第七章 发酵过程控制-1PPT课件
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发酵过程控1制PPT课件
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温 度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生 长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡； 在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度 非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温 度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加， 超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降， 最后停止生长，引起死亡。
二、温度的影响与控制
（一）温度对发酵的影响 1、温度对微生物细胞生长的影响
发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有 一个最适温度。
从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2
积分得
E= 4.6logKr2 / Kr1 1/T1 1/T2
E——活化能
Kr——速率常数
4 .6 log K r 2
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超 过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温 度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死 亡。这就是菌种保藏的原理。
二、微生物与温度相关性的原理
1、微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物 理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生理条 件下，膜中的脂质成分应保持液晶状态，只有当 细胞膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常生理 功能，使细胞处于最佳生长状态
最佳状态，从而最终实现目标值，达到最大的比产物生成速率。要实现最 佳工艺必须对诸如温度、pH、溶解氧浓度、泡沫等进行控制。
发酵工艺控制最优化
明确控制目标
明确影响因素
确定实现目标值的方法
确定最佳工艺Biblioteka 实施最佳工艺第一节 温度变化及其控制
一、温度对生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温 度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～26oC生 长，嗜温菌适应于15～43oC生长，嗜热菌适应于 37～65oC生长，嗜高温菌适应于65oC以上生长
7发酵过程控制
பைடு நூலகம்
二
微生物培养过程的参数检测
参数在线检测
在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头） 放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控 制提供依据。
由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高， 因此对传感器有特殊要求： 插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 （材料、数据）
传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染 菌（密封性好）
发酵过程的中间分析
发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过 程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉 眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数 来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛。 这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中 菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳， 粘度，菌浓度等
实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的， 因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量
正交条件A 冲击温度（0C） 40，45，50
B 开始时机（h）
8，16，30
C 冲击时间（分） 15，30，60
A 温度；B 开始时机；C 冲击时间
• 结果发酵16小时，45℃ 冲击30分钟最佳， 发酵96小时后甘油浓度提高32.6％
配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情 况
pH对产海藻酸裂解酶的影响
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分
析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、 均匀设计、响应面设计。 优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经过 数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确， 大大提高了实验效率。 但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的 最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中 存在较大的误差就会得出错误的结果。
二
微生物培养过程的参数检测
参数在线检测
在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头） 放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控 制提供依据。
由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高， 因此对传感器有特殊要求： 插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 （材料、数据）
传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染 菌（密封性好）
发酵过程的中间分析
发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过 程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉 眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数 来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛。 这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中 菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳， 粘度，菌浓度等
实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的， 因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量
正交条件A 冲击温度（0C） 40，45，50
B 开始时机（h）
8，16，30
C 冲击时间（分） 15，30，60
A 温度；B 开始时机；C 冲击时间
• 结果发酵16小时，45℃ 冲击30分钟最佳， 发酵96小时后甘油浓度提高32.6％
配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情 况
pH对产海藻酸裂解酶的影响
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分
析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、 均匀设计、响应面设计。 优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经过 数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确， 大大提高了实验效率。 但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的 最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中 存在较大的误差就会得出错误的结果。
发酵过程优化与控制PPT课件
菌种生产性能越高，其生产条件越难满足。
.
3
发酵过程技术原理
分批发酵 补料-分批发酵 半连续发酵 连续发酵
.
4
分批发酵
几个重要参数：
为比生长速率,h-1； -qs 为比基质消耗速率,(g/g)/h； qp 为比产物形成速率,(g/g)/h 。
uX dX dt
q xX d S dt
补充养分，同时解除/消弱代谢产物的抑制。
不足：
丢失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体；送去提炼 的发酵液体积更大；丢失代谢产生的前体物；利于非产生 菌突变株的生长。
实施：海洋微藻合成藻红素和EPA。
需要摸索最佳的培养基更新速率。
.
10
连续发酵
发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相同的流速 放料，维持发酵液原来的体积。（恒化培养）
.
1
发酵过程优化与控制
发酵
狭义——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——微生物把一些原料养分在合适的发酵 条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过 程。
.
2
发酵是一个很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素： 菌种性能、培养基组成、原料质量、灭菌条件、种子 质量、发酵条件和过程控制等
pH变化会影响酶活，菌对基质的利用效率和细
胞结构，从而影响菌的生长和产物的合成。
.
23
选择最适发酵pH的原则是获得最大比生产速率和
适当的菌量。
分阶段pH控制策略
如何控制发酵液pH？
基础培养基的配方；通过加酸碱或中间补料 例如，青霉素发酵，通过调节加糖速率来控制pH；链 霉素的生产，补充NH3来控制pH，同时为产物合成提 供氮源。
培养液pH可反映菌的生理状况：pH上升超过最适值，意 味着菌处于饥饿状态，可加糖调节；糖的过量又使pH下 降；用氨水中和有机酸需防止微生物中毒，可通过监测 培养液种溶氧浓度的变化来控制。
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3
发酵过程技术原理
分批发酵 补料-分批发酵 半连续发酵 连续发酵
.
4
分批发酵
几个重要参数：
为比生长速率,h-1； -qs 为比基质消耗速率,(g/g)/h； qp 为比产物形成速率,(g/g)/h 。
uX dX dt
q xX d S dt
补充养分，同时解除/消弱代谢产物的抑制。
不足：
丢失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体；送去提炼 的发酵液体积更大；丢失代谢产生的前体物；利于非产生 菌突变株的生长。
实施：海洋微藻合成藻红素和EPA。
需要摸索最佳的培养基更新速率。
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10
连续发酵
发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相同的流速 放料，维持发酵液原来的体积。（恒化培养）
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1
发酵过程优化与控制
发酵
狭义——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——微生物把一些原料养分在合适的发酵 条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过 程。
.
2
发酵是一个很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素： 菌种性能、培养基组成、原料质量、灭菌条件、种子 质量、发酵条件和过程控制等
pH变化会影响酶活，菌对基质的利用效率和细
胞结构，从而影响菌的生长和产物的合成。
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23
选择最适发酵pH的原则是获得最大比生产速率和
适当的菌量。
分阶段pH控制策略
如何控制发酵液pH？
基础培养基的配方；通过加酸碱或中间补料 例如，青霉素发酵，通过调节加糖速率来控制pH；链 霉素的生产，补充NH3来控制pH，同时为产物合成提 供氮源。
培养液pH可反映菌的生理状况：pH上升超过最适值，意 味着菌处于饥饿状态，可加糖调节；糖的过量又使pH下 降；用氨水中和有机酸需防止微生物中毒，可通过监测 培养液种溶氧浓度的变化来控制。
第七章 发酵过程控制
一、初级代谢的变化 二、次级代谢的变化 三、发酵过程的主要控制参数
初级代谢变化的根本原因在于菌体的代谢活 动引起环境的变化，而环境的变化又反过来影 响菌体的代谢。 在初级代谢中，菌体生长仍显示适应期、对 数生长期、静止期和衰亡期的特征。 由于菌体的生理状态与培养条件不同，各个 时期时间长短也不尽相同，且与接种微生物的 生理状态有关。
生物热的大小随培养时间的不同而不同。 实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产 量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈 代谢十分旺盛。
生物热的大小与菌体的呼吸强度有对应关系，呼 吸强度越大，所产生的生物热也越大。
在四环素发酵中，还发现 生物热和菌的呼吸强度的 变化有对应关系，特别是 在80小时以前。从此实验 中还可看到，当产生的生 物热达到高峰时，糖的利 用速度也最大。另外也有 人提出，可从菌体的耗氧 率来衡量生物热的大小。
• 蒸发热的计算： Q蒸发=G（I2-I1） G：空气流量，按干重计算，kg/h I1 、I2 ：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg （干空气）
• 辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐 体向外辐射的热量。
• 辐射热可通过罐内外的温差求得，一 般不超过发酵热的5%。
发酵热的测定
（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和 冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内 的发酵热。
影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶 的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；
H+或OH-在细胞内改变了胞内原有的中性状 态，影响到酶蛋白的解离度和电荷情况，从而 改变酶的结构和功能。
•
影响微生物原生质膜所带电荷的状态。改变 细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸 收和代谢产物的排泄。
第七章发酵过程控制1-2
4 2019/9/16
初级代谢的代谢变化
另外，用静止期以后的菌体接种，即使接种的菌体 全部能够生长，也要出现适应期。
因此，工业发酵中往往要接入处于对数生长期(特别 是中期)的菌体，以尽量缩短适应期。
为了获得代谢产物，菌体尚未达到衰退期即行放罐 处理。
由于菌体生长繁殖和产物的形成，基质(如葡萄糖) 浓度的变化一般是随发酵时间的延长而不断下降，
25 2019/9/16
随着细胞生长，培养液中的营养物 减少，废物积累，导致细胞生长速 率下降，进入减速期和稳定期。最 后当细胞死亡速率大于生成速率， 进入死亡期
对于初级代谢产物，在对数生长期初 期就开始合成并积累，而次级代谢产 物则在对数生长期后期和稳定期大量 合成。
26 2019/9/16
分批培养的优缺点
发酵中的菌体、基质和产物三者变化的基本过程是： 菌体进入发酵罐后就开始生长、繁殖，直达一定的 菌体浓度。
其生长过程仍显示适应(停滞)期、对数生长期、静 止(稳定)期和衰亡期等生长史的特征。
但在发酵过程中，即使同一菌种，由于菌体的生理 状态与培养条件的不同，各时期时间长短也不尽相 同。如适应期的长短就随培养条件而有所不同，并 与接种菌的生理状态有关。对数生长期的菌种移植 到与原培养基组成完全相同的新培养基中，就不会 出现适应期，仍以对数生长期的方式继续繁殖下去。
14 2019/9/16
菌体生长阶段
由于基质的代谢变化，pH值也发生一定改变， 有时先开始下降，而后上升，这是糖代谢先 产生酮酸等有机酸而后被利用的结果； 有时先开始上升而后下降，这是菌体先以培 养基中的氨基酸作为碳源而被利用，释放出 氨，使pH值上升，而后氨又被利用使pH值下 降的结果。
15 2019/9/16
初级代谢的代谢变化
另外，用静止期以后的菌体接种，即使接种的菌体 全部能够生长，也要出现适应期。
因此，工业发酵中往往要接入处于对数生长期(特别 是中期)的菌体，以尽量缩短适应期。
为了获得代谢产物，菌体尚未达到衰退期即行放罐 处理。
由于菌体生长繁殖和产物的形成，基质(如葡萄糖) 浓度的变化一般是随发酵时间的延长而不断下降，
25 2019/9/16
随着细胞生长，培养液中的营养物 减少，废物积累，导致细胞生长速 率下降，进入减速期和稳定期。最 后当细胞死亡速率大于生成速率， 进入死亡期
对于初级代谢产物，在对数生长期初 期就开始合成并积累，而次级代谢产 物则在对数生长期后期和稳定期大量 合成。
26 2019/9/16
分批培养的优缺点
发酵中的菌体、基质和产物三者变化的基本过程是： 菌体进入发酵罐后就开始生长、繁殖，直达一定的 菌体浓度。
其生长过程仍显示适应(停滞)期、对数生长期、静 止(稳定)期和衰亡期等生长史的特征。
但在发酵过程中，即使同一菌种，由于菌体的生理 状态与培养条件的不同，各时期时间长短也不尽相 同。如适应期的长短就随培养条件而有所不同，并 与接种菌的生理状态有关。对数生长期的菌种移植 到与原培养基组成完全相同的新培养基中，就不会 出现适应期，仍以对数生长期的方式继续繁殖下去。
14 2019/9/16
菌体生长阶段
由于基质的代谢变化，pH值也发生一定改变， 有时先开始下降，而后上升，这是糖代谢先 产生酮酸等有机酸而后被利用的结果； 有时先开始上升而后下降，这是菌体先以培 养基中的氨基酸作为碳源而被利用，释放出 氨，使pH值上升，而后氨又被利用使pH值下 降的结果。
15 2019/9/16
第七章 发酵过程控制1
各因子之间可能会产生交互作用,影响的结果准 各因子之间可能会产生交互作用, 确性
发酵过程控制
数理统计学方法: 数理统计学方法:运用统计学方法设计实验和分
析实验结果,得到最佳的实验条件.如正交设计, 析实验结果,得到最佳的实验条件.如正交设计, 均匀设计,响应面设计. 均匀设计,响应面设计. 优点 同时进行多因子试验.用少量的实验, 同时进行多因子试验.用少量的实验,经过 数理分析得到单因子实验同样的结果,甚至更准确, 数理分析得到单因子实验同样的结果,甚至更准确, 大大提高了实验效率. 大大提高了实验效率. 但生物学实验要求准确性高, 但生物学实验要求准确性高,因为实验的最佳 条件是经过统计学方法算出来的, 条件是经过统计学方法算出来的,如果实验中存在 较大的误差就会得出错误的结果. 较大的误差就会得出错误的结果.
发酵过程控制
二
发酵过程工艺控制的目的
有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长 的最佳条件, 的最佳条件,使菌种的潜能发挥出来 目标是得到最大的比生产速率和最大的生产 率
发酵过程控制
发挥菌种的最大生产潜力需考虑的要点 生长速率,呼吸强度, 菌种本身的代谢特点 生长速率,呼吸强度, 营养要求(酶系统), ),代谢速率 营养要求(酶系统),代谢速率 温度, , 菌体代谢与环境的相关性 温度,pH,渗透 离子强度,溶氧浓度, 压,离子强度,溶氧浓速度(r/min) 3 搅拌速度(r/min) 搅拌器在发酵过程中的转动速度. 搅拌器在发酵过程中的转动速度. 其大小影响发酵过程氧的传递速率, 其大小影响发酵过程氧的传递速率,受醪液的流变学性质影 还受发酵罐的容积限制(见下表) 响,还受发酵罐的容积限制(见下表)
发酵罐容积(L) 发酵罐容积(L) 3 10 50 200 10000 50000 搅拌转速范(r/min) 搅拌转速范(r/min) 200~2000 150~1000 100~800 50~400 25~200 25~160 备注 实验室研究 实验室, 实验室,小试 中试 中试或生产 生产 生产
教学培训PPT发酵过程工艺控制
30
三、CO2浓度的控制
二氧化碳浓度的控制根据它对发酵的影响而定。 通气搅拌控制二氧化碳浓度 ； 二氧化碳的产生与补料控制有密切关系
31
第五节 流加补料的控制
优点：
1.可以解除底物抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物 阻遏作用；
2.避免因一次性投料过多造成细胞大量生长，耗氧过
多而造成波谷现象；
3.可用作控制细胞质量的手段； 4.可作为理论研究的手段，为自动控制和最优化控制
➢ ➢ 单独使用效果差，常与分散剂（微晶二氧化硅）一起使用
23
（5）消泡剂的应用和增效
A 消泡剂加载体增效 B 消泡剂并用增效 C 消泡剂乳化增效。
24
2 机械消泡
靠机械力引起强烈振动或者压力变化， 促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的 液体加以分离回收。
25
理想的机械消泡装置： 动力小 结构简单 坚固耐用 清洗、杀菌容易 维修保养费用少
生产阶段：pH趋于稳定 自溶阶段：pH上升
12
引起pH下降的因素：
（凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗的发 酵，其pH都会下降）
1）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过 量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大 量积累而pH下降。 2）消泡油加得过多 3）生理酸性物质的存在，氨被利用，pH下降
13
引起pH上升的因素：
（凡是导致碱性物质生成或释放，酸性物质消耗 的发酵，其pH都会上升） 1）培养基中碳氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放， 使pH上升。 2）生理碱性物质存在 3）中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH 上升。
14
三、 发酵过程中 pH的调节与控制 1添加碳酸钙法； 2氨水流加法； 3尿素流加法
三、CO2浓度的控制
二氧化碳浓度的控制根据它对发酵的影响而定。 通气搅拌控制二氧化碳浓度 ； 二氧化碳的产生与补料控制有密切关系
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第五节 流加补料的控制
优点：
1.可以解除底物抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物 阻遏作用；
2.避免因一次性投料过多造成细胞大量生长，耗氧过
多而造成波谷现象；
3.可用作控制细胞质量的手段； 4.可作为理论研究的手段，为自动控制和最优化控制
➢ ➢ 单独使用效果差，常与分散剂（微晶二氧化硅）一起使用
23
（5）消泡剂的应用和增效
A 消泡剂加载体增效 B 消泡剂并用增效 C 消泡剂乳化增效。
24
2 机械消泡
靠机械力引起强烈振动或者压力变化， 促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的 液体加以分离回收。
25
理想的机械消泡装置： 动力小 结构简单 坚固耐用 清洗、杀菌容易 维修保养费用少
生产阶段：pH趋于稳定 自溶阶段：pH上升
12
引起pH下降的因素：
（凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗的发 酵，其pH都会下降）
1）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过 量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大 量积累而pH下降。 2）消泡油加得过多 3）生理酸性物质的存在，氨被利用，pH下降
13
引起pH上升的因素：
（凡是导致碱性物质生成或释放，酸性物质消耗 的发酵，其pH都会上升） 1）培养基中碳氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放， 使pH上升。 2）生理碱性物质存在 3）中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH 上升。
14
三、 发酵过程中 pH的调节与控制 1添加碳酸钙法； 2氨水流加法； 3尿素流加法
发酵过程控制
3〕菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。
引起发酵液pH值变化的常见因素 (1)下降 ①培养基中C/N不当，有机酸积累； ②消沫油加得过多； ③生理酸性物质过多； (2)上升 ①C/N比例不当，N过多，氨基氮释放； ②生理碱性物质过多； ③中间补料时碱性物参加量过大；
➢ 发酵液的pH值变化是菌体代谢反响的综合结果。
②利用温度变化率S〔℃/h〕：先使罐温恒定， 再关闭自控装置，测量S，根据
③热力学方法：
根据盖斯定律：“在恒压和横容条件下，一个反响 不管是一步完成或几步完成，其反响热是一样的〞。这 实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓〔H〕是 状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始 态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计 算。
2 影响pH值变化的因素
在发酵过程中，pH值的变化决定于所用的菌 种、培养基的成分和培养条件。在产生菌的代 谢过程中，菌体本身具有一定的调整周围环境 pH值，构建最适pH值的能力。
1〕基质代谢
〔1〕糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子 酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标 志之一。
发酵过程的主要控制参数
⑴ pH值： 显示发酵过程中各种生化反响的综合 结果。
⑵ 温度：不同的菌种，不同产品，发酵不同阶 段所维持的温度亦不同。
⑶ 溶氧浓度〔DO值，简称溶氧〕：一般用绝对 含量(mg／L)来表示，有时也用在一样条件下 氧在培养液中饱和度的百分数(％)来表示。
⑷ 基质含量：定时测定糖(复原糖和总糖)、氮 (氨基氮或铵氮)等基质的浓度。
后期产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。
2〕根据培养条件选择
➢温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 ➢通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低 些，溶氧浓度也可髙些。 ➢培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利 用快，会使菌过早自溶。
引起发酵液pH值变化的常见因素 (1)下降 ①培养基中C/N不当，有机酸积累； ②消沫油加得过多； ③生理酸性物质过多； (2)上升 ①C/N比例不当，N过多，氨基氮释放； ②生理碱性物质过多； ③中间补料时碱性物参加量过大；
➢ 发酵液的pH值变化是菌体代谢反响的综合结果。
②利用温度变化率S〔℃/h〕：先使罐温恒定， 再关闭自控装置，测量S，根据
③热力学方法：
根据盖斯定律：“在恒压和横容条件下，一个反响 不管是一步完成或几步完成，其反响热是一样的〞。这 实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓〔H〕是 状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始 态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计 算。
2 影响pH值变化的因素
在发酵过程中，pH值的变化决定于所用的菌 种、培养基的成分和培养条件。在产生菌的代 谢过程中，菌体本身具有一定的调整周围环境 pH值，构建最适pH值的能力。
1〕基质代谢
〔1〕糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子 酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标 志之一。
发酵过程的主要控制参数
⑴ pH值： 显示发酵过程中各种生化反响的综合 结果。
⑵ 温度：不同的菌种，不同产品，发酵不同阶 段所维持的温度亦不同。
⑶ 溶氧浓度〔DO值，简称溶氧〕：一般用绝对 含量(mg／L)来表示，有时也用在一样条件下 氧在培养液中饱和度的百分数(％)来表示。
⑷ 基质含量：定时测定糖(复原糖和总糖)、氮 (氨基氮或铵氮)等基质的浓度。
后期产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。
2〕根据培养条件选择
➢温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 ➢通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低 些，溶氧浓度也可髙些。 ➢培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利 用快，会使菌过早自溶。
第七章 发酵过程的控制
• 1温度对微生物的影响 各种微生物都有自己最适的生长温度范围，在此范围 内，微生物的生长最快。同一种微生物的不同生长阶 段对温度的敏感性不同 • 2温度对微生物酶的影响 温度越高，酶反应速度越快，但酶的失活也越快，表 现出微生物细胞容易衰老，使发酵周期缩短，从而影 响发酵过程最终产物的产量。
1、发酵温度
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 三．发酵过程中CO2的控制 • CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞的 呼吸强度、通气搅拌程度、设备规模、罐 压大小、温度等。通气搅拌程度越大，体 系中CO2浓度越低。 • 工业发酵中，CO2的影响远比溶解氧的影 响要小得多，因此，一般不单独进行控制。
5、基质浓度的影响及补料控 制
压力法
覆膜氧电极 法
极普法
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 一．二氧化碳对发酵过程的影响 CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的 pH值下降，或与其他化学物质发生化学反 应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉 淀等原因，造成间接作用而影响菌体生长 和产物合成。
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 二．呼吸商与发酵的关系 • 微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干 重)在单位时间内消耗氧的量，即呼吸商或 比耗氧速率(或呼吸强度)。单位体积培养液， 在单位时间内消耗的氧量称为摄氧率。 • Q氧气 = γ/ Cc 在菌体浓度一定的情况下，摄氧率越大， 呼吸商越大，发酵就越旺盛。
主要内容
由于发酵过程的复杂性，使得发酵过程的控制较为复杂， 目前生产中较常见的参数主要包括：温度、pH值、溶解氧、 空气流量、基质浓度、泡沫、搅拌速率、罐压、效价等。
9 发酵参数和发酵终点的监测与控制 10 发酵过程的计算机控制 设备及管道清洗与消毒的控制
1、发酵温度
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 三．发酵过程中CO2的控制 • CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞的 呼吸强度、通气搅拌程度、设备规模、罐 压大小、温度等。通气搅拌程度越大，体 系中CO2浓度越低。 • 工业发酵中，CO2的影响远比溶解氧的影 响要小得多，因此，一般不单独进行控制。
5、基质浓度的影响及补料控 制
压力法
覆膜氧电极 法
极普法
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 一．二氧化碳对发酵过程的影响 CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的 pH值下降，或与其他化学物质发生化学反 应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉 淀等原因，造成间接作用而影响菌体生长 和产物合成。
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 二．呼吸商与发酵的关系 • 微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干 重)在单位时间内消耗氧的量，即呼吸商或 比耗氧速率(或呼吸强度)。单位体积培养液， 在单位时间内消耗的氧量称为摄氧率。 • Q氧气 = γ/ Cc 在菌体浓度一定的情况下，摄氧率越大， 呼吸商越大，发酵就越旺盛。
主要内容
由于发酵过程的复杂性，使得发酵过程的控制较为复杂， 目前生产中较常见的参数主要包括：温度、pH值、溶解氧、 空气流量、基质浓度、泡沫、搅拌速率、罐压、效价等。
9 发酵参数和发酵终点的监测与控制 10 发酵过程的计算机控制 设备及管道清洗与消毒的控制
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微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高 温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代 谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏 的原理。
二、微生物与温度相关性的原理
(1)微生物对温度的要求不同与它们的膜 结构物理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常 生理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶 状态，只有当细胞膜处于液晶状态，才能 维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最 佳生长状态
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、 最低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速； 超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度 范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代 时间无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生 长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度 升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。
第六章 发酵条件及过程控制
第六章 发酵条件及过程控制
第一节 营养基质和菌体浓度 第二节 温度的影响和控制 第三节 pH的影响和控制 第四节 通气和搅拌 第五节 泡沫的影响和控制 第六节 二氧化碳和呼吸熵 第七节 发酵终点的判断 第八节 发酵条件的优化控制 第九节 发酵的计算机控制 第十节 发酵过程的精确检测
(2)温度影响发酵方向
四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉 素和四环素，当温度低于300C时，这 种菌合成金霉素能力较强；温度提高， 合成四环素的比例也提高，温度达到 350C时，金霉素的合成几乎停止，只 产生四环素。
温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中 的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸 收。因此对发酵过程中的温度要严格控 制。
根据生长阶段选择温度
例：林可霉素发酵的变温培养
第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制
碳源种类对发酵影响及控制 氮源的种类和浓度的影响及控制 磷酸盐浓度的影响和控制 菌体浓度的影响及控制
碳源种类对发酵影响及控制
碳源种类 快速利用和缓慢利用碳源 有机和无机
碳酸气； 淀粉水解糖，糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等 石油、正构石蜡，天然气 醋酸、甲醇、乙醇等石油化工产品 青霉素发酵（快速利用碳源，产量低，细胞生长快，缓慢 利用碳源，产量高，细胞生长慢。 混合碳源 透明质酸（快速和缓慢利用碳源结合）
在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期， 从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。 因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关 闭得比较严密有利于产物合成。
发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段 280C，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖 化酶32～340C。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如 谷氨酸产生菌生长30～320C，产酸34～370C。最适温度 选择要根据菌种与发酵阶段做试验。
氮源种类对发酵影响及控制
氮源种类 无机氮和有机氮；快速氮和慢速氮 豆饼或蚕蛹水解液，味精废液，玉米浆，酒 糟水等有机氮 尿素，硫酸铵，氨水，硝酸盐等无机氮 气态氮
链霉菌的竹桃霉素发较中采用快速氮源（铵 盐）可以刺激菌丝的生长，但是抗生素的降 低。
氮源浓度对发酵影响及控制
氮源浓度过高会使细胞脱水死亡，浓度过 低，细胞生长缓慢 一般工业发酵的碳氮比为100/0.2-2.0;谷氨酸 的发酵碳氮比为100：15-21；当其比为100： 11才开始积累谷氨酸。
磷酸盐浓度的影响和控制
无机盐 磷酸盐，钾盐，镁盐，钙盐等其他矿盐 铁、锰、钴等微量元素 其他 特殊生长因子 硫胺素、生物素、对氨基苯甲酸、肌醇等 杆菌肽的发酵中无机磷酸盐浓度控制在0.1-1mmol.L-1,这 时合成杆菌肽，但浓度高于1mmol.L-1其产生受抑制。 抗生素如链霉素，新霉素，四环素，万古霉素等对高浓度 磷酸盐敏感，过高会抑制，但是太低菌体生长受影响。一 般工业上采用生长亚适量（对菌体生长不是最适合，但不 影响生长的量的磷酸盐浓度。
菌体浓度的影响及控制
菌体浓度（Cell concentration)
比生长速率：µ=(lgNt-lgNt0)*2.303/t-t0 营养基质浓度与细菌生长速率之间关系
莫诺公式 µ= µm(S/Ks+S)
第二节 温度变化及其控制
一、温度对生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们 对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于 0～260C生长，嗜温菌适应于15～430C生长， 嗜热菌适应于37～650C生长，嗜高温菌适应于 650C以上生长
碳源浓度对发酵影响控制
培养基中碳源含量超过5%，细胞生长会因脱水而下降。 酵母的Crabtree效应：即Crabtree(1929)发现，当酵母在 高糖浓度下，即时溶氧充足，它还会进行发酵，从葡萄糖 生产乙醇。为获得最大酵母得率，不能用恒速流加的方法， 而保持最大生长速率的补料分批培养或连续培养可以避免 该现像的出现。 利用重组酵母毕赤酵母高密度发酵生产水蛭素，甲醇一方 面作为碳源，同时也充当能源，提高甲醇的量可以促进产 物的表达量提高，但是高浓度甲醇会拟制细胞生长。
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范 围相一致。
什么是液晶状态？
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的 过渡状态称为液晶态。
由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示；
由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。
T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。
那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细 胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物， 其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸， 而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
（3）最适温度的选择
根据菌种及生长阶段选择
微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要 求的温度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为370C， 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30～320C， 青霉菌生长温度为300C。
根据生长阶段选择
在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌 体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；
二、微生物与温度相关性的原理
(1)微生物对温度的要求不同与它们的膜 结构物理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常 生理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶 状态，只有当细胞膜处于液晶状态，才能 维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最 佳生长状态
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、 最低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速； 超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度 范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代 时间无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生 长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度 升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。
第六章 发酵条件及过程控制
第六章 发酵条件及过程控制
第一节 营养基质和菌体浓度 第二节 温度的影响和控制 第三节 pH的影响和控制 第四节 通气和搅拌 第五节 泡沫的影响和控制 第六节 二氧化碳和呼吸熵 第七节 发酵终点的判断 第八节 发酵条件的优化控制 第九节 发酵的计算机控制 第十节 发酵过程的精确检测
(2)温度影响发酵方向
四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉 素和四环素，当温度低于300C时，这 种菌合成金霉素能力较强；温度提高， 合成四环素的比例也提高，温度达到 350C时，金霉素的合成几乎停止，只 产生四环素。
温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中 的溶解度也影响菌对某些基质的分解吸 收。因此对发酵过程中的温度要严格控 制。
根据生长阶段选择温度
例：林可霉素发酵的变温培养
第一节 营养基质和菌体浓度的影响及其控制
碳源种类对发酵影响及控制 氮源的种类和浓度的影响及控制 磷酸盐浓度的影响和控制 菌体浓度的影响及控制
碳源种类对发酵影响及控制
碳源种类 快速利用和缓慢利用碳源 有机和无机
碳酸气； 淀粉水解糖，糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等 石油、正构石蜡，天然气 醋酸、甲醇、乙醇等石油化工产品 青霉素发酵（快速利用碳源，产量低，细胞生长快，缓慢 利用碳源，产量高，细胞生长慢。 混合碳源 透明质酸（快速和缓慢利用碳源结合）
在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期， 从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。 因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关 闭得比较严密有利于产物合成。
发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段 280C，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖 化酶32～340C。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如 谷氨酸产生菌生长30～320C，产酸34～370C。最适温度 选择要根据菌种与发酵阶段做试验。
氮源种类对发酵影响及控制
氮源种类 无机氮和有机氮；快速氮和慢速氮 豆饼或蚕蛹水解液，味精废液，玉米浆，酒 糟水等有机氮 尿素，硫酸铵，氨水，硝酸盐等无机氮 气态氮
链霉菌的竹桃霉素发较中采用快速氮源（铵 盐）可以刺激菌丝的生长，但是抗生素的降 低。
氮源浓度对发酵影响及控制
氮源浓度过高会使细胞脱水死亡，浓度过 低，细胞生长缓慢 一般工业发酵的碳氮比为100/0.2-2.0;谷氨酸 的发酵碳氮比为100：15-21；当其比为100： 11才开始积累谷氨酸。
磷酸盐浓度的影响和控制
无机盐 磷酸盐，钾盐，镁盐，钙盐等其他矿盐 铁、锰、钴等微量元素 其他 特殊生长因子 硫胺素、生物素、对氨基苯甲酸、肌醇等 杆菌肽的发酵中无机磷酸盐浓度控制在0.1-1mmol.L-1,这 时合成杆菌肽，但浓度高于1mmol.L-1其产生受抑制。 抗生素如链霉素，新霉素，四环素，万古霉素等对高浓度 磷酸盐敏感，过高会抑制，但是太低菌体生长受影响。一 般工业上采用生长亚适量（对菌体生长不是最适合，但不 影响生长的量的磷酸盐浓度。
菌体浓度的影响及控制
菌体浓度（Cell concentration)
比生长速率：µ=(lgNt-lgNt0)*2.303/t-t0 营养基质浓度与细菌生长速率之间关系
莫诺公式 µ= µm(S/Ks+S)
第二节 温度变化及其控制
一、温度对生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们 对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于 0～260C生长，嗜温菌适应于15～430C生长， 嗜热菌适应于37～650C生长，嗜高温菌适应于 650C以上生长
碳源浓度对发酵影响控制
培养基中碳源含量超过5%，细胞生长会因脱水而下降。 酵母的Crabtree效应：即Crabtree(1929)发现，当酵母在 高糖浓度下，即时溶氧充足，它还会进行发酵，从葡萄糖 生产乙醇。为获得最大酵母得率，不能用恒速流加的方法， 而保持最大生长速率的补料分批培养或连续培养可以避免 该现像的出现。 利用重组酵母毕赤酵母高密度发酵生产水蛭素，甲醇一方 面作为碳源，同时也充当能源，提高甲醇的量可以促进产 物的表达量提高，但是高浓度甲醇会拟制细胞生长。
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范 围相一致。
什么是液晶状态？
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的 过渡状态称为液晶态。
由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示；
由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。
T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。
那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细 胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物， 其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸， 而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
（3）最适温度的选择
根据菌种及生长阶段选择
微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要 求的温度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为370C， 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30～320C， 青霉菌生长温度为300C。
根据生长阶段选择
在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌 体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；