第六章发酵过程控制

1、上节知识回顾 本章内容本章内容一、一、概述概述二、二、温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制三、三、pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制四、四、溶解氧对发酵的影响及其控制溶解氧对发酵的影响及其控制五、五、CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制和呼吸商对发酵的影响及其控制六、六、基质浓度对发酵的影响及补料控制基质浓度对发酵的影响及补料控制七、七、泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制八、八、自动控制技术在发酵过程控制中的应用自动控制技术在发酵过程控制中的应用1、 过程控制的重要过程控制的重要性性 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

2、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：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数过程控制的意义：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。决定发酵决定发酵单位单位(水平水平)的因素的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：一、概述一、概述2. 发酵过程控制的一般步骤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确定能反映过程变化的各种理化参数

3、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，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v代谢参数按性质可分为三类：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、溶解温度、搅拌转速、罐压、空气流量、

4、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等氧、表观粘度、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）、 pH、产物、产物浓度、核酸量等浓度、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3. 参数检测参数检测v参数按获取方式可分为两类：参数按获取方式可分为两类： 如如T、pH、罐压、空气流量、搅罐压、空气流量、搅拌转速、溶氧浓度等拌转速、溶氧浓度等 如摄氧率如摄氧率()、呼吸强度、呼吸强度(QO2)、比生长、比生长速率（速率（)

5、 、体积溶氧系数体积溶氧系数(KLa)、呼吸商呼吸商(RQ)等等。直接参数：直接参数： 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，参数，3. 参数检测参数检测v参数的测量形式参数的测量形式离线测量：离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代基质（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）谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）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、黏度、搅拌转速等搅拌转速等优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便于计算

6、机控制。于计算机控制。 困难：传感器要求较高。困难：传感器要求较高。 对传感器的要求：对传感器的要求：v能经受高压蒸汽灭菌；能经受高压蒸汽灭菌；v传感器及其二次仪表具有长期稳定性；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；v最好能在过程中随时校正，灵敏度好；最好能在过程中随时校正，灵敏度好；v探头材料不易老化，使用寿命长；探头材料不易老化，使用寿命长；v安装使用和维修方便；安装使用和维修方便；v解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞 问题；问题；v价格合理，便于推广。价格合理，便于推广。 3. 参数检测参数检测3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方

7、法v（1）温度测量）温度测量 感温元件：感温元件：热电偶（温度信号热电偶（温度信号 电信号电信号） 二次仪表：二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成将热电偶输出的电信号转换成 被测介质的温度被测介质的温度v参数检测方法参数检测方法v（2）搅拌转速和搅拌功率的测量）搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式，搅拌转速：磁感应式，光感应式， 测速电机；测速电机；搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。3. 参数检测参数检测3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法v（3）空气流量测定）空气流量测定体积流量型：体积流量型： 会引起流体能量损失，受温度和压

8、力变化的影响；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；同心孔板压差式流量计； 转子流量计。转子流量计。质量流量型：质量流量型： 根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。设计的流量计。v参数检测方法参数检测方法v（4）罐压测量）罐压测量 压力表压力表 压力传感器压力传感器 3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法v（5）料液计量与液位控制）料液计量与液位控制 压差法：压差法：H=（P2/P1）H 直接重量测量法：直接称重直接重量测量法：直接称重 体积计量法：计算进出料液体积计量法：计算进出料液 流量

9、计量法：计算流量和时间流量计量法：计算流量和时间 液位探针液位探针3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法v（6）发酵液粘度测定）发酵液粘度测定 毛细管粘度计毛细管粘度计 回转式粘度计回转式粘度计 涡轮旋转粘度计涡轮旋转粘度计3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法v（7）pH测量测量 复合复合pH电极电极 pH测量仪器测量仪器3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法v（8）溶解氧的测量）溶解氧的测量 化学法化学法 极谱法极谱法 复膜氧电极法复膜氧电极法 3. 参数检测参数检测复膜氧电极示意图复膜氧电极示意图（a）极谱型极谱型 （b）原电池型原电池型v参数检测方法参数检

10、测方法v（9）溶解二氧化碳测量）溶解二氧化碳测量 复膜式电极法复膜式电极法 渗透膜渗透膜碳酸氢钠法碳酸氢钠法v（10）发酵尾气的在线分析）发酵尾气的在线分析 CO2分析分析 O2分析分析3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法v（11）细胞浓度的测量）细胞浓度的测量 化学法：化学法：如如DNA、RNA分分析等析等 物理法：物理法：如重量分析、分光光度分析、如重量分析、分光光度分析、 浊度分析等浊度分析等新技术：新技术：以电容法为测量原理的在线以电容法为测量原理的在线 活细胞浓度测量传感器活细胞浓度测量传感器 3. 参数检测参数检测原位活细胞在线检测仪原位活细胞在线检测仪二、温度对发酵的

11、影响及其控制二、温度对发酵的影响及其控制1. 影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素2. 温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响3. 温度对基质消耗的影响温度对基质消耗的影响4. 温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响5. 最适温度的选择与控制最适温度的选择与控制 (1)发酵发酵热热v发酵过程中所产生的热量，叫做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)生物热生物热v来源来源 ：微生物微生物对营养物质的分解所释放的能量对营养物质的分解所释放的能量v影响因素：影响因素：菌株菌株培养基成分培养基成分 发酵时期发酵时期 v生物热与其它参数的关系生

12、物热与其它参数的关系 呼吸强度呼吸强度QO2 糖利用速率糖利用速率当产生的生物热达到高峰时，菌的呼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，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。可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。2. 温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响v当当时时，可忽略，微生物处于生长状态可忽略，微生物处于生长状态。、皆与皆与T有有关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：vEE 死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感 xxdtdxdtdxx1RTE1eARTE2eA嗜冷、嗜中温、

13、嗜热菌的典型生长与温度关系嗜冷、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温度对微生物生长的影响(续续)v在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，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。速下降。 v不同生长阶段的微生物对温度的反应不同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。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

14、，则升温的破条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破坏作用较弱。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。溶解氧，而不是温度。 (1) 糖比消耗速率糖比消耗速率qs vRighelato假定假定：m维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗。m项项与渗透压调节、代谢产物的生成、迁移性及除繁殖以与渗透压调节、代谢产物的生成、迁移性及除繁殖以外的其它生物转化等过程所需的能量有关。这些过程外的其它生物转化等过程所需的能量有关。这些过程受温度的影响，所以受温度的影响，所以m也和温度

15、相关也和温度相关。B生长系数，即同一生长速率下的糖耗生长系数，即同一生长速率下的糖耗，B值越大，说值越大，说明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。 v改变温度可以控制改变温度可以控制qs和和 Bmqs（2）T对对B、m和和的影响的影响 vqs一定一定：v当当TTm时时， m ， , B 底物转化效率低底物转化效率低当当T=Tm时时，mT(K)m温度对温度对B、m和不同和不同qs下对下对值的影响值的影响4. 温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响v影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生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

16、产物生成。长代谢与产物生成。 e.g. 青霉菌发酵生产青霉素青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol 青霉素合成活化能青霉素合成活化能E2=112kJ/mol 青霉素合成速率对温度较敏感青霉素合成速率对温度较敏感v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 。v影响生物合成方向。影响生物合成方向。 e.g. 四环素发酵中金色链霉菌：四环素发酵中金色链霉菌：T5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌 pH0.5% 低低pH6.8控制加糖控制加糖 7% ， OTR逐渐逐渐至

17、至OTR=，即即 ，高位平衡高位平衡 当处于高位平衡时，表明供氧性能好。当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平衡通常发生高位平衡通常发生在正常情况的前、后期。在正常情况的前、后期。LLaCCKOTR0dtdCLOTR,CC,CLL0dtdCLn平衡点分析平衡点分析：当当CL（如对数生长期如对数生长期很大很大）， ，OTRCm, 卷须霉素卷须霉素: v而有些菌株而有些菌株 Ccr CCr，生产阶段满足生产阶段满足CLCm。 （1 1）发酵异常指标）发酵异常指标v发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。 对于好气性杂菌，溶解氧会一反往常在较短时间内跌对于好气性杂菌

18、，溶解氧会一反往常在较短时间内跌到零附近，跌零后长时间不回升到零附近，跌零后长时间不回升。 对于厌气性杂菌，对于厌气性杂菌，溶解氧溶解氧升高升高。v污染噬菌体或其它不明原因引起发酵液变稀，此时污染噬菌体或其它不明原因引起发酵液变稀，此时溶解溶解氧氧迅速上升。迅速上升。 v操作故障或事故分析操作故障或事故分析 谷氨酸正常发酵和异常发酵的溶解氧曲线谷氨酸正常发酵和异常发酵的溶解氧曲线正常发酵溶解氧曲线正常发酵溶解氧曲线-异常发酵溶解氧曲线异常发酵溶解氧曲线异常发酵光密度曲线异常发酵光密度曲线（2）补料控制指标补料控制指标 v中间补料是否得当可以从中间补料是否得当可以从溶解氧溶解氧的变化看出。的变化

19、看出。v发酵过程中出现发酵过程中出现“发酸发酸”现象，此时溶解氧现象，此时溶解氧很快下降。很快下降。 （3）代谢方向控制指标）代谢方向控制指标 v测量溶解氧可以确定测量溶解氧可以确定CCr、Cm值值v通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关键时机通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关键时机 e.g.天门冬酰胺酶发酵天门冬酰胺酶发酵：45%饱和度饱和度 v在酵母以及其他微生物菌体的生产中，溶氧值是控制其代在酵母以及其他微生物菌体的生产中，溶氧值是控制其代谢方向的最好的指标之一谢方向的最好的指标之一 。（4）设备性能、工艺合理性指标）设备性能、工艺合理性指标v评价设备性能、工艺合理性的最终指

20、标：发酵单位评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位 v设备反映供氧性能：设备反映供氧性能： 搅拌桨形式搅拌桨形式 叶片形式叶片形式 搅拌器直径搅拌器直径d 搅拌档数搅拌档数m和搅拌器间距和搅拌器间距s 档板宽度档板宽度w和档板数和档板数z 通气：通气：空气分布器的类型和位置空气分布器的类型和位置 n，P/V 设备操作参数设备操作参数 罐压罐压 WS或或VVM搅拌搅拌设备几何参数设备几何参数（4）设备性能、工艺合理性指标）设备性能、工艺合理性指标工艺条件反映耗氧和供氧特征工艺条件反映耗氧和供氧特征 菌种性能：耗菌种性能：耗O2 培养基性能：耗培养基性能：耗O2、供供O2 温度：耗温度：耗O

21、2、供供O2 RQ（O2与与CO2水平比较水平比较）：耗耗O2 表面活性剂：耗表面活性剂：耗O2、供供O2改进工艺：控制补料速度、改进工艺：控制补料速度、T 的调节、中间补水、的调节、中间补水、 添加表面活性剂等等添加表面活性剂等等 对现有发酵工对现有发酵工厂进行技术改造厂进行技术改造 浅层次浅层次 修改设备和工艺修改设备和工艺 规模和控制水平上档次规模和控制水平上档次 引入新型发酵类型引入新型发酵类型 深层次深层次 工艺的改进是否有效可通过溶解氧水平进行评价：工艺的改进是否有效可通过溶解氧水平进行评价： P/V的改变对溶解氧和产量的影响的改变对溶解氧和产量的影响 e.g.利福霉素发酵利福霉素

22、发酵：5080h波谷阶段波谷阶段，P/V，KLa，供氧供氧；3W/L比比1 W/L批号的发酵单位增加约批号的发酵单位增加约900u/ml 搅拌转数搅拌转数n 对溶解氧和产量的影响对溶解氧和产量的影响e.g.赤霉素发酵赤霉素发酵：15 50h期间期间，n从从155 提高至提高至180r/min， 赤霉素单位赤霉素单位（1 1）溶解氧控制的一般原则）溶解氧控制的一般原则 v生长阶段生长阶段： 即可即可v产物合成阶段产物合成阶段： 即可即可v过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑制作用制作用CrLCC mLCC （2）溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶解

23、氧控制作为发酵中间控制的手段之一 v控控制原理制原理 发酵过程中，发酵过程中， 糖量糖量 x , QO2 CL 糖量糖量 QO2 CL 补糖使补糖使CL下降，而下降，而CL回升的快慢取决于供氧效率回升的快慢取决于供氧效率。 对于一个具体的发酵，存在一个最适氧浓度对于一个具体的发酵，存在一个最适氧浓度（Cm）水水平，补糖速率应与其相适应。平，补糖速率应与其相适应。 mLCC，加大补糖速率加大补糖速率 mLCC ，减小补糖速率减小补糖速率实现用溶解氧水平控制补料速率实现用溶解氧水平控制补料速率 补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓“半饥饿状态半饥饿状态”，使其仅能维

24、持正常的生长代谢，即把更多的糖用于产物合使其仅能维持正常的生长代谢，即把更多的糖用于产物合成，并永远不超过罐设计时的成，并永远不超过罐设计时的KLa水平所能提供的最大供水平所能提供的最大供氧速率。氧速率。 v控制原则控制原则（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一 v控制方法控制方法 溶氧和补糖控制系统溶氧和补糖控制系统 溶氧和溶氧和pH控制的系统控制的系统 （2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一 溶氧在加糖控制上的应用溶氧在加糖控制上的应用溶氧与溶氧与pH协同控制系统协同控制系统（3）溶解氧控制的工艺方法：溶解氧控制的工艺

25、方法：从供氧、需氧两方面考虑从供氧、需氧两方面考虑 v供氧方面：供氧方面：提高氧分压（氧分含量），即提高氧分压（氧分含量），即 ，提高供氧能力提高供氧能力改变搅拌转速：通过改变改变搅拌转速：通过改变KLa来提高供氧能力来提高供氧能力 通气速率通气速率Ws ：Ws增加有上限，引起增加有上限，引起“过载过载”、泡沫、泡沫提高罐压：提高罐压： ，但同时会增加，但同时会增加CO2的溶解度，影响的溶解度，影响pH及及可能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。可能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。 CC改变发酵液理化性质改变发酵液理化性质（， ，Ii） 加消泡剂，补加无菌水，改变培养基成分