第二章发酵过程的工艺控制1
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影响细胞的生长，不能保证足够量的菌体进行 生产；
延长发酵时间，降低生产效率 ● 基质浓度太高
菌体生长太旺盛，发酵液黏度很大，KLa很小， DO很低，影响发酵正常进行；
影响产物形成： 如酵母利用葡萄糖进行培养，葡萄糖浓度太高， 将进行无氧发酵，产生乙醇，即为crabtree效应
第二章发酵过程的工艺控制1
Effect of （NH4）2SO4 on CTC Biosynthesis (摇瓶)
第二章发酵过程的工艺控制1
C T（Cu / m） l X（1 0 g / ） L
8000
6000
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t（ h ）
C T C 0 .0 4 3 g /L C T C 0 .1 3 g /L X 0 .0 4 3 g /L X 0 .1 3 g /L
● 包括：比生长速率μ、摄氧率OUR、 CO2释放率 CER、呼吸商RQ、氧的得率系数YX/O 、氧体积传 质系数KLa、基质比消耗速率QS、产物比生成速 率Qp等
综合各种状态参数，获得代谢过程的各种信息， 从而对发酵过程做出相应的调整和控制，以获得最经 济的发酵生产。
第二章发酵过程的工艺控制1
三. 发酵过程的代谢调控和优化
代谢的具体情况，确定补料方式、速率和补料量。
第二章发酵过程的工艺控制1
T it e r o f C T C (u / m l) C o n c . o f N H 2 -N ( g /L )
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C TC 2 g /L C TC 8 g /L N H 2 -N 4 g /L N H 2 -N 1 0 g /L
必须了解：
● 菌体的生理代谢规律 ● 工艺条件对发酵过程的影响及其控制 ● 发酵过程的有关变化规律
常规发酵的工艺控制参数： 温度、pH、搅拌转速与功率、空气流量、罐 压、液位、补料速率及补料量等。
第二章发酵过程的工艺控制1
二. 发酵过程的参数检测
1.直接状态参数
● 指能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况
第二章发酵过程的工艺控制1
2.1 概 述
一. 发酵体系的主要特征 1. 细胞内部结构和代谢反应的复杂性 2. 细胞所处环境的复杂性 3. 过程系统状态的时变性及参数的多样性和复杂性
影响因素多，有的因素未知，主要影响因素变化。
发酵水平主要取决于： 生产菌种的特性； 对工艺条件的控制（适合程度）；
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的参数
● 包括：pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气
CO2 、黏度、基质和产物浓度、菌体浓度 （OD、DCW、湿重）等
● 参数的检测
a 在线检测
各种传感器： pH电极、 DO电极、温度电极、 液位电极、泡沫电极
尾气分析仪：测尾气O2和CO2含量
第二章发酵过程的工艺控制1
b 离线检测 分光光度计、pH 计、温度计、气相色谱（GC)、 液相色谱（HPLC)、色质连用（GC-MS)等 2.间接状态参数 ● 指利用直接状态参数计算求得的参数
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C TC 4 g /L C TC 1 0 g /L N H 2 -N 6 g /L
4 .3 3 .8 3 .3 2 .8 2 .3 1 .8 1 .3 0 .8 0 .3 120
C TC 6 g /L N H 2 -N 2 g /L N H 2 -N 8 g /L
先进的培养基组成是充分支持高产、稳产和经 济的发酵过程的关键因素之一。 一. 基质种类
一般包括： 碳源、氮源和无机盐 前体
二. 基质（原料）的质量 随产地和生产工艺而异 须保证稳定的原料质量 尤其对有机碳源和氮源，经多次实验而定
第二章发酵过程的工艺控制1
三. 基质浓度对发酵的影响
每一种基质都有一个适宜的浓度范围 ● 基质浓度太低
1. 代谢调控 以代谢（流）的调节最重要
● 调节酶的合成量，称为“粗调” ● 调节酶的催化活性，称为“细调”
代谢工程
工艺控制和过程优化的实质，就是利用各种方法 和手段，使细胞的外部和内部环境最适合基质和能量 流向产物合成的生物途径，以获得最大的产量。
第二章发酵过程的工艺控制1
2. 发酵过程优化的一般步骤 ●确定反映发酵过程的各种理化参数及其检测方法
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C T C 0 .0 8 7 g /L C T C 0 .1 9 5 g /L X 0 .0 8 7 g /L X 0 .1 9 5 g /L
Effect of KH2PO4 on CTC Biosynthesis
第二章发酵过程的工艺控制1
T it e r o f C T C (u / m l) C o n c . o2f- NN( gH / L )
又如葡萄糖氧化酶（GOD)发酵中： ◆ 低浓度下：诱导作用 ◆ 高浓度下：分解代谢Biblioteka Baidu阻遏作用
浓度由8%→6%，酶活提高26%
以铵盐为氮源发酵： NH4+浓度过高，产生铵离子效应， 影响生长和合成
● 基质浓度的控制 ◆ 初始培养基中：基质浓度适宜（由实验而定）
第二章发酵过程的工艺控制1
◆ 发酵过程：通过补料操作来控制基质浓度 应根据菌体特性、工艺条件要求和发酵过程中
第二部分 发酵工艺控制
第二章 发酵过程的工艺控制 第三章 基因工程菌的发酵 第四章 动植物细胞培养
第二章发酵过程的工艺控制1
第二章 发酵过程的工艺控制
2.1 概述 2.2 基质浓度对发酵的影响及其控制 2.3 灭菌情况 2.4 种子质量的影响 2.5 温度对发酵的影响及其控制 2.6 pH对发酵的影响及其控制 2.7 溶氧对发酵的影响及其控制 2.8 二氧化碳和呼吸商 2.9 补料对发酵的影响及其控制 2.10 泡沫对发酵的影响及其控制 2.11 发酵终点的判断 2.12 发酵染菌的防治
●研究这些参数的变化对发酵过程的影响及其机制， 获得最佳的范围和最适的水平
●建立数学模型定量描述个参数间随时间的变化关 系，为过程优化控制提供依据
●通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种 控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程 的最优控制
第二章发酵过程的工艺控制1
2.2 基质浓度对发酵的影响及其控制
延长发酵时间，降低生产效率 ● 基质浓度太高
菌体生长太旺盛，发酵液黏度很大，KLa很小， DO很低，影响发酵正常进行；
影响产物形成： 如酵母利用葡萄糖进行培养，葡萄糖浓度太高， 将进行无氧发酵，产生乙醇，即为crabtree效应
第二章发酵过程的工艺控制1
Effect of （NH4）2SO4 on CTC Biosynthesis (摇瓶)
第二章发酵过程的工艺控制1
C T（Cu / m） l X（1 0 g / ） L
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C T C 0 .0 4 3 g /L C T C 0 .1 3 g /L X 0 .0 4 3 g /L X 0 .1 3 g /L
● 包括：比生长速率μ、摄氧率OUR、 CO2释放率 CER、呼吸商RQ、氧的得率系数YX/O 、氧体积传 质系数KLa、基质比消耗速率QS、产物比生成速 率Qp等
综合各种状态参数，获得代谢过程的各种信息， 从而对发酵过程做出相应的调整和控制，以获得最经 济的发酵生产。
第二章发酵过程的工艺控制1
三. 发酵过程的代谢调控和优化
代谢的具体情况，确定补料方式、速率和补料量。
第二章发酵过程的工艺控制1
T it e r o f C T C (u / m l) C o n c . o f N H 2 -N ( g /L )
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C TC 2 g /L C TC 8 g /L N H 2 -N 4 g /L N H 2 -N 1 0 g /L
必须了解：
● 菌体的生理代谢规律 ● 工艺条件对发酵过程的影响及其控制 ● 发酵过程的有关变化规律
常规发酵的工艺控制参数： 温度、pH、搅拌转速与功率、空气流量、罐 压、液位、补料速率及补料量等。
第二章发酵过程的工艺控制1
二. 发酵过程的参数检测
1.直接状态参数
● 指能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况
第二章发酵过程的工艺控制1
2.1 概 述
一. 发酵体系的主要特征 1. 细胞内部结构和代谢反应的复杂性 2. 细胞所处环境的复杂性 3. 过程系统状态的时变性及参数的多样性和复杂性
影响因素多，有的因素未知，主要影响因素变化。
发酵水平主要取决于： 生产菌种的特性； 对工艺条件的控制（适合程度）；
第二章发酵过程的工艺控制1
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T im e ( h )
的参数
● 包括：pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气
CO2 、黏度、基质和产物浓度、菌体浓度 （OD、DCW、湿重）等
● 参数的检测
a 在线检测
各种传感器： pH电极、 DO电极、温度电极、 液位电极、泡沫电极
尾气分析仪：测尾气O2和CO2含量
第二章发酵过程的工艺控制1
b 离线检测 分光光度计、pH 计、温度计、气相色谱（GC)、 液相色谱（HPLC)、色质连用（GC-MS)等 2.间接状态参数 ● 指利用直接状态参数计算求得的参数
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C TC 4 g /L C TC 1 0 g /L N H 2 -N 6 g /L
4 .3 3 .8 3 .3 2 .8 2 .3 1 .8 1 .3 0 .8 0 .3 120
C TC 6 g /L N H 2 -N 2 g /L N H 2 -N 8 g /L
先进的培养基组成是充分支持高产、稳产和经 济的发酵过程的关键因素之一。 一. 基质种类
一般包括： 碳源、氮源和无机盐 前体
二. 基质（原料）的质量 随产地和生产工艺而异 须保证稳定的原料质量 尤其对有机碳源和氮源，经多次实验而定
第二章发酵过程的工艺控制1
三. 基质浓度对发酵的影响
每一种基质都有一个适宜的浓度范围 ● 基质浓度太低
1. 代谢调控 以代谢（流）的调节最重要
● 调节酶的合成量，称为“粗调” ● 调节酶的催化活性，称为“细调”
代谢工程
工艺控制和过程优化的实质，就是利用各种方法 和手段，使细胞的外部和内部环境最适合基质和能量 流向产物合成的生物途径，以获得最大的产量。
第二章发酵过程的工艺控制1
2. 发酵过程优化的一般步骤 ●确定反映发酵过程的各种理化参数及其检测方法
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C T C 0 .0 8 7 g /L C T C 0 .1 9 5 g /L X 0 .0 8 7 g /L X 0 .1 9 5 g /L
Effect of KH2PO4 on CTC Biosynthesis
第二章发酵过程的工艺控制1
T it e r o f C T C (u / m l) C o n c . o2f- NN( gH / L )
又如葡萄糖氧化酶（GOD)发酵中： ◆ 低浓度下：诱导作用 ◆ 高浓度下：分解代谢Biblioteka Baidu阻遏作用
浓度由8%→6%，酶活提高26%
以铵盐为氮源发酵： NH4+浓度过高，产生铵离子效应， 影响生长和合成
● 基质浓度的控制 ◆ 初始培养基中：基质浓度适宜（由实验而定）
第二章发酵过程的工艺控制1
◆ 发酵过程：通过补料操作来控制基质浓度 应根据菌体特性、工艺条件要求和发酵过程中
第二部分 发酵工艺控制
第二章 发酵过程的工艺控制 第三章 基因工程菌的发酵 第四章 动植物细胞培养
第二章发酵过程的工艺控制1
第二章 发酵过程的工艺控制
2.1 概述 2.2 基质浓度对发酵的影响及其控制 2.3 灭菌情况 2.4 种子质量的影响 2.5 温度对发酵的影响及其控制 2.6 pH对发酵的影响及其控制 2.7 溶氧对发酵的影响及其控制 2.8 二氧化碳和呼吸商 2.9 补料对发酵的影响及其控制 2.10 泡沫对发酵的影响及其控制 2.11 发酵终点的判断 2.12 发酵染菌的防治
●研究这些参数的变化对发酵过程的影响及其机制， 获得最佳的范围和最适的水平
●建立数学模型定量描述个参数间随时间的变化关 系，为过程优化控制提供依据
●通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种 控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程 的最优控制
第二章发酵过程的工艺控制1
2.2 基质浓度对发酵的影响及其控制