【正文】 時間節(jié)點： 11月 21日 確定分組情況 11月 28日 確定每組回報題目 12月 1 26日 報告 。 Requirements for Presentation 分組： 全班 47人，分為 16組 報告時間： 10min/group Topics： 新型發(fā)酵工業(yè)原料的應用和開發(fā)（來源、應用范圍、工業(yè)預處理及配套政策）； 計算機技術、自動化技術及傳感技術在發(fā)酵工業(yè)中的應用； 與發(fā)酵工業(yè)相適應的菌種的開發(fā)（菌種的獲取、改造和工藝初步優(yōu)化）； 發(fā)酵工藝的優(yōu)化實例。 葡萄糖到鳥苷的代謝合成示意圖 （二） 代謝流遷移的酶學證明 葡萄糖到鳥苷的代謝合成示意圖 各途徑關鍵酶的時序分析 磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶 EMP途徑 磷酸葡萄糖脫氫酶 HMP途徑 檸檬酸合成酶 TCA循環(huán) 丙氨酸脫氫酶 丙氨酸合成 磷酸果糖激酶 磷酸葡萄糖脫氫酶 丙酮酸激酶 檸檬酸合成酶 丙氨酸脫氫酶 （三）鳥苷發(fā)酵過程的優(yōu)化 氨水在鳥苷發(fā)酵中的兩大作用：調節(jié) pH值和用作氮源 有機酸積累 pH下降 補加氨水 通過大幅優(yōu)化發(fā)酵過程抑制 NH4+的積累 通過該優(yōu)化過程，在 50L發(fā)酵罐水平上使產苷率由原來的 16%上升至 30%。 17種氨基酸的時序變化 分析原因 發(fā)酵過程中積累的氨基酸主要是丙氨酸，而丙氨酸的合成可以直接由丙酮酸轉化而來，因此可以推斷由于 EMP途徑代謝流的增加造成了丙酮酸的積累，丙酮酸隨后轉化為丙氨酸。 ?華東理工大學張嗣良等運用細胞代謝流分析與控制為核心的生物反應工程學觀點，通過試驗研究，提出立即與參數(shù)相關的發(fā)酵過程多水平問題研究的優(yōu)化技術與多參數(shù)調整的防盜技術，設計了一種新概念生物反應器，以物料流檢測為手段，通過過程優(yōu)化與放大，達到大幅度提高青霉素、紅霉素、金霉素、肌苷、鳥苷、重組人血清白蛋白等發(fā)髻產品的發(fā)酵水平。 這一級控制又包含三種常用的控制系統(tǒng)： ?直接數(shù)字控制系統(tǒng)（ direct digital control system, DDC） ?計算機設定值控制系統(tǒng)（ set point puter system, SPC） ?集散控制系統(tǒng)（ distributed control system, DCS）。此級控制通常較為簡單，僅通過計算機傳感器控制即可完成。 ? 并且，隨著大型計算機造價的降低和微型計算機使用的普及，生物傳感器技術的發(fā)展，發(fā)酵動力學模型研究的完善，使得越來越多的發(fā)酵工業(yè)過程和產品采用計算機控制技術，目前已廣泛應用于抗生素、啤酒、谷氨酸及酶制劑等眾多與工農業(yè)、醫(yī)藥生產密切相關的產品的發(fā)酵生產。 發(fā)酵過程的主要在線傳感器 （ 1） pH復合玻璃電極 ? 原位蒸汽滅菌的復合傳感器 ? 包括一只玻璃電極和一只參比電極（與培養(yǎng)基連通） ? 裝在加壓護套內 （ 2） 溶氧 復膜溶氧探頭 ? 管狀銀陽極、鉑絲陰極、氯化銀電解液和極化電源組成的 極譜型 ? 原理：產生的電流正比于通過膜擴散入探頭的氧量 陰極還原 : O2+2H2O+4e?4OH 陽極氧化 : 4Ag+4Cl?4Ag++4Cl+4e 總反應 : O2+2H2O+4Ag+4Cl?4OH+4AgCl （ 3） 氧化還原電位 ? 測定發(fā)酵液中氧化劑（電子供體）和還原劑（電子受體）之間平衡的信息 ? 用一種由 Pt電極和 Ag/AgCl參比電極組成的復合電極與具有 mV讀數(shù)的pH計連接 ? 原理：氧化還原電位隨發(fā)酵液中氧化成份和還原成份之比的對數(shù)而變化，與 pH呈線性關系，受溫度和溶氧壓的影響 ? 發(fā)酵液中溶氧壓很低時，超出溶氧探頭的極限，氧化還原電位可彌補這一點 （ 4） 溶 CO2CO2探頭 ? 較高的分壓抑制微生物生長并降低次級代謝產物的量 ? 由一支 pH探頭浸入被可穿透 CO2的膜包裹的碳酸氫鹽緩沖液中 ? 緩沖液與被測發(fā)酵液中的 CO2分壓保持平衡，緩沖液的 pH可間接表示發(fā)酵液中的 CO2分壓 發(fā)酵檢測用新型傳感器 ? 對生物反應中重要的參數(shù)如生物量、基質和產物濃度的信息 （ 1） 離子選擇電極 ? 是對某種離子呈特異性反應的電化學傳感器 ? 由離子選擇膜、連通介質和參比電極組成 ? 靈敏度高（ ppm），但不能蒸汽滅菌 （ 2） 生物傳感器 ? 將生物學敏感材料固定化的傳感器，將生物信號轉化為電信號 ? 生物學元件：由單酶、多酶體系、抗體、細胞器、細菌、動植物細胞或組織等生物材料通過表面共價結合、物理吸附、包埋而固定 ? 轉換器：電位計、安培計、量熱計、光度計 ? 信號、數(shù)據處理系統(tǒng) 代表性生物傳感器 轉換器類型 檢測對象 生物學元件 檢測信號 安培計 葡萄糖 葡萄糖氧化酶 H2O2 酒精 乙醇氧化酶 H2O2 乳酸 乳酸脫氫酶 NADH 葡萄糖 Pseudo. Fluorescens O2 AMP AMP脫氫酶 O2 電位計 尿素 脲酶 NH4+ Glu CO2 青霉素 青霉素酶 H+ 熱敏電阻 Vc 抗壞血酸氧化酶 熱量 乙醇 醇氧化酶 熱量 二、發(fā)酵過程計算機控制 ? 傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)的工藝管理和控制多數(shù)采用人工操作的方式，嚴重地影響和制約了工藝水平和管理水平的提高，并導致生產不穩(wěn)定、發(fā)酵轉化率低、能耗大、高成本等問題。 一、發(fā)酵過程的精確檢測 二、發(fā)酵過程的計算機控制 三、工藝控制優(yōu)化 一、發(fā)酵過程的精確檢測 （一）發(fā)酵過程檢測的參數(shù) （二）發(fā)酵傳感器 （一）發(fā)酵過程的參數(shù)檢測 物理參數(shù) 檢測參數(shù) 檢測方法 單位 影響 溫度 鉑電阻 熱敏電阻 ℃ μ qp c* 罐壓（ ～ 105Pa） 隔膜傳感器 壓敏電阻 Pa 保持正壓，防止染菌O2及 CO2的溶解度 攪拌轉速 頻率計數(shù)器 r/min KLa 發(fā)酵液的均勻性 攪拌功率（ 2 ～ 4kW/m3） 功率計 KW KLa 空氣流量 浮子流量計 m3?h1 KLa 孔板差壓計 vvm 粘度 旋轉粘度計 Pa?s KLa 濁度 濁度計 % 反映單細胞的生長 料液的流量 蠕動泵 荷重傳感器 量筒 L ?h1 S 化學參數(shù) 檢測參數(shù) 檢測方法 單位 影響及作用 pH g?L1 菌體和產物合成速度；酶促反應的方向 基質濃度 HPLC g?L1 菌生長和產物合成 產物濃度 生物傳感器 取樣 發(fā)酵周期的長短 氧化還原電位 氧化還原電位電極 mV 生長和生化活性 溶氧濃度 覆膜氧電極 % 反應異常、發(fā)酵中間控制參數(shù)、設備供氧能力 氣相 O2含量 順磁氧分析儀 Pa 反映產生菌的攝氧率 氣相 CO2含量 紅外氣體分析儀 % 反映產生菌呼吸放出的 CO2 生物參數(shù) 檢測參數(shù) 檢測方法 影響 菌絲形態(tài) 取樣顯微鏡觀察 反映菌體發(fā)育階段正常與否 菌體濃度 濁度法、干重法、離心稱濕重法、沉淀測體積法、顯微計數(shù)法、平板計數(shù)法等 控制微生物發(fā)酵的重要參數(shù)之一 影響菌體的生化反應 細胞濃度在線濁度檢測計 細胞濃度在線濁度檢測計間接狀態(tài)參數(shù) （二） 發(fā)酵傳感器 發(fā)酵工業(yè)對傳感器的要求 由于微生物培養(yǎng)過程是純培養(yǎng)過程，無菌要求高，因此對傳感器有特殊要求： ? 插入罐內的傳感器必須能經受高壓蒸汽滅菌（材料、數(shù)據） ? 傳感器結構不能存在滅菌不透的死角，以防染菌（密封性好） ? 傳感器對測量參數(shù)要敏感，且能轉換成電信號（響應快、靈敏） ? 傳感器性能要穩(wěn)定，受氣泡影響小。導致過程變化的原因除了線性或動力學因素之外，往往還發(fā)生在 系統(tǒng)結構性的突變 。宏觀的信息流、物質流和能量流的變化實際上和微生物的代謝流息息相關。 本章主要內容 第一節(jié) 營養(yǎng)基質和菌體濃度 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)酵終點的控制 第八節(jié) 發(fā)酵過程的控制 第八節(jié) 發(fā)酵過程的控制 ? 作為生產企業(yè)，追求 低投入、高產出 是其所追求的永恒目標，這就要求尋求生化反應系統(tǒng)的最優(yōu)化，在于通過實驗和實驗結果分析找到一種適合生產過程的最佳參數(shù)。 特殊因素：異常情況下，如染菌，代謝異常（糖耗緩慢等）時，應根據具體情況適當處理。h)，得率 (kg產物/kg基質 )和發(fā)酵系數(shù) (kg產物 /罐容積 m3 菌體自溶的跡象：氨基氮 ↑， pH↑，菌體碎片增多，黏度增大，過濾速度降低。補料可根據糖消耗速率計算到放罐時允許的殘留量來控制。 過早：尚未代謝的發(fā)酵物（如糖、可溶性蛋白、脂肪等），對分離純化不利（這些物質能增加乳化作用，干擾樹脂的交換作用）； 過晚：菌體自溶，釋放的蛋白酶會顯著改變發(fā)酵液性質，甚至降解目的產物的產量，擾亂分離純化作業(yè)計劃。最大產物量的積累往往并不對應生產能力最大，在產率降低時放罐，意味著單位電能和冷卻水對應的產量下跌，因此降低了成本。h)； ? 體積生產率：每升發(fā)酵液每小時形成的產物量； ? 總生產率：放罐時發(fā)酵單位除以總發(fā)酵生產時間（包括發(fā)酵周期和總輔助操作時間）。 ? 發(fā)酵生產能力及評價指標： ? 生產能力 (或稱生產率 ,產率 ) ：單位時間單位罐體積的產物積累量，單位一般為 g/(L ? CO2形成的碳酸，可用除 CaCO3以外的堿來中和。增加的 CO2和代謝產生的有機酸，又使培養(yǎng)液 pH值下降。