【正文】 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)酵中用來計算磷含量的是磷酸根。對于這種工藝，后期的補料控制是關(guān)鍵。 58 淮海工學院海洋學院 研究的層次 初級層次的研究 ： 一般在搖瓶規(guī)模進行試驗。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 缺點 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。 產(chǎn)物形成動力學的基本概念 28 淮海工學院海洋學院 Gaden對發(fā)酵的三分類與 Pirt方程： 〖一類發(fā)酵〗 產(chǎn)物的形成和菌體的生長相偶聯(lián) x p 29 淮海工學院海洋學院 〖二類發(fā)酵〗 產(chǎn)物的形成和菌體的生長部分偶聯(lián) x p 30 淮海工學院海洋學院 〖三類發(fā)酵〗 產(chǎn)物的形成和菌體的生長非偶聯(lián) x p 31 淮海工學院海洋學院 〖 Pirt方程〗 π＝ a + bμ ? a=0、 b≠0： 可表示一類發(fā)酵 ? a≠0、 b ≠ 0： 可表示二類發(fā)酵 ? a≠0、 b= 0： 可表示三類發(fā)酵 32 淮海工學院海洋學院 S S1 菌體 S2 產(chǎn)物 S3 維持 X S（底物） ─→ X （菌體） ＋ P（產(chǎn)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(nèi)用于維持消耗所需的基質(zhì)的量是一個常數(shù)。 ? 均勻設(shè)計按均勻設(shè)計表來安排實驗，均勻設(shè)計表在使用時最值得注意的是均勻設(shè)計表中各列的因素水平不能像正交表那樣任意改變次序，而只能按照原來的次序進行平滑，即把原來的最后一個水平與第一個水平銜接起來，組成一個封閉圈，然后從任一處開始定為第一個水平，按圈的原方向和相反方向依次排出第二、第三水平。 ? 水平：每個因素在試驗中要比較的具體條件稱為水平。 ? 該法不能考察各因子的相互交互作用。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 42 淮海工學院海洋學院 發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次 發(fā)酵過程的中間分析 43 淮海工學院海洋學院 發(fā)酵過程的種類 分批培養(yǎng) 補料分批培養(yǎng) 半連續(xù)培養(yǎng) 連續(xù)培養(yǎng) 發(fā)酵過程工藝控制的目的、研究的方法和層次 44 淮海工學院海洋學院 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。 因此對發(fā)酵過程的了解不能機械的，割裂的去認識，而要從細胞代謝水平和反應(yīng)工程水平全面的認識。 59 淮海工學院海洋學院 代謝及工程參數(shù)層次研究 ： 一般在小型反應(yīng)器規(guī)模進行試驗。 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，可控制補糖來調(diào)節(jié) pH，促進產(chǎn)物合成，不致于盲目補糖，造成發(fā)酵不正常。 72 淮海工學院海洋學院 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。 生物法 84 淮海工學院海洋學院 主要的控制參數(shù) ? pH值（酸堿度） ? 溫度 ? 溶解氧濃度 ? 基質(zhì)含量 ? 空氣流量 ? 壓力 ? 攪拌轉(zhuǎn)速 ? 攪拌功率 ? 黏度 ? 濁度 ? 1料液流量 ? 1產(chǎn)物的濃度 ? 1氧化還原電位 ? 1廢氣中的氧含量 ? 1廢氣中的 CO 2含量 ? 1菌絲形態(tài) ? 1菌體濃度 ? 1泡沫 4 微生物發(fā)酵過程工藝參數(shù)控制 85 淮海工學院海洋學院 ? 發(fā)酵過程的 pH控制 ? 溫度變化及其控制 ? 溶氧的影響及控制 ? 發(fā)酵過程泡沫的形成與控制 86 淮海工學院海洋學院 發(fā)酵過程的 pH控制 pH是微生物代謝的綜合反映，又影響代謝的進行，所以是十分重要的參數(shù)。在補料與調(diào) pH沒有矛盾時采用補料調(diào) pH 如 （ 1） 調(diào)節(jié)補糖速率 ， 調(diào)節(jié)空氣流量來調(diào)節(jié)pH (2)當 NH2N低 ， pH低時補氨水； 當 NH2N低 ， pH高時補 (NH4)2SO4 當補料與調(diào) pH發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào) pH 95 淮海工學院海洋學院 溫度變化及其控制 ? 溫度對發(fā)酵的影響 ? 最適溫度的選擇 ? 發(fā)酵過程引起溫度變化的因素 96 淮海工學院海洋學院 溫度影響反應(yīng)速率 發(fā)酵過程的反應(yīng)速率實際是酶反應(yīng)速率，酶反應(yīng)有一個最適溫度。什么叫凈熱量呢？在發(fā)酵過程中產(chǎn)生菌分解基質(zhì)產(chǎn)生熱量，機械攪拌產(chǎn)生熱量，而罐壁散熱、水分蒸發(fā)、空氣排氣帶走熱量。 輻射熱 Q輻射 發(fā)酵罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液中有部分熱通過罐體向外輻射。 112 淮海工學院海洋學院 ? 氨基酸發(fā)酵對氧的需求分三類： ? 1 谷氨酸、精氨酸和脯氨酸，氧必須供應(yīng)充足，產(chǎn)量才大； ? 2 異亮氨酸、賴氨酸和蘇氨酸，供氧充分可獲得最高產(chǎn)量，但供氧受限時，不會有太大影響； ? 3 亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸，供氧受限對產(chǎn)物合成有利。 118 淮海工學院海洋學院 含助泡劑 在未加助泡劑，但并不純凈的水中產(chǎn)生的泡沫，其壽命在 ，只能瞬間存在。如培養(yǎng)基適當稀一些，接種量大一些，生長速度快些，前期就容易開攪拌。 127 淮海工學院海洋學院 溶液所含助泡物的類型和濃度 （ 1）降低表面張力 降低表面張力會降低相鄰氣泡間的壓差。 泡沫本來是極不穩(wěn)定的，只因助泡劑的穩(wěn)泡作用才難以破滅。一般來說，破泡劑都是其分子的親液端與起泡液親和性較強，在起泡液中分散較快的物質(zhì)。所以消泡劑在起泡液中是過飽和狀態(tài)，只有不溶或難溶才易于達到過飽和狀態(tài)。效果很好，沒有副作用。這種結(jié)構(gòu)的分子易于平臥狀聚集在氣液界面，因而表面活性強，消泡效率高。乳化劑有甘油單硬脂酸酯，聚氧乙烯山梨糖醇單硬脂酸酯（ Tween60）、聚氧乙烯山梨糖醇單油酸酯（ Tween80）、山梨糖醇單硬脂酸酯（ Spen60）、山梨糖醇三硬脂酸酯（ Spen65）。純粹的聚二甲基硅氧烷，不經(jīng)分散處理難以作為消泡劑。 149 淮海工學院海洋學院 GP型的消泡劑親水性差，在發(fā)泡介質(zhì)中的溶解度小，所以宜使用在稀薄的發(fā)酵液中。但油脂如保藏不好，易變質(zhì)，使酸值增高，對發(fā)酵有毒性。如果溶解度進一步降低，即成為抑泡劑。因為這些物質(zhì)一般對水的溶解度較小，表面張力降低只限于局部，而泡沫周圍的表面張力幾乎沒有發(fā)生變化。 在最低表面張力時泡沫排液迅速，否則排液緩慢。 另一方面，氣泡只有上升到液面才能夠在破滅之后減少泡沫體積。攪拌轉(zhuǎn)速也如此。 發(fā)酵過程泡沫的形成與控制 117 淮海工學院海洋學院 泡沫形成的原因 氣液接觸 因為泡沫是氣體在液體中的粗分散體，產(chǎn)生泡沫的首要條件是氣體和液體發(fā)生接觸。例如某味精廠 50M3發(fā)酵罐發(fā)酵過程測定結(jié)果的主要物質(zhì)變化如表： 發(fā)酵時間（ h） 0～ 6 6～ 12 12～ 18 18～ 31 糖 － 37 － － － 谷氨酸 尿素 － － 菌體 玉米漿 － － － 110 淮海工學院海洋學院 發(fā)酵 12～ 18小時的生物熱為： Q生物 ＝ 24 ＋ ＋ 6 － 20934－ ＝ 247。如果發(fā)酵前期溫度上升劇烈，有可能染菌，此外培養(yǎng)基營養(yǎng)越豐富，生物熱也越大。 總的來說，溫度的選擇根據(jù)菌種生長階段及培養(yǎng)條件綜合考慮。 例如黑曲霉在 pH2~3時發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸 ， 在 pH近中性時 ， 則產(chǎn)生草酸 。 谷氨酸 ?????? ?? 谷氨酸脫氫酶γ－氨基丁酸＋ CO2 83 淮海工學院海洋學院 化學和物理方法優(yōu)點：快速、方便，經(jīng)常用于過程分析 缺點產(chǎn)品中存在的雜質(zhì)會干擾測定結(jié)果，因此抗生素成品的測定用生物法測定。 發(fā)酵后期氨基氮回升，這時就要放罐，否則影響提取過程。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補料 CER表示單位體積發(fā)酵液單位時間內(nèi)釋放的二氧化碳的量 呼吸熵＝ OURCERRQ ?呼吸熵反映了氧的利用狀況 68 淮海工學院海洋學院 一般在發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物，有意使菌體處于半饑餓狀態(tài)，在營養(yǎng)限制的條件下，維持產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物的速率在較高水平。 但對于生物學實驗要求準確性高，因為實驗的最佳條件是經(jīng)過統(tǒng)計學方法算出來的，如果實驗中存在較大的誤差就會得出錯誤的結(jié)果。發(fā)酵周期長，得到高的產(chǎn)量。 如氨基酸、核苷酸等等，這些物質(zhì)稱為初級 代謝產(chǎn)物。 10 淮海工學院海洋學院 均勻?qū)嶒炘O(shè)計 ? 如果僅考慮“均勻分散”，而不考慮“整齊可比”，完全從“均勻分散”的角度出發(fā)的實驗設(shè)計，叫做均勻設(shè)計。 6 淮海工學院海洋學院 ? 工藝優(yōu)化研究的主要步驟： 篩選：因素多，不精確的知識，找出重要的影響因素； 優(yōu)化：因素少，在較適范圍內(nèi)，建立預言性模型 確證：使用預言的最優(yōu)成套條件，驗證結(jié)果 7 淮海工學院海洋學院 常用的優(yōu)化方法 ? 單因子法：實驗室最常用的優(yōu)化方法是單次單因子 (onevariableatatime)法，這種方法是在假設(shè)因素間不存在交互作用的前提下，通過一次改變一個因素的水平而其他因素保持恒定水平，然后逐個因素進行考察的優(yōu)化方法。 12 淮海工學院海洋學院 部分因子設(shè)計法 ? 部分因子設(shè)計法與 PlackettBurman設(shè)計法一樣是一種兩水平的實驗優(yōu)化方法，能夠用比全因子實驗次數(shù)少得多的實驗，從大量影響因子中篩選出重要的因子。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)都隨時間變化。 微生物的生長與產(chǎn)物合成有密切相關(guān)性，不僅表現(xiàn)在菌體量的大小影響產(chǎn)物量的多少，而且菌體生長正常與否，即前期的代謝直接影響中后期代謝的正常與否。在搖瓶試驗的基礎(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。 糖含量測定包括總糖和還原糖。 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。 發(fā)酵過程中 pH是不斷變化的，通過觀察 pH變化規(guī)律可以了解發(fā)酵的正常與否 87 淮海工學院海洋學院 發(fā)酵過程 pH變化的原因 基質(zhì)代謝 （ 1）糖代謝 特別是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使 pH下降。 從阿累尼烏斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2 積分得 E= 2112/1/1/TTKK rr?E—— 活化能 Kr—— 速率常數(shù) 溫度對發(fā)酵的影響 97 淮海工學院海洋學院 溫度影響發(fā)酵方向 四環(huán)素產(chǎn)生菌金色鏈霉菌同時產(chǎn)生金霉素和四環(huán)素，當溫度低于 300C時，這種菌合成金霉素能力較強；溫度提高，合成四環(huán)素的比例也提高，溫度達到 350C時，金霉素的合成幾乎停止，只產(chǎn)生四環(huán)素。這各種產(chǎn)生的熱量和各種散失的熱量的代數(shù)和就叫做凈熱量。輻射熱的大小取決于罐溫與環(huán)境的溫差。 113 淮海工學院海洋學院 ? 發(fā)酵過程的溶氧變化 ? 在一定的發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧變化都有自身的規(guī)律。搖蕩純?nèi)軇┎黄鹋?，如蒸餾水，只有搖蕩某種溶液才會起泡。 122 淮海工學院海洋學院 （ 3）菌種、種子質(zhì)量和接種量 菌種質(zhì)量好，生長速度快，可溶