關于微生物發酵培養第1頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三第六章微生物發酵培養第一節發酵動力學第二節發酵培養方法的分類第三節影響發酵過程的主要因素第四節雜菌的污染與防治第2頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三第一節微生物發酵動力學化學動力學：

Chemicalkineticsisthestudyofthespeedwithwhichachemicalreactionoccursandthefactorsthataffectthisspeed.

Whatismeantbythespeedofareaction?Thespeedofareactionistherateatwhichtheconcentrationsofreactantsandproductschange.

kinetics：Thebranchofchemistrythatisconcernedwiththeratesofchangeintheconcentrationofreactantsinachemicalreaction.第3頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三

XS（底物）X（菌體）＋P（產物）發酵過程反應的描述發酵過程的反應描述及速度概念第4頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三發酵動力學（fermentationkinetics):研究發酵過程的反應速率和環境因素對速率的影響。

菌體生成速率－－－菌體生長動力學產物生成速率－－－產物生成動力學基質消耗速率－－－基質消耗動力學三者之間的關系單位時間內單位菌體消耗基質或形成產物（菌體）的量稱為比速，是生物反應中用于描述反應速度的常用概念第5頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三

發酵反應動力學的研究內容研究反應速度及其影響因素并建立反應速度與影響因素的關聯反應動力學模型反應器特性+反應器的操作模型操作條件與反應結果的關系，定量地控制反應過程第6頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三發酵動力學研究的目的通過發酵動力學的研究，可進一步了解微生物的生理特征，菌體生長和產物形成的合適條件，以及各種發酵參數之間的關系，為發酵過程的工藝控制、發酵罐的設計放大和用計算機對發酵過程的控制創造條件。第7頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三二、微生物生長動力學

微生物細胞的生長速率和環境條件對生長速率的影響。

第8頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（一）生長速率

菌體濃度的增加速率

比生長速率：單位菌體的生長速率h-1比生長速率μ與許多因素有關，當溫度、pH、基質濃度等條件改變時，μ隨之改變

第9頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（二）比生長速率與基質濃度的關系1．Monod方程只考慮一種基質限制μ＝f(s,I,P,T,pH,……,)μ＝f(s)式中：μmax

—最大比生長速率（1/h）

Ks

—底物飽和常數（g/L）第10頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三當限制性底物濃度非常小時，一級反應；當限制性底物濃度很大時，零級反應；存在高底物濃度抑制時，

與米氏方程比較第11頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三Monod方程的參數求解(雙倒數法)：將Monod方程取倒數可得：或：

測定不同限制性基質濃度下，微生物的比生長速率，通過回歸分析計算出Monod方程的兩個參數。第12頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三例：在一定條件下培養大腸桿菌，得如下數據：S(mg/l)63364153221μ(h-1)0.060.240.430.660.70求在該培養條件下，求大腸桿菌的μmax，Ks和td?解：將數據整理：S/μ100137.5192.5231.8311.3S63364153221第13頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三

μmax=1.11(h-1);Ks=97.6mg/Ltd＝ln2/μmax＝0.64h第14頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三三、產物形成動力學產物生成速率比生產速率第15頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（一）產物形成與菌體生長的關系1.生長聯系型

產物的形成和菌體的生長相偶聯xp如乙醇、丙酮酸等初級代謝產物的發酵

第16頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三2.非生長聯系型

產物的形成和菌體的生長非偶聯xp多數抗生素發酵第17頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三

3.復合型（部分生長聯系型）

產物的形成和菌體的生長部分偶聯xp檸檬酸

第18頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三產物形成動力學模型舉例

1.青霉素發酵2.谷氨酸發酵3.酒精發酵

第19頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三四、生長得率和產物得率1.生長得率：消耗單位數量基質所得到的菌體的量，稱為基質的生長得率。即：

Yx/s—基質生長得率（g菌體/g基質）或（g菌體/mol基質）2.產物得率：消耗單位數量基質所得到的產物量，稱為基質的產物得率，其定義為：

Yp/s

—基質產物得率（g產物/g基質）或（mol產物/mol基質）

轉化率：往往是指投入的原料與合成產物數量之比。第20頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（二）理論得率和表觀得率理論得率：只考慮細胞合成時細胞對底物的得率，YG表觀得率：既考慮細胞合成又考慮細胞維持時細胞對底物的得率，YX/S兩者的關系：

第21頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（三）其他生長得率的表示方法氧生長得率有效電子生長得率ATP生長得率能量生長得率第22頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三SS1

菌體S2

產物S3

維持

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產物）+維持維持消耗(m)：指維持細胞最低活性所需消耗的能量，一般來講，單位重量的細胞在單位時間內用于維持消耗所需的基質的量是一個常數。五、基質消耗動力學第23頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三

XS（底物）─→X（菌體）＋P（產物）+維持m:維持消耗系數YP/s:產物對基質的理論得率系數YG:細胞對基質的理論得率系數，Y*x/s物料衡算：第24頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三

第二節發酵培養方法一、概述物料狀態：固態發酵和液態發酵深層培養：分批培養、流加培養、半連續培養、連續培養第25頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三分批發酵(batchfermentation)是指在一個密閉系統內投入有限數量的營養物質后，接入少量的微生物菌種進行培養，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方法。第26頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三流加培養

(feedbatchfermentation）流加培養又稱為補料分批培養，是指先將一定量的培養液裝入反應器，在適宜的條件下接種細胞，進行培養，細胞不斷生長，產物也不斷形成。隨著細胞對營養物質的不斷消耗，向反應器中不斷補充新的營養成分，使細胞進一步生長代謝，到反應終止時取出整個反應系。

第27頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三半連續培養

(semi-continuousfermentation)半連續培養又稱為反復分批培養或換液培養，是指在分批培養的基礎上不全部取出反應系，剩余部分重新補充新的營養成分，再按分批培養的方式進行操作。

第28頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三連續培養

(continuousfermentation)連續發酵是指以一定的速度向培養系統內添加新鮮的培養基，同時以相同的速度流出培養液，從而使培養系統內培養液的量維持恒定，使微生物細胞能在近似恒定狀態下生長的微生物發酵培養方式。

第29頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三二、分批培養密閉系統，除氧氣供給、尾氣排出、消泡劑的添加和控制pH值需加入的酸或堿外，整個培養系統與外界沒有其他物質的交換。

非穩態的培養方法：微生物生長的環境條件也隨之不斷變化優點：1.培養基一次滅菌，一次投料，易實現無菌狀態；2.易于操作控制，產品質量穩定；3.培養濃度較高，易于產品分離；缺點：輔助時間較多，設備生產能力低。廣泛采用第30頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三除了一次性投料和一次性回收產品的操作外，在分批培養還包括的兩種情況。1.營養成份連續供應氧氮源：控制菌體生長，調節pH磷源：控制菌體生長，調節pH，不形成沉淀2.重復批式操作只分出一部分成熟醪，在原反應器中，留一部分成熟醪作為種子，接入新鮮培養基后繼續培養。酒精廠的酒母車間，省去了前幾級種子培養，但是易變異第31頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三分批發酵中微生物的生長情況時間菌體濃度延遲期指數生長期減速期靜止期衰亡期延遲期：指數生長期:減速期:靜止期：;衰亡期:第32頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三分批發酵過程的細胞生長動力學方程細胞恒算：若服從monod方程：忽略死亡：第33頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三底物消耗動力學方程

底物的消耗速率：

第34頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三產物生成動力學方程產物生成速率：

生長偶聯型上述三個方程的適用范圍：對數生長期及減速生長期，對于穩定期和衰退期不適用

第35頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三穩定期和衰退期的出現的原因

①營養物的不足碳源和其他營養成分②氧的供應不足細胞濃度的增加，需氧速率越來越大，菌體濃度的增加，導致粘度增大，溶氧困難，容易造成供氧不足。③抑制物質的積累各種代謝產物的濃度逐漸增高，抑制作用。④生物的空間不足據經驗，在培養細菌及酵母等時，當細胞濃度達到109～1010個/毫升時，培養液中還有充分的營養物質，但菌體的生長幾乎停止。這種現象的出現有人認為是由生長抑制物質所引起，可是也有人認為是由于單個細胞必須占有最小的空間所致。第36頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三三、補料分批培養（一）為什么采用流加培養？存在底物抑制分解代謝物阻遏營養缺陷型菌株的培養前體的補充第37頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三例：酵母生產Crabtree效應糖濃度很低時（0.028%），在有氧條件下，酵母不產生乙醇，其生長得率可達50%當糖濃度較高時，酵母菌在生長的同時，產生部分乙醇，酵母得率低于50%糖濃度達5%時，即是在有足夠氧的條件下，酵母菌的生長也會受到抑制，且產生大量乙醇，酵母得率很低。

解決辦法：流加，糖濃度保持低水平（一般為0.1～0.5%），流加速率等于酵母的耗糖速率。生長快速，得率高（Yx/S=0.4～0.45g/g）第38頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三補料分批間歇流加連續流加恒速流加指數流加反復補料分批（二）不同的補料分批培養方式第39頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三細胞：

底物：

產物：

（三）恒速流加對流加培養過程進行物料衡算（忽略細胞死亡）有：第40頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三最終得到：菌體生長速率：底物消耗速率：產物生成速率：式中：V——反應器中培養液體積（L）

SF

——流加培養液中底物的濃度（g/L）

F——流加速率（L/h），F=dv/dt第41頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三擬穩態的出現限制性基質濃度趨于0,變化很小細胞濃度接近于定值細胞比生長速率近似于稀釋速率，逐漸減小。

第42頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（四）指數流加恒定的比生長速率限制性基質濃度恒定第43頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（五）反復補料分批培養補充養分和前體，稀釋有害代謝物，延續產物合成培養液不斷排放，放出的培養液的體積可大于反應器的體積，提高反應器的利用效率和生產效率第44頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三四、連續培養優點:與分批培養比較，連續培養設備生產能力高，易于實現自動控制和勞動生產率高，缺點:很難保證長期的無菌操作，培養濃度較低。

第45頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三活塞流式（PFR）

①物料遵循嚴格的先進先出，像活塞一樣；②細胞濃度和營養物組分的濃度沿反應器軸向逐漸變化，但沿徑向方向無濃度梯度；③反應器各處，各組分的濃度不隨時間變化。（一）連續培養模型第46頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三全混式（COST）

①進料液和出料液流量相等，容器中液體的體積V恒定；②反應器中底物、產物和細胞的濃度均勻一致，即反應器中無濃度梯度；③流出液中的物料組成等于反應器中的物料組成Q，S0x0，P0Q，Sx，PV，S,x，P第47頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三全混式反應器分類恒化器(Chemostat)穩定態時，化學環境恒定

通過限制某些化學物質的量（如以碳源或氮源作為限制基質）來控制微生物生長

恒濁器(Turbidostat)穩定態時，細胞濃度恒定

供給的營養組份都必須是過剩的，這樣才能保持穩定的生長速率。恒化器應用廣泛，而恒濁器的應用較少見第48頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（二）單級連續培養細胞的物料衡算：

積累輸入輸出生長死亡穩態下，反應器中的細胞濃度x不變，即進料液細胞濃度為零，且忽略細胞死亡，即x0=0，Kd=0,

定義稀釋速率：最后得：D=μ

連續培養達到穩態的條件Q，S0x0，P0Q，Sx，PV，S,x，P第49頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三把Monod方程式代入上式得：

作圖法求得μmax和Ks值

在連續培養條件下，改變稀釋率D，在達到另一個穩定態時，即有一個確定的底物濃度S

DD1D2D3D4D5D6…SS1S2S3S4S5S6…斜率＝KS/μmax

1/μmax第50頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三細胞濃度：產物濃度：比生產速率：基質濃度：第51頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三2．稀釋率對生長得率的影響一定稀釋率范圍內Yx/s為一常數。而在稀釋率很低或接近最大比生長速率時，Yx/S值有所下降。在稀釋率很低時，生長得率有所下降是因為維持細胞生命需要一定底物的緣故。在稀釋率很高而接近最大比生長速率時，發酵培養液中的底物濃度很高。在這種情況下，微生物通常產生較多的中間代謝產物，如醋酸、丙酮酸、乙醇等。中間代謝產物的大量生成，造成了底物的浪費，因而細胞得率隨之降低。

第52頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三

3．洗出

S，x，P均為稀釋率D的函數。調節的有限性當逐漸提高稀釋率，使反應器中底物濃度S接近于進料液中的底物濃度S0時，細胞濃度將趨于零，整個連續培養過程也就完全被破壞了。連續過程的最大稀釋率臨界稀釋率當Ks＜＜S0，Dc=μmax當稀釋率D→DC，而使反應器的細胞濃度x→O時，即被稱為洗出。第53頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三4．最適稀釋率(Dm)細胞或產物的生產能力達最大時的稀釋率

最適稀釋率下的底物濃度Sm，細胞濃度Xm和菌體最大生產率（DX)m第54頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三第55頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三細胞濃度、底物濃度及生產能力與稀釋率的關系濃度或生長能力Dx或DPSxS0稀釋率DDmDc第56頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（四）多級連續培養第57頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三在很大的D范圍內，第二級反應器中的細胞生長十分有限第二級和第一級在同樣的Dc下被洗光，但在第二級反應器中，只在D非常接近Dc時細胞濃度才迅速下降。限制性基質在第二級反應器中消耗比較完全第58頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三五、連續培養的應用（一）連續培養在工業化生產中的應用

1、酵母、細菌等單細胞蛋白產品2、酒精、啤酒、醋酸等一次代謝產物3、污水的生化處理第59頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（二）連續培養在微生物生理特性和動力學研究中的應用1、微生物生理特性的研究2．微生物動力學參數的測定（1）μmax與KS的測定

第60頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（2）YG與m的測定改變稀釋率D，在達另一穩態時，再測定其值Yx/S

第61頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（三）連續培養在菌種分離與改良中的應用連續培養中，最終在此培養體系中生存下來的微生物都是此時刻對該種底物表現出最大生長的微生物（或一個微生物生態）。當只有B時,建立穩態：μB=D,對應S0如果引入微生物A：μ=μA(S0)μA>DXA增加s下降；μA，μB下降μB<D,XB下降，至被洗出s0μDS0StSμ當S＝St,μA＝D時，建立新穩態第62頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三六、關于連續培養的一些問題嚴格控制培養基和空氣的滅菌

選擇獨特的培養環境，使雜菌不宜生長或生長緩慢

①使用過高溫度或極端pH培養，可使培養過程不受常溫菌或中性菌的污染。②采用獨特的底物或培養基，使一般雜菌不能利用或者生長非常緩慢。③選育抗性菌株，在培養基中添加某種化學物質或抗菌素，從而抑制其他雜菌的生長。④選育具有嗜殺性能的菌株，使之在培養過程中抑制雜菌的生長。⑤選育高比生長速率的菌株，在培養過程中采用較高的稀釋率，從而可使比生長速率較低的雜菌在培養過程中自然洗出。雜菌的比生長速率是否大于或等于培養菌的比生長速率

（一）無菌狀態的保持（污染問題）第63頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（二）菌種變異與退化連續培養時，微生物一直處于對數生長，因而其變異的可能性更大。當變異菌株較之原生產菌株更適應于培養環境，而具有更快的生長速率時，變異株就會在發酵液中越積越多，最終占據優勢而左右發酵。

第64頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（三）均勻性與穩定性均勻性低稀釋率培養時，均勻性很重要。因營養物濃度往往較低，若反應器的均勻性較差，則可能會在某些區域出現營養物嚴重不足的現象，而影響微生物的正常生長。提高通風和攪拌，增加功耗選擇混合效果較好的反應器

穩定性在高稀釋率下，穩定性成為連續培養另一問題

最適稀釋率Dm與洗出時的臨界稀釋率Dc非常接近由于加料設備的不穩定性和培養基中營養物濃度的變化等因素，有可能使培養過程發生洗出現象。

第65頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三第三節影響發酵過程的主要因素

一、溫度二、pH三、溶解氧四、基質濃度五、二氧化碳和呼吸商六、泡沫第66頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三一、溫度（一）溫度對微生物生長的影響1.不同微生物，最適生長溫度和耐受溫度范圍不同。第67頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三2.微生物生長速率和死亡速率與溫度的關系微生物典型活化能50~70KJ/mol微生物死亡活化能300~380KJ/mol隨著溫度的升高，死亡速率的增加遠大于生長速率的增加第68頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三溫度高于最適溫度，死亡速率增加第69頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三3.溫度對YX/S的影響A.隨著維持代謝需能的增加，細胞得率隨溫度升高而降低。B.最大細胞得率所處的溫度一般低于最適生長溫度。第70頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三4.溫度對細胞組分的影響比生長速率隨溫度上升而增加，蛋白質和RNA量也同步增加。重組蛋白的生產可提高溫度誘導產物形成。低溫下生長，脂肪酸不飽和度增加。膜脂質的流動性，脂肪酸的含量，不飽和程度。第71頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（二）溫度對發酵的影響一般發酵溫度升高，酶反應速度增大，生長代謝加快，產物生成提前。但酶容易因過熱而失去活性，表現在菌體容易衰老，發酵周期縮短，影響最終產量。溫度還對發酵液的物理性質產生影響，如發酵液的黏度、發酵基質和氧在發酵液中的溶解度和傳遞速度、某些基質的分解和吸收速率等。影響產物合成的比例和方向。溫度對代謝的調節作用。第72頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（三）影響發酵溫度的因素第73頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（四）最適溫度的選擇適合菌體生長的溫度不一定適合產物的合成，整個發酵周期內僅選用一個最適溫度不一定好。考慮供氧條件。低溫有利于溶氧。考慮培養基成分和濃度。濃度較低或組分較易被菌體利用時，提高發酵溫度則養分容易過早耗盡，導致菌體過早出現自溶，產量降低。菌體生長和產物合成兩個溫度（變溫發酵）黃原膠：發酵前期27℃，20～25h；中后期32℃。可加速前期菌體生長和提高膠產量20％。四環素：中前期0～30h,稍高溫度促進生長，縮短非生產周期；30～150h稍低溫度維持較長的生產期，150h后升溫，促進抗生素分泌。青霉素：0～5h,30℃;5～40h,25℃;40～125h,20℃;125～165h,25℃。較25℃恒溫培養產量提高15％。第74頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三二、pH值（一）pH值對發酵的影響（微生物生長和產物合成)不同微生物生長最適pH不同影響酶的活性，影響代謝過程；影響細胞膜所帶電荷的狀態和跨膜pH梯度，影響營養物質的吸收和代謝產物的分泌；影響培養基組分的解離，進而影響吸收；第75頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三培養基中營養物質的代謝，是引起pH值變化的主要原因，發酵液pH值的變化是微生物代謝的綜合效果。（從開始生長到代謝結束過程）生理酸性物質和生理堿性物質：硫酸銨，硝酸鈉有機酸的生成：乳酸，乙酸，丙酮酸

微生物生長和產物合成最適pH通常不一樣，這不僅與菌種特性也與產物化學性質有關。鏈霉素和紅霉素：pH6.8～7.3金霉素、四環素：pH5.9～6.3青霉素：pH6.5～6.8檸檬酸：pH3.5～4.第76頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三引起發酵過程pH下降的因素：碳氮比過高，碳源（葡萄糖）過多，中間補糖加之溶解氧不足，致使有機酸大量積累；消泡劑加的過多；生理酸性物質的存在，氨被利用。引起發酵過程pH上升的因素：碳氮比不當，氮源過多，氨基氮釋放；生理堿性物質的存在；中間補料中氨水或尿素等的堿性物質的加入過多。第77頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（二）發酵的最適pH值的選擇不同的微生物不同同一菌種，生長最適pH值可能與產物合成的最適pH值不同。

利福霉素B生產中生長期和生產期pH維持6.5和7.0，較整個過程維持7.0產率提高14％利福霉素B生產醋酸桿菌生產纖維素，將pH從4.0調整到5.5，比維持恒定4.0纖維素提高1.5第78頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（三）pH值的控制基礎培養基配方

代謝產酸(如葡萄糖產生酮酸、（NH4）2SO4)和產堿（如NaNO3、尿素）的物質、氨水及緩沖劑（如CaCO3）等成分的使用。發酵過程中直接加酸、堿和連續補料控制pH。特別是連續補料的方法，既可以達到穩定pH值的目的，又可以不斷補充營養物質。效果比較明顯。pH反映菌體的生理狀況，pH上升，表明菌體處于饑餓狀態，可加糖調節。第79頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三青霉素發酵，調節加糖速率調節pH,比恒速加糖，酸堿控制pH可提高產量25％。第80頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三三、溶解氧

溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。在28℃氧在發酵液中的100％空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1（7mgL-1)左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數生長期即使發酵液中的溶氧能達到100％空氣飽和度，若此時中止供氧，發酵液中溶氧可在幾分鐘之內便耗竭，使溶氧成為限制因素。第81頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三

微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速率或呼吸強度（QO2）：單位時間內單位干重的細胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

耗氧速率或攝氧率(rO2)：單位時間內單位體積發酵液的吸氧量。mmolO2·L-1·h-1

。第82頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三二、溶解氧濃度對菌體生長和產物形成的影響CCrQO2CLCCr:

臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。

0.003~0.05mmol/L

需氧量（耗氧速率，攝氧率）一般為25～100mmol/(L·h);

飽和含氧量：0.25mmol.L-1（

7mg/L左右）

第83頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三一般對于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%

產黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：氧飽和度＝發酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只要控制發酵過程中氧飽和度>1.第84頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發酵過程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1

計，

0.25/0.052=4.8秒注意：產物形成臨界氧濃度和菌體呼吸臨界溶氧濃度常常不一樣；生物合成臨界溶氧濃度也不等于最適氧濃度。

頭孢菌素卷須霉素生長5%(相對于飽和濃度）13%產物>13%>8%第85頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三三、影響需氧的因素

菌體濃度QO2

遺傳因素

菌齡

營養的成分與濃度

有害物質的積累

培養條件第86頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三

反應器中氧的傳遞一、發酵液中氧的傳遞方程CCiPPi氣膜液膜N：傳氧速率kmol/m2.hkg:氣膜傳質系數kmol/m2.h.atmKl:液膜傳質系數m/h第87頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三C*＝P/H,與氣相中氧分壓相平衡的液體中氧的濃度Kl:以氧濃度為推動力的總傳遞系數(m/h)再令：單位體積的液體中所具有的氧的傳遞面積為a(m2/m3)Nv：體積傳氧速率kmol/m3.hKla:以(C*-C)為推動力的體積溶氧系數h-1第88頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三二、發酵液中氧的平衡發酵液中供氧和需氧始終處于一個動態的平衡中傳遞：消耗：氧的平衡最終反映在發酵液中氧的濃度上面第89頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三三、供氧的調節C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla和C*來調節，其中C*＝P/HNvHPKla第90頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三影響供氧因素－氧推動力增加氧分壓：通入純富氧空氣，增加溶氧濃度，不經濟。提高罐壓：增加CO2濃度，對設備要求高改變通氣速率：兩倍，有時達5－10倍。降低發酵溫度第91頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三調節Kla是最常用的方法，kla反映了設備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1第92頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三

影響Kla的因素Kla反映了設備的供氧能力，發酵常用的設備為搖瓶與發酵罐。一、影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機的種類搖瓶機往復，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉，偏心距25、12,轉述250rpm第93頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三裝液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392第94頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三影響發酵罐中Kla的因素攪拌器設計，類型、葉片、直徑、位置空氣分布器的類型與位置增加攪拌強度增加擋板液體的粘度第95頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三例黑曲霉生產糖化酶

n230230270

通氣比1:0.81:1.21:0.8

產量181224162846提高N,比提高Q有效第96頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三2、實際上：對于轉速的調節有時是有限度的通風的增加也是有限的蒸發量大中間揮發性代謝產物帶走第97頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三3、小型發酵罐和大型發酵罐調節kla的特點

小型發酵罐，轉速可調

大型發酵罐，轉速往往不可調

大型反應器的合理設計

對現有設備一定要注意工藝配套第98頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三第四節溶氧濃度的變化及其控制一、典型的分批發酵中氧濃度的變化規律（一定Kla下）：rXQCL一般有一個低谷，在對數生長的末期第99頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三發酵過程的控制一般策略：前期有利于菌體生長，中后期有利用產物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于臨溶氧濃度，中后期滿足產物的形成。第100頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三2、溶氧控制的實例GAXDO谷氨酸發酵：要求：氧飽和度>1控制：0-12小時小通風

12小時后增加通風原因：0-12小時菌體量較小，采用小通風12第101頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三培養液中的溶氧濃度的變化可以反應出菌體的生長生理狀況：開始明顯下降的時間的不同，反映種子活力、接種量以及培養基成分的不同對數期溶氧明顯下降，下降速率的不同反應生長狀況溶氧低谷到來的早晚與低谷時溶氧的水平二次生長生長衰退或自溶第102頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三溶氧作為發酵異常的指示攪拌，氣液混合，油的添加量等操作過程故障中間補料污染雜菌作為質量控制指標第103頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三四、基質濃度比生長速率與基質濃度呈線性關系由于代謝產物及其基質過濃，而導致抑制作用，出現比生長速率下降的趨勢。當葡萄糖濃度低于100～150g/L時，不出現抑制；當葡萄糖濃度高于350～500g/L時，多數微生物由于細胞脫水而不能生長。在發酵生產中，如果培養基中基質濃度過高，即營養過于豐富，會使菌體生長過盛，發酵液非常粘稠，傳質狀況很差。第104頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（一）碳源對發酵的影響酵母的克雷布特（crabtree）效應快速利用碳源；有利于菌體生長但分解代謝產物對產物的合成可能產生阻遏作用緩慢利用碳源：被菌體緩慢利用，有利于延長代謝產物的合成，特別有利于延長抗生素的分泌期，也常為許多微生物藥物的發酵所采用。碳源濃度的控制方法第105頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（二）氮源對發酵的影響快速利用氮源容易被菌體利用，促進菌體生長，但對某些代謝產物的合成，特別是某些抗生素的合成產生調節作用，影響產量。緩慢利用的氮源對延長次級代謝產物的分泌期、提高產物的產量有好處。發酵培養基中一般選用含有快速和慢速利用的混合氮源補充有機氮源：如酵母粉、玉米漿、尿素等補充無機氮源：補加氨水或硫酸銨是工業上常見的方法第106頁，講稿共119頁，2023年5月2日，星期三（三）磷酸鹽的影響菌體生長所允許的濃度比次級代謝產物合成所允許的濃度大得多，控制磷酸鹽濃度對微生物次級代謝產物發酵來說非常重要。磷酸鹽濃度調節代謝產物合成機制，對于初級代謝產物合成的影響，往往是通過促進生長而間接產生的，對于次級代謝產物來說，機制就比較復雜。磷酸鹽濃度的控制，一般是在基礎培養基中采用適當的濃