发酵过程检测与控制-第三章化学参数检测与控制5

⚫葡萄糖、蔗糖等 ⚫迅速参与代谢、合成菌体和产生能量，并产 生分解产物，有利于菌体生长，但有的分解代 谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用；
⚫多数为聚合物，淀粉等 ⚫为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成， 特别有利于延长抗生素的分泌期，也有许多微生 物药物的发酵所采用。
在工业上，发酵培养基中常采用含迅速和缓 慢利用的混合碳源。
• 补加无机氮源：氨水或硫酸铵
氨水：既可作为无机氮源，又可调节pH值。在抗 生素发酵工业中，通氨是提高发酵产量的有效措 施，如与其他条件相配合，有的抗生素的发酵单 位可提高50％左右。
硫酸铵：生理酸性，当pH值偏高而又需补氮时补 加，以达到提高氮含量和调节pH值的双重目的。
根据发酵控制的要求选择其他无机氮源。
如：氨基酸发酵用铵盐(硫酸铵或醋酸铵)和麸皮水解 液、玉米浆；
链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。
• 补加有机氮源 酵母粉、玉米浆、尿素等。
如：土霉素发酵，补加酵母粉可提高发酵单位；
青霉素发酵，后期出现糖利用缓慢、菌浓变 稀、pH值下降的现象，补加尿素可改善这种状 况并提高发酵单位；
氨基酸发酵补加作为氮源和pH值调节剂的 尿素。
发酵过程检测与控制
天津科技大学 郭学武
第三章 化学参数的检测与控制
3.1 溶氧浓度 3.2 溶氧系数的测定方法 3.3 pH与氧化还原电位 3.4 二氧化碳与呼吸商 3.5 基质浓度与补料控制
3.5 菌体浓度、基质浓度与补料
3.5.1 菌体浓度对发酵的影响及其控制
菌体浓度简称菌浓（cell concentration）是指单位 体积培养液中菌体的含量。
常温下，淀粉溶液、稀糖水、浓糖水，微生物在哪种液 体中生长最好？为什么？
3.5.2 基质对发酵的影响及其控制
基质即培养微生物的营养物质。
在分批发酵中，当基质过量时，菌体的生长速率与 营养成分的浓度无关。
=
max
S Ks + S
μ：菌体的比生长速率 S：限制性基质浓度
Ks：半饱和常数 μmax: 最大比生长速度
• 缓慢利用的氮源：黄豆饼粉、花生饼粉、棉子饼粉等蛋白质。 延长次级代谢产物的生产期、提高产物的产量。
谷氨酸发酵—— NH4+供应不足，促使形成α-酮戊二酸； NH4+过量，促使谷氨酸转变成谷氨酰胺。 控制适量的NH4+浓度
生产上采用的方法：
• 设计发酵培养基：选用含有快速利用和慢速利用 的混合氮源。
动力学法：根据菌体的比生长速率、糖比消耗速率 及产物的比生成速率等动力学参数来控制。
（二）氮源对发酵的影响及控制
迅速利用的氮源 ◆容易被菌体利用，促进菌体生长，但对某些代
谢产物的合成特别是某些抗生素的合成产生调节 作用，影响产量。
缓慢利用的氮源 延长代谢产物的分泌期、提高产物的产量；但一次投入 也容易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体过早衰 老而自溶，缩短产物的分泌期。
For 青霉素：
现象：在迅速利用的葡萄糖培养基中，菌体生长良好， 但青霉素合成量很少；相反，在缓慢利用的乳糖培 养基中，青霉素的产量明显增加。缓慢滴加葡萄糖 以代替乳糖，仍然可以得到良好的结果。
说明：糖的缓慢利用是青霉素合成的关键因素。乳糖 被缓慢利用的速度恰好适合青霉素合成的要求。
结论：合理使用迅速利用的碳源；
源等因素。必须结合当地的具体条件和使用的原材料进 行实验确定。
抗生素发酵：生长亚适量(对菌体生长不是最适合但又不影 响生长的量)的磷酸盐浓度。
举例：四环素发酵：菌体生长最适的磷浓度为65～70 μg／mL，而四环素合成最适磷浓度为25～30 μg／mL。 青霉素发酵：0.01％的磷酸二氢钾为好。
代谢缓慢：补加磷酸盐。
正产品酶系受抑制或不变 → 正产品生产速率下降或不变
S↑→ 副产品酶系被激活或增大 → 副产品生产速率上升
YP / S
例如：
• 酵母细胞培养时，糖浓度高→ 产生大量乙醇
→YX/S↓ • 青霉素发酵中，糖浓度高 → 产生有机酸→YP/S↓
3.5.3 补料（流加）控制
（1）补料的目的
• 解除基质过浓的抑制
• 间接方法：以溶氧、pH值、呼吸商、排气中CO2 分压及代谢产物浓度等作为控制参数。对间接方法 来说，选择与过程直接相关的可检参数作为控制指 标，是研究的关键。通气发酵利用排气中CO2含量 作为FBC反馈控制参数是较为常用的间接方法。
• 直接法：随着一系列技术障碍的克服，该法将会得 到迅速普及。反馈控制的FBC，常常是依据个别指 标来进行，在许多情况下，并不能奏效，尚需进行 多因子分析。
培养液糖浓度% ≤0.04% 0.05~0.2 1.0~2.0 ≥5.0
细胞生长速率 很小
较快
较快 最快 (受抑制)
酵母收得率% 乙醇产率%
最高 (约50%)
无
高 (45%±)
低 (5%±)
较高
低
(30%±) (20%±)
较高
高
(20%±) (30%±)
方法1：根据RQ控制，将RQ控制在1.0~1.1范围内。 • 糖含量高→酒精发酵↑→RQ接近1.1→F↓ • 糖含量低→酒精发酵↓→RQ接近1.0→F↑
酵母菌酒精发酵糖浓度为13~20%；
不影响酵母菌菌体生长（酵母菌培养）的 糖浓度<5%。
μ（1/h）
μmax
底物抑制
底物抑制细胞生长 与代谢的可能原因 有二：

（1）抑制细胞合成 与代谢中某些酶的 活性；
Sm
S（g/L） （2）基质浓度↑→
培养液渗透压↑→细
胞脱水→影响生长
与代谢。
3.5.2.3 高基质浓度影响产物得率
• 解除产物的反馈抑制 • 解除分解代谢物阻遏作用
• 避免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。
• 在生产上，补料还经常作为纠正异常发酵的一个 重要手段。
（2）补料的内容
◼ 补充微生物能源和碳源 ◼ 补充菌体所需要的氮源 ◼ 补充微量元素或无机盐 ◼ 添加前体、诱导剂等
（3）补料的原则
1) 直接控制——根据基质浓度控制流加
① 取样检测——间歇流加或补料 适合于允许基质的范围较大的场合。 氨基酸等常采用此种方法，大多只需补料1~3次。
②传感器检测法——在线自动控制
• 用于允许基质浓度的波动范围很小的场合。 • 如酵母菌的培养。
• 目前由于葡萄糖传感器的灭菌问题仍未很好解决，因而这 种方法的使用受到限制。
在S Ks的情况下，比生长速率与基质浓度呈线性关系。 在S >10Ks时，比生长速率就接近最大值。
所以营养物质均存在一个上限浓度，在此浓度以内， 菌体的比生长速率随浓度增加而增加，但超过此限，浓度 继续增加，反而会引起生长速率下降，这种效应称基质的 抑制作用。
在正常的情况下，可达到最大比生长速率，然而，由 于代谢产物及其基质过浓，而导致抑制作用，出现比生长 速率下降的趋势。
(2.) 菌浓的大小对发酵产物的效率有着重要的影响。
菌浓过高，营养物质消耗过快，培养液的营养成分发生 明显的改变，有毒物质的积累，就可能改变菌体的代谢途径 ，特别是对培养液中的溶解氧，影响尤为明显。
因为随着菌浓的增加，培养液的摄氧率（OUR）按比例 增加（OUR=Qo2X），表观粘度也增加，流体性质也发生改 变，使氧的传递（OTP）成对数地减少，当OUR大于OTP时 溶解氧就减少并成为限制性因素。
发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用的混合氮源， 还要在发酵过程中补加氮源来控制浓度。
① 补加有机氮源，如酵母汁、玉米浆、尿素 ② 补加无机氮源，如氨水或硫酸铵
• 迅速利用的氮源：氨基(或铵)态氮的氨基酸(或硫酸铵等)和玉 米浆等。
如链霉菌的竹桃霉素发酵中，采用促进菌体生长的铵盐 浓度，能刺激菌丝生长，但抗生素产量下降。铵盐还对柱晶 白霉素、螺旋霉素、泰洛星等的合成产生调节作用。
原则：根据菌体生长代谢规律；
生产需要； 环境条件 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。 方法：充足而不过量（少量多次或分批流加）
（3）补料的原则
• 中间补料的数量为基础料的1～3倍 。 • 现有的各种补料措施都是通过实验方法确定的。
（4）补料控制的策略
• 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； ➢ 用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加； ➢ 以溶氧、pH、RQ、排气中CO2分压及代谢物质浓度等参
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。
• 流加操作控制系统分为有反馈控制和无反馈控制 两类。反馈控制系统是由传感器、控制器和驱动 器三个单元所组成。根据控制依据的指标不同， 又分为直接方法和间接方法。
举例：在四环素发酵中，间歇、微量添加磷酸二氢钾， 有利于提高四环素的产量。
其他成分：金属离子，微量元素等。
如：Cu2+能促进醋酸转化为谷氨酸； Mn2+浓度足够才能促进杆菌肽的合
成。
3.5.2.2 高基质浓度抑制细胞生长与代谢 例如：
大多数微生物的培养，糖浓度>5~7%时， 生长速率下降；
谷氨酸发酵糖浓度为10~15%；
e.g. G100~150g/l，不出现抑制 G350~500g/l，多数微生物 不能生长， 细胞脱水。
3.5.2.1 基质对发酵的影响及其控制
• （一）碳源对发酵的影响及控制 • （二）氮源的种类和浓度的影响和控制 • （三）磷酸盐浓度的影响和控制
（一）碳源对发酵的影响及控制
迅速利用的碳源 缓慢利用的碳源
菌体的增长还与营养物质和环境条件有密切关系 。营养物质包括各种碳源和氮源等成分和它们的浓 度。
如：一些营养物质的上限浓度（g/L）为：氨离子 为5；磷酸根离子为10；葡萄糖为100。