发酵过程工艺控制ppt课件

1、第九章 发酵工艺过程控制一、一、 发酵过程的测量参数发酵过程的测量参数通常把决定发酵过程状态的各种参数或变量分为通常把决定发酵过程状态的各种参数或变量分为物理参数、化学参数或生物参数。物理参数、化学参数或生物参数。物理参数：物理参数：参数名称参数名称 单位单位 测定方法测定方法 意义及主要作用意义及主要作用温度温度 传感器传感器 维持生维持生长、合成长、合成罐压罐压 pa 压力表压力表 维持维持正压、增加溶氧正压、增加溶氧空气流量空气流量 m/h 传感器传感器 供氧、供氧、排出废气排出废气 搅拌转速搅拌转速 r/min 传感器传感器 物料混物料混合合搅拌功率搅拌功率 kw 传感器传感器 反映搅

2、反映搅拌情况拌情况粘度粘度 pa.s 粘度粘度 反映菌反映菌体生长体生长密度密度 g/cm 传感器传感器 反映反映发酵液性质发酵液性质装量装量 m,L 传感器传感器 反映反映发酵液数量发酵液数量浊度浊度 透光度透光度% 传感器传感器 反映反映菌体生长情况菌体生长情况泡沫泡沫 传感器传感器 反映反映发酵代谢情况发酵代谢情况传质系数传质系数 1/h 间接计算或在线检测间接计算或在线检测 反映供氧情况反映供氧情况加糖速度加糖速度 kg/h 传感器传感器 反映反映好氧情况好氧情况加消泡剂速率加消泡剂速率 kg/h 传感器传感器 反映反映泡沫情况泡沫情况加中间体或前体速率加中间体或前体速率kg/h传感器

3、传感器 反映反映前体和基质利用情况前体和基质利用情况加其它基质速率加其它基质速率 kg/h 传感器传感器 反映反映基质利用情况基质利用情况化学参数：化学参数： 参数名称参数名称 单位及测定方法单位及测定方法 意义及主要作意义及主要作用用 酸碱度酸碱度 pH 传感器传感器 反映菌的代谢情反映菌的代谢情况况 溶氧溶氧 ppm 传感器传感器 反映氧的供给和反映氧的供给和消耗情况消耗情况 排气氧浓度排气氧浓度 pa 传感器传感器 了解好氧情况了解好氧情况 氧化还原电位氧化还原电位 mV 传感器传感器 反映菌的代谢反映菌的代谢情况情况 溶解溶解CO2浓度浓度 %饱和度饱和度 传感器传感器 了解了解CO2

4、对对发酵的影响发酵的影响 排气排气CO2浓度浓度 % 传感器传感器 了解菌的呼吸了解菌的呼吸情况情况总糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉总糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉 kg/m 取样取样 了解在发了解在发酵过程酵过程 中的变化中的变化前体或中间体浓度前体或中间体浓度 mg/ml 取样取样 产物合成情产物合成情况况氨基酸浓度氨基酸浓度 mg/ml 取样取样 了解氨基酸等含了解氨基酸等含量变化情况量变化情况矿物盐浓度矿物盐浓度 mol,% 取样取样 了解这些离子含量对了解这些离子含量对发酵的影响发酵的影响生物参数：生物参数：参数名称参数名称 单位及测定方法单位及测定方法 意义及意义及主要作用主要作用菌体浓度菌体浓度

5、 g(DCW)/L 取样取样 了解了解生长情况生长情况菌体中菌体中RNA,DNA 含量含量 mg(DCW)/g 取样取样 了解了解生长情况生长情况菌体中菌体中ATP,ADP,AMP量量 mg(DCW)/g 取样取样 了解了解菌的能菌的能 量代量代谢情况谢情况菌体中菌体中NADH量量 mg(DCW)/g 在线荧光法在线荧光法 了解了解菌的合菌的合 成能成能力力菌体中蛋白质量菌体中蛋白质量 mg(DCW)/g 取样取样 了解生了解生长和产物长和产物 情况情况效价或产物浓度效价或产物浓度 g/mL 取样传感器）取样传感器） 产物产物合成情况合成情况细胞形态细胞形态 取样，离线取样，离线 了解了解生长

6、情况生长情况发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数浊度浊度料液流量料液流量产物浓度产物浓度氧化还原电位氧化还原电位废气中的氧含量废气中的氧含量废气中的废气中的CO2含量含量菌丝形态菌丝形态菌体浓度菌体浓度（一温度对发酵的影响（一温度对发酵的影响v微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌，如霉菌、微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌，如霉菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在2040。v在发酵过程中，需要维持适当的温度，才能使菌体生在发酵过程中，需要维持适当的温度，才能使菌体生长和代谢产物的合成顺利进行。长和代谢产物的合成顺利进行。v温度会影响

7、各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。影响发酵液的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。影响发酵液的理化性质理化性质(对氧的溶解对氧的溶解)，进而影响发酵的动力学特性和，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。产物的生物合成。l四环素发酵中四环素发酵中,l 35,只产生四环素只产生四环素温度升高，气体在溶液中的溶解度减小，氧温度升高，气体在溶液中的溶解度减小，氧传递速率改变，影响基质的分解速率传递速率改变，影响基质的分解速率. .温度升高温度升高, ,生长快生长快, ,反应速度快反应速度快, ,酶失活快酶失活快,

8、,菌菌体衰老快体衰老快, ,发酵提前结束发酵提前结束. .（二影响发酵温度变化的因素（二影响发酵温度变化的因素产热因素：生物热产热因素：生物热Q生物）、搅拌热生物）、搅拌热Q搅拌）搅拌）散热因素：蒸发热散热因素：蒸发热Q蒸发）、辐射热蒸发）、辐射热Q辐射）辐射）发酵热发酵热Q发酵是发酵温度变化的主要因素发酵是发酵温度变化的主要因素,即发酵即发酵过程中释放出来的净热量过程中释放出来的净热量,以以J/(m3 h)为单位。为单位。为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。由于由于Q生物和生物和Q蒸发，特别是蒸发，特别是Q生物在发酵过程中随时生物在发酵

9、过程中随时间变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，间变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度发生波动。引起发酵温度发生波动。l生物热生物热-微生物在生长繁殖过程中微生物在生长繁殖过程中,本身产生的大量本身产生的大量热热. 培养基成分越丰富培养基成分越丰富,营养被利用的速度越快营养被利用的速度越快.（三温度的控制（三温度的控制最适温度的选择最适温度的选择温度的控制温度的控制在生长阶段，应选择最适生长温度；在生长阶段，应选择最适生长温度；在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。例如例如:青霉素产生菌生长的最适温度为青霉素产生菌生长的最适温度

10、为30,但产生青霉素的最适温但产生青霉素的最适温度是度是20. 看生长与生物合成哪一个是主要方面看生长与生物合成哪一个是主要方面.v工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。v利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。通过热交换来降温，保持恒温发酵。v如果气温较高特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，就可如

11、果气温较高特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。（一（一pH值对发酵的影响值对发酵的影响1、影响酶的活性，当、影响酶的活性，当pH值抑制菌值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；体的新陈代谢；2、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，改变细胞膜的通透性，影响微生物对改变细胞膜的通透性，影响

12、微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄营养物的吸收和代谢产物的排泄3、pH影响培养基中某些组分的解离，影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收、利用进而微生物对这些成分的吸收、利用4、pH值不同，往往引起菌体代谢过程值不同，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的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。生改变。黑曲霉在黑曲霉在pH=2-3 时产生柠檬酸，近时产生柠檬酸，近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。中性时，积累草酸和葡萄糖酸。谷氨酸发酵中，微碱时形成谷氨酸，谷氨酸发酵中，微碱时形成谷氨酸，酸性时产生酸性时产生N-乙酰谷酰胺。乙酰谷酰胺。pH对生物合成途径影响：对生物合成

13、途径影响：例如：丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的例如：丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH范范围是围是5.5-7.0 为好，发酵后期为好，发酵后期pH4.3 5.3时积时积累丙酮丁醇，累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。丁酸、乙酸含量增加。乙酰乙酸乙酰乙酸 5、 pH影响菌体的形态：产黄青霉影响菌体的形态：产黄青霉细胞壁的厚度随细胞壁的厚度随pH的增加而减小；的增加而减小；pH，菌丝的长度缩短。，菌丝的长度缩短。（二发酵过程（二发酵过程pH值的变化值的变化在发酵过程中，在发酵过程中，pH值的变化决定于所值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。用

14、的菌种、培养基的成分和培养条件。（三发酵（三发酵pH值的确定和控制值的确定和控制1. 发酵发酵pH值的确定值的确定v微生物发酵的最适微生物发酵的最适pH值范围一般是在值范围一般是在58之间。之间。v最适最适pH值是根据实验结果来确定的。值是根据实验结果来确定的。1将发酵培养基调节成不同的出发将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节酵，在发酵过程中，定时测定和调节pH值，以分值，以分别维持出发别维持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。来维持。2到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高到时观察菌体的生长情况，以菌

15、体生长达到最高值的值的pH值为菌体生长的合适值为菌体生长的合适pH值。值。3用同样的方法，可测得产物合成的合适用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。值。在确定合适发酵在确定合适发酵pH值时，不定期要考虑培养值时，不定期要考虑培养温度的影响，若温度提高或降低，合适温度的影响，若温度提高或降低，合适pH值也可能发生变动。值也可能发生变动。（六）（六） 泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制1、泡沫的形成及其对发酵的影响、泡沫的形成及其对发酵的影响在大多数微生物发酵过程中，由于培在大多数微生物发酵过程中，由于培养基中有蛋白质类表面活性剂存在，养基中有蛋白质类表面活性剂存在，在通气条件下

16、，培养液中就形成了泡在通气条件下，培养液中就形成了泡沫。沫。泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要的发泡剂。主要的发泡剂。糊精含量多也引起泡沫的形成。糊精含量多也引起泡沫的形成。当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。调整培养基中的成分如少加或缓加易起泡的原调整培养基中的成分如少加或缓加易起泡的原料或改变某些物理化学参数如料或改变某些物理化学参数如pH值、温度、值、温度、通气和搅拌或者改变发酵工艺如采用分次投通气和搅拌或者

17、改变发酵工艺如采用分次投料来控制，以减少泡沫形成的机会。料来控制，以减少泡沫形成的机会。采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫。采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫。采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌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。种，来消除起泡的内在因素。1机械消泡机械消泡物理消泡方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡物理消泡方法，利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。沫破裂。罐内消泡罐内消泡靠罐内消泡桨转动打碎泡沫。靠罐内消泡桨转动打碎泡沫。罐外消泡罐外消泡将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离作用或离 心力来消

18、除泡沫。心力来消除泡沫。2） 消泡剂消泡消泡剂消泡A.消泡剂的作用：消泡剂的作用：降低泡沫液膜的机械强度；降低泡沫液膜的机械强度；降低液膜的表面黏度；降低液膜的表面黏度；B.作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件：作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件：应该在气液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥应该在气液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；消泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；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；应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；应该对

19、微生物、人类和动物无毒性；应该对微生物、人类和动物无毒性；应该对产物的提取不产生影响；应该对产物的提取不产生影响；不会在使用、运输中引起任何危害；不会在使用、运输中引起任何危害；来源方便，成本低；来源方便，成本低；应该对氧传递不产生影响；应该对氧传递不产生影响；能耐高温灭菌。能耐高温灭菌。以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为常用。常用。豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵在发酵

20、中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵试验检验。试验检验。C.常用的消泡剂种类常用的消泡剂种类发酵工业常用的消泡剂一般可分为有机消泡剂、发酵工业常用的消泡剂一般可分为有机消泡剂、有机硅消泡剂和聚醚型消泡剂等三类。有机硅消泡剂和聚醚型消泡剂等三类。 天然油脂类：天然油脂类：聚醚类消泡剂品种很多，它们是氧化丙烯或氧化丙烯和环氧聚醚类消泡剂品种很多，它们是氧化丙烯或氧化丙烯和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物。乙烷与甘油聚合而成的聚合物。聚氧丙烯甘油聚氧丙烯甘油GP型）型）氧化丙烯和甘油聚合；亲水性氧化丙烯和甘油聚合；亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以用于稀薄发酵液中要比差，在发泡介质中的溶解度小，所以用于稀薄发酵液中要比用于粘稠发酵液中的效果好；抑泡性能比消泡性能好，适宜用于粘稠发酵液中的效果好；抑泡性能比消泡性能好，适宜用于基础培养基中，以抑制泡沫的产生。用于基础培养基中，以抑制泡沫的产生。聚氧乙烯氧丙烯甘油聚氧乙烯氧丙烯甘油GPE型，泡敌）型，泡敌）氧化丙烯、环氧氧化丙烯、环氧乙烷与甘油聚合；亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能乙烷与甘油聚合；亲水性好，在发泡介质中易铺