Transcript 第九章发酵过程控制

本章内容
一、概述
二、代谢调控在发酵过程控制中的应用
三、温度对发酵的影响及其控制
四、pH对发酵的影响及其控制
五、溶解氧对发酵的影响及其控制
六、CO2和呼吸熵对发酵的影响及其控制
七、基质浓度对发酵的影响及补料控制
八、高密度发酵及过程控制
九、泡沫对发酵的影响及其控制
十、自动控制技术在发酵过程控制中的应用
一、概述
1. 过程控制的重要性
决定发酵 生物因素： 菌株特性(营养要求、生长速率、
呼吸强度、产物合成速率)
单位(水平)
设备性能：传递性能
的因素
外部环境因素
物理：n、T、Ws
工艺条件
化学：pH、DO、浓度
过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数
的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的
控制。
2. 发酵过程控制的一般步骤
确定能反映过程变化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生产水平的影响及其机制，
获取最适水平或最佳范围
建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系
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，实现发酵过程最优控制
3. 参数检测




代谢参数按性质可分为三类：
物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解
氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等
化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、 pH、产物
浓度、核酸量等
生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、
呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等
3. 参数检测

参数按获取方式可分为两类：
直接参数：如T、pH、罐压、空气流量、搅
拌转速、溶氧浓度等

间接参数：将直接参数通过公式计算获得的
参数，如摄氧率(γ)、呼吸强度(QO2)、比生长

速率（μ) 、体积溶氧系数(KLa)、呼吸熵(RQ)
等。
3. 参数检测



参数的测量形式
离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代
谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）
在线测量：如T 、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、
搅拌转速等


优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便
于计算机控制。
困难：传感器要求较高。
3. 参数检测
 对传感器的要求






能经受高压蒸汽灭菌；
传感器及其二次仪表具有长期稳定性；
最好能在过程中随时校正，灵敏度好；
探头材料不易老化，使用寿命长；
安装使用和维修方便；
解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞
问题；

价格合理，便于推广。
3. 参数检测
参数检测方法

温度测量
感温元件：热电偶（温度信号→ 电信号）
二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成
被测介质的温度
3. 参数检测
 参数检测方法

搅拌转速和搅拌功率的测量
搅拌转速：磁感应式，光感应式，
测速电机；
搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。
3. 参数检测
 参数检测方法
空气流量测定
体积流量型：
会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；

①同心孔板压差式流量计；
②转子流量计。
质量流量型：
根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）
设计的流量计。
3. 参数检测
 参数检测方法

罐压测量
压力表
压力传感器
3. 参数检测
 参数检测方法

发酵液粘度测定
毛细管粘度计
回转式粘度计
涡轮旋转粘度计
3. 参数检测
 参数检测方法

pH测量
复合pH电极
pH测量仪器
3. 参数检测
 参数检测方法

溶解氧的测量
化学法
极谱法
复膜氧电极法
复膜氧电极示意图
（a）极谱型 （b）原电池型
3. 参数检测
 参数检测方法

溶解二氧化碳测量
复膜式电极法
渗透膜—碳酸氢钠法

发酵尾气的在线分析
CO2分析
O2分析
3. 参数检测
 参数检测方法

细胞浓度的测量
化学法：如DNA、RNA分析等
物理法：如重量分析、分光光度分析、
浊度分析等

新技术：以电容法为测量原理的在线
活细胞浓度测量传感器
原位活细胞在线检测仪
二、代谢调控在发酵过程控制中的应用
1. 初级代谢物的生产调节
初级代谢物：指一类低分子量的终点产物及这些
终点产物的生物合成途径中的中间体。
调节方法：
(1) 避开固有的反馈调节
(2) 细胞通透性的变更
（1）避开固有的反馈调节

反馈调节包括
①反馈抑制：某一生物合成途径的最终代谢物抑
制该途径的第一或第二个酶的活性。
②反馈阻遏：抑制酶的形成，是由途径终点产物
或其衍生物施行的。
（1）避开固有的反馈调节


方法
 限制菌在胞内积累终点产物的能力以解除负反馈调节
作用
 从遗传上改变酶的活性和酶的形成系统，筛选有抗反
馈作用的基因突变型（对反馈作用不敏感）。
具体应用
 积累中间产物的能力
 积累终点产物的能力
 耐反馈作用的突变株的筛选：抗结构类似物突变株
抗结构类似物突变株的筛选机制

末端产物类似物和末端产物结构类似，因而能够引起反
馈作用，但是它们不能参与生物合成。在培养基中添加
末端产物类似物后，未突变的细胞将由于代谢途径受阻
而不能获得生物合成所需的该种末端产物，从而导致细
胞死亡。那些对类似物不敏感的突变株仍能制造末端产
物并长成菌落。
 突变株耐结构类似物的原因：
①酶的结构起了变化（指耐反馈抑制的突变株）
②酶的合成系统起了变化（指耐反馈阻遏的突变株）
（2）细胞通透性的变更


细菌细胞膜通透性的增加是谷氨酸过量生产的原因之一。
能过量生产谷氨酸的细菌有两个共同特征：
① α-酮戊二酸脱氢酶缺失：表明这类细菌的TCA上的酶受
阻，保证了碳引向谷氨酸的合成歧路。
② 对生物素的营养需求：表明这类细菌的生物素的生物合
成受阻，导致细胞膜通透性的改变，使细胞可以分泌出谷
氨酸。
2. 次级代谢物的生产调节
(1) 次级代谢的特点及与初级代谢的关系

次级代谢酶的特异性较初级代谢酶的特异性低，故受
遗传及环境因素的影响大。

次级代谢物的合成途径比初级代谢的种类多，但大多
数次级代谢物都是由少数关键中间代谢物组装的。

次级代谢产物的合成一般是在生长期后，即培养基中
的养分快耗尽，菌的比生长速率降低时才合成。
(2) 调节方法
 诱导作用
 避开固有的负反馈
 操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成
 耐负反馈调节的抗性突变株的筛选
操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成

改变培养基成分来避免分解阻遏作用
e.g.链霉素发酵中限制磷酸盐的加量，避
免其对参与生物合成的磷酸酯酶的反馈
抑制和阻遏作用

培养基中添加前体物来避免分支途径终
产物对发酵产品的间接抑制作用
耐负反馈调节的抗性突变株的筛选


筛选耐结构类似物的突变株
e.g. 不需添加色氨酸的硝吡咯菌素的高产菌株
筛选耐药性菌株
e.g. 利用抗生素筛选耐药性菌株
(三)温度对发酵的影响及其控制
1. 影响发酵温度的因素
2. 温度对微生物生长的影响
3. 温度对基质消耗的影响
4. 温度对产物合成的影响
5. 最适温度的选择与控制
(1)发酵热

发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
(2)生物热



来源 ：微生物对营养物质的分解所释放的能量。
影响因素：
 菌株
 培养基成分
 发酵时期：对数生长期最大
生物热与其它参数的关系
①呼吸强度QO2 当产生的生物热达到高峰时，菌的呼
吸强度最大，糖的利用速率也最大，
②糖利用速率
可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。
（3）搅拌热：液体之间、液体和设备之间
的摩擦
（4）蒸发热：发酵过程中以蒸汽形式散发
到发酵罐的液面，由排气管带走的热量。
（5）辐射热：罐内外温差，使发酵液中有
部分热通过罐体向外辐射。
2. 温度对微生物生长的影响
dx
 x  x
dt

当μ>>α时，α可忽略，微生物处于生长状态。μ、α皆与T有
关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：
  A1e

1 dx
 
x dt
∵Eμ＜Eα
E RT
  A 2e E
RT
∴死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感
嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系
2. 温度对微生物生长的影响(续)


在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，
当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅
速下降。
不同生长阶段的微生物对温度的反应不同
 处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。
 对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的
条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破
坏作用较弱。
 处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于
溶解氧，而不是温度。
3.温度对基质消耗的影响
糖比消耗速率qs

Righelato假定： qs  m  B
m－维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗。m项
与渗透压调节、代谢产物的生成、迁移性及除繁殖以
外的其它生物转化等过程所需的能量有关。这些过程
受温度的影响，所以m也和温度相关。
B－生长系数，即同一生长速率下的糖耗，B值越大，说
明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。
 改变温度可以控制qs和μ
（2）T对B、m和μ的影响

qs一定：

当T<Tm时，m↑，μ ↑, B↓
m
底物转化效率高
当T>Tm时， m ↓ ， μ ↓, B ↑
底物转化效率低
当T=Tm时，    m
T(K)
温度对B、m和不同qs下对μ值的影响
4. 温度对产物合成的影响

影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生
长代谢与产物生成。
e.g. 青霉菌发酵生产青霉素
青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol
青霉素合成活化能E2=112kJ/mol
∴青霉素合成速率对温度较敏感
4. 温度对产物合成的影响



改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。
影响生物合成方向。
e.g. 四环素发酵中金色链霉菌：T<30℃，产生金霉素；
T达35 ℃，产生四环素；
谷氨酸发酵中扩展短杆菌： 30℃培养后37 ℃发酵，
积累过量乳酸。
温度对菌的调节机制关系密切 。
4. 温度对产物合成的影响



影响酶系组成及酶的特性。
米曲霉制曲：温度控制在低温，有利于蛋白酶
合成
凝结芽孢杆菌的α-淀粉酶热稳定性：55℃培养
→ 90℃保 持 60min ， 剩 留 活 性 为 88%~99% ；
35℃培养→经相同条件处理，剩余活性仅有
6%~10%。
5. 最适温度的选择与控制


定义：最适温度是指在该温度下最适于菌的生
长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一
定条件下测得的结果。
二阶段发酵
e.g.青霉素发酵：菌体生长期,30 ℃
青霉素合成分泌期, 20 ℃
5. 最适温度的选择与控制

最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握

通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正
常良好通气条件下低一些。

培养基成分和浓度的影响
5. 最适温度的选择与控制

变温培养：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒
温培养所获得的产物有较大幅度的提高。
e.g. 四环素发酵：0~30h稍高温度→30~150h稍低温度
→150h后升温发酵
青霉素发酵：30℃, 5h→25 ℃, 35h →20 ℃, 85h
→ 25 ℃, 40h；产量提高14.7％
（四）pH对发酵的影响及其控制
1. 发酵对pH的影响
2. pH值对发酵过程的影响
3. 最适pH的选择
4. 发酵过程中pH的调节与控制
1. 发酵对pH的影响
1）发酵液中pH变化的基本原理


微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生：①酸性
或碱性代谢产物的生成或释放；②菌体对培养基中生
理酸性或碱性物质的利用。
引起发酵液中pH下降的因素
（1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机
酸积累，pH下降；
（2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加；
（3）生理酸性盐的利用；
（4）酸性产物形成：如有机酸发酵。
1）发酵液中pH变化的基本原理（续）

引起发酵液中pH上升的因素
（1）C/N过低（N源过多），氨基氮（NH4＋）释放；
（2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；
（3）生理碱性盐的利用；
（4）碱性产物形成。
2）发酵过程中pH的变化规律

生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的
趋势

生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合
成的范围

自溶阶段：pH又上升或下降
发酵液pH的改变对发酵的影响
1会导致微生物细胞原生质体膜的电荷改变，
从而影响微生物对营养物质的吸收及代
谢产物的分泌
2pH变化影响菌体代谢方向
3pH变化对代谢产物合成有影响
2. pH值对发酵过程的影响
（1）pH对微生物生长的影响

每一类菌都有其最适pH和能耐受的pH范围
细菌: pH 6.3～7.5 ；霉菌和酵母菌：pH 3～6；
放线菌：pH 7～8

控制一定的pH值，不仅保证微生物生长，而且防止
杂菌感染
e.g.石油代腊酵母：
pH3.5～5.0：生长良好且不易染菌
pH>5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌
pH<3.0：酵母生长受抑制，细胞极不整齐，且出现自溶
（2）pH对产物合成的影响

产物合成阶段的最适pH值和微生物生长阶段的最适pH往往
不一定相同，这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学
特性。
e.g. 丙酮丁醇菌：生长 pH为5.5～7.0；合成pH为4.3～5.3
青霉素产生菌：生长pH为6.5～7.2，合成pH为6.2～6.8
链霉素产生菌：生长pH为6.3～6.9，合成pH为6.7～7.3
（2）pH对产物合成的影响

pH影响代谢方向： pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，
使代谢产物的质量和比例发生改变。
e.g. 黑曲霉发酵：pH2~3, 柠檬酸；pH接近中性，草酸
酵母菌发酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸
和甘油
谷氨酸发酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；pH5.0~5.8, 谷酰胺
和N-乙酰谷酰胺
（2）pH对产物合成的影响（续）
pH对青霉素发酵的影响：
在不同pH范围内加糖，青霉素产量和糖耗不一样。
pH范围
糖耗
残糖
青霉素相对单位
pH6.0～6.3加糖
10%
0.5%
较高
pH6.6～6.9加糖
7%
0.2%
高
pH7.3～7.6 加糖
7%
>0.5%
低
pH6.8控制加糖
<7%
<0.2%
最高
速率恒定(0.055%/h)
*采用pH控制补糖速率的意义

3. 最适pH的选择

选择pH准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量，
以获得最高产量。
配制不同初始pH的
培养基，摇瓶考察
发酵情况
pH对产海藻酸裂解酶的影响
4. 发酵过程中pH的调节与控制
（1）pH调节方法




配制合适的培养基，有很好的缓冲能力；
发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂
(NaOH、HCl、CaCO3)；
发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH；
酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4＋)
碱性基质：NO3－盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素
原则: ①残糖高时，不用糖调pH
②残N高时，不用生理盐调pH
pH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH
（2）pH控制方法比较

以青霉素发酵为例，最适pH为6.6～6.9
控制方案：
方案一：培养基中供应充足的糖，并配用pH缓冲剂
方案二：培养基中供应充足的糖，以非基质NaOH调节pH
方案三：在发酵过程中恒速补糖，以NaOH、H2SO4调节pH
方案四：改变补糖速率来控制pH为6.6～6.9
（3）pH控制系统
执行单元
补料
4~20mA
调节器
pH变选器
mA
pH电极
给定值
（五）溶解氧对发酵的影响及其控制
1. 引起溶解氧变化的因素
2. 溶解氧对发酵的影响
3. 溶解氧在发酵过程控制中的重要作用
4. 发酵液中溶解氧的控制
5. 溶解氧控制实例
1. 引起溶解氧变化的因素
（1）影响溶解氧（DO）的因素
两大类
供氧
耗氧
以关系式表示： dC L  OTR    K La C  C L   Q O 2  x
dt
影响供氧的因素：C*- CL
温度、溶质、溶剂、氧分压
KLa 设备参数、操作参数、发酵液特性
影响耗氧的因素：γ
菌种特性、培养基成分和浓度、菌
龄、培养条件（T、pH）、代谢类型
（2）发酵过程中溶氧变化规律

批式发酵无DO控制情况下，溶氧变化规律为“波谷现象”
CL
x
QO2

溶氧、x、QO2、 随时间变化的关系

平衡点分析：
①当CL↑，即
dC L
 0 ，OTR>γ
dt




∵ OTR  K La C  CL ， CL , C  CL , OTR 
∴OTR逐渐↓至OTR=γ，即
dC L ，高位平衡
0
dt
当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平衡通常发生
在正常情况的前、后期。

平衡点分析：
②当CL↓（如对数生长期γ很大），
dC L
 0，OTR<γ
dt
∵ OTR  KLa C  CL ， CL , C  CL  , OTR
∴OT R γ ，dC L  0 ，称低位平衡。
dt
低位平衡通常发生在正常情况下的对数期。
值得注意的几点
CL , OT R 
自然“波谷现象”，一般可以自适应调节（
）
 当 CL  CCr ，则需要控制，增加OTR，防止需氧受阻。
 补料与“波谷现象”对应：即补料时间、剂量选择与溶
氧变化有关。
a. 不能在波谷时补料，加重缺氧
b. 一次补料不能过量，防止 CL  CCr ，
菌体停止呼吸、死亡
c.每次补料都会引起一次大的溶氧下降。

2. 溶解氧对发酵的影响
（1）溶解氧对生长的影响

临界氧浓度（CCr）： 指不影响菌体呼吸所允许的最低
氧浓度。


当 CL  CCr 时,
QO2  QO2 m
当 CL  CCr 时, QO 2 
QO2 m  CL
K 0  CL
呼吸不受抑制
 QO 2 m 呼吸抑制
∴对生长应满足 CL  CCr , 但并不是越高越好
（2）溶解氧对产物合成的影响

最适氧浓度（Cm）：溶氧浓度对产物合成有一个最适
范围，CL过高或过低，对合成都不利。
e.g.卷须霉素：12~70h之间，维持CL 在10%比在0或
45%的产量要高。
（3）CCr与Cm比较：通常Cm与CCr不一致


对于某些菌株
而有些菌株
Ccr>Cm,
Ccr< Cm,
卷须霉素:
头孢菌素C：
Ccr 13~23%
Cm  8%
Ccr  5%
Cm  10~20%
QO2
P
(QO2)m
Ccr
CL
Cm
CL
生长阶段要求CL> CCr，生产阶段满足CL≥Cm。
3. 溶解氧在发酵过程控制中的重
要作用
（1）发酵异常指标



发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。
 对于好气性杂菌，溶解氧会一反往常在较短时间内跌
到零附近，跌零后长时间不回升。
 对于厌气性杂菌，溶解氧升高。
污染噬菌体或其它不明原因引起
发酵液变稀，此时溶解氧迅速上升。
操作故障或事故分析
谷氨酸正常发酵和异常发酵的溶解氧曲线
——正常发酵溶解氧曲线
-----异常发酵溶解氧曲线
—·—异常发酵光密度曲线
（2）补料控制指标

中间补料是否得当可以从溶解氧的变化看出。

发酵过程中出现“发酸”现象，此时溶解氧很快下降。
（3）代谢方向控制指标

测量溶解氧可以确定CCr、Cm值

通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关键时机
e.g.天门冬酰胺酶发酵：45%饱和度

在酵母以及其他微生物菌体的生产中，溶氧值是控制其代
谢方向的最好的指标之一 。
（4）设备性能、工艺合理性指标


评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位
设备反映供氧性能：
搅拌桨形式
叶片形式
搅拌 搅拌器直径d
搅拌档数m和搅拌器间距s
设备几何参数
档板宽度w和档板数z
通气：空气分布器的类型和位置
n，P/V
设备操作参数 罐压
WS或VVM
（4）设备性能、工艺合理性指标

工艺条件反映耗氧和供氧特征
 菌种性能：耗O2
 培养基性能：耗O2、供O2
 温度：耗O2、供O2
 RQ（O2与CO2水平比较）：耗O2
 表面活性剂：耗O2、供O2
改进工艺：控制补料速度、T
的调节、中间补水、
浅层次

对现有发酵工
厂进行技术改造
添加表面活性剂等等
修改设备和工艺
深层次
规模和控制水平上档次
引入新型发酵类型
4. 发酵液中溶解氧的控制
（1）溶解氧控制的一般原则

生长阶段：CL  CCr

产物合成阶段： CL  Cm
即可
即可
 过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑
制作用
（2）溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一
 控制原理
 发酵过程中， 糖量↑→ x ↑, QO2 ↑ → γ ↑ → CL↓
糖量 ↓ → QO2 ↓ → γ ↓ → CL ↑
补糖使CL下降，而CL回升的快慢取决于供氧效率。
 对于一个具体的发酵，存在一个最适氧浓度（Cm）水
平，补糖速率应与其相适应。
CL  Cm，加大补糖速率
CL  Cm ，减小补糖速率 实现用溶解氧水平控制补料速率
（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一
控制原则
补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓“半饥饿
状态”，使其仅能维持正常的生长代谢，即把更
多的糖用于产物合成，并永远不超过罐设计时的
KLa水平所能提供的最大供氧速率。
（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一
 控制方法
 溶氧和补糖控制系统
 溶氧和pH控制的系统
溶氧在加糖控制上的应用
溶氧与pH协同控制系统
（3）溶解氧控制的工艺方法：从供氧、需氧两方面考虑

供氧方面：
 提高氧分压（氧分含量），即 C  ，提高供氧能力
 改变搅拌转速：通过改变KLa来提高供氧能力
 通气速率Ws ↑：Ws增加有上限，引起“过载”、泡沫
 提高罐压：C  ，但同时会增加CO2的溶解度，影响pH及
可能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。

（3）溶解氧控制的工艺方法（续）

供氧方面：
 改变发酵液理化性质（σ， ，Ii）
加消泡剂，补加无菌水，改变培养基成分→
改变KL
 改变温度：T , C ，提高推动力（C*－CL），
呼吸作用降低
（3）溶解氧控制的工艺方法（续）

耗氧方面

限制性基质的流加控制（补料控制）：在OTR一定情况
下，控制基质浓度→限制μ、x→ 限制γ →控制溶解氧
（4）溶解氧自动控制系统



改变通气速率的溶氧控制系统
改变搅拌转速的溶氧控制系统
改变通气量、转速、罐压所组成的多参数溶氧
控制系统
溶解氧对被孢霉合成花生四烯酸 (AA) 的影响
KLa越大，培养基中溶
解氧越多, AA合成速
度越快
溶氧量对AA产量的影响
注：摇床转速150r/min, 25℃
溶解氧控制对鸟苷产量的影响
DO(％)：◆—5，■—l0，▲—20，×—30
不同的DO控制条件下鸟苷积累的比较
DO 控制在10~20％，产物积累↑，鸟苷含量最高。DO在5％
和30％，前期产物积累↑，但后期基本不增加.
（六）CO2和呼吸熵对发酵的影响及其控制
1. 定义
2. 发酵过程中CO2释放率的变化
3. CO2对发酵的影响
1. 定义

呼吸熵（RQ）：指菌体呼吸过程中，CO2释放率和菌的耗
氧速率之比，RQ反映菌的代谢情况。

菌体耗氧速率 OUR，molO2/L·h
菌体CO2释放率CER，molCO2/L·h
CER
RQ 
OUR
2. 发酵过程中CO2释放率的变化
（1）影响尾气中CO2浓度的因素

通入空气量： VVM , CCO 2出 

呼吸强度： QO2  QCO2  ，CCO2出 

CO2溶解度：T、P  T , CCO2出  ；P  ，CCO2出 

菌体量：x  Q
CO 2
 x  CER  ，CCO2出 
（2）CER变化规律

CO2积累量渐增，与x曲线对应，基本类似S型曲线变化；

当工艺和设备参数一定的情况下，CER与x有比例关系
（CER∝菌体生长速率）；

CO2浓度变化与O2浓度变化成反向同步关系。
∫[CER]dt，菌体干重的时间曲线
1- [CER]dt；2-菌量
（3）CER的测量与计算

测量方法：热导、红外分析仪、质谱仪
3. CO2对发酵的影响
（1）研究参数CO2的意义

作为代谢产物或中间前体，尾气中CO2积累与生物量
成正比，通过质量平衡估算生长速率和细胞量。

高浓度CO2对发酵多表现为抑制作用，应实施测量与
控制；

尾气CO2不仅直接反映代谢情况，而且和其它参数及
补料操作密切相关，可作为工艺优化的指标。
（2）CO2对细胞的作用机制

“麻醉”作用
CO2及HCO3-都会影响细胞膜的结构，使膜的流动
性及表面电荷密度发生变化，导致许多基质的跨膜运
输受阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻
醉”状态，细胞生长受到抑制，形态发生改变。
（3）CO2对菌体生长及产物形成的影响


CO2↑, 基质分解速率↓，ATP ↓ ，中间产物↓或形态变异
导致产量↓
高浓度CO2抑制作用的独立性: 只要CO2在培养液中浓度
过量，即使供氧充足（CL>CCr），CO2的抑制作用不能
解除，这种负作用在放大过程更明显。
（4）CO2释放与发酵过程参数pH及操作参数补糖速率的关系

在青霉素发酵中补糖将引起排气CO2增加，同时pH下降。

糖、CO2、pH三者的相关性，被青霉素工业生产上用于补
料控制的参数，并认为排气CO2的变化比pH变化更为敏感，
所以测定排气CO2释放率
（CER）来控制补糖速率。
补糖对排气CO2和pH的影响
（4）尾气CO2与O2的相关性

相关程度表示：
F进
OUR  Q O 2  x 
VL


CER
RQ 
OUR


C惰  CO 2出
C O 2 进 
f
1  CCO 2出  CO 2出 

尾气CO2与O2相关性：反向同步关系
呼吸商（RQ）与发酵的关系
 不同菌株、同一菌株不同代谢途径、同一菌株利用不
同基质、同一菌株在不同发酵阶段，RQ值不相同。
 RQ值可以表征发酵状况。
青霉素发酵不同阶段：
菌体生长阶段：RQ＝0.909
维持阶段：RQ=1
产物形成对RQ影响最大
生产阶段：RQ=4
如果产物的还原性比基质大时，其RQ值就增加；反之，当
产物的氧化性比基质大时，RQ值就要减少，其偏离程度决
定于单位菌体利用基质形成产物的量。
（七）基质浓度对发酵过程的影响及补料控制
1. 基质浓度对发酵的影响
2. 补料控制
1. 基质浓度对发酵的影响
（1） 基质浓度对微生物生长的影响

s<<KS情况下，比生长速率与基质浓度呈直线关系：
 max

S
kS

S
一般情况下符合Monod方程式    max
kS  S

 maxk i
基质浓度高时  
ki  S
(2) 基质浓度对产物合成的影响



低浓度限制
低水平诱导
高浓度抑制及分解阻遏作用
e.g.葡萄糖氧化酶发酵：葡萄糖用量从8%降至6%，补入
2%氨基乙酸或甘油，使酶活力分别提高26%或6.7%。
谷氨酸发酵（乙醇为碳源）：当乙醇浓度为2.5g/L和
35g/L时，可延长谷氨酸生产时间，但在更高浓度下，
菌体生长受到抑制，谷氨酸产量降低。
2. 补料控制
（1）补料的目的





解除基质过浓的抑制
解除产物的反馈抑制
解除分解代谢物阻遏作用
避免因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧
过多而造成波谷现象。
在生产上，补料还经常作为纠正异常发酵的一个
重要手段。
（2）补料的内容

补充微生物能源和碳源

补充菌体所需要的氮源

补充微量元素或无机盐

添加前体、诱导剂等
（3）补料的原则

中间补料的数量为基础料的1～3倍 。

补料的原则就在于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。

现有的各种补料措施都是通过实验方法确定的。
（4）补料控制的策略

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；

用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加；


以溶氧、pH、RQ、排气中CO2分压及代谢物质浓度等
参数间接控制流加；
以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计算
限制性基质的浓度，间接控制流加。
（5）反馈控制参数的确定

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。
（6）补料速率的确定

优化补料速率是补料控制中十分重要的一环，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。

补糖速率最佳点与设备的供氧能力有关。
e.g.青霉素发酵：KLa大的设备补料速率相应大些；供
氧低的设备，补料速率相应减少，产量比供氧能力好
的设备降低23％。
（7）实例：四环素发酵中的补糖控制

补糖时间对四环素发酵单位的影响
Ⅰ－补糖时间适当
（ 45h后加）
Ⅱ－补糖时间过晚
（62h开始加）
Ⅲ －补糖时间过早
（20h后加）
（八）高密度发酵及过程控制
1. 高密度发酵
2.高密度发酵策略
3.高密度发酵技术
4.高密度发酵存在的问题
1. 高密度发酵

代谢产物的合成是靠菌体作为生产者来完成的。

高细胞密度发酵就是为了适应这一要求而得到广
泛的重视。

高密度发酵：在发酵过程中保持较高的细胞密度，
同时细胞或菌体的生产能力保持在较佳的状态。
高细胞密度发酵成功的实例
菌种
特征
基础培养基
发酵罐
类型
培养方法
细胞干重
（g/L）
培养时间（h）
产率
(g/L)/d
需氧、葡萄
糖过量、形
成乙醇
葡萄糖矿物盐
或甘油矿物盐
搅拌罐
葡萄糖（甘油）
非限制指数补料
140～150
30～40
90～100
枯草杆菌
嗜温菌
含葡萄糖的完
全培养基
搅拌罐
补料分批培养，
以葡萄糖调节pH
185
30
160
毕氏酵母
嗜温菌
葡萄糖矿物盐
搅拌罐
补料分批培养，
补甲醇
100
50～120
120～150
酿酒酵母
嗜温菌
含葡萄糖的完
全培养基
搅拌罐
连续培养，流加
葡萄糖
210
80
50～150
大肠杆菌
2.高密度发酵策略

使用最低合成培养基以便进行准确的培养基设
计和计算生长得率。

优化细胞生长速率，使得碳源能被充分利用和
获得较高的产率，用养分流加来限制菌的生长
速率还能控制培养物对氧的需求和产热速率。

可用碳源作为限制性养分，且采用补料分批发
酵来实现高密度发酵。
3.高密度发酵技术

用于高密度发酵的生物反应器类型：
搅拌罐，透析膜反应器，
气升式反应器，气旋式反应器

在工业化生产中，通常采用的是搅拌罐与补料工艺来
进行高细胞密度发酵。

重组大肠杆菌高密度发酵成功的关键技术是补料策略，
限制性基质（葡萄糖）的流加模式有3种：恒速流加补
料、变速流加补料和指数流加补料。
4. 高密度发酵存在的问题

水溶液中的固体与气体物质的溶解度，基质对
生长的限制或抑制作用，基质与产物的不稳定
性和挥发性，产物或副产物的积累达到抑制生
长的水平，高浓度的CO2与热的释放速率，高
的氧需求以及培养基的粘度不断增加等 。
1. 泡沫的产生及其影响

泡沫的产生
通气和搅拌
代谢气体的逸出
存在稳定泡沫的表面活性物质
1. 泡沫的产生及其影响



泡沫的类型
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辨的界
线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见
的泡沫。
另一类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。
1. 泡沫的产生及其影响

泡沫的不利影响
 降低了发酵罐的装料系数
 增加了菌群的非均一性
 增加了染菌机会
 大量起泡引起“逃液”，导致产物的损失
 泡沫严重时会影响通气搅拌的正常进行
 消泡剂的加入将给提取工序带来困难
2.发酵过程中泡沫的消长规律

影响因素
 通气搅拌的强度
 培养基的配比及原材料组成
 培养基的灭菌方法和操作条件
 微生物代谢活动造成发酵液性质变化
 染菌
微生物代谢活动造成泡沫变化
发酵前期：泡沫的高稳定性与高表观黏度
同低表面张力有关。
中期：碳源、氮源的利用，以及起稳定作
用的蛋白质降解，发酵液黏度降低和表
面张力上升，泡沫减少。
后期：菌体自溶，可溶性蛋白增加，泡沫
回升。
3. 泡沫的控制
（1）机械消泡
（2）化学消泡
（3）从微生物本身特性着手，防止泡沫形成
筛选不产生泡沫的微生物突变株
几种微生物混合培养
（1）机械消泡


原理：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。
优缺点
 优点：不需引入外来物质，可节省原材料，减少
污染机会，并可减少培养液性质复杂化的程度。
 缺点：不如化学消泡迅速可靠，需要一定的设备
和消耗一定的动力；不能从根本上消除引起稳定
泡沫的因素。
（1）机械消泡

机械消泡装置的选择依据
 动力小
 结构简单
 坚固耐用
 清洗、杀菌容易
 维修保养费用少
（1）机械消泡

机械消泡方法
 罐内消泡：耙式消泡桨、旋转圆板式、气流
吸入式、冲击反射板式、碟式及超声波等机
械消泡装置。
 罐外消泡：旋转叶片式、喷雾式、离心式及
转向板式等机械消泡装置。
（2）化学消泡

消泡机理
 当泡沫的表层存在着极性的表面活性物质而形
成双电层时，可以加入一种具有相反电荷的表
面活性剂，以降低泡沫的机械强度；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，导致泡沫破裂。
 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。
（2）化学消泡

化学消泡的优点

来源广泛

作用迅速可靠，消泡效率高

不需改造现有设备

容易实现自动控制
消泡剂选择的依据







必须是表面活性剂，且具有较低的表面张力，消泡作用
迅速，效率高。
对气液界面的散布系数足够大，具有一定的亲水性。
在水中的溶解度较小，以保持其持久的消泡或抑泡性能。
对发酵过程无毒，对人、畜无害，不被微生物同化，对菌
体生长和代谢无影响，不影响产物的提取和产品质量。
不干扰溶解氧、pH等测定仪表使用，最好不影响氧的传递。
能耐高压蒸气灭菌而不变性，对设备无腐蚀性影响
来源方便，价格便宜。
常用的消泡剂种类

天然油脂类:玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油

高碳醇、脂肪酸和酯类:如十八醇、聚二醇

聚醚类:聚氧丙烯甘油,聚氧乙烯氧丙烯甘油（又称泡敌）

硅酮类（聚硅油类）


聚二甲基硅氧烷及其衍生物 ：适用于放线菌和细菌发酵

羟基聚二甲基硅氧烷 ：曾用于青霉素和土霉素发酵
氟化烷烃: 具有极其小的表面能
消泡剂的应用







消泡剂的消泡效果与使用方式密切相关
消泡剂的分散可借助于机械方法，也可加入某种称为载体
或分散剂的物质，将消泡剂乳化成细小液滴
消泡作用的持久性：本身性能，加入量及时机
使用天然油脂时应注意一次不能加得太多
消泡剂对细胞的生理有重要的影响
在应用消泡剂之前需作比较性试验
消泡剂应制成乳浊液，并且不被同化，消耗最少
发酵终点的检测与控制



1发酵终点的判断
2菌体自溶的监测
3影响自溶的因素
1发酵终点的判断
提高总产率，必须缩短发酵周期，即产率
下降时放罐。（最大产率）
过早，残留过多的养分，增加提取工艺。
过晚，菌体自溶，延长过滤时间，还使不
稳定的产物浓度下降。
2菌体自溶的监测

微生物因养分的缺失或处于不利的生长
环境下，其自身开始裂解的过程称为自
溶。
3影响自溶的因素

菌种原因
遗传因素
菌龄
计算机在发酵过程控制中的应用




参数巡回采集和综合处理
程序控制
直接数字控制
优化控制或自适应控制
本章小结
掌握代谢调控在发酵过程控制中的应用
 了解发酵过程中需检测的参数类型，了解基本的参数检
测方法
 掌握温度、pH、溶解氧、CO2和呼吸商、基质浓度等对
发酵的影响及其控制
 掌握发酵过程补料控制的意义、原则和方法
了解高密度发酵及过程控制
了解泡沫对发酵的影响及其控制
了解计算机自动控制技术在发酵过程控制中的应用
