第七章 生物工艺过程控制 在有一个好的菌种以后，要有一个配合菌种生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来。目的是得到最大的比生产速率和最大的生产效率（生产强度）。 发挥菌种的最大生产潜力应考虑： 菌种本身的代谢特点：如生长速率、呼吸强度、营养要求（酶系统）、代谢速率等； 菌体代谢与环境的相关性：如温度、pH、渗透压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等。

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1 第七章 生物工艺过程控制 在有一个好的菌种以后，要有一个配合菌种生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来。目的是得到最大的比生产速率和最大的生产效率（生产强度）。 发挥菌种的最大生产潜力应考虑： 菌种本身的代谢特点：如生长速率、呼吸强度、营养要求（酶系统）、代谢速率等； 菌体代谢与环境的相关性：如温度、pH、渗透压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等。 因此对发酵过程的了解不能机械的，割裂的去认识，而要从细胞代谢水平和反应器工程水平全面的认识。

2 第一节 发酵过程中代谢变化与控制参数 发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，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，所以要想实现生产控制，必须要对代谢参数进行中间分析。 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。

3 从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化和产物形成速率三者之间的关系。
按代谢产物与菌体生长、繁殖的关系，代谢产物可分为初级代谢产物和次级代谢产物。

4 一、初级代谢的代谢变化 菌体生长繁殖分为四个时期。 对于初级代谢产物，在对数生长期初期就开始合成并积累。
乳酸、醋酸、氨基酸、核酸等。 p177图7-1 变化的根本原因在于菌体的代谢活动引起环境的变化，而环境的变化又反过来影响菌体的代谢。

5 二、次级代谢的代谢变化 属非生长耦联型。菌体生长繁殖期和产物形成期是分开的。 在对数生长期后期和稳定期大量合成。
属非生长耦联型。菌体生长繁殖期和产物形成期是分开的。 在对数生长期后期和稳定期大量合成。 ▲次级代谢的代谢变化分为三个阶段： 菌体生长、产物形成和 菌体自溶。 1. 菌体生长阶段 又称为发酵前期或平衡期 2. 产物形成阶段 又称为产物分泌期或发酵中期 3. 菌体自溶阶段 又称为发酵后期 pH上升

6 三、发酵过程的主要控制参数 T、pH值、溶解氧浓度、空气流量、搅拌转速、压力等。 代谢参数按性质分可分三类：
物理参数：温度、搅拌转速、罐内压力、空气流量、粘度、培养液体积、泡沫水平等。 化学参数：溶解氧浓度（DO）、 pH值、排气中氧（or二氧化碳）浓度等。 生物参数：基质浓度、生物质浓度、产物浓度、基质比消耗速率、菌体比生长速率、产物比生成速率、关键酶活力等。

7 从检测手段分可分为：直接参数、间接参数 直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温度、pH、残糖浓度、细胞浓度、产物浓度等。 间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，如干细胞重量（X）、细胞生长速率和比速率（μ）、产物生成速率和比速率、氧传递系数KLa等。

8 直接参数又可分为在线检测参数、离线检测参数
在线检测参数:指不经取样直接从安装在发酵罐上的仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌转速； 离线检测参数:指取出样后测定得到的参数，如残糖、NH2-N（氨基氮）、菌体浓度等。

9 四、发酵过程主要分析的项目 1、排气氧、排气CO2和呼吸熵
目前发酵过程主要分析项目除T、pH值、溶解氧、搅拌转速、通气量外，还包括以下几种： 1、排气氧、排气CO2和呼吸熵 排气氧的浓度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体生长的活性，通过计算可以求得摄氧率（OUR）。

10 排气CO2反映了微生物代谢的情况，因为微生物摄入的氧并不全部变成CO2，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CO2。此外，含氧的有机物降解后会产生CO2 ，使排气CO2大于消耗的氧。 CER：表示单位体积发酵液单位时间内释放的二氧化碳的量 呼吸熵＝ 呼吸熵反映了氧的利用状况。

11 2、残糖含量 糖的消耗 反映产生菌的生长繁殖情况 反映产物合成的活力
糖的消耗 反映产生菌的生长繁殖情况 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。通过残糖含量的测定，可以控制菌体生长速率；可通过控制补糖来调节pH，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵不正常。 糖含量测定包括总糖和还原糖。 总糖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。 还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。

12 3、氨基氮和氨氮 氮利用快慢可分析出菌体生长情况、含氮产物合成 情况。 氨基氮：指有机氮中的氮（NH2-N），如氨基酸中的氮，
黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。 氨氮：指无机氨中的氮（NH3-N）。

13 4、菌体浓度和菌体形态 菌体浓度直接反映菌生长的情况。 菌体形态 显微镜观察
菌体形态 显微镜观察 菌体浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。补料会引起菌浓的波动。 菌浓测定方法： 测粘度、压缩体积法（离心）、静置沉降体积法、光密度测定法 OD600~660 适合于细菌、酵母

14 5、产物浓度 生产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，产物浓度直接反映了生产的状况。而且通过计算还可以得到生产速率和比生产速率，从而分析发酵条件如补料、pH对产物形成的影响。

15 产物浓度常用的测定方法 （1）滴定法 产物能使一定指示剂变色来指示反应终点的可用滴定法。如柠檬酸可以用NaOH滴定来计算柠檬酸产量。
（2）比色法 产物经一定化学反应产生颜色，且颜色深浅与产物浓度成正比，可以用比色法测定。 （3）HPLC/GC法 可以检测结构相似的混合产物中各组分的实际含量。

16 ▲第二节 温度对发酵的影响及其控制 1、温度对微生物生长的影响 每种微生物对温度的要求可用最适温度范围、最高温度、最低温度来表征。
▲第二节 温度对发酵的影响及其控制 1、温度对微生物生长的影响 每种微生物对温度的要求可用最适温度范围、最高温度、最低温度来表征。 发酵所用的微生物大多是中温菌，最适温度范围在20℃~40℃。

17 在最适温度范围内，温度与生长的关系有两个方面：
（1）通常每升高10℃，生长速度就加快1倍； （2）不同生长阶段对温度的反应不同。

18 微生物与温度相关性的原理 （1）微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物理化学性 质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶状态，只有当细胞膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最佳生长状态。 微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。

19 （2）影响蛋白质结构 研究发现，温度影响酶的结构，进而影响酶的活性。 （3）影响蛋白质合成 许多中温菌不能在0℃ 合成蛋白质，一方面是由于其核糖体对低温的不适应，翻译过程中不能形成有效的起始复合物；另一方面是由于低温下细胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄露。 嗜冷菌具有在0℃合成蛋白质的能力。这是由于其核糖体、酶类以及细胞中的可溶性因子等适应低温，蛋白质翻译的错误率最低。

20 （4）合成冷休克蛋白 低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白。 将大肠杆菌从37℃突然转移到10℃条件时细胞中会诱导合成一组冷休克蛋白，它们在对低温的生理适应过程中发挥着重要作用。检测嗜冷酵母的冷休克反应，发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内大量产生。 耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必须忍受温度的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋白密切相关。

21 2、温度对发酵的影响 （1）影响各种酶反应的速率
在保证酶不失活的温度范围内，T ，则反应速度 。用温度系数Q10（T每升高10℃，化学反应速率增加的倍数）来表示。 发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。 从阿伦尼乌斯方程式可以理解反应速率常数与温度的关系。

22 （2）影响生物合成方向 （3）影响发酵液的物理性质 金霉素链霉菌：30 ℃金霉素（多）； 35℃四环素
如：T 则氧的溶解度 ；T 则发酵液η 。 !同一种生产菌，菌体生长和代谢产物积累的最适温度可能是不一样的。

23 Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q显－Q辐射
3、影响发酵温度变化的因素 问： 发酵过程的温度会不会变化？为什么？ 发酵热：即发酵过程中释放出来的净热量，是由产热因素和散热因素两方面决定的，主要包括：生物热、搅拌热、蒸发热、辐射热、显热等。 Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q显－Q辐射 发酵热引起发酵液的温度上升。

24 （1）生物热（Q生物） 菌在生长繁殖过程中产生的热能，叫生物热。
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，另外一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就是生物热。

25 M.B进行有氧发酵产生的热比厌氧发酵产生的热多。
例如：一摩尔Glc彻底氧化成CO2和H2O 好氧：产生287.2千焦耳能量， 183千焦耳转变为高能化合物 104.2千焦以热的形式释放 厌氧：产生22.6千焦耳能量， 9.6千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的形式释放

26 培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。
生物热的大小与呼吸作用强弱有关 在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。 在对数生长期，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，故产生的热量多，温度上升快。必须注意控制温度。 后期，菌体基本停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，故温度变化不大且逐渐减弱。

27 （2）搅拌热Q搅拌 在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间、液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算： Q搅拌＝P×860×4186.8（焦耳/小时） P——搅拌轴功率 4186.8——机械能转变为热能的热功当量

28 （3）蒸发热Q蒸发 通气时引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显，显热很小，一般可以忽略不计。 （4）辐射热Q辐射 发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差，冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5％。 Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射

29 4、温度的选择与控制 关键是选择最适温度 （1）最适温度的选择 温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的。
∴在发酵整个周期内仅选择一个最适温度不一定合适。 应该根据发酵的不同阶段，选择不同的培养温度。 即：变温发酵 根据实验确定

30 （2）最适温度的控制 就大多数情况来说，接种后培养温度应适当提高，以利于孢子萌发或加快菌体生长繁殖。待发酵液的温度表现为上升时，发酵液温度应控制在菌体的最适生长温度；到主发酵旺盛阶段，温度应控制在代谢产物合成的最适温度；到发酵后期，温度出现下降趋势，直至发酵成熟即可放罐。 温度控制方式： 若需加热，发酵罐带有加热装置(先设定，自动控温)。

31 若需冷却，向发酵罐的夹层或蛇形管中通冷却水。
若室温很高导致冷却水的温度很高，可采用冷冻盐水进行循环式降温。实际常用深井水（冬暖夏凉）。 思考题 1. 发酵过程中温度会不会发生变化？为什么？ 2. 发酵热的定义、 生物热的大小与哪些因素有关？ 3. 温度对发酵有哪些影响？ 4. 发酵过程温度的选择有什么依据？

32 ▲第三节 pH值对发酵的影响及其控制 发酵液的pH值既是培养基理化性质的反映，又是微生物生长代谢的结果，反过来又会影响微生物的生长和发酵产物的合成。 一、说明 1. 不同种类的M.B对pH的要求不同 大多数 细菌 6.5~7.5 霉菌 4.0~5.8 酵母 3.8~6.0 放线菌 6.5~8.0

33 2. 同一种M.B由于pH的不同，也可能会形成不同的发酵产物
例如： 黑曲霉 pH2~3主要产柠檬酸， pH7.0 左右则主要产草酸； 酵母菌 pH4.5~5.0主要产酒精， pH8.0 时除酒精外，还有醋酸和甘油。

34 ▲二、影响pH值变化的因素 1. 基质代谢 （1）糖代谢 主要有三方面：基质代谢、产物和菌体自溶。
特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是需要补料的标志之一。 糖 常用的有葡萄糖。葡萄糖分解生成有机酸，有机 酸是糖的不完全氧化产物，使发酵液呈酸性。

35 油脂 常用的有各种动物油和植物油，如猪油、豆油、
玉米油等。 油脂的利用往往是先经过菌体分泌的脂肪酶水解为甘油和脂肪酸后，再进行有氧代谢。脂肪酸的形成就引起培养液的pH值下降；如果当发酵供氧不足时，就引起脂肪酸积累，pH值明显下降。

36 玉米浆 玉米浆是用亚硫酸浸泡玉米的水，经除去淀粉、葡萄糖后浓缩加工制成的。它本身的 pH值很低，由于玉米浆含有较丰富的玉米可溶性蛋白和各种氨基酸，很容易被菌体作为氮源利用。脱氨基后剩下的部分就是有机酸，可使发酵液变酸。 （2）生理酸碱性物质的利用 ① 生理酸性物质 铵盐 常用的有(NH4)2SO4。

37 NH3被微生物作为氮源利用后，剩下的酸使培养液变酸，pH值下降，故称生理酸性盐。
此外，也有把NH4Cl当生理酸性的氮源使用。

38 ② 生理碱性物质 硝酸盐 常用的NaNO3。硝基氮不如氨氮那样可以直接被菌体利用，它必须先还原成氨后，才能被利用。硝基氮经菌体的同化作用后生成碱性物质： 有机酸盐 许多放线菌和霉菌对它们（如乳酸、柠檬酸、琥珀酸等）的氧化能力很强，氧化产生碱性物质：

39 （3）氮代谢 有机氮 当培养基中的蛋白质、氨基酸或其它含氮有机物（如尿素）中的碳被利用后，被释放出游离氨使pH值上升。

40 菌体自溶时，蛋白质分解或产生其它碱性化合物，使pH上升。故发酵后期，pH上升。
2、产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH值下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH值上升。 3、菌体自溶 菌体自溶时，蛋白质分解或产生其它碱性化合物，使pH上升。故发酵后期，pH上升。

41 ★引起发酵液pH下降的因素： ★引起发酵液pH上升的因素：
（1）培养基中C/N比例不当，C源过多，或中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大量积累而pH下降； （2）消泡剂加得过多 ； （溶解氧不足了） （3）生理酸性物质的存在； （4）酸性物质的生成。 ★引起发酵液pH上升的因素： （1）培养基中C/N比例不当，N源过多 ； （2）生理碱性物质的存在 ； （3）中间补料时氨水或尿素等碱性物质加入过多 ； （4）碱性物质的生成； （5）菌体自溶。

42 因此，实际测得的pH是各种反应的综合性结果。
发酵初期，C、N源的代谢水平都比较低，pH一般维持不变，或者由于培养基中有机N源的分解而略有上升； 进入快速生长期后，C源迅速代谢而使pH下降； 到达稳定期，C、N源代谢相对平衡，pH相对保持稳定； 发酵后期，随着C源的耗尽和菌体自溶，pH逐渐回升。

43 三、pH对发酵的影响 （1）影响酶的活性 （2）影响微生物细胞膜的电荷分布 （3）影响培养基某些成分和中间代谢物的解离
从而改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行 。 （3）影响培养基某些成分和中间代谢物的解离 从而影响微生物对这些物质的利用 （4）影响代谢产物的质量和比例

44 图 pH值与比生长速率和比生产率之间的关系
微生物生长有最适pH，微生物发酵也有其最适pH。微生物生长的最适pH和发酵的最适pH往往不同。 图 pH值与比生长速率和比生产率之间的关系

45 青霉素：菌体生长最适pH3. 5~6. 0，产物合成最适pH7. 2~7. 4。 四环素：菌体生长最适pH 6. 0~6
青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0，产物合成最适pH7.2~7.4。 四环素：菌体生长最适pH 6.0~6.8，产物合成最适pH 5.8~6.0。 生长 X或P pH 合成 四环素 pH值对产物合成的影响要比菌体生长的影响大。 确定最适pH的原则是既有利于菌体的生长，又可最大限度获得高的产量。一般由实验结果来确定。需要时变pH值控制。

46 2. pH的控制 （2）在培养基中加入维持pH的物质
如果上述办法达不到要求，可在发酵过程中采用直接补加酸、碱或补料的方式来控制，特别是补料的效果比较明显。 （2）在培养基中加入维持pH的物质 如CaCO3 ，或具有缓冲能力的试剂（如磷酸缓冲液等）

47 （3）通过补料调节pH值 一般为生理酸、碱性物质 在发酵过程中根据糖or氮消耗需要进行补料。在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH值。
可以加糖。 ② pH值偏高，残糖量偏高，发酵液菌丝浓度不稠时： 可以加玉米浆或(NH4)2SO4。

48 （4）当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH值
可以加氨水或尿素。 ④ pH值偏低，但菌丝浓度较稠时：可补入适量CaCO3， 既能调节pH值，又能使菌丝不过多生长。 （4）当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH值 比如氨水、NaOH、HCl、H2SO4等 !酸碱作用快，波动大 局部 搅拌 少量多次流加

49 （5）发酵的不同阶段采取不同的pH值 例：pH对L-异亮氨酸发酵的影响（天津科技大学） ∴菌株最适生长pH控制在6.8～7.0

50 不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于7. 5时，菌体易于老化，呈现球状；当pH值低于6. 5时菌体同样受抑制，易于老化。而在7

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52 分阶段pH控制模式 这两个pH的得出：先根据时间做pH对生长和发酵的影响，模拟平均u和qp最大时的pH。 采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵前期控制pH 6.9，到48 h后pH值为7.15，产率22.27g·/L，产酸率提高12.23％。因为pH6.9时菌体生长旺盛，pH7.15时对菌体的产酸有利。

53 思考题 1. 发酵过程中pH会不会发生变化？为什么？ 2. pH对发酵的影响表现在哪些方面？ 3. 如何确定发酵的最佳pH？ 4. 发酵过程的pH控制可以采取哪些措施？

54 第四节 溶解氧对发酵的影响及其控制 绝大多数M.B的生长和代谢过程是需氧的，因此发酵的全过程必须不断地向反应器中进行通气和搅拌。
第四节 溶解氧对发酵的影响及其控制 绝大多数M.B的生长和代谢过程是需氧的，因此发酵的全过程必须不断地向反应器中进行通气和搅拌。 溶解氧既是重要的环境因素，还是参与菌体生长、细胞代谢的维持和产物形成不可或缺的营养因素。 氧的利用过程分成两个阶段： 空气中的氧首先溶解在液体中，叫“供氧”； 微生物利用液体中溶解氧进行呼吸代谢活动，叫“耗氧”。 微生物不断消耗掉发酵液中的溶解氧，同时通入的空气又不断补充，使整个过程达到平衡。

55 一、描述微生物需氧的物理量 r = QO2·X 液体中M.B只能利用溶解氧。 O2是一种难溶气体 。
0.25 mmol/L mmol/L 大于25~100 mmol/(L·h) 培养液中要保持供氧和耗氧的平衡，才能满足M.B对氧的利用，才能正常生长。 比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧量，mmol O2·g菌-1·h-1 摄氧速率即耗氧速率 摄氧速率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2·L-1·h-1 。 r = QO2·X

56 由于各种好氧M.B所含的氧化酶体系（如过氧化氢酶、细胞色素氧化酶等）的种类和数量不同，因此各种需氧M.B的吸氧量或呼吸程度也不同。
▲临界溶氧浓度（ C临）： 满足M.B呼吸的最低溶氧浓度。 虽然氧在发酵液中的溶解度很低，但不需要溶解氧的浓度达到或接近饱和值，但必须控制使其维持在临界氧浓度之上，否则会处于部分厌气状态。 ▲∴C >C临 一般对于微生物： C临 ＝1～25%饱和浓度 通常为0.003 ~ 0.05mmol/L

57 二、溶氧对微生物生长的影响 在好氧发酵过程中，当限制性基质的浓度[S]一定或者过量，而溶解氧浓度较低时，氧成为微生物生长的主要限制性基质，微生物的比生长速率与氧浓度的关系可用Monod方程式表示： 式中，C —溶氧浓度；KO2 —氧饱和常数 由此可知，在氧浓度很低时，微生物细胞的比生长速率μ随着溶解氧浓度的升高而正比增长，当氧浓度达到临界氧浓度C临时，比生长速率不再增长。 μ C C临

58 ▲三、发酵过程中溶氧的变化 t 正常发酵情况下，溶氧变化有一定的规律 初期：几乎不变 发酵前期： 溶氧明显下降 DO 发酵中期： 溶氧稳定
发酵后期： 溶氧上升 ① 污染了好气性杂菌；② 菌体代谢发生了异常；③ 某些设备或工艺控制发生了故障或变化。 引起溶氧异常下降的原因： ① 污染噬菌体； ② 菌体代谢发生了异常。 引起溶氧异常上升的原因：

59 ▲四、控制溶氧的工艺手段 气体吸收 “双膜理论”
气体吸收 “双膜理论” 1:从气相主体到气液界面的气膜传递阻力；２:气液界面的传递阻力；３:从气液界面通过液膜的传递阻力；４:液相主体的传递阻力；５:细胞或细胞团表面的液膜阻力；６:固液界面的传递阻力；７:细胞团内的传递阻力；８:细胞壁的阻力；9:细胞膜的阻力；10:反应阻力

60 1. 供氧方面 （1）改变通气流量 ∴ 控制溶氧的工艺手段出要从供氧和需氧两方面考虑。
在低通气的情况下，增大通气量对提高DO有显著效果。但当空气流速已经十分大的情况下，再增加通气速率，作用便不明显，反而会产生某些副作用。如泡沫形成、水分蒸发、罐温升高以及染菌几率增加等。

61 （2）改变搅拌转速 （3）改变气体组成中的氧分压 （4）改变罐压 比改变通气速率的效果明显。 气泡打碎 湍流 纯氧 成本高 实际是提高氧分压
比改变通气速率的效果明显。 气泡打碎 湍流 （3）改变气体组成中的氧分压 纯氧 成本高 （4）改变罐压 实际是提高氧分压 增加动力消耗 罐的强度 安全 CO2的溶解度增大

62 （5）发酵液内液柱高度 （6）发酵罐体积 （7）改变发酵液的理化性质
H/D（罐的径高比）从1增加到2时，溶氧系数可增加40%左右，从2增加到3时，溶氧系数可增加20%左右。一般H/D=2~3之间为宜。 （6）发酵罐体积 在几何形状相似的条件下，发酵罐体积大的氧利用率可达7~10%，而体积小的氧利用率只有3~5%。 （7）改变发酵液的理化性质 黏度、表面张力、离子强度 不能轻易变化

63 2. 耗氧方面 （1）菌体浓度 （2）呼吸强度 遗传因素／菌种特性 菌龄 营养的成分与浓度 有害物质的积累 发酵条件

64 第五节 菌体浓度与基质对发酵的影响及其控制
第五节 菌体浓度与基质对发酵的影响及其控制 一、菌体浓度对发酵的影响及其控制 菌体/细胞浓度（简称“菌浓”） X 菌浓的检测方法：浊度法、荧光法等。 耗氧率随菌体浓度的升高而增大，但是不能超过反应器的最大传氧能力。 ▲最佳菌体浓度/Xc：在临界氧浓度之上使传氧和耗氧保持平衡的最大菌体浓度。 由双膜理论可作图求出Xc

65 r——摄氧率；（与菌浓成正比） Ｎ——反应器内气液界面的氧传递速率； X——菌浓； Xc——最佳菌浓。

66 二、基质对发酵的影响及其控制 1. 碳源的影响及其控制 混合碳源 分批发酵中，基质与生长速率的关系：Ｍonod方程式
1. 碳源的影响及其控制 速效碳源：有利于菌体生长，但是有的代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用。 混合碳源 补料调控 迟效碳源：被菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的分泌期。

67 2. 氮源的影响及其控制 混合氮源 无机氮源和有机氮源、速效氮源和迟效氮源 速效氮源如氨基酸、硫酸铵、玉米浆等；
2. 氮源的影响及其控制 无机氮源和有机氮源、速效氮源和迟效氮源 速效氮源如氨基酸、硫酸铵、玉米浆等； 迟效氮源如黄豆饼粉、花生饼粉等。 速效氮源容易被菌体利用，促进菌体生长； 迟效氮源对延长次级代谢产物的分泌期、提高产物产量有好处。 混合氮源

68 第六节 CO2对发酵的影响及其控制 一、CO2的对发酵的影响 代谢产物 细胞代谢的重要指标
代谢产物 细胞代谢的重要指标 溶解在发酵液中的CO2对菌体生长具有抑制作用，如排气中CO2浓度高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。 CO2还影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的pH下降，或与生长必需的金属离子发生反应形成碳酸盐沉淀，或引起溶氧浓度下降等，间接影响菌体生长和产物合成。

69 二、CO2浓度的控制 CO2在发酵液中浓度的大小受细胞的呼吸强度、发酵液的流体学特性、通气搅拌程度、罐压大小等因素的影响。
由于CO2的溶解度比氧气大，所以增加罐压将提高CO2浓度，不利于细胞生长。如提高通气量或搅拌速率，将促进CO2随废气的排出，使其维持在引起抑制的浓度之下。 CO2的产生与补料控制有密切关系，在补加碳源被快速利用的同时，发酵液中CO2浓度迅速提高，导致pH下降。

70 第八节 泡沫对发酵的影响及其控制 一、泡沫的产生及其影响 1. 泡沫产生的主要原因 （1）外力：通气和搅拌 （2）微生物代谢
第八节 泡沫对发酵的影响及其控制 一、泡沫的产生及其影响 1. 泡沫产生的主要原因 （1）外力：通气和搅拌 （2）微生物代谢 （3）培养基成分：蛋白质原料 ▲基质中的有机氮源是起泡的主要因素 泡沫有两种类型：1）发酵液液面上的泡沫 2）发酵液中的泡沫

71 2. 泡沫的不利影响 过多的持久性的 泡沫会给发酵带来很多负面影响： （1）降低了发酵罐的装料系数（ 通常0.6～0.7 ）
2. 泡沫的不利影响 过多的持久性的 泡沫会给发酵带来很多负面影响： （1）降低了发酵罐的装料系数（ 通常0.6～0.7 ） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　泡沫占Ｍ的10% （2）代谢气体不易被带走，造成菌体代谢异常，甚至会 导致菌体提前自溶，反而产生更多泡沫； （3）“顶盖”增加了污染杂菌的机会； （4）“逃液” 使产物的收率下降； （5）消泡剂的加入将给提取工序带来困难。

72 二、泡沫的控制 主要有三种途径： （1）调整培养基中的成分或改变物理化学参数或改变发酵工艺来控制； （2）采用机械消泡和消泡剂消泡的方法；
（3）筛选不产生流态泡沫的菌株。

73 1. 机械消泡 2. 消泡剂消泡 依靠机械力引起强烈振动或压力变化，促使泡沫破裂。 优点：不需引入外界物质；
缺点：不能从根本上消除引起泡沫的因素 2. 消泡剂消泡 消泡剂都是表面活性物质，具有较低的表面张力。 消泡剂的作用或者是降低泡沫液膜的机械强度，或者是降低液膜的表面粘度，或者兼而有之。

74 常用的消泡剂有： 天然油脂：如豆油、棉籽油、菜籽油和猪油等； 聚醚类：如环氧乙烷、聚氧乙烯氧丙烯甘油（简称 GPE型，又称“泡敌” ）； 高碳醇、脂肪酸和酯类； 硅酮类。 但消泡剂也有一些副作用：如增加气液界面阻力、降低氧传递速率、被有的M.B代谢产生脂肪酸、降低系统的pH值等。

75 第九节 发酵终点的判断 一、经济因素 原则：既要有高生产强度，又要降低成本。 以最低的成本用最短的发酵时间就可获得最大生产能力 。
第九节 发酵终点的判断 原则：既要有高生产强度，又要降低成本。 一、经济因素 以最低的成本用最短的发酵时间就可获得最大生产能力 。 建筑费、原材料费、设备费、固定资产折旧费、维修费、公用设施费、动力费、工资及管理费、业务开资费、产物提炼成本等。

76 二、产品质量因素 三、特殊因素 放罐时间由实验确定。 原则：高产量、高得率、高生产率。 必须在发酵末期菌体自溶前放罐，不能过早或过晚。
放罐时间对下游工序有很大的影响。 三、特殊因素 发酵异常的情况下，必须立即放罐。

77 第十节 发酵过程检测与自控 一、发酵过程检测 传感器 反映发酵过程变化的参数分为两类： 直接参数：可以直接采用特定传感器检测的、能反映物
第十节 发酵过程检测与自控 一、发酵过程检测 反映发酵过程变化的参数分为两类： 直接参数：可以直接采用特定传感器检测的、能反映物 理环境和化学环境变化的参数； 间接参数：需要借助于已知参数进行计算得到。 如T、P、pH值、溶氧等 传感器 按测量方式分：离线传感器、在线传感器和原位传感器。

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79 温度传感器、耐高温pH和溶氧（DO）传感器

80 通气质量流量计

81 蠕动泵补料测量与控制系统 控制系统：流速调整幅度大(从0.1 mL/h-5 L/h)，可变速蠕动泵，占空比可调整的开关控制。

82 生产车间计算机控制室

83 1. 温度 感温元件通常有：水银温度计、热电偶、热敏电阻和金属电阻温度计。
感温元件一般装在金属套管内，再插入发酵罐中安装或固定在发酵罐壁，安装时必须保证发酵罐的无菌状态。

84 发酵过程温度控制 1—温度传感器 2—温度控制器 3—调节阀 4—反应器 5—夹套

85 2. 搅拌转速 搅拌转速一般采用磁感应式、光感应式或测速发电机检测。 磁、光感应式检测器是通过计测脉冲数来测定转速；
测速电动机在安装时与搅拌器轴相联接，根据输出电压值（一般是mV）的高低表示转速的快慢，在发酵过程中可以调节转速的大小 。

86 3. 流量 4. 压力 5. 粘度 空气流量：转子流量计最为常用。
料液流量：常用的有转子流量计（象气体流量计，也可以实现自动控制）、电磁流量计和通过测定发酵罐的质量变化间接测定液体流量的应变器。 4. 压力 罐压可以就地测量指示，也可以将压力信号转变成电信号传输。 5. 粘度 非牛顿型流体 粘度计

87 6. pH 7. 溶解氧（DO） 8. 菌体浓度（或生物量，Biomass） 9. 细胞形态 复合pH电极
目前市场上可买到能进行高温灭菌的溶氧电极大多是Ag-Pb电极 。 8. 菌体浓度（或生物量，Biomass） （1）浊度法 ；（2） 干重法；（3） 荧光法 9. 细胞形态 显微镜成像技术

88 二、发酵过程自控 图1 反馈控制系统

89 1—泡沫检测电极； 2—消泡控制器； 3—气动开关； 4—气动开关阀； 5—消泡剂贮槽 图2 发酵过程消泡控制

90 1—温度传感变送器； 2—温度控制器； 3—调节阀； 4—发酵罐； 5—夹套 图3 发酵过程温度控制

91 1—流量测量环节； 2—流量变送器； 3—控制器； 4—控制阀； 5—管道 图4 流量控制系统

92 图5 pH控制系统 1—pH测量电极和送变器；2—控制器； 3—空气开关；4—气动开关阀门

93 图6 溶解氧控制系统 1—溶解氧电极和变送器；2—溶解氧控制器；3—压力传感变送器；4—压力控制器；5—压力调节阀；6—空气流量变送器；7—流量控制器；8—流量调节阀