发酵工程第九章发酵过程控制

发酵工程第九章发酵过程控制演示文稿第1页，共84页。优选发酵工程第九章发酵过程控制第2页，共84页。

本章内容一、概述二、代谢调控在发酵过程控制中的应用三、温度对发酵的影响及其控制四、pH对发酵的影响及其控制五、溶解氧对发酵的影响及其控制六、CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制七、基质浓度对发酵的影响及补料控制八、高密度发酵及过程控制九、泡沫对发酵的影响及其控制十、自动控制技术在发酵过程控制中的应用第3页，共84页。1.

过程控制的重要性

菌株特性(营养要求、生长速率、呼吸强度、产物合成速率)

传递性能物理：n、T、Ws

化学：pH、DO、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

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。

决定发酵单位(水平)的因素理化因素工艺条件生物因素：设备性能：第4页，共84页。2.

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

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

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，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制

第5页，共84页。3.

参数检测代谢参数按性质可分为三类：物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、产物浓度等生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等第6页，共84页。3.参数检测参数按获取方式可分为两类：

如T、pH、罐压、空气流量、搅拌转速、溶氧浓度等如摄氧率(γ)、呼吸强度(QO2)、比生长速率（μ)、体积溶氧系数(KLa)、呼吸商(RQ)等。直接参数：

间接参数：将直接参数通过公式计算获得的参数，第7页，共84页。3.

参数检测参数的测量形式离线测量：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）在线测量：如T

、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、搅拌转速等优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便于计算机控制。困难：传感器要求较高。

第8页，共84页。对传感器的要求能经受高压蒸汽灭菌；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；最好能在过程中随时校正，灵敏度好；探头材料不易老化，使用寿命长；安装使用和维修方便；解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题；价格合理，便于推广。3.

参数检测第9页，共84页。3.

参数检测参数检测方法温度测量

感温元件：热电偶（温度信号→

电信号）二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成被测介质的温度第10页，共84页。参数检测方法搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式，测速电机；搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。3.

参数检测第11页，共84页。3.

参数检测参数检测方法空气流量测定体积流量型：会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；①同心孔板压差式流量计；②转子流量计。质量流量型：根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。第12页，共84页。参数检测方法罐压测量压力表压力传感器

3.参数检测第13页，共84页。参数检测方法料液计量与液位控制压差法：H=（△P2/△P1）·△H

直接重量测量法：直接称重体积计量法：计算进出料液流量计量法：计算流量和时间液位探针3.

参数检测第14页，共84页。参数检测方法发酵液粘度测定毛细管粘度计回转式粘度计涡轮旋转粘度计3.

参数检测第15页，共84页。参数检测方法pH测量复合pH电极

pH测量仪器

3.

参数检测第16页，共84页。参数检测方法溶解氧的测量化学法极谱法复膜氧电极法

3.

参数检测复膜氧电极示意图（a）极谱型（b）原电池型第17页，共84页。参数检测方法溶解二氧化碳测量复膜式电极法渗透膜—碳酸氢钠法发酵尾气的在线分析

CO2分析

O2分析3.

参数检测第18页，共84页。参数检测方法细胞浓度的测量化学法：如DNA、RNA分析等

物理法：如重量分析、分光光度分析、浊度分析等新技术：以电容法为测量原理的在线活细胞浓度测量传感器

3.

参数检测原位活细胞在线检测仪第19页，共84页。第一节温度对发酵的影响及其控制1.

影响发酵温度的因素2.温度对微生物生长的影响3.温度对产物合成的影响4.最适温度的选择与控制

第20页，共84页。(1)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

第21页，共84页。(2)生物热来源：微生物对营养物质的分解所释放的能量影响因素：菌株培养基成分发酵时期

生物热与其它参数的关系

①呼吸强度QO2②糖利用速率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，可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。第22页，共84页。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第23页，共84页。2.温度对微生物生长的影响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速下降。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。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，则升温的破坏作用较弱。处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于溶解氧，而不是温度。第24页，共84页。3.温度对产物合成的影响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。

e.g.青霉菌发酵生产青霉素青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol

青霉素合成活化能E2=112kJ/mol

∴青霉素合成速率对温度较敏感第25页，共84页。改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。影响生物合成方向。

e.g.四环素发酵中金色链霉菌：T<30℃，产生金霉素；T达35℃，产生四环素；谷氨酸发酵中扩展短杆菌：30℃培养后37℃发酵，积累过量乳酸。

温度对菌的调节机制关系密切。3.温度对产物合成的影响第26页，共84页。3.温度对产物合成的影响影响酶系组成及酶的特性。米曲霉制曲：温度控制在低限，有利于蛋白酶合成凝结芽孢杆菌的α-淀粉酶热稳定性：55℃培养→90℃保持60min，剩留活性为88%~99%；35℃培养→经相同条件处理，剩余活性仅有6%~10%。第27页，共84页。4.最适温度的选择与控制定义：最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一定条件下测得的结果。二阶段发酵

e.g.青霉素发酵：菌体生长期,30℃

青霉素合成分泌期,20℃第28页，共84页。最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正常良好通气条件下低一些。培养基成分和浓度的影响4.最适温度的选择与控制第29页，共84页。变温培养：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒温培养所获得的产物有较大幅度的提高。

e.g.四环素发酵：0~30h稍高温度→30~150h稍低温度→150h后升温发酵青霉素发酵：30℃,5h→25℃,35h→20℃,85h

→25℃,40h；产量提高14.7％4.

最适温度的选择与控制第30页，共84页。一、pH值对发酵过程的影响二、发酵过程中pH的变化及影响因素三、发酵过程中pH的控制第二节pH对发酵过程的影响及控制第31页，共84页。发酵液中pH变化的基本原理微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生：①酸性或碱性代谢产物的生成或释放；②菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。引起发酵液中pH下降的因素（1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机酸积累，pH下降；（2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加；（3）生理酸性盐的利用；（4）酸性产物形成：如有机酸发酵。

第32页，共84页。发酵液中pH变化的基本原理引起发酵液中pH上升的因素（1）C/N过低（N源过多），氨基氮（NH4＋）释放；（2）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；（4）碱性产物形成。第33页，共84页。1.pH对发酵的影响(1)每一类微生物都有最适的和能耐受的pH范围：如：细菌最适生长pH为6.3～7.5；霉菌最适生长pH4.0～5.8；酵母最适生长pH3.8～6.0；放线菌最适生长pH6.5～8.0。第34页，共84页。1.pH对发酵的影响(2)微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH往往不同。如：丙酮丁醇产生菌，生长pH5.5～7.0，发酵pH4.3～5.3；青霉素的生长pH6.5～7.2，合成青霉素pH6.2～6.8。(3)同一种微生物在培养过程中pH不同，可以形成不同的发酵产物。如：黑曲霉在pH2～3时产柠檬酸，接近中性产草酸。第35页，共84页。1.pH对发酵的影响(4)pH对微生物生长及产物生成的影响体现在：

①pH影响酶的活性当pH选择不当，会抑制菌体中某些酶的活性，使菌体的新陈代谢受阻。②pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄，影响代谢的正常进行。第36页，共84页。1.pH对发酵的影响③影响培养基某些组分的解离，进而影响微生物对这些物质的利用。④pH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生改变。

第37页，共84页。

最适pH的选择选择pH准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量。pH对产海藻酸裂解酶的影响配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况第38页，共84页。2.发酵过程中pH的变化及影响因素1.发酵过程中pH的变化（1）生长阶段：pH有上升或下降趋势如：利福霉素B发酵起始pH为中性，但生长初期由于菌体产生的蛋白酶水解蛋白胨而生成铵离子，使pH上升至碱性；接着，随着铵离子的利用及葡萄糖利用过程中产生的有机酸使pH下降到酸性范围。第39页，共84页。（2）生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适产物合成的范围。（3）自溶阶段：随着基质的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基酸增加，致使pH上升，此时菌丝趋于自溶而代谢活动终止。2.发酵过程中pH的变化及影响因素第40页，共84页。2.引起发酵液中pH变化的因素（1）发酵过程中pH的变化取决于微生物的种类、培养基的组成和发酵条件。在产生菌的代谢过程中，菌本身具有一定的调节pH的能力，但外界条件发生较大变化时，pH将会不断波动。如：利福平霉素的产生菌，采用初始pH为6.8和7.5时，最终发酵pH都达到7.5左右，发酵单位达到正常水平，但当初始pH为6.0时，发酵单位为零。2.发酵过程中pH的变化及影响因素第41页，共84页。（2）引起pH下降的因素：凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗都会引起发酵液pH下降。①培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大量积累而pH下降；②消泡剂加量过多；③生理酸性物质的存在，氨被利用。2.发酵过程中pH的变化及影响因素第42页，共84页。（3）引起pH上升的因素：凡是导致碱性物质生成或释放及酸性物质消耗，都会引起发酵液pH上升。①培养基中碳、氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放，使pH上升；②生理碱性物质存在；③中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH上升。2.发酵过程中pH的变化及影响因素第43页，共84页。3.发酵过程中pH的调节与控制①添加碳酸钙法；②氨水流加法；③尿素流加法。第44页，共84页。配制合适的培养基，有很好的缓冲能力；发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂

(NaOH、HCl、CaCO3)；发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH；

酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4＋)

碱性基质：NO3－盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素原则:①残糖高时，不用糖调pH

②残N高时，不用生理盐调pHpH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH

3.发酵过程中pH的调节与控制第45页，共84页。

4.pH控制系统执行单元调节器pH变选器给定值补料pH电极mA4~20mA第46页，共84页。一、泡沫的性质二、泡沫的形成及变化三、泡沫对发酵的影响和消除第三节泡沫对发酵的影响及控制第47页，共84页。1.泡沫的性质1、根据发酵液的性质不同，泡沫有两种类型：①发酵液液面上的泡沫，气相比例特别大，与液体之间有明显界线；②菌体发酵液中的泡沫，均匀稳定，与液体之间没有明显界线，气相所占比例由下而上逐渐增加。2、泡沫的生成原因：①由外界引进的气流被机械地分散形成；②发酵过程中产生的气体凝结生成。第48页，共84页。2.发酵过程中泡沫的形成及变化1、影响泡沫形成的因素：①与通风、搅拌的剧烈程度有关，搅拌所引起的泡沫比通风来的大；②与培养基所用的原材料有关，蛋白质原料是主要的起泡原因。2、起泡的方式：①整个过程中，泡沫保持恒定的水平；②发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；③发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；④发酵开始起泡能力低，以后上升；⑤以上类型的综合方式。

第49页，共84页。（1）降低了发酵罐的装液系数（2）增加了菌群的非均一性（3）增加了污染杂菌的机会（4）导致产物的损失（一）泡沫对发酵的影响第50页，共84页。（二）消除泡沫的方法（1）机械消泡法（2）化学消泡法第51页，共84页。（1）机械消泡原理：靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。优点：不需引入外来物质，可节省原材料，减少污染机会，并可减少培养液性质复杂化的程度。缺点：不如化学消泡迅速可靠，需要一定的设备和消耗一定的动力；不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。第52页，共84页。（1）机械消泡机械消泡装置的选择依据动力小结构简单

坚固耐用

清洗、杀菌容易

维修保养费用少

第53页，共84页。（1）机械消泡1）机械消泡的方法①罐内消泡在发酵罐内将泡沫消除②罐外消泡

将泡沫引出发酵罐外，

泡沫

消除后，液体再

返回发酵罐内第54页，共84页。（2）化学消泡-机理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。第55页，共84页。（2）化学消泡法1）化学消泡的机理降低气泡膜的表面张力；降低液膜的机械强度；降低液膜的表面粘度；通常一种好的化学消泡剂应同时具有以上多重功能。第56页，共84页。（2）化学消泡法化学消泡的优点来源广泛作用迅速可靠，消泡效率高

不需改造现有设备

容易实现自动控制

第57页，共84页。2）理想化学消泡剂必须具有的特点：①必须是表面活性剂，且具有较低表面张力，消泡作用迅速，效果高，持久性能好；②在气-液界面有足够大散布系数，即有一定的亲水性；③在水中溶解度较小，以保持持久的消泡或抑泡性能；④对微生物和发酵过程无毒，对人、畜无害，不影响生物合成，不影响以后的提炼过程；⑤不干扰分析系统，如溶氧电极、pH电极的探头；⑥来源广泛，价格低廉；⑦能耐高温灭菌。（2）化学消泡法第58页，共84页。3）消泡剂的种类①天然油脂类：同时也是一种碳源，油脂越新鲜，消泡能力越强。②高碳醇：C7-C9的醇是最有效的消泡剂。③聚醚类：氧化丙烯和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物，消泡能力相当于豆油的10-80倍。④硅酮类：聚二甲基硅氧烷及其衍生物，单独使用效果差，常与分散剂一起使用。（2）化学消泡法第59页，共84页。4）消泡剂的应用①分散消沫剂加到发酵罐中能否起作用取决于它的扩散能力；消沫剂的分散可借助于机械方法，也可借助某种载体或分散剂将消泡剂乳化成细小液滴。②加入时机有的可先加入培养基；有的则在泡沫初起或大起时加入。（2）化学消泡法第60页，共84页。4）消泡剂的增效作用①消泡剂加载体增效②消泡剂并用增效③消泡剂乳化增效（2）化学消泡法第61页，共84页。第四节CO2浓度和呼吸商1.呼吸商的定义2.发酵过程中CO2释放率的变化3.CO2对发酵的影响第62页，共84页。1.定义

呼吸商（RQ）：指菌体呼吸过程中，CO2释放率和菌的耗氧速率之比，RQ反映菌的代谢情况。菌体耗氧速率

OUR，molO2/L·h

菌体CO2释放率CER，molCO2/L·h第63页，共84页。（1）影响尾气中CO2浓度的因素通入空气量：

呼吸强度：CO2溶解度：菌体量：第64页，共84页。（2）CER变化规律CO2积累量渐增，与x曲线对应，基本类似S型曲线变化；当工艺和设备参数一定的情况下，CER与x有比例关系（CER∝菌体生长速率）；CO2浓度变化与O2浓度变化成反向同步关系。第65页，共84页。∫[CER]dt，菌体干重的时间曲线1-[CER]dt；2-菌量第66页，共84页。（1）研究参数CO2的意义作为代谢产物或中间前体，尾气中CO2积累与生物量成正比，通过C质量平衡估算生长速率和细胞量。高浓度CO2对发酵多表现为抑制作用，应实施测量与控制；尾气CO2不仅直接反映代谢情况，而且和其它参数及补料操作密切相关，可作为工艺优化的指标。第67页，共84页。（2）CO2对细胞的作用机制“麻醉”作用

CO2及HCO3-都会影响细胞膜的结构，使膜的流动性及表面电荷密度发生变化，导致许多基质的跨膜运输受阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻醉”状态，细胞生长受到抑制，形态发生改变。

第68页，共84页。（3）CO2对菌体生长及产物形成的影响CO2↑,基质分解速率↓，ATP↓

，中间产物↓或形态变异导致产量↓高浓度CO2抑制作用的独立性:只要CO2在培养液中浓度过量，即使供氧充足（CL>CCr），CO2的抑制作用不能解除，这种负作用在放大过程更明显。正确评价通气的作用：供氧：排废气：CO2水分及挥发性组分的散失

第69页，共84页。（4）CO2释放与补糖速率的关系在青霉素发酵中补糖将引起排气CO2增加，同时pH下降。

糖、CO2、pH三者的相关性，被青霉素工业生产上用于补料控制的参数，并认为排气CO2的变化比pH变化更为敏感，所以测定排气CO2释放率（CER）来控制补糖速率。

补糖与溶氧及pH协同控制补糖速率与CER控制

补糖对排气CO2和pH的影响第70页，共84页。（5）呼吸商与发酵的关系不同菌株、同一菌株不同代谢途径、同一菌株利用不同基质、同一菌株在不同发酵阶段，RQ值不相同。RQ值可以表征发酵状况。

第71页，共84页。青霉素发酵不同阶段：

菌体生长阶段：RQ＝0.909

维持阶段：RQ=1

生产阶段：RQ=4如果产物的还原性比基质大时，其RQ值就增加；反之，当产物的氧化性比基质大时，RQ值就要减少；其偏离程度决定于单位菌体利用基质形成产物的量。产物形成对RQ影响最大第72页，共84页。一、基质浓度对发酵