发酵工程第九章 发酵过程控制

第九章,发酵过程控制,本章内容,一、概述二、代谢调控在发酵过程控制中的应用三、温度对发酵的影响及其控制四、pH对发酵的影响及其控制五、溶解氧对发酵的影响及其控制六、CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制七、基质浓度对发酵的影响及补料控制八、高密度发酵及过程控制九、泡沫对发酵的影响及其控制十、自动控制技术在发酵过程控制中的应用,1. 过程控制的重要性,菌株特性(营养要求、生长速率、 呼吸强度、产物合成速率) 传递性能 物理：n、T、Ws 化学：pH、DO、浓度 过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数 的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的 控制。,决定发酵单位(水平)的因素,理化因素,工艺条件,生物因素：,设备性能：,2. 发酵过程控制的一般步骤,确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法 研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制，获取最适水平或最佳范围建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制,3. 参数检测,代谢参数按性质可分为三类：物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、 pH、产物浓度等生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等,3. 参数检测,参数按获取方式可分为两类： 如T、pH、罐压、空气流量、搅拌转速、溶氧浓度等 如摄氧率()、呼吸强度(QO2)、比生长速率（) 、体积溶氧系数(KLa)、呼吸商(RQ)等。,直接参数：,间接参数：将直接参数通过公式计算获得的,参数，,3. 参数检测,参数的测量形式离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）在线测量：如T 、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、搅拌转速等优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便于计算机控制。 困难：传感器要求较高。,对传感器的要求能经受高压蒸汽灭菌；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；最好能在过程中随时校正，灵敏度好；探头材料不易老化，使用寿命长；安装使用和维修方便；解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞 问题；价格合理，便于推广。,3. 参数检测,3. 参数检测,参数检测方法温度测量 感温元件：热电偶（温度信号 电信号） 二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成 被测介质的温度,参数检测方法搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式， 测速电机；搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。,3. 参数检测,3. 参数检测,参数检测方法空气流量测定体积流量型： 会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响； 同心孔板压差式流量计； 转子流量计。质量流量型： 根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。,参数检测方法罐压测量 压力表 压力传感器,3. 参数检测,参数检测方法料液计量与液位控制 压差法：H=（P2/P1）H 直接重量测量法：直接称重 体积计量法：计算进出料液 流量计量法：计算流量和时间 液位探针,3. 参数检测,参数检测方法发酵液粘度测定 毛细管粘度计 回转式粘度计 涡轮旋转粘度计,3. 参数检测,参数检测方法pH测量 复合pH电极 pH测量仪器,3. 参数检测,参数检测方法溶解氧的测量 化学法 极谱法 复膜氧电极法,3. 参数检测,复膜氧电极示意图（a）极谱型 （b）原电池型,参数检测方法溶解二氧化碳测量 复膜式电极法 渗透膜碳酸氢钠法发酵尾气的在线分析 CO2分析 O2分析,3. 参数检测,参数检测方法细胞浓度的测量 化学法：如DNA、RNA分析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、 浊度分析等新技术：以电容法为测量原理的在线 活细胞浓度测量传感器,3. 参数检测,原位活细胞在线检测仪,第一节 温度对发酵的影响及其控制,1. 影响发酵温度的因素2. 温度对微生物生长的影响3. 温度对产物合成的影响4. 最适温度的选择与控制,(1)发酵热,发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射,(2)生物热,来源 ：微生物对营养物质的分解所释放的能量影响因素：菌株培养基成分 发酵时期 生物热与其它参数的关系 呼吸强度QO2 糖利用速率,当产生的生物热达到高峰时，菌的呼吸强度最大，糖的利用速率也最大，可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。,嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系,2. 温度对微生物生长的影响,2. 温度对微生物生长的影响,在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅速下降。 不同生长阶段的微生物对温度的反应不同 处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破坏作用较弱。 处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于溶解氧，而不是温度。,3. 温度对产物合成的影响,影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生长代谢与产物生成。 e.g. 青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol 青霉素合成活化能E2=112kJ/mol 青霉素合成速率对温度较敏感,改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。影响生物合成方向。 e.g. 四环素发酵中金色链霉菌：TCCr），CO2的抑制作用不能解除，这种负作用在放大过程更明显。正确评价通气的作用：供氧：排废气：CO2水分及挥发性组分的散失,（4）CO2释放与补糖速率的关系,在青霉素发酵中补糖将引起排气CO2增加，同时pH下降。 糖、CO2、pH三者的相关性，被青霉素工业生产上用于补料控制的参数，并认为排气CO2的变化比pH变化更为敏感，所以测定排气CO2释放率（CER）来控制补糖速率。 补糖与溶氧及pH协同控制补糖速率与CER控制,补糖对排气CO2和pH的影响,（5）呼吸商与发酵的关系,不同菌株、同一菌株不同代谢途径、同一菌株利用不同基质、同一菌株在不同发酵阶段，RQ值不相同。RQ值可以表征发酵状况。,青霉素发酵不同阶段： 菌体生长阶段：RQ0.909 维持阶段：RQ=1 生产阶段：RQ=4如果产物的还原性比基质大时，其RQ值就增加；反之，当产物的氧化性比基质大时，RQ值就要减少；其偏离程度决定于单位菌体利用基质形成产物的量。,产物形成对RQ影响最大,一、基质浓度对发酵的影响 二、补料控制,第五节 流加补料的控制,SKS情况下，比生长速率与基质浓度呈直线关系：一般情况下符合Monod方程式基质浓度高时,（1） 基质浓度对微生物生长的影响,低浓度限制高浓度抑制谷氨酸发酵（乙醇为碳源）：当乙醇浓度为2.5g/L和35g/L时，可延长谷氨酸生产时间，但在更高浓度下，菌体生长受到抑制，谷氨酸产量降低。分解阻遏作用e.g.葡萄糖氧化酶发酵：葡萄糖用量从8%降至6%，补入2%氨基乙酸或甘油，使酶活力分别提高26%或6.7%。,(2) 基质浓度对产物合成的影响,（1）补料的目的（2）补料的内容（3）补料的原则（4）补料控制的策略（5）反馈控制参数的确定（6）补料速率的确定（7）补料时间的优化,二、补料控制,（1）补料的目的,避免基质浓度过低的限制解除基质过浓的抑制解除产物的反馈抑制解除分解代谢物阻遏作用避免因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多而造成波谷现象。在生产上，补料还经常作为纠正异常发酵的一个重要手段。,（2）补料的内容,补充微生物所需的碳源 补充菌体所需要的氮源 补充微量元素或无机盐 添加前体、诱导剂等,（3）补料的原则,补料的原则就在于控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展。补料速率、时间很重要。现有的各种补料措施都是通过实验方法确定的。中间补料的数量为基础料的13倍 。,大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质以经验数据或预测数据控制流加；用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加；以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计算限制性基质的浓度，间接控制流加；以溶氧、pH、RQ、排气中CO2分压及代谢物质浓度等多参数间接控制流加。,（4）补料控制的策略,（5）反馈控制参数的确定,为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参数，以及了解这些参数与微生物代谢、菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系。 e.g. 谷氨酸发酵 在谷氨酸发酵过程中的某阶段，生产菌的摄氧率和基质消耗速率之间存在着线性关系。,（6）补料速率的确定,优化补料速率是补料控制中十分重要的一环，补料速率要根据微生物对营养等的消耗速率及所设定的培养液中最低维持浓度而定。补糖速率最佳点与设备的供氧能力有关。 e.g.青霉素发酵：KLa大的设备补料速率相应大些；供氧低的设备，补料速率相应减