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1、第七章第七章 发酵工艺控发酵工艺控制制第1页，本讲稿共50页第2页，本讲稿共50页第3页，本讲稿共50页 有一个好的菌种以后要有一个配合有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长的菌种生长的最佳条件最佳条件，使菌种的潜能发挥，使菌种的潜能发挥出来。目标是得到最大的出来。目标是得到最大的比生产速率和最比生产速率和最大的生产率。大的生产率。发酵过程工艺控制的目的发酵过程工艺控制的目的第4页，本讲稿共50页 发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身的本身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环境因素等环境因素等等。因此发
2、酵过程的控制具有等。因此发酵过程的控制具有不确定性不确定性和复杂性和复杂性。为了全面的认识发酵过程，本章首先为了全面的认识发酵过程，本章首先要告诉大要告诉大家分析发酵过程的基本方面家分析发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些，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。例子，说明如何综合分析发酵过程及进行优化放大。发酵过程的控制发酵过程的控制第5页，本讲稿共50页发酵过程控制是发酵过程控制是发酵的重要部分发酵的重要部分控制难点：控制难点：过程过程的不确定性和的不确定性和参数参数的非线性的非线性 同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同
3、批次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响因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，比如素是复杂的，比如设备的差别、水的差别、培设备的差别、水的差别、培养基灭菌的差别，菌种保藏时间的长短，发酵养基灭菌的差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程过程的细微差别都会引起微生物代谢的不同。了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十分必要的发酵工艺控制发酵工艺控制第6页，本讲稿共50页一一 发酵过程的种类发酵过程的种类分批培养分批培养补料分批培养补料分批培养半连续培养半连续培养连续培养连续培养第一节第
4、一节 工业发酵的主要类型工业发酵的主要类型第7页，本讲稿共50页1 1、分批发酵分批发酵 简单的过程，培养基中接入菌种简单的过程，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。浓度等参数都随时间变化。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第8页，本讲稿共50页分批培养中微生物的生长分批培养中微生物的生长迟滞期迟滞期对数生长期对数生长期稳稳 定定 期期死亡期死亡期发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第9页，本讲稿共50页 微生
5、物生长分为：微生物生长分为：迟滞期、对数生长期、迟滞期、对数生长期、稳定期和死亡期稳定期和死亡期 在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为当菌种在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为当菌种接种入一个新的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这接种入一个新的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这时细胞不能分裂。时细胞不能分裂。当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很快，比生长程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很快，比生长速率几近常数。这个时期称为对数生长期速率几近常数。这个时期称为对数生长期发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第10页，本讲
6、稿共50页 随着细胞生长，培养液中的营养物减少，废物随着细胞生长，培养液中的营养物减少，废物积累，导致细胞生长速率下降，进入减速期和稳积累，导致细胞生长速率下降，进入减速期和稳定期。最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入定期。最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入死亡期死亡期 对于对于初级代谢产物初级代谢产物，在对数生长期初期就，在对数生长期初期就开始合成并积累，而开始合成并积累，而次级代谢产物次级代谢产物则在对数则在对数生长期后期生长期后期和和稳定期稳定期大量合成。大量合成。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第11页，本讲稿共50页分批培养的优缺点分批培养的优缺点 优点优点 操作简单，周期短，
7、染菌机会少，操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握生产过程和产品质量容易掌握 缺点缺点 产率低，不适于测定动力学数据产率低，不适于测定动力学数据发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第12页，本讲稿共50页2 2、补料分批培养、补料分批培养 在分批培养过程中在分批培养过程中补入新鲜的料液补入新鲜的料液，以克服，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。在此过程中在此过程中只有料液的加入没有料液的取出只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方
8、法很多。加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第13页，本讲稿共50页补料分批培养的优缺点补料分批培养的优缺点优点优点 在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，避免快速利用碳源的避免快速利用碳源的阻遏效应阻遏效应；可以通过补料控；可以通过补料控制达到制达到最佳的生长和产物合成条件最佳的生长和产物合成条件；还可以利用；还可以利用计计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺。缺点缺点 由于没有物料取出，产物的积累最终导由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。由于有物料的加
9、入增加了致比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌机会染菌机会发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第14页，本讲稿共50页3 3、半连续培养、半连续培养 在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为称为半连续培养半连续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发酵。某些品种采取这种方式，如四环素发酵优点优点 放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量以稀释有利于产物合成，提高了总产量。缺点缺点 代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大代谢产生的前体物被稀释，
10、提取的总体积增大发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第15页，本讲稿共50页4 4、连续培养、连续培养 发酵过程中发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出一边补入新鲜料液一边放出等量等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。限制性基质浓度都是恒定的。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第16页，本讲稿共50页连续培养的优缺点连续培养的优缺点优点优点 控制稀释速率可以使发酵过程最优化。控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，得到高的产量。由于发酵周期长，
11、得到高的产量。由于D D，通过，通过改变稀释速率可以比较容易的研究菌生长的动改变稀释速率可以比较容易的研究菌生长的动力学力学缺点缺点 菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增加。加。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第17页，本讲稿共50页二、发酵类型二、发酵类型需氧发酵需氧发酵需氧发酵是由需氧发酵是由需氧菌需氧菌在有分子氧存在的条件下在有分子氧存在的条件下进行的发酵过程。氧在微生物的需氧呼吸中作进行的发酵过程。氧在微生物的需氧呼吸中作为最终的电子受体。这类发酵包括绝大多数的为
12、最终的电子受体。这类发酵包括绝大多数的抗生素、氨基酸以及其他代谢产物抗生素、氨基酸以及其他代谢产物的发酵。的发酵。厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵是由厌氧发酵是由厌氧菌厌氧菌或兼性厌氧菌在无分子氧或兼性厌氧菌在无分子氧的条件下进行的发酵过程。包括工业上的的条件下进行的发酵过程。包括工业上的乙醇、乙醇、丙酮、丁醇、乳酸、丁酸丙酮、丁醇、乳酸、丁酸等。等。第18页，本讲稿共50页三、发酵类型三、发酵类型生长偶联型生长偶联型部分生长偶联型部分生长偶联型非生长偶联型非生长偶联型第19页，本讲稿共50页第第一一类类型型（生生长长关关联联型型）n产物直接来源于产能产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖的初级代谢（
13、自身繁殖所必需的代谢），菌体所必需的代谢），菌体生长与产物形成不分开。生长与产物形成不分开。n例如单细胞蛋白和例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵葡萄糖酸的发酵第20页，本讲稿共50页第第二二类类型型（部部分分生生长长关关联联型型）产产物物也也来来源源于于能能量量代代谢谢所所消消耗耗的的基基质质，但但产产物物的的形形成成在在与与初初级级代代谢谢分分开开的的次次级级代代谢谢中中，出出现现两两个个峰峰，菌菌体体生生长长进进入入稳稳定定期期，出现产物形成高峰。出现产物形成高峰。例如，柠檬酸和某些例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。氨基酸的发酵。第21页，本讲稿共50页第第三三类类型型（非非生生长长关关联联型型
14、）n产物是在基质消产物是在基质消耗和菌体生长之后，耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢菌体利用中间代谢反应来形成的，即反应来形成的，即产物的形成和初级产物的形成和初级代谢是分开的。代谢是分开的。n如抗生素发酵如抗生素发酵。第22页，本讲稿共50页 产物形成与生长有关，如产物形成与生长有关，如酒精、某些酶等。酒精、某些酶等。生长关联型第23页，本讲稿共50页 产物的形成速度与产物的形成速度与生长无关，只与细胞生长无关，只与细胞积累量有关。如，抗积累量有关。如，抗生素。生素。非生长关联型non-growth associated 第24页，本讲稿共50页 发酵过程的中间分析是生产控制的发酵过程的中间
15、分析是生产控制的眼睛眼睛，它显示了发酵，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。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，程中菌的生理代谢状况，如如pHpH，溶氧，尾气氧，尾气二氧，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度化碳，粘度，菌浓度等等第二节第二节 工业发酵过程的
16、主要工业发酵过程的主要控制参数控制参数第25页，本讲稿共50页代谢参数按性质分可分三类：代谢参数按性质分可分三类：物理参数：物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、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）浓度等溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等化学参数：化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、基质浓度（包括糖、氮、磷）、pHpH、产物、产物浓度、核酸量等浓度、核酸量等生物参数生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等发酵过程控制发酵过程控制第2
17、6页，本讲稿共50页从检测手段分可分为：从检测手段分可分为：直接参数、间接参数直接参数、间接参数直接参数：直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温度、度、pHpH、残糖等、残糖等间接参数：间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、KLaKLa等等发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第27页，本讲稿共50页直接参数又可分为直接参数又可分为:在线检测参数和离线检测参数在线检测参数和离线检测参数在线检测参数在线检测参数指指不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参数不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上
18、得到的参数，如温度、如温度、pH、搅拌转速；、搅拌转速；离线检测参数离线检测参数指取出样后测定得到的参数指取出样后测定得到的参数，如残糖、，如残糖、NH2-N、菌、菌体浓度。体浓度。发酵过程控制发酵过程控制第28页，本讲稿共50页发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第29页，本讲稿共50页一、物理参数一、物理参数 温度（温度（）是指整个发酵过程或不同阶段中所维持的温度。它的是指整个发酵过程或不同阶段中所维持的温度。它的高低高低与发酵过程中酶反应速率、氧在培养液中的溶解度和传递与发酵过程中酶反应速率、氧在培养液中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物合成速率速率、菌体生长速率和产物合成速率等有密
19、切关系。等有密切关系。压力（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在培养液中的溶解度有关，间入，以保证界空气中的杂菌侵在培养液中的溶解度有关，间入，以保证纯种的培养纯种的培养。同时罐压的高低还与氧和。同时罐压的高低还与氧和 在培养液中的溶解在培养液中的溶解度有关度有关,间接影响菌体的代谢。间接影响菌体的代谢。搅拌转速（搅拌转速（r/min)是指搅拌器在发酵过程中的转动速度，通常以每分钟的是指搅拌器在发酵过程中的转动速度，通常以每分钟的转数来表示。它的大小与氧在发酵液中的转数来表示。它的大小与氧在发酵液中的
20、传递速率传递速率和和发酵发酵液液的均匀性有关。的均匀性有关。第30页，本讲稿共50页 搅拌功率搅拌功率(kW)是是指搅拌器搅拌时所消耗的功率指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消，常指每立方米发酵液所消耗的功率（它的大小与液相体积氧传递系数有关。耗的功率（它的大小与液相体积氧传递系数有关。空气流量空气流量(V/V.min)是指每分钟内每单位体积发酵液通入空气的体积，它是需氧发酵是指每分钟内每单位体积发酵液通入空气的体积，它是需氧发酵中重要的控制参数之一中重要的控制参数之一。它的大小与氧的传递和其他控制参数。它的大小与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在范围内。有关。一般控制在范围
21、内。粘度粘度(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酵罐中菌丝分裂过程的情况。通常用表观粘度表示。它的大小。通常用表观粘度表示。它的大小可影响氧传递的阻力，也可反映相对菌体浓度。可影响氧传递的阻力，也可反映相对菌体浓度。第31页，本讲稿共50页目前发酵过程主要分析项目如下目前发酵过程主要分析项目如下1 1、pHpH pHpH与微生物的生命活动密切相关与微生物的生命活动密切相关 酶催化活性酶催化活性 pH pH的变化又是微生物代谢状况的综合反映的变化又是微生物代谢状况的综合反映基质代基质代
22、谢、产物合成、细胞状态、营养状况、供氧状况谢、产物合成、细胞状态、营养状况、供氧状况二、二、化学参数化学参数第32页，本讲稿共50页2 2、排气氧、排气、排气氧、排气COCO2 2和呼吸熵和呼吸熵 排气氧的浓度排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩余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，通过计算可以的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，通过计算可以求得求得摄氧率（摄氧率（OUROUR）。）。排气二氧化碳排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，因为微生物反映了微生物代谢的情况，因为微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的进入代谢中间摄入的氧并不
23、是全部变成二氧化碳的，有的进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等于排出的物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产生二氧化碳，二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的氧。使排气二氧化碳大于消耗的氧。第33页，本讲稿共50页RQ值随微生物菌种的不同，培养基成分的不同，生长阶段值随微生物菌种的不同，培养基成分的不同，生长阶段的不同而不同的不同而不同。测定。测定RQ值一值一方面可以了解微生物代谢的状方面可以了解微生物代谢的状况，另一方面也可以指导补料况，另一方面也可以指导补料CER表示单位体积发酵液单位时
24、间内释放的二氧化表示单位体积发酵液单位时间内释放的二氧化碳的量碳的量呼吸熵呼吸熵呼吸熵呼吸熵反映了氧的利用状况反映了氧的利用状况发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第34页，本讲稿共50页 一般在一般在发酵中后期发酵中后期为保证产生次级代谢产物，为保证产生次级代谢产物，有意使菌体处于有意使菌体处于半饥饿状态半饥饿状态，在营养限制的条件下，在营养限制的条件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。对于这种工艺，后期的对于这种工艺，后期的补料控制补料控制是是关键关键。过程。过程中发现，在补糖开始时，不但中发现，在补糖开始时，不但CERCER、OUROUR大幅度
25、提大幅度提高，连高，连RQRQ也提高约也提高约1010，表明通过补糖不但提供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。高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第35页，本讲稿共50页3 3、糖含量、糖含量微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。糖的消耗糖的消耗 反映产生菌的生长繁殖情况反映产生菌的生长繁殖情况 反映产物合成的活力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，菌体生长旺盛糖耗一定快，
26、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，可控制补糖来调节可以控制菌体生长速率，可控制补糖来调节pHpH，促进产物合成，不，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵不正常。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糖含量测定包括总糖和还原糖。总糖总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、饴糖、单糖等各种糖饴糖、单糖等各种糖。还原糖还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第36页，本讲稿共50页4 4、氨基氮和氨氮、氨基氮和氨氮氨基氮氨
27、基氮指指有机氮中的氮（有机氮中的氮（NH2-N），），单位是单位是 mg/100ml。如氨基酸。如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。氨氮氨氮指无机氨中的指无机氨中的氮（氮（NH3-N）。）。氮利用快慢可分析氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况出菌体生长情况，含氮产物合成情况。但是但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子的氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子的抑制抑制，因此必须控制适量的氮。通过氨基氮和氨氮的分析可控制发，因此必须控制适量的氮。通过氨基氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施
28、。酵过程，适时采取补氨措施。发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过程。发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过程。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第37页，本讲稿共50页5 5、磷含量、磷含量 微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为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主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根磷酸根。磷是核酸的组成部分磷是核酸的组成部分，是高能化合物，是高能化合物ATPATP的组成部的组成部分，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。要的作用
29、，如果磷缺乏就要采取补磷措施。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第38页，本讲稿共50页6 6、产物浓度、产物浓度 在培养过程中，产生菌的合成能力和产物积累情况都要在培养过程中，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，通过产物量的测定来了解，产物浓度产物浓度直接反映了生产的状况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是发酵控制的重要参数。而且通过计算还可以得到生产生产速率和比生产速率，从而分析发酵条件如补料、速率和比生产速率，从而分析发酵条件如补料、pHpH对产物形对产物形成的影响。成的影响。发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第39页，本讲稿共5
30、0页 产物量的特殊表示法产物量的特殊表示法1 1、抗生素效价的表示、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（价大小用单位（U）来表示）来表示效价表示方法：重量折算法效价表示方法：重量折算法 重量单位重量单位 类似重量单位类似重量单位 特殊单位特殊单位第40页，本讲稿共50页2 2、酶活力、酶活力 酶活力用单位来表示。由于酶通常不是很纯，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，为法测定会有不同的酶活单位，
31、容易造成混乱，为此国际上作了统一规定，规定在此国际上作了统一规定，规定在25250 0C C下，下，以最适以最适的底物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及最适的的底物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及最适的pHpH诸条件下，每分钟能转化一微克分子底物的酶定诸条件下，每分钟能转化一微克分子底物的酶定量为一个活性单位。量为一个活性单位。第41页，本讲稿共50页菌浓度和菌形态菌浓度和菌形态菌形态和菌浓度菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。直接反映菌生长的情况。菌形态菌形态 显微镜观察显微镜观察菌浓度的测定菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的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
32、增长很快，中期菌浓基本恒定。补变化，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。个参数。三、生物参数三、生物参数第42页，本讲稿共50页发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第43页，本讲稿共50页发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制第44页，本讲稿共50页发酵过程的代谢控制发酵过程的代谢控制菌浓测定方法菌浓测定方法测粘度测粘度压缩体积法（离心）压缩体积法（离心）静置沉降体积法静置沉降体积法光密度测定法光密度测定法 OD600660 适合于细菌、酵适合于细菌、酵母母第45页，本讲稿共50页生化过
33、程的控制第46页，本讲稿共50页生化过程的控制第47页，本讲稿共50页第三节发酵过程中的代谢变化第三节发酵过程中的代谢变化一、初级代谢产物发酵的代谢变化一、初级代谢产物发酵的代谢变化二、次级代谢产物发酵的代谢变化二、次级代谢产物发酵的代谢变化第48页，本讲稿共50页一、初级代谢产物发酵的代谢变化一、初级代谢产物发酵的代谢变化初级代谢初级代谢指的是生物细胞在生命活动过程中进行的与菌指的是生物细胞在生命活动过程中进行的与菌体的生长、繁殖相关的一类代谢活动，其产物即为初级体的生长、繁殖相关的一类代谢活动，其产物即为初级代谢产物。代谢产物。第49页，本讲稿共50页二、次级代谢产物发酵的代谢变化二、次级
34、代谢产物发酵的代谢变化（一）菌体生长阶段（一）菌体生长阶段产生菌接种至发酵培养基后，在合适的培养条件下，经过一定时间的适产生菌接种至发酵培养基后，在合适的培养条件下，经过一定时间的适应，就开始生长和繁殖，直至达到菌体的应，就开始生长和繁殖，直至达到菌体的临界浓度临界浓度。（二）产物合成阶段（二）产物合成阶段这个阶段主要合成这个阶段主要合成次级代谢产物次级代谢产物。在此期间，产物的产量逐渐增多，直至。在此期间，产物的产量逐渐增多，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。达到高峰，生产速率也达到最大，直至产物合成能力衰退。（三）菌体自溶阶段（三）菌体自溶阶段这个阶段的这个阶段的菌体衰老菌体衰老，产物合成能力衰这个阶段的菌体衰老、细胞开始自溶，产物合成能力衰这个阶段的菌体衰老、细胞开始自溶，氨氮含量增加，退，生产速率下降。发酵到此期必须结束，否则产物不仅受氨氮含量增加，退，生产速率下降。发酵到此期必须结束，否则产物不仅受到破坏，还会因菌体自融而给发酵液过滤和产物提取带来困难。这个阶段一到破坏，还会因菌体自融而给发酵液过滤和产物提取带来困难。这个阶段一般称为菌体自溶期或发酵后期。般称为菌体自溶期或发酵后期。第50页，本讲稿共50页