微生物工程 第5章 发酵过程及控制
30
0.009
32
0.02
（一）影响需氧和供氧的因素
影响微生物需氧量的因素 1、菌种 2、菌体浓度 3、菌龄 4、培养基
影响供氧量的因素 1、搅拌 2、通气量 3、空气分布管的结构 4、发酵罐的液柱高度/直径比 5、培养液的物理性质 6、泡沫
（二）溶解氧的控制
溶解氧的控制： 应满足需氧≤供氧
（二）、温度在发酵中的变化规律 图生物热的变化规律
（三）、温度的控制 依靠夹层或蛇管控制。 目前许多发酵罐都采用自动化控制。
五、溶解氧对发酵的影响及控制
溶解氧：溶解于液体（发酵液）中的氧。
氧难溶于水，在25℃，1atm下，氧在水中的 溶解度为0.26m mol/升，
临界溶解氧浓度：满足微生物呼吸的最低限度 的溶解氧浓度。
一、种子制备工艺及质量控制
菌种是发酵的关键，从一个保存的菌 种，到生产上使用的种子，如果按几 十～几百吨的发酵规模，10％的种子量 （接种量）计，需要几吨～几十吨的种 子。
（一）、作为种子的要求： 1、细胞的生活力强，移种至发酵罐后能迅速生长 2、菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求 3、无杂菌污染 4、生理形状稳定、保持稳定的生产能力
一般好气性微生物约为0.003～0.05m mol/ 升之间。
微生物名称 固氮菌 大肠杆菌 大肠杆菌 酵母菌 酵母菌
橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌
温度（℃） C临界（m mol/升）
30
0.018-0.049
15
0.0031
37.8
0.0082
20
0.0037
34.8
0.0046
24
0.0022
2、菌体生长的最适温度与产物形成的最适 温度往往不一致。
3、菌种在不同的生长期对温度的敏感性不 同。
4、温度归根结底是影响酶的活力。
谷氨酸菌种的最适生长温度和产物形成的最适温度
菌种 温度（℃）
1299 617 1542 T-613
最适生长温度 最适产物形成温度
30-32 32-34 30-34 32-36 34 34-36 34-36 36-38
第五章 发酵过程及控制
发酵是一个复杂的生物化学过程影响因素很 多：菌种、培养基、温度、pH、溶氧、污染等。
第五章 发酵过程及控制
一、种子制备工艺及质量控制 二、发酵过程中的代谢变化及规律 三、基质浓度变化及控制 四、温度对发酵的影响及控制 五、溶解氧对发酵的影响及控制 六、pH对发酵的影响及控制 七、CO2对发酵的影响 八、泡沫的形成及控制 九、染菌分析及控制
（一）、pH值对发酵的影响： 1、pH影响酶的活性 2、pH影响微生物细胞膜的带电状况，从而影响
微生物对养料的吸收和对代谢产物的分泌 3、pH影响培养基中某些营养物质的可给性 4、pH可能改变培养基的氧化还原电位 5、pH会影响某些微生物的形态
三、基质浓度变化及控制
（一）、碳源浓度变化及控制
碳源物质是发酵过程中菌体生长和产物合成 的能量和碳素的来源。
在发酵的前期，碳源物质主要用于生长，消 耗较快，在发酵后期，碳源物质主要用于产物合 成，消耗速度放缓。
快速利用的碳源物质：对生长有利，对次级 代谢产物的形成有抑制作用。
缓慢利用的碳源物质：对延长产物的合成是 有利的，尤其是次级代谢产物。
接种量过高，会使菌体生长过快，培养液粘度过 高，造成供氧不足。
3、种子质量检查与判断 ①检查pH ②检查培养基灭菌后糖、氮、磷等的含量 ③检查菌丝的形态、浓度、种子液外观等 ④无菌检查 ⑤稳定性检查 ⑥其它参数检查： 某种酶的活性 产物量等
（三）、影响种子质量的因素： 1、原材料质量 2、培养温度、湿度、时间等 3、种子罐通气量 4、冷藏时间 5、传代次数
到发酵的中后期，发酵液中的残糖基本耗尽， 影响产物的合成。
如果采用丰富碳源的培养基，又会产生其它的问题; 如培养基浓度过高，影响通气搅拌，过高的碳源浓度也抑制菌体的 生长。
解决的方法是采取“中间补料” 补糖的方法：
连续滴加补糖 小量多次间歇补糖 大量少次补糖
“中间补料”可以延长产物的产生时 间，推迟菌体的自溶时间，增加了发酵液 的体积，而使发酵单位大幅度上升。
（二）、氮源浓度变化及控制
氮源物质主要用于菌体中蛋白质、核酸等含 氮物质的合成，有些发酵产物中含有氮。
发酵前期，氮源物质随菌体浓度的急剧增加 而迅速减少，发酵中期，氮源（氨基氮）的下降 速度比较缓慢，发酵后期，由于菌体自溶，氨基 氮会回升。
氮源物质往往抑制次级产物的合成。
快速利用的氮源物质：如氨水、铵盐促进 菌体生长。
需氧方面 控制最适的菌体浓度
供氧方面： 1、改变气体成份 2、提高搅拌速度 3、增加挡板 4、增加通气量 5、提高罐压
几个概念：
呼吸强度：指一克干菌体，在一小时内所需氧的 毫摩尔数
摄氧量：指一升发酵液，在一小时内所需氧的毫 摩尔数
通气量：指一分钟内，通过发酵液的空气体积比 发酵液的体积
六、pH对发酵的影响及控制
缓慢利用的氮源物质：有利于延长产物的合 成期。
一般情况下，发酵培养基中同时含快速利用 的氮源和缓慢利用的氮源物质。
如果氮源物质投料多，会造成菌体生长快， 但菌体衰老也快。
解决方法：“中间补料”。
四、温度对发酵的影响及控制
（一）、温度对微生物和发酵的影响
1、不同的菌、不同的发酵对温度的要求不 一样。
二、发酵过程中的代谢变化及规律
与代谢有关的参数： 1、物理参数 ⑴、温度 ⑵、罐压 ⑶、搅拌速度 ⑷、空气流量 ⑸、表观粘度 ⑹、发酵液重量
与代谢有关的参数： 2、化学参数 ⑴、基质浓度 ⑵、pH ⑶、产物浓度 ⑷、DNA量 ⑸、关键酶 ⑹、溶解氧 ⑺、排气中有关的参数： 3、生物参数 ⑴、菌丝形态 ⑵、菌丝干重或湿重 ⑶、菌体比生长速率 ⑷、氧的比消耗速率 ⑸、糖的比消耗速率 ⑹、氮的比消耗速率 ⑺、产物的比生产速率
（二）、种子制备的工艺流程及对发酵的影响 1、工艺流程
2、接种时间（种龄）和接种量 接种时间：对数生长期，菌体量还未达最高峰。
接种量：决定于生产菌种在发酵罐中的繁殖速度。
谷氨酸棒状杆菌：1％
大多数抗生素发酵：5～10%
个别的发酵：20～25％
接种量过小，除延长发酵周期外，往往还引起其 它不正常情况。
发酵过程控制与优化
•
• •
• 白细胞介素:是一类具有激活、增殖、成熟和分化 •
机体免疫细胞，抗病毒、抗肿瘤及增强机体免疫 功能的细胞因子。 全球氨基酸的年产量估计在50~80万吨，其中 2/3用于食品，其余大部分作动物词料添加剂用， 还有相当数量用于医药工业和作为合成化学试剂 的前体。重组DNA技术已成功地应用于提高棒杆 菌和其他工业生产菌种的氨基酸生产。 全球的微生物多糖的产值估计已超过10亿美元。 这类生物高分子属于胶体，其独特功能在于它们 可作为增稠剂、亲水胶体，用于水基系统中的乳 化、悬浮和稳定混合物。它们在温度、pH和盐浓 度大幅度变化的条件下仍能与其他系统相容，甚 至起协同增效作用。
2.提取质粒
从大肠杆菌的细胞质中提取质粒,质粒为环状。 此质粒将作为胰岛素基因的载体。 1.碱裂解法：此方法适用于小量质粒DNA的 提取，提取的质粒DNA可直接用于酶切、 PCR扩增、银染序列分析。 2.煮沸裂解法：指用煮沸加热的方法裂解菌 体,以提取质粒。
3.基因重组
取出目的基因与质粒,先利用同种限制性内 切酶将质粒切开,再使用DNA连接酶将目的 基因与质粒“缝合”,形成一个能表达出胰 岛素的DNA质粒。
•
5.3泡沫对发酵的影响及其控制
• 5.3.1泡沫的产生及其影响 • 发酵过程中因通气搅拌与发酵产生的二氧化碳以
•
及发酵液中糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物 质的存在，使发酵液含有一定数量的泡沫。 泡沫的存在可以增加气液接触表面，有利于氧的 传递。但也给发酵带来许多负作用，主要表现在: ①降低了发酵罐的装料系数。②增加了菌群的非 均一性。③增加了污染杂菌的机会。④大量起泡， 控制不及时，会引起产物的流失。③消泡剂的加 入有时会影响发酵或给提炼工序惹来麻烦。
• 5.3.3泡沫的控制 • 泡沫的控制方法可分为机械消沫和消泡剂
发酵工程发酵过程控制
发酵工程发酵过程控制1. 引言发酵工程是利用微生物的生理代谢过程来生产有机化合物的一种工程技术。
而发酵过程控制则是在发酵工程中对发酵过程进行调控和监控，以确保发酵过程能够稳定进行，并获得高产率和良好的产品质量。
发酵过程控制通过对微生物与培养基、发酵设备和操作条件等方面进行控制，研究微生物的生长规律和代谢产物的生成规律，实现对发酵过程的调控，以实现最佳的发酵效果。
本文将介绍发酵工程发酵过程控制的主要内容和方法。
2. 发酵过程控制的目标发酵过程控制的主要目标是实现以下几个方面的调控：1.生物量的控制：调控微生物的生长速率和生物量，使其在适宜的培养基和环境条件下获得最佳生长，提高产酶或产物的产量；2.代谢产物的控制：调控微生物代谢过程中的关键反应步骤，实现选择性产物的生成，并提高产量；3.溶氧的控制：调控发酵过程中的溶氧浓度，提高氧传递效率，防止氧的限制性产物的堆积；4.pH的控制：调控发酵过程中的pH值，维持合适的酸碱环境，促进微生物的生长和代谢；5.温度的控制：调控发酵过程中的温度，提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢。
3. 发酵过程控制的方法发酵过程控制主要采用以下几种方法：3.1 反馈控制反馈控制是一种基于对发酵过程变量的测量和反馈，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的反馈控制方法包括：•温度控制：通过测量发酵容器内的温度，控制加热或降温设备的输出，以维持适宜的温度；•pH控制：通过测量发酵液的pH值，控制酸碱调节器的输出，以维持适宜的酸碱环境；•溶氧控制：通过测量发酵液中的溶氧浓度，控制气体供应设备的输出，以维持适宜的溶氧浓度。
3.2 前馈控制前馈控制是一种基于对发酵过程中外部输入变量的预测，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的前馈控制方法包括：•溶氧前馈控制：根据发酵微生物对溶氧需求的特性，通过对气体供应设备输出的调节，提前调整溶氧浓度，以满足微生物的需求；•pH前馈控制：根据发酵产物对酸碱环境的敏感性，通过对酸碱调节器输出的调节，提前调整pH值，以维持合适的酸碱环境。
食品发酵工艺学-微生物发酵过程控制-液态发酵
同一发酵过程中不同阶段的最适pH:
• 谷氨酸发酵前期pH值7.5，中期 pH值7.2，后期pH值7.0，接近 放罐时为了后续提取工艺，pH 值以6.5-6.8 为好。
同一种微生物生产不同产物时， 最适代谢pH值不同
• 黑曲霉：发酵生产柠檬酸时的最适代谢 pH值2~3，生产草酸时的最适代谢pH值 接近中性。
• 供氧能耗大 • 分离设备庞大，投资费用高，且产生大量高浓度有
机废水。
发酵过程中可供检测的参数
《食品发酵与酿造工艺学》何国庆.P96 物理参数15项，生化参数17项 (T,pH,P,V,密度、黏度、浊度、泡沫高度、 产物浓度、无机盐浓度、空气流量、溶氧 浓度、二氧化碳浓度、搅拌转速等等)
影响液态发酵的主要工艺参数
c、在某些合成途径中对前体物的合成产生反馈抑 制
二氧化碳效应（促进作用）
• 环状芽孢杆菌已经发芽的孢子在开始生长时对 二氧化碳有特殊需要
• 二氧化碳是大肠杆菌和链霉素突变菌株的生长 因子，菌体有时需含二氧化碳30%的气体才能 生长。
• 牛链球菌发酵生产多糖，最重要的条件是供气 中必须含有5%的二氧化碳。
搅拌对溶氧的影响
采用机械搅拌是提高溶氧系数的有效方法。 搅拌可以改善罐内液体的混合和循环,从而具有 抑制气泡聚合的效果,而且可以避免低于平均氧 浓度的死角存在。 a、使大气泡变小，阻止小气泡合并变大。 b、发酵液湍动，可减小 气泡周围 液膜 的厚度， 减小传质阻力，使传质系数增加。 c、使液体形成涡流，延长气液接触时间。 d、使菌体分散，避免结团，增加固液接触面， 使溶氧吸收的推动力均一，也减小菌体表面液膜 的厚度，有利于氧的传递。
• 影响细胞膜电荷，膜的透性，影响微生 物对营养物质的吸收及代谢产物的排出。
发酵工程 第5章 氧的供需与传递
单位接触界面氧的传递速率：
通常，不可能测定界面处的氧分压和氧浓度。
为方便计算，氧传递速率用总传质系数和总推动 与力两表个示推：动力相对应的阻力是气膜阻力1/kG和液膜 阻力1/kL。
单位接触N界A面 氧p1的kGp传I 递C速1I k率LC为L 推p1动K力pG与 阻C1力K之CL L比。
根据培养的目的不同，选取不同的供 氧条件：
★获取细胞本身：保持溶解氧的浓度高于临界溶 氧浓度。从而满足微生物的最大需氧而得到最高 的微生物的细胞产量。 ★以获得细胞代谢产物为目的，溶氧对代谢产物 影响有不同的情况。
第2节 培养过程中氧的传质理论
一、氧的传递途径与传质阻力
好氧微生物只能利用溶解态的氧，因此气态中的 氧需要经过一系列的传递步骤和克服阻力到液相。 氧的传递途径是气相中的氧溶解在发酵液中，再传 递到细胞内的呼吸酶位置上而被利用。
3. 氧分压（亨利公式）
三、微生物的临界氧浓度
耗氧速率受 氧浓度影响
微生物对发酵液中的溶解氧有一个最低要求。
临界溶氧浓度(Ccr)：当培养基中不存在其它限制性基质 时，不影响好氧性微生物繁殖的最低的溶解氧的浓度。
微生物的临界氧浓度大约是饱和浓度的1％-25％。
氧的饱满度：溶解氧的 浓度与临界氧浓度之比。
KG ( p p) KL (C CL )
（5-2）
KG——以氧分压差为总推动力的总传质系数。 KL——以氧浓度差为总推动力的总传质系数。
氧的传递速率方程
OTR=KLa (c*-cL)或=KG a (p-p*) （5-16）
▪氧从空气泡到细胞的总传递阻力（1/Kt）为上述 各项传递阻力的总和。 ▪这种传递阻力有主次之分： ✓氧是难溶气体，供氧方面阻力3）较为显著； ✓耗氧方面阻力主要是7）8）； ✓当细胞以游离状态存在于液体中时，阻力7）细 胞团内的传递阻力消失； ✓而当细胞吸附在气液界 面上时，阻力4）5）6）7） 消失。
第五章微生物与发酵工程
第五章微生物与发酵工程一、单选题（35分）：1.操纵细菌的抗药性、固氮、抗生素生成等性状的基因位于（ ）A. 核区B.线粒体C. 核糖体D.质粒 2.通常用来作为菌种鉴定的重要依据是（ ）A. 细菌体积 B ．细菌形状 C ．菌落特点 D.细菌结构 3．要从多种细菌中分离出金黄色葡萄球菌，培养基要用 （ ）A. 加入青霉素的培养基 B ．加入高浓度食盐的培养基 C ．固体培养基 D.液体培养基 4．下列与微生物的代谢活动专门旺盛无关的缘故是 （ ）A ．表面积与体积比大B ．数量多C ．对物质的转化利用快 D. 表面积大 5．下列微生物的产物中没有菌种特异性的一组是 （ ）A ．氨基酸、核苷酸、多糖、毒素、激素B ．核苷酸、维生素、多糖、脂类、氨基酸C ．多糖、脂类、维生素、抗生素、氨基酸D ．氨基酸、多糖、维生素、色素、抗生素 6．可用于观看细菌运动的培养基是 （ ）A ．固体培养基B ．半固体培养基 C.液体培养基 D.天然培养基 7．研究微生物的生长是以群体为单位的，这项研究不包括 （ ） A ．菌落的生长 B ．繁育 C.群体细胞数增加 D.个体的体积增大 8．作为生产用和科研材料用的菌种，常选 （ ） A.稳固期 B ．衰亡期C ．调整期 D. 对数期9．下列不属于微生物的是 （ )A.原核生物B.原生生物C.真菌D.微小动植物10．在微生物生长的过程中，细胞形状最多和数目最多的时期是 （ ）A.对数期、稳固期B.衰亡期、对数期C.稳固期、衰亡期D.衰亡期、稳固期11．环境中氧含量的状况，对不同代谢类型的微生物群体的生长具有不同的阻碍，下列菌中无明显阻碍的是 （ ）A ．酵母菌B ．产甲烷杆菌 C.破伤风杆菌 D ．乳酸菌12．微生物群体生长状况的测定方法能够是 （ ）:①测定样品的细胞数目 ②测定次级代谢产物的总含量 ③测定培养基中细菌的体积 ④测定样品的细胞重量A ．②④ B．①④ C.①③ D.②③13．微生物代谢的调剂属于 （ ）A ．神经调剂 B.激素调剂 C ．酶的调剂 D.基因调剂14．在细菌培养中，所制备的斜面培养基形成的斜面的长度不超过试管总长的（ ） A.l ／5 B ．2/3 C ．1/4 D ．1/215．在培养基的配制过程中，具有如下步骤，其正确顺序为 （ ） ①溶化 ②调pH ③加棉塞 ④包扎 ⑤培养基的分装 ⑥称量A.①②⑥⑤③④ B ．⑥①②⑤③④ C ．⑥①②⑤④③ D ．①②⑤④⑥③ 16．通过阻碍微生物膜的稳固性，从而阻碍营养物质吸取的因素是（ ） A.温度B. pHC.氧含量 D ．前三者的共同作用 17．在实际生产中，对数期的长短取决于（ ）①培养罐的大小 ②接种量的大小 ③培养基的多少 ④代谢产物合成的多少 A.②④ B ．②③ C ．①② D ．①③18．发酵是利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式，通常说的乳酸发酵属于 （ ） A.固体发酵 B ．液体发酵 C ．氨基酸发酵 D ．需氧发酵 19．圆褐固氮菌可利用的氮源是 （ ） A ．氨 B ．分子氮 C ．尿素 D ．蛋白陈 20．多数真菌的最适pH 出为（ ）A ．5．0～6．0 B. 6．0～7．0 C ．4．0～5．0 D.3．0～4．0 21．酵母菌培养过程中的生长曲线如图所示：a 、b 、c 、d 分别表示不同的生长时期，其中适于作为生产用菌种的时期是A aB bC cD d22．关于微生物代谢产物的说法中不正确的是 （ ）A.初级代谢产物是微生物生长和繁育所必须的B.次级代谢产物并非是微生物生长和繁育所必须的C.次级代谢产物在代谢调剂下产生D.初级代谢产物的合成无需代谢调剂23．单细胞蛋白是通过下列何种方法获得的 （ ）A ．基因工程B ．细胞工程C ．发酵工程 D.酶工程24．某药厂用谷氨酸棒状杆菌发酵生产谷氨酸，结果代谢产物没有谷氨酸而产生乳酸及琥珀酸，其缘故是 （ ）A．温度操纵不适B．通气量过多 C. pH呈酸性 D.溶氧不足25．下列可用于生产谷氨酸的菌种是（）A.谷氨酸棒状杆菌、金黄色葡萄球菌B．链球菌、大肠杆菌C.谷氨酸棒状杆菌，黄色短杆菌D．大肠杆菌、乳酸菌26．发酵过程中，可不能直截了当引起pH变化的是（）A．营养物质的消耗B．微生物呼出的CO２C．微生物细胞数目的增加D．次级代谢产物的积存27．能为发酵工程提供菌种的是（）A.植物体细胞杂交B．动物细胞融合 C. 目的基因转移 D.聚乙二醇处理大肠杆菌28．依照酶在生物体内存在的部位，可分为胞内酶和胞外酶，下列酶中属于胞外酶的是（）A.呼吸酶B.光合酶C．消化酶D．解旋酶29．在生产实践中，假如接种量大，则细菌生长的情形是（）A.调整期延长B.调整期缩短C.对数期缩短D.稳固期后移30．微生物体内抗毒素、抗生素、色素等的形成时期要紧是在( )A.调整期B.对数期C.稳固期D.衰亡期31．所有细菌都具有特点是（）A 差不多上异养生物B 仅在有水条件下繁育C 仅在有氧条件下生长D 生存温度都超过80℃32．关于灭菌和消毒的不正确的明白得是（）A．灭菌是指杀灭环境中的一切微生物的细胞、芽孢和孢子B．消毒和灭菌实质上是相同的C．常用灭菌方法有加热法、过滤法、紫外线法、化学药品法 D．接种环用烧的法灭菌33．构成流感病毒的结构是（）A.荚膜、衣壳、核酸B.鞭毛、核酸、衣壳C.囊膜、鞭毛、核酸D.囊膜、衣壳、核酸34．下图是表示温度对微生物的生长阻碍，其中正确的是（）35．酵母菌培养液常含有一定浓度的葡萄糖，但当葡萄糖浓度过高时，反而抑制微生物的生长，缘故是（）A.碳源供应太充足B.细胞会发生质壁分离C.改变了酵母菌的出值D.葡萄糖不是酵母菌的原料二、多选题（10分）：36．发酵工程的第一个重要工作是选择优良的单一纯种。
第五章 发酵工程
• 2，灭菌与消毒的区别
• 灭菌：用物理或化学方法杀死或除去环 境中所有微生物，包括营养细胞、细菌 芽孢和孢子
• 消毒：用物理或化学方法杀死物料、容 器、器皿内外的病源微生物。
• • • •
• • • •
二、培养基灭菌的目的 1，在发酵过程中夹杂其它杂菌造成的后果： • 生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力； • 在连续发酵过程中，杂菌的生长速度有时会比生 产菌生长得更快，结果使发酵罐中以杂菌为主； • 杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难 • 杂菌会降解目的产物； • 杂菌会污染最终产品，杂菌会污染最终产品； • 发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象
●
2）温度可能会影响终产物的质量
例如： 苏云金杆菌的发酵，一般在30-31℃进行，这样形成的晶体 毒力强。若发酵温度提高到37℃以上，虽然菌体生长繁殖较快， 最终含菌数也较高，但生物毒力较低，直接影响产品的质量。
3）温度还可能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℃下， 该菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例提高； 在温度达到35℃时，则只产生四环素，金霉素的合成停止
发酵过程泡沫控制的方法
• 物理消沫法 • • 化学消沫法
消泡剂选择的原则：
① 对发酵过程无毒，对人、畜无害，不影响生物合成。
② 消泡作用迅速，效果高和持久性能好。
③ 能耐高压蒸汽灭菌而不变性，在灭菌温度下对设备无腐蚀 性或不形成腐蚀性产物。 ④ 不影响以后的提炼过程。 ⑤ 不干扰分析系统，如溶解氧、pH测定仪的探头。
• 第一阶段：发酵原料的预处理
• 第二阶段：发酵过程的准备
• 第三阶段：发酵过程
• 第四阶段：产品的分离与纯化
发酵工艺控制(溶氧)
（2）、降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL，可采取减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa，使发酵液中的CL降低。但是，发酵过程中发酵液中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的呼吸。
目前发酵所采用的设备，其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素之一，故此种方法亦不理想。
（一）影响氧传质推动力的因素
要想增加氧传递的推动力(C*一CL)，就必须设法提高C*或降低CL。
1、提高饱和溶氧浓度C*的方法
A、温度：降低温度
B、溶液的性质：一般来说，发酵液中溶质含量越高，氧的溶解度越小。
C、氧分压：在系统总压力小于0.5MPa时，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。气相中氧浓度增加，溶液中氧浓度也增加。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知，供氧大小是与产物的生物合成途径有关
这个理论假定在气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜，气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态，分子之间无对流运动，因此氧分子只能以扩散方式，即借助于浓度差而透过双膜，另外，气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气流主体，在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同，液流主体亦如此。
5 微生物工程 第五章 发酵工业种子制备
种子培养基特点：
有较完全和丰富的营养物质，糖分少，需充
足氮源和生பைடு நூலகம்因子，无机氮源比例大；
各种营养物质的浓度不必太高； 供孢子用的种子培养基，可添加易被吸收
利用的碳源和氮源；
应考虑与发酵培养基的主要成分相近。
pH
选择最适种子培养pH的原则是获得最
大比生长速率和适当的菌量。
培养最后一级种子的培养基的pH应接
长迟滞期
为什么细菌发酵最好是在对数生长期接种？
种子浓度够 代谢活力强
重点
举 例：
梭状芽孢杆菌发酵丁醇－丙酮 时种子扩大培养的程序
酵母发酵时的种子扩大培养
酿酒酵母的扩大培养
最初采用纯种进行酵母发酵并设计出酵
母繁殖流程，他将每一步的接种量规定 为10％，并控制繁殖条件与酿造时一致
现代的流程中，接种量为1%或更低，控
优良种子应具备的条件：
生长活力强，延迟期短； 生理状态稳定； 浓度及总量能满足发酵罐接种量的要求； 无杂菌污染，保证纯种发酵； 适应性强，生产能力稳定
重点
种子罐级数的确定
种子扩大的级数： 制备种子需逐级扩大
培养的次数
级数愈少，愈利于简化工艺及控制，并
可减少种子罐污染杂菌的机会，减少消 毒及值班工作量，减少因种子罐生长异 常而造成的发酵波动。
扩大级数，完成生产车间种子制备；
种子转种至发酵罐
工业发酵种子制备过程：
实验室种子制备阶段：
琼脂斜面至固体培养基扩大培养（如茄
子瓶斜面培养等）或液体摇瓶培养；
生产车间种子制备阶段：
种子罐扩大培养
实验室种子制备
无菌方式接保藏的菌种至斜面培养基上，成
5第五章 代谢调控育种
⑷利用营养缺陷型回复突变株或条件突变株的方法， 解除终产物对关键酶的调节；
⑸应用遗传工程技术，创造理想微生物（即构建目 的工程菌株）。
此外，发酵条件如pH值、NH3的供应、溶氧水平、 营养浓度控制及表面活性剂的使用等也非常重要。
一. 切断支路代谢
1. 营养缺陷突变株的应用
营养缺陷型即菌株发生基因突变，合成途径中某一 步骤发生缺陷，丧失了合成某些物质的能力，必须在 培养基中添加该营养物质才能生长。
第五章 微生物 代谢控制育种
第一节 代谢控制育种的基础
代谢控制发酵理论的建立
代谢控制发酵理论最开始是应用于氨基酸高产菌株 的选育中；随后，核苷类物质发酵生产菌也以代谢控 制理论去选育，并奋起直追成为后起之秀。
随着研究的深入，代谢控制发酵理论的作用，已由 野生型菌株的发酵向高度人为控制的发酵转移，由依 赖于微生物分解代谢的发酵向依赖于生物合成代谢的 发酵，即向代谢产物大量积累的发酵转移。
一个菌株经过突变和回复突变后，某一结构基因 编码的酶会经历失活→恢复活性的过程，但酶的调节 部位的结构常常并没有恢复。所以经过此过程后，该 酶的反馈抑制被解除或削弱。因此可以利用营养缺陷 型的回复突变来获得解除反馈抑制从而提高产量的菌 株。
例如，先将金霉素生产菌绿链霉菌诱变成蛋氨酸 缺陷型，然后再回复突变成原养型，结果其中有85% 的回复突变株的金霉素产量提高了1.2~3.2倍。
通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株 以及克隆某些关键酶的基因，也可以使目的产物前体 的合成增加，从而有利于目的产物的大量积累。
1. 在分支合成途径中，切断控制共用酶的非目的终 产物的分支合成途径，增多目的产物的前体，使目的 产物的产量提高。
在谷氨酸棒状杆菌、北京棒状杆菌、黄色短杆菌、 大肠杆菌等微生物中，Lys、Thr、Met的合成关键酶是 天冬氨酸激酶，该酶受Lys、Thr的协同反馈抑制，即 天冬氨酸激酶在Lys或Thr单独存在时不受抑制，仅当 两者同时过量时才引起抑制作用。因此，在Thr限量培 养时，即使Lys过剩，也能进行由天冬氨酸生成天冬酰 磷酸的反应（即第一步反应）。
发酵过程优化与控制(原理部分)
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大型发酵罐 搅拌装置
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现代发酵工程的主要研究内容
1.发酵过程的优化控制技术 2.生化过程的模型化 3.高密度培养技术 4.代谢工程和代谢网络控制 5.新型生化反应器的研究和开发 6.新型发酵和产品分离技术
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第一章
绪论
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制
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一. 发酵过程优化在生化工程中的地位
现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、 药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地 生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊 化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环 境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用 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) 20
养或半连续发酵，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
方法
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流加发酵的研究进展
在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究 几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为 主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加
1973年日本学者Yoshida等人首次提出了 “Fed-Batch Fermentation”这个术语，并从理 论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究 才开始进入理论研究阶段
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基于碳氢化合物的经济转变为基于 碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再