第八章_发酵过程参数的检测及控制
发酵学 第8章 发酵过程的检测与自控
2、发酵自动控制系统的硬件组成
传感器 变送器 执行机构
电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、 正位移泵、蠕动泵。
转换器 过程接口 监控计算机
要点
呼吸商 传感器 生物传感器 离线传感器 在线传感器 原位传感器
发酵过程检测的目的 发酵过程自动控制包括哪三方面内容 发酵过程采用的基本自控系统有那几种方式 发酵自动控制系统的硬件组成
1/2O2+H2O+e阳极上的反应是： 2OH-
Pb+2ACO-
Pb(ACO)2+2e-
阴极上失去电子后，阳极反应产生的电子流向阴 极，于是在二电极之间形成电流，将氧的信号转 变成电信号。氧浓度越高，电流越大。
化学信号转变成电信号
一般使用覆膜溶氧探头，它实际测量的是溶氧分压，
与溶氧浓度并不直接相关，故测量结果称为溶氧压 （dissolved oxygen tension，简称DOT），它以饱和 值(即与气相氧分压平衡的溶氧浓度)的百分数表示
间接参数：由直接参数经过计算得到，如摄氧率、 KLa等
3.传感器 1）传感器（电极或探头） 能感受规定的被测量并按照一定的规律将其 转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏 感元件、转化元件及相应的机械结构和线路 组成。
2）对传感器的要求
传感器除了满足常规要求，诸如：可靠性、 准确性、精确度、响应时间、分辨能力、灵 敏度、测量范围、特异性、可维修性等，还 应当满足一些特殊要求：
p c c0 101325
cL=c*· DOT
式中 P——实际操作压力，Pa； c0*——在0.101325 MPa压力下的饱和溶氧浓度，mol／m3或mmol／L； c*——在实际操作压力P下的饱和溶氧浓度，mol／m3或mmol／L； cL——发酵液中溶氧浓度，mol／m3或mmol／L； DOT——溶氧传感器测量的溶氧压，％。
发酵学发酵过程的检测与自控课件
在发酵过程中，微生物起着至关重要的作用。不同种类的微生物具有不同的代谢 特性和发酵产物，如乳酸菌可以产生乳酸，酵母菌可以产生酒精和二氧化碳等。 了解和掌握微生物的特性是实现发酵过程优化和控制的关键。
发酵过程的基本原理
总结词
发酵过程的基本原理包括微生物的代谢过程、酶的作用机制以及发酵产物的形成机制等。 了解和掌握这些基本原理有助于更好地理解发酵过程，并实现发酵过程的优化和控制。
详细描述
在发酵过程中，温度的变化会影响酶的活性、 细胞生长和产物合成。通过自动控制系统， 可以实时监测发酵罐内的温度，并根据需要 调整温度，以获得最佳的发酵效果。常用的 温度控制方法包括冷却水控制和加热棒控制。
pH值控制
总结词
pH值是影响发酵过程的关键参数，控制pH 值可以维持微生物生长的最佳环境。
要点二
详细描述
代谢产物检测是发酵过程检测中的核心环节，通过实时监 测发酵液中的代谢产物浓度，可以了解菌种的代谢活动和 产物形成情况。同时，通过控制代谢产物浓度，可以调节 菌种的生长和代谢，提高发酵效率和产品质量。
03
发酵过程的自动控制技术
温度控制
总结词
温度是影响发酵过程的重要因素，控制温度 可以确保微生物的正常生长和代谢。
发酵学发酵过程的检测与自 控课件
contents
目录
• 发酵学基础知识 • 发酵过程的检测技术 • 发酵过程的自动控制技术 • 发酵过程的优化与放大 • 发酵过程的计算机模拟与仿真 • 发酵过程的安全与环保
01
发酵学基础知识
发酵的定义与类型
总结词
发酵是一种生物化学过程，通过微生物或酶的作用将有机物质转化为细胞物质 或代谢产物。根据发酵产物的不同，发酵可以分为酒精发酵、乳酸发酵、丙酮 丁醇发酵等类型。
发酵工程教案(打印)
发酵工程教案(打印)第一章：发酵工程的概述1.1 发酵工程的定义发酵工程的概念发酵工程的组成1.2 发酵工程的应用领域食品工业制药工业生物化工1.3 发酵工程的发展历程传统发酵技术现代发酵工程技术第二章：发酵过程的微生物学基础2.1 发酵微生物的分类与特性细菌真菌放线菌2.2 发酵微生物的培养与筛选培养基的选择与制备微生物的分离与纯化2.3 发酵微生物的代谢调控微生物的生长曲线微生物的代谢途径第三章：发酵设备的类型与选择3.1 发酵设备的类型大型发酵罐生物反应器膜分离设备3.2 发酵设备的选择原则生产规模产品特性经济效益3.3 发酵设备的运行与维护设备的启动与停止设备的清洗与消毒设备的故障处理第四章：发酵过程的控制与管理4.1 发酵过程的控制参数温度pH值溶氧量营养物质4.2 发酵过程的控制技术自动控制系统反馈控制系统计算机控制系统4.3 发酵过程的管理与优化生产计划的制定发酵条件的优化生产过程的质量控制第五章：发酵工程的案例分析5.1 乳酸菌发酵工程案例酸奶的生产泡菜的制作5.2 酵母菌发酵工程案例啤酒的生产葡萄酒的制作5.3 放线菌发酵工程案例抗生素的生产维生素的生产第六章：发酵工程的安全与环保6.1 发酵工程的安全问题微生物的危害生物安全措施发酵罐的安全操作6.2 发酵过程中的污染控制污染的来源污染的检测与控制清洁生产技术6.3 发酵工程的环保问题废水处理废气处理固体废弃物处理第七章：发酵工程的产业化应用7.1 发酵工程在食品工业的应用面包酵母的生产乳酸菌的产业化7.2 发酵工程在制药工业的应用抗生素的产业化维生素的产业化7.3 发酵工程在其他领域的应用生物燃料的生产生物材料的产业化第八章：发酵工程的研发与创新8.1 发酵工程的新技术发展重组DNA技术基因工程技术合成生物学技术8.2 发酵工程的新设备开发高通量筛选设备生物反应器的设计自动化控制系统8.3 发酵工程的产业化挑战与机遇产业化过程中的问题产业化发展的趋势产业化政策的分析第九章：发酵工程的实例分析与评价9.1 发酵工程案例分析某乳酸菌产品的生产某抗生素的生产9.2 发酵工程项目的评价技术与经济评价环境与社会影响评价风险评价9.3 发酵工程的发展前景与建议行业发展趋势技术创新方向政策与支持措施第十章：发酵工程的实验操作10.1 发酵实验的基本操作菌种的制备与保藏发酵液的制备发酵过程的监控10.2 发酵实验的设计与优化实验设计方法发酵条件的优化实验结果的分析10.3 发酵实验的操作技能培养实验操作的安全规范实验设备的操作与维护实验数据的准确记录与处理重点和难点解析重点环节一：发酵微生物的分类与特性重点掌握不同类型发酵微生物的分类、特点及应用领域。
发酵过程中工艺参数的检测和控制
发酵过程中工艺参数的检测和控制引言发酵是许多生物过程中的重要步骤，广泛应用于食品工业、制药工业以及生物燃料生产等领域。
在发酵过程中，工艺参数的检测和控制对于保证产品质量和提高生产效率起着关键作用。
本文将介绍发酵过程中常见的工艺参数，以及如何通过检测和控制这些参数来优化发酵过程。
1. 温度的检测和控制温度是发酵过程中最基本也是最重要的工艺参数之一。
不同的微生物对温度的要求不同，因此在发酵过程中，需要准确地检测和控制温度以满足微生物的生长和代谢需求。
1.1 温度的检测方法常用的温度检测方法包括使用温度计、红外线测温仪以及温度传感器等。
温度计适用于小规模的发酵过程，能够直接测量液体中的温度。
红外线测温仪可以通过测量光谱的方式非接触地测量物体表面的温度，适用于大规模发酵过程中的温度检测。
温度传感器可以安装在发酵罐内，通过测量发酵液的温度来得到准确的温度数据。
1.2 温度的控制方法温度的控制可以通过调节加热或冷却系统来实现。
在小规模的发酵过程中，可以使用加热器和冷却器来控制温度。
温度传感器监测到的温度与设定的目标温度进行比较，然后通过调节加热器或冷却器的电流或气流来调整温度。
在大规模发酵过程中，还可以使用冷却水循环系统或蒸汽加热系统来控制温度。
2. pH值的检测和控制pH值是指溶液酸碱程度的指标，对于许多微生物的生长和代谢过程也起着重要作用。
在发酵过程中，pH值的检测和控制对于调节微生物的生长环境、抑制有害菌的生长以及促进产品产生等方面起着重要作用。
2.1 pH值的检测方法常用的pH值检测方法包括使用酸碱度试纸、玻璃电极pH计以及电化学传感器等。
酸碱度试纸是一种简单易用的检测方法，通过试纸的颜色变化来判断溶液的pH值范围。
玻璃电极pH计可以直接测量溶液的pH值，并给出精确的数值结果。
电化学传感器也可以被用于连续监测pH值的变化。
2.2 pH值的控制方法pH值的控制可以通过添加酸或碱来实现。
根据pH值的变化情况，通过自动控制系统来准确地调节加酸或加碱的量。
发酵工程知到章节答案智慧树2023年信阳农林学院
发酵工程知到章节测试答案智慧树2023年最新信阳农林学院第一章测试1.20世纪前，人类利用传统的微生物发酵过程来生产酒、醋、酱的过程属于发酵工业的（）。
参考答案:原始天然发酵阶段2.发酵技术发展的第一转折时期是指（）。
参考答案:纯培养技术3.发酵过程产生的二氧化碳可以对外排放。
（）参考答案:错4.青霉素的工业化生产打破了以厌氧发酵为主的工艺，实现了深层通风培养的划时代飞跃。
（）参考答案:对5.微生物药物是由微生物生命活动过程产生的低微浓度下具有生理活性的初级代谢产物及其衍生物。
（）参考答案:错6.发酵工程由（）三部分组成。
参考答案:下游工程;中游工程;上游工程7.根据微生物发酵操作方式的不同，将发酵方式分为（）。
参考答案:分批发酵;连续发酵;补料分批发酵第二章测试1.下列属于次级代谢产物的是（）。
参考答案:抗生素2.分批发酵时，产生菌生长周期分为三个时期：菌体生长期、产物合成期和（）。
参考答案:菌体自溶期3.酶活性调节可通过改变代谢途径中一个或者几个关键酶的活性来调节代谢速度调节方式。
（）参考答案:对4.协同反馈抑制指的是当某一终产物的合成需要两种前体时另一前体物的大量存在可能激活受终产物抑制的酶的活性。
（）参考答案:错5.诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。
（）参考答案:对6.酶活性调节方式有（）。
参考答案:前馈作用;同工酶调节;终产物抑制;补偿性激活7.反馈抑制有哪几种类型（）。
参考答案:协同反馈抑制;累积反馈抑制;增效反馈抑制;顺序反馈抑制8.合成次级代谢产物的特征有（）。
参考答案:次级代谢产物具有种特异性;次级代谢产物是菌体特定生长阶段的产物;次级代谢产物不少是结构相似的混合物9.次级代谢产物生物合成中的主要控制机制有（）。
参考答案:反馈调节;酶合成的诱导调节;磷酸盐调节及其机制;菌体生长速率的调节10.微生物调节代谢的主要方式有酶合成的调节和酶活性的调节。
参考答案:对11.诱导作用的分子机制可用操纵子学说来解释。
发酵工程第8章发酵过程控制
分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不 足时氮源当碳源利用pH上升。 •生理酸碱性物质
被微生物利用后会导致环境pH下降（上升）的 物质称为生理酸性（碱性）物质。发酵工程第8章发酵过程控制
① 应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消 泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；
② 应该在低浓度时具有消泡活性； ③ 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； ④ 应该对微生物、人类和动物无毒性； ⑤ 应该对产物的提取不产生影响； ⑥ 不会在使用、运输中引起任何危害； ⑦ 来源方便，成本低； ⑧ 应该对氧传递不产生影响； ⑨ 能耐高温灭菌。
泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。 蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要 的发泡剂。 糊精含量多也引起泡沫的形成。 当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。
发酵工程第8章发酵过程控制
少量泡沫的作用：
一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，导 致氧传递速率增加；
大量的泡沫引起许多负作用：
• 培养基原料性质： 蛋白胨、玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉等蛋白质
原料是主要发泡物质； • 培养基灭菌方法：
温度过高，形成蛋白黑色素，泡沫增多； • 细胞代谢活动：
初期，高粘度、低张力，泡多；中期，粘度降、张力升， 泡少；后期，自溶，泡上升。
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵过程泡沫的变化
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵工程第8章发酵过程控制
2）影响原生质体膜的电荷 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而
改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收 及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
发酵过程中工艺参数的检测和控制课件
在线分析仪
通过分析发酵液体的成分，间接 评估泡沫对发酵过程的影响。
泡沫控制的方法和策略
物理方法
通过调节搅拌速度、通气量、 温度等物理参数，控制泡沫产生。
化学方法
添加消泡剂或表面活性剂，降 低泡沫的稳定性，使其破裂或 减少。
工艺参数优化
通过优化培养基配方、接种量、 发酵温度等工艺参数，减少泡 沫产生。
发酵过程的原理和步骤
总结词
发酵过程通常包括菌种选择、种子扩大培养、发酵罐接种、发酵过程控制和产物提取等步骤。其原理是利用微生 物的代谢活动，将底物转化为产物。
详细描述
在发酵过程中，首先需要选择适合的菌种，并进行种子扩大培养，使菌种数量达到一定规模。然后，将种子接种 到发酵罐中，在适宜的条件下进行发酵。发酵过程中，需要控制温度、pH、溶氧等参数，以确保微生物的正常 代谢活动。最后，通过提取和分离等方法，获得所需的产物。
总结词
发酵是一种生物化学过程，通过微生物或酶的作用将有机物 质转化为更简单的物质或产生新的物质。根据发酵产物的不 同，可以分为酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵等类型。
详细描述
发酵是一种古老的生物化学过程，广泛应用于食品、饮料、 化工、制药等领域。通过发酵，人们可以将有机物质转化为 酒精、乳酸、醋酸等物质，也可以产生新的物质，如抗生素、 酶等。
溶氧浓度过高则可能导致微生物 死亡或产生副产物。
因此，对溶氧浓度的检测和控制 是实现高效、稳定发酵的关键。
溶氧浓度检测的方法和设备
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溶氧浓度的检测方法包括电极 法、荧光法、光纤传感器法等。
电极法是最常用的方法，通过 测量溶解氧通过电解膜时的电
流来计算溶氧浓度。
荧光法利用荧光物质与溶解氧 的相互作用产生荧光，通过测 量荧光强度来计算溶氧浓度。
第八章 发酵过程的参数检测和自动控制
不平衡电桥输出的电势E计算式
E＝bcM
b:系数；
c: 介质比热容； M：质量流量。
T
T1m
T2m
随流量变化的温度分布
5、罐压测量
维持一定罐压，是防止杂菌污染的重要措施； 对O2、CO2的影响
罐压测量除最常用的就地指示外，也可将压力信号转 变为电信号远传。
压力转换器：电阻式、电感式、电容式和半导体式等 。
测压点和控制点选择应考虑的因素：
1）防止染菌：尽可能选用与发酵罐隔离的硅油不锈 钢膜片传压系统，安装时，避免压力敏感膜、控制 阀门及与发酵罐之间的死角，以防培养液中固形物 堆积，影响蒸汽灭菌效果；
2）如无硅油隔离装置，为避免杂菌污染，测压点与 控制点要远离发酵罐；
3）注意气源波动对压力的影响。小型发酵罐，可采 用减压稳压阀稳压。
3、搅拌转速和搅拌功率的测量
搅拌作用： 传递功率； 加强液体翻动混合，促进热量、质量和动量传递； 提高溶氧速率，增加KLα值等
1）搅拌转速的测量
一般应用磁感应式、光感应式或测速发电机来实现搅拌 转速的检测。
磁、光感应式检测器通过计测脉 冲数来测量转速。安装在搅拌轴 或电动机上的切片切割磁场或光 速而产生脉冲电信号。
传感器 传感器 传感器 粘度计 传感器
供氧、排废气、提高KLα 物料混合、提高KLα 反映搅拌情况、 KLα 反映菌的生长、 KLα 反映菌的生长情况
传感器 反映发酵代谢情况
间接计算 反映供氧效率
1、温度测量 温度是发酵中一个重要的检测参数和控制参数。
感温元件： 热电阻检测器（RTD）——铂电阻和铜电阻 Pt100热电阻最常用； 铜的电阻率小，需制成细长且体积稍大的电阻丝，在 超过100℃时容易被氧化； 感温元件一般装置在金属套管中，再插入发酵液或沿 罐壁固定，安装必须保证发酵罐的无菌状态。 （500 ℃以上热电偶）
发酵过程的控制和监测 复制
� ② 搅拌造成的涡流运动使气泡不直接从罐底上升 至顶部，而变成螺旋运动上升，这也增加了气液 表面的上升时间，利于氧的溶解；
� ③ 搅拌所形成的湍流断面减少液膜的厚度，从而 减少液膜阻力，增大了KLa。
出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵 罐的供氧能力。从而了解产生菌的 呼吸代谢规律。
三、生物参数
1 .菌（丝）体浓度（生物量biomass）
菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有 影响，特别是对抗生素等次级代谢产物的发 酵，菌体浓度与培养液的粘度，DO都有关。
四、间接参数
� 根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶 氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化 值，可分别计算出菌体的比生长速率、氧的 比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生 产速率。
■ 参数在线测定的优点及问题
优点： �主要是及时、省力，且可从繁琐操作中 解脱出来，便于用计算机控制。 问题： �发酵液的性质复杂。一般培养液中同时 存在三相，即液、气、固体不溶物或油； �发酵要求纯种培养，培养基和有关设备 需用高压蒸汽灭菌。因而要求使用的传感 器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造 带来很大的困难。
存在的问题
pH
6.5
3．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。
� 也可在罐内顶部装一不锈钢探头并与控制仪表 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。
发酵工程第八章
pH对细胞形态的影响 pH对细胞形态的影响 这实际上是pH值对细胞生长和代 这实际上是pH值对细胞生长和代 谢途径影响的外部（宏观）表现， 在GA发酵过程中，pH值不同， GA发酵过程中，pH值不同， 代谢途径不同，菌体形态不同。 在青霉素发酵过程中，pH≧6.0时， 在青霉素发酵过程中，pH≧6.0时， 菌丝体缩短，而pH≧7.0时，膨 菌丝体缩短，而pH≧7.0时，膨 胀的菌丝体明显的增加。
一、氧对发酵的影响
影响了菌系的酶活性 氧的存在影响了代谢途径
二、氧传递动力学：
氧传递的双膜理论 1溶氧过程存在一个界面，这个界面 的厚度可以忽略不计。在这个界面上， 气相中氧的分压与溶于液相中氧的浓 度呈平衡关系，既Pi与Ci呈平衡关系， 度呈平衡关系，既Pi与Ci呈平衡关系， 符合亨利定律：Ci= 符合亨利定律：Ci= K *Pi 2传质过程是一个稳定的过程，各点 氧的浓度不是时间的函数。 3气膜、液膜都以层流状态存在。
三、提高氧传递效率的途径
提高kLa 提高kLa 搅拌 打碎气流，形成小气泡，增加气液接触 面积. 面积. 使液体形成涡流，增加气泡在液体中的 滞留时间 增加液体的湍流程度，减少气泡周围的 液膜阻力k3液膜阻力k3-1，减少氧在液体主流中的 传递阻力k4传递阻力k4-1 对于真菌、食用菌等易结团现象，降低 细胞膜的表面阻力，降低细胞周围代谢 物的浓度
提高（c* c)，即氧传递动力 提高（c* - c)，即氧传递动力
c*，受到体系的温度、发酵液的 c*，受到体系的温度、发酵液的 浓度、粘度、pH值等因素的影响， 浓度、粘度、pH值等因素的影响， 改变c*是没有太大的余地的。因 改变c*是没有太大的余地的。因 为，发酵温度、浓度等严格的受 到菌体生长和发酵工艺的限制。
发酵工程与设备第八章第二讲发酵过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
2）温度可能会影响终产物的质量
例如： 苏云金杆菌的发酵，一般在30-31℃进行，这样形成的晶体
毒力强。若发酵温度提高到37℃以上，虽然菌体生长繁殖较快， 最终含菌数也较高，但生物毒力较低，直接影响产品的质量。
K值可由下式求得： K = (MCp)发酵液 + (MCp)容器 + (MCp)附件 M — 以每升发酵液计的发酵液、容器、附件的重量 Cp — 代表各自的比热
一般微生物发酵过程中的最大发酵热约为 4.186× (3000～8000) kJ / m3 ·h
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
三、温度与发酵的关系
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
A 温度；B 开始时机；C 冲击时间
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
A比B好
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
五、温度的控制
方法： 罐壁调温
夹层调温 罐内调温
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
变温培养的正交设计
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
结论：前60h按31℃控制，缩短了适应期使发酵提前转入
生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗 生素提供了物质基础 60小时后将罐温降至3O℃使与抗生素合成有关的酶的活性 增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的延长有利 于进一步积累抗生素 发酵进入后期罐温再回升至31℃ 使生产菌在生命的最后阶 段最大限度的合成和排出次级代谢产物。
第八章 发酵工艺的控制
发酵工艺过程，不同于化学反应过程，它既涉及生物细胞的生长、生理和繁殖等生命过程，又涉及生物细胞分泌的各种酶所催化的生化反应过程。
发酵工程是生物应用工程学科，是微生物学在工业生产领域的大规模应用，是化学工程在生物技术领域的延伸，是生物、化学和工程等学科的综合利用。
8.1发酵过程的主要控制参数1. 物理参数（1）温度（℃）直接影响发酵过程的酶反应速率，氧的溶解度和传递速率，菌体生长速率和合成速率。
（2）压力（Pa）影响发酵过程氧和CO2的溶解度，正压防止外界杂菌污染。
罐压一般控制在0.2×105～0.5×105 Pa。
（3）搅拌速度（r/min）搅拌器在发酵过程中的转动速度。
其大小影响发酵过程氧的传递速率，受醪液的流变学性质影响，还受发酵罐的容积限制（见下表）（4）搅拌功率（kW）搅拌器搅拌时所消耗的功率（kW/m3），在发酵过程中的转动速度。
其大小与液相体积氧传递系数有关。
（5）空气流量（m3空气/（m3发酵液·min））单位时间内单位体积发酵液里通入空气的体积，一般控制在0.5～1.0（m3空气/（m3发酵液·min））（6）粘度（Pa·s）细胞生长或细胞形态的一种标志，反映发酵罐中的菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。
（7）浊度（％）反映应单细胞生长情况（8）料液流量（L/min）进料参数（6）粘度（Pa·s）细胞生长或细Array胞形态的一种标志，反映发酵罐中的菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。
（7）浊度（％）反映应单细胞生长情况（8）料液流量（L/min）进料参数（3）溶解氧浓度（ppm或饱和度，％）溶解氧是好氧发酵的必备条件，是生化产能反应的最终电子受体，也是细胞及产物重要的组分。
通常用饱和百分度表示。
（4）氧化还原电位（mV）培养基的氧化还原电位是影响微生物生长及生化活性的因素之一。
在某些限氧发酵（如氨基酸），氧电极以不能精确使用，氧化还原电位参数控制较为理想。
8.发酵过程控制
发酵过程控制
五 CO2 和 呼 吸 商 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
CO2对菌体具有抑制作用；通常，当排气中 CO2的浓度高于4%时，微生物的糖代谢和 呼吸速率下降。如，发酵液中CO2的浓度达 到1.6×10-1mol，就会严重抑制酵母的生长； 当迚气口CO2的含量占混合气体的80%时， 酵母活力与对照相比降低20%。
二 温 度 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
发酵过程控制
发酵过程中，发酵液温度变化取决于上面 几个因素： Q发酵 = Q生物 + Q搅拌 - Q蒸发 - Q辐射
二 温 度 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
发酵过程控制
发酵热的测量： ①利用热交换原理： 测量一定时间内冷却水的流量和冷却水迚 出口温度，根据 Q发酵 = G*C（t2 – t1）/V
八 泡 沫 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
发酵过程控制
泡沫的消长规律
八 泡 沫 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
操作情况 培养基原料
发酵周期
发酵过程控制
不同搅拌速度和通气量对泡沫影响
八 泡 沫 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
发酵过程控制
不同浓度蛋白质原料的起泡作用
八 泡 沫 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
二 温 度 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
发酵过程控制
散热的情况：
二 温 度 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
蒸发热：水汽化时带走的热量，用Q蒸发表示； 假设迚出口气体温度相同，则由通气带走的 热量为：Q蒸发= G（I出-I迚） G：空气流量；I：气体热焓；
发酵过程控制
辐射热：罐体表面向环境中发射红外线而 散失的热量；热量的大小决定于罐内外温 度差大小、罐的表面积等。
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主要参数检测原理及仪器
•液体和气体流量测定
主要参数检测原理及仪器
• 搅拌转速
常用检测方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等。
感应片切割磁 场或光速。
输出电压与转 速成正比。
主要参数检测原理及仪器
• pH的检测
常用pH检定仪为复合pH电极，具有
结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。
思考：pH电极如何标定？
③自适应控制：
提取有关输入、输出信息，对模型和
参数不断进行辩识，使模型逐渐完善；同
时自动修改控制器的动作，适应实际过 程。——自适应控制系统。
2、发酵自动控制系统的硬件组成
传感器 变送器 执行机构
电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、 正位移泵、蠕动泵。
转换器 过程接口 监控计算机
（一）温度的控制
生长阶段
生成阶段
自溶阶段
2、引起pH下降的因素
碳源过量 消泡油添加过量 生理酸性物质的存在
3、引起pH上升的因素
氮源过多
生理碱性物质的存在 中间补料，碱性物质添加过多
4、 pH的控制
调节基础培养基的配方
调节碳氮比（C/N）
添加缓冲剂 补料控制 – 直接加酸加碱 – 补加碳源或氮源
1、基本的自动控制系统
②反馈控制 反馈控制是自动控制的主要方式
控制器
被控对象
传感器
1、基本的自动控制系统
②反馈控制
开关控制：控制阀门的全开全关；
PID控制：采用比例、积分、微分控制算法；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ串联反馈控制：
两个以上控制器对一变量实施联合控制；
前馈/反馈控制：
前馈控制与反馈控制相结合。
1、基本的自动控制系统
生物传感器 ( Biosensor)
传感器：能感受 (或响应 )一种信息并变换成可测
量信号(一般指电学量)的器件。
生物传感器：将生物体的成份（酶、抗原、抗
体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）
固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物 传感器。
生物传感器的基本组成
组成：敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件
M 1
2 TC
• 控温方式：简单的On-Off （通-断）控制或PID控制。
5
冷却水
• 生产罐：冷、热水间接冷却
或加热（过夹套或盘管）。
空气 4
3
问题：一般10 m3以下发酵罐用夹套， 10 m3以上用盘管，为什么？
图7-18 发酵过程温度控制 1-温度传感变送器 2-温度控制器 3-调节阀 4-生化反映器 5-夹套
生物传感器的分类
思考题
• 以上参数哪些是物理参数？哪些是化学参数？哪
些是生物参数？ • 以上参数哪些是直接参数？哪些是间接参数？ • 以上参数哪些是在线检测参数？哪些是离线检测 参数？
• 发酵工业中哪些参数的测定频率最高？
三、发酵过程的控制
• 主要控制温度、pH、溶氧浓度、基质浓度、泡沫等。
发酵过程的自动控制
第八章 发酵过程的监测与控制
发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛。
一、发酵过程检测的主要参数
按性质分
1. 物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、 溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等 2. 化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、 产物浓度、核酸量等 3. 生物参数：菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、 呼吸强度、基质消耗速率、关键酶活力等
（二）pH的控制
• 一般PID控制 • 碳、氮源影响pH值 • pH下降——加碱（常用氨 水） • pH上升——需要对培养基
4 氨气 空气 图7-19 pH控制系统 1-测量电极和变送器 2-控制器 3-空气开关 4-气动开关阀门 空气 3 AC 2 1 冷却水
M
进行调整
1、发酵过程中pH的变化
• 糖的测定
• 斐林试剂法 • DNS法
• 苯酚硫酸法
• 氨氮的测定
• 凯氏定氮法 • 格利氏法
生物发酵溶液中营养成分与产物的分析
类别 检测物质 营养基质
微生物 细胞
发酵液待检测的物质成分 葡萄糖、麦芽糖、乳糖、醋酸、BOD等
产物及副产物
乙醇、氨、蛋白质、抗生素、氨基酸、有机酸、酶、 CH4、氢等 葡萄糖、氨基酸等 维生素、激素、抗生素
挥发性 物质检测
主要参数检测原理及仪器
• 温度的测定
热电阻、热电偶、半导体热敏电阻、玻璃温度计
一般出厂就已经校正好。
主要参数检测原理及仪器
• 罐压的测定
隔膜式压力表
问题：为什 么连接管为 直管而不是 弯管以保护 压力表？
主要参数检测原理及仪器
• 液位和泡沫高度的检测
液面或泡沫上升与电极 探针接触产生电信号。
从检测手段分
1. 直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得的
参数，如温度、pH、残糖等
①在线检测参数：不经取样直接从发酵罐上安装的仪表 上 得到的参数，如温度、pH、搅拌转速； ②离线检测参数：取出样后测定得到的参数，如残糖、 NH2-N、菌体浓度。
2. 间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，如
变量测量和变化规律的认识→控制器(自动化仪 表、计算机组成) →控制关键变量→控制发酵过程
1、基本的自动控制系统
①前馈控制
②反馈控制
③自适应控制
2、发酵自动控制系统的硬件组成
1、基本的自动控制系统
①前馈控制：
通过动态反应快的变量测量来预测反 应慢、易干扰的被控对象的变化，并提前 实施控制。 如：通过冷却水压力（控制阀）控制温度 变化。
糖类、醋酸、硝酸盐、氨基酸等 维生素、植物激素（2,4-D、NAA、6-BA等）
营养盐生长因子 无机盐(K+、Ca2+、NH+、NO3-等)、生物素、维生素
营养基质
动物 细胞
产物及副产物 蛋白质类（t-PA、GCSF、EPO、INF等)、乳酸、氨
生长因子
营养基质
植物 细胞
产物及副产物 次生代谢产物（植物色素、皂甙等）、氨、CO2 生长素
主要参数检测原理及仪器
• 溶氧的检测
1、常用检测方法：溶氧电极法
思考：溶氧电极如何标定？
2、电极的标定
一般测定中应进行以下二点标定 （1）零点标定 用饱和Na2SO3作无氧状态的溶液，将氧电极放入 该溶液中，显示仪表上可见溶氧浓度下降，待下降 稳定后，调节零点旋钮显示零值。 （2）饱和校正（满刻度） 进行简便测定时，可以采取空气饱和方式。将电 极放入培养液中，通气搅拌一段时间，显示仪上 可见溶氧上升，待上升稳定，调节满刻度旋钮至 100%即为饱和值。
搅拌轴密封泄漏 泡沫冒顶
夹套穿孔
2.09 0.48
12.36
其他设备漏 操作问题
原因不明
10.13 10.15
24.91
（２）国内一制药厂发酵染菌原因的分析
染菌原因 外界带入杂菌（取样、补料带入） 设备穿孔 空气系统带菌 停电罐压跌零 接种 蒸汽压力不够或蒸汽量不足 管理问题 操作违反规程 种子带菌 百分率，% 8.20 7.60 26.00 1.60 11.00 0.60 7.09 1.60 0.60
四、发酵染菌的危害与防止
• 所谓“杂菌”， 是指在发酵培养中侵
入了有碍生产的其他微生物。
• 防止杂菌污染是任何发酵工厂的一项
重要工作内容。
（一）发酵过程中染菌的检查判断
１、生产上常用杂菌检查方法
– 镜检（简便快速，早期染菌不易检出) – 平板划线 – 酚红肉汤培养
能检出更少杂菌，结果更准确 需时较长，操作较繁琐
摄氧率、KLa等
二、发酵过程参数常用检测方法及仪器
主要参数检测原理及仪器
• 取样系统
生物反应过程大多为纯培养，无菌操作十分重要。 问题 1. 三角瓶内的培养液如何取样？ 2. 发酵罐常用取样方式可否知道？
蒸 汽
发酵清液
不能取菌体
连续在线无菌取样
微孔陶瓷管
渗透膜管
问题： 检测 所得 产物 浓度 为发 酵液 中产 物浓 度吗？
（四）泡沫控制
1、 影响泡沫稳定的因素
• 通气与搅拌
• 培养基组成
• 培养液性质变化
• 灭菌
• 染菌
• ……
2、泡沫控制的方法
• 化学消泡——天然油脂、泡敌等。
• 机械消泡
– 罐内 – 罐外
• 其他方法
– 调节通风与搅拌、增大罐压、……
（五）补料控制
1、基质浓度对发酵的影响
抑制生长
饥饿
2、补料控制的策略
主要参数检测原理及仪器
• 生物量的测定
• 干（湿）重法 • 压缩体积法（离心）
• 光密度测定法 OD600~660
• 其它方法（测粘度、静置沉降体积法）
问题：请问以上几种方法的适用范围？
主要参数检测原理及仪器
• 产物量的测定
• 比色法
• 利用HPLC检测
• 生物法（杯碟法）
•……
主要参数检测原理及仪器
原因不明
35.00
（３）从染菌的规模来分析染菌原因
• 大批发酵罐染菌 →空气系统 • 部分发酵罐(或罐组)染菌
？
分析
– 前期→种子带杂菌，或灭菌不彻底 – 中后期→中间补料系统或管路系统发生问题
• 个别发酵罐连续染菌
– 设备问题(如阀门的渗漏或罐体腐蚀磨损) – 设备的腐蚀磨损（出现每批发酵的染菌时间向前推移的现象）
分析
• 个别发酵罐偶然染菌→原因比较复杂
（４）从染菌的时间来分析
• 发酵早期染菌：种子带菌、培养基和设备灭菌不彻底、设 备或管道有死角 • 中、后期染菌：中间补料、设备渗漏、操作不合理