理学发酵工艺控制.pptx

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1、 pHpH、溶溶氧氧(DO)(DO)、溶溶解解COCO2 2、氧氧化化还还原原电电位位(rH)(rH)，尾尾气气O O2 2和和COCO2 2含含量量、基基质质(如如葡葡萄萄糖糖)或或产产物物浓浓度度、代代谢谢中中间间体体或或前前体体浓浓度度、菌菌浓浓(以以ODOD值值或或细细胞胞干重干重DCWDCW等代表等代表)等。等。表征过程性质的状态参数：表征过程性质的状态参数：直接状态参数直接状态参数比生长速率比生长速率()()、摄氧率、摄氧率(OUR)(OUR)、COCO2 2释放速率释放速率(CER)(CER)、氧、氧得率系数得率系数(Yx/o)(Yx/o)、氧体积传质速率、氧体积传质速率(K(K

2、L La)a)、基质消耗速率、基质消耗速率(Q(Qs s)、产物合成速率、产物合成速率(Qp)(Qp)等。等。间接状态参数间接状态参数第1页/共74页 生产菌种的特性生产菌种的特性 发酵条件的控制发酵条件的控制 为掌握生产菌种在发酵过程的代谢规律，通过各种监测手段了解各种状态参数随时间的变化，并予以有效的优化控制。决定发酵水平的因素：决定发酵水平的因素：第2页/共74页建立高产经济发酵过程的关键支撑因素：a.先进的培养基组成先进的培养基组成b.先进的细胞代谢物分析技术先进的细胞代谢物分析技术c.先进的统计优化策略先进的统计优化策略第3页/共74页a.营营养养过过于于丰丰富富，菌菌生生长长过过盛

3、盛，发发酵酵液液黏黏稠稠，传传质质状状况况差差。细细胞胞不不得得不不花花费费许许多多能能量量来来维维持持其其生生存存环环境境，即即用用于于非非生生产产的的能能量量倍倍增增，对对产产物物合合成成不利。不利。b.营养缺乏，影响菌体生长和产物形成。营养缺乏，影响菌体生长和产物形成。培养基过于丰富或缺乏的影响：基质浓度对发酵的影响及其控制基质浓度对发酵的影响及其控制第4页/共74页 例2：谷氨酸发酵中以乙醇为碳源，控制乙醇浓度在2.5-3.5 g/L，可延长谷氨酸合成时间。例1：酵母crabtree效应。高糖度下，即使溶氧充足，它还会进行发酵产生乙醇。碳源浓度对产物形成的影响：第5页/共74页 一一般

4、般随随灭灭菌菌温温度度升升高高，时时间间延延长长，对对养养分分的的破破坏坏作作用用愈愈大大，从从而而影影响响产产物的合成。物的合成。特别是葡萄糖，不宜同其他养分一起灭菌。特别是葡萄糖，不宜同其他养分一起灭菌。灭菌情况灭菌情况第6页/共74页种子的质和量影响：发酵期间菌种生长的快慢 产物合成的多寡种子质量种子质量第7页/共74页 一般，种龄是对数生长期的后期。一般，种龄是对数生长期的后期。太年轻的种子 过老的种子 不同品种、不同工艺条件的发酵，最适种龄也不尽相同，要经多次试验而定。种龄种龄第8页/共74页 常用接种量为510。接种量是由菌的生长繁殖速度决定的。大接种量 接种量过大接种量接种量第9

5、页/共74页温度对发酵的影响温度对发酵的影响不同微生物最适生长温度和耐受温度范围各异。不同微生物最适生长温度和耐受温度范围各异。第10页/共74页 温度对比生长速率与比死亡速率的影响可表示为：1n=lnAEaRT (7-32)1na=lnAEaRT (7-33)A和Ea分别为Arrennius常数和活化能；R和T分别为通用气体常数和绝对温度。Arrennius方程式方程式温度对比生长速率与比死亡速率的影响：温度对比生长速率与比死亡速率的影响：第11页/共74页 微生物生长活化能Ea在5070kJmol，死亡活化能Ea为300-380kJmol。这说明死亡速率随温度增加的速度远大于生长速率。这说

6、明死亡速率随温度增加的速度远大于生长速率。Kr1、Kr2分别为在温度T1、T2下酶的活力。活化能高低的意义：活化能活化能E E反映酶反应速率受温度变化的影响程度。反映酶反应速率受温度变化的影响程度。第12页/共74页例如：青霉菌生长的E=34kJE=34kJmolmol，青霉素合成的E=112 kJE=112 kJmolmol。说明，青霉素合成速率对温度特别敏感。第13页/共74页 细胞得率随温度升高而降低，原因是维持生命活动的能量需求增加。维持系数的活化能为5070 kJmol，最大的转化率所处的温度一般略低于最适生长温度。温度对细胞得率的影响温度对细胞得率的影响第14页/共74页（1）温度

7、对生长和生产的影响是不同的。温度升高，生长代谢加快，生产期提前。但酶因过热而失活，菌体易衰老，发酵周期缩短，影响产量。温度对发酵的影响温度对发酵的影响（2）温度通过改变发酵液物理性质间接影响产物合成。氧的溶解度和基质的传质速率以及菌对养分的分解和吸收速率受温度影响。第15页/共74页（3）温度影响生物合成的方向。四环素发酵中金色链霉菌低于3030下，合成金霉素的能力较强；合成四环素的比例随温度升高而增大，3535只产生四环素。（4）温度对代谢有调节作用2020，氨基酸合成途径的反馈抑制作用比在3737大。故可考虑在抗生素发酵后期降低温度，让蛋白质和核酸的正常合成途径关闭得早，使发酵代谢转向产物

8、合成。第16页/共74页菌菌生生长长的的最最适适温温度度与与产产物物合合成成最最适适温温度度不不一一定定一一致致，因因此此发发酵酵过过程程应应该该变变温温控制。控制。最适温度的选择最适温度的选择例1：黄原胶发酵前期生长温度控制27；中后期在32，可明显提高产胶量约20。例例2：四环素发酵的温度控制：四环素发酵的温度控制：030h，稍高温度促进生长，缩短发酵周期；，稍高温度促进生长，缩短发酵周期；30150h稍低温度维持较长生产期。稍低温度维持较长生产期。例3：青霉素发酵的变温控制：05h，30；540h，25；40125h，20；125165h，25。第17页/共74页、供氧条件差的情况下：最

9、适发酵温度比在正常情况低一些。这是由于低温下氧溶解度大，菌生长速率小一些，从而弥补因供氧不足而造成的代谢异常。温度选择应参考其他发酵条件，灵活掌握。温度选择应参考其他发酵条件，灵活掌握。、培养基的成分和浓度：稀薄或较易利用的培养基时提高发酵温度则养分过早耗竭，导致菌丝过早自溶，产量降低。第18页/共74页 pH是微生物生长和产物合成非常重要的状态参数，是代谢活动的综合指标。因此，必须掌握发酵过程中pH变化的规律，及时监控，使它处于生产的最佳状态。的影响的影响第19页/共74页 大多数微生物生长适应的pH跨度为34，其最佳生长pH跨度为0.51。pH影响跨膜pH梯度，从而影响膜的通透性。发酵过程

10、中发酵过程中pHpH变化的规律变化的规律1.1.生生长长最最适适温温度度高高的的菌菌种种，其其最最适适pHpH也也相相应应高高一一些些。（设设计计微微生生物物生生长长环境，如控制杂菌生长。）环境，如控制杂菌生长。）2.2.微生物生长和产物合成阶段最适微生物生长和产物合成阶段最适pHpH通常不一样。通常不一样。第20页/共74页 培养基成分：NH4+被利用成为RNH3+后，在培养基内生成H+；N03-还原为RNH3+；氨基酸被利用后产生H+，使pH下降。产物（有机酸）的积累：如乳酸、丙酮酸或乙酸。为什么发酵过程为什么发酵过程pHpH发生变化呢？发生变化呢？第21页/共74页 pHpH的的变变化化

11、会会影影响响各各种种酶酶活活（菌菌对对基基质质的的利利用用速速率率和和细细胞胞的的结结构构），从从而而影响菌的生长和产物的合成。影响菌的生长和产物的合成。变化的变化的pHpH为什么影响细胞生长和产物合成呢？为什么影响细胞生长和产物合成呢？pHpH值值还还会会影影响响菌菌体体细细胞胞膜膜电电荷荷状状况况，引引起起膜膜渗渗透透性性的的变变化化，从从而而影影响响菌菌对养分的吸收和代谢产物的分泌。对养分的吸收和代谢产物的分泌。第22页/共74页 准准则则：获获得得最最大大比比生生产产速速率率和和适适当当的的菌菌量量，以获得最高产量。以获得最高产量。最适最适pHpH的选择的选择举例：利福霉素生产的pH控

12、制-pH7.0时，平均得率系数达最大值。故：生长期和生产期的pH分别维持在6.5和7.0可使利福霉素B的产率比整个发酵过程的pH维持在7.0的情况下的产率提高14。第23页/共74页pHpH的控制的控制首先从基础培养基的配方考虑，然后通过加酸碱或中间补料加酸碱或中间补料来控制。如在基础培养基中加适量的CaCO3；常用NaOH或Ca(OH)2调节pH，也需注意培养基离子强度和产物可溶性。第24页/共74页链链霉霉素素的的发发酵酵：采采用用过过程程通通NHNH3 3控控制制pHpH，也也补补充充了了N N源源。但但在在通通氨氨过过程程中中监监测测溶溶氧氧浓浓度度的的变变化化防防止止菌菌中毒。中毒。

13、青霉素发酵青霉素发酵中中pHpH的控制：调节加糖速率的控制：调节加糖速率来控制来控制pHpH，比用恒速加糖，比用恒速加糖，pHpH由酸碱控由酸碱控制可提高青霉素的产量制可提高青霉素的产量2525。第25页/共74页在培养液的缓冲能力不强的情况下在培养液的缓冲能力不强的情况下pHpH变化可反映菌的生理状况。变化可反映菌的生理状况。例如：例如：pHpH上上升升超超过过最最适适值值，意意味味着着菌菌处处在在饥饥饿饿状状态态，可可加加糖糖调调节节。加加糖糖过量又会使过量又会使pHpH下降。下降。第26页/共74页溶氧对发酵过程的影响溶氧对发酵过程的影响 原因：原因：氧的溶解度很低。氧的溶解度很低。28

14、28氧氧在在发发酵酵液液中中100100的的空空气气饱饱和和浓浓度度只只有有7mg/L7mg/L左左右右，比比糖糖的的溶溶解解度小度小70007000倍。倍。在在对对数数期期即即使使发发酵酵液液中中的的溶溶氧氧能能达达到到100100空空气气饱饱和和度度，若若此此时时中中止止供供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。发酵过程中溶氧往往最易成为限制因素发酵过程中溶氧往往最易成为限制因素?第27页/共74页溶氧的高低取决于供氧、通气搅拌等，还取决于需氧状况。最简便有效的办法是就地监测发酵液中的溶氧浓度。从溶氧变化的情况了

15、解氧供需规律及其对生长和产物合成的影响。溶氧是否充足的判断溶氧是否充足的判断第28页/共74页一、描述微生物需氧的物理量一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧）：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，气，mmol O2g菌菌-1 h-1 摄氧率摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1。r=QO2.X微生物对氧的需求微生物对氧的需求第29页/共74页空气饱和度百分数：空气饱和度百分数：发发酵酵行行业业采采用用此此方方法法表表征征溶溶氧氧。这

16、这只只能能在在相相似似的的温温度度、罐罐压压、通通气气搅搅拌拌下下进行比较。能反映菌的生理代谢变化和对产物合成的影响。进行比较。能反映菌的生理代谢变化和对产物合成的影响。应应用用时时，必必须须在在接接种种前前标标定定电电极极。方方法法是是在在一一定定的的温温度度、罐罐压压和和通通气气搅搅拌下以消后培养基被空气拌下以消后培养基被空气100100饱和为基准。饱和为基准。第30页/共74页二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响C CCr:Cr:临界溶氧浓度临界溶氧浓度,指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。CCrQO2CL第31

17、页/共74页一般对于微生物：一般对于微生物：CCr:115%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.6*10-3 mmol.L-1,1.8%产黄青霉产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1,8.8%定义：定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.第32页/共74页 各种微生物的临界氧值以空气氧饱和度表示：细菌和酵母为310；放线菌为530和霉菌为1015。呼吸临界氧值不一定与产物合成临界氧值相同：卷须霉素和头孢菌素的呼吸临界氧值分别1323和57；其抗生素合成

18、的临界氧值则分别为8和1020。生物合成临界氧浓度并不等于其最适氧浓度。第33页/共74页 培养液中溶氧浓度的变化可以反映菌的生长状况。二次生长 生长衰退或自溶时会出现溶氧 发酵过程中溶氧浓度的变化第34页/共74页 即使是专性好气菌，过高的溶氧对生长可能不利。原因：氧的有害作用是通过形成新生O，超氧化物基02-和过氧化物基022-，或羟基自由基OH-，破坏许多细胞组分体现的。有些带巯基的酶对高浓度的氧敏感。培养过程中并不是维持溶氧越高越好：培养过程中并不是维持溶氧越高越好：第35页/共74页 (1)、有些操作故障或事故引起的发酵异常现象能从溶氧的变化中得到反映。例1：停搅拌，未及时开搅拌或搅

19、拌发生故障，空气未能与液体充分混合均匀等都会使溶氧比平常低许多。三、溶氧作为发酵异常的指示三、溶氧作为发酵异常的指示第36页/共74页(2)、中间补料是否得当可以从溶氧的变化看出。例如：赤霉素发酵，有时会出现发酸现象。这时，氨基氮迅速上升，溶氧会很快升高。这是由于供氧条件不强的情况下补料时机掌握不当和间隔过密，导致长时间溶氧处于较低水平所致。溶氧不足的结果，产生乙醇，并与代谢中的有机酸反应，形成一种带有酒香味的酯类，视为发酸。第37页/共74页(3)、污染杂菌 遇到这种情况溶氧会一反往常迅速(一般25 h内)跌到零，并长时间不回升。但不是一染菌溶氧就掉到零，要看杂菌的好气情况和数量，在罐内与生

20、产菌比，看谁占优势。有时染菌后溶氧反而升高。原因：生产菌受到杂菌抑制，而杂菌又不太需氧。第38页/共74页(4)、作为质量控制的指标 例：天冬氨酸发酵，前期好气培养，后期转为厌气培养，酶活大为提高。掌握转换时机颇为关键。当溶氧下降到45时由好气切换到厌氧可提高酶活6倍。第39页/共74页供氧方面：dcdt=KLa(c*cL)(7-35)dcdt为单位时间内发酵液溶氧浓度的变化，mmol02(Lh)；KL为氧传质系数，mh；a为比界面面积，m2m3；c*为氧在水中的饱和浓度，mmolL；cL为发酵液中的溶氧浓度，mmolL。四、供氧的调节四、供氧的调节凡是使KLa和c*增加的因素都能使发酵供氧改

21、善。第40页/共74页、提高氧分压：在通气中掺入纯氧或富氧；、提高罐压：但同时也会增加溶解C02的浓度，因它的溶解度比氧高30倍，这会影响pH和菌的生理代谢，还会增加对设备强度的要求；增加c*的办法、改变通气速率：作用是增加液体中夹持气体体积的平均成分。在通气量较小的情况下增加空气流量，溶氧提高的效果显著，但在流量较大的情况下再提高空气流速，对氧溶解度的提高不明显，反而会使泡沫大量增加，引起逃液。第41页/共74页理论上分析理论上分析KLand通气量通气量提高搅拌，调节提高搅拌，调节kla的效果显著的效果显著例例 黑曲霉生产糖化酶黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比通气比 1:

22、0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812 2416 2846调节调节Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力。反映了设备的供氧能力。第42页/共74页实际上：实际上：对于转速的调节有时是有限度的对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的通风的增加也是有限的蒸发量大蒸发量大中间挥发性代谢产物带走中间挥发性代谢产物带走第43页/共74页小型发酵罐和大型发酵罐调节小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点的特点q 小型发酵罐，转速可调小型发酵罐，转速可调q 大型发酵罐，转速往往不可调大型发酵罐，转速往往不可调第44页/共74页措施：控制加糖或补料速率、改变发酵温度

23、、液化培养基、中间补水、添加表面活性剂等。只要这些措施运用得当，便能改善溶氧状况和维持合适的溶氧水平。为改善溶氧状况、维持合适的溶氧水平还需要适当控制菌的摄氧率。第45页/共74页影响需氧的工艺条件：第46页/共74页培养基养分的丰富程度的影响培养基养分的丰富程度的影响 限制养分的供给可减少菌的生长速率，也可达到限制菌对氧的大量消耗，从而提高溶氧水平。这看来有些“消极”，但从总的经济情况看，在设备供氧条件不理想的情况下，控制菌量，使发酵液的溶氧不低于临界氧值，从而提高菌的生产能力，达到高产目标。第47页/共74页温度的影响温度的影响 由于氧传质的温度系数比生长速率的低，降低发酵温度可得到较高的

24、溶氧值。这是由于c*的增加，使供氧方程的推动力(c*cL)增强，和影响了菌的呼吸(指偏离最适生长温度的情况下)。据此，采采用用降降温温办办法法以以提提高高溶溶氧氧的的前前提是对产物合成没有副作用提是对产物合成没有副作用。第48页/共74页富氧气体既费事又不经济富氧气体既费事又不经济 氧气的成本高，但对产值高的品种，规模较小发酵，在关键时刻，即菌的摄氧率达高峰阶段，采用富氧气体以改善供氧状况是可取的。这这应应当当是是改善供氧措施中的最后一招。改善供氧措施中的最后一招。纯氧与空气混合后使用较为安全。第49页/共74页第50页/共74页溶氧对发酵过程的影响还必须与其他参数配合起来分析。溶氧对发酵过程

25、的影响还必须与其他参数配合起来分析。例如：搅拌对溶氧和菌的呼吸有较大的影响，但分析时还要考虑到它对菌丝形态、泡沫的形成、CO2的排除等其他因素的影响。第51页/共74页二氧化碳和呼吸商二氧化碳和呼吸商第52页/共74页（1）CO2可作为重要的基质可作为重要的基质:例例1：精氨酸的合成过程中其前体精氨酸的合成过程中其前体氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸的合成需要的合成需要CO2。例例2：无机化能营养菌能以无机化能营养菌能以CO2作为唯一碳源。作为唯一碳源。例例3：异异养养菌菌在在需需要要时时可可利利用用补补给给反反应应来来固固定定CO2。细细胞胞本本身身的的代代谢谢途途径径通通常常能能满

26、满足足这这一一需需要要。如如发发酵酵前前期期大大量量通通气气，可可能能出出现现CO2受受限限制制，导致适应导致适应(停滞停滞)期的延长。期的延长。COCO2 2对发酵的影响对发酵的影响第53页/共74页 例1、尾气CO2浓度高于4时，微生物的糖代谢与呼吸速率下降；当CO2分压为0.08 105Pa时，青霉素比合成速率降低40。例2、发酵液中溶解CO2浓度为1.610-2molL时会强烈抑制酵母的生长。当进气CO2含量占混合气体流量的80时酵母活力只有对照值的80。（2）发酵液中CO2浓度对发酵有抑制或刺激作用。大多数微生物适应低CO2浓度(0.020.04体积分数)。第54页/共74页 溶解C

27、O2主要作用于细胞膜的脂肪酸核心部位，而HCO3-则影响磷脂亲水头部带电荷表面及细胞膜表面的蛋白质。当细胞膜的脂质相中CO2浓度达到一临界值时，膜的流动性及表面电荷密度发生变化。将影响细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻醉”状态，生长受抑制，形态发生变化。（3）CO2对细胞的作用是影响细胞膜的结构：第55页/共74页 在10m高的罐中，在1.01105Pa的气压下操作，底部的CO2分压是顶部的两倍。泡沫上升时，有时采用减少通气量、提高罐压来抑制逃液，这将增加CO2的溶解度，对菌的生长有害。（4）工业发酵罐中CO2的影响值得注意，因罐内的CO2分压是液体深度的函数。第56页/共74页呼吸商与发酵的关

28、系呼吸商与发酵的关系发酵过程中的摄氧率(OUR)和CO2的释放率(CER)：第57页/共74页 发酵尾气O2含量的变化恰与CO2含量变化成反向同步关系。由此可判断菌的生长、呼吸情况。呼吸商：RQ=CEROUR。呼吸商呼吸商RQRQ第58页/共74页RQRQ值可以反映菌的代谢情况值可以反映菌的代谢情况例如：酵母培养过程中：RQ=1，表示糖代谢走有氧分解代谢途径，仅供生长、无产物形成；RQ1.1，表示走EMP途径，生成乙醇；RQ=0.93，生成柠檬酸 第59页/共74页菌在利用不同基质时，其菌在利用不同基质时，其RQRQ值也不同值也不同第60页/共74页 在青霉素发酵中生长、维持和产物形成阶段的理

29、论RQ值分别为0.909、1.0和4.0。产物形成对RQ的影响较明显。如产物的还原性比基质大时，其RQ值就增加；反之，当产物的氧化性比基质大时，其RQ值就要减小。其偏离程度取决于单位菌体利用基质形成产物的量。不同发酵阶段的不同发酵阶段的RQRQ值也不一样值也不一样第61页/共74页原因：这说明发酵过程中存在着：、不完全氧化的中间代谢物。、葡萄糖以外的碳源。在实际生产中测得的RQ值明显低于理论值：第62页/共74页加糖、补料对发酵的影响及其控加糖、补料对发酵的影响及其控制制 分批发酵常因配方中的糖量过多造成细胞生长过旺，供氧不足。解决这个问题可在过程中加糖和补料。第63页/共74页补料的作用：及

30、时供给菌合成产物的需要。通过补料控制可调节菌的呼吸，以免过程受氧的限制。补料分批培养也可用于研究微生物的动力学，比连续培养更易操作和更为精确。第64页/共74页补料的策略补料的策略 一次性大量、多次少量、连续流加；连续流加分为：快速、恒速、指数和变速流加。从补加的培养基成分来分，有用单一成分的，也有用多组分的料液。优化补料速率要根据优化补料速率要根据微生物对养分的消耗速率微生物对养分的消耗速率及及所设定的发酵液中最低维持浓度所设定的发酵液中最低维持浓度而定。而定。第65页/共74页 不论生物反应器的体积传质系数大小，它们均有一最佳补料速率。补补糖糖速速率的最佳点与率的最佳点与K KL La a

31、有关。有关。补料速率&设备供氧能力 KLa大(400h-1)，补糖速率也需相应加大，结果生产水平也会相应提高。供氧能力差的设备，其补料速率也相应减小，才能达到这一设备的最高生产水平。第66页/共74页补料的依据和判断补料的依据和判断补料的判断依据：补料的判断依据：菌菌的的形形态态，发发酵酵液液中中糖糖浓浓度度，溶溶氧氧浓浓度度，尾尾气气中中的的氧氧和和COCO2 2含含量量，摄摄氧氧率率或呼吸商的变化等。或呼吸商的变化等。第67页/共74页 例 1：Waki等 在 补 料 分 批 发 酵 中 通 过 监 控 CO2的 生 成 来 控 制Trichodermareesei的纤维素酶的生产。例2：

32、以发酵液中的残糖浓度为指标控制补料。对次级代谢产物的发酵，还原糖浓度一般控制在5 gL左右的水平。例3：也有用产物的形成来控制补料。现代酵母生产是藉自动测量尾气中的微量乙醇来严格控制糖蜜的流加。这种方法会导致低的生长速率，但其细胞得率接近理论值。第68页/共74页 以大肠杆菌为例，通过补料控制溶氧不低于临界值可使细胞密度大于40 g/L；补入葡萄糖、蔗糖及适当的盐类，并通氨控制pH值，对产率的提高有利。不同的补料方式会产生不同的效果。第69页/共74页 谷谷氨氨酸酸发发酵酵中中在在某某一一生生长长阶阶段段，生生产产菌菌的的摄摄氧氧率率与与基基质质消消耗耗速速率率之之间间存存在在着着线线性性关关

33、联联。据据此此，补补料料速速率率可可用用摄摄氧氧率率控控制制，将将其其控控制制在在与与基基质质消消耗耗速速率率相相等的状态。等的状态。测测定定分分批批加加糖糖过过程程中中尾尾气气氧氧浓浓度度，可可求求得得摄摄氧氧率率(OUR)(OUR)，OUROUR与与糖糖耗耗速速率率(q(qs sX)X)之间的关系式：之间的关系式：K=OURK=OURq qs sX X耗氧量耗氧量(mmolO(mmolO2 2)糖耗糖耗(mmol)(7-43)(mmol)(7-43)利用利用K K值和摄氧率可间接估算糖耗。值和摄氧率可间接估算糖耗。案例分析：案例分析：谷氨酸发酵的补料控制谷氨酸发酵的补料控制C6H12O6十

34、1.5O2+NH3一C5H9O4N+CO2+3H20 (7-44)理论上可得理论上可得K K值为值为1.51.5。但实际最佳。但实际最佳K K值为值为1.751.75。第70页/共74页3 3 3 3批谷氨酸发酵中糖浓度的控制受批谷氨酸发酵中糖浓度的控制受批谷氨酸发酵中糖浓度的控制受批谷氨酸发酵中糖浓度的控制受K K K K值的影响。值的影响。值的影响。值的影响。K=1.51K=1.51糖耗估计过高，发酵罐中补糖过量；糖耗估计过高，发酵罐中补糖过量；K=2.16K=2.16糖耗又过低；糖耗又过低；K=1.75K=1.75的情况下加糖速率等于糖耗速率。的情况下加糖速率等于糖耗速率。第71页/共7

35、4页 在青霉素分批发酵中总菌量、黏度和氧的需求一直在增加，直到氧受到限制。因此，可可通通过过补补料料速速率率的的调调节节来来控控制制生生长长和和氧氧耗耗，使使菌菌处处于于半半饥饥饿饿状状态，使发酵液有足够的氧，从而达到高的青霉素生产速率。态，使发酵液有足够的氧，从而达到高的青霉素生产速率。青霉素发酵是补料系统用于次级代谢物生产的范例案例分析：案例分析：案例分析：案例分析：青霉素发酵的补料系统青霉素发酵的补料系统青霉素发酵的补料系统青霉素发酵的补料系统第72页/共74页比生长速率的作用与控比生长速率的作用与控制制 比生长速率是代表生物反应器动态特性的重要参数。为了获得最大量的细胞生产，需在面包酵母培养期间维持最大的，这就需要将培养液中的残糖保持在最适合的浓度。因此，可用葡萄糖传感器进行在线监控。TakamatsuTakamatsu等曾成功地将程序控制器反馈补偿器等曾成功地将程序控制器反馈补偿器(PF)(PF)系统应用于设定系统应用于设定的控制的控制第73页/共74页感谢您的观看！第74页/共74页