第八章 发酵过程

定 义 发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。

为什么要研究发酵过程 微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来。为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，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。同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，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。

本章讲述的内容 第一节 发酵过程的代谢变化规律 第二节 发酵工艺的控制 第三节 发酵过程的主要控制参数 第四节 发酵过程的自动控制 第一节 发酵过程的代谢变化规律 第二节 发酵工艺的控制 第三节 发酵过程的主要控制参数 第四节 发酵过程的自动控制 第五节 发酵动力学 第六节 发酵过程优化

第一节 发酵过程的代谢变化规律 代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。 第一节 发酵过程的代谢变化规律 代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。 了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。

代谢曲线 代谢变化是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。把它们随时间变化的过程绘制成图，就成为所说的代谢曲线。

■发酵过程按进行过程有三种方式： 这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的代谢特征。 分批发酵(Batch fermentation) 补料分批发酵(Fed-batch fermentation) 连续发酵(Continuous fermentation) 这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的代谢特征。

一、分批发酵 1、分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。

2、分批发酵的特点 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。

3、分批发酵的优缺点 优点 操作简单； 操作引起染菌的概率低。 不会产生菌种老化和变异等问题 缺点 非生产时间较长、设备利用率低。

4、分批发酵的生长曲线 单细胞微生物

丝状真菌和放线菌 在液体振荡培养(或深层通气培养)中，以菌丝干重作为衡量生长的指标，可获得如图所示的生长曲线。在静止培养中也可获得类似的生长曲线。 丝状真菌的生长过程大致可分为；（1）生长延滞期；（2）迅速生长期；（3）衰退期。 （1）生长延滞期 造成生长延滞的原因有两种：一是孢子萌发前的真正的延滞期，另一种是生长已开始但却无法测量。对真菌的生长延滞期尚未作过仔细研究。 （2）迅速生长期 此时菌丝体干重迅速增加，其立方根与时间成直线关系。因为真菌不是单细胞，其繁殖不以几何倍数增加，故而没有对数生长期。真菌的生长常表现为菌丝尖端的生长和菌丝的分枝，因此受到邻近细胞竞争营养物质的影响。尤其在静止培养时，许多菌丝在空气中生长，必须从邻近的细胞吸收营养物质供生长需要，在迅速生长期中，碳、氮、磷被迅速利用，呼吸强度达到顶峰，代谢产物如酸类可出现或不出现。静止培养时，在迅速生长期的后期的菌膜上格出现孢子。 （3）衰退期 真菌生长进入衰退期的标志，是菌丝干重下降。一般是在一短期内失重很快，以后不再变化。但有些真菌则发生菌丝体自溶，由于其自身所产生的酶类催化几丁质、蛋白质、核酸等分解而释放出氨、游离氨基酸、有机磷化物和有机硫化合物等。处于衰退期的菌丝体的细胞，除顶端较幼细胞的原生质比较稠密均匀外，大多数细胞都出现大的空泡。 生长的停止由以下两种因素之一所决定。在高浓度培养基中，可能是因为有毒代谢产物的积累而阻碍生长，如在高浓度碳水化合物的培养基中可积累有机酸；在含有机氮高的培养基中可积累氨。多数次生物质，如抗生素等，也是在此时合成的。在较稀释的、营养物质平衡良好的培养基中，生长停止的主要因素是碳水化合物的耗尽。当生长停止后，菌丝体的自溶裂解的程度，因菌种的本性和培养条件而导。

5、分批发酵的类型 Gaden's fermentation classification（按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化） 第一类型 第二类型 第三类型 Piret's fermentation classification （按照产物生成与菌体生长是否同步） 生长关联型 (第一类型） 生长无关联型（第二，三类型）

■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

产物也来源于能量代谢所消耗的基质，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。 例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。 ■第二类型（部分生长关联型）

■第三类型（非生长关联型） 产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应来形成的，即产物的形成和初级代谢是分开的。 如抗生素发酵。

■生长关联型 （growth associated ） 产物形成与生长有关，如酒精、某些酶等。

non-growth associated ■非生长关联型 non-growth associated 产物的形成速度与生长无关，只与细胞积累量有关。如，抗生素。 杀念珠菌素发酵中葡萄糖、DNA、抗生素产量的代谢变化 A：DNA；B：葡萄糖；C：杀念珠菌素产量

■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关联型（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； 如果产品是非生长关联型（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。

■典型的分批发酵工艺流程

二、补料分批发酵 1、定义 补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。

2、补料分批发酵的优缺点 优点 缺点 使发酵系统中维持很低的基质浓度； 和连续发酵比、不需要严格的无菌条件； 不会产生菌种老化和变异等问题。 存在一定的非生产时间； 和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。 低基质浓度的优点：1)可以除去快速利用碳源的阻遏效应，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。

3、补料分批发酵的类型 补料方式 连续流加 不连续流加 多周期流加 补料成分 单一组分流加 多组分流加 控制方式 反馈控制 无反馈控制

四、连续发酵 1、定义 培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。

2、连续发酵的优缺点 优点 缺点 能维持低基质浓度； 可以提高设备利用率和单位时间的产量； 便于自动控制。 菌种发生变异的可能性较大； 要求严格的无菌条件。

3、连续发酵的类型 恒化培养 使培养基中限制性基质的浓度保持恒定 恒浊培养 使培养基中菌体的浓度保持恒定

4、连续发酵的代谢曲线 从分批培养出发，无论在哪个时候开始加入新鲜培养基过渡到连续操作，达到一定的菌体浓度及限制基质浓度则培养系统一定能成为稳定状态。

第二节 发酵工艺的控制 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

生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。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 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。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。 生物热随菌株培养基成分和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。

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。 1、抗生素相对活性为1 2、抗生素相对活性为0.5 发酵过程中生物热的变化

四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程 在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度的变化有对应关系，特别是在80小时以前。从此实验中还可看到，当产生的生物热达到高峰时，糖的利用速度也最大。另外也有人提出，可从菌体的耗氧率来衡量生物热的大小。 四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程 1：效价；2：呼吸强度；3：生物热；4：糖浓度

搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热 。 Q搅拌=3600（P/V） 3600：热功当量（kJ/（kW.h）） （P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（ kW/m3）

蒸发热：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。 蒸发热的计算： Q蒸发=G（I2-I1） G：空气流量，按干重计算，kg/h I1 、 I2 ：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气）

辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。 辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。

发酵热的测定 （1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热。

（2）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率S，按下式可求得发酵热：

2，温度对发酵的影响 影响各种酶的反应速率和蛋白质性质 影响发酵液的物理性质 影响生物合成的方向。 例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于30 ℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。 此外，温度还合影响生物合成的方向。

发酵过程，微生物生长速率变化 dX/dt = μX- αX μ: 比生长速率 α：比死亡速率 当处于生长状态时， μ>>α, α可忽略。

μ与 α与温度有关 根据Arrenhnius公式 μ = Ae-E/RT α = A’e-E’/RT

例：青霉菌生产青霉素 青霉菌生长活化能E=34kJ/mol 青霉素合成活化能E=112kJ/mol 青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当重要。

最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。 3，最适温度的确定 最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。 最适发酵温度的选择 在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。 温度的选择要参考其它发酵条件。 温度的选择还应考虑培养基成分和浓度

4，温度的控制 发酵罐：夹套（10M3以下） 盘管（蛇管） （10M3以上）

二、 pH对发酵的影响及控制 发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。尽管多数微生物能在3-4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。

1，pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响 (1)pH影响酶的活性，当pH抑制菌体中某些酶的活性时，使菌体的新陈代谢受阻； (2)pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄，因此影响代谢的正常进行； (3)pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解；从而影响微生物对这些物质的利用；

2，发酵过程中pH的变化 生长阶段 生成阶段 自溶阶段

3，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

4，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

5，最适pH的选择 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。 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。

最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型： 菌体比生长速率μ和产物比生产速率QP的最适pH在一个相似的较宽的范围内（比较容易控制）； μ较宽， Qp范围较窄，或μ较窄， Qp范围较宽（难控制，应严格控制）； μ和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）； 更复杂，μ和 Qp对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）；

6， 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

三、氧对发酵的影响 大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示： C6H 12O6 十6O2＝6H2O十6CO2 只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。 氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为l0mg/L) 。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。

1，发酵过程中氧的需求 尽管考虑了呼吸的化学计量而使供氧问题得以正确评价，但由于未曾将转化为生物物质的碳加以考虑而使菌体的真实需氧情况难以表明。许多研究工作者已经考虑到氧、碳源、氮源转化为生物物质的总化学计量关系，并利用这样的关系来预测发酵的需氧情况。从这些测定结果发现菌体的需氧似乎完全取决于培养基中的碳源。

Darlington(1964)以C3.92H6.5O1.94来表述100克酵母菌体(干重)的组分，并对由碳氢化合物和碳水化合物生产酵母推导得到如下方程式： 根据Darlington方程式，可知同样生100g菌体，用碳氢化合物所需的氧约为用碳水化合物生产时的3倍。

Johnson(1964)得出如下方程： A为燃烧1g底物成CO2、H2O和NH3（如底物中有氮存在）所需氧的量，此值易于计算获得； B为燃烧1g菌体成CO2、H2O和NH3所需氧的量，如果菌体组分已知的话，则也可计算获得。 C为生产1克菌体所需氧的量； Y为1克底物转化成菌体的克数。 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： 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； C对烷烃 ＝65.4 mmol氧/g菌体；

Mateles(1971)推导得一种碳源与需氧间关系的方程式，他假定代谢产物仅为菌体、CO2、H2O；以及菌体的正常组分C为53％、N为12％、O为19%、H为7％，则

Mateles利用此关系式对许多菌体利用各种基质所需的氧进行了计算 生长于不同基质上的不同微生物的需氧要求 基 质 微生物 g氧/g干菌体 葡萄糖 大肠杆菌 0.4 甲 醇 假单孢菌C 1.2 辛 烷 假单孢菌 1.7

上述方程式与生物物质的形成有关，并假定微生物除产生水、二氧化碳外，无其它产物形成。因此，这些方程仅能适用于菌体生产过程中预测氧的要求，而对菌体能形成其它产物的过程则需要加以修正。例如Cooney(1979)建议用下列方程式计算青霉素发酵：

临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求。 但是，由于菌体的代谢是受发酵液中的溶氧浓度的影响，故简单地依据总需求来供氧是欠妥的。溶氧浓度对比摄氧率(QO2每克干菌体每小时所消耗的氧的毫摩尔数)用米氏型曲线表示。 临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求。 QO2 Ccritical Dissolved Oxygen Concentration

■ 某些微生物的临界氧浓度 微 生 物 温度（˚C） 临界氧浓度 （mmol/L） 固 氮 菌 30 0.018 大肠杆菌 37 0.008 酵 母 0.004 产黄青霉 24 0.022

2、溶氧对发酵的影响 由此可知，只有使溶氧浓度高于其临界值，才能维持菌体的最大比摄氧率，得到最大的菌体合成量。如果溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受到干扰。但是，发酵工业的目标是要得到菌体发酵的产物而不是菌体本身。因此，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的；同理，当提供的氧浓度远大于临界值时，虽对菌体形成无妨，但也许能刺激产物的形成；所以，某种产物形成的最佳条件可能不同于菌体生长的最佳通气条件。

根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为： a. 供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显； 如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等 c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制； 如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等

但在实际生产过程中需注意： 溶解氧浓度过低（代谢异常，产量降低） 溶解氧浓度过高（代谢异常，菌体提前自溶）

■ 实例一 在对黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)生物合成氨基酸进行研究时发现，溶氧浓度对相关的氨基酸的生物合成具有很大的影响。研究表明：菌体的临界溶氧浓度为0.01mg/L；并根据“安全”的程度予以考虑供氧的程度，也即把菌体的呼吸率作为最大呼吸率的一个组成部分。因此，氧安全值低于最大呼吸率就意味着其溶氧浓度低于临界值。

当溶氧浓度低于1. 0时，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影响，但苯丙氨酸，缬氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧浓度分别为0. 55、0. 60和0 当溶氧浓度低于1.0时，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影响，但苯丙氨酸，缬氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧浓度分别为0.55、0.60和0.85。从合成途径中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸来自于三羧酸循环(TCA)的中间体，而苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸来自于糖酵解的中间体，即来自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸。 过量的氧会产生大量的TCA中间体；而当氧受到限制时，则由于只有少量的葡萄糖经由TCA循环而氧化，使更多的中间体用于苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸的生物合成。因此，某种程度的代谢干扰产生更多的用于丙酮酸衍生的氨基酸合成

■ 实例二 Feren和Squires(1969)对顶头孢霉产生头孢菌素和卷曲霉素(Capreomycin)的研究即是一个氧对次级代谢影响的例子。他们的研究表明，头孢菌素产生菌的临界氧浓度在0~7％的空气饱和度间；而对卷曲霉素产生菌则为13~23％。但就抑制抗生素生物合成的溶氧浓度来说，对头孢菌素为低于10-20％；而对卷曲霉素则为8％。因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于临界值，而在生产卷曲霉素时，则应使其溶氧浓度低于临界值。

3、发酵过程的溶氧变化 发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降 发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等 发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升

4、溶氧的控制 调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍） 限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。

四、CO2对发酵的影响及控制 CO2是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢的基质。它是细胞代谢的重要指标。在发酵过程中， CO2有可能对发酵有促进作用，也有可能有抑制作用。

1、 CO2对发酵的影响 CO2对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中CO2的浓度达到1.6×10-1mol，就会严重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%。

CO2对发酵也有影响 对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含5%的CO2 。 对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制 影响发酵液的酸碱平衡

2、 CO2对发酵影响的机理 CO2及HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。 培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位； HCO3-影响细胞膜的膜蛋白。

3、 CO2的控制 CO2在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律。它的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。

五、发酵过程中的泡沫及其控制 1，泡沫的性质 泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。

2，泡沫的类型 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辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。 另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。

3，泡沫产生的原因 由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）； 发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。

4，泡沫对发酵的不利影响 降低发酵设备的利用率 增加了菌群的非均一性 增加了染菌的机会 导致产物的损失 消泡剂会给后提取工序带来困难

5，影响泡沫稳定的因素 通气与搅拌的强度 培养基的配比及原材料组成 培养基的破坏程度 接种量的大小 培养液本身性质的变化 培养基灭菌的方法和操作 染菌

不同搅拌速度和通气量对泡沫影响

不同浓度蛋白质原科的起泡作用 Factors affecting antifoam requirements - Medium and cells The characteristics of the fermentation medium and the nature play an important role in determining foam formation. Media rich in proteins will tend to foam more readily than simple media. For example, the use of whey powder and corn steep liquor, two common nitrogen sources will contribute significantly to rate of foam formation and the antifoam requirement. Many cells also produce detergent-like molecules. These molecules can be nucleic acids and proteins released upon the death of the cells or proteins and lipid compounds produced during the growth of the cells.

灭菌时间对泡沫稳定性的影响

6，发酵过程泡沫的变化 在发酵过程中，培养液的性质随微生物的代谢活动而不断变化，影响了泡沫的消长，图指出了霉菌发酵过程中的液体表面性质与泡沫寿命的关系。由此可见，发酵初期泡沫的高稳定性与高的表观粘度和低表面张力有关。随着霉菌产生的蛋白酶／淀粉酶的增多及其对碳、氮源的利用，造成泡沫稳定的蛋白质分解，培养液粘度降低，促进表面张力提高，泡沫减少。另外，菌体也有稳定泡沫的作用。在发酵后期菌体自溶，可溶性蛋白质浓度增加，又促使泡沫上升。

7，发酵过程泡沫控制的方法 物理消沫法 化学消沫法

物理消泡法 原 理 靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。 方 法 罐内消沫法： 原 理 靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。 方 法 罐内消沫法： 罐外消沫法： 优 点 不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会 缺 点 不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。

化学消泡法 机 理 当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液 膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。 当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂。

选择消泡剂的依据 对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成。 消泡作用迅速，效果高和持久性能好 能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物。 不影响以后的提取过程。 消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单。 不干扰分析系统，如溶解氧、pH测定仪的探头。 最好还能做到不影响氧的传递。

消泡剂的种类和性能 天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。 聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌)。 高级醇类 十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体—起使用。据报导，它与冷榨猪油一起控制青男素发酵的泡沫，效果较好。聚二酵具有消沫效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。 硅酮类 硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。

六、补料控制 1，基质浓度对发酵的影响

2，补料控制目的 解除基质过浓的抑制 解除产物的反馈抑制 解除葡萄糖分解代谢阻遏效应

3、补料的内容 补充微生物能源和碳源的需要。 补充菌体所需要的氮源。 补充微量元素或无机盐。

4、补料的原则 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。

5、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。

6、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。

连续补料和分批补料发酵的比较 例如，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。 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。根据这种关系，补料的联机控制可通过摄氧率来执行。可将补科速率控制在与基质消耗速率相等的状态。测出分批加糖过程中排气中氧浓度，计算摄氧率(OUR)，其与糖耗速率(QsX)，之间的线性关系式如下： 利用K值和摄氧率可间接估算糖耗。从理论上按反应式(10．19)计算可得K值似应为1．5。根据摄氧率与糖耗速率之间的线性关系制定的加糖模型在加糖时发现，最佳K值应为1．75。在30L发酵罐中进行了计算机控制系统与常规分批加糖方法的比较研究；其结果见表10-8。实验证明，以估算糖耗为基础的连续加糖法可缩短发酵周期，而且最终谷氨酸浓度和转化率比分批加糖法高。

7、补料速率的确定 优化补料速率也是补料控制中十分重要的一环，因为养分和前体需要维持适当的浓度，而它们则以不同的速率被消耗，所以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持浓度而定。 例如，用连续培养方法测定了在不同比生长速率下青霉素生产菌产黄青霉的碳、氯、氧、磷、硫和乙酸盐及菌最适生长所需的各种基质的补料速率。

七、厌氧发酵工艺要求与控制 发酵工业中，由于使用微生物不同，其代谢规律不一样，因而有的是需氧发酵，有的是厌氧发酵，也称静置培养。例如：酒精、啤酒、丙酮、丁酵及乳酸等均是属于厌气发酵产品，其发酵设备因不需供氧，所以设备和工艺都较好氧发酵简单。 固态发酵（如白酒）； 液态发酵（如酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒）。

1、固态发酵 固态发酵主要是一些传统发酵工艺。例如生产大曲酒、麸曲酒就是典型的固态发酵。固态发酵中无菌要求不高，整个生产过程都是敞口操作。除原料蒸煮过程能起到灭菌作用外，空气、水、工具和场所，窖池等都存在大量的多种多样的微生物，并把这些微生物带到发酵原料中，它们与曲中的微生物一起协同作用，生产出丰富的香味物质，因此固体厌气发酵是多菌种的混合发酵。 发酵过程中，一般都采用比较低的温度，让糖化作用和发酵作用同时进行；即采用边糖化边发酵的工艺。当采用20~30℃低温时，糖化酶作用缓慢，故糖化时间要延长。

固态发酵的温度控制 固态发酵的温度控制靠控制进窖温度和淀粉含量来解决。因在窖内部没有冷却或加热装置，这样只好把进窖温度控制得比较低(18~22℃)。糖化进行缓慢，发酵也就缓慢，窖内升温慢些，酵母就不易衰老，发酵率就升高。进窖时原料淀粉含量不能太高，在发酵过程中一部分能量被放出，升高了发酵温度，一般发酵过程中，淀粉含量降低1.0％时，酒醅温度实际约上升2℃左右。所以淀粉含量控制在1 4~l 6％，随气温的高低不同进行适当地调整。

固体发酵的pH控制 一般工厂用酸度表示。酸度来自原料本身，曲和酒醅是最主要的。在发酵过程中酸度增加的原因，主要是杂菌的影响，淀粉浓度过高，糖化快，细菌生长繁殖快，造成酒醅酸度升高，也反过来影响酵母的生长，影响发酵，酸度低又影响糖化速度。因此控制酸度既适宜酵母生长又抑制了细菌生长。一般控制在1.4~2.0的酸度。

水分的控制 固体发酵中水份是微生物生长的条件，适当的水分是良好发酵的重要因素。但入窖水分过高，会引起糖化和发酵作用加快，升温过猛，使发酵不彻底；而水分过少，会引起酒醅发干，残余淀粉高，酸度过低，槽不柔软，影响发酵正常进行；一般大曲酒入窖水分为53~57％，小曲57~62％，因原料而异，冬天与夏天也不同。另一方面为了调整淀粉浓度，增加疏松性，调节酸度，以利于微生物的生长繁殖，保持水在固态发酵时常常加入填充料、如谷壳等。

2、液态发酵 厌气发酵在液体状态下进行，液体发酵速度快，发酵完全，发酵周期短，原料利用率高，而且适于大规模机械化、连续化、自动化生产。 液态厌气发酵对无菌要求较高，因此培养基必须经过灭菌，对发酵容器也要定期灭菌。 在发酵过程中对pH、温度进行连续控制，中间分析也与好气发酵相似 。

第三节 发酵过程的参数检测 物理参数 化学参数 生物参数 第三节 发酵过程的参数检测 物理参数 化学参数 生物参数 微生物的发酵是在一定条件下进行的，其内在代谢变化规律是通过各种检测装置测出的参数反应出来的。这样就可在严格监视下进行发酵，使产物的产量达到理想的程度。与微生物发酵有关的参数，可分为物理、化学和生物三类。这里介绍各个参数的意义及作用。

一、物理参数 1，温度 指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。 温度的高低与下列参数有密切关系 发酵中的酶反应速度 菌体生长速度，产物合成速度 氧在培养液中的溶解度，传递速度

2，压力 发酵罐维持的压力。 罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培养。 罐压的高低与氧，CO2在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。 罐压一般维持在0.2~0.5公斤。

搅拌转速大小与发酵液的均匀性和氧在发酵液中的传递速率有关。 3，搅拌转速 是指搅拌器在发酵罐中转动速度。 搅拌转速大小与发酵液的均匀性和氧在发酵液中的传递速率有关。 发酵罐的容积(L) 搅拌转速范围(r/min) 3 200~2000 10 200~1200 30 150~1000 50 100~800 200 50~400 500 50~300 10000 25~200 50000 25~160

4，搅拌功率 指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率（kW/m3）。 它的大小与溶氧传递系数KLa有关。

5，空气流量 指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。 它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。 一般控制在0.1~1.0vvm之间

6，粘度 粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。 在发酵过程中通常用表观粘度表示。 粘度的大小可改变氧传递的阻力。 粘度的大小可表示相对菌体浓度。

7，浊度 能及时反映单细胞生长状况。

二、化学参数 1，pH 发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综合结果，与菌体生长和产物合成有重要的关系 。

2，基质浓度 指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的浓度。 基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。

3，溶解氧（DO）浓度 氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质。 利用DO浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。

4，氧化还原电位 培养基氧化还原电位是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。

5，产物浓度 是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。

6，尾气O2浓度和CO2浓度 尾气中O2浓度与生产菌的摄氧率和KLa有关。 尾气中CO2是产生菌呼吸放出的CO2 。 从尾气中O2和CO2浓度的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力。从而了解产生菌的呼吸代谢规律。

7，其它参数 菌体RNA, DNA含量，以及ATP, ADP, AMP体系，NAD(P)-NAD(P)H体系。分别表示菌体生长情况，能量代谢能力，生物合成能力。

三、生物参数 1，菌（丝）体浓度（生物量biomass） 菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有影响，特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵，菌体浓度与培养液的粘度，DO都有关。

四、间接参数 根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率。

1、摄氧率 摄氧率r：单位体积培养液每小时所消耗的氧量（mmol/L.h）

2、呼吸强度 呼吸强度QO2：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量（mmol/g.h）

3、呼吸商 呼吸商RQ：发酵过程中氧的消耗比速与二氧化碳生成比速的商

物理参数 参数名称 单位 测试方法 意义、主要作用 温度 罐压 空气流量 搅拌转速 搅拌功率 粘度 浊度 泡沫 体积氧传质系数KLa ºC Pa V/V.min R/min KW Pa.s 透光度 l/h 传感器 压力表 粘度计 间接计算 维持生长、合成 维持正压、增加溶氧 供氧、排泄废气、提高KLa 物料混合、提高KLa 反映搅拌情况、KLa 反映菌的生长、KLa 反映菌的生长情况 反映发酵代谢情况 反映供氧效率

化学、生物参数 参数名称 单位 测试方法 意义、主要作用 pH 基质浓度 溶解氧浓度 氧化还原电位 产物浓度 尾气氧浓度 尾气CO2浓度 菌体浓度 RNA、DNA含量 ATP、ADP、AMP NADH含量 摄氧率 呼吸强度 呼吸商 比生长速率   g/ml ppm mV Pa % G(DCW)/ml Mg(DCW)/g gO2/L.h gO2/g菌.h 1/h 传感器 取样 间接计算 了解生长和产物合成 反映氧供需情况 反映菌的代谢情况 产物合成情况 了解耗氧情况 了解菌的呼吸情况 了解生长情况 了解能量代谢活力 了解菌的合成能力 了解耗氧速率 了解比耗氧速率 了解菌的代谢途径 了解生长 化学、生物参数

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、基质浓度、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、尾气中的O2和CO2含量等。 参数测定方法有： 在线测定 取样测定（离线测定）

■ 参数在线测定的优点及问题 优点： 主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制。 问题： 发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三相，即液、气、固体不溶物或油； 发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难。

■发酵工业用的传感器应满足的要求 1)传感器能经受高压蒸汽灭菌； 2)传感器及其二次仪表具有长期稳定性； 3)最好能在过程中随时校正； 4)探头材料不易老化，使用寿命长； 5)探头安装使用和维修方便； 6)解决探头敏感部位被物料(反应液)粘住、堵塞问题； 7)价格合理，便于推广应用。

第四节 发酵过程的自动控制 发酵过程的自动控制是根据过程变量的有效测量和对发酵过程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和计算机组成的控制器，控制一些发酵的关键变量，达到控制发酵过程的目的。包括三方面内容： 与发酵过程的未来状态相相联系的控制目标（温度、pH、生物量、浓度）； 一组可供选择的控制动作（阀门的开或关、 泵的开动或停止）； 能够预测控制动作对过程状态影响的模型（用 加入基质的浓度和速率控制细胞生长率时，表 达两者之间关系的数学式） 三者互相联系、互相制约，组成具有特定 自动控制功能的自控系统。

对发酵过程进行自动控制的优点 提高产品的得率； 改进产品的质量； 降低后续加工过程的损耗； 在整个操作过程中能稳定的保持最优条件； 提高对原料质量波动的适应性； 减少认为因素的影响； 提高工厂的生产效率； 降低能耗； 降低分析和操作成本。

存在的问题 发酵是一个较复杂的生化反应过程，大滞后和时变性是其主要特征。 传感器 不能蒸汽灭菌； 会和产品发生反应； 过分敏感。

一、基本的自动控制系统(control loop) 前馈控制(feedforward control) 后（反）馈控制(feedback control ) 自适应控制(adaptive control)

1、前馈控制 如果被控对象动态反应慢，并且干扰频繁，则可通过对一种动态反应快的变量（干扰量）的测量来预测被控对象的变化，在被控对象尚未发生变化时，提前实施控制。这种控制方法叫做前馈控制。 如，对温度的控制，在系统中，冷却水的压力被测量但不控制，当压力发生变化时，控制器提前对冷却水控制阀发出动作指令，以避免温度的波动。 前馈控制的控制精度取决于干扰量的测量精度，以及预报干扰量对控制变量影响的数学模型的准确性。

2、反馈控制 反馈控制系统如图所示，被控过程输出量x(t)被传感器检测，以检测量y(t)反馈到控制系统，控制器使之与预定的值r(t) （设定点）比较，得出偏差值e 。然后采用某种控制算法根据偏差e确定控制动作u(t) 。 开关控制； PID控制； 串（联）级反馈控制； 前馈/反馈控制。 +e r(t) u(t) x(t) 控制器 被控对象 y(t) 传感器

■开关控制 开关控制是最简单的控制。如发酵温度的开关控制系统是通过温度传感器检测发酵罐内温度，如温度低于设定点，冷水阀关闭，蒸汽或热水阀打开；如温度高于设定点，蒸汽或热水阀关闭，冷水阀打开。控制阀的动作是全开或全关，所以称为开关控制。 100% open (on) Valve or switch position 100% closed (off) 100% open (on) Valve or switch position 100% closed (off)

■PID控制 当负荷不稳定时，可采用比例（P）、积分（I）、微分（D）控制算法，及PID控制。 1. Output without control 2. Proportional action 3. Integral action 4. Proportional + integral action 5. Proportional + derivative action 6. Proportional + integral + derivative action 1 Positive deviation Controlled variable Set-point Negative P+D 2 4 5, 6 3 P+I+D Time

■串联（级）反馈控制 串联反馈控制是由两个以上控制器对一种变量实施联合控制的方法。 如溶解氧在发酵罐中的控制。作为一级控制器的溶氧控制器根据检测结果，由PID算法计算出控制输出、但不用它来直接实施控制动作、而是被作为二级控制器的搅拌转速、空气流量和压力控制器当作设定点接受，二级控制器再由另一个PID算法计算出第二个控制输出，用于实施控制动作，以满足一级控制器设定的溶氧水平。 溶解氧水平的串联反馈控制

■前/反馈控制 前馈控制所根据的数学模型大多是近似值，加上一些干扰量难于测定，限制了它的单独应用。通常与反馈控制结合使用。 如前馈/反馈控制应用于污水处理系统。 污水处理的前/反馈控制系统 SS：悬浮固体含量传感器 FRC：流量记录和控制器

3、自适应控制(adaptive control) 发酵过程是复杂的和不确定的过程，而上述自控系统的数学模型结构和参数都是确定的，过程的输入信号均为时间的函数，过程的输出响应也是确定的，所以对发酵过程动态特性无法确定数学模型，过程的输入信号也含有许多不可测的随即因素。对于这样过程的控制，必须提取有关的输入、输出信号，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控制 动作，使之适应于实际过程。 这样的控制系统称为自适应 控制系统。

二、发酵自控系统的硬件组成 传感器 变送器 执行机构 转换器 过程接口 监控计算机 发酵自控系统的硬件组成

三、发酵过程常见控制系统 1、Feed control

Schedule of fermentation

2、Temperature control loop

3、pH control loop

4、pO2- and rpm-control

5、Antifoam control

■第五节 发酵动力学(fermentation kinetics) 反应动力学：研究反应速度变化规律的学科。 发酵动力学：研究各种发酵过程变量在活细胞的作用下变化的规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响。并以数学，工程学的原理，定量描述。

发酵过程动力学的基本概念  发酵过程的反应描述及速度概念  发酵过程动力学研究的基本内容  菌体生长、产物形成、基质消耗动力学的基本概念  反应动力学的应用—连续培养的操作特性

第六节 发酵过程优化 一、概述 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 第六节 发酵过程优化 一、概述 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高的生产强度(缩短发酵周期)

1、发酵过程优化的主要研究内容 第一个方面是细胞生长过程研究 第二个方面是微生物反应的化学计量 第三个方面是生物反应过程动力学的研究（主要研究生物反应速率及其影响因素） 第四个方面的内容是生物反应器工程（包括生物反应器及参数的检测与控制）

2、发酵过程优化的目标 使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程的进行。 发酵过程优化的基础是进行生物反应宏观动力学和生物反应器的研究。

3、如何实现发酵过程的优化控制？ 生物反应过程动力学 动力学模型的建立 发酵过程优化控制 实现发酵过程优化控制的过程

建立动力学模型的目的：是为了模拟实验过程，对适用性很强的动力学模型，还可以推测待测数据，进而确定最佳生产条件 发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立

非结构模型 把细胞视为单组分，则环境的变化对细胞组成的影响可被忽略，即细胞的生长处于所谓的平衡生长状态，此基础上建立的模型称为非结构模型 非结构模型是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起的经验或半经验关联模型

结构模型 由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同，即细胞生长处于非均衡状态时，必须运用从生物反应机理出发推导得到的结构模型 在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型

生物反应器工程的研究内容 生物反应器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等 是影响微生物反应宏观动力学的重要因素

4、发酵过程优化的研究进展 20世纪40年代初抗生素工业的兴起，标志着发酵工业进入了一个新阶段 40年代末一门反映生物和化工相交叉的学科──生化工程诞生 1954年, Hasting指出, 生化工程要解决的十大问题是深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害 1964年Aiba等人认为通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中放大是生化工程的焦点 20世纪60年代中期，建立了无菌操作的一整套技术

发酵过程优化的研究进展 1973年Aiba等人进一步指出，在大规模研究方面，仅仅把重点放在无菌操作、通气搅拌等过程的物理现象解析和设备的开发上是不够的，应当进一步开展对微生物反应本质的研究 1979年，日本学者山根恒夫编著了《生物反应工程》一书，认为生物反应工程是一门以速度为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学 1985年，德国学者卡尔许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面的内容∶一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及反应器本身，特别是不同的反应器对生物化学和物理过程的影响

发酵过程优化的研究进展 目前一般认为生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应过程优化和控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科 生物反应工程的研究主要采用化学动力学、传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学原理，也涉及到生物化学、微生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领域，因此是一门综合性很强的边缘学科 生化反应工程的核心是生物反应过程的数量化处理和动力学模型的建立，实现发酵过程优化则是生物反应工程的研究目标

实现发酵过程的优化与控制，必须解决的五个问题: (1)生物模型； (2)传感器技术； (3)适用于生物过程的最优化技术； (4)系统动力学； (5)计算机─检测系统─发酵罐之间的接口技术

运用生物反应工程原理进行发酵过程优化控制的研究 1) 针对有关发酵产品的生产过程进行微生物生长和产物形成的动力学研究，提出新的或修正的动力学模型或表达式； 2)结合现代生物技术产品的开发，进行基因工程菌、哺乳动物细胞或植物细胞的生长动力学和产物形成动力学的研究； 3)在动力学研究的基础上进行过程优化控制的研究，包括状态观察方程的建立、观察数据的噪声过滤、不可测参数及状态的识别、过程离线或在线的优化控制。 其中尤以流加发酵的最优化研究报道居多

二、发酵过程优化原理 发酵过程优化的微生物反应原理 发酵过程数量化方法 微生物反应动力学 微生物反应优化的一般原理

1、发酵过程优化的微生物反应原理 （1）大肠杆菌生长过程中观察到下列现象∶ 在大肠杆菌快速生长期间，生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中，结构单元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致 大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化 一旦生长培养基中的结构单元足够，细胞就不再合成这些物质 特定的代谢途径代谢特定的底物，只有底物存在时，细胞才合成相应的酶 若两个不同的底物同时存在于培养基中，细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速率生长的酶系，当这种底物消耗完毕，再合成利用另一底物的酶。

（2） 细胞生长过程可分为三个步骤： 底物传递进入细胞 通过胞内反应，将底物转变为细胞质和代谢产物 代谢产物排泄进入非生物相，即胞外培养基

（3）底物、代谢产物和细胞质成分的定义为： 底物是一种存在于初始非生物相或者摄入物中起作用的可交换的化合物 代谢产物是一种作为代谢物产生于某代谢途径进入非生物相的化合物 细胞质成分是一种细胞利用底物产生的不可交换的化合物

研究表明在膜上可能存在三种不同的运输机制： (1)自由扩散 (2)协助扩散 (3)主动运输 前两种机制是沿着浓度梯度进行运输，是被动的过程，在运输过程中不需要提供外部能量。而主动过程逆着浓度梯度进行运输，需要输入一定的吉布斯自由能。

微生物体内不同底物和代谢产物的扩散过程

（4）微生物细胞的胞内反应 分解代谢反应 生物合成和聚合反应 糖类在转化为代谢产物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同时，还形成ATP、NADH和NADPH。NADH和NADPH都在分解代谢反应中产生，但NADPH主要消耗于合成代谢中，NADH则主要消耗于分解代谢途径，如氧化磷酸化 生物合成和聚合反应 为了合成细胞物质，需要合成结构单元并将其聚合。合成蛋白质需消耗大量的自由能，细胞一般根据其自身需求来调节蛋白质的合成,其合成由蛋白质合成系统(PSS)负责，该系统中核糖体是主要部分 E. coli中大约70%的能量和还原力用于合成蛋白质

合成E. coli细胞对前体代谢物的需求 细胞合成所需要的结构单元数在75～100之间，这些物质都是从12种前体代谢物合成得到的，这些前体代谢物就是分解代谢反应的中间产物，因此分解代谢在细胞生长过程中起着双重的作用(为生物合成提供能量和前体代谢物)

次级细胞代谢 细胞代谢和生长过程偶联在一起的过程，称之为初级代谢 但许多工业上重要的产品，其合成反应并不与生长过程偶联，我们称之为次级代谢，这些反应合成的产物叫次级代谢产物，就象初级代谢形成的产物叫初级代谢产物一样 乳酸是初级代谢产物，但它是乳酸菌在非生长条件下形成的，许多其它的初级代谢产物也同样是在非生长条件下产生的

2、发酵过程数量化方法 发酵过程的数量化处理包括： 只有当变量可测量时，才有可能对发酵过程进行数量化处理 发酵过程的速度 化学计量学和热力学 生产率、转化率和产率 只有当变量可测量时，才有可能对发酵过程进行数量化处理

3、微生物反应优化的一般原理 （1）发酵过程优化的一般步骤 反应过程的简化：是指把工艺过程的复杂结构压缩为少数系统，这些系统可以用关键变量来表示 定量化：系统、准确地检测发酵过程的各种参数 分离：是指在生物过程和物理过程的各种速度相互不影响的情况下，精心设计实验以获得关于生物和物理现象的数据

数学建模 数学模型是能以简化的形式表征过程行为，并实现特定目的的数学公式 数学模型可将特定结果通用化，并为推论系统的其它性质提供基础 建立数学模型的主要目标是：(a)为了预见任何系统的转化率或生产率；(b)用以检查在各种操作条件下工厂操作的性质和行为，检查模型适用的范围(包括外推性)；(c)用于进行工艺优化和计算机模拟；(d)用于检测出可能重要但被忽视了的参数；(e)检查是否已有效地区分生物现象和物理现象；(f)有助于阐明反应机理

微生物反应动力学模型的分类

建立数学模型的一般原则 从工程角度来看，要建立比较理想的模型应遵循以下原则 据以上4点，可以说决定论的均相模型最合适，且使用方便。 首先要明确建立模型的目的。除为了深入研究微生物生长这一复杂现象之外，多数是为了设计微生物反应器、探索最优操作条件，或者对反应过程进行最优控制 要明确建立模型的假设，从而明确模型的适用范围。 模型中所含的参数，最好能分别通过实验测定。 模型应尽量简单。 据以上4点，可以说决定论的均相模型最合适，且使用方便。 微生物是微生物反应的主角，所以希望由底物得到目的代谢产物的量最大，或者像废水的生物处理过程那样希望底物消耗量最大时，根据对微生物生长速率的影响来考虑环境条件。单一细胞或悬浮絮凝物微生物的反应动力学研究的核心是微生物的生长速率。

（2） 分批微生物反应过程的优化 最优化的目标函数：产量、生产率、纯利润等，有时也对这些指标的其中二个以上进行多目标函数优化 最优化的操作变量：反应时间、培养基组成、温度、pH、溶氧等 * 培养基组成的优化 预先设定XT为最大菌体浓度，则由可得到底物Si的初始浓度为∶

无机离子或生长因子等一旦被细胞吸收，在细胞内保持原化学状态，且含量恒定不变。这类营养物质称为储存性底物。可根据这些物质在菌体内的实际含量，用类似于上式的方法确定其需要量 当代谢产物的产量与培养基组成之间的关系很复杂，不能用解析函数的方式表示时，可采用实验设计法确定最优初始浓度 利用最优实验设计法，即使不能提高产量，也可探索培养基组分的最小需用量，从而避免不必要的浪费

研制了:参数检测与装置系统

形成了:基于参数相关的过程研究技术体系

发酵产品 国际水平 原水平 提高后水平 放大规模 水平 虾青素 600mg/L 50mg/L 500mg/L 3L放大到70M3 国内领先 不同发酵产品的过程优化与放大结果 发酵产品 国际水平 原水平 提高后水平 放大规模 水平 虾青素 600mg/L 50mg/L 500mg/L 3L放大到70M3 国内领先 DHA 20g/L 5g/L 40g/L 15L放大到50M3 国际先进 达托霉素 2g/L 200mg/L 1.7g/L 50L放大到120M3 国内领先 色氨酸 50g/L 16 g/L 45 g/L 60L放大到100M3 产率 (100小时) (50小时) (50小时) 国际先进 肌苷 90g/L 25g/L 35g/L 50L放大到50M3 国内领先 基因工程 7-10g/L 700 mg/L 7 g/L 50L放大到500L 国内领先

1、在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测定实验数据如下： S（mg/L）100 120 153 170 220 作业四 1、在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测定实验数据如下： S（mg/L）100 120 153 170 220 μ (h-1） 0.667 0.706 0.754 0.773 0.815 求在该培养条件下，大肠杆菌的μmax，KS，和td。

2、葡萄糖为碳源，NH3为氮源进行酵母厌氧发酵。培养基中分析结果表明，消耗100 mol葡萄糖(C6H12O6)和12 mol NH3 生成了57 mol菌体（CwHxNyOz)、43 mol甘油(C3H5(OH)3)、13 mol乙醇(C2H5OH)、154 molCO2和 3.6 mol H2O，求酵母的经验分子式。 3、发酵操作方式可分为分批发酵（batch ）、补料分批发酵（fed-batch）和连续发酵三种，请简述述三种方法的优缺点。 4、简述monod方程和米氏方程的区别及意义。 5、泡沫的控制方式分为哪几种类型，请简述之。

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