发酵工业与发酵工程_06发酵过程控制1-3节

1、第六章第六章 发酵过程控制发酵过程控制1. 过程控制的重要性过程控制的重要性 菌株特性菌株特性(营养要求、生长速率、营养要求、生长速率、 呼吸强度、产物合成速率呼吸强度、产物合成速率) 传递性能传递性能 物理：物理：n、T、Ws 化学：化学：pH、DO、浓度、浓度 过程控制的意义：过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数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。控制。决定发决定发酵水平的酵水平的因素因素外部环境因素外部环境因素工艺条件工艺条件生物因素：生物因素：设备性能：设备性能：2

2、. 发酵过程控制的一般步骤发酵过程控制的一般步骤 研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及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其机制，获取最适水平或最佳范围确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系关系通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制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. 参数检测参数检测 代谢参数按性质可分为

3、三类：代谢参数按性质可分为三类： 物理参数：物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、表观温度、搅拌转速、罐压、空气流量、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等 化学参数：化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、基质浓度（包括糖、氮、磷）、溶溶氧浓度、氧浓度、 pH、产物浓度、核酸量等、产物浓度、核酸量等 生物参数：生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等 参数按获取方式可分为两类：参数按获取方式可分为两类： 直接参数直接参数：如：如T、pH、罐压、空气流量、搅拌罐压、

4、空气流量、搅拌转速、溶氧浓度等转速、溶氧浓度等间接参数间接参数：将直接参数通过公式计算获得的：将直接参数通过公式计算获得的参数，如摄氧率参数，如摄氧率()、呼吸强度、呼吸强度(QO2)、比生、比生长速率（长速率（)、体积溶氧系数体积溶氧系数(KLa)、呼吸商呼吸商(RQ)等等。离线测量：离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）基酸等）在线测量在线测量：如：如T、pH、DO、溶解、溶解CO2、尾气、尾气CO2、黏度、搅拌转速等黏度、搅拌转速等参数的测量方法参数的测量方法 伴随发酵的进行而

5、产生的热量叫伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热发酵热；发酵热；发酵热的产生引起发酵液温度变化。在发酵过程中，某些因的产生引起发酵液温度变化。在发酵过程中，某些因素导致热的产生，另外一些因素又导致热量散失。素导致热的产生，另外一些因素又导致热量散失。 产热产热散热散热 净热量堆积净热量堆积 发酵液的温度上升；发酵液的温度上升； 相反，产热小于耗热，温度下降。相反，产热小于耗热，温度下降。第一节第一节 温度控制温度控制1、发酵热、发酵热生物热（生物热（Q Q生物生物） 在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用

6、于合成高能将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合成需要的）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫热就叫生物热生物热。 微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。产热的情况产热的情况：具有时间性；具有时间性；具有生物特异性；具有生物特异性；与营养有关；与营养有关；特点：特点：搅拌热（搅拌热（Q Q搅拌搅拌） 在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵

7、液作机械运动，造成液体之间，液体带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算：搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算： Q Q搅拌搅拌P P8608604186.84186.8（焦耳（焦耳/ /小时）小时） P P搅拌轴功率搅拌轴功率 1 1千瓦时千瓦时8608604186.84186.8焦耳焦耳蒸发热：蒸发热：空气经发酵液时，发酵液中有部分水汽化，空气经发酵液时，发酵液中有部分水汽化，变成水蒸气，随空气一起排出罐外，这部分水汽化时变成水蒸气，随空气一起排出罐外，这部分水汽化时带走

8、的热量用带走的热量用Q蒸发蒸发表示，假设进出口气体温度相同，表示，假设进出口气体温度相同，则由通气带走的热量为：则由通气带走的热量为： Q蒸发蒸发=G（I出出-I进进），），G：空气流量；：空气流量；I：气体热焓；：气体热焓；散热的情况散热的情况：散热的情况散热的情况：辐射辐射热：热：因发酵罐液体温度与罐外周围因发酵罐液体温度与罐外周围环境温度不同，发酵液中一部分热通过环境温度不同，发酵液中一部分热通过罐体向大气辐射即称为罐体向大气辐射即称为辐射热辐射热。 温度影响微生物生长的机理温度影响微生物生长的机理 (1) (1)影响酶活性。影响酶活性。 (2) (2)影响细胞膜的流动性。影响细胞膜的流

9、动性。 (3) (3)影响物质的溶解度。影响物质的溶解度。2.温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响嗜冷菌适应于嗜冷菌适应于0 02626生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于15154343生长，生长，嗜热菌适应于嗜热菌适应于37376565生长，嗜高温菌适应于生长，嗜高温菌适应于6565上生长上生长 (1)(1)有最适宜温度范围。有最适宜温度范围。 (2)(2)高温使蛋白质凝固。耐热能力与高温使蛋白质凝固。耐热能力与pHpH值有关。值有关。T TV V最低最低最适最适最高最高温度对微生物生长的影响具体表现在：温度对微生物生长的影响具体表现在：微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相微生

10、物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。一致。液晶状态液晶状态是指某些有机物在发生固相到是指某些有机物在发生固相到液相转变时的过渡状态称为液相转变时的过渡状态称为液晶态液晶态。酶在低温条件下的结构完整性和催化功能。酶在低温条件下的结构完整性和催化功能。不能低温合成蛋白质。不能低温合成蛋白质。低温微生物可合成冷休克蛋白。低温微生物可合成冷休克蛋白。微生物受高温的伤害比低温的伤害大，低于最微生物受高温的伤害比低温的伤害大，低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。亡。这就是菌种保藏的原理。（1 1）影响发酵过程中各种反应速

11、率，从而影响微生物的）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。生长代谢与产物生成。（2 2）改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。）改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。（3 3）影响生物合成方向。）影响生物合成方向。（4 4）温度对菌的调节机制关系密切。）温度对菌的调节机制关系密切。（5 5）影响酶系组成及酶的特性。）影响酶系组成及酶的特性。4. 温度对发酵的影响温度对发酵的影响5 . 温度的控制温度的控制最适温度的选择最适温度的选择1 1）根据菌种及生长阶段选择）根据菌种及生长阶段选择微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，微生物种类不同，所具有的酶系

12、及其性质不同，所要求的温度范围也不同。所要求的温度范围也不同。u前期前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速；菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速；u中期中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此温度要稍低一些；期，从而提高产量，因此温度要稍低一些；u后期后期产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成。又提高温度，刺激产物合成。2 2）根据培养条件选择）根据培养条件选择通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也

13、可髙些。降低些，溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。养利用快，会使菌过早自溶。菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。生长。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。综合考虑。要通

14、过反复实践来定出最适温度。3 3）根据菌生长情况）根据菌生长情况第二节第二节 pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制 微生物代谢对微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生：影响主要在两种情况下发生： 酸性或碱性代谢产物的生成或释放；酸性或碱性代谢产物的生成或释放； 菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。一、发酵液中一、发酵液中pH变化的基本原理变化的基本原理 （1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机酸积累，有机酸积累，pH下降；下降； （2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加；）消泡剂加得过多：脂肪酸增加；

15、 （3）生理酸性盐的利用；）生理酸性盐的利用； （4）酸性产物形成：如有机酸发酵。）酸性产物形成：如有机酸发酵。引起发酵液中引起发酵液中pH下降的因素下降的因素 （1）C/N过低（过低（N源过多），氨基氮（源过多），氨基氮（NH4）释放；）释放； （2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多； （3）生理碱性盐的利用；）生理碱性盐的利用； （4）碱性产物形成。）碱性产物形成。 引起发酵液中引起发酵液中pH上升的因素上升的因素 二、发酵过程中二、发酵过程中pH的变化规律的变化规律 生长阶段：生长阶段：pH相对于起始相对于起始pH有上升或下降的趋势；有上升

16、或下降的趋势； 生产阶段：生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合成的趋于稳定，维持在最适于产物合成的范围；范围； 自溶阶段：自溶阶段：pH又上升。又上升。 1. pH对微生物生长的影响对微生物生长的影响u每一类菌都有其最适每一类菌都有其最适pH和能耐受的和能耐受的pH范围范围 细菌细菌: pH 6.37.5 ； 霉菌和酵母菌：霉菌和酵母菌：pH 36； 放线菌：放线菌：pH 78三、三、 pH值对发酵过程的影响值对发酵过程的影响 2. pH对产物合成的影响对产物合成的影响u产物合成阶段的最适产物合成阶段的最适pH值和微生物生长阶段的最适值和微生物生长阶段的最适pH往往不一定相同，这不仅与菌

17、种特性有关，还取决于产往往不一定相同，这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学特性。物的化学特性。 e.g. 丙酮丁醇菌：生长丙酮丁醇菌：生长 pH为为5.57.0；合成；合成pH为为4.35.3 青霉素产生菌：生长青霉素产生菌：生长pH为为6.57.2，合成，合成pH为为6.26.8 链霉素产生菌：生长链霉素产生菌：生长pH为为6.36.9，合成，合成pH为为6.77.3 upH影响代谢方向：影响代谢方向： pH不同，往往引起菌体代谢过程不不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。同，使代谢产物的质量和比例发生改变。 e.g. 黑曲霉发酵：黑曲霉发酵：pH23, 柠檬酸

18、；柠檬酸；pH接近中性，草酸接近中性，草酸 酵母菌发酵：酵母菌发酵：pH4.55.0，酒精；，酒精；pH8.0，酒精、醋，酒精、醋酸和甘油酸和甘油 谷氨酸发酵：谷氨酸发酵：pH7.08.0，谷氨酸；，谷氨酸；pH5.05.8, 谷酰谷酰胺和胺和N-乙酰谷酰胺乙酰谷酰胺影响酶的活性。影响酶的活性。影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜的渗透性的变化，影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜的渗透性的变化，因而影响菌体对营养的吸收和代谢产物的形成。因而影响菌体对营养的吸收和代谢产物的形成。影响培养基某些重要的营养物质和中间代谢产物的影响培养基某些重要的营养物质和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用。离

19、解，从而影响微生物对这些物质的利用。 影响代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发影响代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生变化。生变化。pH对微生物生长和发酵产物合成的影响机制有：对微生物生长和发酵产物合成的影响机制有： 四、四、 最适最适pH的选择的选择 选择选择pH准则：准则：获得最大比生产速率和合适的获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量。菌体量，以获得最高产量。 调节好基础料的调节好基础料的pH。 在基础料中加入维持在基础料中加入维持pH的物质，如的物质，如CaCO3，或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等。或具有缓冲能力的试剂，如磷酸缓冲液等。 通过补料调节通过补料调节

20、pH。五、五、 pH的控制方法的控制方法 在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调料与调pH没有矛盾时采用补料调没有矛盾时采用补料调pH，如，如（1）调节补糖速率，调节空气流量来调节）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH（2）当）当NH2-N低，低，pH低时补氨水；当低时补氨水；当NH2-N低，低，pH高时补高时补(NH4)2SO4 当补料与调当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调发生矛盾时，加酸碱调pH 改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，控改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，控制有机酸的积累量及其代谢速度；制有机酸的积累量及其代谢速度；

21、改变温度，以控制微生物代谢速度；改变温度，以控制微生物代谢速度；改变罐压及通气量，降低改变罐压及通气量，降低CO2的溶解量；的溶解量；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；应急措施：应急措施：1、泡沫的产生、性质及变化、泡沫的产生、性质及变化 形成条件：形成条件： 气气-液两相共存；液两相共存； 表面张力大的物质存在；表面张力大的物质存在；第三节第三节 泡沫的控制泡沫的控制 一种是一种是发酵液液面上的泡沫发酵液液面上的泡沫，气相所占的比例，气相所占的比例特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期特别大，与液体有较明显的界限，如发酵前期的泡沫；的泡沫； 另

22、一种是另一种是发酵液中的泡沫，又称流态泡沫，发酵液中的泡沫，又称流态泡沫，分分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无明显的界限。的界限。 发酵过程中泡沫有两种类型：发酵过程中泡沫有两种类型：发酵过程泡沫产生的原因发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度通气搅拌的强烈程度发酵前期培养基成分丰富，易起泡。发酵前期培养基成分丰富，易起泡。采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。采用较小通气量及搅拌转速，再逐步加大。也可在基础料中加入消泡剂。也可在基础料中加入消泡剂。（2）培养基配比与原料组成）培养基配比与原料组成前期培养基营养丰富粘度大，产泡沫多而持久。前期

23、培养基营养丰富粘度大，产泡沫多而持久。例：例：在在50L罐中投料罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌液、玉米浆等，搅拌900 rpm，通气，泡沫生成量为培，通气，泡沫生成量为培养基的养基的2倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容易搅拌开。长速度快些，前期就容易搅拌开。 （3）菌种、种子质量和接种量）菌种、种子质量和接种量菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加

24、大接种量以加大接种量。（4）灭菌质量）灭菌质量培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。消泡剂也无效。整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平；发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；发酵开始起泡能力低，以后上升；发酵开始起泡能力低，以后上升；以上类型的综合方式。以上类型的综合方式。泡沫的形成一般有以下几种规律：泡沫的形

25、成一般有以下几种规律：2.泡沫对发酵的影响泡沫对发酵的影响1 1）降低生产能力）降低生产能力2 2）引起原料浪费）引起原料浪费3 3）影响菌的呼吸）影响菌的呼吸4 4） 引起染菌引起染菌调整培养基中的成分调整培养基中的成分(如少加或缓加易起泡的原如少加或缓加易起泡的原材料材料)或改变某些物理化学参数或改变某些物理化学参数(如如pH值、温度、值、温度、通气和搅拌通气和搅拌)或者改变发酵工艺或者改变发酵工艺(如采用分次投如采用分次投料料)来控制，以减少泡沫形成的机会。但这些方来控制，以减少泡沫形成的机会。但这些方法的效果有一定的限度。法的效果有一定的限度。3.泡沫的控制泡沫的控制采用采用机械消泡机

26、械消泡或或消泡剂消泡消泡剂消泡这两种方法来消这两种方法来消除已形成的泡沫：除已形成的泡沫： 采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素沫的菌种，来消除起泡的内在因素 当泡沫的表层存在着极性的表面活性物质而形成双电当泡沫的表层存在着极性的表面活性物质而形成双电层时，可以加入一种具有相反电荷的表面活性剂，以层时，可以加入一种具有相反电荷的表面活性剂，以降低泡沫的机械强度；或加入某些具有强极性的物质降低泡沫的机械强度；或加入某些具有强极性的物质与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，导致泡与发泡剂争夺液膜上的空间，降低液膜强度，导致泡沫破裂

27、。沫破裂。 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。化学消泡化学消泡消泡机理消泡机理 来来源广泛；源广泛； 作用迅速可靠，消泡效率高；作用迅速可靠，消泡效率高； 不需改造现有设备；不需改造现有设备； 容易实现自动控制。容易实现自动控制。化学消泡的优点化学消泡的优点表面活性剂，具有较低的表面张力（内聚力弱），表面活性剂，具有较低的表面张力（内聚力弱），消泡效果明显。消泡效果明显。对气对气-液界面

28、的散布系数必须足够大，才能迅速消液界面的散布系数必须足够大，才能迅速消泡；泡；无毒害性，且不影响发酵菌体；不会在使用、运无毒害性，且不影响发酵菌体；不会在使用、运输中引起任何危害；输中引起任何危害；不干扰各种测量仪表的使用；不干扰各种测量仪表的使用；在水中的溶解度较小，以保持持久的消泡性能；在水中的溶解度较小，以保持持久的消泡性能；消泡剂选用依据：消泡剂选用依据：v应该在低浓度时具有消泡活性；应该在低浓度时具有消泡活性；v应该对产物的提取不产生任何影响；应该对产物的提取不产生任何影响； v应该对氧传递不产生影响；应该对氧传递不产生影响；v能耐高温灭菌。能耐高温灭菌。v来源方便，使用成本低；来源方便，使用成本低；天然油脂：天然油脂：高碳醇、脂肪酸和酯类：高碳醇、脂肪酸和酯类：十八醇是常用的一种，它十八醇是常用的一种，它可以单独或与载体一起使用。可以单独或与载体一起使用。 聚醚类；聚醚类；硅酮类；硅酮类；主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物。适用于主要是聚二甲基硅氧烷及衍生物。适用于微碱性发酵，对于微酸性发酵较差。微碱性发酵，对于微酸性发酵较差。 常用的一些消泡剂：常用的一些消泡剂： 其他的消泡剂，其他的消泡剂，如：聚乙