发酵过程控制-

发酵过程控制-6/17/20231第一页，共九十三页，编辑于2023年，星期日第七章发酵过程的代谢控制第一节发酵过程中的代谢变化第二节发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次第三节发酵过程的中间分析6/17/20232第二页，共九十三页，编辑于2023年，星期日第一节发酵过程中的代谢变化初级代谢的代谢变化次级代谢的代谢变化6/17/20233第三页，共九十三页，编辑于2023年，星期日初级代谢的代谢变化众所周知，初级代谢是生物细胞在生命活动过程中所进行的代谢活动，其产物即为初级代谢产物。发酵中的菌体、基质和产物三者变化的基本过程是：菌体进入发酵罐后就开始生长、繁殖，直达一定的菌体浓度。其生长过程仍显示适应(停滞)期、对数生长期、静止(稳定)期和衰亡期等生长史的特征。但在发酵过程中，即使同一菌种，由于菌体的生理状态与培养条件的不同，各时期时间长短也不尽相同。如适应期的长短就随培养条件而有所不同，并与接种菌的生理状态有关。对数生长期的菌种移植到与原培养基组成完全相同的新培养基中，就不会出现适应期，仍以对数生长期的方式继续繁殖下去。6/17/20234第四页，共九十三页，编辑于2023年，星期日初级代谢的代谢变化另外，用静止期以后的菌体接种，即使接种的菌体全部能够生长，也要出现适应期。因此，工业发酵中往往要接入处于对数生长期(特别是中期)的菌体，以尽量缩短适应期。为了获得代谢产物，菌体尚未达到衰退期即行放罐处理。由于菌体生长繁殖和产物的形成，基质(如葡萄糖)浓度的变化一般是随发酵时间的延长而不断下降，溶解氧浓度也随发酵过程变化而发生变化。初级代谢产物由于没有明显的产物形成期，所以它是随菌体生长在不断地进行的，有的与菌体生长成平行关系，如乳酸、醋酸、氨基酸和核酸等。6/17/20235第五页，共九十三页，编辑于2023年，星期日初级代谢的代谢变化6/17/20236第六页，共九十三页，编辑于2023年，星期日初级代谢的代谢变化上图表示初级代谢产物谷氨酸发酵过程的代谢变化。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。在发酵初期种子刚接入发酵罐中，菌体处于适应期，以适应新的环境。细胞进行呼吸作用，利用贮存物质合成大分子物质和所需的能量，菌体个体长大，但没有分裂，此时糖等基质基本不消耗或很少消耗，pH值稍有上升是尿素被分解放出氨所致。6/17/20237第七页，共九十三页，编辑于2023年，星期日初级代谢的代谢变化菌体经过适应期之后就开始繁殖，并很快进入对数生长期，代谢逐渐旺盛，菌体大量繁殖，个体生长和群体繁殖循环交替进行，培养物的混浊度(以光密度表示)与菌体增殖情况基本一致，OD(光密度)直线增长，菌体形态与二级种子相同。耗糖速度加快，糖作为碳源和能源用于合成细胞成分和合成反应所需要的能量。尿素被脲酶分解放出氨使pH值上升，氨被菌体利用可使pH值下降，这时需及时补加尿素，补充氮源和调节pH值。6/17/20238第八页，共九十三页，编辑于2023年，星期日初级代谢的代谢变化由于菌体代谢活动放出热，温度开始上升。一般发酵5h左右温度上升，应注意降温。由于菌体不断增加，代谢旺盛，产生CO2，排气中CO2浓度显著增加。耗氧量很快增加，培养基中的溶解氧下降，排气中的O2浓度也下降，应根据情况提高风量。特别是在对数生长期的末期。应注意风量，促进菌体转化。此时为长菌阶段，极少产谷氨酸，控制发酵条件以有利于长菌。但在对数生长期的末期要加大风量，供给充足的氧，并及时流加尿素，供给充分的氮源，促进增殖型菌体向生产型菌体转化。6/17/20239第九页，共九十三页，编辑于2023年，星期日初级代谢的代谢变化在生物素限量的情况下，部分菌体内的生物素含量由“丰富转向贫乏”，此部分菌就停止繁殖，在条件适宜时，开始伸长、膨胀，形成生产型细胞，开始积累谷氨酸。但是出于菌体增殖并非完全同步，还有部分菌体为增殖型，这是菌体由增殖型向生产型转化的时期，约需10—18h。在此期间，菌体数量达到最大值，培养液的OD值与菌体增殖不一致，OD值除反映菌体增殖外，还反映了菌体的伸长、膨大。6/17/202310第十页，共九十三页，编辑于2023年，星期日初级代谢的代谢变化这是代谢最旺盛的时期，耗糖加快，谷氨酸生成迅速增加，耗氧速率加快，并接近最大值。发酵控制方面必须充分供氧，风量达最大值，充分供给氮源。对发酵控制来讲，此时以前的控制是发酵成败的关键。此时期的变化受生物素和风量的明显影响。一般来说，加大风量对菌体的伸长、膨大有促进作用，菌体完成由增殖型向生产型转化后，菌形几乎都伸长、膨大、边缘不整齐、像花生型。6/17/202311第十一页，共九十三页，编辑于2023年，星期日初级代谢的代谢变化大量积累谷氨酸，耗糖与产酸相适应，产酸达最大值，对糖的转化率达50％一56％，应继续流加尿素，保证充足的氮源，pH值维持7.0-7.2。为加快产酸速度适当提高温度，一般为36-37℃。根据菌体耗氧速率继续供氧。随着发酵的延长，糖已耗尽，产酸增加，菌体活力逐渐降低。发酵后期耗氧减少，可适当降低风量。流加尿素以少量为好，控制pH＝6.8-7.0。当残糖降到1％，根据发酵情况可将风量降到最低，促进中间产物转向谷氨酸。6/17/202312第十二页，共九十三页，编辑于2023年，星期日次级代谢的代谢变化次级代谢产物包括大多数的抗生素、生物碱和微生物毒素等物质。按动力学模型分类，它们的发酵属于菌体的生长与产物非偶联的类型，也就是说，菌体生长繁殖阶段(又称生长期)与产物形成阶段(又称生产期)是分开的。次级代谢的代谢变化(以抗生素发酵为代表)如图所示，一般分为菌体生长、产物合成和菌体自溶三个阶段。6/17/202313第十三页，共九十三页，编辑于2023年，星期日菌体生长阶段产生菌接种至发酵培养基后，在合适的培养条件下，经过一定时间的适应就开始生长和繁殖，直至达到菌体的临界浓度。其代谢变化主要是，碳源(包括糖类、脂肪等)和氮源等进行分解代谢，菌体进行合成代谢，结果碳源、氮源和磷酸盐等营养物质不断被消耗，浓度明显减少，而新菌体不断被合成、菌浓明显增加。随着菌浓下断增加，摄氧率也不断增大，溶氧浓度不断下降。当菌浓达到临界值时，溶氧浓度降至最小。6/17/202314第十四页，共九十三页，编辑于2023年，星期日菌体生长阶段由于基质的代谢变化，pH值也发生一定改变，有时先开始下降，而后上升，这是糖代谢先产生酮酸等有机酸而后被利用的结果；有时先开始上升而后下降，这是菌体先以培养基中的氨基酸作为碳源而被利用，释放出氨，使pH值上升，而后氨又被利用使pH值下降的结果。6/17/202315第十五页，共九十三页，编辑于2023年，星期日菌体生长阶段当营养物质消耗到一定程度，或者菌体达到一定浓度，或者供氧受到限制而使溶解氧浓度降到一定水平时，其中某一参数可能成为菌体生长的限制性因素，使菌体生长速率减慢。同时，在大量合成菌体期间，积累了相当量的某些代谢中间体，原有酶的活力下降(或消失)，出现了与次级代谢有关的酶或其酶被解除了控制等原因，导致菌体的生理状态发生改变，发酵就从菌体生长阶段转入产物合成阶段。这个阶段一般又称为菌体生长期或发酵前期，也有人称为平衡期。6/17/202316第十六页，共九十三页，编辑于2023年，星期日产物合成阶段这个阶段主要是合成次级代谢产物，在此期间，产物的产量逐渐增多，直至达到高峰，生产速率也达到最大，直至产物合成能力衰退。如果以菌体DNA含量作为菌体生长繁殖的标准来划分菌体生长阶段和产物合成阶段，它们的阶段界限是很明显的，即菌体的生长达到恒定后(即DNA含量达到定值)就进入产物合成阶段，开始形成产物。如果以菌体干重作为划分阶段的标准，它们之间就有交叉，见下图。这是由于菌体在产物合成阶段中虽然没有进行繁殖。但多元醇、脂类等细胞内含物仍在积累。使菌体干重增加，因此，就形成了这样的表观现象。6/17/202317第十七页，共九十三页，编辑于2023年，星期日产物合成阶段6/17/202318第十八页，共九十三页，编辑于2023年，星期日产物合成阶段在这个阶段中，产生菌的呼吸强度一般无显著变化，菌体物质的合成仍未停止。使菌体的质量有所增加，但基本不繁殖。这个阶段的代谢变化是以碳源和氮源的分解代谢和产物的合成代谢为主，碳、氮等营养物质不断被消耗，产物不断被合成。外界环境的变化很容易影响这个阶段的代谢，碳源、氮源和磷酸盐等的浓度必须控制在一定的范围内，发酵条件也要严格控制，才能促使产物不断地被合成。如果这些营养物质过多，则菌体就要进行生长繁殖，抑制产物的合成，使产量降低；如果过少，菌体就易衰老、产物合成能力下降，产量减少。6/17/202319第十九页，共九十三页，编辑于2023年，星期日产物合成阶段发酵液的pH值、培养温度和溶氧浓度等参数的变化，对该阶段的代谢变化都有明显的影响，也须严格控制。这阶段一般称为产物分泌期或发酵中期，也有人把生产期划分为贮藏期和持续期，前者是细胞积累脂肪和糖，使干重继续增加，开始形成产物；后者是细胞干重不变，但继续耗糖和分泌产物。6/17/202320第二十页，共九十三页，编辑于2023年，星期日菌体自溶阶段这个阶段的菌体衰老、细胞开始自溶，氨氮含量增加，pH值上升，产物合成能力衰退，生产速率下降。发酵到此期必须结束，否则产物不仅受到破坏，还会因菌体自溶而给发酵液过滤和提取带来困难。这个阶段一般称为菌体自溶期或发酵后期。根据发酵过程中的参数变化绘制出的次级代谢的代谢曲线，可清楚地说明过程中的代谢变化，并反映出碳源、氮源的利用和pH值、菌体浓度和产物浓度等参数之间的相互关系。分析研究代谢曲线，还有利于掌握发酵代谢变化的规律和发现工艺控制中存在的问题，有助于改进工艺，提高产物的产量。6/17/202321第二十一页，共九十三页，编辑于2023年，星期日第二节发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次一发酵过程的种类分批培养补料分批培养半连续培养连续培养二发酵过程工艺控制的目的三发酵过程研究的方法和层次6/17/202322第二十二页，共九十三页，编辑于2023年，星期日1、分批发酵简单的过程，培养基中接入菌种以后，除了空气的通入和排气，没有物料的加入和取出。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。6/17/202323第二十三页，共九十三页，编辑于2023年，星期日分批培养中微生物的生长迟滞期对数生长期稳定期死亡期教材P150-1516/17/202324第二十四页，共九十三页，编辑于2023年，星期日微生物生长分为：迟滞期、对数生长期、稳定期和死亡期在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为当菌种接种入一个新的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这时细胞不能分裂。当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很快，比生长速率几近常数。这个时期称为对数生长期6/17/202325第二十五页，共九十三页，编辑于2023年，星期日随着细胞生长，培养液中的营养物减少，废物积累，导致细胞生长速率下降，进入减速期和稳定期。最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入死亡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，而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳定期大量合成。6/17/202326第二十六页，共九十三页，编辑于2023年，星期日分批培养的优缺点优点操作简单，周期短，染菌机会少(?)，生产过程和产品质量容易掌握缺点

非生产时间较长、设备利用率低。产率低，不适于测定动力学数据教材P1536/17/202327第二十七页，共九十三页，编辑于2023年，星期日2、补料分批培养

在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。教材P1546/17/202328第二十八页，共九十三页，编辑于2023年，星期日2、补料分批培养

表7-1补料方法对细胞密度、生长速度及生产率的影响6/17/202329第二十九页，共九十三页，编辑于2023年，星期日2、补料分批培养——优点与分批培养方式比较与连续培养方式比较1、可以解除培养过程中的底物抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应；2、对于耗氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造成的细胞大量生长、耗氧过多以至通风搅拌设备不能匹配的状况；在某种程度上可减少微生物细胞的生成量、提高目的产物的转化率；3、微生物细胞可以被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来控制细胞的质量；并可重复某个时期细胞培养的过渡态，可用于理论研究。1、不需要严格的无菌条件；2、不会产生微生物菌种的老化和变异；3、最终产物浓度较高，有利于产物的分离；4使用范围广。教材P1546/17/202330第三十页，共九十三页，编辑于2023年，星期日补料分批培养的缺点缺点由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌机会6/17/202331第三十一页，共九十三页，编辑于2023年，星期日3、半连续培养在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发酵优点放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。缺点代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大教材P1556/17/202332第三十二页，共九十三页，编辑于2023年，星期日什么是带放？补料分批培养是一种介于分批培养和连续培养之间的操作方式，在进行分批培养的时候，随着营养的消耗，向反应器内补充一种或多种营养物质，以达到延长生产期和控制发酵过程的目的。随着补料操作的进行，发酵液的体积逐渐增大，到了一定时候即需结束培养，或者将部分发酵液取出，剩下的发酵液继续进行补料分批培养。后一种操作可以反复进行多次，称为反复补料分批培养。这种在发酵的过程中放出部分发酵液的操作，在工厂里称为“带放”。6/17/202333第三十三页，共九十三页，编辑于2023年，星期日3、半连续培养该方法在发酵后期、产生了一定数量代谢产物后，在发酵液体积测量监控下，放出一部分发酵液，同时连续补充一部分新鲜营养液，实现连续带放、既有利于提高产物产量．又可降低成本，使得发酵指数得以大幅度提高。

带放使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。然而这样做也导致代谢产物被稀释，提取的总体积增大。6/17/202334第三十四页，共九十三页，编辑于2023年，星期日3、半连续培养适用于基础料比较稀薄的情况。完全依靠大量补料来维持次级代谢，相当于变相提高了发酵罐吨位。被带放出来的发酵液一般有2个去向：发酵单位较低的进入半连续罐继续补料发酵（可以调开延滞期，进去就干活），发酵单位高直接放到下工序。青霉素发酵的带放工艺比较成熟，其它品种也在借鉴此工艺做优化。带放优点：其一提高发酵产量，其二减少消毒蒸汽量（半连续罐只要保压可连续运转30天左右），其三提高设备利用率。6/17/202335第三十五页，共九十三页，编辑于2023年，星期日什么是带放？带放工艺的目的多数是为了提高产量而采取的一种工艺控制，有时异常发酵如后期泡沫大，工艺控制困难，但发酵周期还未到，也可采取带放工艺先放出适量的发酵液，以利于发酵控制。目前采用带放工艺的品种，如青霉素、红霉素、头孢菌素C、乳酸、谷氨酸等。有些品种后期需要工艺调控进行组分转化，发酵液组分才合格，这类品种就不适合带放工艺，有的品种中间不补料，或发酵周期短，都不用带放工艺。带放还要考虑到成本，带放和新鲜料的补入使单位稍微的降低，这里就要考虑到投入产出比6/17/202336第三十六页，共九十三页，编辑于2023年，星期日带放注意事项：1.根据品种带放时机不同，最好在中后期带放,节约成本.

2.带放时罐压要在正常下进行,防止造成闷罐（闷罐时,没有或只有少量空气通入,好氧菌溶氧不足,菌体自溶,发酵液变稀）

3.每次带放后对管道进行消毒

半连续发酵的不足：见教材P1566/17/202337第三十七页，共九十三页，编辑于2023年，星期日4、连续培养发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。6/17/202338第三十八页，共九十三页，编辑于2023年，星期日图7－1典型的实验室连续培养系统示意图空气过滤器灭菌的培养基储存器加料和出料泵磁搅棒pH控制器空气出口酸储存器空气过滤器压缩空气流量计样品4、连续培养第三十九页，共九十三页，编辑于2023年，星期日连续培养过程的优缺点

连续培养方式的优点连续培养方式的缺点1、提供了一个微生物在恒定状态下高速生长的环境，便于进行微生物的代谢、生理、生化和遗传特性的研究；2、在工业生产上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等操作时间，提高生产效率；3、产物质量比较稳定；4、所需的设备和投资较少，便于实现自动化。1、在长时间的培养过程中，微生物菌种容易发生变异，发酵过程易染菌；2、新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合，影响培养和营养物质的利用。4、连续培养教材P158第四十页，共九十三页，编辑于2023年，星期日二发酵过程工艺控制的目的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标是得到最大的比生产速率和最大的生产率6/17/202341第四十一页，共九十三页，编辑于2023年，星期日发挥菌种的最大生产潜力考虑之点菌种本身的代谢特点生长速率、呼吸强度、营养要求（酶系统）、代谢速率菌代谢与环境的相关性温度、pH、渗透压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等6/17/202342第四十二页，共九十三页，编辑于2023年，星期日微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络形式，比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的前体，可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物，而这些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的差异会引发代谢朝不同的方向进行。6/17/202343第四十三页，共九十三页，编辑于2023年，星期日微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现在菌体量的大小影响产物量的多少，而且菌体生长正常与否，即前期的代谢直接影响中后期代谢的正常与否。特别是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性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工程水平全面的认识6/17/202344第四十四页，共九十三页，编辑于2023年，星期日发酵过程受到多因素相互交叉的影响,如菌本身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环境因素等等。因此发酵过程的控制具有不确定性和复杂性。为了全面的认识发酵过程，本章首先要告诉大家分析发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子，说明如何综合分析发酵过程及进行优化放大。6/17/202345第四十五页，共九十三页，编辑于2023年，星期日三发酵过程研究的方法和层次1、研究方法单因子实验：对实验中要考察的因子逐个进行试验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验优点一次可以进行多种条件的实验，可以在较快时间内得到的结果。缺点如果考察的条件多，实验时间会比较长各因子之间可能会产生交互作用，影响结果准确性6/17/202346第四十六页，共九十三页，编辑于2023年，星期日数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、均匀设计、响应面设计。优点同时进行多因子试验。用少量的实验，经过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，大大提高了实验效率。但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存在较大的误差就会得出错误的结果。6/17/202347第四十七页，共九十三页，编辑于2023年，星期日2、研究的层次初级层次的研究：一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最适温度、最适pH等要求。摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几十种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较高的效率。6/17/202348第四十八页，共九十三页，编辑于2023年，星期日代谢及工程参数层次研究：一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数，以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。6/17/202349第四十九页，共九十三页，编辑于2023年，星期日全参数发酵罐除了装备有常规发酵罐的温度、溶氧、pH电极，得到发酵全过程的这些参数外，还有罐体称重，补料计量装置和尾气采集分析系统，更重要的是，有一套独特的数据处理软件，软件的开发是长期科研成果的结晶，可以得到多个发酵过程参数，并且可以输入和绘制人工测定的参数，对发酵过程的分析起到了重要的作用6/17/202350第五十页，共九十三页，编辑于2023年，星期日教材P1856/17/202351第五十一页，共九十三页，编辑于2023年，星期日鸟苷发酵过程曲线6/17/202352第五十二页，共九十三页，编辑于2023年，星期日生产规模放大：在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优化条件在大型反应器上得以实现,达到产业化的实现。一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同所致。6/17/202353第五十三页，共九十三页，编辑于2023年，星期日第三节发酵过程的中间分析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，所以说中间分析是生产控制的眼睛。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，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等6/17/202354第五十四页，共九十三页，编辑于2023年，星期日代谢参数按性质分可分三类：物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、产物浓度、核酸量等生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等6/17/202355第五十五页，共九十三页，编辑于2023年，星期日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、残糖等间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、Kla（设备的供氧能力）等6/17/202356第五十六页，共九十三页，编辑于2023年，星期日直接参数又可分为在线检测参数和离线检测参数在线检测参数指不经取样直接从发酵罐上安装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、菌体浓度。6/17/202357第五十七页，共九十三页，编辑于2023年，星期日第二节发酵过程的中间分析一发酵过程主要分析的项目二产物量的测定6/17/202358第五十八页，共九十三页，编辑于2023年，星期日一发酵过程主要分析的项目目前发酵过程主要分析项目如下1、pHpH与微生物的生命活动密切相关——酶催化活性

pH的变化又是微生物代谢状况的综合反映——基质代谢、产物合成、细胞状态、营养状况、供氧状况6/17/202359第五十九页，共九十三页，编辑于2023年，星期日2、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生长的活性，通过计算可以求得摄氧率（OUR）。排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，因为微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，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二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的氧。一发酵过程主要分析的项目6/17/202360第六十页，共九十三页，编辑于2023年，星期日RQ值随微生物菌种的不同，培养基成分的不同，生长阶段的不同而不同。测定RQ值一方面可以了解微生物代谢的状况，另一方面也可以指导补料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教材P172教材P173一发酵过程主要分析的项目2、排气氧、排气CO2和呼吸熵6/17/202361第六十一页，共九十三页，编辑于2023年，星期日

一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。对于这种工艺，后期的补料控制是关键。过程中发现，在补糖开始时，不但CER、OUR大幅度提高，连RQ也提高约10％，表明通过补糖不但提供了更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。一发酵过程主要分析的项目2、排气氧、排气CO2和呼吸熵6/17/202362第六十二页，共九十三页，编辑于2023年，星期日3、糖含量微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。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。通过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来调节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。一发酵过程主要分析的项目6/17/202363第六十三页，共九十三页，编辑于2023年，星期日4、氨基氮和氨氮氨基氮指有机氮中的氮（NH2-N），单位是mg/100ml。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）。氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子的抑制，因此必须控制适量的氮。通过氨基氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施。发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过程。一发酵过程主要分析的项目6/17/202364第六十四页，共九十三页，编辑于2023年，星期日5、磷含量微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷措施。一发酵过程主要分析的项目6/17/202365第六十五页，共九十三页，编辑于2023年，星期日6、菌浓度和菌形态菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态显微镜观察菌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，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。一发酵过程主要分析的项目6/17/202366第六十六页，共九十三页，编辑于2023年，星期日6/17/202367第六十七页，共九十三页，编辑于2023年，星期日6/17/202368第六十八页，共九十三页，编辑于2023年，星期日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、酵母一发酵过程主要分析的项目6/17/202369第六十九页，共九十三页，编辑于2023年，星期日7、产物浓度

在培养过程中，产生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,是是发酵控制的重要参数。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。一发酵过程主要分析的项目6/17/202370第七十页，共九十三页，编辑于2023年，星期日二产物量的测定（一）产物量的特殊表示法1、抗生素效价的表示2、酶活力的表示法（二）产物量的测定1、化学法2、物理法3、生物法6/17/202371第七十一页，共九十三页，编辑于2023年，星期日二产物量的测定（一）产物量的特殊表示法1、抗生素效价的表示抗生素效价表示抗生素的有效成分的多少，效价大小用单位（U）来表示效价表示方法：重量折算法重量单位类似重量单位特殊单位6/17/202372第七十二页，共九十三页，编辑于2023年，星期日重量折算单位：以最低抑菌浓度为一个单位，如青霉素0.6微克＝1U重量单位：规定某些抗生素活性部分1μg=1u如链霉素、卡那霉素、红霉素等定义活性部分1μg＝1u6/17/202373第七十三页，共九十三页，编辑于2023年，星期日类似重量单位：规定抗生素的某种盐1mg=1000u如金霉素、四环素的盐酸盐定义为1μg＝1u特殊单位：药检所制定某些抗生素的单位制霉菌素1mg=3700u多粘菌素B1mg=10000u6/17/202374第七十四页，共九十三页，编辑于2023年，星期日2、酶活力的表示法酶活力用单位来表示。由于酶通常不是很纯，不能用重量来表示酶的量。同一种酶用不同的方法测定会有不同的酶活单位，容易造成混乱，为此国际上作了统一规定，规定在25℃下，以最适的底物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及最适的pH诸条件下，每分钟能转化一微克分子底物的酶定量为一个活性单位。6/17/202375第七十五页，共九十三页，编辑于2023年，星期日（二）产物量的测定1、化学法（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青霉素在碱性条件下加入过量的I2，反应生成青霉噻唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘，可计算出青霉素的单位柠檬酸可以用NaOH滴定来计算柠檬酸产量6/17/202376第七十六页，共九十三页，编辑于2023年，星期日（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。淀粉酶活力测定：在1%可溶性淀粉溶液中加入淀粉酶，所释放出的麦芽糖与生色试剂（3，5-二硝基水杨酸与酒石酸钾钠的碱溶液）产生颜色，它在540nm处所得吸光度跟淀粉酶活力成正比。6/17/202377第七十七页，共九十三页，编辑于2023年，星期日（3）测压法产物特定反应放出或摄入气体，使系统有压力变化，可以通过测定压力变化得知产物量。2、物理法许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋光性，因此可以通过测定旋光度来测定酶或抗生素的含量。谷氨酸γ－氨基丁酸＋CO26/17/202378第七十八页，共九十三页，编辑于2023年，星期日化学和物理方法优点：快速、方便，经常用于过程分析缺点产品中存在的杂质会干扰测定结果，因此抗生素成品的测定用生物法测定。

适用于抗生素效价的测定

生物法以抗生素的杀菌能力为衡量效价的标准，其原理恰好与临床应用的要求相一致，而且此法灵敏度高，需用的检品量较小，这是其它方法不能比的。但此法得到结果比较慢，需经过16~18小时培养。生物法常用于发酵终了产品效价的测定。3、生物法6/17/202379第七十九页，共九十三页，编辑于2023年，星期日常用的生物法测定抗生素，采用杯碟法“杯”（牛津杯）是放被测抗生素的不锈钢小管，小管内径为6mm，高10mm的圆筒形管子，管子的重量尽可能相等。碟是摊布培养基的玻璃培养皿。操作方法是：将已灭菌的琼脂培养基加热到完全融化，倒在培养皿内，每碟15ml（下层），待其凝固。此外，将融化的培养基冷却到500C左右混入试验菌，将混有菌的培养基5ml加到已凝固的培养基上待凝固（上层）。

6/17/202380第八十页，共九十三页，编辑