分批发酵的重要生长参数

分批发酵的重要生长参数第1页，共94页，2023年，2月20日，星期三了解发酵工艺过程控制的重要性发酵是一种很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素。除了菌种的生产性能，还与培养基的配比、原料的质量、灭菌条件、种子的质量、发酵条件、过程控制等有密切的关系。由于高产菌种对工艺条件的波动比低产菌种更敏感，通常菌种的生产性能越高，其生产条件越难满足。发酵生产受许多因素的影响和工艺条件的制约，故掌握生产菌种的代谢规律和发酵调控的基本知识对生产的稳定和提高具有重要的意义。第2页，共94页，2023年，2月20日，星期三第一节、发酵过程中的主要控制参数本节内容:一、物理参数二、化学参数三、生物参数第3页，共94页，2023年，2月20日，星期三参数可以反映发酵工艺的变化影响发酵的因素太多。有些因素还是未知的，且其主要影响因素也会变化。因此了解发酵工艺条件对发酵过程的影响和掌握反映菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们有效地控制微生物的生长和生产。与微生物发酵有关的参数，可分为物理、化学和生物三类。第4页，共94页，2023年，2月20日，星期三参数控制流程第5页，共94页，2023年，2月20日，星期三常用工业发酵仪器第6页，共94页，2023年，2月20日，星期三一、物理参数

温度（℃）压力（Pa）搅拌转速(r/min)搅拌功率（kW）空气流量（V/(V·min)）粘度（Pa·s或kg.s/m2）浊度（％）料液流量（L／min）第7页，共94页，2023年，2月20日，星期三二、化学参数

1．pH（酸碱度）2．基质浓度（g或mg％）3．溶解氧浓度（ppm或饱和度，％）4．氧化还原电位（mV）5．产物的浓度（μg（u）／ml）6.废气中的氧浓度（Pa）7.废气中的CO2浓度（％）细胞生物活性的其它化学参数：如NAD－NADH体系、ATP－ADP－AMP体系、DNA、RNA、生物合成的关键酶等第8页，共94页，2023年，2月20日，星期三三、生物参数1．菌丝形态丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢变化的反映。一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之一。2．菌体浓度菌体浓度的大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响。在生产上，常常根据菌体浓度来决定适合的补料量和供氧量，以保证生产达到预期的水平。第9页，共94页，2023年，2月20日，星期三第二节、发酵过程中的代谢变化

本节内容:一、分批发酵二、补料—分批发酵三、半连续（发酵液带放）四、连续发酵第10页，共94页，2023年，2月20日，星期三一.分批发酵1.分批发酵的基础理论分批发酵的物料平衡微分方程：X为菌体浓度g/Lt为培养时间hμ为比生长速率h-1

S为基质浓度g/Lqs为比基质消耗速率g/（g.h)p为产物浓度g/Lqp为比产物形成速率g/(g.h)第11页，共94页，2023年，2月20日，星期三分批发酵过程一般可粗分为四期，即适应（停滞）期、对数生长期、生长稳定期和死亡期第12页，共94页，2023年，2月20日，星期三比生长速度μ式中X0为菌的初始浓度；Xt为经过培养时间t的菌度。将菌体浓度的自然对数与时间作图可得一直线，其斜率为μ，即比生长速率。第13页，共94页，2023年，2月20日，星期三生长关联型和非生长关联型(1).生长关联型根据产物的形成是否与菌体生长同步关联，将产物形成动力学分为生长关联型和非生长关联型。一般，初级代谢产物的形成与生长关联；而次级代谢产物的形成与生长无关。(2).非生长关联型此类型的产物形成只与细胞的积累量有关，而与产物形成速率与菌的生长速率无关。次级代谢产物中的一些抗生素的产物合成即属于这一类。第14页，共94页，2023年，2月20日，星期三杀假丝菌素分批发酵中的葡萄糖耗，DNA含量和杀假丝菌素合成的变化第15页，共94页，2023年，2月20日，星期三2.分批发酵的重要生长参数

ABX＝Y（S0－St）S0为初始基质浓度，g／LSt为经培养时间t的基质浓度Y为得率系数，g细胞/g基质

CDμ＝μmaxS/(KS＋S)μmax是最大比生长速率，h-1；KS为基质利用常数，相当于μ＝μmax／2时的基质浓度，g／L第16页，共94页，2023年，2月20日，星期三3.分批发酵的优缺点

优点：即操作简单，周期短，染菌的机会减少和生产过程、产品质量易掌握。缺点：存在基质抑制问题，出现二次生长（diauxicgrowth）现象。如对基质浓度敏感的产物，或次级代谢物，抗生素，用分批发酵不合适，因其周期较短，一般在1～2天，产率较低。第17页，共94页，2023年，2月20日，星期三二.补料(流加)-分批(fed-batch)发酵1.补料-分批发酵的理论基础由于只有料液的输入，没有输出，因此，发酵液的体积在增加。若分批培养中的细胞生长受一种基质浓度的限制，则在任一时间的菌浓可用式表示：

Xt＝X0+Y（S0－St）在St接近S0时补料，输入的基质等于细胞消耗的基质。故dS／dt＝0，虽培养液中的总菌置XT随时间的延长而增加，但细胞浓度Xt并未提高，即dX／dt＝0，这种情况称为准稳态。随时间的延长，稀释速率将随体积的增加而减少。第18页，共94页，2023年，2月20日，星期三2.分批补料的优点与传统的分批发酵相比，优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。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，使不至于加剧供氧的矛盾；（2）克服养分的不足，避免发酵过早结束。第19页，共94页，2023年，2月20日，星期三三、

半连续发酵在补料-分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液（行业中称为带放）便可称为半连续发酵。带放是指放掉的发酵液和其他正常放罐的发酵液一起送去提炼工段。放掉部分发酵液，再补入适当料液不仅补充养分和前体而且代谢有害物被稀释，从而有利于产物的继续合成。第20页，共94页，2023年，2月20日，星期三半连续发酵的优点（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，使不至于加剧供氧的盾。（2）克服养分的不足，避免发酵过早结束。（3）缓解有害代谢产物的积累第21页，共94页，2023年，2月20日，星期三半连续发酵的不足①放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体；②定期补充和带放使发酵液稀释，送去提炼的发酵液体积更大；③发酵液被稀释后可能产生更多的代谢有害物，最终限制发酵产物的合成；④一些经代谢产生的前体可能丢失；⑤有利于非产生菌突变株的生长。第22页，共94页，2023年，2月20日，星期三四、连续发酵连续培养是发酵过程中一边补入新鲜的料液，一边以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积。1、单级连续发酵的理论基础可用D来表示其稀释速率（h-1）：D=F／VF为料液流速，L／hV为发酵液的体积，L

在一定时间内细胞浓度的净变化dX／dt为：

dX／dt＝μX－DXμX为生长速率，g／（L·h）DX为细胞排放速率，g／（L·h）第23页，共94页，2023年，2月20日，星期三在稳态条件下dX／dt

dX／dt＝0，即μX＝DX，故μ＝D，即在稳态条件下可通过补料速率来控制比生长速率，因V不变。以μ＝μmaxS/（Ks+S）代入dX／dt＝μX－DX得：dX/dt＝[(μmaxS)/（Ks+S）－D]XKS为基质利用常数，相当于μ＝μmax／2时的基质浓度，g／L第24页，共94页，2023年，2月20日，星期三在稳态条件下残留基质浓度的净变化dS／dt

dS／dt＝基质的输入-基质的输出-细胞的消耗

dS/dt＝DS0一DS一XμmaxS/[Y(Ks+S)]在稳态下，dX/dt＝dS/dt＝0S＝KsD/(μmax－D)Y为得率系数，g细胞/g基质KS为基质利用常数，相当于μ＝μmax／2时的基质浓度，g／LX和S分别为稳态细胞浓度和稳态残留基质浓度第25页，共94页，2023年，2月20日，星期三式S＝KsD/(μmax－D)解释了D如何控制μ。细胞生长将导致基质浓度下降，直到残留基质浓度等于能维持μ＝D的基质浓度。如基质浓度消耗到低于能支持相关生长速率的水平，细胞的丢失速率将大于生成的速率，这样S将会提高，导致生长速率的增加，平衡又恢复。第26页，共94页，2023年，2月20日，星期三2、多级连续培养基本恒化器的改进有多种方法，但最普通的办法是增加罐的级数和将菌体送回罐内。第27页，共94页，2023年，2月20日，星期三恒化器第28页，共94页，2023年，2月20日，星期三连续培养浓缩菌体两种办法：①限制菌体从恒化器中排出，让流出的菌体浓度比罐内的小；②将流出的发酵液送到菌体分离设备中，如让其沉积或将其离心，再将部分浓缩的菌体送回罐内。部分菌体返回罐内的净效应为：罐内的菌体浓度增加了；这导致残留基质浓度比简单恒化器小；菌体和产物的最大产量增加；临界稀释速率也提高。菌体反馈恒化器能提高基质的利用率，可以改进料液浓度不同的系统的稳定性，适用于被处理的料液较稀的品种，如酿造和废液处理。第29页，共94页，2023年，2月20日，星期三3、连续培养的优缺点连续培养有以下优点：（1）维持低基质浓度：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，使不至于加剧供氧的矛盾；（2）避免培养基积累有毒代谢物；（3）可以提高设备利用率和单位时间的产量，节省发酵罐的非生产时间；（4）便于自动控制。第30页，共94页，2023年，2月20日，星期三连续培养也有缺点：（1）长时间的连续培养难以保证纯种培养；（2）菌种发生变异的可能性较大第31页，共94页，2023年，2月20日，星期三第三节、菌体浓度影响及其控制

本节内容:一、影响菌生长速率的因素二、菌浓度对发酵产物得率的影响三、菌浓度的控制第32页，共94页，2023年，2月20日，星期三菌体（细胞）浓度菌体（细胞）浓度（简称菌浓，cellconcentration）是指单位体积培养液中菌体的含量。第33页，共94页，2023年，2月20日，星期三一、影响菌生长速率的因素1、菌浓的大小与菌体生长速率有密切关系。典型的细菌、酵母、霉菌和原生动物的倍增时间分别为45分钟、90分钟、3小时和6小时左右。2、菌体的增长与营养物质和环境条件有密切关系第34页，共94页，2023年，2月20日，星期三二、菌浓度对发酵产物得率的影响①发酵产物的产率与菌体浓度成正比关系②菌浓过高则会产生不利的影响摄氧速率与传氧速率相平衡时的菌体浓度，是临界菌体浓度第35页，共94页，2023年，2月20日，星期三三、菌浓度的控制控制菌浓的方法：菌体的生长速率，在一定的培养条件下，主要受营养基质浓度的影响，所以要依靠调节培养基的浓度来控制菌浓。1、首先要确定基础培养基配方中有个适当的配比，以避免产生过浓（或过稀）的菌体量2、然后通过中间补料来控制，如当菌体生长缓慢、菌浓太稀时，则可补加一部分磷酸盐，促进生长，提高菌浓；但补加过多，则会使菌体过分生长，超过临界浓度，对产物合成产生抑制作用。3、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第36页，共94页，2023年，2月20日，星期三第四节、基质的影响及其控制

本节内容:一、碳源的种类和浓度影响和控制二、氮源的种类和浓度影响和控制三、磷酸盐浓度的影响和控制第37页，共94页，2023年，2月20日，星期三基质的影响及其控制基质是产生菌代谢的物质基础，既涉及菌体的生长繁殖，又涉及代谢产物的形成。它们及其代谢产物又是许多调节控制机制的效应剂，也影响产物的形成。第38页，共94页，2023年，2月20日，星期三一、碳源的种类和浓度影响和控制1）、迅速利用的碳源：葡萄糖、蔗糖等。迅速参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解产物，有利于菌体生长，但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用。第39页，共94页，2023年，2月20日，星期三2）、缓慢利用的碳源缓慢利用的碳源：多数为聚合物、淀粉等。为菌体缓慢利用，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，也有许多微生物药物的发酵所采用。在工业上，发酵培养基中常采用含迅速和缓慢利用的混合碳源第40页，共94页，2023年，2月20日，星期三二、氮源的种类和浓度影响和控制（1）迅速利用的氮源：氨基（或铵）态氮的氨基酸（或硫酸铵等）、玉米浆容易被菌体利用，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，影响产量第41页，共94页，2023年，2月20日，星期三2）缓慢利用的氮源

延长代谢产物的分泌期、提高产物的产量；但一次投入也容易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体过早衰老而自溶，缩短产物的分泌期。发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用的混合氮源，还要在发酵过程中补加氮源来控制浓度。补加有机氮源，如酵母汁、玉米浆、尿素；补加无机氮源，如氨水或硫酸铵。第42页，共94页，2023年，2月20日，星期三三、磷酸盐浓度的影响和控制菌体生长所允许的浓度比次级代谢产物合成所允许的浓度就大得多。对于初级代谢来说，要求不如次级代谢那样严格。对抗生素发酵来说，常常是采用生长亚适量(对菌体生长不是最适合但又不影响生长的量)的磷酸盐浓度第43页，共94页，2023年，2月20日，星期三总的来说，培养基过于丰富，会使菌生长过盛，发酵液非常黏稠，传质状况很差。细胞不得不花费许多能量来维持其生存环境，即用于非生产的能量倍增，对产物的合成不利。除上述主要基质外，还有其它培养基成分影响发酵。如Cu2+，在以醋酸为碳源的培养基中，能促进谷氨酸产量的提高，Mn2+对芽孢杆菌合成杆菌肽等次级代谢产物具有特殊的作用，必须使用足够的浓度才能促进它们的合成等。有关前体物质浓度的控制放在各论中进行讨论。第44页，共94页，2023年，2月20日，星期三第五节、温度的影响及其控制本节内容:一、温度对发酵的影响二、影响发酵温度变化的因素三、温度的控制第45页，共94页，2023年，2月20日，星期三一、温度对发酵的影响

微生物药品发酵所用的菌体绝大多数是中温菌，如霉菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在20～40℃。第46页，共94页，2023年，2月20日，星期三温度的变化对发酵过程可产生两方面的影响：一方面是影响细胞的各种代谢过程，包括各种酶反应的速率和蛋白质的性质另一方面是影响发酵液的物理性质。第47页，共94页，2023年，2月20日，星期三1.能改变菌体代谢产物的合成方向，温度变化还对多组分次级代谢产物的组分比例产生影响2.影响碳源基质转化为细胞的得率3.几乎所有微生物的脂质成分均随生长温度变化4.影响发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等第48页，共94页，2023年，2月20日，星期三图示：温度对细胞得率和脂肪组分的影响第49页，共94页，2023年，2月20日，星期三二、影响发酵温度变化的因素1、产热因素：生物热（Q生物）、搅拌热（Q搅拌）2、散热因素：蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）、显热（Q显）3、发酵热（Q发酵）是发酵温度变化的主要因素。Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射－Q显由于Q生物、Q蒸发和Q显，特别是Q生物在发酵过程中随时间变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度发生波动。第50页，共94页，2023年，2月20日，星期三三、温度的控制1、最适温度的选择在生长阶段，应选择最适生长温度；在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。发酵温度可根据不同菌种、不同产品进行选择。第51页，共94页，2023年，2月20日，星期三2、温度的控制工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。第52页，共94页，2023年，2月20日，星期三第六节、pH的影响及其控制

本节内容:一、pH对发酵的影响二、pH的变化三、发酵pH的确定和控制第53页，共94页，2023年，2月20日，星期三一、pH对发酵的影响1、影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；2、影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄；3、影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收；4、pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。第54页，共94页，2023年，2月20日，星期三二、pH的变化在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使pH值产生一定的变化。1、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，使pH上升至碱性；随着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的积累使pH值下降。2、生产阶段：这个阶段pH值趋于稳定。3、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升，此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。第55页，共94页，2023年，2月20日，星期三由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌体本身具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的pH就会波动。第56页，共94页，2023年，2月20日，星期三引起发酵液pH值异常波动的因素1、pH下降：（1）培养基中碳、氮比例不当。碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加上溶氧不足，致使有机酸大量积累而pH下降；（2）消泡剂加得过多；（3）生理酸性物质的存在，铵被利用，pH下降。2、pH上升：（1）培养基中碳、氮比例不当。氮源过多，氨基氮释放，使pH上升；（2）生理碱性物质存在；（3）中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多。第57页，共94页，2023年，2月20日，星期三三、发酵pH的确定和控制1、发酵pH值的确定细菌和放线菌在6.5～7.5，酵母在4～5，霉菌在5～7生长，最适温度高的菌种，其最适pH也相应高一些。最适pH值是根据实验结果来确定的。第58页，共94页，2023年，2月20日，星期三实验测定最适pH值的：例如：将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节pH值，以分别维持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持，到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的pH值为菌体生长的合适pH值。用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。第59页，共94页，2023年，2月20日，星期三2、pH值的控制（1）首先考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们有个适当的配比，使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。（2）在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制；补充生理酸性物质（如(NH4)2SO4）和生理碱性物质（如NaNO3）来控制。第60页，共94页，2023年，2月20日，星期三第七节、溶氧的影响及其控制本节内容:一、溶氧的影响二、发酵过程的溶氧变化三、溶氧浓度的控制第61页，共94页，2023年，2月20日，星期三前言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素。工业发酵中产率是否受氧的限制，单凭通气量的大小是难以确定的。因溶氧的高低不仅取决于供氧、通气搅拌等，还取决于需氧状况。从溶氧变化的情况可以了解氧的供需规律及其对生长和产物合成的影响。常用的测氧方法主要是基于极谱原理的电流型测氧覆膜电极。第62页，共94页，2023年，2月20日，星期三一、溶氧的影响

在发酵过程中，影响耗氧的因素有以下几方面：1、培养基的成分和浓度2、菌龄3、发酵条件第63页，共94页，2023年，2月20日，星期三二、发酵过程的溶氧变化生长过程从培养液中溶氧浓度的变化可以反映菌的生长生理状况：通常，在对数生长期溶氧明显下降，从其下降的速率可估计菌的大致生长情况。第64页，共94页，2023年，2月20日，星期三三、溶氧浓度的控制在供氧方面，主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积氧传递系数。1、调节搅拌转速或通气速率来控制供氧；2、控制补料速度来控制基质的浓度，从而达到最适的菌体浓度，保证产物的比生长速率维持在最大值，又不会使需氧大于供氧。3、采用调节温度（降低培养温度可提高溶氧浓度）、液化培养基、中间补水、添加表面活性剂等工艺措施，来改善溶氧水平。第65页，共94页，2023年，2月20日，星期三第八节、二氧化碳的影响及其控制

本节内容:一、二氧化碳的来源和影响二、二氧化碳浓度的控制第66页，共94页，2023年，2月20日，星期三一、二氧化碳的来源和影响1、CO2来源：CO2是呼吸和分解代谢的终产物。几乎所有酵均产生大量CO2，例如，在产黄青霉的生长产物形成中的CO2来源可用下式表示：菌体生长：第67页，共94页，2023年，2月20日，星期三CO2来源第68页，共94页，2023年，2月20日，星期三2.CO2的影响(1)CO2对微生物生长的影响CO2对微生物生长和发酵具有刺激或抑制作用，此现象称为CO2效应。CO2受限制可能导致适应(停滞)期的延长；菌丝形态随CO2含量不同而改变。(2)CO2对产物合成的影响促进或抑制作用。即使供氧已足够，还应考虑通气量，需降低发酵液中CO2的浓度。(3)CO2对细胞的作用机制

CO2及HCO3都影响细胞膜的结构，改变膜的流动性及表面电荷密度，影响细胞膜的运输效率，改变细胞形态。第69页，共94页，2023年，2月20日，星期三二、二氧化碳浓度的控制1、CO2浓度大小受到菌体的呼吸强度、发酵液流变学特性、通气搅拌程度和外界压力大小等许多因素影响罐内的CO2分压是液体深度的函数，CO2的溶解度随压力增加而增大。2、CO2浓度的控制应随它对发酵的影响而定。通气和搅拌速率的大小，能调节CO2的溶解度。3、CO2的产生与补料工艺控制密切相关。补糖会增加排气中CO2的浓度和降低培养液的pH。4、在青霉素补料工艺的控制参数中，排气中的CO2量的变化比pH变化更为敏感，所以采用CO2释放率作为控制补糖的参数。第70页，共94页，2023年，2月20日，星期三第九节、补料的作用和控制本节内容:一、补料分批培养（FBC)的优点和应用二、FBC的作用三、FBC的补料方式和控制第71页，共94页，2023年，2月20日，星期三一、补料分批培养（FBC)的优点和应用1、可以解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏；2、可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长所引起的影响，改善发酵流变学的性质；3、可用作控制细胞质量的手段，以提高发芽孢子的比例；4、可作为理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础。第72页，共94页，2023年，2月20日，星期三二、FBC的作用1、可以控制抑制性底物的浓度高浓度营养物对大多数微生物生长是不利的：渗透压过高；热致死；抑制细胞组分或酶；改变菌体的生化代谢2、可以解除或减弱分解产物阻遏3、可以使发酵过程最佳化第73页，共94页，2023年，2月20日，星期三三、FBC的补料方式和控制就补料方式而言：连续流加、不连续流加、多周期流加每次流加又可分为：快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加从反应器数目分类：单组分流加、多组分流加从反应器中发酵体积来分：有变体积和恒体积之分。从补加培养基的成分来分，又可分为单组分补料和多组分补料。第74页，共94页，2023年，2月20日，星期三1、补料的策略优化补料速率要根据微生物对养分的消耗速率及所设定的发酵液中最低维持浓度而定。不论生物反应器的体积传质系数大小，它们均有一最佳补料速率，补糖速率的最佳点与KLα有关第75页，共94页，2023年，2月20日，星期三2、补料的依据和时机判断依据有：用菌的形态，比生长速率，发酵液中糖浓度，溶氧浓度，尾气中的氧和CO2含量，摄氧率或呼吸商的变化。不同的发酵品种有不同的依据。一般以发酵液中的残糖浓度为指标。对次级代谢产物的发酵，还原糖浓度一般控制在5g/L左右的水平。也有用产物的形成来控制补料。如现代酵母生产是藉自动测量尾气中的微量乙醇来严格控制糖蜜的流加。第76页，共94页，2023年，2月20日，星期三几种补料依据介绍-aa.糖浓度和溶氧浓度青霉素补料发酵：可通过补料速率的调节来控制生长和氧耗，使菌处于半饥饿状态，使发酵液有足够的氧，从而达到高的青霉素生产速率。加糖可控制对数生长期和生产期的代谢。控制加糖速率使青霉素发酵处于半饥饿状态对青霉素的合成有利。对数生长期采用计算机控制加糖来维持溶氧和pH在一定范围内可显著提高青霉素的产率。在青霉素发酵的生产期溶氧比pH对青霉素合成的影响更大，因在此期溶氧为控制因素。第77页，共94页，2023年，2月20日，星期三几种补料依据介绍-bb.尾气中CO2含量在青霉素发酵中加糖会引起尾气CO2含量的增加和发酵液的pH下降。糖、CO2、pH三者的相关性可作为青霉素工业生产上补料控制的参数。尾气的变化比pH更为敏感，可测定尾气CO2的释放率来控制加糖速度。第78页，共94页，2023年，2月20日，星期三几种补料依据介绍-cc.比生长速率的影响以细胞体或初级代谢物为产物的发酵需要维持最大的μ来获得最大产量。例如面包酵母培养期间维持最大的μ来获得最大产量，同时避免糖浓度高时由于crabtree效应引起乙醇的形成，导致发酵周期延长和产量降低。可用葡萄糖传感器在线监控葡萄糖含量或监控乙醇浓度和呼吸商(RQ)随时间的延长，稀释速率将随体积的增加而减少，因而补料-分批发酵的μ是降低的。在分批补料中为了维持最大μ值，常采用指数式补料。第79页，共94页，2023年，2月20日，星期三Crabtree效应Pasteur在研究酵母发酵时，发现在供氧充足的条件下，细胞内糖酵解作用受到抑制。葡萄糖消耗和乳酸生成减少，这种有氧氧化对糖酵解的抑制作用称为巴士德效应(Pasteureffect)。Crabtree效应与巴士德效应相反，在癌细胞研究中发现，给予葡萄糖时不论供氧充足与否，都呈现很强的酵解反应，而糖的有氧氧化受抑制，称为Crabtree效应或反巴士德效应。这种现象较普遍地存在于癌细胞中，此外也存在于一些正常组织细胞如视网膜、睾丸、颗粒白细胞等。第80页，共94页，2023年，2月20日，星期三3、补料的控制方法1）、反馈控制系统：由传感器、控制器和驱动器组成。分为直接方法和间接方法。间接方法是以溶氧、pH、呼吸商、排气中CO2分压及代谢产物浓度等作为控制参数。对间接方法来说，选择与过程直接相关的可检参数作为控制指标，是研究的关键。直接方法是直接以限制性营养物(如碳源、氮源或C/N等)的浓度作为反馈控制的参数。直接方法，由于长期缺乏可靠的适时测定手段，无法控制适时补料，所以一直没有用于发酵控制。第81页，共94页，2023年，2月20日，星期三补料的控制方法-2）无反馈控制无反馈控制指无固定的反馈控制参数来使操作最优化的控制。过去是以经验为基础，后来才出现严格的数学模型。在头孢菌素C的发酵研究中，采用计算机模拟的办法，考虑到菌丝的分化、产物的诱导及分解产物对产物合成的抑制等多种因素，利用归一法原理，把复杂的多组分补料问题简化成各个单一组分的补料，从而确立了最优化的补料方式。经模拟试验证实，采用该补料方式可比分批培养法的产量提高近30%。第82页，共94页，2023年，2月20日，星期三第十节、泡沫的影响及其控制

本节内容:一、泡沫的产生及影响二、发酵过程中泡沫消长规律三、泡沫的控制第83页，共94页，2023年，2月20日，星期三一、泡沫的产生及影响

泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系，气液之间被一层液膜隔开，彼此不相连通。泡沫有两种类型：发酵液液面上的泡沫和发酵液中的泡沫，又称流态泡沫(fluidfoam)。发酵液的理化性质对形成泡沫的表面现象起决定性的作用：蛋白质和细胞本身具有稳定泡沫的作用。第84页，共94页，2023年，2月20日，星期三5种起泡的方式：①整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；②发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；③发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；④发酵开始起泡能力低，以后上升；⑤以上类型的综合方式。这些