1、仿真实习是采用计算机多媒体来展示相关工艺的原理、设备结构和工作原理，采用仿真软件来模拟真实的工艺过程及其控制和操作，因此，仿真实习可以部分替代下厂实习，而且还可以让同学们了解到一些即使下厂也了解不到的内容。同时，仿真实习是在虚拟环境中进行的，对于同学们来说实习环境是安全的，教学平台是稳定的，学习的内容也具有很强的选择性，并且可以无限次的反复，这些都特别适合于同学们的实习与实践。但是要强调的是，仿真实习是以多媒体和数学模型为基础的，是进行了一定的假设和简化的，它与真实的生产还是存在一定差别的，仿真实习中体验的是典型的生产过程和一些典型的工程问题，它并不能完全代替下厂实习，因此，同学们在进行仿真实
2、习中一定要处理好仿真实习和下厂实习的关系，只有这样才能真正体验到工程学的实质。在学习方法上，同学们一定要注意理论知识和实践经验的结合。因为任何实际过程都有其内在机理和规律，但又有很强的随机性和不确定性，只根据理论不重视实践经验的积累会造成处理实际工程问题时的僵化、迟钝，甚至陷入主观主义的泥潭；相反，只注意经验不结合已学过的理论来指导实践就会像玩电子游戏一样必须通过无数次的试探才能得到固定条件下的“秘籍”，就像经验公式都有很严格的适用范围一样，条件或环境稍微改变，通过艰辛劳作得来的“秘籍”就可能立刻失效，因此实习中同学们一定要理论和实践紧密结合。青 霉 素 发 酵 仿 真 实 习 2 2 2 2
3、 目录目录目录目录 前 言 第 一 章：青 霉 素 生 产 微生物发酵 3 青霉素生产 4 工业发酵过程中的自动控制 7 DCS 控制系统 8 第 二 章：青 霉 素 发 酵 动 力 学 研究目的 10 青霉素发酵过程 10 青霉素发酵过程的参数 11 无抑制的细胞生长动力学模型 14 有抑制的细胞生长动力学模型 15 青霉素发酵过程的模型结构 16 青霉素发酵过程的动力学模型建立 17 青霉素发酵动力学模型的求解 28 第 三 章：青 霉 素 发 酵 的 控 制 与 操 作 发酵过程中各参数的相互关系 30 青霉素发酵过程控制 31 泡沫高度控制（消泡控制）31 发酵温度控制 31 发酵过程
4、 pH 控制 32 溶解氧浓度的控制 32 补料控制 32 染菌处理 33 经济性思考 35 第 四 章：仿 真 操 作 实 例 与 分 析 实例 1 39 实例 2 40 实例 3 41 实例 4 41 相 关 书 目 及 参 考 文 献 青 霉 素 发 酵 仿 真 实 习 3 3 3 3 青霉素生产 微生物发酵 人类在很早就开始利用微生物发酵生产酒，酱油，醋等生活用品，并积累了大量的经验，1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；因此可以用加热处理等方法来杀
5、死有害的微生物，防止酒发生质变，同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品，从此，发酵在这个不断发展的理论的指导下，取得了长足的发展并形成了一个工业体系。近年来，发酵工程又结合基因工程技术和计算机技术进入一个崭新的发展时期。发酵罐是现代微生物发酵技术的象征，它是微生物在发酵过程中生长、繁殖和形成产品的外部环境装置，它取代了传统的发酵容器：培养瓶、酱缸和酒窖，它能实现大规模的生产，最大限度地利用原料和设备，获得高产量和高效率。发酵罐的优点在于，它能进行严格的灭菌，通入空气，提供良好的发酵环境，能实施搅拌、震荡等促进微生物生长的措施；能
6、对温度、压力、空气流量实行自动控制，能通过各种生物传感器了解发酵罐内的菌体浓度、营养成份等，并用电脑随时调节发酵进程。人类在几千年前就掌握了制造酱油的技术，世界上一些不发达地区至今仍用传统的酿造技术进行生产。从发酵，晒酱、泡酱，直到取得成品酱油，需要耗费半年到一年的时间。在 80 年代日本的一家公司用现代的发酵工程取而代之，他们将一种耐乳酸的细菌和一种酵母菌一起固定在海藻酸钙凝胶上，再装入制造酱油的发酵罐，各种营养物和水慢慢地从罐顶注入，产出的酱油不停地从罐底流出来，形成一个连续生产的过程，从原料到成品的生产周期还不到 72 小时。在发酵罐的基础上，现代微生物发酵过程基本上可用如下过程描述：原
7、始菌种斜面种子培养（一级种子，活化供扩大培养用）种子扩大培养（二级种子）种子罐（一级发酵）发酵罐（二级发酵，控制发酵条件并进行发酵过程检查）产品分离成品。第第第第 1 1 1 1 章章章章 青 霉 素 发 酵 仿 真 实 习 4 4 4 4 青霉素生产 青霉素是抗菌素的一种，是从青霉菌培养液中提取的药物，是第一种能够治疗人类细菌感染疾病的抗生素。青霉素的发现者是英国细菌学家弗莱明，他小的时候家境贫寒，没有钱上学，全靠自学考取了伦敦大学圣马丽医学院。他在参加战地救护时，亲眼见到大批伤员因伤口感染而被截肢或丧失生命，于是，他决心寻找抗菌消炎的新药。在阴暗潮湿的地下室里，他努力地工作，1928 年的
8、一天，弗莱明在他的一间简陋的实验室里研究导致人体发热的葡萄球菌，由于盖子没有盖好，他发觉培养细菌用的琼脂上附了一层青霉菌，这是从楼上的一位研究青霉菌的学者的窗口飘落进来的，让弗莱明感到惊讶的是，在青霉菌的近旁，葡萄球菌忽然不见了，这个偶然的发现深深吸引了他，他设法培养这种霉菌进行多次试验，证明青霉素可以在几小时内将葡萄球菌全部杀死，把这种青灰色的霉菌稀释 800 倍，也能阻止葡萄球菌生长，而且还不会损害正常细胞。弗莱明据此发明了葡萄球菌的克星青霉素，弗莱明把它命名为盘尼西林（penicillin），即青霉素。青霉素发明者、英国科学家弗莱明 澳大利亚病理学家霍华德.弗罗里 1929 年，弗莱明发
9、表了学术论文，报告了他的发现，但当时未引起重视，而且青霉素的提纯问题也还没有解决。1935 年，英国牛津大学生物化学家钱恩和澳大利亚病理学家弗罗里对弗莱明的发现非常感兴趣，于是由钱恩负责青霉菌的培养和青霉素的分离、提纯和强化，使其抗菌力提高了几千倍，与此同时，弗罗里负责对青霉素抗菌效果的动物试验，实验结果最终证明青霉素的功效。青 霉 素 发 酵 仿 真 实 习 5 5 5 5 图中央是青霉菌，周围是致病细菌。距青霉素最远的细菌个大、色浓，活力十足；距青霉菌较近的细菌个较小、色较浅，活力较差；而最接近青霉 菌的细菌个最小、色发白，显然已经死亡 葡萄球菌：这些形如珍珠的东西就是危害人体健康的葡萄球
10、菌，但青霉素能消灭它们 青霉素是提纯产品的大规模用于临床的第一种抗生素，和原子弹、雷达被认为是第二次世界大战中科学技术上最伟大的三项发明。由于青霉素在治疗各种感染性疾病中的卓越疗效，1945年对青霉素发现做出重要贡献的弗莱明（18811955）、弗罗里（18981868）、钱恩（19061979）分享了诺贝尔医学和生理学奖。从 20 世纪 40 年代起，抗生素就成为科学探索的新领域，并由此迅速发展起了一个庞大的抗生素工业。青霉素在第二次世界大战中由于其能够防止受伤伤口产生败血症而需求量大增，进而促使其被批量生产。那时青霉素的生产还只是通过在小奶瓶中进行表面发酵而获得，因此产量很小。后青 霉 素
11、 发 酵 仿 真 实 习 6 6 6 6 来美国和英国科学家和工程师进行了大量的联合研发，使青霉素发酵在两个方面产生了突破。首先是采用了新的，产量更高的产黄青霉（penicillium chrysogenum）作为发酵菌种，取代了原来的点青霉（penicillium notatum），第二，是引入了深层浸没式的发酵工艺（submerged fermentation process），使发酵过程能够在整个发酵液中进行，因此，只要有持续稳定以及有效的供氧和溶氧，青霉素的产量就可以比原来只在发酵液表面进行的发酵有了巨大的飞跃。这一生产工艺上的突破也使青霉素的生产可以被放大到现代发酵工业所使用的大型不
12、锈钢发酵罐的规模。青霉素的价值可以从青霉素被发现之前的第一次世界大战的战斗人员死亡统计中略见一斑，那就是，在第一次世界大战中，死于伤口败血症的士兵要远远多于直接牺牲于战场上的士兵。青霉素属于-内酰胺类抗生素，它通过抑制细菌的转肽酶阻止细胞壁合成中的粘肽交联，使细胞壁合成发生障碍，导致细菌细胞破裂而死亡。青霉素主要对各种细菌如葡萄球菌、链球菌、肺炎球菌、脑膜炎球菌、淋球菌、螺旋体（回归热、钩端螺旋体及梅毒等）、革兰氏阳性杆菌（白喉、破伤风、炭疽杆菌）与放线菌高度敏感。临床中青霉素可用于各种敏感菌所致的各种疾患，如肺炎、急性扁桃体炎、猩红热、白喉、丹毒、疖肿、创伤感染、炭疽、气性坏疽，一些亚急性细
13、菌性心内膜炎、急性骨髓炎、乳腺炎、中耳炎、流行性脑脊髓膜炎、淋病、梅毒、鼠咬热、回归热、钩端螺旋体病、雅司病和放线菌病等。对金黄色葡萄球菌及其他革兰氏阳性菌所引起的许多疾病有明显疗效，其毒副作用小、见效快、抗菌谱广。虽然近年来不断出现对青霉素具有耐药性的病菌，而且注射青霉素引起过敏等问题尚有待解决，但由于半合成青霉素的研究开发，使青霉素的抗菌谱得到进一步扩展，世界市场对青霉素的需求有增无减。青霉素从临床应用开始，至今已发展到第三代，就目前情况看来，青霉素尚不能被完全取代，其应用前景仍然看好。自青霉素出现以来，一大批化学、生物学、医学以及工程技术等方面的研究人员，为共同探索青霉素的分子结构、化学
14、功能、生物功能、发酵工艺以及菌种选育、培养基组成和细胞培养与发酵的条件等问题，做出了巨大的努力，取得了惊人的成就。在最近的 40 多年中，青霉素发酵效价提高了 1000 倍，平均生产率提高了 40 多倍，成本却下降了 90。如今，青霉素发酵的效价已能达到 100000U/ml，而且仍在不断提高。在世界抗生素的销售市场上，目前青霉素类抗生素仍然占有绝对优势，据统计，1980 年世界青霉素的总产量高达 17000t，总产值 3.8 亿美元，占抗生素市场总额的 42，且以 5.5的年递增速度增长。世界各国对青霉素的需求远远超过对其他任何一种抗生素的需求，这主要因为青霉素没有毒性，而且其分子容易进行化学修饰以增强其活性以及对细菌的针对性。青 霉 素 发 酵 仿 真 实 习 7 7 7 7 对青霉素生产的改进得益于来自于生物化学、遗传学、微生物生理学以及生化工程等方面科技人员的共同努力。迄今为止，人们对青霉素生物合成的了解还十分肤浅，大部分机理仍还无法阐述清楚，然而可以预计，随着对青霉素发酵过程和代谢途径认识的不断深入，人们一定能够找到某种适当的办法来解决青霉素合成中的阻遏因素，从而大幅度提高青霉素的效价和产量。我国抗生素生产起步较晚，1953 年才建成第一座抗生素生产厂，目前，我国青霉素生产的规模与质量都与国际先进水平存在很大差距，其中的原因有：缺少优良菌种、设备不够先进
