发酵条件及工艺控制
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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
在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。 冷却介质：深井水或冷冻水 控制方式：手动控制或自动控制
温度计 温度控制器
调节阀
第三节 pH的影响及控制 一、pH对发酵的影响：
影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用， 影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。
影响菌体生长代谢的酶活性
影响代谢产物的合成方向
在发酵过程中直接补加酸或碱
过去流加硫酸或氢氧化钠， 现采用补加氨水、尿素、硫酸铵
在发酵过程中调节补糖速度控制pH
pH的控制系统
经消毒的pH电极装入发 酵罐内定时直接测定培 养基的pH，同时还可以 与控制仪表连结，通过 回路系统控制阀门或泵 进行pH调节。
Controlled
Uncontrolled 6.5
调节阀
设定控制器 pH电极
pH
第四节 氧的供需及对发酵的影响
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程 中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因 素。
在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有 0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生 长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若 此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭， 使溶氧成为限制因素。
（2）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）；
（3）μ和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）；
（4）更复杂，μ和 Qp对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）；
四、pH的控制
采用合适的培养基配比
C：N合适 生理酸性物质和生理碱性物质比例合适 添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐
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，可适当补加适量的磷，促进
菌体生长。
四、 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 ）
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
迅速利用的碳源
缓慢利用的碳源
发酵条件及工艺控制
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
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。
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
产期提前。
温度
发温改酵度变温影菌度响体太基高代质，和谢菌氧产体的物容吸的易收合衰速老成度，方发向
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：
三、最适发酵温度的选择
选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度 可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温 度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。 确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件： 在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利 培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利
四、发酵温度的控制
酵周期缩短。
多影例响组：饱分温和次度溶小级氧于代浓3谢度0℃产，物合的成组金分霉素比的例能力强 同黄毒温一曲素度微霉G等1和毒生于B素3物15比，的℃例在，生分2只0长别℃合和为、成32代:5四1℃、谢环和1产:素23、0物℃1:积发1。酵累所的产最生适的温黄度曲霉不同
如：青霉素最适生长温度30℃，产生青霉素的最适温度为25℃。
影响微生物的代谢机制
二、影响发酵温度变化的因素： 发酵热（KJ/m3 h）
发酵热 = 生物热 + 搅拌热 - 蒸发热 - 显热 - 辐射热
生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。 搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。 影蒸响发搅生热拌物：热热发=的酵P 因/液V素蒸36：发0水1（分k带J/走h）的热量。 与与显G菌菌热P3-空/6种龄：V0气-遗有发1通重-传关酵机气Q量特：排械蒸条流发性对气能件量=有数散转G下，关生发(变I单k出长带g为-位干I期进走热体空)生的能积气物热的发/热h量热酵；最。功液大当所。量消，耗K的j/功（率kw，·khw）/m3 与辐I进营射、养热I出基：-发质由酵有于罐关罐进内气外、的排温气差的，热辐焓射，带K走J/的Kg热干量空。气 与产量有关
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：
（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
（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。
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。
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、最适pH的选择
选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一 般根据试验结果确定。 根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH
同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的 pH，在产物采用最适产物合成的pH。
最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：
（1）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）；
Growth
2-3 pH units
pH
影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微
生物对这些物的利用
二、影响发酵pH变化的因素：
pH的变化决定于所用的生产菌：
培养基中营养物质的代谢引起pH的变化： 培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子
氮源被利用后产生NH3 ，则pH上升；有机酸的积累，使 pH下降。 一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源 培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。 生理酸性物质和生理碱性物质的消耗
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
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
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
在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。 冷却介质：深井水或冷冻水 控制方式：手动控制或自动控制
温度计 温度控制器
调节阀
第三节 pH的影响及控制 一、pH对发酵的影响：
影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用， 影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。
影响菌体生长代谢的酶活性
影响代谢产物的合成方向
在发酵过程中直接补加酸或碱
过去流加硫酸或氢氧化钠， 现采用补加氨水、尿素、硫酸铵
在发酵过程中调节补糖速度控制pH
pH的控制系统
经消毒的pH电极装入发 酵罐内定时直接测定培 养基的pH，同时还可以 与控制仪表连结，通过 回路系统控制阀门或泵 进行pH调节。
Controlled
Uncontrolled 6.5
调节阀
设定控制器 pH电极
pH
第四节 氧的供需及对发酵的影响
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程 中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因 素。
在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有 0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生 长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若 此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭， 使溶氧成为限制因素。
（2）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）；
（3）μ和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）；
（4）更复杂，μ和 Qp对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）；
四、pH的控制
采用合适的培养基配比
C：N合适 生理酸性物质和生理碱性物质比例合适 添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐
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，可适当补加适量的磷，促进
菌体生长。
四、 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 ）
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
迅速利用的碳源
缓慢利用的碳源
发酵条件及工艺控制
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
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。
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
产期提前。
温度
发温改酵度变温影菌度响体太基高代质，和谢菌氧产体的物容吸的易收合衰速老成度，方发向
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：
三、最适发酵温度的选择
选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度 可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温 度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。 确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件： 在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利 培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利
四、发酵温度的控制
酵周期缩短。
多影例响组：饱分温和次度溶小级氧于代浓3谢度0℃产，物合的成组金分霉素比的例能力强 同黄毒温一曲素度微霉G等1和毒生于B素3物15比，的℃例在，生分2只0长别℃合和为、成32代:5四1℃、谢环和1产:素23、0物℃1:积发1。酵累所的产最生适的温黄度曲霉不同
如：青霉素最适生长温度30℃，产生青霉素的最适温度为25℃。
影响微生物的代谢机制
二、影响发酵温度变化的因素： 发酵热（KJ/m3 h）
发酵热 = 生物热 + 搅拌热 - 蒸发热 - 显热 - 辐射热
生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。 搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。 影蒸响发搅生热拌物：热热发=的酵P 因/液V素蒸36：发0水1（分k带J/走h）的热量。 与与显G菌菌热P3-空/6种龄：V0气-遗有发1通重-传关酵机气Q量特：排械蒸条流发性对气能件量=有数散转G下，关生发(变I单k出长带g为-位干I期进走热体空)生的能积气物热的发/热h量热酵；最。功液大当所。量消，耗K的j/功（率kw，·khw）/m3 与辐I进营射、养热I出基：-发质由酵有于罐关罐进内气外、的排温气差的，热辐焓射，带K走J/的Kg热干量空。气 与产量有关
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：
（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
（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。
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。
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、最适pH的选择
选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一 般根据试验结果确定。 根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH
同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的 pH，在产物采用最适产物合成的pH。
最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：
（1）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）；
Growth
2-3 pH units
pH
影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微
生物对这些物的利用
二、影响发酵pH变化的因素：
pH的变化决定于所用的生产菌：
培养基中营养物质的代谢引起pH的变化： 培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子
氮源被利用后产生NH3 ，则pH上升；有机酸的积累，使 pH下降。 一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源 培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。 生理酸性物质和生理碱性物质的消耗
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
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