2.1微生物的代谢-人工控制5、6合并

酿造工艺学

微生物的代谢调控（5）主讲老师：陈健凯微生物第三节、微生物代谢的人工控制

微生物在正常情况下，通过细胞内的自我调节，维持各个代谢途径的相互协调，使其代谢产物既不缺少又不会过多的积累。而人类利用微生物进行发酵则需要微生物积累较多的代谢产物，因此对微生物的代谢必须进行人工控制。一、生物合成途径的遗传控制

生物合成途径的遗传控制是通过诱变来实现的。这种突变不仅包括结构基因的突变，而且包括调节基因的突变。1、反馈抑制作用的解除

实质是使代谢途径中的关键酶（别构酶）的调节亚基的结构基因发生突变，使末端产物或其类似物不再与别构中心结合，从而解除反馈抑制，积累末端产物。2、反馈阻遏作用的解除

实质是使调节基因或操纵基因发生突变，使调节蛋白改变或不发生，调节蛋白不再与末端产物相结合，或结合后的复合物不能同操纵基因结合，从而解除了末端产物对酶合成的阻遏3、遗传障碍

使某酶蛋白结构基因突变，使酶蛋白缺失或酶蛋白的活性中心改变，可以解除末端产物对途径中的第一个酶的反馈抑制，积累中间产物4、使细胞膜透性增大

如利用甘油缺陷型或生物素缺陷型或油酸缺陷型，通过控制甘油或生物素或油酸浓度以控制细胞膜的透性，使胞内代谢产物外漏，缓解反馈抑制或阻遏作用微生物的代谢调控（6）主讲老师：陈健凯第三节、微生物代谢的人工控制

微生物在正常情况下，通过细胞内的自我调节，维持各个代谢途径的相互协调，使其代谢产物既不缺少又不会过多的积累。而人类利用微生物进行发酵则需要微生物积累较多的代谢产物，因此对微生物的代谢必须进行人工控制。微生物发酵二、微生物发酵条件的控制当菌株确定后，环境条件合适与否是发酵成败的重要因素，环境条件既影响微生物的生长，又影响代谢的速度和方向及产物的形成和积累发酵条件的控制因素主要的有：温度、pH、氧气含量、离子浓度等多种因素1、发酵过程的常规监控温度

pH值

泡沫

罐压

空气流量

搅拌转速

微生物发酵1）．温度

由于微生物利用碳源、能源进行代谢活动能产生放热反应，

此外，搅拌也能产生一定热量，因此发酵过程中升温的快慢常常可以作为判断发酵速度的粗略参考。

发酵正常，菌体生长繁殖旺盛时自然升温较快，发酵后期，升温较缓慢，为了维持生长的适合温度必须在发酵过程随时调节发酵罐传热装置内冷却水或蒸汽来维持发酵液的温度。

微生物发酵

最简单的温度测定方法是观察发酵罐罐壁上的温包内的温度计。然后，对照工艺规程，罐温偏高时，开启自来水(或冷却水)的阀门，使发酵液温度降至规定的温度。升温或降温终了时，应注意出现滞后现象。适时合理的控制往往需要一定的经验和技巧。

温度自控方法，可采用热电偶或热变电阻器或金属电阻温度计，这些热敏感元件都能将温度变化转变成电信号，然后与控制仪表相连，并且经各类控制开关或回路将指令传给执执行元件，同样可以开启或关闭冷却或加热装置，使罐温维持恒定。1）．温度微生物发酵2）．pH值发酵过程中，培养基pH的变化主要决定于培养基的成分和微生物的代谢特性，这是由于微生物不断消耗和利用营养物质，同时又分泌各种代谢产物到培养基中去的结果。

培养基的pH值是反映了微生物对营养物质进行同化和异化作用后的最终氢离子浓度。

显然在固定的培养条件下，微生物发酵过程中pH的变化是有一定规律性的，掌握这种变化，对于判断和控制发酵生产有相当重要的意义。微生物发酵测定pH的方法：a.通常可用pH试纸测定;

b.精确的则用pH计测定。

目前已有可经消毒的pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。微生物发酵3）．泡沫的检测和控制

简单的检测是定时在发酵罐视孔上观察泡沫产生情况，发现泡沫持续上升时，开启消泡剂贮罐的阀门，流加少量消泡剂，使泡沫消失即可。

也可在罐内顶部装一不锈钢探头并与控制仪表连结，用以控制消泡贮率阀门的开启。当泡沫上升接触探头顶端时产生的信号，通过控制装置，指令打开泵开关或阀门，自动加入消泡剂，泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。

微生物发酵4）．罐压发酵容器都装有压力测量装置，最通用的是弹簧压力表。因为培养过程和高压蒸汽灭菌时都需要观察压力的变化情况。

发酵过程中，空气压力对微生物生长繁殖和产物合成的影响主要表现为压力提高氧的溶解度，改善发酵过程中溶氧的供应。但是罐压增加，也相应地提高CO2分压，而后者的增加对有些微生物的正常生长可能产生不利的影响。

微生物发酵单圈弹簧管压力计是最常用的压力表，一般安装在发酵罐和过滤器的顶部，它所指示的数字是表示高于大气压的压力数。

控制压力的方法，一般为调节进口或出口阀门，改变进入或排出的空气(或气体)量，以维持工艺规程所需的压力。

在自动控制的发酵罐中，可选用霍尔效应压力计或各种远传式压力计，它们可以将压力转变成各种电信号然后与仪表联接，后者根据压力大小，反馈控制阀门的开关，达到调节的目的。微生物发酵5）．空气流量

发酵生产中，一般以通风比来表示空气流量，通常以一分钟内通过单位体积培养液的空气体积比来表示(V／V·m)。例如，装有2.5m3培养液的发酵罐，若每分钟通入无菌空气1.25m3，则称为通气比为1:0.5，或简称通风量为0.5(V／V·m)。通气对氧的溶解速率的影响主要表现为气体的表面线速度(V)与溶氧系数(KLa)成正比，由于通气量增大，有利于提高溶氧速率，但如果加大通气量而不维持原有搅拌功率，则由于增加通气量，使发酵液密度下降，从而导致搅拌功耗下降，而搅拌功耗对提高溶氧的影响将更为显著。因此，如果加大通气量而不维持原有搅拌功率时，对提高溶氧并不十分有效微生物发酵测定和调节空气流量的方法

测定空气流量最简便的方法是转子流量计。它是—种结构简单、直观、压力损失小、维修方便的仪器；通常直接安装在发酵罐的排气管道上。转子流量计基本上由两个部件组成，一件是从下向上逐渐扩大的锥形管；另—件是置于锥形管中可以上下自由移动的转子，当流量足够大时，气流产生的作用力能将转子托起并使之升高，流量的大小决定了转子平衡时所在位置的高低。因此，可以从已知刻度上测出空气流量。空气流量调节是通过开启阀门实现的。微生物发酵搅拌转速

发酵罐搅拌转速与发酵的溶氧系数关系十分密切。因为溶氧系数KLa正比于单位发酵液的搅拌功率消耗，而功耗与搅拌转速的三次方成正比。所以在一定几何结构条件下(如罐的径高比、搅拌叶片直径、挡板等)发酵罐的溶氧系数(或称体积传质系数)KLa主要受搅拌转速的影响。微生物发酵微生物发酵搅拌影响溶氧系数主要有3个方面：①

搅拌把通入的无菌空气打成细小气泡，增加气液接触面积(即增大内表面积a)，而且小气泡从罐底上升到液面要比大气泡慢，也增加气液接触时间；

②搅拌造成的涡流运动使气泡不直接从罐底上升至顶部，而变成螺旋运动上升，这也增加了气液表面的上升时间，利于氧的溶解；

③搅拌所形成的湍流断面减少液膜的厚度，从而减少液膜阻力，增大了KLa。搅拌转速微生物发酵2、发酵过程的控制和监测A、发酵过程的监测内容与方式

发酵过程的参数检测意义在发酵过程中，过程状态经历着不断的变化，尤其是分批发酵这种状态的变化更快。

底物和营养物由于生物活性而变化，生物量的增加和生物量组成也在变化(包括物理、生化和形态学上的变化），而各种具有生物活性的产物被积累。

发酵过程检测和控制的目的就是利用尽量少的原料而获得最大的所需产物。

微生物发酵B、发酵过程监控的主要指标

物理检测指标：温度；压力；搅拌转速；功耗；泡沫；气体流速；粘度等。化学检测指标：pH；氧化还原电位；溶解氧；气体CO2、O2；糖含量；化合物含量等。生物检测指标：菌体浊度；ATP；各种酶活力；中间代谢产物。（

当然并非所有产品的发酵过程中都需检测上述全部参数，而是根据该产品的特点和可能条件，有选择地检测部分参数。）（

当然并非所有产品的发酵过程中都需检测上述全部参数，而是根据该产品的特点和可能条件，有选择地检测部分参数。）微生物发酵C