第五节 营养基质的影响及其控制 1、 对生长的影响 S = max Ks + S 一、基质浓度对发酵的影响 1、 对生长的影响 可用Monod 方程来描述基质浓度与生长速率的关系 ---比生长速率 max ---限制性营养物质浓度(S)过量时的比生长速率，即最大比生长速率，h-1 S ---限制性营养物质的浓度 Ks --- 饱和常数（= 0.5max时的基质浓度） = max S Ks + S
据Monod方程，在分批发酵中菌体比生长速度是基质浓度的函数。在S<<Ks的情况下，菌体比生长速率与基质浓度呈线性关系。 基质过浓导致抑制作用。当葡萄糖浓度低于100-150 g/L，不出现抑制作用；当葡萄糖浓度高于350-500 g/L，多数微生物不能生长，细胞出现脱水现象。 培养基过于丰富，菌体生长过旺，黏度增大，传质差，菌体不得不花费较多的能量来维持其生存环境，即用于非生产的能量大量增加。 控制合适的基质浓度。
在生长偶联型发酵中，趋向Qpmax与max的变化一致 随S浓度增加而加大，达到max时不再受S的影响 当S下降时， 也随之下降 在非生长偶联型发酵中，产物生成后于生长：Qp与营养物浓度饱和值无关 即营养物浓度不饱和的限制作用只影响，而不影响Qp 稳定期前营养物浓度控制目的是保持最大，稳定期内营养物浓度控制产物形成最大浓度。
在产物生成阶段，菌体不再以几何级数增加，营养物主要用以转化为产物 营养物不足，产物形成少 营养物浓度过高，酶达到饱和，也不会增加产物形成量 营养物也影响代谢调节
举例：基质浓度对生成量和组成的影响 黑曲霉柠檬酸发酵 蔗糖浓度15%~18%，蔗糖同化率97% 蔗糖浓度20%，只同化92% 蔗糖浓度低于10%，产柠檬酸少，积累草酸 蔗糖浓度低于2.5%，不产柠檬酸
影响菌体按比例、均匀地吸收营养物和环境pH的稳定 营养物比例对发酵的影响 影响菌体按比例、均匀地吸收营养物和环境pH的稳定 影响菌体生长，影响产物量和组成 例：棒杆菌生产谷氨酸 NH4+过量，菌体增殖阶段会抑制菌体生长，产酸阶段谷氨酸会受谷氨酰胺合成酶作用转化为谷氨酰胺； NH4+不足，-酮戊二酸积累，引起反馈调节。
2、碳源对发酵的影响及其控制 迅速利用的碳源能较迅速地参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解代谢产物，有利于菌体生长，但有的分解代谢产物阻遏产物合成； 缓慢利用的碳源多数为聚合物，为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成。例如，乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油及半乳糖分别是青霉素、头孢菌素C、盐霉素、核黄素及生物碱发酵的最适碳源。
For 青霉素： 现象：在迅速利用的葡萄糖培养基中，菌体生长良好，但青霉素合成量很少；相反，在缓慢利用的乳糖培养基中，青霉素的产量明显增加。缓慢滴加葡萄糖以代替乳糖，仍然可以得到良好的结果。 说明：糖的缓慢利用是青霉素合成的关键因素。乳糖被缓慢利用的速度恰好适合青霉素合成的要求。 结论：合理使用迅速利用的碳源； 发酵培养基中采用混合碳源。 糖对青霉素生物合成的影响试验
碳源的浓度：营养过于丰富对菌体的代谢、产物的合成及氧的传递都会产生不良的影响。若产生阻遏作用的迅速利用的碳源用量过大，则产物的合成会受到明显的抑制；反之，仅仅供给维持量的碳源，菌体生长和产物合成就都停止。 控制碳源的浓度： 经验法：根据不同代谢类型来确定补糖时间、补糖量和补糖方式。 动力学法：根据菌体的比生长速率、糖比消耗速率及产物的比生成速率等动力学参数来控制。
3、氮源对发酵的影响及其控制 影响产物合成的方向和产量 如： 谷氨酸发酵—— NH4+供应不足，促使形成α-酮戊二酸；
迅速利用的氮源：氨基(或铵)态氮的氨基酸(或硫酸铵等)和玉米浆等；容易被菌体所利用，促进菌体生长，但对某些代谢产物的合成，特别是某些抗生素的合成产生调节作用，影响产量。 如链霉菌的竹桃霉素发酵中，采用促进菌体生长的铵盐浓度，能刺激菌丝生长，但抗生素产量下降。铵盐还对柱晶白霉素、螺旋霉素、泰洛星等的合成产生调节作用。 缓慢利用的氮源：黄豆饼粉、花生饼粉、棉子饼粉等蛋白质。延长次级代谢产物的生产期、提高产物的产量。一次投入全量容易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体早衰自溶，缩短产物的生产期。
生产上采用的方法： 设计发酵培养基：选用含有快速利用和慢速利用的混合氮源。 如：氨基酸发酵用铵盐(硫酸铵或醋酸铵)和麸皮水解液、玉米浆； 链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。
补加有机氮源 酵母粉、玉米浆、尿素等。 如：土霉素发酵，补加酵母粉可提高发酵单位； 青霉素发酵，后期出现糖利用缓慢、菌浓变稀、pH值下降的现象，补加尿素可改善这种状况并提高发酵单位； 氨基酸发酵补加作为氮源和pH值调节剂的尿素。
补加无机氮源：氨水或硫酸铵 氨水：既可作为无机氮源，又可调节pH值。在抗生素发酵工业中，通氨是提高发酵产量的有效措施，如与其他条件相配合，有的抗生素的发酵单位可提高50％左右。 硫酸铵：生理酸性，当pH值偏高而又需补氮时补加，以达到提高氮含量和调节pH值的双重目的。 根据发酵控制的要求选择其他无机氮源。
3、磷酸盐浓度的控制 适当的浓度：取决于菌种特性、培养条件、培养基组成和来源等因素。必须结合当地的具体条件和使用的原材料进行实验确定。 抗生素发酵：生长亚适量(对菌体生长不是最适合但又不影响生长的量)的磷酸盐浓度。 举例：四环素发酵：菌体生长最适的磷浓度为65～70 μg／mL，而四环素合成最适磷浓度为25～30 μg／mL。青霉素发酵：0.01％的磷酸二氢钾为好。 代谢缓慢：补加磷酸盐。 举例：在四环素发酵中，间歇、微量添加磷酸二氢钾，有利于提高四环素的产量。
营养条件的选择 1）种类的选择 生长阶段：营养物要全面 产物生成阶段：给予发酵所需的各种营养，前体、促进剂 混合氮源和混合碳源 2）浓度
3）比例的选择 根据培养基化学组成和菌体需要 根据动力学原理进行优化 碳氮比 根据营养物特性进行调整 操作方法： 首先要确定基础培养基配方中有适当的配比。 然后通过中间补料来控制：Ｃ，Ｎ，磷酸盐。 可利用菌体代谢产生的CO2量来控制生产过程的补糖量，以控制菌体的生长和浓度。