第7章+发酵理论与过程控制工程.ppt

1、1,发酵理论与过程控制工程,戴大章,生命学院生物工程系,(Tel: Email: ),2,一、发酵基本理论 1) 工业微生物发酵过程 2) 提高发酵产物产量的方法 3) 发酵动力学 二、发酵过程控制 1) 温度对发酵的影响及其控制 2) pH对发酵的影响及其控制 3) 溶解氧对发酵的影响及其控制 4) 泡沫对发酵的影响及其控制 5) 自动控制技术在发酵过程控制中的应用,本章主要内容,3,3,一、概述 二、工业微生物发酵过程 三、提高发酵产物产量的方法 四、发酵动力学,一、发酵基本理论,4,4,生化产品生产方法,提取分离法 (Extraction),生物合成 (Bios

2、ynthesis),化学合成 (chemicalsynthesis),SOD - blood Papain-Papaya Chymotrypsin-Pancrea organ/tissue/cell,Amylase from Bacillus Protease from Bacillus Phosphatase from Bacillus Glucoamylase from Aspergillus Plant cell culture Animal cell culture,Few example,一、概述,5,5,1) 微生物生长繁殖快，生活周期短。因此，用微生物来生产酶产品，生产能力（发酵

3、）几乎可以不受限制地扩大，能够满足迅速扩张的市场需求。 2) 微生物种类繁多，它们散布于地球的各个角落，而且在不同的环境下生存的微生物有不同的代谢方式，能分解利用不同的底物。这一特征为微生物酶品种的多样性提供了物质基础。 3)当基因工程介入时，动植物细胞中存在地酶，几乎都能够利用微生物细胞获得。因此，有计划地筛选微生物菌种，通常可以获得能够生产几乎任何一种酶的适当细胞。,微生物发酵的优点,6,6,二、工业微生物发酵过程,电动机,pH检测及控制,培养液,无菌空气,排气口,冷却水出口,冷却水进口,搅拌浆,加料口,放料口,从自然界分离的菌种,产品,基因工程,诱变育种,细胞工程,生产用菌种,扩大培养,

4、原料,微生物菌体,代谢产物,分离提纯,发酵过程控制与 工艺参数优化,接种,培养基配制,灭菌,代谢工程,8,8,1) 不是致病菌 2) 菌株不易变易和退化 3) 不易感染噬菌体 4) 发酵周期短、产酶量高 5) 酶的性质符合应用的需要，最好为胞外酶 6) 易于分离和提取 7) 营养要求低,1、对菌种的要求,9,9,培养基（medium）是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。 培养基是对微生物进行研究和利用工作的基础。任何培养基都应该具备微生物生长所需要五大营养要素。 五大要素：碳源、氮源、无机盐、生长因子、水。,2、培养基,10,10,1、选择适宜的营养物质 2、营养物的浓度

5、及配比合适 3、物理、化学条件适宜 4、经济节约 5、精心设计、试验比较,培养基的设计原则,培养不同的微生物必须采用不同的培养条件； 培养目的不同，原料的选择和配比不同； 不同阶段，培养条件也有所差异。,11,细菌：牛肉膏蛋白胨培养基 (或简称普通肉汤培养基)， LB 放线菌：高氏1号合成培养基培养 酵母菌：麦芽汁培养基，PDA 霉菌：查氏合成培养基，PDA,例如枯草芽孢杆菌： 一般培养：肉汤培养基或LB培养基； 自然转化：基础培养基； 观察芽孢：生孢子培养基； 产蛋白酶：以玉米粉、黄豆饼粉为主的产酶培养基；,几种实验室常用培养基,12,12,固态培养 好氧：斜面/培养皿/克氏扁瓶/茄子瓶/浅

6、盘/转鼓/通风曲槽 厌氧：穿刺，厌氧培养皿/Hungate滚管/厌氧罐与手套箱 液态培养：试管液体培养，浅层培养，摇瓶，发酵罐 连续培养：恒化，恒浊，多级连续，固定化细胞 补料分批培养：又称半连续或流加 混菌培养,3、培养方式的选择,13,13,1) 最佳的培养条件组合 (温度，pH，通气条件与方式，溶氧，装液量，转速，诱导剂、表面活性剂等)。 2) 根据微生物及其产酶特性 (需氧情况等)确定培养方式：如液体深层发酵，固态发酵，固定化细胞发酵等。 3) 微生物酶收集：胞内酶、胞外酶；初级代谢产物、次级代谢产物。,4、发酵条件优化,14,14,三、提高发酵产物产量的方法,遗传学方法,生物化学方法

7、,营养缺陷型突变株的应用,抗反馈控制突变株的应用,选育组成型和超产突变株,增加结构基因数目,添加前体绕过反馈控制点,添加诱导剂,发酵与分离过程耦合,控制细胞膜的通透性,控制发酵的培养基成分,人工控 制代谢,15,15,营养缺陷型突变株的应用,16,16,抗反馈控制突变株：指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼而有之的菌株。 这类菌株中，反馈调节已经解除，所以能大量积累未端代谢产物。 抗反馈抑制突变株可以从结构类似物抗性突变株和营养缺陷型回复突变株中获得。,抗反馈控制突变株的应用,17,17,1、产物合成的模式 2、细胞生长动力学 3、产物生成动力学,四、发酵过程动力学,18,18,细胞在一

8、定条件下培养生长， 其生长过程一般经历调整期、生长期、平衡期和衰退期等4个阶段。 根据细胞生长与产物生成的关系，产物合成模式分为同步合成型，延续合成型，中期合成型和滞后合成型4种类型。,1、产物合成模式,19,19,产物合成与细胞生长同步进行的一种生物合成模式。该类型产物合成速度与细胞生长速度紧密联系， 又称为生长偶联型。属于该合成型的产物，其生物合成伴随着细胞的生长而开始；在细胞进入旺盛生长期时，产物大量生成；当细胞生长进入平衡期后，产物合成随着停止。 大部分组成酶的生物合成属于同步合成型，有部分诱导酶也按照此种模式进行生物合成。 例如米曲霉在含单宁或没食子酸的培养基中，在单宁或没食子酸的诱

9、导下，合成单宁酶(tanase EC 3.1.1.20)。,A) 同步合成型,20,20,细胞浓度 mg/ml,酶浓度 U/ml,总细胞浓度 活细胞浓度 胞外酶浓度 胞内酶浓度,同步合成型的特征,21,21,产物的生物合成在细胞的生长阶段开始，在细胞生长进入平衡期后，产物还可以延续合成一段较长时间。 属于该类型的酶可以是组成酶，也可以是诱导酶。例如， 在黑曲霉在以半乳糖醛酸或果胶为单一碳源的培养基中培养，可以诱导聚半乳糖醛酸酶(Polygalacturo-nase，EC 3.2.1.15)的生物合成。,B) 延续合成型,22,22,细胞 浓度 mg/ml,酶浓度 U/ml,细胞 浓度 mg/m

10、l,酶浓度 U/ml,以半乳糖醛酸为诱导物,以含有葡萄糖的果胶为诱导物,延续合成型的特征,23,23,该类型的产物在细胞生长一段时间以后才开始，而在细胞生长进入平衡期以后，产物的生物合成也随着停止。 例如，枯草杆菌碱性磷酸酶的合成。该酶的合成受到其反应产物无机磷酸的反馈阻遏，而磷又是细胞生长所必不可缺的营养物质。这样在细胞生长的开始阶段，培养基中的磷阻遏碱性磷酸酶的合成，只有当细胞生长一段时间，培养基中的磷几乎被细胞用完(低于0.01mmol/L)以后，该酶才开始大量生成。由于碱性磷酸酶所对应的mRNA不稳定，寿命只有30 min左右，所以当细胞进入平衡期后， 酶的生物合成停止。,C) 中期合

11、成型,24,24,细胞浓度 mg/ml,酶浓度 U/ml,中期合成型的特征,25,25,此类型产物是在细胞生长一段时间或者进入平衡期以后才开始其生物合成并大量积累。又称为非生长偶联型。许多水解酶的生物合成都属于这一类型。 滞后合成型的产物，之所以要在细胞生长一段时间甚至进入平衡期以后才开始合成，主要受到培养基中的阻遏物的阻遏作用。只有随着细胞的生长，阻遏物几乎被细胞用完而使阻遏解除后，产物才开始大量合成。 若培养基中不存在阻遏物，产物的合成可以转为延续合成型。该类型酶所对应的mRNA稳定性很好，可以在细胞生长进入平衡期后的相当长的一段时间内，继续进行产物的生物合成。,D) 滞后合成型,26,2

12、6,黑曲霉羧基蛋白酶生物合成,放线菌素D 对产酶的影响,细胞 浓度 mg/ml,酶浓度 U/ml,酶浓度 U/ml,酶浓度 U/ml,30,22,不加,加入,不加,加入,滞后合成型的特征,27,27,合成产物所对应酶的mRNA的稳定性以及培养基中阻遏物的存在是影响产物生物合成模式的主要因素。 mRNA稳定性好的，可以在细胞生长进入平衡期以后，继续合成其所对应的酶；mRNA稳定性差的，就随着细胞生长进入平衡期而停止酶的生物合成。 不受培养基中存在的某些物质阻遏的，可以伴随着细胞生长而开始产物的合成；受到培养基中某些物质阻遏的，则要在细胞生长一段时间甚至在平衡期后，产物才开始合成并大量积累。,产物

13、合成模式的主要影响因素,28,28,在产物的发酵生产中，为了提高产率和缩短发酵周期，最理想的合成模式应是延续合成型。因为属于延续合成型的产物，在发酵过程中没有生长期和产物合成期的明显差别。细胞一开始生长就有产物产生，直至细胞生长进入平衡期以后，产物还可以继续合成一段较长的时间。 对于其他合成模式的产物，可以通过基因工程/细胞工程等先进技术，选育得到优良的菌株，并通过工艺条件的优化控制，使他们的生物合成模式更加接近于延续合成型。,理想的产物合成模式,29,29,理想的产物合成模式,对于同步合成型的产物，要尽量提高其对应的mRNA的稳定性，为此可降低发酵温度；对于滞后合成型的产物，要设法降低培养基

14、中的阻遏物浓度，尽量减少甚至解除产物阻遏或分解代谢物阻遏作用，使产物的生物合成提早开始；对于中期合成型的产物，则要在提高mRNA的稳定性以及解除阻遏两方面下功夫，使其生物合成的开始时间提前，并尽量延迟其生物合成停止的时间。,30,30,细胞在控制一定条件的培养基中生长的过程中，其生长速度受到细胞内外各种因素的影响，变化比较复杂，情况各不相同。 细胞生长动力学：研究细胞生长速度以及外界环境因素对细胞生长速度影响的规律。 1950年，法国的莫诺德(Monod)首先提出了表述微生物细胞生长的动力学方程。,2、细胞生长动力学,31,31,在培养过程中， 细胞生长速率与细胞浓度成正比： 假设培养基中只有

15、一种限制性基质，而不存在其他生长限制因素时，为这种限制性基质浓度的函数。 KS为莫诺德常数，是指比生长速率达到最大比生长速率一半时的限制性基质浓度。,莫诺德方程,32,32,莫诺德方程是基本的细胞生长动力学方程。在发酵过程优化以及发酵过程控制方面具有重要的应用价值。不少学者从不同的情况出发对莫诺德方程进行了修正，得到适用于不同情况的各种动力学模型。 连续培养时的方程变化形式： 限制性基质的物料平衡式：,YG：细胞的生长得率系数，g/mol或g/g；m：细胞的维持系数，mol/(gs)或s-1；YP：产物的生成得率系数，g/g或mol/mol；qpX：比产物得率系数。 YG，YP是指单纯用于细胞

16、生长和单纯用于产物生成所消耗的基质而言的细胞得率系数及产物得率系数。,莫诺德方程与细胞生长动力学,33,33,产物生成动力学主要研究产物合成速率以及各种环境因素对产物生成速率的影响规律。 从整个发酵系统着眼，研究群体细胞的产物生成速率及其影响因素，这称为宏观动力学，或称为非结构动力学。 从细胞内部着眼，研究细胞中的产物生成速率及其影响因素，这谓之微观动力学，或称为结构动力学。 在产物的发酵生产中，产物产量高低，是发酵系统中群体细胞合成产物的集中体现，宏观动力学的研究表明，产物生成速率与细胞比生长速率、细胞浓度以及产物生成模式有关。,3、产物生成动力学,34,34,产物合成与细胞生长过程的关系,

17、35,35,与生长相关,与生长部分相关,与生长无关,YP/X：单位质量细胞生成的产物量,，,，,常见的几种产物生成动力学模型,36,36,a：与生长相关型伴有产物分解：此时动力学方程式为： b：细胞活性分布模型：认为细胞分高活性和低活性两种，而不同活性细胞产生产物的能力不同，设活性细胞百分比为，则其相应的动力学方程为： 式中：K1，K2分别为两种活性细胞的产物得率系数,其它产物生成动力学模型,37,37,c：细胞年龄分布模型：认为细胞生长过程中，细胞年龄呈正态分布，刚分裂的细胞及老龄细胞产生产物的能力较弱，而只有青壮期细胞产生产物能力最强，因此其相应的动力学方程式为：,式中： qp()比生长速

18、率，是细胞倍增时间的函数。,细胞分布函数图,其它产物生成动力学模型,38,一、温度对发酵的影响及其控制 二、pH对发酵的影响及其控制 三、溶解氧对发酵的影响及其控制 四、泡沫对发酵的影响及其控制 五、自动控制技术在发酵过程控制中的应用,2、发酵过程控制,39,决定发酵单位(水平)的因素,外部环境因素,工艺条件,生物因素,设备性能:,菌株特性(营养要求、生长速率、呼吸强度、产物合成速率),传递性能,物理：n、T、Ws,化学：pH、DO、浓度,过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的控制。,发酵过程控制的重要性,40,确定能反映过程变化的

19、各种理化参数及其检测方法 研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制，获取最适水平或最佳范围 建立数学模型定量描述各参数及参数之间随时间变化的关系 通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制,发酵过程控制的一般步骤,41,代谢参数按性质可分为三类： 物理参数：温度、搅拌转速、罐压、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、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等,参数检测,42,参数按获取方式可分为两类： 直接参数：如T、pH、

20、罐压、空气流量、搅拌转速、溶氧浓度等。 间接参数：将直接参数通过公式计算获得的参数，如摄氧率()、呼吸强度(QO2)、比生长速率() 、体积溶氧系数(KLa)、呼吸商(RQ)等。,参数检测,43,参数的测量形式 离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）。 在线测量：如T 、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、搅拌转速等。 A) 优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便于计算机控制。 B) 困难：传感器要求较高。,参数检测,44,对传感器或电极的要求：能经受高压蒸汽灭菌； 传感器及其二次仪表具有长期稳定性； 最好能在过程中随时校正，灵敏度好；

21、 探头材料不易老化，使用寿命长； 安装使用和维修方便； 解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题； 价格合理，便于推广。,参数检测,45,1. 影响发酵温度的因素 2. 温度对微生物生长的影响 3. 温度对基质消耗的影响 4. 温度对产物合成的影响 5. 最适温度的选择与控制,一、温度对发酵的影响及其控制,46,(1)发酵热：发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射 (2)生物热：微生物对营养物质的分解所释放的能量 影响因素：菌株，培养基成分，发酵时期 生物热与其它参数的关系 呼吸强度QO2 糖利用速率,1. 影响发酵温度的因素,当生物热达到高峰时，菌株

22、呼吸强度最大，糖利用速率也最大，可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。,47,嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系,2. 温度对微生物生长的影响,48,(1) 糖比消耗速率qs Righelato假定： m维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗。m项与渗透压调节、代谢产物的生成、迁移性及除繁殖以外的其它生物转化等过程所需的能量有关。这些过程受温度的影响，所以m也和温度相关。 B生长系数，即同一生长速率下的糖耗。B值越大，说明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。 改变温度可以控制qs和,3. 温度对基质消耗的的影响,49,（2）T对m、B和的影响 qs一定： A)当TTm时，m， ， B；底

23、物转化效率低 C)当T=Tm时，,温度对B、m和不同qs下对值的影响,温度对基质消耗的的影响,50,影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生长代谢与产物合成。 e.g. 青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能E1= 34k J/mol 青霉素合成活化能E2= 112 kJ/mol 青霉素合成速率对温度较敏感,4. 温度对产物合成的影响,51,改变发酵液的物理性质，间接影响细胞的生物合成。 影响生物合成方向。 e.g.1：四环素发酵中金色链霉菌：T30，产生金霉素；T达到35，产生四环素。 e.g.2：谷氨酸发酵中扩展短杆菌：30培养后37发酵，积累过量乳酸。 温度对菌的调节机制关系密切。

24、,温度对产物合成的影响,52,最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一定条件下（生长阶段、发酵条件等）测得的结果。但最适温度的选择还要参考发酵条件灵活掌握： a) 通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正常良好通气条件下低一些。 b) 培养基成分和浓度的影响 变温培养：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒温培养所获得的产物有较大幅度的提高。 二阶段发酵 e.g.：青霉素发酵：菌体生长期，30 ；青霉素合成分泌期，20 。,5. 最适温度的选择与控制,53,1. 发酵对pH的影响 2. pH值对发酵过程的影响 3. 最适pH的选择 4. 发酵过程中pH的调节与控

25、制,二、pH对发酵的影响及其控制,54,A) 发酵液中pH变化的基本原理 微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生：酸性或碱性代谢产物的生成或释放；菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。 引起发酵液中pH下降的具体因素： 1) C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机酸积累，pH下降； 2) 消泡剂加得过多：脂肪酸增加； 3) 生理酸性盐的利用； 4) 酸性产物形成：如有机酸发酵。,1. 发酵对pH的影响,55,引起发酵液中pH上升的因素 1) C/N过低(N源过多)，氨基氮(NH4)释放； 2) 中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多； 3) 生理碱性盐的利用； 4) 碱性产物的形成

26、。,发酵对pH的影响,56,B) 发酵过程中pH的变化规律 生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的趋势 生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合成的范围 自溶阶段：pH又上升,发酵对pH的影响,57,(1) pH对微生物生长的影响 每一类菌都有其最适pH和能耐受的pH范围 细菌: pH 6.37.5 ； 霉菌和酵母菌：pH 36； 放线菌：pH 78 控制一定的pH，不仅可以保证微生物生长，还可以防止杂菌污染。e.g. 石油代腊酵母： pH3.55.0：生长良好且不易染菌 pH5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌 pH3.0：酵母生长受抑制，细胞极不整齐，且出现自溶,2. p

27、H值对发酵过程的影响,58,pH对生长的影响机制 对E合成的影响 对E活性的影响 对ATP生产率影响： 影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜渗透性的变化，因而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的分泌。 影响培养基某些重要营养物质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,pH值对发酵过程的影响,59,2) pH对产物合成的影响 产物合成阶段的最适pH值和微生物生长阶段的最适pH往往不同，这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学特性。 e.g. A) 丙酮丁醇菌：生长pH为5.57.0，合成pH为4.35.3 B) 青霉素产生菌：生长pH为6.57.2，合成pH为6.26.8 C) 链霉素产

28、生菌：生长pH为6.36.9，合成pH为6.77.3,pH值对发酵过程的影响,60,pH影响代谢方向：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。 e.g. a) 黑曲霉发酵：pH23，柠檬酸；pH接近中性，草酸 b) 酵母菌发酵：pH4.55.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸和甘油 c) 谷氨酸发酵：pH7.08.0，谷氨酸；pH5.05.8，谷酰胺和N-乙酰谷酰胺,pH值对发酵过程的影响,61,pH对青霉素发酵的影响：,pH值对发酵过程的影响,*采用pH控制补糖速率的意义,62,选择pH的原则：获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量。,pH对产海藻酸裂解酶

29、的影响,配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况,3. 最适pH的选择,63,1) pH的调节方法 配制合适的培养基，有很好的缓冲能力； 发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂(NaOH、HCl、CaCO3)； 发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH 酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4) 碱性基质：NO3盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素 原则: 残糖高时，不用糖调pH 残N高时，不用生理盐调pH pH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH,4. 发酵过程中pH的调节与控制,64,执行单元,调节器,pH变选器,给定值,补料,pH电极,mA,420 mA,发酵过程中pH的调

30、节与控制,2) pH控制系统,65,1. 引起溶解氧变化的因素 2. 溶解氧对发酵的影响 3. 溶解氧在发酵过程控制中的重要作用 4. 发酵液中溶解氧的控制 5. 溶解氧控制实例,三、溶解氧对发酵的影响及其控制,66,两大类：供氧，耗氧 以关系式表示： 影响供氧的因素：C*-CL：温度、溶质、溶剂、氧分压 影响耗氧的因素： KLa：设备参数、操作参数、发酵液特性 ：菌种特性、培养基成分和浓度、菌龄、培养条件（T、pH）、代谢类型,1. 引起溶解氧（DO）变化的因素,67,1）发酵异常指标 发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。 对于好气性杂菌，溶解氧会一反往常在较短时间内跌到零附近，跌零后长时间

31、不回升。 对于厌气性杂菌，溶解氧升高。 污染噬菌体或其它不明原因引起 发酵液变稀，此时溶解氧迅速上升。 操作故障或事故分析,谷氨酸正常发酵和异常发酵的溶解氧曲线 正常发酵溶解氧曲线 -异常发酵溶解氧曲线 异常发酵光密度曲线,2. 溶解氧对发酵的影响,68,2）补料控制指标 中间补料是否得当可以从溶解氧的变化看出。 发酵过程中出现“发酸”现象，此时溶解氧很快下降。,溶解氧对发酵的影响,69,3）代谢方向控制指标 测量溶解氧可以确定CCr、Cm值 通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关键时机 e.g. 天门冬酰胺酶发酵：45%相对饱和度 在酵母以及其他微生物菌体的生产中，溶氧值是控制其代谢方向

32、的最好的指标之一 。,溶解氧对发酵的影响,70,4）设备性能、工艺合理性指标 评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位 设备反映供氧性能：,溶解氧对发酵的影响,搅拌桨形式叶片形式搅拌器直径d搅拌档数m和搅拌器间距s档板宽度w和档板数z,n，P/V 罐压 WS或VVM,设备操作参数,设备几何参数,搅拌,通气：空气分布器的类型和位置,71,1）溶解氧控制的一般原则 生长阶段： 即可 产物合成阶段： 即可 过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑制作用,3. 发酵液中溶解氧的控制,72,2）溶解氧控制的工艺：从供氧、需氧两方面考虑 供氧方面： 提高氧分压（氧分含量），即 ，提高供氧能力 改变搅拌

33、转速：通过改变KLa来提高供氧能力 通气速率Ws：Ws增加有上限，引起“过载”、泡沫 提高罐压： ，但同时会增加CO2的溶解度，影响pH及可能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。 改变发酵液理化性质（，Ii） 加消泡剂，补加无菌水，改变培养基成分改变KLa 改变温度： ，提高推动力（C*CL）,发酵液中溶解氧的控制,73,耗氧方面 限制性基质的流加控制（补料控制）：在OTR一定情况下，控制基质浓度限制、x 限制 控制溶解氧。,发酵液中溶解氧的控制,74,1. 泡沫的产生及其影响 泡沫的产生 通气和搅拌 代谢气体的逸出 存在稳定泡沫的表面活性物质,四、泡沫对发酵的影响及其控制,75,一

34、类存在于发酵液的液面上。这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辨的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见的泡沫。 另一类出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。,泡沫的类型,76,降低了发酵罐的装料系数 增加了菌群的非均一性 增加了染菌机会 大量起泡引起“逃液”，导致产物的损失 泡沫严重时会影响通气搅拌的正常进行 消泡剂的加入将给提取工序带来困难,泡沫的不利影响,77,影响因素 通气搅拌的强度 培养基的配比及原材料组成 培养基的灭菌方法和操作条件 微生物代谢活动造成发酵液性质变化 染菌,2. 发酵过程中泡沫的消长规律,78,霉菌发酵过程中培养液的性质与泡沫的关系,发酵过程中泡沫的消长规律,79,1）机械消泡 2）化学消泡 3）从微生物本身特性着手，防止泡沫形成 A）筛选不产生泡沫的微生物突变株 B）几种微生物混合培养,3. 泡沫的控制,80,原理：