1 本章内容本章内容一、一、概述概述二、代谢调控在发酵过程控制中的应用二、代谢调控在发酵过程控制中的应用三、温度对发酵的影响及其控制三、温度对发酵的影响及其控制四、四、pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制五、溶解氧对发酵的影响及其控制五、溶解氧对发酵的影响及其控制六、六、CO2和呼吸熵对发酵的影响及其控制和呼吸熵对发酵的影响及其控制七、基质浓度对发酵的影响及补料控制七、基质浓度对发酵的影响及补料控制八、高密度发酵及过程控制八、高密度发酵及过程控制九、泡沫对发酵的影响及其控制九、泡沫对发酵的影响及其控制十、自动控制技术在发酵过程控制中的应用十、自动控制技术在发酵过程控制中的应用2 一、概述一、概述1. 过程控制的重要性过程控制的重要性 菌株特性菌株特性(营养要求、生长速率、营养要求、生长速率、 呼吸强度、产物合成速率呼吸强度、产物合成速率) 传递性能传递性能 物理：物理：n、T、Ws 化学化学：pH、DO、浓度浓度 过程控制的意义：过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数 的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的 控制。
控制§决定发酵决定发酵单位单位(水平水平)的因素的因素外部环境因素外部环境因素工艺条件工艺条件生物因素：生物因素：设备性能：设备性能：3 2. 发酵过程控制的一般步骤发酵过程控制的一般步骤 确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法 研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制，研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制，获取最适水平或最佳范围获取最适水平或最佳范围 建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系 通过计算机实施自动检测和控制，验证各种控制通过计算机实施自动检测和控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制 4 3. 参数检测参数检测n代谢参数按性质可分为三类：代谢参数按性质可分为三类：Ø物理参数：物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等Ø化学参数：化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、基质浓度（包括糖、氮、磷）、 pH、产物、产物浓度、核酸量等浓度、核酸量等Ø生物参数：生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等5 3. 参数检测参数检测n参数按获取方式可分为两类：参数按获取方式可分为两类： 如如T、pH、罐罐压压、、空空气气流流量量、、搅搅拌转速、溶氧浓度等拌转速、溶氧浓度等 如如摄摄氧氧率率(γ)、、呼呼吸吸强强度度(QO2)、、比比生生长长速速率率（（μ) 、体体积积溶溶氧氧系系数数(KLa)、呼呼吸吸熵熵(RQ)等等。
Ø直接参数直接参数：：Ø 间接参数间接参数：将直接参数通过公式计算获得的：将直接参数通过公式计算获得的参数，参数，6 3. 参数检测参数检测n参数的测量形式参数的测量形式Ø离离线线测测量量：：基基质质（（糖糖、、脂脂类类、、无无机机盐盐等等））、、前前体体和和代代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）Ø在线测测量量：：如如T 、pH、、DO、、溶溶解解CO2、、尾尾气气CO2、、黏黏度度、、搅拌转速等搅拌转速等n优优点点：：及及时时、、省省力力，，可可从从繁繁琐琐操操作作中中解解脱脱出出来来，，便便于计算机控制于计算机控制 n困难：传感器要求较高困难：传感器要求较高 7 v对传感器的要求对传感器的要求n能经受高压蒸汽灭菌；能经受高压蒸汽灭菌；n传感器及其二次仪表具有长期稳定性；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；n最好能在过程中随时校正，灵敏度好；最好能在过程中随时校正，灵敏度好；n探头材料不易老化，使用寿命长；探头材料不易老化，使用寿命长；n安装使用和维修方便；安装使用和维修方便；n解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞 问题；问题；n价格合理，便于推广。
价格合理，便于推广 3. 参数检测参数检测8 3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法n温度测量温度测量 感温元件：热电偶（温度信号感温元件：热电偶（温度信号→ 电信号电信号） 二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成 被测介质的温度被测介质的温度9 v参数检测方法参数检测方法n搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式，搅拌转速：磁感应式，光感应式， 测速电机；测速电机；搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法3. 参数检测参数检测10 3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法n空气流量测定空气流量测定体积流量型：体积流量型： 会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响； ①①同心孔板压差式流量计；同心孔板压差式流量计； ②②转子流量计转子流量计质量流量型：质量流量型： 根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。
设计的流量计11 v参数检测方法参数检测方法n罐压测量罐压测量 压力表压力表 压力传感器压力传感器 3. 参数检测参数检测12 v参数检测方法参数检测方法n发酵液粘度测定发酵液粘度测定 毛细管粘度计毛细管粘度计 回转式粘度计回转式粘度计 涡轮旋转粘度计涡轮旋转粘度计3. 参数检测参数检测13 v参数检测方法参数检测方法npH测量测量 复合复合pH电极电极 pH测量仪器测量仪器3. 参数检测参数检测14 v参数检测方法参数检测方法n溶解氧的测量溶解氧的测量 化学法化学法 极谱法极谱法 复膜氧电极法复膜氧电极法 3. 参数检测参数检测复膜氧电极示意图复膜氧电极示意图（（a））极谱型极谱型 （（b））原电池型原电池型15 v参数检测方法参数检测方法n溶解二氧化碳测量溶解二氧化碳测量 复膜式电极法复膜式电极法 渗透膜渗透膜—碳酸氢钠法碳酸氢钠法n发酵尾气的分析发酵尾气的分析 CO2分析分析 O2分析分析3. 参数检测参数检测16 v参数检测方法参数检测方法n细胞浓度的测量细胞浓度的测量 化学法：如化学法：如DNA、、RNA分分析等析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、物理法：如重量分析、分光光度分析、 浊度分析等浊度分析等Ø新技术：以电容法为测量原理的新技术：以电容法为测量原理的 活细胞浓度测量传感器活细胞浓度测量传感器 3. 参数检测参数检测原位活细胞检测仪原位活细胞检测仪17 二、代谢调控在发酵过程控制中的应用二、代谢调控在发酵过程控制中的应用1. 初级代谢物的生产调节初级代谢物的生产调节初级代谢物初级代谢物：指一类低分子量的终点产物及这些：指一类低分子量的终点产物及这些终点产物的生物合成途径中的中间体。
终点产物的生物合成途径中的中间体 调节方法：调节方法：(1) 避开固有的反馈调节避开固有的反馈调节(2) 细胞通透性的变更细胞通透性的变更18 n反馈调节包括反馈调节包括 ①①反馈抑制反馈抑制：某一生物合成途径的最终代谢物抑制：某一生物合成途径的最终代谢物抑制该途径的第一或第二个酶的活性该途径的第一或第二个酶的活性 ②②反馈阻遏反馈阻遏：抑制酶的形成，是由途径终点产物或：抑制酶的形成，是由途径终点产物或其衍生物施行的其衍生物施行的1）避开固有的反馈调节避开固有的反馈调节19 （1）避开固有的反馈调节避开固有的反馈调节n方法方法§限制菌在胞内积累终点产物的能力以解除负反馈调节限制菌在胞内积累终点产物的能力以解除负反馈调节作用作用 §从遗传上改变酶的活性和酶的形成系统，筛选有抗反从遗传上改变酶的活性和酶的形成系统，筛选有抗反馈作用的基因突变型（对反馈作用不敏感）馈作用的基因突变型（对反馈作用不敏感）n具体应用具体应用§积累中间产物的能力积累中间产物的能力§积累终点产物的能力积累终点产物的能力§耐反馈作用的突变株的筛选耐反馈作用的突变株的筛选：抗结构类似物突变株：抗结构类似物突变株 20 抗结构类似物突变株的筛选机制抗结构类似物突变株的筛选机制n末端产物类似物和末端产物结构类似，因而能够引起反末端产物类似物和末端产物结构类似，因而能够引起反馈作用，但是它们不能参与生物合成。
在培养基中添加馈作用，但是它们不能参与生物合成在培养基中添加末端产物类似物后，未突变的细胞将由于代谢途径受阻末端产物类似物后，未突变的细胞将由于代谢途径受阻而不能获得生物合成所需的该种末端产物，从而导致细而不能获得生物合成所需的该种末端产物，从而导致细胞死亡那些对类似物不敏感的突变株仍能制造末端产胞死亡那些对类似物不敏感的突变株仍能制造末端产物并长成菌落物并长成菌落 n突变株耐结构类似物的原因：突变株耐结构类似物的原因： ①①酶的结构起了变化（指耐反馈抑制的突变株）酶的结构起了变化（指耐反馈抑制的突变株） ②②酶的合成系统起了变化（指耐反馈阻遏的突变株）酶的合成系统起了变化（指耐反馈阻遏的突变株）21 （（2）细胞通透性的变更）细胞通透性的变更n细菌细胞膜通透性的增加是谷氨酸过量生产的原因之一细菌细胞膜通透性的增加是谷氨酸过量生产的原因之一n能过量生产谷氨酸的细菌有两个共同特征：能过量生产谷氨酸的细菌有两个共同特征： ①① α-酮戊二酸脱氢酶缺失：表明这类细菌的酮戊二酸脱氢酶缺失：表明这类细菌的TCA上的酶受上的酶受阻，保证了碳引向谷氨酸的合成歧路阻，保证了碳引向谷氨酸的合成歧路。
②② 对生物素的营养需求：表明这类细菌的生物素的生物合对生物素的营养需求：表明这类细菌的生物素的生物合成受阻，导致细胞膜通透性的改变，使细胞可以分泌出谷氨成受阻，导致细胞膜通透性的改变，使细胞可以分泌出谷氨酸 22 2. 次级代谢物的生产调节次级代谢物的生产调节(1) 次级代谢的特点及与初级代谢的关系次级代谢的特点及与初级代谢的关系n次级代谢酶的特异性较初级代谢酶的特异性低，故受次级代谢酶的特异性较初级代谢酶的特异性低，故受遗传及环境因素的影响大遗传及环境因素的影响大 n次级代谢物的合成途径比初级代谢的种类多，但大多次级代谢物的合成途径比初级代谢的种类多，但大多数次级代谢物都是由少数关键中间代谢物组装的数次级代谢物都是由少数关键中间代谢物组装的n次级代谢产物的合成一般是在生长期后，即培养基中次级代谢产物的合成一般是在生长期后，即培养基中的养分快耗尽，菌的比生长速率降低时才合成的养分快耗尽，菌的比生长速率降低时才合成23 (2) 调节方法调节方法n诱导作用诱导作用 n避开固有的负反馈避开固有的负反馈n操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成n耐负反馈调节的抗性突变株的筛选耐负反馈调节的抗性突变株的筛选24 操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成n改变培养基成分来避免分解阻遏作用改变培养基成分来避免分解阻遏作用 e.g.链霉素发酵中限制磷酸盐的加量，避链霉素发酵中限制磷酸盐的加量，避免其对参与生物合成的磷酸酯酶的反馈免其对参与生物合成的磷酸酯酶的反馈抑制和阻遏作用抑制和阻遏作用n培养基中添加前体物来避免分支途径终培养基中添加前体物来避免分支途径终产物对发酵产品的间接抑制作用产物对发酵产品的间接抑制作用25 耐负反馈调节的抗性突变株的筛选耐负反馈调节的抗性突变株的筛选n筛选耐结构类似物的突变株筛选耐结构类似物的突变株 e.g. 不需添加色氨酸的硝吡咯菌素的高产菌株不需添加色氨酸的硝吡咯菌素的高产菌株n筛选耐药性菌株筛选耐药性菌株 e.g. 利用抗生素筛选耐药性菌株利用抗生素筛选耐药性菌株 26 (三三)温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制1. 影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素2. 温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响3. 温度对基质消耗的影响温度对基质消耗的影响4. 温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响5. 最适温度的选择与控制最适温度的选择与控制 27 (1)发酵热发酵热n发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射 28 (2)生物热生物热n来源来源 ：：微生物微生物对营养物质的分解所释放的能量对营养物质的分解所释放的能量n影响因素：影响因素：n菌株菌株n培养基成分培养基成分 n发酵时期：对数生长期最大发酵时期：对数生长期最大 n生物热与其它参数的关系生物热与其它参数的关系 ①呼吸强度呼吸强度QO2 ②糖利用速率糖利用速率当当产产生生的的生生物物热热达达到到高高峰峰时时，，菌菌的的呼呼吸吸强强度度最最大大，，糖糖的的利利用用速速率率也也最最大大，，可用耗氧量、糖耗来衡量生物热可用耗氧量、糖耗来衡量生物热29 （3）搅拌热：液体之间、液体和设备之间的摩擦（4）蒸发热：发酵过程中以蒸汽形式散发到发酵罐的液面，由排气管带走的热量5）辐射热：罐内外温差，使发酵液中有部分热通过罐体向外辐射30 2. 温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响n当当μ>>α时时，α可可忽忽略略，，微微生生物物处处于于生生长长状状态态μ、α皆皆与与T有有关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：n∵Eμ＜Eα ∴死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感 31 嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系32 2. 温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响(续续)n在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅速下降。
速下降 n不同生长阶段的微生物对温度的反应不同不同生长阶段的微生物对温度的反应不同 n处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感n对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破坏作用较弱坏作用较弱 n处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于溶解氧，而不是温度溶解氧，而不是温度 33 3.温度对基质消耗的影响 糖比消耗速率糖比消耗速率qs nRighelato假定假定：m－维维持持因因子子，，即即生生长长速速率率为为零零时时的的葡葡萄萄糖糖的的消消耗耗m项项与与渗渗透透压压调调节节、、代代谢谢产产物物的的生生成成、、迁迁移移性性及及除除繁繁殖殖以以外外的的其其它它生生物物转转化化等等过过程程所所需需的的能能量量有有关关这这些些过过程程受温度的影响，所以受温度的影响，所以m也和温度相关也和温度相关B－生生长长系系数数，，即即同同一一生生长长速速率率下下的的糖糖耗耗，B值值越越大大，，说说明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。
n改变温度可以控制改变温度可以控制qs和和μ 34 （（2））T对对B、m和和μ的影响的影响 nqs一定一定：n当当TTm时时， m ↓ ， μ ↓, B ↑ 底物转化效率低底物转化效率低当当T=Tm时时，T(K)m温度对温度对B、、m和不同和不同qs下对下对μ值的影响值的影响35 4. 温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响n影影响响发发酵酵过过程程中中各各种种反反应应速速率率，，从从而而影影响响微微生生物物的的生生长代谢与产物生成长代谢与产物生成 e.g. 青霉菌发酵生产青霉素青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol 青霉素合成活化能青霉素合成活化能E2=112kJ/mol ∴ ∴青霉素合成速率对温度较敏感青霉素合成速率对温度较敏感36 n改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。
n影响生物合成方向影响生物合成方向 e.g. 四四环环素素发发酵酵中中金金色色链链霉霉菌菌：：T<30℃，，产产生生金金霉霉素素；；T达达35 ℃，，产生四环素；产生四环素； 谷谷氨氨酸酸发发酵酵中中扩扩展展短短杆杆菌菌：： 30℃培培养养后后37 ℃发发酵酵，，积累过量乳酸积累过量乳酸 n温度对菌的调节机制关系密切温度对菌的调节机制关系密切 4. 温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响37 4. 温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响n影响酶系组成及酶的特性影响酶系组成及酶的特性Ø米米曲曲霉霉制制曲曲：：温温度度控控制制在在低低温温，，有有利利于于蛋蛋白白酶酶合成合成Ø凝凝结结芽芽孢孢杆杆菌菌的的α-淀淀粉粉酶酶热热稳稳定定性性：：55℃培培养养→90℃保保持持60min，，剩剩留留活活性性为为88%~99%；；35℃培培养养→经经相相同同条条件件处处理理，，剩剩余余活活性性仅仅有有6%~10%38 5. 最适温度的选择与控制最适温度的选择与控制n定义：最适温度是指在该温度下最适于菌的生定义：最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一定条件下测得的结果。
定条件下测得的结果n二阶段发酵二阶段发酵 e.g.青霉素发酵：菌体生长期青霉素发酵：菌体生长期, ,30 ℃ 青霉素合成分泌期青霉素合成分泌期, 20 ℃39 n最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握n通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正常良好通气条件下低一些常良好通气条件下低一些 n培养基成分和浓度的影响培养基成分和浓度的影响 5. 最适温度的选择与控制最适温度的选择与控制40 n变温培养变温培养：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒温培养所获得的产物有较大幅度的提高温培养所获得的产物有较大幅度的提高 e.g. 四环素发酵：四环素发酵：0~30h稍高温度稍高温度→30~150h稍低温度稍低温度 →150h后升温发酵后升温发酵 青霉素发酵：青霉素发酵：30℃, 5h→25 ℃, 35h →20 ℃, 85h → 25 ℃, 40h；产量提高；产量提高14.7％％5. 最适温度的选择与控制最适温度的选择与控制41 （四）（四）pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制1. 发酵对发酵对pH的影响的影响2. pH值对发酵过程的影响值对发酵过程的影响3. 最适最适pH的选择的选择 4. 发酵过程中发酵过程中pH的调节与控制的调节与控制42 1. 发酵对发酵对pH的影响的影响1）发酵液中）发酵液中pH变化的基本原理变化的基本原理n微微生生物物代代谢谢对对pH影影响响主主要要在在两两种种情情况况下下发发生生：：①①酸酸性性或或碱碱性性代代谢谢产产物物的的生生成成或或释释放放；；②②菌菌体体对对培培养养基基中中生生理酸性或碱性物质的利用。
理酸性或碱性物质的利用n引起发酵液中引起发酵液中pH下降的因素下降的因素 （（1））C/N过过高高，，或或中中间间补补糖糖过过多多，，溶溶氧氧不不足足，，致致使使有有机机酸积累，酸积累，pH下降；下降； （（2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加；）消泡剂加得过多：脂肪酸增加； （（3）生理酸性盐的利用；）生理酸性盐的利用； （（4）酸性产物形成：如有机酸发酵酸性产物形成：如有机酸发酵 43 1）发酵液中）发酵液中pH变化的基本原理（续）变化的基本原理（续）n引起发酵液中引起发酵液中pH上升的因素上升的因素 （（1））C/N过低（过低（N源过多），氨基氮（源过多），氨基氮（NH4＋）释放；）释放； （（2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多； （（3）生理碱性盐的利用；）生理碱性盐的利用； （（4）碱性产物形成碱性产物形成 44 2））发酵过程中发酵过程中pH的变化规律的变化规律n生长阶段：生长阶段：pH相对于起始相对于起始pH有上升或下降的有上升或下降的趋势趋势 n生产阶段：生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合趋于稳定，维持在最适于产物合成的范围成的范围 n自溶阶段：自溶阶段：pH又上升或下降又上升或下降 45 发酵液pH的改变对发酵的影响1会导致微生物细胞原生质体膜的电荷改变，从而影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的分泌2pH变化影响菌体代谢方向3pH变化对代谢产物合成有影响46 2. pH值对发酵过程的影响值对发酵过程的影响（（1））pH对微生物生长的影响对微生物生长的影响n每一类菌都有其最适每一类菌都有其最适pH和能耐受的和能耐受的pH范围范围 细菌细菌: pH 6.3～7.5 ；霉菌和酵母菌：霉菌和酵母菌：pH 3～6； 放线菌：放线菌：pH 7～8n控制一定的控制一定的pH值，不仅保证微生物生长，而且防止值，不仅保证微生物生长，而且防止 杂菌感染杂菌感染 e.g.石油代腊酵母：石油代腊酵母： pH3.5～5.0：生长良好且不易染菌生长良好且不易染菌 pH>5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌 pH<3.0：酵母生长受抑制，细胞极不整齐，且出现自溶酵母生长受抑制，细胞极不整齐，且出现自溶 47 （（2））pH对产物合成的影响对产物合成的影响n产物合成阶段的最适产物合成阶段的最适pH值和微生物生长阶段的最适值和微生物生长阶段的最适pH往往往往不一定相同，这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学不一定相同，这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学特性。
特性 e.g. 丙酮丁醇菌：生长丙酮丁醇菌：生长 pH为为5.5～7.0；合成合成pH为为4.3～5.3 青霉素产生菌：生长青霉素产生菌：生长pH为为6.5～7.2，合成，合成pH为为6.2～6.8 链霉素产生菌：生长链霉素产生菌：生长pH为为6.3～6.9，合成合成pH为为6.7～7.3 48 npH影响代谢方向：影响代谢方向： pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变使代谢产物的质量和比例发生改变 e.g. 黑曲霉发酵：黑曲霉发酵：pH2~3, 柠檬酸；柠檬酸；pH接近中性，草酸接近中性，草酸 酵母菌发酵：酵母菌发酵：pH4.5~5.0，酒精；，酒精；pH8.0，酒精、醋酸，酒精、醋酸 和甘油和甘油 谷氨酸发酵：谷氨酸发酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；，谷氨酸；pH5.0~5.8, 谷酰胺谷酰胺 和和N-乙酰谷酰胺乙酰谷酰胺（（2））pH对产物合成的影响对产物合成的影响49 （（2））pH对产物合成的影响（续）对产物合成的影响（续）npH对青霉素发酵的影响：对青霉素发酵的影响：在不同在不同pH范围内加糖，青霉素产量和糖耗不一样。
范围内加糖，青霉素产量和糖耗不一样pH范围范围 糖耗糖耗 残糖残糖 青霉素相对单位青霉素相对单位pH6.0～6.3加糖加糖 10% 0.5% 较高较高pH6.6～6.9加糖加糖 7% 0.2% 高高pH7.3～7.6 加糖加糖 7% >0.5% 低低pH6.8控制加糖控制加糖 <7% <0.2% 最高最高速率恒定速率恒定(0.055%/h) *采用采用pH控制补糖速率的意义控制补糖速率的意义50 3. 最适最适pH的选择的选择 n选择选择pH准则：准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量，获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量以获得最高产量pH对产海藻酸裂解酶的影响对产海藻酸裂解酶的影响配制不同初始配制不同初始pH的的培养基，摇瓶考察培养基，摇瓶考察发酵情况发酵情况51 4. 发酵过程中发酵过程中pH的调节与控制的调节与控制（（1））pH调节方法调节方法 n配制合适的培养基，有很好的缓冲能力；配制合适的培养基，有很好的缓冲能力；n发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂 (NaOH、HCl、CaCO3)；n发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH； 酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱脱NH4＋) 碱性基质：碱性基质：NO3－盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素 原则原则: ①残糖高时，不用糖调残糖高时，不用糖调pH ②残残N高时，不用生理盐调高时，不用生理盐调pHnpH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH 52 （（2））pH控制方法比较控制方法比较n以青霉素发酵为例，最适以青霉素发酵为例，最适pH为为6.6～6.9控制方案：控制方案：方案一：培养基中供应充足的糖，并配用方案一：培养基中供应充足的糖，并配用pH缓冲剂缓冲剂方案二：培养基中供应充足的糖，以非基质方案二：培养基中供应充足的糖，以非基质NaOH调节调节pH方案三：在发酵过程中恒速补糖，以方案三：在发酵过程中恒速补糖，以NaOH、H2SO4调节调节pH 方案四：改变补糖速率来控制方案四：改变补糖速率来控制pH为为6.6～6.953 （3）pH控制系统控制系统 执行单元执行单元调节器调节器pH变选器变选器给定值给定值补料补料pH电极电极mA4~20mA54 （五）溶解氧对发酵的影响及其控制（五）溶解氧对发酵的影响及其控制1. 引起溶解氧变化的因素引起溶解氧变化的因素2. 溶解氧对发酵的影响溶解氧对发酵的影响3. 溶解氧在发酵过程控制中的重要作用溶解氧在发酵过程控制中的重要作用4. 发酵液中溶解氧的控制发酵液中溶解氧的控制5. 溶解氧控制实例溶解氧控制实例55 1. 引起溶解氧变化的因素引起溶解氧变化的因素（1）影响溶解氧影响溶解氧（DO）的因素的因素 供氧供氧 耗氧耗氧§两大类两大类§以关系式表示以关系式表示：§影响供氧的因素影响供氧的因素：§影响耗氧的因素影响耗氧的因素： C*- CL温度、溶质、溶剂、氧分压温度、溶质、溶剂、氧分压KLa设备参数、操作参数、发酵液特性设备参数、操作参数、发酵液特性菌种特性、培养基成分和浓度、菌菌种特性、培养基成分和浓度、菌龄、培养条件龄、培养条件（T、pH）、代谢类型代谢类型γ56 （（2）发酵过程中溶氧变化规律）发酵过程中溶氧变化规律n批式发酵无批式发酵无DO控制情况下，溶氧变化规律为控制情况下，溶氧变化规律为“波谷现象波谷现象” 溶氧溶氧、x、QO2、 随时间变化的关系随时间变化的关系 CLxQO257 n平衡点分析平衡点分析： ①当当CL↑，即即 ，OTR>γ ∵ ， ∴OTR逐渐逐渐↓至至OTR=γ，即即 ，高位平衡高位平衡 当当处处于于高高位位平平衡衡时时，，表表明明供供氧氧性性能能好好。
高高位位平平衡衡通通常常发发生生在正常情况的前、后期在正常情况的前、后期58 n平衡点分析平衡点分析：②当当CL↓（如对数生长期如对数生长期γ很大很大）， ，OTR<γ∵ ，∴ ， ，称低位平衡称低位平衡低位平衡通常发生在正常情况下的对数期低位平衡通常发生在正常情况下的对数期 59 值得注意的几点值得注意的几点n自自 然然 “波波 谷谷 现现 象象 ”，， 一一 般般 可可 以以 自自 适适 应应 调调 节节 （ ）n当当 ，则需要控制，增加则需要控制，增加OTR，防止需氧受阻防止需氧受阻n补补料料与与“波波谷谷现现象象”对对应应：：即即补补料料时时间间、、剂剂量量选选择择与与溶溶氧变化有关氧变化有关 a. 不能在波谷时补料，加重缺氧不能在波谷时补料，加重缺氧 b. 一次补料不能过量，防止一次补料不能过量，防止 ，， 菌体停止呼吸、死亡菌体停止呼吸、死亡 c.每次补料都会引起一次大的溶氧下降。
每次补料都会引起一次大的溶氧下降60 2. 溶解氧对发酵的影响溶解氧对发酵的影响（（1）溶解氧对生长的影响）溶解氧对生长的影响n临界氧浓度临界氧浓度（CCr）： n当当 时时, , n当当 时时, , ∴ ∴对生长应满足对生长应满足 , , 但并不是越高越好但并不是越高越好呼吸抑制呼吸抑制呼吸不受抑制呼吸不受抑制指不影响菌体呼吸所允许的最低指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度61 （（2））溶解氧对产物合成的影响溶解氧对产物合成的影响 n最适氧浓度最适氧浓度（Cm）：溶氧浓度对产物合成有一个最适溶氧浓度对产物合成有一个最适范围范围，CL过高或过低，对合成都不利过高或过低，对合成都不利 e.g.卷须霉素卷须霉素：12~70h之间，维持之间，维持CL 在10%比在比在0或45%的产量要高的产量要高 62 （3）CCr与与Cm比较：通常比较：通常Cm与与CCr不一致不一致n对于某些菌株对于某些菌株 Ccr>Cm, 卷须霉素卷须霉素: n而有些菌株而有些菌株 Ccr< Cm, 头孢菌素头孢菌素C： Cm 8%Ccr 13~23%Ccr 5%Cm 10~20%63 QO2(QO2)mCcrCLPCmCL生长阶段要求生长阶段要求CL> CCr，生产阶段满足生产阶段满足CL≥Cm。
64 3. 溶解氧在发酵过程控制中的重溶解氧在发酵过程控制中的重要作用要作用（（1 1）发酵异常指标）发酵异常指标n发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化§对对于于好好气气性性杂杂菌菌，，溶溶解解氧氧会会一一反反往往常常在在较较短短时时间间内内跌跌到零附近，跌零后长时间不回升到零附近，跌零后长时间不回升§对于厌气性杂菌，对于厌气性杂菌，溶解氧溶解氧升高n污染噬菌体或其它不明原因引起污染噬菌体或其它不明原因引起 发酵液变稀，此时发酵液变稀，此时溶解氧溶解氧迅速上升迅速上升 n操作故障或事故分析操作故障或事故分析 谷氨酸正常发酵和异常发酵的溶解氧曲线——正常发酵溶解氧曲线-----异常发酵溶解氧曲线—·—异常发酵光密度曲线65 （2）补料控制指标补料控制指标 n中间补料是否得当可以从中间补料是否得当可以从溶解氧溶解氧的变化看出的变化看出n发酵过程中出现发酵过程中出现“发酸发酸”现象，此时溶解氧很快下降现象，此时溶解氧很快下降 66 （（3）代谢方向控制指标）代谢方向控制指标 n测量溶解氧可以确定测量溶解氧可以确定CCr、Cm值值n通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关键时机通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关键时机 e.g.天门冬酰胺酶发酵天门冬酰胺酶发酵：45%饱和度饱和度 n在在酵酵母母以以及及其其他他微微生生物物菌菌体体的的生生产产中中，，溶溶氧氧值值是是控控制制其其代代谢方向的最好的指标之一谢方向的最好的指标之一 。
67 （（4）设备性能、工艺合理性指标）设备性能、工艺合理性指标n评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位 n设备反映供氧性能：设备反映供氧性能： 搅拌桨形式搅拌桨形式 叶片形式叶片形式 搅拌器直径搅拌器直径d 搅拌档数搅拌档数m和搅拌器间距和搅拌器间距s 档板宽度档板宽度w和档板数和档板数z 通气：空气分布器的类型和位置通气：空气分布器的类型和位置 n，P/V 设备操作参数设备操作参数 罐压罐压 WS或或VVM搅拌搅拌设备几何参数设备几何参数68 （（4）设备性能、工艺合理性指标）设备性能、工艺合理性指标§工艺条件反映耗氧和供氧特征工艺条件反映耗氧和供氧特征§菌种性能：耗菌种性能：耗O2§培养基性能：耗培养基性能：耗O2、供供O2§温度：耗温度：耗O2、供供O2§RQ（O2与与CO2水平比较水平比较）：耗耗O2§表面活性剂：耗表面活性剂：耗O2、供供O269 改进工艺：控制补料速度、改进工艺：控制补料速度、T 的调节、中间补水、的调节、中间补水、 添加表面活性剂等等添加表面活性剂等等 § 对现有发酵工对现有发酵工厂进行技术改造厂进行技术改造 浅层次浅层次 修改设备和工艺修改设备和工艺 规模和控制水平上档次规模和控制水平上档次 引入新型发酵类型引入新型发酵类型 深层次深层次 70 4. 发酵液中溶解氧的控制发酵液中溶解氧的控制（（1 1）溶解氧控制的一般原则）溶解氧控制的一般原则 n生长阶段生长阶段： 即可即可n产物合成阶段产物合成阶段： 即可即可v过过高高的的溶溶氧氧水水平平反反而而对对菌菌体体代代谢谢有有不不可可逆逆的的抑抑制作用制作用71 （（2））溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一 v控控制原理制原理§发酵过程中，发酵过程中， 糖量糖量 ↑→ x ↑, QO2 ↑ → γ ↑ → CL↓ 糖量糖量 ↓ → QO2 ↓ → γ ↓ → CL ↑ 补糖使补糖使CL下降，而下降，而CL回升的快慢取决于供氧效率回升的快慢取决于供氧效率。
§对对于于一一个个具具体体的的发发酵酵，，存存在在一一个个最最适适氧氧浓浓度度（Cm）水水平，补糖速率应与其相适应平，补糖速率应与其相适应 ，加大补糖速率加大补糖速率 ，减小补糖速率减小补糖速率实现用溶解氧水平控制补料速率实现用溶解氧水平控制补料速率 72 补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓“半饥饿半饥饿状态状态”，使其仅能维持正常的生长代谢，即把更多，使其仅能维持正常的生长代谢，即把更多的糖用于产物合成，并永远不超过罐设计时的的糖用于产物合成，并永远不超过罐设计时的KLa水平所能提供的最大供氧速率水平所能提供的最大供氧速率 v控制原则控制原则（（2））溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一 73 v控制方法控制方法 §溶氧和补糖控制系统溶氧和补糖控制系统 §溶氧和溶氧和pH控制的系统控制的系统 （（2））溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一 74 溶氧在加糖控制上的应用溶氧在加糖控制上的应用75 溶氧与溶氧与pH协同控制系统协同控制系统76 （（3））溶解氧控制的工艺方法：溶解氧控制的工艺方法：从供氧、需氧两方面考从供氧、需氧两方面考虑 n供氧方面：供氧方面：§提高氧分压（氧分含量），即提高氧分压（氧分含量），即 ，提高供氧能力提高供氧能力§改变搅拌转速：通过改变改变搅拌转速：通过改变KLa来提高供氧能力来提高供氧能力 §通气速率通气速率Ws ↑：Ws增加有上限，引起增加有上限，引起“过载过载”、泡沫、泡沫§提提高高罐罐压压：： ，，但但同同时时会会增增加加CO2的的溶溶解解度度，，影影响响pH及及可能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。
可能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求n 77 §改变发酵液理化性质改变发酵液理化性质（σ， ，Ii） 加加消消泡泡剂剂，，补补加加无无菌菌水水，，改改变变培培养养基基成成分分→改变改变KL§改改变变温温度度：： ，提提高高推推动动力力（C*－CL），呼吸作用降低（（3））溶解氧控制的工艺方法（续）溶解氧控制的工艺方法（续）n 供氧方面：供氧方面：78 （（3））溶解氧控制的工艺方法（续）溶解氧控制的工艺方法（续）n耗氧方面耗氧方面 n限制性基质的流加控制（补料控制）：在限制性基质的流加控制（补料控制）：在OTR一定情况下，一定情况下，控制基质浓度控制基质浓度→限制限制μ、x→ 限制限制γ →控制溶解氧控制溶解氧79 （（4）溶解氧自动控制系统）溶解氧自动控制系统n改变通气速率的溶氧控制系统改变通气速率的溶氧控制系统 n改变搅拌转速的溶氧控制系统改变搅拌转速的溶氧控制系统n改变通气量、转速、罐压所组成的多参数溶氧改变通气量、转速、罐压所组成的多参数溶氧控制系统控制系统 80 溶解氧对被孢霉合成溶解氧对被孢霉合成花生四烯酸花生四烯酸 (AA) 的影响的影响 溶氧量对溶氧量对AA产量的影响产量的影响注：摇床转速注：摇床转速150r/min, 25℃ KLa越大越大，培养基中溶培养基中溶解氧越多解氧越多, , AA合成速合成速度越快度越快81 溶解氧控制对鸟苷产量的影响溶解氧控制对鸟苷产量的影响不同的不同的DO控制条件下鸟苷积累的比较控制条件下鸟苷积累的比较DO(％)：◆—5，■—l0，▲—20，×—30ØDO 控制在控制在10~20％，％，产物积累产物积累↑，鸟苷含量最高。
鸟苷含量最高DO在在5％％和和30％，％，前期产物积累前期产物积累↑，但后期基本不增加，但后期基本不增加.82 （六）（六）CO2和呼吸熵对发酵的影响及其控制和呼吸熵对发酵的影响及其控制1. 定义定义 2. 发酵过程中发酵过程中CO2释放率的变化释放率的变化3. . CO2对发酵的影响对发酵的影响 83 1. 定义定义 n 呼呼吸吸熵熵（RQ）：指指菌菌体体呼呼吸吸过过程程中中，，CO2释释放放率率和和菌菌的的耗耗 氧速率之比，氧速率之比，RQ反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况n菌体耗氧速率菌体耗氧速率 OUR，molO2/L·h 菌体菌体CO2释放率释放率CER，molCO2/L·h84 2. 发酵过程中发酵过程中CO2释放率的变化释放率的变化（（1 1）影响尾气中）影响尾气中CO2浓度的因素浓度的因素 n通入空气量通入空气量： n呼吸强度：呼吸强度：nCO2溶解度：溶解度：n菌体量菌体量：：85 （（2））CER变化规律变化规律 nCO2积累量渐增，与积累量渐增，与x曲线对应，基本类似曲线对应，基本类似S型曲线变化型曲线变化；n当工艺和设备参数一定的情况下当工艺和设备参数一定的情况下，CER与与x有比例关系有比例关系（CER∝菌体生长速率菌体生长速率）；nCO2浓度变化与浓度变化与O2浓度变化成反向同步关系浓度变化成反向同步关系。
86 ∫[CER]dt∫[CER]dt，菌体干重的时间曲线，菌体干重的时间曲线1- [CER]dt1- [CER]dt；；2-2-菌量菌量87 （（3））CER的测量与计算的测量与计算 n测量方法：热导、红外分析仪、质谱仪测量方法：热导、红外分析仪、质谱仪88 3. . CO2对发酵的影响对发酵的影响 （（1 1）研究参数）研究参数CO2的意义的意义 n作为代谢产物或中间前体，尾气中作为代谢产物或中间前体，尾气中CO2积累与生物量积累与生物量 成正比，通过质量平衡估算生长速率和细胞量成正比，通过质量平衡估算生长速率和细胞量n高浓度高浓度CO2对发酵多表现为抑制作用，应实施测量与对发酵多表现为抑制作用，应实施测量与 控制；控制；n尾气尾气CO2不仅直接反映代谢情况，而且和其它参数及不仅直接反映代谢情况，而且和其它参数及补料操作密切相关，可作为工艺优化的指标补料操作密切相关，可作为工艺优化的指标 89 （（2））CO2对细胞的作用机制对细胞的作用机制n“麻醉麻醉”作用作用 CO2及及HCO3-都会影响细胞膜的结构，使膜的流动都会影响细胞膜的结构，使膜的流动性及表面电荷密度发生变化，导致许多基质的跨膜运性及表面电荷密度发生变化，导致许多基质的跨膜运输受阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于输受阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻麻醉醉”状态，细胞生长受到抑制，形态发生改变。
状态，细胞生长受到抑制，形态发生改变 90 （（3））CO2对菌体生长及产物形成的影响对菌体生长及产物形成的影响 nCO2↑, 基质分解速率基质分解速率↓，ATP ↓ ，中间产物中间产物↓或形态变异或形态变异导致产量导致产量↓n高浓度高浓度CO2抑制作用的独立性抑制作用的独立性: 只要只要CO2在培养液中浓度在培养液中浓度过量，即使供氧充足过量，即使供氧充足（CL>CCr），CO2的抑制作用不能的抑制作用不能解除，这种负作用在放大过程更明显解除，这种负作用在放大过程更明显 91 （（4））CO2释放与发酵过程参数释放与发酵过程参数pH及操作参数补糖速率的关系及操作参数补糖速率的关系n在青霉素发酵中补糖将引起排气在青霉素发酵中补糖将引起排气CO2增加，同时增加，同时pH下降下降 n糖糖、CO2、pH三者的相关性三者的相关性，被青霉素工业生产上用于补被青霉素工业生产上用于补料控制的参数，并认为排气料控制的参数，并认为排气CO2的变化比的变化比pH变化更为敏感，变化更为敏感，所以测定排气所以测定排气CO2释放率释放率 （CER）来控制补糖速率来控制补糖速率 补糖对排气补糖对排气CO2和和pH的影响的影响92 （（4）尾气）尾气CO2与与O2的相关性的相关性 n相关程度表示：相关程度表示：n尾气尾气CO2与与O2相关性：反向同步关系相关性：反向同步关系n呼吸商呼吸商（RQ）与发酵的关系与发酵的关系§不同菌株、同一菌株不同代谢途径、同一菌株利用不不同菌株、同一菌株不同代谢途径、同一菌株利用不同基质、同一菌株在不同发酵阶段，同基质、同一菌株在不同发酵阶段，RQ值不相同值不相同。
§RQ值可以表征发酵状况值可以表征发酵状况 93 §青霉素发酵不同阶段青霉素发酵不同阶段： 菌体生长阶段菌体生长阶段：RQ＝0.909 维持阶段维持阶段：RQ=1 生产阶段生产阶段：RQ=4§如如果果产产物物的的还还原原性性比比基基质质大大时时，，其其RQ值值就就增增加加；；反反之之，，当当产产物物的的氧氧化化性性比比基基质质大大时时，RQ值值就就要要减减少少，其其偏偏离离程程度度决决定于单位菌体利用基质形成产物的量定于单位菌体利用基质形成产物的量 产物形成对产物形成对RQ影响最大影响最大94 （七）基质浓度对发酵过程的影响及补料控制（七）基质浓度对发酵过程的影响及补料控制1. 基质浓度对发酵的影响基质浓度对发酵的影响 2. 补料控制补料控制95 1. 基质浓度对发酵的影响基质浓度对发酵的影响 （（1）） 基质浓度对微生物生长的影响基质浓度对微生物生长的影响ns<
谷谷氨氨酸酸发发酵酵（（乙乙醇醇为为碳碳源源））：：当当乙乙醇醇浓浓度度为为2.5g/L和和35g/L时时，，可可延延长长谷谷氨氨酸酸生生产产时时间间，，但但在在更更高高浓浓度度下下，，菌体生长受到抑制，谷氨酸产量降低菌体生长受到抑制，谷氨酸产量降低98 2. 补料控制补料控制（1）补料的目的补料的目的n解除解除基质过浓的抑制基质过浓的抑制n解除解除产物的反馈抑制产物的反馈抑制n解除分解代谢物阻遏作用解除分解代谢物阻遏作用n避免避免因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多而造成波谷现象过多而造成波谷现象n在生产上，补料还经常作为纠正异常发酵的一个在生产上，补料还经常作为纠正异常发酵的一个重要手段重要手段99 （（2））补料的内容补料的内容n 补充微生物能源和碳源补充微生物能源和碳源n 补充菌体所需要的氮源补充菌体所需要的氮源n 补充微量元素或无机盐补充微量元素或无机盐n 添加前体、诱导剂等添加前体、诱导剂等100 （（3）补料的原则）补料的原则n中间补料的数量为基础料的中间补料的数量为基础料的1～～3倍倍 n补料的原则就在于控制微生物的中间代谢，使之向着有补料的原则就在于控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展。
利于产物积累的方向发展n现有的各种补料措施都是通过实验方法确定的现有的各种补料措施都是通过实验方法确定的 101 n大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质Ø以经验数据或预测数据控制流加；以经验数据或预测数据控制流加；Ø用传感用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加；器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加；Ø以以溶氧、溶氧、pH、RQ、排气中、排气中CO2分压及代谢物质浓度分压及代谢物质浓度等等参数间接控制流加；参数间接控制流加；Ø以物料平衡方程，通过传感器测定的一些参数计算以物料平衡方程，通过传感器测定的一些参数计算限制性基质的浓度，间接控制流加限制性基质的浓度，间接控制流加4）补料控制的策略）补料控制的策略102 （（5）反馈控制参数的确定）反馈控制参数的确定n为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参数，以及了解这些参数与微生物代谢、菌体生长、基质数，以及了解这些参数与微生物代谢、菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系利用以及产物形成之间的关系 103 （（6）补料速率的确定）补料速率的确定n优化补料速率是补料控制中十分重要的一环，优化补料速率是补料控制中十分重要的一环，补料速补料速率要根据微生物对营养等的消耗速率及所设定的培养率要根据微生物对营养等的消耗速率及所设定的培养液中最低维持浓度而定。
液中最低维持浓度而定n补糖速率最佳点与设备的供氧能力有关补糖速率最佳点与设备的供氧能力有关 e.g.青霉素发酵：青霉素发酵：KLa大的设备补料速率相应大些；供大的设备补料速率相应大些；供氧低的设备，补料速率相应减少，产量比供氧能力好氧低的设备，补料速率相应减少，产量比供氧能力好的设备降低的设备降低23％104 （（7）实例：四环素发酵中的补糖控制）实例：四环素发酵中的补糖控制n补糖时间对四环素发酵单位的影响补糖时间对四环素发酵单位的影响Ⅰ－补糖时间适当－补糖时间适当 （（ 45h后加）后加）Ⅱ－补糖时间过晚－补糖时间过晚 （（62h开始加）开始加）Ⅲ －补糖时间过早－补糖时间过早 （（20h后加）后加）105 （八）高密度发酵及过程控制（八）高密度发酵及过程控制1. 高密度发酵高密度发酵2.高密度发酵策略高密度发酵策略3.高密度发酵技术高密度发酵技术4.高密度发酵存在的问题高密度发酵存在的问题106 1. 高密度发酵高密度发酵n代谢产物的合成是靠菌体作为生产者来完成的代谢产物的合成是靠菌体作为生产者来完成的 n高细胞密度发酵就是为了适应这一要求而得到广高细胞密度发酵就是为了适应这一要求而得到广泛的重视。
泛的重视n高密度发酵：在发酵过程中保持较高的细胞密度，高密度发酵：在发酵过程中保持较高的细胞密度，同时细胞或菌体的生产能力保持在较佳的状态同时细胞或菌体的生产能力保持在较佳的状态 107 高细胞密度发酵成功的实例高细胞密度发酵成功的实例菌种菌种特征特征基础培养基基础培养基发酵罐发酵罐类型类型培养方法培养方法细胞干重细胞干重（（g/L））培养时间培养时间（（h））产率产率 (g/L)/d大肠杆菌大肠杆菌需氧、葡萄需氧、葡萄糖过量、形糖过量、形成乙醇成乙醇葡萄糖矿物盐葡萄糖矿物盐或甘油矿物盐或甘油矿物盐搅拌罐搅拌罐葡萄糖（甘油）葡萄糖（甘油）非限制指数补料非限制指数补料140～～15030～～4090～～100枯草杆菌枯草杆菌嗜温菌嗜温菌含葡萄糖的完含葡萄糖的完全培养基全培养基搅拌罐搅拌罐补料分批培养，补料分批培养，以葡萄糖调节以葡萄糖调节pH18530160毕氏酵母毕氏酵母嗜温菌嗜温菌葡萄糖矿物盐葡萄糖矿物盐搅拌罐搅拌罐补料分批培养，补料分批培养，补甲醇补甲醇10050～～120120～～150酿酒酵母酿酒酵母嗜温菌嗜温菌含葡萄糖的完含葡萄糖的完全培养基全培养基搅拌罐搅拌罐连续培养，流加连续培养，流加葡萄糖葡萄糖2108050～～150108 2.高密度发酵策略高密度发酵策略n使用最低合成培养基以便进行准确的培养基设使用最低合成培养基以便进行准确的培养基设计和计算生长得率。
计和计算生长得率 n优化细胞生长速率，使得碳源能被充分利用和优化细胞生长速率，使得碳源能被充分利用和获得较高的产率，用养分流加来限制菌的生长获得较高的产率，用养分流加来限制菌的生长速率还能控制培养物对氧的需求和产热速率速率还能控制培养物对氧的需求和产热速率 n可用碳源作为限制性养分，且采用补料分批发可用碳源作为限制性养分，且采用补料分批发酵来实现高密度发酵酵来实现高密度发酵 109 3.高密度发酵技术高密度发酵技术n用于高密度发酵的生物反应器类型：用于高密度发酵的生物反应器类型： 搅拌罐，透析膜反应器，搅拌罐，透析膜反应器， 气升式反应器，气旋式反应器气升式反应器，气旋式反应器 n在工业化生产中，通常采用的是搅拌罐与补料工艺来在工业化生产中，通常采用的是搅拌罐与补料工艺来进行高细胞密度发酵进行高细胞密度发酵n重组大肠杆菌高密度发酵成功的关键技术是补料策略，重组大肠杆菌高密度发酵成功的关键技术是补料策略，限制性基质（葡萄糖）的流加模式有限制性基质（葡萄糖）的流加模式有3种：恒速流加补种：恒速流加补料、变速流加补料和指数流加补料料、变速流加补料和指数流加补料 110 4. 高密度发酵存在的问题高密度发酵存在的问题n水溶液中的固体与气体物质的溶解度，基质对水溶液中的固体与气体物质的溶解度，基质对生长的限制或抑制作用，基质与产物的不稳定生长的限制或抑制作用，基质与产物的不稳定性和挥发性，产物或副产物的积累达到抑制生性和挥发性，产物或副产物的积累达到抑制生长的水平，高浓度的长的水平，高浓度的CO2与热的释放速率，高与热的释放速率，高的氧需求以及培养基的粘度不断增加等的氧需求以及培养基的粘度不断增加等 。
111 1. 泡沫的产生及其影响泡沫的产生及其影响n泡沫的产生泡沫的产生 通气和搅拌通气和搅拌 代谢气体的逸出代谢气体的逸出 存在稳定泡沫的表面活性物质存在稳定泡沫的表面活性物质112 1. 泡沫的产生及其影响泡沫的产生及其影响n泡沫的类型泡沫的类型Ø一类存在于发酵液的液面上这类泡沫气相所占比例一类存在于发酵液的液面上这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辨的界特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辨的界线如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见线如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见的泡沫Ø另一类出现在粘稠的菌丝发酵液当中这种泡沫分散另一类出现在粘稠的菌丝发酵液当中这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定泡沫与液体间没有明很细，而且很均匀，也较稳定泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加例由下而上地逐渐增加113 n泡沫的泡沫的不利影响不利影响Ø降低了发酵罐的装料系数降低了发酵罐的装料系数 Ø增加了菌群的非均一性增加了菌群的非均一性Ø增加了染菌机会增加了染菌机会 Ø大量起泡引起大量起泡引起“逃液逃液”，导致产物的损失，导致产物的损失 Ø泡沫严重时会影响通气搅拌的正常进行泡沫严重时会影响通气搅拌的正常进行Ø消泡剂的加入将给提取工序带来困难消泡剂的加入将给提取工序带来困难1. 泡沫的产生及其影响泡沫的产生及其影响114 2.发酵过程中泡沫的消长规律发酵过程中泡沫的消长规律n影响因素影响因素n通气搅拌的强度通气搅拌的强度n培养基的配比及原材料组成培养基的配比及原材料组成n培养基的灭菌方法和操作条件培养基的灭菌方法和操作条件n微生物代谢活动造成发酵液性质变化微生物代谢活动造成发酵液性质变化n染菌染菌 115 微生物代谢活动造成泡沫变化微生物代谢活动造成泡沫变化发酵前期：泡沫的高稳定性与高表观黏度同低表面张力有关。
中期：碳源、氮源的利用，以及起稳定作用的蛋白质降解，发酵液黏度降低和表面张力上升，泡沫减少后期：菌体自溶，可溶性蛋白增加，泡沫回升116 3. 泡沫的控制泡沫的控制 （（1）机械消泡）机械消泡（（2）化学消泡）化学消泡 （（3）从）从微生物本身特性着手，防止泡沫形微生物本身特性着手，防止泡沫形成成 筛选不产生泡沫的微生物突变株筛选不产生泡沫的微生物突变株 几种微生物混合培养几种微生物混合培养 117 （（1）机械消泡）机械消泡n原理：靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使原理：靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收n优缺点优缺点n优点：不需引入外来物质，可节省原材料，减少优点：不需引入外来物质，可节省原材料，减少 污染机会，并可减少培养液性质复杂化的程度污染机会，并可减少培养液性质复杂化的程度n缺点：不如化学消泡迅速可靠，需要一定的设备缺点：不如化学消泡迅速可靠，需要一定的设备和消耗一定的动力；不能从根本上消除引起稳定和消耗一定的动力；不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。
泡沫的因素 118 （（1）机械消泡）机械消泡n机械机械消泡装置的选择依据消泡装置的选择依据n动力小动力小n结构简单结构简单 n坚固耐用坚固耐用 n清洗、杀菌容易清洗、杀菌容易 n维修保养费用少维修保养费用少 119 n机械消泡方法机械消泡方法 n罐罐内内消消泡泡：：耙耙式式消消泡泡桨桨、、旋旋转转圆圆板板式式、、气气流流吸吸入入式式、、冲冲击击反反射射板板式式、、碟碟式式及及超超声声波波等等机机械消泡装置械消泡装置n罐外消泡：旋转叶片式、喷雾式、离心式及罐外消泡：旋转叶片式、喷雾式、离心式及转向板式等机械消泡装置转向板式等机械消泡装置 （（1）机械消泡）机械消泡120 （（2））化学消泡化学消泡n消泡机理消泡机理n当泡沫的表层存在着极性的表面活性物质而形当泡沫的表层存在着极性的表面活性物质而形成双电层时，可以加入一种具有相反电荷的表成双电层时，可以加入一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强度；或加入某面活性剂，以降低泡沫的机械强度；或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液膜上的空些具有强极性的物质与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，导致泡沫破裂间，降低液膜强度，导致泡沫破裂。
n当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂121 （（2））化学消泡化学消泡n化学消泡的优点化学消泡的优点n来源广泛来源广泛n作用迅速可靠，消泡效率高作用迅速可靠，消泡效率高 n不需改造现有设备不需改造现有设备 n容易实现自动控制容易实现自动控制 122 消泡剂选择的依据消泡剂选择的依据n必须是表面活性剂，且具有较低的表面张力，消泡作用必须是表面活性剂，且具有较低的表面张力，消泡作用 迅速，效率高迅速，效率高n对气液界面的散布系数足够大，具有一定的亲水性对气液界面的散布系数足够大，具有一定的亲水性n在水中的溶解度较小，以保持其持久的消泡或抑泡性能在水中的溶解度较小，以保持其持久的消泡或抑泡性能n对发酵过程无毒，对人、畜无害，不被微生物同化，对菌对发酵过程无毒，对人、畜无害，不被微生物同化，对菌 体生长和代谢无影响，不影响产物的提取和产品质量体生长和代谢无影响，不影响产物的提取和产品质量。
n不干扰溶解氧、不干扰溶解氧、pH等测定仪表使用，最好不影响氧的传递等测定仪表使用，最好不影响氧的传递n能耐高压蒸气灭菌而不变性，对设备无腐蚀性影响能耐高压蒸气灭菌而不变性，对设备无腐蚀性影响n来源方便，价格便宜来源方便，价格便宜 123 常用的消泡剂种类常用的消泡剂种类n天然油脂类天然油脂类: :玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油 n高碳醇、脂肪酸和酯类高碳醇、脂肪酸和酯类: :如十八醇、聚二醇如十八醇、聚二醇 n聚醚类聚醚类: :聚氧丙烯甘油聚氧丙烯甘油, ,聚氧乙烯氧丙烯甘油（又称泡敌）聚氧乙烯氧丙烯甘油（又称泡敌）n硅酮类（聚硅油类）硅酮类（聚硅油类） n聚二甲基硅氧烷及其衍生物聚二甲基硅氧烷及其衍生物 ：：适用于放线菌和细菌发酵适用于放线菌和细菌发酵 n羟基聚二甲基硅氧烷羟基聚二甲基硅氧烷 ：：曾用于青霉素和土霉素发酵曾用于青霉素和土霉素发酵n氟化烷烃氟化烷烃: : 具有极其小的表面能具有极其小的表面能124 消泡剂的应用消泡剂的应用 n消泡剂的消泡效果与使用方式密切相关消泡剂的消泡效果与使用方式密切相关n消泡剂的分散可借助于机械方法，也可加入某种称为载体消泡剂的分散可借助于机械方法，也可加入某种称为载体或分散剂的物质，将消泡剂乳化成细小液滴或分散剂的物质，将消泡剂乳化成细小液滴n消泡作用的持久性消泡作用的持久性：：本身性能，加入量及本身性能，加入量及时机机n使用天然油脂使用天然油脂时应注意一次不能加得太多注意一次不能加得太多 n消泡剂对细胞的生理有重要的影响消泡剂对细胞的生理有重要的影响 n在应用消泡剂之前需作比较性试验在应用消泡剂之前需作比较性试验n消泡剂应制成乳浊液，并且不被同化，消耗最少消泡剂应制成乳浊液，并且不被同化，消耗最少125 发酵终点的检测与控制n1发酵终点的判断n2菌体自溶的监测n3影响自溶的因素126 1发酵终点的判断127 提高总产率，必须缩短发酵周期，即产率下降时放罐。
最大产率）过早，残留过多的养分，增加提取工艺过晚，菌体自溶，延长过滤时间，还使不稳定的产物浓度下降128 2菌体自溶的监测n微生物因养分的缺失或处于不利的生长环境下，其自身开始裂解的过程称为自溶129 3影响自溶的因素n菌种原因 遗传因素 菌龄130 计算机在发酵过程控制中的应用计算机在发酵过程控制中的应用n参数巡回采集和综合处理参数巡回采集和综合处理n程序控制程序控制n直接数字控制直接数字控制n优化控制或自适应控制优化控制或自适应控制131 本章小结本章小结n 掌握代谢调控在发酵过程控制中的应用掌握代谢调控在发酵过程控制中的应用n 了解发酵过程中需检测的参数类型，了解基本的参数检了解发酵过程中需检测的参数类型，了解基本的参数检 测方法测方法n 掌握温度掌握温度、、pH、溶解氧、、溶解氧、CO2和呼和呼吸商、基质浓度等吸商、基质浓度等对对 发酵的影响及其控制发酵的影响及其控制n 掌握发酵过程补料控制的意义、原则和方法掌握发酵过程补料控制的意义、原则和方法n了解高密度发酵及过程控制了解高密度发酵及过程控制n了解泡沫对发酵的影响及其控制了解泡沫对发酵的影响及其控制n了解计算机自动控制技术在发酵过程控制中的应用了解计算机自动控制技术在发酵过程控制中的应用132 。