微生物发酵培养

关于微生物发酵培养第1页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三第六章微生物发酵培养第一节发酵动力学第二节发酵培养方法的分类第三节影响发酵过程的主要因素第四节杂菌的污染与防治第2页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三第一节微生物发酵动力学化学动力学：

Chemicalkineticsisthestudyofthespeedwithwhichachemicalreactionoccursandthefactorsthataffectthisspeed.

Whatismeantbythespeedofareaction?Thespeedofareactionistherateatwhichtheconcentrationsofreactantsandproductschange.

kinetics：Thebranchofchemistrythatisconcernedwiththeratesofchangeintheconcentrationofreactantsinachemicalreaction.第3页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三

XS（底物）X（菌体）＋P（产物）发酵过程反应的描述发酵过程的反应描述及速度概念第4页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三发酵动力学（fermentationkinetics):研究发酵过程的反应速率和环境因素对速率的影响。

菌体生成速率－－－菌体生长动力学产物生成速率－－－产物生成动力学基质消耗速率－－－基质消耗动力学三者之间的关系单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念第5页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三

发酵反应动力学的研究内容研究反应速度及其影响因素并建立反应速度与影响因素的关联反应动力学模型反应器特性+反应器的操作模型操作条件与反应结果的关系，定量地控制反应过程第6页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三发酵动力学研究的目的通过发酵动力学的研究，可进一步了解微生物的生理特征，菌体生长和产物形成的合适条件，以及各种发酵参数之间的关系，为发酵过程的工艺控制、发酵罐的设计放大和用计算机对发酵过程的控制创造条件。第7页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三二、微生物生长动力学

微生物细胞的生长速率和环境条件对生长速率的影响。

第8页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（一）生长速率

菌体浓度的增加速率

比生长速率：单位菌体的生长速率h-1比生长速率μ与许多因素有关，当温度、pH、基质浓度等条件改变时，μ随之改变

第9页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（二）比生长速率与基质浓度的关系1．Monod方程只考虑一种基质限制μ＝f(s,I,P,T,pH,……,)μ＝f(s)式中：μmax

—最大比生长速率（1/h）

Ks

—底物饱和常数（g/L）第10页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三当限制性底物浓度非常小时，一级反应；当限制性底物浓度很大时，零级反应；存在高底物浓度抑制时，

与米氏方程比较第11页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或：

测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速率，通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。第12页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?解：将数据整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221第13页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三

μmax=1.11(h-1);Ks=97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h第14页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三三、产物形成动力学产物生成速率比生产速率第15页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（一）产物形成与菌体生长的关系1.生长联系型

产物的形成和菌体的生长相偶联xp如乙醇、丙酮酸等初级代谢产物的发酵

第16页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三2.非生长联系型

产物的形成和菌体的生长非偶联xp多数抗生素发酵第17页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三

3.复合型（部分生长联系型）

产物的形成和菌体的生长部分偶联xp柠檬酸

第18页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三产物形成动力学模型举例

1.青霉素发酵2.谷氨酸发酵3.酒精发酵

第19页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三四、生长得率和产物得率1.生长得率：消耗单位数量基质所得到的菌体的量，称为基质的生长得率。即：

Yx/s—基质生长得率（g菌体/g基质）或（g菌体/mol基质）2.产物得率：消耗单位数量基质所得到的产物量，称为基质的产物得率，其定义为：

Yp/s

—基质产物得率（g产物/g基质）或（mol产物/mol基质）

转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。第20页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（二）理论得率和表观得率理论得率：只考虑细胞合成时细胞对底物的得率，YG表观得率：既考虑细胞合成又考虑细胞维持时细胞对底物的得率，YX/S两者的关系：

第21页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（三）其他生长得率的表示方法氧生长得率有效电子生长得率ATP生长得率能量生长得率第22页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三SS1

菌体S2

产物S3

维持

XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+维持维持消耗(m)：指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。五、基质消耗动力学第23页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三

XS（底物）─→X（菌体）＋P（产物）+维持m:维持消耗系数YP/s:产物对基质的理论得率系数YG:细胞对基质的理论得率系数，Y*x/s物料衡算：第24页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三

第二节发酵培养方法一、概述物料状态：固态发酵和液态发酵深层培养：分批培养、流加培养、半连续培养、连续培养第25页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三分批发酵(batchfermentation)是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。第26页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三流加培养

(feedbatchfermentation）流加培养又称为补料分批培养，是指先将一定量的培养液装入反应器，在适宜的条件下接种细胞，进行培养，细胞不断生长，产物也不断形成。随着细胞对营养物质的不断消耗，向反应器中不断补充新的营养成分，使细胞进一步生长代谢，到反应终止时取出整个反应系。

第27页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三半连续培养

(semi-continuousfermentation)半连续培养又称为反复分批培养或换液培养，是指在分批培养的基础上不全部取出反应系，剩余部分重新补充新的营养成分，再按分批培养的方式进行操作。

第28页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三连续培养

(continuousfermentation)连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的量维持恒定，使微生物细胞能在近似恒定状态下生长的微生物发酵培养方式。

第29页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三二、分批培养密闭系统，除氧气供给、尾气排出、消泡剂的添加和控制pH值需加入的酸或碱外，整个培养系统与外界没有其他物质的交换。

非稳态的培养方法：微生物生长的环境条件也随之不断变化优点：1.培养基一次灭菌，一次投料，易实现无菌状态；2.易于操作控制，产品质量稳定；3.培养浓度较高，易于产品分离；缺点：辅助时间较多，设备生产能力低。广泛采用第30页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三除了一次性投料和一次性回收产品的操作外，在分批培养还包括的两种情况。1.营养成份连续供应氧氮源：控制菌体生长，调节pH磷源：控制菌体生长，调节pH，不形成沉淀2.重复批式操作只分出一部分成熟醪，在原反应器中，留一部分成熟醪作为种子，接入新鲜培养基后继续培养。酒精厂的酒母车间，省去了前几级种子培养，但是易变异第31页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三分批发酵中微生物的生长情况时间菌体浓度延迟期指数生长期减速期静止期衰亡期延迟期：指数生长期:减速期:静止期：;衰亡期:第32页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三分批发酵过程的细胞生长动力学方程细胞恒算：若服从monod方程：忽略死亡：第33页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三底物消耗动力学方程

底物的消耗速率：

第34页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三产物生成动力学方程产物生成速率：

生长偶联型上述三个方程的适用范围：对数生长期及减速生长期，对于稳定期和衰退期不适用

第35页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三稳定期和衰退期的出现的原因

①营养物的不足碳源和其他营养成分②氧的供应不足细胞浓度的增加，需氧速率越来越大，菌体浓度的增加，导致粘度增大，溶氧困难，容易造成供氧不足。③抑制物质的积累各种代谢产物的浓度逐渐增高，抑制作用。④生物的空间不足据经验，在培养细菌及酵母等时，当细胞浓度达到109～1010个/毫升时，培养液中还有充分的营养物质，但菌体的生长几乎停止。这种现象的出现有人认为是由生长抑制物质所引起，可是也有人认为是由于单个细胞必须占有最小的空间所致。第36页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三三、补料分批培养（一）为什么采用流加培养？存在底物抑制分解代谢物阻遏营养缺陷型菌株的培养前体的补充第37页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三例：酵母生产Crabtree效应糖浓度很低时（0.028%），在有氧条件下，酵母不产生乙醇，其生长得率可达50%当糖浓度较高时，酵母菌在生长的同时，产生部分乙醇，酵母得率低于50%糖浓度达5%时，即是在有足够氧的条件下，酵母菌的生长也会受到抑制，且产生大量乙醇，酵母得率很低。

解决办法：流加，糖浓度保持低水平（一般为0.1～0.5%），流加速率等于酵母的耗糖速率。生长快速，得率高（Yx/S=0.4～0.45g/g）第38页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三补料分批间歇流加连续流加恒速流加指数流加反复补料分批（二）不同的补料分批培养方式第39页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三细胞：

底物：

产物：

（三）恒速流加对流加培养过程进行物料衡算（忽略细胞死亡）有：第40页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三最终得到：菌体生长速率：底物消耗速率：产物生成速率：式中：V——反应器中培养液体积（L）

SF

——流加培养液中底物的浓度（g/L）

F——流加速率（L/h），F=dv/dt第41页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三拟稳态的出现限制性基质浓度趋于0,变化很小细胞浓度接近于定值细胞比生长速率近似于稀释速率，逐渐减小。

第42页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（四）指数流加恒定的比生长速率限制性基质浓度恒定第43页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（五）反复补料分批培养补充养分和前体，稀释有害代谢物，延续产物合成培养液不断排放，放出的培养液的体积可大于反应器的体积，提高反应器的利用效率和生产效率第44页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三四、连续培养优点:与分批培养比较，连续培养设备生产能力高，易于实现自动控制和劳动生产率高，缺点:很难保证长期的无菌操作，培养浓度较低。

第45页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三活塞流式（PFR）

①物料遵循严格的先进先出，像活塞一样；②细胞浓度和营养物组分的浓度沿反应器轴向逐渐变化，但沿径向方向无浓度梯度；③反应器各处，各组分的浓度不随时间变化。（一）连续培养模型第46页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三全混式（COST）

①进料液和出料液流量相等，容器中液体的体积V恒定；②反应器中底物、产物和细胞的浓度均匀一致，即反应器中无浓度梯度；③流出液中的物料组成等于反应器中的物料组成Q，S0x0，P0Q，Sx，PV，S,x，P第47页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三全混式反应器分类恒化器(Chemostat)稳定态时，化学环境恒定

通过限制某些化学物质的量（如以碳源或氮源作为限制基质）来控制微生物生长

恒浊器(Turbidostat)稳定态时，细胞浓度恒定

供给的营养组份都必须是过剩的，这样才能保持稳定的生长速率。恒化器应用广泛，而恒浊器的应用较少见第48页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（二）单级连续培养细胞的物料衡算：

积累输入输出生长死亡稳态下，反应器中的细胞浓度x不变，即进料液细胞浓度为零，且忽略细胞死亡，即x0=0，Kd=0,

定义稀释速率：最后得：D=μ

连续培养达到稳态的条件Q，S0x0，P0Q，Sx，PV，S,x，P第49页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三把Monod方程式代入上式得：

作图法求得μmax和Ks值

在连续培养条件下，改变稀释率D，在达到另一个稳定态时，即有一个确定的底物浓度S

DD1D2D3D4D5D6…SS1S2S3S4S5S6…斜率＝KS/μmax

1/μmax第50页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三细胞浓度：产物浓度：比生产速率：基质浓度：第51页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三2．稀释率对生长得率的影响一定稀释率范围内Yx/s为一常数。而在稀释率很低或接近最大比生长速率时，Yx/S值有所下降。在稀释率很低时，生长得率有所下降是因为维持细胞生命需要一定底物的缘故。在稀释率很高而接近最大比生长速率时，发酵培养液中的底物浓度很高。在这种情况下，微生物通常产生较多的中间代谢产物，如醋酸、丙酮酸、乙醇等。中间代谢产物的大量生成，造成了底物的浪费，因而细胞得率随之降低。

第52页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三

3．洗出

S，x，P均为稀释率D的函数。调节的有限性当逐渐提高稀释率，使反应器中底物浓度S接近于进料液中的底物浓度S0时，细胞浓度将趋于零，整个连续培养过程也就完全被破坏了。连续过程的最大稀释率临界稀释率当Ks＜＜S0，Dc=μmax当稀释率D→DC，而使反应器的细胞浓度x→O时，即被称为洗出。第53页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三4．最适稀释率(Dm)细胞或产物的生产能力达最大时的稀释率

最适稀释率下的底物浓度Sm，细胞浓度Xm和菌体最大生产率（DX)m第54页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三第55页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三细胞浓度、底物浓度及生产能力与稀释率的关系浓度或生长能力Dx或DPSxS0稀释率DDmDc第56页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（四）多级连续培养第57页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三在很大的D范围内，第二级反应器中的细胞生长十分有限第二级和第一级在同样的Dc下被洗光，但在第二级反应器中，只在D非常接近Dc时细胞浓度才迅速下降。限制性基质在第二级反应器中消耗比较完全第58页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三五、连续培养的应用（一）连续培养在工业化生产中的应用

1、酵母、细菌等单细胞蛋白产品2、酒精、啤酒、醋酸等一次代谢产物3、污水的生化处理第59页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（二）连续培养在微生物生理特性和动力学研究中的应用1、微生物生理特性的研究2．微生物动力学参数的测定（1）μmax与KS的测定

第60页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（2）YG与m的测定改变稀释率D，在达另一稳态时，再测定其值Yx/S

第61页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（三）连续培养在菌种分离与改良中的应用连续培养中，最终在此培养体系中生存下来的微生物都是此时刻对该种底物表现出最大生长的微生物（或一个微生物生态）。当只有B时,建立稳态：μB=D,对应S0如果引入微生物A：μ=μA(S0)μA>DXA增加s下降；μA，μB下降μB<D,XB下降，至被洗出s0μDS0StSμ当S＝St,μA＝D时，建立新稳态第62页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三六、关于连续培养的一些问题严格控制培养基和空气的灭菌

选择独特的培养环境，使杂菌不宜生长或生长缓慢

①使用过高温度或极端pH培养，可使培养过程不受常温菌或中性菌的污染。②采用独特的底物或培养基，使一般杂菌不能利用或者生长非常缓慢。③选育抗性菌株，在培养基中添加某种化学物质或抗菌素，从而抑制其他杂菌的生长。④选育具有嗜杀性能的菌株，使之在培养过程中抑制杂菌的生长。⑤选育高比生长速率的菌株，在培养过程中采用较高的稀释率，从而可使比生长速率较低的杂菌在培养过程中自然洗出。杂菌的比生长速率是否大于或等于培养菌的比生长速率

（一）无菌状态的保持（污染问题）第63页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（二）菌种变异与退化连续培养时，微生物一直处于对数生长，因而其变异的可能性更大。当变异菌株较之原生产菌株更适应于培养环境，而具有更快的生长速率时，变异株就会在发酵液中越积越多，最终占据优势而左右发酵。

第64页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（三）均匀性与稳定性均匀性低稀释率培养时，均匀性很重要。因营养物浓度往往较低，若反应器的均匀性较差，则可能会在某些区域出现营养物严重不足的现象，而影响微生物的正常生长。提高通风和搅拌，增加功耗选择混合效果较好的反应器

稳定性在高稀释率下，稳定性成为连续培养另一问题

最适稀释率Dm与洗出时的临界稀释率Dc非常接近由于加料设备的不稳定性和培养基中营养物浓度的变化等因素，有可能使培养过程发生洗出现象。

第65页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三第三节影响发酵过程的主要因素

一、温度二、pH三、溶解氧四、基质浓度五、二氧化碳和呼吸商六、泡沫第66页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三一、温度（一）温度对微生物生长的影响1.不同微生物，最适生长温度和耐受温度范围不同。第67页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三2.微生物生长速率和死亡速率与温度的关系微生物典型活化能50~70KJ/mol微生物死亡活化能300~380KJ/mol随着温度的升高，死亡速率的增加远大于生长速率的增加第68页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三温度高于最适温度，死亡速率增加第69页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三3.温度对YX/S的影响A.随着维持代谢需能的增加，细胞得率随温度升高而降低。B.最大细胞得率所处的温度一般低于最适生长温度。第70页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三4.温度对细胞组分的影响比生长速率随温度上升而增加，蛋白质和RNA量也同步增加。重组蛋白的生产可提高温度诱导产物形成。低温下生长，脂肪酸不饱和度增加。膜脂质的流动性，脂肪酸的含量，不饱和程度。第71页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（二）温度对发酵的影响一般发酵温度升高，酶反应速度增大，生长代谢加快，产物生成提前。但酶容易因过热而失去活性，表现在菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终产量。温度还对发酵液的物理性质产生影响，如发酵液的黏度、发酵基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速度、某些基质的分解和吸收速率等。影响产物合成的比例和方向。温度对代谢的调节作用。第72页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（三）影响发酵温度的因素第73页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（四）最适温度的选择适合菌体生长的温度不一定适合产物的合成，整个发酵周期内仅选用一个最适温度不一定好。考虑供氧条件。低温有利于溶氧。考虑培养基成分和浓度。浓度较低或组分较易被菌体利用时，提高发酵温度则养分容易过早耗尽，导致菌体过早出现自溶，产量降低。菌体生长和产物合成两个温度（变温发酵）黄原胶：发酵前期27℃，20～25h；中后期32℃。可加速前期菌体生长和提高胶产量20％。四环素：中前期0～30h,稍高温度促进生长，缩短非生产周期；30～150h稍低温度维持较长的生产期，150h后升温，促进抗生素分泌。青霉素：0～5h,30℃;5～40h,25℃;40～125h,20℃;125～165h,25℃。较25℃恒温培养产量提高15％。第74页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三二、pH值（一）pH值对发酵的影响（微生物生长和产物合成)不同微生物生长最适pH不同影响酶的活性，影响代谢过程；影响细胞膜所带电荷的状态和跨膜pH梯度，影响营养物质的吸收和代谢产物的分泌；影响培养基组分的解离，进而影响吸收；第75页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三培养基中营养物质的代谢，是引起pH值变化的主要原因，发酵液pH值的变化是微生物代谢的综合效果。（从开始生长到代谢结束过程）生理酸性物质和生理碱性物质：硫酸铵，硝酸钠有机酸的生成：乳酸，乙酸，丙酮酸

微生物生长和产物合成最适pH通常不一样，这不仅与菌种特性也与产物化学性质有关。链霉素和红霉素：pH6.8～7.3金霉素、四环素：pH5.9～6.3青霉素：pH6.5～6.8柠檬酸：pH3.5～4.第76页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三引起发酵过程pH下降的因素：碳氮比过高，碳源（葡萄糖）过多，中间补糖加之溶解氧不足，致使有机酸大量积累；消泡剂加的过多；生理酸性物质的存在，氨被利用。引起发酵过程pH上升的因素：碳氮比不当，氮源过多，氨基氮释放；生理碱性物质的存在；中间补料中氨水或尿素等的碱性物质的加入过多。第77页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（二）发酵的最适pH值的选择不同的微生物不同同一菌种，生长最适pH值可能与产物合成的最适pH值不同。

利福霉素B生产中生长期和生产期pH维持6.5和7.0，较整个过程维持7.0产率提高14％利福霉素B生产醋酸杆菌生产纤维素，将pH从4.0调整到5.5，比维持恒定4.0纤维素提高1.5第78页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（三）pH值的控制基础培养基配方

代谢产酸(如葡萄糖产生酮酸、（NH4）2SO4)和产碱（如NaNO3、尿素）的物质、氨水及缓冲剂（如CaCO3）等成分的使用。发酵过程中直接加酸、碱和连续补料控制pH。特别是连续补料的方法，既可以达到稳定pH值的目的，又可以不断补充营养物质。效果比较明显。pH反映菌体的生理状况，pH上升，表明菌体处于饥饿状态，可加糖调节。第79页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三青霉素发酵，调节加糖速率调节pH,比恒速加糖，酸碱控制pH可提高产量25％。第80页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三三、溶解氧

溶氧(DO)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素。在28℃氧在发酵液中的100％空气饱和浓度只有0.25mmol.L-1（7mgL-1)左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％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，使溶氧成为限制因素。第81页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三

微生物对氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速率或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位干重的细胞所消耗的氧气，mmolO2·g菌-1·h-1

耗氧速率或摄氧率(rO2)：单位时间内单位体积发酵液的吸氧量。mmolO2·L-1·h-1

。第82页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr:

临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。

0.003~0.05mmol/L

需氧量（耗氧速率，摄氧率）一般为25～100mmol/(L·h);

饱和含氧量：0.25mmol.L-1（

7mg/L左右）

第83页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三一般对于微生物：CCr:

＝1～15%饱和浓度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%

产黄青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定义：氧饱和度＝发酵液中氧的浓度/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>1.第84页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三问题：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。例：以微生物的摄氧率0.052mmolO2·L-1·S-1

计，

0.25/0.052=4.8秒注意：产物形成临界氧浓度和菌体呼吸临界溶氧浓度常常不一样；生物合成临界溶氧浓度也不等于最适氧浓度。

头孢菌素卷须霉素生长5%(相对于饱和浓度）13%产物>13%>8%第85页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三三、影响需氧的因素

菌体浓度QO2

遗传因素

菌龄

营养的成分与浓度

有害物质的积累

培养条件第86页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三

反应器中氧的传递一、发酵液中氧的传递方程CCiPPi气膜液膜N：传氧速率kmol/m2.hkg:气膜传质系数kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数m/h第87页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三C*＝P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度Kl: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a(m2/m3)Nv：体积传氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数h-1第88页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三二、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传递：消耗：氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面第89页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三三、供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过Kla和C*来调节，其中C*＝P/HNvHPKla第90页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三影响供氧因素－氧推动力增加氧分压：通入纯富氧空气，增加溶氧浓度，不经济。提高罐压：增加CO2浓度，对设备要求高改变通气速率：两倍，有时达5－10倍。降低发酵温度第91页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。

45升1吨10吨搅拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1第92页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三

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瓶与发酵罐。一、影响摇瓶kla的因素为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机往复，频率80-120分/次，振幅8cm旋转，偏心距25、12,转述250rpm第93页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三装液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响装液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392第94页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三影响发酵罐中Kla的因素搅拌器设计，类型、叶片、直径、位置空气分布器的类型与位置增加搅拌强度增加挡板液体的粘度第95页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三例黑曲霉生产糖化酶

n230230270

通气比1:0.81:1.21:0.8

产量181224162846提高N,比提高Q有效第96页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三2、实际上：对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的蒸发量大中间挥发性代谢产物带走第97页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三3、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点

小型发酵罐，转速可调

大型发酵罐，转速往往不可调

大型反应器的合理设计

对现有设备一定要注意工艺配套第98页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三第四节溶氧浓度的变化及其控制一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定Kla下）：rXQCL一般有一个低谷，在对数生长的末期第99页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三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。第100页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三2、溶氧控制的实例GAXDO谷氨酸发酵：要求：氧饱和度>1控制：0-12小时小通风

12小时后增加通风原因：0-12小时菌体量较小，采用小通风12第101页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三培养液中的溶氧浓度的变化可以反应出菌体的生长生理状况：开始明显下降的时间的不同，反映种子活力、接种量以及培养基成分的不同对数期溶氧明显下降，下降速率的不同反应生长状况溶氧低谷到来的早晚与低谷时溶氧的水平二次生长生长衰退或自溶第102页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三溶氧作为发酵异常的指示搅拌，气液混合，油的添加量等操作过程故障中间补料污染杂菌作为质量控制指标第103页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三四、基质浓度比生长速率与基质浓度呈线性关系由于代谢产物及其基质过浓，而导致抑制作用，出现比生长速率下降的趋势。当葡萄糖浓度低于100～150g/L时，不出现抑制；当葡萄糖浓度高于350～500g/L时，多数微生物由于细胞脱水而不能生长。在发酵生产中，如果培养基中基质浓度过高，即营养过于丰富，会使菌体生长过盛，发酵液非常粘稠，传质状况很差。第104页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（一）碳源对发酵的影响酵母的克雷布特（crabtree）效应快速利用碳源；有利于菌体生长但分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用缓慢利用碳源：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，也常为许多微生物药物的发酵所采用。碳源浓度的控制方法第105页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（二）氮源对发酵的影响快速利用氮源容易被菌体利用，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。缓慢利用的氮源对延长次级代谢产物的分泌期、提高产物的产量有好处。发酵培养基中一般选用含有快速和慢速利用的混合氮源补充有机氮源：如酵母粉、玉米浆、尿素等补充无机氮源：补加氨水或硫酸铵是工业上常见的方法第106页，讲稿共119页，2023年5月2日，星期三（三）磷酸盐的影响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大得多，控制磷酸盐浓度对微生物次级代谢产物发酵来说非常重要。磷酸盐浓度调节代谢产物合成机制，对于初级代谢产物合成的影响，往往是通过促进生长而间接产生的，对于次级代谢产物来说，机制就比较复杂。磷酸盐浓度的控制，一般是在基础培养基中采用适当的浓