1、第八章第八章 发酵过程控制发酵过程控制第九节 发酵过程补料控制一、补料的目的一、补料的目的可以控制抑制性底物的浓度可以控制抑制性底物的浓度 n基质浓度基质浓度n前体前体可以解除或减弱分解产物的阻遏可以解除或减弱分解产物的阻遏 n代谢阻遏代谢阻遏可以使发酵过程最优化可以使发酵过程最优化n碳源碳源n氮源氮源n无机盐无机盐二、补料的内容二、补料的内容u补充微生物能源和碳源的需要。补充微生物能源和碳源的需要。u补充菌体所需要的氮源。补充菌体所需要的氮源。u补充微量元素或无机盐。补充微量元素或无机盐。u补充前体、促进剂等。补充前体、促进剂等。三、补料的原则三、补料的原则 控制微生物的中间代谢，使之向着有
2、利于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。产物积累的方向发展。为实现这一目标，在中间补料控制时，必为实现这一目标，在中间补料控制时，必须选择恰当的须选择恰当的反馈控制参数反馈控制参数和和补料速率补料速率。四、补料控制的策略四、补料控制的策略u以经验数据或预测数据控制流加；以经验数据或预测数据控制流加；u以以pHpH、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；u以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计以物料平衡方程，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；算限制性基质的浓度，间接控制流加；u用传感器直接测定限
3、制性基质的浓度，直接控制流加。用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。大多数补料分批发酵均补加大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质生长限制性基质。五、补料控制参数的选择五、补料控制参数的选择 为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参数反馈控制参数，以及了解这些，以及了解这些参数与微生物代谢、参数与微生物代谢、菌体生长、基质利用以及产物形成之间菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系。的关系。采用最优的补科程序也是采用最优的补科程序也是依赖于比生长曲线依赖于比生长曲线形态、产物生成速率及发酵的初始条件形态、产物生成速率及发酵的初始条件等情况
4、。等情况。因此，欲建立分批补料培养的数学模型及选择最因此，欲建立分批补料培养的数学模型及选择最佳控制程序都必须充分了解微生物在发酵过程中佳控制程序都必须充分了解微生物在发酵过程中的代谢规律及对环境条件的要求。的代谢规律及对环境条件的要求。六、补料速率的确定六、补料速率的确定 优化补料速率优化补料速率也是补料控制中十分重要也是补料控制中十分重要的一环，因为养分和前体需要维持的一环，因为养分和前体需要维持适当的浓度适当的浓度，而它们则以不同的速率被消耗，所以补料速率要而它们则以不同的速率被消耗，所以补料速率要根据微生物对营养等的消耗速率根据微生物对营养等的消耗速率及所设定的培养及所设定的培养液中液
5、中最低维持浓度最低维持浓度而定。而定。六、补料速率的确定六、补料速率的确定 例如，用连续培养方法测定了在不同比生长速率下例如，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。及菌最适生长所需的各种基质的补料速率。第十节 发酵终点的判断根据根据发酵类型发酵类型，生产目标生产目标，判断发酵终点。，判断发酵终点。对发酵及原材料成本占整个生产成本主要部分的对发酵及原材料成本占整个生产成本主要部分的发酵品种，主要追求发酵品种，主要追求提高生产率提高生产率(kg/m3h)，得率得率(
6、kg产物产物/kg基质基质)和和发酵系数发酵系数(kg产物产物/罐容积罐容积m3发发酵周期酵周期h)下游提取精制成本占主要部分和产品价格比较贵，下游提取精制成本占主要部分和产品价格比较贵，除了要求除了要求高的产率高的产率和和发酵系数发酵系数外，还要求外，还要求高的产高的产物浓度物浓度。一、发酵终点的判断原则一、发酵终点的判断原则生产能力生产能力（或称生产率、产率）：（或称生产率、产率）：是指单位时间内单位罐体积发酵液的产物积是指单位时间内单位罐体积发酵液的产物积累量而言。累量而言。生产率单位生产率单位：一般为：一般为g(Lh)或或kg(m3h)，产，产物浓度单位为物浓度单位为gL或或kgm3，
7、发酵时间单位为，发酵时间单位为h。二、影响放罐时间的因素二、影响放罐时间的因素 合理的放罐时间是由合理的放罐时间是由实验实验来确定的，即根据来确定的，即根据不同的发酵时间所得的产物产量不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的计算出发酵罐的生产率生产率和和产品成本产品成本，采用，采用生产率高而成本又低的生产率高而成本又低的时间时间，作为放罐时间。，作为放罐时间。二、影响放罐时间的因素二、影响放罐时间的因素1 1、经济因素、经济因素 以以最低的成本来获得最大生产率最低的成本来获得最大生产率的时间为最适的时间为最适发酵时间。发酵时间。缩短发酵周期，设备的利用率提高，但单位体缩短发酵周期，设备的利用
8、率提高，但单位体积发酵液的产物产量增长有限积发酵液的产物产量增长有限 延长时间，平均生产率下降，而动力消耗、管延长时间，平均生产率下降，而动力消耗、管理费用支出、设备消耗等费用仍在增加，因而产物成理费用支出、设备消耗等费用仍在增加，因而产物成本增加。本增加。2 2、产品质量因素、产品质量因素 发酵时间太短发酵时间太短，残留过多尚未代谢的营养物质，残留过多尚未代谢的营养物质，不利于提取、分离。不利于提取、分离。发酵时间太长发酵时间太长，菌体自溶，释放出菌体蛋白或，菌体自溶，释放出菌体蛋白或体内的酶，改变发酵液性质，增加过滤难度，延长过体内的酶，改变发酵液性质，增加过滤难度，延长过滤时间，破坏一些不稳定产物。滤时间，破坏一些不稳定产物。太长或太短均会使产物质量下降，含量增加。太长或太短均会使产物质量下降，含量增加。3 3、特殊因素、特殊因素异常情况：异常情况：染菌、代谢异常染菌、代谢异常(糖耗缓慢等糖耗缓慢等)。为避免损失，可提前或拖后放罐时间来挽救。为避免损失，可提前或拖后放罐时间来挽救。
