发酵过程的工艺控制
第十章发酵过程的工艺控制
●知识要点和教学要求
（1）、理解微生物发酵的动力学
（2）、掌握补料分批培养
（3）、掌握连续培养
（4）、掌握发酵工艺控制最优化
（5）、掌握温度对发酵过程的影响及其控制
（6）、掌握PH值对发酵过程的影响和控制
（7）、掌握泡沫对发酵过程的影响和控制
●能力培养要求
通过本章节的学习，学生能理解微生物发酵的分类及温度、PH值、泡沫等对发酵过程的影响和控制。
●教案内容
10.1 微生物发酵的动力学
一般来说，微生物学的生长和培养方式可以分为分批培养、连续培养和补料分批培养等三种类型。
1. 分批培养
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。
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，图10-1为典型的细胞菌生长曲线。
2. 停滞期
停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。
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。
3. 对数生长期
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。其生长速度可用数学方程表示：
式中，x---细胞浓度（g/l）；t---培养时间（hr）；---细胞的比生长速度（1/h）。如果当t=0时，细胞的浓度为x0(g/l)，上式积分后就为：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。
微生物的生长有时也可用“倍增时间”(td)来表示，“倍增时间”(td)定义为微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，即：
3. 稳定期
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。
4. 死亡期
当发酵过程处惊天动地死亡期时，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。
5. 微生物分批培养生长速度的动力学方程
分批培养过程中，虽然培养基中的营养物质随时间的变化而变化，但通常在特定条件下，其比生长速度往往是恒定的。在特定温度、PH值、营养物类型、营养物浓度等条件下，微生物细胞的比生长速度与限制性营养物的浓度之间存在如下的关系式：
式中，---微生物的最大比生长速度；S---限制性营养物质的浓度；Ks---饱和常数，数值上等于=时的限制性营养物质浓度，它的大小表示了微生物对营养物质的吸收的亲和力大小，Ks越大，表示微生物对营养物质的吸收亲和力越小，反之就越大，对于许多微生物来说，Ks值是很小的，一般为0.1-120mg/l或0.01-3.0mmol/l，这表示微生物对营养物质有较高的吸收亲和力。表10-3为一些微生物的Ks值。最大比生长速度在工业生产上有很大的意义，随微生物种类和培养条件的不同而不同，通常为0.09-0.65h-1。一般来说，细菌的大于真菌；而就同一细菌而言，培养温度升高，增大；营养物质的改变，也要发生变化，通常容易被微生物利用的营养物质，其较大，随着营养物质碳链的逐渐加长，则逐渐变小。习惯上上式称为Monod方程。
6. 分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学
在微生物的生长和产物的形成过程中，发酵培养基中的营养物质被微生物细胞所利用，生成细胞和形成代谢产物，人们常用得率系数来描述微生物生长过程的特征，即生成的细胞或产物与消耗的营养物质之间的关系。在实际工作中，最常用的是细胞得率系数（YX/s）(YP/s)，分别定义为消耗1g营养物质生成的细胞的克数和生成产物的克数。工业生产上，可通过测定一定时间内细胞和产物的生成量以及
营养物质的消耗量来进行计算，获得表观得率系数：
按产物的生成与营养物质的利用之间的关系，可将发酵分为三种类型，如表10-4所示。
表10-4产物的生成与营养物质的利用关系
在微生物的分批培养中，产物的形成与微生物细胞生长关系的动力学模式有三种，如图10-4表示营养物质以化学计量关系转化为单一产物（P），产物形成速度与生长速度的关系。
7. 产物形成与细胞生长相关联模式
在该模式中，产物形成速度与生长速度的关系可表示为：
式中，P---产物浓度（g/l）；---产物相对于细胞的生成速度（克产物/克细胞）。上式表示，在微生物的分批培养过程中，产物的形成速度与细胞的比生长速度成正比。因此，对于符合该模式的培养过程来说，要提高产物的形成速度就应当争取获得高的细胞的比生长速度。
8. 产物形成与细胞生长无关联模式
在该模式中，产物形成速度与生长速度无关联，而只与细胞的浓度有关，此时，细胞具有控制产物形成速度的组成酶系统，这时产物形成与细胞浓度的关系可表示为：
式中，---非生长关联的产物形成常数[g产物/（g细胞hr）]。
9. 产物形成与细胞生长有关联和无关联的复合模式。
在此模式中，产物形成取决于与细胞生长有关联和无关联的两种
发酵工艺优化
发酵工艺优化 从摇瓶试验到中试发酵罐试验的不同之处 1、消毒方式不同，摇瓶是外流蒸汽静态加热（大部分是这样的），发酵罐是直接蒸汽动态加热，部分的是直接和蒸汽混合，会因此影响发酵培养基的质量，体积，PH，透光率等指标。扩大时摇考虑 2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时的菌株损失和菌种的适应性等。 3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面直接接触。发酵罐是和空气混合接触，考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。 4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决的。 5、搅拌方式不同，摇瓶是摇转方式进行混合搅拌，对菌株的剪切力较小。发酵罐是直接机械搅拌，注意剪切力的影响和无菌的影响。 6、PH的控制，摇瓶一般通过碳酸钙和间断补料控制PH，发酵可以直接流加控制PH，比较方便。 7、温度控制，摇瓶是空气直接接触或者传热控制温度，但是发酵罐是蛇罐或者夹套水降温控制，注意降温和加热的影响。 8、注意染菌的控制方法不一样，发酵罐根据染菌的周期和染菌的类型等可以采取一些必要的措施减少损失。 9、发酵罐可以取样或者仪表时时检测，但是摇瓶因为量小不能方便的进行控制和检测。 10、原材料不一样，发酵所用原材料比较廉价而且粗旷，工艺控制和摇瓶区别很大等等 发酵工艺中补料的作用 补料分批培养(fed—batch culture简称FBC)是指在分批培养过程中、间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法、与传统的分批集中补料培养相比、它有以下优点： (1)可以避免在分批发酵中因—次投料过多造成发酵液环境突变，造成菌丝大量生长等问题，改善发酵液流变等性质，使得发酵过程泡沫得以控制，节省消泡剂，并提高了装罐系数。 (2)可以控制细胞质量，以提高芽抱的比例，并使pH得以稳定。 (3)可以解除底物抑制，产物反馈抑制和分解阻遏。 (4)可以使“放料和补料”方法得以实施。该方法在发酵后期、产生了一定数量代谢产物后，在发酵液体积测量监控下，放出一部分发酵液，同时连续补充——部分新鲜营养液，实现连续带放、既有利于提高产物产量．又可降低成本，使得发酵指数得以大幅度提高。 (5)利用FBC技术、可以使菌种保持最大的生产力状态．随着传感技术以及对发酵过程动力学理沦深入研究、用模拟复杂的数学模型使在线方式实最优控制成为可能。 连续补料控制目前采用有反馈控制和无反馈控制两种方式。有反馈控制：选择与过程直接关系的可检测参数作为控制指标，例如可以测量、控制发酵液PH、采用定量控制葡萄糖流加。稳定PH在次级代谢最旺盛水平。而无反馈控制FBC是指无固定的反馈参数，以经验和数学模型相结合的办法来操作最优化控制、从而使抗生素发酵产量得以大幅度提高。例如发酵过程中前体的补加。由此可见，要实现对发酵过程的有效控制，就先要解决补科的连续控制问题。 目前国外发酵生产过程连续补料采用：流量计(电磁流量计、液体质量流量计)、小型电动、气动隔膜调节阀和控制器来实现连续补料控制。菜发酵工厂在中试试验中还成功地运用了电子称加三阀控制的自动补科系统 至于装液量的问题，应该从以下几个方面考虑： 1、保持在你所需要的转速培养情况下（尤其是在后期，菌丝很多时，转速很高时），不能让发酵液把你的塞子湿掉，容易造成染菌。 2、装液量的体积在消毒过程中，不能因为沸腾把塞子湿掉，或者跑出三角瓶，装液量太多会出现这样的情况。很容易染菌。 3、根据你的菌种的情况和发酵液的粘度，需要的混匀程度等等方面也要考虑。 4、建议你做一个梯度试验（40－50－60－70－80等）就可以找到你所需要的装液量。 关于剩余空气的排除在灭菌完毕后（100度左右），立刻用盖子或者其他的用品把你的培养摇瓶盖好，有时候这么点空气根本对兼性厌氧发酵没有什么影响，如果你的菌种要求很严的话，最好用干冰加入已经灭菌的空摇瓶后，立刻用其他的样品培养基分装即可。当然也可以用氮气。最好是二氧化碳。 你可以再查查看是否有其他的方法，我说的也不完全。！！
第四篇 第五章发酵过程泡沫的形成与控制
发酵过程泡沫的形成与控制 发酵过程起泡的利弊：气体分散、增加气液接触面积，但过多的泡沫是有害的 一、泡沫形成的基本理论 泡沫的定义：一般来说：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系 美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近气体，而不接近液体的“气/液”分散体。 （一）泡沫形成的原因 1、气液接触 （1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体 （2）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。 2、含助泡剂 在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质是助泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。 3、起泡速度高于破泡速度 起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自由能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度因素。 高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。 4、发酵过程泡沫产生的原因 （1）通气搅拌的强烈程度 （2）培养基配比与原料组成 （3）菌种、种子质量和接种量 （4）灭菌质量 （二）起泡的危害 1、降低生产能力 在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量 2、引起原料浪费 如果设备容积不能留有容纳泡沫的余地，气泡会引起原料流失，造成浪费。 3、影响菌的呼吸 如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，气泡中充满二氧化碳，
而且又不能与空气中氧进行交换，这样就影响了菌的呼吸。 4、引起染菌 由于泡沫增多而引起逃液，于是在排气管中粘上培养基，就会长菌。随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌。大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的润滑油可起点消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。 （三）泡沫的性质 泡沫体系有独特的性质，研究泡沫的性质，是解决消泡问题的基础。 1、气泡间液膜的性质 泡沫中气泡间的间距很小，仅以一薄层液膜相隔，研究液膜的性质很有代表意义，又因为，只有含有助泡的表面活性剂，才能形成稳定的泡沫，所以应当首先研究表面活性剂与液膜的关系 表面活性剂示意图 溶液中当表面活性剂的浓度低于临界胶束浓度时，以第一种情况为主；表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况。在泡沫不断增加时，表面活性剂会从胶束中不断转移到新产生的气液界面上 2、泡沫是热力学不稳定体系 热力学第二定律指出：自发过程，总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态变化。起泡过程中自由能变化如下： △G=γ△A △G——自由能的变化 △A——表面积的变化 γ——比表面能 起泡时，液体表面积增加，△A为正值，因而△G为正值，也就是说，起泡过程不是自发过程。另一方面，泡沫的气液界面非常大。显然，液体起泡后，表面自由能比无泡状态高得多。泡沫破灭、合并的过程中，△A是一个绝对值很大的负数，也就是说泡沫破灭、合并的过程，自由能减小的
发酵条件的控制与调节
发酵条件的控制与调节 １．水分调节 好氧堆肥质量和效率直接受堆肥物料水分含量的影响，水分的作用主要为溶解有机物并参与微生物的新陈代谢和调节堆肥温度。一般认为堆肥初始含水量在４０％～７０％就能保证堆肥顺利进行。当含水量低于４０％时，微生物的代谢活动会受到抑制，堆肥将由好氧向厌氧转化，尤其当含水量低于１５％时，菌体代谢活动会普遍停止；当含水量太高时，超过７０％，物料空隙率低空气不足，不利于好氧微生物生长，减慢降解速度，延长堆腐时间，并产生二氧化硫等恶臭气体。按重量计，初始堆料的含水率应保持在５０％～６５％，过低和过高都会影响发酵过程，而牛粪的含水率一般在７５％～８０％，往往需要加入吸湿性强的调节料以降低混合堆料的水分含量。 ２．发酵温度 温度是堆肥正常发酵的重要条件之一，堆肥温度的控制就是要保持堆体顺利升温、维持适当温度和温度的下降。不同种类微生物的生长对温度的要求不同，嗜温菌的最适温度是３０～４０℃，嗜热菌的最适温度是４５～６０℃，高温堆肥的温度最好控制在５５～６５℃，不宜超过６５℃，超过６５℃就会对微生物的生长产生抑制。堆肥化是一个放热过程，若不加以控制，温度可达７５～８０℃，温度过高会过度消耗有机质，并降低堆肥产品质量，根据卫生学要求，堆肥至少要达到５５℃并保持５天以上才能保证杀灭堆层中大肠杆菌及病原菌。生产实践中常采用翻堆或强制通风办法控制温度。 ３．碳氮比调节 碳氮比（Ｃ／Ｎ）是指堆肥原料与填充料混合物的总碳（Ｃ）与总氮（Ｎ）的比值。碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的营养物质，在堆肥过程中，碳源被消耗，转化成二氧化碳和腐殖质物质，而氮则以氨气形式散失，或变为硝酸盐和亚硝酸盐，或由生物体同化吸收。因此，碳和氮的变化是堆肥的基本特征之一。由于微生物的Ｃ／Ｎ范围为４～３０，因此用作供其营养的有机物碳氮比最好也在此范围内，Ｃ／Ｎ过高或过低都不利于嗜氧菌的生长和繁殖，堆肥过程中适宜的碳氮比（Ｃ／Ｎ）为２０～３０：１，３０：ｌ较为理想。北方地区在生产实践中可采用在牛粪中添加有关原料调节碳氮比，一般牛粪堆肥处理时可不调整Ｃ／Ｎ。 ４．通风调节 通风是好氧堆肥的关键性因素之一，其主要作用是提供好氧微生物生长繁殖所必需的氧气，通过供气量的控制，可去除堆料中多余的水分，调节堆体温度，减少恶臭产生。研究表明，堆料中氧含量为１０％时，就可保证微生物代谢的需要。在供氧充分而其他条件也适宜的情况下，微生物迅速分解有机物，产生大量的代谢热，如果不能对多余热量进行控制，温度升高到超过微生物生长的适宜范围，将会抑制有机物的生物降解、延长处理时间，增加设备运行费用，并且产生难闻的气味。可适时采用翻堆方式通风或设有其他机械通风装置换气，调节堆肥物料的氧气浓度和散热，同时应注意堆体堆积要松紧适度，保持物料间有一定的空隙以利通气． ５．ｐＨ值调节 ｐＨ值是微生物生长的重要因素之一，一般堆肥中微生物最适宜的ｐＨ值是中性或弱碱性，ｐＨ值太高或太低都会使堆肥处理遇到困难。许多研究者提出，
发酵过程中的优化
发酵过程中的优化 高望 （兰州理工大学生命科学与工程学院） 摘要：发酵过程优化控制技术是发酵工程的重要技术。综述了近年来微生物发酵过程优化控制技术的研究现状，综合运用微生物反应计量学、生化反应和传递动力学、生物反应器工程及代谢工程理论，(1) 基于微生物反应计量学的培养环境优化技术；(2) 基于微生物代谢特性的分阶段培养技术；(3) 基于反应动力学模型的优化技术；(4) 基于代谢通量分析的优化技术；(5) 基于系统观点的生物反应系统优化技术；（6）基于环境胁迫的优化技术；（7）基于辅因子调控的优化技术 关键词：发酵过程优化 1 发酵过程优化技术 1.1基于微生物反应计量学的培养环境优化技术 研究微生物从培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向，确定不同环境条件对微生物生长和代谢产物分布的影响，进而优化微生物生长的物理和化学环境，保证微生物生长处于最适的环境条件下，为进一步的发酵过程优化奠定基础。：(1) 培养基组成的优化技术。 (2) 发酵环境条件的优化技术。研究表明，培养基中的氮含量与葡
萄糖消耗及丙酮酸积累密切相关。氮源缺乏时, 葡萄糖消耗和丙酮酸生产均受到抑制。在小型反应器流加发酵中采用氨水控制pH 值( 相当于同时提供氮源) , 细胞能够持续、快速地积累丙酮酸。[1]李寅；陈坚；梁大芳营养条件对光滑球拟酵母发酵生产丙酮酸的影响[J]生物工程学报2000,16（2）：225-227 1.2 基于微生物代谢特性的分阶段培养技术 对分批发酵过程的研究发现，适合微生物生长的温度、pH 值、剪切和溶解氧浓度往往并不一定适合目标产物的形成，提出分阶段溶解氧和搅拌转速控制策略、分阶段温度控制策略及分阶段pH 值控制策略，将环境条件控制在最适合细胞生长或最适合产物合成的水平。研究表明，郑美英等以Ｓｔｒｅｐｔｏｖｅｒｔｉｃｉｌｌｉｕｍｍｏｂａｒａｅｎｓｅ为出菌株，研究了培养中温度控制策略，并在小型发酵罐上进行了验证。得出ＴＧ发酵过程中温度控制策略为：Ｏ～１８ｈ，控制温度为３２℃，１８ｈ后将温度切换到２８℃。采用此温度控制策略在２．５Ｌ小罐上进行ＴＧ发酵，酶活比未控制温度时的最好水平提高了１４%，发酵时间也缩短了６ｈ。由此可见，采用合理的温度控制策略确实能够显著提高ＴＧ的发酵过程中的各项指标。郑美英堵国成陈坚分批发酵生产谷氨酰胺转氨酶的温度控制策略[J]生物工程学报，200,16（6）：759-761 刘延岭，邓林，周昌豹，陈丽微生物发酵生产谷氨酰胺转胺酶的研究进展四川食品与发酵 2004,4：1-4 1.3 基于反应动力学模型的发酵过程优化和控制技术 研究不同目标代谢产物发酵过程的反应动力学，应用统计热力学理论和功能单元扩展理论，建立目标代谢产物分批发酵过程的动力学模型，用龙格库特法求取模型方程数值解，然后用单纯形搜索法或最速下降法寻出动力学模型方程中的最优参数，并对动力学模型的适用性进行评价。基于分批发酵动力学模型，在下列3 个方面已取得一定成果：①采用奇异优化理论，优化透明质酸的流加培养过程，并通过重复操作和优化补料组合发酵模式，显著提高透明质酸的生产强度[23]；②应用最小值原理，分别建立真氧产碱杆菌细胞生长期和聚羟基丁酸合成期底物流加的准优化控制策略，确定以指数速率流加和变速流加相结合的流加操作方式，得到以聚羟基丁酸最大生产强度和最高转化率为目标的准优化控制策略并成功应用[24－25]；③在无反馈控制的情况下，比较了不同流加培养模式对重组大肠杆菌生产谷胱甘肽的影响，发现采用简单的指数速率流加方式即可实现重组大肠杆菌的高密度培养[26]。 1.4 基于代谢通量分析（MFA）的发酵过程优化技术 参考已知的生化反应计量关系和特定微生物的代谢途径和生理代谢特征，构建生物合成特定目标代谢产物的代谢网络。利用代谢通量分析方法，对代谢中间产物进行拟稳态假设，然后通过测定细胞和代谢产物浓度的变化速率，计算得出胞内各条代 谢途径的通量变化。根据代谢通量分析的计算数据，分析特定目标代谢产物，如丙酮酸、透明质酸和生物絮凝剂生物合成途径中主要代谢节点的性质(刚性、弱刚性或弹性)，结合发酵
发酵工艺优化
发酵工艺优化 发酵工艺优化 从摇瓶试验到中试发酵罐试验的不同之处 1、消毒方式不同，摇瓶是外流蒸汽静态加热（大部分是这样的），发酵罐是直接蒸汽动态加热，部分的是直接和蒸汽混合，会因此影响发酵培养基的质量，体积，PH，透光率等指标。扩大时摇考虑 2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时的菌株损失和菌种的适应性等。 3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面直接接触。发酵罐是和空气混合接触，考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。 4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决的。 5、搅拌方式不同，摇瓶是摇转方式进行混合搅拌，对菌株的剪切力较小。发酵罐是直接机械搅拌，注意剪切力的影响和无菌的影响。 6、PH的控制，摇瓶一般通过碳酸钙和间断补料控制PH，发酵可以直接流加控制PH，比较方便。 7、温度控制，摇瓶是空气直接接触或者传热控制温度，但是发酵罐是蛇罐或者夹套水降温控制，注意降温和加热的影响。 8、注意染菌的控制方法不一样，发酵罐根据染菌的周期和染菌的类型等可以采取一些必要的措施减少损失。 9、发酵罐可以取样或者仪表时时检测，但是摇瓶因为量小不能方便的进行控制和检测。 10、原材料不一样，发酵所用原材料比较廉价而且粗旷，工艺控制和摇瓶区别很大等等 发酵工艺中补料的作用 补料分批培养(fed—batch culture简称FBC)是指在分批培养过程中、间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法、与传统的分批集中补料培养相比、它有以下优点： (1)可以避免在分批发酵中因—次投料过多造成发酵液环境突变，造成菌丝大量生长等问题，改善发酵液流变等性质，使得发酵过程泡沫得以控制，节省消泡剂，并提高了装罐系数。 (2)可以控制细胞质量，以提高芽抱的比例，并使pH得以稳定。 (3)可以解除底物抑制，产物反馈抑制和分解阻遏。 (4)可以使“放料和补料”方法得以实施。该方法在发酵后期、产生了一定数量代谢产物后，在发酵液体积测量监控下，放出一部分发酵液，同时连续补充——部分新鲜营养液，实现连续带放、既有利于提高产物产量．又可降低成本，使得发酵指数得以大幅度提高。 (5)利用FBC技术、可以使菌种保持最大的生产力状态．随着传感技术以及对发酵过程动力学理沦深入研究、用模拟复杂的数学模型使在线方式实最优控制成为可能。 连续补料控制目前采用有反馈控制和无反馈控制两种方式。有反馈控制：选择与过程直接关系的可检测参数作为控制指标，例如可以测量、控制发酵液PH、采用定量控制葡萄糖流加。稳定PH在次级代谢最旺盛水平。而无反馈控制FBC是指无固定的反馈参数，以经验和数学模型相结合的办法来操作最优化控制、从而使抗生素发酵产量得以大幅度提高。例如发酵过程中前体的补加。由此可见，要实现对发酵过程的有效控制，就先要解决补科的连续控制问题。 目前国外发酵生产过程连续补料采用：流量计(电磁流量计、液体质量流量计)、小型电动、气动隔膜调节阀和控制器来实现连续补料控制。菜发酵工厂在中试试验中还成功地运用了电子称加三阀控制的自动补科系统
微生物发酵过程优化控制技术进展
微生物发酵过程优化控制技术进展 摘要发酵工程是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础。在发酵工程领域，为了提高发酵水平和生产率，更多的研究工作集中在菌种的筛选和改造上。随着生物科学技术的发展，基因工程与代谢工程研究领域都出现了长足的进步与发展，利用基因重组与诱发等技术可以实现高产菌株普遍生产。但只有通过发酵过程的优化控制，才能实现产品质量最高、生产力最大、成本消耗最低的生产过程，因此对微生物发酵过程的优化控制成为发酵工程中研究人员日益关注的焦点。 关键词微生物发酵；影响因素；优化控制技术 1 培养基对发酵的影响 1.1 发酵培养基碳源和氮源的选择 碳源用于提供微生物能量来源、构建细胞以及形成产物。碳源包括单糖、双糖、多糖、天然复合物、油脂等，比如葡萄糖、蔗糖、淀粉以及豆油等。氮源是微生物蛋白质和其他含氮有机物的重要来源，与此同时，氮源也参与形成含氮产物。氮源包括无机氮源以及有机氮源，比如氨盐、硝酸盐、蛋白胨以及豆粉等。 1.2 发酵培养基中无机盐对发酵的影响 无机盐对代谢产物的生成及微生物的正常生长都具有相当重要的影响。在微生物的生长代谢过程中，磷参与了微生物细胞中核酸等辅酶的构成，是微生物能量代谢、生长的重要因素之一。在苏云金芽泡杆菌的发酵产物苏云金素的分子结构中包含磷酸根，所以在其发酵培养基中添加更多磷酸盐，更有利于产物苏云金素的合成。钙离子在微生物发酵过程中的主要作用是调节细胞的生理状态，比如说维持细胞的胶体状态、降低细胞膜的通透性等。与此同时，在大多数发酵培养基里面，添加适量的CaCO3，能够对发酵液含菌量的变化起到相当明显的影响，其主要原因是CaCO3的添加对发酵液的pH具有非常良好的缓冲作用，从而大大改善了菌体的生长环境。镁元素是许多酶的催化剂。锰、锌、铁、钼以及钴等元素是微生物所需要的微量元素[1]。 2 培养条件对发酵的影响 2.1 种子质量对发酵的影响 在发酵培养基中接入合适的接种量以及种龄适宜的优质种子液，能够使目标微生物更加迅速地进入到对数生长期，从而使发酵周期大大地减短，进而促使产物质量得以有效提升。如果种龄过长则会直接导致菌体过早的发生衰退，菌体的生产能力也随之而有一定程度的下降；如果种龄过短，则会直接导致菌体生长缓慢，产物合成时间大大推迟。若接种量过小，那么便会使得菌体细胞的生长量变
发酵过程的工艺控制
第十章发酵过程的工艺控制 ●知识要点和教学要求 （1）、理解微生物发酵的动力学 （2）、掌握补料分批培养 （3）、掌握连续培养 （4）、掌握发酵工艺控制最优化 （5）、掌握温度对发酵过程的影响及其控制 （6）、掌握PH值对发酵过程的影响和控制 （7）、掌握泡沫对发酵过程的影响和控制 ●能力培养要求 通过本章节的学习，学生能理解微生物发酵的分类及温度、PH值、泡沫等对发酵过程的影响和控制。 ●教案内容 10.1 微生物发酵的动力学 一般来说，微生物学的生长和培养方式可以分为分批培养、连续培养和补料分批培养等三种类型。 1. 分批培养 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。 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，图10-1为典型的细胞菌生长曲线。 2. 停滞期 停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。
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。 3. 对数生长期 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。其生长速度可用数学方程表示： 式中，x---细胞浓度（g/l）；t---培养时间（hr）；---细胞的比生长速度（1/h）。如果当t=0时，细胞的浓度为x0(g/l)，上式积分后就为：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。 微生物的生长有时也可用“倍增时间”(td)来表示，“倍增时间”(td)定义为微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，即： 3. 稳定期 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。 4. 死亡期 当发酵过程处惊天动地死亡期时，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。 5. 微生物分批培养生长速度的动力学方程
啤酒发酵工艺流程
实验一单细胞蛋白（SCP）的生产 一、实验目的 1．了解单细胞蛋白的开发优势及技术现状。 2．掌握单细胞蛋白的液体深层培养法及工艺控制规律。 3．了解发酵过程中菌体浓度及生物量的一般检测方法。 二、实验原理 所谓SCP（Single Cell Protein）就是指那些工厂化大规模培养、作为人类食品和动物饲料的蛋白质来源的酵母、细菌、放线菌、霉菌、藻类和高等真菌等微生物的干细胞。SCP工业，主要是饲料酵母工业。酵母是一种单细胞微生物，生长繁殖快，菌体营养丰富。饲料酵母是一种营养价值很高的蛋白饲料，成品呈微黄色粉末状，具有酵母特殊香味。酵母蛋白质含量一般都在70%左右，比大豆高1倍。与肉蛋白、鸡蛋蛋白、大豆蛋白相比，单细胞蛋白所含的氨基酸组分齐全，有18-20种氨基酸，尤其是谷物中所缺乏赖氨酸含量较高。此外，维生素含量也十分丰富。每千克酵母类单细胞可使奶牛的产奶量增加6-7㎏，用含有10%单细胞蛋白饲料养鸡，产蛋提高21%-35%。1吨单细胞蛋白可节约5-7吨饲料粮，可产1.5吨鸡肉或3万枚鸡蛋。我国单细胞蛋白（酵母）年产量近3万吨，多用于医药、面包生产和饲料。用于生产饲料酵母的原料来源广泛，有矿物资源（如石油、甲烷、泥炭等）、纤维资源（如秸杆、木屑等）、糖类资源（如糖蜜、红薯等）、石油二次制品、废弃资源（包括有机废水、废渣、动物粪便等）。从我国目前的情况出发，生产饲料酵母等单细胞蛋白值得优先开发的原料有废糖蜜、薯干、纸浆废液，豆制品厂、味精厂、淀粉加工厂的废液等，用这些原料生产饲料酵母，首先是产品无毒性，另外也有利于解决工厂和城市的污染问题。 酵母细胞的发酵特点：目前，最广泛用于生产作为蛋白资源的酵母是假丝酵母，该酵母生长繁殖速度快，每2-4小时可繁殖一代，培养10小时左右就能繁殖到种子菌体量的15倍。发酵过程中，要保证罐内的液体混合良好和较适当地提供氧气，还要控制好温度和pH。采用流加间歇发酵可以保证糖被具有良好活性的酵母呼吸消耗，以达到最适产量。底物浓度过高，即使在有氧条件下，酵母也会发酵产生碳水化合物。如果酵母生长速率过快，底物也会发酵。因此，在培
发酵过程控制
发酵过程控制和优化技术的有关知识 发酵的生产水平高低除了取决于生产菌种本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺的影响。只有深入了解生产菌种在生长和合成产物的过程中的代谢和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，有效控制各种工艺条件和参数，使生产菌种始终处于生长和产物合成的优化环境中，从而最大限度地发挥生产菌种的生产能力，取得最大的经济效益。 一．发酵过程进行优化控制的意义 随着生物和基因工程技术在各工业行业中的应用，发酵产品生产规模和品种不断增加，对发酵过程进行控制和优化也显得越来越重要。作为发酵中游技术的发酵过程控制和优化技术，既关系到能否发挥菌种的最大生产能力，又会影响到下游处理的难易程度，在整个发酵过程中是一项承上启下的关键技术。 与物理和化学反应过程不同，生物过程的反应速率比较慢，目的产物的浓度、生产强度、反应物质（底物或基质）向目的产物的转化率也比较底。工业微生物学从两个方面解决上述问题，一方面通过菌种选育和改良获得高产的发酵菌种；另一方面，通过控制培养条件使微生物最大限度地生产目标产物。相对来讲，通过发酵过程控制和优化，将生物过程准确地控制在最优的环境或操作条件下，是提高整体生产水平的一个捷径或者说是一种更容易的方法，其重要性也绝不亚于利用分子生物学和基因工程进行菌种改良的方法。 二．生化过程的特征 与物理和化学反应过程相比，生化反应过程有以下不同特征：①动力学模型高度非线性； ②动力学模型参数的时变性；③除简单的物理和化学状态变量（温度、pH、压力、气体分压、DO外，绝大多数生物状态变量（生物量、营养物浓度、代谢产物浓度、生物活性等）很难在线测量；④过程参数的滞后性，一个生物过程可能涉及成千上万个小的物理和化学反应，其相互间的作用和影响造成了生物过程的响应速率慢。 生物过程的控制和优化还具有以下特点：①不需要太高的控制精度；②各状态变量之间存在一定的连带关系；③由于没有合适的定量的数学模型可循，其控制与优化操作还必须完全依靠操作人员的经验和知识来进行。 三．生物过程控制和优化的目的和研究内容 生物过程控制和优化的目的就是以生物反映工程、发酵工程、生物化学、微生物学等学科的原理和知识为基础，以自动控制理论、过程控制和优化理论、工程数学以及人工智能技术为手段，将目的生物过程控制在最优的操作环境之下，以实现提高生物过程生产水平的目
乳酸发酵工艺流程
工艺流程：淀粉 水解反应 葡萄糖 预处理 液仓 淀粉乳 盐酸（酸化）调配 预热（85℃～90℃） 均质（300～500KPa） 杀菌(100℃，10min) 冷却(50℃左右) 菌种保藏菌种活化菌种扩培接种 发酵（终点pH4.2） 冷却（15℃～20℃） 溶解杀菌混合 氮源、中和剂（碳酸钙）分离
提纯 乳酸成品 保持冷链贮存或销售 4.2.1.2 操作要点说明 （1）预处理 净化可以除去原料中的杂质，使淀粉达到最高的纯净度。 （2）水解 淀粉是葡萄糖以ɑ-1，4-糖苷键连接起来的多聚体，在催化剂存在和适宜温度等条件下，易于水解成葡萄糖、麦芽糖、糊精等单体或低聚物。合理控制水解，尽可能减少副反应发生，则是糖化工艺所要控制的关键。 （3）预热 预热一方面可以杀菌，而且由于适当加热，可以使葡萄糖液化，并完全去除淀粉和多聚糖的存在，增加产品的稳定性。预热温度控制在85℃～90℃。 （4）均质 均质主要是使原料充分混合均匀，阻止分层，提高葡萄糖的稳定性和稠度，并保证单体均匀分布，从而获得质地细腻、口感良好的产品。均质压力控制在300～500KPa。 （5）杀菌 杀菌目的在于杀灭原料中的杂菌确保乳酸杆菌的正常生长和繁殖，钝化原料中的天然抑制物。杀菌温度控制在100℃，保温10min进行杀菌。 （6）冷却 冷却主要是为接种的需要。经过热处理的糖乳需要冷却到一个适宜的接种温度，此温度控制在50℃左右。 （7）接种 接种是造成糖乳受微生物污染的主要环节之一，因此严格注意操作卫生，防止细菌、酵母、霉菌、噬菌体及其他有害微生物的污染。接种时充分搅拌，使发酵菌与原料混合均匀。
（8）发酵 发酵温度控制在50℃左右，从而为微生物代谢提供最适的温度环境，发酵时间24h，且期间不搅拌。 自由逃逸。当残糖降到1g/1时，发酵终点判定：发酵时罐口敞开，让CO 2 就识为发酵已经完成，再测定pH 4.2时即可停止发酵。 （9）冷却 冷却目的是抑制乳酸菌的生长、降低酶的活性、防止产酸过度、使糖液逐渐 析出的速度。将发酵乳迅速降温至15℃～20℃。 凝固、降低和稳定CO 2 （10）混合 将经溶解和杀菌的氮源、中和剂与发酵乳进行混合。 （11）分离提纯 由于乳酸在发酵过程中加入碳酸钙，因此，发酵最终的醪液悬乳酸与碳酸钙形成的乳酸钙，以水和形式存在。根据这一特性，采取相应的过滤介质和方法，即离子交换脱盐转酸方式及其分离提纯工艺。 （12）灌装和冷藏 采用相应灌装机进行灌装后的成品置于0℃～5℃冷藏12h～24h，进行后熟。
发酵过程优化
第一章、绪论 第一节发酵过程优化在生物工业中的地位及其研究内容 一、发酵过程优化在工业中的地位 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 二、发酵过程优化的研究内容 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） 第二节、发酵过程优化的研究进展 一、发酵过程优化是生物反应工程的研究前沿之一 生物反应动力学的研究内容：是有关生物的、化学的与物理过程之间的相互作用，诸如生物反应器中发生的细胞生长、产物生成、传递过程等及影响微生物反应宏观动力学的重要因素 生物反应动力学研究的目的：是为描述细胞动态行为提供数学依据，以便进行数量化处理 二、流加发酵 1、概述 流加发酵即补料分批发酵(fed-batch fermentation),有时又称版连续培养或连续发酵,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 2、流加发酵与连续发酵和分批发酵的比较 流加发酵介于分批发酵和连续发酵之间,兼两者的优点,又克服了两者的缺点.
3、流加发酵的研究进展 (1)、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 其后,随着研究深入,流加发酵在一下三个方面有重大进展 20世纪70年代中后期对流加发酵过程的动力学解析 结合发酵过程的可测参数对流加过程进行反馈控制（如DO 法、CO2法、RQ(呼吸商)法、pH 法、代谢物法、萤光法等） (2)流加发酵的最优化研究 流加发酵最优化研究的核心问题是找出最佳的底物流加方式，以维持发酵过程始终处于最佳状态 流加发酵最优化的研究内容包括： 状态方程的建立;目标泛函的确定;最优化底物流加方式的求解 (3)对流加过程进行反馈控制 流加发酵的物料衡算式可以表达为： 方程试中, μ , π , σ 分别代表菌体,产物生成比速度及其 质消耗比速,在等式中是以个相对于X,P,S 的函数,它可以是X,P,S 中某单一因子的函数,也可以是X,P,S 中两个或三个因子的函数. 4.高生产率和细胞密度发酵 细胞生长环境的优化策略 (1)培养基组成的优化 (2)特殊营养物的添加 (3)限制代谢副产物的积累 培养模式 (1)所培养细胞的具体代谢行为 (2)利用抑制性底物合成目的产物的潜力 (3)诱导条件以及测量细胞培养各项参数的能力 诱导策略 细胞循环发酵 (应用限制：作用于进入过滤单元的细胞的剪应力太大；系统的放大存在许多实际困难) XV dt XV d μ=)(F S XV dt SV d F +-=σ)(XV dt PV d π=)(F dt dV =
发酵工艺过程控制样本
第七章发酵工艺过程控制 教学目的: 1、熟悉发酵过程的主要控制参数; 2、掌握各因素对发酵过程的影响、过程控制方法和原理; 3、熟悉几种发酵操作类型。 教学方法: 讲授 教学手段: 使用多媒体课件 教学内容: 第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数 一、发酵工艺过程控制的重要性 从产物形成来说, 代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化( 培养基和培养条件) 和产物形成速率这三者之间的关系。 二、发酵过程的代谢变化规律 这里介绍分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵及连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征。 1、分批发酵 指在一个封闭的培养系统内含有初始限制量的基质的发酵方式。即一次性投料, 一次性收获产品的发酵方式。 在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系, 将微生物产物形成动力学分为 ( 1) 生长关联型 产物的生成速率与菌体生长速率成正比。这种产物一般是微生物分解基质的直接产物, 如酒精, 但也有某些酶类, 如脂肪酶和葡萄糖异构酶 对于生长关联型产品, 可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。 ( 2) 非生长关联型 产物的生成速率与菌体生长速率成无关, 而与菌体量的多少有关。
对于非生长关联型产品, 则宜缩短菌体的对数生长期, 并迅速获得足够量的菌体细胞后, 延长稳定期, 从而提高产量。 2、补料-分批发酵 是指分批培养过程中, 间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。 与传统的分批发酵相比, 优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点: ( 1) 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾; ( 2) 克服养分的不足, 避免发酵过早结束。 ３、半连续发酵 是指在补料－分批发酵的基础上, 间歇地放掉部分发酵液的培养方法。 优点: ( 1) 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾; ( 2) 克服养分的不足, 避免发酵过早结束; ( 3) 缓解有害代谢产物的积累。 ４、连续发酵 又称连续流动培养或开放型培养, 即培养基料液连续输入发酵罐, 并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。在这样的环境中培养, 所提供的基质对菌的生长就受到限制, 培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态。 与传统的分批发酵相比, 连续培养有以下优点: ( 1) 维持低基质浓度: 能够除去快速利用碳源的阻遏效应, 并维持适当的菌体浓度, 使不至于加剧供氧的矛盾; ( 2) 避免培养基积累有毒代谢物; ( 3) 能够提高设备利用率和单位时间的产量, 节省发酵罐的非生产时间; ( 4) 便于自动控制。 但连续培养也有缺点:
发酵优化与控制
发酵过程的优化与控制 1.举例说明反馈控制系统是如何工作、间接优化发酵性能的。 答：以《应用溶氧反馈控制高密度培养重组大肠杆菌过程中乙酸的产生》为例简介如下： 在供氧充足的条件下，当大肠杆菌比摄糖速率q g≥临界值q g crit时(图1A)，就会产生乙酸，溶氧信号pO2在产生乙酸时为图1B中的2，不产生乙酸为图1B中的1； 在葡萄糖限制培养的条件下，脉冲补入葡萄糖，当q g≤q g crit时，大肠杆菌比摄氧速率q o升高，pO2值降低。 脉冲过后，葡萄糖浓度的下降，q g下降，pO2值也逐渐回升(图1B)。 当脉冲补入的葡萄糖过多，大肠杆菌的摄糖速率超过临界值时，大肠杆菌的摄氧能力处于饱和状态，pO2值的响应就不会随着葡萄糖的脉冲补入而产生振荡变化(图1B)。 如图：在补料的前阶段(15~28h)，以对数增加的流速补入葡萄糖时，pO2值随着葡萄糖脉冲补入而上下振荡；加入IPTG开始诱导(26h)重组大肠杆菌表达人表皮生长因子后，在接近30h时，振荡的幅度变小，这标志着重组菌的比摄糖速率逐渐接近产生乙酸的临界比摄糖糖速率(q g crit)，而此后降低补料速率则又使pO2的振荡幅度有所增加。根据pO2值的振荡变化来控制葡萄糖的补料速率(30~44h)，能使重组大肠杆菌继续保持较高的生长速率，同时发酵液中的乙酸和葡萄糖的浓度也维持在较低的水平，大肠杆菌的细胞干重在44h时达到48g/L，人表皮生长因子的表达量比第二批提高45％。
2、实现发酵过程优化的目标有哪些？如何根据发酵过程的特点实现这些目标 的相对统一？举一例进行表述。 答： ⑴实现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的简化，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，以达到高产量（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；减少环境污染），高生产强度（缩短生产周期；降低设备投资）的目的。 ⑵举例说明实现发酵目标相对统一：《L-组氨酸发酵优化》 ①L-组氨酸测定方法的研究 产物的快速测定，可以帮助生产者及时知道发酵过程进行的水平。快速测定方法的建立不仅给生产带来方便，也节约了生产成本。 本研究中应用“Paully试剂比色法”对发酵液中L-组氨酸进行了定量分析研究，确立了L-组氨酸定量测定条件和计算方法，并对其精确度进行研究，证明Paully试剂比色法能够快速，准确的测定发酵液中L-组氨酸含量。 ②L-组氨酸发酵条件的优化 组氨酸工业优生产的关键是发酵，发酵水平的高低是决定产品成本的主要因素。提离发酵水平的途径有二条：一是选育适合工业化生产的优良菌种，二是获得与生产菌种相匹配的最佳发酵工艺条件和控制手段。前者是建立在代谢控制发酵研究基础上的现代菌种选育技术，后者是建立在生化反应工程基础上的发酵过程技术。只有二者紧密结合才能最终实现发酵生产的高水平。 本研究中进行了分批发酵和补料分批发酵的条件优化，通过研究培养方式、营养条件控制、无机盐影响、生长因子影响以及环境条件控制对于L-组氨酸发酵的影响，从而提高了组氨酸的产量。 如图3-1所示为不同碳源对种子培养基的影响，从种子活力分析，以葡萄糖和果糖作为碳源，菌体浓度较高，而蔗糖作为碳源时种子活力最低。从产酸角度看，蔗糖产酸最高，葡
发酵工艺控制
发酵工艺控制 2.1概述 一. 发酵体系的主要特征 1. 细胞内部结构和代谢反应的复杂性 2. 细胞所处环境的复杂性 3. 过程系统状态的时变性及参数的多样性和复杂性 影响因素多，有的因素未知，主要影响因素变化。 发酵水平主要取决于：生产菌种的特性；对工艺条件的控制（适合程度） 必须了解：菌体的生理代谢规律工艺条件对发酵过程的影响及其控制发酵过程的有关变化规律 常规发酵的工艺控制参数：温度、pH、搅拌转速与功率、空气流量、罐压、液位、补料速率及补料量等。 二. 发酵过程的参数检测 1.直接状态参数 指能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况的参数 包括：pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2 、黏度、基质和产物浓度、菌体浓度（OD、DCW、湿重）等 参数的检测 在线检测各种传感器：pH电极、DO电极、温度电极、液位电极、泡沫电极尾气分析仪：测尾气O2和CO2含量 离线检测分光光度计、pH 计、温度计、气相色谱（GC)、液相色谱（HPLC)、色质连用（GC-MS)等 2.间接状态参数 指利用直接状态参数计算求得的参数 包括：比生长速率μ、摄氧率OUR、CO2释放率CER、呼吸商RQ、氧的得率系数YX/O 、氧体积传质系数KLa、基质比消耗速率QS、产物比生成速率Qp等 综合各种状态参数，获得代谢过程的各种信息，从而对发酵过程做出相应的调整和控制，以获得最经济的发酵生产。 三. 发酵过程的代谢调控和优化 1. 代谢调控 以代谢（流）的调节最重要 调节酶的合成量，称为“粗调”调节酶的催化活性，称为“细调” 工艺控制和过程优化的实质，就是利用各种方法和手段，使细胞的外部和内部环境最适合基质和能量流向产物合成的生物途径，以获得最大的产量。 2. 发酵过程优化的一般步骤 确定反映发酵过程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过程的影响及其机制，获得最佳的范围和最适的水平 建立数学模型定量描述个参数间随时间的变化关系，为过程优化控制提供依据 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，实现发酵过程的最优控制 2.2基质浓度对发酵的影响及其控制 先进的培养基组成是充分支持高产、稳产和经济的发酵过程的关键因素之一。 一. 基质种类 一般包括：碳源、氮源和无机盐 前体
发酵工艺流程
发酵工艺流程标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]
发酵工艺标准操作流程 (SOP) 一生产前准备 每次生产前按品种配方将所需原料称重准备齐全,并确认生产原料库存量,保证原料库存量足够下次生产所需. 二生产前检查 1检查蒸汽、压缩空气、冷却水进出的管路是否畅通,所有阀门是否良好,并关闭所有阀门. 2检查电路、控制柜、开关的状态,确保控制柜运行正常. 3检查空压机油表油表及轴承、三角带、气缸等是否正常,确保空压机运行正常. 4检查发酵罐搅拌减速机的油量及密封轴降温水是否正常. 三总过滤器灭菌 当蒸汽总管路上的压力为时,打开总过滤器进气阀输入蒸汽,同时打开出气阀的跑分阀、排气阀、排污阀,当三个阀均排出蒸汽时,调整进气阀、排污阀,稳定总过滤器压力此时打开压力表下跑分,计时灭菌小时.灭菌结束后启动空压机,当空气输入管道压力大于总过滤器压力时,关闭蒸汽阀,打开空气阀,将空气出入总过滤器,然后调整进气阀与排污阀,稳定总过滤器压力在保持通气在15-20小时,当出气阀跑分和排污阀放出的空气为干燥空气时,完成灭菌.
四分过滤器灭菌 1当蒸汽管路压力为时,打开蒸汽过滤器的进气阀和排污阀,当蒸汽管路中无蒸汽凝结液后,再将蒸汽输入空气管路,然后打开分过滤器的进气阀、排污阀及出气阀上的跑分,当所有阀门均有蒸汽排出后,调整进气与排污阀,是压力稳定在计时灭菌30-35分钟.灭菌结束后,关闭蒸汽过滤器进出气阀、排污阀,并立即将空气输入预过滤器,使空气通过预过滤器进入到分过滤器,再调整分过滤器排污阀使压力稳定在备用. 五发酵罐空消 (可与分过滤器灭菌同时进行) 空消前先将发酵罐去垢洗净,添加少量清水,然后密封进料口,将排气阀打开少许,同事将蒸汽引入盘管(或夹套)进行预热,待罐温升到80℃时(种子罐40℃即可),关闭盘管(或夹套)进气阀,再从出料口、进气口、取样口三路输入蒸汽,(蒸汽管路压力不低于当罐内温度达到125-130℃时,通过三路蒸气浴出气阀调整罐内压力,使其稳定在计时灭菌30-35分钟. 空消结束后,关闭所有进气阀并将排气阀开大,当罐内压力下降至0MPa后,打开进料口和排污阀,再将发酵罐进行一次冲洗. 六发酵罐实消 打开进水阀,按照生产要求放入所需水量,再根据生产品种按配方依次投入培养基原料,并同时打开搅拌,搅拌5-10分钟后取样,用氢氧化钠和浓盐酸调PH值之间,然后密封进料口将排气阀打开少许,同时打开盘管(或夹套)的进出气阀门输入蒸汽进行预热,等到罐内温度到达80℃以上后,关闭盘管(或夹套)进气阀门,并将排气阀关小,然后将蒸汽从进气口、出料口、取样口三路直接通入罐内,当罐内温度上升到121-125℃后,打开发酵罐体上与空气进气阀上的所有跑分,再通过调整三路进气与排气阀将罐内压力稳定在此时开始计时灭