（ppt课件）发酵过程优化与工艺装备控制技术新进展

发酵过程优化与工艺装备 控制技术新进展 生物发发酵 产业产业 包括7 个行业业 酵母 有机酸 酶制剂 淀粉糖 多元醇 特征功能发酵制品 氨基酸 生物发酵 工业产品 酶制剂 氨基酸 有机酸 酵母 淀粉糖 精细化学品 前体物 生物基材料 单体前体物 特种功 能制品 多元醇 抗生素 维生素 生物发生物发 酵主要酵主要 产品产品 引自张伟国教授引自张伟国教授 当前生物发酵的发展状况 2010年 2011年 2012年 产量（万吨 ） 1800 2170 （20.6%） 2300（6%） 产值（亿元） 2000 2500 （25.0%） 2700（8%） 出口量（万吨 ） 270 330 （22.2%） 390（18%） 创汇（亿美元） 29 35（20.7%） 41（17%） 2013年预计发展速率为10%-12% 。 传感器 大量生物学信息 优化与放大困难优化与放大困难 (全局与动态) ？ 仅以传统的生物学方 法或化学工程方法有 很大局限性 细胞内细胞外 温度、搅拌、pH 、DO、培养基配 方 基因、转录、 表达、代谢途 径 系统动态 基质 产物 过程宏观信息 引自张赐良教授引自张赐良教授 生物发酵过程复杂代谢、传递与控制与系统 生物发酵工程优化与放大研究出生物发酵工程优化与放大研究出 发点发点 2、化学化工过程 发酵过程是以微生物反应为核心的，具有很多化学工程 单元操作的过程环节参与的综合性表征结果。整个发酵过程 贯穿着以“速率”与“监控”为基本内容的动态变化模式。 微生物学与化学工程相结合形成了生物发酵工程微生物学与化学工程相结合形成了生物发酵工程 1、微生物学 对已有高产菌株（或细胞株），如何在培养过程中进一步考察其 生理生化特性，改进微生物反应工艺过程，要求对发酵过程的生物 物性、发展动态了解详尽，对微生物、生化反应进行定性、定量和 动力学动态测定、考察与控制。 生物发酵工程优化与放大技术的现状与生物发酵工程优化与放大技术的现状与 存在的问题存在的问题 发酵过程优化主要靠人工经验长期摸索效果差周期长 提高工业生产规模发酵单位需数年到几十年时间，特别是大宗 发酵产品 新产品或国外引进技术：投产进程慢，周期长 发酵工程放大主要采用人工经验逐级放大效果差风险大 从摇瓶到工业规模（1-几百m3）逐级放大，耗时耗财和人力 放大指数越大风险越大（新设备、新产品） 影响生物发酵工程整体技术发展和在国民经济发展中的作用 整体技术：菌种、产品分离、产品质量、节能减排、先进装备 技术、 大宗发酵产品急需新技术,降低生产成本,提高市场竞争能力 生物能源等可持续发展的战略需求已经提到议事日程 生生 物物 发发 酵酵 工工 程程 研研 究究 新新 技技 术术 代谢流研究高通量菌种筛选 微观 代谢流分析 跨尺度相关分析和 差异分析 宏观 代谢流分析 传感系统/数据 分析系统扩展 计算流体力学 研究 代谢谱 转录谱 计算、发酵罐设计 验证、代谢流研究 验证、代谢流研究 计算、发酵罐设计 系统生物学 引自张赐良教授引自张赐良教授 发酵过程优化的基础与应用技术研究 为解决过程优化关键技术提供基本方法和理论 工程学 方法 现象与问题： 发酵过程是一个高度复杂的生命过程系统，细胞 内成千上万个基因、代谢物和反应器的混合传递 方法特征； l不同的空间尺度和时间尺度的基因、细胞代谢 、反应器混合传递等网络； l网络间存在物质流、能量流、信息流等多输入 多输出关系 工程学方法： l基于宏观动力学研究的工程学方法的局限性 l提出发酵过程复杂系统多尺度参数相关分析理 论与方法 发酵过程研究的工程学理论基础发酵过程研究的工程学理论基础 生物反应器装备技术进展生物反应器装备技术进展： 海量数据中寻找过程优化敏感参数海量数据中寻找过程优化敏感参数 发酵过程优化与放大的关键点发酵过程优化与放大的关键点 质谱仪 多参数发酵罐 解决发酵过程特殊传感器应用和测定技术的困难， 实现各种操作参数和生理参数的实时动态检测 传感器技术传感器技术 专业软件包与模型的建立：发酵过程海量数据 处理，集工艺研究与数据动态相关分析为一体 数据处理与计算机技术数据处理与计算机技术 不同尺度参数相关：每个尺度（基因、细胞、反应器） 网络通过网络间的输入输出，形成对复杂系统的影响 生物学研究生物学研究 首次自主集成开发了用于生物反应器细胞生理代谢特性检测与 分析的装备体系，为建立发酵过程宏观现象（发酵表型）与菌体生 理特性的微观机制间的关联研究提供软硬件基础。 引自张赐良教授引自张赐良教授 关键技术与创新国内外对比 工程学 理论与 方法 多尺度理论与方法：把细胞生理 状态与过程信息结合起来，实现 高效的优化与放大 宏观动力学理论与方法：停留在 过程操作变量研究，有局限性 装备技 术 集成装备技术、数据处理软件包 、传感器技术、计算机自动控制 、大型生物反应器设计与改造 未见有适应发酵过程多参数、多 尺度宏、微观参数分析的过程传 感器应用集成的研究 优化技 术 微观代谢流与宏观代谢流分析相 结合的优化技术，优化目标准、 效果好、研究周期短 采用动态13C标记方法在次级代 谢发酵过程研究上取得突破，未 有与宏观代谢流结合研究的报道 放大技 术 建立了大型生物反应器流场特性 与细胞生理代谢特性研究相结合 的发酵过程放大技术，克服逐级 放大周期长风险大的缺陷 目前尚未有流场特性与生理特性 结合过程放大技术的工业案例报 道，相关产品放大规模最大 研究技术国内外对比研究技术国内外对比 发酵过程优化与控制及 产业化放大应用技术分析 微生物能够积累最大目的产 物(产量)的条件是什么？ 高产量 便于产品分离 提取、提高设备利用率 关键问题1工程意义1 相关：微生物生理、遗传特性和营养、环境因素 （1）发酵过程优化基本概念 基础研究 1、发酵过程优化的关键问题和工程意义1 底物最多被微生物转化为产物( 转化率)的条件是什么？ 粮食原料为底物 高转 化率 降低原料成本 关键问题2 工程意义2 相关：微生物代谢途径和过程条件 1、发酵过程优化的关键问题和工程意义-2 应用基础研究 微生物最快速度发酵生产 目的产物的条件是什么？ 补料分批发酵 高生产 强度 缩短生产周期 工程意义3关键问题3 相关：微生物反应动力学和系统优化 1、发酵过程优化的关键问题和工程意义-3 应用开发研究 关键技术问题关键技术问题 工程意义工程意义 1、微生物能够积累最大 目的产物（产量）的条 件是什么？ 2、原料最多被微生物转 化为产物（转化率）的 条件是什么？ 3、微生物最快速度发酵 生产目的产物（生产强 度）的条件是什么？ 高产量 提高设备利用 率；降低产品提取费用 高转化率 降低原料成 本；同时减少对环境污 染 高生产强度 缩短发酵 周期；提高设备利用率 ，降低设备投资 总 结 1、发酵过程优化的关键问题和工程意义-4 2、过程控制的重要性 决定发 酵单位( 水平)的 因素外部环境因素 工艺条件 生物因素： 设备性能： 菌株特性（营养要求、生长速率、 呼吸强度、产物合成速率） 过程控制的意义： 最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数的确定）以及 在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的控制。 传递性能 物理：n、T、 化学：pH、DO、浓度 条件 确定 过程 优化 初始 条件 过程 分析 过程 强化 3、发酵过程优化的研究思想： 优化是一个过程 1 选育获得高产菌种 2 反应器及过程放大 3 发酵过程优化和控制 4 发酵产物分离提取 4、发酵工程优化研究内容 解决途径和方法解决途径和方法 过程动力学和 模型 高产量 高底 物转 化率 高生 产强 度 代谢特性和 合成途径 营养要求和 反应原理 发酵模式和 反应器结构 手段：解析和调控 方法：定量与定向 过程：有序和可控 研究目标研究目标 显著提高发酵过程 经济效率，降低生 产成本和减少污染 技术先进性技术先进性 5、发酵过程优化技术 基于细胞表观特性进行优化 0 4 8 12 16 t / h d (DCW) / (g/L) A 0 20 40 60 80 100 120 140 t / h r (Glucose) / (g/L) B 0 20 40 60 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t / h r (Pyruvate) / (g/L) C 基于细胞内部分析进行优化 高产量 高底 物转 化率 高生 产强 度 优化策略 在理论和技术上有突破,在工业生产中能广泛应用 显著提高发酵过程经济效率，降低生产成本 研究目标 6、发酵过程优化研究方法 7、发酵过程控制的一般步骤 确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法 研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机 制，获取最适水平或最佳范围 建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系 通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制 模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制 （二）发酵过程的工艺控制主要内容 发酵的生产水平高低除了取决于生产菌本身的性 能外，还要受到发酵条件、工艺等的影响。只有深入 了解生产菌种在合成产物过程中的代谢调控机制以及 可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求， 掌握菌种在发酵 过程中的代谢变化规律，有效控制， 以使生产菌种能始终处于生长和产物合成的优化环境 之中，从而最大限度地发挥生产菌种的合成产物的能 力，进而了取得最大的经济效益。 1、发酵生产中的种子质量优化与控制 1. 种子培养基和培养条件: 种子培养基:能保证证在生产产中获获得大量优质孢优质孢子或营营养细细胞， 对对于种子培养基的要求: 营营养成分完整，丰富，氮源比例高; 原料较较精，总浓总浓度较较低; 主要成分尽可能同发发酵培养基一 致； pH较稳较稳定利于菌体正常生长长和发发育。 培养条件：适当控制pH温度，通气和搅搅拌等条件，尽可能与发发 酵罐的起始条件相似。 2. 对对接种物的一般要求: 具有旺盛的增殖能力，达到较较高的菌体浓浓度； 纯纯度高，个体整齐齐，同步率高，生理活性强，无杂杂菌 性能稳稳定，不易变变异，退化 质质量判断: pH, 菌体形态态，菌体浓浓度，产产物量，酶活性，培养液 外观观 3. 影响种子质质量的因素: 原材料质质量；培养条件；温度； 湿度；通气量； 斜面冷藏时间时间；培养基；pH值值等。 1、发酵生产中的种子质量优化 与控制 4. 种子质量的控制 种令，种子罐数，接种量； 在种子生理状态和培养条件相同时在种子生理状态和培养条件相同时 菌种稳定性检查； 接种量越大发酵延滞期越短。接种量越大发酵延滞期越短。 杂菌检查； 接种技术 5. 决定种子扩大级数的因素 菌种的增殖速度；最低接种量; 发酵规模； 种子罐与发酵罐的容积比。 6. 种子制备的放大原理与技术 种子扩大培养的主要目的： 是为了获得大量的活力强的种子，以便在发酵罐的发酵培养过程中尽 可能地缩短延迟期。 延迟期的长短与种子的接种量、接种龄及其生理条件的影响。种子最 好采用处于对数生长期的菌种。此时的微生物细胞具有较强的代谢活力。 种龄对于能生成芽孢的种子尤为重要。（因为芽孢是在对数生长后期开始 形成的，如接种物中含有大量芽孢，则给随后的发酵带来较长的延迟期） 。 2、发酵培养基 1. 概念 ； 2. 发酵培养基的特点； 3. 发酵培养基的组成 4. 培养基的设计和最优化 （1）培养基成分的选择； （2）培养基的设计和配制； （3）限制因子的鉴定。 正交实验 利用软件的响应面法 3、发酵过程中的中间分析 （1）分析项目: 1） 产量 （U/mL, %, g /L）; 2） pH值; 3） 糖量（总糖，残糖）; 4） 氮量（无机氮，有机氮，硝基氮）; 5） 菌体形态: 种子阶段：掌握合适种令，确保优质种子； 发酵阶段:观察生长是否正常，以便选择合适发酵条 件如果发现不正常，则设法补救，及时发现杂菌污 染，及早控制或处理。 （ 2）发酵终点判断: 生产率:kg/m3h; 得率:kg产物/kg基质（转化率）; 发酵系数:kg产物/罐容积m3发酵周期 h 4、 参数测定： （1）菌体浓度：OD600nm：采用岛津紫外分光光度计测定 （2）菌体干重：发酵液离心后，菌体冷冻干燥后称重 （3）粘度变化：离心菌体后的上清使用Brookfield粘度计S00转子，60 rpm条件下测定 （4）PGA处理与产量：每个4h所取样4倍体积无水乙醇沉淀后，分别采 用800010000 Da的膜透析和不透析两种方法提取，冷冻干燥称重；原发酵液 采用0.2m微滤膜过滤，6000Da反复浓缩后醇沉 （5）pH值变化：采用发酵罐pH电极直接测定 （6）溶解氧浓度：由发酵罐记录数据 （7）蔗糖残留浓度：采用紫外吸收光谱法。一定浓度蔗糖标准液或样品 （样品去蛋白）+15 ml 6N盐酸+蒸馏水混合定容至20 ml，沸水浴约10min， 根据酸水解蔗糖后的果糖受热破坏，生成的产物5-羟甲基呋喃甲醛在285nm处 特征吸收峰进行测定。 基本概念 分批培养又称分批发酵，是指在一个密闭系统内投入有限数量的营 养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特 定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。 蒸汽 问题 空气 发酵尾气 消泡剂 酸碱 为什么说微生物分批培养是一 种非稳态的过程？ 在分批培养过程中，随着微生长细胞和底物、代谢物的 浓度等的不断变化，微生物垢生长可分为停滞期、对数生长 期、稳定期和死亡期等四个阶段。 （三）发酵形式 （1）分批发酵 典型的微生物分批发酵工艺流程图 10 0 16 时间 菌数的对数 分批培养过过程中典型的细细菌 生长长曲线线 a bc d 实际上，接种物的生理状态和浓度是停滞期长短的关键。 如果接种物处于对数生长期，那么就很有可能不存在停滞期， 微生物细胞立即开始生长。反过来，如果接种物本身已经停止 生长，那么微生物细胞就需要有更长的停滞期，以适应新的环 境。 停滞期是微生物细胞适应新环境的过程 。 1、说明停滞期细胞特征？ 2、影响停滞期长短的决定因素有哪些？ a、停滞期 10 0 16 时间 菌数的对数 分批培养过过程中典型的细细菌 生长长曲线线 a bc d 处于对数生长期的微生物细胞的生长 速度大大加快，单位时间内细胞的数目或 重量的增加维持恒定，并达到最大值。 基本概念 细胞比生长速率 在对数生长期，随着时间的推移，培养基中的成分不断发生变化，但 此期间，细胞的生长速度基本维持恒定，其生长速度可用数学方程表示： x-细胞浓度（g/l）；t-培养时间（hr）； -细胞的比生长速率（1/h）。 问题 细胞的比生长速率可以通过何种方法求 得？ b、对数生长期期 微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，也叫增代时间。 （td） 表示 倍增时间 于是，用微生物细胞浓度的自然对数对时间作图，就可得到一条直线 ，该直线的斜率就等于 。 微生物细胞的比生长速率和倍增时间因受遗传特性及 生长条件的控制，有很大的差异，如下表： x-细胞浓度（g/l）；t-培养时间（hr）； -细胞的比生长速率（1/h）。 如果当t=0时，细胞的浓度为x0（g/l），上式积分后就为： 表1、一些微生物在不同碳源上的比生长速度和倍增时间 微生物碳源比生长长速率 （1/h） 倍增时间时间 （min） 大肠肠杆菌 中型假丝丝酵 母 地衣芽孢孢杆 菌 复合物 葡萄糖+无机盐盐 醋酸+无机盐盐 琥珀酸+无机盐盐 葡萄糖+维维生素+无机盐盐 葡萄糖+无机盐盐 C6H14+维维生素+无机盐盐 葡萄糖+水解酪蛋白 葡萄糖+无机盐盐 谷氨酸+无机盐盐 1.2 2.82 3.52 0.14 0.35 1.23 0.13 1.2 0.69 0.35 35 15 12 300 120 34 320 35 60 120 10 0 16 时间 菌数的对数 分批培养过过程中典型的细细菌 生长长曲线线 a bc d 1、所有微生物停止生长或细胞增 加速度与死亡速率相等 ； 2、出现二次或隐性生长。 特点： 说明稳定期微生物出现二次生长的原因？ 问题 由于细胞的溶解作用，一些新的营养物质， 诸如细胞内的一些糖类、蛋白质等被释放出来， 又作为细胞的营养物质，从而使存活的细胞继续 缓慢地生长，出现通常所称的二次或隐性生长。 C、稳定期 10 0 16 时间 菌数的对数 分批培养过过程中典型的细细菌 生长长曲线线 a bc d 1、微生物细胞内所储存的能量已经基本耗尽， 细胞开始在自身所含的酶的作用下死亡。 特点： 2、细胞死亡速率大于增加速度。 3、此时也是细胞产生或释放对人类有用的抗 生素等次生代谢产物的时期。 D、死亡期 微生物分批培养生长速度的动力学方程 分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学 单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素、酶制剂、有机 酸以及有机溶剂等的生产过程。 1、基本概念 指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的 培养方法，又称半连续培养或半连续发酵，是介于分批培养 过程与连续培养过程之间的一种过渡培养方式。 操作方式 发酵工业应用 （2）补料分批培养 问题 3、不同补料方式对细胞生长影响 问题 1、对微生物培养菌来说，何种补料方式对细胞生长最快？ 2、何种补料方式对产物的形成最有利？ 3、细胞生长速度最快是否也是最有利于产物的形成？ 2、补料分批培养的类型 表2、补料方法对细胞密度、生长速度及生产率的影响 微生物培养基 搅搅 拌通 气 补补料方式 细细胞密度 （ g/l ） 比生长长速 度（1/h） 产产率 （g/h ） 大肠肠杆菌 大肠肠杆菌 大肠肠杆菌 大肠肠杆菌 大肠肠杆菌 大肠肠杆菌 大肠肠杆菌 大肠肠杆菌 完全培养基 完全培养基 完全培养基 完全培养基 完全培养基 完全培养基 完全培养基 完全培养基 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 补补加葡萄糖，提高最低溶氧浓浓度 改变变加入蔗糖的量，控制最低溶 氧浓浓度 按比例加入葡萄糖和铵盐铵盐 ，控制 PH值值 按比例加入葡萄糖和铵盐铵盐 ，控制 PH值值，低温维维持最低溶氧浓浓度 大于10% 补补加碳源，维维持恒定的浓浓度；以 适当比例加入盐盐和铵盐铵盐 ，控制 PH值值 以恒定的速度（不导导致的供应应受 到限制）补补加碳源 补补加碳源，限制细细胞生长长，避免 乙酸产产生 补补加碳源，控制细细胞生长长 26 42 35 47 138 43 65 80 0.46 0.36 0.23 0.58 0.55 0.38 0.10-0.14 0.2-1.3 2.3 4.7 3.9 3.6 5.8 0.8 1.3 6.2 补料分批培养是介于分批培养和连续培养之间一种微生物细胞的培养方 式，它兼有两种培养方式的优点，并在某种程度克服了它们所存在的缺点 。 与分批培养方式比较与连续培养方式比较 1、可以解除培养过程中的底物抑制、产物 的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应； 2、对于耗氧过程，可以避免在分批培养过 程中因一次性投糖过多造成的细胞大量生长 、耗氧过多以至通风搅拌设备不能匹配的状 况；在某种程度上可减少微生物细胞的生成 量、提高目的产物的转化率； 3、微生物细胞可以被控制在一系列连续的 过渡态阶段，可用来控制细胞的质量；并可 重复某个时期细胞培养的过渡态，可用于理 论研究。 1、不需要严格的无菌 条件； 2、不会产生微生物菌 种的老化和变异； 3、最终产物浓度较高 ，有利于产物的分离； 4使用范围广。 3、补料分批培养的优点 表 为补料分批培养的一些优点。 （3）连续培养 1、基本概念 指以一定的速度向培养系统内添加新 鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养 液，从而使培养系统内培养液的液量维持 恒定，使微生物细胞能在近似恒定状态下 生长的微生物培养方式。 操作方式 连续培养又称连续发酵，它与 封闭系统中的分批培养方式相反， 是在开放的系统中进行的培养方式 。 2、连续培养流程 磁搅棒 PH控制器 空气过滤器 灭菌的培养基储存器 加料和出料泵 空气出口 酸储存器 空气过滤器 压缩空气 流量计 样品 图 典型连续培养中试系统示意图 连续培养的特点 在连续培养过程中，微生物细胞所处的环境条件，如营养物质的浓度、 产物的浓度、PH值以及微生物细胞的浓度、比生长速度等可以自始至终基 本保持不变，甚至还可以根据需要来调节微生物细胞的生长速度，因此连续 培养的最大特点是微生物细胞的生长速度、产物的代谢均处于恒定状态，可 达到稳定、高速增微生物细胞或产生大量代谢产物的目的。 连续培养过程的优缺点 连续连续 培养方式的优优点连续连续 培养方式的缺点 1、提供了一个微生物在恒定状态态下 高速生长长的环环境，便于进进行微生物的代 谢谢、生理、生化和遗传遗传 特性的研究； 2、在工业业生产产上可减少分批培养中 每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等 操作时间时间 ，提高生产产效率； 3、产产物质质量比较稳较稳 定； 4、所需的设备设备 和投资较资较 少，便于实实 现现自动动化。 1、在长时间长时间 的培养过过程 中，微生物菌种容易发发 生变变异，发发酵过过程易染 菌； 2、新加入的培养基与原 有的培养基不易完全混 合，影响培养和营营养物 质质的利用。 在特定的发酵生产过程中，生产效率的高低取决于工艺和 工艺控制的最优化，即能否实现生产过程内的最优化控制。生 产过程最优化控制的实现，包含了从明确目标到目标值实施等 全部内容。 明确控制目标 明确影响因素 确定实现目标值的方法 确定最佳工艺 实施最佳工艺 提问 1、微生物的生长和培养方式可分为哪三种类型？ 2、在分批培养中，微生物的生长可分为哪四个阶段？ （4）发酵工艺控制最优化 （三）温度对发酵的影响及其控制 （1）影响发酵温度的因素 （2）温度对微生物生长的影响 （3）温度对产物合成的影响 （4）最适温度的选择与控制 （1）温度对微生物细胞的生 长和发酵代谢产物的影响 发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射 由于微生物的生长和产物的合成代谢都是在各种酶 的催化下进行的，而温度却是保证酶活性的重要条件， 因此在发酵过程中必须保证稳定而合适的温度环境。温 度对发酵的影响是多方面的，对微生物细胞的生长和产 物的生成、代谢的影响是由各种因素综合表现的结果。 （1）发酵热 从以上可知，温度对发酵生产来说是至关重要的，要维持一 定温度，除了给它加热外，其发酵过程中自身有热量产生吗 ？ 温度还会影响到微生物细胞的生物合成方向。 温度和微生物生长的关系 ？ 问题2 一方面在其最适温度范围内，微生物的生长速度随温度 的升高而增加，发酵温度越高，培养的周期就越短；另一 方面，处于不同生长阶段的微生物对温度的反应是不同的 。 说明温度对细胞内酶的影响 ？ 问题3 温度对发酵生产的影响有哪些 ？问题1 温度可影响培养液的哪些物理性质？ 问题4温度影响到微生物细胞的生物合成方向 ？ 问题5 温度可以改变培养液的物理性质。 对于同一微生物细胞， 细胞生长和代谢产物积累的最适温度也 往往不同。例如，青霉素产生菌的生长最适温度为30，而产生 青霉素的最适温度为25；黑曲酶的最适生长温度为37，而产 生糖化酶和柠檬酸的最适温度都是32-34；谷氨酸生产菌生长的 最适温度30-32，而代谢产生谷氨酸的最适温度却在34-37。 1、发酵热 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射 从以上可知，温度对发酵生产来说是至关重要的，要维持一 定温度，除了给它加热外，其发酵过程中自身有热量产生吗 ？ 发酵过程中，随着微生物细胞对培养基中的营养物质的利用、机械搅 拌的作用，将会产生一定的热量；同时由于发酵罐壁的散热、水分的蒸发 等将会带走部分热量。 定义 发酵过程中释放出来的引起温度变化的净热量称为 发酵热。 发酵热包括了生物热、搅拌热、蒸发热以及辐射热等 。 2、生物热 来源 ：微生物对营养物质的分解所释放的能量 生物热（Q生物） 微生物细胞在生长繁殖过程中产生的热成为生物热。 问题1 生物热来源于培养基中的什么物质？ 问题2 微生物产生的生物热有何作用？ 2、生物热 影响因素： 菌株 培养基成分 发酵时期 生物热与其它参数的关系 呼吸强度QO2 糖利用速率 当产生的生物热达到高峰时，菌的呼 吸强度最大，糖的利用速率也最大， 可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。 问题3 在发酵的哪一阶段，微生物产生的生物热最大？ 问题4 搅拌热是如何产生的？ 对于机械搅拌通气式发酵罐，由于机械搅拌带动培 养液作相应的比较剧烈的运动，造成液体之间、液体 与搅拌器等设备之间的摩擦，会产生比较可观的热量 。 4、蒸发热（Q蒸发） 在通气培养过程中，空气进入发酵罐后就与发酵 液进行广泛的接触，除部分氧等被微生物利用外， 大部分气体仍旧从发酵液出来，排放至大气中，必 然会引起热量的散发，热量将被空气或蒸发的水分 带走，这些热量就称为蒸发热 。 3、搅拌热（Q搅拌） 5、辐射热（Q辐射） 指因发酵罐温度与环境温度不同，而使发酵液通过 罐体向外辐射的热量 。辐射热的大小取决于发酵罐内 外的温度差的大小，受环境温度变化的影响。 （2）温度对微生物生长的影响 当时，可忽略，微生物处于生长状 态。、皆与T有关，其关系均可用阿累尼 乌斯公式描述： EE 死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感。 （2）温度对微生物生长的影响（续） 嗜冷、嗜中温、嗜热菌 的典型生长与温度关系 在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，当温度 超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅速下降。 不同生长阶段的微生物对温度的反应不同 处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。 对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的条件下 培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破坏作用较弱。 处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于溶解氧 ，而不是温度。 1、糖比消耗速率qs Righelato假定： m维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗。m项 与渗透压调节、代谢产物的生成、迁移性及除繁殖以 外的其它生物转化等过程所需的能量有关。这些过程 受温度的影响，所以m也和温度相关。 B生长系数，即同一生长速率下的糖耗，B值越大，说 明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。 改变温度可以控制qs和 2、T对维持因子m 、生长系 数B和比生长速率的影响 T（ K） m 温度对B、m和不同qs下对值的影响 qs一定： 当TTm时， m ， , B 底物转化效率低 当T=Tm时， （3）温度对产物合成的影响 1、影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的 生长代谢与产物生成。 e.g. 青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol 青霉素合成活化能E2=112kJ/mol 青霉素合成速率对温度较敏感 （3）温度对产物合成的影响 2、改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。 3、影响生物合成方向。 e.g. 四环素发酵中金色链霉菌：T ， OTR逐渐至OTR=，即 ，高位平衡 当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平 衡通常发生在正常情况的前、后期。 n平衡点分析2： 当CL（如对数生长期很大）， ，OTRCm, 卷须霉素: 而有些菌株 Ccr CCr，生产阶段满足CLCm。 （3）溶解氧在发酵过程控制中的重要作用 谷氨酸正常发酵和异常发酵的溶解氧曲线 正常发酵溶解氧曲线 -异常发酵溶解氧曲线 异常发酵光密度曲线 发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。 对于好气性杂菌，溶解氧会一反往常在较短时间内 跌到零附近，跌零后长时间不回升。 对于厌气性杂菌，溶解氧升高。 污染噬菌体或其它不明原因引起 发酵液变稀，此时溶解氧迅速上升。 操作故障或事故分析 1、发酵异常指标 2、补料控制指标 中间补料是否得当可以从溶解氧的变化看出。 发酵过程中出现“发酸”现象，此时溶解氧很快 下降。 3、代谢方向控制指标 测量溶解氧可以确定CCr、Cm值 通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关键时机 e.g. 天门冬酰胺酶发酵：45%饱和度 在酵母以及其他微生物菌体的生产中，溶氧值是控制其 代谢方向的最好的指标之一 。 4、设备性能、工艺合理性指标 工艺条件反映耗氧和供氧特征 菌种性能：耗O2 培养基性能：耗O2、供O2 温度：耗O2、供O2 RQ（O2与CO2水平比较）：耗O2 表面活性剂：耗O2、供O2 （六）工艺装备对发酵的影响及其控制 搅拌 设备几何参数 评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位 设备反映供氧性能： 搅拌桨形式 叶片形式 搅拌器直径d 搅拌档数m和搅拌器间距s 档板宽度w和档板数z 通气：空气分布器的类型和位置 n，P/V 设备操作参数 罐压 WS或VVM 1、设备性能、工艺合理性指标 改进工艺：控制补料速度、T 的调节、中间补水、 添加表面活性剂等 对现有发酵工 厂进行技术改造 浅层次 修改设备和工艺 规模和控制水平上档次 引入新型发酵类型 深层次 工艺的改进是否有效可通过溶解氧水平进行评价： P/V的改变对溶解氧和产量的影响 e.g.利福霉素发酵：5080h波谷阶段，P/V，KLa，供 氧；3W/L比1 W/L批号的发酵单位增加约900u/ml。 搅拌转数n 对溶解氧和产量的影响 e.g.赤霉素发酵：1550h期间，n从155 提高至180 r/min ，赤霉素单位 2、将溶解氧控制作为发酵工艺装备中间控制的 手段之一 ，加大补糖速率 ，减小补糖速率 实现用溶解氧水平控制补料速率 v控制原理 发酵过程中， 糖量 x , QO2 CL 糖量 QO2 CL 补糖使CL下降，而CL回升的快慢取决于供氧效率。 对于一个具体的发酵，存在一个最适氧浓度（Cm）水 平，补糖速率应与其相适应。 1）控制原则 补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓 “半饥饿状态”，使其仅能维持正常的生长 代谢，即把更多的糖用于产物合成，并永远 不超过罐设计时的KLa水平所能提供的最大供 氧速率。 2）控制方法 溶氧和补糖控制系统 溶氧和pH控制的系统 溶氧在加糖控制上的应用 溶氧与pH协同控制系统 3、溶解氧控制的工艺装备：从供氧、需氧两方 面考虑虑 供氧方面： 提高氧分压（氧分含量），即 ，提高供氧能力 改变搅拌转速：通过改变KLa来提高供氧能力 通气速率Ws ：Ws增加有上限，引起“过载”、泡沫 提高罐压： ，但同时会增加CO2的溶解度，影响 pH及可能会影响菌的代谢，另外还会