发酵过程控制讲稿.ppt

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1、关于发酵过程控制第一页，讲稿共九十九页哦第一节第一节 发酵过程工艺控制的目发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次的、研究的方法和层次一一 发酵过程的种类发酵过程的种类分批培养分批培养补料分批培养补料分批培养半连续培养半连续培养连续培养连续培养第二页，讲稿共九十九页哦1 1、分批发酵分批发酵 简单的过程，培养基中接入菌种以简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气后，没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。整个过程中菌的浓度、的通入和排气。整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参数都随营养成分的浓度和产物浓度等参数都随时间变化。时间变化。第三页，讲稿共九十九页

2、哦分批培养中微生物的生长分批培养中微生物的生长迟滞期迟滞期对数生长期对数生长期稳稳 定定 期期死亡期死亡期第四页，讲稿共九十九页哦1 1、比生长速率、比生长速率 若细胞物质或细胞数目增长一倍的时间间隔是常数，若细胞物质或细胞数目增长一倍的时间间隔是常数，则微生物是以指数速率增长，可用数学模型来描述。则微生物是以指数速率增长，可用数学模型来描述。（1）（2）式（1 1）表明，细胞物质随时间的增加而增加）表明，细胞物质随时间的增加而增加 式（式（2）表明，细胞数目随时间的增加而增加）表明，细胞数目随时间的增加而增加第五页，讲稿共九十九页哦 若为常数，则：对式（1）积分得：在大多数情况下，生长是以物

3、质的增加衡量的，因而得到应用。此式可在t=td（td为倍增时间）时求得，td即在 时所需时间，于是td=ln2/=0.693/。为比生长速率，单位是 h-1。第六页，讲稿共九十九页哦 例题：某微生物的 0.125 h-1，求td。第七页，讲稿共九十九页哦微生物生长分为：迟滞期、对数生长期、微生物生长分为：迟滞期、对数生长期、稳定期和死亡期稳定期和死亡期在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为当菌种接种入一个新的环境，细胞内的核当菌种接种入一个新的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这时细胞不能分裂。酸、酶等稀释，这时细胞不能分裂。当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到

4、当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很一定程度，细胞开始分裂，这时细胞生长很快，比生长速率几近常数。这个时期称为对快，比生长速率几近常数。这个时期称为对数生长期数生长期第八页，讲稿共九十九页哦随着细胞生长，培养液中的营养物减少，随着细胞生长，培养液中的营养物减少，废物积累，导致细胞生长速率下降，进废物积累，导致细胞生长速率下降，进入减速期和稳定期。最后当细胞死亡速入减速期和稳定期。最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入死亡期率大于生成速率，进入死亡期对于初级代谢产物，在对数生长期初期对于初级代谢产物，在对数生长期初期就开始合成并积累，而次级代谢产物则就开始合

5、成并积累，而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳定期大量合成。在对数生长期后期和稳定期大量合成。第九页，讲稿共九十九页哦分批培养的优缺点分批培养的优缺点优点优点 操作简单，周期短，染菌机会少，生操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量容易掌握产过程和产品质量容易掌握缺点缺点 产率低，不适于测定动力学数据产率低，不适于测定动力学数据第十页，讲稿共九十九页哦2 2、补料分批培养、补料分批培养 在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。服营养不足而导致的发酵过早结束的缺点。在此过程中只有料液的加入没有料液的在此过程中只有料液的

6、加入没有料液的取出，所以发酵结束时发酵液体积比发取出，所以发酵结束时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中采用这种方法很多。中采用这种方法很多。第十一页，讲稿共九十九页哦补料分批培养的优缺点补料分批培养的优缺点优点优点 在这样一种系统中可以维持低的基在这样一种系统中可以维持低的基质浓度，避免快速利用碳源的阻遏效应；质浓度，避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料控制达到最佳的生长和产物可以通过补料控制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以利用计算机控制合理的合成条件；还可以利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生产工艺。补料速率，稳定最佳生产工艺。缺

7、点缺点 由于没有物料取出，产物的积累最终由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。由于有物料的加入导致比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌机会增加了染菌机会第十二页，讲稿共九十九页哦3 3、半连续培养、半连续培养在补料分批培养的基础上间歇放掉部在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。分发酵液（带放）称为半连续培养。某些品种采取这种方式，如四环素发某些品种采取这种方式，如四环素发酵酵优点优点 放掉部分发酵液，再补入部分料放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有害物得以稀释有利于产液，使代谢有害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。物合成，提高了总产量

8、。缺点缺点 代谢产生的前体物被稀释，提取代谢产生的前体物被稀释，提取的总体积增大的总体积增大第十三页，讲稿共九十九页哦4 4、连续培养、连续培养发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度都是恒定的。浓度，限制性基质浓度都是恒定的。第十四页，讲稿共九十九页哦连续培养的优缺点连续培养的优缺点优点优点 控制稀释速率可以使发酵过程最优化。控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，得到高的产量。由于发酵周

9、期长，得到高的产量。由于D，通过改变稀释速率可以比较容易的研究菌生长通过改变稀释速率可以比较容易的研究菌生长的动力学的动力学缺点缺点 菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。长时间补料染菌机会菌种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增加。大大增加。第十五页，讲稿共九十九页哦二二 发酵过程工艺控制的目的发酵过程工艺控制的目的有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来目标是得到最大的比生产速率和最大的目标是得到最大的比生产速率和最大的生产率生产率第十六

10、页，讲稿共九十九页哦发挥菌种的最大生产潜力考虑之点发挥菌种的最大生产潜力考虑之点菌种本身的代谢特点菌种本身的代谢特点 生长速率、呼吸生长速率、呼吸强度、营养要求（酶系统）、代谢速率强度、营养要求（酶系统）、代谢速率菌代谢与环境的相关性菌代谢与环境的相关性 温度、温度、pH、渗透、渗透压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等第十七页，讲稿共九十九页哦微生物代谢是一个复杂的系统，它的代微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络形式，比如糖代谢产生的中间谢呈网络形式，比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的前体，可能用作物可能用作合成菌体的前体，可能用作合成产物的前体，也可能

11、合成副产物，合成产物的前体，也可能合成副产物，而这些前体有可能流向不同的反应方向，而这些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的差异会引发代谢朝不同的方环境条件的差异会引发代谢朝不同的方向进行。向进行。第十八页，讲稿共九十九页哦微生物的生长与产物合成有密切相关性，微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现在菌体量的大小影响产物量的多不仅表现在菌体量的大小影响产物量的多少，而且菌体生长正常与否，即前期的代少，而且菌体生长正常与否，即前期的代谢直接影响中后期代谢的正常与否。特别谢直接影响中后期代谢的正常与否。特别是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性因此对发酵过

12、程的了解不能机械的，割裂因此对发酵过程的了解不能机械的，割裂的去认识，而要从细胞代谢水平和反应工的去认识，而要从细胞代谢水平和反应工程水平全面的认识程水平全面的认识第十九页，讲稿共九十九页哦发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身的遗传特性、物质运输、能量平衡、菌本身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环境因素等等。因此发酵过程工程因素、环境因素等等。因此发酵过程的控制具有不确定性和复杂性。的控制具有不确定性和复杂性。为了全面的认识发酵过程，本章首先要为了全面的认识发酵过程，本章首先要告诉大家分析发酵过程的基本方面，在此告诉大家分析发酵过程的基本方面

13、，在此基础上再举一些例子，说明如何综合分析基础上再举一些例子，说明如何综合分析发酵过程及进行优化放大。发酵过程及进行优化放大。第二十页，讲稿共九十九页哦三三 发酵过程研究的方法和层次发酵过程研究的方法和层次1、研究方法、研究方法单因子实验单因子实验：对实验中要考察的因子逐个：对实验中要考察的因子逐个进行试验，寻找每个因子的最佳条件。一进行试验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验般用摇瓶做实验优点优点 一次可以进行多种条件的实验，可以一次可以进行多种条件的实验，可以在较快时间内得到的结果。在较快时间内得到的结果。缺点缺点 如果考察的条件多，实验时间会比较长如果考察的条件多，实验时间会比较长

14、各因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准各因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性确性第二十一页，讲稿共九十九页哦数理统计学方法数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分：运用统计学方法设计实验和分析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、均匀设计、响应面设计。均匀设计、响应面设计。优点优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，同时进行多因子试验。用少量的实验，经过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚经过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，大大提高了实验效率。至更准确，大大提高了实验效率。但对于生物学实验要求准确性高，因为实验但对于生

15、物学实验要求准确性高，因为实验的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存在较大的误差就会得出错误的结果。实验中存在较大的误差就会得出错误的结果。第二十二页，讲稿共九十九页哦2 2、研究的层次、研究的层次初级层次的研究初级层次的研究：一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生长和代谢的一般条件，如培养基的菌株生长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最适温度、最适组成、最适温度、最适pH等要求。等要求。摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几十种甚至几百种条件，对于菌种培养验几十种甚

16、至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较高的效率。条件的优化有较高的效率。第二十三页，讲稿共九十九页哦代谢及工程参数层次研究代谢及工程参数层次研究：一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数，以及在反应器中微生物对各种营养成分的利数，以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。由于罐发酵中全程参数的监控

17、是连续的，方式。由于罐发酵中全程参数的监控是连续的，所以得到的代谢情况比较可信。所以得到的代谢情况比较可信。第二十四页，讲稿共九十九页哦第二十五页，讲稿共九十九页哦鸟苷发酵过程曲线鸟苷发酵过程曲线第二十六页，讲稿共九十九页哦生产规模放大生产规模放大：在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优化条件在大型反应器上得以实现优化条件在大型反应器上得以实现,达到产业达到产业化的实现。化的实现。一般来说微生物在不同体积的反应器中的生一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速率是不同的，原因可能是，罐的深度造长速率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、空气停

18、留时间和分布不同，成氧的溶解度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同剪切力不同，灭菌时营养成分破坏程度不同所致。所致。第二十七页，讲稿共九十九页哦第二节第二节 发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛。判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛

19、。这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中菌的生理代谢状况，如发酵过程中菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等第二十八页，讲稿共九十九页哦代谢参数按性质分可分三类：代谢参数按性质分可分三类：物理参数物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等化学参数化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、：基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、产物浓度、核酸量等产物浓度、核

20、酸量等生物参数生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等第二十九页，讲稿共九十九页哦从检测手段分可分为：直接参数、间接参数从检测手段分可分为：直接参数、间接参数直接参数：直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得通过仪器或其它分析手段可以测得的参数，如温度、的参数，如温度、pH、残糖等、残糖等间接参数间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，：将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、如摄氧率、KLa(氧传递系数氧传递系数)等等第三十页，讲稿共九十九页哦直接参数又可分为在线检测参数和离线检直

21、接参数又可分为在线检测参数和离线检测参数测参数在线检测参数在线检测参数指不经取样直接从发酵罐上安指不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上得到的参数，如温度、装的仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌、搅拌转速；转速；离线检测参数离线检测参数指取出样后测定得到的参数，指取出样后测定得到的参数，如残糖、如残糖、NH2-N、菌体浓度。、菌体浓度。第三十一页，讲稿共九十九页哦一一 发酵过程主要分析的项目发酵过程主要分析的项目目前发酵过程主要分析项目如下目前发酵过程主要分析项目如下1 1、pHpH pH与微生物的生命活动密切相关与微生物的生命活动密切相关 酶催化活性酶催化活性 pH的变化又是微生物代谢状况的综

22、合反的变化又是微生物代谢状况的综合反映映基质代谢、产物合成、细胞状态、基质代谢、产物合成、细胞状态、营养状况、供氧状况营养状况、供氧状况第三十二页，讲稿共九十九页哦2 2、排气氧、排气、排气氧、排气COCO2 2和呼吸熵和呼吸熵排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的还剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，通过计算可以求得摄氧率（活性，通过计算可以求得摄氧率（OUR）。）。OUR=Qo2X Qo2为呼吸强度，为呼吸强度，X为菌浓度为菌浓度排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况，因为微排气二氧化碳反映了微生

23、物代谢的情况，因为微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳的，有的进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的耗的氧并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的氧。大于消耗的氧。第三十三页，讲稿共九十九页哦RQ值随微生物菌种的不同，培养基成分的不值随微生物菌种的不同，培养基成分的不同，生长阶段的不同而不同。测定同，生长阶段的不同而不同。测定RQ值一方值一方面可以了解微生物代谢的状况，另一方面

24、也可以面可以了解微生物代谢的状况，另一方面也可以指导补料指导补料CER表示单位体积发酵液单位时间内释放的二表示单位体积发酵液单位时间内释放的二氧化碳的量氧化碳的量呼吸熵呼吸熵呼吸熵反映了氧的利用状况呼吸熵反映了氧的利用状况第三十四页，讲稿共九十九页哦 一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条有意使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高水件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。对于这种工艺，后期的补料控制是关键。平。对于这种工艺，后期的补料控制是关键。过程中发现，在补糖开始时，不

25、但过程中发现，在补糖开始时，不但CER、OUR大幅度提高，连大幅度提高，连RQ也提高约也提高约10，表明通过补，表明通过补糖不但提供了更多的碳源，而且随着体系内葡糖不但提供了更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活力也提高，产萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。能增加。第三十五页，讲稿共九十九页哦3 3、糖含量、糖含量微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。糖的消耗糖的消耗 反映产生菌的生长繁殖情况反映产生菌的生长繁殖情况 反映产物合成的活力反映产物合成的活力菌体生长旺盛糖耗一定快，残糖也就降低得快。通菌体生长旺盛糖耗一定快，

26、残糖也就降低得快。通过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制过糖含量的测定，可以控制菌体生长速率，可控制补糖来调节补糖来调节pH，促进产物合成，不致于盲目补糖，促进产物合成，不致于盲目补糖，造成发酵不正常。造成发酵不正常。糖含量测定包括总糖和还原糖。糖含量测定包括总糖和还原糖。总糖总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、饴糖、单糖等各种糖。的淀粉、饴糖、单糖等各种糖。还原糖还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。糖。第三十六页，讲稿共九十九页哦4 4、氨基氮和氨氮、氨基氮和氨氮氨基氮氨基氮指有机氮中的

27、氮（指有机氮中的氮（NH2-N），单位是），单位是 mg/100ml。如氨基。如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。氨氮氨氮指无机氨中的氮（指无机氨中的氮（NH3-N）。）。氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵但是氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子的抑制，因此必须控制适量的氮。通过氨基氮和氨氮的分离子的抑制，因此必须控制适量的氮。通过氨基氮和氨氮的分析可控制发酵过程，适时采取补氨措施。析可控制发酵过程，适时

28、采取补氨措施。发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过程。发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则影响提取过程。第三十七页，讲稿共九十九页哦5 5、磷含量、磷含量微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为主，微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸盐为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的组成部分，是高能化合物磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的组成的组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养基中具有部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷措施。非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取补磷措施。第三十八页，讲稿共九十

29、九页哦6 6、菌浓度和菌形态、菌浓度和菌形态菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态和菌浓度直接反映菌生长的情况。菌形态菌形态 显微镜观察显微镜观察菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。补料会引起菌浓度的波动，这也是衡基本恒定。补料会引起菌浓度的波动，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。量补料量适合与否的一个参数。第三十九页，讲稿共九十九页哦第四十页，讲稿共九十九页哦第四十一页，讲稿共九十九页哦菌浓测定方法菌浓测定方法测粘度测粘度压缩体积法（离心）压缩体

30、积法（离心）静置沉降体积法静置沉降体积法光密度测定法光密度测定法 OD600660 适合于细菌、适合于细菌、酵母酵母第四十二页，讲稿共九十九页哦7 7、产物浓度、产物浓度 在培养过程中，产生菌的合成能力和产在培养过程中，产生菌的合成能力和产物积累情况都要通过产物量的测定来了物积累情况都要通过产物量的测定来了解，产物浓度直接反映了生产的状况解，产物浓度直接反映了生产的状况,是是发酵控制的重要参数。而且通过计算还可发酵控制的重要参数。而且通过计算还可以得到生产速率和比生产速率，从而分析以得到生产速率和比生产速率，从而分析发酵条件如补料、发酵条件如补料、pH对产物形成的影响。对产物形成的影响。第四十

31、三页，讲稿共九十九页哦二二 产物量的测定产物量的测定（一）（一）产物量的特殊表示法产物量的特殊表示法1 1、抗生素效价的表示、抗生素效价的表示抗生素效价表示抗生素的有效成分的多少，抗生素效价表示抗生素的有效成分的多少，效价大小用单位（效价大小用单位（U）来表示）来表示效价表示方法：重量折算法效价表示方法：重量折算法 重量单位重量单位 类似重量单位类似重量单位 特殊单位特殊单位第四十四页，讲稿共九十九页哦重量折算单位：以最低抑菌浓度为一个重量折算单位：以最低抑菌浓度为一个单位，如青霉素单位，如青霉素0.6微克微克1U重量单位：规定某些抗生素活性部分重量单位：规定某些抗生素活性部分1g=1u 如链

32、霉素、卡那霉素、红霉如链霉素、卡那霉素、红霉素等定义活性部分素等定义活性部分1g1u第四十五页，讲稿共九十九页哦类似重量单位：规定抗生素的某种盐类似重量单位：规定抗生素的某种盐1mg=1000u如金霉素、四环素的盐酸盐定如金霉素、四环素的盐酸盐定义为义为1g1u特殊单位：药检所制定某些抗生素的单位特殊单位：药检所制定某些抗生素的单位制霉菌素制霉菌素 1mg=3700u多粘菌素多粘菌素B 1mg=10000u第四十六页，讲稿共九十九页哦2 2、酶活力的表示法、酶活力的表示法酶活力用单位来表示。由于酶通常不是很酶活力用单位来表示。由于酶通常不是很纯，不能用重量来表示酶的量。同一种酶纯，不能用重量来

33、表示酶的量。同一种酶用不同的方法测定会有不同的酶活单位，用不同的方法测定会有不同的酶活单位，容易造成混乱，为此国际上作了统一规定，容易造成混乱，为此国际上作了统一规定，规定在规定在250C下，下，以最适的底物浓度，最以最适的底物浓度，最适的缓冲液离子强度，以及最适的适的缓冲液离子强度，以及最适的pH诸诸条件下，每分钟能转化一微克分子底物的酶条件下，每分钟能转化一微克分子底物的酶定量为一个活性单位。定量为一个活性单位。第四十七页，讲稿共九十九页哦（二）（二）产物量的测定产物量的测定1 1、化学法、化学法（1）滴定法）滴定法产物能使一定指示剂变色来指示反应终点的可用滴产物能使一定指示剂变色来指示反

34、应终点的可用滴定法定法如青霉素在碱性条件下加入过量的如青霉素在碱性条件下加入过量的I2，反应生成青霉，反应生成青霉噻唑酸碘，用噻唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘，可计算出青霉滴定多余的碘，可计算出青霉素的单位素的单位柠檬酸可以用柠檬酸可以用NaOH滴定来计算柠檬酸产量滴定来计算柠檬酸产量第四十八页，讲稿共九十九页哦（2）比色法）比色法产物经一定化学反应产生颜色，且颜色深浅与产物产物经一定化学反应产生颜色，且颜色深浅与产物浓度成正比，可以用比色法测定。浓度成正比，可以用比色法测定。淀粉酶活力测定：在淀粉酶活力测定：在1%可溶性淀粉溶液中加入淀可溶性淀粉溶液中加入淀粉酶，所释放出的麦芽糖与生色

35、试剂（粉酶，所释放出的麦芽糖与生色试剂（3，5-二硝二硝基水杨酸与酒石酸钾钠的碱溶液）产生颜色，基水杨酸与酒石酸钾钠的碱溶液）产生颜色，它在它在540nm处所得吸光度跟淀粉酶活力成正比。处所得吸光度跟淀粉酶活力成正比。第四十九页，讲稿共九十九页哦（3）测压法）测压法 产物特定反应放出或摄入气体，使系统有压力产物特定反应放出或摄入气体，使系统有压力变化，可以通过测定压力变化得知产物量。变化，可以通过测定压力变化得知产物量。2、物理法、物理法 许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋许多酶、抗生素都有不对称碳原子，具有旋光性，因此可以通过测定旋光度来测定酶或光性，因此可以通过测定旋光度来测定酶或抗生

36、素的含量。抗生素的含量。谷氨酸谷氨酸氨基丁酸氨基丁酸CO2第五十页，讲稿共九十九页哦化学和物理方法优点：快速、方便，经常用于化学和物理方法优点：快速、方便，经常用于过程分析过程分析缺点产品中存在的杂质会干扰测定结果，因此缺点产品中存在的杂质会干扰测定结果，因此抗生素成品的测定用生物法测定。抗生素成品的测定用生物法测定。适用于抗生素效价的测定适用于抗生素效价的测定 生物法以抗生素的杀菌能力为衡量效价的标准生物法以抗生素的杀菌能力为衡量效价的标准，其原理恰好与临床应用的要求相一致，而且其原理恰好与临床应用的要求相一致，而且此法灵敏度高，需用的检品量较小，这是其此法灵敏度高，需用的检品量较小，这是其

37、它方法不能比的。但此法得到结果比较慢，它方法不能比的。但此法得到结果比较慢，需经过需经过1618小时培养。生物法常用于发酵终小时培养。生物法常用于发酵终了产品效价的测定。了产品效价的测定。3 3、生物法、生物法第五十一页，讲稿共九十九页哦常用的生物法测定抗生素，采用杯碟法常用的生物法测定抗生素，采用杯碟法“杯杯”是放被测抗生素的不锈钢小管，小管是放被测抗生素的不锈钢小管，小管内径为内径为6mm，高，高10mm的圆筒形管子，管子的的圆筒形管子，管子的重量尽可能相等。碟是摊布培养基的玻璃培养重量尽可能相等。碟是摊布培养基的玻璃培养皿。皿。操作方法是：将已灭菌的琼脂培养基加热到完操作方法是：将已灭菌

38、的琼脂培养基加热到完全融化，倒在培养皿内，每碟全融化，倒在培养皿内，每碟15ml（下层），（下层），待其凝固。此外，将融化的培养基冷却到待其凝固。此外，将融化的培养基冷却到500C左右混入试验菌，将混有菌的培养基左右混入试验菌，将混有菌的培养基5 ml加到加到已凝固的培养基上待凝固（上层）。已凝固的培养基上待凝固（上层）。第五十二页，讲稿共九十九页哦在培养基表面垂直放上小杯，在杯中加入待在培养基表面垂直放上小杯，在杯中加入待检样品，加满后在检样品，加满后在370C培养培养1618小时。在小时。在培养中培养中,一方面试验菌开始生长另一方面抗生素一方面试验菌开始生长另一方面抗生素呈球面扩散，离杯越

39、近，抗生素浓度越大，离呈球面扩散，离杯越近，抗生素浓度越大，离杯越远抗生素浓度越小。随着抗生素浓度减小，杯越远抗生素浓度越小。随着抗生素浓度减小，有一条最低抑菌浓度带，在带范围内，菌不能有一条最低抑菌浓度带，在带范围内，菌不能生长，而呈透明的圆圈，这就叫生长，而呈透明的圆圈，这就叫“抑菌圈抑菌圈”。抗生素浓度越高，抑菌圈越大，抗生素浓度越高，抑菌圈越大，第五十三页，讲稿共九十九页哦r:抑菌圈的半径抑菌圈的半径(毫米）毫米）M：抗生素在管中的量：抗生素在管中的量（单位）（单位）C：最低抑菌浓度（单位：最低抑菌浓度（单位/毫毫升）升）H：培养基的厚度（毫米）：培养基的厚度（毫米）L：管子的高度（毫

40、米）：管子的高度（毫米）D：抗生素的扩散系数（毫：抗生素的扩散系数（毫米米/小时）小时）T：细菌生长到肉眼所用：细菌生长到肉眼所用的时间的时间 （小时）（小时）第五十四页，讲稿共九十九页哦抗生素浓度与抑菌圈的半径成一定数学关系抗生素浓度与抑菌圈的半径成一定数学关系logM=(1/9.21DT)r2+log(C.4DTH)抗生素的总量的对数值与抑菌圈半径的抗生素的总量的对数值与抑菌圈半径的平方呈正比。此外还受平方呈正比。此外还受C、H、D、T的影的影响响但是但是C、H、D、T是无法测量的，在实是无法测量的，在实际计算中要设法消去际计算中要设法消去第五十五页，讲稿共九十九页哦一般的消去方法有一般的

41、消去方法有l二剂量法二剂量法l标准曲线法标准曲线法第五十六页，讲稿共九十九页哦两剂量法：两剂量法：标准品低单位标准品低单位总量总量:m抑菌圈半径抑菌圈半径SL标准品高单标准品高单位位总量总量:M抑菌圈半径：抑菌圈半径：SH样品高单位样品高单位总量总量:M抑菌圈半径抑菌圈半径UH样品低单位样品低单位总量总量:m抑菌圈半径：抑菌圈半径：UL已知：已知：令：令：得出：得出：第五十七页，讲稿共九十九页哦logMlogM_logM/M=同理同理logmlogm=logm/m=log=log2log=第五十八页，讲稿共九十九页哦logMlogm=logM/m=logKlogMlogm=logM/m=log

42、K2logK=第五十九页，讲稿共九十九页哦标准曲线法标准曲线法优点：在一个碟子上可以优点：在一个碟子上可以同时做两个样品的效价，同时做两个样品的效价，当要做的样品量大时，采当要做的样品量大时，采取标准曲线法可以提高效取标准曲线法可以提高效率。率。假设选用的浓度为：假设选用的浓度为：3U，4U，5U，6U,7U中心点是中心点是5U1122第六十页，讲稿共九十九页哦每个浓度做三个碟子。每个浓度做三个碟子。5U为中心点，每个为中心点，每个碟子中有碟子中有3个杯中加个杯中加中心点浓度，其余中心点浓度，其余3个加其它浓度。测得个加其它浓度。测得抑菌圈后，将浓度和抑菌圈后，将浓度和抑菌圈平均直径做标抑菌圈

43、平均直径做标准曲线。准曲线。第六十一页，讲稿共九十九页哦logMr第六十二页，讲稿共九十九页哦管碟法影响因素的讨论：管碟法影响因素的讨论：斜率小斜率小 D、T大大,误差小误差小截距小截距小 C、D、T、H小，误差小小，误差小第六十三页，讲稿共九十九页哦logMrlogM1r1r1r1第六十四页，讲稿共九十九页哦l培养基厚度培养基厚度H越小，其它条件相同时越小，其它条件相同时r越大。越大。影响影响H的因素：培养基的厚度的因素：培养基的厚度l细菌生长到肉眼所需的时间细菌生长到肉眼所需的时间T越大在其它越大在其它条件相同时，条件相同时，r越大越大影响影响T的因素：菌体本身，及影响菌体生长的的因素：菌

44、体本身，及影响菌体生长的条件如：接种量，培养温度、及营养环境条件如：接种量，培养温度、及营养环境其它影响因素：上层铺得平整、菌液加入其它影响因素：上层铺得平整、菌液加入时的温度、钢圈的放置、滴液时的温度、钢圈的放置、滴液第六十五页，讲稿共九十九页哦在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头）放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控制提供依据。一一 参数在线检测参数在线检测由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高，因此对由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高，因此对传感器有特殊要求：传感器有特殊要求：插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌（材料、插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭

45、菌（材料、数据）数据）传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染菌（密封性传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染菌（密封性好）好）传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。（响应快、灵敏）（响应快、灵敏）传感器性能要稳定，受气泡影响小。传感器性能要稳定，受气泡影响小。第六十六页，讲稿共九十九页哦氨是酶反应中最常见的产物和反应物，氨离子可氨是酶反应中最常见的产物和反应物，氨离子可用氨气敏电极来测定。用氨气敏电极来测定。CO2电极（测溶液中的电极（测溶液中的CO2）结构与氨电极类）结构与氨电极类似。测量似。测量CO2时，气体透过电极膜，时，气体透过电极膜，

46、CO2和和水反应，达到以下平衡：水反应，达到以下平衡：pH电极电极溶氧电极溶氧电极 它们是基础电极，以它们为基础可以制作它们是基础电极，以它们为基础可以制作各种离子电极和酶电极各种离子电极和酶电极CO2+H2O HCO3-+H+第六十七页，讲稿共九十九页哦什么因素导致什么因素导致pH下降？下降？1 1、有机酸的积累、有机酸的积累 有机酸积累有机酸积累 pH下降下降 补加氨水补加氨水 在正常代谢情况下，细胞通过在正常代谢情况下，细胞通过EMP途径和途径和TCA循环的过程是为细胞合成提供前体和能量的，按照循环的过程是为细胞合成提供前体和能量的，按照细胞经济学的原则不会供过于求，即不会出现有机细胞经

47、济学的原则不会供过于求，即不会出现有机酸的积累酸的积累若发酵后期有机酸积累会引起加入的若发酵后期有机酸积累会引起加入的NH4+积累，积累，相应出现产苷速率下降。相应出现产苷速率下降。代谢不正常代谢不正常第六十八页，讲稿共九十九页哦测定以下中间物测定以下中间物发酵后期丙酮酸积累发酵后期丙酮酸积累第六十九页，讲稿共九十九页哦2 2、氨基酸的积累、氨基酸的积累在有机酸分析的基础上进一步通过在有机酸分析的基础上进一步通过HPLC测定测定发酵过程中不同时间发酵液中氨基酸，结果发现发酵过程中不同时间发酵液中氨基酸，结果发现总氨基酸积累并且其积累晚于有机酸和总氨基酸积累并且其积累晚于有机酸和NH4+积积累。

48、累。第七十页，讲稿共九十九页哦氨基酸成分分析表明，初始发酵液中谷氨酸浓氨基酸成分分析表明，初始发酵液中谷氨酸浓度比较高，其它氨基酸浓度都较低，随着发酵度比较高，其它氨基酸浓度都较低，随着发酵过程的进行谷氨酸很快被用于菌体合成，在过程的进行谷氨酸很快被用于菌体合成，在8小时之前已经降到很低水平，并始终维持在低水小时之前已经降到很低水平，并始终维持在低水平，而在平，而在48小时左右丙氨酸开始出现明显的小时左右丙氨酸开始出现明显的积累，发酵液中积累量达到初始量的积累，发酵液中积累量达到初始量的12.6倍倍之多，其它十余种氨基酸浓度则变化不大，并之多，其它十余种氨基酸浓度则变化不大，并且在整个发酵过程

49、中都维持在较低水平。因此，且在整个发酵过程中都维持在较低水平。因此，丙氨酸浓度变化可能是导致代谢流迁移所致。丙氨酸浓度变化可能是导致代谢流迁移所致。第七十一页，讲稿共九十九页哦3 3、分析原因、分析原因发酵过程中积累的氨基酸主要是丙氨酸，而丙氨发酵过程中积累的氨基酸主要是丙氨酸，而丙氨酸的合成可以直接由丙酮酸转化而来，因此可以酸的合成可以直接由丙酮酸转化而来，因此可以推断由于推断由于EMP途径代谢流的增加造成了丙酮途径代谢流的增加造成了丙酮酸的积累，丙酮酸随后转化为丙氨酸酸的积累，丙酮酸随后转化为丙氨酸丙氨酸本身又会对谷氨酸合成酶（丙氨酸本身又会对谷氨酸合成酶（GS）造成）造成反馈抑制和阻遏，

50、使产苷速率降低。反馈抑制和阻遏，使产苷速率降低。第七十二页，讲稿共九十九页哦丙酮酸积累丙酮酸积累 氨水补加增加氨水补加增加NH4+积累积累抑制抑制GS抑制抑制TCA循环循环丙酮酸积累丙酮酸积累激活磷酸果糖激酶激活磷酸果糖激酶EMP流量增加流量增加恶性循环恶性循环丙氨酸积丙氨酸积累累第七十三页，讲稿共九十九页哦（二）（二）代谢流迁移的酶学证明代谢流迁移的酶学证明糖代谢途径关键酶糖代谢途径关键酶糖酵解途径（糖酵解途径（EMP）在糖酵解途径中有两个不可逆的步骤的酶：在糖酵解途径中有两个不可逆的步骤的酶：磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶 磷酸果糖激酶的时序分析磷酸果糖激酶的时序分析第七