化学参数检测与控制完整版本

发酵过程控制 ControlofFermentationProcess 第三章化学参数检测与控制 五 3 5基质浓度与补料 3 5 1基质浓度对发酵的影响常温下 淀粉溶液 稀糖水 浓糖水 微生物在哪种液体中生长最好 为什么 3 5基质浓度与补料 3 5 1基质浓度对发酵的影响3 5 1 1高基质浓度抑制细胞生长与代谢例如 大多数微生物的培养 糖浓度 5 7 时 生长速率下降 谷氨酸发酵糖浓度为10 15 酵母菌酒精发酵糖浓度为13 20 不影响酵母菌菌体生长 酵母菌培养 的糖浓度 5 底物抑制细胞生长与代谢的可能原因有二 1 抑制细胞合成与代谢中某些酶的活性 2 基质浓度 培养液渗透压 细胞脱水 影响生长与代谢 3 5 1 2高基质浓度影响产物得率 例如 酵母细胞培养时 糖浓度高 产生大量乙醇 YX S 青霉素发酵中 糖浓度高 产生有机酸 YP S S 3 5 2补料 流加 控制 补料目的 解除底物抑制 提高产物浓度和收得率 补料方式 连续流加 恒速流加 变速流加 用于底物抑制比较明显的场合 间歇补料 一次补料 多次补料 适于底物抑制相对较弱的场合 当所控制的基质浓度较低 1 时 必须采用连续流加 3 5 2 1直接控制 根据基质浓度控制流加 1 取样检测 间歇流加或补料适合于允许基质的范围较大的场合 氨基酸等常采用此种方法 大多只需补料1 3次 3 5 2 1直接控制 根据基质浓度控制流加 2 传感器检测法 在线自动控制用于允许基质浓度的波动范围很小的场合 如酵母菌的培养 目前由于葡萄糖传感器的灭菌问题仍未很好解决 因而这种方法的使用受到限制 3 5 2 2间接控制 目前 发酵生产中基质浓度的控制大多采用间接控制 间接控制 根据溶氧 pH 二氧化碳排放 呼吸商 代谢产物浓度等参数计算出基质消耗速率与基质浓度 从而控制基质的流加速度 细胞生长速率 细胞浓度 耗糖速率 底物浓度 其中 例如 例1 酵母生产中 为了获得较高的酵母收得率 可发酵性糖的浓度一般应控制在0 1 左右 供氧充足情况下培养液糖浓度与酵母收得率的关系 方法1 根据RQ控制 将RQ控制在1 0 1 1范围内 糖含量高 酒精发酵 RQ接近1 1 F 糖含量低 酒精发酵 RQ接近1 0 F 方法2 根据乙醇浓度控制时 将乙醇浓度控制在0 05 0 2 范围内 糖含量高 酒精浓度上升至接近0 2 时 F 糖含量低 酒精浓度下降至接近0 05 时 F 例2 青霉素发酵中根据pH值的变化来控制糖的流加 pH值控制在6 5 7 0范围内 糖浓度高 有机酸 pH pH接近6 5时 F 糖浓度低 菌丝体分解 pH pH接近7 0时 F 例3 谷氨酸发酵中 根据pH控制尿素流加 根据耗氧量控制糖液流加 氮源控制 根据pH变化控制尿素流加 pH7 0 7 4氨被利用形成谷氨酸 pH 当pH值接近7 0时 尿素流加 尿素浓度高 尿素分解成NH3 pH 当pH值接近7 4时 尿素流加 碳源 糖液 流加控制 糖含量控制在2 左右 谷氨酸发酵的理论反应式为 根据此式有 碳源 糖液 流加控制 糖含量控制在2 左右 实际生产中 K 1 75左右 糖液的流加速率为 式中 F 糖液流加速率 L h SF 流加糖浓度 mol L V 发酵液体积 L OUR 耗氧速率 mol L h 习题 一 用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数 测定条件为 空气平均总压P 2 0atm 绝对压力 温度为25 现测得其体积溶氧速率为Na 0 252kmol m3 h 试计算kLa kGa kd和Kd值 解 1 计算kLa值 用亚硫酸盐氧化法测定溶氧速率时有 而氧分压 p 0 21P 0 42 atm 饱和溶氧浓度 kmolO2 m3 1 h 2 计算kGa kd和Kd值 kmolO2 m h atm 推动力以以氧分压表示时 molO2 mL min atm p 推动力以空气总压表示时 molO2 mL min atm P 二 某微生物批式生长培养 采用通过检测CER的办法来计算菌体生长与耗糖情况 已知接种时糖浓度S0 80g L 细胞浓度X0 4g L 发酵开始时二氧化碳的释放速率CER0 0 04molCO2 L h 且已知YX S 0 4g细胞 g糖 YX CO2 20g细胞 molCO2 现测得发酵过程某一时刻的CER 0 20molCO2 L h 试问此时的菌体生长速率dX dt 细胞浓度X 比生长速率 耗糖速率 dS dt及发酵液中的残糖浓度S各是多少 解 1 求微生物的比CO2释放速率 发酵开始时 molCO2 L h 于是 2 当CER 0 2molCO2 L h时 求 三 试证用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数时 kLa与kGa及kd值之间的换算与空气总压无关 根据亨氏定律 有 1803年英国化学家w 亨利研究气体在液体中的溶解度时 总结出一条经验规律 在一定的温度和压强下 一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡压强成正比 c 与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度 kmol m3 p 气相中氧分压 MPa p 与液相中氧浓度c平衡的氧分压 MPa H 亨利常数 m3 MPa kmol 证明 采用亚硫酸盐氧化法测定溶氧速率时有 于是 1 式中 H为亨利常数 与空所总压无关 即kLa与kGa之间的换算与P无关 又 2 即 kGa与kd p 之间的换算与P无关 而 3 式中 p P为氧分子在空气中所占分数 p P 0 21 则 4 亦与空气总压无关 由此可见 kLa与kGa之间的换算与P无关 第三章复习思考题 1 选择过高的溶氧浓度对发酵生产有何不利影响 为什么 2 简述引起溶氧浓度下降及上升的可能原因 并指出哪些为正常情况 哪些为非正常情况 3 当发酵过程中溶氧浓度不足时可采用哪些方法弥补 4 简述亚硫酸盐氧化法测定kLa值的原理 5 简述稳态氧平衡法测定kLa值的原理 6 简述动态法测定kLa值的原理 7 指出采用亚硫酸盐氧化法 稳态法和动态法测定kLa值时 反应系统的主要特征 供氧与耗氧的关系 氧浓度变化情况 8 采用动态法测定kLa值时 要注意哪些条件 为什么 9 用动态法测定kLa值时 若采用公式计算kLa值 所得结果与反应器实际的kLa值的关系怎样 为什么 10 发酵过程中影响pH值变化的因素有哪些 并举简例说明 11 pH控制的方法有哪些 并举简例说明 12 试根据下列发酵过程的特点选择合适的氮源 1 培养过程形成酸性代谢产物 2 培养过程形成碱性代谢产物 3 培养过程形成中性代谢产物 13 采用下列措施将会使培养体系中氧化还原电位产生变化 试标出其变化的方向 升高用 表示 下降用 表示 1 加大通风量 2 加入抗坏