3）液膜阻力（1/kL ）：为从气-液界面至液体主流间的液膜阻力，与发酵液的成分和浓度有关 4）液流阻力（1/kIB）：液体主流中传递的阻力；也与发酵液的成分和浓度有关。 2、耗氧方面的阻力
1）细胞周围液膜阻力（1/kIC） 与发酵液的成分和浓度有关。 2）固液界面的传递阻力1/kIS 与微生物的生理特性有关。
3）菌丝丛或细胞团内的扩散阻力（1/kA） 与微生物的种类、生理特性状态有关。 4）细胞壁的阻力（1/kW）：
与微生物的生理特性有关。 5）细胞内反应阻力（1/kR）：
与微生物的种类、生理特性有关。 3溶氧传递系数的测定方法 （1） 亚硫酸盐氧化法
（2）取样极谱法
(3)物料衡算法
对发酵液中的氧进行物料衡算
（4）动态法
发酵过程中停止通气片刻，人为制造一个不稳定状态来求KLa。 优点：可以测定真实培养状态下发酵液中溶解氧浓度，并可计算出溶氧系数。 缺点：人为停止通气后的情况与在发酵罐中连续通气的实际情况会有一定的差异，而且停止通气会影响微生物的正常生长，因而存在一定的误差。
(5)复膜电极法
4影响氧传递速率的主要因素
据氧传质方程 OTR = KL · a · (C* - CL)
影响供氧的主要因素是推动力(C* - CL) 和体积氧传递系数KLa。
①设备参数 发酵罐的形状，结构（几何参数）搅拌器，空气分布管（几何参数） 搅拌：转速N，搅拌功率PG
② 操作条件 通气：空气线速度 发酵液体积V，液柱高度HL ③发酵液的性质：如影响发酵液性质的表面活性剂、离子强度、菌体量. 5溶解氧连续检测的意义
溶解氧的大小是发酵过程控制的重要参数。
在发酵过程中连续测定发酵液中溶解氧浓度的变化，可随时掌握发酵过程的供氧、需氧情况，为准确判断设备的通气效果提供可靠数据，以便有效控制发酵过程，这实现发酵过程的自动化控制创造条件。 6溶解氧的测定方法 化学法 极谱法 压力法
7控制溶解氧的工艺手段
1.改变通气速率（通气量的改变）
在低通气量的条件下，增大通气量对提高Kla效果明显
在通气量已经很大的条件下，再增大通气量，效果不明显，甚至会产生副作用。
6
2.改变搅拌速度 较明显的增加Kla
通气泡沫被充分粉碎，增加了有效气液接触面积；
使气泡周围的液膜和菌体周围的液膜厚度减小，并延长了气泡在液体中的停留时间 3、改变气体组成中的氧分压
即改变了空气中的氧浓度，因而提高了C*值，从而提高了供氧能力。该法在动植物培养体系中，已用于短时间提高溶氧。 4、改变罐压 效果有限
5、改变发酵液的理化性质 6、加入传氧中间介质
气膜阻力： 液膜阻力： 传递阻力： 双膜理论：
溶氧传递系数Kla:
摄氧率：单位时间内单位体积培养液中微生物摄取氧的量 第六章、微生物发酵机理 一、酒精甘油发酵机制 1.酵母菌的酒精发酵
酿酒酵母能够通过EMP途径进行同型酒精发酵，即由EMP途径代谢产生的丙酮酸经过丙酮酸脱氢酶催化脱羧放出CO2，同时生成乙醛，乙醛接受糖酵解过程中释放的NADH+H+被还原成乙醇。这是一个低效的产能过程，大量能量仍然贮存于乙醇中，其总反应为：
2．细菌的酒精发酵
少数假单孢杆菌 能利用葡萄糖经ED途径进行酒精发酵。 3.甘油的发酵机制
1.亚硫酸盐法甘油发酵 （酵母菌的II型发酵）
酵母菌在酒精发酵时，如加入亚硫酸氢钠等盐类，它能与乙醛起加成作用，生成难溶的结晶状亚硫酸纳加成物，这样就使乙醛不能作为受氢体，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体，在α- 磷酸甘油脱氢酶（NAD为辅酶）催化下生成α- 磷酸甘油，后者在α- 磷酸甘油磷酸酯酶催化下生成α- 甘油。
2.碱法甘油发酵 （酵母菌的III型发酵）
酒精酵母的发酵液在保持碱性（pH7.6以上）的条件下，乙醛不能作为正常的受氢体，乙醛在碱性溶液里2分子乙醛之间发生歧化反应，相互氧化还原，生成等量的乙醇和乙酸。此时，由3－磷酸甘油醛脱氢生成的 NADH+H+用来还原磷酸二羟丙酮，并进而生成甘油．
碱法甘油发酵的产品有甘油、乙醇、乙酸，也不产生ATP ，所以此法只能在酵母的非生长情况下进行发酵。
二、乳酸发酵机制
分为同型乳酸发酵和异型乳酸发酵两种类型，前者发酵产物只有乳酸，后者的产物除乳酸还有乙醇和CO2 。两者的发酵菌种不同，发酵机制也不同。
同型乳酸发酵是乳酸菌利用葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸。由于大多数乳酸菌不具有脱羧酶，因此酮酸
7
不能脱酸生成乙醛，而在乳酸脱氢酶氧化下（需还原型辅酶Ⅰ）丙酮酸为受氢体被还原为乳酸。
异型乳酸发酵 以磷酸酮途径进行糖代谢的微生物，葡萄糖发酵产物除生成乳酸之外还有比例较高的乙醇和CO2 。：6-磷酸葡萄糖酸径 和双歧途径。 四、醋酸发酵机制
三个阶段：1原料（淀粉）的液化与糖化 2酒精发酵 3 醋酸发酵。 1. 醋杆菌发酵酒精成醋酸
乙醇向醋酸转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。 2.热醋酸梭酶生产生产醋酸。
热醋酸梭菌在发酵糖类时，由糖到醋酸一步完成，该菌没有氢化酶活性，不能利用氢气。可以将CO2还原为醋酸。 CO2是通过甲酰四氢叶酸（THF）和类咕啉蛋白形成醋酸的。 五、氨基酸发酵的代谢控制
1.控制发酵的环境条件
2.控制细胞渗透性(措施：通过加表面活性剂或青霉素来增进细胞膜通透性。) 3.控制旁路代谢
4.降低反馈作用物的浓度：
5.消除终产物的反馈抑制与阻遏：抗氨基酸结构类似物突变株 6.促进ATP的积累，以利于氨基酸的生物合成 六、谷氨酸发酵机制
谷氨酸族氨基酸的生物合成途径有EMP途径、HMP途径、TCA循环、乙醛酸循环和CO2固定反应。 谷氨酸产生菌大多为生物素缺陷型，谷氨酸发酵时通过控制生物素亚适量，使最后一代细菌细胞变型拉长，改变了细胞膜的通透性，引起代谢失调。使谷氨酸得以积累。谷氨酸高产菌应丧失或仅有微弱的α-酮戊二酸脱氢酶活力，使α-酮戊二酸不能继续氧化。 谷氨酸产生菌的生化特征 1 生物素缺陷型
2 具有CO2 固定反应的酶系
3.α-酮戊二酸脱氢酶酶活性微弱或丧失 4.菌体有强烈的L-谷氨酸脱氢酶活性
5.谷氨酸产生菌体内的NADPH氧化能力欠缺或丧失 七、核苷酸发酵机制
嘌呤核苷酸的生物合成途径 全合成途径 补救合成途径
第七章 发酵动力学
二、生物反应和动力学分类
（1）根据菌体生长与产物形成是否偶联分类： ①偶联型②非偶联型③混合型 （3）根据反应形式分类 ①简单反应型; ②并行反应型; ③串联反应型; ④分段反应型; ⑤复合型 三.发酵方法
8
1.分批发酵法：分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。 分批发酵过程中，微生物生长通常要经历停滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期四个阶段
2.补料分批发酵法
在发酵过程中，不连续地向发酵罐内加入培养基。 优点：（1）使发酵系统中维持很低的基质浓度； （2）避免培养基积累有毒代谢物 3. 连续发酵：
在发酵过程中，连续向发酵罐流加培养基，同时以相同流量从发酵罐中取出培养液。 连续发酵特点：
添加培养基的同时，放出等体积发酵液，形成连续生产过程，获得相对稳定的连续发酵状态。 连续发酵类型： 1.开放式连续发酵：
2.封闭式连续发酵：菌体仍然保留在发酵罐内，它不会随着发酵液流出发酵罐。
3.透析膜连续发酵 ：采用微孔有机膜将发酵设备分隔，只让发酵产物通过，而菌体细胞不能通过。
四、分批培养（batch culture） 指在一个密闭系统内，投入有限数量营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养。使微生物生长繁殖，在特定条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。 细胞在分批培养过程中各个生长阶段的细胞特征。
1、停滞期：适应新环境的过程，细胞个体增大，合成新的酶和细胞物质，细胞数量很少增加，微生物对不良环境的抵抗力降低。当接种的是饥饿或老龄的微生物细胞，或新鲜培养基培养不丰富时停滞期将延长。
2、对数生长期:细胞活力很强，生长速率达到最大值且保持稳定，生长速率大小取决于培养基的营养和环境。
3、稳定期：随着营养物质的消耗和产物的积累，微生物的生长速率下降。并等于死亡速率，系统中活菌的数量基本稳定。
4、衰亡期：在稳定期开始以后的不同时期内，由于自容酶的作用或产物的影响，式细胞破裂死亡。 细胞得率系数：消耗1g营养物质生成的细胞的质量。单位为克。 产物得率系数：消耗1g营养物质生成的产物的质量。单位为克。 五、分批培养过程的生产率
第三篇 发酵工程的过程控制（第八章至第十章）
第八章 发酵设备与反应器 一、反应器的分类
根据生物作用剂的不同分为：酶催化反应器 和 细胞反应器
根据细胞或组织的代谢要求等可分为： 厌氧生物反应器 好氧生物反应器 光照生物反应器
9
膜生物反应器
二、反应器的设计目标和原则 基本条件：1.严密的结构； 2.良好的液体混合性能； 3.较高的传质、传热性能； 4.结构简单，能耗低；
5.配备而又可靠的检测和控制仪表。 反应器设计原则 ：
（1）生物反应器应具有适宜的径高比； （2）能承受一定的压力；
（3）有搅拌通风装置的反应器，应当能使气液固三相充分 混合，满足物料必须的溶氧需求； （4）反应器应具有良好的循环冷却和加热系统 （5）反应器应尽量减少死角 ；
（6）尽量减少法兰连接，防止法兰移位，先达成污染；
（7）保证灭菌工作的顺利进行，培养系统中已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接连通。
三、微生物细胞反应器——发酵罐 （一）、密闭厌氧式发酵罐 ：酒精 啤酒 丙酮 丁醇 乳酸等。 1、啤酒发酵罐。
圆筒体锥底发酵罐的特点
加速发酵，C.C.T发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦汁)和酵母对流获得强化，可加速发酵。 罐本身具有冷却装置，便于发酵温度的控制 。 底部为锥形便于生产过程中随时排放酵母 。
采用密闭罐，便于CO2洗涤和CO2回收，即可做发酵罐，也可做贮酒罐 。 可依赖CIP自动程序清洗消毒。 朝日罐 ：为微倾斜底的平底罐，
特点：离心机回收酵母，用薄板换热器冷却，用泵将发酵液抽出冷却后又送回罐内。 2.酒精发酵罐
? 结构较为简单，罐体采用圆柱形底盖或顶盖均为蝶形或锥形。在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐采用密闭式顶有人孔，视镜及二氧化碳回收管。 ? 进料管接种管压力表和测量仪表接口管等。
? 罐底装有排料口和排污口罐身上下装有取样口和温度计接中口对于型发酵罐。 ? 为了便于维修和清洗，在近罐底装有人孔。 冷却装置
中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外表面进行膜状冷却； 对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或罐外壁喷洒联合冷却。 洗涤装置 ：水力喷射洗涤装置。 （二）、好氧发酵罐 ：味精、柠檬酸、抗生素、酶制剂、氨基酸。 分类：机械搅拌式、自吸式、气升式等 四.发酵液的流变特性
1、牛顿型流体：凡是流体特性服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿行流体。酵母和细菌培养液多属于牛顿流体。
2、非牛顿型流体：不服从牛顿黏性定律 宾汉塑性流体
10