第九章发酵过程控制23.ppt

1、第九章发酵过程的控制， 第1节温度对发酵的影响及其控制第2节酸碱度对发酵的影响及其控制第3节溶解氧对发酵的影响及其控制第4节CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制第5节底物浓度对发酵的影响及其控制第6节通气和搅拌对发酵的影响及其控制第7节泡沫对发酵的影响及其控制第8节高密度发酵和控制过程第9节发酵终点检测和控制要点第10节自动控制技术在发酵过程控制中的应用，重点研究：温度、酸碱度、溶解氧、细胞浓度、底物浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵过程的影响。 首先，发酵过程的主要控制参数(1)生长的最适温度和合成次生代谢产物的最适温度通常是不同的。(2)酸碱度细菌的代谢影响培养基的酸碱度，而培养基的酸碱度又反

2、过来影响细菌的生长、酶系统活性和代谢途径。(3)溶解氧浓度溶解氧是好氧细菌发酵的必要条件。(4)基质内容物应保证细菌的生长，维持存活，避免抑制，合成不同目的和阶段的产品和其他技术需要。(5)空气流量空气消毒系统，流量，温度，目的是供应氧气。(6)罐内的正压防止空气中的细菌侵入发酵液，当罐内压力过高时，CO2浓度急剧上升，产生负面影响。(7)搅拌速度延长了空气的停留时间，提高了溶解氧；促进细菌和培养基之间的传质。当它太高时，会破坏细菌并产生过多的泡沫。(8)混合动力占成本的很大一部分。(9)粘度随着细菌浓度的增加，粘度增加，溶解氧减少。(10)浊度能直接反映细菌的浓度，但不能区分细菌是生存还是死

3、亡。(11)稀释率涉及进料液流的连续发酵。(12)产品浓度产生目标(13)氧化还原电位的原因通常非常复杂。测量方法需要改进。(14)废气中的氧含量(15)废气中的CO2，从中可以了解生产菌株的呼吸代谢规律。(16)菌丝形态是判断种子质量、区分发酵阶段和确认细菌污染的重要依据。(17)细菌浓度是确定进料量、供气量和阶段转化率的重要依据。发酵过程的主要控制参数，酸碱度(酸碱度)、温度(溶解氧浓度)、基质含量、空气流速、压力、搅拌速度、搅拌功率、粘度、浊度、液体流量、产品浓度、氧化还原电位、废气中的氧含量、废气中的CO2含量、菌丝形状和菌体浓度。发酵过程参数检测，1。直接状态参数2。间接状态参数3。

4、离线发酵分析方法。直接状态参数，直接反映微生物在发酵过程中的生理代谢，如酸碱度、溶解氧、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2、粘度等。在线检测传感器，2。间接状态参数是指使用直接状态参数计算的参数。比生长率、摄氧率、CO2释放率、呼吸商、KLa。可以提供诸如反应过程状态、反应速率、设备性能和设备利用效率的信息。离线发酵分析方法从发酵液中取样进行离线分析，分析细菌的浓度、形态、培养基组成和产物组成及含量。显微镜观察、细胞体积、干重、光密度、平板计数、基质和产物分析等。第一节温度对发酵的影响及其控制。影响发酵温度的因素。温度对微生物生长的影响。温度对发酵的影响。最佳温度的选择1。影响发酵温度、发酵热的

5、因素：发酵过程中释放的净热量。细菌分解底物产生热量，搅拌产生热量，罐壁散热，水分蒸发，排气带走热量，发酵热量导致发酵温度下降例如，一摩尔葡萄糖被完全氧化成水和二氧化碳。有氧：产生287.2千焦，183千焦转化为高能化合物，104.2千焦以热的形式释放。厌氧：产生22.6千焦，9.6千焦转化为高能化合物，13千焦以热的形式释放，分别占63.7%和42.6%，释放的热量分别为104.2千焦和13千焦。微生物的需氧培养比厌氧培养产生更多的热量。生物热的产生具有很强的时效性。1.初始阶段：适应阶段，细菌较少，呼吸缓慢，热量较少。2.对数生长期：大细菌、剧烈呼吸和更多热量。3.合成阶段：细菌合成缓慢，合

6、成酶反应，产热减少，温升小。如果在培养的早期温度上升太慢，发酵是不正常的；如果培养早期温度上升过快，就有可能感染细菌。此外，培养基中的营养越丰富，生物热量越大。与搅拌功率相关的搅拌热q搅拌可通过以下公式计算：q搅拌=P*860*4186.8J/h P搅拌轴功率860*4186.8机械当量的热量用于将机械能转化为热能，而在蒸发和曝气过程中引起发酵液中水蒸发所需的热量称为汽化热q，此外，一些热量会被废气带走，这称为显热q sensible，而显热非常小，一般可以辐射热Q辐射发酵罐中的温度不同于环境温度，发酵液中的一些热量通过罐向外辐射。辐射热取决于水箱和环境之间的温差。冬天更大，夏天更小。q发酵=

7、QBio-QStirring-QEvaporation-QRadiation；第二，温度对微生物生长的影响。微生物生长对温度的要求不同，大致可分为：嗜冷菌：20最大026生长，嗜冷菌：3035 1543生长，嗜热菌：50 3765生长。最佳温度是最高温度和最低温度。在最适温度范围内，微生物生长迅速，生长速度随温度的升高而加快。气温上升了10度，增长率翻了一番。当温度超过最高温度时，微生物将被抑制或杀死。在最低温度范围内，微生物仍然可以生长，但生长速度非常慢，而且产生时间无限延长。例如，黑曲霉的生长温度是37。谷氨酸棒杆菌的生长温度为3032。青霉菌的生长温度为30。为什么不同的微生物对温度有不

8、同的要求？根据细胞膜脂质组成的分析，在不同最适温度下生长的微生物膜中磷脂的组成有很大差异。嗜热细菌只含有饱和脂肪酸，而嗜冷细菌含有较高的不饱和脂肪酸。温度对发酵的影响发酵过程中的反应速率实际上是酶的反应速率，酶的反应有一个最佳反应温度，该温度低于最佳温度，反应速率随温度的升高而升高，但高于最佳温度，而发酵速率随温度的升高而降低。Arrhenius方程、发酵液的粘度、底物和氧在发酵液中的溶解度和转移速率、一些底物的分解和吸收速率等。都受到温度变化的影响，温度变化反过来影响发酵动力学和产物生物合成。根据细菌的生长特性，细菌生长快，维持较高温度的时间短，细菌生长慢。维持较高的温度会在较长时间内影响细

9、胞生长和细胞产量，因为维持细胞生命活动的消耗在高温下会增加。不同生长阶段控制的最佳温度也不同。在发酵的早期，由于细菌数量少，培养的目的是为了尽快达到大量的细菌，所以采用稍高的温度来促进细菌的生长和代谢。中期细菌数量已达到最佳(4)最佳温度的选择：1)最佳温度，适合细菌生长或产物形成的温度，适合细菌生长的最佳温度，发酵产物合成的最佳温度；2)第二阶段发酵中青霉素产生菌的最适生长温度为30，青霉素合成和分泌的最适温度为20。(3)其他发酵条件根据培养条件的综合考虑，温度应灵活选择。1.当通风条件较差时，可适当降低温度，降低细菌的呼吸速率，增加溶解氧浓度；当培养基较稀时，温度应该较低，因为高温和营养

10、物质的快速利用会使细菌过早自溶。变温培养在抗生素发酵过程中，变温培养往往比恒温培养获得更多的产物。青霉素发酵05小时、30小时、535小时、25小时、3585小时、20小时，最后发酵至25小时，比恒温25小时提高14.7%。在一般发酵罐中，工业生产中使用的大型发酵罐通常不需要在发酵过程中加热，并且因为在发酵过程中释放大量的发酵热，所以它们通常需要冷却。通过自动控制或手动调节阀门，冷却水被引入发酵罐的夹层或蛇形管，并通过热交换降低温度以保持恒温发酵。如果温度高(尤其是在中国南方的夏季)，冷却水温度高，导致冷却效果差，达不到预定温度，可以用冷冻盐水进行循环冷却，使其迅速降至最佳温度。因此，大型工厂

11、需要建立冷冻站，提高冷却能力，以确保在常温下发酵。第二节：酸碱度对发酵的影响及其控制；1.发酵过程中的酸碱度变化规律；2.最佳酸碱度的选择；3.发酵过程中酸碱度变化的调节策略；1.基质代谢(1)糖代谢，特别是快速利用的糖，分解成酸和醇的小分子，使酸碱度下降；2.氮代谢，当利用氨基酸中的-NH2时，在使用生理性酸碱物质如(NH4)2SO4和生理性碱性物质如NaNO3后，酸碱度会上升或下降。有些产品是酸性或碱性的，这使得发酵液的酸碱度发生变化。例如，有机酸的产生使酸碱度下降，而抗生素如红霉素、克拉霉素和螺旋霉素是碱性的，这使酸碱度上升。3.在发酵的后期，细菌自溶，酸碱度上升，酸碱度上升。第二，最佳

12、发酵pH值的选择，选择最佳发酵pH值的标准是获得最大的比产率和合适的细菌数量，以获得最高的产量。利福霉素的最适pH值为7.0-7.5，一般发酵过程中如何改变pH值？在发酵过程中，随着培养基中碳源和氮源的利用，有机酸和氨基酸的积累，pH值会发生一定程度的变化。1.生长阶段：细菌产生的蛋白酶水解培养基中的蛋白质，产生铵离子，使酸碱度上升至碱性；随着细菌的增加，铵离子的消耗量也增加。此外，糖利用过程中有机酸的积累降低了pH值。2.生产阶段：在这个阶段，酸碱值趋于稳定。3.自溶阶段：随着营养物质的消耗，细菌的蛋白酶活跃，培养液中的氨基氮增加，导致酸碱度再次上升。这时，细菌倾向于自溶，代谢活动停止。酸碱

13、度、培养时间以及培养过程中培养液酸碱度的一般变化趋势。可以看出，在适合细菌生长和产物合成的环境条件下，细菌本身具有一定的调节酸碱度的能力，但当外界条件变化太大时，细菌将失去调节能力，培养液的酸碱度将发生波动。调节发酵培养基至不同的起始酸碱度，进行发酵。在发酵过程中，定期测量和调节pH值，分别保持起始pH值，或用缓冲液配制培养基来保持起始pH值。如何确定发酵的酸碱度；第三，酸碱度控制策略，考虑基本培养基配方，调整基本原料的酸碱度，然后通过添加酸碱或中间饲料来控制它。碱性物质含有玉米浆，且酸碱度为酸性，因此有必要调节酸碱度。用有机酸或氨水调节，注意监测氧浓度的变化，防止细菌氨中毒。如何通过添加物质

14、来保持酸碱度，如碳酸钙？在发酵过程中根据需要消耗糖和氮。当加料和调节酸碱度之间没有矛盾时，加料是用来调节酸碱度的。(1)调节糖的加料速度和空气流量来调节酸碱度.(2)当氨氮低、酸碱度低时，补充氨水；当NH2-N低而酸碱度高时，补充(NH4)2SO4。如果加料和调节酸碱度有矛盾，加入酸和碱来调节酸碱度.第三节溶解氧对发酵的影响及其控制。溶解氧变化规律，2。溶解氧在发酵过程控制中的重要应用。影响溶解氧的主要因素和控制方法。溶解氧控制对发酵的影响，1。溶解氧变化规律、溶解氧的溶解氧值、溶解氧电极的溶解氧浓度：一般表示为毫克/升或毫摩尔/升，一般来说，呼吸作用中耗氧细菌的临界溶解氧浓度为0.03-0.

15、05毫克/升，也可用空气饱和度百分比或氧分压来表示，用接种前空气饱和度100%来计算。在发酵的早期，由于微生物的大规模繁殖，需氧量大大增加，此时需氧量超过供氧量，溶解氧明显下降。在发酵的中后期，溶解氧浓度明显受到过程控制手段的影响。例如，由于细菌的老化，进料的数量、时间和方式将逐渐增加溶解氧浓度，一旦细菌自溶，溶解氧将明显增加。溶解氧监测的作用，1)从发酵液中溶解氧浓度的变化，可以知道微生物的生长和代谢是否异常。一、溶解氧判断是操作故障或事故引起的异常现象。判断中间加料是否合适。c、判断发酵系统是否通过溶解氧污染杂菌。溶解氧作为控制代谢方向的指标。例子：供氧对谷氨酸发酵的影响；适度通风产生谷氨

16、酸；过度通风产生酮戊二酸；通风不足会产生乳酸或琥珀酸2)过程控制是否合理3)设备的供氧能力是否充足。发酵过程中溶解氧的变化，溶解氧浓度的控制，以及决定因素：供氧量和需氧量。氧气供应控制：努力提高氧气输送的驱动力和Kla。需氧控制：需氧量受细菌浓度、底物类型、浓度和培养条件等因素影响，其中细菌浓度影响最明显。发酵液的摄氧率随着细菌浓度的增加而成比例增加，但氧转移率随着细菌浓度的对数关系而降低。对于好氧发酵过程，有必要保持尽可能高的溶解氧值吗？即使是专性好氧细菌，过高的溶解氧值也可能不利于生长。氧的有害作用是新的氧、超氧自由基O2-和超氧自由基O2-或羟基自由基OH-破坏细胞和细胞膜。第四节CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制，1。CO2对细胞生长和产物形成的影响1。CO2影响细胞膜的结构和通透性。溶解的CO2主要作用于细胞膜的