1、发酵工艺控制发酵工艺控制第六章第六章目的要求：了解发酵类型及其发酵规律。了解发酵类型及其发酵规律。掌握发酵控制、产物检测的方法，以保证发酵掌握发酵控制、产物检测的方法，以保证发酵正常进行，获得高效产品。正常进行，获得高效产品。熟悉发酵工业的逐级放大过程。熟悉发酵工业的逐级放大过程。了解发酵过程的优化原理。了解发酵过程的优化原理。几个问题几个问题 1、发酵的类型、发酵的类型 2、发酵的规律、发酵的规律 3、发酵的控制、发酵的控制 4、发酵中所用的检测方法、发酵中所用的检测方法 5、发酵过程的逐级放大、发酵过程的逐级放大定定 义义发酵过程：发酵过程：即微生物细胞的生物反应过程，是指由微生物生长繁殖
2、所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往它不仅包括了以往“发酵发酵”的全部领域，而且的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。理过程和细菌采矿等过程。为什么要研究发酵过程？微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的本身的性能性能，而且要赋以，而且要赋以合适的环境条件合适的环境条件才能使它的生产能力才能使它的生产能力充分表达出来。充分表达出来。为此我们必须通过各种研究方法为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种了解有关生产菌种对环境条件的要求，对环境条件的要求，如培养基、培养温
3、度、如培养基、培养温度、pHpH、氧的需氧的需求等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调求等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。供理论基础。同时，为了同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度罐中的培养温度pHpH、溶解氧等参数的情
4、况，并予以溶解氧等参数的情况，并予以有效有效地控制，地控制，使生产菌种处于产物合成的使生产菌种处于产物合成的优化环境优化环境之中，之中，过过量产生代谢产物量产生代谢产物。本章内容：本章内容：第一节第一节 发酵工程常见的主要发酵类型发酵工程常见的主要发酵类型第二节第二节 发酵工艺的控制发酵工艺的控制第三节第三节 发酵的优化控制发酵的优化控制第四节第四节 发酵过程的计算机控制发酵过程的计算机控制第五节第五节 发酵工业的逐级放大发酵工业的逐级放大第六节第六节 发酵过程的参数检测发酵过程的参数检测第一节第一节 发酵工程常见的主要发酵类型发酵工程常见的主要发酵类型(p24-39)一、液体发酵与固体发酵一
5、、液体发酵与固体发酵 二、厌氧发酵与好氧发酵二、厌氧发酵与好氧发酵 三、分批发酵与连续发酵三、分批发酵与连续发酵 四、单一发酵与混合发酵四、单一发酵与混合发酵 五、固定化发酵技术五、固定化发酵技术采用哪种发酵方式？采用哪种发酵方式？（p25）在微生物发酵工业生产中，究竟应该采用什么在微生物发酵工业生产中，究竟应该采用什么方式进行发酵主要取决于以下几点：方式进行发酵主要取决于以下几点：菌种特性、原料特点、产物特色、设备状况、菌种特性、原料特点、产物特色、设备状况、技术可行性、成本核算等。技术可行性、成本核算等。一般各种发酵方式往往是结合进行的。一般各种发酵方式往往是结合进行的。现代发酵工业主要的
6、发酵方式：现代发酵工业主要的发酵方式：好氧、液体、好氧、液体、深层、分批、单一纯种发酵方式结合进行的。深层、分批、单一纯种发酵方式结合进行的。优点：优点：p25一、液体发酵与固体发酵一、液体发酵与固体发酵（一）液体发酵（也叫液体培养）（一）液体发酵（也叫液体培养）p25 是指将微生物接种到液体培养基中进行培养的是指将微生物接种到液体培养基中进行培养的过程。过程。如采用液体培养时利用的是如采用液体培养时利用的是好氧微生物好氧微生物则需要则需要培养液中有较高的培养液中有较高的溶解氧溶解氧。1、实验室常见的液体发酵方式、实验室常见的液体发酵方式 实验室常见的好氧液体发酵方式：实验室常见的好氧液体发酵
7、方式：试管液体培养试管液体培养 浅层液体培养浅层液体培养 摇瓶培养：摇瓶培养：装液量为三角瓶的10%以下，如250mL的三角瓶装量为1020mL培养液。台式发酵罐：台式发酵罐：发酵罐的体积为几升至几十升。液体厌氧培养方式：液体厌氧培养方式：在厌氧罐中进行。在厌氧罐中进行。在培养基中添加还原剂。在培养基中添加还原剂。为满足微生物的厌氧需要采取的措施：为满足微生物的厌氧需要采取的措施：培养基中添加有机还原剂（巯基乙醇、半胱氨培养基中添加有机还原剂（巯基乙醇、半胱氨酸）、无机还原剂（铁丝）。酸）、无机还原剂（铁丝）。使培养基的氧化还原电位在使培养基的氧化还原电位在429 150mV。2、工业生产中常
8、见的液体发酵方式、工业生产中常见的液体发酵方式p27 静置培养（浅盘培养）：静置培养（浅盘培养）：容器中盛装浅层培养容器中盛装浅层培养液进行静止培养。液进行静止培养。通气培养（发酵罐深层培养）：通气培养（发酵罐深层培养）：在发酵罐中加在发酵罐中加入液体培养基，通入无菌空气并搅拌，进行微入液体培养基，通入无菌空气并搅拌，进行微生物发酵的方式。生物发酵的方式。厌氧发酵厌氧发酵：在发酵罐中加入液体培养基不需通：在发酵罐中加入液体培养基不需通入无菌空气，进行微生物发酵的方式。入无菌空气，进行微生物发酵的方式。（二）固体发酵（二）固体发酵(p28-30)(p28-30)固体发酵（固体培养、固态发酵）固体
9、发酵（固体培养、固态发酵）就是利用固体培养基培养微生物的方法。就是利用固体培养基培养微生物的方法。1 1、固态发酵概述、固态发酵概述 固体发酵：固体发酵：也称固态培养，是利用固体培养基进行微生物也称固态培养，是利用固体培养基进行微生物的培养。的培养。应用应用:固体培养在微生物鉴定、计数、纯化和保藏等方面固体培养在微生物鉴定、计数、纯化和保藏等方面发挥着重要作用。发挥着重要作用。固态发酵主要是一些传统发酵工艺。例如生产大曲固态发酵主要是一些传统发酵工艺。例如生产大曲酒、麸曲酒就是典型的固态发酵。一些丝状真菌可酒、麸曲酒就是典型的固态发酵。一些丝状真菌可以进行生产规模的固体发酵。以进行生产规模的固
10、体发酵。固态发酵的一般过程：固态发酵的一般过程：原料预处理，蒸煮灭菌，接种，固态发酵，发原料预处理，蒸煮灭菌，接种，固态发酵，发酵结束及时后处理。酵结束及时后处理。固体发酵的形式：固体发酵的形式：好氧、厌氧好氧、厌氧 厚层，厚层，252530cm30cm厚的物料。如曲池、曲箱等。厚的物料。如曲池、曲箱等。薄层，薄层，1 12cm2cm厚的物料。帘子、曲盘等。厚的物料。帘子、曲盘等。2、实验室常见的固体培养、实验室常见的固体培养形式：形式：试管斜面、培养皿平板、较大型的克氏扁瓶和试管斜面、培养皿平板、较大型的克氏扁瓶和茄子瓶斜面。茄子瓶斜面。用途：用途：菌种的分离、纯化、保藏和生产种子的制备。菌
11、种的分离、纯化、保藏和生产种子的制备。方法：方法：（1 1）用接种环挑取原始培养物后，在固体培养基表）用接种环挑取原始培养物后，在固体培养基表面划线接种面划线接种（2 2）用涂布棒将少量的液体培养物涂布在整个固体）用涂布棒将少量的液体培养物涂布在整个固体培养基表面培养基表面（3 3）将少量液体培养物与融化后降温至）将少量液体培养物与融化后降温至50506060的的固体培养基混匀，倒入培养皿中，浇注成平板。固体培养基混匀，倒入培养皿中，浇注成平板。（4 4）接种后的培养物直接放入培养箱中恒温培养。）接种后的培养物直接放入培养箱中恒温培养。这些方法适用于这些方法适用于好氧和兼性好氧好氧和兼性好氧微
12、生物的培养。微生物的培养。3、生产中常见的固体培养、生产中常见的固体培养（1 1）好氧固体培养）好氧固体培养 方法：方法：在生产实践中，好氧真菌的固体培养方法都是将接种后在生产实践中，好氧真菌的固体培养方法都是将接种后的固体基质的固体基质薄薄薄薄地摊铺在容器的表面，可使菌体获得充足的氧地摊铺在容器的表面，可使菌体获得充足的氧气，又可以将生长过程中产生的热量及时释放。气，又可以将生长过程中产生的热量及时释放。特点：特点：固体培养使用的基本培养基原料是固体培养使用的基本培养基原料是小麦麸皮小麦麸皮等。灭菌后等。灭菌后待冷却到合适温度便可接种。固体培养基中的待冷却到合适温度便可接种。固体培养基中的含
13、水量含水量控制在控制在4080之间（典型的液体培养基含水量在之间（典型的液体培养基含水量在95以上）。以上）。细菌和酵母菌将无法忍受如此低水含量的环境细菌和酵母菌将无法忍受如此低水含量的环境，所以，固体培，所以，固体培养被细菌或酵母菌污染的可能性大大降低。养被细菌或酵母菌污染的可能性大大降低。发酵形式：发酵形式：厚层：厚层：252530cm30cm厚的物料。如曲池、曲箱等。厚的物料。如曲池、曲箱等。薄层：薄层：1 12cm2cm厚的物料。帘子、曲盘等。厚的物料。帘子、曲盘等。产品：产品：麸曲、食用菌、酱油、米酒。麸曲、食用菌、酱油、米酒。（2 2）厌氧固体发酵）厌氧固体发酵 我国传统白酒的生产
14、采用的是我国传统白酒的生产采用的是大型深层地窖堆大型深层地窖堆积式积式的固体发酵。的固体发酵。酵母菌是兼性厌氧菌。酵母菌是兼性厌氧菌。4 4、固态发酵特点、固态发酵特点 边糖化边发酵：边糖化边发酵：一般都采用比较低的温度，让糖化作用和发酵作一般都采用比较低的温度，让糖化作用和发酵作用同时进行；即采用边糖化边发酵的工艺。当采用用同时进行；即采用边糖化边发酵的工艺。当采用20203030低温低温时，糖化酶作用缓慢，故糖化时间要延长。时，糖化酶作用缓慢，故糖化时间要延长。多菌种的混合发酵。多菌种的混合发酵。除原料蒸煮过程能起到灭菌作用外，空气、除原料蒸煮过程能起到灭菌作用外，空气、水、工具和场所，窖
15、池等都存在大量的多种多样的微生物，并把水、工具和场所，窖池等都存在大量的多种多样的微生物，并把这些微生物带到发酵原料中，它们与曲中的微生物一起协同作用，这些微生物带到发酵原料中，它们与曲中的微生物一起协同作用，生产出丰富的香味物质，如固体厌气发酵。生产出丰富的香味物质，如固体厌气发酵。开放式发酵开放式发酵，无菌程度要求不高。，无菌程度要求不高。在霉菌发酵时就可以防止污染在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。杂菌。设备简单。设备简单。生产成本低、生产成本低、能耗低。能耗低。原料来源广，价格低廉。原料来源广，价格低廉。固体发酵的产物回收一般步骤少，费用也省。固体发酵的产物回收一般步骤少，费用也省。缺点：
16、缺点：发酵时间长发酵时间长 耗费劳动力多耗费劳动力多 占地面积大占地面积大 生产规模难以扩大生产规模难以扩大 pHpH、溶氧和温度难以控制、溶氧和温度难以控制 固体发酵存在的主要工程问题是大规模生产时的散热比较困难，参数检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等是很难实现的。因此，实现固体发酵的最优化困难重重。5 5、固态发酵的控制、固态发酵的控制（1 1）固态发酵的温度控制 固态发酵的温度控制靠控制固态发酵的温度控制靠控制进窖温度和淀粉含量进窖温度和淀粉含量来解决。来解决。因在窖内部没有冷却或加热装置，这样只好把进窖温度控制得比较低(18182222)。糖化进行缓慢，发酵也就缓慢，窖内升温
17、慢些，酵母就不易衰老，发酵率就升高。进窖时原料淀粉含量不能太高，在发酵过程中一部分能量被放出，升高了发酵温度。一般发酵过程中，淀粉含量每降低一般发酵过程中，淀粉含量每降低1.01.0时，酒醅温度时，酒醅温度实际约上升实际约上升22左右。左右。所以淀粉含量控制在14141616，随气温的高低不同进行适当的调整。(2 2)固体发酵的固体发酵的pHpH控制控制 一般工厂用酸度表示。一般工厂用酸度表示。酸度来源：酸度来源：原料本身，曲和酒醅是最主要的。原料本身，曲和酒醅是最主要的。发酵过程中酸度增加的原因：发酵过程中酸度增加的原因：主要是杂菌的影响，主要是杂菌的影响，淀粉浓度过高，糖化快，细菌生长繁殖
18、快，造成酒淀粉浓度过高，糖化快，细菌生长繁殖快，造成酒醅酸度升高，也反过来影响酵母的生长，影响发酵，醅酸度升高，也反过来影响酵母的生长，影响发酵，酸度低又影响糖化速度。酸度低又影响糖化速度。控制原因：控制原因：控制酸度既适宜酵母生长又抑制了细菌控制酸度既适宜酵母生长又抑制了细菌生长。生长。控制程度：控制程度：一般控制一般控制pHpH在在1.41.42.02.0的酸度。的酸度。(3 3)水分的控制水分的控制 固体发酵中水分的作用：固体发酵中水分的作用：水分是微生物生长的条件，水分是微生物生长的条件，适当的水分是良好发酵的重要因素。但入窖适当的水分是良好发酵的重要因素。但入窖水分过水分过高高，会引
19、起糖化和发酵作用加快，升温过猛，使发，会引起糖化和发酵作用加快，升温过猛，使发酵不彻底；而酵不彻底；而水分过少水分过少，会引起酒醅发干，残余淀，会引起酒醅发干，残余淀粉高，酸度过低，槽不柔软，影响发酵正常进行。粉高，酸度过低，槽不柔软，影响发酵正常进行。控制措施：控制措施：一般大曲酒入窖水分为5357，小曲5762，因原料而异，冬天与夏天也不同。其他控制措施：其他控制措施：另一方面为了调整淀粉浓度，增加另一方面为了调整淀粉浓度，增加疏松性，调节酸度，以利于微生物的生长繁殖，保疏松性，调节酸度，以利于微生物的生长繁殖，保持水分，在固态发酵时常常加入填充料、如谷壳等。持水分，在固态发酵时常常加入填
20、充料、如谷壳等。二、厌氧发酵与好氧发酵二、厌氧发酵与好氧发酵 (p30)(p30)厌氧培养：深层培养 好氧培养：液体表面培养、固体培养、通氧深层培养（一）厌氧液态发酵（一）厌氧液态发酵 厌氧发酵也称静置培养：厌氧发酵也称静置培养：是利用厌氧微生物在液是利用厌氧微生物在液体状态下进行的发酵。体状态下进行的发酵。特点：特点：液体发酵速度快，发酵完全，发酵周期短，液体发酵速度快，发酵完全，发酵周期短，原料利用率高，而且适于大规模机械化、连续化、原料利用率高，而且适于大规模机械化、连续化、自动化生产。自动化生产。液态厌氧发酵对无菌要求较高液态厌氧发酵对无菌要求较高，因此培养基必须，因此培养基必须经过灭
21、菌，对发酵容器也要定期灭菌。经过灭菌，对发酵容器也要定期灭菌。接种量大，在发酵过程中对接种量大，在发酵过程中对pHpH、温度进行连续控温度进行连续控制，中间分析也制，中间分析也与好氧发酵相似与好氧发酵相似 。应用：应用：酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒等发酵。酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒等发酵。三、分批发酵与连续发酵三、分批发酵与连续发酵 （p31p313737）（一）分批发酵（一）分批发酵（二）补料分批发酵（二）补料分批发酵（三）连续发酵（三）连续发酵深层发酵按进行过程可分为：深层发酵按进行过程可分为：分批发酵分批发酵(Batch fermentation)补料分批发酵补料分批发酵(Fed-ba
22、tch fermentation)连续发酵连续发酵(Continuous fermentation)1 1、分批发酵的定义、分批发酵的定义 是指在一封闭系统内将细胞和培养液一次性装入反是指在一封闭系统内将细胞和培养液一次性装入反应器内，进行培养，细胞不断生长，产物不断形成，应器内，进行培养，细胞不断生长，产物不断形成，经过一段时间后将整个反应物取出的发酵方式。经过一段时间后将整个反应物取出的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pHpH的酸或碱外，的酸或碱外，不再加入任何其它物质。不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。发酵过
23、程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。它是它是发酵工业中常见的一种方法。发酵工业中常见的一种方法。（一）（一）分批发酵分批发酵（p31p31-33-33）2 2、分批发酵的特点分批发酵的特点 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。不稳定的过程。微生物处在限制性培养基中，只能在有限时间内维持微微生物处在限制性培养基中，只能在有限时间内维持微生物的增殖，其生长表现为生物的增殖，其生长表现为典型的生长周期典型的生长周期。发酵周期：发酵周期：包括空罐灭菌、加入灭菌过
24、的培养基、接种、包括空罐灭菌、加入灭菌过的培养基、接种、发酵过程、放罐和洗罐所需的整个时间。发酵过程、放罐和洗罐所需的整个时间。优点优点 操作简单；操作简单；操作引起染菌的概率低。操作引起染菌的概率低。不会产生菌种老化和变异等问题。不会产生菌种老化和变异等问题。缺点缺点 非生产时间较长、设备利用率低。非生产时间较长、设备利用率低。生长到一定程度就要受到抑制（原因：基质抑制或产生长到一定程度就要受到抑制（原因：基质抑制或产物抑制）。物抑制）。3、典型的分批发酵工艺流程（二）补料分批发酵（二）补料分批发酵（p33p33-34-34）1、定义定义 又称半连续发酵或流加分批发酵：是指在分批发又称半连续
25、发酵或流加分批发酵：是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。方式。即在分批培养伊始，投入较低浓度的底物，然后即在分批培养伊始，投入较低浓度的底物，然后在发酵过程中，当微生物开始消耗底物后，再以在发酵过程中，当微生物开始消耗底物后，再以某种方式向培养系统中补加一定的物料，某种方式向培养系统中补加一定的物料，使培养使培养基中的底物浓度在较长时间内保持在一定范围内，基中的底物浓度在较长时间内保持在一定范围内，以维持微生物的生长和产物的形成，以维持微生物的生长和产物的形成，并避免不利并避免不利因素的产生，从而达到因素的产生，从而达到提高提高
26、容积产量、产物浓度容积产量、产物浓度和产物得率的目的。和产物得率的目的。2、补料分批发酵的优缺点补料分批发酵的优缺点 优点优点 使发酵系统中维持很低的基质浓度，可以解除底物抑制、产物抑使发酵系统中维持很低的基质浓度，可以解除底物抑制、产物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应；（可以除去快速利用碳源的阻遏效制和葡萄糖的分解阻遏效应；（可以除去快速利用碳源的阻遏效应、避免培养基积累有毒代谢物。）应、避免培养基积累有毒代谢物。）和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；不会产生菌种老化和变异等问题。不会产生菌种老化和变异等问题。维持适当的菌体浓度，减少通风设备的压力，避免分批发酵
27、初始维持适当的菌体浓度，减少通风设备的压力，避免分批发酵初始阶段供需氧量大的问题。阶段供需氧量大的问题。缺点缺点 存在一定的非生产时间；存在一定的非生产时间；和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。分批补料系统并不连续地向罐外放出发酵液，因而发酵罐内的分批补料系统并不连续地向罐外放出发酵液，因而发酵罐内的培培养基体积不再是个常数养基体积不再是个常数，而是随时间和物料流速而变化的变量。，而是随时间和物料流速而变化的变量。3 3、适用范围、适用范围 培养基成分的浓度显著影响菌体和产物得率的发培养基成分的浓度显著影响菌体和产物得率的
28、发酵，利用此发酵方式可减轻高底物浓度的抑制作酵，利用此发酵方式可减轻高底物浓度的抑制作用，有利于更多产物的生成。用，有利于更多产物的生成。受到分解代谢物阻遏的发酵。受到分解代谢物阻遏的发酵。营养缺陷型菌株的培养营养缺陷型菌株的培养。（流加该菌株所需的物。（流加该菌株所需的物质，不至于过量而产生反馈抑制或阻遏）质，不至于过量而产生反馈抑制或阻遏）前体的补充前体的补充。（可以避免前体对细胞的毒害）。（可以避免前体对细胞的毒害）目前补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸、色素及高聚物等的生产。液体发酵、固体发酵、混合发酵。4、补料量和补料率的确定、补料量和补料率的确定 目前生产
29、中还只是凭经验。根据检测的静态参数如基质残留量、pH值、溶氧浓度等。5 5、补料分批发酵的类型、补料分批发酵的类型 补料方式补料方式 连续流加连续流加 不连续流加不连续流加 多周期流加多周期流加 补料成分补料成分 单一组分流加单一组分流加 多组分流加多组分流加 控制方式控制方式 反馈控制（以反馈控制（以DO值为反馈指值为反馈指标等）标等）无反馈控制无反馈控制 发酵过程中不同的补料方法对微生物细胞的密度、生长速度以及产率都有影响。参见p34表1-5（三）连续发酵（三）连续发酵（p34-37）1、定义 1 1、定义、定义 连续发酵：新鲜培养基料液连续连续发酵：新鲜培养基料液连续输入输入发酵罐，并发
30、酵罐，并同同时以相同速度放出时以相同速度放出含有产品的发酵液，使发酵罐内含有产品的发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态近似恒定状态（恒定的（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pHpH、恒定菌恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。是在开放系统中进行的。是在开放系统中进行的。2、连续发酵的优缺点连续发酵的优缺点 优点（优点（p35）能维持低基质浓度。能维持低基质浓度。缩短发酵周期，提高设备利用率和单位时间的产量。增加缩短发酵周期，提高设备利用率和单位时间的产量。增加
31、了生产效率。了生产效率。便于自动控制。便于自动控制。恒定状态可以有效地恒定状态可以有效地延长延长分批培养中的指数生长期。分批培养中的指数生长期。在恒在恒定的状态下，微生物所处的环境条件，如营养物质浓度、定的状态下，微生物所处的环境条件，如营养物质浓度、产物浓度、产物浓度、pHpH值，以及微生物细胞的浓度、比生长速率等值，以及微生物细胞的浓度、比生长速率等可以始终维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速率。可以始终维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速率。缺点（缺点（p36-37）菌种发生变异的可能性较大。菌种发生变异的可能性较大。要求严格的无菌条件。要求严格的无菌条件。工艺中的变量较分批发酵
32、复杂，较难控制和扩大。工艺中的变量较分批发酵复杂，较难控制和扩大。不适于次级代谢产物的发酵生产。不适于次级代谢产物的发酵生产。3 3、连续培养过程中的主要问题、连续培养过程中的主要问题 杂菌污染问题杂菌污染问题 生产菌株突变问题生产菌株突变问题（1）杂菌污染问题 在连续发酵过程中，需要长时间连续不断地向发酵在连续发酵过程中，需要长时间连续不断地向发酵系统供给无菌的新鲜空气和培养基，这就不可避免系统供给无菌的新鲜空气和培养基，这就不可避免地发生杂菌污染问题。地发生杂菌污染问题。杂菌污染问题是连续培养中难以解决的问题。杂菌污染问题是连续培养中难以解决的问题。要了解污染的杂菌在什么样的条件下会在系统
33、中发要了解污染的杂菌在什么样的条件下会在系统中发展成为主要的微生物群体。展成为主要的微生物群体。（2）生产菌株突变问题 微生物在复制过程中难免会出现差错引起突变，一微生物在复制过程中难免会出现差错引起突变，一旦在连续培养系统中的生产菌细胞群体中某一个细旦在连续培养系统中的生产菌细胞群体中某一个细胞发生了突变，而且突变的结果使这一细胞获得在胞发生了突变，而且突变的结果使这一细胞获得在给定条件下高速生长的能力，那么它就有可能像杂给定条件下高速生长的能力，那么它就有可能像杂菌一样，菌一样，取代取代系统中原来的生产菌株，而使连续发系统中原来的生产菌株，而使连续发酵过程失败。酵过程失败。4、分批培养与连
34、续培养的关系、分批培养与连续培养的关系（p35）5、连续培养器连续培养器6、连续培养的两种主要工艺类型(1)(1)均匀混合的生物反应器均匀混合的生物反应器 恒化培养恒化培养 使培养基中限制性基质的浓度保持恒定。使培养基中限制性基质的浓度保持恒定。恒浊培养恒浊培养 使培养基中菌体的浓度保持恒定。使培养基中菌体的浓度保持恒定。(2)(2)活塞流反应器活塞流反应器7、连续发酵的类型、连续发酵的类型（p35-36）开放式连续发酵系统开放式连续发酵系统 ：单罐均匀混合连续发酵、多罐均匀混合连续发酵、管道非均匀混合连续发酵、塔式非均匀混合连续发酵 封闭式连续发酵系统：封闭式连续发酵系统：8、连续发酵的代谢
35、曲线连续发酵的代谢曲线从分批培养出发，无论在从分批培养出发，无论在哪个时候开始加入新鲜培哪个时候开始加入新鲜培养基过渡到连续操作，达养基过渡到连续操作，达到一定的菌体浓度及限制到一定的菌体浓度及限制基质浓度，则培养系统一基质浓度，则培养系统一定能成为稳定状态定能成为稳定状态连连续发酵。续发酵。9、连续发酵的应用连续发酵的应用 采用连续发酵的方法可以有效地提高产量，但是也存在着某些较难克服的困难，因此目前仅在一些比较简单的发酵产品中应用。如：酵母，单细胞蛋白，酒精发酵、丙酮、乳酸、丁醇、石油脱蜡、活性污泥废水处理等。其余产品的连续发酵尚未工业化生产。四、单一发酵与混合发酵四、单一发酵与混合发酵（
36、p37-38 ）单一发酵：只用一种微生物的发酵。单一发酵：只用一种微生物的发酵。混合发酵：多种微生物混合在一起共用混合发酵：多种微生物混合在一起共用一种培养基进行发酵。一种培养基进行发酵。五、固定化发酵技术五、固定化发酵技术（p38-39p38-39）固定化酶：固定化酶：利用物理或化学的方法使水溶性的利用物理或化学的方法使水溶性的酶制剂变为不溶于水，但仍保持酶的催化能力酶制剂变为不溶于水，但仍保持酶的催化能力的制剂。的制剂。特点：特点：用固相的酶作用于液相的底物。用固相的酶作用于液相的底物。固定化细胞固定化细胞 固定化细胞发酵技术的应用：固定化细胞发酵技术的应用：p39表表1-8第二节第二节
37、发酵工艺的控制发酵工艺的控制 （p150-175）发酵条件：发酵条件：是指影响发酵过程中各种化学及生物学反应的是指影响发酵过程中各种化学及生物学反应的环境因素。环境因素。发酵主要的条件有：发酵主要的条件有：营养基质的浓度、温度、营养基质的浓度、温度、pH值、通气和搅拌、值、通气和搅拌、泡沫、二氧化碳等。泡沫、二氧化碳等。发酵工艺控制的主要内容：发酵工艺控制的主要内容：营养基质和菌体浓度营养基质和菌体浓度 温度温度 pH值值 通气和搅拌通气和搅拌 泡沫泡沫 二氧化碳二氧化碳 发酵终点的判断发酵终点的判断影响发酵的主要因素：影响发酵的主要因素：温度：温度：根据发酵不同阶段，确定最适温度。发酵根据发
38、酵不同阶段，确定最适温度。发酵中释放发酵热，一般需要进行冷却操作。中释放发酵热，一般需要进行冷却操作。pHpH：pHpH不同产物不同，基质加缓冲性物质，生产不同产物不同，基质加缓冲性物质，生产过程中加入无机酸、碱等。过程中加入无机酸、碱等。通风和搅拌：通风和搅拌：可以生长和最适生长氧可以生长和最适生长氧的浓度。的浓度。染菌的控制：染菌的控制：1 1）设备、管道、阀门漏损。）设备、管道、阀门漏损。2 2）设备及管道灭菌不彻底存在死角。）设备及管道灭菌不彻底存在死角。3 3）空气净化不彻底。）空气净化不彻底。4 4）菌种不纯或培养基灭菌不彻底。）菌种不纯或培养基灭菌不彻底。5 5）无菌操作不严格，
39、生产操作）无菌操作不严格，生产操作出错。出错。工艺条件控制的目的：工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达，从而生产出过量的代谢产物。一、营养基质和菌体浓度的影响及控制一、营养基质和菌体浓度的影响及控制 (p150-155)(p150-155)（一）基质浓度和菌体浓度对发酵的影响（一）基质浓度和菌体浓度对发酵的影响 1 1、基质浓度对发酵的影响、基质浓度对发酵的影响（1 1）碳源种类和浓度）碳源种类和浓度（2 2）氮源种类和浓度）氮源种类和浓度（3 3）磷酸盐的浓度）磷酸盐的浓度 2 2、菌体浓度对发酵的影响及控制菌体浓度对发酵的影响及控制（
40、二）（二）基质浓度的控制（补料控制）基质浓度的控制（补料控制）（一）基质浓度和菌体浓度对发酵的影响（一）基质浓度和菌体浓度对发酵的影响 1 1、基质浓度对发酵的影响、基质浓度对发酵的影响（1 1）碳源种类和浓度）碳源种类和浓度 碳源种类：碳源种类：快速利用碳源（分解代谢产物阻遏）、缓慢利用碳源。快速利用碳源（分解代谢产物阻遏）、缓慢利用碳源。碳源浓度：碳源浓度：不同微生物不同，同一微生物不同生长阶段不同。不同微生物不同，同一微生物不同生长阶段不同。如培养基中碳源含量超过如培养基中碳源含量超过5%5%时，细菌生长不良；酵母时，细菌生长不良；酵母和霉菌可耐受和霉菌可耐受200g/L200g/L的葡
41、萄糖浓度。的葡萄糖浓度。（2 2）氮源的种类和浓度）氮源的种类和浓度 氮源种类和浓度对微生物生长和产物合成产生影响，氮源种类和浓度对微生物生长和产物合成产生影响，不同的产物，需要不同的氮的浓度不同。不同的产物，需要不同的氮的浓度不同。氮源的种类：？氮源的种类：？有机氮（促进菌体生长、是前体物质）、无机氮有机氮（促进菌体生长、是前体物质）、无机氮 速效氮、迟效氮速效氮、迟效氮 不同种类的氮源对发酵的影响：？不同种类的氮源对发酵的影响：？速效氮：有利于菌体的生长、不利于某些代谢产物的速效氮：有利于菌体的生长、不利于某些代谢产物的合成。合成。迟效氮：可延长次级产物的分泌期、提高其产量。但迟效氮：可延
42、长次级产物的分泌期、提高其产量。但过量时也易促进菌体生长。过量时也易促进菌体生长。氮源的浓度：氮源的浓度：过高时导致细胞脱水死亡；过低菌体营养不足，影响产物合成。不同的发酵所需氮源浓度不同，各有一个合适的C/N比；不同的生长发育阶段所需氮源浓度不同：菌体生长阶段、产物合成阶段。（3 3）磷酸盐的浓度）磷酸盐的浓度 磷酸盐的浓度对微生物的生长和产物合成有一磷酸盐的浓度对微生物的生长和产物合成有一定影响；定影响；菌体生长和次级代谢产物的合成所需浓度相差菌体生长和次级代谢产物的合成所需浓度相差悬殊：悬殊：菌体生长所需的磷酸盐浓度为：菌体生长所需的磷酸盐浓度为：0.320.32300mmol/L300
43、mmol/L；次级代谢产物所允许的最高浓度为：次级代谢产物所允许的最高浓度为：1mmol/L1mmol/L。2 2、菌体浓度对发酵的影响、菌体浓度对发酵的影响 菌体浓度是指单位体积中菌体的含量。菌体浓度是指单位体积中菌体的含量。菌体浓度与菌体生长速率直接相关。菌体浓度与菌体生长速率直接相关。菌体浓度大小对发酵产物得率会产生重要影响：菌体浓度大小对发酵产物得率会产生重要影响：对初级代谢产物有直接影响；对初级代谢产物有直接影响；对次级代谢产物则存在菌种浓度范围。对次级代谢产物则存在菌种浓度范围。菌体浓度的控制：在发酵中应将菌种浓度控制在一定范围内。在发酵中应将菌种浓度控制在一定范围内。控制的方法：
44、控制的方法：接种量。接种量。培养基中营养物质的含量：通过各成分合适的培养基中营养物质的含量：通过各成分合适的配比、补料来控制菌种的浓度。配比、补料来控制菌种的浓度。（二）基质浓度的控制（补料控制）（二）基质浓度的控制（补料控制）v1、补料控制目的v解除基质过浓的抑制解除基质过浓的抑制v解除产物的反馈抑制解除产物的反馈抑制v解除葡萄糖分解代谢阻遏效应解除葡萄糖分解代谢阻遏效应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。补充菌体所需要的氮源。补充菌体所需要的氮源。补充微量元素或无机盐。补充微量元素或无机盐。2 2、补料的内容、补料的内容控制微生物的中间代谢，使之向着有利于控制微生物的中
45、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。3 3、补料的原则、补料的原则 大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质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；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；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
46、基质的浓度，间接控制流加；用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。4 4、补料控制的策略、补料控制的策略5 5、补料控制参数的选择、补料控制参数的选择 根据微生物在发酵过程中的代谢规律及对环境条件的要根据微生物在发酵过程中的代谢规律及对环境条件的要求来选择。求来选择。为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参数，以及了为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参数，以及了解这些参数与微生物代谢、菌体生长、基质利用以及产物形成之间解这些参数与微生物代谢、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依赖于
47、比生长曲线形态、产物生成速率及采用最优的补科程序也是依赖于比生长曲线形态、产物生成速率及发酵的初始条件等情况。发酵的初始条件等情况。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的代谢规律及对环境条件的要求。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。常用的反馈控制参数常用的反馈控制参数 恒恒pHpH法：法：通过pH值的变化推测菌体的生长状态，调节流加速度，使pH为恒定值。恒溶氧法：恒溶氧法：以溶氧为反馈指标，根据溶解氧的变化曲线调整碳源的流加量。菌体密度法：菌体密度法：通过检测菌体的浓
48、度，以及营养利用情况，调整碳源的加入量。二氧化碳释放率（二氧化碳释放率（CERCER）法：）法：通过检测CER。估计碳源的利用情况，控制营养的流加。连续补料和分批补料发酵的比较连续补料和分批补料发酵的比较7 7、补料速率的确定、补料速率的确定 优化补料速率也是补料控制中十分重要的一环，因为养分优化补料速率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适当的浓度，而它们则以不同的速率被消和前体需要维持适当的浓度，而它们则以不同的速率被消耗，所以耗，所以补料速率要根据微生物对营养等的消耗速率及所补料速率要根据微生物对营养等的消耗速率及所设定的培养液中最低维持浓度而定。设定的培养液中最低维持浓
49、度而定。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、氮、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。二、温度对发酵的影响及控制二、温度对发酵的影响及控制（一）影响发酵温度的因素（一）影响发酵温度的因素（p155p155）（二）温度对微生物的生长和发酵的影响（二）温度对微生物的生长和发酵的影响 （p157-158p157-158）（三）最适温度的确定（三）最适温度的确定（p158）（四）温度控制的方法（四）温度控制的方法（一）影响发酵温度的因素（影响发酵温度的因素（p155）产热因素：生物热、搅拌热、通气热产热因素：生物热、搅拌热、通气热 散热因素：蒸发热、
50、辐射热散热因素：蒸发热、辐射热发酵热发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。Q发酵=Q生物+Q搅拌+Q 通气-Q蒸发-Q辐射 生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2，NH3时释放出的大量能量。用途：合成高能化合物 供微生物生命代谢活动 热能散发 影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。实验发现抗生素高产量批号（1）的生物热高于低产量批号（2）的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。1 1、抗生素相对活性为、抗生素相对活性为1 12 2、抗生素相对活性为
