微生物发酵技术.

• (4) 改变菌体的生化代谢而影响生长。 • 部分前体物有毒性，部分是由于溶解度 小。 • (二) 可以解除或减弱分解产物阻遏 • 部分合成酶受到易利用的碳或氮源的 阻遏，例如葡萄糖的分解代谢产物引起的 阻遏。 • (三) 可以使发酵过程最佳化
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二 补料的方式和控制 (一) 补料方式 连续流加、不连续流加(多周期流加)。 (二) 补料控制 1 有反馈控制 反馈控制系统：传感器、控制器和驱 动器。 • 直接方法：以限制性营养物浓度作为反 馈参数； • 间接方法：以溶氧、pH、呼吸商、排气 中的CO2及代谢产物浓度等为参数。
二 化学参数 1 pH 2 基质浓度：糖、氮、磷等。 3 溶解氧浓度 4 氧化还原电位 5 产物浓度 6 废气中氧的含量 7 废气中CO2的含量。 三 生物参数 1 菌体浓度 2 菌丝形态
第三节 发酵过程中的代谢变化
• 一 初级代谢产物发酵的代谢变化 • 1 菌体浓度的变化 • 延迟期、对数生长期、静止期和死亡 期。 • 延迟期的长短与培养条件和菌种生理 状态有关。 • 在未达死亡期之前放罐。
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天然油脂质量：酸价。 泡敌：聚氧乙烯氧丙烯甘油（GPE）。 GP 化学消泡剂增效： 加载体、并用、乳化。
第十二节发酵终点判断
• • • • 确定一个合理的放罐时间，需考虑： 1 经济因素； 2 对产品质量的影响； 3 特殊因素。
作 业
• 1 请说明菌种保藏的基本原理，及各保 藏方法的特点。 • 2 影响微生物需氧量的因素有哪些？并 详细说明它们是如何影响需氧量的。 • 3 影响供氧的因素有哪些？并说明它们 是如何影响供氧的。
第五节 营养基质影响及其控制
一 碳源的影响及其控制 1 碳源的种类影响代谢情况 迅速利用的碳源：迅速参与代谢，合成菌体和产 生能量，并产生分解产物，因此有利于菌体生 长，但对产物(特别是次级代谢)有抑制作用(例 如葡萄糖)。 缓慢利用的碳源：可被菌体缓慢利用，有利于延 长代谢产物的合成(例如乳糖、蔗糖、麦芽糖、 糊精、饴糖等)。
• 4 开始低，以后上升。 • 5 综合方式（无规律性） • 控制泡沫方法： • 防止（气体、发泡物质：有机氮源， 降低有机氮源浓度，需求量不足，补料） 不能斗绝 治理
• 天然油脂（豆油、菜籽油）；高碳醇、 脂肪酸或脂类；聚醚类；硅酮。 • 浓度低能消泡； • 能力持久（持久存在，不被消耗）。 • 不影响氧和提取；
第九节 二氧化碳影响及其控制
• 一 二氧化碳对发酵的影响 • 二氧化碳的作用： • 1 刺激作用，如环状芽孢杆菌发芽孢子开 始生长时就需要二氧化碳，此谓二氧化 碳效应。 • 2 抑制作用，影响生长速度、菌体形态、 产物合成和培养基pH。
• 二 二氧化碳浓度的控制 • 二氧化碳受呼吸强度、发酵液流变学 特性、通气搅拌程度和外界压力大小影 响。 • 通过 通气和搅拌 来控制。
• 一 温度对发酵的影响 • 1 影响各种酶反应的速率和蛋白质的性 质； • 菌体生长所需温度与产物合成温度不 一致(如青霉素)；温度不同还可能影响产 物合成的方向(如金霉素和四环素)。 • 2 影响发酵液的物理性质。(粘度、氧和 基质的溶解与传递、分解和吸收)
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二 影响发酵温度变化的因素 产热的因素： 1 生物热(Q生物) 与培养基成分和培养阶段有关。 2 搅拌热(Q搅拌) 散热的因素： 1 蒸发热(Q蒸发) 2 辐射热(Q辐射)
• 二 发酵过程的溶氧变化 • 在一定的发酵条件下，每种产物发酵的 溶氧变化都有自身的规律。 • 总的规律：先下降，后上升，不同产物后 期出现最低谷的时间不同。 • 溶氧异常下降的原因： • 1 污染好气性杂菌； • 2 菌体代谢异常； • 3 某些设备或工艺控制发生故障，如搅拌。
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第十节 补料分批发酵
• • • • 一 补料分批发酵的作用 补料分批发酵的概念。 补料分批发酵的优点： (1) 解除了底物抑制、产物反馈抑制和分解 产物阻遏； • (2) 避免在分批发酵中因一次投料过多造成 细胞大量生长所引起的不良影响，降低发酵 液的粘度；
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(3) 可用作控制细胞质量的手段，以提 高发芽孢子的比例； • (4) 一种理论研究方法。 (一) 可以控制抑制性底物的浓度 高密度的生物量需要投入几倍的基质， 但高浓度的基质有抑制作用。抑制原因： (1) 有的基质浓度过浓使渗透压过高，细胞 因脱水而死亡； (2) 高浓度基质能使微生物热致死； (3) 对代谢关键酶或细胞组分产生抑制作用；
• (2) 摄氧率的变化 • 随菌浓增加，摄氧率不断增加，溶氧浓 度下降，菌浓至临界，溶氧至最低。 • (3) pH • 先下降后下升：利用葡萄糖产生酸，而 后再被利用。 • 先上升后下降：利用氨基酸的碳骨架， 剩下氨，而后氨又被利用。 • 限制性因素的出现，使菌体由生长向生 产转化。
• 2 产物合成阶段 • 产物产量不断增多，起至达到最大值，生 产速率也达最大，直至产物合成能力衰退。 • 该阶段要严格控制发酵条件，对产物的合 成最为关键。例如营养浓度。
• 2 营养基质浓度的变化 • 随发酵时间的延长不断降低，用于菌体的 生长和产物的形成。 • 溶氧的变化规律(后面讲)。 • 3 产物浓度的变化 • (1) 与菌体浓度平行； • (2) 与培养条件有关。
• 二 次级代谢产物发酵的代谢变化 • 次级代谢发酵的菌体生长(生长期)和产物 合成期(生产期)是分开的。 • 发酵过程可分为：菌体生长、产物合成、 菌体自溶三个阶段。 • 1 菌体生长阶段 • (1) 营养成分的变化 • 碳源、氮源和磷酸盐等营养物质不断被 消耗，浓度明显减少，而新菌体不断合成， 菌浓明显增加。
• 三 温度的控制 • 1 最适温度的选择 • 2 温度的控制
第七节 pH的影响及其控制
• 一 pH对发酵的影响 • 1 影响微生物的生长及产物的合成(通过 影响酶活性实现)； • 生长最适pH与合成最适pH不一致 • 菌体内的pH近中性，因为发酵培养基中 的pH是通过间接方式作用与胞内酶的
• 2 影响菌体对基质的利用速度和细胞结构 (通过影响膜实现)； • 例如产黄青霉在低pH 下为丝状，高pH为酵 母状 • 3 影响产物的稳定性； • 噻呐霉素在pH6.7-7.5时稳定； • 青霉素在碱性条件下发酵产量低
机理解释： 乳糖的利用速度刚好符合青霉素的合成 速度。 控制方法：流加葡萄糖或采用混合碳源。 2 碳源浓度的影响 浓度合适。 控制方法：中间补料。
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二 氮源的影响和控制 1 氮源浓度的影响 以谷氨酸发酵为例： NH4+太高：合成谷氨酰氨； NH4+不足：积累-酮戊二酸。 2 氮源的种类的影响 速效氮源：氨基态氮和玉米浆，促进菌体生 长，但对部分产物，特别是次级产物合成有 抑制作用。 • 缓慢氮源：延长产物合成期。
第八节 溶氧的影响及控制
• 一 溶氧对发酵的影响 影响菌体生长、产物合成及产物的性质。 1 有时，氧充分促进产物合成，如谷氨酸 和金霉素发酵； 2 有时，氧充足会对产物有抑制作用，如 维生素B12发酵。 因此溶氧并非越高越好。
• 氨基酸发酵对氧的需求分三类： • 1 谷氨酸、精氨酸和脯氨酸，氧必须供应 充足，产量才大； • 2 异亮氨酸、赖氨酸和苏氨酸，供氧充分 可获得最高产量，但供氧受限时，不会 有太大影响； • 3 亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，供氧受限 对产物合成有利。
3 菌体自溶阶段 菌体衰老、开始自溶，氨氮含量升高，pH 上升，产物合成能力衰退，生产速率下降。 此时结束发酵。
第四节 菌体浓度影响及其控制
• 菌体浓度：单位体积培养液中菌体的含 量。 • 一 影响菌体生长的因素 • 1 比生长速率：越大，菌体生长越快；决 定于细胞的复杂性(越复杂越慢)； • 2 营养物质和环境条件： • 营养物质浓度在一定限度内，浓度与 菌体生长成正比。
三 发酵pH的确定和控制 1 发酵 pH的确定 根据实验结果确定 2 pH控制 最适pH在微生物生长和产物形成相互关系： (1) 二者的pH相似且在较宽的内； (2) 生长的pH较宽，而合成的pH较窄； (3) 二者都敏感，但最适点相同； (4) 二者都敏感，但最适点不同。
• pH的控制方法： • 1 培养基配比适当，使pH在合适的范围 内变化； • 2 直接补加酸碱或补料； • 其中采用补料的方法可以同时实现补 充营养、延长发酵周期、调节pH和改变 培养基性质等几种目的。
引起溶氧异常升高的原因： 1 代谢异常，菌体过早衰老； 2 污染噬菌体。 三 溶氧浓度的控制 溶氧浓度是由氧的供需平衡所决定的。 供大于需时，溶氧上升；供小于需时，溶 氧下降。 • 提高供氧的方法： • 提高氧传递动力和液相体积氧传递系数。
• 氧传递动力的提高受限，只能通过搅拌、 通气及发酵液粘度控制。 • 控制需氧的方法： • 需氧量受菌体浓度、营养基质的种类 和浓度、培养条件影响，其中重要的是 菌体浓度。菌体浓度可通过控制比生长 速率来实现，这又要通过营养基质浓度 的控制来实现。
项目2 微生物发酵技术
任务4：发酵过程控制技术
教学安排：
1. 员工培训 由老师讲解发酵过程的理论基础。 分配实操任务：发酵过程控制。
2. 学生模拟组建运营一个发酵车间，撰写 计划书(在理论教学期间完成)。 市场部：当前发酵过程控制的技术进展。 技术部：确定pH、温度、溶O2、补料等 关键参数的控制方法，撰写操作规程。 品控部：制定发酵过程控制的方案。 总经理：协调监督各部工作，最后拿出 完整的计划书。
• • • • • 一 物理参数 1 温度 2 压力： 内部压力高于外部压力。 3 搅拌转速： 转/分钟 4 搅拌功率：每立方米发酵液所消耗的功率， kw/m3 • 5 空气流量：每分钟内每单位体积发酵液通入 空气的体积，V/V.min • 6 粘度：反映氧传递阻力和菌体浓度。
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• 发酵培养基一般采用速效与缓慢氮源的混 合物，且中间还要补充。 • (1) 补加有机氮源 • (2) 补加无机氮源(补氮和调pH双重功效)。 • 三 磷酸盐的影响和控制 • 适合微生物生长的磷盐浓度偏高； • 适合微生物药物合成的磷盐浓度偏低。 • 发酵过程一般采用亚适量。