【正文】 外，排氣也會帶走部分熱量叫顯熱 Q顯熱 ，顯熱很小，一般可以忽略不計(jì)。 如果培養(yǎng)前期溫度上升緩慢，說明菌體代謝緩慢，發(fā)酵不正常。 103 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 ?生物熱與發(fā)酵類型有關(guān) 微生物進(jìn)行有氧呼吸產(chǎn)生的熱比厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱多 一摩爾葡萄糖徹底氧化成 CO2和水 好氧：產(chǎn)生 ， 183千焦耳轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔? 厭氧：產(chǎn)生 ， 13千焦以熱的形式釋放 二個例子中轉(zhuǎn)化為高能化合物分別為 ％和 ％ 104 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 ? 培養(yǎng)過程中生物熱的產(chǎn)生具有 強(qiáng)烈的時間性。發(fā)酵熱大，溫度上升快，發(fā)酵熱小，溫度上升慢。 所謂發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。培養(yǎng)條件適宜，如營養(yǎng)豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長。 通氣條件差時可適當(dāng)降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。因此對發(fā)酵過程中的溫度要嚴(yán)格控制。 若要控制消后 pH在 ， 消前 pH往往要調(diào)到 ~ 在基礎(chǔ)料中加入維持 pH的物質(zhì) ， 如CaCO3 ，或 具有緩沖能力的試劑，如磷酸緩沖液等 通過補(bǔ)料調(diào)節(jié) pH 94 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料 。 當(dāng) pH值抑制菌體某些酶的活性時使菌的新陳代謝受阻 （ 2） pH值影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的改變，從而改變細(xì)胞膜的透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝物的排泄，因此影響新陳代謝的進(jìn)行 （ 3） pH值影響培養(yǎng)基某些成分和中間代謝物的解離，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用 2 pH對發(fā)酵的影響 91 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 （ 4） pH影響代謝方向 pH不同 ， 往往引起菌體代謝過程不同 ， 使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變 。 若不及時補(bǔ)糖 、 (NH4)2SO4或酸 ， 發(fā)酵液 pH可迅速升到 ，阻礙或抑制某些酶系 ， 使林可霉素增長緩慢 ， 甚至停止 。 （ 3）生理酸堿性物質(zhì)利用后 pH會上升或下降 88 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 產(chǎn)物形成 某些產(chǎn)物本身呈酸性或堿性，使發(fā)酵液 pH變化。生物法常用于發(fā)酵終了產(chǎn)品效價(jià)的測定。 物理法 許多酶、抗生素都有不對稱碳原子，具有旋光性，因此可以通過測定旋光度來測定酶或抗生素的含量。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。 73 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 74 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 75 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 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)。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。通過氨基氮和氨氮的分析可控制發(fā)酵過程，適時采取補(bǔ)氨措施。 氨氮 指無機(jī)氨中的氮（ NH3N）。如發(fā)酵中的淀粉、飴糖、單糖等各種糖 。 69 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 糖含量 微生物生長和產(chǎn)物合成與糖代謝有密切關(guān)系。 67 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 RQ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。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。 60 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 生產(chǎn)規(guī)模放大 ： 在大型發(fā)酵罐規(guī)模進(jìn)行試驗(yàn)。 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。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。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)，可以在較快時間內(nèi)得到的結(jié)果。 55 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 發(fā)酵過程受到多因素又相互交叉的影響如菌本身的遺傳特性、物質(zhì)運(yùn)輸、能量平衡、工程因素、環(huán)境因素等等。 52 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 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 53 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 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 54 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 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。 51 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 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。由于有物料的加入增加了染菌機(jī)會 49 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 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)。 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)束時發(fā)酵液體積比發(fā)酵開始時有所增加。 s0 μ 當(dāng)只有 B時建立穩(wěn)態(tài)： μB=D,對應(yīng) S0 如果引入微生物 A： μ= μA (S0) μA D x增加 s下降 μA μB下降 μBD被洗出 41 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 3 發(fā)酵過程的代謝控制 ? 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。 初級代謝產(chǎn)物： 微生物合成的主要供給細(xì)胞生長的一類物質(zhì)。 dxdt 0? maxXX衰亡期 : dxdt?0 微生物生長動力學(xué)的基本概念 21 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 微生物的生長動力學(xué)、 Monod方程 ? 微生物的生長速度： μ＝ f(s,p,T,pH,……,) ? 在一定條件下 (基質(zhì)限制 )： μ＝ f(S) 22 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 Monod研究了基質(zhì)濃度與生長速度的關(guān)系 ——— Monod方程 (1949) 010 200 400 600 800 1000SVV mV m /2K m 010 200 400 600 800 1000SVV mV m /2K mμ m a xsSKS????m a x sSvvKS? ?米氏方程 : 23 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 010 200 400 600 800 1000SVV mV m /2K mm a xsSKS??? ? μ：菌體的生長比速 S：限制性基質(zhì)濃度 Ks：半飽和常數(shù) μmax: 最大比生長速度 μ 單一限制性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物中，對微生物的生長起到限制作用的營養(yǎng)物。 13 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 響應(yīng)面分析（ response surface analysis，RSM） ? 方法是數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，和其他統(tǒng)計(jì)方法一樣，由于采用了合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能以最經(jīng)濟(jì)的方式，用很少的實(shí)驗(yàn)數(shù)量和時間對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全面研究，科學(xué)地提供局部與整體的關(guān)系，從而取得明確的、有目的的結(jié)論。 11 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 PlackettBurman法 ? PlackettBunnan設(shè)計(jì)法是一種兩水平的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方法，它試圖用最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)達(dá)到使因子的主效果得到盡可能精確的估計(jì)，適用于從眾多的考察因子中快速有效地篩選出最為重要的幾個因子，供進(jìn)一步優(yōu)化研究用。 ? 對于多因素、多水平的科學(xué)試驗(yàn)來說，正交法需要進(jìn)行的次數(shù)仍嫌太多，在實(shí)際工作中常常無法安排，應(yīng)用范圍受到限制。 ? 正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)就是選擇適當(dāng)?shù)恼槐恚侠戆才艑?shí)驗(yàn)的分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一種實(shí)驗(yàn)方法。另外，當(dāng)考察的因素較多時，需要太多的實(shí)驗(yàn)次數(shù)和較長的實(shí)驗(yàn)周期。現(xiàn)代微生物學(xué)技術(shù) Tel: 15861240818 Email: 1 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 010 100 1 緒論 2 2 微生物資源開發(fā)和菌株選育 4 3 微生物育種技術(shù) 6 4 微生物發(fā)酵技術(shù) 6 5 醫(yī)藥微生物生物技術(shù) 4 6 環(huán)境微生物技術(shù) 6 7 農(nóng)業(yè)微生物生物技術(shù) 4 2 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 主要內(nèi)容 1 微生物工藝優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 2 發(fā)酵過程動力學(xué)的基本概念 3 發(fā)酵過程的代謝控制 4 微生物發(fā)酵過程工藝參數(shù)控制 3 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 1 微生物工藝優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) ? 微生物發(fā)酵工藝的特點(diǎn) ? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)中常用的術(shù)語 ? 工藝優(yōu)化的方法和策略 4 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 微生物發(fā)酵工藝的特點(diǎn) ? 應(yīng)先因素眾多 ? 缺乏理論模型 ? 試驗(yàn)誤差較大 ? 影響因素間存在相互作用 5 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 試驗(yàn)設(shè)計(jì)中常用的術(shù)語 ? 因素：試驗(yàn)中考察的對試驗(yàn)指標(biāo)可能有影響的因素簡稱因素。但是由于考察的因素間經(jīng)常存在交互作用，使得該方法并非總能獲得最佳的優(yōu)化條件。 (2)感興趣區(qū)域的因子組合情況，并對獨(dú)立變量進(jìn)行優(yōu)化 9 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) ? 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是安排多因子的一種常用方法，通過合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可用少量的具有代表性的試驗(yàn)來代替全面試驗(yàn)，較快地取得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，沒有預(yù)先考慮的兩因素之間即使存在交互作用，在結(jié)果中也得不到顯示。 ? 均勻設(shè)計(jì)只考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻分布，因而可使所需試驗(yàn)次數(shù)大大減少。 ? 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出一次多項(xiàng)式，并以此利用最陡爬坡法確定最大響應(yīng)區(qū)域，以便利用響應(yīng)面法進(jìn)一步優(yōu)化。 X S（底物） ─→ X （菌體） ＋ P（產(chǎn)物） 17 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 dsdt? ??X基質(zhì)的消耗比速： (h1) 菌體的生長比速： dxdt? ?X產(chǎn)物的形成比速： dpdt? ?X(h1) (h1) X S（底物） ─→ X （菌體） ＋ P（產(chǎn)物） 18 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 研究反應(yīng)速度及其影響因素并建立反應(yīng)速度與影響因素的關(guān)聯(lián) 反應(yīng)動力學(xué)模型 反應(yīng)器特性 + 反應(yīng)器的操作模型 操作條件與反應(yīng)結(jié)果的關(guān)系，定量地控制反應(yīng)過程 發(fā)酵反應(yīng)動力學(xué)的研究內(nèi)容 19 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 已建立動力學(xué)模型的類型 ? 機(jī)制模型： 根據(jù)反應(yīng)機(jī)制建立 幾乎沒有 ? 現(xiàn)象模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停? 目前大多數(shù)模型 能定量地描述發(fā)酵過程 能反映主要因素的影響 20 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 微生物在一個密閉系統(tǒng)中的生長情況： 時間 菌體濃度 延遲期 指數(shù)生長期 減速期 靜止期 衰亡期 延遲期： dxdt ?0指數(shù)生長期 : ??? max倍增時間 ： td 減速期 : ddt? ?0靜止期： 。 Ks＝ mg/L 0 100 2000100200300400?/ssm1 ? ?m k ?td＝ ln2/ μmax＝ h smmS KS??? ??27 淮海工學(xué)院海洋學(xué)院 初級代