第八章 发酵过程控制1-2
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第八章--发酵染菌及其防治全文编辑修改
2、发酵染菌的异常现象
（1）菌体浓度异常 菌体浓度异常下降 菌体浓度异常升高 菌体繁殖和代谢速率缓慢
（2）pH过高或过低 pH上升（感染噬菌体，导致菌体自溶，释放大量氨、 氮） pH下降（感染杂菌，基质大量消耗产生酸性物质）
（3）溶解氧及CO2水平异常 溶解氧短时间内下降，甚至接近零，且长时间不能 回升（污染耗氧微生物） 耗氧量减少，溶解氧升高（污染非耗氧微生物或者 噬菌体） 耗糖量加快，CO2含量增加（污染杂菌） 耗糖量减少，CO2含量减少（污染噬菌体）
第一节 染菌对发酵的影响
一、染菌对发酵过程的影响
生产不同的品种，可污染不同种类和性质的微生物。 不同污染时间，不同污染途径，污染不同菌量，不同培 养基和培养条件又可产生不同后果
1、发酵染菌对不同发酵品种的影响
（1）不同生产菌可能污染的染菌 ➢放线菌由于生长的最适pH为7左右，因此染细菌为多 ➢霉菌生长pH为5左右，因此染酵母菌为多。
酚红肉汤培养基检测（检查培养基和无菌空气是否染菌， 肉汤由红变黄） 平板划线 显微镜观察
3、检查的工序和时间
工序 斜面 摇瓶种子 种子罐种子 种子罐种子 种子罐种子 种子罐种子 发酵 发酵 发酵 发酵 发酵 总过滤器 分过滤器
表1 发酵过程的杂菌检查
时间
0h 0h 培养中期 成熟种子 0h 0h 8h 16h 24h 每月一次 每月一次
第八章 发酵染菌及其防治
发酵染菌（contamination）：发酵培养过程中除了生产菌 以外，侵入了有碍生产的其它微生物。
发酵染菌的危害 ➢发酵过程污染杂菌，会严重的影响生产，是发酵工业的致 命伤。 ➢造成大量原材料的浪费，在经济上造成巨大损失 ➢扰乱生产秩序，破坏生产计划。 ➢遇到连续染菌，特别在找不到染菌原因往往会影响人们的 情绪和生产积极性。 ➢影响产品外观及内在质量
发酵过程控制 pH
3、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH上升。
二、pH对发酵的影响
（1）pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些酶的 活性时使菌的新陈代谢受阻
（2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而 改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及 代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
（3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离， 从而影响微生物对这些物质的利用
（4）pH影响代谢方向。 pH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。
例如黑曲霉在pH2~3时发酵产生柠檬酸，在pH近中性 时，则产生草酸。
例：pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
X
四
生长
合成
环
素
pH
pH对菌体生长影响比产物合成影响小 例 青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0,产物合成最适 pH7.2~7.4
四环素：菌体生长最适pH6.0~6.8，产物合成最适 pH5.8~6.0
三、发酵过程最佳pH的确定
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。
配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况
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。
发酵最适pH的确定
第八章 发酵过程控制
pH对发酵过程影响及控制
pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的 进行，所以是十分重要的参数。
发酵过程中pH是不断变化的，通过观察pH变 化规律可以了解发酵的正常与否。
一、发酵过程pH变化的原因
1、基质代谢
（1）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、 醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一。
二、pH对发酵的影响
（1）pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些酶的 活性时使菌的新陈代谢受阻
（2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而 改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及 代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
（3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离， 从而影响微生物对这些物质的利用
（4）pH影响代谢方向。 pH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。
例如黑曲霉在pH2~3时发酵产生柠檬酸，在pH近中性 时，则产生草酸。
例：pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
X
四
生长
合成
环
素
pH
pH对菌体生长影响比产物合成影响小 例 青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0,产物合成最适 pH7.2~7.4
四环素：菌体生长最适pH6.0~6.8，产物合成最适 pH5.8~6.0
三、发酵过程最佳pH的确定
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。
配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况
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。
发酵最适pH的确定
第八章 发酵过程控制
pH对发酵过程影响及控制
pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的 进行，所以是十分重要的参数。
发酵过程中pH是不断变化的，通过观察pH变 化规律可以了解发酵的正常与否。
一、发酵过程pH变化的原因
1、基质代谢
（1）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、 醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一。
发酵过程控制(概述)
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分析
实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、均匀设 计、响应面设计。 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。
二
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。
发挥菌种的最大生产潜力考虑之点
菌种本身的代谢特点 ： 生长速率、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
本节重点内容
根据发酵工艺，发酵分为哪几种类型？ 各自有何优缺点？
微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络 形式，比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的 前体，可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物， 而这些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的 差异会引发代谢朝不同的方向进行。
发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身的遗传 特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环境因素等等。 因此发酵过程的控制具有不确定性和复杂性。 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
第一节 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
1、 分批发酵 简单的过程，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。
第八章_发酵过程参数的检测及控制
主要参数检测原理及仪器
•液体和气体流量测定
主要参数检测原理及仪器
• 搅拌转速
常用检测方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等。
感应片切割磁 场或光速。
输出电压与转 速成正比。
主要参数检测原理及仪器
• pH的检测
常用pH检定仪为复合pH电极，具有
结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。
思考：pH电极如何标定？
③自适应控制：
提取有关输入、输出信息，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动作，适应实际过 程。——自适应控制系统。
2、发酵自动控制系统的硬件组成
传感器 变送器 执行机构
电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、 正位移泵、蠕动泵。
转换器 过程接口 监控计算机
（一）温度的控制
生长阶段
生成阶段
自溶阶段
2、引起pH下降的因素
碳源过量 消泡油添加过量 生理酸性物质的存在
3、引起pH上升的因素
氮源过多
生理碱性物质的存在 中间补料，碱性物质添加过多
4、 pH的控制
调节基础培养基的配方
调节碳氮比（C/N）
添加缓冲剂 补料控制 – 直接加酸加碱 – 补加碳源或氮源
1、基本的自动控制系统
②反馈控制 反馈控制是自动控制的主要方式
控制器
被控对象
传感器
1、基本的自动控制系统
②反馈控制
开关控制：控制阀门的全开全关；
PID控制：采用比例、积分、微分控制算法；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ串联反馈控制：
两个以上控制器对一变量实施联合控制；
前馈/反馈控制：
前馈控制与反馈控制相结合。
8-发酵工艺控制1
生物热的产生有强烈的时间性。
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。一般，菌株对营养物质利用 的速率越大，培养基成分越丰富，生物 热也就越大。发酵旺盛期的生物热大于 其他时间的生物热。生物热的大小还与 菌体的呼吸强度有对应关系。
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。
8.1.2 影响发酵温度的因素 8.1.2.1 发酵热 发酵过程中，随着菌对培养基的利用， 以及机械搅拌的作用，将产生一定热量， 同时因罐壁散热，水分蒸发等也带走部分 热量。发酵热就是发酵过程中释放出来的 净热量。以[J／m3﹒h]表示，
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射
（1）生物热 产生菌在生长繁殖过程中，本身会产 生大量的热称为生物热。 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。
2.pH会影响菌体的形态
3.pH对某些生物合成途径有显著影响
7.2.2 发酵过程中pH的变化 发酵过程中由于菌在一定温度及通气条 件下对培养基中碳、氮源等的利用，随着 有机酸或氨基氮的积累，会使pH产生一定 的变化。
一般在正常情况下：
(1)生长阶段 在菌体生长阶段pH有上升或 下降的趋势。 (2)生产阶段 在生产阶段，pH趋于稳定， 维持在最适产物合成的范围。 (3)自溶阶段 菌丝自溶阶段，随着基质的 耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基 氮增加，致使pH又上升，此时菌丝趋于自 溶而代谢活动终止。
定义：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。
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。一般，菌株对营养物质利用 的速率越大，培养基成分越丰富，生物 热也就越大。发酵旺盛期的生物热大于 其他时间的生物热。生物热的大小还与 菌体的呼吸强度有对应关系。
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。
8.1.2 影响发酵温度的因素 8.1.2.1 发酵热 发酵过程中，随着菌对培养基的利用， 以及机械搅拌的作用，将产生一定热量， 同时因罐壁散热，水分蒸发等也带走部分 热量。发酵热就是发酵过程中释放出来的 净热量。以[J／m3﹒h]表示，
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射
（1）生物热 产生菌在生长繁殖过程中，本身会产 生大量的热称为生物热。 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。
2.pH会影响菌体的形态
3.pH对某些生物合成途径有显著影响
7.2.2 发酵过程中pH的变化 发酵过程中由于菌在一定温度及通气条 件下对培养基中碳、氮源等的利用，随着 有机酸或氨基氮的积累，会使pH产生一定 的变化。
一般在正常情况下：
(1)生长阶段 在菌体生长阶段pH有上升或 下降的趋势。 (2)生产阶段 在生产阶段，pH趋于稳定， 维持在最适产物合成的范围。 (3)自溶阶段 菌丝自溶阶段，随着基质的 耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基 氮增加，致使pH又上升，此时菌丝趋于自 溶而代谢活动终止。
定义：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。
发酵过程控制 补料 、发酵终点判断
发酵时间太长，菌体自溶，释放出菌体蛋白或 体内的酶，改变发酵液性质，增加过滤难度，延长过 滤时间，破坏一些不稳定产物。
太长或太短均会使产物质量下降，含量增加。
3、特殊因素 异常情况：染菌、代谢异常(糖耗缓慢等)。 为避免损失，可提前或拖后放罐时间来挽救。
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。
五、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、 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。
生产能力（或称生产率、产率）： 是指单位时间内单位罐体积发酵液的产物积
累量而言。
生产率单位：一般为g／(L·h)或kg／(m3·h)，产 物浓度单位为g／L或kg／m3，发酵时间单位为h。
二、影响放罐时间的因素
合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据 不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的 生产率和产品成本，采用生产率高而成本又低的 时间，作为放罐时间。
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速率。
四、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； 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
第十节 发酵终点的判断
一、发酵终点的判断原则
太长或太短均会使产物质量下降，含量增加。
3、特殊因素 异常情况：染菌、代谢异常(糖耗缓慢等)。 为避免损失，可提前或拖后放罐时间来挽救。
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。
五、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、 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。
生产能力（或称生产率、产率）： 是指单位时间内单位罐体积发酵液的产物积
累量而言。
生产率单位：一般为g／(L·h)或kg／(m3·h)，产 物浓度单位为g／L或kg／m3，发酵时间单位为h。
二、影响放罐时间的因素
合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据 不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的 生产率和产品成本，采用生产率高而成本又低的 时间，作为放罐时间。
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速率。
四、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； 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
第十节 发酵终点的判断
一、发酵终点的判断原则
发酵过程控制
2010-10-26
2）发酵过程中pH的变化规律 ）发酵过程中 的变化规律
生长阶段： 相对于起始 相对于起始pH有上升或下降的 生长阶段：pH相对于起始 有上升或下降的 趋势 生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合 趋于稳定， 生产阶段： 趋于稳定 成的范围 自溶阶段： 又上升 自溶阶段：pH又上升
2010-10-26
(一)温度对发酵的影响及其控制 一 温度对发酵的影响及其控制
1. 影响发酵温度的因素 2. 温度对微生物生长的影响 3. 温度对产物合成的影响 4. 最适温度的选择与控制
2010-10-26
(1)发酵热 发酵热
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
2010-10-26
1. 过程控制的重要性
生物因素： 菌株特性(营养要求 生长速率、 营养要求、 决定发酵 生物因素： 菌株特性 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 单位(水平 水平) 单位 水平 设备性能： 的因素 外部环境因素 设备性能：传递性能 物理： 工艺条件 物理：n、T、 化学：pH、DO、浓度 化学 浓度 过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（ 过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数 的确定） 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。
2010-10-26
4. 最适温度的选择与控制
最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握 通气条件较差情况下， 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。 培养基成分和浓度的影响
2010-10-26
4. 最适温度的选择与控制
第八章发酵培养方法及发酵动力学
• 在连续培养技术中被称为稀释速率，用 符号“D”表示
（等于培养液在罐中平均停留时间τ的倒数）
• 在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释 速率。
2. 基于限制性营养成分（S）的物料平衡
• 养分进入系统的速率－养分流出系统的速率－用于 生长的养分消耗的速率－用于维持的养分消耗的速 率－用于产物形成的养分消耗的速率 ＝养分在系统中积累的速率
遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧 的矛盾。②避免培养基积累有毒代谢物。 • 缺点：增加了染菌机会；比生产速率下降。 • 适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、 酶、核苷酸、有机酸等的生产。
三、连续培养技术
• 连续进出料液，保持发酵液体积恒定，使培养物在近似恒 定状态下生长的培养方法。
• 转化率：（已经反应的基质量）/（总共加入的基质
量）*100%
（2）发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质消耗速率： 菌体生长速率： 产物生成速率：
dS rs d t
rx
dX dt
rp
dP dt
(g·L-1·h-1) (g·L-1·h-1) (g·L-1·h-1)
F0, S0, X0, P0
F, S, X, P, Xd
F0=F
反应器内(V)全 混流溶质浓度处 处相等
S, X, Xd, V, P
1. 基于细胞量（X）的物料平衡
细胞的进入速率－细胞的流出速率＋细胞的生长速率 －细胞的死亡速率 ＝细胞的积累速率
简化后：
在连续培养系统达到稳定状态时 式可变为：
，上
第八章 发酵培养方法及发酵动力学
第一节 发酵培养的方法
发酵工艺的过程控制
发酵工艺的过程控制引言发酵工艺是一种将有机物质通过微生物的作用转化为需要的产物的过程。
在发酵过程中，微生物通过吸收养分、产生代谢产物和释放能量，完成了物质的转化。
为了保证发酵过程的高效和稳定，控制发酵过程至关重要。
本文将介绍发酵工艺的过程控制，包括控制参数和控制策略。
1. 发酵过程的控制参数发酵过程的控制参数是指影响发酵过程的参数，包括温度、pH值、溶氧量、搅拌速度、发酵菌种等等。
这些控制参数对于发酵过程的高效和稳定起到了重要的作用。
1.温度：发酵过程中适宜的温度可以促进微生物的生长和代谢活动。
不同的发酵过程需要不同的温度，一般在微生物的最适生长温度附近，通常在25-42摄氏度之间。
2.pH值：发酵过程中的pH值对微生物的生长和代谢活动有重要影响。
不同的微生物对于pH值的需求不同，一般在微生物最适生长pH值的附近维持。
3.溶氧量：溶氧量是指发酵液中的氧气饱和度。
微生物在发酵过程中需要氧气进行呼吸和代谢活动。
合适的溶氧量可以提高发酵效率和产物质量。
4.搅拌速度：搅拌速度对于发酵液中的微生物的分散性和氧气气液传递有着重要影响。
适当的搅拌速度可以保证发酵液中的微生物充分接触营养物质和氧气。
5.发酵菌种：选择适宜的发酵菌种对于发酵过程的控制至关重要。
合适的发酵菌种应具备高发酵活力、产物合成能力和抗污染能力。
2. 发酵过程的控制策略为了实现对发酵过程的有效控制，需要采取相应的控制策略。
以下是几种常见的发酵过程控制策略。
1.反馈控制：反馈控制是根据实时的监测数据对发酵过程进行调节。
通过监测发酵过程中的温度、pH值、溶氧量等参数，将实际参数与设定值进行比较，根据误差进行反馈调整，以维持发酵过程的稳定性。
2.前馈控制：前馈控制是根据预期的发酵过程需求提前对控制参数进行调整。
通过事先设定好的控制策略，根据发酵过程中的状态进行预测和计算，提前对控制参数进行调整，以达到预期的控制效果。
3.比例积分控制：比例积分控制是通过调整控制器的比例参数和积分参数来改变控制器的工作方式。
发酵过程的工艺控制-1
初级代谢产物：微生物合成的主要供给细胞生长的一类物质。 如氨基酸、核苷酸等，这些物质称为初级 代谢产物。 次级代谢产物：还有一类产物，对细胞的代谢功能没有明显
的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素等，
这一类化合物称为次级代谢产物。
（二）、Gaden对发酵的三分类与Pirt方程：
p
x
〖一类发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
+
反应器特性
反 应 器 的 操 作 模 型
操作条件与反应结 果的关系，定量地 控制反应过程
已建立动力学模型的类型
机制模型： 根据反应机制建立
几乎没有 目前大多数模型 现象模型（经验模型）：
能定量地描述发酵过程
能反映主要因素的影响
三 微生物生长动力学的基本概念
（一）、微生物在一个密闭系统中的生长情况：
第 一 类 型 （ 生 长 关 联 型 ）
■
产物直接来源于
产能的初级代谢 （自身繁殖所必需 的代谢），菌体生 长与产物形成不分 开。
例如单细胞蛋白
和葡萄糖酸的发酵
第 二 类 型 （ 部 分 生 长 关 联 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。
微生物的比生长速度：
μ＝f(s,p,T,pH,……,)
在一定条件下(基质限制)：
μ＝f(S)
Monod研究了基质浓度与比生长速度的关系 ———Monod方程(1942)
1.2 V1m 0.8 0.6 Vμ/2 m 0.4 0.2 0 0K m 200 400 S 600 800 1000
1.2 V1m 0.8 0.6 V m/2 0.4 0.2 0 0K m 200 400 S 600 800 1000
的影响，一般是在稳定期形成，如抗生素等，
这一类化合物称为次级代谢产物。
（二）、Gaden对发酵的三分类与Pirt方程：
p
x
〖一类发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
+
反应器特性
反 应 器 的 操 作 模 型
操作条件与反应结 果的关系，定量地 控制反应过程
已建立动力学模型的类型
机制模型： 根据反应机制建立
几乎没有 目前大多数模型 现象模型（经验模型）：
能定量地描述发酵过程
能反映主要因素的影响
三 微生物生长动力学的基本概念
（一）、微生物在一个密闭系统中的生长情况：
第 一 类 型 （ 生 长 关 联 型 ）
■
产物直接来源于
产能的初级代谢 （自身繁殖所必需 的代谢），菌体生 长与产物形成不分 开。
例如单细胞蛋白
和葡萄糖酸的发酵
第 二 类 型 （ 部 分 生 长 关 联 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。
微生物的比生长速度：
μ＝f(s,p,T,pH,……,)
在一定条件下(基质限制)：
μ＝f(S)
Monod研究了基质浓度与比生长速度的关系 ———Monod方程(1942)
1.2 V1m 0.8 0.6 Vμ/2 m 0.4 0.2 0 0K m 200 400 S 600 800 1000
1.2 V1m 0.8 0.6 V m/2 0.4 0.2 0 0K m 200 400 S 600 800 1000
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第七章 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。
.
（二） 产物量的测定
1、化学法
（1）滴定法 产物能使一定指示剂变色来指示反应终点的 可用滴定法 如青霉素在碱性条件下加入过量的I2，反应生 成青霉噻唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘， 可计算出青霉素的单位
青霉 O H ,素 过 I2量 青霉噻 N 2S 唑 A 2O 3 滴 定 酸 I2 多 计 碘 余 算青
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
.
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分析
实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、 均匀设计、响应面设计。
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。
.
全参数发酵罐
除了装备有常规发酵罐的温度、溶氧、 pH电极，得到发酵全过程的这些参数外，还有 罐体称重，补料计量装置和尾气采 集分析系统，更重要的是，有一套独特的数 据处理软件，可以得到14个发酵过程参数，
并且可以输入和绘制人工测定的参数，对发酵过 程的分析起到了重要的作用
.
发酵过程受到多因素又相互交叉的 影响如菌本身的遗传特性、物质运 输、能量平衡、工程因素、环境因 素等等。因此发酵过程的控制具有 不确定性和复杂性。
.
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。
.
三 发酵过程研究的方法和层次 1、研究方法
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
.
第一节 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
.
二 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
.
一 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、产物合成、细胞状态、营养状况、供 氧状况
.
2、排气氧、排气CO2和呼吸熵
排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还 剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，
.
（3）测压法 产物特定反应放出或摄入气体，使系统
有压力变化，可以通过测定压力变化得知产 物量。
谷氨酸 谷 氨酸脱 氢酶 γ－氨基丁酸＋CO2
2、物理法 许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋光 性，因此可以通过测定旋光度来测定酶或抗生 素的含量。
.
化学和物理方法优点：快速、方便，经常用于 过程分析
化，实时地送计算机数据采集。 物理参数、化学参数、生物量参数 就地测量（in line）、在线测量
（on line）
间接参数: 由一些直接参数计算得到的各种反映过程特
性的参数。 反映菌体代谢活性、反应器工程特
性、反应器操作特性…等。
手工参数: 取样后实验室手工测量参数，离线输入。
.
物理参数
直接参数
产物，而这些前体有可能流向不同的反应 方向，环境条件的差异会引发代谢朝不同的方
向进行。
.
因此对发酵过程的了解不能机械的，割 裂的去认识，而要从分子水平、细胞代 谢水平和反应工程水平全面的认识
微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现 在菌体量的大小影响产物量的多少，而
且菌体生长正常与否，即前期的代谢直接影响中后期 代谢的正常与否。特别是对于次级代谢产物的合成更 具有复杂性
柠檬酸可以用NaOH滴定来计算柠檬酸产量
.
（2）比色法 产物经一定化学反应产生颜色，且颜色深浅与 产物浓度成正比，可以用比色法测定。
链 霉 O ,加 H H 热 2 O 素 ， 麦 － 芽 F 2 e 蓝 酚 色
淀粉酶活力测定：在1%可溶性淀粉溶液中加 入淀粉酶，所释放出的麦芽糖与生色试剂（3， 5-二硝基水杨酸与酒石酸钾钠的碱溶液）产生 颜色，它在540nm处所得吸光度跟淀粉酶活 力成正比。
特殊单位：药检所制定某些抗生素的单位 制霉菌素 1mg=3700u 多粘菌素B 1mg=10000u
.
2、酶活力的表示法
酶活力用单位来表示。由于酶通常不是 很纯，不能用重量来表示酶的量。同一 种酶用不同的方法测定会有不同的酶活 单位，容易造成混乱，为此国际上作了 统一规定，规定在250C下，以最适的底 物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及 最适的pH诸条件下，每分钟能转化一微 克分子底物的酶定量为一个活性单位。
在培养过程中，产生菌的合成能力和产物 积累情况都要通过产物量的测定来了解
产物浓度直接反映了生产的状况,是发酵控制的重
要参数。而且通过计算还可以得到生产速率和比生 产速率，从而分析发酵条件如补料、pH对产物形成 的影响。
.
二 产物量的测定
（一） 产物量的特殊表示法 1、抗生素效价的表示 抗生素效价表示抗生素的有效成分的 多少，效价大小用单位（U）来表示
前体利用率 产物量（P） 比生产率（υ） 其他需要计算的值参数 功率、功率准数 雷诺数 细胞量 生物热 碳平衡 能量平衡
.
直接参数又可分为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。
对于这种工艺，后期的补料控制是关键。过程中
发现，在补糖开始时，不但CER、OUR大幅度提高，连
RQ也提高约10％，表明通过补糖不但提供了更 多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提 高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。
.
3、糖含量
微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。
糖的消耗：
反映产生菌的生长繁殖情况 反映产物合成的活力
中间代谢物 金属离子 脱氢酶活力 各种酶活力 细胞内成分 蛋白质 DNA RNA
间接参数
摄氧率（OUR） 二氧化碳生成率（CER） 呼吸商（RQ） 总氧利用 体积氧传递系数（KLa） 细胞浓度（X） 细胞生长速率（Rx） 比生长速率（μ） 细胞得率（YX/S） 糖利用率 氧利用率 比基质消耗率（u）
发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，
否则影响提取过程
.
5、磷含量
微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为
主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。
磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的组
成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养基中 具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷 措施。
.
6、菌浓度和菌形态
菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。
化学参数
成熟
不成熟
温度
积累消耗量
压力
基质
功率输入
酸
通气流量
碱
泡沫水平
诮泡剂
加料速率
细胞量
基质
气泡含量
前体
气泡表面积
诱导物
表面张力
培养液重量
培养液体积
生物热
培养液表观
粘度
pH 氧化还原电位 溶解氧浓度 溶解 CO2 浓度 排气 O2 分压 排气 CO2 分压 其他排气成分
.
成分浓度 糖 氮 前体 诱导物 产物
菌形态 显微镜观察
菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量 的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。
补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量适合
与否的一个参数。
.
菌浓测定方法 测粘度 压缩体积法（离心） 静置沉降体积法 光密度测定法 OD600~660 适合于细菌、酵母
.
7、产物浓度
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
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。
.
2、研究的层次
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。
.
代谢参数按性质分可分三类：
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
.
发酵过程参数
直接参数: 通过传感器把非电量变化直接转化为电量变
.
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。
.
（二） 产物量的测定
1、化学法
（1）滴定法 产物能使一定指示剂变色来指示反应终点的 可用滴定法 如青霉素在碱性条件下加入过量的I2，反应生 成青霉噻唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘， 可计算出青霉素的单位
青霉 O H ,素 过 I2量 青霉噻 N 2S 唑 A 2O 3 滴 定 酸 I2 多 计 碘 余 算青
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
.
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分析
实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、 均匀设计、响应面设计。
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。
.
全参数发酵罐
除了装备有常规发酵罐的温度、溶氧、 pH电极，得到发酵全过程的这些参数外，还有 罐体称重，补料计量装置和尾气采 集分析系统，更重要的是，有一套独特的数 据处理软件，可以得到14个发酵过程参数，
并且可以输入和绘制人工测定的参数，对发酵过 程的分析起到了重要的作用
.
发酵过程受到多因素又相互交叉的 影响如菌本身的遗传特性、物质运 输、能量平衡、工程因素、环境因 素等等。因此发酵过程的控制具有 不确定性和复杂性。
.
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。
.
三 发酵过程研究的方法和层次 1、研究方法
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
.
第一节 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
.
二 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
.
一 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、产物合成、细胞状态、营养状况、供 氧状况
.
2、排气氧、排气CO2和呼吸熵
排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还 剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，
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（3）测压法 产物特定反应放出或摄入气体，使系统
有压力变化，可以通过测定压力变化得知产 物量。
谷氨酸 谷 氨酸脱 氢酶 γ－氨基丁酸＋CO2
2、物理法 许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋光 性，因此可以通过测定旋光度来测定酶或抗生 素的含量。
.
化学和物理方法优点：快速、方便，经常用于 过程分析
化，实时地送计算机数据采集。 物理参数、化学参数、生物量参数 就地测量（in line）、在线测量
（on line）
间接参数: 由一些直接参数计算得到的各种反映过程特
性的参数。 反映菌体代谢活性、反应器工程特
性、反应器操作特性…等。
手工参数: 取样后实验室手工测量参数，离线输入。
.
物理参数
直接参数
产物，而这些前体有可能流向不同的反应 方向，环境条件的差异会引发代谢朝不同的方
向进行。
.
因此对发酵过程的了解不能机械的，割 裂的去认识，而要从分子水平、细胞代 谢水平和反应工程水平全面的认识
微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现 在菌体量的大小影响产物量的多少，而
且菌体生长正常与否，即前期的代谢直接影响中后期 代谢的正常与否。特别是对于次级代谢产物的合成更 具有复杂性
柠檬酸可以用NaOH滴定来计算柠檬酸产量
.
（2）比色法 产物经一定化学反应产生颜色，且颜色深浅与 产物浓度成正比，可以用比色法测定。
链 霉 O ,加 H H 热 2 O 素 ， 麦 － 芽 F 2 e 蓝 酚 色
淀粉酶活力测定：在1%可溶性淀粉溶液中加 入淀粉酶，所释放出的麦芽糖与生色试剂（3， 5-二硝基水杨酸与酒石酸钾钠的碱溶液）产生 颜色，它在540nm处所得吸光度跟淀粉酶活 力成正比。
特殊单位：药检所制定某些抗生素的单位 制霉菌素 1mg=3700u 多粘菌素B 1mg=10000u
.
2、酶活力的表示法
酶活力用单位来表示。由于酶通常不是 很纯，不能用重量来表示酶的量。同一 种酶用不同的方法测定会有不同的酶活 单位，容易造成混乱，为此国际上作了 统一规定，规定在250C下，以最适的底 物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及 最适的pH诸条件下，每分钟能转化一微 克分子底物的酶定量为一个活性单位。
在培养过程中，产生菌的合成能力和产物 积累情况都要通过产物量的测定来了解
产物浓度直接反映了生产的状况,是发酵控制的重
要参数。而且通过计算还可以得到生产速率和比生 产速率，从而分析发酵条件如补料、pH对产物形成 的影响。
.
二 产物量的测定
（一） 产物量的特殊表示法 1、抗生素效价的表示 抗生素效价表示抗生素的有效成分的 多少，效价大小用单位（U）来表示
前体利用率 产物量（P） 比生产率（υ） 其他需要计算的值参数 功率、功率准数 雷诺数 细胞量 生物热 碳平衡 能量平衡
.
直接参数又可分为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。
对于这种工艺，后期的补料控制是关键。过程中
发现，在补糖开始时，不但CER、OUR大幅度提高，连
RQ也提高约10％，表明通过补糖不但提供了更 多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提 高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。
.
3、糖含量
微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。
糖的消耗：
反映产生菌的生长繁殖情况 反映产物合成的活力
中间代谢物 金属离子 脱氢酶活力 各种酶活力 细胞内成分 蛋白质 DNA RNA
间接参数
摄氧率（OUR） 二氧化碳生成率（CER） 呼吸商（RQ） 总氧利用 体积氧传递系数（KLa） 细胞浓度（X） 细胞生长速率（Rx） 比生长速率（μ） 细胞得率（YX/S） 糖利用率 氧利用率 比基质消耗率（u）
发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，
否则影响提取过程
.
5、磷含量
微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为
主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。
磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的组
成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养基中 具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷 措施。
.
6、菌浓度和菌形态
菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。
化学参数
成熟
不成熟
温度
积累消耗量
压力
基质
功率输入
酸
通气流量
碱
泡沫水平
诮泡剂
加料速率
细胞量
基质
气泡含量
前体
气泡表面积
诱导物
表面张力
培养液重量
培养液体积
生物热
培养液表观
粘度
pH 氧化还原电位 溶解氧浓度 溶解 CO2 浓度 排气 O2 分压 排气 CO2 分压 其他排气成分
.
成分浓度 糖 氮 前体 诱导物 产物
菌形态 显微镜观察
菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量 的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。
补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量适合
与否的一个参数。
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菌浓测定方法 测粘度 压缩体积法（离心） 静置沉降体积法 光密度测定法 OD600~660 适合于细菌、酵母
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7、产物浓度
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
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。
.
2、研究的层次
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。
.
代谢参数按性质分可分三类：
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
.
发酵过程参数
直接参数: 通过传感器把非电量变化直接转化为电量变