌的调 节机制亦有关系。
发酵温度取决于发酵过程中能量变化，一般与内在因 素有关。菌体生长繁殖过程中产生的热是内在因素，称为 生物热，是不可改变。另外，与外在因素（搅拌热、蒸发 热、辐射热及冷却介质移出的热量有关。
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• 流加式发酵又称单一补料分批发酵（Fed-batch fermentation），是指在分批式操作的基础上，开始
时投入一定量的基础培养基，到发酵过程适当时期， 开始连续补加碳源或（和）氮源或（和）其它必须 物质，但不取出培养液，直到发酵终点，产率达最 大化，停止补料，最后将发酵液一次全部放出。
也可用标准单位表示，如μg/ml和效价单位u/ml等。产物量的高低
反映了发酵是否正常，并可判断发酵周期。 产物浓度高，设备的生产能力大，便于发酵液的后处理，但过分提
高产物浓度可能会使设备生产能力下降（因为要延长发酵时间），也可 能造成对菌体代谢抑制或阻遏，还可能发生其它反应而降低最终产品收 得率，对后序处理不利。产物浓度过高有时也抑制菌体本身生长，对发 酵不利。
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➢ 压力
罐压是指罐体内的压力，由压力表读出。培养基灭菌和发 酵过程都需要检测压力变化，罐压的意义在于罐体内维持正 常压力防止外界空气进入造成杂菌污染。因此，必须使发酵
系统压力保持高于外界大气压力，罐压影响CO2和O2的溶解度， 增加罐压，气体溶解度提高，缩小气泡体积，可避免“逃 液”现象。但过高压力影响微生物DNA复制，使DNA含量下
亡，也不断有生物合成酶系的蜕变与失活。为了使死亡的细胞和 失活的酶系不断得到更新，就必须保持一定的菌体生长速率。满 足这种更新需要，从而确保产物持续合成（即保持比生产率稳定） 的最低比生长速率称为临界比生长速率，它因菌体细胞的寿命和 酶系的稳定性而异。
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第二节 发酵的基本原理
• 一、发酵方法
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微生物发酵动力学
• 微生物分批培养动力学方程
Monod方程 在特定温胞的比生长速率与限制
性营养物的浓度之间存在如下关系：
•KKSS的—物—理限意制义性为营当养比物生质长的速饱率和为常最数大，比g生/L。长 速率一半时的限制性营养物质浓度。它的大 小表示了微生物对营养物质吸收亲和力大小 。和力KS越越小大；，反表之示就微越生大物。对营养物质的吸收亲
学习目标
• 了解基本概念、各种发酵方法、发酵基本过程、发 酵过程中的新技术、过程参数检测及其自动控制；
• 理解动力学方程，能够运用动力学方程，特别是分批 发酵动力学方程进行计算分析；
• 熟练分析发酵过程中的各种影响因素及各有关问题， 掌握发酵工艺控制方法及生产中出现的各种问题的处
理手段。
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。
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➢ 培养基
培养基的成分对工业发酵生产尤为重要。先进的培养 基组成对高产、稳产和经济发酵的过程是关键因素。因为 培养基组成不仅影响微生物的生长繁殖过程，也影响产物 合成过程。
➢ 二氧化碳
二氧化碳是微生物在生长繁殖过程中的代谢产物，也 是合成某些产物的基质。通常二氧化碳对菌体生长有直接 影响。二氧化碳也影响发酵产物的形成。二氧化碳可能使 发酵液pH下降，进而影响细胞生长、繁殖及产物合成，二 氧化碳可能与其它物质及生长必需的金属离子发生化学反 应形成碳酸盐沉淀，或造成氧的过量消耗使溶解下降，从 而间接地影响发酵产物的合成。
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➢pH值
在发酵过程中，培养基的pH值同温度一样影响各种酶的活
性，进而影响产生菌的生长繁殖及产物的合成。pH值对微生物生长 影响很明显，pH值不当，将严重影响菌体生长和产物合成。不同微生 物最适生长pH值和最适生产pH值不同。
发酵过程中pH值的变化是各种酸和碱的综合结果。一方面是 培养基中含有酸性成份（或杂质）。糖被菌体吸收利用后，产 生有机酸，并分泌至培养液中。一些生理酸性物质（硫酸铵等）
率通常用单位体积来表，指单位体积、单位时间 里生长的菌体量；在固体培养基表面上的微生物 群体生长，其生长速率以单位表面积来表示，指 单位时间、单位表面积上生长的菌体量。
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• 比生长速率是菌体浓度除菌体的生长速 率，或菌体浓度除菌体的繁殖速率。在 平衡条件下，比生长速率μ
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➢ 加料方式
加料方式有以下三种：一次性加料、一次性投入主料中间 补料方式、连续加料。
➢ 泡沫
发酵培养液中存在一定数量的泡沫是正常的，泡沫的 存在可以增加气-液接触的面积，增加氧在发酵液中的传递。但
如果培养液中长时间存在大量的泡沫，则会对发酵产生极其不利 的影响：①降低了发酵罐的装料系数；②影响了菌体的生长；③ 增加了染菌的机会；④泡沫降低发酵物产量，大量存在时，会从 排气管中排出泡沫，引起“逃液”现象。
根据发酵条件要求不同，微生物发酵过程可分为 好氧发酵和厌氧发酵。好氧发酵有液体表面培养发 酵、多孔或颗粒固体培养基表面上发酵和通氧深层 发酵几种方法。厌氧发酵采用不通氧的深层发酵。 深层发酵反应在一定径高比的圆柱形发酵罐内完成。
就其操作方式和工艺流程可分为分批式发酵、流加 式发酵、半连续发酵、灌流式发酵及连续发酵等几种 方法。
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• 生长相关型（偶联型） 它的特点是菌体生长、碳源利用和产物 形成几乎都在相同的时间出现高峰，即表现出产物形成直接与 碳源利用有关。这一型中又分为两种情况，即菌体生长型和代 谢产物型。 其它类型:菌体生长型、代谢产物型、生长不相关型、生长 部分相关型。
• 临界比生长速率 在发酵过程中，不断有菌体细胞的衰老和死
积，不同之处是菌体的密度不是直接控制的，而是通过恒定 输入的养料中某一种生长限制基质的浓度来控制。
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二、发酵动力学
• 发酵动力学研究内容主要包括：①细胞生长和死亡 动力学；②基质消耗动力学；③氧消耗动力学；④ CO2生成动力学；⑤产物合成和降解动力学；⑥代谢 热生成动力学。
• 菌体生长速率 在液体培养基中微生物群体生长，其生长速
。 降，从而降低生长速度，高压还降低微生物的硫酸盐还原能力
➢ 搅拌
搅拌影响气体的传递速度和发酵液混合均匀程度。搅 拌可以阻止或减少菌丝结成团块和颗粒，减小菌丝和液体 间的扩散阻力，利于溶解氧进入菌体，同时尽快排出细胞 代谢产生的废气和废物，有利于细胞的代谢活动。
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➢ 产物浓度
产物浓度是指发酵液中所含目标产物的量。可以用质量表示，
体发酵培养过程控制在稳定的、低废物水平状态下。
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• 连续式发酵（continuous fermentation）是指菌体与培养液一起 装入发酵罐，在菌体培养过程中，不断补充新培养基，同 时取出包括培养液和菌体在内的发酵液，发酵体积和菌体 浓度等不变，使菌体处于恒定状态的发酵条件，促进了菌 体的生长和产物的积累。连续操作保持反应体积不变，发 酵罐内物系的组成将不随时间而变。连续发酵使用的反应 器可以是搅拌罐式反应器，也可以是管式反应器。 连续发酵的控制方式有两种：一种为恒浊器（turbidostat）法， 即利用浊度来检测细胞生长状况，通过自控仪表调节输入 料液流量，以控制培养液中菌体浓度达到恒定值；另一为 恒化器（chemostat）法，它与前者相似之处是维持一定的体
映了设备的性能。溶氧量是指溶于培养液中的氧，常用绝对含量
表示，也可用饱和氧浓度的百分数表示。
溶解氧对菌体生长影响是直接的，适宜的溶解氧量保证菌
体内的正常氧化还原反应。细胞内氧化还原反应乃至物质之间 的转化也需要氧的参与。
➢ 菌体质量及浓度
生产菌种生长的快慢和产物合成的多少在很大程度上取决 于菌体的质量及菌体的浓度。在适当比生长速率下，发酵产物 的产率与菌体浓度成正比关系。菌浓愈大，产物的产量就越大。 但是菌浓过高，则会产生其它的影响。如营养的物质消耗过快， 培养液的营养成分发生明显的改变，有毒物质的积累，就可能 改变菌体的代谢途径，特别是对培养液中的溶解氧影响更为显 著。为了获得更高的生产率，需要采用摄氧速率与传氧速率相 等时的菌体浓度，即临界菌体浓度。