第五章 发酵过程控制讲解
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也是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。 对微生物，培养基最适宜和所允许的最大电位值， 应与微生物本身的种类和生理状态有关。
其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的酶等。
（三）生物参数
1．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。
6．粘度（Pa·s） 粘度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项 标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况。 通常用表观粘度表示之：它的大小可改变氧传递 的阻力。
7．浊度（％） 浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数，
对某些产品的生产是极其重要的参数。一般采 用分光光度计的波长420～660 nm测量。浊度 对氨基酸、核苷酸等产品的生产是极其重要的。
4．产物的浓度[μg（u）／ml] 这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的 重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。
5．废气中的氧含量（％） • 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数 有关。 •从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率 和发酵罐的供氧能力。
6．废气中的CO2浓度（％） • 废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的CO2。测定 它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生菌的 呼吸代谢规律。 ７.氧化还原电位（mV)
8. 料液流量（L／min） 这是控制流体进料的参数。
（二）化学参数
1． pH（酸碱度）
•发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和来自百度文库碱 的生化反应的综合结果。
•它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的高 低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。
2．基质浓度（g或mg％） •是指发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的 浓度。 •它们的变化对产生菌的生长和产物的合成有 着重要的影响，也是提高代谢产物产量的重 要控制手段。 •在发酵过程中，必须定时测定糖（还原糖和 总糖）、氮（氨基氮或氨氮）等基质的浓度。
目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、 搅拌转速、pH、溶氧、效价、糖含量、前体(如 苯乙酸)浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体 积%)等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、 排气中的O2和CO2含量等。
发酵过程各参数概况
参数名称 温度 罐压
空气流量 搅拌转速
pH
测试方法 传感器 压力表 传感器 传感器 酸度计
3．搅拌转速（r／min） •搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度， 通常以每1min的转数来表示。 •它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液的 均匀性有关。
4．搅拌功率（kw） 指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每1m3发酵 液所消耗的功率（kw／m3）。 它的大小与氧容量传递系数有关。
5．空气流量［V／（V·min），简称VVM］ •每1min内每单性体积发酵液通入空气的体积， 也是需氧发酵的控制参数。 •与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在 0.5～1.0V／（V·min）范围内。
意义、主要作用 维持生长、合成 维持正压、增加DO 供氧排泄废气提高KLα 物料混合、提高KLα 反映pH、KLα
第二节、发酵过程控制
一、温度变化及控制 1.温度对发酵的影响
（1）影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。 在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率
也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的 催化活力就下降。温度对菌体生长的酶反应和代谢 产物合成的酶反应的影响不同。
如产黄青霉菌体的最适生长温度为30℃，黑曲酶的 最适生长温度为37度
（2）温度还能改变菌种代谢产物的合成方 向，细胞生长和代谢产物积累的最适温度也 往往是不同的。
例如，青霉素产生菌的生长最适温度为 30度，而产生青霉素的最适温度为25度；
（3）影响发酵液的物理性质。
发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的 溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收 速率等。
第五章 发酵过程控制
典型的细菌生长曲线
a适应期（迟滞期）
10
b对数生长期期
c稳定期(平稳期）
d死亡期（衰老期）
d
b
c
a
0
ab菌体生长阶段
时间
c产物合成阶段
16
d菌体自溶阶段
第一节、发酵过程的主要控制参数
（一）物理参数 1．温度（℃） •发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。 •影响酶反应速率、氧在培养液中的溶解度与传 递速率、菌体生长速率和产物合成速率 2．压力（Pa） 发酵过程中发酵罐维持的压力, 罐内维持正压可 以防止外界空气中的杂菌侵入，保证纯种的培养, 间接影响菌体代谢。一般维持在 0.2×105~0.5×105Pa。
2．菌体浓度 •菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵的重要 参数之一。
•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，以保证生产达到顶期的水平。
（三）发酵参数在发酵过程控制中的作用
• （发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、 糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值）
3．溶解氧浓度［10-6（ppm）或饱和度（％）］
• 溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。 •利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的 规律，反映发酵的异常情况，也可作为发醉中间 控制的参数及设备供氧能力的指标。 •溶氧浓度一般用绝对含量（10-6）来表示、有时 也用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。
2.最适温度的选择
（1）根据菌种及生长阶段选择 •前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速； •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。 •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。
• 计算
（菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速 率、氮比消耗速率和产物比生产速率）
（控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件）
研究
发酵动力学
由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数 据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接 从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多 有用的参数就地通过传感方式变成各种输出信号。
其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的酶等。
（三）生物参数
1．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。
6．粘度（Pa·s） 粘度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项 标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况。 通常用表观粘度表示之：它的大小可改变氧传递 的阻力。
7．浊度（％） 浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数，
对某些产品的生产是极其重要的参数。一般采 用分光光度计的波长420～660 nm测量。浊度 对氨基酸、核苷酸等产品的生产是极其重要的。
4．产物的浓度[μg（u）／ml] 这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的 重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。
5．废气中的氧含量（％） • 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数 有关。 •从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率 和发酵罐的供氧能力。
6．废气中的CO2浓度（％） • 废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的CO2。测定 它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生菌的 呼吸代谢规律。 ７.氧化还原电位（mV)
8. 料液流量（L／min） 这是控制流体进料的参数。
（二）化学参数
1． pH（酸碱度）
•发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和来自百度文库碱 的生化反应的综合结果。
•它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的高 低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。
2．基质浓度（g或mg％） •是指发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的 浓度。 •它们的变化对产生菌的生长和产物的合成有 着重要的影响，也是提高代谢产物产量的重 要控制手段。 •在发酵过程中，必须定时测定糖（还原糖和 总糖）、氮（氨基氮或氨氮）等基质的浓度。
目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、 搅拌转速、pH、溶氧、效价、糖含量、前体(如 苯乙酸)浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体 积%)等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、 排气中的O2和CO2含量等。
发酵过程各参数概况
参数名称 温度 罐压
空气流量 搅拌转速
pH
测试方法 传感器 压力表 传感器 传感器 酸度计
3．搅拌转速（r／min） •搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度， 通常以每1min的转数来表示。 •它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液的 均匀性有关。
4．搅拌功率（kw） 指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每1m3发酵 液所消耗的功率（kw／m3）。 它的大小与氧容量传递系数有关。
5．空气流量［V／（V·min），简称VVM］ •每1min内每单性体积发酵液通入空气的体积， 也是需氧发酵的控制参数。 •与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在 0.5～1.0V／（V·min）范围内。
意义、主要作用 维持生长、合成 维持正压、增加DO 供氧排泄废气提高KLα 物料混合、提高KLα 反映pH、KLα
第二节、发酵过程控制
一、温度变化及控制 1.温度对发酵的影响
（1）影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。 在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率
也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的 催化活力就下降。温度对菌体生长的酶反应和代谢 产物合成的酶反应的影响不同。
如产黄青霉菌体的最适生长温度为30℃，黑曲酶的 最适生长温度为37度
（2）温度还能改变菌种代谢产物的合成方 向，细胞生长和代谢产物积累的最适温度也 往往是不同的。
例如，青霉素产生菌的生长最适温度为 30度，而产生青霉素的最适温度为25度；
（3）影响发酵液的物理性质。
发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的 溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收 速率等。
第五章 发酵过程控制
典型的细菌生长曲线
a适应期（迟滞期）
10
b对数生长期期
c稳定期(平稳期）
d死亡期（衰老期）
d
b
c
a
0
ab菌体生长阶段
时间
c产物合成阶段
16
d菌体自溶阶段
第一节、发酵过程的主要控制参数
（一）物理参数 1．温度（℃） •发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。 •影响酶反应速率、氧在培养液中的溶解度与传 递速率、菌体生长速率和产物合成速率 2．压力（Pa） 发酵过程中发酵罐维持的压力, 罐内维持正压可 以防止外界空气中的杂菌侵入，保证纯种的培养, 间接影响菌体代谢。一般维持在 0.2×105~0.5×105Pa。
2．菌体浓度 •菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵的重要 参数之一。
•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，以保证生产达到顶期的水平。
（三）发酵参数在发酵过程控制中的作用
• （发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、 糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值）
3．溶解氧浓度［10-6（ppm）或饱和度（％）］
• 溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。 •利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的 规律，反映发酵的异常情况，也可作为发醉中间 控制的参数及设备供氧能力的指标。 •溶氧浓度一般用绝对含量（10-6）来表示、有时 也用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。
2.最适温度的选择
（1）根据菌种及生长阶段选择 •前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速； •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。 •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。
• 计算
（菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速 率、氮比消耗速率和产物比生产速率）
（控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件）
研究
发酵动力学
由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数 据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接 从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多 有用的参数就地通过传感方式变成各种输出信号。