发酵过程优化与控制(原理部分)220页PPT
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发酵过程优化与控赖氨酸发酵过程优化学习PPT教案
1957年，日本开始采用野生菌株发酵生产谷氨酸，1960年 用谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型变异株生产赖氨酸。
20世纪60年代中期，我国开始赖氨酸发酵菌株和工艺条件 研究。1974年中科院微生物所诱变北京棒杆菌AS 1.229得到营 养缺陷型变异株AS 1.563，产酸17.9g/L，进一步诱变得到AECr 变异株，产酸50g/L。
②以连续培养作为研究手段，考察了微生物的菌体生长、 产物形成及基质消耗特性。通过代谢途径进行定量的质、能 衡算，得出了赖氨酸的理论转化率。进一步比较理论转化率 和FB42真实转化率之间的差异，对FB42的代谢流进行分析， 据此得出对工艺研究有指导的一些理论依据；
③在小型反应器中对影响赖氨酸形成的一些重要环境因 子进行定量的考察，找出目的微生物的生理生化特性、营养 源供给与反应器特性之间的内在联系，得出最适的操作条件。 在此基础上进一步对发酵过程的动力学进行研究，建立起合 理的动力学模型，为流加发酵的最优化研究打下基础；
我国学者对赖氨酸的研究长期以来都把工作重点放在高 产菌株的选育上，有关如何对发酵过程进行优化与控制的研 究较少。
实际生产需要的一些培养条件、技术指标往往在摇瓶条 件下获得，这种低水平的研究方法客观上制约了菌种潜力的 充分发挥，不仅如此，由于在摇瓶条件下无法对目的微生物 生理生化特性、营养供给及操作、发酵设备三者之间建立起 有机的联系，当反应器规模发生变化时发酵结果常常不能重 复。这是导致生产规模扩大而发酵水平降低的根本原因。
2、赖氨酸产生菌的育种策略 根据前面对赖氨酸合成途径及调节机制的分析，赖氨酸发 酵属于代谢控制发酵。
所谓代谢控制发酵是指微生物在正常代谢调控机制作用下， 不会积累人们所需要的目的产物，通过用人工诱变等方法有目 的地破坏其部分代谢调控机制，改变其固有的调节机制，使合 成产物的途径畅通无阻，最大限度地积累目的产物。
20世纪60年代中期，我国开始赖氨酸发酵菌株和工艺条件 研究。1974年中科院微生物所诱变北京棒杆菌AS 1.229得到营 养缺陷型变异株AS 1.563，产酸17.9g/L，进一步诱变得到AECr 变异株，产酸50g/L。
②以连续培养作为研究手段，考察了微生物的菌体生长、 产物形成及基质消耗特性。通过代谢途径进行定量的质、能 衡算，得出了赖氨酸的理论转化率。进一步比较理论转化率 和FB42真实转化率之间的差异，对FB42的代谢流进行分析， 据此得出对工艺研究有指导的一些理论依据；
③在小型反应器中对影响赖氨酸形成的一些重要环境因 子进行定量的考察，找出目的微生物的生理生化特性、营养 源供给与反应器特性之间的内在联系，得出最适的操作条件。 在此基础上进一步对发酵过程的动力学进行研究，建立起合 理的动力学模型，为流加发酵的最优化研究打下基础；
我国学者对赖氨酸的研究长期以来都把工作重点放在高 产菌株的选育上，有关如何对发酵过程进行优化与控制的研 究较少。
实际生产需要的一些培养条件、技术指标往往在摇瓶条 件下获得，这种低水平的研究方法客观上制约了菌种潜力的 充分发挥，不仅如此，由于在摇瓶条件下无法对目的微生物 生理生化特性、营养供给及操作、发酵设备三者之间建立起 有机的联系，当反应器规模发生变化时发酵结果常常不能重 复。这是导致生产规模扩大而发酵水平降低的根本原因。
2、赖氨酸产生菌的育种策略 根据前面对赖氨酸合成途径及调节机制的分析，赖氨酸发 酵属于代谢控制发酵。
所谓代谢控制发酵是指微生物在正常代谢调控机制作用下， 不会积累人们所需要的目的产物，通过用人工诱变等方法有目 的地破坏其部分代谢调控机制，改变其固有的调节机制，使合 成产物的途径畅通无阻，最大限度地积累目的产物。
发酵过程优化与控制(第五章、丙酮酸发酵)ppt课件
液中丙酮酸产量较高，但低于蛋白胨。不过，由于豆饼水解液来
源广、价格低，因而仍是一种有潜力的氮源。 2、无机氮源对丙酮酸及蛋白胨和豆饼水解液。
四、分批培养中供氧方式和培养基碳氮比对丙酮酸发酵
的影响 1、供氧方式对丙酮酸发酵的影响
供氧方式对丙酮酸产率和产量有影响，相对较高的溶氧
有利于实验菌株发酵生产丙酮酸。 2、培养基碳氮比的影响 小型发酵罐的实验结果表明:葡萄糖和蛋白胨的浓度按 碳:氮=25：1的原则同时提高，丙酮酸的生产会得到促进； 若蛋白胨浓度保持不变，在此基础上再提高葡萄糖浓度（即 C:N增大），发酵后期（40h后）细胞生长速度和葡萄糖消 耗速度明显下降，丙酮酸产率也显著降低。
第三节、维生素在丙酮酸过量合成中的重要作用 以一株能以NH4Cl为唯一氮源生长和大量产酸的突变株 T.glabrata WSH-IP303为研究用菌株，进行维生素对丙酮酸积 累影响的研究。 一、 T.glabrata WSH-IP303对氮源的同化能力 该菌株仍然为烟酸、硫胺素、吡哆醇和生物素4种维生素 的营养缺陷型，但能在以NH4Cl、硫酸铵、磷酸氢二铵和尿素 等为唯一氮源的培养基中非常好地生长，随着无机氮浓度的增 加，菌株的生长略受抑制，但不是非常明显，蛋白胨不是该菌 株生产丙酮酸的最佳氮源。 二、维生素对WSH-IP303过量合成丙酮酸的影响 由于WSH-IP303能够以氯化铵为唯一氮源大量积累丙酮 酸，因而可在全合成培养基中对维生素的影响进行深入分析。
发酵过程优化与 控制(第五章、 丙酮酸发酵)
第一节 丙酮酸发酵概述
一、发酵生产丙酮酸方法
包括两类方法：直接发酵法，即微生物在生长过程中直 接利用碳源积累丙酮酸；休止细胞法，即微生物细胞先生
长，再转化底物为丙酮酸。
发酵过程控制与优化ppt课件
参数，使有利于生
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
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。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
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。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。
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。
.
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。
发酵过程优化与控控制PPT课件
（一）运输过程 大多数细胞的细胞质外有两种结构：细胞壁和细胞膜，
这些结构是细胞的屏障。 细胞壁的主要功能是防止因胞内的高渗透压而引起细胞
破裂，细胞膜主要由磷脂组成，在细胞生长过程中，具有变 化的流动结构。大部分小分子很容易通过细胞壁，因此运输 过程主要取决于细胞膜，大分子物质只有在细胞具有特定的 排泄机制时才可以通过细胞壁运输。
培养基中存在的能够被微生物利用的化学物质均称为底 物，因此，底物可以是培养基制备时所添加的化学物质，也 可以是代谢产物或代谢中间体等物质。例如酿酒酵母的二次 生长现象，酵母以葡萄糖为底物生长的同时会产生乙醇，当 葡萄糖耗尽后，细胞能继续以乙醇为底物生长。
代谢产物是那些形成于细胞内，能够穿过细胞膜的物质， 它们可以被排泄进入非生物相。因此，代谢产物既可以是底 物经过多步反应形成的小分子物质，也可以是细胞产生的大 分子物质，如胞外蛋白酶。细胞质成分则是由底物形成的、 不能穿过细胞膜的物质，如蛋白质、RNA和DNA，一些小分 子如ATP、NADH以及NADPH也可以归为细胞质成分。
质子穿过膜的过程中会产生电化学势，将质子运输回 细胞（线粒体）内，就可以获得吉布斯自由能。质子的内流 是由参与了ATP合成的ATP酶传递的，其运输是可逆的，如 ATP酶也可以通过通过消耗ATP的方式将质子泵出细胞，这 也是一个一级主动运输过程。质子的运输过程如图2-1所示。
n0H+
膜
ATP酶
NADH+O2
2、协助扩散 细胞膜中存在许多转运蛋白，允许特定的化合物进行被 动运输，且比自由扩散通过细胞快得多，这一过程就是协 助扩散。真菌中这种运输机制是很典型的，在细菌中则比 较少见。 协助扩散与自由扩散相似，因为只有存在浓度梯度时， 由高浓度向低浓度的运输才可能发生。化合物在自由转运 物的存在下才能进入细胞，故运输速率遵循典型的饱和型 动力学，即：在低浓度下，运输速率与底物浓度呈一级关 系，而在高浓度时则呈现零级关系。真菌中通过协助扩散 的底物主要有葡萄糖和其它糖类。
微生物工程原理--发酵过程及控制 ppt课件
聚醚类, 高级醇,脂肪酸,…..
ppt课件
62
九、染菌分析及控制
ppt课件
63
（一）染菌原因分析
染菌的原因
归结起来是： • 设备、管道、阀门漏损、灭菌不彻底； • 空气净化不好； • 无菌操作不严或菌种不纯等。
ppt课件
64
某发酵厂染菌现象的统计分析
1、种子带菌或怀疑种子带菌 9.64%
2、罐压跌零造成染菌
橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌
温度（℃） C临界（m mol/升）
30
0.018-0.049
15
0.0031
37.8
0.0082
20
0.0037
34.8
0.0046
24
0.0022
30
0.009
32
0.02
ppt课件
33
ppt课件
34
（一）影响需氧和供氧的因素
影响微生物需氧量的因素 1、菌种 2、菌体浓度 3、菌龄 4、培养基
微生物对养料的吸收和对代谢产物的分泌 3、pH影响培养基中某些营养物质的可给性 4、pH可能改变培养基的氧化还原电位 5、pH会影响某些微生物的形态
ppt课件
41
（二）、影响pH变化的因素： 1、菌种特性 2、培养基组成 3、发酵条件
ppt课件
42
（三）、pH在发酵过程中的变化规律
在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少， 铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。
• 具有一定的亲水性，使消泡剂对气－液界面的分 散系数足够大，从而迅速发挥消泡活性；
• 在水中的溶解度必须小，以保持持久地消泡或抑 泡性能；
• 对人、畜及微生物无毒； • 不影响氧在发酵液中的溶解和传递； • 来源方便、广泛、价格便宜；
ppt课件
62
九、染菌分析及控制
ppt课件
63
（一）染菌原因分析
染菌的原因
归结起来是： • 设备、管道、阀门漏损、灭菌不彻底； • 空气净化不好； • 无菌操作不严或菌种不纯等。
ppt课件
64
某发酵厂染菌现象的统计分析
1、种子带菌或怀疑种子带菌 9.64%
2、罐压跌零造成染菌
橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌
温度（℃） C临界（m mol/升）
30
0.018-0.049
15
0.0031
37.8
0.0082
20
0.0037
34.8
0.0046
24
0.0022
30
0.009
32
0.02
ppt课件
33
ppt课件
34
（一）影响需氧和供氧的因素
影响微生物需氧量的因素 1、菌种 2、菌体浓度 3、菌龄 4、培养基
微生物对养料的吸收和对代谢产物的分泌 3、pH影响培养基中某些营养物质的可给性 4、pH可能改变培养基的氧化还原电位 5、pH会影响某些微生物的形态
ppt课件
41
（二）、影响pH变化的因素： 1、菌种特性 2、培养基组成 3、发酵条件
ppt课件
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（三）、pH在发酵过程中的变化规律
在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少， 铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。
• 具有一定的亲水性，使消泡剂对气－液界面的分 散系数足够大，从而迅速发挥消泡活性；
• 在水中的溶解度必须小，以保持持久地消泡或抑 泡性能；
• 对人、畜及微生物无毒； • 不影响氧在发酵液中的溶解和传递； • 来源方便、广泛、价格便宜；
发酵过程控制与优化
第一节 发酵过程的参数检测
物理参数 化学参数 生物参数
一、物理参数
1. 温度
指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。 温度的高低与下列参数有密切关系 发酵中的酶反应速度 菌体生长速度，产物合成速度 氧在培养液中的溶解度，传递速度
2. 压力
发酵罐维持的压力。 罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯
4 温度的控制
发酵罐：夹套（10 M3以下） 盘管（蛇管） （10 M3以上）
二、 pH对发酵的影响及控制
发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境 条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。 它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。
尽管多数微生物能在3~4个pH单位的pH范围内 生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最 佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。
V：空气流量（L / h）
W：发酵液体积（L）
C
入：空气进口O
浓度
2
2. 呼吸强度
呼吸强度QO2：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧 量（mmol/g.h）
QO2
r X
r : 摄氧率
X：干菌体浓度
3. 呼吸商
呼吸商RQ：发酵过程中氧的消耗比速与二氧化碳 生成比速的商
摩尔
RQ COO QQ 摩尔
生成速率（
化学、生物参数
单位
测试方法
意义、主要作用
g/ml ppm mV g/ml Pa % G(DCW)/ml Mg(DCW)/g Mg(DCW)/g Mg(DCW)/g gO2/L.h gO2/g菌.h
1/h
传感器 取样 传感器 传感器 取样 传感器 传感器 取样 取样 取样 取样 间接计算 间接计算 间接计算 间接计算
第五章-发酵过程控制ppt课件(全)
第一节 发酵方式
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。
广义发酵：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。
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
分批培养中的微生物的典型生长曲线
停滞期（Ⅰ）
停滞期（Ⅰ）： 刚接种后的一段时间内，细胞不生长，细胞 数目和菌量基本不变。
第五章 发酵过程及控制
学习目标
知识目标 能陈述发酵过程的影响因素（温度、溶氧、pH等）； 能陈述不同发酵方式的理论及异同及优劣； 掌握发酵动力学的有关原理、发酵器的分类及发展趋势。 能力目标 能够找出发酵最适宜条件，并采取相应控制措施； 能够进行发酵终点判断； 能够进行发酵过程重要检测；
三、产物形成动力学
产物形成与生长的关系 细胞生长与代谢产物形成之间的动力学关系决定
于细胞代谢中间产物所起的作用。描述这种关系的 模式有三种，即生长联系型模式、非生长联系型模 式和复合型模式。 （1）生长联系型模式 （2）非生长联系型模式 （3）复合模式
四、生长得率与产物得率
1.生长得率和产物得率的定义 生长得率：消耗每单位数量的基质所得到的菌体，
发酵过程优化与控制技术研究 ppt课件
我国是世界最大的维生素C生产国和出口国，2009年生产10万吨 左右，产值45亿，占世界市场90％
关键科学问题：维生素C发酵微生物的功能关系
L-山梨糖
2-酮基-L-古龙酸
小菌(氧化葡萄糖 杆菌G. oxydans )
+
大菌(巨大芽孢杆 菌B. megaterium )
现况：维生素C两步发酵工艺 小菌单独培养生长、产酸困难 大菌本身不产酸，促进小菌生长和产酸
基于细胞内部分析进行优化
d (DCW) / (g/L)
r (Glucose) / (g/L)
16
12
8
A
4
0
140
120
t /h
100
80
60
B
40
20
0
80 t /h
60
40
C
20
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t /h
优化策略
高产量
高底 物转 化率
高生 产强
度
r (Pyruvate) / (g/L)
对发酵过程 自适应最优
进行在线状 化控制系统
态预测和模 的开发、计
式识别
算机模拟和
实际应用
15
发酵优 化技术
4 基于代谢通量分析的过程优化技术
研究思想
参考已知的生化反应计量关系、 代谢途径、生理、特征，构建、
合成不同产物的代谢网络。
利用代谢通量分析方法，计算得
出胞内各条代谢途径的通量变化。
16
目的
研究思想
分 析
发酵过程的动力学参数(μ， qp，qs) 流变学参数的变化特性
不同T、pH、 RPM、DO
关键科学问题：维生素C发酵微生物的功能关系
L-山梨糖
2-酮基-L-古龙酸
小菌(氧化葡萄糖 杆菌G. oxydans )
+
大菌(巨大芽孢杆 菌B. megaterium )
现况：维生素C两步发酵工艺 小菌单独培养生长、产酸困难 大菌本身不产酸，促进小菌生长和产酸
基于细胞内部分析进行优化
d (DCW) / (g/L)
r (Glucose) / (g/L)
16
12
8
A
4
0
140
120
t /h
100
80
60
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40
20
0
80 t /h
60
40
C
20
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t /h
优化策略
高产量
高底 物转 化率
高生 产强
度
r (Pyruvate) / (g/L)
对发酵过程 自适应最优
进行在线状 化控制系统
态预测和模 的开发、计
式识别
算机模拟和
实际应用
15
发酵优 化技术
4 基于代谢通量分析的过程优化技术
研究思想
参考已知的生化反应计量关系、 代谢途径、生理、特征，构建、
合成不同产物的代谢网络。
利用代谢通量分析方法，计算得
出胞内各条代谢途径的通量变化。
16
目的
研究思想
分 析
发酵过程的动力学参数(μ， qp，qs) 流变学参数的变化特性
不同T、pH、 RPM、DO
发酵过程控制与优化ppt课件
一、温度对发酵的影响 1.影响反应速率 2.影响发酵方向
另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和酵温度是既适合菌体的生长又适合 代谢产物合成的温度。
随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生 长阶段不同而改变。
三、发酵过程引起温度变化的因素——发酵热
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐
射
四、温度的控制
一般不需加热，因 释放了大量的发酵热， 需要冷却的情况多。
用夹套或蛇形管， 通冷却水。
第三节 pH变化及其控制
一、pH变化的原因
1.基质代谢
（1）糖代谢 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。
（2）氮代谢 氨基酸中的-NH2被利用，pH下降； 尿素被分解成NH3，pH上升。
生长的最适pH值与发酵的最适pH值
举例：Aspergillus niger在pH2~2.5范围时有利于合 成柠檬酸，当在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主， 而在pH7.0时，则以合成草酸为主。
2.pH的控制
(1)调节好基础培养基的pH。
若控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.56.8。 (2)通过加酸碱和中间补料来控制。
罐内消泡: 靠罐内消泡浆打碎泡沫。 罐外消泡：靠喷嘴的加速作用消除泡沫。
2.消泡剂消泡
机理: 降低液膜的机械强度 降低液膜的表面粘度
（1）天然油脂类：豆油、玉米油、棉子油、菜 籽油（还可作为碳源），用量大，0.1% 0.2%。 （2）聚醚类：又称泡敌，消泡能力为豆油的 1020倍，用量少，0.02%-0.03%。
第六节 发酵染菌及其防治
一、染菌的检查、判断
（一）观察法
1. 菌体浓度（OD值）异常（OD:optical density） 2. 溶解氧（DO）异常 3. pH值异常 4. 泡沫过多
另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和酵温度是既适合菌体的生长又适合 代谢产物合成的温度。
随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生 长阶段不同而改变。
三、发酵过程引起温度变化的因素——发酵热
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐
射
四、温度的控制
一般不需加热，因 释放了大量的发酵热， 需要冷却的情况多。
用夹套或蛇形管， 通冷却水。
第三节 pH变化及其控制
一、pH变化的原因
1.基质代谢
（1）糖代谢 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。
（2）氮代谢 氨基酸中的-NH2被利用，pH下降； 尿素被分解成NH3，pH上升。
生长的最适pH值与发酵的最适pH值
举例：Aspergillus niger在pH2~2.5范围时有利于合 成柠檬酸，当在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主， 而在pH7.0时，则以合成草酸为主。
2.pH的控制
(1)调节好基础培养基的pH。
若控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.56.8。 (2)通过加酸碱和中间补料来控制。
罐内消泡: 靠罐内消泡浆打碎泡沫。 罐外消泡：靠喷嘴的加速作用消除泡沫。
2.消泡剂消泡
机理: 降低液膜的机械强度 降低液膜的表面粘度
（1）天然油脂类：豆油、玉米油、棉子油、菜 籽油（还可作为碳源），用量大，0.1% 0.2%。 （2）聚醚类：又称泡敌，消泡能力为豆油的 1020倍，用量少，0.02%-0.03%。
第六节 发酵染菌及其防治
一、染菌的检查、判断
（一）观察法
1. 菌体浓度（OD值）异常（OD:optical density） 2. 溶解氧（DO）异常 3. pH值异常 4. 泡沫过多
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Laboratory, Oak Ridge, TN, USA.) 13
《细胞大规模培养》在生物 技术产业发展中的作用
21世纪的生物技术产业究竟是一个什么样的 格局？作为生物技术产业的核心，以微生物为 代表的过程研究，在已经开始的生物经济时代 是处于一种什么状态？能起何种作用？面临怎 样的课题? 这是人们所关注的问题！
14
发酵工程的重大转折点
二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发， 青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。 ❖ 1928年由 Fleming发现青霉素 ❖ 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 ❖ 表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸 培养基 ─── 40u/ml ❖ 1943年沉浸培养： 5m3 ─── 200u/ml ❖ 当今：100m3─200m3 ─── 5-7万u/ml ❖ 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素
11
基于碳氢化合物的经济转变为基于 碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪
只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生 资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原 料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接 关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和 国家安全。
12
Idealized biorefinery concept. (Image courtesy of Oak Ridge National
课程内容与参考书
▪ 内容 发酵过程优化与控制(原理部分) 发酵过程优化与控制(工艺部分) 发酵过程优化与控制(控制部分) 发酵过程优化与控制(实践部分) ▪ 参考书目
发酵过程优化原理与实践 陈坚 江南大学 多尺度微生物过程优化 张嗣良 华东理工大学 发酵过程原理 叶勤 华东理工大学
2
学科的交叉与渗透
15
主要的技术进展：
▪ 通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。 ▪ 抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭
菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制 造。
意义：
▪ 抗生素工业的发展 ▪ 建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培
养方法 ▪ 推动了整个发酵工业的深入发展 ▪ 为现代发酵工程奠定了基础
生物反应器的名称、定义与范畴： 植物生物反应器 、动物生物反应器 、微生物生物反 应器 、哺乳动物乳腺生物反应器 、利用活体家蚕及 动物细胞培养生产有用蛋白 、微生物细胞加工厂, ….
8
细胞大规模培养技术
▪ 细胞大规模培养 ── 微生物、动植物细胞、藻 类细胞等，传统技术或基因工程改造
▪ 细胞代谢产物、生物转化、酶、蛋白质表达和 基因质粒等
▪ 占生物技术产品的40%以上，达1OOO亿美元。
9
发酵工程产业化发展
目前，全球发酵产品的年销售额在1000亿美元左 右，并以每年约7％～8％的速率增长。
我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产 品的年产值高达1300亿元。
发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨 大的潜力
涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、 资源与能源等重大问题
传统生物技术
抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、
有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、
生物农药、生物肥料等
现代生物技术 基因工程菌发酵
基因工程药物、Βιβλιοθήκη 苗及抗体产品医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业
化学工程 生物化工 生物加工行业 7
生物技术产品生产的发展历程
发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→ 抗菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵 ）→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞 大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动植物
19
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位
现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、 药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地 生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊 化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环 境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用
如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是 一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必 须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下 游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高的 生产强度(缩短发酵周期)
10
人类社会经济发展的危机
随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源 结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。特别 重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护 的急需，如果没有基于科技进步的大力开发，能源 和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标。
传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必 需走资源节约型、环境友好型的道路
• 核心目标：大规模利用生物体系（如细 胞或酶）作为催化剂实现物质转化
工业生物技术是生物技术的重要组成部分
5
典型工业生物技术过程
细胞
酶
生物催化剂 （游离或固定化）
空气
检测控 制仪表
除 菌
产品提取纯化
生物反应器
（灭菌）
原材料 底物
营养物 培养基
经加工 原料
机械能 热能
副产品 产品 废物
6
发 酵 工 程 ── 利用微生物进行产品生产
20
二. 发酵过程优化的研究内容和目标
发酵过程优化的主要研究内容
第一个方面是细胞生长过程研究 第二个方面是微生物反应的化学计量 第三个方面是生物反应过程动力学的研究
生物学
生物
生物
化学 生物 技术
工程
化学
化学 工程
工程学
新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生
3
生物技术
医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术 环境生物技术 材料生物技术
. . .
用生物或生物分子机器生产产品和解决问题
4
工业生物技术
• 含意：在工业规模的生产过程中使用或 部分使用生物技术来实现产品的制造， 这种技术是应用微生物和生物催化剂来 提供产品和服务
16
大型发酵罐 搅拌装置
17
现代发酵工程的主要研究内容
1. 发酵过程的优化控制技术 2.生化过程的模型化 3.高密度培养技术 4.代谢工程和代谢网络控制 5.新型生化反应器的研究和开发 6.新型发酵和产品分离技术
18
第一章 绪论
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制
《细胞大规模培养》在生物 技术产业发展中的作用
21世纪的生物技术产业究竟是一个什么样的 格局？作为生物技术产业的核心，以微生物为 代表的过程研究，在已经开始的生物经济时代 是处于一种什么状态？能起何种作用？面临怎 样的课题? 这是人们所关注的问题！
14
发酵工程的重大转折点
二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发， 青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。 ❖ 1928年由 Fleming发现青霉素 ❖ 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 ❖ 表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸 培养基 ─── 40u/ml ❖ 1943年沉浸培养： 5m3 ─── 200u/ml ❖ 当今：100m3─200m3 ─── 5-7万u/ml ❖ 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素
11
基于碳氢化合物的经济转变为基于 碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪
只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生 资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原 料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接 关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和 国家安全。
12
Idealized biorefinery concept. (Image courtesy of Oak Ridge National
课程内容与参考书
▪ 内容 发酵过程优化与控制(原理部分) 发酵过程优化与控制(工艺部分) 发酵过程优化与控制(控制部分) 发酵过程优化与控制(实践部分) ▪ 参考书目
发酵过程优化原理与实践 陈坚 江南大学 多尺度微生物过程优化 张嗣良 华东理工大学 发酵过程原理 叶勤 华东理工大学
2
学科的交叉与渗透
15
主要的技术进展：
▪ 通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。 ▪ 抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭
菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制 造。
意义：
▪ 抗生素工业的发展 ▪ 建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培
养方法 ▪ 推动了整个发酵工业的深入发展 ▪ 为现代发酵工程奠定了基础
生物反应器的名称、定义与范畴： 植物生物反应器 、动物生物反应器 、微生物生物反 应器 、哺乳动物乳腺生物反应器 、利用活体家蚕及 动物细胞培养生产有用蛋白 、微生物细胞加工厂, ….
8
细胞大规模培养技术
▪ 细胞大规模培养 ── 微生物、动植物细胞、藻 类细胞等，传统技术或基因工程改造
▪ 细胞代谢产物、生物转化、酶、蛋白质表达和 基因质粒等
▪ 占生物技术产品的40%以上，达1OOO亿美元。
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发酵工程产业化发展
目前，全球发酵产品的年销售额在1000亿美元左 右，并以每年约7％～8％的速率增长。
我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产 品的年产值高达1300亿元。
发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨 大的潜力
涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、 资源与能源等重大问题
传统生物技术
抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、
有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、
生物农药、生物肥料等
现代生物技术 基因工程菌发酵
基因工程药物、Βιβλιοθήκη 苗及抗体产品医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业
化学工程 生物化工 生物加工行业 7
生物技术产品生产的发展历程
发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→ 抗菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵 ）→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞 大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动植物
19
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位
现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、 药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地 生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊 化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环 境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用
如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是 一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必 须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下 游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高的 生产强度(缩短发酵周期)
10
人类社会经济发展的危机
随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源 结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。特别 重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护 的急需，如果没有基于科技进步的大力开发，能源 和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标。
传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必 需走资源节约型、环境友好型的道路
• 核心目标：大规模利用生物体系（如细 胞或酶）作为催化剂实现物质转化
工业生物技术是生物技术的重要组成部分
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典型工业生物技术过程
细胞
酶
生物催化剂 （游离或固定化）
空气
检测控 制仪表
除 菌
产品提取纯化
生物反应器
（灭菌）
原材料 底物
营养物 培养基
经加工 原料
机械能 热能
副产品 产品 废物
6
发 酵 工 程 ── 利用微生物进行产品生产
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二. 发酵过程优化的研究内容和目标
发酵过程优化的主要研究内容
第一个方面是细胞生长过程研究 第二个方面是微生物反应的化学计量 第三个方面是生物反应过程动力学的研究
生物学
生物
生物
化学 生物 技术
工程
化学
化学 工程
工程学
新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生
3
生物技术
医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术 环境生物技术 材料生物技术
. . .
用生物或生物分子机器生产产品和解决问题
4
工业生物技术
• 含意：在工业规模的生产过程中使用或 部分使用生物技术来实现产品的制造， 这种技术是应用微生物和生物催化剂来 提供产品和服务
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大型发酵罐 搅拌装置
17
现代发酵工程的主要研究内容
1. 发酵过程的优化控制技术 2.生化过程的模型化 3.高密度培养技术 4.代谢工程和代谢网络控制 5.新型生化反应器的研究和开发 6.新型发酵和产品分离技术
18
第一章 绪论
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制