【正文】 加磷酸鹽。 無機(jī)氮源 利用會(huì)快于有機(jī)氮源，但是 常會(huì)引 pH值的變化 ，這必須注意隨時(shí)調(diào)整。前者包括氨基態(tài)氮的氨基酸或者銨鹽形式的硫酸銨和玉米漿等，后者包括黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉等。 （ 3） yeast Crabtree effect：即酵母生長(zhǎng)在高糖濃度下，即使溶氧充足，它還會(huì)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，從葡萄糖生產(chǎn)乙醇。 糖對(duì)青霉素生物合成的影響 碳源的濃度影響發(fā)酵過程舉例 （ 1）碳分解代謝物阻遏：在某一濃度下碳源會(huì)阻遏一個(gè)或多負(fù)責(zé)產(chǎn)物合成的酶。 速效碳源 種類：葡萄糖 優(yōu)點(diǎn)：吸收快，利用快，能迅速參加代謝合成菌體和產(chǎn)生能量 缺點(diǎn)：有的分解代謝產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)物的合成會(huì)產(chǎn)生阻遏作用。因此，利用甲醇傳感器控制甲醇流量，同時(shí)以限制性速度混合流加甘油，可獲得較高的水蛭素產(chǎn)量。 ? 無機(jī)氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機(jī)氮源可以直接被菌體吸收利用，這種氮源叫做 速效氮源 ，反之為 遲效氮源 。 ? 對(duì)某些發(fā)酵過程來說，培養(yǎng)基中某些氮源的添加有利于該發(fā)酵過程中產(chǎn)物的積累，這些主要是培養(yǎng)基中的 有機(jī)氮源 作為菌體生長(zhǎng)繁殖的營(yíng)養(yǎng)外，還有 作為產(chǎn)物的前體 。 ?為調(diào)節(jié)菌體生長(zhǎng)和防止菌體衰老自溶，可根據(jù)需要隨時(shí)補(bǔ)加有機(jī)和無機(jī)氮源。因此，在許多抗生素，如鏈霉素、新霉素、四環(huán)素、土霉素、金霉素和萬古霉素等的合成中要以亞適量添加。在發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究中，常采用菌體濃度來計(jì)算菌體的比生長(zhǎng)速率和產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率等動(dòng)力學(xué)參數(shù)及相互關(guān)系。 ? 干重法：取一定體積的發(fā)酵液離心或過濾， 105℃ 烘至恒重稱重。 如：各種碳源和氮源等成分和它們的濃度。 菌體濃度對(duì)產(chǎn)物的影響 ? 在適當(dāng)?shù)谋壬L(zhǎng)速率下，發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)率與菌濃成正比關(guān)系 ,即 P=QPmc(X)。 c(X) ——菌體濃度 ,g/L. ? 初級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率與菌體濃度成正比； ? 而次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)中，控制菌體的比生長(zhǎng)速率 μ比 μ臨 略高一點(diǎn)的水平，即 c(X) ≤c(X)臨 時(shí)，菌體濃度越大，產(chǎn)物的產(chǎn)量才越大。 ?基質(zhì)含量：營(yíng)養(yǎng)的配比和中間補(bǔ)料的方式。 ?通常在生物學(xué)范圍內(nèi)每升高 10℃ ，生長(zhǎng)速度就加快一倍，溫度直接影響其生長(zhǎng)。嗜冷菌在溫度低于 20℃ 下生長(zhǎng)速率最大，嗜中溫菌在 3035℃ 左右生長(zhǎng)，嗜熱菌在 50℃ 以上生長(zhǎng)。 （ 4）溫度對(duì)生物合成方向的影響 金色鏈霉菌 ?四環(huán)素發(fā)酵中所用的金色鏈霉菌，其發(fā)酵過程中能產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素。 ? 微生物的酶的組成和特性也受到溫度的控制 例如：用米曲霉制曲時(shí)，溫度控制在低限，有利于蛋白酶的合成， α淀粉酶的活性受到抑制。 Q輻射 （ 1）生物熱（ Q生物 ）：指微生物在生長(zhǎng)繁殖中，培養(yǎng)基質(zhì)中的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)被氧化分解為二氧化碳、水和其他物質(zhì)時(shí)釋放出的熱。攪拌熱與攪拌軸的功率有關(guān)，計(jì)算公式為： Q攪拌 =P 3601(kJ/h) 式中， P——攪拌功率， kW； 3601——機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量， kJ/(kW?h)。 （ 4）輻射熱（ Q輻射 ）：指由于發(fā)酵罐液體溫度與罐外環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中部分熱向外輻射或由外界向發(fā)酵液輻射所產(chǎn)生的熱。 發(fā)酵過程溫度的控制 ? 發(fā)酵熱在整個(gè)發(fā)酵過程中是隨時(shí)間變化的。 ? 通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)酵條件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)過程研究特定發(fā)酵過程隨溫度的變化的規(guī)律性，可有效提高產(chǎn)量。 ?控制一定的 pH不僅是保證微生物正常生長(zhǎng)的主要條件之一，還是防止雜菌污染的一個(gè)有效措施。如：產(chǎn)黃青霉的細(xì)胞壁厚度隨 pH增加而減小； ?影響培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的解離，從而影響吸收。 一般來說，高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性 pH轉(zhuǎn)移，高氮源培養(yǎng)基傾向于向堿性 pH轉(zhuǎn)移，這都跟碳氮比直接有關(guān)。 （ 3）尿素流加法：用尿素流加調(diào)節(jié) pH，易于操作，且 pH變化具有一定的規(guī)律性，即由于通風(fēng)、攪拌和菌體中脲酶作用使尿素分解放氨， pH上升；氨和培養(yǎng)基成分被菌體利用并形成有機(jī)酸等中間代謝物， pH又降低，下一輪尿素添加后又符合該規(guī)律。在 25℃ ， 1 105 Pa條件下，純氧在水中的溶解度為 mmol/L，空氣中的氧在純水中的溶解度更低（ mmol/L）。 因此，供氧對(duì)于好氧微生物來說是非常重要。 溶氧對(duì)發(fā)酵的影響 ? 微生物的呼吸臨界氧值不一定與產(chǎn)物合成臨界氧值相同。 黃色短桿菌（ Brevibacterium flavum）生物合成氨基酸的過程中溶解氧的影響研究 但在實(shí)際過程中應(yīng)該注意： ?控制溶氧濃度 ： – 溶解氧濃度過高（代謝異常，菌體提前自溶）； – 溶解氧濃度過低（代謝異常，產(chǎn)量降低） ?引起溶氧異常下降的可能原因 ： – 污染了好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗，可能在短時(shí)間內(nèi)（一般 2～ 5h內(nèi)）使溶氧接近到零，并長(zhǎng)時(shí)間不回升； – 菌體代謝發(fā)生異?，F(xiàn)象，需氧量增加，使溶氧下降； – 某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。 C*——氧在水中的飽和濃度， mmol/L。 ④ 發(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)： H/D從 1增加到 2， KLa增加 40%； H/D從 2增加到 3， KLa增加 20%； ⑤ 發(fā)酵液的性質(zhì) 發(fā)酵液粘度影響液體湍動(dòng)性及液膜的阻力。 ? 直接提高罐壓，會(huì)存在工程上的問題，因此可以通過提高液柱高度來解決。 ? 溶氧 DO平衡， OTR=OUR， 即 KLa (C*CL) =QO2只要這些措施運(yùn)用得當(dāng)，便能改善溶氧狀況和維持合適的供氧水平。 泡沫的類型 一類存在于發(fā)酵液的液面上，這類泡沫氣相所占的比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辨的界線。 泡沫產(chǎn)生的原因 ? 由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（通風(fēng)、攪拌） ? 發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)） 泡沫對(duì)發(fā)酵的不利影響 ⑴泡沫的持久存在影響著微生物對(duì)氧的吸收，妨礙二氧化碳的排除，因而破壞其生理代謝的正常進(jìn)行，不利于發(fā)酵。 影響泡沫產(chǎn)生和穩(wěn)定的因素 （ 1）通氣與攪拌的強(qiáng)度 （ 2）培養(yǎng)基的配比及原材料的組成 （ 3）培養(yǎng)基的破壞程度 （ 4）接種量大小 （ 5）培養(yǎng)液本身性質(zhì)的變化（發(fā)酵過程） （ 6）培養(yǎng)基滅菌的方法和操作 （ 7）染菌 不同攪拌速度和通氣量對(duì)泡沫的影響 不同濃度蛋白質(zhì)原料的起泡作用 滅菌時(shí)間對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響 發(fā)酵過程泡沫的變化 泡沫的檢測(cè)和控制 （ 1）物理消泡法：依靠機(jī)械的強(qiáng)烈振動(dòng)，壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離和回收。 ? 也可在罐內(nèi)頂部裝液位儀與控制儀表連結(jié)，用以控制消泡貯率閥門的開啟。二氧化碳微生物的代謝產(chǎn)物 ,合成產(chǎn)物的一種基質(zhì)反映微生物生長(zhǎng)和發(fā)酵狀況 ,可通過碳質(zhì)量平衡來估算菌體生長(zhǎng)速率和細(xì)胞量。 （ 2）但在大多數(shù)情況下，對(duì)發(fā)酵是抑制作用。一般以 1 L/(L通入 2%CO2，紫蘇霉素的產(chǎn)量比對(duì)比照組降低 85%， CO2的含量超過 3%，則不產(chǎn)生紫蘇霉素。 當(dāng)細(xì)胞膜的脂質(zhì)相中 CO2濃度達(dá)臨界值時(shí)，使膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生變化，導(dǎo)致許多基質(zhì)的膜運(yùn)輸受阻，影響細(xì)胞膜的運(yùn)輸效率，使細(xì)胞處于“麻醉”狀態(tài)，細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制，形態(tài)發(fā)生改變。 CO2溶解度大，對(duì)菌生長(zhǎng)不利。 ?表征不同的代謝階段 青霉素發(fā)酵理論 RQ——生長(zhǎng)、維持、產(chǎn)物生產(chǎn)階段分別為 、 。 ? CO2在發(fā)酵液中的濃度大小受到許多因素的影響：菌體呼吸強(qiáng)度，發(fā)酵液流變學(xué)特性，通氣攪拌程度，外界壓力大小，設(shè)備規(guī)模大小也有影響。 ? CO2濃度控制應(yīng)隨它對(duì)發(fā)酵的影響而定 —— CO2抑制產(chǎn)物合成：降低濃度； CO2促進(jìn)產(chǎn)物合成：提高濃度。因此，補(bǔ)糖、 CO pH值三者具有相關(guān)性，被用于青霉素補(bǔ)料工藝的控制參數(shù)，其中排氣中的 CO2量的變化比 pH值變化更為敏感，所以，采用測(cè)定 CER作為控制補(bǔ)糖速率參數(shù)。h)或 kg/(m3 產(chǎn)品質(zhì)量因素：發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)后續(xù)產(chǎn)物的質(zhì)量和純化工序有直接的影響。 判斷發(fā)酵終點(diǎn)考慮的因素 生化指標(biāo)：產(chǎn)物濃度、氨基酸、菌體形態(tài)、 pH、培養(yǎng)液外觀、粘度等因素。發(fā)酵周期 h)；下游提取精制成本占主要部分和產(chǎn)品價(jià)格比較貴，除了要求高的產(chǎn)率和發(fā)酵系數(shù)外，還要求高的產(chǎn)物濃度。 ? 發(fā)酵系統(tǒng)是一個(gè) 多層次的、多輸入多輸出的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的互動(dòng)系統(tǒng) 。 ? 因此，對(duì)發(fā)酵過程的精確檢測(cè)，利用 計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和信息技術(shù) 為主導(dǎo)的計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)酵過程的控制，以及利用計(jì)算機(jī)提供的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)酵工藝的優(yōu)化是發(fā)酵工業(yè)中的一個(gè)重大的研究領(lǐng)域。 ? 20世紀(jì) 60年代以來，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)開始應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)，不僅解決了上述問題而且還能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，因此極大地推進(jìn)了發(fā)酵工業(yè)的革新和發(fā)展。 （ 2）第二級(jí)水平由各種控制回路與控制系統(tǒng)相連，使溫度、pH、泡沫、溶解氧等參數(shù)維持在某一特定值。 計(jì)算機(jī)多參數(shù)監(jiān)控示意圖 發(fā)酵過程的監(jiān)測(cè)和優(yōu)化 舉例：鳥苷發(fā)酵生產(chǎn)過程的優(yōu)化 廣東肇慶星湖生物科技股份有限公司 參數(shù)相關(guān)分析 通過鳥苷發(fā)酵過程的數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)： 40小時(shí) OUR， CER下降，糖消耗上升，鳥苷產(chǎn)率下降 （一）什么因素導(dǎo)致 pH下降？ 有機(jī)酸的積累 —— 測(cè)定以下中間產(chǎn)物 40h以后丙酮酸明顯積累 有機(jī)酸積累 pH下降 補(bǔ)加氨水 氨基酸的積累 在有機(jī)酸分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過 HPLC測(cè)定發(fā)酵過程中不同時(shí)間發(fā)酵液中氨基酸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)總氨基酸積累并且其積累晚于有機(jī)酸和 [NH4+]積累。 本章需掌握的內(nèi)容 發(fā)酵過程中營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)、菌體濃度、溶解氧、 溫度、 pH值等對(duì)發(fā)酵的影響及控制； 發(fā)酵過程中各種重要參數(shù)的測(cè)定方法； 發(fā)酵工藝過程的優(yōu)化和計(jì)算機(jī)在其中所起的作