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发酵工程 6.3 发酵工程的中游技术 具有相同特性的微生物在控制条件（培养基组分、菌种质量、温度、pH值、溶解氧浓度、菌体浓度、补料）和发酵方法（分批发酵、补料分批发酵、连续发酵）下培养，通过微生物的细胞培养，利用细胞中的酶系，将适宜培养基中的物质通过复杂的生化反应转化成新的细胞或产物。 6.3.1发酵方法及操作方式 发酵方法 厌氧发酵(静置发酵)：不通气、密闭 厌氧菌和兼性厌氧菌 好氧发酵： 供氧 好氧菌和兼好厌氧菌 浅盘培养 固体厚层通风培养 深层通气培养 6.3.1发酵方法及操作方式 操作方式 分批发酵法（batch fermentation） 环境条件不断变化；容易处置；原料简单 补料分批发酵法(fed-batch fermentation) 基质浓度低；易控制发酵液性质；控制细胞质量 连续发酵法(continuous fermentation) 微生物细胞处于恒定状态；高生产效率和设备利用率 6.3.2发酵过程的工艺控制 培养基 包括微生物生长繁殖和合成各种代谢产物需要的碳源、氮源、无机营养、水和生长物质。 培养基的组成对菌体的生长繁殖、产物的生物合成、产品的分离精制有重要影响。 快速利用碳源/慢速利用碳源比例 碳源/氮源比例 6.3.2 发酵过程的工艺控制 温度 温度对菌体生长和代谢产物的形成都有影响。 最适发酵温度:既适合菌体的生长,又适合代谢产物合成的温度。发酵不同阶段,选择不同的培养温度。 最适生长温度 最适生产温度 控温措施：制冷循环系统、冷水（冷盐水） 6.3.2发酵过程的工艺控制 pH值 pH值对菌体生长和代谢产物的形成都有影响。 发酵pH值的变化乃是菌体代谢的综合结果。 生长最适pH值 生产最适pH值 调控措施：基础配方比例、缓冲盐、酸/碱液 6.3.2 发酵过程的工艺控制 溶解氧 是好氧发酵控制最重要的参数之一。液体中的微生物只能利用溶解氧，发酵液中的溶解度为0.22mmol/L。 临界溶解氧浓度 最适溶氧浓度 管理措施：通风和搅拌 6.3.2 发酵过程的工艺控制 CO2 CO2是微生物的代谢产物，对菌体生长和生产有明显影响。 CO2在发酵液中溶解度高于O2。 调控措施：通气量、搅拌、罐压 6.3.2 发酵过程的工艺控制 泡沫 在通气条件下发酵液中产生许多泡沫。泡沫对发酵带来负面影响，降低发酵罐的装料系数、氧传递系数，造成“逃液”，引起杂菌污染，通气困难，菌体代谢异常。 调控措施：机械消泡、化学消泡 6.3.2 发酵过程的工艺控制 发酵参数优化 发酵过程参数量大,相关情况复杂,必须借助于数学模型对过程进行综合观察,采用辩识方法对过程变量进行估计（状态估计和模型参数估计），然后通过计算机实现过程优化，进一步采用“直接数值控制”、“给定值控制”或自适应控制方法对过程进行平稳控制或优化控制。 6.3.2 发酵过程的工艺控制 过程变量估算 自动控制方案要成功实施必须能够获得在线的 可靠的过程变量的信息。 状态变量：表示系统动态过程所需的一组数目最少的变量。随时间变化。 参数：指数学模型方程中待定的未知系数。不随时间变化或变化很小。 在线估计：在线对系统进行观测后做出状态估计。 离线估计：离线对系统的一些量进行观测后做出状态估计 6.3.2 发酵过程的工艺控制 发酵过程的最优控制 静态过程最优控制：不考虑时间因素下进行控制。不理想，但简单易行。 动态过程最优控制：考虑时间因素下进行控制。符合实际，但复杂。 6.4 发酵罐 发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏. 广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备 发酵设备是发酵工厂中的主要设备，为微生物的生命活动和代谢提供适宜的场所。 Petri Disks (培养皿) Shake Flasks (锥形瓶) Fermentor (发酵罐) 优良的发酵设备应具有的特性 严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传