第五節(jié)發(fā)酵過(guò)程控制與優(yōu)化

發(fā)酵過(guò)程控制與優(yōu)化第五章什么是發(fā)酵過(guò)程？發(fā)酵過(guò)程：是指由生長(zhǎng)繁殖的細(xì)胞所引起的生物反應(yīng)過(guò)程。它不僅包括了以往“發(fā)酵”的全部領(lǐng)域，而且還包括固定化細(xì)胞的反應(yīng)過(guò)程、生物法廢水處理過(guò)程和細(xì)菌采礦等過(guò)程。本章講述的內(nèi)容第一節(jié)發(fā)酵過(guò)程技術(shù)原理第二節(jié)發(fā)酵條件的影響及其控制第三節(jié)泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制第四節(jié)發(fā)酵終點(diǎn)的判斷與自溶監(jiān)測(cè)第五節(jié)發(fā)酵染菌的防治及其處理5.1發(fā)酵過(guò)程技術(shù)原理代謝變化:就是反映發(fā)酵過(guò)程中菌體的生長(zhǎng)，發(fā)酵參數(shù)（培養(yǎng)基，培養(yǎng)條件等）和產(chǎn)物形成速率三者間的關(guān)系。

目的：了解生產(chǎn)菌種在具有合適的培養(yǎng)基、pH、溫度和通氣攪拌等環(huán)境條件下對(duì)基質(zhì)的利用、細(xì)胞的生長(zhǎng)以及產(chǎn)物合成的代謝變化，有利于人們對(duì)生產(chǎn)的控制。發(fā)酵過(guò)程按進(jìn)行過(guò)程有三種方式：分批發(fā)酵(Batchfermentation)補(bǔ)料分批發(fā)酵(Fed-batchfermentation)連續(xù)發(fā)酵(Continuousfermentation)1.分批發(fā)酵的定義是指在一封閉系統(tǒng)內(nèi)含有初始限量基質(zhì)的發(fā)酵方式。在這一過(guò)程中，除了氧氣、消泡劑及控制pH的酸或堿外，不再加入任何其它物質(zhì)。發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)基成分減少，微生物得到繁殖。一、分批發(fā)酵2.分批發(fā)酵的特點(diǎn)微生物所處的環(huán)境在發(fā)酵過(guò)程中不斷變化，其物理，化學(xué)和生物參數(shù)都隨時(shí)間而變化，是一個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程。優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單；操作引起染菌的概率低。不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問(wèn)題。缺點(diǎn)非生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)、設(shè)備利用率低。3.分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)4.分批發(fā)酵的生長(zhǎng)曲線單細(xì)胞微生物5.分批發(fā)酵的類型Piret'sfermentationclassification（按照產(chǎn)物生成與菌體生長(zhǎng)是否同步）生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)型(第一類型）生長(zhǎng)無(wú)關(guān)聯(lián)型（第二，三類型）二、補(bǔ)料分批發(fā)酵1.定義:補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵或流加分批發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過(guò)程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加新鮮培養(yǎng)基的發(fā)酵方式。2.補(bǔ)料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)使發(fā)酵系統(tǒng)中維持很低的基質(zhì)濃度；不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異等問(wèn)題。缺點(diǎn)存在一定的非生產(chǎn)時(shí)間；和分批發(fā)酵比，中途要流加新鮮培養(yǎng)基，增加了染菌的危險(xiǎn)。3.補(bǔ)料分批發(fā)酵的類型補(bǔ)料方式連續(xù)流加不連續(xù)流加多周期流加補(bǔ)料成分單一組分流加多組分流加控制方式反饋控制無(wú)反饋控制三、連續(xù)發(fā)酵

1.定義：培養(yǎng)基料液連續(xù)輸入發(fā)酵罐，并同時(shí)放出含有產(chǎn)品的相同體積發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態(tài)（恒定的基質(zhì)濃度、恒定的產(chǎn)物濃度、恒定的pH、恒定菌體濃度、恒定的比生長(zhǎng)速率）下生長(zhǎng)的發(fā)酵方式。2.連續(xù)發(fā)酵的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)能維持低基質(zhì)濃度；可以提高設(shè)備利用率和單位時(shí)間的產(chǎn)量；便于自動(dòng)控制。缺點(diǎn)菌種發(fā)生變異的可能性較大；要求嚴(yán)格的無(wú)菌條件。3.連續(xù)發(fā)酵的類型恒化培養(yǎng)：使培養(yǎng)基中限制性基質(zhì)的濃度保持恒定。恒濁培養(yǎng)：使培養(yǎng)基中菌體的濃度保持恒定。4.連續(xù)發(fā)酵的代謝曲線從分批培養(yǎng)出發(fā)，無(wú)論在哪個(gè)時(shí)候開始加入新鮮培養(yǎng)基過(guò)渡到連續(xù)操作，達(dá)到一定的菌體濃度及限制基質(zhì)濃度則培養(yǎng)系統(tǒng)一定能成為穩(wěn)定狀態(tài)。5.2發(fā)酵條件的影響及其控制發(fā)酵條件控制的目的：就是要為生產(chǎn)菌創(chuàng)造一個(gè)最適的環(huán)境，使我們所需要的代謝活動(dòng)得以最充分的表達(dá)。一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響及控制1.影響發(fā)酵溫度的因素產(chǎn)熱因素：生物熱，攪拌熱。散熱因素：蒸發(fā)熱，輻射熱。

發(fā)酵熱：發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量。

Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射

生物熱：生物熱是生產(chǎn)菌在生長(zhǎng)繁殖時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。培養(yǎng)基中碳水化合物，脂肪，蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為CO2,NH3時(shí)釋放出的大量能量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代謝活動(dòng)熱能散發(fā)影響生物熱的因素：生物熱隨菌株，培養(yǎng)基，發(fā)酵時(shí)期的不同而不同。生物熱的大小還與菌體的呼吸強(qiáng)度有對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抗生素高產(chǎn)量批號(hào)的生物熱高于低產(chǎn)量批號(hào)的生物熱。說(shuō)明抗生素合成時(shí)微生物的新陳代謝十分旺盛。

1、抗生素相對(duì)活性為12、抗生素相對(duì)活性為0.5發(fā)酵過(guò)程中生物熱的變化

攪拌熱：通風(fēng)發(fā)酵都有大功率攪拌，攪拌的機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成液體之間，液體與設(shè)備之間的摩擦而產(chǎn)生的熱。

蒸發(fā)熱：通入發(fā)酵罐的空氣，其溫度和濕度隨季節(jié)及控制條件的不同而有所變化?？諝膺M(jìn)入發(fā)酵罐后，就和發(fā)酵液廣泛接觸進(jìn)行熱交換。同時(shí)必然會(huì)引起水分的蒸發(fā)；蒸發(fā)所需的熱量即為蒸發(fā)熱。

輻射熱：由于發(fā)酵罐內(nèi)外溫度差，通過(guò)罐體向外輻射的熱量。輻射熱可通過(guò)罐內(nèi)外的溫差求得，一般不超過(guò)發(fā)酵熱的5%。發(fā)酵熱的測(cè)定（1）通過(guò)測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度，由下式求得這段時(shí)間內(nèi)的發(fā)酵熱。（2）通過(guò)罐溫的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自控裝置測(cè)得溫度隨時(shí)間上升的速率S，按下式可求得發(fā)酵熱：影響各種酶的反應(yīng)速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)影響生物合成的方向。例如，四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌同時(shí)能產(chǎn)生金霉素。在低于30℃溫度下，該菌種合成金霉素能力較強(qiáng)。當(dāng)溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高。在溫度達(dá)35℃則只產(chǎn)生四環(huán)素而金霉素合成幾乎停止。2溫度對(duì)發(fā)酵的影響

最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生長(zhǎng)階段有關(guān)。最適發(fā)酵溫度的選擇在發(fā)酵的整個(gè)周期內(nèi)僅選一個(gè)最適培養(yǎng)溫度不一定好。溫度的選擇要參考其它發(fā)酵條件。溫度的選擇還應(yīng)考慮培養(yǎng)基成分和濃度3最適溫度的確定發(fā)酵罐：夾套（10M3以下）盤管（蛇管）（10M3以上）4溫度的控制二、pH對(duì)發(fā)酵的影響及控制發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)液的pH值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動(dòng)的綜合指標(biāo)，是一項(xiàng)重要的發(fā)酵參數(shù)。它對(duì)菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)品的積累有很大的影響。盡管多數(shù)微生物能在3~4個(gè)pH單位的pH范圍內(nèi)生長(zhǎng)，但是在發(fā)酵工藝中，為了達(dá)到高生長(zhǎng)速率和最佳產(chǎn)物形成，必須使pH在很窄的范圍內(nèi)保持恒定。1.pH值對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物合成的影響pH影響酶的活性pH影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)pH影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解pH不同，往往引起菌體代謝過(guò)程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變2.發(fā)酵過(guò)程中pH的變化生長(zhǎng)階段生成階段自溶階段碳源過(guò)量消泡油添加過(guò)量生理酸性物質(zhì)的存在3引起pH下降的因素氮源過(guò)多生理堿性物質(zhì)的存在中間補(bǔ)料，堿性物質(zhì)添加過(guò)多4引起pH上升的因素原則：有利于菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成。一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。最適pH與菌株，培養(yǎng)基組成，發(fā)酵工藝有關(guān)。應(yīng)按發(fā)酵過(guò)程的不同階段分別控制不同的pH范圍。5最適pH的選擇調(diào)節(jié)基礎(chǔ)培養(yǎng)基的配方調(diào)節(jié)碳氮比（C/N）添加緩沖劑補(bǔ)料控制直接加酸加堿補(bǔ)加碳源或氮源6pH的控制大多數(shù)發(fā)酵過(guò)程是好氧的，因此需要供氧。如果考慮呼吸的化學(xué)計(jì)量，則葡萄糖的氧化可由下式表示：C6H12O6

十6O2＝6H2O十6CO2

只有當(dāng)這兩種反應(yīng)物均溶于水后，才對(duì)菌體有用。氧在水中的溶解度比葡萄糖要小約6000倍左右(氧在水中的飽和度約為l0mg/L)

。許多發(fā)酵的生產(chǎn)能力受到氧利用限制，因此氧成為影響發(fā)酵效率的重要因素。三、氧對(duì)發(fā)酵的影響1發(fā)酵過(guò)程的溶氧變化發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時(shí)需氧超過(guò)供氧，溶氧明顯下降。發(fā)酵中后期：溶氧濃度明顯地受工藝控制手段的影響，如補(bǔ)料的數(shù)量、時(shí)機(jī)和方式等。發(fā)酵后期：由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會(huì)逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會(huì)明顯地上升。

2溶氧的控制調(diào)節(jié)通風(fēng)與攪拌（具體內(nèi)容在通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備中介紹）限制基礎(chǔ)培養(yǎng)基的濃度，使發(fā)酵器內(nèi)的生物體濃度維持于適當(dāng)水平；并以補(bǔ)料方式供給某些營(yíng)養(yǎng)成分而控制菌體生長(zhǎng)率和呼吸率。

四、CO2對(duì)發(fā)酵的影響及控制CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時(shí)也是某些合成代謝的基質(zhì)。它是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。在發(fā)酵過(guò)程中，CO2有可能對(duì)發(fā)酵有促進(jìn)作用，也有可能有抑制作用。1.

CO2對(duì)發(fā)酵的影響CO2對(duì)菌體具有抑制作用，當(dāng)排氣中CO2的濃度高于4%時(shí)，微生物的糖代謝和呼吸速率下降。例如，發(fā)酵液中CO2的濃度達(dá)到1.6×10-1mol，就會(huì)嚴(yán)重抑制酵母的生長(zhǎng)；當(dāng)進(jìn)氣口CO2的含量占混合氣體的80%時(shí)，酵母活力與對(duì)照相比降低20%。CO2對(duì)發(fā)酵也有影響對(duì)發(fā)酵促進(jìn)。如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含5%的CO2。對(duì)發(fā)酵抑制。如對(duì)肌苷、異亮氨酸、組氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制影響發(fā)酵液的酸堿平衡

CO2及HCO3-主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生改變，影響到細(xì)胞膜的輸送效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。培養(yǎng)液中的CO2主要作用于細(xì)胞膜的脂質(zhì)核心部位。HCO3-影響細(xì)胞膜的膜蛋白。2.

CO2對(duì)發(fā)酵影響的機(jī)理3.

CO2的控制CO2在發(fā)酵液中的濃度變化不像溶解氧那樣有一定的規(guī)律。它的大小受到許多因素的影響，如細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變學(xué)特性、通氣攪拌程度、罐壓大小、設(shè)備規(guī)模等。在發(fā)酵過(guò)程中通常通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)和攪拌來(lái)控制。五、培養(yǎng)基對(duì)發(fā)酵的影響發(fā)酵培養(yǎng)基必需滿足微生物的能量、元素及特殊養(yǎng)分的需求：碳源、氮源、礦物質(zhì)、特殊養(yǎng)分（嘌呤、嘧啶）基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響：低濃度有誘導(dǎo)作用，高濃度會(huì)起分解代謝物阻遏作用；培養(yǎng)基過(guò)于豐富中，會(huì)使菌體生長(zhǎng)過(guò)盛，發(fā)酵液黏稠，影響傳質(zhì)。六、種子質(zhì)量、滅菌情況接種種領(lǐng)、接種量滅菌時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)培養(yǎng)基中養(yǎng)分破壞越大。七、加糖補(bǔ)料對(duì)發(fā)酵的影響5.3發(fā)酵過(guò)程中的泡沫及其控制1.泡沫的性質(zhì)

泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。發(fā)酵過(guò)程中所遇到的泡沫，其分散相是無(wú)菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。一類存在于發(fā)酵液的液面上，這類泡沫氣相所占比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辮的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見到的。另一種泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當(dāng)中。這種泡沫分散很細(xì)，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體間沒有明顯的波面界限，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比例由下而上地逐漸增加。2泡沫的類型由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（通風(fēng)、攪拌）；發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)）。3泡沫產(chǎn)生的原因降低發(fā)酵設(shè)備的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的機(jī)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物的損失消泡劑會(huì)給后提取工序帶來(lái)困難4泡沫對(duì)發(fā)酵的不利影響通氣與攪拌的強(qiáng)度培養(yǎng)基的配比及原材料組成培養(yǎng)基的破壞程度接種量的大小培養(yǎng)液本身性質(zhì)的變化培養(yǎng)基滅菌的方法和操作染菌5影響泡沫穩(wěn)定的因素不同攪拌速度和通氣量對(duì)泡沫影響不同濃度蛋白質(zhì)原科的起泡作用滅菌時(shí)間對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

6發(fā)酵過(guò)程泡沫的變化7發(fā)酵過(guò)程泡沫控制的方法物理消沫法化學(xué)消沫法物理消泡法方法:罐內(nèi)消沫法,罐外消沫法。原理:靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動(dòng)或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收。優(yōu)點(diǎn)：不需要引進(jìn)外界物質(zhì)、節(jié)省原材料、減少污染機(jī)會(huì)。缺點(diǎn)：不能從根本眾消除引起穩(wěn)定泡沫的因素。化學(xué)消泡法機(jī)理當(dāng)泡沫的表層存在著由極性的表面活性物質(zhì)形成雙電層時(shí)，可以加入另一種具有相反電荷的表面活性劑，以降低泡沫的機(jī)械強(qiáng)曲或加入某些具有強(qiáng)極性的物質(zhì)與發(fā)泡劑爭(zhēng)奪液膜上的空間，降低液膜強(qiáng)度，使泡沫破裂。當(dāng)泡沫的液膜具有較大的表面粘度時(shí)，可以加入某些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液體流失，導(dǎo)致泡沫破裂。選擇消泡劑的依據(jù)對(duì)發(fā)酵過(guò)程無(wú)毒，對(duì)人、畜無(wú)害和不影響酶的生物合成。消泡作用迅速，效果高和持久性能好能耐高壓蒸氣滅菌而不變性，在滅菌溫庫(kù)下對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕性或不形成腐蝕性產(chǎn)物。不影響以后的提取過(guò)程。消沫劑的來(lái)源多，價(jià)格低，添加裝置簡(jiǎn)單。不干擾分析系統(tǒng)，如溶解氧、pH測(cè)定儀的探頭。最好還能做到不影響氧的傳遞。消泡劑的種類和性能天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、魚油及豬油等。聚醚類：在生產(chǎn)上應(yīng)用較多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又稱泡敵)。高級(jí)醇類十八醇是較常用的一種，可以單獨(dú)或與載體—起使用。據(jù)報(bào)導(dǎo)，它與冷榨豬油一起控制青男素發(fā)酵的泡沫，效果較好。聚二酵具有消沫效果持久的特點(diǎn)，尤其適用于霉菌發(fā)酵。硅酮類硅酮類消沫劑主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。5.4發(fā)酵終點(diǎn)的判斷與自溶監(jiān)測(cè)發(fā)酵終點(diǎn)的判斷的意義：保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益；追求提高產(chǎn)率（kg產(chǎn)物／m3發(fā)酵液

)

／h，得率（轉(zhuǎn)化率）（kg產(chǎn)物／kg基質(zhì)）和發(fā)酵系數(shù)［（kg產(chǎn)物／m3罐容積）／h發(fā)酵周期］一、發(fā)酵終點(diǎn)的判斷合理的放罐時(shí)間是由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的，即根據(jù)不同的發(fā)酵時(shí)間所得的產(chǎn)物產(chǎn)量計(jì)算出發(fā)酵罐的生產(chǎn)率和產(chǎn)品成本，采用生產(chǎn)率高而成本又低的時(shí)間，作為放罐時(shí)間。確定合理放罐時(shí)間，需考慮下列幾個(gè)因素：

經(jīng)濟(jì)因素、產(chǎn)品質(zhì)量因素、特殊因素。二、判斷放罐指標(biāo)產(chǎn)物濃度、過(guò)濾速度、氨基氮、菌絲形態(tài)，

pH、培養(yǎng)液的外觀、粘度無(wú)論是初級(jí)代謝產(chǎn)物或次級(jí)代謝產(chǎn)物發(fā)酵，到了末期，菌體的分泌能力都要下降，使產(chǎn)物的生產(chǎn)能力下降或停止，有的生產(chǎn)菌在發(fā)酵末期，營(yíng)養(yǎng)耗盡，菌體衰老而進(jìn)入自溶，釋放出體內(nèi)的分解酶會(huì)破壞已形成的產(chǎn)物。菌體自溶：微生物因營(yíng)養(yǎng)的缺乏或處在不利的生長(zhǎng)環(huán)境下受其自身作用開始裂解的過(guò)程。造成自溶的因素有：化學(xué)物質(zhì)，如高濃度的乙醇、碳氮源或氧的缺乏。5.5染菌的防治及處理染菌的途徑：

種子包括進(jìn)罐前菌種室階段出問(wèn)題;

培養(yǎng)基的配制和滅菌不徹底;

空氣帶菌；

設(shè)備上特別空氣除菌不徹底和過(guò)程控制；操作上的疏漏。染菌對(duì)發(fā)酵的影響

1、對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響染菌的發(fā)酵液含有較多的蛋白質(zhì)和其它雜質(zhì)，影響產(chǎn)品純度；不易澄清，影響產(chǎn)品的外觀。2、對(duì)過(guò)濾的影響發(fā)酵液的粘度加大；菌體大多自溶；造成過(guò)濾時(shí)間拉長(zhǎng)，影響設(shè)備的周轉(zhuǎn)使用，3、對(duì)提取的影響染菌的發(fā)酵液含有更多的水溶性蛋白質(zhì)，易發(fā)生乳化，不易提?。浑s菌易粘附，純化困難。

4、由于泡沫大量生成，致使培養(yǎng)液的容量一般只能等于種子罐容量的一半左右，大大影響了設(shè)備的利用率，甚至發(fā)生跑料，招致染菌，造成巨大損失。防治措施

分析原因，具體解決。

作業(yè)什么是分批發(fā)酵、補(bǔ)料分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵，它們各有何優(yōu)缺點(diǎn)？發(fā)酵過(guò)程中引起發(fā)酵液pH變動(dòng)的原因有哪些？染菌對(duì)發(fā)酵有何影響，可能的途徑是什么？發(fā)酵終點(diǎn)的放罐時(shí)間如何確定，需考慮哪些因素？第六章

發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)物理參數(shù)化學(xué)參數(shù)生物參數(shù)一、物理參數(shù)1.溫度

指發(fā)酵整個(gè)過(guò)程或不同階段所維持的溫度。

溫度的高低與下列參數(shù)有密切關(guān)系發(fā)酵中的酶反應(yīng)速度菌體生長(zhǎng)速度，產(chǎn)物合成速度氧在培養(yǎng)液中的溶解度，傳遞速度發(fā)酵罐維持的壓力。罐內(nèi)維持正壓，可防止外界空氣中雜菌的侵入，保證純種培養(yǎng)。罐壓的高低與氧，CO2在培養(yǎng)液中的溶解度有關(guān)，間接影響菌體代謝。罐壓一般維持在0.2~0.5公斤。2.壓力3.攪拌轉(zhuǎn)速是指攪拌器在發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)動(dòng)速度。攪拌轉(zhuǎn)速大小與發(fā)酵液的均勻性和氧在發(fā)酵液中的傳遞速率有關(guān)。發(fā)酵罐的容積(L)攪拌轉(zhuǎn)速范圍(r/min)3200~200010200~120030150~100050100~80020050~40050050~3001000025~2005000025~160指單位時(shí)間內(nèi)單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積。它的大小與氧的傳遞和其它控制參數(shù)有關(guān)。一般控制在0.1~1.0vvm之間。4空氣流量粘度大小可作為細(xì)胞生長(zhǎng)或細(xì)胞形態(tài)的標(biāo)志之一。在發(fā)酵過(guò)程中通常用表觀粘度表示。粘度的大小可改變氧傳遞的阻力。粘度的大小可表示相對(duì)菌體濃度。5粘度能及時(shí)反映單細(xì)胞生長(zhǎng)狀況。6濁度二、化學(xué)參數(shù)1pH發(fā)酵過(guò)程中各種產(chǎn)酸，產(chǎn)堿生化反應(yīng)的綜合結(jié)果，與菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有重要的關(guān)系。pH的高低與菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有著重要的關(guān)系。指發(fā)酵液中糖，氮，磷與重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度。基質(zhì)濃度的變化對(duì)產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成有重要影響，也是提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的重要控制手段。2基質(zhì)濃度氧是微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反應(yīng)的最終電子受體，也是合成某些產(chǎn)物的基質(zhì)。利用DO濃度的變化，可以了解微生物對(duì)氧利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個(gè)重要的控制參數(shù)。3溶解氧（DO）濃度培養(yǎng)基氧化還原電位是影響微生物生長(zhǎng)及其生化活性的因素之一。4氧化還原電位

是發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量高低，代謝正常與否的重要參數(shù)，也是決定發(fā)酵周期長(zhǎng)短的根據(jù)。5.產(chǎn)物濃度

尾氣中O2濃度與生產(chǎn)菌的攝氧率和KLa有關(guān)。尾氣中CO2是產(chǎn)生菌呼吸放出的CO2。從尾氣中O2和CO2濃度的含量可以算出產(chǎn)生菌的攝氧率、呼吸商和發(fā)酵罐的供氧能力。從而了解產(chǎn)生菌的呼吸代謝規(guī)律。6.尾氣O2濃度和CO2濃度

菌體RNA,DNA含量，以及ATP,ADP,AMP體系，NAD(P)-NAD(P)H體系。分別表示菌體生長(zhǎng)情況，能量代謝能力，生物合成能力。7.其它參數(shù)三、生物參數(shù)1.菌（絲）體濃度（生物量biomass）

菌體濃度的大小和變化速度對(duì)生化反應(yīng)有影響，特別是對(duì)抗生素等次級(jí)代謝產(chǎn)物的發(fā)酵，菌體濃度與培養(yǎng)液的粘度，DO都有關(guān)。四、間接參數(shù)根據(jù)發(fā)酵液的菌體量和單位時(shí)間的菌濃、溶氧濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)的變化值，可分別計(jì)算出菌體的比生長(zhǎng)速率、氧的比消耗速率、基質(zhì)的比消耗速率和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率。攝氧率r：?jiǎn)挝惑w積培養(yǎng)液每小時(shí)所消耗的氧量（mmol/L.h）1.攝氧率呼吸強(qiáng)度QO2：?jiǎn)挝恢亓康母删w每小時(shí)所消耗的氧量（mmol/g.h）2.呼吸強(qiáng)度呼吸商RQ：發(fā)酵過(guò)程中氧的消耗比速與二氧化碳生成比速的商3.呼吸商參數(shù)名稱單位測(cè)試方法意義、主要作用溫度罐壓空氣流量攪拌轉(zhuǎn)速攪拌功率粘度濁度泡沫體積氧傳質(zhì)系數(shù)KLaoCPaV/V.minR/minKWPa.s透光度

l/h傳感器壓力表傳感器傳感器傳感器粘度計(jì)傳感器傳感器間接計(jì)算維持生長(zhǎng)、合成維持正壓、增加溶氧供氧、排泄廢氣、提高KLa物料混合、提高KLa反映攪拌情況、KLa反映菌的生長(zhǎng)、KLa反映菌的生長(zhǎng)情況反映發(fā)酵代謝情況反映供氧效率物理參數(shù)參數(shù)名稱單位測(cè)試方法意義、主要作用pH基質(zhì)濃度溶解氧濃度氧化還原電位產(chǎn)物濃度尾氣氧濃度尾氣CO2濃度菌體濃度RNA、DNA含量ATP、ADP、AMPNADH含量攝氧率呼吸強(qiáng)度呼吸商比生長(zhǎng)速率

g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌.h

1/h傳感器取樣傳感器傳感器取樣傳感器傳感器取樣取樣取樣取樣間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算間接計(jì)算了解生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成了解生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成反映氧供需情況反映菌的代謝情況產(chǎn)物合成情況了解耗氧情況了解菌的呼吸情況了解生長(zhǎng)情況了解生長(zhǎng)情況了解能量代謝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謝途徑了解生長(zhǎng)化學(xué)、生物參數(shù)目前較常測(cè)定的參數(shù)有溫度、罐壓、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、pH、溶氧、基質(zhì)濃度、菌體濃度(干重、離心壓縮細(xì)胞體積%)等。不常測(cè)定的參數(shù)有氧化還原電位、粘度、尾氣中的O2和CO2含量等。參數(shù)測(cè)定方法有：在線測(cè)定取樣測(cè)定（離線測(cè)定）參數(shù)在線測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)及問(wèn)題優(yōu)點(diǎn)：主要是及時(shí)、省力，且可從繁瑣操作中解脫出來(lái)，便于用計(jì)算機(jī)控制。問(wèn)題：發(fā)酵液的性質(zhì)復(fù)雜。一般培養(yǎng)液中同時(shí)存在三相，即液、氣、固體不溶物或油；發(fā)酵要求純種培養(yǎng)，培養(yǎng)基和有關(guān)設(shè)備需用高壓蒸汽滅菌。因而要求使用的傳感器能耐蒸汽滅菌，這給各種傳感器的制造帶來(lái)很大的困難。發(fā)酵工業(yè)用的傳感器應(yīng)滿足的要求

1)傳感器能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌；2)傳感器及其二次儀表具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性；3)最好能在過(guò)程中隨時(shí)校正；4)探頭材料不易老化，使用壽命長(zhǎng)；5)探頭安裝使用和維修方便；6)解決探頭敏感部位被物料(反應(yīng)液)粘住、堵塞問(wèn)題；7)價(jià)格合理，便于推廣應(yīng)用。

第四節(jié)發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)控制發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)控制是根據(jù)過(guò)程變量的有效測(cè)量和對(duì)發(fā)酵過(guò)程變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，借助于由自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)組成的控制器，控制一些發(fā)酵的關(guān)鍵變量，達(dá)到控制發(fā)酵過(guò)程的目的。包括三方面內(nèi)容：與發(fā)酵過(guò)程的未來(lái)狀態(tài)相相聯(lián)系的控制目標(biāo)（溫度、pH、生物量、濃度）；一組可供選擇的控制動(dòng)作（閥門的開或關(guān)、泵的開動(dòng)或停止）；能夠預(yù)測(cè)控制動(dòng)作對(duì)過(guò)程狀態(tài)影響的模型（用加入基質(zhì)的濃度和速率控制細(xì)胞生長(zhǎng)率時(shí)，表達(dá)兩者之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式）三者互相聯(lián)系、互相制約，組成具有特定自動(dòng)控制功能的自控系統(tǒng)。對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)提高產(chǎn)品的得率；改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量；降低后續(xù)加工過(guò)程的損耗；在整個(gè)操作過(guò)程中能穩(wěn)定的保持最優(yōu)條件；提高對(duì)原料質(zhì)量波動(dòng)的適應(yīng)性；減少認(rèn)為因素的影響；提高工廠的生產(chǎn)效率；降低能耗；降低分析和操作成本。存在的問(wèn)題發(fā)酵是一個(gè)較復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，大滯后和時(shí)變性是其主要特征。傳感器不能蒸汽滅菌；會(huì)和產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)；過(guò)分敏感。發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件組成傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換器過(guò)程接口監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)酵自控系統(tǒng)的硬件組成第六節(jié)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化一、概述如何才能更好地發(fā)揮現(xiàn)代生物技術(shù)的作用？以工業(yè)微生物為例，選育或構(gòu)建一株優(yōu)良菌株僅僅是一個(gè)開始，要使優(yōu)良菌株的潛力充分發(fā)揮出來(lái)，還必須優(yōu)化其發(fā)酵過(guò)程，以獲得較高的產(chǎn)物濃度(便于下游處理)、較高的底物轉(zhuǎn)化率(降低原料成本)和較高的生產(chǎn)強(qiáng)度(縮短發(fā)酵周期).1、發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的主要研究?jī)?nèi)容第一個(gè)方面是細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程研究第二個(gè)方面是微生物反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量第三個(gè)方面是生物反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究（主要研究生物反應(yīng)速率及其影響因素）第四個(gè)方面的內(nèi)容是生物反應(yīng)器工程（包括生物反應(yīng)器及參數(shù)的檢測(cè)與控制）.2、發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的目標(biāo)使細(xì)胞生理調(diào)節(jié)、細(xì)胞環(huán)境、反應(yīng)器特性、工藝操作條件與反應(yīng)器控制之間這種復(fù)雜的相互作用盡可能地簡(jiǎn)化，并對(duì)這些條件和相互關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，使之最適于特定發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行。發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化的基礎(chǔ)是進(jìn)行生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)和生物反應(yīng)器的研究。3、如何實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制？生物反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的建立發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制的