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1、http:/ 发酵过程的代谢控制,发酵过程控制是发酵的重要部分 控制难点：过程的不确定性和参数的非线性 同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同批次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响因素是复杂的，比如设备的差别、水的差别、培养基灭菌的差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程的细微差别都会引起微生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的一般方法对于控制代谢是十分必要的,发酵过程的代谢控制,http:/ 发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,一 发酵过程的种类,分批培养 补料分批培养 半连续培养 连续培养,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 分批发酵 简单的过
2、程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握 缺点 产率低，不适于测定动力学数据,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 在这样一种系统中可
3、以维持低的基质浓度，避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料控制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺。,缺点 由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌机会,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。,缺点 代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。,发酵
4、过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，得到高的产量。由于D，通过改变稀释速率可以比较容易的研究菌生长的动力学,缺点 菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增加。,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 发酵过程工艺控制的目的,有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来 目标是得到最大的比生产速率和最大的生产率,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 菌种本身的代谢特点 生长速率、
5、呼吸强度、营养要求（酶系统）、代谢速率 菌代谢与环境的相关性 温度、pH、渗透压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 为了全面的认识发酵过程，本章首先要告诉大家分析发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子，说明如何综合分析发酵过程及进行优化放大。,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 发酵过程研究的方法和层次,1、研究方法,单因子实验：对实验中要考察的因子逐个进行试验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验 优点 一次可以进行多种条件的实验，可以在较快时间内得到的结果。 缺点 如果考
6、察的条件多，实验时间会比较长 各因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，大大提高了实验效率。 但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存在较大的误差就会得出错误的结果。,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 初级层次的研究： 一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最适温度、最适pH等要求。 摇瓶研究的优点
7、是工作量大，可以一次试验几十种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较高的效率。,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数，以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以得到的代谢情况比较可信。,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优化条件在大型反应器上得以实现,达到产业化的实
8、现。 一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同所致。,发酵过程的代谢控制,发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次,http:/ 发酵过程的中间分析,发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛。 这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等,发酵过程的代谢控制,发酵过
9、程的中间分析,http:/ 物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等 化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、产物浓度、核酸量等 生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等,发酵过程的代谢控制,发酵过程的中间分析,http:/ 直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温度、pH、残糖等 间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、KLa等,发酵过程的代谢控制,发酵过程的中间分析,http:/ 在线检测参数和离线检测参数 在线检测参数指不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌转速； 离线检测参数指取出样后测定得到的参数，如残糖、NH2-N、菌体浓度。,发酵过程的代谢控制,发酵过程的中间分析,http:/ 发酵过程主要分析的项目,目前发酵过程主要分析项目如下,1、pH pH与微生物的生命活动密切相关 酶催化活性 pH的变化又是微生物代谢状况的综合反映基质代谢、产物
