第五章 发酵过程控制讲解
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发酵过程控制与优化ppt课件
参数，使有利于生
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
过程中一面补入新鲜 的料液，一面以相同 的流速放料，维持发 酵液原来的体积。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
过程中一面补入新鲜 的料液，一面以相同 的流速放料，维持发 酵液原来的体积。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。
第五章 发酵过程控制
精品课件
酿酒酵母
pH：4.5-5.0－3，乙醇 发酵 pH：8.0，甘油发酵
精品课件
2.影响pH值变化的因素
• 菌体本身具有一定的调整周围环境pH值，构建最 适pH值的能力。
（1）基质代谢 ①糖代谢：C源过多，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 ②氮代谢：当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下 降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后 pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。 ③生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降
也是影响微生物生长及其生化活性的因素之 一。对微生物，培养基最适宜和所允许的最大电 位值，应与微生物本身的种类和生理状态有关。
其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的酶等。
精品课件
（三）生物参数
1．菌丝形态 •丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢 变化的反映。 •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。
• 计算
（菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速 率、氮比消耗速率和产物比生产速率）
（控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件）
研究
发酵动力学
精品课件
由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数 据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接 从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多 有用的参数就地通过传感方式变成各种输出信号。 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、效价、糖含量、前体(如 苯乙酸)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、 排气中的O2和CO2含量等。
5．废气中的氧含量（％） • 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数 有关。 •从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率 和发酵罐的供氧能力。
酿酒酵母
pH：4.5-5.0－3，乙醇 发酵 pH：8.0，甘油发酵
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2.影响pH值变化的因素
• 菌体本身具有一定的调整周围环境pH值，构建最 适pH值的能力。
（1）基质代谢 ①糖代谢：C源过多，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 ②氮代谢：当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下 降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后 pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。 ③生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降
也是影响微生物生长及其生化活性的因素之 一。对微生物，培养基最适宜和所允许的最大电 位值，应与微生物本身的种类和生理状态有关。
其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的酶等。
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（三）生物参数
1．菌丝形态 •丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢 变化的反映。 •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。
• 计算
（菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速 率、氮比消耗速率和产物比生产速率）
（控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件）
研究
发酵动力学
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由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数 据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接 从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多 有用的参数就地通过传感方式变成各种输出信号。 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、效价、糖含量、前体(如 苯乙酸)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、 排气中的O2和CO2含量等。
5．废气中的氧含量（％） • 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数 有关。 •从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率 和发酵罐的供氧能力。
第五章 发酵过程控制1-2
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
从检测手段分可分为：直接参数、间接 参数 直接参数：通过仪器或其它分析手段可 以测得的参数，如温度、pH、残糖等
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。
因此对发酵过程的了解不能机械的， 割裂的去认识，而要从细胞代谢水平 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
第五章
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。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
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 菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快通 过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可控 制补糖来调节pH，促进产物合成，不致于盲目 补糖，造成发酵不正常。 糖含量测定包括总糖和还原糖。 总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发 酵中的淀粉、饴糖、单糖等各种糖。 还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是 葡萄糖。
第五章-发酵过程控制(2024版)
为什么要研究发酵过程
了解有关生产菌种对环境条件的要求，并深入地了解生 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。 为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，通过各种 监测手段掌握各参数变化情况，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。
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。
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：
对葡萄糖
C（mmol
/
g）
33.33 Y
41.7
对烷烃
C（mmol
/
g）
101.7 Y
41.7
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；
生长偶联型 部分生长偶联型 非生长偶联型
■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偶联型（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，延长与产物合成有关的对数生 长期； ➢如果产品是非生长偶联型（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。
第二节 发酵条件的影响及其控制
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。
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
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
微生物工程原理--发酵过程及控制 ppt课件
聚醚类, 高级醇,脂肪酸,…..
ppt课件
62
九、染菌分析及控制
ppt课件
63
（一）染菌原因分析
染菌的原因
归结起来是： • 设备、管道、阀门漏损、灭菌不彻底； • 空气净化不好； • 无菌操作不严或菌种不纯等。
ppt课件
64
某发酵厂染菌现象的统计分析
1、种子带菌或怀疑种子带菌 9.64%
2、罐压跌零造成染菌
橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌
温度（℃） C临界（m mol/升）
30
0.018-0.049
15
0.0031
37.8
0.0082
20
0.0037
34.8
0.0046
24
0.0022
30
0.009
32
0.02
ppt课件
33
ppt课件
34
（一）影响需氧和供氧的因素
影响微生物需氧量的因素 1、菌种 2、菌体浓度 3、菌龄 4、培养基
微生物对养料的吸收和对代谢产物的分泌 3、pH影响培养基中某些营养物质的可给性 4、pH可能改变培养基的氧化还原电位 5、pH会影响某些微生物的形态
ppt课件
41
（二）、影响pH变化的因素： 1、菌种特性 2、培养基组成 3、发酵条件
ppt课件
42
（三）、pH在发酵过程中的变化规律
在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少， 铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。
• 具有一定的亲水性，使消泡剂对气－液界面的分 散系数足够大，从而迅速发挥消泡活性；
• 在水中的溶解度必须小，以保持持久地消泡或抑 泡性能；
• 对人、畜及微生物无毒； • 不影响氧在发酵液中的溶解和传递； • 来源方便、广泛、价格便宜；
ppt课件
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九、染菌分析及控制
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63
（一）染菌原因分析
染菌的原因
归结起来是： • 设备、管道、阀门漏损、灭菌不彻底； • 空气净化不好； • 无菌操作不严或菌种不纯等。
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64
某发酵厂染菌现象的统计分析
1、种子带菌或怀疑种子带菌 9.64%
2、罐压跌零造成染菌
橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌
温度（℃） C临界（m mol/升）
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0.018-0.049
15
0.0031
37.8
0.0082
20
0.0037
34.8
0.0046
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0.0022
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0.009
32
0.02
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（一）影响需氧和供氧的因素
影响微生物需氧量的因素 1、菌种 2、菌体浓度 3、菌龄 4、培养基
微生物对养料的吸收和对代谢产物的分泌 3、pH影响培养基中某些营养物质的可给性 4、pH可能改变培养基的氧化还原电位 5、pH会影响某些微生物的形态
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（二）、影响pH变化的因素： 1、菌种特性 2、培养基组成 3、发酵条件
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（三）、pH在发酵过程中的变化规律
在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少， 铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。
• 具有一定的亲水性，使消泡剂对气－液界面的分 散系数足够大，从而迅速发挥消泡活性；
• 在水中的溶解度必须小，以保持持久地消泡或抑 泡性能；
• 对人、畜及微生物无毒； • 不影响氧在发酵液中的溶解和传递； • 来源方便、广泛、价格便宜；
发酵过程优化与控制(第五章、丙酮酸发酵)ppt课件
二、蛋白胨浓度对丙酮酸发酵的影响 实验结果（图5-3）表明：初始葡萄糖浓度为80g/L，当培养 基中蛋白胨浓度为15g/L时，丙酮酸产量较高，低于15g/L时，葡 萄糖消耗速度较慢，细胞干重和丙酮酸产量也较低；而高于 15g/L时，丙酮酸产量明显下降。
三、豆饼水解液和无机氮源对丙酮酸发酵的影响
1、豆饼水解液对丙酮酸发酵的影响 实验结果（图5-4）表明：豆饼水解液浓度为5g/L时，发酵
用微生物中某一具有特定功能的酶完成由底物（如乳酸）
向丙酮酸的转化。 具体包括如下4种方法：
1、酵母直接发酵生产丙酮酸 常用的酵母有球拟酵母、嗜盐酵母、假丝酵母、得巴利酵 母等，其中球拟酵母属菌株，特别是烟酸、硫胺素、吡哆醇和 生物素4种维生素的营养缺陷型T.glabrata IFO 0005是发酵法生 产丙酮酸的首选菌株。
T.glabrata IFO 0005在只有聚蛋白胨而不添加维生素的种子培养
基上照样生长良好的实验结果表明聚蛋白胨中所含有的维生素 足以满足多重维生素营养缺陷途径中的作用显然无法得
出明确的结论，也不可能使丙酮酸产率达到很高的水平。
2、由于培养基中四种维生素的水平直接影响PDC
（丙酮酸脱羧酶）、PHD（丙酮酸脱氢酶系）、PC（丙 酮酸羧化酶）和PT（转氨酶）的活性，仅仅通过单因素
实验很难分析出烟酸、硫胺素、吡哆醇和生物素各自在丙
酮酸过量合成中的作用，也就谈不上合理优化策略的确定。 3、已有报道认为较高的溶氧有利于丙酮酸的积累， 但溶氧要高到什么程度，应当怎样控制等具体问题并没有 定论。此外，如果把生物素作为主要因素，溶氧作为次要 因素，这两种因素组合起来会对丙酮酸发酵过程产生什么 影响也未有报道。
葡萄糖 乙醇 Ⅰ 硫胺素 Ⅰ：丙酮酸脱羧酶（PDC） Ⅱ：转氨酶（PT） Ⅲ：丙酮酸羧化酶（PC） Ⅳ：丙酮酸脱氢酶系（PDH） 丙酮酸 Ⅳ Ⅱ 吡哆醇 氨基酸 硫胺素 烟酸 生物素
5发酵过程控制(溶氧)
2012年9月7日星期五
长江大学生科院生物工程系
25
2、影响发酵罐中kLa的因素
（1）设备参数：发酵罐的形 状结构、搅拌器（直径d）、 挡板、空气分布器等。 （2）操作条件：通气量Q、搅 拌转速N、搅拌功率PG、罐压、 发酵液体积V、液柱高度HL等。 （3）发酵液的性质：密度、 黏度、表面张力和扩散系数等。 （4）氧载体
2012年9月7日星期五 长江大学生科院生物工程系 19
引起溶氧异常升高的原因
在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改变， 如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特别是污 染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受 到抑制，溶氧有可能上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能 力，溶氧就直线上升。 由上可知，从发酵液中的溶氧变化，就可以了解微生物生 长代谢是否正常，工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足 等问题，帮助我们查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。
（即低于13%时产物的形成会受到抑制）
卷须霉素 CCr 为13% >8%
一般对于微生物： CCr: ＝1～25%饱和浓度 表7-5 P107
例：酵母 4.6×10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉 2.2×10-2 mmol.L-1, 8.8%
2012年9月7日星期五 长江大学生科院生物工程系 12
长江大学生科院生物工程系
10
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三、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
QO2
当溶解氧浓度高于临界值时， 微生物的呼吸强度保持恒定，与 培养液中的氧浓度无关；当低于 这个临界值时，微生物的呼吸强 度受到溶解氧浓度的影响，这时 细胞的代谢活动会因溶解氧浓度 的限制受到影响。p107
CCr
发酵调控PPT课件
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5
2、分支途径
（1）
（1）
E、G 协同反馈抑制第一个酶的活性和阻遏酶的生成。
当菌株失去 C D 的能力即 D 或 E 缺陷型突变株。解除了 E、G 对第一个酶的协同
反馈调节。当培养基中限量添加 E，那么只剩下 G 对 C
F 转变的控制。F、G 不会过
量生成，而使 C 得以积累。
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代谢控制发酵
Chapter 5 代谢控制发酵的 基本思想 ——（微生物代
谢的人工控制）
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1
微生物在正常情况下，通过细胞内 自我调节，维持各个代谢途径的相互协 调，使其代谢产物既不少又不会过多的 积累，而人类利用微生物进行发酵则需 要微生物积累较多的代谢产物，为此对 微生物的代谢必须进行人工控制 。
人工控制微生物代谢的方法主要有两 种：
一、改变微生物的遗传特征
二、控制发酵条件
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2
第一节 微生物生物合成途径的遗传控制
一、代谢缺陷型菌株（营养缺陷突变株） 1、无分支途径
A BC D E 无分支途径 （即直线型合成途径），通常因终产物 E 对途径第一个酶的反馈抑制或阻遏 而受调节控制，若我们选育失去 C D 的能力的 D 或 E 的营养缺陷型突变株，在培养 基中添加 D 或 E 使之足以维持生长，但不足引起反馈抑制与阻遏，则解除了 E 对此途径的 反馈调节，那么就会使中间产物 C 得以大量积累。这类菌株不能积累末端产物，只能积累 中间产物。例如谷氨酸棒杆菌的瓜氨酸缺陷突变株可积累鸟氨酸。
的素
影 响
对
Glu
产 生 菌
25
目前发酵工业中采用高产 GLU 产生菌株，种子培养要求营养丰富。 培养基：○1 采用纯生物素替代含生物素物质（玉米浆、去皮水解液、糖蜜等）限制生物素的
生化工艺 第五章发酵过程及控制 第四节发酵过程检测和自控
第四节 发酵过程检测和自控
2．尾气分析 尾气分析能在线、即时反映生产菌的生长情况。通 风发酵尾气中pH的减少和CO2的增加是培养基中营养物质 好氧代谢的结果。这两种气体（CO2 、O2）的在线分析所 获得的耗氧率（ OUR）和CO2释放率（CER）是目前有效 的微生物代谢活性指示值。目前主要有红外CO2分析仪 (IR)、热导式气相色谱法（GC）、CO2电极法、质谱仪等。 IR和电极法较为常用。O2分析仪有顺磁氧分析仪、极谱 氧电极和质谱仪。
第四节 发酵过程检测和自控
3．发酵液成分分析 发酵液成分的分析对于认识和控制发酵过程也是十分 重要的。高效液相层析(HPLC)具有分辨率高、灵敏度好、 测量范围广、快速及系统特异性等优点。目前已成为实验 室分析的主导方法。但进行分析前必须选择适当的层析柱、 操作温度、溶剂系统、梯度等，而且样品要经过亚微米级 过滤处理。与适当的自动取样系统连接，HPLC可对发酵液 进行在线分析。
第四节 发酵过程检测和自控
由生物化学性质可得到呼吸活动及糖代谢等信息， 这对了解发酵的代谢途径是很重要的。通过计算机可确 定碳平衡的变化，运用寄存数据可得细胞产量。采用不 同的底物并将计算得到的细胞产率和有机能量产率加以 比较，可能反映出有机化合物的分解代谢机制。这些变 量之间的关系将有助于阐明发酵过程的主要代谢途径以 及发酵生产的效率。
第四节 发酵过程检测和自控
③最优控制 最优控制是指根据生产情况，随时改变某些参数给定 值，以达到生产过程的最优化控制。最优控制常用观察指 标：最高产量、最优质量、最佳经济效益等。最优化控制 时，根据生产过程的变化情况，改变其中某些参数给定值， 使产量达到最大。 使用计算机对发酵过程中的有关参数进行数据分析， 可深入了解发酵过程的物理、化学、生理和生化条件，指 导生产，调整操作参数，获取新的信息。否则这些条件或 者无从了解或者由于测定或计算费事、费时而只能在事后 才能加以测定。
2024年第五章-发酵过程控制ppt课件(全)
四、半连续发酵
半连续培养又称为反复分批培养或换液培养，在补 料-分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液（带 放）便可称为半连续发酵。
半连续发酵也有它的不足：①放掉发酵液的同时也 丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体；② 定期补充和带放使发酵液稀释，送去提炼的发酵液 体积更大；③发酵液被稀释后可能产生更多的代谢 有害物，最终限制发酵产物的合成；④一些经代谢 产生的前体可能丢失；⑤有利于非产生菌突变株的 生长。据此，在采用此工艺时必须考虑上述的技术 上限制，不同的品种应根据具体情况具体分析。
Xt——经过培养时间t的菌体浓度。
减速期（Ⅳ）
减速期（Ⅳ）：在指数生长期，随着细胞的大 量繁殖，培养基中养分的迅速减少，有害代谢 物的逐渐积累，细胞的比生长速率逐渐下降， 即进入减速期（Ⅳ）。
减速期的长短取决于菌对限制性基质的亲和力 （Ks值），亲和力高，即Ks值小，则减速期 短。
静止期（V）
第一节 发酵方式
一、概述
发酵：指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇 等的分解代谢过程。
广义发酵：微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经过 特定的代谢转变成所需产物的过程。
微生物培养：亦称微生物发酵，发酵生产按微生物培养工艺 不同可以分为固态发酵和液态发酵两种类型。两者在工艺过 程上大体相同，主要工艺过程为： 斜面菌种培养～菌体或孢子悬浮液制备～种子扩大培养～ 发酵培养～发酵产物与发酵基质分离～提纯与精制～成品。
中间发酵型。 Ⅲ型为非生长联系型，又称复杂发酵型 Deindoerfer根据发酵的进程，将发酵分为五类，即
单一型、并进型、连贯型、分段型和复合型。
二、微生物生长动力学
1.生长速率 在微生物的培养过程中，菌体浓度的增加速率与菌体浓度、基质浓度和
5. 发酵过程控制
补糖的控制：时机、方式和指标； 补糖的控制：时机、方式和指标； 通氨及补氮：用于调节pH值和补充无机氮源 值和补充无机氮源， 通氨及补氮：用于调节pH值和补充无机氮源，多 采用少量间隙添加或少量自动流加。 采用少量间隙添加或少量自动流加。 补充无机元素和促进剂及前体。 补充无机元素和促进剂及前体。
五、发酵过程中泡沫的产生 和控制
影响生物热的因素
菌株的性能、接种量、菌丝浓度、 菌株的性能、接种量、菌丝浓度、培养基的成分和 发酵时间都直接影响着生物热的大小。 发酵时间都直接影响着生物热的大小。
最适发酵温度
指最适于产生菌生长或抗生素合成的温 度。 特点： 特点：
最适温度是一个相对的概念； 最适温度是一个相对的概念； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵温度的选择要参考其它发酵条件，如通 发酵温度的选择要参考其它发酵条件， 气条件、培养基的组成和浓度等。 气条件、培养基的组成和浓度等。
三、通气和搅拌
影响发酵过程中需氧的因素： 影响发酵过程中需氧的因素：
① 生产菌种：1）不同菌种；2）同一菌种的不同生 生产菌种： 不同菌种； 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素： 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素：单 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重） 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重）在单位时间 内的耗氧量。 内的耗氧量。 ② 培养基 ③ 菌丝浓度和形状 种子的质和量： ④ 种子的质和量：接种量和接种龄 ⑤ 泡沫和消泡剂 ⑥ 其它因素
菌丝形态与产量的关系
以产黄青霉生产青霉素为例： 以产黄青霉生产青霉素为例：
I. 分生孢子发芽，具有小空泡； 分生孢子发芽，具有小空泡； II. 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； III. 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； IV. 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 开始大量分泌青霉素； 开始大量分泌青霉素； V. 菌丝体出现大空泡，含1个中性红染色的大颗粒， 菌丝体出现大空泡， 个中性红染色的大颗粒， 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； VI. 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长，少数菌丝自 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长， 青霉素分泌减少。 溶，青霉素分泌减少。
五、发酵过程中泡沫的产生 和控制
影响生物热的因素
菌株的性能、接种量、菌丝浓度、 菌株的性能、接种量、菌丝浓度、培养基的成分和 发酵时间都直接影响着生物热的大小。 发酵时间都直接影响着生物热的大小。
最适发酵温度
指最适于产生菌生长或抗生素合成的温 度。 特点： 特点：
最适温度是一个相对的概念； 最适温度是一个相对的概念； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵温度的选择要参考其它发酵条件，如通 发酵温度的选择要参考其它发酵条件， 气条件、培养基的组成和浓度等。 气条件、培养基的组成和浓度等。
三、通气和搅拌
影响发酵过程中需氧的因素： 影响发酵过程中需氧的因素：
① 生产菌种：1）不同菌种；2）同一菌种的不同生 生产菌种： 不同菌种； 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素： 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素：单 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重） 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重）在单位时间 内的耗氧量。 内的耗氧量。 ② 培养基 ③ 菌丝浓度和形状 种子的质和量： ④ 种子的质和量：接种量和接种龄 ⑤ 泡沫和消泡剂 ⑥ 其它因素
菌丝形态与产量的关系
以产黄青霉生产青霉素为例： 以产黄青霉生产青霉素为例：
I. 分生孢子发芽，具有小空泡； 分生孢子发芽，具有小空泡； II. 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； III. 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； IV. 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 开始大量分泌青霉素； 开始大量分泌青霉素； V. 菌丝体出现大空泡，含1个中性红染色的大颗粒， 菌丝体出现大空泡， 个中性红染色的大颗粒， 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； VI. 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长，少数菌丝自 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长， 青霉素分泌减少。 溶，青霉素分泌减少。
第五章谷氨酸的发酵控制
（3）消泡的方法
①物理方法：如改变温度 ②机械消泡：如耙式消泡器 优点：节省消泡剂，减少污染。 缺点：不能从根本上消除引起泡沫稳定的因素。
（3）消泡的方法
③化学消泡：加入消泡剂
优点：消泡效果好，作用快，用量少。
缺点：可能会影响菌体生长或代谢产物的生成； 增加染菌机会；添加过量会影响氧的传递。
④发酵工业上采用机械消泡与化学消泡结合 的方法。
１．高初糖发酵
如，在高初糖谷氨酸发酵中，高玉米浆用量和高生物 素用量可以明显降低高初糖对菌体细胞的抑制作用；
且在接种量１０％，玉米浆用量为０．５５％，生物 素用量为１０μｇ／Ｌ，初糖１９０ｇ／Ｌ的谷氨酸发酵 中，流加５００ｇ／Ｌ的浓糖，３０ｈ的产酸率达到１４ ５．８ｇ／Ｌ，糖酸转化率达到６０．３２％。
<24
180 2500 200
10
11.5
270 600～ 120 1800
1200 53
1200 8300 1300
第二节 主要发酵参数分段控制原则及其特点
一、中初糖流加高浓度糖液的 生物素“超亚适量”工艺
1. 流 程 图
2．谷氨酸发酵记录表
3.培养基的配方
（1）二级种子培养基 葡萄糖 300kg；KH2PO4 12kg；MgSO4· 2O 6kg；糖 7H 蜜100kg；玉米浆 200kg；纯生物素150mg；消泡剂 1.5kg；定容7000L，实消，121℃保温 10min。
3.无机盐
(3)钾 钾是许多酶的激活剂。 对谷氨酸发酵的影响： 谷氨酸发酵产物生成所需要的钾盐比菌体生长需要 量高，钾盐少利于长菌体，钾盐充足利于产谷氨酸。菌 体生长需钾约为1.0～1.5mmol／L，谷氨酸生成需钾约 为2.0～10.0mmol／L。
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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、效价、糖含量、前体(如 苯乙酸)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、 排气中的O2和CO2含量等。
发酵过程各参数概况
参数名称 温度 罐压
空气流量 搅拌转速
pH
测试方法 传感器 压力表 传感器 传感器 酸度计
3．溶解氧浓度［10-6（ppm）或饱和度（％）］
• 溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。 •利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的 规律，反映发酵的异常情况，也可作为发醉中间 控制的参数及设备供氧能力的指标。 •溶氧浓度一般用绝对含量（10-6）来表示、有时 也用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。
意义、主要作用 维持生长、合成 维持正压、增加DO 供氧排泄废气提高KLα 物料混合、提高KLα 反映pH、KLα
第二节、发酵过程控制
一、温度变化及控制 1.温度对发酵的影响
（1）影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。 在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率
也增加，但有一个最适温的酶反应的影响不同。
3．搅拌转速（r／min） •搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度， 通常以每1min的转数来表示。 •它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液的 均匀性有关。
4．搅拌功率（kw） 指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每1m3发酵 液所消耗的功率（kw／m3）。 它的大小与氧容量传递系数有关。
5．空气流量［V／（V·min），简称VVM］ •每1min内每单性体积发酵液通入空气的体积， 也是需氧发酵的控制参数。 •与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在 0.5～1.0V／（V·min）范围内。
6．粘度（Pa·s） 粘度大小可以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。 通常用表观粘度表示之：它的大小可改变氧传递 的阻力。
7．浊度（％） 浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数，
对某些产品的生产是极其重要的参数。一般采 用分光光度计的波长420～660 nm测量。浊度 对氨基酸、核苷酸等产品的生产是极其重要的。
4．产物的浓度[μg（u）／ml] 这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的 重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。
5．废气中的氧含量（％） • 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数 有关。 •从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率 和发酵罐的供氧能力。
6．废气中的CO2浓度（％） • 废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的CO2。测定 它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生菌的 呼吸代谢规律。 ７.氧化还原电位（mV)
• 计算
（菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速 率、氮比消耗速率和产物比生产速率）
（控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件）
研究
发酵动力学
由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数 据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接 从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多 有用的参数就地通过传感方式变成各种输出信号。
也是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。 对微生物，培养基最适宜和所允许的最大电位值， 应与微生物本身的种类和生理状态有关。
其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的酶等。
（三）生物参数
1．菌丝形态
•丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢 变化的反映。
•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。
8. 料液流量（L／min） 这是控制流体进料的参数。
（二）化学参数
1． pH（酸碱度）
•发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和产碱 的生化反应的综合结果。
•它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的高 低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。
2．基质浓度（g或mg％） •是指发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的 浓度。 •它们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。 •在发酵过程中，必须定时测定糖（还原糖和 总糖）、氮（氨基氮或氨氮）等基质的浓度。
如产黄青霉菌体的最适生长温度为30℃，黑曲酶的 最适生长温度为37度
（2）温度还能改变菌种代谢产物的合成方 向，细胞生长和代谢产物积累的最适温度也 往往是不同的。
例如，青霉素产生菌的生长最适温度为 30度，而产生青霉素的最适温度为25度；
（3）影响发酵液的物理性质。
发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的 溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收 速率等。
2．菌体浓度 •菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵的重要 参数之一。
•大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响
•在生产上，常常根据菌体浓度来决定适合的补 料量和供氧量，以保证生产达到顶期的水平。
（三）发酵参数在发酵过程控制中的作用
• （发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、 糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值）
第五章 发酵过程控制
典型的细菌生长曲线
a适应期（迟滞期）
10
b对数生长期期
c稳定期(平稳期）
d死亡期（衰老期）
d
b
c
a
0
ab菌体生长阶段
时间
c产物合成阶段
16
d菌体自溶阶段
第一节、发酵过程的主要控制参数
（一）物理参数 1．温度（℃） •发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。 •影响酶反应速率、氧在培养液中的溶解度与传 递速率、菌体生长速率和产物合成速率 2．压力（Pa） 发酵过程中发酵罐维持的压力, 罐内维持正压可 以防止外界空气中的杂菌侵入，保证纯种的培养, 间接影响菌体代谢。一般维持在 0.2×105~0.5×105Pa。
2.最适温度的选择
（1）根据菌种及生长阶段选择 •前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速； •中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长 中期，从而提高产量，因此温度要稍低一些，可以 推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和 核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。 •后期产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。
发酵过程各参数概况
参数名称 温度 罐压
空气流量 搅拌转速
pH
测试方法 传感器 压力表 传感器 传感器 酸度计
3．溶解氧浓度［10-6（ppm）或饱和度（％）］
• 溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。 •利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的 规律，反映发酵的异常情况，也可作为发醉中间 控制的参数及设备供氧能力的指标。 •溶氧浓度一般用绝对含量（10-6）来表示、有时 也用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。
意义、主要作用 维持生长、合成 维持正压、增加DO 供氧排泄废气提高KLα 物料混合、提高KLα 反映pH、KLα
第二节、发酵过程控制
一、温度变化及控制 1.温度对发酵的影响
（1）影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。 在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率
也增加，但有一个最适温的酶反应的影响不同。
3．搅拌转速（r／min） •搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度， 通常以每1min的转数来表示。 •它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液的 均匀性有关。
4．搅拌功率（kw） 指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每1m3发酵 液所消耗的功率（kw／m3）。 它的大小与氧容量传递系数有关。
5．空气流量［V／（V·min），简称VVM］ •每1min内每单性体积发酵液通入空气的体积， 也是需氧发酵的控制参数。 •与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在 0.5～1.0V／（V·min）范围内。
6．粘度（Pa·s） 粘度大小可以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。 通常用表观粘度表示之：它的大小可改变氧传递 的阻力。
7．浊度（％） 浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数，
对某些产品的生产是极其重要的参数。一般采 用分光光度计的波长420～660 nm测量。浊度 对氨基酸、核苷酸等产品的生产是极其重要的。
4．产物的浓度[μg（u）／ml] 这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的 重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。
5．废气中的氧含量（％） • 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数 有关。 •从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率 和发酵罐的供氧能力。
6．废气中的CO2浓度（％） • 废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的CO2。测定 它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生菌的 呼吸代谢规律。 ７.氧化还原电位（mV)
• 计算
（菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速 率、氮比消耗速率和产物比生产速率）
（控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件）
研究
发酵动力学
由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数 据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接 从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多 有用的参数就地通过传感方式变成各种输出信号。
也是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。 对微生物，培养基最适宜和所允许的最大电位值， 应与微生物本身的种类和生理状态有关。
其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的酶等。
（三）生物参数
1．菌丝形态
•丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢 变化的反映。
•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。
8. 料液流量（L／min） 这是控制流体进料的参数。
（二）化学参数
1． pH（酸碱度）
•发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和产碱 的生化反应的综合结果。
•它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的高 低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。
2．基质浓度（g或mg％） •是指发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的 浓度。 •它们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。 •在发酵过程中，必须定时测定糖（还原糖和 总糖）、氮（氨基氮或氨氮）等基质的浓度。
如产黄青霉菌体的最适生长温度为30℃，黑曲酶的 最适生长温度为37度
（2）温度还能改变菌种代谢产物的合成方 向，细胞生长和代谢产物积累的最适温度也 往往是不同的。
例如，青霉素产生菌的生长最适温度为 30度，而产生青霉素的最适温度为25度；
（3）影响发酵液的物理性质。
发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的 溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收 速率等。
2．菌体浓度 •菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵的重要 参数之一。
•大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响
•在生产上，常常根据菌体浓度来决定适合的补 料量和供氧量，以保证生产达到顶期的水平。
（三）发酵参数在发酵过程控制中的作用
• （发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、 糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值）
第五章 发酵过程控制
典型的细菌生长曲线
a适应期（迟滞期）
10
b对数生长期期
c稳定期(平稳期）
d死亡期（衰老期）
d
b
c
a
0
ab菌体生长阶段
时间
c产物合成阶段
16
d菌体自溶阶段
第一节、发酵过程的主要控制参数
（一）物理参数 1．温度（℃） •发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。 •影响酶反应速率、氧在培养液中的溶解度与传 递速率、菌体生长速率和产物合成速率 2．压力（Pa） 发酵过程中发酵罐维持的压力, 罐内维持正压可 以防止外界空气中的杂菌侵入，保证纯种的培养, 间接影响菌体代谢。一般维持在 0.2×105~0.5×105Pa。
2.最适温度的选择
（1）根据菌种及生长阶段选择 •前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速； •中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长 中期，从而提高产量，因此温度要稍低一些，可以 推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和 核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。 •后期产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。