（PPT课件）发酵过程优化与工艺装备控制技术新进展.ppt

1、发酵过程优化与工艺装备控制技术新进展,生物发酵产业包括7个行业,酵母,有机酸,酶制剂,淀粉糖,多元醇,特征功能发酵制品,氨基酸,生物发酵 工业产品,精细化学品前体物,生物基材料单体前体物,特种功能制品,生物发酵主要产品,引自张伟国教授,当前生物发酵的发展状况,2010年 2011年 2012年 产量（万吨 ） 1800 2170 （20.6%） 2300（6%） 产值（亿元） 2000 2500 （25.0%） 2700（8%） 出口量（万吨 ） 270 330 （22.2%） 390（18%） 创汇（亿美元） 29 35（20.7%） 41（17%）,2013年预计发展速率为10%-12%。

2、,传感器,大量生物学信息,优化与放大困难 (全局与动态) ？,仅以传统的生物学方法或化学工程方法有很大局限性,细胞内,细胞外,温度、搅拌、pH、DO、培养基配方,基因、转录、 表达、代谢途径,系统,动态,基质,产物,过程宏观信息,工程科学,引自张赐良教授,生物发酵过程复杂代谢、传递与控制与系统,生物发酵工程优化与放大研究出发点,2、化学化工过程 发酵过程是以微生物反应为核心的，具有很多化学工程单元操作的过程环节参与的综合性表征结果。整个发酵过程贯穿着以“速率”与“监控”为基本内容的动态变化模式。,微生物学与化学工程相结合形成了生物发酵工程,1、微生物学 对已有高产菌株（或细胞株），如何在培养过

3、程中进一步考察其生理生化特性，改进微生物反应工艺过程，要求对发酵过程的生物物性、发展动态了解详尽，对微生物、生化反应进行定性、定量和动力学动态测定、考察与控制。,生物发酵工程优化与放大技术的现状与存在的问题,发酵过程优化主要靠人工经验长期摸索效果差周期长 提高工业生产规模发酵单位需数年到几十年时间，特别是大宗发酵产品 新产品或国外引进技术：投产进程慢，周期长 发酵工程放大主要采用人工经验逐级放大效果差风险大 从摇瓶到工业规模（1-几百m3）逐级放大，耗时耗财和人力 放大指数越大风险越大（新设备、新产品） 影响生物发酵工程整体技术发展和在国民经济发展中的作用 整体技术：菌种、产品分离、产品质量、

4、节能减排、先进装备技术、 大宗发酵产品急需新技术,降低生产成本,提高市场竞争能力 生物能源等可持续发展的战略需求已经提到议事日程,生物发酵工程研究新技术,引自张赐良教授,发酵过程优化的基础与应用技术研究, 为解决过程优化关键技术提供基本方法和理论,工程学方法,现象与问题： 发酵过程是一个高度复杂的生命过程系统，细胞内成千上万个基因、代谢物和反应器的混合传递,方法特征； 不同的空间尺度和时间尺度的基因、细胞代谢、反应器混合传递等网络； 网络间存在物质流、能量流、信息流等多输入多输出关系,工程学方法： 基于宏观动力学研究的工程学方法的局限性 提出发酵过程复杂系统多尺度参数相关分析理论与方法,发酵过

5、程研究的工程学理论基础,生物反应器装备技术进展：,海量数据中寻找过程优化敏感参数 发酵过程优化与放大的关键点,质谱仪,多参数发酵罐,解决发酵过程特殊传感器应用和测定技术的困难，实现各种操作参数和生理参数的实时动态检测 传感器技术,专业软件包与模型的建立：发酵过程海量数据处理，集工艺研究与数据动态相关分析为一体 数据处理与计算机技术,不同尺度参数相关：每个尺度（基因、细胞、反应器）网络通过网络间的输入输出，形成对复杂系统的影响 生物学研究,首次自主集成开发了用于生物反应器细胞生理代谢特性检测与分析的装备体系，为建立发酵过程宏观现象（发酵表型）与菌体生理特性的微观机制间的关联研究提供软硬件基础。,

6、引自张赐良教授,研究技术国内外对比,发酵过程优化与控制及 产业化放大应用技术分析,微生物能够积累最大目的产物(产量)的条件是什么？,高产量 便于产品分离提取、提高设备利用率,关键问题1,工程意义1,相关：微生物生理、遗传特性和营养、环境因素,（1）发酵过程优化基本概念,基础研究,1、发酵过程优化的关键问题和工程意义1,底物最多被微生物转化为产物(转化率)的条件是什么？,粮食原料为底物 高转化率 降低原料成本,关键问题2,工程意义2,相关：微生物代谢途径和过程条件,1、发酵过程优化的关键问题和工程意义-2,应用基础研究,微生物最快速度发酵生产目的产物的条件是什么？,补料分批发酵 高生产强度 缩短

7、生产周期,工程意义3,关键问题3,相关：微生物反应动力学和系统优化,1、发酵过程优化的关键问题和工程意义-3,应用开发研究,关键技术问题,工程意义,总 结,1、发酵过程优化的关键问题和工程意义-4,2、过程控制的重要性,决定发酵单位(水平)的因素,外部环境因素,工艺条件,生物因素：,设备性能：,菌株特性（营养要求、生长速率、 呼吸强度、产物合成速率）,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。,传递性能,物理：n、T、 化学：pH、DO、浓度,条件确定,过程优化,初始条件,过程分析,过程强化,3、发酵过程优化的研究思想：,优化是

8、一个过程,1 选育获得高产菌种,2 反应器及过程放大,3 发酵过程优化和控制,4 发酵产物分离提取,4、发酵工程优化研究内容,解决途径和方法,手段：解析和调控,方法：定量与定向,过程：有序和可控,研究目标,显著提高发酵过程经济效率，降低生产成本和减少污染,技术先进性,5、发酵过程优化技术,基于细胞表观特性进行优化,基于细胞内部分析进行优化,高产量,高底物转化率,高生产强度,优化策略,在理论和技术上有突破,在工业生产中能广泛应用 显著提高发酵过程经济效率，降低生产成本,研究目标,6、发酵过程优化研究方法,7、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

9、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,（二）发酵过程的工艺控制主要内容,发酵的生产水平高低除了取决于生产菌本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺等的影响。只有深入了解生产菌种在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求，掌握菌种在发酵 过程中的代谢变化规律，有效控制，以使生产菌种能始终处于生长和产物合成的优化环境之中，从而最大限度地发挥生产菌种的合成产物的能力，进而了取得最大的经济效益。,1、发酵生产中的

10、种子质量优化与控制,1. 种子培养基和培养条件: 种子培养基:能保证在生产中获得大量优质孢子或营养细胞，对于种子培养基的要求: 营养成分完整，丰富，氮源比例高; 原料较精，总浓度较低; 主要成分尽可能同发酵培养基一致； pH较稳定利于菌体正常生长和发育。 培养条件：适当控制pH温度，通气和搅拌等条件，尽可能与发酵罐的起始条件相似。 2. 对接种物的一般要求: 具有旺盛的增殖能力，达到较高的菌体浓度； 纯度高，个体整齐，同步率高，生理活性强，无杂菌 性能稳定，不易变异，退化 质量判断: pH, 菌体形态，菌体浓度，产物量，酶活性，培养液外观 3. 影响种子质量的因素: 原材料质量；培养条件；温度

11、； 湿度；通气量； 斜面冷藏时间；培养基；pH值等。,1、发酵生产中的种子质量优化与控制,4. 种子质量的控制 种令，种子罐数，接种量； 在种子生理状态和培养条件相同时 菌种稳定性检查； 接种量越大发酵延滞期越短。 杂菌检查； 接种技术 5. 决定种子扩大级数的因素 菌种的增殖速度；最低接种量; 发酵规模； 种子罐与发酵罐的容积比。 6. 种子制备的放大原理与技术 种子扩大培养的主要目的： 是为了获得大量的活力强的种子，以便在发酵罐的发酵培养过程中尽可能地缩短延迟期。 延迟期的长短与种子的接种量、接种龄及其生理条件的影响。种子最好采用处于对数生长期的菌种。此时的微生物细胞具有较强的代谢活力。种

12、龄对于能生成芽孢的种子尤为重要。（因为芽孢是在对数生长后期开始形成的，如接种物中含有大量芽孢，则给随后的发酵带来较长的延迟期）。,2、发酵培养基,1. 概念 ； 2. 发酵培养基的特点； 3. 发酵培养基的组成 4. 培养基的设计和最优化 （1）培养基成分的选择； （2）培养基的设计和配制； （3）限制因子的鉴定。,正交实验 利用软件的响应面法,3、发酵过程中的中间分析,（1）分析项目: 1） 产量 （U/mL, %, g /L）; 2） pH值; 3） 糖量（总糖，残糖）; 4） 氮量（无机氮，有机氮，硝基氮）; 5） 菌体形态: 种子阶段：掌握合适种令，确保优质种子； 发酵阶段:观察生长是

13、否正常，以便选择合适发酵条 件如果发现不正常，则设法补救，及时发现杂菌污 染，及早控制或处理。 （ 2）发酵终点判断: 生产率:kg/m3h; 得率:kg产物/kg基质（转化率）; 发酵系数:kg产物/罐容积m3发酵周期 h,4、 参数测定：,（1）菌体浓度：OD600nm：采用岛津紫外分光光度计测定 （2）菌体干重：发酵液离心后，菌体冷冻干燥后称重 （3）粘度变化：离心菌体后的上清使用Brookfield粘度计S00转子，60 rpm条件下测定 （4）PGA处理与产量：每个4h所取样4倍体积无水乙醇沉淀后，分别采用800010000 Da的膜透析和不透析两种方法提取，冷冻干燥称重；原发酵液采

14、用0.2m微滤膜过滤，6000Da反复浓缩后醇沉 （5）pH值变化：采用发酵罐pH电极直接测定 （6）溶解氧浓度：由发酵罐记录数据 （7）蔗糖残留浓度：采用紫外吸收光谱法。一定浓度蔗糖标准液或样品（样品去蛋白）+15 ml 6N盐酸+蒸馏水混合定容至20 ml，沸水浴约10min，根据酸水解蔗糖后的果糖受热破坏，生成的产物5-羟甲基呋喃甲醛在285nm处特征吸收峰进行测定。,基本概念,分批培养又称分批发酵，是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。,问题,空气,发酵尾气,消泡剂,酸碱,为什么说

15、微生物分批培养是一种非稳态的过程？,在分批培养过程中，随着微生长细胞和底物、代谢物的浓度等的不断变化，微生物垢生长可分为停滞期、对数生长期、稳定期和死亡期等四个阶段。,（三）发酵形式,（1）分批发酵,典型的微生物分批发酵工艺流程图,a,b,c,d,实际上，接种物的生理状态和浓度是停滞期长短的关键。如果接种物处于对数生长期，那么就很有可能不存在停滞期，微生物细胞立即开始生长。反过来，如果接种物本身已经停止生长，那么微生物细胞就需要有更长的停滞期，以适应新的环境。,停滞期是微生物细胞适应新环境的过程。 1、说明停滞期细胞特征？ 2、影响停滞期长短的决定因素有哪些？,a、停滞期,a,b,c,d,处于

16、对数生长期的微生物细胞的生长速度大大加快，单位时间内细胞的数目或重量的增加维持恒定，并达到最大值。,基本概念,细胞比生长速率,在对数生长期，随着时间的推移，培养基中的成分不断发生变化，但此期间，细胞的生长速度基本维持恒定，其生长速度可用数学方程表示：,x-细胞浓度（g/l）；t-培养时间（hr）； -细胞的比生长速率（1/h）。,问题,细胞的比生长速率可以通过何种方法求得？,b、对数生长期期,微生物细胞浓度增加一倍所需要的时间，也叫增代时间。 （td） 表示,倍增时间,于是，用微生物细胞浓度的自然对数对时间作图，就可得到一条直线，该直线的斜率就等于 。,微生物细胞的比生长速率和倍增时间因受遗传

17、特性及生长条件的控制，有很大的差异，如下表：,x-细胞浓度（g/l）；t-培养时间（hr）； -细胞的比生长速率（1/h）。,如果当t=0时，细胞的浓度为x0（g/l），上式积分后就为：,表1、一些微生物在不同碳源上的比生长速度和倍增时间,a,b,c,d,1、所有微生物停止生长或细胞增加速度与死亡速率相等 ； 2、出现二次或隐性生长。,特点：,说明稳定期微生物出现二次生长的原因？,问题,由于细胞的溶解作用，一些新的营养物质，诸如细胞内的一些糖类、蛋白质等被释放出来，又作为细胞的营养物质，从而使存活的细胞继续缓慢地生长，出现通常所称的二次或隐性生长。,C、稳定期,a,b,c,d,1、微生物细胞内

18、所储存的能量已经基本耗尽，细胞开始在自身所含的酶的作用下死亡。,特点：,2、细胞死亡速率大于增加速度。,3、此时也是细胞产生或释放对人类有用的抗生素等次生代谢产物的时期。,D、死亡期,微生物分批培养生长速度的动力学方程 分批培养时微生物细胞的生长与产物形成的动力学,单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素、酶制剂、有机酸以及有机溶剂等的生产过程。,1、基本概念,指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法，又称半连续培养或半连续发酵，是介于分批培养过程与连续培养过程之间的一种过渡培养方式。,操作方式,发酵工业应用,（2）补料分批培养,问题,3、不同补料方式对细胞生长影响,问题,1、对微生

19、物培养菌来说，何种补料方式对细胞生长最快？,2、何种补料方式对产物的形成最有利？,3、细胞生长速度最快是否也是最有利于产物的形成？,2、补料分批培养的类型,表2、补料方法对细胞密度、生长速度及生产率的影响,补料分批培养是介于分批培养和连续培养之间一种微生物细胞的培养方式，它兼有两种培养方式的优点，并在某种程度克服了它们所存在的缺点。,3、补料分批培养的优点,表 为补料分批培养的一些优点。,（3）连续培养,1、基本概念,指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的液量维持恒定，使微生物细胞能在近似恒定状态下生长的微生物培养方式。,操作方式,连续

20、培养又称连续发酵，它与封闭系统中的分批培养方式相反，是在开放的系统中进行的培养方式。,2、连续培养流程,磁搅棒,PH控制器,空气过滤器,灭菌的培养基储存器,加料和出料泵,空气出口,酸储存器,空气过滤器,压缩空气,流量计,样品,图 典型连续培养中试系统示意图,连续培养的特点,在连续培养过程中，微生物细胞所处的环境条件，如营养物质的浓度、产物的浓度、PH值以及微生物细胞的浓度、比生长速度等可以自始至终基本保持不变，甚至还可以根据需要来调节微生物细胞的生长速度，因此连续培养的最大特点是微生物细胞的生长速度、产物的代谢均处于恒定状态，可达到稳定、高速增微生物细胞或产生大量代谢产物的目的。,连续培养过程

21、的优缺点,在特定的发酵生产过程中，生产效率的高低取决于工艺和工艺控制的最优化，即能否实现生产过程内的最优化控制。生产过程最优化控制的实现，包含了从明确目标到目标值实施等全部内容。,明确控制目标,明确影响因素,确定实现目标值的方法,确定最佳工艺,实施最佳工艺,提问,1、微生物的生长和培养方式可分为哪三种类型？,2、在分批培养中，微生物的生长可分为哪四个阶段？,（4）发酵工艺控制最优化,（三）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,（1）温度对微生物细胞的生长和发酵代谢产物的影响,发酵过程中所产生的热

22、量，叫做发酵热。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射,由于微生物的生长和产物的合成代谢都是在各种酶的催化下进行的，而温度却是保证酶活性的重要条件，因此在发酵过程中必须保证稳定而合适的温度环境。温度对发酵的影响是多方面的，对微生物细胞的生长和产物的生成、代谢的影响是由各种因素综合表现的结果。,（1）发酵热,从以上可知，温度对发酵生产来说是至关重要的，要维持一定温度，除了给它加热外，其发酵过程中自身有热量产生吗 ？,温度还会影响到微生物细胞的生物合成方向。,温度和微生物生长的关系 ？,问题2,一方面在其最适温度范围内，微生物的生长速度随温度的升高而增加，发酵温度越高，培养的周期就越短；另一方面

23、，处于不同生长阶段的微生物对温度的反应是不同的。,说明温度对细胞内酶的影响 ？,问题3,温度对发酵生产的影响有哪些 ？,问题1,温度可影响培养液的哪些物理性质？,问题4,温度影响到微生物细胞的生物合成方向 ？,问题5,温度可以改变培养液的物理性质。,对于同一微生物细胞， 细胞生长和代谢产物积累的最适温度也往往不同。例如，青霉素产生菌的生长最适温度为30，而产生青霉素的最适温度为25；黑曲酶的最适生长温度为37，而产生糖化酶和柠檬酸的最适温度都是32-34；谷氨酸生产菌生长的最适温度30-32，而代谢产生谷氨酸的最适温度却在34-37。,1、发酵热,Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射,从以上

24、可知，温度对发酵生产来说是至关重要的，要维持一定温度，除了给它加热外，其发酵过程中自身有热量产生吗 ？,发酵过程中，随着微生物细胞对培养基中的营养物质的利用、机械搅拌的作用，将会产生一定的热量；同时由于发酵罐壁的散热、水分的蒸发等将会带走部分热量。,定义,发酵过程中释放出来的引起温度变化的净热量称为发酵热。 发酵热包括了生物热、搅拌热、蒸发热以及辐射热等。,2、生物热,来源 ：微生物对营养物质的分解所释放的能量,生物热（Q生物）,微生物细胞在生长繁殖过程中产生的热成为生物热。,问题1,生物热来源于培养基中的什么物质？,问题2,微生物产生的生物热有何作用？,2、生物热,影响因素： 菌株 培养基成

25、分 发酵时期 生物热与其它参数的关系 呼吸强度QO2 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。,问题3,在发酵的哪一阶段，微生物产生的生物热最大？,问题4,搅拌热是如何产生的？,对于机械搅拌通气式发酵罐，由于机械搅拌带动培养液作相应的比较剧烈的运动，造成液体之间、液体与搅拌器等设备之间的摩擦，会产生比较可观的热量。,4、蒸发热（Q蒸发）,在通气培养过程中，空气进入发酵罐后就与发酵液进行广泛的接触，除部分氧等被微生物利用外，大部分气体仍旧从发酵液出来，排放至大气中，必然会引起热量的散发，热量将被空气或蒸发的水分带走，这些热量就称为

26、蒸发热 。,3、搅拌热（Q搅拌）,5、辐射热（Q辐射）,指因发酵罐温度与环境温度不同，而使发酵液通过罐体向外辐射的热量 。辐射热的大小取决于发酵罐内外的温度差的大小，受环境温度变化的影响。,（2）温度对微生物生长的影响,当时，可忽略，微生物处于生长状态。、皆与T有关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述： EE 死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感。,（2）温度对微生物生长的影响（续）,嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系,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

27、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。,1、糖比消耗速率qs,Righelato假定： m维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗。m项与渗透压调节、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。这些过程受温度的影响，所以m也和温度相关。 B生长系数，即同一生长速率下的糖耗，B值越大，说明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。 改变温度可以控制qs和,2、T对维持因子m 、生长系数B和比生长速率的影响,温度对B、m和不同qs下对值的影

28、响,qs一定： 当TTm时， m ， , B 底物转化效率低 当T=Tm时，,（3）温度对产物合成的影响,1、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,（3）温度对产物合成的影响,2、改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。 3、影响生物合成方向。 e.g. 四环素发酵中金色链霉菌：T30，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。 4、温度对菌的调节机制关系密切 。

29、,（3）温度对产物合成的影响,5、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-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%。,（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 。,（4）最适温度的选择与控制,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

30、基成分和浓度的影响。,（4）最适温度的选择与控制,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：030h稍高温度 30150h稍低温度 150h后升温发酵。 青霉素发酵：30, 5h25 , 35h 20 , 85h 25 , 40h；产量提高14.7,在发酵整个过程，初期、中期、末期它们温度如何变化 ？,问题1,培养耐高温的微生物菌种有何意义 ？,问题2,生产上如何使发酵温度控制在一定的范围 ？,问题3,在实际生产过程中，各个发酵温度的选择可从哪几个方面进行综合考虑 ？,问题5,发酵的最适温度是指什么 ？,问题4,（四）基质浓度对发

31、酵过程的影响及补料控制,（1）基质浓度对发酵的影响 （2）补料控制,（1）基质浓度对发酵的影响,s ， OTR逐渐至OTR=，即 ，高位平衡 当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平衡通常发生在正常情况的前、后期。,平衡点分析2： 当CL（如对数生长期很大）， ，OTRCm, 卷须霉素: 而有些菌株 Ccr CCr，生产阶段满足CLCm。,（3）溶解氧在发酵过程控制中的重要作用,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 -异常发酵溶解氧曲线 异常发酵光密度曲线,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到零附近，跌零后长时间不回升。 对

32、于厌气性杂菌，溶解氧升高。 污染噬菌体或其它不明原因引起 发酵液变稀，此时溶解氧迅速上升。 操作故障或事故分析,1、发酵异常指标,2、补料控制指标,中间补料是否得当可以从溶解氧的变化看出。 发酵过程中出现“发酸”现象，此时溶解氧很快下降。,3、代谢方向控制指标,测量溶解氧可以确定CCr、Cm值 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：45%饱和度 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 。,4、设备性能、工艺合理性指标,工艺条件反映耗氧和供氧特征 菌种性能：耗O2 培养基性能：耗O2、供O2 温度：耗O2、供O2 RQ（O

33、2与CO2水平比较）：耗O2 表面活性剂：耗O2、供O2,（六）工艺装备对发酵的影响及其控制,评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位 设备反映供氧性能： 搅拌桨形式 叶片形式 搅拌器直径d 搅拌档数m和搅拌器间距s 档板宽度w和档板数z 通气：空气分布器的类型和位置 n，P/V 设备操作参数 罐压 WS或VVM,1、设备性能、工艺合理性指标,改进工艺：控制补料速度、T 的调节、中间补水、 添加表面活性剂等,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 e.g.利福霉素发酵：5080h波谷阶段，P/V，KLa，供氧；3W/L比1 W/L批号的发酵单位增加约

34、900u/ml。 搅拌转数n 对溶解氧和产量的影响 e.g.赤霉素发酵：1550h期间，n从155 提高至180 r/min，赤霉素单位,2、将溶解氧控制作为发酵工艺装备中间控制的手段之一,，加大补糖速率,，减小补糖速率,实现用溶解氧水平控制补料速率,控制原理 发酵过程中， 糖量 x , QO2 CL 糖量 QO2 CL 补糖使CL下降，而CL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（Cm）水平，补糖速率应与其相适应。,1）控制原则,补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓“半饥饿状态”，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KLa水平

35、所能提供的最大供氧速率。,2）控制方法,溶氧和补糖控制系统 溶氧和pH控制的系统,溶氧在加糖控制上的应用,溶氧与pH协同控制系统,3、溶解氧控制的工艺装备：从供氧、需氧两方面考虑,供氧方面： 提高氧分压（氧分含量），即 ，提高供氧能力 改变搅拌转速：通过改变KLa来提高供氧能力 通气速率Ws ：Ws增加有上限，引起“过载”、泡沫 提高罐压： ，但同时会增加CO2的溶解度，影响pH及可能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。,供氧方面：,3、溶解氧控制的工艺装备（续）,改变发酵液理化性质（， ，Ii） 加消泡剂，补加无菌水，改变培养基成分改变KL 改变温度： ，提高推动力（C*CL）,3、溶解氧控制的工艺装备（续）,耗氧方面 限制性基质