第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件

第八章

发酵过程第八章

发酵过程1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。第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件2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。代谢曲线：把菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者随时间变化的过程所绘制成的曲线。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3发酵过程按进行过程有三种方式：（1）分批发酵(Batchfermentation)（2）补料分批发酵(Fed-batchfermentation)（3）连续发酵(Continuousfermentation)发酵过程按进行过程有三种方式：4第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件5

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。

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。一、分批发酵1.分批发酵的定义63、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3、分批发酵的优缺点7

4.分批发酵的生长曲线

（1）单细胞微生物的生长曲线4.分批发酵的生长曲线

（1）单细胞微生物的生长曲线8（2）丝状真菌的生长曲线

①生长延滞期生长延滞的原因：一是孢子萌发前的真正的延滞期;二是生长已开始但却无法测量。（2）丝状真菌的生长曲线①生长延滞期9②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。

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。②迅速生长期10③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。③衰退期11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：（1）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。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12（2）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异。（2）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13第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件145.分批发酵的类型（1）Gaden‘sfermentationclassification（按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化）①第一类型（生长关联型）5.分批发酵的类型15产物直接来源于产能的初级代谢，菌体生长与产物形成不分开（见左图）。例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵。产物直接来源于产能的初级代谢，菌体生长与产物形成不分开（见左16其动力学方程为：其动力学方程为：17

②第二类型（部分生长关联型）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（见左图）。例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵。

②第二类型（部分生长关联型）产物也来源于能量代谢所消耗18其动力学方程为：其动力学方程为：19

③第三类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（见左图）。如抗生素发酵。

③第三类型产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间20

其动力学方程为：

其动力学方程为：21（2）Piret'sfermentationclassification（按照产物生成与菌体生长是否同步）①生长关联型(第一类型)形成与生长有关，如酒精、某些酶等。（2）Piret'sfermentationclassi22第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件23其动力学方程为：其动力学方程为：24②生长无关联型（第二，三类型）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②生长无关联型（第二，三类型）杀念珠菌素发酵中葡萄糖、256.分批发酵的分类对实践的指导意义（1）生长关联型，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；（2）非生长关联型，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。

6.分批发酵的分类对实践的指导意义267.典型的分批发酵工艺流程7.典型的分批发酵工艺流程27二、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。二、补料分批发酵282.补料分批发酵的优缺点优点：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。缺点：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。2.补料分批发酵的优缺点293.补料分批发酵的类型按补料方式不同可分为：（1）连续流加（2）不连续流加（3）多周期流加3.补料分批发酵的类型30第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件31按补料成分的不同可分为：（1）单一组分流加（2）多组分流加按控制方式的不同可分为：（1）反馈控制（2）无反馈控制按补料成分的不同可分为：32第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件33三、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。三、连续发酵1.定义342.连续发酵的优缺点优点：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缺点：菌种发生变异的可能性较大要求严格的无菌条件2.连续发酵的优缺点353.连续发酵的类型（1）恒化培养使培养基中限制性基质的浓度保持恒定（2）恒浊培养使培养基中菌体的浓度保持恒定3.连续发酵的类型36

4.连续发酵的代谢曲线X：菌体浓度；S：限制性基质浓度；t：时间4.连续发酵的代谢曲线37第二节发酵工艺的控制一、温度对发酵的影响及控制1.温度对生长的影响根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～26℃生长，嗜温菌适应于15～43℃生长，嗜热菌适应于37～65℃生长，嗜高温菌适应于65℃以上生长。第二节发酵工艺的控制一、温度对发酵的影响及控制382.影响发酵温度的因素（1）产热因素：生物热和搅拌热（2）散热因素：蒸发热和辐射热2.影响发酵温度的因素393.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（1）生物热：定义：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。用途：合成高能化合物，供微生物生命代谢活动，热能散发。3.发酵热40影响生物热的因素：菌株、培养基、发酵时期

发酵过程中生物热的变化影响生物热的因素：菌株、培养基、发酵时期

41四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42（2）搅拌热定义：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。搅拌热的计算：Q搅拌=3600（P/V）式中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）（2）搅拌热43（3）蒸发热定义：蒸发所需的热量即为蒸发热。蒸发热的计算：Q蒸发=G（I2-I1）式中G：空气流量，按干重计算，kg/hI1、I2：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气）（3）蒸发热44（4）辐射热定义：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热的计算：辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%。（4）辐射热454.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：4.发酵热的测定（1）通过测定一定时间内冷却水的流量46（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：第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件47第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件485.温度对发酵的影响（1）影响各种酶的反应速率和蛋白质性质（2）影响发酵液的物理性质（3）影响生物合成的方向5.温度对发酵的影响49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。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50温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的51第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件526.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。6.最适温度的确定53（1）根据菌种及生长阶段选择微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。如黑曲霉生长温度为37℃，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30～32℃，青霉菌生长温度为30℃。（1）根据菌种及生长阶段选择54生长阶段在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。生长阶段在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体55发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段28℃，合成期26℃后期再升温；黑曲霉生长37℃，产糖化酶32～34℃。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长30～32℃，产酸34～37℃。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温56（2）根据培养条件选择温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可高些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。（2）根据培养条件选择57（3）根据菌生长情况菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可高些，以利于菌的生长。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。（3）根据菌生长情况587.温度的控制发酵罐：夹套（10M3以下）盘管（蛇管）（10M3以上）7.温度的控制598.利用温度控制提高产量实例例:利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量背景：（1）酵母在比常规发酵温度高10～20℃的温度下经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。（2）Lewis发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐受力（3）Toshiro发现热冲击可使胞内3－磷酸甘油脱氢酶的活力提高15～25％，并导致甘油产量提高8.利用温度控制提高产量实例60实验：甘油发酵是在高渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量正交条件：A冲击温度（℃）40，45，50B开始时机（h）8，16，30C冲击时间（min）15，30，60结果发酵16h，45℃冲击30min最佳，发酵96h后甘油浓度提高32.6％，发酵罐实验见图实验：甘油发酵是在高渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来61第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件62

二、pH对发酵的影响及控制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值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻（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二、pH对发酵的影响及控制1.pH值对微生物的生长繁殖63（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（4）pH影响菌体代谢过程pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。例如：①黑曲霉在pH2~3时发酵产生柠檬酸，在pH近中性时，则产生草酸。（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64②谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。②谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下则652.发酵过程中pH变化的原因

（1）基质代谢①糖代谢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，是补料的标志之一②氮代谢当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。③生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降2.发酵过程中pH变化的原因66（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下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。（3）菌体自溶（2）产物形成673.引起pH下降的因素（1）碳源过量（2）消泡油添加过量（3）生理酸性物质的存在3.引起pH下降的因素684.引起pH上升的因素（1）氮源过多（2）生理碱性物质的存在（3）中间补料，碱性物质添加过多4.引起pH上升的因素695.最适pH的选择选择原则：有利于菌体生长和产物的合成，一般根据实验结果确定。5.最适pH的选择70最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：（1）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）；（2）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）

；最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：71（3）μ和QP对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）；（4）μ和QP对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）。（3）μ和QP对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）726.pH的控制（1）调节基础培养基的配方（2）调节碳氮比（C/N）（3）添加缓冲剂（4）补料控制（5）直接加酸加碱（6）补加碳源或氮源6.pH的控制737.发酵的不同阶段采取不同的pH值（实例）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6.8～7.07.发酵的不同阶段采取不同的pH值（实例）菌株最适生长pH控74第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件75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7.2左右时，菌体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在6.9左右时，菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优势。不同pH值对菌体的形态影响很大，76pH6.9时，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产酸有利。因此，在发酵的产酸期产酸较高。采用阶段pH控制模式进行发酵，在发酵中前期控制pH6.9，到48h后pH值为7.15，到80h后pH值为7.25。产率22.27g·/L，产酸率提高12.23％。pH6.9时，菌体生长旺盛，pH7.15时，对菌体的产酸有利77三、氧对发酵的影响大多数发酵过程是好氧的如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：C6H12O6十6O2＝6H2O十6CO2三、氧对发酵的影响大多数发酵过程是好氧的781.发酵过程中氧的需求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：1.发酵过程中氧的需求79第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件80Johnson(1964)得出如下方程：

A为燃烧1g底物成CO2、H2O和NH3所需氧的量；B为燃烧1g菌体成CO2、H2O和NH3所需氧的量；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。Johnson(1964)得出如下方程：81利用葡萄糖和烷烃生产酵母的下列方程式为：

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＝24.95mmol氧/g菌体C对烷烃＝65.4mmol氧/g菌体利用葡萄糖和烷烃生产酵母的下列方程式为：82Mateles(1971)推导得一种碳源与需氧间关系的方程式，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(1971)推导得一种83Mateles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干菌体葡萄糖甲醇辛烷大肠杆菌假单孢菌C假单孢菌0.41.21.7Mateles利用此关系式对许多菌体利用各种84Cooney(1979)建议用下列方程式计算青霉素发酵：Cooney(1979)建议用下列方程式计算青霉素发酵：85米氏型曲线：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)米氏型曲线：溶氧浓度对比摄氧率(QO2每克干菌体每小时所消耗86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。

第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件87某些微生物的临界氧浓度微生物温度（˚C）临界氧浓度（mmol/L）固氮菌大肠杆菌酵母产黄青霉303730240.0180.0080.0040.022某些微生物的临界氧浓度微生物温度（˚C）临界氧浓度（mm882.溶氧对发酵的影响根据需氧不同，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。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。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。2.溶氧对发酵的影响根据需氧不同，可将初级代谢发89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）在实际生产过程中需注意：90实例：黄色短杆菌(Brevibacteriumflavum)生物合成氨基酸

实例：黄色短杆菌(Brevibacteriumflav913.发酵过程的溶氧变化3.发酵过程的溶氧变化924.溶氧的控制（1）调节通风与搅拌（2）限制基础培养基的浓度4.溶氧的控制93四、CO2对发酵的影响及控制1.CO2对发酵的影响（1）CO2对菌体具有抑制作用（2）CO2对发酵的影响①对发酵促进②对发酵抑制③影响发酵液的酸碱平衡四、CO2对发酵的影响及控制1.CO2对发酵的影响942.CO2对发酵影响的机理3.CO2的控制调节通风和搅拌2.CO2对发酵影响的机理95五、发酵过程中的泡沫及其控制1.泡沫的定义及种类泡沫：是气体在液体中的粗分散体。属于气液非均相体系，在这个体系中，分散相是（气体），连续相（液体）美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近气体，而不接近液体的“气/液”分散体。五、发酵过程中的泡沫及其控制1.泡沫的定义及种类96存在于发酵液上部的：产生于发酵前期，特点是，泡沫与液体主流存在一个明显的界面，易破碎，泡沫体积较大存在于发酵液中的：流态泡沫，分散的均匀，与液体主流没有明显的分界面，存在于发酵液中，比较稳定，很难清除。存在于发酵液上部的：产生于发酵前期，特点是，泡沫与液体主流存97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的下降，以后保持恒定；发酵前期泡沫稍微降低后又可开始回升；发酵开始起泡能力低，以后上升；以上类型的综合方式。因素：基质的种类（有机氮源的种类和浓度：黄豆饼粉等），通气搅拌强度和灭菌条件等整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；982.泡沫的性质泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系3.泡沫产生的原因（1）由外界引进的气流被机械地分散形成（2）发酵过程中产生的气体聚结生成2.泡沫的性质99①气液接触气体从外部进入液体：搅拌液体时混入气体；气体从液体内部产生：形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。②含助泡③起泡速度高于破泡速①气液接触1004.泡沫对发酵的不利影响（1）降低发酵设备的利用率（2）增加了菌群的非均一性（3）增加了染菌的机会（4）导致产物的损失（5）消泡剂会给后提取工序带来困难4.泡沫对发酵的不利影响（1）降低发酵设备的利用101第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件1025.影响泡沫稳定的因素

（1）通气与搅拌的强度5.影响泡沫稳定的因素

（1）通气与搅拌的强度103（2）培养基的配比及原材料组成

不同浓度蛋白质原科的起泡作用发泡物质：玉米浆、蛋白胨、花生粉、豆粕粉、黄豆粉、酵母粉、糖蜜等。稳定物质：糖类（2）培养基的配比及原材料组成

104（3）培养基的破坏程度

灭菌时间对泡沫稳定性的影响

（3）培养基的破坏程度

105

（4）菌种、种子质量、接种量的大小（5）培养液本身性质的变化（6）培养基灭菌的方法和操作糖蜜培养基灭菌温度从110℃上升至130℃，灭菌时间为0.5h，发泡能力几乎增加一倍。（7）染菌污染的杂菌可能使发酵液粘度增加，也产生大量的泡沫（4）菌种、种子质量、接种量的大小106（8）泡径大小泡越小，合并成大气泡的历程就越长，而且小气泡的泡膜中所含液量相对比较大，所以较能经受液体流失所造成的稳定性的损失。气泡只有上升到液面才能够在破灭之后减少泡沫体积。气泡越小，上升速度越慢。（8）泡径大小107（9）溶液所含助泡物的类型和浓度①降低表面张；②增加泡沫弹性；助泡剂浓度（10）起泡液的粘度（11）其它①温度；②pH；③表面电荷（9）溶液所含助泡物的类型和浓度1086.发酵过程泡沫的变化

霉菌发酵过程中液体性质和泡沫的关系6.发酵过程泡沫的变化

霉菌发1097.发酵过程泡沫控制的方法（1）物理消沫法原理：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7.发酵过程泡沫控制的方法110①罐内消泡在搅拌轴上方装一个消泡桨，形式多样，它可使泡沫被旋风离心压制破碎，也可将少量消泡剂加到消沫转子上以增强消沫效。类型：耙式消浆消泡；旋转圆板式机械消泡；液体吹入式消泡；气体吹入打管内吸引消泡；冲击反射板消泡；超声波消泡；碟片式消泡器的机械消泡。①罐内消泡111②罐外消泡把泡沫引出罐外，通过喷咀的喷射加速作用或离心力消除泡沫。类型：旋转叶片罐外消泡；喷雾消泡；离心力消泡；旋风分离消泡；转向板消泡

②罐外消泡112（2）化学消沫法机理：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。（2）化学消沫法113泡消剂的种类和性能•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：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•硅酮类：聚二甲基硅氧烷及其衍生物泡消剂的种类和性能114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。选择消泡剂的依据115•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。•最好还能做到不影响氧的传递•不影响以后的提取过程。116破泡剂与抑泡剂的区别（1）消泡剂：破泡剂和抑泡剂破泡剂：是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。如低级醇、天然油脂。一般来说，破泡剂都是其分子的亲液端与起泡液亲和性较强，在起泡液中分散较快的物质。这类消泡剂随着时间的延续，迅速降低效率，并且当温度上升时，因溶解度增加，消泡效率会下降。破泡剂与抑泡剂的区别117抑泡剂：是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚醚及有机硅等属于抑泡剂。一般是分子与气泡液亲和性很弱的难溶或不溶的液体。抑泡剂：是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚醚及有机硅等属118抑泡剂：是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚醚及有机硅等属于抑泡剂。一般是分子与气泡液亲和性很弱的难溶或不溶的液体。抑泡剂：是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。聚醚及有机硅等属119（2）作用机理上的区别破泡剂的破泡机理大致有二种：吸附助泡剂，加入电解质，瓦解双电层，及使助泡物被增溶等机理，这样就破坏助泡物的稳泡作用。在这些过程中消泡剂发挥一次消泡作用就被消耗。同时消耗掉相应的助泡物。（2）作用机理上的区别120低级醇等溶解性较大的消泡剂，加到气泡液中局部降低表面张力，发挥破泡作用，同时本身不断破为碎块，陆续溶解而失去破泡作用。破泡过程中，破泡剂不断失效、消耗，而助泡剂却不受影响。低级醇等溶解性较大的消泡剂，加到气泡液中局部降低表面张力，发121抑泡机理：一般认为抑泡剂分子在气液界面上优先被吸附，它比助泡剂的表面活性更强，更易吸附到泡膜上，但是由于本身不赋予泡膜弹性，所以不具备稳泡作用。这样当液体中产生泡沫时，抑泡剂首先占据泡膜，抑制了助泡剂的作用，抑制了气泡。抑泡机理：一般认为抑泡剂分子在气液界面上优先被吸附，它比助泡122（3）破泡剂与抑泡剂的相互关系溶解度大的破泡剂，消泡作用只发挥一次；溶解度小的破泡剂，消泡作用可持续一段时间。如果溶解度进一步降低，即成为抑泡剂。另一方面，破泡剂大量使用，便有抑泡作用，抑泡剂大量使用也便有破泡作用。（3）破泡剂与抑泡剂的相互关系123消泡剂的合理使用（1）消泡剂加载体增效：聚氧丙烯甘油（PG）以豆油做载体（2）消泡剂并用增效：0.5%～3%硅酮，20%～30%植物油或矿物没，5%～10%聚乙醇二油酸酯，1～4%多元醇脂肪酸与水组成的消泡剂，可增强消泡作用。（3）消泡剂与乳化剂并用增效：聚氧丙烯甘油用吐温80乳化增效。消泡剂的合理使用124几点注意事项①对于消泡剂的应用应注意在使用之前作比较试验，找出消泡剂对微生物生理特性影响最小，消泡效率最大的条件。②其次，在使用天然油脂时一次不能加得太多，过多的油脂会被脂肪酶分解为有机酸、脂肪酸、降低pH、使DO下降，影响发酵的正常进行。几点注意事项125③应该说对于特定的菌种和Medium，应该根据其Medium的性质和菌体代谢特点，研究出一种特定的消泡剂。目前，在微生物的发酵领域，尚没有做到这一点，不久的将来，专一性很强的消泡有可能问世。③应该说对于特定的菌种和Medium，应该根据其Medium126六、补料控制1.基质浓度对发酵的影响六、补料控制1.基质浓度对发酵的影响1272.补料控制目的（1）解除基质过浓的抑制（2）解除产物的反馈抑制（3）解除葡萄糖分解代谢阻遏效应2.补料控制目的1283.补料的内容采用补料控制工艺，可补加的物料包括：（1）补充微生物能源和碳源的需要（2）补充菌体所需要的氮源（3）补充微量元素或无机盐3.补料的内容1294.补料的原则（1）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。（2）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。4.补料的原则1305.补料控制的策略（1）以经验数据或预测数据控制流加；（2）以pH、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；（3）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；（4）用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。5.补料控制的策略1316.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。连续补料和分批补料发酵的比较6.补料控制参数的选择连续补料和分批补料发酵的比较1327.补料速率的确定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。7.补料速率的确定133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。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134七、厌氧发酵工艺要求与控制1.固态发酵（1）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。（2）固体发酵的pH控制一般工厂用酸度表示（3）水分的控制七、厌氧发酵工艺要求与控制1.固态发酵1352.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

2.液态发酵136第三节发酵过程的参数检测一、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：（1）发酵中的酶反应速度（2）菌体生长速度，产物合成速度（3）氧在培养液中的溶解度，传递速度第三节发酵过程的参数检测一、物理参数1372.发酵罐维持的压力一般维持在0.2~0.5kg3.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。2.发酵罐维持的压力138发酵罐的容积(L)搅拌转速范围(r/min)31030502005001000050000200~2000200~1200150~1000100~80050~40050~30025~20025~160发酵罐的容积(L)搅拌转速范围(r/min)3200~2001394.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）。

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。一般控制在0.1~1.0vvm之间4.搅拌功率1406.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。6.粘度141二、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。2.基质浓度指发酵液中糖、氮、磷与重要营养物质的浓度。二、化学参数1.pH1423.溶解氧（DO）浓度4.氧化还原电位5.产物浓度6.尾气O2浓度和CO2浓度7.其它参数菌体RNADNA含量ATP、ADP、AMP体系NAD(P)-NAD(P)H体系3.溶解氧（DO）浓度143三、生物参数菌（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。

三、生物参数144四、间接参数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）四、间接参数1.摄氧率1452.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）2.呼吸强度1463.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3.呼吸商147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

ºCPaV/V.minR/minKWPa.s透光度l/h传感器压力表传感器传感器传感器粘度计传感器传感器间接计算维持生长、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物理参数参数名称单位测试方法意义、主要作用温度ºC传感器维持148化学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、AMPNADH含量摄氧率呼吸强度呼吸商比生长速率g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO/L.hgO/g菌.h1/h传感器取样传感器传感器取样传感器传感器取样取样取样取样间接计算间接计算间接计算间接计算了解生长和产物合成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参数参数名称单位测试方法意义、主要作用pHg/ml传感器149较常测定的参数：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：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）较常测定的参数：150参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：发酵液的性质复杂发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌。参数在线测定的优点及问题优点：151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。

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152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。第四节发酵过程的自动控制153包括三方面内容：（1）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）；（2）一组可供选择的控制动作（阀门的开或关、泵的开动或停止）；（3）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）包括三方面内容：154对发酵过程进行自动控制具有以下优点：

（1）对发酵过程进行自动控制的优点（2）提高产品的得率（3）改进产品的质量（4）降低后续加工过程的损耗（5）在整个操作过程中能稳定的保持最优条件对发酵过程进行自动控制具有以下优点：（1）对发酵过程155（6）提高对原料质量波动的适应性（7）减少认为因素的影响（8）提高工厂的生产效率（9）降低能耗（10）降低分析和操作成本（6）提高对原料质量波动的适应性156目前对发酵过程进行自动控制的技术主要存在以下问题：（1）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；（2）传感器的缺陷不能蒸汽灭菌、会和产品发生反应、过分敏感目前对发酵过程进行自动控制的技术主要存在以下问题：157一、基本的自动控制系统(controlloop)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。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。一、基本的自动控制系统(controlloop)1.1582、反馈控制2、反馈控制159开关控制

开关控制160第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件161PID控制

PID控制162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。

串（联）级反馈控制串联反馈控制是由两个以上控制器163前馈/反馈控制

前馈/反馈控制1643.自适应控制(adaptivecontrol)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。3.自适应控制(adaptivecontrol)提165第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件166二、发酵自控系统的硬件组成发酵自控系统一般由以下硬件组成：传感器、变送器、执行机构、转换器、过程接口、监控计算机二、发酵自控系统的硬件组成发酵自控系统一般由以下硬件组167第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件168

三、发酵过程常见控制系统

1.Feedcontrol（补料控制）三、发酵过程常见控制系统

1.Feedco1692.Temperaturecontrolloop（回路）2.Temperaturecontrolloop1703.pHcontrolloop3.pHcontrolloop1714.pO2-andrpm-control

4.pO2-andrpm-control1725.Antifoamcontrol（消泡控制）5.Antifoamcontrol（消泡控制）173第五节发酵动力学

(fermentationkinetics)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。第五节发酵动力学

(fermentationki174研究发酵动力学的目的：（1）通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（2）建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；（3）控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。研究发酵动力学的目的：175发酵动力学研究的内容：

（1）微生物生长、死亡动力学（2）基质消耗动力学（3）氧消耗动力学（4）CO2生成动力学（5）产物合成和降解动力学（6）代谢热生成动力学发酵动力学研究的内容：176研究方法：（1）宏观处理法，包括：结构动力学模型（通过研究微观反应机制建立）非结构动力学模型（不考虑微观反应机制，只考虑宏观变量之间的关系）（2）质量平衡法（根据质量守恒定律）物质在系统中的积累速度=物质进入系统速度+物质在系统中生成的速度-物质在系统中排除的速度-物质在系统中消耗的速度研究方法：177一、发酵过程的速度

1.发酵动力学涉及的常规参数符号参数测量方法X生物量细胞干重，浊度，细胞数S底物酶法分析，化学法，色谱法P产物酶法分析、HPLC或特殊方法O氧PO－专用电极分析C二氧化碳ＰCO２－专用电极分析Hv发酵热温度、热平衡一、发酵过程的速度

1.发酵动力学涉及的常规参1782.发酵过程的速度概念2.发酵过程的速度概念179（1）速度氧和底物利用速度菌体生长速度（1）速度氧和底物利用速度菌体生长速度180P、C和HV生成速度

P、C和HV生成速度181（2）比速率细胞生长的比速率底物消耗的比速率

（2）比速率细胞生长的比速率底物消耗的比速率182产物形成的比速率

氧消耗的比速率产物形成的比速率氧消耗的比速率183二氧化碳生成的比速率

发酵热生成的比速率

二氧化碳生成的比速率发酵热生成的比速率184二、化学计量学(stoichiometry)1.化学计量方程二、化学计量学(stoichiometry)1.化学185

表示通用化了的碳源表示通用化了的碳源186根据元素分析得出的细胞组成根据元素分析得出的细胞组成187表示产物

表示产物1882.产率系数(yieldcoefficients)（1）宏观产率系数常用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价。

例如：菌体对底物的产率系数可表示为：2.产率系数(yieldcoefficients)189生物反应过程中宏观产率系数的定义总览产率系数组分间的反应或关系定义YX/SS→XYX/S=-rX/rSYX/OO2→XYX/O=-rX/rOYP/SS→PYP/S=-rP/rSYC/SS→CO2YC/S=-rC/rSYP/OO2→PYP/O=-rP/rOYHv/SS→HvYHv/S=-rHv/rsYC/OO2→CO2YC/O=-rC/rOYHv/OO2→HvYHv/O=-rHv/rO生物反应过程中宏观产率系数的定义总览产率系数组分间的反应或关190以摩尔为单位表示产率系数

以摩尔为单位表示产率系数191

（2）理论代谢产物产率假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率。（3）实际发酵过程中的产率系数Y=f(菌株、底物、m、Ｓ；t、tm、OTR、C/N，P/O)m为混合度、S为底物浓度、t为平均滞留时间、tm为混合时间、OTR为氧传递速度、C/N为碳氮比、P/O为磷氧比（2）理论代谢产物产率192Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的概念来解释菌体产率变化的原因：其中r1和r2分别为碳源分支代谢途径1和途径2的反应速度，MX和MS为菌体和底物的分子量，vX是S→X反应的化学计量系数，可见产率只随r2或r1变化。Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的概念来1933.化学计量的数学模型(StoichiometricMathematicalmodels)一级反应(firstorderchemicalreaction)动力学数学模型3.化学计量的数学模型(Stoichiometric194由（2）推导底物浓度随时间变化的模型

由（2）推导底物浓度随时间变化的模型195由（5）推导产物浓度随底物浓度变化的模型由（5）推导产物浓度随底物浓度变化的模型196三、分批发酵动力学(kineticsofbatchfermentation)（一）细胞生长动力学模型1.无抑制作用的细胞生长动力学（1）Monod方程(Monodmodel)：比生长速率与单一限制性基质(growthlimitingnutrient)之间存在着一定模式关系（饱和双曲线函数）。

温度和pH恒定时，对于某一特定培养基组分的浓度s，Monod方程为∶式中：μmax称为最大比生长速率(h-1)，Ks称为半饱和常数(g/L)三、分批发酵动力学(kineticsofbatch197底物消耗速率方程为∶Ks，微生物对底物的半饱和常数，与亲和力成反比。底物消耗速率方程为∶198当μ=1/2μmax，S=Ks当S<<Ks，基质浓度很低时，提高S，可明显提高μ，一级反应。当S>>Ks，基质浓度较高时，μ与S无关，零级反应。当S趋近于无穷大时，μ=μmax，μmax是理论上最大的生长潜力。当μ=1/2μmax，S=Ks199Scrit：临界底物浓度，比生长速率μ达到最大比生长速率μmax时的最低底物浓度。S>Scrit，为非限制性底物S<Scrit，为限制性底物Monod方程中单一限制性底物可以是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该基质相对贫乏，就成为限制性生长因子。Scrit：临界底物浓度，比生长速率μ达到最大比生长速率μm200Monod方程应满足∶（1）菌体生长为均衡型非结构生长（2）培养基中只有一种底物是生长限制性底物（3）菌体产率系数恒定Monod方程应满足∶201Monod方程与米氏方程的区别与联系Monod方程是对实验现象的总结，是经验方程（empiricalmodel）米氏方程是根据酶反应极力推导得出，是机理方程（mechanisticmodel）Monod方程与米氏方程的相似性。Monod方程与米氏方程的区别与联系202Monod方程参数(Monodmodelparameters)的确定

双倒数法，线性回归，求得μmax和KS

以1/S对1/μ作图，为一直线斜率=KS/μmax，纵轴截距为1/μmaxMonod方程参数(Monodmodelparamete203Monod方程式中μmax与KS的图解求法Monod方程式中μmax与KS的图解求法204或：以S对S/μ作图，为一直线

斜率K=1/μmax，纵轴截距为C=KS/μmax或：以S对S/μ作图，为一直线205计算举例在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测得实验数据如下表。求：该条件下，大肠杆菌的最大比生长速率μmax，半饱和常数KS。计算举例206S（mg/L）μ（h-1）S（mg/L）μ（h-1）6133340641020.060.120.240.310.430.531221531702212100.600.660.690.700.73先计算S/μS（mg/L）μ（h-1）S（mg/L）μ（h-1）60207S（mg/L）μ（h-1）S/μS（mg/L）μ（h-1）S/μ6133340641020.060.120.240.310.430.53100108137.5129148.8192.51221531702212100.600.660.690.700.73203.3231.8246.4311.3287.7S（mg/L）μ（h-1）S/μS（mg/L）μ（h-208做S/μ-S图做S/μ-S图209由K=1/μmax，C=KS/μmax得：μmax=1.05h-1，KS=0.095g/L用S/μ与S的数据做线性回归，得回归方程：S/μ=95.14+0.926S线性相关系数r=0.9960由该回归方程计算得：μmax=1.08h-1KS=0.103g/L由K=1/μmax，C=KS/μmax210（2）双基质限制生长动力学两种基质浓度较低时，共同限制微生物生长，有以下方程：（2）双基质限制生长动力学211（3）对于粘稠发酵液由于菌体对基质的扩散阻力，Monod方程有偏差，采用Contois公式。这一方程对高密度培养，丝状真菌比较满意。

（3）对于粘稠发酵液212（4）普通基质抑制生长动力学

某些基质对生长是必需的，但过量后对生长产生抑制，适用Andrews公式：

（当KS较小时）Ki，基质抑制常数（4）普通基质抑制生长动力学213（5）产物抑制生长动力学当微生物被其自身代谢产物抑制时，Aibe提出

KP：产物抑制常数Ki：饱和常数（5）产物抑制生长动力学当微生物被其自身代214（6）其他一些动力学模型单一限制性基质，无抑制条件下微生物生长的各种数学模型（6）其他一些动力学模型单一限制性2152.细胞生长稳定期和延迟期的Monod型动力学（1）延迟期动力学模型的建立2.细胞生长稳定期和延迟期的Monod型动力学（1）216（2）生长稳定期动力学模型的建立

式中α和β是经验常数，取α=μmax和β=Xmax（2）生长稳定期动力学模型的建立2173.微生物死亡期和内源代谢（1）微生物死亡期的动力学模型式中Kd为比死亡速率(h-1)对应于由底物生成菌体的一级反应速率为∶3.微生物死亡期和内源代谢（1）微生物死亡期的动力218（2）内源代谢的动力学模型mS为细胞的维持系数(s-1)Y*X/S为最大细胞产率

（2）内源代谢的动力学模型219微生物生长中的死亡动力学曲线微生物生长中的死亡动力学曲线220（二）产物合成动力学1.产物合成动力学Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系，将产物形成区分为三种类型：

类型Ⅰ：也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳酸）（二）产物合成动力学1.产物合成动力学221类型Ⅱ∶也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）类型Ⅱ∶也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）222类型Ⅲ∶也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生素、多糖）类型Ⅲ∶也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生素、多糖）223当考虑到产物可能存在分解式中，k’d为产物分解常数当考虑到产物可能存在分解224以产物生产率作为菌体生长率和菌体量的函数（Luedeking和Piret模型）

k1与菌体生长率关联的产物合成常数k2与菌体生长关联的产物合成常数以产物生产率作为菌体生长率和菌体量的函数（Luedeking225按k1，k2常数分：a，k1>0，k2=0，生长偶联型b，k1>0，k2>0，部分生长偶联型，混合型c，k1=0，k2>0，非生长偶联型按k1，k2常数分：226Luedeking和Piret模型的动力学参数图解

a，生长关联型b，部分生长关联型c，非生长关联型Luedeking和Piret模型的动力学参数图解227生长关联型：当k1=YP/X，k2=0，dP/dt=YP/X·dX/dt，QP=YP/X·μ非生长关联型：当k1=0，k2=QP，dP/dt=QP·Xk1，k2的确定：以μ对QP作图，QP=k1μ+k2生长关联型：228（三）基质消耗动力学基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成分，其消耗分为三个方面：（1）细胞生长，合成新细胞；（2）细胞维持生命所消耗能量的需求；（3）合成代谢产物。（三）基质消耗动力学基质包括细胞229

基质比消耗率QS=-dS/Xdt产物比生产率QP=dP/Xdt

基质比消耗率QS=-dS/Xdt产物比生产率QP=dP/X230维持系数m：单位质量菌体在单位时间内因维持代谢消耗的基质量。得率系数Y：两种物质得失之间的计量比。生长得率：YX/S=-dX/dS或–ΔX/ΔS产物得率：YP/S=-dP/dS或–ΔP/ΔS维持系数m：231维持系数m和得率系数YX/S，YP/S的确定

a）QP为常数的情况以μ对QS作图，为一直线

斜率为1/YX/S,纵轴截距MS=mS+QP/YP/S，作为广义的维持常数。维持系数m和得率系数YX/S，YP/S的确定

232广义维持系数MS和纯生长得率YP/S的图解求法广义维持系数MS和纯生长得率YP/S的图解求法233b）QP为变数的情况多数情况下，QP随发酵条件，特别是比生长速率μ的变化而变化。利用恒化器在不同稀释率D下可得到稳定状态下的多组QS，μ和QP的观测值，利用一个多元线性回归，由回归系数可得到所需的参数值。b）QP为变数的情况多数情况下，QP随发酵条234（四）分批发酵过程的生产率体积生产率是以每升发酵液每小时产生的产物克数表示的，是对发酵过程总成果的一种衡量。总运转时间包括发酵周期、从前一批放罐、洗罐和消毒新培养基所需的时间。这一段时间的间隔可以少到6h（酵母生产），多到20h左右（抗生素生产）。（四）分批发酵过程的生产率体积生产率是以每升发酵液每小时产生235分批培养的生产率（图中tT、tD和tL分别为培养结束和放罐检修的工作时间、打料和灭菌时间以及生长停滞期）分批培养的生产率（图中tT、tD和tL分别为培养结束和放罐检236总的生成率可用自发酵过程的起点到终点的直线斜率表示，最高生产率由通过原点与单产曲线相切的直线的斜率表示，切点位置的细胞产物浓度比终点（最大值）低。总的生成率可用自发酵过程的起点到终点的直线斜率表示，最高生产237发酵过程总的运转周期

发酵过程总的运转周期238总的生产率总的生产率239四、补料分批发酵动力学（kineticsofFed-BatchFermentation）四、补料分批发酵动力学（kineticsofFed-Ba240五、连续发酵动力学

1.连续发酵的分类（1）按种类（设备）分：全混流反应器、活塞流反应器（2）全混流反应器分为：恒化器、恒浊器五、连续发酵动力学1.连续发酵的分类241恒化器：以某种必需营养作为生长限制基质，通过控制流加速率造成适应这种条件的细胞生长密度和生长速率，培养液中限制性底物浓度保持恒定。恒化器：242恒化器的结构示意图恒化器的结构示意图243恒浊器：通过控制生长限制性基质的流量维持恒定的菌体密度。恒浊器：244恒浊器的结构示意图恒浊器的结构示意图2452.单级恒化器的发酵动力学2.单级恒化器的发酵动力学246（1）对菌体积累的细胞=(进入-流出)的细胞+(生长-死亡)的细胞（1）对菌体247（2）对限制性底物积累的底物=（进入-流出）的底物-（生长+形成产物+维持代谢）消耗的底物（2）对限制性底物248（3）对产物形成积累的产物=（生成-流出）的产物（3）对产物形成249

处于稳态

处于稳态

250由（5.1.2）、（5.1.5）和（5.1.9）得：由（5.1.2）、（5.1.5）和（5.1.9）得：251

在只培养微生物的特定连续培养过程中，假定：

①无产物形成或形成很少，可忽略不计。

②维持代谢所消耗的的底物很少，可忽略不计。在只培养微生物的特定连续培养过程中，假定：252第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件253

根据Monod方程

根据Monod方程254第八章-发酵过程的优化和控制剖析课件255当D≧Dcrit时，X=0，P=0，恒化器内无菌体与产物，这种现象称为“洗出”。当D≧Dcrit时，X=0，P=0，恒化器内无菌体与产物，2563.代谢产物浓度与产率rp：产物生产率QP：产物比生产率

dP/dt=rp-DP稳定状态下，dP/dt=0rp=DP3.代谢产物浓度与产率rp：产物生产257若产物合成为非生长偶联型，rp=QPX若产物合成为非生长偶联型，rp=QPX258若产物合成为生长偶联型若产物合成为生长偶联型259若产物合成为部分生长偶联型若产物合成为部分生长偶联型2604.