第四章發(fā)酵過程控制第四章發(fā)酵過程控制1第四章發(fā)酵過程控制發(fā)酵過程控制是發(fā)酵的重要部分控制難點(diǎn)：過程的不確定性和參數(shù)的非線性同樣的菌種，同樣的培養(yǎng)基在不同工廠，不同批次會得到不同的結(jié)果，可見發(fā)酵過程的影響因素是復(fù)雜的，比如設(shè)備的差別、水的差別、培養(yǎng)基滅菌的差別，菌種保藏時(shí)間的長短，發(fā)酵過程的細(xì)微差別都會引起微生物代謝的不同。了解和掌握分析發(fā)酵過程的一般方法對于控制代謝是十分必要的發(fā)酵過程的代謝控制湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1第一節(jié)發(fā)酵過程工藝控制的研究的方法和層次一發(fā)酵過程的種類分批培養(yǎng)補(bǔ)料分批培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制11、分批發(fā)酵簡單的過程，培養(yǎng)基中接入菌種以后，沒有物料的加入和取出，除了空氣的通入和排氣。整個過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)都隨時(shí)間變化。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)操作簡單，周期短，染菌機(jī)會少，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握缺點(diǎn)產(chǎn)率低，不適于測定動力學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制12、補(bǔ)料分批培養(yǎng)

在分批培養(yǎng)過程中補(bǔ)入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點(diǎn)。在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出，所以發(fā)酵結(jié)束時(shí)發(fā)酵液體積比發(fā)酵開始時(shí)有所增加。在工廠的實(shí)際生產(chǎn)中采用這種方法很多。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)在這樣一種系統(tǒng)中可以維持低的基質(zhì)濃度，避免快速利用碳源的阻遏效應(yīng)；可以通過補(bǔ)料控制達(dá)到最佳的生長和產(chǎn)物合成條件；還可以利用計(jì)算機(jī)控制合理的補(bǔ)料速率，穩(wěn)定最佳生產(chǎn)工藝。缺點(diǎn)由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致比生產(chǎn)速率的下降。由于有物料的加入增加了染菌機(jī)會發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制13、半連續(xù)培養(yǎng)在補(bǔ)料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉部分發(fā)酵液（帶放）稱為半連續(xù)培養(yǎng)。某些品種采取這種方式，如四環(huán)素發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)放掉部分發(fā)酵液，再補(bǔ)入部分料液，使代謝有害物得以稀釋有利于產(chǎn)物合成，提高了總產(chǎn)量。缺點(diǎn)代謝產(chǎn)生的前體物被稀釋，提取的總體積增大發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制14、連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵過程中一邊補(bǔ)入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持恒定。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度都是恒定的。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量。由于μ＝D，通過改變稀釋速率可以比較容易的研究菌生長的動力學(xué)缺點(diǎn)菌種不穩(wěn)定的話，長期連續(xù)培養(yǎng)會引起菌種退化，降低產(chǎn)量。長時(shí)間補(bǔ)料染菌機(jī)會大大增加。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1二發(fā)酵過程工藝控制的目的有一個好的菌種以后要有一個配合菌種生長的最佳條件，使菌種的潛能發(fā)揮出來目標(biāo)是得到最大的比生產(chǎn)速率和最大的生產(chǎn)率發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1發(fā)揮菌種的最大生產(chǎn)潛力考慮之點(diǎn)菌種本身的代謝特點(diǎn)生長速率、呼吸強(qiáng)度、營養(yǎng)要求（酶系統(tǒng)）、代謝速率菌代謝與環(huán)境的相關(guān)性溫度、pH、滲透壓、離子強(qiáng)度、溶氧濃度、剪切力等發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1微生物代謝是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它的代謝呈網(wǎng)絡(luò)形式，比如糖代謝產(chǎn)生的中間物可能用作合成菌體的前體，可能用作合成產(chǎn)物的前體，也可能合成副產(chǎn)物，而這些前體有可能流向不同的反應(yīng)方向，環(huán)境條件的差異會引發(fā)代謝朝不同的方向進(jìn)行。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1三發(fā)酵過程研究的方法和層次1、研究方法單因子實(shí)驗(yàn)：對實(shí)驗(yàn)中要考察的因子逐個進(jìn)行試驗(yàn)，尋找每個因子的最佳條件。一般用搖瓶做實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)一次可以進(jìn)行多種條件的實(shí)驗(yàn)，可以在較快時(shí)間內(nèi)得到的結(jié)果。缺點(diǎn)如果考察的條件多，實(shí)驗(yàn)時(shí)間會比較長各因子之間可能會產(chǎn)生交互作用，影響的結(jié)果準(zhǔn)確性發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法：運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到最佳的實(shí)驗(yàn)條件。如正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)、響應(yīng)面設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行多因子試驗(yàn)。用少量的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)理分析得到單因子實(shí)驗(yàn)同樣的結(jié)果，甚至更準(zhǔn)確，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。但對于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)要求準(zhǔn)確性高，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的最佳條件是經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法算出來的，如果實(shí)驗(yàn)中存在較大的誤差就會得出錯誤的結(jié)果。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制12、研究的層次初級層次的研究：一般在搖瓶規(guī)模進(jìn)行試驗(yàn)。主要考察目的菌株生長和代謝的一般條件，如培養(yǎng)基的組成、最適溫度、最適pH等要求。搖瓶研究的優(yōu)點(diǎn)是工作量大，可以一次試驗(yàn)幾十種甚至幾百種條件，對于菌種培養(yǎng)條件的優(yōu)化有較高的效率。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1代謝及工程參數(shù)層次研究：一般在小型反應(yīng)器規(guī)模進(jìn)行試驗(yàn)。在搖瓶試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考察溶氧、攪拌等搖瓶上無法考察的參數(shù)，以及在反應(yīng)器中微生物對各種營養(yǎng)成分的利用速率、生長速率、產(chǎn)物合成速率及其它一些發(fā)酵過程參數(shù)的變化，找出過程控制的最佳條件和方式。由于發(fā)酵罐中全程參數(shù)的是連續(xù)的，所以得到的代謝情況比較可信。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1生產(chǎn)規(guī)模放大：在大型發(fā)酵罐規(guī)模進(jìn)行試驗(yàn)。將小型發(fā)酵罐的優(yōu)化條件在大型反應(yīng)器上得以實(shí)現(xiàn),達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)。一般來說微生物在不同體積的反應(yīng)器中的生長速率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解度、空氣停留時(shí)間和分布不同，剪切力不同，滅菌時(shí)營養(yǎng)成分破壞程度不同所致。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1四發(fā)酵過程的中間分析發(fā)酵過程的中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛，它顯示了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變化。因?yàn)槲⑸飩€體極微小，肉眼無法看見，要了解它的代謝狀況，只能從分析一些參數(shù)來判斷，所以說中間分析是生產(chǎn)控制的眼睛。這些代謝參數(shù)又稱為狀態(tài)參數(shù)，因?yàn)樗鼈兎从嘲l(fā)酵過程中菌的生理代謝狀況，如pH，溶氧，尾氣氧，尾氣二氧化碳，粘度，菌濃度等發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1代謝參數(shù)按性質(zhì)分可分三類：物理參數(shù)：溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、空氣壓力、空氣流量、溶解氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）濃度等化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度（包括糖、氮、磷）、pH、產(chǎn)物濃度、、核酸量等生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌濃度、菌體比生長速率、呼吸強(qiáng)度、基質(zhì)消耗速率、關(guān)鍵酶活力等發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1從檢測手段分可分為：直接參數(shù)、間接參數(shù)直接參數(shù)：通過儀器或其它分析手段可以測得的參數(shù)，如溫度、pH、溶氧、殘?zhí)堑乳g接參數(shù)：將直接參數(shù)經(jīng)過計(jì)算得到的參數(shù)，如攝氧率、KLa、RQ、比生長速率等發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1直接參數(shù)又可分為:在線檢測參數(shù)和離線檢測參數(shù)在線檢測參數(shù)指不經(jīng)取樣直接從發(fā)酵罐上安裝的儀表上得到的參數(shù)，如溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速、通氣量、DO值、罐壓；離線檢測參數(shù)指取出樣后測定得到的參數(shù)，如殘?zhí)恰H2-N、菌體濃度。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1一發(fā)酵過程主要分析的項(xiàng)目目前發(fā)酵過程主要分析項(xiàng)目如下1、pHpH與微生物的生命活動密切相關(guān)——酶催化活性

pH的變化又是微生物代謝狀況的綜合反映——基質(zhì)代謝、產(chǎn)物合成、細(xì)胞狀態(tài)、營養(yǎng)狀況、供氧狀況發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制12、溶氧（DO）、排氣氧、排氣CO2和呼吸熵（RQ）反應(yīng)器培養(yǎng)液中氧的濃度的大小用DO來表示，表征進(jìn)氣的氧被微生物利用的情況，也反映了菌生長的活性，通過溶氧電極可以測量和顯示DO值。排氣二氧化碳也可以反映微生物代謝的情況。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1RQ值隨微生物菌種的不同，培養(yǎng)基成分的不同，生長階段的不同而不同。測定RQ值一方面可以了解微生物代謝的狀況，另一方面也可以指導(dǎo)補(bǔ)料CER表示單位體積發(fā)酵液單位時(shí)間內(nèi)釋放的二氧化碳的量呼吸熵反映了氧的利用狀況發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院發(fā)酵過程中菌的耗氧速率(OUR)可通過熱磁氧分析儀或質(zhì)譜儀測量進(jìn)氣和排氧中的氧含量計(jì)算而得，也反映菌的代謝情況第四章發(fā)酵過程控制13、糖含量微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關(guān)系。糖的消耗反映產(chǎn)生菌的生長繁殖情況反映產(chǎn)物合成的活力菌體生長旺盛糖耗一定快，殘?zhí)且簿徒档偷每焱ㄟ^糖含量的測定，可以控制菌體生長速率，可控制補(bǔ)糖來調(diào)節(jié)pH，促進(jìn)產(chǎn)物合成，不致于盲目補(bǔ)糖，造成發(fā)酵不正常。糖含量測定包括總糖和還原糖。

總糖指發(fā)酵液中殘留的各種糖的總量。如發(fā)酵中的淀粉、飴糖、單糖等各種糖。還原糖指含有自由醛基的單糖，通常指的是葡萄糖。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制14、氨基氮和氨氮氨基氮指有機(jī)氮中的氮（NH2-N），單位是mg/100ml。如氨基酸中的氮，黃豆餅粉、花生餅粉中都有有機(jī)氮。氨氮指無機(jī)氨中的氮（NH3-N）。氮利用快慢可分析出菌體生長情況，含氮產(chǎn)物合成情況。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制15、磷含量微生物體內(nèi)磷含量較高，培養(yǎng)基中以磷酸鹽為主，發(fā)酵中用來計(jì)算磷含量的是磷酸根。磷是核酸的組成部分，是高能化合物ATP的組成部分，磷還能促進(jìn)糖代謝。因此磷在培養(yǎng)基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采取補(bǔ)磷措施。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制16、菌濃度和菌形態(tài)菌形態(tài)和菌濃度直接反映菌生長的情況。菌形態(tài)顯微鏡觀察菌濃度的測定是衡量產(chǎn)生菌在整個培養(yǎng)過程中菌體量的變化，一般前期菌濃增長很快，中期菌濃基本恒定。補(bǔ)料會引起菌濃的波動，這也是衡量補(bǔ)料量適合與否的一個參數(shù)。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1菌濃測定方法測粘度壓縮體積法（離心）靜置沉降體積法光密度測定法OD600~660

適合于細(xì)菌、酵母平板計(jì)數(shù)干菌體質(zhì)量發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制17、產(chǎn)物濃度

在培養(yǎng)過程中，產(chǎn)生菌的合成能力和產(chǎn)物積累情況都要通過產(chǎn)物量的測定來了解，產(chǎn)物濃度直接反映了生產(chǎn)的狀況,是發(fā)酵控制的重要參數(shù)。而且通過計(jì)算還可以得到生產(chǎn)速率和比生產(chǎn)速率，從而分析發(fā)酵條件如補(bǔ)料、pH對產(chǎn)物形成的影響。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1二產(chǎn)物量的測定（一）產(chǎn)物量的特殊表示法1、抗生素效價(jià)的表示抗生素效價(jià)表示抗生素的有效成分的多少，效價(jià)大小用單位（U）來表示效價(jià)表示方法：重量折算法重量單位類似重量單位特殊單位發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1重量折算單位：以最低抑菌濃度為一個單位，如青霉素0.6微克＝1U重量單位：規(guī)定某些抗生素活性部分1μg=1u如鏈霉素、卡那霉素、紅霉素等定義活性部分1μg＝1u發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1類似重量單位：規(guī)定抗生素的某種鹽1mg=1000u如金霉素、四環(huán)素的鹽酸鹽定一為1μg＝1u特殊單位：藥檢所制定某些抗生素的單位制霉菌素1mg=3700u多粘菌素B1mg=10000u發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制12、酶活力的表示法酶活力用單位來表示。由于酶通常不是很純，不能用重量來表示酶的量。同一種酶用不同的方法測定會有不同的酶活單位，容易造成混亂，為此國際上作了統(tǒng)一規(guī)定，規(guī)定在250C下，以最適的底物濃度，最適的緩沖液離子強(qiáng)度，以及最適的pH諸條件下，每分鐘能轉(zhuǎn)化一微克分子底物的酶定量為一個活性單位。發(fā)酵過程的代謝控制發(fā)酵過程的中間分析湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院第四章發(fā)酵過程控制1（二）產(chǎn)物量的測定1、化學(xué)法（1）滴定法產(chǎn)物能使一定指示劑變色來指示反應(yīng)終點(diǎn)的可用滴定法如青霉素在堿性條件下加入過量的I2，反應(yīng)生成青霉噻唑酸碘，用Na2S2O3滴定多余的碘，可計(jì)算出青霉素的單位檸檬酸可以用NaOH滴定來計(jì)算檸檬酸產(chǎn)量發(fā)酵過