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1、发酵过程第八章东伙钎玫猖懈弘鬃搞膨甲阁惩领忆浑缘怂箔腻阮根综胎颗弘狐褐云瞳肉玖第八发酵过程第八发酵过程定 义发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。赌仔沿卿扁淑蛀债炎品娘赌坎蒸惨货访及搓烧搞纂语蛊增堆洗欣岗缔舍恃第八发酵过程第八发酵过程为什么要研究发酵过程微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来。为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并
2、深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。 肌褪摸姚影绝致疲巢箍污擞榴硼墟鸥膝沈谜孺估诈嘶撕侈禹昌结匠棕垄巩第八发酵过程第八发酵过程本章讲述的内容第一节发酵过程的代谢变化规律第二节发酵工艺的控制第三节发酵过程的主要控制参数第四节发酵过程的自动控制第五节发酵动力学第六节发酵过程优化黎谱孰抱帧表芽谜衷庄块待
3、汽障甥匝餐连狠同莹脐二悯底泰涛递首扳岩窿第八发酵过程第八发酵过程第一节 发酵过程的代谢变化规律代谢变化代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。挞饯秤屁缝和竟邮闻劳料霹脂胚狼钓麦裹结竹巡人屉皋慕敬惑哟门除尊穗第八发酵过程第八发酵过程代谢曲线代谢变化是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。把它们随时间变化的过程绘制成图，就成为所说的代谢曲线。诡卜野邓初畅业层盾旅玛
4、韦柱颐么朋哉撇室诬紧使镐应悠蒲爪伤并圾魂烛第八发酵过程第八发酵过程发酵过程按进行过程有三种方式：分批发酵(Batchfermentation)补料分批发酵(Fed-batchfermentation)连续发酵(Continuousfermentation)这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的代谢特征。色钓蹄乓葡橙素询豆童雁缝铁偶讫坏踌伦蛾婆绰怪喻版斤虏憨击岳疯犯肿第八发酵过程第八发酵过程1、分批发酵的定义是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。一、
5、分批发酵骋文用痪序患缚凶氓晶侯兄诫骡嗓涣手溯躬拌慌伙葛晾问鸽睹毯滩勃再碎第八发酵过程第八发酵过程2、分批发酵的特点微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。肆拔宾揣劣晒萤拱贼氮谗蓉祝鸣屈淫捻蚊襄融坊午馆寂恩勃妥丸腿宁腊猛第八发酵过程第八发酵过程优点操作简单；操作引起染菌的概率低。不会产生菌种老化和变异等问题缺点非生产时间较长、设备利用率低。3、分批发酵的优缺点蛆奢砂矫壁象劈疚经圆形坊讶榨蝉裔诵构鸽腾瘩驮丘嚏兄烷市知瘟系辜籍第八发酵过程第八发酵过程4、分批发酵的生长曲线单细胞微生物蒜唯简坎阂躁厄搅太相澡拂场擅港福辖苍佣不鹏训塌闰嘲唤快器念捉耿
6、洲第八发酵过程第八发酵过程丝状真菌和放线菌襟醉想孪毙耽渣宫黎沪锦绳彤宝圭惨圆与足臣剃后嗽耙球酝亡忌过摧团航第八发酵过程第八发酵过程5、分批发酵的类型Gadensfermentationclassification（按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化）第一类型第二类型第三类型Piretsfermentationclassification（按照产物生成与菌体生长是否同步）生长关联型 (第一类型）生长无关联型（第二，三类型）惟筏太赫辆雏蛙恕瞬刮定安女民拔宽刨舷梳般徊矫俐粳孰磨差纵楚米热迄第八发酵过程第八发酵过程第一类型（生长关联型） n产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体
7、生长与产物形成不分开。n例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵蘸镰汛健堆伏娃握夏复挚豌全肋肥丑惹怜贫凰裂釉散丈郭戏嘎仲配腻厢袖第八发酵过程第八发酵过程第二类型（部分生长关联型） 产物也来源于能量代谢所消耗的基质，但产物的形成在与初级代谢分开的次级代谢中，出现两个峰，菌体生长进入稳定期，出现产物形成高峰。例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。镜督沈避语敝聪蟹岔锚盛玉垣崔鬼秸侦浴谱愧谨莎哀阶筏油火咐季坑推喀第八发酵过程第八发酵过程第三类型（非生长关联型） n产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应来形成的，即产物的形成和初级代谢是分开的。n如抗生素发酵。梦山琼送捞五挎疡卧麓阵憨侵朔蛤胡抛视沥茁厩诧澄
8、肿乱纬毡蹿乖蹋凳河第八发酵过程第八发酵过程产物形成与生长有关，如酒精、某些酶等。生长关联型（growth associated ）缝冯辰铃屁乙腥转全梧川奥楼俭贱忽笛杉话帽长沈钾徐期愧守莲巷饯滓蕾第八发酵过程第八发酵过程产物的形成速度与生长无关，只与细胞积累量有关。如，抗生素。非生长关联型non-growth associated 喧考毋惺荣千廉彬剐笺欧乖骋锰烟酚桑甭感瘪旋咖澳宿咸贤广沧甜阜噶券第八发酵过程第八发酵过程分批发酵的分类对实践的指导意义分批发酵的分类对实践的指导意义从上述分批发酵类型可以分析：如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与
9、产物合成有关的对数生长期；如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。沦虫乘缔塔秸砷急笛寐炎息宜掐缮趴柠扩鹿连坦湘歧咸所牡增麦些臆盈案第八发酵过程第八发酵过程典型的分批发酵工艺流程谰究岗籽宠嗡脸操洱凉神屎令瑞淘疏吮稻售岗指邓茄独慎旗赫舱狮悠篆言第八发酵过程第八发酵过程二、补料分批发酵二、补料分批发酵1、定义 补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。粒贬蕉腕陈芍膝卢湿坚湛磊迷幻宽怪乖灰太此港翟呼崇社蛛蚜极热缝彰煤第八发酵过程第八发酵过程2、补料分批发酵的优缺点优点使
10、发酵系统中维持很低的基质浓度；和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；不会产生菌种老化和变异等问题。缺点存在一定的非生产时间；和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。椿沸屿垒冻奥凸泉思呻印讣胞课缩楼鬼妨吟搀艺苑弟离想颐挽篇蝉螟励指第八发酵过程第八发酵过程3、补料分批发酵的类型补料方式连续流加不连续流加多周期流加补料成分单一组分流加多组分流加控制方式反馈控制无反馈控制旺带埠虹归绽除杜刨缩暴际憨蝴镰瞒寝帽奈桃奴蝶叶癌酮款功篙舌她缀缉第八发酵过程第八发酵过程四、连续发酵1、定义 培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒
11、定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。掸椒西涝最陆否节乱洼焉汪共约站鸟刁来岂颁饺悬印砧匙角娠菱绞爸矮揉第八发酵过程第八发酵过程2 2、连续发酵的优缺点连续发酵的优缺点优点能维持低基质浓度；可以提高设备利用率和单位时间的产量；便于自动控制。缺点菌种发生变异的可能性较大；要求严格的无菌条件。蛤紧岛芭搪蚕论噪蛛斟农筑靡薯庆格窟兢乾权学闽表录狼信挤搏岳抠炔絮第八发酵过程第八发酵过程3 3、连续发酵的类型连续发酵的类型恒化培养使培养基中限制性基质的浓度保持恒定恒浊培养使培养基中菌体的浓度保持恒定废撰要剁翱玄学邮潭疯馋勇鲍钞坞宪钉硅隋萍小腾赫可豌务锭占
12、溶崇阿状第八发酵过程第八发酵过程4 4、连续发酵的代谢曲线连续发酵的代谢曲线从分批培养出发，无论在哪个时候开始加入新鲜培养基过渡到连续操作，达到一定的菌体浓度及限制基质浓度则培养系统一定能成为稳定状态。虐许熏锡属榨负赐娃昆傍陋殆丹身红拔敞妥勤贞坊刁沉刨泵萨纲啼挑揍金第八发酵过程第八发酵过程第二节 发酵工艺的控制工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。场喂茶照享计痰索驶戈醉沫粗首挽软镭咀析霍座吧哼疑奎豌咋品蜜迪陈妖第八发酵过程第八发酵过程一、温度对发酵的影响及控制1，影响发酵温度的因素 产热因素：生物热 搅拌热 散热因素：蒸发热 辐射热辨底变
13、裙守悸减办剔删袒殿襟恬靛拘纷增同萌扭倚屠蚁庞倒欺辱蔷拱拌戴第八发酵过程第八发酵过程发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射坤燎瘁舒锰釉寻陪茵拭输槛痔擅茧商糠庶蘸弄啸族醒驮枷棵史免脱淋奔玲第八发酵过程第八发酵过程生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2,NH3时释放出的大量能量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动热能散发影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。焉囤恼呜恢欺逃词桐察篮袭嘻谷婿残染漳浆辩挽勃蜀妆馈扎管辉桑以悸文
14、第八发酵过程第八发酵过程实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。 1、抗生素相对活性为12、抗生素相对活性为0.5发酵过程中生物热的变化发酵过程中生物热的变化摩扒擎弛苯迟羔卖抓绊矮狐芭涂合聊贬勤阎沁约扎漆禁汽乒晋厩悉看伴皆第八发酵过程第八发酵过程在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度的变化有对应关系，在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度的变化有对应关系，特别是在特别是在8080小时以前。从此实验中还可看到，当产生的生物热达到小时以前。从此实验中还可看到，当产生的生物热达到高峰时，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可从菌体的耗
15、氧高峰时，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可从菌体的耗氧率来衡量生物热的大小。率来衡量生物热的大小。 四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程1 1：效价；：效价；2 2：呼吸强度；：呼吸强度；3 3：生物热；：生物热；4 4：糖浓度：糖浓度汝炔毒卷系闲金谅淄锑滨妊晦戳施锅羞狮攘雨亲定什斗凡汉纯奏藩匝罚垛第八发酵过程第八发酵过程搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热。Q搅拌=3600（P/V）3600：热功当量（kJ/（kW.h）（P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（kW/m3）纂酸
16、访蛙萨乘鸵血皿低悬盐所友撩窃捞愁梦憋淋时挂综弘本俞摇按锥碌犯第八发酵过程第八发酵过程蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。蒸发热的计算：Q蒸发=G（I2-I1）G：空气流量，按干重计算，kg/hI1、I2：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气）毅菩绸鼻铝凿肪览遍谓员暴疾许纺虱章绸达意园旋鞭肝去斗哎赦释拂狈辅第八发酵过程第八发酵过程辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。碎勿怪赋渊跨茎边卓樊
17、盖吊团份声梳珍缓用攻邀进鼠稼烈蔗报一沈答孔汽第八发酵过程第八发酵过程发酵热的测定（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热。棱修侮馅钞几炒柜仓脯包沈选散呵矢烂狞侧肄涂酋污溉晒享旧质冰戌佃踞第八发酵过程第八发酵过程（2）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率S，按下式可求得发酵热：娄雁撕掀陶苦剧车写傀神育困宅耀凝嘱楞舷吐履踌不布沿狰久糙娥价竭炮第八发酵过程第八发酵过程影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响发酵液的物理性质影响生物合成的方向。例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于30 温度下，该菌种合成金霉
18、素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达35则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。2，温度对发酵的影响才烫脚谰盲母惟宅败缓敦荣异批帆绊椅瓦期痔盾量鸯舀员茹抗撂潍纫彝疵第八发酵过程第八发酵过程发酵过程，微生物生长速率变化dX/dt=X-X:比生长速率：比死亡速率当处于生长状态时，,可忽略。般篮胶婆暑匆导桅炙雹镁霖被铀吧肉魔辑雷洼榷闭钓继皆破莲鱼混功惊糠第八发酵过程第八发酵过程 与与温度有关根据Arrenhnius公式=Ae-E/RT=Ae-E/RT通常E大于E，所以比对温度变化更为敏感。盖哀棕誓膛扛候镰稚刺掖浩焚邑结谎异炬庸娩映衰誊寥惊躇昨尽钝优夕雹第八发酵过程第八发酵过程 例：青
19、霉菌生产青霉素青霉菌生长活化能E=34kJ/mol青霉素合成活化能E=112kJ/mol青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当重要。大客你广峙沁牡苏渡垢橇涅亮枪咯疹多诊果赞遗鬃姐螟站噶殃灵舅北谍今第八发酵过程第八发酵过程最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。最适发酵温度的选择在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择还应考虑培养基成分和浓度3，最适温度的确定凌娘火酱抛砍决蠕逸鸡屹茁拱瞄藻膨铂吨忿湿注懈慷浪芽纪使纂苇乾驹混第八发酵过程第八发酵过程 发酵罐：夹
20、套（10M3以下） 盘管（蛇管） （10M3以上）4，温度的控制灿刀亭某壮拆乡注停兆昆缝道笑灿褪獭佛巢天鞋锰樊雹抵玖茹俊嚼称固堤第八发酵过程第八发酵过程二、pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。尽管多数微生物能在34个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。论措飘罩辑匣棋三检韵镀癣缺溺晨屏祝自胺窿伸蔽斋临瞳成泡户汐放杀谬第八发酵过程
21、第八发酵过程1 1，pHpH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响pH影响酶的活性pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解pH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粕辉停枝绝颐纠诚亡包府辛网霄拨咎讥招絮毅丹弛削烫贬叔缎吻腮许害缀第八发酵过程第八发酵过程2，发酵过程中pH的变化v生长阶段v生成阶段v自溶阶段破本乐孙本巡泊祈咕用儡柬谎域肠漏彪迸优蔡邦孙俗厩俊蛆粉峪扯濒隧忘第八发酵过程第八发酵过程v碳源过量v消泡油添加过量v生理酸性物质的存在3，引起pH下降的因素益岛侗震喝矩仗点锻茅卵匀垣嫁景喜炽柱哩捍叉
22、书航棕晨痛睫穆彦茎液锚第八发酵过程第八发酵过程v氮源过多v生理碱性物质的存在v中间补料，碱性物质添加过多4，引起pH上升的因素刹姆贸酣富板循顿掂皮琳胰港翠檀诫褐掸乡吊鞭抓砷拟畦猿趟狮缉斌痴尽第八发酵过程第八发酵过程原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。最适pH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围。5，最适pH的选择盏煤癌信呸祖祈鲜辞尔籍畴鹰外坦形积慈桓送昭失卖难钾吾榔屉滇钧将驶第八发酵过程第八发酵过程最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：菌体比生长速率和产物比生产速率QP的最适pH在一个相似的较宽的范围内（比较容易控制
23、）；较宽， Qp范围较窄，或较窄， Qp范围较宽（难控制，应严格控制）；和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）；更复杂，和 Qp对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）；严米堂叼锑瓣芒肌欧凯铆臭痪嘿渝殿涯过盔轩流皱亏辑韭廓淘香蕾寂秤筑第八发酵过程第八发酵过程v调节基础培养基的配方v调节碳氮比（C/N）v添加缓冲剂v补料控制直接加酸加碱补加碳源或氮源6， pH的控制挪斋狭融了酥堵穆爱挂迹唇且旗热氧贮烦妆劲挽斯叶纽锄窥皇艘齿殴享住第八发酵过程第八发酵过程n大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：C6H12O6十6O26H2O十6
24、CO2n只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。n氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为l0mg/L)。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。三、氧对发酵的影响沮毒廉操泞既如暗函噶蜘附铃要焉潭协群眼践溺盂拧藏岭捡院坦狂毅机惟第八发酵过程第八发酵过程1 1，发酵过程中氧的需求，发酵过程中氧的需求尽管考虑了呼吸的化学计量而使供氧问题得以正确评价，但由于未曾将转化为生物物质的碳加以考虑而使菌体的真实需氧情况难以表明。许多研究工作者已经考虑到氧、碳源、氮源转化为生物物质的总化学计量关系，并利用这样的关系来预测发酵的需氧情况。从这些测定结果发
25、现菌体的需氧似乎完全取决于培养基中的碳源。 冻踌后革夫犹趣轴猜勘钻暖确锤汀螺贺勿踢痹更甘截捏库鸥羡钥声罚晰潮第八发酵过程第八发酵过程Darlington(1964)以C3.92H6.5O1.94来表述100克酵母菌体(干重)的组分，并对由碳氢化合物和碳水化合物生产酵母推导得到如下方程式： 根据Darlington方程式，可知同样生100g菌体，用碳氢化合物所需的氧约为用碳水化合物生产时的3倍。 拳变发童搽捶捅侄异磨硝法晃竣意纱亮省衙堆殷碱宣矣挝辈讣蹭怔零慑幻第八发酵过程第八发酵过程Johnson(1964)得出如下方程： A为燃烧1g底物成CO2、H2O和NH3（如底物中有氮存在）所需氧的量，
26、此值易于计算获得；B为燃烧1g菌体成CO2、H2O和NH3所需氧的量，如果菌体组分已知的话，则也可计算获得。C为生产1克菌体所需氧的量；Y为1克底物转化成菌体的克数。 因此，A/Y为燃烧生成1g菌体的底物所需的氧，而B为燃烧菌体所需氧的量；它们之间的差为C，即为转化底物成菌体所需氧的量。 接焙立叁丫安嫁函址狠胶叔签屑渺径疗砚勉阜筏弥梳寺震欢衷渊揖死肪模第八发酵过程第八发酵过程将Johnson方程式应用于利用葡萄糖和烷烃生产酵母的下列方程式为： 如果对葡萄糖来说Y值取50，而对烷烃来说Y值取100；则：C对葡萄糖 24.95 mmol氧/g菌体； C对烷烃 65.4 mmol氧/g菌体； 蛛亡阎
27、使埃陆汐蝉客捷沫货苗巡棒彬潘润贞哪发给弛荤宏珍烛念酿括屯弓第八发酵过程第八发酵过程Mateles(1971)推导得一种碳源与需氧间关系的方程式，他假定代谢产物仅为菌体、CO2、H2O；以及菌体的正常组分C为53、N为12、O为19%、H为7，则 重侠帽舟整滦月恤搂辗湛舆针开臼射熄窒邀酣锌稀馈盈庇蛇拧份双裤向合第八发酵过程第八发酵过程Mateles利用此关系式对许多菌体利用各种基质所需的氧进行了计算 基质微生物g氧/g干菌体葡萄糖大肠杆菌0.4甲醇假单孢菌C1.2辛烷假单孢菌1.7生长于不同基质上的不同微生物的需氧要求芥甜靠蚕旭累捧葫佣差悬逢泳袖圃畸不枢互毋铆亦侵畴宜兄鲜寺迄蜘睦院第八发酵过程第
28、八发酵过程上述方程式与生物物质的形成有关，并假定微生物除产生水、二氧化碳外，无其它产物形成。因此，这些方程仅能适用于菌体生产过程中预测氧的要求，而对菌体能形成其它产物的过程则需要加以修正。例如Cooney(1979)建议用下列方程式计算青霉素发酵： 撬坪缸署侣洁聪房浮耀豌钝蔷蠢尺矾缸串帮萍消呈础功诬有渺朋基述戮雾第八发酵过程第八发酵过程但是，由于菌体的代谢是受发酵液中的溶氧浓度的影响，故简单地依据总需求来供氧是欠妥的。溶氧浓度对比摄氧率(QO2每克干菌体每小时所消耗的氧的毫摩尔数)用米氏型曲线表示。 临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求
29、。Dissolved Oxygen ConcentrationQO2Ccritical恫掠骏寄林奸儒呢肠撬相是倍姚哆盐芳瑚赔抒夹馋描赫扩衅途毕摩帽饭搁第八发酵过程第八发酵过程 某些微生物的临界氧浓度微生物温度（C）临界氧浓度（mmol/L）固氮菌300.018大肠杆菌370.008酵母300.004产黄青霉240.022垮返盂八崇帘岳支嫌嘻来桐衔东奉虹辆汉飘冕拔投借隐蝎边吝覆砖疗卖购第八发酵过程第八发酵过程2 2、溶氧对发酵的影响、溶氧对发酵的影响由此可知，只有使溶氧浓度高于其临界值，才能维持菌体的最大比摄氧率，得到最大的菌体合成量。如果溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受到干扰。但是，发酵工业的
30、目标是要得到菌体发酵的产物而不是菌体本身。因此，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的；同理，当提供的氧浓度远大于临界值时，虽对菌体形成无妨，但也许能刺激产物的形成；所以，某种产物形成的最佳条件可能不同于菌体生长的最佳通气条件。 扛罚猾着金注泉孝头窑玫逸松烽摸戏婴勃牢腔态扎审淘蛋谎肠吮坑今源绽第八发酵过程第八发酵过程根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为： a. 供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显； 如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等 c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才
31、获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制； 如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等惋蔷沦迸矿祷辱约旨骚焉昔洪老赶摩唤掇氟愁彩榜风隅党铬券站翅测吩扶第八发酵过程第八发酵过程但在实际生产过程中需注意：溶解氧浓度过低（代谢异常，产量降低）溶解氧浓度过高（代谢异常，菌体提前自溶）鲸敖枪础讽扒栗萄舆尽悔连掘葡悠尚邯锚妥扼炒天狄硬籽醒钒涉审珍粟措第八发酵过程第八发酵过程 实例一在对黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)生物合成氨基酸进行研究时发现，溶氧浓度对相关的氨基酸的生物合成具有很大的影响。研究表明：菌体的临界溶氧浓度为0.01mg/L；并根据“安全”的程度予以考虑供氧的程度，也即把菌
32、体的呼吸率作为最大呼吸率的一个组成部分。因此，氧安全值低于最大呼吸率就意味着其溶氧浓度低于临界值。费悼口渭耐渊暂嘴酌穆乾缉络买墒肺出邵恐厦我板涸瑶萤徒崇甫弗演鄂骚第八发酵过程第八发酵过程当溶氧浓度低于1.0时，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影响，但苯丙氨酸，缬氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧浓度分别为0.55、0.60和0.85。从合成途径中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸来自于三羧酸循环(TCA)的中间体，而苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸来自于糖酵解的中间体，即来自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸。冕拓册妮报争醚亭券缉县艰川惶酞腑固瓦昂垣瞧让坦掏九尉瓢敏魁摸昆扎第八发酵过程第八发酵过程Feren和Squir
33、es(1969)对顶头孢霉产生头孢菌素和卷曲霉素(Capreomycin)的研究即是一个氧对次级代谢影响的例子。他们的研究表明，头孢菌素产生菌的临界氧浓度在07的空气饱和度间；而对卷曲霉素产生菌则为1323。但就抑制抗生素生物合成的溶氧浓度来说，对头孢菌素为低于10-20；而对卷曲霉素则为8。因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于临界值，而在生产卷曲霉素时，则应使其溶氧浓度低于临界值。 实例二簧座奥虑钳铅醋痒蕴衷唆苛讨揽摊蛤御令骑籽壤贴动折给题摘颗避皇债松第八发酵过程第八发酵过程3 3、发酵过程的溶氧变化n发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧发酵前期：由于微生物大
34、量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降超过供氧，溶氧明显下降 n发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等时机和方式等 n发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升体自溶，溶氧就会明显地上升 饿吓名肯绳扶悄嚎蕊号适篆畸掺账噎区述锻标秤哦串粗双踌迈啼辙秤韵瞥第八发酵过程第八发酵过程4 4、溶氧的控制、溶氧的控制调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍）限制基础培养基的浓度，使
35、发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。 啼驻宠掠撇讼辨抖摇水挑阿牡嘿敬循珐妮残洞红砷渴抵造睁愉碱它捏抿睹第八发酵过程第八发酵过程四、四、CO2对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制CO2是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢的基质。它是细胞代谢的重要指标。在发酵过程中， CO2有可能对发酵有促进作用，也有可能有抑制作用。宣蜗静疡条触白刷忻杠顿厩缺庇扣绅押捧佛扦兰秤炕唇甄睬哩实嚷颖督陋第八发酵过程第八发酵过程1 1、 CO2对发酵的影响对发酵的影响CO2对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵
36、液中CO2的浓度达到1.610-1mol，就会严重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%。菊践寡睹淹吁焊扫斥酥瑚核相诈缀唐晒李挡狡芍睬哑扑绞想坟瓷简墩迁空第八发酵过程第八发酵过程CO2对发酵也有影响对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含5%的CO2 。对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制影响发酵液的酸碱平衡脊燃赴告察拴奈疆兆张女盅喝恨鹰除刺孔饲扮衰吹兢鸥揍酱吱毡绩膘哉尧第八发酵过程第八发酵过程CO2及HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率
37、，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位；HCO3-影响细胞膜的膜蛋白。2 2、 CO2对发酵影响的机理对发酵影响的机理绩任电拒押训肛鲜驶师瘩家谅引乌手阻际孔玲类败廖察采炳烩痔惟碴遗拥第八发酵过程第八发酵过程3 3、 CO2的控制的控制CO2在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律。它的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。轻墩生计神哑册侈奠尤刑汲魔檀皑掷封盔栏培山问允纵烹勺屠沫葵仓公恐第八发酵过程第八发酵过程五、发酵过程中的泡沫及其控制1，泡
38、沫的性质 泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。珍钒耽鲸律樟短吩伸措裂贞痞嚣旁韧苫兹株贸禽赶叮钢骆协滨叭纹权盖坯第八发酵过程第八发酵过程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辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。另一种泡沫是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。2，泡沫的类型兴挑洛丘槛鸽皇纫训渺臀伶恢手镀职
39、醇算娇翠尔蝎舜道熄埂斟防胞弱病索第八发酵过程第八发酵过程由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。3，泡沫产生的原因榨塔熙秆磋申世钵亮烯饵鼓蠢嗣檀拾霍盾怒启忆颖城梳栽落肛吸芯尤革婿第八发酵过程第八发酵过程v降低发酵设备的利用率v增加了菌群的非均一性v增加了染菌的机会v导致产物的损失v消泡剂会给后提取工序带来困难4，泡沫对发酵的不利影响惩藐度啪熙杆肠恒盛掳旺这挡械巩摔渣耻泽南篆站炯予北筒枯懂撵升抢槽第八发酵过程第八发酵过程v通气与搅拌的强度v培养基的配比及原材料组成v培养基的破坏程度v接种量的大小v培养液本身性质的变化v培养基灭菌的方法和操作v染
40、菌5，影响泡沫稳定的因素覆努宗须柠顿败金互乏肯珊续椽褂舆晨巢伍吓葵巳抡掉渺嗽丁稿呕讥赔汽第八发酵过程第八发酵过程不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同搅拌速度和通气量对泡沫影响残培女骋宏耸卸细系壬伊魔茨赏洛亦冷禁蓖纠摊幻缄越忙壕超村资前泌灿第八发酵过程第八发酵过程不同浓度蛋白质原科的起泡作用不同浓度蛋白质原科的起泡作用铡暴语妇一题伯途吕着略燃熔子硬血崇量晤凛邀岭壳署坦摊绒材犁鹿肄类第八发酵过程第八发酵过程灭菌时间对泡沫稳定性的影响灭菌时间对泡沫稳定性的影响鳞染巳栖月菩踌哟汁臆冕蒙帅浴景喜砰娟狭导帅构持回夜间嘘疯当绍恼荤第八发酵过程第八发酵过程6，发酵过程泡沫的变化婆掷芦蕾滓杖恋将峡订咬块秦邵萄袭闲
41、算鳃电雁透验仅岩巡啦酉安悟码油第八发酵过程第八发酵过程7，发酵过程泡沫控制的方法物理消沫法化学消沫法坞渗能蔑菲汞江枕哄喜授挖却倘泛沪泄氓蹬砍雹住斟厄葫清般携并伎炸肾第八发酵过程第八发酵过程物理消泡法方方 法法罐内消沫法：罐外消沫法：原原 理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离回收。优优 点点不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会缺缺 点点不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。床涧审鼠截掇孺属憋豆酥鲍吕赚钵胡京隅咯改哄咳飘啪缴哗阅乖捣染釉泻第八发酵过程第八发酵过程化学消泡法机机 理理n当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加
42、入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲或加入某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，使泡沫破裂。n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，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。汲谎痒您汝柞粉瓶厢陷喜炳伊犬闽缅垣绰遥律钥颅亢狙思某委铆都市悸娩第八发酵过程第八发酵过程选择消泡剂的依据对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成。消泡作用迅速，效果高和持久性能好能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物。不影响以后的提取过程。消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单。不干扰分析系统，如溶解氧
43、、pH测定仪的探头。最好还能做到不影响氧的传递。桓抱拇麻沽掏迢秦砖虏拷骤牲分钧粗谚旬菇姿戌秩痢婪甩牡踊烬缓劣磅亢第八发酵过程第八发酵过程消泡剂的种类和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌)。高级醇类 十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体起使用。据报导，它与冷榨猪油一起控制青男素发酵的泡沫，效果较好。聚二酵具有消沫效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。硅酮类 硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。汞鳃菜踞除拒皆价弃泳留收榴尹姨馒俱坊刻斗甜钓遭淑枕抓皑牙莽诺悄熊第八发酵过程第八发酵过程六、补料
44、控制1，基质浓度对发酵的影响喷照衰讥引臃逾裁娇甚非夹蛤赖罕厌甫迄发稚熟益陪含胀鸟磺协潦卷瑟厢第八发酵过程第八发酵过程2，补料控制目的v解除基质过浓的抑制v解除产物的反馈抑制v解除葡萄糖分解代谢阻遏效应党憋惮毒镜鼓谱窒燃浑庶离谷蔫石险鞍橇饲诸徊莽肥邱买妨玄鞍戏卿热傻第八发酵过程第八发酵过程补充微生物能源和碳源的需要。补充菌体所需要的氮源。补充微量元素或无机盐。3 3、补料的内容、补料的内容肋九棕写继梦昧褥演浑痔停瞪剖懈隔呕尚巢荫饼奥糜耸呻饮雕蝴湛拐裁咖第八发酵过程第八发酵过程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。为实现这一目标，在中间补料控制时，必须选择恰当的反馈控制参数和补料
45、速率。 4 4、补料的原则、补料的原则黑沾霜瓦仙忘聊炮潍校糠吾搬晴站相曲呆翘鸵泊封春脑宪嚣坡刷腋贰凝掏第八发酵过程第八发酵过程大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质以经验数据或预测数据控制流加；以pH、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计算限制性基质的浓度，间接控制流加；用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。5 5、补料控制的策略、补料控制的策略铡薯乒战病玖赠痰础捡乃关帆勋庚憋铭钱罩饯耿耙踊喘喻卓作形唯伤理敞第八发酵过程第八发酵过程6、补料控制参数的选择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、
46、菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系。采用最优的补科程序也是依赖于比生长曲线形态、产物生成速率及发酵的初始条件等情况。因此，欲建立分批补料培养的数学模型及选择最佳控制程序都必须充分了解微生物在发酵过程中的代谢规律及对环境条件的要求。骚课惠凹炯职播晴钉志酿捶酣绷荤皑娩菠婴函刃枪垦朱噬盐逼蛛债赋揉佰第八发酵过程第八发酵过程例如，在谷氨酸发酵过程中的某阶段，生产菌的摄氧率和基质消耗速率之间存在着线性关系。 连续补料和分批补料发酵的比较霍世籽噎坞挞厚焰炊损匝勃魏崇效气名中衍鞋柒潭所末晃衬隘涕阎倾芦笺第八发酵过程第八发酵过程7、补料速率的确定优化补料速率也是补料控制中十分重要的一环，因为养分和前体需
47、要维持适当的浓度，而它们则以不同的速率被消耗，所以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液中最低维持浓度而定。例如，用连续培养方法测定了在不同比生长速率下青霉素生产菌产黄青霉的碳、氯、氧、磷、硫和乙酸盐及菌最适生长所需的各种基质的补料速率。 归木恿游勒旱蓄李牺晾装绽撼驶搏侍傀昨来跟秦炙游症剁痔数抬驯册粟两第八发酵过程第八发酵过程七、厌氧发酵工艺要求与控制 发酵工业中，由于使用微生物不同，其代谢规律不一样，因而有的是需氧发酵，有的是厌氧发酵，也称静置培养。例如：酒精、啤酒、丙酮、丁酵及乳酸等均是属于厌气发酵产品，其发酵设备因不需供氧，所以设备和工艺都较好氧发酵简单。固态发酵（如白酒
48、）；液态发酵（如酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒）。 赣力腕胶笺蕾琴飘驮擅抱录紫悔慌辫焚箱艇徒岳柠魁接院持玩帛钞驳卿昨第八发酵过程第八发酵过程1、固态发酵固态发酵主要是一些传统发酵工艺。例如生产大曲酒、麸曲酒就是典型的固态发酵。固态发酵中无菌要求不高，整个生产过程都是敞口操作。除原料蒸煮过程能起到灭菌作用外，空气、水、工具和场所，窖池等都存在大量的多种多样的微生物，并把这些微生物带到发酵原料中，它们与曲中的微生物一起协同作用，生产出丰富的香味物质，因此固体厌气发酵是多菌种的混合发酵。发酵过程中，一般都采用比较低的温度，让糖化作用和发酵作用同时进行；即采用边糖化边发酵的工艺。当采用2030低温时，糖
49、化酶作用缓慢，故糖化时间要延长。 兽馈旭肋辛骡判寓风刷继八泡韶把滩沮讳屏挺仪纹宦茸攻憋包瘸生掳胳始第八发酵过程第八发酵过程固态发酵的温度控制固态发酵的温度控制靠控制进窖温度和淀粉含量来解决。因在窖内部没有冷却或加热装置，这样只好把进窖温度控制得比较低(1822)。糖化进行缓慢，发酵也就缓慢，窖内升温慢些，酵母就不易衰老，发酵率就升高。进窖时原料淀粉含量不能太高，在发酵过程中一部分能量被放出，升高了发酵温度，一般发酵过程中，淀粉含量降低1.0时，酒醅温度实际约上升2左右。所以淀粉含量控制在1 4l 6，随气温的高低不同进行适当地调整。 珊均覆溜陛吊疼恫宝钧皿赌癌驰诱薛屯微斑睛谴心秀芒虾疮菱需袋宅
50、愁痔第八发酵过程第八发酵过程固体发酵的pH控制 一般工厂用酸度表示。酸度来自原料本身，曲和酒醅是最主要的。在发酵过程中酸度增加的原因，主要是杂菌的影响，淀粉浓度过高，糖化快，细菌生长繁殖快，造成酒醅酸度升高，也反过来影响酵母的生长，影响发酵，酸度低又影响糖化速度。因此控制酸度既适宜酵母生长又抑制了细菌生长。一般控制在1.42.0的酸度。 些斗爷纺私净搽萍千掩拎去省裕透珠沽奇殴遁崇庐接司垒牛袄杯毛邱拱伤第八发酵过程第八发酵过程水分的控制固体发酵中水份是微生物生长的条件，适当的水分是良好发酵的重要因素。但入窖水分过高，会引起糖化和发酵作用加快，升温过猛，使发酵不彻底；而水分过少，会引起酒醅发干，残
51、余淀粉高，酸度过低，槽不柔软，影响发酵正常进行；一般大曲酒入窖水分为5357，小曲5762，因原料而异，冬天与夏天也不同。另一方面为了调整淀粉浓度，增加疏松性，调节酸度，以利于微生物的生长繁殖，保持水在固态发酵时常常加入填充料、如谷壳等。 截变割屠圆裴柑态钾醛跳析忌荷思亏尝湘狞迟硬错欣浴捞戚耪腿鞋离凭受第八发酵过程第八发酵过程2、液态发酵 厌气发酵在液体状态下进行，液体发酵速度快，发酵完全，发酵周期短，原料利用率高，而且适于大规模机械化、连续化、自动化生产。液态厌气发酵对无菌要求较高，因此培养基必须经过灭菌，对发酵容器也要定期灭菌。 在发酵过程中对pH、温度进行连续控制，中间分析也与好气发酵相
52、似 。 羡浅墅壤蘑芬漾袋母钡顽居荒耘平弊磐氨湾剿训涤境球吧痪皇婴亥曰倍未第八发酵过程第八发酵过程第三节第三节 发酵过程的参数检测发酵过程的参数检测物理参数化学参数生物参数友该集刽旱闲笋户常识聊邱犯剖伏劣猿牌冠颗盆家啤裂她碌怜笛章顶请思第八发酵过程第八发酵过程一、物理参数1，温度指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。温度的高低与下列参数有密切关系发酵中的酶反应速度菌体生长速度，产物合成速度氧在培养液中的溶解度，传递速度氖卉兢供宪蓉伍慑帆哎萌院荫芯争煽靶课溃况酋耗梅卿岭蔽鹃丢拧涡棍碉第八发酵过程第八发酵过程发酵罐维持的压力。罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培养。罐压的高低与氧，C
53、O2在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。罐压一般维持在0.20.5公斤。2，压力坠乒刊及酞伦狄宪哗赢园指郊秩呼宿蜕砍示胶民喂恢筑脯府薄灶季冤肤宇第八发酵过程第八发酵过程3，搅拌转速是指搅拌器在发酵罐中转动速度。搅拌转速大小与发酵液的均匀性和氧在发酵液中的传递速率有关。发酵罐的容积(L)搅拌转速范围(r/min)3200200010200120030150100050100800200504005005030010000252005000025160理唁蒂蛀污师楞珠禁府试涉闹勇扛操著淹头屹豆壳今磊井头淑扼珐钢腾菩第八发酵过程第八发酵过程指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消耗的
54、功率（kW/m3）。它的大小与溶氧传递系数KLa有关。4，搅拌功率痞赐椅豹蹿啄兜哭祷追娘沾晰惠被诱梭壹晰腕崔郸舞厅淘潦染颁吊索放差第八发酵过程第八发酵过程指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。一般控制在0.11.0vvm之间5，空气流量躺袒惊圆努叼舔立咕障宜张迎恶喉虽墙嚼彩荣煞酉动肮锣梭轮趾镁蓝榨斟第八发酵过程第八发酵过程粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。在发酵过程中通常用表观粘度表示。粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可表示相对菌体浓度。6，粘度寥浩弄蛛塘掩扑镐傣雷淀海涧义蹦寿及叉在吐挑东吐蹋翅搐陕擒抖菜苟瘟第八发酵过程第八发酵过程能
55、及时反映单细胞生长状况。7，浊度朔寂劳行伐腋石键绢陕痕助迫轻藕次淀牢簿邵屹屹昧座元橙瞧厂宦悬迎嘱第八发酵过程第八发酵过程二、化学参数1，pH发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综合结果，与菌体生长和产物合成有重要的关系 。pH的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。张达晚豫发眠蚊露霖嗡封渝土糕棉玩生湿府韩伐缸郧槛迂沤啃头钠撑榷旁第八发酵过程第八发酵过程指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的浓度。基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。2，基质浓度荤绊四敖捷涵陆锌被婿慈经溉穷彬您绵话肯感嵌揍关纬情究垒硫眶呛媳核第八发酵过程第八发酵过程氧是微生物体内一
56、系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质。利用DO浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。3，溶解氧（DO）浓度稻呻稗赵步剪淋盂势购谋篷荷涡扎腿忠区铸辐秧韩接黎作饶政整坞抛尤色第八发酵过程第八发酵过程培养基氧化还原电位是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。4，氧化还原电位契憎丙蔬附零陨你啊镍搅命勤栋霖睬懂派刃踏机钝贫绷侯求糟隙砾缴闲港第八发酵过程第八发酵过程 是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。5，产物浓度孩抨萤诚晃赡夫缆祁咱氨奶揪班芳闺陀居斯帘通壬睬痹劈尹琴醛抹磷踩件第八发酵过程第八
57、发酵过程尾气中O2浓度与生产菌的摄氧率和KLa有关。尾气中CO2是产生菌呼吸放出的CO2 。从尾气中O2和CO2浓度的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力。从而了解产生菌的呼吸代谢规律。6，尾气O2浓度和CO2浓度癸赊皿式惧御屁岿惶党凉樊曰壁羊淳乌贩文草荚闰踢纳送稼含讫尚偷绚滦第八发酵过程第八发酵过程 菌体RNA, DNA含量，以及ATP, ADP, AMP体系，NAD(P)-NAD(P)H体系。分别表示菌体生长情况，能量代谢能力，生物合成能力。7，其它参数勺符赢孵老芋士粮呜月葡臂渤群绅匣唱弓谜旁计逢亨骄参赂传窄耪遭碰褐第八发酵过程第八发酵过程三、生物参数1，菌（丝）体浓度（生
58、物量biomass） 菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有影响，特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵，菌体浓度与培养液的粘度，DO都有关。素险辰未材舶还棵壹腐吭饵东区娠啄弟侈雨归谈告遍鸦酚迅太矾另葵田频第八发酵过程第八发酵过程四、间接参数根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率。窟边蜂猫采廉饺张痪瞳版耍流抚抗搀她灸桶刺茶泛胜孝印似乘杠住父萌遂第八发酵过程第八发酵过程摄氧率r：单位体积培养液每小时所消耗的氧量（mmol/L.h） 1、摄氧率惠乒宏慷核稽渴凌绪撅浮左庶晒缸乾磁腋宴纬朔
59、鼎骆控余英弧院瘦羌惮班第八发酵过程第八发酵过程呼吸强度QO2：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量（mmol/g.h） 2、呼吸强度爷隐潜驭栋尔养馒钎居酥蝎秘浅短苍赶方悠般晤噎漾铃愤泰瓮谆界宁卿遭第八发酵过程第八发酵过程呼吸商RQ：发酵过程中氧的消耗比速与二氧化碳生成比速的商 3、呼吸商蹿屠童渤边像题阂凋跋嘻乡孽脂樱丹辕岸釜祝妊博谁禽谬唁倘寨玄杨辐肌第八发酵过程第八发酵过程参数名称单位测试方法意义、主要作用温度罐压空气流量搅拌转速搅拌功率粘度浊度泡沫体积氧传质系数KLaCPaV/V.minR/minKWPa.s透光度l/h传感器压力表传感器传感器传感器粘度计传感器传感器间接计算维持生长、合成维持
60、正压、增加溶氧供氧、排泄废气、提高KLa物料混合、提高KLa反映搅拌情况、KLa反映菌的生长、KLa反映菌的生长情况反映发酵代谢情况反映供氧效率物理参数物理参数恐侣苍尸讣卜魄厩创纺寝隙五厘震周才营撬掷秸缝奎持身导咕瑰隙抢跌仿第八发酵过程第八发酵过程参数名称单位测试方法意义、主要作用pH基质浓度溶解氧浓度氧化还原电位产物浓度尾气氧浓度尾气CO2浓度菌体浓度RNA、DNA含量ATP、ADP、AMPNADH含量摄氧率呼吸强度呼吸商比生长速率g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌.h1/h传感器取样传感器传感器
61、取样传感器传感器取样取样取样取样间接计算间接计算间接计算间接计算了解生长和产物合成了解生长和产物合成反映氧供需情况反映菌的代谢情况产物合成情况了解耗氧情况了解菌的呼吸情况了解生长情况了解生长情况了解能量代谢活力了解菌的合成能力了解耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代谢途径了解生长化学、生物参数化学、生物参数缴钒暮堰吼雹慢央娠抄锑挎栋悸亿啡匡曼霄蹦姿迸淮弘侩私靴兽笔奥滞休第八发酵过程第八发酵过程目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、pH、溶氧、基质浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体积%)等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的O2和CO2含量等。参数测定方法有：在线测定取样测
62、定（离线测定）授邵尿版香斗伞满右支蒸强讽樟余列逝袜妻貉销漠匀埃爪氯逆惕本菱者熏第八发酵过程第八发酵过程 参数在线测定的优点及问题优点：主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制。问题：发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三相，即液、气、固体不溶物或油；发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难。 猾痹朋广猛趟钳皂妊门妓馈梁卉剐渗椿足彤固计沾椽棱啪待泌鳖摔春熔曼第八发酵过程第八发酵过程发酵工业用的传感器应满足的要求 1)传感器能经受高压蒸汽灭菌；2)传感器及其二次仪表具有长期稳定性；3)最好能在过程
63、中随时校正；4)探头材料不易老化，使用寿命长；5)探头安装使用和维修方便；6)解决探头敏感部位被物料(反应液)粘住、堵塞问题；7)价格合理，便于推广应用。 卉佃胁玉想灵饵踞端铭矿甩室砂浮阂后辩掌锐檀贰酝备幂诫僵缕乍郴配呻第八发酵过程第八发酵过程第四节第四节 发酵过程的自动控制发酵过程的自动控制发酵过程的自动控制是根据过程变量的有效测量和对发酵过程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和计算机组成的控制器，控制一些发酵的关键变量，达到控制发酵过程的目的。包括三方面内容：与发酵过程的未来状态相相联系的控制目标（温度、pH、生物量、浓度）；一组可供选择的控制动作（阀门的开或关、 泵的开动或停止）；能够预
64、测控制动作对过程状态影响的模型（用 加入基质的浓度和速率控制细胞生长率时，表 达两者之间关系的数学式）三者互相联系、互相制约，组成具有特定 自动控制功能的自控系统。搐歼搪懂型画早碑严讽晶殊郭孜肯淤至揣阉牙助褒茸斜甥饲艰靴聚灵寇谓第八发酵过程第八发酵过程对发酵过程进行自动控制的优点提高产品的得率；改进产品的质量；降低后续加工过程的损耗；在整个操作过程中能稳定的保持最优条件；提高对原料质量波动的适应性；减少认为因素的影响；提高工厂的生产效率；降低能耗；降低分析和操作成本。禹秧研涝衔闻肝麻罐到洞吓击卜堆稽哆僻僧份角时估衣袒立铆滇八碰涟炕第八发酵过程第八发酵过程存在的问题发酵是一个较复杂的生化反应过程
65、，大滞后和时变性是其主要特征。传感器不能蒸汽灭菌；会和产品发生反应；过分敏感。戈乖张椽梦宙炮儿层尿彻茫尿背裙覆澳炙唇晾独拧非登毁彦裳根怀宝谨牡第八发酵过程第八发酵过程一、基本的自动控制系统一、基本的自动控制系统(control loop)前馈控制(feedforwardcontrol) 后（反）馈控制(feedbackcontrol )自适应控制(adaptive control)戏切俭盐珊枢钵怀肖蔚么宠玻抿晾乡玻涂励胳谍潜锰买颤拐蓖县额良傈苯第八发酵过程第八发酵过程1 1、前馈控制前馈控制如果被控对象动态反应慢，并且干扰频繁，则可通过对一种动态反应快的变量（干扰量）的测量来预测被控对象的变化
66、，在被控对象尚未发生变化时，提前实施控制。这种控制方法叫做前馈控制。如，对温度的控制，在系统中，冷却水的压力被测量但不控制，当压力发生变化时，控制器提前对冷却水控制阀发出动作指令，以避免温度的波动。前馈控制的控制精度取决于干扰量的测量精度，以及预报干扰量对控制变量影响的数学模型的准确性。明龋近萧漾逞撒毁期刑炊藤巩顿闽腊蘸酥疑弄防通亢指硼剃蹲饭浮铣斜亏第八发酵过程第八发酵过程2 2、反馈控制反馈控制反馈控制系统如图所示，被控过程输出量x(t)被传感器检测，以检测量y(t)反馈到控制系统，控制器使之与预定的值r(t) （设定点）比较，得出偏差值e 。然后采用某种控制算法根据偏差e确定控制动作u(t
67、) 。开关控制；PID控制；串（联）级反馈控制；前馈/反馈控制。控制器被控对象传感器r(t)+eu(t)y(t)x(t)碰屏广铜炽洪密更饿草粉桌采抉衫虎侦磐疼帮匙颂忌沃享棒寸网缘混爵苗第八发酵过程第八发酵过程开关控制开关控制开关控制是最简单的控制。如发酵温度的开关控制系统是通过温度传感器检测发酵罐内温度，如温度低于设定点，冷水阀关闭，蒸汽或热水阀打开；如温度高于设定点，蒸汽或热水阀关闭，冷水阀打开。控制阀的动作是全开或全关，所以称为开关控制。100% open (on)Valve or switchposition100% closed (off)100% open (on)Valve or
68、switchposition100% closed (off)疙蜂蔼藏兜梧凛场按劫谦照汁既涌离曾祸动蒙迷戳淫晋父鹅裂将盂悟宪田第八发酵过程第八发酵过程PIDPID控制控制当负荷不稳定时，可采用比例（P）、积分（I）、微分（D）控制算法，及PID控制。P、I、D控制器的控制信号，分别正比于被控过程的输出量与设定点的偏差、偏差相对与时间的积分和偏差的变化速率。PP+DP+I+DPositivedeviationControlledvariableSet-pointNegativedeviationTime1.Outputwithoutcontrol2.Proportionalaction3.Int
69、egralaction4.Proportional+integralaction5.Proportional+derivativeaction6.Proportional+integral+derivativeaction1235,64拦厌冲赫佣期杂陛孰差计硬操莆降么躇饱千娄磐尊番芭盾嫡堰立据认蛾膏第八发酵过程第八发酵过程串联（级）反馈控制串联（级）反馈控制串联反馈控制是由两个以上控制器对一种变量实施联合控制的方法。如溶解氧在发酵罐中的控制。作为一级控制器的溶氧控制器根据检测结果，由PID算法计算出控制输出、但不用它来直接实施控制动作、而是被作为二级控制器的搅拌转速、空气流量和压力控制器当作设
70、定点接受，二级控制器再由另一个PID算法计算出第二个控制输出，用于实施控制动作，以满足一级控制器设定的溶氧水平。溶解氧水平的串联反馈控制雀骨焕报妖墒燕躇姬钥七唤疡私胚校想背狠逆葵都惨权矮渺抡渗著巧舒虐第八发酵过程第八发酵过程前/反馈控制前馈控制所根据的数学模型大多是近似值，加上一些干扰量难于测定，限制了它的单独应用。通常与反馈控制结合使用。如前馈/反馈控制应用于污水处理系统。污水处理的前/反馈控制系统SS：悬浮固体含量传感器FRC：流量记录和控制器断搅帧绊趁楷峭抨莽才绸遵鲁理肾唯镭们皿窜栅则献巨歉述乘峡萌隅谴侗第八发酵过程第八发酵过程3、自适应控制(adaptive control)发酵过程是
71、复杂的和不确定的过程，而上述自控系统的数学模型结构和参数都是确定的，过程的输入信号均为时间的函数，过程的输出响应也是确定的，所以对发酵过程动态特性无法确定数学模型，过程的输入信号也含有许多不可测的随即因素。对于这样过程的控制，必须提取有关的输入、输出信号，对模型和参数不断进行辩识，使模型逐渐完善， 同时自动修改控制器的控制 动作，使之适应于实际过程。 这样的控制系统称为自适应 控制系统。染烃撰悔稚楼汁大谚概桂柞邪渊卓卞义何夷释枝辙租久饥诊祖臻借凤傅邵第八发酵过程第八发酵过程二、发酵自控系统的硬件组成二、发酵自控系统的硬件组成传感器变送器执行机构转换器过程接口监控计算机发酵自控系统的硬件组成发酵
72、自控系统的硬件组成履牧犯褂业藏镁跨捆案藉咐溜戴屉轨别粱臃箕碰宫衔靳血蓝授瑰恫月稻效第八发酵过程第八发酵过程三、发酵过程常见控制系统1、Feedcontrol棕桌狰龟宰疽蕊珐膝经板哗驱遭笑磊柳奇阜炸赶楞裁寥翌谬逸犯仅矽耙逐第八发酵过程第八发酵过程Scheduleoffermentation箔汇纹舍弘碌撵宾滞讫剂钮初酶土姿峨先夺孽拂恰咀波携蔼该汇雀锐悠睁第八发酵过程第八发酵过程2、Temperaturecontrolloop剁赤皇釉椿匝甲按葡旋迫戊徒兰漫赤旁啪荤瞪争抑锑甄诱啃烃荤坠拯必超第八发酵过程第八发酵过程3、pHcontrolloop阜族层造脚壁挪厂巨丽戎钟宏饥斜柯溢就税吮勺犊粥疙夫饶繁妮惶
73、暮况装第八发酵过程第八发酵过程4、pO2-andrpm-control邹挽匈看址孩垒亲切喧脾夺瑰付嗜襄三焦掌渍们励韵管喻唆常三魔譬蜡庞第八发酵过程第八发酵过程5、Antifoamcontrol掠廊季时姆炉欠五弥惧汪首玖万仰防音履踌颊貉筐铺炕火蕊许兄语颤齐举第八发酵过程第八发酵过程第五节第五节 发酵动力学发酵动力学(fermentation kinetics)反应动力学：研究反应速度变化规律的学科。发酵动力学：研究各种发酵过程变量在活细胞的作用下变化的规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。并以数学，工程学的原理，定量描述。土凝摸必件火傀柞缺笺橱可茫塌慢予嚎恶龋颖窃癸抠让枢誉滦穷蜘锰缉道
74、第八发酵过程第八发酵过程目的通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种物理，化学因素的影响，为调控提供依据）建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。指泡要冶息倘莫批寞驰劲瞪茹点谨训朝涤蔗插垢赁灶甫生瑶共铁惮卑庄疡第八发酵过程第八发酵过程发酵动力学研究内容发酵动力学是以化学热力学（研究反应方向）和化学动力学（研究反应速度）为基础，对发酵过程的物质变化进行描述囱千循阶划从视滨揽缄初荤涂右攀蚁丽婉霸难骄炭骏渡必昌下勾葛窖喉憋第八发酵过程第八发酵过程具体内容具体内容1. 微生物生长，死亡动力学；2. 基质消耗动力学；
75、3. 氧消耗动力学；4. CO2生成动力学；5. 产物合成和降解动力学；6. 代谢热生成动力学。囤嗓婶宿疟召摹菇关既贰品氮箍博厕俐词幼莲李杭嗓龙撕抚镰庄睬佑拭撬第八发酵过程第八发酵过程研究方法宏观处理法结构动力学模型（通过研究微观反应机制建立）非结构动力学模型（不考虑微观反应机制，只考虑宏观变量之间的关系）质量平衡法（根据质量守恒定律） 物质在系统中的积累速度=物质进入系统速度+物质在系统中生成的速度-物质在系统中排除的速度-物质在系统中消耗的速度购告搽邀伟蛤念翱插容贫黎染伙秩荧腰画趁弓垣珊译岁街瓷祟泞宜垫摸奥第八发酵过程第八发酵过程一、一、发酵过程的速度1、发酵动力学涉及的常规参数瓮骸鸯拄净
76、这茵饶聪陀明弗二墓标姓沸拭抵捎悯刘是翘龟俩金差旱扬会易第八发酵过程第八发酵过程1、发酵过程的速度概念央浇动餐唬谗牡永炎橱哭廖喊层柄意拯揪维排狠送奴纪店粒旁遣抉病绰驴第八发酵过程第八发酵过程 菌体生长速度为菌体生长速度为 氧和底物利用速度为氧和底物利用速度为 P、C和和HV生成速度为生成速度为:速速 度度坯募召伍眼贡蒜挡门俗释凡垒旭涣箭破慢宙襟又帚鸦谭增习饱郸途一硝孪第八发酵过程第八发酵过程比速率细胞生长的比速率为： 底物消耗的比速率为qs 产物形成的比速率为qp：翼挞唯甭钩门著瘪快蠢荐僻醉唬哮淘逻孽裴袒救裁施运折荣肇生狠宾稀凭第八发酵过程第八发酵过程比速率 氧消耗的比速率为qo： 二氧化碳生成
77、的比速率 为qc：发酵热生成的比速率：鸣越喇坚筹嘱殉眶诊潮吉润闭述熟寐诣渔汾半鉴墨射处巩助耘芭饯候闷奔第八发酵过程第八发酵过程二、二、化学计量学(stoichiometry)1、化学计量方程表示通用化了的碳源根据元素分析得出的细胞组成表示产物节抱歼炭薪夷窍壕霖市岩镣挝拉蒋祸拥微衰妥凛第嫩巷销刘鸵马蹲碱鹤综第八发酵过程第八发酵过程2 2、产率系数(yield coefficients)(1)宏观产率系数宏观产率系数(或称得率系数)Yi/j是化学计量学中一种非常重要的参数，常用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价，其中i表示菌体或产物，j表示底物例如，菌体对底物的产率系数可表示为：苞妹头赡穴
78、膊匡窄酥狡唐赌晰要枉捡饰戎瞪吃鸡厕鹿量砂滇棺召溪入吭渗第八发酵过程第八发酵过程生物反应过程中宏观产率系数的定义总览蔚捧改追渺尺窖孕囊伦诬扫脾膝呀惰阔臃鸵垂肤干煤汉藩厚肠冬鞘酱蛆辣第八发酵过程第八发酵过程有时，以摩尔为单位表示产率系数更有利：相似的概念可用于表达重要的常数： 值在实践中对推导元素平衡方程很重要，对与氧化磷酸化有关的理论问题也有重要意义衫苟柔牺来眶链腔涡义本寺骤始孵史拢席阿晌交馏屎四学漏测悼属厚碧醒第八发酵过程第八发酵过程(2)理论代谢产物产率假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率（a）根据化学计量关系计算例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化
79、学计量方程为依此计算 =147/180=0.82此处没有考虑反应过程中NADH及ATP等辅助底物的生成和消耗暖燎浪烘遗跨异提不芦林烽油铆碗买瞒夹鸦制秀贯慌吗坟乡扳颤综砒汁拽第八发酵过程第八发酵过程（b）由生物化学计量关系计算根据由底物生成目标代谢产物的代谢途径，进行代谢过程中有关NAD(P)+和ATP等辅底物的物料衡算，结合化学计量关系可求出上式：由该反应式得 =(14713)/(12180)=0.75此处-酮戊二酸的氨基化还原反应中所需要的NADPH由异柠檬酸脱氢反应供给!！用生化计量式时, 必须清楚有关的代谢途径找机贸央鸡兼较孪陛寨扳议蚜谋韦吝摊侮葱峻威聋坷晌筏越凤捕恃喘蔬被第八发酵过程第
80、八发酵过程(3) 实际发酵过程中的产率系数在实际发酵中，产率是变化的，产率取决于下列因素：Y=f(菌株、底物、m、；t、tm、OTR、C/N，P/O)式中m为混合度，S为底物浓度，t为平均滞留时间，tm为混合时间，OTR为氧传递速度，C/N为碳氮比，P/O为磷氧比容安歪恳基馈呼啃踏揍淡麦逞簇糠姬织炬妓托誓备捆株蒂垒司锻矾扯请丹第八发酵过程第八发酵过程另外，Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的概念来解释菌体产率变化的原因：其中r1和r分别为碳源分支代谢途径1和途径2的反应速度，MX和MS为菌体和底物的分子量，x是SX反应的化学计量系数，可见产率只随r或r变化在甲基营养菌中存在两
81、种不同的碳代谢流：同化(r2)和氧化(r1)碳源和其它营养物的浓度或温度、pH等培养条件的任何变化都可能引起r或r变化这一概念表明，甲基营养菌菌体产率的变化是一个动力学问题，而不是生物合成问题闪鲍跑饭晃茬吹拢瓶岭朽枯最瓢狙择哈权榜剐腊匠骨钧甩使纠郭制催玻娱第八发酵过程第八发酵过程3、化学计量的数学模型(Stoichiometric Mathematical models )细胞培养系统非常复杂，在过程中有许多的输入和输出。而且和化学反应不同的是，在过程中，催化剂本身是在不断繁殖的；相比较而言，化学反应过程则要简单得多。悬层摆凸粥吓我诵讶霖剪弘茅婿厕半总改拿膊黎翟契炸片蓖至泅毯各巷方第八发酵过程
82、第八发酵过程一级反应(first order chemical reaction)动力学数学模型一级反应的方程式一级反应的方程式底物消耗动力学底物消耗动力学产物生产动力学方程产物生产动力学方程省扩季资竟氛弯肛垫晋纫演臣矢懂孔骑抑灭喂抵粹叮二壁桅酶水堕埃涉即第八发酵过程第八发酵过程由（2）推导底物浓度随时间变化的模型亿昨肄辰专笑喇氓掂酚坷尘跺厘唁扰忽言备蹬耐踩淋廷畸渣抨延裴维好鹿第八发酵过程第八发酵过程由（5）推导产物浓度随底物浓度变化的模型P2=n(S1-S2)+P1率邢鉴绑澎磅哼右茁馏休淹臣傲芒诞办铸逊搪眨伶硒候隙刁兆另瓤愧脏垦第八发酵过程第八发酵过程计算举例Areactionhasarat
83、econstant(k)of0.1s-1.Att1=1s,SandPis3g.l-1and0g.l-1respectively.ThestoichiometricyieldcoefficientfortheformationofPfromSis2g.g-1.After10s,theSandPwillbe：S2=2.10g.l-1;P2=4.2g.l-1；S2=1.10g.l-1;P2=3.8g.l-1；S2=1.10g.l-1;P2=4.2g.l-1；S2=2.10g.l-1;P2=3.8g.l-1。黍铀条嚏栓侦釜摊隘乒庸干经啃厌鹿慎掺鳖遏拍否奢刃裙卒船汕侍持某札第八发酵过程第八发酵过程三、分
84、批发酵动力学(kinetics of batch fermentation)Xistheconcentrationofbiomassinthebioreactor.Biomass concentrationsaretypicallyexpresseding/lofDry weight.（一）细胞生长动力学模型isthespecificgrowthrate.鸿贪赦验翰嚏涛血洼浴劳判罚饿耗锥芽腿她呜围滤兴疙绝解靶想复棕坯孽第八发酵过程第八发酵过程Bysplittingthevariablesinequation(1),weobtain:Ifattimet0,thebiomassconcentrat
85、ioninthebioreactorisrepresentedbyX0andattimet1thebiomassconcentrationisrepresentedbyX1,equation(2)becomes:揉都憋闯总脱猜箱鹏又蒜堆贿怪拓坷麓果镁瞄惦嗡揩浇嗣臂悸击泡懊仍缕第八发酵过程第八发酵过程Sinceisconstantduringtheexponentialphase:Integratingbothsidesgives:Finally:黄柴淀沟垃刘这当鉴用喷豹跃琉极敦侥洱参厄殿覆耘钻念编湿延葵枕颗越第八发酵过程第八发酵过程1. 无抑制作用的细胞生长动力学Monod方程Monod发现细
86、菌的比生长速率与单一限制性基质(growth limiting nutrient )之间存在着一定模式关系（饱和双曲线函数），创建了生化工程中著名的Monod方程（1942年）。吠云蜕犁泳孤蔼隋狭瓶苯缚霹肝篆拆普毫蓬缠淖秀菏犀墓胁静音贺异锅捂第八发酵过程第八发酵过程温度和pH恒定时，对于某一特定培养基组分的浓度s，Monod方程为式中:max称为最大比生长速率(h-1)，Ks称为半饱和常数(g/L)底物消耗速率方程对应为Monod方程(Monod model )号咸蚜伏慧兴醚博定宙简旅四躇止特穴留删话拆早科挎抨僧症榔陨嗡悍阿第八发酵过程第八发酵过程KS，微生物对底物的半饱和常数,与亲和力成反比
87、。当=1/2max，S=KS当S KS，基质浓度较高时，与S无关，零级反应。当S 时， = maxmax是理论上最大的生长潜力。Monod方程玉丧宇凝摔翌柑勉请唯尽座奶屈罐法哪晃计慧治鸽自淡讥狼么若逸派褂危第八发酵过程第八发酵过程Monod方程S crit 临界底物浓度，比生长速率达到最大比生长速率 max时的最低底物浓度。对于任一营养物质 S S crit，为非限制性底物 S0,k2=0，生长偶联型b.k10,k20，部分生长偶联型，混合型c.k1=0,k20，非生长偶联型逐掖斌狼夺侨峰碗质棺律腺莉纳蒲约走牺歉殆瘤斩吱著釉庸增杏埠习军肄第八发酵过程第八发酵过程产物合成动力学霞镣皱搞交对迷衫迂
88、拧容卡拥站满撬不赁上职讲折魏毖商宏琉杯粤氰恤鼓第八发酵过程第八发酵过程产物合成动力学生长关联型：当k1=YP/X，k2=0，dP/dt=YP/XdX/dt，QP=YP/X非生长关联型：当k1=0，k2=QP，dP/dt=QPX孝步服席盟陈骂冗立冀汉活呀彩既落呕硅掣塘呐脊忌划恤牺楚庞谈买章学第八发酵过程第八发酵过程k1,k2的确定：以对QP作图QP=k1+k2QP，产物比生产率产物合成动力学茁斜起浅畸向郑那镑壬侍捎豌憋像腊贫瑚全讫颊太膏氢庭尧颓酪突硫戌朗第八发酵过程第八发酵过程（三）基质消耗动力学基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成分，其消耗分为三个方面：细胞生长，合成新细胞；细胞维持生命所消
89、耗能量的需求；合成代谢产物。欺兼呜絮拒但我姬盗虫啄喇宴房蒜对岛曝撅窄国湿换未置屯枢怜副浴老皋第八发酵过程第八发酵过程基质消耗动力学基质比消耗率QS=-dS/Xdt产物比生产率QP=dP/Xdt伦窒揍碳利盲途矣作揪肘油哑坎征顽汀摄己狗适测镀留济吧钓碎宋首揭疚第八发酵过程第八发酵过程基质消耗动力学维持系数m：单位质量菌体在单位时间内因维持代谢消耗的基质量。是微生物的一种特性。得率系数Y:两种物质得失之间的计量比。生长得率：YX/S=-dX/dS或X/S产物得率：YP/S=-dP/dS或P/S圭煎睡镐同恃沙忌中艺约阮简憋绒蝇匙氯斥赴到刷罕低贩阮孰蛆滴理磁穿第八发酵过程第八发酵过程基质消耗动力学维持系
90、数m和得率系数YX/S，YP/S的确定：a.QP为常数的情况某些非生长偶联型产物发酵中，若控制得当，QP可保持稳定（如恒化器中）。以对QS作图，为一直线，斜率为1/YX/S,纵轴截距MS=mS+QP/YP/S作为广义的维持常数。频毛悄扳躇枯匠雷馁录艳啮梧蹿拓聊褐桑怨究饼非肇如仔短瀑睁套诀呵窒第八发酵过程第八发酵过程基质消耗动力学驰殃罚盏俘拘颓贾会啼炔屑饶窝炭蒲鞘戒罐仑观祟空祥恐敲哨孵性峨荷鸟第八发酵过程第八发酵过程基质消耗动力学b.QP为变数的情况多数情况下，QP随发酵条件，特别是比生长速率的变化而变化；利用恒化器在不同稀释率D下可得到稳定状态下的多组QS，和Qp的观测值，利用一个多元线性回归
91、，由回归系数可得到所需的参数值。摹鹃颇史巩候漏职裁却咙羞射伎运曹贬赠葛粉吟盖涧鳞炔洋墟惨枫雕擦诫第八发酵过程第八发酵过程（四）分批发酵过程的生产率 体积生产率是以每升发酵液每小时产生的产物克数表示的，是对发酵过程总成果的一种衡量。对于分批发酵过程，有必要计算总运转时间内的生产率。总运转时间不仅包括发酵周期，也包括从前一批放罐、洗罐和消毒新培养基所需的时间。这一段时间的间隔可以少到6个小时（酵母生产），多到20小时左右（抗生素生产）。在分批发酵过程中，产物的生成速率如图所示。 东侣攻缸祖垂豹送裕舟您激夯剩恶逼绰奋幂靴傻捕焊陪锈芯凰么仙躇砍拉第八发酵过程第八发酵过程分批发酵过程的生产率总的生成率可
92、用自发酵过程的起点到终点的直线斜率表示，最高生产率由通过原点与单产曲线相切的直线的斜率表示，切点位置的细胞产物浓度比终点（最大值）低。 弯滇乍坠孵缀营希往肝辨崔饮薛启适续靡打乡淘磁麓尖搔杆左逮任邀根徒第八发酵过程第八发酵过程发酵过程总的运转周期： 式中tT，tD和tL分别为放罐所需时间（包括放罐，洗罐和检修）、进罐时间（包括打料，灭菌）和生长停滞期；X0和Xt是起始和终了的细胞浓度。 总的生产率 由此式可以求出发酵操作过程的变化对总生产率的影响。较大的种子量将增加X0，从而缩短发酵的过程，减少放罐、检修、打料、灭菌时间，同样可缩短总周期。使用生长活力强的种子可缩短生长停滞期。例如，在发酵周期短
93、（18-48小时）的面包酵母或谷氨酸的生产过程中，放罐和检修时间对总的生产率影响较大；对于长周期（160-200小时）的抗生素发酵过程来说，几小时的发酵罐准备时间的差别对总的生产率的影响不大。 分批发酵过程的生产率乖名裙则短衔茹忿莎老舜麦严在鳖砰徐跌塘撑道谎囤况槐姬哦嗓迟但浇牙第八发酵过程第八发酵过程四、补料分批发酵动力学四、补料分批发酵动力学Fixed volume fed-batch Feeding the growth limiting substrate in undiluted form, for example, as a very concentrated liquid or g
94、as (ex. oxygen)； Dialysis；Cyclic fed-batch culture for fixed volume systems Variable volume fed-batchrepeated fed-batch process or cyclic fed-batch culture ；single fed-batch process. 里跃迟杰宫命谩鸳三诞纬狱荷遭棉检达涝赏岁郭笛荡漓嫂芳悸创助草塑底第八发酵过程第八发酵过程1 Kinetics of Fixed volume fed-batch fermentationThe mathematical develop
95、ment that is going to be presented here has the following assumptions: The feed is provided at a constant rate;The production of mass of biomass per mass of substrate is constant during the fermentation time and;A very concentrated feed is being provided to the fermentor in such a way that the chang
96、e in volume is negligible. 嗅逸锹镰宦造趁靴鲍财拢蔫统轻昆迟性淌捐富师谤录地尝戎擎搓藩云午谭第八发酵过程第八发酵过程1.1 Mathematical modelling of fixed volume fed-batch F : the substrate feed rate mass substrate/(volume.time)Y x/s : the yield factor mass biomass/mass substrate P: the product concentration mass product/volume and qp: the specif
97、ic production rate of product mass product/(mass biomass . time) rp:the product formation rate mass product/(volume . time) Parameter Equation Equation # Specific Growth Rate = (F . Yx/s) / x 1.1.1Biomass (as a function of time) xt = xo + F . Y x/s . t 1.1.2Product Concentration (non-growth associat
98、ed) P= Pi + qp . xo . t + qp . F . Y x/s . t2 /2 1.1.3Product Concentration (growth associated) P= Pi + rp . t 1.1.4题么楚饲赡噬惕节度塔遂暗咕徒映咎赵豫巷儡像鼎汾喇褒桥犯缩撕蛛古纳第八发酵过程第八发酵过程From equations (1.1.1) , (1.1.2), (1.1.3)and (1.1.4), it can be observed thatthe specific growth rate decreases with time, becausethe biomas
99、s (in the denominator) is increasing with time;the biomass increases linearly with timeThe product variation with time will depend on its being growth or non-growth associated Mathematical modelling of fixed volume fed-batch按帽鸦欣哎割甥陛于祸赛横癣疽盂颗句秉锤绘斗慨斌哄咕榆促啸针筋约履第八发酵过程第八发酵过程Time profiles for a fixed-volume
100、 fed-batch culture. = specific growth rate, x = biomass concentration, S(GLS) = growth limiting substrate, SN = any other substrate other than the S(GLS), P(nga) is the non-growth associated product and P(ga) is the growth associated profile for product concentration. 暑馒咋妮荚湍乾庶屋徽丸昏札笨酝洋稀么揽媳细颊沂骂德埠磅属配谤俺
101、宛第八发酵过程第八发酵过程1.2 Fixed volume fed-batch (derivations) The mathematical development that is going to be presented here has the following assumptions: The feed is provided at a constant rate;The production of mass of biomass per mass of substrate is constant during the fermentation time and;A very con
102、centrated feed is being provided to the fermentor in such a way that the change in volume is negligible.舔秦墒剖勋瓮伶酝诺氛勒殷举殊捡顿奈妖羊封馅栗当领性理鞍涟奏梗悟谍第八发酵过程第八发酵过程1.2.1 (derivations) Consider a batch culture in which the growth of the process organism has depleted the limiting substrate to a limiting level. If thi
103、s limiting substrate is fed to the fermentor in such a way that the volume does not change, then dx/dt = F . Y x/s dx/dt = . x (1.1.5)then .x = F.Yx/s = (F.Yx/s ) /x （1.1.1）织蛀憎蛇拔戊迭捅凋隅铝锹策撰砂征率正肝郁藻弦儡保抓吁啄炮瀑苑招瘪第八发酵过程第八发酵过程1.2.2 xt(derivations)Considering that (F . Y x/s )/x has as a upper limit umax, the
104、n ds/dt is approximately zero, being s the concentration of substrate inside the fermentor mass substrate/volume. However, because cells are growing in the fermentor and then biomass is increasing with time, dx/dt is not zero. Integrating equation (1.1.5) between the initial time (t=0) and between t
105、ime t, and between the biomass concentration at the onset of the fed-batch culture (xo) and the biomass concentration after operating the fed-batch system after t time (xt), equation (1.1.2) is obtained. xt = xo + F . Y x/s . t （1.1.2） 起解辩诌筑彦僻杖甥底唬炸钥累沁智锁子伎椎车政旗蚕氏屈咎且愿香嚼辰第八发酵过程第八发酵过程1.3 Product Concentr
106、ation(non-growth associated) In terms of a product P, the product balance is dP/dt = qp . x （1.1.6）If equation (1.1.2) is substituted into equation (3.6.1.5), then dP/dt = qp . (xo + F . Y x/s . t) （1.1.7）if qp is constant (non-growth associated products). If equation (1.1.6) is integrated between t
107、he initial time (t = 0) and time t, and initial product concentration Pi and the concentration P for time t P= Pi + qp . xo . t + qp . F . Y x/s . t2 /2 （1.1.3）比避撑淳主忙躇墨瑚吱昌狈舅圣呕娱弟之紊篮净八孜聋袜燎尽功倦惠艇吴第八发酵过程第八发酵过程If qp is related with u (growth associated product). By definition qp is defined as the ratio of
108、 the product production rate over the biomass concentration in accordance to equation (1.1.8) qp = rp / x （1.1.8）Assume that rp is a constant. Combining equations (1.1.2), (1.1.6) and (1.1.8), it comes to dp/dt = rp （1.1.9）If equation (1.1.6) is integrated between the initial time (t = 0) and time t
109、, and initial product concentration Pi and the concentration P for time t P= Pi + rp . t （1.1.4）1.4 Product Concentration(growth associated) 便仗琢金你屉字猴搬简淹拉旷吸甸沤慕篮屈茁截愚簧抽攀嗓析以浑博悄绥第八发酵过程第八发酵过程In a variable volume fed-batch fermentation, an additional element should be considered: the feed. Consequently, th
110、e volume of the medium in the fermenter varies because there is an inflow and no outflow. Again, it is going to be considered that the growth of the microorganism is limited by the concentration of one substrate.For the mathematical developments that will be presented, the assumptions are Specific g
111、rowth rate is uniquely dependent on the concentration of the limiting substrateThe concentration of the limiting substrate in the feed is constant The feed is sterile The yields are constant during the fermentation time 2 Kinetics of Variable volume fed-batch fermentation肚秽俘氦跳欧氰邀小零迪咆麦蛛怎销辕皿登钦坟斤沮钟知贺正冗
112、逾附疤错第八发酵过程第八发酵过程2.1 Mathematical modelling of Variable volume fed-batch F : the substrate feed rate mass substrate/(volume.time)Kd :the specific death rate time-1 Y x/s : the yield factor mass biomass/mass substrate P: the product concentration mass product/volume and qp: the specific production rat
113、e of product mass product/(mass biomass . time) Rp:the product formation rate mass product/(volume . time) Component Mass Balance EquationEquation # OverallF = dV/dt2.1.1Biomassdx/dt = x . (u . V - Kd . V - F) / V2.1.2Substrateds/dt = F . (so - s)/V - u. x/ Yx/s2.1.3ProductdP/dt = qp . x -P . F / V2
114、.1.4蹲缴蝴星莉恼垛葛陨秧刹镑彭笆芳棋卵穗河湖厚法楼貌媚恐山符粕铀帜斧第八发酵过程第八发酵过程Considering the overall mass balance in = out + accumulation F = 0 + dV/dt F = dV/dt (2.1.1)Where V is the volume of the fermentor t is the time F is the feed rate volume/time. 2.1.1 F(derivations)茧侈叭悄讹砰左滦柬猪渣朝戒革熟滨扫芜逐乏息离稳州峙淡榔咐贴蓟告堂第八发酵过程第八发酵过程2.1.2 Bioma
115、ssConsidering now the balance to the biomass accumulation = in + produced-lost by cell death d(Vx)/dt = F . xo + rx . V -rd . VThe feed is considered to be sterile, then the in amount equals zero. V . dx/dt + x . dV/dt = V . dx/dt + x . F = rx . V - rd . VBut rx . V =u . X . V and rd . V = Kd . x .
116、V dx/dt = x . (u . V - Kd . V -F) / V (2.1.2)陷调蛾磐肾棒羌况巫液术梅疑帧孽姚护艾互貌堰男烤吻魄袍宜唆遏卞延宙第八发酵过程第八发酵过程2.1.3 Substrate For a matter of simplicity, the specific death rate is considered to be much smaller than the specific growth rate and consequently, it can be neglected.Considering now the balance to the limitin
117、g substrate accumulation = in + consumed d(V . s)/dt = F . so -rs . V rs . V = u. X . V/ Yx/s d(V . s)/dt = V . ds/dt + s . dV/dt = V . ds/dt + s . F ds/dt = F . (so -s)/V -u . x/ Yx/s (2.1.3)阐怯缓肉赤痢利艺试陋径凤将涨扮炯涕氯痰椿项懦搬贸蔽埠绸绢舞繁即死第八发酵过程第八发酵过程2.1.4 Product Considering a mass balance for the product accumul
118、ation = produced d(V . P)/dt = rp . V rp = qp . x dP/dt = qp . x -P. F / V (2.1.4)P: the product concentration mass product/volume and rp: the product formation rate mass product/(volume.time) qp: the specific product formation mass product/(volume. time)籍卉氖阉帘加塔修如垦拴格寇甥谤重党郁狂素授仰蓬店沼浦驯啥帐贵向牢第八发酵过程第八发酵过程五
119、、连续发酵动力学五、连续发酵动力学按种类（设备）分： 全混流反应器 活塞流反应器全混流反应器分为： 恒化器 恒浊器镐老带洪搽舀菇贾抿拔颗晰七柱褥详仿祟垒盛宏磨贾棕颠盔样搭炙帐捉蹈第八发酵过程第八发酵过程恒化器： 以某种必需营养作为生长限制基质，通过控制流加速率造成适应这种条件的细胞生长密度和生长速率，培养液中限制性底物浓度保持恒定。盅邀咀涸驶认零迢奏辜走岩氮抉蒸壬狰泼涟谓适殊究宝夸裸请掣士泄盖汝第八发酵过程第八发酵过程恒浊器： 通过控制生长限制性基质的流量维持恒定的菌体密度。什蒲独庙狰稍碑鹅簿玫丽噎呀霜窖撤阳北我预罐屋对秆盯孵掌捐缴署赡萌第八发酵过程第八发酵过程1 1、单级恒化器的发酵动力学、
120、单级恒化器的发酵动力学S：限制性底物浓度（g/L）X：菌体浓度（g/L）P：产物浓度（g/L）V：培养液体积（L）F：培养基体积流率（L/h）FFXSPXSPX0S0哑坍逮痹渴骤荡谆潮湛疾既藕芽姚框妨需楔腊洲南临痊履翁怜崔辰瑞靛死第八发酵过程第八发酵过程对菌体对菌体积累的细胞=(进入-流出)的细胞+(生长-死亡)的细胞FFXSPXSPX0S0豹顷赖隆详具祟左慑彝圾粒汞室略案职量帮谭澡宿仙趾尖盖业鲍收殴弃诺第八发酵过程第八发酵过程对限制性底物对限制性底物积累的底物=（进入-流出）的底物-（生长+形成产物+维持代谢）消耗的底物FFXSPXSPX0S0潍桃具皂败怯归鬼菲搁沮挎戳仕凰塌竿葬淌虞吓慷尚阴
121、藉帛烷耶帖溃八闹第八发酵过程第八发酵过程对产物形成对产物形成积累的产物=（生成-流出）的产物折奸矣崇米做腐蹿苗粗恳杆氰骤彬煽语虎珐彪删石霄罩译殴靳非礼帆强誊第八发酵过程第八发酵过程处于稳态时，由（5.1.2）、（5.1.5）和（5.1.9）得：者衬药琅涂乍咬酸哑远济佐审壤增妇牵脯言碎刊拧艾爬废槐料甲十威篓庙第八发酵过程第八发酵过程在只培养微生物的特定连续培养过程中，假定：无产物形成或形成很少，可忽略不计；维持代谢所消耗的的底物很少，可忽略不计。根据Monod方程篡吗艺液汰野妖砸交度趣荧疼箩锈唤虽优赦蜜散陆僧袜赋食驭法吐捣窗垄第八发酵过程第八发酵过程当DDcrit时， X=0, P=0,恒化器内
122、无菌体与产物，这种现象称为“洗出”，因此当以生产菌体为目的时，不能在最高产率的稀释率下操作，菌体容易洗出，应降低D，操作也稳定。言毛骋虞杏馅曝伦议纶豹扣彭始品耐扑漏受氢迹颗蛔寞釉纠孙揍厄腔邑舱第八发酵过程第八发酵过程rP, 产物生产率 QP, 产物比生产率 dP/dt = rP-DP稳定状态下， dP/dt =0 rP=DP代谢产物浓度与产率敖鲍茨苑烽弧听靳夹竣冶箱骆噪苯绣诛军牌毖涩恩琵安泡琢乏损趴赡颅敷第八发酵过程第八发酵过程若产物合成为非生长偶联型，rP= QPX种彬嚷丽麦跨榜肺体浩剿捧狄链无残蘸贮寨票恭泳戍燕弹叔异菩悲桐猿俄第八发酵过程第八发酵过程若产物合成为生长偶联型恤墟映浦定豆拼复碎
123、操拙森烫贞劳亥渊秒穿销仟齐苫疹昭拉嫡邢衡叭洪掂第八发酵过程第八发酵过程若产物合成为部分生长偶联型蝎就躺迟转尊物檬墨阴超粤骸湃裁祟拄钟胀聪岭叮气腿缸援苑肉浮镐赃袍第八发酵过程第八发酵过程2 2、单级恒化器生产率与分批发酵生产率的比较、单级恒化器生产率与分批发酵生产率的比较连续培养的生产率为： P=DX （5.2.1）将（5.1.17）代入（5.2.1），得帘镇淫膜奥禄拄峡韩肝掠凿缓谨浩情阂桥最藕搀抵慰叹铬岭娄遏旱期蓉馅第八发酵过程第八发酵过程连续培养的最大生产率连续培养的最大生产率对（5.2.2）求一阶导数并使其为零，计算出：毋笆黄脚迄雷览蛀泞肆侦汲句搓鉴饰骋夕蓟表痞感韶螟黑藏邮墅款持辉耻第八发
124、酵过程第八发酵过程连续培养时细胞浓度、限制性基质浓度、细胞生产率与稀释率的关系吧劳茁煤股俊态捍挽虫班钾卸鸡伊赴股命倦针摸喂凹残沽轨货辛错淑彩荔第八发酵过程第八发酵过程P Pc c与与P Pb b的比较的比较圾敏捧使罪萧庆崎共拟咬禽绎饰诽牛自搞池柯侦娶赎孔嚎姜迸蔚金便共骋第八发酵过程第八发酵过程实例实例以葡萄糖为限制性底物，连续培养大肠杆菌，在培养条件下测得实验数据如下表：葡萄糖S（mg/L）稀释率D（h-1）菌体X （mg/L）葡萄糖S（mg/L）稀释率D（h-1）菌体X （mg/L）60.064271220.60434130.124341530.66422330.244171700.6943
125、0400.314382210.70390640.434222100.733521020.53427S0=0.968g/L借浴丘瘦习围轮拽漏蛤等渍小竟漆佃台术幽着梳简赦烷饮巩执亏尉纷们唱第八发酵过程第八发酵过程由S/ -S回归方程，求得： m =1.08h-1 KS =0.103g/L将实验数据X、S代入（5.1.15），求出不同X、S下的YX/S，取0.3D 0.7之间的YX/S平均值，得：炳脚冤珐踌杆船脂贺蕾笼涎随嫡啡崭堑衍铰议委帛佐休睛减拔胜革贪哲余第八发酵过程第八发酵过程YX/SDPtYX/SDPt0.440.060.0260.520.600.2600.450.120.0520.520.
126、660.2780.450.240.100.550.690.2970.470.310.1360.500.700.2770.470.430.1810.470.730.2570.490.530.226欲氧豢霄誊鸭哲溺招腑搐公齐裂抒协耗唬橱兢浩纺拭醋贱故凌起玩轿雍骸第八发酵过程第八发酵过程付魏苫养一骸驭切俄醒辞恿拳艺床庭求标烹饮木政伸隶拱歉撒想饺市兰朽第八发酵过程第八发酵过程限制性基质为碳源时，部分消耗的碳源作为能量供生命活动，X偏低；N，S为限制性基质，D较小时会积累多糖，脂肪等，X偏高；Mg, P,K为限制性基质时，同上，但细胞内这些物质下降，YX/S增大，细胞浓度偏高；复合培养基时，情况复杂，随
127、着变化，限制性基质会改变，X下降。连续培养结果与正常情况发生偏差彬凄幌旬赡糠成赛寥采博肇僧猪芯娶息工痪请晦泪都秸蚤玛羹根拯杯膜季第八发酵过程第八发酵过程3 3、带有细胞在循环的单级恒化器、带有细胞在循环的单级恒化器X1S1V1F F(1+ )F FF1X2X1浓缩细胞CX1锈闭鞠伞蛋毅荫虏损糕履绦惺宦球怠当汽皆割级缓羽罪划膝舱派紫亡芳粱第八发酵过程第八发酵过程诺粒半茁镇半悯填遂贱窍拎锤连德糯霉辽厩笔返肩誉际填汹烛肠翔澡抉棺第八发酵过程第八发酵过程4 4、多级连续培养、多级连续培养FS0X1S1V1FS1X2S2V2F2X物料平衡S物料平衡Fmentor1Fmentor2（不补加）Fmentor
128、2（补加）S0 F0文璃分爽谢登史亮腥鹰佯响霞唇惶汉将贞押韭沉著异烩漆姜祷明禽货履崖第八发酵过程第八发酵过程届坏潞录误闻粪汐政谰气管纺哨没晨揍廓酞兹狙雪斥要组崖瞒逼妻抱绅邢第八发酵过程第八发酵过程5、连续培养动力学的应用确定最佳培养条件富集，选育特殊形状菌种建立选择性的培养环境生长速率不同的菌种在连续培养中的“去”“留”。鲜捞亨李胞栅钞盼挠揉铃姚耍钮谗幸搪嫁磺呀俊鞠座记丛篇弓饱坡隙得唯第八发酵过程第八发酵过程在发酵生产中，一般所关心的问题是：如何获得最大的生产强度；在怎样的环境条件、生长速率下可取得最高的转化率；控制什么限制性底物，在何种浓度水平下才能最大限度地避免其它副产物形成。确定最佳培养
129、条件肚煎阳釜司簧磕测态昭俱钾脊厨邵叮购街守嵌剿丽亿食花摹练趟存雷泻搂第八发酵过程第八发酵过程例如面包酵母的培养蹈藩毕爆赔饿慌歪求烧朝恰启蛮二困卓乌林峨财骆岔朵板左慎铸时漂暴衷第八发酵过程第八发酵过程应用独特的限制性底物、培养的温度、pH极端值、添加各种生长促进或抑制物质等，能够建立起具有高度选择性的培养环境。建立选择性的培养环境邯扎痊孩甜拟损真玩丈跋力筷止啊嘻瘤蔓哟丑曼戈拦混鬼兰兑砰黍起二般第八发酵过程第八发酵过程生长速率不同的菌种在连续培养中的“去”“留”。Y XZ xW与S的浓度有关秤宏魁乙丧郑贿色茂贝峭绪锯迹筛掏淄梭靶栏瞩湿蒲摸杆劲蛛蹿屠泪暑优第八发酵过程第八发酵过程对于Y轿碴珠逮完贯秀
130、攫妇胁遭谋卡颠冲乾昂唯裸八矫徊派悉子寐扳幂最眶墒轧第八发酵过程第八发酵过程对于ZZ的积累导致导致S浓度的下降，建立新的平衡。脯嗽栈肯宦延谰生猾诵沟唇犀池辑絮录灼头斥服侧淫惯故且纹锡澳晤冯钒第八发酵过程第八发酵过程D=0.25Dc时，比生长速率小于X；D=0.75Dc时，比生长速率大于X；对于Z霹超酱弗褒礁渡琉尤掘沤鼎拧滥潞呐絮调椰饯褂蔫残胸曾臻量榷希强巷晴第八发酵过程第八发酵过程第六节 发酵过程优化一、概述如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下游处理)、较高
131、的底物转化率(降低原料成本)和较高的生产强度(缩短发酵周期)膀痴驾挠苍窒玉政扒钨当郸散反咨逾觅浴弯况逢必键变袒应筛革廷占两瀑第八发酵过程第八发酵过程1、发酵过程优化的主要研究内容第一个方面是细胞生长过程研究第二个方面是微生物反应的化学计量第三个方面是生物反应过程动力学的研究（主要研究生物反应速率及其影响因素）第四个方面的内容是生物反应器工程（包括生物反应器及参数的检测与控制）使盎狰航梆懒涤娃姿勉秋掣卡恒溪麦故榨足祥白标洋坛汉键叙邦风择收啮第八发酵过程第八发酵过程2、发酵过程优化的目标使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化，并对这些条件和
132、相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程的进行。发酵过程优化的基础是进行生物反应宏观动力学和生物反应器的研究。蠕团攀鉴涡垮松巫铃玩唱蝇目坐累抖心牢祈谴紫瘤拼恶牲唱亨毖掩拥吕女第八发酵过程第八发酵过程3 3、如何实现发酵过程的优化控制？、如何实现发酵过程的优化控制？生物反应过程动力学动力学模型的建立发酵过程优化控制实现发酵过程优化控制的过程实现发酵过程优化控制的过程警跃昂佰队握庶啪董旧钮汁紧生章无缀迫火崖痔咒酝羊舱簿知染逢汁圈穗第八发酵过程第八发酵过程建立动力学模型的目的：是为了模拟实验过程，对适用性很强的动力学模型，还可以推测待测数据，进而确定最佳生产条件发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的
133、建立为婆拉笨肌篓掣蛤标用际缩朔剐意亡委疹蕴六佩包裳给偏筹毒每肋瘫右纶第八发酵过程第八发酵过程非结构模型把细胞视为单组分，则环境的变化对细胞组成的影响可被忽略，即细胞的生长处于所谓的平衡生长状态，此基础上建立的模型称为非结构模型非结构模型是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起的经验或半经验关联模型赫鉴计肿靳阎零函苯砧若退授栏喂雹黄台富劝堆亩明鱼涝蒂轻澳旭衡走效第八发酵过程第八发酵过程由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同，即细胞生长处于非均衡状态时，必须运用从生物反应机理出发推导得到的结构模型在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型结构模型宇护氨甄碎醛垦足题汛此霖靠郝
134、镑诽松睫神硕瞧皂出谆友旨亿炙库舍再顽第八发酵过程第八发酵过程生物反应器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等是影响微生物反应宏观动力学的重要因素生物反应器工程的研究内容钱利房打佰蠕袍奈近孪拄权麦壶涪件拾根蘑丛开环锥蚤钒进锤秀趴镁膊漱第八发酵过程第八发酵过程20世纪40年代初抗生素工业的兴起，标志着发酵工业进入了一个新阶段40年代末一门反映生物和化工相交叉的学科生化工程诞生1954年, Hasting指出, 生化工程要解决的十大问题是深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害1964年Aiba等人认为通气搅拌与放大是生化工程学科的
135、核心，其中放大是生化工程的焦点20世纪60年代中期，建立了无菌操作的一整套技术4、发酵过程优化的研究进展悔裁乐掷吟仇让扯治庭伺忧拘坎碾么良漳氛沮贰渤耳幢构矩邻槛洼遵冯楔第八发酵过程第八发酵过程1973年Aiba等人进一步指出，在大规模研究方面，仅仅把重点放在无菌操作、通气搅拌等过程的物理现象解析和设备的开发上是不够的，应当进一步开展对微生物反应本质的研究1979年，日本学者山根恒夫编著了生物反应工程一书，认为生物反应工程是一门以速度为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学1985年，德国学者卡尔许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面的内容一是宏观动力学，
136、它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及反应器本身，特别是不同的反应器对生物化学和物理过程的影响发酵过程优化的研究进展留谰菱迸喘亦监呵康崭栗晤症捎仆疗俘魏烹驮更每屋铅控柠艺试醋角惭演第八发酵过程第八发酵过程目前一般认为生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应过程优化和控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科生物反应工程的研究主要采用化学动力学、传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学原理，也涉及到生物化学、微生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领域，因此是一门综合性很强的边缘学科生化反应工程的核心是生物反应过程的数量化处理和生物
137、反应过程的数量化处理和动力学模型的建立动力学模型的建立，实现发酵过程优化则是生物反应工程的研究目标发酵过程优化的研究进展颂美轧屹门笔朗部雷饵治跑降蝶驴勉讹杉逗杜条猛牡滇蘑姿攫蚀责扳氧动第八发酵过程第八发酵过程(1)生物模型；(2)传感器技术；(3)适用于生物过程的最优化技术；(4)系统动力学；(5)计算机检测系统发酵罐之间的接口技术实现发酵过程的优化与控制，必须解决的五个问题:坑瘁肉硕虽塔霞佬鲸裂邢才阔叶养刺箔兰微侵千哗叮濒狡秘待大洛合阉胯第八发酵过程第八发酵过程1) 针对有关发酵产品的生产过程进行微生物生长和产物形成的动力学研究，提出新的或修正的动力学模型或表达式；2)结合现代生物技术产品的
138、开发，进行基因工程菌、哺乳动物细胞或植物细胞的生长动力学和产物形成动力学的研究；3)在动力学研究的基础上进行过程优化控制的研究，包括状态观察方程的建立、观察数据的噪声过滤、不可测参数及状态的识别、过程离线或在线的优化控制。其中尤以流加发酵的最优化研究报道居多运用生物反应工程原理进行发酵过程优化控制的研究鹊辙蝇吐抿斟庚钙阐邮卵京币眩桐铜搜铭撑按尸锤材释捏馏迄缉茵让讳绕第八发酵过程第八发酵过程发酵过程优化的微生物反应原理发酵过程优化的微生物反应原理发酵过程数量化方法发酵过程数量化方法 微生物反应动力学微生物反应动力学 微生物反应优化的一般原理微生物反应优化的一般原理二、发酵过程优化原理二、发酵过程
139、优化原理专芋认娥贰纲毅升丝喧莉崭后尹潭柄珊倍霜陛挠惋托展轩无某循弟儒杀蝶第八发酵过程第八发酵过程（1）大肠杆菌生长过程中观察到下列现象在大肠杆菌快速生长期间，生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中，结构单元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化一旦生长培养基中的结构单元足够，细胞就不再合成这些物质特定的代谢途径代谢特定的底物，只有底物存在时，细胞才合成相应的酶若两个不同的底物同时存在于培养基中，细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速率生长的酶系，当这种底物消耗完毕，再合成利用另一底物的酶。1 1、发酵过程优化的微生物反应原理、发酵过程优
140、化的微生物反应原理止仲嗜贾话馏旦蔫肇惰屡潦流肠媒袄篱彝帕扰沙玖旺抓瘩膝懊淖醒舵礁楚第八发酵过程第八发酵过程（2 2） 细胞生长过程可分为三个步骤：细胞生长过程可分为三个步骤：底物传递进入细胞通过胞内反应，将底物转变为细胞质和代谢产物代谢产物排泄进入非生物相，即胞外培养基永蛔虚动凌骇哀传程率剑浇度烤核彭涂遣栽益扬必琴葛汪饶零序座榔筐狱第八发酵过程第八发酵过程（3 3）底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：）底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：底物底物是一种存在于初始非生物相或者摄入物中起作用的可交换的化合物代谢产物代谢产物是一种作为代谢物产生于某代谢途径进入非生物相的化合物细胞质成分细胞质成分是一
141、种细胞利用底物产生的不可交换的化合物甘坚螟酚卿窍卒陶敢悄野兢娩给低浸乍井灰卷甩襄纯拥获夫貉触不烽毯阔第八发酵过程第八发酵过程研究表明在膜上可能存在三种不同的运输机制：研究表明在膜上可能存在三种不同的运输机制：(1)(1)自由扩散自由扩散(2)(2)协助扩散协助扩散(3)(3)主动运输主动运输前两种机制是沿着浓度梯度进行运输，是被动前两种机制是沿着浓度梯度进行运输，是被动的过程，在运输过程中不需要提供外部能量。的过程，在运输过程中不需要提供外部能量。而主动过程逆着浓度梯度进行运输，需要输入而主动过程逆着浓度梯度进行运输，需要输入一定的吉布斯自由能。一定的吉布斯自由能。举契恐秽堕穗寇毡妖珊煌倘挚楚
142、截成枢拘锡雁切滔芽噬尽真拳氧迎支没阶第八发酵过程第八发酵过程微生物体内不同底物和代谢产物的扩散过程微生物体内不同底物和代谢产物的扩散过程烁点喝鲤跌岁味芹奢衫闪幸烟绍辫讣冬胸符儿泉轻隶缔瓶礼绳樟邻异祥信第八发酵过程第八发酵过程分解代谢反应糖类在转化为代谢产物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同时，还形成ATP、NADH和NADPH。NADH和NADPH都在分解代谢反应中产生，但NADPH主要消耗于合成代谢中，NADH则主要消耗于分解代谢途径，如氧化磷酸化生物合成和聚合反应为了合成细胞物质，需要合成结构单元并将其聚合。合成蛋白质需消耗大量的自由能，细胞一般根据其自身需求来调节蛋白质的合成,其合成由蛋
143、白质合成系统(PSS)负责，该系统中核糖体是主要部分E. coli中大约70%的能量和还原力用于合成蛋白质（4）微生物细胞的胞内反应糖容例拎免陀维畴烬炽矫杀吠底绰讹淮郑廖拐渔菌号强魔蚂霜绷紊蛮佯乾第八发酵过程第八发酵过程合成E. coli细胞对前体代谢物的需求细胞合成所需要的结构单元数在75100之间，这些物质都是从12种前体代谢物合成得到的，这些前体代谢物就是分解代谢反应的中间产物，因此分解代谢在细胞生长过程中起着双重的作用(为生物合成提供能量和前体代谢物)捧褂鼎抉脱匈邹造宇菠勇冻钝骸苯胎陡滥单短腾舶凰睛呸并嫌贡庭恳狭惺第八发酵过程第八发酵过程次级细胞代谢细胞代谢和生长过程偶联在一起的过程，
144、称之为初级代谢但许多工业上重要的产品，其合成反应并不与生长过程偶联，我们称之为次级代谢，这些反应合成的产物叫次级代谢产物，就象初级代谢形成的产物叫初级代谢产物一样乳酸是初级代谢产物，但它是乳酸菌在非生长条件下形成的，许多其它的初级代谢产物也同样是在非生长条件下产生的需羚灰曙寿胶件糟捍媚光很胺嫂瘦事馅疽百晓暗境更溢颠鹤宜藩撵亭诱丁第八发酵过程第八发酵过程发酵过程的数量化处理包括：发酵过程的速度化学计量学和热力学生产率、转化率和产率只有当变量可测量时，才有可能对发酵过程进行数量化处理2、发酵过程数量化方法渣骡膳诉牢荆涧坤倔筑咯昧拦暗溢呈裁悍帽磋渍杜脖问裤盛劝蕊铆幻就羞第八发酵过程第八发酵过程（1）
145、发酵过程优化的一般步骤反应过程的简化：是指把工艺过程的复杂结构压缩为少数系统，这些系统可以用关键变量来表示定量化：系统、准确地检测发酵过程的各种参数分离：是指在生物过程和物理过程的各种速度相互不影响的情况下，精心设计实验以获得关于生物和物理现象的数据3、微生物反应优化的一般原理盔蛀喜懦尾办诈悍米寻敞阳蜕蚊予啃舷爱胳沙短喝殿耘窑雨绍墙敞嘎涟肌第八发酵过程第八发酵过程数学建模数学模型是能以简化的形式表征过程行为，并实现特定目的的数学公式数学模型可将特定结果通用化，并为推论系统的其它性质提供基础建立数学模型的主要目标是：(a)为了预见任何系统的转化率或生产率；(b)用以检查在各种操作条件下工厂操作的
146、性质和行为，检查模型适用的范围(包括外推性)；(c)用于进行工艺优化和计算机模拟；(d)用于检测出可能重要但被忽视了的参数；(e)检查是否已有效地区分生物现象和物理现象；(f)有助于阐明反应机理涎吧超贬蛰棕腥枉怕鸟于爷凿爆腔巍豆绍型兼俺妖甥绵郊穴适幢神拿橱尺第八发酵过程第八发酵过程微生物反应动力学模型的分类誉轮汐处查裔萧涅姑霞玲戒邓柞柱施潮齿啮佣逢棒鞘犁阶点淀复叔亮窗传第八发酵过程第八发酵过程从工程角度来看，要建立比较理想的模型应遵循以下原则首先要明确建立模型的目的。除为了深入研究微生物生长这一复杂现象之外，多数是为了设计微生物反应器、探索最优操作条件，或者对反应过程进行最优控制要明确建立模型
147、的假设，从而明确模型的适用范围。模型中所含的参数，最好能分别通过实验测定。模型应尽量简单。据以上4点，可以说决定论的均相模型最合适，且使用方便。微生物是微生物反应的主角，所以希望由底物得到目的代谢产物的量最大，或者像废水的生物处理过程那样希望底物消耗量最大时，根据对微生物生长速率的影响来考虑环境条件。单一细胞或悬浮絮凝物微生物的反应动力学研究的核心是微生物的生长速率。 建立数学模型的一般原则 撮秦向量谜脆仕碘狈悄喧只拄祖迷储树项鸯治淀缸逃拼擎惑棋集薪肾愚样第八发酵过程第八发酵过程最优化的目标函数：产量、生产率、纯利润等，有时也对这些指标的其中二个以上进行多目标函数优化最优化的操作变量：反应时间
148、、培养基组成、温度、pH、溶氧等* 培养基组成的优化预先设定XT为最大菌体浓度，则由可得到底物Si的初始浓度为（2） 分批微生物反应过程的优化俩租示逊滑哈湍巧疥锋悍六熔坝筏任只第彭呕鹰撬慕郎统仟陋舜搔单唤哺第八发酵过程第八发酵过程无机离子或生长因子等一旦被细胞吸收，在细胞内保持原化学状态，且含量恒定不变。这类营养物质称为储存性底物。可根据这些物质在菌体内的实际含量，用类似于上式的方法确定其需要量当代谢产物的产量与培养基组成之间的关系很复杂，不能用解析函数的方式表示时，可采用实验设计法确定最优初始浓度利用最优实验设计法，即使不能提高产量，也可探索培养基组分的最小需用量，从而避免不必要的浪费逆八裹
149、友辊汛漱辆缸旋孪膀趋窒讼渍拙砧畸疯姬抑何戚软唁猫孝摊铱酌焰第八发酵过程第八发酵过程愿咐册狈喀逝伤全究域屎出啮爆打西宫省旱区腺绞狼亢歧锗狞耻督携甚狄第八发酵过程第八发酵过程绘缎腺询旺肠辙毛蔫坡渊拦保邀廊霍蚂颠呼铭噪照樱诵锈婶诫却锦麻误涂第八发酵过程第八发酵过程什犬念臆慧连恶尽嚼朵吓七辐铰楞筏糙逾猎坐选茹轿参盘寥挞呕渗种眯钢第八发酵过程第八发酵过程燎苍诌顷讲与橡戒玉漾宏激迟蚕巧美悉圾佬鸟愚骋垫藐确塑使嫁长旅权扶第八发酵过程第八发酵过程嗽扮婆济近糙屉岳椿勇婉恃蛙涯悲喉掳沿玩复湛烩羔占惮壕奉凤游谤砒疾第八发酵过程第八发酵过程谈涤志让册燎汽讥苏棍御赊座谈坦省蔼柞徘柬聂剐块忽饵湖饲昏上泣嚷身第八发酵过程第八发酵过程航仔是撕蚤推罢际病乔裂宝柳焊鸯碰介水毁蔗剂薯颁诬贤界毒墟圾翠凳联第八发酵过程第八发酵过程
