页数：112页文件大小：2.21 MB来源： 生物工艺学ppt课件
本课件围绕发酵过程的代谢变化与控制参数展开，逐一分析温度、pH 值、溶解氧、菌体浓度与基质对发酵的影响及调控手段，并涵盖二氧化碳与呼吸商、补料控制与泡沫消除。
第六章 生物工艺过程控制
发酵过程中的代谢变化与控制参数：
对于产物形成而言，代谢变化就是反映发酵过程中的菌体生长、发酵参数的变化和产物形成速率三者之间的关系。
微生物的代谢产物，按其与菌体生长、繁殖的关系来说，又分为初级代谢产物（primary metabolite）和次级代谢产物（secondary metabolite）。
变化的根本原因在于菌体的代谢活动引起环境的变化，而环境的变化又反过来影响菌体的代谢。
在初级代谢中，菌体生长仍显示适应期、对数生长期、静止期和衰亡期的特征。由于菌体的生理状态与培养条件不同，各个时期时间长短也不尽相同，且与接种微生物的生理状态有关。
次级代谢产物包括大多数的抗生素、生物碱和微生物毒素等物质，属非偶联型。次级代谢产物的变化一般分为：
在这个过程中，碳源和氮源等进行分解代谢，菌体进行合成代谢。
此期间，产物的产量逐渐增加，直至达到高峰，生产速率也达到最大，直至产物合成能力衰退。此阶段，产生菌的呼吸强度一般无显著变化。
这个阶段的代谢变化是以碳源和氮源的分解代谢和产物的合成代谢为主。
此时，碳源、氮源和磷酸盐等的浓度必须控制在一定范围内，并严格控制发酵条件。
此阶段，菌体衰老，细胞开始自溶，氮含量增加，pH 值上升，产物合成能力衰退，生产速率下降。
罐内维持正压，以保证纯种培养，间接影响菌体代谢，一般维持在 0.2～0.5×10⁵ Pa。
在发酵的不同阶段控制不同的转数，以调节培养基中的溶氧。它的大小与氧在发酵液中的传递速率和发酵液的均匀性有关。
温度的变化会影响酶反应的速率，改变菌体代谢产的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特性和产物的合成。
发酵热平衡式：Q发酵 = Q生物 + Q搅拌 － Q蒸发 － Q显 － Q辐射
计算式：Q搅拌 = 3600 P / V（kJ/(m³·h)，P 为搅拌功率 kW，V 为发酵液体积 m³）。
注：源文件本页公式排版缺失分数线，此处按教材常用形式 Q搅拌 = 3600P/V 补全。
温度的控制：工业生产上通常将冷却水（或冷媒）通入发酵罐夹层或蛇形管中，通过热交换来降温，以维持最适温度。
引起 pH 值下降的主要原因：
引起发酵液 pH 值上升的主要原因：
下表列出菌体比生长速率 μ 与产物比生产速率 QP 的最适 pH 值的四种典型关系。
| 类型 | μ 与 QP 最适 pH 的关系 |
|---|---|
| Ⅰ | μ 与 QP 的最适 pH 都在一个相似的较宽的适宜范围内 |
| Ⅱ | QP（或 μ）的最适 pH 值范围很窄，而 μ（或 QP）的范围较宽 |
| Ⅲ | μ 或 QP 对 pH 值都很敏感，二者的最适 pH 值又是相同的 |
| Ⅳ | μ 和 QP 有各自的最适 pH 值 |
注：源文件本页类型Ⅱ中的“OP(或 µ)”按上下文校正为 QP（或 μ）。
本页为 μ（比生长速率）、QP（产物比生产速率）随 pH 值变化的示意曲线图，以 μ、QP 与 pH 值构成坐标系，用于比较二者最适 pH 值的关系类型。
pH 值调节、控制的主要方法：
补料：补加生理酸性物质［如（NH₄）₂SO₄］或生理碱性物质，它们可以调节 pH 值、补充营养物质、增加培养液浓度和减少阻遏作用。
注：源文件本页写作（NH₄)₂SO₂，按化学式校正为（NH₄)₂SO₄（硫酸铵）。
影响耗氧的主要因素：
下表列出谷氨酸系氨基酸发酵与供氧条件的关系。
| 氨基酸类别 | 供氧条件 | 产量表现 |
|---|---|---|
| 谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、脯氨酸（谷氨酸系） | 菌体呼吸充足 | 产量最大 |
| 谷氨酸系氨基酸 | 供氧不足 | 氨基酸合成受强烈抑制，大量积累乳酸和琥珀酸 |
下表列出其余氨基酸发酵对供氧条件的不同要求。
| 氨基酸 | 供氧条件与产量表现 |
|---|---|
| 异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸、天冬氨酸 | 供氧充足可得到最高产量，但供氧受限时对产量的影响并不明显 |
| 亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸 | 仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大产量的氨基酸 |
r 取决于微生物的呼吸强度和单位体积菌体浓度：r = QO₂ · c(X)
发酵过程中，供氧的多少应根据不同的菌种、发酵条件和发酵阶段等具体情况决定。
引起溶解氧异常下降的主要原因：
引起溶解氧异常升高的原因：
供氧方面：OTR = kLα（c* － cL） = （QO₂）m · c(X) · cL /（Ko + cL）
需氧方面：
莫诺方程：μ = μm · c(S) /（KS + c(S)）
注：源文件本页表述为“当 OUR＜OTR，溶解氧减少”，从溶氧成为限制性因素的语义看应为 OUR＞OTR（摄氧速率大于供氧速率），此处保留原文表述供核对。
如代谢途径的改变，酵母生长停滞；抗生素发酵中，使产量下降等。
缓慢利用氮源对延长次级代谢产物的分泌期，提高产物的产量是有益的，但不可一次投入。
b 补加无机氮源：补加氨水或硫酸铵。
下表列出磷酸盐浓度对菌体生长与次级代谢产物合成的不同影响。
| 项目 | 磷酸盐浓度 |
|---|---|
| 微生物生长良好所必需 | 0.32～300 mmol/L |
| 次级代谢产物合成良好所允许的最高平均浓度 | 1.0 mmol/L |
CO₂ 对菌体生长往往有直接的影响。当排出的 CO₂ 浓度高于 4% 时，碳水化合物的代谢及微生物的呼吸速率下降；基质的异化和 ATP 的生成也将受到阻碍，从而影响产物的合成。
计算式中涉及进气流量 F进、发酵液体积 V，以及排气中惰性气体、二氧化碳的体积百分数 C惰进、CCO₂进 等参数。
影响发酵液中 CO₂ 浓度的因素：
流加操作控制系统的分类：
蛋白质类原料：蛋白胨、玉米浆等；此外还有糖、脂肪。
发酵时起泡的方式：
常用消泡剂：
| 类别 | 代表品种与说明 |
|---|---|
| 天然油脂类 | 豆油、玉米油、棉籽油等 |
| 脂肪酸和脂类 | 聚丙烯甘油 |
| 聚醚类 | 氧化丙烯或氧化丙烯和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物 |
| 硅酮类 | 较适用微碱性的细菌发酵 |
注：源文件将“聚丙烯甘油”列于脂肪酸和脂类项下，从化学组成看其应属聚醚类消泡剂，表中保留原文归类供核对。
影响了微生物群体的效果，增加了微生物群体的非均一性。
发酵过程主要控制参数及其对发酵的意义：
| 参数 | 对发酵的意义 |
|---|---|
| pH 值 | pH 值的高低与菌体的生长和产物合成有着重要关系 |
| 温度 | 与发酵中的酶反应速率、氧在发酵液中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物合成速率密切相关 |
| 溶解氧浓度 | 可了解产生菌对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，也可作为发酵中间控制的参数及设备供氧能力的指标 |
| 参数 | 对发酵的意义 |
|---|---|
| 基质含量 | 基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有着重要的影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段 |
| 空气流量 | 它的大小与氧的传递和其他控制参数有关，一般控制在 0.5～1.0（L/L·min） |
| 参数 | 对发酵的意义 |
|---|---|
| 压力 | 发酵过程中罐内维持一定的正压可防止杂菌污染，罐压的高低还与氧和 CO₂ 在培养液中的溶解度有关 |
| 搅拌转速 | 它的大小在一定程度上与发酵液中氧的传递速率和发酵液的均匀性有关 |
| 搅拌功率 | 与氧的容量传递系数有关 |
| 参数 | 对发酵的意义 |
|---|---|
| 黏度 | 可作为细胞生长或细胞形态的一项标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况 |
| 浊度 | 能及时反映单细胞生长状况的参数 |
| 料液流量 | 反映补料与放料的流量状况 |
| 产物的浓度 | 衡量发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的重要参数 |
| 参数 | 对发酵的意义 |
|---|---|
| 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 |
| 废气中的氧含量 | 由废气中氧和 CO₂ 含量可算出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力 |
| 废气中的 CO₂ 含量 | 与废气中氧含量配合，用于计算呼吸商与判断菌体代谢状况 |
| 参数 | 对发酵的意义 |
|---|---|
| 菌体形态 | 一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之一 |
| 菌体浓度 | 是控制微生物发酵的重要指标 |
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