第五章发酵过程控制与优化

发酵过程控制与优化发酵过程控制与优化第五章第五章什么是发酵过程？什么是发酵过程？发酵过程：发酵过程：是指由生长繁殖的细胞是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往以往“发酵发酵”的全部领域，而且还包括的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。理过程和细菌采矿等过程。本章讲述的内容本章讲述的内容第一节第一节 发酵过程技术原理发酵过程技术原理第二节第二节 发酵条件的影响及其控制发酵条件的影响及其控制第三节第三节 泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制第四节第四节 发酵终点的判断与自溶监测发酵终点的判断与自溶监测第五节第五节 发酵染菌的防治及其处理发酵染菌的防治及其处理5.1 5.1 发酵过程技术原理发酵过程技术原理 代谢变化代谢变化:就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。的关系。目的：目的：了解生产菌种在具有合适的培养基、了解生产菌种在具有合适的培养基、pHpH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。控制。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)补料分批发酵补料分批发酵(Fed-batch fermentation)连续发酵连续发酵(Continuous fermentation)1.1.分批发酵的定义分批发酵的定义 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pHpH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。培养基成分减少，微生物得到繁殖。一、一、分批发酵分批发酵2.分批发酵的特点分批发酵的特点 微生物所处的环境在发酵过程中不断微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。而变化，是一个不稳定的过程。优点优点操作简单；操作简单；操作引起染菌的概率低。操作引起染菌的概率低。不会产生菌种老化和变异等问题。不会产生菌种老化和变异等问题。缺点缺点非生产时间较长、设备利用率低。非生产时间较长、设备利用率低。3.分批发酵的优缺点分批发酵的优缺点4.4.分批发酵的生长曲线分批发酵的生长曲线单细胞微生物5.分批发酵的类型分批发酵的类型 Pirets fermentation classification（按照产（按照产物生成与菌体生长是否同步）物生成与菌体生长是否同步）q生长关联型生长关联型(第一类型）第一类型）q生长无关联型（第二，三类型）生长无关联型（第二，三类型）二、补料分批发酵二、补料分批发酵 1.定义定义:补料分批发酵又称半连续发酵或流加分补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。补加新鲜培养基的发酵方式。2.补料分批发酵的优缺点补料分批发酵的优缺点n优点优点q使发酵系统中维持很低的基质浓度；使发酵系统中维持很低的基质浓度；q不会产生菌种老化和变异等问题。不会产生菌种老化和变异等问题。n缺点缺点q存在一定的非生产时间；存在一定的非生产时间；q和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。了染菌的危险。3.补料分批发酵的类型补料分批发酵的类型n补料方式补料方式q连续流加连续流加q不连续流加不连续流加q多周期流加多周期流加n补料成分补料成分q单一组分流加单一组分流加q多组分流加多组分流加n控制方式控制方式q反馈控制反馈控制q无反馈控制无反馈控制三、连续发酵三、连续发酵 1.1.定义定义 ：培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产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，使发酵罐内料液量维持恒定，微生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、恒定的产物浓度、物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的恒定的pHpH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。的发酵方式。2.连续发酵的优缺点连续发酵的优缺点n优点优点q能维持低基质浓度；能维持低基质浓度；q可以提高设备利用率和单位时间的产量；可以提高设备利用率和单位时间的产量；q便于自动控制。便于自动控制。n缺点缺点q菌种发生变异的可能性较大菌种发生变异的可能性较大；q要求严格的无菌条件。要求严格的无菌条件。3.连续发酵的类型连续发酵的类型n恒化培养：恒化培养：使培养基中限制性基质的浓度保持恒定。使培养基中限制性基质的浓度保持恒定。n恒浊培养：恒浊培养：使培养基中菌体的浓度保持恒定。使培养基中菌体的浓度保持恒定。4.连续发酵的代谢曲线连续发酵的代谢曲线 从分批培养出发，无论在哪从分批培养出发，无论在哪个时候开始加入新鲜培养基过渡个时候开始加入新鲜培养基过渡到连续操作，达到一定的菌体浓到连续操作，达到一定的菌体浓度及限制基质浓度则培养系统一度及限制基质浓度则培养系统一定能成为稳定状态。定能成为稳定状态。5.2 5.2 发酵条件的影响及其控制发酵条件的影响及其控制 发酵条件控制的目的：就是要为生发酵条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。要的代谢活动得以最充分的表达。一、温度对发酵的影响及控制一、温度对发酵的影响及控制1.影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素 产热因素：生物热，搅拌热。产热因素：生物热，搅拌热。散热因素：蒸发热，辐射热。散热因素：蒸发热，辐射热。发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射 生物热：生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2,NH3时释放出的大量能量。时释放出的大量能量。用途：用途：合成高能化合物，合成高能化合物，供微生物生命代谢活动供微生物生命代谢活动 热能散发热能散发 影响生物热的因素：影响生物热的因素：生物热随菌株，培养基，发酵时期生物热随菌株，培养基，发酵时期的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对的不同而不同。生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。应关系。实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的产量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈代谢十分旺盛。新陈代谢十分旺盛。1、抗生素相对活性为12、抗生素相对活性为0.5发酵过程中生物热的变化发酵过程中生物热的变化 搅拌热：搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热。蒸发热：蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。发；蒸发所需的热量即为蒸发热。辐射热：辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过的热量。辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超过发酵热的发酵热的5%。发酵热的测定发酵热的测定（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内的发酵热。口温度，由下式求得这段时间内的发酵热。（2）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再）通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自控装置测得温度随时间上升的速率关闭自控装置测得温度随时间上升的速率S，按下，按下式可求得发酵热：式可求得发酵热：影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响各种酶的反应速率和蛋白质性质n影响发酵液的物理性质影响发酵液的物理性质n影响生物合成的方向。影响生物合成的方向。q例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于于30 30 温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提温度下，该菌种合成金霉素能力较强。当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达高，合成四环素的比例也提高。在温度达3535则只产生四则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。环素而金霉素合成几乎停止。2 温度对发酵的影响温度对发酵的影响 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。菌体生长阶段有关。最适发酵温度的选择最适发酵温度的选择在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一定好。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择要参考其它发酵条件。温度的选择还应考虑培养基成分和浓度温度的选择还应考虑培养基成分和浓度3 3 最适温度的确定最适温度的确定 发酵罐：夹套（发酵罐：夹套（10 M3以下）以下）盘管（蛇管）盘管（蛇管）（10 M3以上）以上）4 温度的控制温度的控制二、二、pH对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制 发酵过程中培养液的发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。尽管多数微生物能在尽管多数微生物能在34个个pH单位的单位的pH范围内范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。在很窄的范围内保持恒定。1.pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响npH影响酶的活性影响酶的活性npH影响微生物细胞膜所带电荷的状态影响微生物细胞膜所带电荷的状态npH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解npH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的不同，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质量和比例发生改变2.发酵过程中发酵过程中pH的变化的变化v生长阶段生长阶段v生成阶段生成阶段v自溶阶段自溶阶段v碳源过量碳源过量v消泡油添加过量消泡油添加过量v生理酸性物质的存在生理酸性物质的存在3 引起引起pH下降的因素下降的因素v氮源过多氮源过多v生理碱性物质的存在生理碱性物质的存在v中间补料，碱性物质添加过多中间补料，碱性物质添加过多4 引起引起pH上升的因素上升的因素 原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根据实验结果确定。实验结果确定。最适最适pHpH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pHpH范围。范围。5 最适最适pH的选择的选择v调节基础培养基的配方调节基础培养基的配方v调节碳氮比（调节碳氮比（C/NC/N）v添加缓冲剂添加缓冲剂v补料控制补料控制q直接加酸加碱直接加酸加碱q补加碳源或氮源补加碳源或氮源6 pH的控制的控制n大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示：C6H 12O6 十十6O26H2O十十6CO2 n只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。n氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右倍左右(氧在水中氧在水中的饱和度约为的饱和度约为l0mg/L)。许多发酵的生产能力受到氧利用。许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。三、氧对发酵的影响三、氧对发酵的影响1 发酵过程的溶氧变化发酵过程的溶氧变化发酵前期：发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降。需氧超过供氧，溶氧明显下降。发酵中后期：发酵中后期：溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的溶氧浓度明显地受工艺控制手段的影响，如补料的数量、时机和方式等。数量、时机和方式等。发酵后期：发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升。一旦菌体自溶，溶氧就会明显地上升。2 溶氧的控制溶氧的控制调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍）调节通风与搅拌（具体内容在通风发酵设备中介绍）限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维限制基础培养基的浓度，使发酵器内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。菌体生长率和呼吸率。四、四、CO2对发酵的影响及控制对发酵的影响及控制 CO2是微生物的代谢产物，同时也是某是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢的基质。它是细胞代谢的重要指些合成代谢的基质。它是细胞代谢的重要指标。在发酵过程中，标。在发酵过程中，CO2有可能对发酵有促有可能对发酵有促进作用，也有可能有抑制作用。进作用，也有可能有抑制作用。1.CO1.CO2 2对发酵的影响对发酵的影响 CO2对菌体具有抑制作用，当排气中对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度的浓度高于高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。例如，发酵液中发酵液中CO2的浓度达到的浓度达到1.610-1mol，就会严重抑制，就会严重抑制酵母的生长；当进气口酵母的生长；当进气口CO2的含量占混合气体的的含量占混合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低时，酵母活力与对照相比降低20%。CO2对发酵也有影响对发酵也有影响对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含发酵条件是提供的空气中要含5%的的CO2。对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、抗生素等发酵的抑制素等发酵的抑制影响发酵液的酸碱平衡影响发酵液的酸碱平衡l CO2及及HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送动性及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。效率，导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。l培养液中的培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位。主要作用于细胞膜的脂质核心部位。lHCO3-影响细胞膜的膜蛋白。影响细胞膜的膜蛋白。2.CO2对发酵影响的机理对发酵影响的机理3.CO2的控制的控制CO2在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律。它的大小受到许多因素的影响，一定的规律。它的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。在发酵气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。五、培养基对发酵的影响五、培养基对发酵的影响n发酵培养基必需满足微生物的能量、元素及特殊养分的发酵培养基必需满足微生物的能量、元素及特殊养分的需求：碳源、氮源、矿物质、特殊养分（嘌呤、嘧啶）需求：碳源、氮源、矿物质、特殊养分（嘌呤、嘧啶）n基质浓度对发酵的影响：低浓度有诱导作用，高浓度会基质浓度对发酵的影响：低浓度有诱导作用，高浓度会起分解代谢物阻遏作用；培养基过于丰富中，会使菌体起分解代谢物阻遏作用；培养基过于丰富中，会使菌体生长过盛，发酵液黏稠，影响传质。生长过盛，发酵液黏稠，影响传质。六、种子质量、灭菌情况六、种子质量、灭菌情况n接种种领、接种量接种种领、接种量n灭菌时间越长，对培养基中养分破坏越大。灭菌时间越长，对培养基中养分破坏越大。七、加糖补料对发酵的影响七、加糖补料对发酵的影响5.3 5.3 发酵过程中的泡沫及其控制发酵过程中的泡沫及其控制1.1.泡沫的性质泡沫的性质 泡沫是气体被分散在少量液体中泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔的胶体体系。泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程中所开而彼此不相连通。发酵过程中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体，连续相是发酵液。和代谢气体，连续相是发酵液。l一类存在于发酵液的液面上，这类泡沫气相所占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比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子分辫的界线。如在某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中所见到的。培养液中所见到的。l另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这另一种泡沫是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。中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。2 泡沫的类型泡沫的类型l由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）；l发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。发酵过程中产生的气体聚结生成（发泡性物质）。3 泡沫产生的原因泡沫产生的原因v降低发酵设备的利用率降低发酵设备的利用率v增加了菌群的非均一性增加了菌群的非均一性v增加了染菌的机会增加了染菌的机会v导致产物的损失导致产物的损失v消泡剂会给后提取工序带来困难消泡剂会给后提取工序带来困难4 4 泡沫对发酵的不利影响泡沫对发酵的不利影响v通气与搅拌的强度通气与搅拌的强度v培养基的配比及原材料组成培养基的配比及原材料组成v培养基的破坏程度培养基的破坏程度v接种量的大小接种量的大小v培养液本身性质的变化培养液本身性质的变化v培养基灭菌的方法和操作培养基灭菌的方法和操作v染菌染菌5 5 影响泡沫稳定的因素影响泡沫稳定的因素不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同搅拌速度和通气量对泡沫影响不同浓度蛋白质原科的起泡作用不同浓度蛋白质原科的起泡作用灭菌时间对泡沫稳定性的影响灭菌时间对泡沫稳定性的影响 6 6 发酵过程泡沫的变化发酵过程泡沫的变化7 发酵过程泡沫控制的方法发酵过程泡沫控制的方法n物理消沫法物理消沫法n化学消沫法化学消沫法物理消泡法物理消泡法方方 法法:罐内消沫法罐内消沫法,罐外消沫法。罐外消沫法。原原 理理:靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡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。沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。优优 点：不需要引进外界物质、节省原材料、减少污点：不需要引进外界物质、节省原材料、减少污染机会。染机会。缺缺 点：不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。点：不能从根本众消除引起稳定泡沫的因素。化学消泡法化学消泡法 机机 理理n当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电当泡沫的表层存在着由极性的表面活性物质形成双电层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，层时，可以加入另一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强曲或加入某些具有强极性的物质以降低泡沫的机械强曲或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液与发泡剂争夺液 膜上的空间，降低液膜强度，使泡膜上的空间，降低液膜强度，使泡沫破裂。沫破裂。n当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时，可以加入某些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。液膜的液体流失，导致泡沫破裂。选择消泡剂的依据选择消泡剂的依据n对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成。物合成。n消泡作用迅速，效果高和持久性能好消泡作用迅速，效果高和持久性能好n能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物。备无腐蚀性或不形成腐蚀性产物。n不影响以后的提取过程。不影响以后的提取过程。n消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单。消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单。n不干扰分析系统，如溶解氧、不干扰分析系统，如溶解氧、pHpH测定仪的探头。测定仪的探头。n最好还能做到不影响氧的传递。最好还能做到不影响氧的传递。消泡剂的种类和性能消泡剂的种类和性能n天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、鱼油及猪油等。子油、鱼油及猪油等。n聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚醚类：在生产上应用较多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油聚氧乙烯氧丙烯甘油(又称泡敌又称泡敌)。n高级醇类高级醇类 十八醇是较常用的一种，可以单独或十八醇是较常用的一种，可以单独或与载体与载体起使用。据报导，它与冷榨猪油一起控起使用。据报导，它与冷榨猪油一起控制青男素发酵的泡沫，效果较好。聚二酵具有消制青男素发酵的泡沫，效果较好。聚二酵具有消沫效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。沫效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。n硅酮类硅酮类 硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及硅酮类消沫剂主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。其衍生物。5.4 发酵终点的判断与自溶监测发酵终点的判断与自溶监测n发酵终点的判断的意义：发酵终点的判断的意义：保证产品质量，提高经济效益；追求提高产率（保证产品质量，提高经济效益；追求提高产率（kg产物产物m3发酵液发酵液)h，得率（转化率）（，得率（转化率）（kg产物产物 kg基质）和发酵系数（基质）和发酵系数（kg产物产物 m3罐容积）罐容积）h发酵周期发酵周期 一、发酵终点的判断一、发酵终点的判断n合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据不同的合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的生产率和发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的生产率和产品成本，采用生产率高而成本又低的时间，作为产品成本，采用生产率高而成本又低的时间，作为放罐时间。确定合理放罐时间，需考虑下列几个因放罐时间。确定合理放罐时间，需考虑下列几个因素：素：经济因素、产品质量因素、特殊因素。经济因素、产品质量因素、特殊因素。二、判断放罐指标二、判断放罐指标n产物浓度、过滤速度、氨基氮、菌丝形态，产物浓度、过滤速度、氨基氮、菌丝形态，pH、培养液的外观、粘度、培养液的外观、粘度n无论是初级代谢产物或次级代谢产物发酵，到了末无论是初级代谢产物或次级代谢产物发酵，到了末期，菌体的分泌能力都要下降，使产物的生产能力期，菌体的分泌能力都要下降，使产物的生产能力下降或停止，有的生产菌在发酵末期，营养耗尽，下降或停止，有的生产菌在发酵末期，营养耗尽，菌体衰老而进入自溶，释放出体内的分解酶会破坏菌体衰老而进入自溶，释放出体内的分解酶会破坏已形成的产物。已形成的产物。微生物因营养的缺乏或处在不利的生长微生物因营养的缺乏或处在不利的生长环境下受其自身作用开始裂解的过程环境下受其自身作用开始裂解的过程。n造成自溶的因素有：化学物质，如高浓度的乙醇、造成自溶的因素有：化学物质，如高浓度的乙醇、碳氮源或氧的缺乏。碳氮源或氧的缺乏。5.5 染菌的防治及处理染菌的防治及处理n染菌的途径：染菌的途径：种子包括进罐前菌种室阶段出问题种子包括进罐前菌种室阶段出问题;培养基的配制和灭菌不彻底培养基的配制和灭菌不彻底;空气带菌；空气带菌；设备上特别空气除菌不彻底和过程控制；设备上特别空气除菌不彻底和过程控制；操作上的疏漏。操作上的疏漏。n染菌对发酵的影响染菌对发酵的影响 1、对产品质量的影响、对产品质量的影响 染菌的发酵液含有较多的蛋白质和其它杂质，影响产品纯度；不染菌的发酵液含有较多的蛋白质和其它杂质，影响产品纯度；不易澄清，易澄清，影响产品的外观。影响产品的外观。2、对过滤的影响、对过滤的影响 发酵液的粘度加大；菌体大多自溶；造成过滤时间拉长，影响设发酵液的粘度加大；菌体大多自溶；造成过滤时间拉长，影响设备的周转使用，备的周转使用，3、对提取的影响、对提取的影响 染菌的发酵液含有更多的水溶性蛋白质，易发生乳化，不易提取；染菌的发酵液含有更多的水溶性蛋白质，易发生乳化，不易提取；杂菌易粘附，纯化困难。杂菌易粘附，纯化困难。4、由于泡沫大量生成，致使培养液的容量一般只能、由于泡沫大量生成，致使培养液的容量一般只能等于种子罐容量的一半左右，大大影响了设备的利等于种子罐容量的一半左右，大大影响了设备的利用率，甚至发生跑料，招致染菌，造成巨大损失。用率，甚至发生跑料，招致染菌，造成巨大损失。n防治措施防治措施 分析原因，具体解决。分析原因，具体解决。作作 业业n什么是分批发酵、补料分批发酵和连续发酵，什么是分批发酵、补料分批发酵和连续发酵，它们各有何优缺点？它们各有何优缺点？n发酵过程中引起发酵液发酵过程中引起发酵液pH变动的原因有哪些？变动的原因有哪些？n染菌对发酵有何影响，可能的途径是什么？染菌对发酵有何影响，可能的途径是什么？n发酵终点的放罐时间如何确定，需考虑哪些因发酵终点的放罐时间如何确定，需考虑哪些因素？素？第六章第六章 发酵过程的参数检测发酵过程的参数检测物理参数物理参数化学参数化学参数生物参数生物参数一、物理参数一、物理参数1.1.温度温度 指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。温度的高低与下列参数有密切关系温度的高低与下列参数有密切关系l发酵中的酶反应速度发酵中的酶反应速度l菌体生长速度，产物合成速度菌体生长速度，产物合成速度l氧在培养液中的溶解度，传递速度氧在培养液中的溶解度，传递速度发酵罐维持的压力。发酵罐维持的压力。l罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培养。种培养。l罐压的高低与氧，罐压的高低与氧，CO2在培养液中的溶解度有关，间接在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。影响菌体代谢。l罐压一般维持在罐压一般维持在0.20.5公斤。公斤。2.压力压力 3.搅拌转速搅拌转速是指搅拌器在发酵罐是指搅拌器在发酵罐中转动速度。中转动速度。搅拌转速大小与发酵搅拌转速大小与发酵液的均匀性和氧在发液的均匀性和氧在发酵液中的传递速率有酵液中的传递速率有关。关。发酵罐的容积发酵罐的容积(L)搅拌转速范围搅拌转速范围(r/min)3200200010200120030150100050100800200504005005030010000252005000025160指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。一般控制在一般控制在0.11.0 vvm之间。之间。4 4 空气流量空气流量粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。在发酵过程中通常用表观粘度表示。在发酵过程中通常用表观粘度表示。粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可表示相对菌体浓度。粘度的大小可表示相对菌体浓度。5 粘度粘度能及时反映单细胞生长状况。能及时反映单细胞生长状况。6 浊度浊度二、化学参数二、化学参数1 pH发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综合结发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综合结果，与菌体生长和产物合成有重要的关系果，与菌体生长和产物合成有重要的关系。pH的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。系。指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的浓度。指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的浓度。基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。2 基质浓度基质浓度氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质。终电子受体，也是合成某些产物的基质。利用利用DODO浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。3 溶解氧（溶解氧（DO）浓度）浓度 培养基氧化还原电位是影响微生物生长及其生培养基氧化还原电位是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。化活性的因素之一。4 4 氧化还原电位氧化还原电位 是发酵产物产量高低，代谢正常与否的是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。5.产物浓度产物浓度 尾气中尾气中O O2 2浓度与生产菌的摄氧率和浓度与生产菌的摄氧率和K KLaLa有关。有关。尾气中尾气中COCO2 2是产生菌呼吸放出的是产生菌呼吸放出的COCO2 2 。从尾气中从尾气中O O2 2和和COCO2 2浓度的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼浓度的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力。从而了解产生菌的呼吸代谢规律。吸商和发酵罐的供氧能力。从而了解产生菌的呼吸代谢规律。6.尾气尾气O2浓度和浓度和CO2浓度浓度 菌体菌体RNA,DNARNA,DNA含量，以及含量，以及ATP,ADP,AMPATP,ADP,AMP体体系，系，NAD(P)-NAD(P)HNAD(P)-NAD(P)H体系。分别表示菌体生长情况，体系。分别表示菌体生长情况，能量代谢能力，生物合成能力。能量代谢能力，生物合成能力。7.其它参数其它参数三、生物参数三、生物参数1.菌（丝）体浓度（生物量菌（丝）体浓度（生物量biomass）菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有影响，菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有影响，特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵，菌体浓度与特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵，菌体浓度与培养液的粘度，培养液的粘度，DO都有关。都有关。四、间接参数四、间接参数 根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率。和产物比生产速率。摄氧率摄氧率r：单位体积培养液每小时所消耗的氧量（：单位体积培养液每小时所消耗的氧量（mmol/L.h）1.1.摄氧率摄氧率212(/WrVXOVL hWLQCCCO入出入）：空气流量（）：发酵液体积（）：空气进口浓度呼吸强度呼吸强度QO2：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量（量（mmol/g.h）2.呼吸强度呼吸强度2:rXOrXQ摄氧率：干菌体浓度呼吸商呼吸商RQ：发酵过程中氧的消耗比速与二氧化碳：发酵过程中氧的消耗比速与二氧化碳生成比速的商生成比速的商 3.呼吸商呼吸商2222COOCEROURQCORQQO摩尔生成速率（或）摩尔消耗速率（或）参数名称参数名称单位单位测试方法测试方法意义、主要作用意义、主要作用温度温度罐压罐压空气流量空气流量搅拌转速搅拌转速搅拌功率搅拌功率粘度粘度浊度浊度泡沫泡沫体积氧传质系数体积氧传质系数KLa CPaV/V.minR/minKWPa.s透光度透光度 l/h 传感器传感器压力表压力表传感器传感器传感器传感器传感器传感器粘度计粘度计传感器传感器传感器传感器间接计算间接计算 维持生长、合成维持生长、合成维持正压、增加溶氧维持正压、增加溶氧供氧、排泄废气、提高供氧、排泄废气、提高KLa物料混合、提高物料混合、提高KLa反映搅拌情况、反映搅拌情况、KLa反映菌的生长、反映菌的生长、KLa反映菌的生长情况反映菌的生长情况反映发酵代谢情况反映发酵代谢情况反映供氧效率反映供氧效率 物理参数物理参数参数名称单位测试方法意义、主要作用pH基质浓度基质浓度溶解氧浓度溶解氧浓度氧化还原电位氧化还原电位产物浓度产物浓度尾气氧浓度尾气氧浓度尾气尾气CO2浓度浓度菌体浓度菌体浓度RNA、DNA含量含量ATP、ADP、AMPNADH含量含量摄氧率摄氧率呼吸强度呼吸强度呼吸商呼吸商比生长速率比生长速率 g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌菌.h 1/h 传感器传感器取样取样传感器传感器传感器传感器取样取样传感器传感器传感器传感器取样取样取样取样取样取样取样取样间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算间接计算 了解生长和产物合成了解生长和产物合成了解生长和产物合成了解生长和产物合成反映氧供需情况反映氧供需情况反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况产物合成情况产物合成情况了解耗氧情况了解耗氧情况了解菌的呼吸情况了解菌的呼吸情况了解生长情况了解生长情况了解生长情况了解生长情况了解能量代谢活力了解能量代谢活力了解菌的合成能力了解菌的合成能力了解耗氧速率了解耗氧速率了解比耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代谢途径了解菌的代谢途径了解生长了解生长 化学、生物参数化学、生物参数n目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、速、pHpH、溶氧、基质浓度、菌体浓度、溶氧、基质浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细干重、离心压缩细胞体积胞体积%)%)等。等。n不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的OO2 2和和COCO2 2含量等。含量等。n参数测定方法有：参数测定方法有：q在线测定在线测定q取样测定（离线测定）取样测定（离线测定）参数在线测定的优点及问题参数在线测定的优点及问题优点：优点：主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制。便于用计算机控制。问题：问题：发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三相，发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三相，即液、气、固体不溶物或油；即液、气、固体不溶物或油；发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难。各种传感器的制造带来很大的困难。发酵工业用的传感器应满足的要求发酵工业用的传感器应满足的要求 1)传感器能经受高压蒸汽灭菌；传感器能经受高压蒸汽灭菌；2)传感器及其二次仪表具有长期稳定性；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；3)最好能在过程中随时校正；最好能在过程中随时校正；4)探头材料不易老化，使用寿命长；探头材料不易老化，使用寿命长；5)探头安装使用和维修方便；探头安装使用和维修方便；6)解决探头敏感部位被物料解决探头敏感部位被物料(反应液反应液)粘住、堵塞问题；粘住、堵塞问题；7)价格合理，便于推广应用。价格合理，便于推广应用。第四节第四节 发酵过程的自动控制发酵过程的自动控制n发酵过程的自动控制是根据过程变量的有效测量和对发酵过发酵过程的自动控制是根据过程变量的有效测量和对发酵过程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和计算机组成的控程变化规律的认识，借助于由自动化仪表和计算机组成的控制器，控制一些发酵的关键变量，达到控制发酵过程的目的。制器，控制一些发酵的关键变量，达到控制发酵过程的目的。包括三方面内容：包括三方面内容：q与发酵过程的未来状态相相联系的控制目标（温度、与发酵过程的未来状态相相联系的控制目标（温度、pHpH、生物量、生物量、浓度）；浓度）；q一组可供选择的控制动作（阀门的开或关、一组可供选择的控制动作（阀门的开或关、泵的开泵的开动或停止）；动或停止）；q能够预测控制动作对过程状态影响的模型（用能够预测控制动作对过程状态影响的模型（用 加入基加入基质的浓度和速率控制细胞生长率时，表质的浓度和速率控制细胞生长率时，表 达两者之间关达两者之间关系的数学式）系的数学式）n三者互相联系、互相制约，组成具有特定三者互相联系、互相制约，组成具有特定 自动自动控制功能的自控系统。控制功能的自控系统。对发酵过程进行自动控制的优点对发酵过程进行自动控制的优点n提高产品的得率；提高产品的得率；n改进产品的质量；改进产品的质量；n降低后续加工过程的损耗；降低后续加工过程的损耗；n在整个操作过程中能稳定的保持最优条件；在整个操作过程中能稳定的保持最优条件；n提高对原料质量波动的适应性；提高对原料质量波动的适应性；n减少认为因素的影响；减少认为因素的影响；n提高工厂的生产效率；提高工厂的生产效率；n降低能耗；降低能耗；n降低分析和操作成本。降低分析和操作成本。存在的问题存在的问题n发酵是一个较复杂的生化反应过程，大滞发酵是一个较复杂的生化反应过程，大滞后和时变性是其主要特征。后和时变性是其主要特征。n传感器传感器q不能蒸汽灭菌；不能蒸汽灭菌；q会和产品发生反应；会和产品发生反应；q过分敏感。过分敏感。发酵自控系统的硬件组成发酵自控系统的硬件组成传感器传感器变送器变送器执行机构执行机构转换器转换器过程接口过程接口监控计算机监控计算机发酵自控系统的硬件组成发酵自控系统的硬件组成Si g na l c o nve rte ra m p l i fi e rpH,pO,2Temp.,stirrer,weight(volume),air flowp H RI CTem p e ra tur e,RI Cp O RI2sti rr e r RI CADC FermenterProcess control systemVisualisationw e i g ht RI CDACSi g na l c o nve rte ra m p l i fi e rweight(volume),conductivity,pHADC PeripherieExhaust gas analysisO2CO2InterfaceSub stra te-fe e d ta nkweight RICw e i g ht RI CFermentation process monitoring and contol Pum pb a sePum pMeasurement signalsControl Media streamS ur eCooling waterHot watersteamw e i g ht RI Cw e i g ht RI Cw e i g ht RI Cw e i g ht RI Cweight RICAirflowcontrollerOutflowwatera i r-fi l te rAi r i nanti-foamsensora nti fo a m RI CR.recordI.indicateC.controlFeed ICADC Analog to Digital ConverterDAC Digital to Analog ConverterC ond uc ti vi ty RIp H RI C第六节第六节 发酵过程优化发酵过程优化一、概述一、概述n如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？n以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开始，要使优良菌株的潜力充分发仅仅是一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必须优化其发酵过程，以获得较高挥出来，还必须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度的产物浓度(便于下游处理便于下游处理)、较高的底物转化、较高的底物转化率率(降低原料成本降低原料成本)和较高的生产强度和较高的生产强度(缩短发酵缩短发酵周期周期).).1 1、发酵过程优化的主要研究内容、发酵过程优化的主要研究内容n第一个方面是细胞生长过程研究第一个方面是细胞生长过程研究n第二个方面是微生物反应的化学计量第二个方面是微生物反应的化学计量n第三个方面是生物反应过程动力学的研究（主要研究第三个方面是生物反应过程动力学的研究（主要研究生物反应速率及其影响因素）生物反应速率及其影响因素）n第四个方面的内容是生物反应器工程（包括生物反应第四个方面的内容是生物反应器工程（包括生物反应器及参数的检测与控制）器及参数的检测与控制）.2、发酵过程优化的目标n使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使能地简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程的进行。之最适于特定发酵过程的进行。n发酵过程优化的基础是进行生物反应宏观动力学和发酵过程优化的基础是进行生物反应宏观动力学和生物反应器的研究。生物反应器的研究。3、如何实现发酵过程的优化控制？、如何实现发酵过程的优化控制？生物反应过程动力学生物反应过程动力学动力学模型的建立动力学模型的建立发酵过程优化控制发酵过程优化控制实现发酵过程优化控制的过程实现发酵过程优化控制的过程n建立动力学模型的目的：是为了模拟实验过程，对适用性很强的动力学模型，还可以推测待测数据，进而确定最佳生产条件n发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立非结构模型n把细胞视为单组分，则环境的变化对细胞组成的影响可被忽略，即细胞的生长处于所谓的平衡生长状态，此基础上建立的模型称为非结构模型n非结构模型是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起的经验或半经验关联模型n由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同，即细胞生长处于非均衡状态时，必须运用从生物反应机理出发推导得到的结构模型n在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型结构模型n生物反应器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等n是影响微生物反应宏观动力学的重要因素生物反应器工程的研究内容n20世纪40年代初抗生素工业的兴起，标志着发酵工业进入了一个新阶段n40年代末一门反映生物和化工相交叉的学科生化工程诞生n1954年,Hasting指出,生化工程要解决的十大问题是深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害n1964年Aiba等人认为通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中放大是生化工程的焦点n20世纪60年代中期，建立了无菌操作的一整套技术4、发酵过程优化的研究进展、发酵过程优化的研究进展n1973年Aiba等人进一步指出，在大规模研究方面，仅仅把重点放在无菌操作、通气搅拌等过程的物理现象解析和设备的开发上是不够的，应当进一步开展对微生物反应本质的研究n1979年，日本学者山根恒夫编著了生物反应工程一书，认为生物反应工程是一门以速度为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学n1985年，德国学者卡尔许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面的内容一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及反应器本身，特别是不同的反应器对生物化学和物理过程的影响n目前一般认为生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应过程优化和控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科n生物反应工程的研究主要采用化学动力学、传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学原理，也涉及到生物化学、微生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领域，因此是一门综合性很强的边缘学科n生化反应工程的核心是生物反应过程的数量化处理和动力生物反应过程的数量化处理和动力学模型的建立学模型的建立，实现发酵过程优化则是生物反应工程的研究目标(1)(1)生物模型；生物模型；(2)(2)传感器技术；传感器技术；(3)(3)适用于生物过程的最优化技术；适用于生物过程的最优化技术；(4)(4)系统动力学；系统动力学；(5)(5)计算机计算机检测系统检测系统发酵罐之间的接口技发酵罐之间的接口技术术实现发酵过程的优化与控制，必须解决的五个问题: