发酵工艺控制

1、发酵工艺控制第1页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二一、发酵过程检测控制的主要的参数1、物理参数检测参数检测方法 单位 影响温度铂电阻 热敏电阻 qP c*罐压(0.20.5105Pa)隔膜传感器压敏电阻Pa保持正压，防止染菌O2 及 CO2 的溶解度 搅拌转数频率计数器 r/min Kla 发酵液的均匀性 搅拌功率(2 -4KW/m3)功率计KwKla空气流量浮子流量计 孔板差压计 m3h-1vvm Kla粘度旋转粘度计 Pas Kla浊度浊度计%反映单细胞的生长 料液的流量蠕动泵 荷重传感器量筒 Lh-1 S 第2页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二

2、发酵过程检测控制的主要的参数2、化学参数检测参数检测方法 单位 影响及作用PH复合玻璃电极 菌体和产物合成速度酶促反应的方向基质浓度产物浓度HPLC 离子选择电极 生物传感器 取样gL-1 qP发酵周期的长短氧化还原电位氧化还原电位电极 mV 生长和生化活性溶氧浓度覆膜氧电极 % qo2气相O2含量 顺磁氧分析仪 Pa反映OUR 和 Kla气相CO2含量 红外气体分析仪 %反映OUR 和 Kla第3页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二发酵过程检测控制的主要的参数3、生物参数检测参数检测方法 单位 影响菌丝形态摄像显微镜 取样镜检 反映菌体发育阶段和正常与否菌体浓度取样 ：干

3、重、浊度、活菌计数、离心沉降gL-1 影响菌体的生化反应Kla第4页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二二、控制方式 一般检控系统包括3个部分。 1测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH计直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。 2控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指令执行元件进行调整控制。3执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位置。手动控制和自动控制第5页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二第一节 温度的影响及控制一、温度对发酵的影响：影响各种

4、酶促反应的速度酶活温度发酵温度升高，生长代谢加快，生产期提前。发酵温度太高，菌体容易衰老，发酵周期缩短。改变发酵液的物理性质：温度影响基质和氧的吸收速度影响饱和溶氧浓度改变菌体代谢产物的合成方向例：温度小于30，合成金霉素的能力强温度等于35，只合成四环素第6页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二二、影响发酵温度变化的因素：发酵热（KJ/m3 h）发酵热 =生物热 +搅拌热 -蒸发热 -显热 -辐射热生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。影响生物热的因素：与菌种遗传特性有关与菌龄有关：对数生长期生物热最大。与营养基质有关与产量有关搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩

5、擦产生的热量。蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。搅拌热=P 3600/V显热：发酵排气散发带走的热量。辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。第7页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二三、最适发酵温度的选择选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件：在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利第8页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二四、发酵温度的控制在发酵罐上安装夹套和蛇罐，通过循环

6、冷却水控制。冷却介质：深井水或冷冻水控制方式：手动控制或自动控制温度计温度控制器调节阀第9页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二第二节 pH的影响及控制一、pH对发酵的影响：影响菌体生长代谢的酶活性影响代谢产物的合成方向影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用，影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。pHGrowth2-3 pH units第10页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二pH的变化决定于所用的生产菌：培养基中营养物质的代谢引起pH的变化：培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子氮源被利用后产生NH3 ，则pH上升；有机酸的积累，使

7、pH下降。一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。生理酸性物质和生理碱性物质的消耗二、影响发酵pH变化的因素：第11页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的pH，在产物采用最适产物合成的pH。三、最适pH的选择第12页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二几种具体情况的调节方法当pH低，氨基氮含量低时当pH高，氨基氮含量低时当pH高，氨基氮含量高时当pH由于多加了削沫剂而下降时第13页，共54页，2022年，5月20日，

8、4点51分，星期二pH的控制系统pH电极设定控制器调节阀6.5pHUncontrolledControlled经消毒的pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。第14页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种类和自身的遗传特性有关第三节 菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制影响菌体浓度的因素菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的种类和浓度有关 （ 正比于S ）当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓度营养基质引起生长速率下降。菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的

9、影响第15页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二最适菌体浓度的确定优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的产物。(dP/dtMAX)dP/dt =qP XqP=f X， ， qO 2 qS CL第16页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二生长速度和菌体浓度的控制方法确定基础培养基的适当配比，防止培养基过于丰富或过于稀薄。通过调节中间补料的速度和量来控制。第17页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二第四节 营养基质的影响及控制一、碳源种类：葡萄糖优点： 吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量缺点： 有些品种产生分解产物 阻遏效应。

10、一）、碳源种类的影响及控制迅速利用的碳源缓慢利用的碳源种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油优点： 不易产生分解产物 阻遏效应。 有利于延长次级代谢产物的分泌期缺点：溶解度低，发酵液粘度大。 第18页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源的混合碳源。迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可解除葡萄糖效应。碳源种类的控制第19页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二二）、碳源浓度的影响S过小 CqP随减小而减小S过大 CX X COUR增大CL CL CqP减小粘度

11、增大Kla减小产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。 第20页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二三）、碳源浓度的控制在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度补料的类型：1、流加2、少量多次的加入3、多量少次的加入第21页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二残糖量pH值QcX粘度溶氧尾气中O2和CO2的含量发酵液的总体积补糖的依据：第22页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。例：青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%, pH开始回升时补

12、糖。补糖量以最高罐批经验量为参考。每小时 前期040h 中期4090h 后期90以后 加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18% 补糖量的控制：经验法：第23页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二补糖的控制把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加料装置精确控制加入的糖量。第24页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二二、氮源的影响和控制一）氮源的种类影响种类：氨水、铵盐和玉米浆优点： 易被菌体利用，明显促进菌体生长缺点： 对于有些品种高浓度的铵离子抑制产物合成迅速利用的氮源缓慢利用的氮源种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和棉

13、子饼粉优点：利用缓慢，有利于延长次级代谢产物的分泌期。防止早衰。缺点：溶解度低，发酵液粘度大。 第25页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源的混合氮源。迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。二）氮源种类的控制第26页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二三）氮源浓度的影响控制补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。氮源浓度的控制：控制基础培养基中的配比。通过补加氮源。第27页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，

14、星期二补氮量的控制：经验法：依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算。依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。例：土霉素发酵50m3发酵罐使pH升高0.1通氨量为10升。使氨基氮上升0.004%-0.005%。动力学方法；通过qN、 qP ，计算每小时的补氮量。第28页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二一、泡沫对发酵的影响泡沫的持久存在影响着微生物对氧的吸收，妨碍二氧化碳的排除，因而破坏其生理代谢的正常进行，不利于发酵；使发酵液的装料系数减少。由于泡沫大量生成，致使培养液的容量一般只能等于种子罐容量的一半左右，大大影响了设备的利用率。大量的泡沫易造成逃液。增加污染杂菌的机会。造成

15、巨大损失。第五节 泡沫的影响及其控制第29页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二二、泡沫的控制方法减少培养基中易起泡的成分减少培养基中粘度大的成分适当减少通气量及搅拌转速采用机械消泡（罐内装置和罐外装置）采用削沫剂消泡第30页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二工业上常用的消泡剂天然油脂类 玉米油、豆油、棉籽油、鱼油等高碳醇类 十八醇、乙二醇聚合物聚醚类 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油硅酮类 聚二甲基硅氧烷第31页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二泡沫的检测和控制最简单的检测是定时在发酵罐视孔上观察泡沫产生情况，发现泡沫持续上升时，开启消

16、泡剂贮罐的阀门，流加少量消泡剂，使泡沫消失即可。也可在罐内顶部装液位仪与控制仪表连结，用以控制消泡贮率阀门的开启。当泡沫上升接触探头顶端时产生的信号，通过控制装置，指令打开泵开关或阀门，自动加入消泡剂，泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。第32页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二消泡剂使用的注意事项：不能用量过大细密地扩散到泡沫效果好加入土温-80具有增效作用多种消泡剂并用第33页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二 溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。 在28氧在发酵液中的100的空气饱和浓度

17、只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。 第六节 氧的供需及对发酵的影响第34页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二第一节 微生物对氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g菌-1h-1 摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X第35页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二二

18、、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr: 临界溶氧浓度, 指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。第36页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二一般对于微生物： CCr: 115%饱和浓度例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.第37页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足。例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O

19、2L-1S-1 计， 0.25/0.052=4.8秒注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样： 头孢菌素 卷须霉素生长 5% (相对于饱和浓度） 13%产物 13% 8%第38页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二二、发酵液中氧的平衡发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：消耗：r= QO2 .X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面第39页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二三、供氧的调节C有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和C*来调节其中C*P/HNvHPKla第六章 氧的供需及对发酵的影响第40页，共54页，2022年，5月20

20、日，4点51分，星期二调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。 45升 1吨 10吨搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率 7.6 10.7 20.1第41页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二第三节 影响Kla的因素 Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。一、影响摇瓶kla的因素为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机往复，频率80-120分/次，振幅8cm旋转，偏心距25、12,转述250rpm第42页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二装液量，一般取1/10左右： 250ml 15-25 ml 5

21、00ml 30 ml 750ml 80 ml例： 500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 92第43页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二例 某一产品的发酵 d n p0/v c 产量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例 黑曲霉生产糖化酶 n 230 230 270 通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量 1812 2416 2846提高d、n显著提高C,提高了产量提高N, 比提高Q有效第44页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二2、实际上：对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的蒸发量大中间挥发性代谢产物带走第45页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二3、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点 小型发酵罐，转速可调 大型发酵罐，转速往往不可调 大型反应器的合理设计 对现有设备一定要注意工艺配套第46页，共54页，2022年，5月20日，4点51分，星期二4、影响Kla的其它因素空气分布器液体的粘度传质介质第47