第六章 发酵条件及工艺控制

1、（一）碳源种类的影响及控制（一）碳源种类的影响及控制迅速利用的碳源迅速利用的碳源缓慢利用的碳源缓慢利用的碳源n种类：种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油n优点：优点： 不易产生分解产物 阻遏效应。 有利于延长次级代谢产物的分泌期n缺点：缺点：溶解度低，发酵液粘度大。 发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源的混合碳源。利用的碳源的混合碳源。迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可解除葡萄糖效应。解除葡萄糖

2、效应。碳源种类的控制碳源种类的控制S过小过小 CqP随随减小而减小减小而减小S过大过大 CX X COUR增大增大CL CL CqP减小减小粘度增大粘度增大Kla减小减小产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。 补料的类型：补料的类型：1、流加、流加2、少量多次的加入、少量多次的加入3、多量少次的加入、多量少次的加入补糖的依据：补糖的依据：以次级代谢产物为例：以次级代谢产物为例：、 qP 、 qC之间的关系：之间的关系： X qp qCS控制原则：控制原则：以维持临界生长限制基质以维持临界生长限制基质浓度、临界菌体浓度和临浓度、临

3、界菌体浓度和临界比生长速率为指标的基界比生长速率为指标的基质流加速率与消耗速率的质流加速率与消耗速率的平衡。平衡。把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加料装置精确控制加入的糖量。料装置精确控制加入的糖量。迅速利用的氮源迅速利用的氮源缓慢利用的氮源缓慢利用的氮源n种类：种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和棉子饼粉n优点：优点：利用缓慢，有利于延长次级代谢产物的分泌期。防止早衰。n缺点：缺点：溶解度低，发酵液粘度大。 发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源的混合氮源。利用的氮源的混合氮源。迅速利用的氮源促进菌体生

4、长繁殖，缓慢利用的氮源，迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的氮源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。（二）氮源种类的控制（二）氮源种类的控制氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。有影响。氮源浓度的控制：氮源浓度的控制：控制基础培养基中的配比。通过补加氮源。影响菌体浓度的因素影响菌体浓度的因素n菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的种类和浓度有关种类和浓度有关 （ 正比于正比于S ）n当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓当存在基质抑制作用时或造

5、成高渗透压时，高浓度营养基质引起生长速率下降。度营养基质引起生长速率下降。n菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的影响影响ndP/dt =qP XnqP=f X， ， qO 2 qS CLqP / qPm / m1.0-1.0青霉素发酵的青霉素发酵的qP与与的关系的关系C C qP可维持在可维持在qPmax C qP随随减小而减小减小而减小要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的比生要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的比生长速率。长速率。但是，过高的比生长速率造成过高的菌体浓度，造成不利影响：但是，过高的比生长速率造成过高的

6、菌体浓度，造成不利影响：2、有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢途径，、有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢途径，抑制产物合成。抑制产物合成。3、 X过高，增加过高，增加OUR，且发酵液粘度增大，减小，且发酵液粘度增大，减小OTR。CL减小，抑制菌体生长和产物合成。减小，抑制菌体生长和产物合成。最适最适X？最适最适为等于或稍大于为等于或稍大于C青霉素发酵的青霉素发酵的qP、OUR、OTR与与X的关系的关系1.0-X / Xm1.0OURqP / qPmOTRdp/dtXCOUR=OTR时的菌体时的菌体浓度为最适菌体浓度，浓度为最适菌体浓度，在发酵过程中，控制目标为保持稳定的临界菌体浓度

7、和在发酵过程中，控制目标为保持稳定的临界菌体浓度和临界比生长速率临界比生长速率，以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧速率与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率和比速率达速率与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率和比速率达到最大值。到最大值。 影响各种酶促反应的速度影响各种酶促反应的速度酶活酶活温度温度发酵温度升高，生长代谢加快，生发酵温度升高，生长代谢加快，生产期提前。产期提前。发酵温度太高，菌体容易衰老，发发酵温度太高，菌体容易衰老，发酵周期缩短。酵周期缩短。改变发酵液的物理性质：改变发酵液的物理性质：温度影响基质和氧的吸收速度温度影响基质和氧的吸收速度影响饱和溶

8、氧浓度影响饱和溶氧浓度改变菌体代谢产物的合成方向改变菌体代谢产物的合成方向例：温度小于例：温度小于30，合成金霉素的能力强，合成金霉素的能力强温度等于温度等于35，只合成四环素，只合成四环素多组分次级代谢产物的组分比例多组分次级代谢产物的组分比例黄曲霉毒素，在黄曲霉毒素，在20、25和和30发酵所产生的黄曲霉发酵所产生的黄曲霉毒素毒素G1和和B1比例分别为比例分别为3:1、1:2、1:1。同一微生物的生长和代谢产物积累的最适温度不同同一微生物的生长和代谢产物积累的最适温度不同如：青霉素最适生长温度如：青霉素最适生长温度30，产生青霉素的最适温度为，产生青霉素的最适温度为25。影响微生物的代谢机

9、制影响微生物的代谢机制发酵热发酵热 =生物热生物热 + 搅拌热搅拌热 -蒸发热蒸发热 -显热显热 -辐射热辐射热生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。影响生物热的因素：与菌种遗传特性有关与菌龄有关：对数生长期生物热最大。与营养基质有关与产量有关搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。搅拌热=P /V3601（kJ/h）P/V-通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率，kw/m33601-机械能转变为热能的热功当量，

10、Kj/（kwh）显热：发酵排气散发带走的热量。显热：发酵排气散发带走的热量。辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。 Q蒸发=G(I出-I进)G-空气重量流量，kg干空气/h；I进、I出-发酵罐进气、排气的热焓，KJ/Kg干空气选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件：确定最适发酵温度还

11、应参考其它发酵条件：在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利四、发酵温度的控制四、发酵温度的控制在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。冷却介质：深井水或冷冻水冷却介质：深井水或冷冻水控制方式：手动控制或自动控制控制方式：手动控制或自动控制温度计温度计温度控制器温度控制器调节阀调节阀一、一、pH对发酵的影响：对发酵的影响：影响代谢产物的合成方向影响代谢产物的合成方向影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗

12、透作用，影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用，影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。影响菌体生长代谢的酶活性影响菌体生长代谢的酶活性pHGrowth2-3pHunits影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微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生物对这些物质的利用 选择原则选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据试验结果确定。般根据试验结果确定。pH电极电极设定控制器设定控制器调节阀调节阀6.5pHUncontrolledControlled经消毒的pH电极装入发酵

13、罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。溶氧溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。素。 在在28氧在发酵液中的氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有的空气饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，若空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，此

14、时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。使溶氧成为限制因素。 第四节 氧的供需及对发酵的影响一、描述微生物需氧的物理量一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g菌菌-1h-1 摄氧率摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr:

15、临界溶氧浓度临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。一般对于微生物：一般对于微生物： CCr: 115%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%定义定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。氧很容易满

16、足。例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2L-1S-1 计，计， 0.25/0.052=4.8秒秒注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样： 头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长生长 5% (相对于饱和浓度）相对于饱和浓度） 13%产物产物 13% 8%三、发酵过程中的溶氧变化三、发酵过程中的溶氧变化四、影响需氧的因素四、影响需氧的因素r= QO2 .Xq 菌体浓度菌体浓度q QO2 遗传因素遗传因素 菌龄菌龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件五、发酵液

17、中氧的传递方程五、发酵液中氧的传递方程()()giliNkPPk ccCCiPPi气膜气膜液膜液膜N：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg: 气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl: 液膜传质系数液膜传质系数 m/hC*P/H, 与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度( *)lNK ccKl: 以氧浓度为推动力的总传递系数以氧浓度为推动力的总传递系数 (m/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a (m2/m3)( *)lNvK a ccNv：体积传氧速率：体积传氧速率 kmol/

18、m3.hKla: 以以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数为推动力的体积溶氧系数 h-1六、发酵液中氧的平衡六、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：传递：)*(ccaKNvl消耗：消耗：r= QO2 .X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面七、供氧的调节七、供氧的调节( *)lNvK a ccC有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和和C*来调节来调节其中其中C*P/H（Henry定律）定律）NvH-亨利常数，表示气体溶解于液体的难易程度PKla)*(cca

19、KNvl调节调节Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。一般来讲大罐比小罐要好。 45升升 1吨吨 10吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1八、影响Kla的因素 Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。瓶与发酵罐。（一）影响摇瓶（一）影响摇瓶kla的因素的因素为装液量和摇瓶机的种类为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机摇瓶机往复，频率往复，频率80-120分分/次，振幅次，振幅8cm旋转，偏心距旋转，偏心距25、12

20、,转述转述250rpm装液量，一般取装液量，一般取1/10左右：左右： 250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml例：例： 500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92（二）影响发酵罐中（二）影响发酵罐中Kla的因素的因素1.搅拌搅拌速率对KLa值具有很大的影响，以下述方式影响氧的传递： 大的空气泡细小的气泡。防止小气泡凝聚，增加液体与氧气的接触面积。 搅拌使发酵液做涡流运动，延长了气泡枣发酵液中的停留时间；

21、使菌体分散，有利于固液传递中的接触面积的增加，减少菌体表面液膜的厚度，有利于传递。 发酵液产生湍流而降低气/液接触界面的液膜厚度，减小氧传递过程中的阻力。 带有机械搅拌通风的发酵罐其搅拌器与氧传递速率常数KLa的关系可用下式表示：PgVKLa=k（ ） Vs0.950.65Pg-通气时搅拌器的轴功率，W；V-发酵罐中发酵液的体积，m3；Vs-空气的线性速度，m/s；K-常数。2.空气线速度3.空气分布管4.发酵液的性质 如：发酵液的粘度、表面张力、离子浓度、密度、扩散系数等，影响气泡的大小、气泡的稳定性等，进而影响传氧系数。5.表面活性剂 如：消泡用的油脂具有亲水端和疏水端得表面活性物质分布在

22、气液界面，增大了传递的阻力，使传氧系数KLa等发生变化，如下图：6.离子强度 发酵液中含有多种盐类，离子强度约为0.20.5mol/L。KLa随离子强度的增大而增大。在盐溶液中，气泡细小难于聚合成大气泡，且气流量有增大的趋势。7.菌体浓度研究表明：菌体的存在对传氧不利。发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。溶氧控制的实例溶氧控制的实例GAXDO谷氨酸发酵谷氨酸发酵：要求：氧饱和度要求：氧饱和度1控制：控制：0-12小时小时 小通风小通风 12小时后小时后 增加通风增加通风原因：原因：0-12小时菌体小时菌

23、体量较小，采用小通风量较小，采用小通风12 一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能有时发酵初期采用小通风，停搅拌，不但有利于降低能耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一定要把握好。定要把握好。例：例： 生产肌苷酸：生产肌苷酸：通气量不变通气量不变 17.15 mg/ml24小时增加小时增加 22.55 mg/ml30小时增加小时增加 18.25

24、mg/ml36小时增加小时增加 12.34 mg/ml一、泡沫的性质 泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。分类发酵液液面上的泡沫出现在粘稠的菌丝发酵液当中的泡沫（又称流态泡沫，fluid foam）原因由外界引进的气流被机械地分散形成发酵过程中产生的气体聚结生成（发酵泡沫）二、发酵过程中泡沫的形成和变化影响泡沫稳定性的因素：发酵中起泡的方式： 整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；通风与搅拌的强度培养基的配比和原材料组成培养基的破坏程度接种量的大小培养基本身性质的变化培养

25、基灭菌的方法和操作染菌发酵开始起泡能力低，以后上升；以上类型的综合方式。 出现哪种起泡方式与基质的种类、通风搅拌强度和灭菌条件有关，基质中的有机氮源是起泡的主要原因。三、泡沫对发酵的影响增加了菌群的非均一性；增加了菌群的非均一性；消泡剂的加入影响发酵或下游提取工作的困难。消泡剂的加入影响发酵或下游提取工作的困难。四、泡沫的消除和控制消除泡沫常用的方法:化学消泡法和机械消泡法。（一）化学消泡1.消泡机理 消泡剂的表面张力比较低，使气泡局部的表面张力降低，力的平衡破坏，导致泡沫破裂； 如果泡沫的表层带有极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强度；或加

26、入某些具有强极性的物质与发泡物质争夺液膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破碎。 2.消泡剂选择的原则 同时具有降低液膜的机械强度和表面粘度的双重功能。必须具备以下特点：是表面活性剂，具有较低的表面张力，消泡作用迅速，效率高；消泡剂在气液界面有足够大的散步系数，才能迅速发挥其消泡活性，要求消泡剂具有一定的亲水性。在水中的溶解度较小，以保持其持久的消泡或抑泡性能，并防止形成新的泡沫；对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成 ；不干扰分析系统，如溶解氧、pH测定仪的探头 ；消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单 ，不影响氧的传递；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

27、产物 3.常用消泡剂的种类 消泡剂加入发酵罐能否起作用主要决定于 该消泡剂的性能和扩散能力；增加消泡剂的散布可通过机械搅拌分散，也可借助载体或分散剂物质，使其更易于分散。 消泡剂加载体增效：载体一般为惰性液体，消泡剂能溶于载体或分散于载体中，如：聚氧丙烯甘油用豆油为载体（1:1.5），增效作用明显； 消泡剂并用增效：取各种消泡剂的优点进行互补，达到增效，如GP:GPE=1:1混合用于青霉素发酵，结果比单独用GP时效力增加2倍； 消泡剂乳化增效：如GP用吐温-80为乳化剂在庆大霉素和谷氨酸发酵中效力提高12倍。（二）机械消泡（已讲过）第六节 二氧化碳和呼吸商 CO2是微生物的代谢产物，同时也是某

28、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（1） CO2对菌体具有抑制作用 当排气中CO2的浓度高于4%（0.91mol/L）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1.610-1mol，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%。（2）对发酵的影响对发酵促进。 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

29、影响的机理培养液中的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； 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。 如：产黄青霉：当CO2分压为0.01*105Pa时，菌丝呈丝状；当CO2分压为0.02*1050.03*105Pa时，菌丝主要呈膨胀、粗短状；当CO2分压为0.08*105Pa时，则出现球状或酵母状，致死青霉素合成受阻。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

30、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。22OCOQQRQ速率菌耗释放速率22OCO 例如，储炬等发现RQ的变化与菌体生长、营养状况以及产生抗生素密切相关。如20h菌丝开始发生膨大，而此时RQ达到峰值开始下降；40h左右RQ降至谷底开始回升，正是在这段时间产生抗生素启动。由于RQ具有以上的关联特性，他们尝试在avemectin发酵过程中利用RQ作为补料控制的参考之一。RQ反应菌体的代谢情况，如酵母：RQ=1时，糖代谢走有氧分解途径，仅生成菌体，无产物生成；RQ1.1，糖代谢走EMP途径，生成乙醇；RQ=0.93，生成柠檬酸；RQ0.7，生成乙醇被当做基质利用。第

31、七节 发酵终点的判断1.影响放罐时间的因素（1）经济因素最低的综合成本来获得最大生产能力的实践为最适发酵时间。（2）产品质量因素发酵时间长短对下游产物分离提取和产品质量有显著的影响。（3）特殊因素如：染菌、代谢异常等情况进行适当处理。 合理的放罐时间由实验确定，即根据不同发酵时间所得到的产物量计算出发酵罐的生产能力和产品成本，采用生产力高而成本低的时间作为放罐时间。2.发酵终点的判断根据发酵类型发酵终点的判断标准原材料是主要部分提高产物得率生产成本是主要部分提高生产率和发酵系数下游技术是主要部分产品价格高较高的产物浓度还应考虑体积生产率和总生产率。 一般放罐的主要指标：产物浓度、氨基氮、菌体形

32、态、pH、培养基的外观粘度等因素，放罐时间根据作业计划进行，新的产品发酵需要摸索合理的发酵时间。 发酵终点的判断需要综合分析各方面的因素。优化：在一定的约束条件下，如何求出使目标函数为最大的解。通过实验和实验结果分析找到一种适合生产过程的最佳参数。优化控制内容（1）发酵配方的优化（2）发酵工艺参数的优化 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简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适合于特定发酵过程。一、 发酵培养基的设计和优化 目前还不能完全从生化反应的基本原理来推断和计算目前还不能完全从生化反应的基本原理来推断和计

33、算出适合某一菌种的培养基配方，只能用生物化学、细胞生出适合某一菌种的培养基配方，只能用生物化学、细胞生物学、微生物学等的基本理论，参照前人所使用的较适合物学、微生物学等的基本理论，参照前人所使用的较适合某一类菌种的经验配方，再结合所用菌种和产品的特性，某一类菌种的经验配方，再结合所用菌种和产品的特性，采用摇瓶、玻璃罐等小型发酵设备，按照一定的实验设计采用摇瓶、玻璃罐等小型发酵设备，按照一定的实验设计和实验方法选择出较为适合的培养基。和实验方法选择出较为适合的培养基。 （一）培养基成分选择的原则 q 菌种的同化能力菌种的同化能力q 代谢的阻遏和诱导代谢的阻遏和诱导 q 合适的合适的C、N比比10

34、0 0.22.0q pH的要求的要求 1.理论转化率与实际转化率理论转化率与实际转化率 理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。 实际转化率是指实际发酵过程中转化率的大小实际转化率是指实际发酵过程中转化率的大小 如何使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个如何使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个目标目标 （二）成分含量的确定（二）成分含量的确定例例: 如在酒精生产中葡萄糖转化为酒精的理论转化率计算如下如在酒精生产中葡萄糖转化为酒精的理论转化率计算如下 葡萄糖转化为酒精

35、的代谢总反应衡算式为葡萄糖转化为酒精的代谢总反应衡算式为 C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 葡萄糖转化为酒精的理论得率为葡萄糖转化为酒精的理论得率为 2*46 Y = = 0.57 1622.实验设计q培养基成分的含量最终都是通过实验获得的q合理的实验方法多因子实验：均匀设计、正交实验设计、响应面分析等。多因子实验 当培养基成分确定后，剩下的问题就是各成分最适 的浓度，由于培养基成分很多，为减少实验次数常采 用一些合理的实验设计方法。 （三）培养基设计的步骤 根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑 的问题，初步确定可能的培养基成分； 通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成

36、分；类胡萝卜素高产菌Y11的培养基的优化郭秒,食品与工业发酵，2004类胡萝卜素的作用：色素、营养保健原培养基: 初步确定可能的培养基成分(以碳源为例) 通过单因子实验确定适宜的培养基成分(以碳源为例)考虑到成本：乙酸钠是较为合适的碳源进一步：乙酸钠的浓度2%比较好结果：碳源：乙酸钠 0. 2%氮源：氯化铵 0.2% 酵母膏0.03%无机盐: 复合无机盐0.05% 正交设计确定优化的配方改进后培养基原培养基改进后培养基的发酵结果编码值X1大米糖化液 X2蛋白胨 X3 酵母粉 1.682 136.82 8.36 4.681 130 7 40 120 5 3-1 110 3 2-1.682 103

37、.18 1.64 1.32例2：L-乳酸发酵培养基优化序号 X1 X2 X3 Y1 L-乳酸产量/（g.L-1）1. 1 1 1 76.372 1 1 1 82.993 1 1 1 92.074 1 1 1 88.675 1 1 1 79.036 1 1 1 83.837 1 1 1 91.628 1 1 1 95.309 1.682 0 0 83.2210 1.682 0 0 86.9811 0 1.682 0 75.6112 0 1.682 0 92.1213 0 0 1.682 75.7814 0 0 1.682 94.0015 0 0 0 89.8116 0 0 0 90.3517 0

38、 0 0 90.0018 0 0 0 91.0019 0 0 0 90.9820 0 0 0 90.1221 0 0 0 90.0022 0 0 0 91.4323 0 0 0 90.22响应面分析数据及结果 因素 自由度 均方 F值 P模型 9 76.85 12.70 0.000044X1 1 18.77 3.10 0.101667X1X1 1 34.72 5.74 0.032348X2 1 392.17 64.83 0.000002X2X2 1 58.31 9.64 0.00837X3 1 131.25 21.70 0.000448X3X3 1 38.36 6.34 0.025692X1X

39、2 1 0.90 0.15 0.705586X1X3 1 3.47 0.57 0.462444X2X3 1 15.47 2.56 0.133796剩余 13 6.05 相关系数 0.947578决定系数 0.897905三因素二次正交旋转组合试验结果方差分析表 L-乳酸细菌最优发酵培养基：大米糖化液（X1）为125.25 g/L，蛋白胨（X2）为8.79 g/L，酵母粉（X3）为3.58 g/L，牛肉膏2 g/L， KH2PO4 2 g/L。 回归方程：Y=90.39+1.17X1+5.36X2+3.10X3-1.48X12-1.92X22-1.55X32+0.66X1X3-1.39X2X3方差分析表明：总回归方程达到了极显著水平p