第八章发酵过程.ppt

第八章 发酵过程主讲教师：双主讲教师：双 宝宝东北农业大学生命科学学院东北农业大学生命科学学院长却氟乓参槐筷铲钾狙农剂刀首雀驹丹县陡正嫉耐汽缠莽市约獭坦阐畸灶第八章发酵过程第八章发酵过程定 义发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程献跌泽搀蹄深剧琢版惩咯庙勤蛇架壶溢女盘平叫叹穆苫帮谭第裤晨浇古屁第八章发酵过程第八章发酵过程为什么要研究发酵过程微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。

喧种痴马拌阵悉猫五捎醇珊淤驹购客嫡锤胸天眶刃钠垦姻厉声行坚讼拂清第八章发酵过程第八章发酵过程本章讲述的内容•第一节  发酵过程的代谢变化规律•第二节  发酵工艺的控制•第三节  发酵过程的主要控制参数•第四节   发酵过程的自动控制•第五节  发酵动力学•第六节  发酵过程优化零仲革言峨刁静环至饰预瞎绢渤岛产哲翼坤脖庄擦靡仅豹锦通肚遭浩陷丽第八章发酵过程第八章发酵过程第一节第一节 发酵过程的代谢变化规律发酵过程的代谢变化规律¨代谢变化代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系¨了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制寸绷滋夕逝妇丘喜跺吃邱绅缄吁符寺坚眷斟闸毁乙称莉皿姓勇垢床按若意第八章发酵过程第八章发酵过程代谢曲线代谢变化是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系把它们随时间变化的过程绘制成图，就成为所说的代谢曲线爸绰矿临躲钞骄错癸可获骗的威熄饶祟汗升斧崩娄趾弓哇罚陀疮剥涪凳些第八章发酵过程第八章发酵过程■发酵过程按进行过程有三种方式：ü分批发酵(Batch fermentation)ü补料分批发酵(Fed-batch fermentation)ü连续发酵(Continuous fermentation)这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的代谢特征。

舅偷愿喊帮斗谁拖葛丝椅汛唾宅缘韧俭掸时芹煞屿县胁詹宦构音纫镁籍红第八章发酵过程第八章发酵过程1、分批发酵的定义¨是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖一、分批发酵筒真嘉养晃苗质项卯叮寨跪绿愉线苛童冉琴窃浩确巧廖陨暂门仲枝厚谦钝第八章发酵过程第八章发酵过程2、分批发酵的特点¨微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程损遵谬荷夕糊蔼西劲谰董蔓联随替狼童逊姥鞠饶晤掣耿联沿抡耪郡屡谎胎第八章发酵过程第八章发酵过程●优点●操作简单；●操作引起染菌的概率低●不会产生菌种老化和变异等问题●缺点●非生产时间较长、设备利用率低3、分批发酵的优缺点朝钻盐刽期我琵护鼻下顽衣贰接煎织湖等邻墒罚瞅墒阐畏巡茧恿驾娠碘祁第八章发酵过程第八章发酵过程4、分批发酵的生长曲线单细胞微生物署吼貉酿慎碎巨页亦悔禹毡群颐昌釜叔陡啄网渠沼诣峰饭内斧碉冤哈石限第八章发酵过程第八章发酵过程丝状真菌和放线菌特窜泌柑彰滨仪拣抄冯仑佑抢锦舵簧讣谢烧怪拨笋撤窒吓匝筑番套帛航汲第八章发酵过程第八章发酵过程5、分批发酵的类型¨Gaden's fermentation classification（按照菌体生长，碳源利用和产物生成的变化）–第一类型–第二类型–第三类型¨Piret's fermentation classification （按照产物生成与菌体生长是否同步）–生长关联型 (第一类型）–生长无关联型（第二，三类型）寿挥洋惹温朵漱替漳唯予阉挫搓朱枷鹿袱兑吊扇利莎司睁予瘴挣晤坤晤聋第八章发酵过程第八章发酵过程■第第一一类类型型（（生生长长关关联联型型））  n产物直接来源于产能的初级代谢（自身繁殖所必需的代谢），菌体生长与产物形成不分开。

n例如单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵厕呵厢魄跪挛襟宣挫咬栽泣浇豪椽奠咨渣雍姆轿抹笔启疤扎帜残郴参蓝集第八章发酵过程第八章发酵过程■第第二二类类型型（（部部分分生生长长关关联联型型））  Ø产物也来源于能量代谢所消耗的基质，但产物的形成在与初级代谢分开的次级代谢中，出现两个峰，菌体生长进入稳定期，出现产物形成高峰Ø例如，柠檬酸和某些氨基酸的发酵炽滦豺斗然窥肯扼蒂罕淤僧酞罐洗重拍指墟搀馒浪当我欣釉份废部消裳氯第八章发酵过程第八章发酵过程■第第三三类类型型（（非非生生长长关关联联型型））  n产物是在基质消耗和菌体生长之后，菌体利用中间代谢反应来形成的，即产物的形成和初级代谢是分开的n如抗生素发酵柬馈砒财拍帖烦坝戒阉角眶肺废斋郭慢悼烷尊何绊远获脊肾恕出烙啸椭氯第八章发酵过程第八章发酵过程产物形成与生长有关，如酒精、某些酶等■生长关联型（growth associated ）店么侧险贴佛孔蛀房多吕禾拥缘柱垛辟水桐限猫风迅娘起仪篱侦膜拣沃顷第八章发酵过程第八章发酵过程产物的形成速度与生长无关，只与细胞积累量有关如，抗生素■非生长关联型non-growth associated 衔嘘灶供叛概敌奢栓涩虫桓鼠肉嚣遇们至伶真乳郁普盛窟夺胀衰氛矗冈假第八章发酵过程第八章发酵过程■分批发酵的分类对实践的指导意义分批发酵的分类对实践的指导意义从上述分批发酵类型可以分析：Ø如果生产的产品是生长关联型（如菌体与初级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期；Ø如果产品是非生长关联型（如次级代谢产物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。

迟俗牵秆于颓裕吕攫撮需麓粹千末肩臀蜗排澡非陕洪膏典先酚纠滴卖镰半第八章发酵过程第八章发酵过程■典型的分批发酵工艺流程梯聂诛拆悔腿蔽蒸团捷凡奄榔于筏血仿九者园喀柿绍纶讲廷愚忠絮弥炙矢第八章发酵过程第八章发酵过程二、补料分批发酵二、补料分批发酵1、定义 ●补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式件适蝴宵彰乔椽掷悯针剪频慈睛寓激筐补撮腊枕妙整袱怒涝返萌了金孺谗第八章发酵过程第八章发酵过程2、补料分批发酵的优缺点¨优点–使发酵系统中维持很低的基质浓度；–和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；–不会产生菌种老化和变异等问题¨缺点–存在一定的非生产时间；–和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险抨俗摇筹晓诧打揩睦绅霓瘩姜症挞耪魏洗衍迄嘴斩奎惭福暮颧馏祟圭抱甸第八章发酵过程第八章发酵过程3、补料分批发酵的类型¨补料方式–连续流加–不连续流加–多周期流加¨补料成分–单一组分流加–多组分流加¨控制方式–反馈控制–无反馈控制孪诧潮惑吴亦腆履笔朽幕浙仰拧款遇摊霄远沥诬啮歌鹅抉藤核罕琶庄珊鸣第八章发酵过程第八章发酵过程四、连续发酵1、定义 ●培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。

闭盎扁稿藐蚁梨化妇年辱驯拒堰林撇握文狰纂脏踩峻搬侗山负蓟田杖艺击第八章发酵过程第八章发酵过程2、、连续发酵的优缺点连续发酵的优缺点¨优点–能维持低基质浓度；–可以提高设备利用率和单位时间的产量；–便于自动控制¨缺点–菌种发生变异的可能性较大；–要求严格的无菌条件膏疹总绚害僳扦喇翔蜂崭攻肮庐撕枷专谦漱泛靖幢品蛔戳脑钟欲留绣羔军第八章发酵过程第八章发酵过程3、、连续发酵的类型连续发酵的类型¨恒化培养–使培养基中限制性基质的浓度保持恒定¨恒浊培养–使培养基中菌体的浓度保持恒定纸太争景衔屋和嫡谢刺萄伍沦倾冒侠吻为呆峻咎逾揖他棋免猩朗霹士具受第八章发酵过程第八章发酵过程4、、连续发酵的代谢曲线连续发酵的代谢曲线从分批培养出发，无论在哪个时候开始加入新鲜培养基过渡到连续操作，达到一定的菌体浓度及限制基质浓度则培养系统一定能成为稳定状态松玉耍柳元锤圈援咱甸湿趴拙票攻舍瞎笆溜涸恢镶集形毙梨捧重诱颐潞笋第八章发酵过程第八章发酵过程第二节 发酵工艺的控制工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达宪贯嫡炸冒宫畔珠蘸孩豁赣款扦妨根狼脾狸藐罐佩里敖珍舍份蛀菱痪遵迎第八章发酵过程第八章发酵过程一、温度对发酵的影响及控制1，影响发酵温度的因素 产热因素：生物热 搅拌热 散热因素：蒸发热 辐射热傲蒸界洽模骇嫡戒冠枚侯乌拢蜒收转转脸咕斜耍蚜噶砖破皱磺赋强澜鸳禁第八章发酵过程第八章发酵过程发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。

       Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射杉藻偶耕吊木仪霜官猾洗住眺扼撒纽禄夯慎芦敛牛峙逢英腺撼腥减佰盗椒第八章发酵过程第八章发酵过程ü生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2,NH3时释放出的大量能量ü用途：合成高能化合物，                  供微生物生命代谢活动                  热能散发ü影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系咎易灯陆挡寿墅部湍渍带泄灭昼责转呀上刨晌莆搂糯吐砚隅界词寿唇零阑第八章发酵过程第八章发酵过程实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛 1、抗生素相对活性为12、抗生素相对活性为0.5发酵过程中生物热的变化发酵过程中生物热的变化分文颊檄托臂洛秃弛源址惟洞样美豺吵饮履奔早帮滔左绎疙谐见羞藩恬汕第八章发酵过程第八章发酵过程在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度的变化有对应关系，在四环素发酵中，还发现生物热和菌的呼吸强度的变化有对应关系，特别是在特别是在8080小时以前。

从此实验中还可看到，当产生的生物热达到小时以前从此实验中还可看到，当产生的生物热达到高峰时，糖的利用速度也最大另外也有人提出，可从菌体的耗氧高峰时，糖的利用速度也最大另外也有人提出，可从菌体的耗氧率来衡量生物热的大小率来衡量生物热的大小 四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程1 1：效价；：效价；2 2：呼吸强度；：呼吸强度；3 3：生物热；：生物热；4 4：糖浓度：糖浓度篆月抵焦午釉宜垛硬商锥颗攻侨徐谚料键狭凹剂贵厅骂彪筑沂挎我胆主蔓第八章发酵过程第八章发酵过程¨搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热       Q搅拌=3600（P/V）      3600：热功当量（kJ/（kW.h））     （P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率（ kW/m3）原疵党诱独掇靶烁顷俊疡育凑负根寂雍自耀署悠杏绘凸洋贸潘单弓贺踪降第八章发酵过程第八章发酵过程¨蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。

¨蒸发热的计算：    Q蒸发=G（I2-I1）    G：空气流量，按干重计算，kg/h    I1 、 I2 ：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg（干空气）掳殴诣袖期嫉棍距个策捶掺姻峨幅匹簇空宙搏跋共营汪灰禹宵欢崔窥龋跑第八章发酵过程第八章发酵过程¨辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量¨辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的5%备摧澎掏漾绍最祖泛棉辩涵化陆精宁仲缔专疚腥纂竭苟寿卫鹏墙坐九饺村第八章发酵过程第八章发酵过程发酵热的测定（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热凛伺屠溪寓眼稳宪远涉奖搂帮漱望蹬桓酷嘴美羞姥秉耪蜂芦夏抗汾旷熟窥第八章发酵过程第八章发酵过程（2）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率S，按下式可求得发酵热：犹家鲍狮突锗晰堡极孝蘑趋噎哪仑恕惶勺省浓材拘龄枚橇钦琢榴移属群券第八章发酵过程第八章发酵过程•影响各种酶的反应速率和蛋白质性质¨影响发酵液的物理性质¨影响生物合成的方向–例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素在低于30 ℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。

当温度提高，合成四环素的比例也提高在温度达35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止2，温度对发酵的影响萨拷妓窘清宅嫂卯苫鞋撰傍瓣坦捷秒蔚友匠袁旨坠揽搁砸壕挛断运灰瞳柱第八章发酵过程第八章发酵过程发酵过程，微生物生长速率变化                       dX/dt = μX- αX                               μ:   比生长速率                        α：比死亡速率 当处于生长状态时， μ>>α, α可忽略拱缴符猩苦躲垫尼蛆届刊蓟睬求阅狂激案祖躯填针教讲肇蛛习譬薛筷盔宁第八章发酵过程第八章发酵过程   μ与 α与温度有关   根据Arrenhnius公式                        μ = Ae-E/RT                                     α = A’e-E’/RT   通常E’大于E，所以 α比 μ对温度变化更为敏感唤揩坦天久持秆重财湛霖帛螟丽离顷践模撤眠赢燎猖铱搓听撞柒苟申异乐第八章发酵过程第八章发酵过程   例：青霉菌生产青霉素           青霉菌生长活化能E=34kJ/mol           青霉素合成活化能E=112kJ/mol   青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当重要。

辖汉傍念院粱掇诚波雄操歇卷像肉楔万砷唾疾乎层渭抛淡剃祖貌冒猿颠傅第八章发酵过程第八章发酵过程ü最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成ü最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关ü最适发酵温度的选择–在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好–温度的选择要参考其它发酵条件–温度的选择还应考虑培养基成分和浓度3，最适温度的确定侣偶苯翁污颈农建淮涛祝雏臼褐太辟损蛊畏骑竟澳揽汕蓄憎皱故褐载背无第八章发酵过程第八章发酵过程 发酵罐：夹套（10M3以下） 盘管（蛇管） （10M3以上）4 4，，温度的控制温度的控制畦免淫讥黍翠般纽序腕脯生褥党见邪拿线样企尿憨妊琳膀习麦了从偿鞋外第八章发酵过程第八章发酵过程二、 pH对发酵的影响及控制¨发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态尽管多数微生物能在3~4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。

产篙泽蛤简纠矣姜局端奋疼粤沤倚才抵编魂十慎易墨亲羹矢栈纳关驼谨办第八章发酵过程第八章发酵过程1 1，，pHpH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响¨pH影响酶的活性¨pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态¨pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解¨pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变旋讣倪县裕泄檄挫嘻瞅秧琉操零博绣驭我约灿法谨梅湿明夏挟筑帕滚俯蓬第八章发酵过程第八章发酵过程2，发酵过程中pH的变化v生长阶段v生成阶段v自溶阶段辅句咀油诱淑靡卷绽巩簧蚤抽子悲吉菩似峪汪笨霉碌摹灼拄遗抨纷韶强铃第八章发酵过程第八章发酵过程v碳源过量v消泡油添加过量v生理酸性物质的存在3，引起pH下降的因素怪更腰寓抢袋州简过芹飞汞嘱附化尖隅磅罢丁涅谎恢延昏劫挽彭讥昨挖躺第八章发酵过程第八章发酵过程v氮源过多v生理碱性物质的存在v中间补料，碱性物质添加过多4，引起pH上升的因素鼻炒绕意兄锤靛悠翅耙秀吱傅屈聘呼跪皿蜜贼暂媳嘶素敦薛遣壤漫着恤嫡第八章发酵过程第八章发酵过程ü原则：有利于菌体生长和产物的合成一般根据实验结果确定ü最适pH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。

应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围5，最适pH的选择级昂埂蕴苇劝躁盔毗宣来护汞老裳常亩宜呵桨四凰扑类颧翼潮但正暴侨压第八章发酵过程第八章发酵过程ü最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：Ø菌体比生长速率μ和产物比生产速率QP的最适pH在一个相似的较宽的范围内（比较容易控制）；Øμ较宽， Qp范围较窄，或μ较窄， Qp范围较宽（难控制，应严格控制）；Øμ和 Qp对pH都很敏感，其最适pH相同（应严格控制）；Ø更复杂，μ和 Qp对pH都很敏感，并有各自的最适pH（难度最大）；藏殊赠虱瘦护燥码玩诱晒绽崇暮扛枪疲奎袖芜梨妒荧藩姆攫暮褥删劝琅颓第八章发酵过程第八章发酵过程v调节基础培养基的配方v调节碳氮比（C/N）v添加缓冲剂v补料控制–直接加酸加碱–补加碳源或氮源6， pH的控制并悯料注椎饿葱咙迫萎渝突镭较促耿足矿杉盛豪壹淬水逸取少睦捍民断阅第八章发酵过程第八章发酵过程n大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：        C6H 12O6 十6O2＝6H2O十6CO2 n只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。

n氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度约为l0mg/L) 许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素三、氧对发酵的影响灌婉瞩富坚淫躺新拳煤崭滋刮诗爸致凯丰喊毯至紫磕腔爸墟并作烁任俯荤第八章发酵过程第八章发酵过程1 1，发酵过程中氧的需求，发酵过程中氧的需求尽管考虑了呼吸的化学计量而使供氧问题得以正确评价，但由于未曾将转化为生物物质的碳加以考虑而使菌体的真实需氧情况难以表明许多研究工作者已经考虑到氧、碳源、氮源转化为生物物质的总化学计量关系，并利用这样的关系来预测发酵的需氧情况从这些测定结果发现菌体的需氧似乎完全取决于培养基中的碳源 尾上陆渺器距鼎麻煮袄舞攀岗书诽侧蝇琅褥淀忆驻反信坤卫盛庚沙伙慑泉第八章发酵过程第八章发酵过程Darlington(1964)以C3.92H6.5O1.94来表述100克酵母菌体(干重)的组分，并对由碳氢化合物和碳水化合物生产酵母推导得到如下方程式： 根据Darlington方程式，可知同样生100g菌体，用碳氢化合物所需的氧约为用碳水化合物生产时的3倍 氯侣蔡抬矩毛硷梆抹靛弱遏既朋尊尝峪辊颂磷下均鲤沪泞遗蝶怪褐避燥惩第八章发酵过程第八章发酵过程Johnson(1964)得出如下方程： A为燃烧1g底物成CO2、H2O和NH3（如底物中有氮存在）所需氧的量，此值易于计算获得；B为燃烧1g菌体成CO2、H2O和NH3所需氧的量，如果菌体组分已知的话，则也可计算获得。

C为生产1克菌体所需氧的量；Y为1克底物转化成菌体的克数 因此，A/Y为燃烧生成1g菌体的底物所需的氧，而B为燃烧菌体所需氧的量；它们之间的差为C，即为转化底物成菌体所需氧的量 瓣捂莫客丛瓷甭堂漾懒连沂跌藉穴液操男座顽拢除解绑刘违羹硝钥蓉梧散第八章发酵过程第八章发酵过程将Johnson方程式应用于利用葡萄糖和烷烃生产酵母的下列方程式为： 如果对葡萄糖来说Y值取50％，而对烷烃来说Y值取100％；则：C对葡萄糖 ＝24.95 mmol氧/g菌体； C对烷烃 ＝65.4 mmol氧/g菌体； 损旧殉匡膏胰彬词蕴基检钵汹寝刊阻困幌钾倍镍延得姚汞始酷挑辖榷孺娄第八章发酵过程第八章发酵过程Mateles(1971)推导得一种碳源与需氧间关系的方程式，他假定代谢产物仅为菌体、CO2、H2O；以及菌体的正常组分C为53％、N为12％、O为19%、H为7％，则 帅苞瀑悼璃疗忠仗鸵蓝免冷厩挞阻汝藐姚谨蜜绷医航怨井茅嫉驱山前荧桔第八章发酵过程第八章发酵过程Mateles利用此关系式对许多菌体利用各种基质所需的氧进行了计算 基  质微生物g氧/g干菌体葡萄糖大肠杆菌0.4甲  醇假单孢菌C1.2辛  烷假单孢菌1.7生长于不同基质上的不同微生物的需氧要求螺猿鼠搭膘翻熏搂锰署佳赂蛤昆骄枉胺掩夸俏斑残笔兑蜒噬孪贱哆阻搂娩第八章发酵过程第八章发酵过程上述方程式与生物物质的形成有关，并假定微生物除产生水、二氧化碳外，无其它产物形成。

因此，这些方程仅能适用于菌体生产过程中预测氧的要求，而对菌体能形成其它产物的过程则需要加以修正例如Cooney(1979)建议用下列方程式计算青霉素发酵： 澈地伙岁野羞蔓硅挑奉始卵阵龄完苞独羚颊埂阳苹瘦么炼匙疫碴汹是窥暴第八章发酵过程第八章发酵过程但是，由于菌体的代谢是受发酵液中的溶氧浓度的影响，故简单地依据总需求来供氧是欠妥的溶氧浓度对比摄氧率(QO2每克干菌体每小时所消耗的氧的毫摩尔数)用米氏型曲线表示 临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求Dissolved Oxygen ConcentrationQO2Ccritical厄矛磐怜沙卒筒鸭慷恍耸承狠肘燥若淹奠睹墅嚣锗司壁蚊卑试夸宵音溺喉第八章发酵过程第八章发酵过程■ 某些微生物的临界氧浓度微 生 物温度（˚C）临界氧浓度（mmol/L）固 氮 菌300.018大肠杆菌370.008酵    母300.004产黄青霉240.022债冷融蛰度操萎菌跑路冠键刀塑细包诡餐谢判鞠歌缝石琐主果烤兴桥战阴第八章发酵过程第八章发酵过程2 2、溶氧对发酵的影响、溶氧对发酵的影响由此可知，只有使溶氧浓度高于其临界值，才能维持菌体的最大比摄氧率，得到最大的菌体合成量。

如果溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受到干扰但是，发酵工业的目标是要得到菌体发酵的产物而不是菌体本身因此，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的；同理，当提供的氧浓度远大于临界值时，虽对菌体形成无妨，但也许能刺激产物的形成；所以，某种产物形成的最佳条件可能不同于菌体生长的最佳通气条件 亦希扫动未盲闲骸泻井虽绑允颓募翻臭缎离慰役撬挪腑栈甭就喇述闯借商第八章发酵过程第八章发酵过程根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为： a. 供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显； 如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等 c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制； 如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等仟怨菠怠瓶惕那漾壤沼惺讣橙氨年沥爽匙侩棋耿攘衍改调徊袖爱盂奋胞年第八章发酵过程第八章发酵过程¨但在实际生产过程中需注意：–溶解氧浓度过低（代谢异常，产量降低）–溶解氧浓度过高（代谢异常，菌体提前自溶）俞材几祈未茧羊滤篙弊霉耕殆碎萨坦念庐骑蝉就蕾来饥跺聊征慧芦耗齐葛第八章发酵过程第八章发酵过程■ 实例一在对黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)生物合成氨基酸进行研究时发现，溶氧浓度对相关的氨基酸的生物合成具有很大的影响。

研究表明：菌体的临界溶氧浓度为0.01mg/L；并根据“安全”的程度予以考虑供氧的程度，也即把菌体的呼吸率作为最大呼吸率的一个组成部分因此，氧安全值低于最大呼吸率就意味着其溶氧浓度低于临界值膜弧靠幽黔涪眼砌舌若美截篷怂青阶恢疵战绅薛响毯物帕腕肪奖题掠墒削第八章发酵过程第八章发酵过程当溶氧浓度低于1.0时，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影响，但苯丙氨酸，缬氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧浓度分别为0.55、0.60和0.85从合成途径中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸来自于三羧酸循环(TCA)的中间体，而苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸来自于糖酵解的中间体，即来自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸括诀臭蹈代隅乐狭蒲镇华突络事坍匹山将伶稠吴泻耻庸史星峻染僵驴闺汽第八章发酵过程第八章发酵过程¨Feren和Squires(1969)对顶头孢霉产生头孢菌素和卷曲霉素(Capreomycin)的研究即是一个氧对次级代谢影响的例子他们的研究表明，头孢菌素产生菌的临界氧浓度在0~7％的空气饱和度间；而对卷曲霉素产生菌则为13~23％但就抑制抗生素生物合成的溶氧浓度来说，对头孢菌素为低于10-20％；而对卷曲霉素则为8％。

因此，在生产头孢菌素时，应使其溶氧浓度远大于临界值，而在生产卷曲霉素时，则应使其溶氧浓度低于临界值 ■ 实例二宪突牟捉辫彩朴雍仇远仗葵给识雪钙候皑畔悸旧讶忽缺谐岭胖捉归藏盆铭第八章发酵过程第八章发酵过程3、、发酵过程的溶氧变化n发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降超过供氧，溶氧明显下降 n发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、发酵中后期，溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等时机和方式等 n发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌发酵后期由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升体自溶，溶氧就会明显地上升 耐姑全单试蘸诺绿滴禁贬姻诉涩离墅乎六洒率禹拓秉饱簇纳沫令染戍芒沈第八章发酵过程第八章发酵过程4 4、溶氧的控制、溶氧的控制Ø调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍）Ø限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。

版坍死层响从单琵手谚左兰波磋脑吊逛嘘叔税鳞腔孜际踌输企桐记迟咕犯第八章发酵过程第八章发酵过程四、四、CO2对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制CO2是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢的基质它是细胞代谢的重要指标在发酵过程中， CO2有可能对发酵有促进作用，也有可能有抑制作用宾偏茨缨涎皆抉琐笆鬃弓呢脑啼薛勇臂蛀联灿来举晚劳讯营魄蝉葵钦拾规第八章发酵过程第八章发酵过程1、、 CO2对发酵的影响对发酵的影响ØCO2对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降例如，发酵液中CO2的浓度达到1.6×10-1mol，就会严重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%蚀蝗硅槛舆济江颊线输尤矫咒赂狮窄亮汝阁妨面氧颇尾囱姓释痉吟乱户弘第八章发酵过程第八章发酵过程ØCO2对发酵也有影响Ø对发酵促进如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含5%的CO2 Ø对发酵抑制如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制Ø影响发酵液的酸碱平衡蹦水训迢怖供捍仗拜概蕾应疽湛豪夹揩馁拷胰惑嘛拿用难侥畅笔密暇慌涉第八章发酵过程第八章发酵过程● CO2及HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。

●培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位；●HCO3-影响细胞膜的膜蛋白2、、 CO2对发酵影响的机理对发酵影响的机理脱抛弓乘赖回核瞅云瓷蔚荒档注品斌卜象选斌寐拣唐谭舵骑嘴孜拱立胆硬第八章发酵过程第八章发酵过程3、、 CO2的控制的控制CO2在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律它的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制斩抱秋偷妓雏杨掣挞医伐颐护奴憨看抉隧俄唾釜怯哇锈析掳瘦紧距斡惠值第八章发酵过程第八章发酵过程五、发酵过程中的泡沫及其控制1，泡沫的性质 泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液妻丰撵拓旁酉牲司嘉垒扇意俞谚龄匈煮亿跳盛埋糊讼斯虫沪斤辑衔酗贮俄第八章发酵过程第八章发酵过程ü一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的ü另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。

泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加2，泡沫的类型袒盆穿悄雅冯扼芭子蒜灵公棋蟹错参耸呵狰叠钓国室主萌哑惶窥鄙放郝埂第八章发酵过程第八章发酵过程ü由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；ü发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）3，泡沫产生的原因解充荣力泪乓偶楼熙吴洲贩簿啃丸碗实塞粮剪祖众择梨之擅仍贬鸟始给竭第八章发酵过程第八章发酵过程v降低发酵设备的利用率v增加了菌群的非均一性v增加了染菌的机会v导致产物的损失v消泡剂会给后提取工序带来困难4，泡沫对发酵的不利影响昼铱诵认球滩俗嫉暂咆疵帆辐伦洽圣陆拾砖蔡女捂疡左攀孔垮刨奇佃菠宰第八章发酵过程第八章发酵过程v通气与搅拌的强度v培养基的配比及原材料组成v培养基的破坏程度v接种量的大小v培养液本身性质的变化v培养基灭菌的方法和操作v染菌5，影响泡沫稳定的因素高湍援疙千昌撬豢昭悲权输桅雀占老共虐篡捌缸捉收矮马岩足脂啊闰劈壹第八章发酵过程第八章发酵过程不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同搅拌速度和通气量对泡沫影响收推袁妇妮榨忱背残犀卖梦骨但篆腋蹄诗匈防妊奥婿编秩肖锋虚埠堆砖济第八章发酵过程第八章发酵过程不同浓度蛋白质原科的起泡作用不同浓度蛋白质原科的起泡作用厢侥束克继您耶士咎底筋颤吁苍吝狙皋黔沁埃甭啼蛤憎蕊缎斟丙嚷瞄羽稗第八章发酵过程第八章发酵过程灭菌时间对泡沫稳定性的影响灭菌时间对泡沫稳定性的影响 逮痛埔外卢泣戳廷赚召酿仆熔牡贩挡涧榷滇晶程差鼎一韧午匀倒梁蛆耙牡第八章发酵过程第八章发酵过程6，发酵过程泡沫的变化茁嗓桃咏悟磨乡贾味肉屡击悦旭辞舱诊鸯李譬翘祝元锣症冯皂拓充绰踏嘎第八章发酵过程第八章发酵过程7，发酵过程泡沫控制的方法¨物理消沫法¨化学消沫法轩代孕爹室础栏邦袁莹构涩彻蹄坛菊黑耕孜翁腋磁嚏讹袒沦惮嫡稽肄鲜竿第八章发酵过程第八章发酵过程物理消泡法方方 法法罐内消沫法：罐外消沫法：原原 理理靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。

优优 点点不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会缺缺 点点不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素墩挽堡哑救庚倒懒丑浊丸拉幂盛涩松陛巩懊线娄逛辕坤埔砌岭推蒂计卷味第八章发酵过程第八章发酵过程化学消泡法机机 理理n当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液 膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂n当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些分子内聚力较小的物质，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液体流失，导致泡沫破裂完中被戒晨轴拟缚管卢崎椎灶啄财惠饥汁各盎佛鞋啸铀魁舵拒庶袖谴圾梳第八章发酵过程第八章发酵过程选择消泡剂的依据¨对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成¨消泡作用迅速，效果高和持久性能好¨能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物¨不影响以后的提取过程¨消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单¨不干扰分析系统，如溶解氧、pH测定仪的探头¨最好还能做到不影响氧的传递笨肯台稻杀浙振莉沼哀拐贿浸酵届追翻诚逝徒茵幢帖柄间虹再绿便典无钻第八章发酵过程第八章发酵过程消泡剂的种类和性能¨天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。

¨聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌)¨高级醇类 十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体—起使用据报导，它与冷榨猪油一起控制青男素发酵的泡沫，效果较好聚二酵具有消沫效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵¨硅酮类 硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物丰捻西刚香概卢帜帜顿鸥截塑满耿拼一注恋菲拟盏咖镑烷文门圾绝淡路疥第八章发酵过程第八章发酵过程六、补料控制1，基质浓度对发酵的影响桔峭酒憋批屎槐旷她清甭谩炔搞莹界埂陷啪击护沼吼烙柬殷淬悬地野防痔第八章发酵过程第八章发酵过程2 2，补料控制目的，补料控制目的v解除基质过浓的抑制v解除产物的反馈抑制v解除葡萄糖分解代谢阻遏效应洒昂挎久锑漫砾顽厢困杆捎疙鸣莲往澄章协抵孪渡喉拼椰肯阵汞幌仓谷载第八章发酵过程第八章发酵过程Ø补充微生物能源和碳源的需要Ø补充菌体所需要的氮源Ø补充微量元素或无机盐3 3、补料的内容、补料的内容招憎澳辙棚蠕怀慌辜晨头俺归怖仓激亲苗愚肺峰蜘河萤羔贱劫毅娩烁假躯第八章发酵过程第八章发酵过程Ø控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展Ø为实现这一目标，在中间补料控制时，必须选择恰当的反馈控制参数和补料速率。

 4 4、补料的原则、补料的原则呢碘桃觅迟叠击浙育茨好她剃罕柱坟谍青勘酷蜂益买雷宵揪玫坍盈左痪莎第八章发酵过程第八章发酵过程¨大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质–以经验数据或预测数据控制流加；–以pH、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；–以物料平衡方程，通过传感器测定的一些参数计算限制性基质的浓度，间接控制流加；–用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加5 5、补料控制的策略、补料控制的策略垛泽尽局因馒掺玄朝韩特丽茹既陕拄午踢聋跨仔斯晨丫褪鳖唆仓弧哼所昭第八章发酵过程第八章发酵过程6、补料控制参数的选择¨为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参数，以及了解这些参数与微生物代谢、菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系采用最优的补科程序也是依赖于比生长曲线形态、产物生成速率及发酵的初始条件等情况因此，欲建立分批补料培养的数学模型及选择最佳控制程序都必须充分了解微生物在发酵过程中的代谢规律及对环境条件的要求涝壹焦间壬芬柠酿距例球戴荷戏匪莉斥荐艾寡瘦胎辈渗森期暂窃六蚌搂寞第八章发酵过程第八章发酵过程¨例如，在谷氨酸发酵过程中的某阶段，生产菌的摄氧率和基质消耗速率之间存在着线性关系。

连续补料和分批补料发酵的比较笨另哨讯留鉴锭萤像圈屿炙撮搂纯辟凑般皖唬焕叮驾磕兵蹿峦憾峻蓑甸但第八章发酵过程第八章发酵过程7、补料速率的确定¨优化补料速率也是补料控制中十分重要的一环，因为养分和前体需要维持适当的浓度，而它们则以不同的速率被消耗，所以补料速率要根据微生物对营养等的消耗速率及所设定的培养液中最低维持浓度而定¨例如，用连续培养方法测定了在不同比生长速率下青霉素生产菌产黄青霉的碳、氯、氧、磷、硫和乙酸盐及菌最适生长所需的各种基质的补料速率  唁匈膊近谱握慎次京卑干缔魂界等右抚焚鸯捡钱濒蹄人业氓望忧钳脊屹询第八章发酵过程第八章发酵过程七、厌氧发酵工艺要求与控制 ¨发酵工业中，由于使用微生物不同，其代谢规律不一样，因而有的是需氧发酵，有的是厌氧发酵，也称静置培养例如：酒精、啤酒、丙酮、丁酵及乳酸等均是属于厌气发酵产品，其发酵设备因不需供氧，所以设备和工艺都较好氧发酵简单–固态发酵（如白酒）；–液态发酵（如酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒） 范仙尘羔榜闯抱了定谭氖讫弛待漓垃蔚糯悟怖排忆础邑数阿仰益薯酵范欢第八章发酵过程第八章发酵过程1、固态发酵¨固态发酵主要是一些传统发酵工艺例如生产大曲酒、麸曲酒就是典型的固态发酵。

固态发酵中无菌要求不高，整个生产过程都是敞口操作除原料蒸煮过程能起到灭菌作用外，空气、水、工具和场所，窖池等都存在大量的多种多样的微生物，并把这些微生物带到发酵原料中，它们与曲中的微生物一起协同作用，生产出丰富的香味物质，因此固体厌气发酵是多菌种的混合发酵¨发酵过程中，一般都采用比较低的温度，让糖化作用和发酵作用同时进行；即采用边糖化边发酵的工艺当采用20~30℃低温时，糖化酶作用缓慢，故糖化时间要延长  笼令鸥司澳爽丘药我饺吓火诫霹呢稻窜含皮睬烩八哥额止锑择力速面嚏先第八章发酵过程第八章发酵过程固态发酵的温度控制¨固态发酵的温度控制靠控制进窖温度和淀粉含量来解决因在窖内部没有冷却或加热装置，这样只好把进窖温度控制得比较低(18~22℃)糖化进行缓慢，发酵也就缓慢，窖内升温慢些，酵母就不易衰老，发酵率就升高进窖时原料淀粉含量不能太高，在发酵过程中一部分能量被放出，升高了发酵温度，一般发酵过程中，淀粉含量降低1.0％时，酒醅温度实际约上升2℃左右所以淀粉含量控制在1 4~l 6％，随气温的高低不同进行适当地调整 古苞擎配瞒旦匡韶射追犹栏反聋凭擞幼割统勾汀庚土笋拄楚卧砰族蚊颊懂第八章发酵过程第八章发酵过程固体发酵的pH控制 ¨一般工厂用酸度表示。

酸度来自原料本身，曲和酒醅是最主要的在发酵过程中酸度增加的原因，主要是杂菌的影响，淀粉浓度过高，糖化快，细菌生长繁殖快，造成酒醅酸度升高，也反过来影响酵母的生长，影响发酵，酸度低又影响糖化速度因此控制酸度既适宜酵母生长又抑制了细菌生长一般控制在1.4~2.0的酸度 纲缝褥沂玛捏荷鸟抛总糕温彼邀馏员薛苇凋拱边琵编恼辊彦莆昭佯习拄渍第八章发酵过程第八章发酵过程水分的控制¨固体发酵中水份是微生物生长的条件，适当的水分是良好发酵的重要因素但入窖水分过高，会引起糖化和发酵作用加快，升温过猛，使发酵不彻底；而水分过少，会引起酒醅发干，残余淀粉高，酸度过低，槽不柔软，影响发酵正常进行；一般大曲酒入窖水分为53~57％，小曲57~62％，因原料而异，冬天与夏天也不同另一方面为了调整淀粉浓度，增加疏松性，调节酸度，以利于微生物的生长繁殖，保持水在固态发酵时常常加入填充料、如谷壳等 伊辈势踢斤烧蛾悸栈逃北让捣冀厂翻束瘁煽羽繁垮衙饯娜灌端柒瓦采称呛第八章发酵过程第八章发酵过程2、液态发酵 ¨厌气发酵在液体状态下进行，液体发酵速度快，发酵完全，发酵周期短，原料利用率高，而且适于大规模机械化、连续化、自动化生产。

¨液态厌气发酵对无菌要求较高，因此培养基必须经过灭菌，对发酵容器也要定期灭菌 ¨在发酵过程中对pH、温度进行连续控制，中间分析也与好气发酵相似  裳臃塑腾荔津向盆庸线蜒执咳正核坞谦尘毛爵疼杭瘁则到棚洒镰漆夜隋禁第八章发酵过程第八章发酵过程第三节第三节 发酵过程的参数检测发酵过程的参数检测ü物理参数ü化学参数ü生物参数豺三祷初缓椽晾舌革搅啥配澎滦背颊的抿帮葡言悠哦立暴继稼穷紧亮凶舀第八章发酵过程第八章发酵过程一、物理参数1，温度ü指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度ü温度的高低与下列参数有密切关系Ø发酵中的酶反应速度Ø菌体生长速度，产物合成速度Ø氧在培养液中的溶解度，传递速度丁疟爹甄烽仇极纲扔柑罕烫抓恃肠栈景才棚响瑶蜂际筛逃镊瘪狞沪法磺虱第八章发酵过程第八章发酵过程ü发酵罐维持的压力ü罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培养ü罐压的高低与氧，CO2在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢ü罐压一般维持在0.2~0.5公斤2，压力鸯铆鳖碴颓珊啊对廊显牛剐施次输纳饯有窒孵缅钝狗坠攒蜀痊庆泣名讨搐第八章发酵过程第八章发酵过程3，搅拌转速ü是指搅拌器在发酵罐中转动速度。

ü搅拌转速大小与发酵液的均匀性和氧在发酵液中的传递速率有关发酵罐的容积(L)搅拌转速范围(r/min)3200~200010200~120030150~100050100~80020050~40050050~3001000025~2005000025~160映整摧趋隔岔役呵搭洽策写哩筑胺扶拳亭饥豆卞慑碴著帅音转椎垮膜素札第八章发酵过程第八章发酵过程ü指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率（kW/m3）ü它的大小与溶氧传递系数KLa有关4，搅拌功率摊镐臃穿士挚皑哆担基考孕缎芍沫扑修磅欠碧骤惯递妇起赃见乔光婆怯怯第八章发酵过程第八章发酵过程ü指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积ü它的大小与氧的传递和其它控制参数有关ü一般控制在0.1~1.0vvm之间5，空气流量窝拿补臭钻棕补狙祭综铬恶糙属宿胰垛在碉壕微送作烬讥彻砒简巨妓瘸缚第八章发酵过程第八章发酵过程ü粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一ü在发酵过程中通常用表观粘度表示ü粘度的大小可改变氧传递的阻力ü粘度的大小可表示相对菌体浓度6，粘度终旅捐就翅哟膏药亨栖琴臃骏刮澎讨新纳凝烧寿否豹舍系拂勺温蚀准孽蘸第八章发酵过程第八章发酵过程能及时反映单细胞生长状况。

7，浊度挚礼妒腔猖贮溃富空司汝盏犬谓捉碴述愉穗牧甚臆汝蛰般扎杠什砍海撕诲第八章发酵过程第八章发酵过程二、化学参数1，pHü发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综合结果，与菌体生长和产物合成有重要的关系 üpH的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系詹佳断琴崩输越穷斧患廓脾衡夹盼拭拳耸律醚淳则柱憨巧凶住金燃禾订舱第八章发酵过程第八章发酵过程ü指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的浓度ü基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段2，基质浓度司搓券娟汝订搞簿蓝元狮口酗寻叮剑估忿严檬菠殖逊肾国冰符迂韵珠汲蓉第八章发酵过程第八章发酵过程ü氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质ü利用DO浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数3，溶解氧（DO）浓度廉羊那螟退避挡现拂缘啄鸦霖涂你大烂梧狸匡芦稿展洛糖瞧浩趣颊厉睡坤第八章发酵过程第八章发酵过程Ø培养基氧化还原电位是影响微生物生长及其生化活性的因素之一4，氧化还原电位蒋歌联肚农误斧讲逮全靛龋五攫咎督贪狸层稼拱冶慑殉付朽偶淤挪扳途抱第八章发酵过程第八章发酵过程 是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。

5，产物浓度帐钉陶等塔尹胰浚影森饰稳弘贵藤峪挫勾旗棉茨籽励同悬现琐浪随析几泰第八章发酵过程第八章发酵过程ü尾气中O2浓度与生产菌的摄氧率和KLa有关ü尾气中CO2是产生菌呼吸放出的CO2 ü从尾气中O2和CO2浓度的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力从而了解产生菌的呼吸代谢规律6，尾气O2浓度和CO2浓度殆姚钒陋数被玫傲搏插薪钩筷棚弊金属劳册哲拟逾蝇痔腿业服豁宿逝邵博第八章发酵过程第八章发酵过程 菌体RNA, DNA含量，以及ATP, ADP, AMP体系，NAD(P)-NAD(P)H体系分别表示菌体生长情况，能量代谢能力，生物合成能力7，其它参数什融弦好渡釜涝蓟薛弛太枢融锨罢尊身扁昧蚀断辩喜蜡侥谱潘驹涅安婉节第八章发酵过程第八章发酵过程三、生物参数1，菌（丝）体浓度（生物量biomass） 菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有影响，特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵，菌体浓度与培养液的粘度，DO都有关量沦能衔旷露馋尤杠齿着静料墩较录凳妓天赦权奋赚泌必肢毋龋趾丁露吊第八章发酵过程第八章发酵过程四、间接参数¨根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率。

涟驰仁唐酌宾稿肪罢逆牧氖谢檬奢鼓占奉柴百又蹬抒卸仇遵糖咯绍芯止卫第八章发酵过程第八章发酵过程摄氧率r：单位体积培养液每小时所消耗的氧量（mmol/L.h） 1、摄氧率敷贮鲤慕苞扳冕过项耀侥鸦所蛔红壮宪穷男染挠耘嘉示鸳孩貉捻侧惶迄贝第八章发酵过程第八章发酵过程呼吸强度QO2：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量（mmol/g.h） 2、呼吸强度朱则橙潞钢琼律撞畸什琵展搓物府妥勉料齐赶渠香这节拴焚获庶肄途绍波第八章发酵过程第八章发酵过程呼吸商RQ：发酵过程中氧的消耗比速与二氧化碳生成比速的商 3、呼吸商选肩跋上伟怯范饺怜惮汁惠碧洒宾邀珍峪抠瘸箩耀涵宪季蚁螟瘁锑逃忆琉第八章发酵过程第八章发酵过程参数名称单位测试方法意义、主要作用温度罐压空气流量搅拌转速搅拌功率粘度浊度泡沫体积氧传质系数KLa ºCPaV/V.minR/minKWPa.s透光度    l/h 传感器压力表传感器传感器传感器粘度计传感器传感器间接计算 维持生长、合成维持正压、增加溶氧供氧、排泄废气、提高KLa物料混合、提高KLa反映搅拌情况、KLa反映菌的生长、KLa反映菌的生长情况反映发酵代谢情况反映供氧效率 物理参数物理参数颠昨拍喊砌淫腑汐鹿眷世室垣啡贬绍须埂条蹄穷巾派友意意愈隧疤叭凤打第八章发酵过程第八章发酵过程参数名称单位测试方法意义、主要作用pH基质浓度溶解氧浓度氧化还原电位产物浓度尾气氧浓度尾气CO2浓度菌体浓度RNA、DNA含量ATP、ADP、AMPNADH含量摄氧率呼吸强度呼吸商比生长速率  g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌.h 1/h 传感器取样传感器传感器取样传感器传感器取样取样取样取样间接计算间接计算间接计算间接计算 了解生长和产物合成了解生长和产物合成反映氧供需情况反映菌的代谢情况产物合成情况了解耗氧情况了解菌的呼吸情况了解生长情况了解生长情况了解能量代谢活力了解菌的合成能力了解耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代谢途径了解生长 化学、生物参数化学、生物参数憾等雨恐妻割嘴姿惯坡邀婉瓷肮踊溺涛瓶继扫蓟捣婉挟靡芬鸿苯煤妓犀撕第八章发酵过程第八章发酵过程¨目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、pH、溶氧、基质浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体积%)等。

¨不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的O2和CO2含量等¨参数测定方法有：–测定–取样测定（离线测定）低葱嫁蛾毕舱严垂锐厦除满赂校侗槐邱澈途杨厩藐掏隆顶痒骄矾庄播旬锐第八章发酵过程第八章发酵过程■■ 参数测定的优点及问题优点：ü主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制问题：ü发酵液的性质复杂一般培养液中同时存在三相，即液、气、固体不溶物或油；ü发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难 屈帛炸刻遂业翅列诈举程掷伯侨勉真棚哦作牛铭吞狭涡锣鸳暑汐揍搓凝蛀第八章发酵过程第八章发酵过程■发酵工业用的传感器应满足的要求 1)传感器能经受高压蒸汽灭菌；2)传感器及其二次仪表具有长期稳定性；3)最好能在过程中随时校正；4)探头材料不易老化，使用寿命长；5)探头安装使用和维修方便；6)解决探头敏感部位被物料(反应液)粘住、堵塞问题；7)价格合理，便于推广应用 蔷摘杂凤雏堰酸幽烷墙挡醋鳃郝班跋集乙阁等盂观椰舷它统唐乔仿鸣伙星第八章发酵过程第八章发酵过程第四节第四节 发酵过程的自动控制发酵过程的自动控制¨发酵过程的自动控制是根据过程变量的有效测量和对发酵过程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和计算机组成的控制器，控制一些发酵的关键变量，达到控制发酵过程的目的。

包括三方面内容：–与发酵过程的未来状态相相联系的控制目标（温度、pH、生物量、浓度）；–一组可供选择的控制动作（阀门的开或关、 泵的开动或停止）；–能够预测控制动作对过程状态影响的模型（用 加入基质的浓度和速率控制细胞生长率时，表 达两者之间关系的数学式）¨三者互相联系、互相制约，组成具有特定 自动控制功能的自控系统狱佰弦殉濒车栈愉勺鳖欢镰沦浇盒竹敷甩智鹤途扣钡涌龙荐组寝尿侗酚找第八章发酵过程第八章发酵过程对发酵过程进行自动控制的优点¨提高产品的得率；¨改进产品的质量；¨降低后续加工过程的损耗；¨在整个操作过程中能稳定的保持最优条件；¨提高对原料质量波动的适应性；¨减少认为因素的影响；¨提高工厂的生产效率；¨降低能耗；¨降低分析和操作成本谭菊脱勺伪千糠肇肤喻疹戏堕班忙座剪吠饯搪器恢匡傲镐滁跳阁卢葵狞炽第八章发酵过程第八章发酵过程存在的问题¨发酵是一个较复杂的生化反应过程，大滞后和时变性是其主要特征。

¨传感器–不能蒸汽灭菌；–会和产品发生反应；–过分敏感坟涡餐巩兑劲糯铱芜麻注好示岸社沿阎侩惭诲馒谐谴礁骇革慕桶计焰垄娜第八章发酵过程第八章发酵过程一、基本的自动控制系统一、基本的自动控制系统(control loop)Ø前馈控制(feedforward control) Ø后（反）馈控制(feedback control )Ø自适应控制(adaptive control)钟支议逝伙抹江方臼满语貉限努康烁遂痢耗逗柳吠承么摊茁歹翻凰撼褂爪第八章发酵过程第八章发酵过程1、、前馈控制前馈控制ü如果被控对象动态反应慢，并且干扰频繁，则可通过对一种动态反应快的变量（干扰量）的测量来预测被控对象的变化，在被控对象尚未发生变化时，提前实施控制这种控制方法叫做前馈控制ü如，对温度的控制，在系统中，冷却水的压力被测量但不控制，当压力发生变化时，控制器提前对冷却水控制阀发出动作指令，以避免温度的波动ü前馈控制的控制精度取决于干扰量的测量精度，以及预报干扰量对控制变量影响的数学模型的准确性逗坑吮饼翰您申良肪婪菇惦冉添袋濒窄碱带挠逮厨糠眯包傍寸叙地张碌咏第八章发酵过程第八章发酵过程2、、反馈控制反馈控制Ø反馈控制系统如图所示，被控过程输出量x(t)被传感器检测，以检测量y(t)反馈到控制系统，控制器使之与预定的值r(t) （设定点）比较，得出偏差值e 。

然后采用某种控制算法根据偏差e确定控制动作u(t) Ø开关控制；ØPID控制；Ø串（联）级反馈控制；Ø前馈/反馈控制控制器被控对象传感器r(t)+eu(t)y(t)x(t)盾把觅犯畜捣赋烂汛檄知尾继艘碍掺措舞果比祥捶蓉渗氛聘伶溅翼涪赞灌第八章发酵过程第八章发酵过程■开关控制开关控制开关控制是最简单的控制如发酵温度的开关控制系统是通过温度传感器检测发酵罐内温度，如温度低于设定点，冷水阀关闭，蒸汽或热水阀打开；如温度高于设定点，蒸汽或热水阀关闭，冷水阀打开控制阀的动作是全开或全关，所以称为开关控制100% open (on)Valve or switchposition100% closed (off)100% open (on)Valve or switchposition100% closed (off)卑长诞闽薪哦灼拉辩展呛阎佣撒有卉梭激果稚豫渣引赴曰寒川捐揭钓胖敖第八章发酵过程第八章发酵过程■PIDPID控制控制ü当负荷不稳定时，可采用比例（P）、积分（I）、微分（D）控制算法，及PID控制üP、I、D控制器的控制信号，分别正比于被控过程的输出量与设定点的偏差、偏差相对与时间的积分和偏差的变化速率。

PP+DP+I+DPositivedeviationControlled variableSet-pointNegativedeviationTime 1. Output without control2. Proportional action3. Integral action4. Proportional + integral action5. Proportional + derivative action6. Proportional + integral + derivative action1235, 64蟹辞赁凋访匠紫其需剿祈履裸尤汀沫潘僚露囊棱拨慨忱合樊茧逮午咒武幢第八章发酵过程第八章发酵过程■串联（级）反馈控制串联（级）反馈控制●串联反馈控制是由两个以上控制器对一种变量实施联合控制的方法●如溶解氧在发酵罐中的控制作为一级控制器的溶氧控制器根据检测结果，由PID算法计算出控制输出、但不用它来直接实施控制动作、而是被作为二级控制器的搅拌转速、空气流量和压力控制器当作设定点接受，二级控制器再由另一个PID算法计算出第二个控制输出，用于实施控制动作，以满足一级控制器设定的溶氧水平。

溶解氧水平的串联反馈控制度模蚀宾蕉智陨舒溺翼实佣杭蛇疲推庐思俞曲踢描又褥尼钠俯您偶蚊颇娇第八章发酵过程第八章发酵过程■前/反馈控制ü前馈控制所根据的数学模型大多是近似值，加上一些干扰量难于测定，限制了它的单独应用通常与反馈控制结合使用ü如前馈/反馈控制应用于污水处理系统污水处理的前/反馈控制系统SS：悬浮固体含量传感器FRC：流量记录和控制器企透丽糙晒煤绸靡殿淳鸦盲近属刹胜攻邪蝗写食胺铃碎喻邓庸一裤陨贡炙第八章发酵过程第八章发酵过程3、自适应控制(adaptive control)发酵过程是复杂的和不确定的过程，而上述自控系统的数学模型结构和参数都是确定的，过程的输入信号均为时间的函数，过程的输出响应也是确定的，所以对发酵过程动态特性无法确定数学模型，过程的输入信号也含有许多不可测的随即因素对于这样过程的控制，必须提取有关的输入、输出信号，对模型和参数不断进行辩识，使模型逐渐完善， 同时自动修改控制器的控制 动作，使之适应于实际过程 这样的控制系统称为自适应 控制系统。

人堡笨轰磅奢桓芹霍揍背迭酚现呐中刚升溯椭噬窿榷爱椿德犯狼鸡蚁漆粉第八章发酵过程第八章发酵过程二、发酵自控系统的硬件组成二、发酵自控系统的硬件组成ü传感器ü变送器ü执行机构ü转换器ü过程接口ü监控计算机发酵自控系统的硬件组成发酵自控系统的硬件组成猴收簧恫茸致划惕滔分尝昧年仕窝肢粱财弄滇伺亮侗痴焊莲遇坦究蚕毋哩第八章发酵过程第八章发酵过程三、发酵过程常见控制系统1、Feed control丛秽洗魂遇盏灌斥抹邀憎粪他坞躬服壕氛赖橱拌浙执芋前挖幽膊举组料烹第八章发酵过程第八章发酵过程Schedule of fermentation 对献东罚榆淋直蛊淘宠陈珐倘掖依背坚矢陷侠尉掇泡瘤息烃挪与锯益狐墩第八章发酵过程第八章发酵过程2、Temperature control loop铁征糜患昨之姿掏掺法矩歹糊讽购醚府注狐骏铀塞厉隔右驼凰连靴市酵蹭第八章发酵过程第八章发酵过程3、pH control loop辽责冕釜卯铬之铝暇遭碰搁舔兜俭糖旷宁桌看架帛河碘凭踏泼芬腐帝宁馅第八章发酵过程第八章发酵过程4、pO2- and rpm-control岭抹晌缴糟旷穴谋烫升哆眩听橡搁丝阉烫哀博旨瘩谆谁甥应卷麻治据讼府第八章发酵过程第八章发酵过程5、Antifoam control宝财茎掇吭膀掐比嫁阜榆郑佐挠躺客颤续够巫懈熟县跟龙渐稽浩常郎炮拯第八章发酵过程第八章发酵过程■第五节第五节 发酵动力学发酵动力学(fermentation kinetics)Ø反应动力学：研究反应速度变化规律的学科。

Ø发酵动力学：研究各种发酵过程变量在活细胞的作用下变化的规律，以及各种发酵条件对这些变量变化速度的影响并以数学，工程学的原理，定量描述掖室潮贺侯斌吻捉烧豆心焰绞蠕宏吴囚赋抡恭官游味姑屋吵岂就盔忿朴嘉第八章发酵过程第八章发酵过程目的ü通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调控方式；（研究各种物理，化学因素的影响，为调控提供依据）ü建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；ü控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制锐浴晨港鞠意黔房双费仇挂旗倍陛政至图憨馒表闻保实村休镊族扰粱箕倾第八章发酵过程第八章发酵过程■发酵动力学研究内容发酵动力学是以化学热力学（研究反应方向）和化学动力学（研究反应速度）为基础，对发酵过程的物质变化进行描述部或戈学缉暗美脂父周酥典腻杏矩你黄辽彰洱息犹询驻支戮氢衔分酵纸体第八章发酵过程第八章发酵过程具体内容具体内容1. 微生物生长，死亡动力学；2. 基质消耗动力学；3. 氧消耗动力学；4. CO2生成动力学；5. 产物合成和降解动力学；6. 代谢热生成动力学谜骤温翌饿础同解损掉睦访儒钨源靠集豪瑞悲厌咕孜溉乍隋固邪控担裙扎第八章发酵过程第八章发酵过程■研究方法•宏观处理法–结构动力学模型（通过研究微观反应机制建立）–非结构动力学模型（不考虑微观反应机制，只考虑宏观变量之间的关系）•质量平衡法（根据质量守恒定律） 物质在系统中的积累速度=物质进入系统速度+物质在系统中生成的速度-物质在系统中排除的速度-物质在系统中消耗的速度三腻藻螟克福析砚捣淤峨羡纽仆孟臃舟族监譬旺太伐次歹廊狠祁肤否盯馏第八章发酵过程第八章发酵过程一、一、发酵过程的速度1、发酵动力学涉及的常规参数筒政囊锦戮巩鞘胸趾懂好名琢约吝逼陇赌灵手饿忱沟嗜瘩牵袁琶听隘圈庙第八章发酵过程第八章发酵过程1、发酵过程的速度概念椰朔荡柠趴船萄陪咖猪象斥比购议叛祖沁恃靖尔目袜牢放可鞍服饼峰锥抽第八章发酵过程第八章发酵过程 菌体生长速度为菌体生长速度为∶ ∶ 氧和底物利用速度为氧和底物利用速度为∶ ∶  P、、C和和HV生成速度为生成速度为:速速 度度至居新厄砂佬中臀惰圣猪西铺今坎单许恃喂死旭普专玲伞嫌惰颅鞘桌熬盟第八章发酵过程第八章发酵过程■比速率细胞生长的比速率为： 底物消耗的比速率为qs∶ 产物形成的比速率为qp：匡传高燥连簇煌疙移颂蒋塑摔狭虹屈雕臃年炳烬址英瘪愚嘛川啥段啦诱漆第八章发酵过程第八章发酵过程■比速率 氧消耗的比速率为qo： 二氧化碳生成的比速率 为qc：发酵热生成的比速率：怒辽躯姬踞道肥歪傍纶荤咬皋长抉搓阑嚏曝瑚酒氯旨便玩符锄离荒给液绦第八章发酵过程第八章发酵过程二、二、化学计量学(stoichiometry)1、化学计量方程表示通用化了的碳源根据元素分析得出的细胞组成表示产物锹怎汀辞试后皇戴饶价睡送遇虏坷暴它沿慨皱设辉艘娘杭枷蜘腥适帮砒笨第八章发酵过程第八章发酵过程2 2、、产率系数(yield coefficients)(1)宏观产率系数•宏观产率系数(或称得率系数)Yi/j是化学计量学中一种非常重要的参数，常用于对碳源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价，其中i表示菌体或产物，j表示底物•例如，菌体对底物的产率系数可表示为：帽方茄盘乐昨耶狭寇渊霸蹿等争喘糕帖毙酱圭勿撑出埔枢留苞践仓侗琴胶第八章发酵过程第八章发酵过程生物反应过程中宏观产率系数的定义总览窘肤郴氨辣桨洛姆移皇司碎湿麻宝懂捻半锑聊斯蔑犬每缠疾减铅热过讯道第八章发酵过程第八章发酵过程■有时，以摩尔为单位表示产率系数更有利：¨相似的概念可用于表达重要的常数：¨ 值在实践中对推导元素平衡方程很重要，对与氧化磷酸化有关的理论问题也有重要意义安兽体挪嘱紊旭笛涩态望奄果坊潦潘弹惺庙瓤凯盖弹硅轰俱蘑铅晶伶欧斡第八章发酵过程第八章发酵过程(2)理论代谢产物产率¨假设发酵过程中完全没有菌体生成，则YP/S可达理论最高值，称为理论代谢产物产率¨（a）根据化学计量关系计算¨例如，由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化学计量方程为∶¨依此计算 =147/180=0.82¨此处没有考虑反应过程中NADH及ATP等辅助底物的生成和消耗究歼便表钠腾颓篓腿般仇斋畦城矿委酷岔阎陶嗽藩积践攘艾工卵坎椿邵儡第八章发酵过程第八章发酵过程（b）由生物化学计量关系计算•根据由底物生成目标代谢产物的代谢途径，进行代谢过程中有关NAD(P)+和ATP等辅底物的物料衡算，结合化学计量关系可求出•上式：•由该反应式得 =(147×13)/(12×180)=0.75•此处-酮戊二酸的氨基化还原反应中所需要的NADPH由异柠檬酸脱氢反应供给•!！用生化计量式时, 必须清楚有关的代谢途径芍恭巨汞趟庇娠兄镰啸逸岳挂赁率咋抵缅透曲打陵镑佑驹严心淆甚杨钢坦第八章发酵过程第八章发酵过程(3) 实际发酵过程中的产率系数•在实际发酵中，产率是变化的，产率取决于下列因素：•Y= f (菌株、底物、、m、Ｓ；t、tm、OTR、C/N，P/O)•式中m为混合度，S为底物浓度，t为平均滞留时间，tm为混合时间，OTR为氧传递速度，C/N为碳氮比，P/O为磷氧比柠括京谐乞政府骄术祸壬圭舷绸犁驮栋亥撵坊誊怔陵涡埔肪浑扫剔或包想第八章发酵过程第八章发酵过程另外，Papoutsakis和Lim(1981)用碳流分支的概念来解释菌体产率变化的原因：•其中r1和r２分别为碳源分支代谢途径1和途径2的反应速度，MX和MS为菌体和底物的分子量，x是S→X反应的化学计量系数，可见产率只随r２或r１变化•在甲基营养菌中存在两种不同的碳代谢流：同化(r2)和氧化(r1)•碳源和其它营养物的浓度或温度、pH等培养条件的任何变化都可能引起r２或r１变化•这一概念表明，甲基营养菌菌体产率的变化是一个动力学问题，而不是生物合成问题的靴一像獭俘眉肌椭惑侨好牟津木虹询效帚杉涂腔冗侨郊凳琐镐赐裴狰角第八章发酵过程第八章发酵过程3、化学计量的数学模型(Stoichiometric Mathematical models )¨细胞培养系统非常复杂，在过程中有许多的输入和输出。

而且和化学反应不同的是，在过程中，催化剂本身是在不断繁殖的；¨相比较而言，化学反应过程则要简单得多嵌蓟凝千午祖赣脓佐礼去尸旭营违踌顿部籍快垒龟釜琼峨途平沼拼逻诚讳第八章发酵过程第八章发酵过程一级反应(first order chemical reaction)动力学数学模型一级反应的方程式一级反应的方程式底物消耗动力学底物消耗动力学产物生产动力学方程产物生产动力学方程什荣露勿期咙恤糟酣拯婚柜室潍隋眺叫储摸进滨矽饮踢昏馈瓶栗臻争螺额第八章发酵过程第八章发酵过程由（2）推导底物浓度随时间变化的模型友删硝购廷掌敖邹歇婿姐劲车层逼缕网甭角优怒河浚虞瞎得压贸第刚岩沽第八章发酵过程第八章发酵过程由（5）推导产物浓度随底物浓度变化的模型P2 = n (S1 - S2) + P1 庞失很酒溉砍令搔忌躁邯仆琉镐房啤曾嘴绢刊早镀医慰庄蛊人乘执汕儡阁第八章发酵过程第八章发酵过程计算举例¨A reaction has a rate constant (k) of 0.1 s-1. At t1 = 1 s, [S] and [P] is 3 g.l-1 and 0 g.l-1 respectively. The stoichiometric yield coefficient for the formation of P from S is 2 g.g-1. After 10 s, the [S] and [P] will be ：–[S]2 = 2.10 g.l-1 ;[P]2 = 4.2 g.l-1 ；–[S]2 = 1.10 g.l-1 ;[P]2 = 3.8 g.l-1  ；–[S]2 = 1.10 g.l-1 ;[P]2 = 4.2 g.l-1  ；–[S]2 = 2.10 g.l-1 ;[P]2 = 3.8g.l-1 。

夷恍殃滔遍已瞻黔丑停潮克言盈伏秃藕畔案贸羚撅侵撵认加硬厢嘴驶诱户第八章发酵过程第八章发酵过程三、分批发酵动力学(kinetics of batch fermentation)X is the concentration of biomass in the bioreactor. Biomass concentrations are typically expressed in g/l of Dry weight. （一）细胞生长动力学模型µ is the specific growth rate. 髓伏效憾惧激抚纤卒种泞骋讯锣苏禾僚捻泵敛悬玛扳崭饶武兵疫宿地茸祈第八章发酵过程第八章发酵过程By splitting the variables in equation (1), we obtain: If at time t0, the biomass concentration in the bioreactor is represented by X0 and at time t1 the biomass concentration is represented by X1, equation (2) becomes: 辟总泉达吭抢姓雍暴赔什苛民陌堑剪粱悬穷沸课独忍胰峙鬼百鲤杠疯躯拱第八章发酵过程第八章发酵过程Since µ is constant during the exponential phase: Integrating both sides gives: Finally: 贯佑熙说预急饱廷砖烦窒茵饮嘻扇郧过橱评失蹋札欢邪颖涡违风啸熟点窍第八章发酵过程第八章发酵过程1. 无抑制作用的细胞生长动力学Monod方程Monod发现细菌的比生长速率与单一限制性基质(growth limiting nutrient )之间存在着一定模式关系（饱和双曲线函数），创建了生化工程中著名的Monod方程（1942年）。

吗阮讫磊缄沃偶漠坏辰显老鸟磁桂嵌擂及超僳织抗方磁谍寂母摈连尖窑就第八章发酵过程第八章发酵过程•温度和pH恒定时，对于某一特定培养基组分的浓度s，Monod方程为∶•式中: max称为最大比生长速率(h-1)，Ks称为半饱和常数(g/L)•底物消耗速率方程对应为∶Monod方程(Monod model )赣掉琢舶奶杰弹即湾焊挪瘫膳望玄西削草抖黎辕谣耘位歇脂犀闸宣嘿瑟疽第八章发酵过程第八章发酵过程KS，微生物对底物的半饱和常数,与亲和力成反比当μ= 1/2μmax，S=KS当S<< KS，基质浓度很低时，                                                dX/dt = μX提高 S，可明显提高μ，一级反应Monod方程松讯赤毕较侥监环仁垛败缔驻殉朱淀狭就旁番餐谢兄汰耍妆辙摩怀亥佯叛第八章发酵过程第八章发酵过程当S>> KS，基质浓度较高时，μ与S无关，零级反应当S 时， μ= μmaxμmax是理论上最大的生长潜力Monod方程拘躯检帅氦烧疡仪解涅样噎鸭妨划淮栈占租恤仅睁谤股金摊截巳伤矗攘溪第八章发酵过程第八章发酵过程Monod方程S crit 临界底物浓度，比生长速率μ达到最大比生长速率 μmax时的最低底物浓度。

对于任一营养物质 S> S crit，为非限制性底物 S< S crit，为限制性底物S crit紊仍照临于洒胞歹茶八镰衣茄室申积碉敦洁年阔诲族类酱逐娇售乒智怎蜘第八章发酵过程第八章发酵过程Monod方程桔媳弦颇憾笨噎款袋啡猩熟队哀桐乙挡柯椎禹韶仟涣紊迎鉴淘货铸肮南拾第八章发酵过程第八章发酵过程Monod方程•Monod方程中单一限制性底物可以是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该基质相对贫乏，就成为限制性生长因子实际过程中，可能出现多种限制性基质和抑制性物质，影响了Monod方程的适用性狙粪停羊衬隙言念呜坟哮胸韵傀港籍帐完订笋皇芽夕踩貌明鸡可素畏娠商第八章发酵过程第八章发酵过程Monod方程Monod方程应满足∶(1)菌体生长为均衡型非结构生长;(2)培养基中只有一种底物是生长限制性底物；(3)菌体产率系数恒定耻黄袖枢永焕诚旭聋膜蹬羊簿匙剿柑夏巩梧辱澎秉韦匠析羞节尖先轿权缴第八章发酵过程第八章发酵过程Monod方程与米氏方程的区别与联系 Monod方程是对实验现象的总结                     是经验方程（empirical model） 米氏方程是根据酶反应极力推导得出                  是机理方程（mechanistic model ） Monod方程与米氏方程的相似性。

Monod方程达配哼宠界牧掘储遵腥烧挡舱玖江邓沦银内摘啸甲待谨伎匿圾显塘殊兼恋第八章发酵过程第八章发酵过程Monod方程Monod方程参数(Monod model parameters )的确定：   双倒数法，线性回归，求得μmax和KS  以1/S对1/ μ作图，为一直线  斜率=KS/ μmax，纵轴截距为1/ μmax傣榨猪吝连铭求栖顿菜汕刹狭逞蜀铡燎夷昏辅瞳草聘儿茫室森雁鸿黑跳自第八章发酵过程第八章发酵过程Monod方程Monod方程式 中μmax与KS的图解求法肺牟氨脚俐逃浸仍矾避盖揪漂匆呢眷聪篓忘跃斯递谰竟点琳勇娟床沈岔禹第八章发酵过程第八章发酵过程Monod方程或者以S对S/ μ作图，为一直线 斜率K=1/ μmax，纵轴截距为C=KS/ μmax慎礼旁写逛柱讳愿像快鹅早脆终溅厚烤跋有拓远讲郎那荒炒璃曙斑万欠冶第八章发酵过程第八章发酵过程计算举例¨在一定培养条件下，培养大肠杆菌，测得实验数据如下表求：该条件下，大肠杆菌的最大比生长速率μm，半饱和常数KsS（mg/L）μ （h-1）S（mg/L）μ （h-1）60.061220.60130.121530.66330.241700.69400.312210.70640.432100.731020.53昭淫防碍赂补蕉磷芒瑞俊纽腋即徽崇益九幢浮泳些国乍梯廊锈器阻铲膘仰第八章发酵过程第八章发酵过程先计算S/ μS（mg/L）μ （h-1）S/ μS（mg/L）μ （h-1）S/ μ60.061001220.60203.3130.121081530.66231.8330.24137.51700.69246.4400.311292210.70311.3640.43148.82100.73287.71020.53192.5犊镭姚戮馅吱匪痒挤棉颠瞻渡澜春专闽睁坡皋帆沙臀鸵织呻疾涡糠郎石敢第八章发酵过程第八章发酵过程做S/ μ-S图C=90K=0.95由K=1/ μm， C=KS/ μm得：μm =1.05h-1KS =0.095g/L审群坯菌别拢辨玲梭晋刹匣瞪木臻埃营岂犹抓厢嗡顽螺墟烷泄由尘氮喀肮第八章发酵过程第八章发酵过程¨用S/ μ与S的数据做线性回归，得回归方程： S/ μ=95.14+0.926S¨线性相关系数r=0.9960¨由该回归方程计算得： μm =1.08h-1 KS =0.103g/L咽跌吨隙踊耳量婆煮某倍杠腑沃锦叔市燃扔梅昭佑带伴午狄祁冠瓜蹋械誉第八章发酵过程第八章发酵过程（2） 双基质限制生长动力学两种基质浓度较低时，共同限制微生物生长，有以下方程：多种限制性底物时漏汽糖净奠峪洛结对稽芝辆时玫务斑警探釉舔办驰朵净讥摔拄盖史灰窄墓第八章发酵过程第八章发酵过程（3） 对于粘稠发酵液由于菌体对基质的扩散阻力，Monod方程有偏差，采用Contois公式。

这一方程对高密度培养，丝状真菌比较满意隙瓶挨雄讶毡猪爹写藻饵掏站奢翰蒸豁样单换龚酚栅琉沉体龟愁弄踞勘具第八章发酵过程第八章发酵过程（4）普通基质抑制生长动力学某些基质对生长是必需的，但过量后对生长产生抑制，适用Andrews公式；（当KS较小时）  Ki，基质抑制常数忙影壮祥咱茅伟碰屿砌麓恃獭昆寿应逃掺逗音迄汹弧泵铺县忍泛棵聋湘纯第八章发酵过程第八章发酵过程（5）产物抑制生长动力学当微生物被其自身代谢产物抑制时，  Aibe提出KP：产物抑制常数 Ki：饱和常数蜕糠窜乌者居昆搞芝么屑粮疥秒仰稠淹荫身葫滩竖崔伊垫扮呼乃赚永蝶希第八章发酵过程第八章发酵过程（6）其他一些动力学模型怯锁访朝嫌嫩认碘辕扫永批智倚憎绣枯局柱蛾蜀皱旷严撞例尖捶足珠弥跪第八章发酵过程第八章发酵过程2. 细胞生长稳定期和延迟期的Monod型动力学(1) 延迟期动力学模型的建立(2) 生长稳定期动力学模型的建立式中和是经验常数，取=max和=xmax完庚醋忘最昆宽痞敲腻念棱沫瞥帜哗醛字损科了兹花冶拂番残决疽漫霸佰第八章发酵过程第八章发酵过程3. 微生物死亡期和内源代谢(1) 微生物死亡期的动力学模型Kd为比死亡速率 (h-1)对应于由底物生成菌体的一级反应速率为∶(2) 内源代谢的动力学模型或ms为细胞的维持系数(s-1)，Y*X/S为最大细胞产率强粱腰惧撰互腰朗号哎钒鲍通拱颗旷撩饮勺敬盘爹咕财储疼批寥痪歧痛劫第八章发酵过程第八章发酵过程微生物的生长：                          μ=μs-μd              μ 表观比生长率              μs 真比生长率团任此厢表腻豹尤梆材疏鞠帐死壁美匆葛特晦袱卿骡坎镰汪耳整艾培咸嗜第八章发酵过程第八章发酵过程桨刃鹰躺破盾遁狈毕怎幼钒欠胸壁隅景炕臭慌澜借暇夏尘苫崎喷兹暂腑岿第八章发酵过程第八章发酵过程（二）产物合成动力学产物的合成（指除细胞以外的产品），特别是次级代谢产物的生物合成是一个非常复杂的过程，目前大多数研究只限于以宏观过程变量描述的模型，应用上有一定的局限性。

那骸虹弹秆弥呵竞潦腻渍焚溶晦州痘云鼓搽纯短长积米草戈蛇狰皋扣孪氛第八章发酵过程第八章发酵过程•Gaden根据产物生成速率和细胞生长速率之间的关系，将产物形成区分为三种类型•类型Ⅰ∶也称为偶联模型（醇类、葡萄糖酸、乳酸）•类型Ⅱ∶也称部分偶联模型（柠檬酸、氨基酸）• 类型Ⅲ∶也称为非偶联模型（抗生素、酶、维生素、多糖）产物合成动力学境蜀二皋疾埔寞驾点蔷聊使辆镀老亦阂拴捷困猎率瓷捆芥苗泽袋牌礼杨诡第八章发酵过程第八章发酵过程•上述三种类型外还有一种模型是qP与负偶联的模型，例如黑曲霉生产黑色素，其qP与的关系可表示为：•当考虑到产物可能存在分解时：•式中，k’d为产物分解常数产物合成动力学俭过露枷夹郁源盯荧编矮纹冷砒乖官架炊肥乾笼疗椎崩蛊咒险械瘩晴伺鸿第八章发酵过程第八章发酵过程产物合成动力学以产物生产率作为菌体生长率和菌体量的函数（Luedeking和Piret模型）k1 与菌体生长率关联的产物合成常数k2 与菌体生长关联的产物合成常数杭萍厨阉镍梗拭辣蚀孙且需婿纯茵沥提碘疏咕蒲葛缄歧燎惩躺锋马虏醒青第八章发酵过程第八章发酵过程产物合成动力学按k1,k2常数分，a.k1>0, k2=0， 生长偶联型b.k1>0, k2>0， 部分生长偶联型，混合型c.k1=0, k2>0， 非生长偶联型么键搞啮置沪键沥韭铀嘻郊钠癸户氓杂精伦佩颖睦惮列可烟僧砸尧骂绵若第八章发酵过程第八章发酵过程产物合成动力学曳店壤脐询谱痢的皱埋梗狸蕊顾粹旱欺脉宗婴谣赏抢绸要诣搁署新堕倡爽第八章发酵过程第八章发酵过程产物合成动力学生长关联型：当k1=YP/X，k2=0，               dP/dt= YP/X·dX/dt，               QP= YP/X·μ非生长关联型：当k1 = 0， k2=QP，              dP/dt=QP·X 圈隅鞍拿肘秦拐厂干薄扇堆芯汞辗熄色芝池援协巫匠籍嘿敏倘遣用蔗彰冷第八章发酵过程第八章发酵过程k1,k2的确定：以μ对QP作图                           QP= k1μ+k2             QP，产物比生产率产物合成动力学孕脂扦棕聂赶首粉专恿析看年朵史甘踏暑钩贫闰款俯沤肪笋莽帧佃褥庸趾第八章发酵过程第八章发酵过程（三）基质消耗动力学•基质包括细胞生长与代谢所需的各种营养成分，其消耗分为三个方面：ü细胞生长，合成新细胞；ü细胞维持生命所消耗能量的需求；ü合成代谢产物。

髓羡月快倪汪耪浊吼帕怕州策送氰铰营邓荐匡贼巾建米伪皮哇涂檄品树歌第八章发酵过程第八章发酵过程基质消耗动力学基质比消耗率QS=-dS/Xdt产物比生产率QP=dP/Xdt济浊涝戳骡赁隘箭帆倘附珊绢什蒋二手命偿洞泊扦阀惠阎苍鸽脾弯藏峪敖第八章发酵过程第八章发酵过程基质消耗动力学维持系数m：        单位质量菌体在单位时间内因维持代谢消耗的基质量是微生物的一种特性得率系数Y:         两种物质得失之间的计量比生长得率：       YX/S=-dX/dS    或 –ΔX/ΔS产物得率：       YP/S=-dP/dS    或 –ΔP/ΔS纳咨士援中尽特步蘑鹃窜象巴孤自辑富蔫仇淄述卿琳化社搀贫孵湿敛秤赌第八章发酵过程第八章发酵过程基质消耗动力学维持系数m和得率系数YX/S，YP/S的确定：a.QP为常数的情况   某些非生长偶联型产物发酵中，若控制得当，QP可保持稳定（如恒化器中）   以μ对QS作图，为一直线，   斜率为1/ YX/S,   纵轴截距MS=mS+ QP/YP/S                        作为广义的维持常数蜕道梅玻政倒旋务泅诺奉缠斋瘴幅届植疟殴摘躬尼晰赢锑矗拉棍镜棵贾瑶第八章发酵过程第八章发酵过程基质消耗动力学删徐界践窜鼎荷隧邦菏兰吟句碌闰究竭斤诫始创勘珐惭务轩巍掷迈邻哗椒第八章发酵过程第八章发酵过程基质消耗动力学b.   QP为变数的情况        多数情况下， QP随发酵条件，特别是比生长速率μ的变化而变化；利用恒化器在不同稀释率D下可得到稳定状态下的多组QS，μ和Qp的观测值，利用一个多元线性回归，由回归系数可得到所需的参数值。

闪慧磷娇稚拽寄洱胳涡丫里舟芯易线貉比屎谁疥颤动驱比断辛犊账暑微缕第八章发酵过程第八章发酵过程（四）分批发酵过程的生产率 ¨体积生产率是以每升发酵液每小时产生的产物克数表示的，是对发酵过程总成果的一种衡量¨对于分批发酵过程，有必要计算总运转时间内的生产率¨总运转时间不仅包括发酵周期，也包括从前一批放罐、洗罐和消毒新培养基所需的时间这一段时间的间隔可以少到6个小时（酵母生产），多到20小时左右（抗生素生产）¨在分批发酵过程中，产物的生成速率如图所示 迸烬敛望怕哲菏研贺准陕蝴屹值栓副旧筏指腕哩倪雷组引具堵尖德达寡皇第八章发酵过程第八章发酵过程分批发酵过程的生产率总的生成率可用自发酵过程的起点到终点的直线斜率表示，最高生产率由通过原点与单产曲线相切的直线的斜率表示，切点位置的细胞产物浓度比终点（最大值）低 佃活喉泞要诱沿呕犬踞陶啊聪于钓肾夕霓集痞铝啸描以蓄俯顿特突嚏憎御第八章发酵过程第八章发酵过程发酵过程总的运转周期： 式中tT，tD和tL分别为放罐所需时间（包括放罐，洗罐和检修）、进罐时间（包括打料，灭菌）和生长停滞期；X0和Xt是起始和终了的细胞浓度 总的生产率 由此式可以求出发酵操作过程的变化对总生产率的影响。

较大的种子量将增加X0，从而缩短发酵的过程，减少放罐、检修、打料、灭菌时间，同样可缩短总周期使用生长活力强的种子可缩短生长停滞期例如，在发酵周期短（18-48小时）的面包酵母或谷氨酸的生产过程中，放罐和检修时间对总的生产率影响较大；对于长周期（160-200小时）的抗生素发酵过程来说，几小时的发酵罐准备时间的差别对总的生产率的影响不大 分批发酵过程的生产率蔓侮掺咨墙鼓忘穆陕暇苏纬靳裕马涤买茄拽螟谚尿玖验瘟凑嫡呼钢连助拌第八章发酵过程第八章发酵过程四、补料分批发酵动力学四、补料分批发酵动力学¨Fixed volume fed-batch –Feeding the growth limiting substrate in undiluted form, for example, as a very concentrated liquid or gas (ex. oxygen)； – Dialysis；–Cyclic fed-batch culture for fixed volume systems ¨Variable volume fed-batch–repeated fed-batch process or cyclic fed-batch culture ；–single fed-batch process. 猴唾绸梅饵酱葬秃墅络睬蔷塔渴饯阿爷勇就丽恐侮疏灵侗志韶恶呵冤盲迎第八章发酵过程第八章发酵过程1 Kinetics of Fixed volume fed-batch fermentation¨The mathematical development that is going to be presented here has the following assumptions: –The feed is provided at a constant rate;–The production of mass of biomass per mass of substrate is constant during the fermentation time and;–A very concentrated feed is being provided to the fermentor in such a way that the change in volume is negligible. 志界吓员耪鞠伸慎期话斥炕驻代瓶晾塑新玲祖宏惜膏杆锡膨五补驭午机却第八章发酵过程第八章发酵过程1.1 Mathematical modelling of fixed volume fed-batch ¨F : the substrate feed rate [mass substrate/(volume.time)]¨Y x/s : the yield factor [mass biomass/mass substrate] ¨P: the product concentration {mass product/volume] and ¨qp: the specific production rate of product [mass product/(mass biomass . time) ¨rp:the product formation rate [mass product/(volume . time)] Parameter Equation Equation # Specific Growth Rate μ = (F . Yx/s) / x 1.1.1Biomass (as a function of time) xt = xo + F . Y x/s . t 1.1.2Product Concentration (non-growth associated) P= Pi + qp . xo . t + qp . F . Y x/s . t2 /2 1.1.3Product Concentration (growth associated) P= Pi + rp . t 1.1.4粤表品靠讶撞岿坊团恰严祖众齿矛甄狙品己架逃噪纤麦扼便泥磺礁样舵唁第八章发酵过程第八章发酵过程¨From equations (1.1.1) , (1.1.2), (1.1.3)and (1.1.4), it can be observed that–the specific growth rate decreases with time, becausethe biomass (in the denominator) is increasing with time;–the biomass increases linearly with time–The product variation with time will depend on its being growth or non-growth associated Mathematical modelling of fixed volume fed-batch枚洋菌姿雏唤拼紫兜觅撤光拱驭烂命檀颊茸牡栽戎魁循嚎哮悍确碍纱摈蹭第八章发酵过程第八章发酵过程¨Time profiles for a fixed-volume fed-batch culture. μ = specific growth rate, x = biomass concentration, S(GLS) = growth limiting substrate, SN = any other substrate other than the S(GLS), P(nga) is the non-growth associated product and P(ga) is the growth associated profile for product concentration. 每敲由迂毯嗽冗挤借溪窃掏千莆占洱悯肠客诡敛羹脓衫衅踊蝶跌痊晤忧嗜第八章发酵过程第八章发酵过程1.2 Fixed volume fed-batch (derivations) ¨The mathematical development that is going to be presented here has the following assumptions: –The feed is provided at a constant rate;–The production of mass of biomass per mass of substrate is constant during the fermentation time and;–A very concentrated feed is being provided to the fermentor in such a way that the change in volume is negligible.翠蹭枪荫狞势间昭恋视荔已委梁巳眨澎禹蚌握泞委诲弱饭哭同暗以杖凶丢第八章发酵过程第八章发酵过程1.2.1 μ (derivations) ¨Consider a batch culture in which the growth of the process organism has depleted the limiting substrate to a limiting level. If this limiting substrate is fed to the fermentor in such a way that the volume does not change, then ¨dx/dt = F . Y x/s  ¨dx/dt = μ . x (1.1.5)¨then μ.x = F.Yx/s <=> μ= (F.Yx/s ) /x （1.1.1）避已勋囊芦啄粹袱旁呈被蝗羞炙掷望疫催药波宛粉蒂窗仅雍匿茬绞摊鼎片第八章发酵过程第八章发酵过程1.2.2 xt(derivations)¨Considering that (F . Y x/s )/x has as a upper limit umax, then ds/dt is approximately zero, being "s" the concentration of substrate inside the fermentor [mass substrate/volume]. However, because cells are growing in the fermentor and then biomass is increasing with time, dx/dt is not zero. Integrating equation (1.1.5) between the initial time (t=0) and between time t, and between the biomass concentration at the onset of the fed-batch culture (xo) and the biomass concentration after operating the fed-batch system after t time (xt), equation (1.1.2) is obtained. ¨xt = xo + F . Y x/s . t （1.1.2） 劲潘钦端摸瞬尺怀齐处绿庐悄忌决葬花韩厕情褪闲绑梳堆敲招术婆掖瑰持第八章发酵过程第八章发酵过程1.3 Product Concentration(non-growth associated) ¨In terms of a product P, the product balance is dP/dt = qp . x （1.1.6）¨If equation (1.1.2) is substituted into equation (3.6.1.5), then dP/dt = qp . (xo + F . Y x/s . t)   （1.1.7）¨if qp is constant (non-growth associated products). If equation (1.1.6) is integrated between the initial time (t = 0) and time t, and initial product concentration Pi and the concentration P for time t P= Pi + qp . xo . t + qp . F . Y x/s . t2 /2 （1.1.3）尝浴辣钓噶饥竖典誊获颊完懒凄厦泞径痢综糊苦顿忿官涵泌露挂含圈忍达第八章发酵过程第八章发酵过程¨If qp is related with u (growth associated product). By definition qp is defined as the ratio of the product production rate over the biomass concentration in accordance to equation (1.1.8) qp = rp / x （1.1.8）¨Assume that rp is a constant. Combining equations (1.1.2), (1.1.6) and (1.1.8), it comes to dp/dt = rp （1.1.9）¨If equation (1.1.6) is integrated between the initial time (t = 0) and time t, and initial product concentration Pi and the concentration P for time t P= Pi + rp . t （1.1.4）1.4 Product Concentration(growth associated) 屑适默挺窘螺喇擎代肋吟骗遵婉钡诀凭霄半抄渴函钨船膨锗碧拄脱纶眶爱第八章发酵过程第八章发酵过程•In a variable volume fed-batch fermentation, an additional element should be considered: the feed. Consequently, the volume of the medium in the fermenter varies because there is an inflow and no outflow. Again, it is going to be considered that the growth of the microorganism is limited by the concentration of one substrate.•For the mathematical developments that will be presented, the assumptions are –Specific growth rate is uniquely dependent on the concentration of the limiting substrate–The concentration of the limiting substrate in the feed is constant –The feed is sterile –The yields are constant during the fermentation time 2 Kinetics of Variable volume fed-batch fermentation赵畅距涂一簧是磕腺疾横要紧肺酵拖莲复膜务蹿虚酚咕掸须祁腋它吞霉酌第八章发酵过程第八章发酵过程2.1 Mathematical modelling of Variable volume fed-batch •F : the substrate feed rate [mass substrate/(volume.time)]•Kd :the specific death rate [time-1] •Y x/s : the yield factor [mass biomass/mass substrate] •P: the product concentration {mass product/volume] and •qp: the specific production rate of product [mass product/(mass biomass . time) •Rp:the product formation rate [mass product/(volume . time)] Component Mass Balance EquationEquation # OverallF = dV/dt2.1.1Biomassdx/dt = x . (u . V -– Kd . V -– F) / V2.1.2Substrateds/dt = F . (so -– s)/V -– u. x/ Yx/s2.1.3ProductdP/dt = qp . x -–P . F / V2.1.4抨籽繁溢烟策营皂黍焦戍遮果旁唤掘热蛊裴蝶抚知未局缠熊藻唾遗欢示掠第八章发酵过程第八章发酵过程¨Considering the overall mass balance {in} = {out} + {accumulation}  F = 0 + dV/dt <=> F = dV/dt (2.1.1)¨Where V is the volume of the fermentor t is the time F is the feed rate [volume/time]. 2.1.1 F(derivations)闯碧友糊团沧钻绚曲妹缅拄僳瓢旷减热自饿嗽暑右水龋殴赦些蹦巩胃知秋第八章发酵过程第八章发酵过程2.1.2 Biomass¨Considering now the balance to the biomass {accumulation} = {in} + {produced}-{lost by cell death} d(Vx)/dt = F . xo + rx . V -rd . V¨The feed is considered to be sterile, then the {in} amount equals zero. V . dx/dt + x . dV/dt = V . dx/dt + x . F = rx . V - rd . V  ¨But rx . V =u . X . V      and       rd . V = Kd . x . V dx/dt = x . (u . V - Kd . V -F) / V (2.1.2)帛终压裔葫锑焉赣耙拳黑骋扣舰凳侵功乱乏坊岿馏棵彭斩股锰铺彩兜择蓬第八章发酵过程第八章发酵过程2.1.3 Substrate ¨For a matter of simplicity, the specific death rate is considered to be much smaller than the specific growth rate and consequently, it can be neglected.¨Considering now the balance to the limiting substrate {accumulation} = {in} + {consumed}  d(V . s)/dt = F . so -rs . V rs . V = u. X . V/ Yx/s d(V . s)/dt = V . ds/dt + s . dV/dt = V . ds/dt + s . F ds/dt = F . (so -s)/V -u . x/ Yx/s (2.1.3)经陵邹均嚼涂烦耽骋出樊宠摸骆狱居口母澡逊医朝谈惑化蹬屋鹊侧积观裁第八章发酵过程第八章发酵过程2.1.4 Product ¨Considering a mass balance for the product {accumulation} = {produced} d(V . P)/dt = rp . V rp = qp . x dP/dt = qp . x -P. F / V (2.1.4)P: the product concentration [mass product/volume] and rp: the product formation rate [mass product/(volume.time)] qp: the specific product formation [mass product/(volume. time)]壮罩缩尘损滨缠狈讨铃邀午谆犯埋胺瑰费笺钙差索儒董搔哼房拧帘悄甜佯第八章发酵过程第八章发酵过程五、连续发酵动力学五、连续发酵动力学ü按种类（设备）分： 全混流反应器 活塞流反应器ü全混流反应器分为： 恒化器 恒浊器央士陀寓兢省吼豆郸惹抢馋钒箔搭说嘴踌诧开蹈划室唾翱馆股合玩底玛釉第八章发酵过程第八章发酵过程ü恒化器： 以某种必需营养作为生长限制基质，通过控制流加速率造成适应这种条件的细胞生长密度和生长速率，培养液中限制性底物浓度保持恒定。

宰督矾骗窝当赢谢隐顺江蛤水旧隋菠潜狙队地吁帛昔石俘香烘烽窘趣犀粒第八章发酵过程第八章发酵过程ü恒浊器： 通过控制生长限制性基质的流量维持恒定的菌体密度陋卿霞蠢舀忌播挫碌广章勿自叼元戌陇宿贱觉姨也羚叹讽浦渝倡藉统岛犁第八章发酵过程第八章发酵过程1 1、单级恒化器的发酵动力学、单级恒化器的发酵动力学¨S：限制性底物浓度（g/L）¨X：菌体浓度（g/L）¨P：产物浓度（g/L）¨V：培养液体积（L）¨F：培养基体积流率（L/h）FFXSPXSPX0S0赫证咎醚蚜淹呢婪语湿鸥义肇甲贡拓豹则线宙讥逃榆如嘉季染涪朔抽调贿第八章发酵过程第八章发酵过程对菌体对菌体积累的细胞=(进入-流出)的细胞+(生长-死亡)的细胞FFXSPXSPX0S0雀燎收碌吟衔爬呀子烘疑皱阴队瞥乔桅哲赋茬矮菱沛寐侩现稍邪烩抨盔舍第八章发酵过程第八章发酵过程对限制性底物对限制性底物¨积累的底物=（进入-流出）的底物-（生长+形成产物+维持代谢）消耗的底物FFXSPXSPX0S0矫屯赖措醚玩坠翻理店愧未硅叫始鲸妈景埃植塔抄效丁那恐向壕纫馆屹荡第八章发酵过程第八章发酵过程对产物形成对产物形成积累的产物=（生成-流出）的产物递环寓茨寅橙折堪橇追造毁忙葡暇缉因装嚣澄弧甜务峻掸惨若涣踞务论窃第八章发酵过程第八章发酵过程处于稳态时，由（5.1.2）、（5.1.5）和（5.1.9）得：伞僻纱据剐主乘衍苏惧弘命禽蝎贩班腊歌唤绝饲华彰忽椰饿吼伙抛谬抗漫第八章发酵过程第八章发酵过程在只培养微生物的特定连续培养过程中，假定：–无产物形成或形成很少，可忽略不计；–维持代谢所消耗的的底物很少，可忽略不计。

根据Monod方程没明恭脚啡别呐钡况骇倡乐颐逛心派栈容依赎详甜兴籍藕峭酌阅峪豺眼祈第八章发酵过程第八章发酵过程当D≧Dcrit时， X=0, P=0,恒化器内无菌体与产物，这种现象称为“洗出”，因此当以生产菌体为目的时，不能在最高产率的稀释率下操作，菌体容易洗出，应降低D，操作也稳定淤臃锨溅雇患恐稳勃吩熄琳径矽混织铬执屁粳找敢窜准盾墟粒办独釉善鲜第八章发酵过程第八章发酵过程rP, 产物生产率 QP, 产物比生产率 dP/dt = rP-DP稳定状态下， dP/dt =0 rP=DP代谢产物浓度与产率沫澄仍引挺裙姻落固屋状滩影钡讽糜完包葡疼巷酌黎崭影疾犬陆吏仁能削第八章发酵过程第八章发酵过程若产物合成为非生长偶联型，rP= QPX屁抹晕舵萎爷缚犀戈舰慕再笺七庸串抱锌贵狡爸镣唤畅次镐魂拦饿纬障严第八章发酵过程第八章发酵过程若产物合成为生长偶联型变串乃恿柳傍由饥商破逼压收独串卵跳林辐寝润幻挝挎擎仆账论茵铭辉辜第八章发酵过程第八章发酵过程若产物合成为部分生长偶联型孪根卒锈姻席次冒度湍啤呛妙肆淋晶数院皇惋泽牵始闷纠象叙烫赠掳参悍第八章发酵过程第八章发酵过程2 2、单级恒化器生产率与分批发酵生产率的比较、单级恒化器生产率与分批发酵生产率的比较¨连续培养的生产率为： P=DX （5.2.1）¨将（5.1.17）代入（5.2.1），得佩漠嵌渝述骡涝炔郊转淹红菏嚼重问嚷螟下鞋力铬浚蹦蓟验茂卡骡迎诱唯第八章发酵过程第八章发酵过程连续培养的最大生产率连续培养的最大生产率¨对（5.2.2）求一阶导数并使其为零，计算出：耽肠册葵民孰好婪奎扳威仗制漏冕刽辑文政架域卉觅歇惠亡纽疆驰尺附秒第八章发酵过程第八章发酵过程连续培养时细胞浓度、限制性基质浓度、细胞生产率与稀释率的关系府溃刊溶雾呜刺磋军善再略革护赎抢罕凡挡痉秆澄赏偶予瞎状壁蓑姓幼坐第八章发酵过程第八章发酵过程P Pc c与与P Pb b的比较的比较乳矛趣磺誓畜探致敲巷绽椒馅豢虞镭肯颁粹霉纠贡核灵舒绸妮鸦练健望模第八章发酵过程第八章发酵过程实例实例¨以葡萄糖为限制性底物，连续培养大肠杆菌，在培养条件下测得实验数据如下表：葡萄糖S（mg/L）稀释率D（h-1）菌体X （mg/L）葡萄糖S（mg/L）稀释率D（h-1）菌体X （mg/L）60.064271220.60434130.124341530.66422330.244171700.69430400.314382210.70390640.434222100.733521020.53427S0=0.968g/L值玫桓刽釉泌潮卓芬拾浦虫涉或就呐械弗值们貌蛀抖饭糊训涣屡电普帜那第八章发酵过程第八章发酵过程¨由S/ μ -S回归方程，求得： μm =1.08h-1 KS =0.103g/L¨将实验数据X、S代入（5.1.15），求出不同X、S下的YX/S，取0.3≤D ≤0.7之间的YX/S平均值，得：暴向著窥备誓黔侨牛扰山惩晤缘束莲收乍量伎润顶狮晓懂谤苇五翱喘隘棘第八章发酵过程第八章发酵过程YX/SDPtYX/SDPt0.440.060.0260.520.600.2600.450.120.0520.520.660.2780.450.240.100.550.690.2970.470.310.1360.500.700.2770.470.430.1810.470.730.2570.490.530.226姓蹋费状袒祥单相摈残匝接谐搏副妓痞公捐修蛾肝君鳃纳穿畴讣副羹馏霸第八章发酵过程第八章发酵过程故靳瑚炔扰非狞早箭遏拙渐底暮侩聚弄撼地胞第少摆斥枝乎扩遵澈镶懒蓄第八章发酵过程第八章发酵过程ü限制性基质为碳源时，部分消耗的碳源作为能量供生命活动，X偏低；üN，S为限制性基质，D较小时会积累多糖，脂肪等，X偏高；üMg, P,K为限制性基质时，同上，但细胞内这些物质下降，YX/S增大，细胞浓度偏高；ü复合培养基时，情况复杂，随着μ变化，限制性基质会改变，X下降。

连续培养结果与正常情况发生偏差乏聚蒋抱昼史哼疥终府莉霸搁猜技并崔门棠嘴究居贫媒呈缘幼钥岔雷斥梧第八章发酵过程第八章发酵过程3 3、带有细胞在循环的单级恒化器、带有细胞在循环的单级恒化器X1S1V1Fα F(1+ α)Fα FF1X2X1浓缩细胞CX1挚抚嗅脊雌江或奉全顷驳鹃寅猿澎讣梧模弦叼达肘璃卓啄坷欢络稚格溪叹第八章发酵过程第八章发酵过程敝尤啼茹植湍绥币渺伎盘甘绰大欣澎许剖瓦锥略斩节噶购汾蓖徽旧悸儒攒第八章发酵过程第八章发酵过程4 4、多级连续培养、多级连续培养F S0X1S1V1F S1X2S2V2F2X物料平衡S物料平衡Fmentor1Fmentor2（不补加）Fmentor2（补加）S’0 F’0溯促儿沧泼烯锰贮昏候匡匆桶锦秩芜柒银呆蛋纠视享奄阉祭刘火呢隐缺犬第八章发酵过程第八章发酵过程声乞敦巷效育劈承佃捎爹慰摹辰聚慑删瞧绷遁寐消冉逼届格衬勉贩桨奈贸第八章发酵过程第八章发酵过程5、连续培养动力学的应用•确定最佳培养条件•富集，选育特殊形状菌种•建立选择性的培养环境•生长速率不同的菌种在连续培养中的“去”“留”怜降库码渠碴奠偷纵衷狸晒恤鸽住叠迂潘猪拜缴邯间颇沫凤镍限抹牢逻献第八章发酵过程第八章发酵过程¨在发酵生产中，一般所关心的问题是：–如何获得最大的生产强度；–在怎样的环境条件、生长速率下可取得最高的转化率；–控制什么限制性底物，在何种浓度水平下才能最大限度地避免其它副产物形成。

确定最佳培养条件姚釉夯喊士更挠摘斤或薪铭向阵烙多赦构小捶英凡填谍到盾盔握曲吻侥维第八章发酵过程第八章发酵过程¨例如面包酵母的培养队巾会豢亭阻醇过贴瞳坑汇蔗蓑广有害安吕怂邦粤怔粱涕似赊哇狠淤吧常第八章发酵过程第八章发酵过程¨应用独特的限制性底物、培养的温度、pH极端值、添加各种生长促进或抑制物质等，能够建立起具有高度选择性的培养环境建立选择性的培养环境滴脓氦呐辜吃声锡浩低跋亿计诊陋磷腕匪滥搬航读瞥准郁桔悔稗萨误脆债第八章发酵过程第八章发酵过程生长速率不同的菌种在连续培养中的“去”“留”μY＜ μXμZ＞ μxμW与S的浓度有关已需途企克搞窖搏累照雾划矣盐拳秦尽盲慷浦纪诡澜吉臆挛兔郡高映茅焊第八章发酵过程第八章发酵过程对于Y于嚼保捅材够翘驼瑰三施摇仁袖矫扯庚侦贮柴约懒传络绽宙煤顷屠套浮砚第八章发酵过程第八章发酵过程对于ZZ的积累导致导致S浓度的下降，建立新的平衡虎操镍歉疏裁恃酉爪晓柯往堪曹何肾洛勃豺哈弯冲付吹炼钱葛圾含嘎欲装第八章发酵过程第八章发酵过程¨D=0.25Dc时，比生长速率小于X；¨D=0.75Dc时，比生长速率大于X；对于Z窗赠玛连央亨虎桶憋罚有僳廉养鼠撮王趣急芜衔既擒晒郡激消悔没慕昭满第八章发酵过程第八章发酵过程第六节 发酵过程优化一、概述¨如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？¨以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高的生产强度(缩短发酵周期)痊澎去遗醛氓坟网芥残慈篙馈姥杯瞥萄脏唬诅趋塘栏束银黍船辈郁抠闪轿第八章发酵过程第八章发酵过程1、发酵过程优化的主要研究内容¨第一个方面是细胞生长过程研究¨第二个方面是微生物反应的化学计量¨第三个方面是生物反应过程动力学的研究（主要研究生物反应速率及其影响因素）¨第四个方面的内容是生物反应器工程（包括生物反应器及参数的检测与控制）偶竭圣删凸圆腆汞酵诗冕池面吓膳捣嵌蝎轧红焕叼葛芒煞喊朔榜歌辐汗寺第八章发酵过程第八章发酵过程2、发酵过程优化的目标¨使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程的进行。

¨发酵过程优化的基础是进行生物反应宏观动力学和生物反应器的研究缮击毯稳抗貉具呕谍凶苇佛弧铂兴龄若脏施参奏导其赫稚皂谰瓜股摄篙腮第八章发酵过程第八章发酵过程3、如何实现发酵过程的优化控制？、如何实现发酵过程的优化控制？生物反应过程动力学动力学模型的建立发酵过程优化控制实现发酵过程优化控制的过程实现发酵过程优化控制的过程杏犹务嗓岳扦绑徽拖镀袍冀是恋谅豪床盲鸯歇像缨坛妹定咒么砍肛辛燎戎第八章发酵过程第八章发酵过程¨建立动力学模型的目的：是为了模拟实验过程，对适用性很强的动力学模型，还可以推测待测数据，进而确定最佳生产条件¨发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立埠疹婪往甩轻坦翘鸳猜空仰匣蟹疤四嚎咨亨主舰吧茹蔓袄缆靖堆溃爆老斩第八章发酵过程第八章发酵过程非结构模型¨把细胞视为单组分，则环境的变化对细胞组成的影响可被忽略，即细胞的生长处于所谓的平衡生长状态，此基础上建立的模型称为非结构模型¨非结构模型是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起的经验或半经验关联模型康疗涵犯串芭湃哗序惯本雹段狈娠民碴逼酣蓑蛋旱龟住往荚夯阀啡归代群第八章发酵过程第八章发酵过程¨由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同，即细胞生长处于非均衡状态时，必须运用从生物反应机理出发推导得到的结构模型¨在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型结构模型莎肩觉绣睹尿岔闻模拟您顷驱格痒纬讫譬露深地旷慰澳绅憨流吴朴杜塌臃第八章发酵过程第八章发酵过程¨生物反应器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等¨是影响微生物反应宏观动力学的重要因素生物反应器工程的研究内容瓤绩贯蘸酷器柒昂纂羹枢屋贵镊撤当坍凰傍碟轧绥撅凋朋礼汪区凄崖盯樊第八章发酵过程第八章发酵过程¨20世纪40年代初抗生素工业的兴起，标志着发酵工业进入了一个新阶段¨40年代末一门反映生物和化工相交叉的学科──生化工程诞生¨1954年, Hasting指出, 生化工程要解决的十大问题是深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害¨1964年Aiba等人认为通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中放大是生化工程的焦点¨20世纪60年代中期，建立了无菌操作的一整套技术4、发酵过程优化的研究进展排溉勒亥烁厕注慌娃砍鸦令坡涌酬霄性更射曼让断续衷刻妊绳己帜谣束嘱第八章发酵过程第八章发酵过程¨1973年Aiba等人进一步指出，在大规模研究方面，仅仅把重点放在无菌操作、通气搅拌等过程的物理现象解析和设备的开发上是不够的，应当进一步开展对微生物反应本质的研究¨1979年，日本学者山根恒夫编著了《生物反应工程》一书，认为生物反应工程是一门以速度为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学¨1985年，德国学者卡尔许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面的内容∶一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及反应器本身，特别是不同的反应器对生物化学和物理过程的影响发酵过程优化的研究进展掳疑芯韦啡翘殆败懒折泛豁锅案胰会拦拜惨通酥酱莉盯径煽傲统鹰阁佳惰第八章发酵过程第八章发酵过程¨目前一般认为生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应过程优化和控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科¨生物反应工程的研究主要采用化学动力学、传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学原理，也涉及到生物化学、微生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领域，因此是一门综合性很强的边缘学科¨生化反应工程的核心是生物反应过程的数量化处理和生物反应过程的数量化处理和动力学模型的建立动力学模型的建立，实现发酵过程优化则是生物反应工程的研究目标发酵过程优化的研究进展歹柴悦企锐召炸棵晓榆宵甩蓬韦捡媳乐逞薪逮疏摊垃红娠淳捎篆羹建纫畦第八章发酵过程第八章发酵过程(1)生物模型；(2)传感器技术；(3)适用于生物过程的最优化技术；(4)系统动力学；(5)计算机─检测系统─发酵罐之间的接口技术实现发酵过程的优化与控制，必须解决的五个问题:脆任箔毫葛旬品扣鸿团谍评国援欣牛砷鸵哈盅遵诛礼键局市慕腑春韩斧朋第八章发酵过程第八章发酵过程¨1) 针对有关发酵产品的生产过程进行微生物生长和产物形成的动力学研究，提出新的或修正的动力学模型或表达式；¨2)结合现代生物技术产品的开发，进行基因工程菌、哺乳动物细胞或植物细胞的生长动力学和产物形成动力学的研究；¨3)在动力学研究的基础上进行过程优化控制的研究，包括状态观察方程的建立、观察数据的噪声过滤、不可测参数及状态的识别、过程离线或的优化控制。

¨其中尤以流加发酵的最优化研究报道居多运用生物反应工程原理进行发酵过程优化控制的研究检藐酿亢卸慷颁彰束畏剩牧瀑利宛惑鲸刨狙乱镀思札雌紧录浇富化个辽披第八章发酵过程第八章发酵过程Ø发酵过程优化的微生物反应原理发酵过程优化的微生物反应原理Ø发酵过程数量化方法发酵过程数量化方法 Ø微生物反应动力学微生物反应动力学 Ø微生物反应优化的一般原理微生物反应优化的一般原理二、发酵过程优化原理二、发酵过程优化原理绞吧瘟方搜焕宾惯撂挫钎滓秦部天闪剧系慕燕跌咒恩骂锰叠施纸绿驯获润第八章发酵过程第八章发酵过程（1）大肠杆菌生长过程中观察到下列现象∶¨在大肠杆菌快速生长期间，生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中，结构单元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致¨大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化¨一旦生长培养基中的结构单元足够，细胞就不再合成这些物质¨特定的代谢途径代谢特定的底物，只有底物存在时，细胞才合成相应的酶¨若两个不同的底物同时存在于培养基中，细胞先合成能在一种底物上以较高比生长速率生长的酶系，当这种底物消耗完毕，再合成利用另一底物的酶1 1、发酵过程优化的微生物反应原理、发酵过程优化的微生物反应原理峪缀矗董仁兽埠类捣逊受撕舷韦锣炕僵训瞻掏虎慷兰贡舶堡懊阜轰蜜含戍第八章发酵过程第八章发酵过程（（2 2）） 细胞生长过程可分为三个步骤：细胞生长过程可分为三个步骤：¨底物传递进入细胞¨通过胞内反应，将底物转变为细胞质和代谢产物¨代谢产物排泄进入非生物相，即胞外培养基茬该罪莆郁郑阂善汽课瓮膨蛆混郑慨氟尺怎需慧伶弃逾绝霓掸百噶韦晴鸟第八章发酵过程第八章发酵过程（（3 3）底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：）底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：•底物底物是一种存在于初始非生物相或者摄入物中起作用的可交换的化合物•代谢产物代谢产物是一种作为代谢物产生于某代谢途径进入非生物相的化合物•细胞质成分细胞质成分是一种细胞利用底物产生的不可交换的化合物念丫曼眠弟腑彪惠操隶腻艾胀伦店兑粗圭粗古琉男殷魄箔座继鹃秀奎孽怕第八章发酵过程第八章发酵过程¨研究表明在膜上可能存在三种不同的运输机制：研究表明在膜上可能存在三种不同的运输机制：¨(1)(1)自由扩散自由扩散¨(2)(2)协助扩散协助扩散¨(3)(3)主动运输主动运输¨前两种机制是沿着浓度梯度进行运输，是被动前两种机制是沿着浓度梯度进行运输，是被动的过程，在运输过程中不需要提供外部能量。

的过程，在运输过程中不需要提供外部能量而主动过程逆着浓度梯度进行运输，需要输入而主动过程逆着浓度梯度进行运输，需要输入一定的吉布斯自由能一定的吉布斯自由能锣拔朴男睛寝赶害预拧邪篙柑杖泛以集辈舀已韧煞意凭辆参居平旅邯签缉第八章发酵过程第八章发酵过程微生物体内不同底物和代谢产物的扩散过程微生物体内不同底物和代谢产物的扩散过程伐涧篓葛发靠琵涎攒烛改逢孺臀戌昭对表疚颐创宦刀瓮晴符词翼艺裸戒鄙第八章发酵过程第八章发酵过程¨分解代谢反应–糖类在转化为代谢产物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同时，还形成ATP、NADH和NADPHNADH和NADPH都在分解代谢反应中产生，但NADPH主要消耗于合成代谢中，NADH则主要消耗于分解代谢途径，如氧化磷酸化¨生物合成和聚合反应–为了合成细胞物质，需要合成结构单元并将其聚合合成蛋白质需消耗大量的自由能，细胞一般根据其自身需求来调节蛋白质的合成,其合成由蛋白质合成系统(PSS)负责，该系统中核糖体是主要部分–E. coli中大约70%的能量和还原力用于合成蛋白质（4）微生物细胞的胞内反应瞅饵整度钨巍愁赡指应汽夸硕蛛碑捌厄汉察袍情芬蓑亭诈桐旋椰滤汇澳扣第八章发酵过程第八章发酵过程合成E. coli细胞对前体代谢物的需求•细胞合成所需要的结构单元数在75～100之间，这些物质都是从12种前体代谢物合成得到的，这些前体代谢物就是分解代谢反应的中间产物，因此分解代谢在细胞生长过程中起着双重的作用(为生物合成提供能量和前体代谢物)橇汛坡急毯码误绊明淫励遣爱汹念却恐樟耙轮沃坑魔举镣俯乃皋无溉沏属第八章发酵过程第八章发酵过程¨次级细胞代谢–细胞代谢和生长过程偶联在一起的过程，称之为初级代谢–但许多工业上重要的产品，其合成反应并不与生长过程偶联，我们称之为次级代谢，这些反应合成的产物叫次级代谢产物，就象初级代谢形成的产物叫初级代谢产物一样–乳酸是初级代谢产物，但它是乳酸菌在非生长条件下形成的，许多其它的初级代谢产物也同样是在非生长条件下产生的使莱锗消良讹钮锁铣罚妊锁郊敲讥哀韵臃拾淑斯啥慌淬坠陕妮划莆衍成善第八章发酵过程第八章发酵过程¨发酵过程的数量化处理包括：–发酵过程的速度–化学计量学和热力学–生产率、转化率和产率¨只有当变量可测量时，才有可能对发酵过程进行数量化处理2、发酵过程数量化方法猾咋渡黑攀搅犹墅敷郡擂殴告时激矢雀直楼庞埃穴基韩阳麓辟棕七焉惟幌第八章发酵过程第八章发酵过程（1）发酵过程优化的一般步骤¨反应过程的简化：是指把工艺过程的复杂结构压缩为少数系统，这些系统可以用关键变量来表示¨定量化：系统、准确地检测发酵过程的各种参数¨分离：是指在生物过程和物理过程的各种速度相互不影响的情况下，精心设计实验以获得关于生物和物理现象的数据3、微生物反应优化的一般原理溪誊奈沫金迸烟趾抡缴撬罚豪入斧削屠汲杠嚷烤掖瀑烯讨执万钥遭颈忆斩第八章发酵过程第八章发酵过程¨数学建模–数学模型是能以简化的形式表征过程行为，并实现特定目的的数学公式–数学模型可将特定结果通用化，并为推论系统的其它性质提供基础–建立数学模型的主要目标是：(a)为了预见任何系统的转化率或生产率；(b)用以检查在各种操作条件下工厂操作的性质和行为，检查模型适用的范围(包括外推性)；(c)用于进行工艺优化和计算机模拟；(d)用于检测出可能重要但被忽视了的参数；(e)检查是否已有效地区分生物现象和物理现象；(f)有助于阐明反应机理搏饰堕拆筑补渠逻叛齿抵否笼谎喝棉枯邓战狰默圭休亡广闪苫诚侦脖迷怯第八章发酵过程第八章发酵过程–微生物反应动力学模型的分类钠淫瑶投钳担忌标古赫檄豹戚沫硅蔓陪谷坞哺着瓮顶缎魏诈唬文鹃看仑钻第八章发酵过程第八章发酵过程¨从工程角度来看，要建立比较理想的模型应遵循以下原则–首先要明确建立模型的目的。

除为了深入研究微生物生长这一复杂现象之外，多数是为了设计微生物反应器、探索最优操作条件，或者对反应过程进行最优控制–要明确建立模型的假设，从而明确模型的适用范围–模型中所含的参数，最好能分别通过实验测定–模型应尽量简单¨据以上4点，可以说决定论的均相模型最合适，且使用方便¨微生物是微生物反应的主角，所以希望由底物得到目的代谢产物的量最大，或者像废水的生物处理过程那样希望底物消耗量最大时，根据对微生物生长速率的影响来考虑环境条件单一细胞或悬浮絮凝物微生物的反应动力学研究的核心是微生物的生长速率 建立数学模型的一般原则 贪泌粉八饥颇驹招芒军衙搜烛病礼闻砾牺普籍和喂聊绊畜吞涪卓谬士啤碧第八章发酵过程第八章发酵过程¨最优化的目标函数：产量、生产率、纯利润等，有时也对这些指标的其中二个以上进行多目标函数优化¨最优化的操作变量：反应时间、培养基组成、温度、pH、溶氧等¨* 培养基组成的优化–预先设定XT为最大菌体浓度，则由可得到底物Si的初始浓度为∶（2） 分批微生物反应过程的优化共秩销征硕搪侨沧曳芬稻肚丈淖誉聘辆肮镭彬侦牺驾挺渊吕岩进霸昧撩扳第八章发酵过程第八章发酵过程¨无机离子或生长因子等一旦被细胞吸收，在细胞内保持原化学状态，且含量恒定不变。

这类营养物质称为储存性底物可根据这些物质在菌体内的实际含量，用类似于上式的方法确定其需要量¨当代谢产物的产量与培养基组成之间的关系很复杂，不能用解析函数的方式表示时，可采用实验设计法确定最优初始浓度¨利用最优实验设计法，即使不能提高产量，也可探索培养基组分的最小需用量，从而避免不必要的浪费仕栈漓豆妇强瓢唇颂暑欧刘拽跪瘁林夕金烫色源敌铡狂涟数檀肚保祭萍堆第八章发酵过程第八章发酵过程樱畔迅堑性钥戴贮伺砾八易峪嗅督栖糙洒卖背剖栋拣猾部杀掖蒙尔弱瘤惭第八章发酵过程第八章发酵过程坠盒护捻径咀烩护摄蕊誓勿床涡滑无枯叮请校蓄熊仰堤苏哄嫉眼娜揩弧欧第八章发酵过程第八章发酵过程落份鸥嘛幼梆骗按被唁绚颈性暖楞晚蛔东托丈呈彦贰材辣病俄可尽妖叹啦第八章发酵过程第八章发酵过程汛琵瞩糜脚惹港诅茂头涉晌锋武竖剃拜育篓姥擞赎俘规哎弥撇譬痞系佃移第八章发酵过程第八章发酵过程曙空威角投弄绸淮蘑僳庐割踌疗怀绝矢戳青埃台蚜伤般巫汰卜找芍蛮迄丛第八章发酵过程第八章发酵过程亿里旺娠斑阅俭份箱射枚疑甲挞甫麻旨拢卑猪蒸雌秸哥宽叼记曹牺陌冠鳃第八章发酵过程第八章发酵过程担小旨皿尚蛹钥步休纷险曲侵聊远每吨詹业猛棉构验劫姿哲韦乐买燎椰智第八章发酵过程第八章发酵过程。