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。这种产物通常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）可以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。提提热
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）可以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：可以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；
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（2）避免培养基积累有毒代谢物；
（3）可以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：
（1）长时间的连续培养难以保证纯种培养；
（2）菌种发生变异的可能性较大。
故在工业规模上很少采用。生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺，此方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。
三、发酵过程的主要控制参数
pH值（酸碱度）；温度（℃）；溶解氧浓度；基质含量；空气流量；压力；搅拌转速；搅拌功率；粘度；浊度；料液流量；产物浓度；氧化还原电位；废气中的氧含量；废气中的CO2含量；菌丝形态；菌体浓度
第二节 温度对发酵的影响及其控制
一、温度对发酵的影响
微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌，如霉菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在20～40℃。
温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。
在发酵过程中，需要维持适当的温度，才能使菌体生长和代谢产物的合成顺利进行。
二、影响发酵温度变化的因素
产热因素：生物热（Q生物）、搅拌热（Q搅拌）
散热因素：蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）、显热（Q显）
发酵热（Q发酵）是发酵温度变化的主要因素。
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射－Q显
为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。
由于Q生物、Q蒸发和Q显，特别是Q生物在发酵过程中随时间变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度发生波动。
三、温度的控制
1、最适温度的选择
在生长阶段，应选择最适生长温度；
在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。
发酵温度可根据不同菌种、不同产品进行选择。
2、温度的控制
工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。
利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。
如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。
第三节 pH值对发酵的影响及其控制
一、pH值对发酵的影响
1、影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；
2、影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物的吸收
和代谢产物的排泄；
3、影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收；
4、pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。
二、发酵过程pH值的变化
在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使pH值产生一定的变化。
1、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，使pH上升至碱性；随着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的积累使pH值下降。
2、生产阶段：这个阶段pH值趋于稳定。
3、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升，此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。
由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌体本身具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的pH就会波动。
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三、引起发酵液pH值异常波动的因素
pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。
1、pH下降：
（1）培养基中碳、氮比例不当。碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加上溶氧不足，致使有机酸大量积累而pH下降；
（2）消泡剂加得过多；
（30生理酸性物质的存在，铵被利用，pH下降。
2、pH上升：
（1）培养基中碳、氮比例不当。氮源过多，氨基氮释放，使pH上升；
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（2）生理碱性物质存在；
（3）中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多。
四、发酵pH值的确定和控制
1、发酵pH值的确定
微生物发酵的最适pH值范围一般是在5～8之间。
最适pH值是根据实验结果来确定的。
将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节pH值，以分别维持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。
到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的pH值为菌体生长的合适pH值。
用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。
同一产品的合适pH值，与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。
在确定合适发酵pH值时，不定期要考虑培养温度的影响，若温度提供或降低，合适pH值也可能发生变动。
2、pH值的控制
（1）首先考虑和试验发酵培养基的基础配方，使它们有个适当的配比，使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。
（2）在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制；补充生理酸性物质（如(NH4)2SO4）和生理碱性物质（如NaNO3）来控制。
第四节 溶解氧对发酵的影响及其控制
一、溶解氧对发酵的影响
在发酵过程中，影响耗氧的因素有以下几方面：
1、培养基的成分和浓度
2、菌龄
3、发酵条件
二、溶解氧浓度的控制
led点阵书写显示屏在供氧方面，主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积氧传递系数。
1、调节搅拌转速或通气速率来控制供氧；
2、控制补料速度来控制基质的浓度，从而达到最适的菌体浓度，保证产物的比生长速率维持在最大值，又不会使需氧大于供氧。
3、采用调节温度（降低培养温度可提高溶氧浓度）、液化培养基、中间补水、添加表面活性剂等工艺措施，来改善溶氧水平。
第五节 菌体浓度和基质对发酵的影响及其控制
一、菌体浓度对发酵的影响及控制
菌体（细胞）浓度【简称菌浓】是指单位体积培养液中菌体的含量。
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菌浓的大小，在一定条件下，不仅反映菌体细胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全相同的分化阶段。
依靠调节培养基的浓度来控制菌浓。
首先确定基础培养基配方中有个适当的配比，避免产生过浓（或过稀）的菌体量。
然后通过中间补料来控制，如当菌体生长缓慢、菌浓太稀时，则可补加一部分磷酸盐，促进生长，提高菌浓；但补加过多，则会使菌体过分生长，超过临界浓度，对产物合成产生抑制作用。
利用菌体代谢产生的CO2量来控制生产过程的补糖量，以控制菌体的生长和浓度。
二、基质对发酵的影响及控制
基质即培养微生物的营养物质。
1、碳源对发酵的影响及控制
（1）迅速利用的碳源：葡萄糖、蔗糖等。
迅速参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解产物，有利于菌体生长，但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用。
（2）缓慢利用的碳源：多数为聚合物、淀粉等。
为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的分泌期，也有许多微生物药物的发酵所采用。
在工业上，发酵培养基中常采用含迅速和缓慢利用的混合碳源。
2、氮源对发酵的影响及控制
（1）迅速利用的氮源：氨基（或铵）态氮的氨基酸（或硫酸铵等）、玉米浆
容易被菌体利用，促进菌体生长，但对某些代谢产物的合成特别是某些抗生素的合成产生调节作用，影响产量。
（2）缓慢利用的氮源
延长代谢产物的分泌期、提高产物的产量；但一次投入也容易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体过早衰老而自溶，缩短产物的分泌期。
发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用的混合氮源，还要在发酵过程中补加氮源来控制浓度。补加有机氮源，如酵母汁、玉米浆、尿素；补加无机氮源，如氨水或硫酸铵。
3、磷酸盐对发酵的影响及控制
磷是微生物菌体生长繁殖所必需的成分，也是合成代谢产物所必需的。
微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为0.32～300mmol/L，
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