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1、第八章发酵过程控制第一页，本课件共有126页本章内容本章内容一、一、概述概述二、发酵过程中控制的一般步骤二、发酵过程中控制的一般步骤 三、三、温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制四、四、pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制五、五、溶解氧对发酵的影响及其控制溶解氧对发酵的影响及其控制六、六、CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制和呼吸商对发酵的影响及其控制七、七、基质浓度对发酵的影响及补料控制基质浓度对发酵的影响及补料控制八、八、高密度发酵及过程控制高密度发酵及过程控制九、九、泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制十、自动控制技术在发酵过程控制中的应用十、自动控制技术在
2、发酵过程控制中的应用第二页，本课件共有126页1.过程控制的重要性过程控制的重要性菌株特性菌株特性(营养要求、生长速率、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)传递性能传递性能物理：物理：n、T、Ps化学化学：pH、DO2、基质浓度浓度过程控制的意义：过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的的确定）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。决定发酵决定发酵单位单位(水平水平)的因素的因素外部环境因素外部环境因素工艺条件工艺条件生物因素：生物因素：设备性能：设备性能
3、：第三页，本课件共有126页2.发酵过程控制的一般步骤发酵过程控制的一般步骤 确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法 研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制，研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制，获取最适水平或最佳范围获取最适水平或最佳范围建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制 第四页，本课件
4、共有126页3.参数检测参数检测n代谢参数按性质可分为三类：代谢参数按性质可分为三类：n物理参数：物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解氧、温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等n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）、pH、产物浓度、产物浓度、核酸量等核酸量等n生物参数：生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等强度、摄氧率、关键酶活力等第五页，本课件共有126页3.参数检测参数检测n参数按获取方式可分为两
5、类：参数按获取方式可分为两类：如如T、pH、罐罐压压、空空气气流流量量、搅搅拌拌转速、溶氧浓度等转速、溶氧浓度等 如如摄摄氧氧率率()、呼呼吸吸强强度度(QO2)、比比生生长长速速率率（)、体体积积溶溶氧氧系系数数(KLa)、呼呼吸吸商商(RQ)等等。直接参数直接参数：间接参数间接参数：将直接参数通过公式计算获得的：将直接参数通过公式计算获得的参数，参数，第六页，本课件共有126页3.参数检测参数检测n参数的测量形式参数的测量形式离离线线测测量量：基基质质（糖糖、脂脂类类、无无机机盐盐等等）、前前体体和和代代谢谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）在在线线测
6、测量量：如如T、pH、DO2、溶溶解解CO2、尾尾气气CO2、黏黏度度、搅拌转速等搅拌转速等n优优点点：及及时时、省省力力，可可从从繁繁琐琐操操作作中中解解脱脱出出来来，便便于计算机控制。于计算机控制。n困难：传感器要求较高。困难：传感器要求较高。第七页，本课件共有126页v对传感器的要求对传感器的要求能经受高压蒸汽灭菌；能经受高压蒸汽灭菌；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；最好能在过程中随时校正，灵敏度好；最好能在过程中随时校正，灵敏度好；探头材料不易老化，使用寿命长；探头材料不易老化，使用寿命长；安装使用和维修方便；安装使用和维修方便；解决探头敏感部位被物
7、料（反应液）粘住、堵塞解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题；问题；价格合理，便于推广。价格合理，便于推广。3.参数检测参数检测第八页，本课件共有126页3.参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法温度测量温度测量感温元件：热电偶（温度信号感温元件：热电偶（温度信号 电信号电信号）二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成被测介质的温度被测介质的温度第九页，本课件共有126页v参数检测方法参数检测方法搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式，搅拌转速：磁感应式，光感应式，测速电机；测速电机；搅拌功率：功率表，测定力矩求
8、功率法。搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。3.参数检测参数检测第十页，本课件共有126页3.参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法空气流量测定空气流量测定体积流量型：体积流量型：会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；同心孔板压差式流量计；同心孔板压差式流量计；转子流量计。转子流量计。质量流量型：质量流量型：根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。的流量计。第十一页，本课件共有126页v参数检测方法参数检测方法罐压测量罐压测量压力表压力表压力传感器压力传感器3.参数检测参数检
9、测第十二页，本课件共有126页v参数检测方法参数检测方法料液计量与液位控制料液计量与液位控制压差法：压差法：H=（P2/P1）H直接重量测量法：直接称重直接重量测量法：直接称重体积计量法：计算进出料液体积计量法：计算进出料液流量计量法：计算流量和时间流量计量法：计算流量和时间液位探针液位探针3.参数检测参数检测第十三页，本课件共有126页v参数检测方法参数检测方法发酵液粘度测定发酵液粘度测定毛细管粘度计毛细管粘度计回转式粘度计回转式粘度计涡轮旋转粘度计涡轮旋转粘度计3.参数检测参数检测第十四页，本课件共有126页v参数检测方法参数检测方法pH测量测量 复合复合pH电极电极 pH测量仪器测量仪器
10、3.参数检测参数检测第十五页，本课件共有126页n参数检测方法参数检测方法n溶解氧的测量溶解氧的测量化学法化学法极谱法极谱法复膜氧电极法复膜氧电极法3.参数检测参数检测复膜氧电极示意图复膜氧电极示意图（a）极谱型极谱型（b）原电池型原电池型第十六页，本课件共有126页v参数检测方法参数检测方法溶解二氧化碳测量溶解二氧化碳测量复膜式电极法复膜式电极法渗透膜渗透膜碳酸氢钠法碳酸氢钠法发酵尾气的在线分析发酵尾气的在线分析CO2分析分析 O2分析分析3.参数检测参数检测第十七页，本课件共有126页v参数检测方法参数检测方法细胞浓度的测量细胞浓度的测量化学法：如化学法：如DNA、RNA分分析等析等 物理
11、法：如重量分析、分光光度分析、物理法：如重量分析、分光光度分析、浊度分析等浊度分析等新技术：以电容法为测量原理的在线新技术：以电容法为测量原理的在线活细胞浓度测量传感器活细胞浓度测量传感器3.参数检测参数检测原位活细胞在线检测仪原位活细胞在线检测仪第十八页，本课件共有126页(三三)温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制1.影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素2.温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响3.温度对基质消耗的影响温度对基质消耗的影响4.温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响5.最适温度的选择与控制最适温度的选择与控制第十九页，本课件共有126页(1)发酵热发酵热n
12、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 第二十页，本课件共有126页(2)生物热生物热n来源来源：微生物微生物对营养物质的分解所释放的能量对营养物质的分解所释放的能量n影响因素：影响因素：n菌株菌株n培养基成分培养基成分n发酵时期发酵时期n生物热与其它参数的关系生物热与其它参数的关系 呼吸强度呼吸强度QO2糖利用速率糖利用速率当当产产生生的的生生物物热热达达到到高高峰峰时时，菌菌的的呼呼吸吸强强度度最最大大，糖糖的的利利用用速速率率也也最最大大，可可用用耗氧量、糖耗来衡量生物热。耗氧量、糖耗来衡量生物热。第二十一页，本课件共
13、有126页2.温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响n当当时时，可可忽忽略略，微微生生物物处处于于生生长长状状态态。、皆皆与与T有有关关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：nEE死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感第二十二页，本课件共有126页嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系第二十三页，本课件共有126页2.温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响(续续)n在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，当温在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，当温度超过最适生长温度
14、，生长速率随温度增加而迅速下降。度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅速下降。n不同生长阶段的微生物对温度的反应不同不同生长阶段的微生物对温度的反应不同n处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。n对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的条件对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破坏作用较下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破坏作用较弱。弱。n处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于溶解处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于溶解氧，而不是温度。氧，而不是温度。第二十四页，本课件共有126页(1
15、)糖比消耗速率糖比消耗速率qs nRighelato假定假定：m维维持持因因子子，即即生生长长速速率率为为零零时时的的葡葡萄萄糖糖的的消消耗耗。m项项与与渗渗透透压压调调节节、代代谢谢产产物物的的生生成成、迁迁移移性性及及除除繁繁殖殖以以外外的的其其它它生生物物转转化化等等过过程程所所需需的的能能量量有有关关。这这些些过过程程受受温温度度的影响，所以的影响，所以m也和温度相关也和温度相关。B生生长长系系数数，即即同同一一生生长长速速率率下下的的糖糖耗耗，B值值越越大大，说说明明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。n改变温度可以控制改变温度可以控制q
16、s和和 第二十五页，本课件共有126页（2）T对对B、m和和的影响的影响 nqs一定一定：n当当TTm时时，m，,B底物转化效率低底物转化效率低当当T=Tm时时，T(K)m温度对温度对B、m和不同和不同qs下对下对值的影响值的影响第二十六页，本课件共有126页4.温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响n影影响响发发酵酵过过程程中中各各种种反反应应速速率率，从从而而影影响响微微生生物物的的生生长长代代谢谢与与产物生成。产物生成。e.g.青霉菌发酵生产青霉素青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol 青霉素合成活化能青霉素合成活化能E2=112kJ/mol 青霉
17、素合成速率对温度较敏感青霉素合成速率对温度较敏感第二十七页，本课件共有126页n改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。n影响生物合成方向。影响生物合成方向。e.g.四四环环素素发发酵酵中中金金色色链链霉霉菌菌：T5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌pH0.5%低低pH6.8控制加糖控制加糖7%，OTR逐渐逐渐至至OTR=，即即，高位平衡高位平衡 当当处处于于高高位位平平衡衡时时，表表明明供供氧氧性性能能好好。高高位位平平衡衡通通常常发发生生在在正正常情况的前、后期。常情况的前、后期。第四十九页，
18、本课件共有126页n平衡点分析平衡点分析：当当CL（如对数生长期如对数生长期很大很大），OTRCm,卷须霉素卷须霉素:n而有些菌株而有些菌株CcrCCr，生产阶段满足生产阶段满足CLCm。第五十五页，本课件共有126页（1 1）发酵异常指标）发酵异常指标n发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。n对对于于好好气气性性杂杂菌菌，溶溶解解氧氧会会一一反反往往常常在在较较短短时时间间内内跌跌到到零附近，跌零后长时间不回升零附近，跌零后长时间不回升。n对于厌气性杂菌，对于厌气性杂菌，溶解氧溶解氧升高。升高。n污染噬菌体或其它不明原因引起污染噬菌体或其它不明原因引起 发酵
19、液变稀，此时发酵液变稀，此时溶解氧溶解氧迅速上升。迅速上升。n操作故障或事故分析操作故障或事故分析 谷氨酸正常发酵和异常发酵的溶解氧曲线正常发酵溶解氧曲线-异常发酵溶解氧曲线异常发酵光密度曲线第五十六页，本课件共有126页（2）补料控制指标补料控制指标 n中间补料是否得当可以从中间补料是否得当可以从溶解氧溶解氧的变化看出。的变化看出。n发酵过程中出现发酵过程中出现“发酸发酸”现象，此时溶解氧很快下降。现象，此时溶解氧很快下降。第五十七页，本课件共有126页（3）代谢方向控制指标）代谢方向控制指标 n测量溶解氧可以确定测量溶解氧可以确定CCr、Cm值值n通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关
20、键时机通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关键时机e.g.天门冬酰胺酶发酵天门冬酰胺酶发酵：45%饱和度饱和度 n在在酵酵母母以以及及其其他他微微生生物物菌菌体体的的生生产产中中，溶溶氧氧值值是是控控制制其其代代谢方向的最好的指标之一谢方向的最好的指标之一。第五十八页，本课件共有126页（4）设备性能、工艺合理性指标）设备性能、工艺合理性指标n评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位n设备反映供氧性能：设备反映供氧性能：搅拌桨形式搅拌桨形式叶片形式叶片形式搅拌器直径搅拌器直径d 搅拌档数搅拌档数m和搅拌器间距和搅拌器间距s 档板宽度档板宽度w
21、和档板数和档板数z 通气：空气分布器的类型和位置通气：空气分布器的类型和位置n，P/V 设备操作参数设备操作参数罐压罐压 WS或或VVM搅拌搅拌设备几何参数设备几何参数第五十九页，本课件共有126页（4）设备性能、工艺合理性指标）设备性能、工艺合理性指标工艺条件反映耗氧和供氧特征工艺条件反映耗氧和供氧特征菌种性能：耗菌种性能：耗O2培养基性能：耗培养基性能：耗O2、供供O2温度：耗温度：耗O2、供供O2RQ（O2与与CO2水平比较水平比较）：耗耗O2表面活性剂：耗表面活性剂：耗O2、供供O2第六十页，本课件共有126页改进工艺：控制补料速度、改进工艺：控制补料速度、T 的调节、中间补水、的调节
22、、中间补水、添加表面活性剂等等添加表面活性剂等等 对现有发酵工对现有发酵工厂进行技术改造厂进行技术改造 浅层次浅层次修改设备和工艺修改设备和工艺 规模和控制水平上档次规模和控制水平上档次 引入新型发酵类型引入新型发酵类型 深层次深层次第六十一页，本课件共有126页工艺的改进是否有效可通过溶解氧水平进行评价：工艺的改进是否有效可通过溶解氧水平进行评价：P/V的改变对溶解氧和产量的影响的改变对溶解氧和产量的影响 e.g.利利福福霉霉素素发发酵酵：5080h波波谷谷阶阶段段，P/V，KLa，供供氧氧；3W/L比比1W/L批号的发酵单位增加约批号的发酵单位增加约900u/ml搅拌转数搅拌转数n对溶解氧
23、和产量的影响对溶解氧和产量的影响e.g.赤霉素发酵赤霉素发酵：1550h期间期间，n从从155提高至提高至180r/min，赤霉素单位赤霉素单位第六十二页，本课件共有126页（1 1）溶解氧控制的一般原则）溶解氧控制的一般原则 n生长阶段生长阶段：即可即可n产物合成阶段产物合成阶段：即可即可n过过高高的的溶溶氧氧水水平平反反而而对对菌菌体体代代谢谢有有不不可可逆逆的的抑抑制制作用作用第六十三页，本课件共有126页（2）溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一 v控控制原理制原理发酵过程中，发酵过程中，糖量糖量x,QO2CL 糖量糖量QO2CL 补糖使补糖使CL下
24、降，而下降，而CL回升的快慢取决于供氧效率回升的快慢取决于供氧效率。对对于于一一个个具具体体的的发发酵酵，存存在在一一个个最最适适氧氧浓浓度度（Cm）水水平平，补糖速率应与其相适应。补糖速率应与其相适应。，加大补糖速率加大补糖速率，减小补糖速率减小补糖速率实现用溶解氧水平控制补料速率实现用溶解氧水平控制补料速率第六十四页，本课件共有126页 补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓“半饥饿状态半饥饿状态”，使其仅能维持正常的生长代谢，即把更多的糖用于产，使其仅能维持正常的生长代谢，即把更多的糖用于产物合成，并永远不超过罐设计时的物合成，并永远不超过罐设计时的KLa水
25、平所能提供的水平所能提供的最大供氧速率。最大供氧速率。v控制原则控制原则（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一 第六十五页，本课件共有126页v控制方法控制方法 溶氧和补糖控制系统溶氧和补糖控制系统 溶氧和溶氧和pH控制的系统控制的系统（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一 第六十六页，本课件共有126页溶氧在加糖控制上的应用溶氧在加糖控制上的应用第六十七页，本课件共有126页溶氧与溶氧与pH协同控制系统协同控制系统第六十八页，本课件共有126页（3）溶解氧控制的工艺方法：溶解氧控制的工艺方法：从供氧、需氧两方面考从供氧、
26、需氧两方面考虑虑 n供氧方面：供氧方面：提高氧分压（氧分含量），即提高氧分压（氧分含量），即 ，提高供氧能力提高供氧能力改变搅拌转速：通过改变改变搅拌转速：通过改变KLa来提高供氧能力来提高供氧能力通气速率通气速率Ws：Ws增加有上限，引起增加有上限，引起“过载过载”、泡沫、泡沫提提高高罐罐压压：，但但同同时时会会增增加加CO2的的溶溶解解度度，影影响响pH及及可可能能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。第六十九页，本课件共有126页n改变发酵液理化性质改变发酵液理化性质（，Ii）加加消消泡泡剂剂，补补加加无无菌菌水水，改改变变培培养养基
27、基成成分分改变改变KL改变温度：改变温度：，提高推动力提高推动力（C*CL）（3）溶解氧控制的工艺方法（续）溶解氧控制的工艺方法（续）n供氧方面：供氧方面：第七十页，本课件共有126页（3）溶解氧控制的工艺方法（续）溶解氧控制的工艺方法（续）n耗氧方面耗氧方面n限制性基质的流加控制（补料控制）：在限制性基质的流加控制（补料控制）：在OTR一定情况下，控一定情况下，控制基质浓度制基质浓度限制限制、x 限制限制 控制溶解氧控制溶解氧第七十一页，本课件共有126页（4）溶解氧自动控制系统）溶解氧自动控制系统n改变通气速率的溶氧控制系统改变通气速率的溶氧控制系统n改变搅拌转速的溶氧控制系统改变搅拌转速
28、的溶氧控制系统n改变通气量、转速、罐压所组成的多参数溶氧控制改变通气量、转速、罐压所组成的多参数溶氧控制系统系统第七十二页，本课件共有126页溶解氧对被孢霉合成溶解氧对被孢霉合成花生四烯酸花生四烯酸(AA)的影响的影响溶氧量对溶氧量对AA产量的影响产量的影响注：摇床转速注：摇床转速150r/min,25 KLa越大越大，培养基中溶培养基中溶解氧越多解氧越多,AA合成速合成速度越快度越快第七十三页，本课件共有126页溶解氧控制对鸟苷产量的影响溶解氧控制对鸟苷产量的影响不同的不同的DO控制条件下鸟苷积累的比较控制条件下鸟苷积累的比较DO()：5，l0，20，30发酵过程发酵过程DO变化与鸟苷变化与
29、鸟苷积累的关系积累的关系DO 控制在控制在1020，产物积累产物积累，鸟苷含量最高。，鸟苷含量最高。DO在在5和和30，前期产物积累前期产物积累，但后期基本不增加，但后期基本不增加.DO水平的超高阶段水平的超高阶段(发酵周期发酵周期28h44h)，鸟苷积累量基本不增加；调，鸟苷积累量基本不增加；调整整DO 在适当水平上，鸟苷积累量继续上升。在适当水平上，鸟苷积累量继续上升。第七十四页，本课件共有126页（六）（六）CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制和呼吸商对发酵的影响及其控制1.定义定义 2.发酵过程中发酵过程中CO2释放率的变化释放率的变化3.CO2对发酵的影响对发酵的影响第七十五页，本课件
30、共有126页1.定义定义 n呼呼吸吸商商（RQ）：指指菌菌体体呼呼吸吸过过程程中中，CO2释释放放率率和和菌菌的的耗耗 氧速率之比，氧速率之比，RQ反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况。n菌体耗氧速率菌体耗氧速率OUR，molO2/Lh 菌体菌体CO2释放率释放率CER，molCO2/Lh第七十六页，本课件共有126页（1 1）影响尾气中）影响尾气中CO2浓度的因素浓度的因素 n通入空气量通入空气量：n呼吸强度：呼吸强度：nCO2溶解度：溶解度：n菌体量菌体量：第七十七页，本课件共有126页（2）CER变化规律变化规律 nCO2积累量渐增，与积累量渐增，与x曲线对应，基本类似曲线对应，基本类似S型
31、曲线变化型曲线变化；n当工艺和设备参数一定的情况下当工艺和设备参数一定的情况下，CER与与x有比例关系有比例关系（CER菌体生长速率菌体生长速率）；nCO2浓度变化与浓度变化与O2浓度变化成反向同步关系浓度变化成反向同步关系。第七十八页，本课件共有126页CERdtCERdt，菌体干重的时间曲线，菌体干重的时间曲线1-CERdt1-CERdt；2-2-菌量菌量第七十九页，本课件共有126页（3）CER的测量与计算的测量与计算 n测量方法：热导、测量方法：热导、红外分析仪红外分析仪、质谱仪、质谱仪n计算计算 第八十页，本课件共有126页（1 1）研究参数）研究参数CO2的意义的意义 n作为代谢产
32、物或中间前体，尾气中作为代谢产物或中间前体，尾气中CO2积累与生物量积累与生物量 成正比，通过成正比，通过C质量平衡估算生长速率和细胞量。质量平衡估算生长速率和细胞量。n高浓度高浓度CO2对发酵多表现为抑制作用，应实施测量与对发酵多表现为抑制作用，应实施测量与 控制；控制；n尾气尾气CO2不仅直接反映代谢情况，而且和其它参数及补不仅直接反映代谢情况，而且和其它参数及补料操作密切相关，可作为工艺优化的指标。料操作密切相关，可作为工艺优化的指标。第八十一页，本课件共有126页（2）CO2对细胞的作用机制对细胞的作用机制n“麻醉麻醉”作用作用 CO2及及HCO3-都会影响细胞膜的结构，使膜的流动性都
33、会影响细胞膜的结构，使膜的流动性及表面电荷密度发生变化，导致许多基质的跨膜运输受及表面电荷密度发生变化，导致许多基质的跨膜运输受阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻醉麻醉”状状态，细胞生长受到抑制，形态发生改变。态，细胞生长受到抑制，形态发生改变。第八十二页，本课件共有126页（3）CO2对菌体生长及产物形成的影响对菌体生长及产物形成的影响 nCO2,基质分解速率基质分解速率，ATP，中间产物中间产物或形态变异导或形态变异导致产量致产量n高浓度高浓度CO2抑制作用的独立性抑制作用的独立性:只要只要CO2在培养液中浓度过在培养液中浓度过量，即使供氧充足
34、量，即使供氧充足（CLCCr），CO2的抑制作用不能解除，的抑制作用不能解除，这种负作用在放大过程更明显。这种负作用在放大过程更明显。n正确评价通气的作用：正确评价通气的作用：n供氧：供氧：n排废气：排废气：n水分及挥发性组分的散失水分及挥发性组分的散失第八十三页，本课件共有126页（4）CO2释放与发酵过程参数释放与发酵过程参数pH及操作参数补糖速率的关系及操作参数补糖速率的关系n在青霉素发酵中补糖将引起排气在青霉素发酵中补糖将引起排气CO2增加，同时增加，同时pH下降下降。n糖糖、CO2、pH三者的相关性三者的相关性，被青霉素工业生产上用于补料被青霉素工业生产上用于补料控制的参数，并认为排
35、气控制的参数，并认为排气CO2的变化比的变化比pH变化更为敏感，所以变化更为敏感，所以测定排气测定排气CO2释放率释放率（CER）来控制补糖速率来控制补糖速率。补糖与溶氧及补糖与溶氧及pH协同控制协同控制补糖速率与补糖速率与CER控制控制 补糖对排气补糖对排气CO2和和pH的影响的影响第八十四页，本课件共有126页（4）尾气）尾气CO2与与O2的相关性的相关性 n相关程度表示：相关程度表示：n尾气尾气CO2与与O2相关性：反向同步关系相关性：反向同步关系n呼吸商呼吸商（RQ）与发酵的关系与发酵的关系n不同菌株、同一菌株不同代谢途径、同一菌株利用不不同菌株、同一菌株不同代谢途径、同一菌株利用不同
36、基质、同一菌株在不同发酵阶段，同基质、同一菌株在不同发酵阶段，RQ值不相同值不相同。nRQ值可以表征发酵状况值可以表征发酵状况。第八十五页，本课件共有126页青霉素发酵不同阶段青霉素发酵不同阶段：菌体生长阶段菌体生长阶段：RQ0.909维持阶段维持阶段：RQ=1生产阶段生产阶段：RQ=4如如果果产产物物的的还还原原性性比比基基质质大大时时，其其RQ值值就就增增加加；反反之之，当当产产物物的的氧氧化化性性比比基基质质大大时时，RQ值值就就要要减减少少，其其偏偏离离程程度度决决定定于于单单位位菌菌体利用基质形成产物的量。体利用基质形成产物的量。产物形成对产物形成对RQ影响最大影响最大第八十六页，本
37、课件共有126页（七）基质浓度对发酵过程的影响及补料控制（七）基质浓度对发酵过程的影响及补料控制1.基质浓度对发酵的影响基质浓度对发酵的影响2.补料控制补料控制第八十七页，本课件共有126页（1）基质浓度对微生物生长的影响基质浓度对微生物生长的影响nsKS情况下情况下，比生长速率与基质浓度呈直线关系比生长速率与基质浓度呈直线关系：n一般情况下符合一般情况下符合Monod方程式方程式n基质浓度高时基质浓度高时 第八十八页，本课件共有126页第八十九页，本课件共有126页(2)基质浓度对产物合成的影响基质浓度对产物合成的影响n低浓度限制低浓度限制n低水平诱导低水平诱导n高浓度抑制及分解阻遏作用高浓
38、度抑制及分解阻遏作用e.g.葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶发发酵酵：葡葡萄萄糖糖用用量量从从8%降降至至6%，补补入入2%氨基乙酸或甘油，使酶活力分别提高氨基乙酸或甘油，使酶活力分别提高26%或或6.7%。谷谷氨氨酸酸发发酵酵（乙乙醇醇为为碳碳源源）：当当乙乙醇醇浓浓度度为为2.5g/L和和35g/L时时，可可延延长长谷谷氨氨酸酸生生产产时时间间，但但在在更更高高浓浓度度下下，菌菌体体生生长长受受到到抑制，谷氨酸产量降低。抑制，谷氨酸产量降低。第九十页，本课件共有126页（1）补料的目的补料的目的n解除解除基质过浓的抑制基质过浓的抑制n解除解除产物的反馈抑制产物的反馈抑制n解除分解代谢物阻遏作用解除
39、分解代谢物阻遏作用n避免避免因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多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。而造成波谷现象。n在生产上，补料还经常作为纠正异常发酵的一个重在生产上，补料还经常作为纠正异常发酵的一个重要手段。要手段。第九十一页，本课件共有126页（2）补料的内容补料的内容n补充微生物能源和碳源补充微生物能源和碳源n补充菌体所需要的氮源补充菌体所需要的氮源n补充微量元素或无机盐补充微量元素或无机盐n添加前体、诱导剂等添加前体、诱导剂等第九十二页，本课件共有126页（3）补料的原则）补料的原则n中间补料的数量为基础料的中间补料的数量为基础料的13倍倍。n补料的原则
40、就在于控制微生物的中间代谢，使之向着有利补料的原则就在于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。于产物积累的方向发展。n现有的各种补料措施都是通过实验方法确定的。现有的各种补料措施都是通过实验方法确定的。第九十三页，本课件共有126页n大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质n以经验数据或预测数据控制流加；以经验数据或预测数据控制流加；n用传感用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加；器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加；n以以溶氧、溶氧、pH、RQ、排气中、排气中CO2分压及代谢物质浓度分压及代谢物质浓度等参数等参数间接控制流加；
41、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。限制性基质的浓度，间接控制流加。（4）补料控制的策略）补料控制的策略第九十四页，本课件共有126页（5）反馈控制参数的确定）反馈控制参数的确定n为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参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。利用以及产物形成之间的关系。e.g.谷氨酸发酵谷氨酸发酵在谷氨酸发酵过程中的某阶段，生产菌的摄
42、氧率和基质消在谷氨酸发酵过程中的某阶段，生产菌的摄氧率和基质消耗速率之间存在着线性关系。耗速率之间存在着线性关系。第九十五页，本课件共有126页K=1.51K=1.75K=2.16谷氨酸发酵中谷氨酸发酵中K值对糖浓度的控制的影响值对糖浓度的控制的影响第九十六页，本课件共有126页（6）补料速率的确定）补料速率的确定n优化补料速率是补料控制中十分重要的一环，优化补料速率是补料控制中十分重要的一环，补料速率补料速率要根据微生物对营养等的消耗速率及所设定的培养液中最低维要根据微生物对营养等的消耗速率及所设定的培养液中最低维持浓度而定。持浓度而定。n补糖速率最佳点与设备的供氧能力有关。补糖速率最佳点与
43、设备的供氧能力有关。e.g.青霉素发酵：青霉素发酵：KLa大的设备补料速率相应大些；供氧大的设备补料速率相应大些；供氧低的设备，补料速率相应减少，产量比供氧能力好的低的设备，补料速率相应减少，产量比供氧能力好的设备降低设备降低23。第九十七页，本课件共有126页（7）实例：四环素发酵中的补糖控制）实例：四环素发酵中的补糖控制n补糖时间对四环素发酵单位的影响补糖时间对四环素发酵单位的影响补糖时间适当补糖时间适当 （45h后加）后加）补糖时间过晚补糖时间过晚 （62h开始加）开始加）补糖时间过早补糖时间过早 （20h后加）后加）第九十八页，本课件共有126页n维持不同还原糖水平的四环素发酵中流加补
44、糖的作用维持不同还原糖水平的四环素发酵中流加补糖的作用第九十九页，本课件共有126页补糖对四环素发酵的影补糖对四环素发酵的影响响 在最适补加葡萄在最适补加葡萄糖的条件下，能正糖的条件下，能正确控制菌丝量的增确控制菌丝量的增加、糖的消耗与发加、糖的消耗与发酵单位增长三者之酵单位增长三者之间的关系，就可获间的关系，就可获得比采用丰富培养得比采用丰富培养基时更长的生物合基时更长的生物合成期。成期。n维持不同还原糖水平的四环素发酵中流加补糖的作用维持不同还原糖水平的四环素发酵中流加补糖的作用第一百页，本课件共有126页（八）高密度发酵及过程控制（八）高密度发酵及过程控制1.高密度发酵高密度发酵2.高密
45、度发酵策略高密度发酵策略3.高密度发酵技术高密度发酵技术4.高密度发酵存在的问题高密度发酵存在的问题第一百零一页，本课件共有126页1.高密度发酵高密度发酵n代谢产物的合成是靠菌体作为生产者来完成的。代谢产物的合成是靠菌体作为生产者来完成的。n高细胞密度发酵就是为了适应这一要求而得到广高细胞密度发酵就是为了适应这一要求而得到广泛的重视。泛的重视。n高密度发酵：在发酵过程中保持较高的细胞密度，高密度发酵：在发酵过程中保持较高的细胞密度，同时细胞或菌体的生产能力保持在较佳的状态。同时细胞或菌体的生产能力保持在较佳的状态。第一百零二页，本课件共有126页高细胞密度发酵成功的实例高细胞密度发酵成功的实
46、例菌种菌种特征特征基础培养基基础培养基发酵罐类发酵罐类型型培养方法培养方法细胞干重细胞干重（g/L）培养时间（培养时间（h）产率产率(g/L)/d大肠杆菌大肠杆菌需氧、葡萄需氧、葡萄糖过量、形糖过量、形成乙醇成乙醇葡萄糖矿物盐葡萄糖矿物盐或甘油矿物盐或甘油矿物盐搅拌罐搅拌罐葡萄糖（甘油）非葡萄糖（甘油）非限制指数补料限制指数补料140150304090100枯草杆菌枯草杆菌嗜温菌嗜温菌含葡萄糖的完含葡萄糖的完全培养基全培养基搅拌罐搅拌罐补料分批培养，以补料分批培养，以葡萄糖调节葡萄糖调节pH18530160毕氏酵母毕氏酵母嗜温菌嗜温菌葡萄糖矿物盐葡萄糖矿物盐搅拌罐搅拌罐补料分批培养，补补料分批
47、培养，补甲醇甲醇10050120120150酿酒酵母酿酒酵母嗜温菌嗜温菌含葡萄糖的完含葡萄糖的完全培养基全培养基搅拌罐搅拌罐连续培养，流加葡连续培养，流加葡萄糖萄糖2108050150第一百零三页，本课件共有126页2.高密度发酵策略高密度发酵策略n使用最低合成培养基以便进行准确的培养基设计使用最低合成培养基以便进行准确的培养基设计和计算生长得率。和计算生长得率。n优化细胞生长速率，使得碳源能被充分利用和优化细胞生长速率，使得碳源能被充分利用和获得较高的产率，用养分流加来限制菌的生长获得较高的产率，用养分流加来限制菌的生长速率还能控制培养物对氧的需求和产热速率。速率还能控制培养物对氧的需求和产
48、热速率。n可用碳源作为限制性养分，且采用补料分批发酵来可用碳源作为限制性养分，且采用补料分批发酵来实现高密度发酵。实现高密度发酵。第一百零四页，本课件共有126页3.高密度发酵技术高密度发酵技术n用于高密度发酵的生物反应器类型：用于高密度发酵的生物反应器类型：搅拌罐，透析膜反应器，搅拌罐，透析膜反应器，气升式反应器，气旋式反应器气升式反应器，气旋式反应器n在工业化生产中，通常采用的是搅拌罐与补料工艺来进在工业化生产中，通常采用的是搅拌罐与补料工艺来进行高细胞密度发酵。行高细胞密度发酵。n重组大肠杆菌高密度发酵成功的关键技术是补料策略，重组大肠杆菌高密度发酵成功的关键技术是补料策略，限制性基质（
49、葡萄糖）的流加模式有限制性基质（葡萄糖）的流加模式有3种：恒速流加补种：恒速流加补料、变速流加补料和指数流加补料。料、变速流加补料和指数流加补料。第一百零五页，本课件共有126页4.高密度发酵存在的问题高密度发酵存在的问题n水溶液中的固体与气体物质的溶解度，基质对生水溶液中的固体与气体物质的溶解度，基质对生长的限制或抑制作用，基质与产物的不稳定性和长的限制或抑制作用，基质与产物的不稳定性和挥发性，产物或副产物的积累达到抑制生长的水挥发性，产物或副产物的积累达到抑制生长的水平，高浓度的平，高浓度的CO2与热的释放速率，高的氧需求与热的释放速率，高的氧需求以及培养基的粘度不断增加等以及培养基的粘度
50、不断增加等。第一百零六页，本课件共有126页1.泡沫的产生及其影响泡沫的产生及其影响n泡沫的产生泡沫的产生 通气和搅拌通气和搅拌 代谢气体的逸出代谢气体的逸出 存在稳定泡沫的表面活性物质存在稳定泡沫的表面活性物质第一百零七页，本课件共有126页1.泡沫的产生及其影响泡沫的产生及其影响n泡沫的类型泡沫的类型n一类存在于发酵液的液面上。这类泡沫气相所占比例一类存在于发酵液的液面上。这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辨的界特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辨的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见的泡沫。的泡沫。