工业发酵主要类型及主要控制参数

《生物制药工艺技术》课程教学方案教师：苏艳

授课专业生物技术及应用、生物制药技

术

上课地点授课时间第周

学习内容项目6、发酵过程控制（2）工业发酵主要类型及主要控制

参数

课时8

教学目标知识目标

❖ 了解发酵过程中各参数：温度、pH、泡沫等对发酵过程的影响。技能目标

❖ 能根据不同发酵过程控制发酵参数。

❖ 能处理发酵过程中出现的问题。

素质目标

❖ 培养学生理论联系实际动手操作能力、自主性、创造性、严谨

的科学态度；

❖ 吃苦耐劳、团队协作精神，良好的职业素养。

教学重点难点重点：发酵过程中参数的控制。难点：发酵过程中参数的选择。

目标群体学生在前面学习了“发酵罐及附属设备的结构”，具备了《应用微生物技术》的基础知识。

教学

环境

教室

教学

方法

理论讲授

时间

安排

教学过程设计[课型] 理论课：多媒体辅助讲授

[组织教学]

5 分钟演讲，1分钟安全教育

[实施新课]

讲授：

项目6 发酵过程的控制知识目标:

•了解发酵过程中各参数对发酵过程的影响。

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•掌握发酵过程中各发酵参数的控制。能力目标:

••

能根据不同发酵过程控制发酵参数。能处理发酵过程中出现的问题。

素质目标:

•培养学生理论联系实际动手操作能力、自主性、创造性、严谨的科学态度；吃苦耐劳、团队协作精神。

任务1工业发酵主要类型及主要控制参数

一、概述

发酵：指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。

广义上将发酵看作是微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经过特定的代谢转变成所需产物的过程。

微生物培养亦称微生物发酵，发酵生产按微生物培养工艺不同可以分为固态发酵和液态发酵两种类型。两者在工艺过程上大体相同，主要工艺过程为：斜面菌种培养-菌体或孢子悬浮液制备-种子扩大培养-发酵培养-发酵产物与发酵基质分离-提纯与精制-成品。

固态发酵是将微生物接种到经过处理的固体发酵基质上，或将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体支撑物上，通过微生物的代谢活动，使发酵原料转化成发酵产品。

采用固态发酵工艺所需设备简单，不需要结构复杂的发酵堆；操作方法简单，能耗较低，不需要大量的通风和搅拌。但是固态发酵不宜采用自动化控制，劳动强度较大，生产率较低。液态发酵是将物料首先制备成液态，再将微生物接入进行发酵。液态发酵容易实现自动化生产，生产效率高。

深层培养可分为分批培养、补料-分批（流加培养）培养、半连续培养（发酵液带放）、连续培养和灌注培养五种方式。

以发酵方式可分为分批发酵、补料-分批发酵和连续发酵等。

二、分批发酵

1.分批发酵的理论基础

分批发酵是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的

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微生物培养方法。

分批培养的特点是操作简单，易于掌握，是最常见的操作方式。

分批发酵过程一般可粗分为四期：即适应期（也有称停滞期或延滞期的）、对 数（指数）生长期、生长稳定期和死亡期；

也可细分为六期：即停滞期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡（衰 亡）期

2. 重要的生长参数

⑴得率系数 Y 在浓度较低的范围内，静止期的细胞浓度与初始基质浓度成正 比，可用下式表示：

X ＝Y （S

o 一 S

t

） 式中 s o ——初始基质浓度，g/L;

s

t ——经培养时间 t 时基质浓度； Y ——得率系数，g 细胞/g 基质

当生长停止时，s

t 等于零。方程可用于预测用多少初始基质便能得到相应的

菌量。

⑵比生长速率 µ 间的关系

用 Monod 方程可描述比生长速率和残留的限制性基质浓度之 µ＝µ

max s ／（K

s ＋S ）

式中 µ——比生长速率，h ；

µ max ——最大比生长速率，h ；

S ——基质浓度，g/L;

Ks ——基质利用常数，相当于 µ＝µmax /2 时的基质浓度，g/L ，是菌对基 质的亲和力的一种度量。

3.分批发酵的优缺点

优点是：周期短，培养基一次灭菌，一次投料，容易实现无菌状态；操作简 单，易于操作控制，产品质量稳定；培养浓度较高，易于产品分离。

分批培养的辅助时间较多，设备生产能力低。分批发酵不适用于测定其过程 动力学，因使用复合培养基，不能简单地运用 Monod 方程来描述生长，存在基质 抑制问题，出现二次生长现象。对基质浓度敏感的产物，或次级代谢物，如对基 质浓度敏感的产物，或次级代谢物，比如抗生素，用分批发酵不合适，因其周期 较短，一般在 1～2 天，产率较低。

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在目前国内外绝大多数发酵生产中，都是采用分批培养的方法。

三、补料（流加）分批发酵

1.补料-分批发酵理论基础

补料-分批发酵是指先将一定量的培养液装入反应器，在适宜的条件下接种细胞，进行培养，细胞不断生长，产物也不断形成。

目前国内外的酵母生产行业大多采用这种操作方法。

目前补料-分批发酵的类型很多，就补料的方式而言，有连续补料、不连续补料和多周期补料；每次补料又可分为快速补料、恒速补料、指数速度补料和变速补料；按反应器中发酵液体积区分，又有变体积和恒体积之分；从反应器数目分类又有单级和多级之分；从补加的培养基成分来分，又可分为单一组分补料和多组分补料。

补料-分批发酵的优点在于它能在这样一种系统中维持很低的基质浓度，从而避免快速利用碳源的阻遏效应和能够按设备的通气能力去维持适当的发酵条件，并且能减缓代谢有害物的不利影响。

四、半连续发酵

半连续培养又称为反复分批培养或换液培养，在补料-分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液（带放）便可称为半连续发酵。

半连续发酵也有它的不足：①放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体；②定期补充和带放使发酵液稀释，送去提炼的发酵液体积更大；③发酵液被稀释后可能产生更多的代谢有害物，最终限制发酵产物的合成；

④一些经代谢产生的前体可能丢失；⑤有利于非产生菌突变株的生长。据此，在采用此工艺时必须考虑上述的技术上限制，不同的品种应根据具体情况具体分析。

五、连续发酵

1.单级连续发酵的理论基础

流入罐内的料液使得发酵液变稀，流量与培养液体积之比可用D来表示，称为稀释率（h-1），表示单位时间内加入的培养基体积占发酵罐内培养基体积的分率，其倒数表示培养液在发酵罐内平均停留时间。

2．多级连续培养

3．连续培养在工业生产中的应用

（1）酵母、细菌等单细胞蛋白产品

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