第六章 发酵条件及工艺控制详解

量以最高罐批经验量为参考。 每小时 前期0~40h 中期40~90h 后期90h以后 加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18%
补糖量的控制： 动力学方法
依据μ、 qP 、 qC等动力学参数 之间的关系，计算加糖量
以次级代谢产物为例：
控制原则：
μ、
qP
、 qC之间的关系：
以维持临界生长限制基质 浓度、临界菌体浓度和临
μ
X
界比生长速率为指标的基 质流加速率与消耗速率的
qp
S
qC
平衡。
补糖的控制
把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加 料装置精确控制加入的糖量。
二、氮源的影响和控制 （一）氮源的种类影响
迅速利用的氮源
缓慢利用的氮源
种类：氨水、铵盐和玉 种类：黄豆饼粉、花生
迅速利用的碳源
缓慢利用的碳源
种类：葡萄糖
种类：淀粉、乳糖、蔗
优点：
糖、麦芽糖、玉米油
吸收快，利用快，能迅 优点：
速参加代谢合成菌体和 不易产生分解产物 阻遏
产生能量
效应。
缺点：
有利于延长次级代谢产
有些品种产生分解产物 物的分泌期
阻遏效应。
缺点：溶解度低，发酵 液粘度大。
碳源种类的控制
发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢 利用的碳源的混合碳源。
量达不到最适量。 要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最
适量。 当菌体生长缓慢时，可适当补加适量响及控制
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 ）
（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
补糖的依据：
残糖量 pH值 Qc 菌体浓度 （ X ） 粘度 溶氧 尾气中O2和CO2的含量 发酵液的总体积
补糖量的控制： 经验法：
根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据 菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。 例： 青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%, pH开始回升时补糖。补糖
青霉素发酵的qP与μ的关系
μ ＞ μC qP可维持在qPmax μ ＜ μC qP随μ减小而减小
qP / qPm
1.0-
μC
μ
1.0
/
μm
要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的比生 长速率。
但是，过高的比生长速率造成过高的菌体浓度，造成不利影响：
过高的比生长速率和过高的菌体浓度造成的不利影响：
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。
菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的 影响
最适菌体浓度的确定
优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的 产物。(dP/dtMAX)
dP/dt =qP X qP=f〔 X， μ ， qO 2 qS CL〕
以青霉素发酵为例
1、 μ过高，S消耗过快，有限的营养基质只能用于生长， 而不足于产物合成。
2、有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢途径， 抑制产物合成。 3、 X过高，增加OUR，且发酵液粘度增大，减小OTR。 CL减小，抑制菌体生长和产物合成。
最适μ为等于或稍大于μC
最适X？
青霉素发酵的qP、OUR、OTR与X的关系
第六章 发酵条件及工艺控制
发酵工艺控制的基础： 了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模型 了解生物、物理、化学和工程的环境条件对发酵过
程的影响
如何进行控制？ 测定各种参数 依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程的
各项最佳参数
第一节 营养基质和菌体浓度的影响及控制 一、碳源
（一）碳源种类的影响及控制
使氨基氮上升0.004%-0.005%。
动力学方法；
通过qN、μ、 qP ，计算每小时的补氮量。
三、磷酸盐的影响和控制 （一）磷酸盐源的影响
磷酸盐能明显促进产生菌的生长。 （0.32-300mM） 对于次级代谢产物，高浓度的磷酸盐能抑
制产物合成。 （10mM以下）
（二）磷酸盐浓度的控制
一般在基础培养基中采用适宜浓度。 对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。 对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。 一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷
确定基础培养基的适当配比，防止培养 基过于丰富或过于稀薄。
通过调节中间补料的速度和量来控制。
第二节 温度的影响及控制
一、温度对发酵的影响：
酶活
影响各种酶促反应的速度
发改酵变温发度酵升高液，的生物长理代性谢质加快：，生
米浆
饼粉、和棉子饼粉
优点：
优点：
易被菌体利用，明显促 利用缓慢，有利于延长次
进菌体生长
级代谢产物的分泌期。
缺点：
防止早衰。
对于有些品种高浓度的 缺点：溶解度低，发酵
铵离子抑制产物合成
液粘度大。
（二）氮源种类的控制
发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢 利用的氮源的混合氮源。
迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的氮源， 满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。
OTR
1.0-
OUR=OTR时的菌体 浓度为最适菌体浓度，
qP / qPm dp/dt
OUR
XC X / Xm 1.0
在发酵过程中，控制目标为保持稳定的临界菌体浓度和 临界比生长速率，以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧 速率与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率和比速率达 到最大值。
生长速度和菌体浓度的控制方法
迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳 源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可 解除葡萄糖效应。
（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）氮源浓度的影响控制
氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都 有影响。 氮源浓度的控制： 控制基础培养基中的配比。 通过补加氮源。 补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量
补氮量的控制：
经验法：
依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算。 依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。 例： 土霉素发酵50m3发酵罐使pH升高0.1通氨量为10升。