第三章 抗生素发酵工艺

一、初级代谢的代谢变化 生长过程仍显示停滞期（1、2）、对数期 （3、4）、稳定期（5）和衰亡期（6）等生 长史的特征。

二、次级代谢的代谢变化 次级代谢产物的发酵属于菌体的生长与产 物非偶联的类型，菌体生长繁殖阶段(又称 生长期)与产物生成阶段(又称生产期)是分 开的。

UAA—可 利用的氨 基酸


四、溶氧浓度控制 （1）改变通气速率（增大通风量） （2）改变搅拌速度 （3）改变气体组成中的氧分压 （4）改变罐压 （5）改变发酵液的理化性质 （6）加入传氧中间介质
第五节 基质对抗生素发酵的影响及 其控制
⒈ 碳源对发酵的影响及其控制 按菌体利用快慢而言，分为迅速利用的碳源和 缓慢利用的碳源。 前者(如葡萄糖)能较迅速地参与代谢、合成菌 体和产生能量，并产生分解代谢产物，因此有 利于菌体生长，但有的分解代谢产物对产物的 合成可能产生阻遏作用； 后者(如乳糖)为菌体缓慢利用，有利于延长代 谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的生产 期，也为许多微生物药物的发酵所采用。

⒊ 菌体自溶阶段 这个阶段一般称为菌体自溶期或发酵后期。 根据发酵过程中的参数变化绘制出的次级 代谢的代谢曲线，可清楚地说明过程中的 代谢变化，并反映出碳源、氮源的利用和 pH值、菌体浓度和产物浓度等参数之间的 相互关系。 分析研究代谢曲线，还有利于掌握发酵代 谢变化的规律和发现工艺控制中存在的问 题，有助于改进工艺，提高产物的产量。

第六节 发酵过程检测与自控
一、发酵过程检测的方法有： 物理测量(如温度、压力、体积、流量等) 物理化学测量(pH值、溶O2、溶CO2 、氧化 还原电位、气相成分等) 化学测量(基质、前体、产物等的浓度) 生物学和生物化学测量(生物量、细胞形 态、酶活性、胞内成分等)

生物传感器测量原理

三、发酵过程的主要控制参数 ⑴ pH值(酸碱度) ⑽ 浊度（OD值） ⑵ 温度(℃) (11) 料液流量 ⑶ 溶氧浓度（DO值，简称溶氧） ⑷ 基质含量 (12) 产物的浓度 ⑸ 空气流量 (13) 氧化还原电位 ⑹ 压力 (14) 废气中的氧含量 ⑺ 搅拌转速 (15) 废气中的CO2含量 ⑻ 搅拌功率 (16) 菌丝形态 ⑼ 黏度 (17) 菌体浓度（简称菌浓）
二、影响发酵温度变化的因素
产热因素：生物热（Q生物）、搅拌热（Q搅拌） 散热因素：蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）、显热（Q显） 发酵热（Q发酵）是发酵温度变化的主要因素。 Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射－Q显
由于Q生物、Q蒸发和Q显，特别是Q生物在发酵过程中随时间变化，因 此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度发生波动。

小型百度文库酵罐
第二节 温度对发酵的影响及其控制
一、温度对发酵的影响
抗生素发酵所用的菌体绝大多数是中温菌，如霉菌、放线 菌。它们的最适生长温度一般在20～40℃。 温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成 方向，影响微生物的代谢调控机制。 温度影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特性 和产物的生物合成。 温度影响代谢产物的合成的方向。 微生物生长和代谢产物合成的最适温度不一定一致。
第三节 PH值对发酵的影响及其控制
一、pH值对发酵的影响 ① 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； ② 影响微生物细胞膜所带电荷的状态，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； ③ 影响培养基中某些组分的解离，进而微生物 对这些成分的吸收； ④ pH值不同，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。
⒊ 磷酸盐对发酵的影响及其控制 磷是微生物菌体生长繁殖所必需的成分，也 是合成代谢产物所必需的 磷酸盐浓度的控制，对于初级代谢来说，要 求不如次级代谢那么严格。对抗生素发酵来 说，常常是采用生长亚适量(对菌体生长不 是最适合但又不影响生长的量)的磷酸盐浓 度 其最适浓度取决于菌种特性、培养条件、培 养基组成和来源等因素 其他培养基成分影响发酵，如Cu2+，Mn2+
发酵过程的主要在线传感器 ⒈ pH值 一般采用可原位蒸汽灭菌的复合pH传感器 ⒉ 溶氧 一般使用覆膜溶氧探头，它实际测量的是 溶氧分压，与溶氧浓度并不直接相关，故 测量结果称为溶氧压（dissolved oxygen tension，简称DOT），它以饱和值(即与气 相氧分压平衡的溶氧浓度)的百分数表示
⒈ 菌体生长阶段 菌体DNA含量达到定值，即不进行繁殖，细 胞数量恒定，但多元醇、脂类等细胞内含 物仍在积累，使菌体干重增加，此时开始 合成产物，此刻的菌体浓度称为临界浓度。 这个阶段一般又称为菌体生长期或发酵前 期，也有人称为平衡期 ⒉ 产物生成阶段 这阶段一般称为产物生产期或发酵中期。

⒉ 氮源对发酵的影响及其控制 氮源有无机氮源和有机氮源两类 发酵培养基一般是选用含有快速利用和慢 速利用的混合氮源。 如抗生素发酵用铵盐(硫酸铵或醋酸铵)和 麸皮水解液、玉米浆

⑴ 补加有机氮源 根据产生菌的代谢情况，可在发酵过程中 添加某些具有调节生长代谢作用的有机氮 源，如酵母粉、玉米浆、尿素等

pH计
溶氧仪
三、发酵过程自控 ① 和过程的未来状态相联系的控制目的或 目标（如要求控制的温度、pH值、生物量 浓度等）； ② 一组可供选择的控制动作（如阀门的开、 关，泵的开、停等）； ③ 一种能够预测控制动作对过程状态影响 的模型（如用加入基质的浓度和速率控制 细胞生长速率时需要能表达它们之间相关 关系的数学式）。


二、发酵pH值的确定和控制
⒈ 发酵pH值的确定 同一菌种，生长最适pH值可能与产物合成 的最适pH值是不一样的。 同一产物的最适pH值，还与所用的菌种、 培养基组成和培养条件有关。



2.PH值的控制
补料方法，既可以达到稳定pH值的目的，又可以 不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物 质。 少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用， 提高产物产量。 最成功的例子就是青霉素的补料工艺，利用控制 葡萄糖的补加速率来控制pH值的变化范围(现已实 现自动化)，其青霉素产量比用恒定的加糖速率和 加酸或碱来控制pH值的产量高25％。

过程监控计算机在发酵自控中的作用有： ① 从发酵过程中采集和存贮数据； ② 用图形和列表方式显示存贮的数据； ③ 对存贮的数据进行各种处理和分析； ④ 和检测仪表和其他计算机系统进行通讯； ⑤ 对模型及其参数进行辨识； ⑥ 实施复杂的控制算法。

【思考题】 1. 影响抗生素发酵的参数主要有哪些？ 2. 抗生素发酵过程中，溶氧浓度控制的方法主要 有哪些？ 3. 抗生素发酵过程中，碳源和氮源对发酵的影响 及其控制？

⑵ 补加无机氮源 补加氨水或硫酸铵是工业上的常用方法。氨水 既可作为无机氮源，又可调节pH值。在抗生素 发酵工业中，通氨是提高发酵产量的有效措施。 当pH值偏高而又需补氮时，就可补加生理酸性 物质的硫酸铵，以达到提高氮含量和调节pH值 的双重目的

26 24 22 20 18 1:0 1:0.5 1:1 1:2 0:1 硫酸铵: 醋酸铵
为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。
三、温度的控制
1. 最适温度的选择
在生长阶段，应选择最适生长温度； 在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。 发酵温度可根据不同菌种、不同产品进行选择。
2. 温度的控制
抗生素工业生产上，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。


二、发酵过程溶氧的变化
红霉素发酵过程中 溶氧和黏度的曲线
引起溶氧异常下降，可能有下列几种原因： ① 污染好气性杂菌，大量的溶氧被消耗掉， 可能使溶氧在较短时间内下降到零附近，如 果杂菌本身耗氧能力不强，溶氧变化就可能 不明显； ② 菌体代谢发生异常现象，需氧要求增加， 使溶氧下降； ③ 某些设备或工艺控制发生故障或变化， 也可能引起溶氧下降，如搅拌功率消耗变小 或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降 低。
第三章 抗生素发酵工艺
发酵过程中的代谢变化与控制参数 温度对发酵的影响及其控制
PH值对发酵的影响及其控制
溶解氧对发酵的影响及其控制 基质对发酵的影响及其控制 发酵过程检测与自控
第一节 发酵过程中的代谢变化与控制 参数
微生物发酵有三种方式即分批发酵(batch fermentation)、补料分批发酵(fed-batch fermentation)和连续发酵(continuous fermentation)。 抗生素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。


第四节 溶解氧对发酵的影响及其控制
一、溶解氧对发酵的影响 影响耗氧的因素有以下几方面： ⑴ 培养基的成分和菌浓显著影响耗氧 ⑵ 菌龄影响耗氧 ⑶ 发酵条件影响耗氧 满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓 度(critical value of dissolved oxygen concentration)，用c临界表示