【正文】 采用補(bǔ)料分批或連續(xù)培養(yǎng)方式來(lái)避免 crabtree效應(yīng)。 氮源的濃度 ?氮源濃度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞脫水死亡，且影響傳質(zhì)；濃度過(guò)低，菌體營(yíng)養(yǎng)不足，影響產(chǎn)量。 （四）菌體濃度的影響及控制 菌體濃度（ cell concentration）指單位體積中菌體的含量，是發(fā)酵工業(yè)中的一個(gè)重要參數(shù)。 影響菌體生長(zhǎng)速率的因素： ?菌體生長(zhǎng)速率與微生物的種類和自身的遺傳特性相關(guān)； 如：典型的細(xì)菌，酵母，霉菌和原生動(dòng)物的倍增時(shí)間分別為 45 min， 90 min， 3 h和 6 h左右，這說(shuō)明各類微生物增殖速率的差異。h)。 發(fā)酵中菌體濃度的控制 ?為了獲得抗生素最高的生產(chǎn)率，需要采用攝氧速率 OUR與傳氧速率OTR相平衡時(shí)的菌體濃度，也就是傳氧速率隨菌濃變化的曲線和攝氧速率隨菌濃變化的曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的菌體濃度，即臨界菌體濃度c(X)臨。可以看出，溫度對(duì)參與生長(zhǎng)繁殖、呼吸和青霉素形成的速率影響是不同的。h)為單位表示。這部分熱量在發(fā)酵過(guò)程中先以蒸汽形式散發(fā)到發(fā)酵罐的液面，再由排氣管帶走。 ? 最適菌體生長(zhǎng)溫度和最適產(chǎn)物合成溫度有時(shí)存在差異，因此可分為兩個(gè)階段分別控制溫度。 ?微生物菌體生長(zhǎng)的最適 pH值和產(chǎn)物合成的最適 pH往往不一定相同，因此對(duì)發(fā)酵過(guò)程 pH的控制十分重要。 （ 2）氨水流加法：價(jià)格便宜，來(lái)源容易；但作用快，對(duì) pH的影響波動(dòng)大；高濃度的氨水引起 pH的大幅上升，會(huì)導(dǎo)致呼吸強(qiáng)度急劇下降，引起微生物氨過(guò)量中毒。 但在 28℃ 氧在發(fā)酵液中的溶解度只有 mmol/L（ 7mg/L，比糖的溶解度小 7000倍），而發(fā)酵液中的大量微生物耗氧迅速（耗氧速率大于 25100 mmol/L ? 但溶氧濃度高于或低于臨界氧值都有可能刺激發(fā)酵產(chǎn)物的形成，這取決于發(fā)酵產(chǎn)物形成的過(guò)程。 因 a所代表的單位體積的溶氧面面積無(wú)法估算，因此，將 KLa合為一體來(lái)考量，代表的是單位體積中氧的傳遞速率。X 式中， γ——攝氧率， mmol/L； QO2 ——呼吸強(qiáng)度， mmolO2/(g泡沫間被一層液膜隔開(kāi)而彼此不相連通。由于泡沫大量生成，致使培養(yǎng)液的容量一般只能等于種子罐容量的一半左右，大大影響了設(shè)備的利用率。 本章主要內(nèi)容 第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制 第二節(jié) 溫度的影響及其控制 第三節(jié) pH的影響及控制 第四節(jié) 溶氧的影響及控制 第五節(jié) 泡沫的影響及控制 第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商 第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制 第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制 第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商 CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時(shí)也是某些合成代謝的基質(zhì)。 舉例：發(fā)酵液中溶解 CO2濃度為 102 mol/L時(shí)，會(huì)嚴(yán)重抑制酵母生長(zhǎng)。 CO2對(duì)發(fā)酵影響的機(jī)理 （ 1） CO2對(duì)細(xì)胞的作用機(jī)制： CO2作用在細(xì)胞膜的脂肪核心部位。 呼吸商（ RQ值） RQ = CER（二氧化碳釋放率） OUR（攝氧率） 呼吸商變化的生理意義 ?表征不同的代謝途徑 厭氧代謝、耗氧代謝；不同的耗氧代謝途徑間的差異 例如：酵母發(fā)酵 RQ=1，糖有氧代謝，生成菌體，無(wú)產(chǎn)物形成； RQ，糖經(jīng) EMP生成乙醇。 發(fā)酵過(guò)程中存在著不完全氧化的中間代謝產(chǎn)物會(huì)使實(shí)際測(cè)定的 RQ值偏低。 CO2濃度的控制 本章主要內(nèi)容 第一節(jié) 營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和菌體濃度 的影響及控制 第二節(jié) 溫度的影響及其控制 第三節(jié) pH的影響及控制 第四節(jié) 溶氧的影響及控制 第五節(jié) 泡沫的影響及控制 第六節(jié) 二氧化碳和呼吸商 第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的控制 第八節(jié) 發(fā)酵過(guò)程的控制 第七節(jié) 發(fā)酵終點(diǎn)的判斷 ? 發(fā)酵類型不同，目的不同，判斷終點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)就不同。 臨近放罐時(shí)：加糖、補(bǔ)料或消泡劑要慎重。如及時(shí)改變溫度或補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，并適當(dāng)拖后放罐時(shí)間等。 發(fā)酵用傳感器的分類 （ 1） 按測(cè)量方式分 ? 離線傳感器：不安裝在發(fā)酵罐內(nèi)，人工取樣 ? 在線傳感器：自動(dòng)測(cè)定，流動(dòng)注射分析系統(tǒng)（ FIA），（ HPLC）或質(zhì)普儀等 ? 原位傳感器：直接與發(fā)酵液接觸，給出連續(xù)的響應(yīng)信號(hào)，如溫度、壓力、 pH、溶氧等 （ 2）按測(cè)量原理分 ? 力敏元件：包括各種壓敏元件、速度與加速度元件、壓差元件； ? 熱敏元件：包括測(cè)溫元件和測(cè)熱元件； ? 光敏元件：如光導(dǎo)纖維、光電管等 ? 電化學(xué)傳感器：以電化學(xué)為基礎(chǔ)，可將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，如 pH傳感器、溶氧傳感器。 （ 3）最高級(jí)的控制即生產(chǎn)能力的提高和過(guò)程最優(yōu)化的控制水平（該問(wèn)題將在下面的“工藝控制優(yōu)化”中詳細(xì)闡述） DDC控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ) DCS控制系統(tǒng)： 采用 分散控制 和 集中管理 的 設(shè)計(jì)思想 采用 分而自治 和 綜合協(xié)調(diào) 的 設(shè)計(jì)原則 三、工藝控制優(yōu)化 ?發(fā)酵工藝中最高級(jí)的計(jì)算機(jī)控制即生產(chǎn)能力的提高和過(guò)程最優(yōu)化的控制水平，此水平的控制目前仍處于初級(jí)發(fā)展階段，原因是能長(zhǎng)時(shí)間使用的在線傳感器的數(shù)量有限，利用現(xiàn)有的傳感器或電極在線直接測(cè)定生物物質(zhì)和極少量的產(chǎn)物幾乎不可能或很困難。 以上每個(gè)題目限報(bào) 4組，也可以在其他與本課程相關(guān)的內(nèi)容中自由選題。 丙氨酸本身又會(huì)對(duì)谷氨酸合成酶（ GS）造成反饋抑制和阻遏，使產(chǎn)苷速率降低。 （一）計(jì)算機(jī)在發(fā)酵過(guò)程中的主要功能 （引自王高平等：發(fā)酵過(guò)程的計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)和控制） 過(guò)程數(shù)據(jù)的分析 過(guò)程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 過(guò)程控制 （二）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其功能 計(jì)算機(jī)發(fā)酵過(guò)程控制系統(tǒng)的組成 發(fā)酵過(guò)程控制的三個(gè)層次 （ 1）第一級(jí)水平的控制包括閥、泵的開(kāi)關(guān)、儀表的重新校對(duì)、在線維持及故障切斷過(guò)程等順序操作，發(fā)酵過(guò)程中的滅菌及培養(yǎng)基分批作業(yè)屬于這一級(jí)水平的控制。 ? 當(dāng)生物反應(yīng)器尺寸或操作條件變化時(shí)，發(fā)生的結(jié)果變化不是簡(jiǎn)單的用線性關(guān)系或平均統(tǒng)計(jì)方法所能描述的物質(zhì)狀態(tài)的變化。 發(fā)酵類型：對(duì)發(fā)酵及原材料成本占整個(gè)生產(chǎn)成本主要部分的發(fā)酵品種 ,主要追求提高生產(chǎn)率 (kg/m3 經(jīng)濟(jì)因素：以最低的綜合成本來(lái)獲得最大生產(chǎn)能力的時(shí)間為最適發(fā)酵時(shí)間。補(bǔ)加的糖用于菌體生長(zhǎng)，菌體維持和青霉素合成產(chǎn)生 CO2。 產(chǎn)物形成期：對(duì) RQ的影響較為明顯，如產(chǎn)物還原性比基質(zhì)大， RQ增 加；產(chǎn)物氧化性比基質(zhì)大， RQ就減少。如不提高攪拌轉(zhuǎn)數(shù)， CO2就不易排出，在罐底形成碳酸，進(jìn)而影響菌體的呼吸和產(chǎn)物的合成。 ? CO2影響產(chǎn)物形成：阻礙基質(zhì)分解和 ATP生成，影響產(chǎn)物的合成。 （ 1）對(duì)發(fā)酵促進(jìn)：某些無(wú)機(jī)化能營(yíng)養(yǎng)菌能以 CO2作為唯一碳源。 （ 2）化學(xué)消泡法： ? 機(jī)理：消泡劑為表面活性劑，造成氣泡膜局部機(jī)械強(qiáng)度降低，力的平衡受到破壞，在力的作用下氣泡破裂、合并，最后導(dǎo)致泡沫破裂。 另一類泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液中，這種泡沫分散很細(xì)，而且很均勻，也較穩(wěn)定。因此應(yīng)適當(dāng)控制菌的攝氧率。 消泡劑對(duì)氧傳遞的抑制作用 （ 2）影響傳質(zhì)推動(dòng)力 (C*CL)的因素 ① 溫度和氧分壓 根據(jù)亨利定律： C*=PO2/HO2 式中， PO2——氧分壓； HO2——亨利常數(shù)，取決于溫度和溶質(zhì)濃度 ② 溶液性質(zhì) 鹽和糖的存在降低了氧的溶解度 ③ 發(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度 ? 提高氧分壓的一個(gè)方法就是提高氣泡總壓力。 影響氧溶解及傳遞的因素 If only suspended cells are involved and if the level of mixing in the bulk liquid is sufficiently high, then the rate limiting step in the oxygen transfer process is the movement of the oxygen molecules through the bubble boundary layer. ?氧傳遞速率 oxygen transfer rate OTR=dC/dt=KLa(C*CL) 式中， dC/dt——單位時(shí)間內(nèi)發(fā)酵液溶氧濃度的變化， mmolO2/(L 臨界氧（ C臨 ）：指不影響微生物呼吸所需要的最低氧濃度。 （ 4）補(bǔ)料控制 pH：通過(guò)調(diào)節(jié)加糖速率來(lái)控制 pH，可比恒速加糖，酸堿控制 pH提高青霉素產(chǎn)量 25%以上。若陰離子 (如 PO43 、 NO3)被吸收，則 pH上升；陽(yáng)離子 (如 NH4 + 、 K+ )被吸收，使 pH下降。大多數(shù)細(xì)菌的最適 pH為 ～ ，霉菌一般是 ～ ，酵母菌為 ～ ，放線菌為 ～ 。 （ 5）發(fā)酵熱（ Q發(fā)酵 ） ? 發(fā)酵熱的計(jì)算： ①通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)冷卻水的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度來(lái)計(jì)算： Q發(fā)酵 =qvc（ t2t1） /V 式中， qv——冷卻水的體積流量， L/h； c——水的比熱容， kJ/(kg?℃ )； t2， t1——進(jìn)、出冷卻水的溫度； V——發(fā)酵液體積， m3。 ?發(fā)酵過(guò)程中的 生物熱與菌株和培養(yǎng)基成分相關(guān) ，菌種在營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基中因代謝活力較強(qiáng)，所以生物熱要高于在營(yíng)養(yǎng)一般的培養(yǎng)基中；在呼吸作用和發(fā)酵作用較強(qiáng)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，所產(chǎn)生的熱量要高于發(fā)酵初期的延滯期和發(fā)酵后期的衰亡期。 （ 5）溫度對(duì)微生物代謝調(diào)節(jié)的影響 ? 溫度與微生物的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制關(guān)系密切 例如：在低溫（ 20℃ ）時(shí)，氨基酸末端產(chǎn)物對(duì)其合成途徑的第一個(gè)酶的反饋抑制作用，比在其正常生長(zhǎng)溫度 37℃ 時(shí)更大。 ?微