第七章 发酵工艺控制
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07 第七章 发酵工艺过程控制 20171024 课后
第七章发酵工艺过程控制11. 发酵工艺过程控制2. 温度对发酵的影响及其控制3. pH值对发酵的影响及其控制4. 溶解氧对发酵的影响及其控制5. 泡沫对发酵的影响及其控制6. 补料（基质浓度）控制7. 发酵过程中的参数检测8. 高密度发酵21.发酵工艺过程控制3发酵过程控制的重要性•过程控制的内容：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的控制。
•过程控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使所需要的代谢活动得以最充分的表达，以最经济、最大限度地获得发酵产物。
决定发酵水平的因素外部环境因素生物因素：菌株特性(营养要求、生长速率、产物合成速率)设备性能: 传递性能工艺条件物理：T 、Ws化学：pH 、DO 、基质浓度4工业微生物发酵过程52.温度对发酵的影响及其控制影响发酵温度变化的因素温度对微生物生长的影响温度对基质消耗的影响温度对产物合成的影响最适温度的选择与控制62.1 影响发酵温度的因素发酵热就是发酵过程中所产生的净热量Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射产热因素：生物热机械搅拌热散热因素：蒸发热辐射热7（1）生物热Q生物生物热是生产菌在生长繁殖过程中产生的热能。
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化产生能量，一部分用于合成ATP提供细胞代谢产物合成需的能量，另一部分以热的形式散发，这散发出来的热就叫生物热。
影响生物热的因素：菌株发酵类型、培养基、发酵时期8生物热与发酵类型有关微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。
和水一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2好氧：产生287.2千焦耳热量，–183千焦耳转变为高能化合物–104.2千焦以热的形式释放厌氧：产生22.6千焦耳热量，–9.6千焦耳转变为高能化合物–13千焦以热的形式释放9培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性细胞呼吸量强弱与生物热的大小有关：1.在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。
发酵工艺过程控制
第七章发酵工艺过程控制发酵产品生产过程是非常复杂的生物化学反应过程。
为了使生产过程达到预期的目的，获得较高的产品得率，只有采取各种不同方法测定生物代谢过程中代谢变化的各种参数，掌握代谢过程的变化情况，结合代谢控制理论，才能有效控制发酵过程。
不管是微生物发酵还是动植物细胞的培养过程，均是细胞按照生命固有的一系列遗传信息，在所处的营养和培养条件下，进行复杂而细微的各种动态的生化反应的集合。
为了充分表达生物细胞的生产能力，对某一特定的生物来讲，就要研究细胞的生长发育和代谢等生物过程，以及各种生物、理化和工程环境因素对这些过程的影响。
因此研究菌体的培养规律、外界控制因素对过程影响及如何优化条件，达到最佳效果是发酵工程的重要任务。
本章主要介绍微生物发酵的工艺过程控制。
第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数前已述及微生物发酵有三种方式即分批发酵(batchfermentation)、补料分批发酵(fed-batchfermentation)和连续发酵(continuousfermentation)。
工业上为了防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题，大都采用分批发酵或补料分批发酵这两种方式。
其中补料分批发酵已被广泛采用，因为它的技术介于分批发酵和连续发酵之间，兼有两者的优点，又克服了它们的缺点。
各种不同发酵方式菌体代谢变化也不相同，但为了了解其基本变化，仍以分批发酵为基础来说明其代谢规律。
微生物的分批发酵过程，因其代谢产物的种类不同而有一定的差异，但大体上是相同的。
产生菌体经过一定时间不同级数的种子培养，达到一定菌体量后，移种到发酵罐进行纯种和通气搅拌发酵（发酵工业中，绝大部分是好氧发酵），到规定时间即结束。
如在霉菌、放线菌的发酵过程中，随着菌体的生长和繁殖，培养液的物理性质、菌体形态和生理状态都可能会发生显著的变化，如：培养液的表观黏度可能增大，液体的流变学特性改变，进而影响罐内的氧传递、热传递和液体混合等过程。
7发酵工艺控制(1引言-2发酵过程原理)【发酵工程】
，这时α>μ，生长呈负增长。 工业发酵一般不会等到菌体开始自溶时才结束培养。
发酵周期的长短不仅取决于前面五期的长短，还取决于X0。 Bu’lock等将对数期称为生长期(trophophase)；将静止期称为分 化期(idiophase)。
7.2.1.1.1 生长关联型
根据产物的形成是否与菌体生长同步关联，Pirt将产物形成动力学分 为生长关联型和非生长关联型。
7.2.2.2 分批补料的优化
为了获得最大的产率，需优化补料的策略。 通过描述比生长速率μ与比生产速率之间的关系的数学模型，藉最大原理 (maximum principle)可容易获得比生长速率的最佳方案。这可以从实际分批补料培养中改变补料的速率，如边界控制实现。 在分批培养的前期μ应维持在其最大值μmax；下一阶段应保持在μc上。这 种控制策略可理解为细胞生长和产物合成的两阶段生产步骤。
静止期(V)： 实际上是一种生长和死亡的动态平衡，净生长速率等于零，即μ=α，α为
比死亡速率。 由于此期菌体的次级代谢十分活跃，许多次级代谢物在此期大量合成，
菌的形态也发生较大的变化，如菌已分化、染色变浅、形成空胞等。
死亡期(Ⅵ)： 当养分耗竭，对生长有害代谢物在发酵液中大量积累便进入死亡期(Ⅵ)
Shioya将生物反应器的优化分为三个步骤，即过程的建模、最佳解法 的计算和解法实现。为此，需考虑模型与真实过程之间的差异和优化计算的 难易。
在建模阶段出现的问题之一是怎样定量描述包括在质量平衡方程中的反应 速率。
图7—6 生物反应器优化的三个步骤
Shioya等对分批培养进行优化和控制方法如图7—7所示，用一模型鉴 别和描述比生长速率与比生产速率之间的关系，藉最大原理获得比生长速率 的最佳策略和这一策略得实现。
发酵周期的长短不仅取决于前面五期的长短，还取决于X0。 Bu’lock等将对数期称为生长期(trophophase)；将静止期称为分 化期(idiophase)。
7.2.1.1.1 生长关联型
根据产物的形成是否与菌体生长同步关联，Pirt将产物形成动力学分 为生长关联型和非生长关联型。
7.2.2.2 分批补料的优化
为了获得最大的产率，需优化补料的策略。 通过描述比生长速率μ与比生产速率之间的关系的数学模型，藉最大原理 (maximum principle)可容易获得比生长速率的最佳方案。这可以从实际分批补料培养中改变补料的速率，如边界控制实现。 在分批培养的前期μ应维持在其最大值μmax；下一阶段应保持在μc上。这 种控制策略可理解为细胞生长和产物合成的两阶段生产步骤。
静止期(V)： 实际上是一种生长和死亡的动态平衡，净生长速率等于零，即μ=α，α为
比死亡速率。 由于此期菌体的次级代谢十分活跃，许多次级代谢物在此期大量合成，
菌的形态也发生较大的变化，如菌已分化、染色变浅、形成空胞等。
死亡期(Ⅵ)： 当养分耗竭，对生长有害代谢物在发酵液中大量积累便进入死亡期(Ⅵ)
Shioya将生物反应器的优化分为三个步骤，即过程的建模、最佳解法 的计算和解法实现。为此，需考虑模型与真实过程之间的差异和优化计算的 难易。
在建模阶段出现的问题之一是怎样定量描述包括在质量平衡方程中的反应 速率。
图7—6 生物反应器优化的三个步骤
Shioya等对分批培养进行优化和控制方法如图7—7所示，用一模型鉴 别和描述比生长速率与比生产速率之间的关系，藉最大原理获得比生长速率 的最佳策略和这一策略得实现。
07 酵工艺控制.ppt
48
✓ 最适pH与微生物生长，产物形成之间 相互关系有四种类型：
➢ 菌体比生长速率μ和产物比生产速率QP的 最适pH在一个相似的较宽的范围内（比 较容易控制）；
➢ μ较宽， Qp范围较窄，或μ较窄， Qp范围 较宽（难控制，应严格控制）；
➢ μ和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（ 应严格控制）；
24
4、连续发酵的代谢曲线
从分批培养出发，无论在 哪个时候开始加入新鲜培 养基过渡到连续操作，达 到一定的菌体浓度及限制 基质浓度则培养系统一定 能成为稳定状态。
25
第二节 发酵工艺的控制
工艺条件控制的目的：就是要为生产 菌创造一个最适的环境，使我们所需 要的代谢活动得以最充分的表达。
26
一、温度对发酵的影响及控制
43
1、pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响
• pH影响酶的活性 • pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态 • pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离
解 • pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使
代谢产物的质量和比例发生改变
44
2、发酵过程中pH的变化
❖生长阶段 ❖生成阶段 ❖自溶阶段
45
产物形成与生长有关， 如酒精、某些酶等。
Q Y
P
P/ x
Q :产物形成比速g率/h（ L） P
Y ：菌体生长为基准物的的产率g（/ g） P/ x
h ：比生长速率1（ ）
15
■非生长关联型 non-growth associated
产物的形成速度与生 长无关，只与细胞积 累量有关。如，抗生 素。
– 第一类型 – 第二类型 – 第三类型
• Piret's fermentation classification （按照产物生成 与菌体生长是第二，三类型）
✓ 最适pH与微生物生长，产物形成之间 相互关系有四种类型：
➢ 菌体比生长速率μ和产物比生产速率QP的 最适pH在一个相似的较宽的范围内（比 较容易控制）；
➢ μ较宽， Qp范围较窄，或μ较窄， Qp范围 较宽（难控制，应严格控制）；
➢ μ和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（ 应严格控制）；
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4、连续发酵的代谢曲线
从分批培养出发，无论在 哪个时候开始加入新鲜培 养基过渡到连续操作，达 到一定的菌体浓度及限制 基质浓度则培养系统一定 能成为稳定状态。
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第二节 发酵工艺的控制
工艺条件控制的目的：就是要为生产 菌创造一个最适的环境，使我们所需 要的代谢活动得以最充分的表达。
26
一、温度对发酵的影响及控制
43
1、pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响
• pH影响酶的活性 • pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态 • pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离
解 • pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使
代谢产物的质量和比例发生改变
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2、发酵过程中pH的变化
❖生长阶段 ❖生成阶段 ❖自溶阶段
45
产物形成与生长有关， 如酒精、某些酶等。
Q Y
P
P/ x
Q :产物形成比速g率/h（ L） P
Y ：菌体生长为基准物的的产率g（/ g） P/ x
h ：比生长速率1（ ）
15
■非生长关联型 non-growth associated
产物的形成速度与生 长无关，只与细胞积 累量有关。如，抗生 素。
– 第一类型 – 第二类型 – 第三类型
• Piret's fermentation classification （按照产物生成 与菌体生长是第二，三类型）
发酵工艺控制培训课程.pptx
Q发酵=G·cw·(t1-t2)/V G—冷却水流量； Cw—水的比热； V—发酵液体积。 ②通过发酵液温度随时间上升的速率测定：
Q发酵=(M1c1+ M2c2)·S M1、c1 —发酵液质量、比热； M2、c2 —发酵罐质量、比热； S—温度上升速率。
4、最适温度选择与发酵温度控制
温度变化的一般规律与控制的一般原则
接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度， 以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖；
待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长 温度；
到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低 些，即代谢产物合成的最适温度；
到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。 选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温
第七章 发酵工艺控制
发酵的一般流程
培养基配制
种子扩大培养
空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
提纲
温度控制 pH值控制 溶氧控制 二氧化碳控制 泡沫的控制
1、温度对发酵的影响
对细胞生长的影响：温度升高，从酶反应动力学来看，生 长代谢加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易 于衰老； 对产物形成的影响：菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物 形成速率的最适温度往往是不同的；温度升高，一般产物 生成提前； 对生物合成的方向的影响：反馈抑制随温度变化而改变； 对发酵液物理性质及溶解氧的影响：影响氧的溶解和传递， 影响一些基质的分解，间接影响生物合成。
2、影响发酵温度的因素
发酵热的成分
生物热：微生物生长繁殖过程中的产热 搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热 蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量 辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量 显 热：空气流动过程夹带着的热量 Q发酵= Q生物+ Q搅拌- Q蒸发Q显-Q辐射
Q发酵=(M1c1+ M2c2)·S M1、c1 —发酵液质量、比热； M2、c2 —发酵罐质量、比热； S—温度上升速率。
4、最适温度选择与发酵温度控制
温度变化的一般规律与控制的一般原则
接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度， 以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖；
待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长 温度；
到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低 些，即代谢产物合成的最适温度；
到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。 选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温
第七章 发酵工艺控制
发酵的一般流程
培养基配制
种子扩大培养
空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
提纲
温度控制 pH值控制 溶氧控制 二氧化碳控制 泡沫的控制
1、温度对发酵的影响
对细胞生长的影响：温度升高，从酶反应动力学来看，生 长代谢加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易 于衰老； 对产物形成的影响：菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物 形成速率的最适温度往往是不同的；温度升高，一般产物 生成提前； 对生物合成的方向的影响：反馈抑制随温度变化而改变； 对发酵液物理性质及溶解氧的影响：影响氧的溶解和传递， 影响一些基质的分解，间接影响生物合成。
2、影响发酵温度的因素
发酵热的成分
生物热：微生物生长繁殖过程中的产热 搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热 蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量 辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量 显 热：空气流动过程夹带着的热量 Q发酵= Q生物+ Q搅拌- Q蒸发Q显-Q辐射
发酵学 第7章 发酵工艺的控制2
• 微生物生长和发酵的最适宜pH可能不同。
丙酮丁醇菌 生长：pH 5.5－7.0; 发酵：pH 4.3-5.3; 生长：pH 6.5-7.2 青霉素菌 发酵：pH 6.2-6.8 生长： pH 6.3-6.9 链霉素菌 发酵： pH 6.7-7.3
pH对发酵影响的机理 • 1.pH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
• 初级代谢的氨基酸发酵，需氧量的大小与 氨基酸的合成途径密切相关。 • 根据发酵需氧要求不同可分为三类
• 第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等 谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下， 产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受 到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸； • 第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬 氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高 产量，但供氧受限，产量受影响并不明显； • 第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供 氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的 氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。
对照罐发酵66小时pH达7.93，以后维持在8.0以上至115小 时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。 发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3， 调节这一段的 pH 值至 7.0 左右，以后自控 pH ，可提高发酵单位。
pH 7.0 pH 效价
t 不调pH 调pH
例：克拉维酸发酵中pH变换控制
• 2. pH值影响基质和中间代谢物的解离
– 进而影响微生物对这些成分的吸收
• 3. pH影响发酵产物的稳定性
影响产物稳定性
• β-内酰胺抗生素沙纳霉素的发酵中，pH在6.7～7.5 之间时抗生素的产量相近，高于或低于这个范围， 合成受到抑制。在这个pH值范围内，沙纳霉素的稳 定性未受到严重影响；但pH>7.5时，稳定性下降， 半衰期缩短，发酵单位也下降。 • 青霉素在碱性条件下发酵单位低，也与青霉素的稳 定性有关。
第7章 发酵工艺控制
生物热产生的大小有明显的阶段性， 其大小与菌体的呼吸强度呈正相关，呼吸强 度越大，所产生的生物热也越大。
并且也随着培养基成分的不同而变化。
在相同条件下，培养基成分越丰富，营养 被利用的速度越快，产生的生物热就越大。
（2）搅拌热（Q搅拌）
在好气发酵中，机械搅拌是增加溶解氧的必要手 段，所以好气培养的发酵罐都装有大功率的搅拌器。 搅拌热：搅拌带动液体作机械运动，造成液体之间、 液体与设备之间发生摩擦，这样机械搅拌的动能以摩 擦放热的方式，使热量散发在发酵液中，即搅拌热。 其可近似地按照式（7-4）计算。 Q搅拌=(P/V)×3600 P/V—通气条件下，单位体积发酵液所消耗的功率 （kW/m3)
发酵热：所谓发酵热即发酵过程中释放出来的 净热量，用[J/m3· h]表示，它是由产热因素和散热 因素两方面所决定的：
Q发酵= Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q显—Q辐射
（7-3）
（1）生物热（Q生物）
生物热：微生物在生长繁殖过程中，本
身产生的大量热称为生物热。
这种热主要来源于营养物质如碳水化合
物、蛋白质和脂肪等的分解产生的大量能 量。
实际上，生物氧化中氧吸收的效率多数低 于2%，通常情况下常常低于1%。也就是说，通 入发酵罐约99%的无菌空气被白白浪费掉。而 且大量无用空气还是引起过多泡沫的因素。
所以通气效率的改进可减少空气的使用量，
从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。
7.3.1 氧的传递和传质方程式 7.3.1.1 氧传递的各种阻力
3600——热功当量〔 kJ/(kW· 〕 h)
（3）蒸发热（Q蒸发）
蒸发热：通气时，进入发酵罐的空气与发酵液可 以进行热交换，使温度下降。并且空气带走了一部 分水蒸气，这些水蒸气由发酵液中蒸发时，带走了 发酵液中的热量，也使温度下降。被排出的水蒸气 和空气夹带着部分显热（Q显）散失到罐外的热量称 为蒸发热。 因为空气的温度和湿度随着季节的变化而不同， 所以蒸发热和Q显也会随之变化。 蒸发热可按下式（7-5）计算。 Q蒸发=G(I出-I进) G—通入发酵罐的干空气质量流量 I出、I进—分别为发酵罐排气和进气的热焓
七章发酵工艺控制-资料
Sugar/Oil feed Pressure probe
Level probe Antifoam
pH probe Acid/Base
Temp. probe Cooling
DO probe Air/agitation
Sample Analysis •pH •DO •Sugar •Ammonia •Phosphate •Sulphate •Products •Precursors •Contamination
二）、碳源浓度的影响
S过小
μ ＜ μC
qP随μ减小而减小
S过大
μ ＞＞ μC
OUR增大
X ＞＞ X C
CL ＜ CL C
qP减小
粘度增大
Kla减小
产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。
三）、碳源浓度的控制
在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度 补料的类型：
1、流加 2、少量多次的加入 3、多量少次的加入
调节阀 设定控制器
Controlled
Uncontrolled 6.5
pH电极
pH
第三节 菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制
影响菌体浓度的因素
菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种 类和自身的遗传特性有关
菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的 种类和浓度有关 （ μ 正比于S ）
当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓 度营养基质引起生长速率下降。
罐压(0.20.5×105Pa) 隔膜传感器 Pa 压敏电阻
搅拌转数
频率计数器 r/min
搅拌功率(2 -4KW/m3)
功率计
Kw
空气流量 粘度
浮子流量计 孔板差压计 旋转粘度计
发酵工艺控制
第七章 发酵工艺控制
微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身 的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的 生产能力充分表达出来； 必须了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培 养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入了解 生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可 能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论 基础； 通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体 浓度，糖、氮消耗及产物，以及采用传感器测定 发酵罐中的培养温度、pH、溶解氧等参数情况， 并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的 优化环境中。
连续流加、不连续流加、多周期流加 补料方式 快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加 单组分流加、多组分流加
直接以限制性营养物浓度作为反馈参数，如 控制氮源、碳源、C/N比等，由于目前缺乏 能直接测量重要参数的传感器，因此直接方 直接方法 法的使用受到了限制。
流加操作控制系统 反馈控制
间接方法 以溶氧、pH值、呼吸商、排气中CO2分
第一阶段，菌体生长占主导，生长和基质消耗间成正比 关系，没有或只有少量产物合成； 抗生素、维生素等的生产属此类型 产物形成速度只同已有的菌体量有关，而比生长速率对产物合成速率 第二阶段，以产物合成为主，只有少量生长（甚至不生 没有直接影响。 （土霉素、氯霉素、杆菌肽例外） 长或负生长）和少量基质消耗。
微生物耗氧速率 γ＝QO2· X （5-3）
γ——微生物摄氧率 mmol(O2)/L· h QO2——呼吸强度 mmol(O2)/g (干菌体) · h X ——菌体量 g (干菌体) /L
临界溶氧浓度 满足微生物呼吸的最低氧浓度。在临界氧浓 度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低 而显著下降。好氧微生物临界氧浓度大约是饱 和浓度的1-25％。
微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身 的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的 生产能力充分表达出来； 必须了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培 养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入了解 生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可 能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论 基础； 通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体 浓度，糖、氮消耗及产物，以及采用传感器测定 发酵罐中的培养温度、pH、溶解氧等参数情况， 并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的 优化环境中。
连续流加、不连续流加、多周期流加 补料方式 快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加 单组分流加、多组分流加
直接以限制性营养物浓度作为反馈参数，如 控制氮源、碳源、C/N比等，由于目前缺乏 能直接测量重要参数的传感器，因此直接方 直接方法 法的使用受到了限制。
流加操作控制系统 反馈控制
间接方法 以溶氧、pH值、呼吸商、排气中CO2分
第一阶段，菌体生长占主导，生长和基质消耗间成正比 关系，没有或只有少量产物合成； 抗生素、维生素等的生产属此类型 产物形成速度只同已有的菌体量有关，而比生长速率对产物合成速率 第二阶段，以产物合成为主，只有少量生长（甚至不生 没有直接影响。 （土霉素、氯霉素、杆菌肽例外） 长或负生长）和少量基质消耗。
微生物耗氧速率 γ＝QO2· X （5-3）
γ——微生物摄氧率 mmol(O2)/L· h QO2——呼吸强度 mmol(O2)/g (干菌体) · h X ——菌体量 g (干菌体) /L
临界溶氧浓度 满足微生物呼吸的最低氧浓度。在临界氧浓 度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低 而显著下降。好氧微生物临界氧浓度大约是饱 和浓度的1-25％。
简明微生物工程_7.1发酵工艺控制-温度、pH
（3）、生物参数
a．菌丝形态
丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢 变化的反映。一般都以菌丝形态作为衡量种子质 量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和 决定发酵周期的依据之一。
b．菌体浓度
菌体浓度的大小和变化速度对菌体的生化反应 都有影响。在生产上，常常根据菌体浓度来决定 适合的补料量和供氧量，以保证生产达到预期的 水平。
影响发酵温度的因素：发酵热（续）
②、搅拌热(Q搅拌)
• 主要来源：液体之间、液体与搅拌器等设备之间 的摩擦产生。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下 式计 Q搅拌＝P/V*3600 拌功率，(kW/m3)； (kJ／h)
• 式中：P/V——通气条件下，单位体积发酵液搅 3600——机械能转变为热能的热功当量，
②通过罐温度的自动控制，先使罐温达到恒定，再 关闭自控装置，测量温度随时间上升的速率，按下
式求出发酵热：
Q发酵 = (m1cl +m2c2)*S
其中： m1 ——发酵液的质量，kg; cl ——发酵液的比热，kJ/(kg*º C)； m2 ——发酵罐的质量，kg； c2 ——发酵液的比热, kJ/(kg*º C) ； S —— 温度上升速率, º C/h。
代谢参数按性质可分为三类： （1）:物理参数 温度（℃） 压力（Pa） 搅拌转速(r/min) 搅拌功率（kW） 空气流量（V/(V· min)） 粘度（Pa· s 或kg.s/m2） 浊度（％） 料液流量（L／min）.
（2）、化学参数
1．pH（酸碱度） 2．基质浓度（g或mg％） 3．溶解氧浓度（ppm或饱和度，％） 4．氧化还原电位（mV） 5．产物的浓度（μg（u）／ml） 6. 废气中的氧浓度（Pa） 7. 废气中的CO2浓度（％） 细胞生物活性的其它化学参数：如NAD－ NADH体系、ATP－ADP－AMP体系、 DNA、RNA、生物合成的关键酶等
7第七章-微生物发酵及工艺
当生长速率下降到零时，便进入生长稳定期 （静止期）。由于这一时期菌体代谢十分活跃， 有许多次级代谢物在此期合成。因此也被称为 生产期或分化期。
在分批培养过程中根据产物生成是否与 菌体生长同步的关系，将微生物产物形 成动力学分为与生长有联系的和与生长 无联系的类型。
化学工程和计算机应用的发展为发 酵工艺控制打下另一方面的基础，
研究发酵动力学，找出适于描述和真 正能反映系统的生化反应过程的数学模 型，通过现代化的试验与计算手段，相 信不久定能为发酵的优化控制开创一个 新的局面。
第一节 发酵的基本概念、基本类 型和发酵方式
A.发酵基本概念
B.发酵的基本类型
C.发酵方式 一、分批培养 二、补料分批培养（半连续培养） 三、连续培养
发酵的一般流程
培养基配制
种子扩大培养
空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
发酵工艺控制引言部分
微生物发酵的生产水平取决于生产菌种本 身的性能，和合适的环境条件、才能使 它的生产能力充分表达出来。我们通过 各种研究方法了解有关生产菌种对环境 条件的要求，了解生产菌在合成产物过 程中的代谢调控机制以及可能的代谢途 径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。
而产物的形成很少或全无;在第二时期，产物以 高速度形成，生长也可能出现第二个高峰:碳源 利用在这两个时期都很高。因此，这一类型其 产物形成及菌体生长一般是分开的，从生长源 来看，这一类型发酵产物不是碳源的直接氧化， 而是菌体代谢的主流产物，所以一般产量较高。 也可以分为如下两类: ①产物的形成是经过连锁反应的过程，如丙 酮丁醇、丙酸等发酵。 ②产物的形成不经过中间产物的积累，如延 胡索酸、谷氨酸等。其菌体生长与 产物积累分在两个明显的时期，如柠檬酸。
在分批培养过程中根据产物生成是否与 菌体生长同步的关系，将微生物产物形 成动力学分为与生长有联系的和与生长 无联系的类型。
化学工程和计算机应用的发展为发 酵工艺控制打下另一方面的基础，
研究发酵动力学，找出适于描述和真 正能反映系统的生化反应过程的数学模 型，通过现代化的试验与计算手段，相 信不久定能为发酵的优化控制开创一个 新的局面。
第一节 发酵的基本概念、基本类 型和发酵方式
A.发酵基本概念
B.发酵的基本类型
C.发酵方式 一、分批培养 二、补料分批培养（半连续培养） 三、连续培养
发酵的一般流程
培养基配制
种子扩大培养
空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
发酵工艺控制引言部分
微生物发酵的生产水平取决于生产菌种本 身的性能，和合适的环境条件、才能使 它的生产能力充分表达出来。我们通过 各种研究方法了解有关生产菌种对环境 条件的要求，了解生产菌在合成产物过 程中的代谢调控机制以及可能的代谢途 径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。
而产物的形成很少或全无;在第二时期，产物以 高速度形成，生长也可能出现第二个高峰:碳源 利用在这两个时期都很高。因此，这一类型其 产物形成及菌体生长一般是分开的，从生长源 来看，这一类型发酵产物不是碳源的直接氧化， 而是菌体代谢的主流产物，所以一般产量较高。 也可以分为如下两类: ①产物的形成是经过连锁反应的过程，如丙 酮丁醇、丙酸等发酵。 ②产物的形成不经过中间产物的积累，如延 胡索酸、谷氨酸等。其菌体生长与 产物积累分在两个明显的时期，如柠檬酸。
发酵工艺控制
条件，种子质量，发酵条件，过程控制
-必须的：代谢规律，影响产物合成的因素，
发酵条件优化 -多变性： 菌株及培养基配比定，生产能力不同
（一般地，strain生产性能越高，对环境越敏感，越 难以满足生产潜能的发挥。）
• 7.2 发酵过程的参数
7.2.1 参数 在线和离线 *设定参数：罐温，罐压，通气量，搅拌转速
抗生素发酵：稳定期末期加入前体，↑产量 一般：稳定期末期放罐 4 衰减期
6.4 发酵过程技术
6.4.1分批发酵 一 菌体生长
延迟期=适应期: 种子活性、接种量、medium 加速期：μ→μ ↑ 对数生长期： µ = In xt /xo t rx=µ x dx/dt= rx In xt /xo= µ t
的发酵液一起送去提炼）
有害代谢产物多 稀释
优点：补充养分和前体， 代谢有害物被稀释，产 物合成继续
缺点
处理体积大 失掉养分、cell
前体失掉
6.4.3 连续培养：一边补入新鲜料液，一边相同流速放料。
补料与放液一起进行， ∆V=0 一 单级连培 a) 特性：放掉的细胞量等于生成的细胞量，流入的料液稀释 发酵液。
YX / S X SO S
c)恒化器中微生物的特性可以用某些常数描 述：μ max，Ks ，Yx/s ， Dcrit
Dcrit= μ
max
s0/(Ks+s0)
s0↑ Dcrit→ μ
max
二 多级连培 a) 优点：不同级内条件不同，产率、生产稳定 性、自动化优于分批培养
产气克雷伯氏菌：第一罐，葡萄糖， 第二罐，麦芽糖，生长速率低于第 一级，形成次级代谢产物。
-- 多种碳源或氮源时，存在降解物代谢阻遏，出现 二次生长现象。
第七章 发酵工艺控制
发酵过程的代谢控制
3、糖含量
微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。 糖的消耗 反映产生菌的生长繁殖情况 反映产物合成的活力 菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快通过糖含 量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来调节 pH，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵不正常。 糖含量测定包括总糖和还原糖。 总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的 淀粉、饴糖、单糖等各种糖。 还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。
优点 操作简单，周期短，染菌机会 少，生产过程和产品质量容易掌握 缺点 产率低，不适于测定动力学数
据
发酵过程的代谢控制
2、补料分批培养 在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克 服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。 在此过程中只有料液的加入没有料液的取 出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时 有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法 很多。
• 菌浓测定方法
– 测粘度 – 压缩体积法（离心） – 静臵沉降体积法 – 光密度测定法 OD600~660 适合于细菌、酵 母
生化过程的控制
生化过程的控制
第三节发酵过程中的代谢变化
一、初级代谢产物发酵的代谢变化
二、次级代谢产物发酵的代谢变化
一、初级代谢产物发酵的代谢变化
• 初级代谢指的是生物细胞在生命活动过程中进行 的与菌体的生长、繁殖相关的一类代谢活动，其 产物即为初级代谢产物。
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，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。
发酵过程的控制
发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如 菌本身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工 程因素、环境因素等等。因此发酵过程的控制 具有不确定性和复杂性。 为了全面的认识发酵过程，本章首先要告 诉大家分析发酵过程的基本方面，在此基础上 再举一些例子，说明如何综合分析发酵过程及 进行优化放大。
第七章发酵工艺控制
如：许多抗生素和色素的发酵
第二节
一、物理参数
工业发酵过程的主要 控制参数
1、温度 与温度有关的因素： 氧在培养液中的溶解度和传递速率 菌体生长速率和产物合成速率 测量工具：铂电阻或热敏电阻
• 2、压力（Pa）
与压力高低有关的因素： 罐压高低与氧和CO2在培养液中的溶解度有关 罐压一般范围： 0.2×105～0.5×105 Pa 测量工具： 隔膜法压力表或压敏电阻压力表
1、分批发酵
概念：
分批发酵：指将微生物和营养物一次性加入发酵 罐中，经过培养生长，最后一次收获的培养方式， 中间除了空气进入和尾气排出，没有物料交换。 在分批发酵中，培养基是一次性加入，不再 补充，随着微生物的生长繁殖活跃，营养物质逐 渐消耗，有害代谢产物不断积累，因此其生长速 度将随时间发生有规律性的变化。
2.补料分批培养的优缺点 优点：与分批培养相比
① 解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。 ② 可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成 细胞大量生长所引起的一切影响；
③ 可用作为控制细胞质量的手段，以提高发芽 孢子的比例； ④ 可作为理论研究的手段，为自动控制和最优 控制提供实验基础。
与连续培养相比优点
④ 衰亡期
细胞死亡率增加，明显超过新生率，进入 衰亡期。多数发酵在到达衰亡期前就结束。 特点：活的细胞数目以对数速率急剧下降、 细胞裂解或自溶。衰亡期比其它期相对较 长。
分批发酵优缺点：
•
① ② ③ ④
优点：
操作简单 周期短 染菌机会少 产品质量易于控制
•
缺点：
① 生产能力不是很高 ② 非生产周期较长，使得发酵成本高
三、生物参数
1、菌体形态 菌体形态是衡量种子质量、区分发酵阶段、控 制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之 一。 用显微镜观察菌体形态 2、菌体浓度 概念：菌体浓度是指单位体积培养液中菌体的 含量。 根据菌体浓度的大小决定适合的补料量和供氧 量，同时可判断目的产物的产量是否达到最大量。
发酵过程控制
Kr2 K r1 1 1 T1 T2
K与温度有关
E越大温度变化 对K的影响越大
在最低温度和最适温度之间，微生物的生长速 率随温度的升高而增加，通常以温度系数Q10 来表示二者的关系，即温度每上升10℃，微生 物的生长速率与未升温前的生长速率之比。
高温微生物的Q10在2以上； 中温微生物Q10约为2；
根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。 因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径 无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有 机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反 应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。 ΔH＝∑（△H）反应物－∑（△H）产物 如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为： 葡萄糖 159555.9KJ/Kg 谷氨酸 15449.3KJ/Kg 玉米浆 12309.2KJ/Kg 菌体 20934KJ/Kg 尿素 10634.5KJ/Kg
如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵 不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培 养基营养越丰富，生物热也越大。
2、搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动 发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器 等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅 拌轴功率有关，可用下式计算： Q搅拌＝P×860×4186.8（焦耳/小时） P——搅拌轴功率 4186.8——机械能转变为热能的热功当量 电机功率P=
4、合成冷休克蛋白
低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克 蛋白。将大肠杆菌从37oC突然转移到10oC条件时细 胞中会诱导合成一组冷休克蛋白，它们对低温的生 理适应过程中发挥着重要作用，检测嗜冷酵母的冷 休克反应，发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内 大量产生。 耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必 须忍受温度的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋 白是密切相关的。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和控制
3.2 基质浓度
①C源，青霉素生产中葡萄糖和 乳糖利用。因此工业上培养基中 含有迅速和缓慢利用的混合C源。 如为聚合物，利用缓慢。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
3.2 基质浓度
②N源，也有迅速利用和缓慢利用， 前者有氨基酸、硫酸铵、尿素和玉 米浆，后者有黄豆饼粉、花生、棉 子饼粉等蛋白质。前者菌生长快， 但产量低，选用快、慢混合氮源很 重要。生产上可补加有机或无机氮 源。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
❖中间补料的机理
①避免一次投料，菌丝生长过盛。 ②延长次级代谢产物的分泌期， 提高产量。
☆
第七章发酵过程中工艺参数的检测和
控制
❖ FBC的内容
①补碳源、氮源（无机和有机），如蛋 白胨、玉米浆、硫酸铵、尿素。
②无机盐，微量元素，前体和促进剂。 ③补全料和补水，总之视情况不同，补
第一节 工业发酵的主要类型
（三） 补料分批发酵法(fed-batch fermentation)
补料分批发酵又称半连续发酵，是 指在分批发酵过程中，间歇或连续地补 加新鲜培养基的培养方法。与传统分批 发酵相比，其优点在于使发酵系统中维 持很低的基质浓度。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
☆
第一节 工业发酵的主要类型
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
一、溶氧的浓度对发酵的影响
微生物对氧的需求： 1、 C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量
从分子式看出，180g葡萄糖完全氧化需 190克O2。 2、构成细胞成分含有氧，如酵母细胞元素组成 为C3.95 N6.5 O1.94。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
第一节 工业发酵的主要类型
发酵工艺控制
值和氨氮含量都低时，补加氨水，就可以达到调节pH 和补充
氨氮的目的。反之， pH值较高，氨氮含量又低时，就补加硫酸 铵。
目前，已比较成功地采用补料的方法来调节pH值，如氨基酸 发酵采用流加尿素的方法，特别是次级代谢产物抗生素发酵，更
★ 空气分布器对通气效率的影响
发酵罐中装有多孔分布器和单孔分布器，在气 流速度很低时，多孔分布器有较高的通气效率。但 两者的区别随着气流速度的增加而逐渐减少。
可能是低气流时多孔分布器可形成更大的传递
面积，而当通气量增大时，单孔分布器能更大的增 加发酵液的湍动程度。
各种溶氧控制方法的比较
方法
气体成分 搅拌速度 挡板 通气速率 温度 基质浓度 罐压 电解生产氧 传氧中间介质
氧是一种难溶于水的气体。在25℃，1×105Pa条件下，
纯氧在水中的溶解度为1.26mmol/L，在28℃氧在发酵液中的
溶解度只有0.22 mmol/L，而发酵液中的大量微生物耗氧迅 速（耗氧速率大于25~100 mmol/L.h。
在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的
重要限制因素之一。
好氧微生物的生长和代谢活动都需要消耗氧气，它们 只有在氧分子存在的情况下才能完成生物氧化作用。 液体中的微生物只能利用溶解氧，气液界面处的微 生物还能利用气相中的氧。 强化气液界面也将有利于供氧。
★ 菌龄影响耗氧：
呼吸旺盛，耗氧力强，发酵后期菌体处于衰老状 态，耗氧能力自然减弱。
★ 发酵条件影响耗氧：
在最适条件下发酵，耗氧量大。 发酵过程中，排除有毒代谢产物如二氧化碳、挥发性 的有机酸和过量的氨，也有利于提高菌体的摄氧量。
★ 空气的流速
KL a 随空气流速的增加而增大，但空气速度过
发酵过程的工艺控制《发酵工程》
装液量 酶活力
30 ml 60ml 90ml 120ml
713 734 253
92
发酵过程的工艺控制《发酵工程》
1.4.2影响发酵罐供氧因素
1.4.2.1 搅拌：搅拌功率增大对氧的利用效果明显，但过于激 烈的搅拌，产生很大的剪切力，可能对细胞造成损伤。另 外，激烈的搅拌会产生大量的搅拌热。增加传热的负担。
（1）
QO2 =(QO2 ）max × CL /(K0 +CL ）
QO2比耗氧速率(mmol O2/g菌·h)，CL溶解氧浓度， K0氧 的米氏常数（ mol/ m3 ），(QO2）max 最大比耗氧速率 (mmol O2/g菌·h )：
啤酒酵母为：2.2 ×10-3，黑曲霉为： 8.3 ×10-4
1.5.2 导入血红蛋白：将血红蛋白基因克隆到大肠杆菌和 放线菌，可促进有氧代谢、菌体生长和抗生素的合成。
发酵过程的工艺控制《发酵工程》
2 CO2浓度对发酵的影响及其控制
2.1 CO2浓度对发酵的影响：
CO2是微生物呼吸和分解代谢的终产物，同时也是某些 合成代谢的一种基质，几乎所有的发酵都会产生CO2 溶解在发酵液中的CO2对氨基酸、抗生素微生物的发酵 具有刺激和抑制作用，大多数微生物适应低浓度的CO2 （ 0.02%—0.04% V/V ）。
发酵过程的工艺控制《发酵工程》
第四节 温度对发酵的影响及其控制
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
发酵过程的工艺控制《发酵工程》
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。
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为什么不同微生物对温度要求不同呢？
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， 嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
三、温度对发酵的影响
1.温度影响反应速率*** 发酵过程的反应速率实际是酶反应速率， 酶反应有一个最适反应温度，低于最适温 度，反应速率随温度升高而上升，高于最 适温度，发酵速率随温度升高而下降。 阿累尼乌斯方程式
• （3）其他发酵条件
• 根据培养条件综合考虑，灵活选择温度。 • 1.通气条件差时可适当降低温度，使菌呼 吸速率降低些，溶氧浓度提高一些；***
• 2.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。
4）变温培养 ***
• 在抗生素发酵过程中，采用变温培养往往 会比恒温培养获得的产物更多。 青霉素发酵 • 0～5 h,30 ℃,5～35 h 25℃,35～85 h,20 ℃,最后回升到25 ℃培养 40 小时 放罐,比恒温 25 ℃培养提高 14.7 %。
第七章 发酵工艺控制
• 重点掌握: 温度、pH、溶解氧、菌体浓度、基 质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵 过程的影响
一、发酵过程的主要控制参数***
(1) 温度 最适生长温度与最佳代谢产物合成温 度往往不同。 （2）pH 菌体的代谢影响培养基的pH，培养基 的pH又影响菌体的生长和酶系统活性 和代谢途径。 （3）溶解氧的浓度（DO） 溶解氧是需氧菌发酵的 必要条件。 （4）基质含量 要保证菌体生长、维持生存、避 免抑制、合成产物等不同目的和阶段的 工艺需要。
通 用 式 发 酵 罐
工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程 中一般不需要加热，因发酵中释放了大量 的发酵热，需要冷却的情况较多。 利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却 水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热 交换来降温，保持恒温发酵。 如果气温较高（特别是我国南方的夏季气 温），冷却水的温度又高，致使冷却效果 很差，达不到预定的温度，就可采用冷冻 盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温 度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷 却能力，以保证在正常温度下进行发酵。
• 四、最适温度的选择
一、影响发酵温度的因素
发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。
•菌分解基质产生热量， •搅拌产生热量， •罐壁散热， •水分蒸发、空气排气带走热量， •发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大， 温度上升快；发酵热小，温度上升慢。
生物热Q生物 微生物在生长繁殖过程中，产生热量， 部分用来合成高能化合物，供微生物合成 和代谢活动的需要，部分用来合成产物， 其余部分则以热形式散发出来，这部分热 叫生物热。
如何确定发酵pH值?
将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发酵， 在发酵过程中，定时测定和调节pH值，以分别维 持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维 持。 到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高 值的pH值为菌体生长的合适pH值。 用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。 同一产品的合适pH值，与所用的菌种、培养基组 成和培养条件有关。在确定合适发酵pH值时，不 定期要考虑培养温度的影响。
（5）空气流量
空气灭菌系统、流量、温度、 目的是供氧。
（6）罐压 正压防止空气中的杂菌侵入发酵液， 罐压过高时CO2 浓度陡增，负面作用。 （7）搅拌速度 延长空气的停留时间，提高溶 氧；促进菌体与培养基之间的质量传递。 过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫。 （8）搅拌功率 其成本比重较大。
（9）粘度
第2节 pH值对发酵的影响及其控制 一、pH 对发酵的影响 1. pH影响酶的活性。 2. pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变， 从而改变细胞膜的透性。 3. pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的 解离，从而影响微生物对这些物质的利用。 4. pH不同，代谢过程不同，使代谢产物的质 量和比例发生改变。
在最适温度范围内，微生物生长迅速，生 长速率随温度升高而增加，温度增加10℃， 生长速率增长一倍。 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。 如黑曲霉生长温度为37。 谷氨酸棒状杆 菌生长温度为30～32 。青霉菌生长温度 为30。
第3节 溶解氧对发酵的影响及其控制
• 一般，微生物在发酵过程中的需氧量为20 ~
50 mmol / L· ，而空气中的氧在培养液中 h
的饱和浓度在一个大气压，25 0C 时，大约是
0.2 mmol / L。在这种情况下。如果外界不
能及时补充氧，则原来培养液中的氧只能维持
2、生产阶段：这个阶段 pH 值趋于稳定。 3、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的 活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升， 此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。
pH值
培养过程中培养 液pH值的大致
变化趋势
培养时间
由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌 体本身具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变化 过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的pH就会波 动。
影响关键酶活性改变发酵途径. 如四环素产生菌金色链霉菌 低于30℃时合成金霉素能力较强。 • 温度提高,合成四环素的比例提高。 • 温度达到35℃时金霉素的合成几乎停止， 只产生四环素。
生长不同阶段最适温度也不同 ***
• 在发酵前期，由于菌量少，培养目的是尽快达 到大量的菌体，因此取稍高的温度，促使菌的 生长及代谢。 • 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 低些，可以推迟菌体衰老。在稍低温度下，氨 基酸合成蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较 严密，有利于产物合成。
发酵过程的主要控制参数
• • • • • • • • pH值（酸碱度） 温度（℃） 溶解氧浓度 基质含量 空气流量 压力 搅拌转速 搅拌功率 粘度
•
• • • •
浊度
料液流量 产物浓度 氧化还原电位 废气中的氧含量
•
• •
废气中的CO2含量
菌丝形态 菌体浓度
二、发酵过程的参数检测
• 1.直接状态参数 • 2.间接状态参数 • 3.离线发酵分析方法
• 辐射热Q辐射 • 发酵罐内温度与环境温度不同，发 酵液中有部分热通过罐体向外辐射。 辐射热的大小取决于罐内与环境的 温差。冬天大一些，夏天小一些。
• Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
二、温度对微生物的生长的影响
微生物生长对温度要求不同，大致可分为： •嗜冷菌： 20℃ 最大 0℃～26℃生长， •嗜温菌： 30～35℃ 15℃～43℃生长， •嗜热菌： 50℃ 37℃～65℃生长。 最适温度 最高温度 最低温度
菌体浓度增大时，粘度增加，溶氧 下降。 （10）浊度 能直接反应菌体的浓度，但不能区 分菌体的死活。 （11）料液流量 连续发酵时，涉及稀释率. （12）产物浓度 生产目标。 （13）氧化还原电位 其原因往往十分复杂。测 量手段有待开发。
（14）废气中的氧含量
（15）废气中的CO2 从中可了解生产 菌株的呼吸代谢规律。 （16）生产菌形态判别种子质量、区分 发酵阶段、确认染菌的重要依据。 （17）生产菌浓度 是确定补料量、供 气量、阶段转换的重要依据。
简述一般发酵过程pH值如何变化？
在发酵过程中，随着菌种对培养基各种碳、 氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会 使pH值产生一定的变化。
1、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中 的蛋白质，生成铵离子，使pH上升至碱性；随 着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖 利用过程中有机酸的积累使pH值下降。
三、pH 值的调控策略
1.考虑基础培养基配方,调节好基础料的pH，然后通 过加酸碱或中间补料来控制。 基础料中含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH。 有机酸或氨水调节注意监测氧浓度变化防止菌体 出现氨中毒。 若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到 6.5～6.8。 2.在基础料中加入维持pH 的物质，如CaCO3
• 3、离线发酵分析方法
• 从发酵液中取出样品进行离线分析, • 分析菌体浓度，形态、培养基成分和产物 成分及含量。 • 显微观察，细胞体积，干重，光密度，平 板计数及基质及产物分析等。
第1节 温度对发酵的影响及其控制
• 一、影响发酵温度的因素 • 二、温度对微生物的生长的影响
• 三、温度对发酵的影响
例如
• 黑曲霉 pH 2～3时 合成 柠檬酸 pH近中性时 合成 草酸 谷氨酸棒状杆菌 谷氨酸发酵 中性和微碱 谷氨酸， 酸性 谷氨酰胺和 N-乙酰谷氨酰胺
二、最适pH值的选择
选择最适发酵pH的准则是获得最大比生产 速率和合适的菌体量,以获得最高产量。 • 举例: • 图8-1 利福霉素,最适 pH 值 7.0～7.5
• 发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶 解度和传递速率、某些基质的分解吸收速 率等，都受温度变化的影响，进而影响发 酵动力学特性和产物的生物合成。***
L-亮氨酸/g•L 糖酸转化率/%
20 16 12 8 24 22
种子培养温度/℃
L-亮氨酸
2.温度影响发酵方向
搅拌热 Q搅拌
搅拌热与搅拌功率有关，可用下式计算：
Q搅拌= P×860×4186.8 〔J/h〕 P——搅拌轴功率 860×4186.8——机械能转变为热能的热 功当量
蒸发热 Q蒸发 通气时引起发酵液的水分蒸发所 需的热量叫蒸发热，此外排气也会带 走部分热量叫显热 Q显，显热很小，一 般可忽略。
3.通过补料调节pH
在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。 在补料与调 pH 没有矛盾时采用补料调 pH。 （1）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH 。 (2）当NH2-N低，pH 低时补氨水；当NH2-N低， pH 高时补(NH4)2SO4 。 4.当补料与调 pH 发生矛盾时，加酸碱调pH。