關于發(fā)酵過程的控制第1頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內容微生物發(fā)酵類型1工藝控制參數(shù)2發(fā)酵過程代謝變化3菌體濃度的影響和控制4溫度的影響及其控制5PH值影響及其控制6溶氧的影響及其控制7泡沫的影響及其控制8發(fā)酵終點的判斷9第2頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)酵的生產水平高低除了取決于生產菌本身的性能外，還要受到發(fā)酵條件、工藝等的影響。只有深入了解生產菌種在合成產物過程中的代謝調控機制以及可能的代謝途徑，弄清生產菌種對環(huán)境條件的要求，掌握菌種在發(fā)酵過程中的代謝變化規(guī)律，有效控制，以使生產菌種能始終處于生長和產物合成的優(yōu)化環(huán)境之中，從而最大限度地發(fā)揮生產菌種的合成產物的能力，進而了取得最大的經濟效益。第一節(jié)微生物發(fā)酵類型一、分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵與連續(xù)發(fā)酵

將工業(yè)微生物發(fā)酵進行分類可以有不同的分類方法。依據(jù)投料方式的不同可以分為分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵；依據(jù)發(fā)酵與氧的關系不同可以分為需氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵：依據(jù)發(fā)酵過程中菌體生長與碳源消耗及產物合成之間關系的不同，可以分為生長偶聯(lián)型、部分生長偶聯(lián)型和非生長偶聯(lián)型發(fā)酵；依據(jù)代謝產物生物合成與菌體生長關系的不同可以分為初級代謝產物發(fā)酵和次級代謝產物發(fā)酵；依據(jù)產品的類別不同還可以分為抗生素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵、維生素發(fā)酵與有機酸發(fā)酵等。第3頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月基本概念

分批培養(yǎng)又稱分批發(fā)酵，是指在一個密閉系統(tǒng)內投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質后，接入少量的微生物菌種進行培養(yǎng)，使微生物生長繁殖，在特定的條件下只完成一個生長周期的微生物培養(yǎng)方法。蒸汽問題空氣發(fā)酵尾氣消泡劑酸堿

為什么說微生物分批培養(yǎng)是一種非穩(wěn)態(tài)的過程？

在分批培養(yǎng)過程中，隨著微生長細胞和底物、代謝物的濃度等的不斷變化，微生物垢生長可分為停滯期、對數(shù)生長期、穩(wěn)定期和死亡期等四個階段，圖10-1為典型的細胞菌生長曲線。請看下圖：（一）分批培養(yǎng)

第4頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月10016時間菌數(shù)的對數(shù)分批培養(yǎng)過程中典型的細菌生長曲線abcd根據(jù)圖提問停滯期實際上，接種物的生理狀態(tài)和濃度是停滯期長短的關鍵。如果接種物處于對數(shù)生長期，那么就很有可能不存在停滯期，微生物細胞立即開始生長。反過來，如果接種物本身已經停止生長，那么微生物細胞就需要有更長的停滯期，以適應新的環(huán)境。停滯期是微生物細胞適應新環(huán)境的過程。1、說說停滯期細胞特征？2、影響停滯期長短的決定因素有哪些？第5頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月10016時間菌數(shù)的對數(shù)分批培養(yǎng)過程中典型的細菌生長曲線abcd對數(shù)生長期期

處于對數(shù)生長期的微生物細胞的生長速度大大加快，單位時間內細胞的數(shù)目或重量的增加維持恒定，并達到最大值。基本概念細胞比生長速率

在對數(shù)生長期，隨著時間的推移，培養(yǎng)基中的成分不斷發(fā)生變化，但此期間，細胞的生長速度基本維持恒定，其生長速度可用數(shù)學方程表示：x---細胞濃度（g/l）；t---培養(yǎng)時間（hr）；μ---細胞的比生長速率（1/h）。如果當t=0時，細胞的濃度為x0(g/l)，上式積分后就為：問題

細胞的比生長速率可以通過何種方法求得？第6頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月微生物細胞濃度增加一倍所需要的時間，也叫增代時間。(td)表示倍增時間于是，用微生物細胞濃度的自然對數(shù)對時間作圖，就可得到一條直線，該直線的斜率就等于μ。微生物細胞的比生長速率和倍增時間因受遺傳特性及生長條件的控制，有很大的差異，如下表：第7頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月表6-2一些微生物在不同碳源上的比生長速度和倍增時間第8頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月10016時間菌數(shù)的對數(shù)分批培養(yǎng)過程中典型的細菌生長曲線abcd穩(wěn)定期1、所有微生物停止生長或細胞增加速度與死亡速率相等特點：

2、出現(xiàn)二次或隱性生長。說說穩(wěn)定期微生物出現(xiàn)二次生長的原因？問題

由于細胞的溶解作用，一些新的營養(yǎng)物質，諸如細胞內的一些糖類、蛋白質等被釋放出來，又作為細胞的營養(yǎng)物質，從而使存活的細胞繼續(xù)緩慢地生長，出現(xiàn)通常所稱的二次或隱性生長。第9頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月10016時間菌數(shù)的對數(shù)分批培養(yǎng)過程中典型的細菌生長曲線abcd死亡期1、微生物細胞內所儲存的能量已經基本耗盡，細胞開始在自身所含的酶的作用下死亡。特點：

2、細胞死亡速率大于增加速度。3、此時也是細胞產生或釋放對人類有用的抗生素等次生代謝產物的時期。第10頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）補料分批培養(yǎng)

單細胞蛋白、氨基酸、抗生素、維生素、酶制劑、有機酸以及有機溶劑等的生產過程1、基本概念

指在分批培養(yǎng)過程中，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，又稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是介于分批培養(yǎng)過程與連續(xù)培養(yǎng)過程之間的一種過渡培養(yǎng)方式。操作方式發(fā)酵工業(yè)應用第11頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3、不同補料方式對細胞生長影響問題2、補料分批培養(yǎng)的類型P92看表P92回答問題第12頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月表6-3補料方法對細胞密度、生長速度及生產率的影響第13頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1、對大腸桿菌來說，何種補料方式對細胞生長最快？2、何種補料方式對產物的形成最有利？3、細胞生長速度最快是否也是最有利于產物的形成？第14頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月4、補料分批培養(yǎng)的優(yōu)點

料分批培養(yǎng)是介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間一種微生物細胞的培養(yǎng)方式，它兼有兩種培養(yǎng)方式的優(yōu)點，并在某種程度克服了它們所存在的缺點。表10-7為補料分批培養(yǎng)的一些優(yōu)點。與分批培養(yǎng)方式比較與連續(xù)培養(yǎng)方式比較1、可以解除培養(yǎng)過程中的底物抑制、產物的反饋抑制和葡萄糖的分解阻遏效應；2、對于耗氧過程，可以避免在分批培養(yǎng)過程中因一次性投糖過多造成的細胞大量生長、耗氧過多以至通風攪拌設備不能匹配的狀況；在某種程度上可減少微生物細胞的生成量、提高目的產物的轉化率；3、微生物細胞可以被控制在一系列連續(xù)的過渡態(tài)階段，可用來控制細胞的質量；并可重復某個時期細胞培養(yǎng)的過渡態(tài)，可用于理論研究。1、不需要嚴格的無菌條件；2、不會產生微生物菌種的老化和變異；3、最終產物濃度較高，有利于產物的分離；4使用范圍廣。第15頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）連續(xù)培養(yǎng)P93

1、基本概念

指以一定的速度向培養(yǎng)系統(tǒng)內添加新鮮的培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使培養(yǎng)系統(tǒng)內培養(yǎng)液的液量維持恒定，使微生物細胞能在近似恒定狀態(tài)下生長的微生物培養(yǎng)方式。第16頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月圖10-6典型的實驗室連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)示意圖2、操作方式磁攪棒

連續(xù)培養(yǎng)又稱連續(xù)發(fā)酵，它與封閉系統(tǒng)中的分批培養(yǎng)方式相反，是在開放的系統(tǒng)中進行的培養(yǎng)方式。圖6-3為典型的實驗室連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)。

PH控制器空氣過濾器滅菌的培養(yǎng)基儲存器加料和出料泵空氣出口酸儲存器空氣過濾器壓縮空氣流量計樣品第17頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3、連續(xù)培養(yǎng)的特點

在連續(xù)培養(yǎng)過程中，微生物細胞所處的環(huán)境條件，如營養(yǎng)物質的濃度、產物的濃度、PH值以及微生物細胞的濃度、比生長速度等可以自始至終基本保持不變，甚至還可以根據(jù)需要來調節(jié)微生物細胞的生長速度，因此連續(xù)培養(yǎng)的最大特點是微生物細胞的生長速度、產物的代謝均處于恒定狀態(tài)，可達到穩(wěn)定、高速增微生物細胞或產生大量代謝產物的目的。連續(xù)培養(yǎng)過程的優(yōu)缺點

連續(xù)培養(yǎng)方式的優(yōu)點連續(xù)培養(yǎng)方式的缺點1、提供了一個微生物在恒定狀態(tài)下高速生長的環(huán)境，便于進行微生物的代謝、生理、生化和遺傳特性的研究；2、在工業(yè)生產上可減少分批培養(yǎng)中每次清洗、裝料、消毒、接種、放罐等操作時間，提高生產效率；3、產物質量比較穩(wěn)定；4、所需的設備和投資較少，便于實現(xiàn)自動化。1、在長時間的培養(yǎng)過程中，微生物菌種容易發(fā)生變異，發(fā)酵過程易染菌；2、新加入的培養(yǎng)基與原有的培養(yǎng)基不易完全混合，影響培養(yǎng)和營養(yǎng)物質的利用。第18頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月二、需氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵

依據(jù)發(fā)酵與氧的關系不同可以將發(fā)酵分為需氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵。在需氧發(fā)酵過程中要不斷地向發(fā)酵液中通入無菌空氣，以滿足微生物對氧的需求；而在厭氧發(fā)酵過程中，則應隔絕空氣使發(fā)酵在無分子氧的條件下進行。提問1、微生物的生長和培養(yǎng)方式可分為哪三種類型？2、在分批培養(yǎng)中，微生物的生長可分為哪四個階段？

需氧發(fā)酵是由需氧菌在有分子氧存在的條件下進行的發(fā)酵過程。氧在微生物的需氧呼吸中作為最終的電子受體。這類發(fā)酵包括絕大多數(shù)的抗生素、氨基酸以及其他代謝產物的發(fā)酵。

這些需氧微生物具備較完善的呼吸酶系統(tǒng)，它們的呼吸作用主要是通過脫氫酶和氧化酶進行的。第19頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

厭氧發(fā)酵是由厭氧菌或兼性厭氧菌在無分子氧的條件下進行的發(fā)酵過程。其產品包括工業(yè)上的乙醇、丙酮、丁醇、乳酸、丁酸等。在厭氧發(fā)酵過程中，只有脫氫酶的作用，而無氧化酶參與。三、生長偶聯(lián)型、部分生長偶聯(lián)型和非生長偶聯(lián)型發(fā)酵

按照菌體生長、碳源的利用以及產物的生物合成速度的變化以及這三者之間的動力學關系不同，可以把微生物發(fā)酵過程分為三種類型，見圖6－6。第20頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

微生物發(fā)酵要取得理想的效果，即取得高產并保證產品的質量，就必須對發(fā)酵過程進行嚴格的控制。發(fā)酵控制是否得當，對發(fā)酵是否能取得預期的效果至關重要。然而，發(fā)酵控制的先決條件是了解發(fā)酵進行的情況，進而根據(jù)這些情況做出調整，使發(fā)酵過程有利于目的產物的積累和產品質量的提高發(fā)酵罐內發(fā)酵進行的情況不能通過肉眼直接觀察到，但卻能夠通過取樣分析獲得有關發(fā)酵進行情況的大量信息。在分析這些信息的基礎上，人們也就能夠對發(fā)酵進行的情況有清楚的了解，進而更好地控制發(fā)酵過程

通過取樣分析獲得的有關發(fā)酵的信息也稱為參數(shù)，與微生物發(fā)酵有關的參數(shù)，可分為物理、化學和生物三類。第二節(jié)發(fā)酵過程的工藝參數(shù)控制閱讀課本P185-186回答問題10分鐘第21頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

微生物發(fā)酵要取得理想的效果，即取得高產并保證產品的質量，就必須對發(fā)酵過程進行嚴格的控制。發(fā)酵控制是否得當，對發(fā)酵是否能取得預期的效果至關重要。然而，發(fā)酵控制的先決條件是了解發(fā)酵進行的情況，進而根據(jù)這些情況做出調整，使發(fā)酵過程有利于目的產物的積累和產品質量的提高發(fā)酵罐內發(fā)酵進行的情況不能通過肉眼直接觀察到，但卻能夠通過取樣分析獲得有關發(fā)酵進行情況的大量信息。在分析這些信息的基礎上，人們也就能夠對發(fā)酵進行的情況有清楚的了解，進而更好地控制發(fā)酵過程。

通過取樣分析獲得的有關發(fā)酵的信息也稱為參數(shù)，與微生物發(fā)酵有關的參數(shù)，可分為物理、化學和生物三類。第二節(jié)發(fā)酵過程的工藝參數(shù)控制

第22頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵生產中常常檢測的物理參數(shù)有下列幾個：1．溫度（℃）是指整個發(fā)酵過程或不同階段中所維持的溫度。2．壓力（Pa)

這是發(fā)酵過程中發(fā)酵罐維持的壓力。罐內維持正壓可以防止外界空氣中的雜菌侵入，以保證純種的培養(yǎng)。同時罐壓的高低還與氧和CO2在培養(yǎng)液中的溶解度有關，間接影響菌體的代謝。罐壓一般維持在表壓0.02~0.05MPa(0.2~0.5大氣壓)。3.攪拌轉速（r/min）是指攪拌器在發(fā)酵過程中的轉動速度，通常以每分鐘的轉數(shù)來表示。它的大小與氧在發(fā)酵液中的傳遞速率和發(fā)酵液的均勻性有關。4.攪拌功率（kW)

是指攪拌器攪拌時所消耗的功率，常指每立方米發(fā)酵液所消耗的功率（kW/m3）。它的大小與液相體積氧傳遞系數(shù)KLa有關。5．空氣流量(V/V.min)

是指每分鐘內每單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積，它是需氧發(fā)酵中重要的控制參數(shù)之一。它的大小與氧的傳遞和其他控制參數(shù)有關。一般控制在0.5~1.5V/V.min范圍內。6.黏度（Pa.s）粘度大小可以作為細胞生長或細胞形態(tài)的一項標志，也能反映發(fā)酵罐中菌絲分裂過程的情況。通常用表觀粘度表示。它的大小可影響氧傳遞的阻力，也可反映相對菌體濃度。第23頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵過程中檢測的化學參數(shù)主要包括：1．pH（酸堿度）發(fā)酵液的pH值是發(fā)酵過程中各種產酸和產堿的生化反應的綜合結果。它是發(fā)酵工藝控制的重要參數(shù)之一。它的高低與菌體生長和產物合成有著重要的關系。2．基質濃度（g％或mg%)

是指發(fā)酵液中糖、氮、磷等重要營養(yǎng)物質的濃度。它們的變化對產生菌的生長和產物的合成有著重要的影響，也是提高代謝產物產量的重要控制手段。因此，在發(fā)酵過程中，必須定時測定糖（還原糖和總糖）、氮（氨基氮或胺氮）等基質的濃度。3.溶解氧濃度(mmol/L,mg/L,飽和度％)

溶解氧是需氧菌發(fā)酵的必備條件。氧是微生物體內的一系列的經細胞色素氧化酶催化產能反應的最終電子受體，也是合成某些代謝產物的基質。利用溶氧濃度的變化，可了解產生菌對氧利用的規(guī)津，反映發(fā)酵的異常情況，也可作為發(fā)酵中間控制的參數(shù)及設備供氧能力的指標。第24頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月4．氧化還原電位（mV)

培養(yǎng)基的氧化還原電位是影響微生物生長及其生化活性的因素之一。對各種微生物而言，培養(yǎng)基最適宜和所允許的最大電位值，應與微生物本身的種類和生理狀態(tài)有關。5．產物的濃度（μg/ml）這是發(fā)酵產物產量高低或生物合成代謝正常與否的重要參數(shù)，也是決定發(fā)酵周期長短的根據(jù)。6.廢氣中氧的含量（％）廢氣中氧的含量與產生菌的攝氧率和KLa有關。從廢氣中氧和CO2的含量可以算出產生菌的攝氧率、呼吸商和發(fā)酵罐的供氧能力。7.廢氣中CO2的含量（％）廢氣中的CO2是由產生菌在呼吸過程中放出的，測定它可以算出產生菌的呼吸商，從而了解產生菌的呼吸代謝規(guī)律。第25頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月為了解發(fā)酵過程中微生物菌體的代謝狀況，還需要測定一些與發(fā)酵相關的生物學參數(shù)，主要有下列幾個：l.菌體濃度菌體濃度是控制微生物發(fā)酵過程的重要參數(shù)之一，特別是對抗生素等次級代謝產物的發(fā)酵控制。菌體量的大小和變化速度對菌體合成產物的生化反應都有重要的影啊，因此測定菌體濃度具有重要意義。2.菌絲形態(tài)在放線菌和真菌這樣的絲狀菌的發(fā)醉過程中，菌絲形態(tài)的改變是生化代謝變化的反映。一般都以菌絲形態(tài)作為衡量種子質量、區(qū)分發(fā)酵階段、控制發(fā)酵過程的代謝變化和決定發(fā)酵周期的依據(jù)之一。第26頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵過程參數(shù)監(jiān)測的研究概況

由于生物反應過程的復雜性，使得發(fā)酵工業(yè)生產過程的監(jiān)控比其他行業(yè)落后。其中一個重要原因是，能有效監(jiān)測過程狀態(tài)變量的傳感器不足或質量不過關。有許多重要的物性參數(shù)，如菌體濃度及某些基質濃度至今仍無適合的傳感器可供使用。因此，要使發(fā)酵工程現(xiàn)代化，改進積推廣應用，現(xiàn)有的傳感器，開發(fā)新的可靠、適用的傷感器是至關重要的。

第27頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

研究發(fā)酵動力學一般有以下幾個步驟：首先為了獲得發(fā)酵過程變化的第一手資料，要盡可能尋找能反映過程變化的各種理化參數(shù)。其次，將各種參數(shù)變化和現(xiàn)象與發(fā)酵代謝規(guī)律聯(lián)系起來，找出它們之間的相互關系和變化規(guī)律。第三，建立各種數(shù)學模型以描述各參數(shù)之間隨時間變化的關系。第四，通過計算機的在線控制反復驗證各種模型的可行性與適用范圍。

第28頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

由此可見，取得發(fā)酵過程中正確可靠的各種數(shù)據(jù)是研究動力學的前提。遺憾的是現(xiàn)有的能直接從發(fā)酵罐中測量的參數(shù)不多，還難于做到把許多有用的參數(shù)就地通過傳感方式變成各種電量輸出。第29頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵過程各參數(shù)測試概況參數(shù)名稱測試方法意義、主要作用溫度傳感器維持生長、合成罐壓壓力表維持正壓、增加DO空氣流量傳感器供氧排泄廢氣提高KLα攪拌轉速傳感器物料混合、提高KLα攪拌功率傳感器反映攪拌情況、KLα第30頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月粘度粘度計反映菌生長、KLα密度傳感器反映發(fā)酵液性質裝量傳感器反映發(fā)酵液數(shù)量濁度傳感器反映菌生長情況泡沫傳感器反映發(fā)酵代謝情況傳質系數(shù)KLα間接計算；在線監(jiān)測反映供氧效率第31頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月加糖速率傳感器反映耗氧情況加油消沫劑速率傳感器反映泡沫情況加中間體或前體速率傳感器反映前體、基質利用情況加其他基質速率傳感器反映基質利用情況第32頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前較常測定的參數(shù)有溫度、罐壓、空氣流量、攪拌轉速、pH、溶氧、效價、糖含量、NH2N—

含量，前體(如苯乙酸)濃度、菌體濃度(干重、離心壓縮細胞體積%)等。不常測定的參數(shù)有氧化還原電位、粘度、排氣中的O2和CO2含量等。第33頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

在線測量有許多優(yōu)點，主要是及時、省力，且可從繁瑣操作中解脫出來，便于用計算機控制。但其應用的困難在于發(fā)酵液的性質復雜。一般培養(yǎng)液中同時存在三相，即液、氣、固體不溶物或油，另外發(fā)酵要求純種培養(yǎng)，培養(yǎng)基和有關設備需用高壓蒸汽滅菌。因而要求使用的傳感器能耐蒸汽滅菌，這給各種傳感器的制造帶來很大的困難，有些酶電極不耐高溫，需將發(fā)酵液引出罐外測定。

第34頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

為解決這一問題，有人曾把傳感器預先在罐外用環(huán)氧乙烷、過氧乙酸或季銨鹽殺菌劑等浸泡，然后通過無菌手續(xù)插到罐內使用。另一種辦法是采用罐外循環(huán)或連續(xù)少量排料，把傳感器裝在罐外循環(huán)或排放管道中。也有采用半透膜性質的管子置于罐內，被測液體的某些成分滲透到管內，由惰性介質帶到罐外加以自動分析。還有一種是把傳感器裝在可拉伸的活動管道上，罐外滅菌后伸入罐內。這些方法在使用上均受到一定限制，主要是增加了染菌的機會。較新的方法是通過計算機對進出物料加以衡算，從而求出各種間接參數(shù)。

第35頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)發(fā)酵過程中的代謝變化微生物的代謝產物，按其與菌體生長、繁殖的關系來說，又分為初級代謝產物和次級代謝產物。對微生物藥物來說，這兩類產物都有，特別是抗生素這類次級代謝產物在微生物藥物中占有最大的比重。下面將分別介紹這兩類產物發(fā)酵的代謝變化。第36頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月一、初級代謝產物發(fā)酵的代謝變化初級代謝指的是生物細胞在生命活動過程中進行的與菌體的生長、繁殖相關的一類代謝活動，其產物即為初級代謝產物。發(fā)酵過程中的菌體濃度、營養(yǎng)基質濃度和產物濃度三者變化的基本過程是同步的。它們的發(fā)酵屬于菌體的生長與產物合成偶聯(lián)的類型。菌體進入發(fā)酵罐后經過生長、繁殖，并達到一定的菌濃。其生長過程表現(xiàn)出延遲期、對數(shù)生長期、靜止期和死亡期等生長史的特征。基質（如葡萄糖）濃度的變化一般是隨發(fā)酵時間的延長而不斷下降，被用于菌體生長繁殖和產物的形成溶氧濃度也隨發(fā)酵過程的代謝而發(fā)生變化。至于產物的形成，因為沒有明顯的產物形成期，所以它是隨菌體生長在不斷地進行的，有的與菌體生長成平行關系。舉例：乳酸、醋酸、氨基酸、核酸、酶。第37頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月二、次級代謝產物發(fā)酵的代謝變化次級代謝產物包括大多數(shù)的抗生素、生物堿和微生物毒素等物質。按動力學模型分類，它們的發(fā)酵屬于菌體的生長與產物合成非偶聯(lián)的類型，也就是說菌體生長繁殖階段（又稱生長期）與產物形成階段（又稱生產期）是分開的。次級代謝產物生物合成（以抗生素發(fā)酵為代表）過程中菌體的代謝變化一般分為菌體生長、產物合成和菌體自溶三個階段。第38頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)菌體濃度的影響及其控制菌體濃度（簡稱菌濃，cellconcentration）是指單位體積培養(yǎng)液中菌體的含量。無論在科學研究上，還是在工業(yè)發(fā)酵控制上，它都是一個重要的參數(shù)。菌濃的大小，在一定條件下，不僅反映菌體細胞的多少，而且反映菌體細胞生理特性不完全相同的各個分化階段。第39頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月一、影響菌體生長的因素

微生物的生長速度與菌濃的大小有密切關系。比生長速率大的菌體，菌濃增長也迅速，反之就緩慢。而菌體的生長速率與微生物的種類和自身的遺傳特性有關，不同種類的微生物的生長速率是不一樣的。它的大小取決于細胞結鉤的復雜性和生長機制，細胞結構越復雜，分裂所需的時間就越長。典型的細菌、酵母、霉菌和原生動物的倍增時間分別為45min、90min、3h和6h左右。這說明各類微生物增殖速度的差異。菌體的增長還與營養(yǎng)物質和環(huán)境條件有密切關系，營養(yǎng)物質包括各種碳源和氮源等成分。所以，在微生物發(fā)酵的研究和控制中，營養(yǎng)條件（含溶解氧）的控制至關重要。影響菌體生長的環(huán)境條件還有溫度、pH、滲透壓和水的活度等因素。思考題1菌濃的大小與哪些因素有關？第40頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月二、菌濃對初級代謝和次級代謝的影響菌濃的大小，對發(fā)酵產物的產率有著重要的影響。在適當?shù)谋壬L速率下，發(fā)酵產物的產率與菌體濃度成正比關系，此時菌濃愈大，產物的產量也愈大，如氨基酸、維生素這類初級代謝產物的發(fā)酵以及抗生素這類次級代謝產物的發(fā)酵都是如此。但是菌濃過高，則會產生其他的影響，如營養(yǎng)物質消耗過快，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)成分發(fā)生明顯的改變，有毒物質的積累，就可能改變菌體的代謝途徑，特別是對培養(yǎng)液中溶解氧的影響尤為明顯，因為隨著菌濃的增加，培養(yǎng)液的攝氧率（OUR,OxygenUptakeRate）按比例增加（OUR=Qo2·X),表觀粘度也增加，流體性質也發(fā)生改變，使氧的傳遞速率（OTR,OxygenTransferRate)成對數(shù)地減少。當OUR>OTR時，溶解氧就減少，并成為限制性因素。菌濃增加而引起的溶氧濃度下降，會對發(fā)酵產生各種影響。思考題2菌濃的大小對發(fā)酵產物的形成有哪些重要的影響？第41頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)酵過程不但要有合適的菌體濃度，還要設法控制菌濃始終在合適的范圍內。菌體的生長速率，在一定的培養(yǎng)條件下，主要受營養(yǎng)基質濃度的影響，所以要依靠調節(jié)培養(yǎng)基的營養(yǎng)基質濃度來控制菌濃。首先要使基礎培養(yǎng)基有個適當?shù)呐浔龋员苊猱a生過高（或過低）的菌體濃度，然后通過中間補料來控制。如當菌體生長緩慢、菌濃太低時，可補加一部分氮源或磷酸鹽以促進菌體生長，提高菌濃；但如補加過多，則會使菌體過分生長，超過臨界菌濃，對產物合成產生不利的影響。在生產上，還可利用菌體代謝產生的CO2量來控制青霉素的補糖量，以控制菌體的生長和菌體濃度。總之，可根據(jù)不同的菌種和產品，采用不同的方法來控制最適的菌濃度。思考題3菌濃的大小可采用哪些不同的方法來控制？為什么？第42頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)溫度對發(fā)酵過程的影響及其控制一、溫度對發(fā)酵的影響

由于微生物的生長和產物的合成代謝都是在各種酶的催化下進行的，而溫度卻是保證酶活性的重要條件，因此在發(fā)酵過程中必須保證穩(wěn)定而合適的溫度環(huán)境。溫度對發(fā)酵的影響是多方面的，對微生物細胞的生長和產物的生成、代謝的影響是由各種因素綜合表現(xiàn)的結果。簡答：溫度對發(fā)酵生產的影響有哪些？問題1閱讀課本P221-222回答問題8分鐘第43頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對微生物的影響溫度影響微生物細胞內的酶反應溫度可以改變培養(yǎng)液的物理性質溫度還會影響到微生物細胞的生物合成方向對于同一微生物細胞，細胞生長和代謝產物積累的最適溫度也往往是不同的

說說溫度和微生物生長的關系？問題2

溫度和微生物生長的關系，一方面在其最適溫度范圍內，微生物的生長速度隨溫度的升高而增加，發(fā)酵溫度越高，培養(yǎng)的周期就越短；另一方面，處于不同生長階段的微生物對溫度的反應是不同的。

說說溫度對細胞內酶的影響？問題3第44頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度可影響培養(yǎng)液的哪些物理性質？舉例說明。問題4舉例說說溫度影響到微生物細胞的生物合成方向？問題5

對于同一微生物細胞細胞生長和代謝產物積累的最適溫度也往往是不同的。例如，青霉素產生菌的生長最適溫度為30度，而產生青霉素的最適溫度為25度；黑曲酶的最適生長溫度為37度，而產生糖化酶和檸檬酸的最適溫度都是32-34度；谷氨酸生產菌生長的最適溫度30-32度，而代謝產生谷氨酸的最適溫度卻在34-37度。

從以上可知，溫度對發(fā)酵生產來說是至關重要的，要維持一定溫度，除了給它加熱外，其發(fā)酵過程中自身有熱量產生嗎？第45頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月二、影響發(fā)酵溫度變化的因素

發(fā)酵過程中，隨著微生物細胞對培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質的利用、機械攪拌的作用，將會產生一定的熱量；同時由于發(fā)酵罐壁的散熱、水分的蒸發(fā)等將會帶走部分熱量。定義

發(fā)酵過程中釋放出來的引起溫度變化的凈熱量稱為發(fā)酵熱。發(fā)酵熱包括了生物熱、攪拌熱、蒸發(fā)熱以及輻射熱等1、生物熱（Q生物）

微生物細胞在生長繁殖過程中本身產生的大量熱成為生物熱。

問題1生物熱作用？問題2生物熱的大小與什么因素有關？第46頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月問題3在發(fā)酵的哪一階段，微生物產生的生物熱最大？2、攪拌熱（Q攪拌）

問題4攪拌熱是如何產生的？

對于機械攪拌通氣式發(fā)酵罐，由于機械攪拌帶動培養(yǎng)液作相應的比較劇烈的運動，造成液體之間、液體與攪拌器等設備之間的摩擦，會產生比較可觀的熱量。3、蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）

在通氣培養(yǎng)過程中，空氣進入發(fā)酵罐后就與發(fā)酵液進行廣泛的接觸，除部分氧等被微生物利用外，大部分氣體仍舊從發(fā)酵液出來，排放至大氣中，必然會引起熱量的散發(fā)，熱量將被空氣或蒸發(fā)的水分帶走，這些熱量就稱為蒸發(fā)熱。第47頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月4、輻射熱（Q輻射）

輻射熱是指因發(fā)酵罐溫度與環(huán)境溫度不同，而使發(fā)酵液通過罐體向外輻射的熱量。

輻射熱的大小取決于發(fā)酵罐內外的溫度差的大小，受環(huán)境溫度變化的影響。

問題5發(fā)酵熱包括哪些熱？Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌—Q蒸發(fā)—Q輻射三、發(fā)酵過程溫度的控制閱讀課本P103-104回答問題5分鐘第48頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月在發(fā)酵整個過程，初期、中期、末期它們溫度如何變化？問題1培養(yǎng)耐高溫的微生物菌種有何意義？問題2生產上如何使發(fā)酵溫度控制在一定的范圍？問題6為什么說溫度的確定還與培養(yǎng)基的成分有密切關系？問題4發(fā)酵的最適溫度是指什么？問題3問題5最適發(fā)酵溫度與哪些因素有關?舉兩例第49頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)PH值對發(fā)酵過程的影響及其控制

發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的PH值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動的綜合指標，是發(fā)酵過程中的重要參數(shù)，對微生物的生長和產物的積累有很大的影響。

發(fā)酵過程中微生物的正常生長需要有一定的PH值，PH值對微生物的生長和代謝產物的形成都有很大的影響，不同的微生物對PH值的要求也是不同的。每種微生物都有自己的生長最適的和耐受的PH值。

一、PH值對發(fā)酵過程的影響

填表第50頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月問題舉例說明控制一定的PH值還是防止雜菌污染的一個重要措施？

PH值不僅影響到微生物的生長繁殖，還會影響到代謝產物的形成。對于同一種微生物，由于PH值的不同，形成的發(fā)酵產物也會不同。填表第51頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

微生物生長的最適PH值和發(fā)酵產物形成的最適PH值往往是不同的。填表問題PH值是如何影響微生物的生長繁殖和代謝產物形成的？看書第52頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月閱讀課本P105回答問題5分鐘二、發(fā)酵過程中PH值的變化情況

微生物本身具有一定的調節(jié)PH能力，會使PH值處于比較適宜的狀態(tài)。說說發(fā)酵過程PH值變化的規(guī)律性？問題1

引起發(fā)酵液的PH值下降的主要原因有哪些？問題2

引起發(fā)酵液的PH值上升的主要原因有哪些？問題3第53頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

盡管在發(fā)酵過程中，微生物本身有使生長適應PH值的能力，但是當外界的條件發(fā)生較大的變化時，微生物就失去了自身的調節(jié)能力，發(fā)酵液的PH值就會發(fā)生波動。因此，為了使微生物能在最適的PH值范圍內生長、繁殖和發(fā)酵，首先應根據(jù)不同微生物的特性，不僅在原始培養(yǎng)基中要控制適當?shù)腜H值，而且在整個發(fā)酵過程中，必須隨時檢測PH值的變化情況，然后根據(jù)發(fā)酵過程中的PH值變化規(guī)律，選用適當?shù)姆椒▽H值進行適當?shù)恼{節(jié)和控制。1、發(fā)酵PH的確定

說說發(fā)酵PH值確定依據(jù)？三、發(fā)酵過程中PH值的控制2、發(fā)酵PH的控制第54頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月簡答1：說說pH與菌體比生長率和產物比生長率之間的幾種關系。①第一種情況是菌體的比生長速率μ和產物比生產速率（Qp）的最適pH都在一個相似的且較寬的范圍內如（圖a），這種發(fā)酵過程易于控制；②第二種情況是μ的最適pH范圍很寬，而Qp的最適pH范圍較窄，如（圖b)所示；③第三種情況是μ和Qp對pH的變化都很敏感，它們的最適pH又是相同的，見（圖c)；第四種情況更復雜，μ和Qp有各自的最適pH值，如（圖d),此時應分別嚴格控制各自的最適pH，才能優(yōu)化發(fā)酵過程。第55頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月簡答2：在確定了發(fā)酵各個階段所需要的最適pH之后，可采用何種方法來控制，使發(fā)酵過程在預定的pH范圍內進行？1）需要考慮和試驗發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎配方，使它們有個適當?shù)呐浔取?）在發(fā)酵過程中直接補加酸、堿或補料的方式來控制，特別是補料效果比較明顯。3）通氨一般是使用壓縮氨氣或工業(yè)用氨水（濃度20％左右），采用少量間歇添加或少量自動流加，可避免一次加入過多造成局部偏堿。簡答3：為什么說采用補料的方法來調節(jié)pH是比較成功的方法？第56頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

因而，采用補料的方法可以同時實現(xiàn)補充營養(yǎng)、延長發(fā)酵周期、調節(jié)pH和改變培養(yǎng)液的性質（如粘度）等幾種目的。最成功的例子就是青霉素發(fā)酵的補料工藝，利用控制葡萄糖的補加速率來控制pH的變化（已實現(xiàn)目動化）其青霉素產量比用恒定的加糖速率或加酸、堿來控制pH的產量高25%。其實驗結果見圖10－12。圖中實線是用酸、堿來控制pH的，虛線是以控制加糖速率來控制pH的。兩者的加糖量是相等的。這說明以pH作為補糖的依據(jù)，采用控制加糖率來控制pH，正好滿足菌體合成代謝的要求，使產量提高。所以pH是菌體代謝變化的綜合反應，也是確定補料速率的依據(jù)，把兩者緊密結合起來就可以實現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化。第57頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第七節(jié)溶氧的影響及其控制

第八節(jié)泡沫對發(fā)酵過程的影響及其控制第58頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月一、發(fā)酵過程中泡沫的產生及其對發(fā)酵過程的影響

在微生物的好氧發(fā)酵過程中，為了適應微生物的生理特性，并取得較好的生產效果，就需要不斷通入大量的無菌空氣，同時，為了加速氧在培養(yǎng)基中的溶解度，還必須進行劇烈的攪拌，使空氣成為無數(shù)的小氣泡，以增加氣液的界面，以有利于溶氧和逸出微生物細胞呼吸過程中產生的CO2。再加上發(fā)酵液中含有蛋白質、糖和脂肪等容易發(fā)泡物質的存在，在通氣發(fā)酵過程中，將會產生一定量的泡沫。發(fā)酵過程中泡沫產生的原因是什么？問題1第59頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月說說過多的持久性泡沫會給發(fā)酵帶來哪些不利影響？問題2使發(fā)酵罐的裝填系數(shù)減少；造成大量逃液，導致產物的損失；泡沫“頂罐”有可能使培養(yǎng)基從攪拌的軸封滲出，增加了染菌的機會；由于泡沫的液位變動，以及不同生長周期微生物隨泡沫漂浮或粘附在罐蓋或罐壁上，使微生物生長的環(huán)境發(fā)生了改變，影響了微生物群體的效果，增加微生物群體的非均一性；影響通氣攪拌的正常進行，妨礙了微生物的呼吸，造成發(fā)酵異常，導致最終產物產量下降；使微生物菌體提早自溶，這一過程的發(fā)展又會促使更多的泡沫生成；為了將泡沫控制在一定范圍內，就需加入消泡劑，將會對發(fā)酵工藝和產物的提取帶來困難。

因此，如何控制發(fā)酵過程中產生的泡沫，是否能使發(fā)酵過程得以順利進行和取得高產、高效的重要因素之一。第60頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月說說泡沫的組成及存在類型？問題3組成存在類型

一類是存在于發(fā)酵液的液面上，這類氣泡所占的比例特別大，并且泡沫與下面的液體之間有能分辨的界線；另一種泡沫是出現(xiàn)在黏稠的菌絲發(fā)酵液當中，這種氣泡分散很細，而且很均勻，也較穩(wěn)定，泡沫與液體之間沒有明顯的液面界限，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比例由上而下逐漸增加。以上兩種類型泡沫，哪一類型對發(fā)酵有利，哪一類型是不利的？問題4泡沫形成的多少與哪些因素有關？P114第61頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

以霉菌發(fā)酵為例，說說發(fā)酵過程中泡沫的消長規(guī)律？問題56.5040培養(yǎng)時間（h）表面張力圖10-15霉菌發(fā)酵過程中培養(yǎng)液的性質與泡沫的關系表觀黏度表面張力泡沫壽命表觀黏度

由此可見，發(fā)酵初期泡沫的高穩(wěn)定性與發(fā)酵液的高表現(xiàn)黏度和低界面張力有關，而隨著霉菌產生的蛋白酶、淀粉酶的增多和對營養(yǎng)物質的利用，造成產生泡沫的蛋白質等物質分解，培養(yǎng)液的性質發(fā)生改變，黏度降低促使界面張力上升，泡沫減少，當達到發(fā)酵的后期，由于微生物細胞的自溶，又使蛋白質的濃度增加，促使發(fā)酵過程的泡沫上升。第62頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月二、發(fā)酵過程中泡沫的消除和控制發(fā)酵過程中泡沫的消除和控制主要有化學消泡和機械消泡兩種方法（一）化學消泡問題1說說化學消泡的優(yōu)點？問題2化學消泡的原理有哪些？（見下頁）第63頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

鑒于發(fā)酵過程中形成泡沫的原因有很多，化學消泡的機理也就有多種。化學消泡劑是表面活性劑，當把化學消泡劑加入到發(fā)酵體系中，由于消泡劑本身的表面張力相對于發(fā)酵液來說是比較低的，一旦接觸到氣泡的表面，將會使氣泡膜局部的表面張力降低，力的平衡受到破壞，因而使氣泡破裂或合并，最后導致泡沫破裂。對于那些泡沫的表面層存在著極性的表面活性物質而形成雙電層時，加入帶相反電荷的表面活性劑，可以降低膜的彈性（機械強度），或加入某些具有強極性的物質與起泡劑爭奪液膜上的空間，并使液膜的機械強度降低，進而促使泡沫破裂。而當泡沫的液膜具有較大的表面黏度時，加入某些分子內聚力較弱的物質，可降低膜的表面黏度，從而促使液膜的液體流失而使泡沫破裂。

使泡沫破裂！要點有3個最終目的第64頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月問題3對化學消泡劑有哪些要求（或化學消泡劑有哪些特點）？

化學消泡劑必須是表面活性劑，具有較低的表面張力，消泡作用迅速有效；具有一定的親水性，以使消泡劑對氣—液界面的分散系數(shù)足夠大，從而迅速發(fā)揮消泡活性；在水中的溶解度必須較大，以保持持久的消泡或抑泡性能；對人、畜及微生物細胞無毒性，從而不影響發(fā)酵過程中的微生物生長和代謝，不影響產物的