1、1生化工程是是生物化学与化学工程相互渗透所形成的一门新学科。它应用工程学这一实践技术，以微生物作为研究的主角、生物化学作为理论基础，从动态、定量、微观的角度，广泛而深刻地揭示了生物（化学）工业过程的本质。第二章 培养基灭菌问题一：在发酵生产中，为什么要进行灭菌操作？问题一：在发酵生产中，为什么要进行灭菌操作？ 1、由于杂菌的污染，使生物反应中的基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生、由于杂菌的污染，使生物反应中的基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降；产能力的下降； 2、由于杂菌所产生的一些代谢产物，或在染菌后改变了培养液的某些理化性质，、由于杂菌所产生的一些代谢产物，或在染菌后改变了
2、培养液的某些理化性质，使产物的提取和分离变得困难，造成收率降低或使产品的质量下降；使产物的提取和分离变得困难，造成收率降低或使产品的质量下降；3、杂菌会大量繁殖，会改变反应介质的、杂菌会大量繁殖，会改变反应介质的 pH值，从而使生物反应发生异常变化；值，从而使生物反应发生异常变化；4、杂菌可能会分解产物，从而使生产过程失败；、杂菌可能会分解产物，从而使生产过程失败；5、发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，而使生产失败，等等、发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，而使生产失败，等等问题二：为防止杂菌的污染，哪些需要灭菌？培养基、发酵设备、空气、菌种制作一、灭菌的原理和方法一、灭菌的原理和方法 消毒与灭
3、菌的区别：消毒与灭菌在发酵工业中均有广泛应用。消毒是指用物理消毒与灭菌的区别：消毒与灭菌在发酵工业中均有广泛应用。消毒是指用物理或化学方法杀死物料、容器、器具内外的病源微生物。一般只能杀死营养细胞或化学方法杀死物料、容器、器具内外的病源微生物。一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢。例如，用于消牛奶、啤酒和酿酒原汗等的巴氏消毒法，而不能杀死细菌芽孢。例如，用于消牛奶、啤酒和酿酒原汗等的巴氏消毒法，是将物料加热至是将物料加热至 60维持维持 30min，以杀死不耐高温的物料中的微生物营养细胞。，以杀死不耐高温的物料中的微生物营养细胞。灭菌是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
4、、灭菌是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。消毒不一定能达到灭菌要求，而灭菌则可达到消毒的目的细菌芽孢和孢子。消毒不一定能达到灭菌要求，而灭菌则可达到消毒的目的理解消毒需要强调二点：第一，消毒是针对病原微生物，并不要求消除或杀理解消毒需要强调二点：第一，消毒是针对病原微生物，并不要求消除或杀灭所有微生物；第二，消毒是相对的而不是绝对的，它只要求将有害微生物的灭所有微生物；第二，消毒是相对的而不是绝对的，它只要求将有害微生物的数量减少到无害的程度，而并不要求把所有有害微生物全部杀灭，一般来说，数量减少到无害的程度，而并不要求把所有有害微生物全部杀灭，一般来说
5、，若能使微生物在消毒过程中的存活概率达到若能使微生物在消毒过程中的存活概率达到 10-3，则认为是可靠的。，则认为是可靠的。消毒和灭菌的区别：消毒是相对的，而灭菌则是绝对的，意为完全杀灭或去消毒和灭菌的区别：消毒是相对的，而灭菌则是绝对的，意为完全杀灭或去除灭菌物品上的一切微生物，然而事实上要达到这样的水平是不可能的。除灭菌物品上的一切微生物，然而事实上要达到这样的水平是不可能的。灭菌的程度：目前国际上规定，灭菌过程必须使物品中的微生物的存活概率灭菌的程度：目前国际上规定，灭菌过程必须使物品中的微生物的存活概率减少到减少到 10-6，换句话说：若对一百万件物品进行灭菌处理，允许灭菌后仍有一，换
6、句话说：若对一百万件物品进行灭菌处理，允许灭菌后仍有一件物品中留有活的微生物。件物品中留有活的微生物。湿热灭菌原理：湿热灭菌原理： 由于蒸汽具有很强的穿透能力，而且在冷凝时会放出大量的冷由于蒸汽具有很强的穿透能力，而且在冷凝时会放出大量的冷凝热，很容易使蛋白质凝固而杀死各种微生物。凝热，很容易使蛋白质凝固而杀死各种微生物。 灭菌条件灭菌条件 121 ，30min。 培养基及设备的灭菌方法培养基及设备的灭菌方法 :火焰灭菌法、射线灭菌法、火焰灭菌法、射线灭菌法、 干热灭菌法干热灭菌法 、湿热灭菌、湿热灭菌法、过滤除菌法、化学试剂灭菌法（多选）法、过滤除菌法、化学试剂灭菌法（多选）致死温度：杀死微
7、生物的最低温度。致死温度：杀死微生物的最低温度。致死时间：在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间。致死时间：在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间。在致死温度以上，温度愈高，致死时间愈短。由于一般细菌、产芽胞细菌、微在致死温度以上，温度愈高，致死时间愈短。由于一般细菌、产芽胞细菌、微生物细胞和微生物孢子对热的抵抗力不同，因此，它们的致死温度和致死时间生物细胞和微生物孢子对热的抵抗力不同，因此，它们的致死温度和致死时间2也有差别。微生物对热的抵抗力常用也有差别。微生物对热的抵抗力常用 “热阻热阻 ”表示。表示。1、热阻：微生物在某一特定条件下（主要是温度和加热方式）下的致死时间。、热阻：微生物在
8、某一特定条件下（主要是温度和加热方式）下的致死时间。相对热阻：某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致相对热阻：某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。死时间的比值。2. 微生物的热死规律微生物的热死规律 对数残留定律对数残留定律对数残留定律：对数残留定律： 在微生物受热失活的过程中，微生物不断被杀死，活菌数不断在微生物受热失活的过程中，微生物不断被杀死，活菌数不断被减少。微生物热死速率可以用分子反应速率来表示，即微生物活体个数减被减少。微生物热死速率可以用分子反应速率来表示，即微生物活体个数减少的速度与任一瞬间残存的菌数成正比。少的速度与任一
9、瞬间残存的菌数成正比。-d N/d t=KNN培养基中残留活菌数，个；培养基中残留活菌数，个；t受热时间，受热时间， min；N0开始灭菌时原菌数，个开始灭菌时原菌数，个Nt经时间经时间 t后残留菌数，个。后残留菌数，个。k反应速率常数，或比死亡速率常数，反应速率常数，或比死亡速率常数， min-1。反应速率常数。反应速率常数 k是微生物耐热是微生物耐热性的一种特征，它随微生物的种类和灭菌温度而异。性的一种特征，它随微生物的种类和灭菌温度而异。 在相同的温度下，在相同的温度下， k值愈小，值愈小，则此微生物愈耐热。同一种微生物在不同的灭菌温度下，则此微生物愈耐热。同一种微生物在不同的灭菌温度下
10、， k值不同，灭菌温度愈值不同，灭菌温度愈低，低， k值愈低值愈低灭菌时间取决于污染的程度（灭菌时间取决于污染的程度（ N0）、灭菌的程度（残留菌数）、灭菌的程度（残留菌数 Nt）和）和 k值。值。1/10衰减时间衰减时间 D：在某一温度中，当：在某一温度中，当 N0/Nt=10时的时间称为时的时间称为 D（ decimal reacgtion time），）， D 2.303/K， D与与 K成反比。成反比。阿累尼乌斯方程阿累尼乌斯方程 k=Ae-E/（ RT）表示温度对杀菌速率常数的影响。表示温度对杀菌速率常数的影响。A频率因子；频率因子；E反应所需的活化能，反应所需的活化能， J/mol
11、；其值愈大，微生物越易受热死亡；其值愈大，微生物越易受热死亡T绝对温度，绝对温度，K杀菌速率常数（杀菌速率常数（ min-1）R气体常数在其它条件相同时，E 越高，K 值（反应速度常数）越小，热死速率常数越低，细菌抵抗力越强。由此可见，若要减少营养成分的破坏，可升高温度灭菌。结论：在灭菌时选择较高的温度、较短的时间，这样便既可达到需要的灭菌程度，同时又可减少营养物质的损失。 三、影响培养基灭菌的因素（大题、选择题）三、影响培养基灭菌的因素（大题、选择题）1.营养成分的保持：在灭菌过程中，既要达到灭菌效果，又要考虑尽量减少营营养成分的保持：在灭菌过程中，既要达到灭菌效果，又要考虑尽量减少营养成分
12、的破坏。养成分的破坏。2.微生物的耐热性：一般无芽孢的细菌在微生物的耐热性：一般无芽孢的细菌在 60 60min或或 70 5min即可杀死，霉即可杀死，霉菌孢子在菌孢子在 86 88 3min也可杀死。但有些细菌的芽孢热阻较大，也可杀死。但有些细菌的芽孢热阻较大， 100 30min仍可存活。灭菌所需要的时间取决于把活的细菌的芽孢减少到所规定数目仍可存活。灭菌所需要的时间取决于把活的细菌的芽孢减少到所规定数目的时间。细菌总数细菌数芽孢数。的时间。细菌总数细菌数芽孢数。3.pH值：一般微生物在值：一般微生物在 6 8时容易存活，时容易存活， pH Ks时时 m ，符合零级动力学关系。，符合零级
13、动力学关系。3.Monod 方程与酶催化反应的米氏方程形式上是一样的，因为微生物的生长可看作酶反应的粗略代表；但所不同的是，米氏方程是应用酶反应理论推导得到的，而 Monod 方程却是完全经验得到的。传氧速率方程传氧速率方程1.供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流中。2.供氧方面的阻力（为控制因素）：供氧方面的阻力（为控制因素）： 气膜阻力，主流气流与气膜间的气膜阻力；气膜阻力，主流气流与气膜间的气膜阻力； 气液界面阻力，与空气情况相关；气液界面阻力，与空气情况相关； 液膜阻力，气液界面至液体主流间
14、的液膜阻力；液膜阻力，气液界面至液体主流间的液膜阻力； 液流阻力。液流阻力。3.耗氧：氧自液体主流通过液膜、菌体丛、细胞膜扩散到细胞内。整个过程必耗氧：氧自液体主流通过液膜、菌体丛、细胞膜扩散到细胞内。整个过程必须克服一系列的阻力，才能被微生物利用。须克服一系列的阻力，才能被微生物利用。4.耗氧方面的阻力：耗氧方面的阻力： 细胞周围液膜阻力，与发酵液成分和浓度相关；细胞周围液膜阻力，与发酵液成分和浓度相关； 菌丝丛或团内的扩散阻力；菌丝丛或团内的扩散阻力； 细胞膜阻力，与微生物的生理特性相关；细胞膜阻力，与微生物的生理特性相关； 细胞内反应阻力。细胞内反应阻力。（二）传氧速率方程（二）传氧速率
15、方程1.按照双膜理论，通过气膜的传氧推动力为（按照双膜理论，通过气膜的传氧推动力为（ P-Pi），继续通过液膜时推动力），继续通过液膜时推动力为（为（ Ci-C），与两个推动力相对应的阻力分别是气膜阻力和液膜阻力。），与两个推动力相对应的阻力分别是气膜阻力和液膜阻力。2.在稳定传质过程中，传质途径上的各点氧浓度不随时间而变化，故通过两膜在稳定传质过程中，传质途径上的各点氧浓度不随时间而变化，故通过两膜的氧传递速率的氧传递速率 N应相等，应相等，8即即 ： N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C) N-传氧速率传氧速率 （ kmol/m2.h）kG-气膜传质系数气膜传质系数 （ kmol/m2.h
16、.atm)kL-液膜传质系数液膜传质系数 （ m/h） 或或 （ kmol/m2h)(m3/kmol) p-气相主流中氧的分压气相主流中氧的分压 (atm) pi-气液界面上的氧分压气液界面上的氧分压 (atm) C-液相主流中氧的浓度液相主流中氧的浓度 （ kmol/m3）Ci-气液界面上氧的平衡浓度气液界面上氧的平衡浓度 （ kmol/m3）因因 pi、 Ci无法测量无法测量 ， 故将故将 N=kG(P-Pi)=kL(Ci-C)改写为改写为 ： 改写方程为改写方程为 ： N=KG(P-P*)=KL(C*-C)KG-以氧分压为总推动力的总传质系数（以氧分压为总推动力的总传质系数（ kmol/
17、m2.h.atm)KL-以氧浓度差为总推动力的总传质系数（以氧浓度差为总推动力的总传质系数（ m/h);P*-与液相主体中溶氧浓度相平衡的氧分压（与液相主体中溶氧浓度相平衡的氧分压（ atm)C*-与气相主体中氧分压与气相主体中氧分压 P相平衡的氧浓度（相平衡的氧浓度（ kmol/m3）因为气相主流中氧的分压因为气相主流中氧的分压 p和液相主流溶氧浓度和液相主流溶氧浓度 C均可直接测定。由于在均可直接测定。由于在氧的传递过程中液膜阻力远大于气膜阻力（即氧的传递过程中液膜阻力远大于气膜阻力（即 p-pi差异小，不易测定），故通差异小，不易测定），故通常是以常是以 (C*-C)为溶氧推动力来计算传
18、氧速率。为溶氧推动力来计算传氧速率。影响传氧速率的因素影响传氧速率的因素影响传氧速率的因素有溶氧系数 kLa 和推动力(C*-C),k La 值与搅拌、空气线速度、空气分布器的形式和发酵液的黏度等有关，与推动力有关的则为氧分压、醪液性质、发酵罐内柱高度挡板作用：防治液面中央产生漩涡；促使液体强烈翻动，增加溶解氧；改变液挡板作用：防治液面中央产生漩涡；促使液体强烈翻动，增加溶解氧；改变液流的方向，由径流改为轴向流；加强搅拌强度，促使液体上下翻动和控制流型、流的方向，由径流改为轴向流；加强搅拌强度，促使液体上下翻动和控制流型、消除涡流。消除涡流。溶氧系数的测定方法溶氧系数的测定方法 亚硫酸盐氧化法
19、（实验内容）、极谱法、溶氧电极法亚硫酸盐氧化法（实验内容）、极谱法、溶氧电极法（包括稳态法和动态法）（包括稳态法和动态法）（了解）亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数的优缺点（了解）亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数的优缺点优点：氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快不需要特殊仪器。优点：氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关，且反应速度快不需要特殊仪器。缺点：不能在真实发酵条件下进行测定发酵液的溶氧，因为亚硫酸盐对微生物缺点：不能在真实发酵条件下进行测定发酵液的溶氧，因为亚硫酸盐对微生物的生长有影响，且发酵液的成分、消泡剂、表面张力、黏度、特别是菌体都影的生长有影响，且发酵液的成分、消泡剂、表面张力、黏度、特别是菌
20、体都影响氧的传递。响氧的传递。这种方法测定的结果仅能说明某种发酵罐在该操作条件下的性能，而不能说明这种方法测定的结果仅能说明某种发酵罐在该操作条件下的性能，而不能说明溶氧和微生物耗氧的全过程。溶氧和微生物耗氧的全过程。主要用于作为设备溶氧系数的测定。主要用于作为设备溶氧系数的测定。1. 发酵动力学研究的内容发酵动力学研究的内容发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及发酵动力学：是研究发酵过程中菌体生长、基质消耗、产物生成的动态平衡及9其内在规律。其内在规律。研究内容：包括了解发酵过程中菌体生长速率、基质消耗速率和产物生成速率研究内容：包括了解发酵过程中菌体生长速率、
21、基质消耗速率和产物生成速率的相互关系，环境因素对三者的影响，以及影响其反应速度的条件。的相互关系，环境因素对三者的影响，以及影响其反应速度的条件。发酵过程按进行过程有三种方式发酵过程按进行过程有三种方式 ： 分批发酵分批发酵 (Batch fermentation)、补料分批、补料分批发酵发酵 (Fed-batch fermentation)、连续发酵、连续发酵 (Continuous fermentation)微生物的生长曲线微生物的生长曲线在分批培养过程中，随着微生物和底物、代谢产物的浓度等的不断变化，微在分批培养过程中，随着微生物和底物、代谢产物的浓度等的不断变化，微生物的生长可分为停滞
22、期、对数生长期、减速期、稳定期和死亡期生物的生长可分为停滞期、对数生长期、减速期、稳定期和死亡期 5 （ 4）个阶）个阶段。段。td为倍增时间：微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，也叫倍增时间。为倍增时间：微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，也叫倍增时间。一些微生物受遗传特性及生长条件的控制，比生长速度和倍增时间有很大的差一些微生物受遗传特性及生长条件的控制，比生长速度和倍增时间有很大的差异。异。例题：某微生物的例题：某微生物的 u 0.125 h-1，求，求 td。产物形成的动力学模型产物形成的动力学模型Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型：根据产物生成速率与
23、细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型：类型类型 称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型；称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型；类型类型 称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物形成模型；称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物形成模型；类型类型 称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成模型。称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成模型。 生长得率：是指每消耗 1g(或 mo1)基质(一般指碳源)所产生的菌体重(g)，即 Yx/s=X/S。产物得率：是指每消耗 1g(或 mo1)基质所合成的产物量(g 或 mol 数)。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残
24、留的基质量(S0-S)。 连续培养特点连续培养特点1、定义、定义 htd54.12.0693lndtX10培养基料液连续输入发培养基料液连续输入发 酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的物浓度、恒定的 pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。1.优优 点点提供了一个微生物在恒定状态下生长的环境，达到对微生物的稳定高速培养提供了
25、一个微生物在恒定状态下生长的环境，达到对微生物的稳定高速培养或产生大量代谢产物为目的，便于进行微生物的代谢、生理、生化和遗传特性或产生大量代谢产物为目的，便于进行微生物的代谢、生理、生化和遗传特性的研究；的研究；在工业上可减少分批培养中每次清洗、装料、灭菌、接种、放罐等的操作时在工业上可减少分批培养中每次清洗、装料、灭菌、接种、放罐等的操作时间，提高生产效率；间，提高生产效率；产物质量比较稳定；产物质量比较稳定；所需设备和投资较少，便于实现自动化。所需设备和投资较少，便于实现自动化。2.缺缺 点点连续培养的细胞在开放系统中进行的，发酵过程易染菌；连续培养的细胞在开放系统中进行的，发酵过程易染菌
26、；在长时间的培养过程中，微生物菌种容易发生变异；在长时间的培养过程中，微生物菌种容易发生变异；新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合，影响培养和营养物质的利用。新加入的培养基与原有的培养基不易完全混合，影响培养和营养物质的利用。1.固定化酶：是被固定在某一有限空间内不再能自由流动而仍有催化活性的酶。固定化酶：是被固定在某一有限空间内不再能自由流动而仍有催化活性的酶。固定化技术固定化技术1.吸附法吸附法 物理吸附物理吸附 离子吸附离子吸附2.包埋法包埋法 格子型包埋格子型包埋 微胶囊型包埋微胶囊型包埋3.共价键结合法共价键结合法重氮化法重氮化法烷基化法和芳基化法烷基化法和芳基化法戊二醛化法戊二
27、醛化法4.交联法交联法常用的载体有阴离子交换剂常用的载体有阴离子交换剂 (如二乙基氨基乙基如二乙基氨基乙基 (DEAE)-纤维素、混合胺类纤维素、混合胺类（ ECTEDLA） 纤维素、四乙氨基乙基纤维素、四乙氨基乙基 (TEAE)纤维素、纤维素、 DEAE葡聚糖凝胶、葡聚糖凝胶、Amberlite IRA93、 410、 900等等 )、阳离子交换剂、阳离子交换剂 (如羧甲基如羧甲基 (CM)纤维素、纤维素、纤维素柠檬酸盐、纤维素柠檬酸盐、 Amberlite CG50、 IRC50、 IR200、 Dowex50等等 )交联法：依靠双功能基团的试剂，使酶蛋白分子之间发生交联，凝集成网状结交联
28、法：依靠双功能基团的试剂，使酶蛋白分子之间发生交联，凝集成网状结构而成为固定化酶，最常用的双功能试剂有戊二醛、异氰酸酯和双重氮联苯胺构而成为固定化酶，最常用的双功能试剂有戊二醛、异氰酸酯和双重氮联苯胺等。酶蛋白中的游离氨基、酚基、咪唑基及巯基均可参与交联反应。双功能试等。酶蛋白中的游离氨基、酚基、咪唑基及巯基均可参与交联反应。双功能试剂：常用的是戊二醛。剂：常用的是戊二醛。11（了解）（了解） 固定化酶酶活性的测定方法固定化酶酶活性的测定方法1.测定酶的固定化量：固定化反应完成后，以原始酶量减去洗涤液（反应液）测定酶的固定化量：固定化反应完成后，以原始酶量减去洗涤液（反应液）中残存的酶含量。中
29、残存的酶含量。2.测定颗粒直径：固定化酶的粒径越小，酶活性越高。固定化酶颗粒直径大小测定颗粒直径：固定化酶的粒径越小，酶活性越高。固定化酶颗粒直径大小影响酶活性。影响酶活性。3.测定酶反应最适测定酶反应最适 pH值：酶固定化后反应的最适值：酶固定化后反应的最适 pH较原来的酶有所变化。较原来的酶有所变化。4.检查酶是否脱落：测定酶活性后，滤除固定化酶，用离心所得的溶液再经过检查酶是否脱落：测定酶活性后，滤除固定化酶，用离心所得的溶液再经过适当保温检查是否还继续进行反应，如果溶液中出现酶反应，说明酶脱落。适当保温检查是否还继续进行反应，如果溶液中出现酶反应，说明酶脱落。固定化细胞：把菌体细胞中特
30、定的酶不经过分离提纯，直接用适当的方法将菌体加以固定来催化各种特定的生物化学反应。（选择）生化过程参数的分类（选择）生化过程参数的分类1.直接参数：可以直接采用特定的传感器检测的参数称为直接参数，包括各种直接参数：可以直接采用特定的传感器检测的参数称为直接参数，包括各种反映物理环境和化学环境变化的参数。反映物理环境和化学环境变化的参数。物理环境参数：主要包括温度、压力、体积、流量（空气、料液、冷却水）、物理环境参数：主要包括温度、压力、体积、流量（空气、料液、冷却水）、轴功率、搅拌转速、泡沫高度、黏度、浊度等。轴功率、搅拌转速、泡沫高度、黏度、浊度等。化学环境参数：主要有化学环境参数：主要有
31、pH、离子强度、溶解氧、氧化还原电位、进出口氧及二、离子强度、溶解氧、氧化还原电位、进出口氧及二氧化碳浓度、基质、细胞主要成分等。氧化碳浓度、基质、细胞主要成分等。2.间接参数：又称综合参数，主要反映细胞生长、产物合成及呼吸强度等生物间接参数：又称综合参数，主要反映细胞生长、产物合成及呼吸强度等生物变化规律的参数，如细胞浓度、糖利用率等。变化规律的参数，如细胞浓度、糖利用率等。黏度的检测黏度的检测常用的黏度测定仪毛细管黏度计（常用的黏度测定仪毛细管黏度计（ 1， 2）、回转式黏度计（）、回转式黏度计（ 3）和涡轮黏度计等。）和涡轮黏度计等。一般装设自动无菌取样循环系统，使发酵液通过取样管路流过
32、回转式黏度计或一般装设自动无菌取样循环系统，使发酵液通过取样管路流过回转式黏度计或毛细管黏度计，以实现发酵液黏度的连续在线检测。毛细管黏度计，以实现发酵液黏度的连续在线检测。 1.传感器（电极或探头）：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转传感器（电极或探头）：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件、转化元件及相应的机械结构换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件、转化元件及相应的机械结构和线路组成。和线路组成。2.生物传感器：是利用酶、抗体、微生物等作为敏感材料，将所感受的生物体生物传感器：是利用酶、抗体、微生物等作为敏感材料，将所感受的生物体
33、信息（分子识别）转换成电化学信号、光学信号、声信号进行检测的传感器。信息（分子识别）转换成电化学信号、光学信号、声信号进行检测的传感器。泡沫产生的原因泡沫产生的原因1.一般而言，纯水及纯表面活性剂不起泡，因为它们的表面和内部是均匀的，一般而言，纯水及纯表面活性剂不起泡，因为它们的表面和内部是均匀的，很难形成薄膜，即使形成也不稳定，会瞬间消失；很难形成薄膜，即使形成也不稳定，会瞬间消失；2.发酵液中含有蛋白质等类似表面活性剂的物质存在，由外界引入的气流被机发酵液中含有蛋白质等类似表面活性剂的物质存在，由外界引入的气流被机械地分散形成气泡，另外发酵过程中产生的气体聚结也可形成气泡（气泡形成械地分散
34、形成气泡，另外发酵过程中产生的气体聚结也可形成气泡（气泡形成后后由于分子间力的作用，形成规则排列的亲水基和疏水基并被气泡壁吸附，后后由于分子间力的作用，形成规则排列的亲水基和疏水基并被气泡壁吸附，其亲水基朝向水相，疏水基朝向气泡内，从而在气泡界面上形成弹性膜，其稳其亲水基朝向水相，疏水基朝向气泡内，从而在气泡界面上形成弹性膜，其稳定性很强，常态下不易破裂）；定性很强，常态下不易破裂）；3.泡沫的稳定性与表面粘性和弹性、电斥性、表面膜的移动、温度、蒸发等因泡沫的稳定性与表面粘性和弹性、电斥性、表面膜的移动、温度、蒸发等因12素有关。素有关。泡沫的控制和消除泡沫的控制和消除主要有化学消泡和机械消泡
35、两种方法。主要有化学消泡和机械消泡两种方法。1.机械消泡：机械消泡： 消泡机理：靠机械强烈振动、压力的变化，促使气泡破裂，或借机械力将排消泡机理：靠机械强烈振动、压力的变化，促使气泡破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。出气体中的液体加以分离回收。 优缺点：节省原料，减少由于消泡剂所引起的污染机会；需要一定的设备和优缺点：节省原料，减少由于消泡剂所引起的污染机会；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泡沫温定的因素。消耗一定的动力，不能从根本上消除引起泡沫温定的因素。 罐内机械消泡和罐外机械消泡罐内机械消泡和罐外机械消泡a.罐内消泡包括：耙式消泡浆、超声波消泡器及碟片式
36、消泡器等。罐内消泡包括：耙式消泡浆、超声波消泡器及碟片式消泡器等。b.罐外消泡包括：旋转叶片式、离心式及转向板式等。罐外消泡包括：旋转叶片式、离心式及转向板式等。2.化学消泡：化学消泡： 消泡机理：消泡剂表面张力低，使气泡膜局部的表面张力降低，使得平衡受消泡机理：消泡剂表面张力低，使气泡膜局部的表面张力降低，使得平衡受到破坏。到破坏。 优点：来源广泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易实现自动控制；优点：来源广泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易实现自动控制；可能影响下游技术中的产物分离。可能影响下游技术中的产物分离。 选用依据：选用依据：a.表面活性剂，有较低表面张力；表面活性剂，
37、有较低表面张力；b.对气对气 -液界面的散布系数必须足够大液界面的散布系数必须足够大 ;c.无毒害，不影响细胞的生长和代谢，不影响产物提取和产品质量；无毒害，不影响细胞的生长和代谢，不影响产物提取和产品质量；d.在水中的溶解度较小，不影响溶液中氧的溶解和传递在水中的溶解度较小，不影响溶液中氧的溶解和传递 ;e.来源方便，成本低来源方便，成本低 ;f.不干扰各种测量仪表的使用。不干扰各种测量仪表的使用。 消泡剂种类：消泡剂种类：a.天然油脂天然油脂 :豆油、菜籽油、玉米油、棉籽油、鱼油、猪油等。豆油、菜籽油、玉米油、棉籽油、鱼油、猪油等。b.高级醇类高级醇类 :十八醇，聚二醇等。十八醇，聚二醇等
38、。c.聚醚类聚醚类 :聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯氧丙烯甘油等。聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯氧丙烯甘油等。d.硅酮类硅酮类 :聚二甲基硅氧烷及其衍生物。聚二甲基硅氧烷及其衍生物。 消泡剂的应用和增效作用消泡剂的应用和增效作用a.消泡剂消泡剂 + 载体载体b.复合消泡剂复合消泡剂c.消泡剂消泡剂 + 乳化剂乳化剂pH值对菌体生长和代谢产物合成的影响值对菌体生长和代谢产物合成的影响1.菌种不同，对菌种不同，对 pH要求不同要求不同 (细菌细菌 6.5 7.5，霉菌，霉菌 4.0 5.8，酵母，酵母 3.8 6.0，放，放线菌线菌 6.5 8.0)；2.菌种相同，菌种相同， pH不同，形成的产物不同不同，形成的
39、产物不同 (黑曲霉黑曲霉 2 3产柠檬酸，产柠檬酸， 7左右时产草酸；左右时产草酸；酵母酵母 4.5 5.0产酒精，产酒精， 8.0除酒精外还有醋酸和甘油除酒精外还有醋酸和甘油 )；3.菌种生长最适菌种生长最适 pH值和发酵产物形成的值和发酵产物形成的 pH值不同值不同 (青霉菌生长青霉菌生长 6.5 7.2，青霉素，青霉素合成合成 6.2 6.3；链霉菌生长；链霉菌生长 6.3 6.9，链霉素合成，链霉素合成 6.7 7.3)。13（二）（二） pH值对细胞生长繁殖和代谢产物形成影响的主要原因值对细胞生长繁殖和代谢产物形成影响的主要原因1.影响原生质膜的性质，尤其是原生质膜的电荷，使其对个别
40、离子的渗透性改影响原生质膜的性质，尤其是原生质膜的电荷，使其对个别离子的渗透性改变，进而影响细胞对某些营养物质的吸收及代谢产物的渗漏；变，进而影响细胞对某些营养物质的吸收及代谢产物的渗漏；2.影响酶的活性，只有在合适的影响酶的活性，只有在合适的 pH值下，细胞的酶才能发挥最大的活性，不适值下，细胞的酶才能发挥最大的活性，不适宜的宜的 pH值会抑制细胞酶的活性，进而抑制其生长和代谢；值会抑制细胞酶的活性，进而抑制其生长和代谢；3.影响营养物质和中间代谢产物的解离，影响细胞对这些物质的吸收和利用。影响营养物质和中间代谢产物的解离，影响细胞对这些物质的吸收和利用。避免染菌的措施避免染菌的措施为防止杂
41、菌污染，采取如下措施：为防止杂菌污染，采取如下措施： 密闭式发酵罐；密闭式发酵罐； 无菌空气；无菌空气； 无菌室；无菌室； 培养基和设备灭菌；培养基和设备灭菌； 无菌操作。无菌操作。生化反应器：利用生物催化剂进行生化反应的设备。简称为反应器，也称为发生化反应器：利用生物催化剂进行生化反应的设备。简称为反应器，也称为发酵罐。酵罐。理想的生化反应器：为方便研究，将现有的生化反应器进行抽象即为理想的生理想的生化反应器：为方便研究，将现有的生化反应器进行抽象即为理想的生化反应器。化反应器。生物反应器（发酵罐）生物反应器（发酵罐）1.生物反应器的概念生物反应器的概念 生物反应器是生物技术开发中的一个关键
42、设备，它为生物反应器是生物技术开发中的一个关键设备，它为活细胞或酶提供适宜的反应环境，以达到细胞增殖和产品形成的目的。活细胞或酶提供适宜的反应环境，以达到细胞增殖和产品形成的目的。发酵罐内柱高度发酵罐内柱高度据报道，当据报道，当 H/D（高径比）从（高径比）从 1加到加到 3时，时， kLa可增加可增加 40左右。当左右。当 H/D从从 2增加到增加到3时，时， kLa增加增加 20。由此可见，由此可见， H/D小，氧利用率小（差）。小，氧利用率小（差）。H/D太大，溶氧系数增加不大。相反由于罐身过高液柱压差大气泡体积被压缩，太大，溶氧系数增加不大。相反由于罐身过高液柱压差大气泡体积被压缩，以
43、至造成气液界面小的缺点。以至造成气液界面小的缺点。 H/D大，厂房要求也高，一般大，厂房要求也高，一般 H/D 1.7 4，以，以2 3为宜。为宜。罐容罐容 通常发酵罐体积大的氧利用率高，体积小的氧利用低，在几何形状相似的条通常发酵罐体积大的氧利用率高，体积小的氧利用低，在几何形状相似的条件下，发酵罐体积大的氧利用率可达件下，发酵罐体积大的氧利用率可达 7% 10%，而体积小的氧利用率只有，而体积小的氧利用率只有3% 5%。生物反应器的类型生物反应器的类型 现已有适合动植物细胞大量培养、酶反应和微生物发酵的现已有适合动植物细胞大量培养、酶反应和微生物发酵的各种类型生物反应器（发酵罐）。三类：间
44、歇反应器：连续式反应器：半间各种类型生物反应器（发酵罐）。三类：间歇反应器：连续式反应器：半间歇（半连续）式反应器歇（半连续）式反应器全挡板条件：是指在一定转速下，再增加罐内附件，轴功率仍保持不变。全挡板条件：是指在一定转速下，再增加罐内附件，轴功率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：要达到全挡板条件必须满足下式要求：(W/D)Z=0.4或或 0.5D-罐的直径罐的直径14Z-挡板数挡板数W-挡板宽度挡板宽度标准发酵罐的几何尺寸标准发酵罐的几何尺寸 H/D=1.74.0 d/D=1/21/3（ 0.3-0.5） W/D=1/81/12（ 0.08-0.12） B/D=0.81.0 (s/d) =1.02.5
