二氧化碳对发酵的影响及其控制PPT课件
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发酵工程第5讲
搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵 液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设 备之间的摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴 功率有关，可用下式计算：
Q搅拌= 3600（P/V）
3600：热功当量（kJ/（kW.h）） （P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗 的功率（ kW/m3）
外力如通气、 搅拌；微生物的代谢产生CO2 、NH3； 培养基中的复合氮源、 糖和代谢物等有稳定泡沫的作用。
同浓度下起泡能力
最强的是玉米浆其次 为花生饼粉、黄豆饼粉。
3.2 起泡的危害
3.2.1降低生产能力
在发酵罐中，为了容纳泡沫，防止溢出而降低装量，大多
数罐的装料系数在0.6—0.7，余下的空间用于容纳泡沫。
到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下 降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。
Q发酵热 =（M1C1 +M2C2 ）S
M1 系统中发酵液的质量（ kg），
M2发酵罐的质量（ kg），
C1 发酵液的比热， C2发酵罐材料的比热， S温度上升的速率（ ℃/ h）
1.4 发酵过程温度的控制
发酵罐：夹套（5M3以下） 盘管（蛇管）（5M3以上） 种子罐一般需升温或降温 发酵罐一般只需降温
2.3
CO2浓度的控制
CO2溶解度比氧大，因此随着发酵罐罐压的增加其含量比 氧增加得更快。 CO2浓度的变化受许多因素的影响。如： 细胞呼吸强度、发酵液流变学特征、通气搅拌程度、罐压 大小等。
2.3.1 发酵过程通过通气量的控制，可以调节CO2浓度 的大小，通气量大搅拌速度快CO2浓度就会减小。如： 四环素发酵前40小时采用较小的通气量和较低搅拌速 度，增加发酵液中CO2的含量，40小时后再降低CO2 的浓度，可提高四环素产量25%—30%。 2.3.2 通过控制罐压来调节CO2浓度：罐压升高发酵液 中CO2浓度增加，罐压降低CO2浓度随着下降。对CO2
工艺17 第七章 发酵工艺控制(基质浓度 二氧化碳 泡沫).
另外 ，培养基的灭菌方法、灭菌温度 和时间也会影响到培养基成分的变化， 从而影响培养基的起泡能力。
一、发酵过程中泡沫的产生
发酵时起泡的方式被认为有五种：
① 整个发酵过程中，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。
时间），则必须缩短发酵周期。即在产率降低时放罐。 ◆ 放罐时间对下游工序有很大的影响。放罐过早，会
残留过多养分，增加提取工段的负担；如放罐过晚， 菌丝自溶，不仅会延长过滤时间，还可能使一些不稳 定的产物浓度下跌，扰乱提取工段。 ◆ 临近放罐时加糖、补料或消沫剂要慎重。
判断放罐的指标主要有： 产物浓度、过滤速度、菌丝形态、氨基氮、pH、
★ 菌体在利用不同基质时，其RQ值也不 同；
★ 在抗生素发酵中在生长、维持和产物 形成阶段的RQ值也不一样。
（4） 二氧化碳浓度的控制
发酵液中CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞 的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、 罐压大小和设备规模等。值得注意的是，罐内的CO2 分压是液体深度的函数。
聚醚类消泡剂：聚氧丙烯甘油(简称GP型)； 聚氧乙烯氧丙烯甘油(简称GPE型)，又称泡
敌
（2）化学消沫
消泡剂多数是溶解度小、分散性不十分好的高 分子化合物，所以在使用时，要考虑如何降低它的 黏度和提高它的分散性，来增强它们的消泡效果。 使用的增效方法有:
a) 机械分散、或借助分散剂 b) 与载体一起使用 c) 多种消沫剂并用 d) 利用乳化剂增强消沫剂的消沫作用
通过调节通气量和搅拌速率，提高或降低其浓度。
注：泡沫引起“逃液”，加压消泡，二氧化碳溶解度增大，对 菌体不利。
一、发酵过程中泡沫的产生
发酵时起泡的方式被认为有五种：
① 整个发酵过程中，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。
时间），则必须缩短发酵周期。即在产率降低时放罐。 ◆ 放罐时间对下游工序有很大的影响。放罐过早，会
残留过多养分，增加提取工段的负担；如放罐过晚， 菌丝自溶，不仅会延长过滤时间，还可能使一些不稳 定的产物浓度下跌，扰乱提取工段。 ◆ 临近放罐时加糖、补料或消沫剂要慎重。
判断放罐的指标主要有： 产物浓度、过滤速度、菌丝形态、氨基氮、pH、
★ 菌体在利用不同基质时，其RQ值也不 同；
★ 在抗生素发酵中在生长、维持和产物 形成阶段的RQ值也不一样。
（4） 二氧化碳浓度的控制
发酵液中CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞 的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、 罐压大小和设备规模等。值得注意的是，罐内的CO2 分压是液体深度的函数。
聚醚类消泡剂：聚氧丙烯甘油(简称GP型)； 聚氧乙烯氧丙烯甘油(简称GPE型)，又称泡
敌
（2）化学消沫
消泡剂多数是溶解度小、分散性不十分好的高 分子化合物，所以在使用时，要考虑如何降低它的 黏度和提高它的分散性，来增强它们的消泡效果。 使用的增效方法有:
a) 机械分散、或借助分散剂 b) 与载体一起使用 c) 多种消沫剂并用 d) 利用乳化剂增强消沫剂的消沫作用
通过调节通气量和搅拌速率，提高或降低其浓度。
注：泡沫引起“逃液”，加压消泡，二氧化碳溶解度增大，对 菌体不利。
二氧化碳对发酵的影响及控制
CO2对紫苏霉素生产的影响：
1.CO2影响菌体的形态
CO2会影响产黄青霉菌的形态。研究者将产黄青霉菌 接种到溶解不同CO2浓度的培养基中，发现菌丝形态发生 变化。CO2分压0～8％时，菌丝主要是丝状；CO2分压15 ％～22％，则膨胀，粗短的菌丝占优势；CO2为0.008MPa 时，则出现球状或酵母状细胞，致使青霉素合成受阻，其 比生成速率降低40％左右。
低20％。
CO2对产物合成的影响
（促进）如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的 空气中要含有5％的CO2 ；精氨酸发酵，需要一定量的CO2 ，才能
得到最大产量，其最适CO2分压为0.12 ×105Pa，高于或低于此
分压，产量都会降低。 （抑制） CO2对某些发酵还能产生抑制作用，如对肌苷、异亮氨 酸、组氨酸、抗生素等的发酵，特别是抗生素发酵中。例如， CO2能够抑制紫苏霉素的合成，在通气中加入1％ CO2产生菌对基 质的代谢极慢，菌丝生长速率降低，紫苏霉素产量比不加CO2时 下降33％，通入2％CO2，紫苏霉素的产量比对比照组降低85％， CO2的含量超过3％，则不产生紫苏霉素。
二氧化碳有特殊要求。 如环状芽孢杆菌等已经发芽的孢子在开始生长的时候，对 CO2有特殊需要。 CO2还是大肠杆菌和链霉菌突变株的生长因子，菌体有时需 要含30％CO2的气体才能生长。
大多数的微生物发酵，当排气中CO2的含量>4% 时， 微生物的糖代谢和呼吸速率下降。
发酵液中，当溶解CO2含量达0.016 mol/L (0.704g/L) 时，会严重抑制细胞生长（酵母生产）；当进气口的 CO2含量占混合气体的80％时，酵母活力与对照相比降
2、通过通气和补料等，溶解在发酵液中的二 氧化碳。
CO₂对发酵的影响
发酵工艺控制——二氧化碳
发酵工艺控制——二氧化碳对发酵的影响及控制一、CO2对菌体生长和产物形成的影响C02对菌体的生长有直接作用，碳水化合物的代谢及微生物的呼吸速率下降。
大量实验表明，C02对生产过程具有抑制作用。
C02会影响产黄青霉菌的形态。
研究者将产黄青霉菌接种到溶解C02浓度不同的培养基中，发现菌丝形态发生变化。
C02分压0～8％时，菌丝主要是丝状；C02分压15％～22％，则膨胀，粗短的菌丝占优势；C02为0．08X10SPa时，则出现球状或酵母状细胞，致使青霉素合成受阻，其比生产速率降低40％左右。
C02对细胞作用机制是怎样的呢?二氧化碳及HCO3-都会影响细胞膜结构，它们分别作用于细胞膜的不同位点。
C02主要作用在细胞膜的脂肪核心部位。
HCO3-则影响磷脂，亲水头部带电荷表面及细胞膜表面的蛋白质。
当细胞膜的脂质相中C02浓度达临界值时，使膜的流动性及表面电荷密度发生变化，这将导致许多基质的膜运输受阻，影响细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻醉”状态，细胞生长受到抑制，形态发生了改变。
二、C02浓度的控制C02在发酵液中的浓度变化不像溶氧那样，没有一定的规律。
它的大小受到许多因素的影响，如菌体的呼吸强度、发酵液流变学特性、通气搅拌程度和外界压力大小等因素。
设备规模大小也有影响，由于C02的溶解度随压力增加而增大，大发酵罐中的发酵液的静压可达1X105Pa以上，又处在正压发酵，致使罐底部压强可达1.5X105Pa。
因此C02浓度增大，如不改变搅拌转数，C02就不易排出，在罐底形成碳酸，进而影响菌体的呼吸和产物的合成。
为了控制C02的影响，必须考虑C02在培养液中的溶解度、温度和通气情况。
在发酵过程中，如遇到泡沫上升而引起“逃液”时，采用增加罐压的方法来消泡。
但这样会增加C02的溶解度，对菌体生长是不利的。
C02浓度的控制应随它对发酵的影响而定。
如果C02对产物合成有抑制作用，则应设法降低其浓度；若有促进作用，则应提高其浓度。
第五章-发酵过程控制ppt课件(全)
第一节 发酵方式
一、概述
发酵：指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇 等的分解代谢过程。
广义发酵：微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经过 特定的代谢转变成所需产物的过程。
微生物培养：亦称微生物发酵，发酵生产按微生物培养工艺 不同可以分为固态发酵和液态发酵两种类型。两者在工艺过 程上大体相同，主要工艺过程为： 斜面菌种培养～菌体或孢子悬浮液制备～种子扩大培养～ 发酵培养～发酵产物与发酵基质分离～提纯与精制～成品。
分批培养的特点是操作简单，易于掌握，是最常见的操作方 式。
分批发酵过程一般可粗分为四期：即适应期（也有称停滞期 或延滞期的）、对数（指数）生长期、生长稳定期和死亡期；
也可细分为六期：即停滞期、加速期、对数期、减速期、静 止期和死亡（衰亡）期
分批培养中的微生物的典型生长曲线
停滞期（Ⅰ）
停滞期（Ⅰ）： 刚接种后的一段时间内，细胞不生长，细胞 数目和菌量基本不变。
第五章 发酵过程及控制
学习目标
知识目标 能陈述发酵过程的影响因素（温度、溶氧、pH等）； 能陈述不同发酵方式的理论及异同及优劣； 掌握发酵动力学的有关原理、发酵器的分类及发展趋势。 能力目标 能够找出发酵最适宜条件，并采取相应控制措施； 能够进行发酵终点判断； 能够进行发酵过程重要检测；
三、产物形成动力学
产物形成与生长的关系 细胞生长与代谢产物形成之间的动力学关系决定
于细胞代谢中间产物所起的作用。描述这种关系的 模式有三种，即生长联系型模式、非生长联系型模 式和复合型模式。 （1）生长联系型模式 （2）非生长联系型模式 （3）复合模式
四、生长得率与产物得率
1.生长得率和产物得率的定义 生长得率：消耗每单位数量的基质所得到的菌体，
第八节二氧化碳对发酵的影响
• 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
第八节二氧化碳对发酵的 影响及控制
二氧化碳的来源：是微生物的代谢产物， 也是某些合成代谢的一种基质。
二氧化碳对发酵的影响：
1、对菌体；
2、对产物。
一、二氧化碳对发酵的影响
1、对菌体：
◆CO2效应：在发酵生产中不同微生物或某一生长 阶段对二氧化碳有着特殊的要求（促进或必须）；
◆通常对菌体生长有抑制作用。排气中高于4％时， 糖代谢和呼吸速率下降。
二、二氧化碳浓度的控制
• 发酵液中CO2浓度的影响因素：
◆细胞呼吸强度；
◆发酵液流变学特性； ◆通气搅拌程度； ◆罐压大小； ◆设备规模。
二氧化碳浓度的控制方法：
◆调节罐压、通气量和搅拌速度； ◆补料。（青霉素：补糖，增加CO2 产生， 降低pH。）
CO2释放与发酵过程参数pH及操作参 数补糖速率的关系
如：抗生素，组氨酸等；
◆二氧化碳可通过改变pH而影响发酵生产。
CO2对细胞的作用机制：
• CO2作用于膜脂质核心部位，改变膜流动性及 表面电荷密度，影响膜运输效率，导致细胞生 长受限制，形态改变；（HCO3- 影响细胞膜的 膜蛋白）
• 也可产生反馈作用，使pH下降，与其他物质 反应，与生长必需金属离子形成碳酸盐沉淀， 过分耗氧，引起溶解氧下降等，影响菌体生长 和产物合成。
例如，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；当进气口CO2的含量占混合气体的80%时，酵母活力
• 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
第八节二氧化碳对发酵的 影响及控制
二氧化碳的来源：是微生物的代谢产物， 也是某些合成代谢的一种基质。
二氧化碳对发酵的影响：
1、对菌体；
2、对产物。
一、二氧化碳对发酵的影响
1、对菌体：
◆CO2效应：在发酵生产中不同微生物或某一生长 阶段对二氧化碳有着特殊的要求（促进或必须）；
◆通常对菌体生长有抑制作用。排气中高于4％时， 糖代谢和呼吸速率下降。
二、二氧化碳浓度的控制
• 发酵液中CO2浓度的影响因素：
◆细胞呼吸强度；
◆发酵液流变学特性； ◆通气搅拌程度； ◆罐压大小； ◆设备规模。
二氧化碳浓度的控制方法：
◆调节罐压、通气量和搅拌速度； ◆补料。（青霉素：补糖，增加CO2 产生， 降低pH。）
CO2释放与发酵过程参数pH及操作参 数补糖速率的关系
如：抗生素，组氨酸等；
◆二氧化碳可通过改变pH而影响发酵生产。
CO2对细胞的作用机制：
• CO2作用于膜脂质核心部位，改变膜流动性及 表面电荷密度，影响膜运输效率，导致细胞生 长受限制，形态改变；（HCO3- 影响细胞膜的 膜蛋白）
• 也可产生反馈作用，使pH下降，与其他物质 反应，与生长必需金属离子形成碳酸盐沉淀， 过分耗氧，引起溶解氧下降等，影响菌体生长 和产物合成。
例如，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；当进气口CO2的含量占混合气体的80%时，酵母活力
发酵过程控制 CO2
培养液中的CO2 主要作用于细胞膜的脂质核心 部位；
HCO 3 -主要影响细胞膜的膜蛋白
三、CO2的控制
在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有 一定的规律。它的大小受到许多因素的影响， 如细胞的呼吸强度、 发酵液的流变学特性、通 气搅拌程度、 罐压大小、设备规模等。在发酵 过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。
2、氮源对发酵的影响及控制
◆氮源浓度的影响及控制
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。
补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量
3、磷酸盐浓度的影响及控制
磷是菌体生长繁殖必需的成分，也是合成代谢产物所必需 的。
微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为0.32~300mmol /L； 对次级代谢产物所允许的最高平均浓度仅为1.0mmol /L， 提高到10mmol/L，就明显地抑制合成。
产生分解代谢产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑 制产物合成。
◆碳源浓度的控制
在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度。补料的类型有： • 流加 • 少量多次的加入 • 多量少次的加入
2、氮源对发酵的影响及控制 ◆氮源种类的影响 迅速利用的氮源
缓慢利用的氮源
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
这可能是由于高浓度基质形成高渗透压，引起细胞 脱水而抑制生长。
3、菌体浓度的控制
菌浓的大小，对发酵产物的得率有着重要的影响。在 适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌浓成正比关系。
但菌浓过高，营养物质消耗过快，营养液的成分发生 明显改变，有毒物质的积累，就有可能改变菌体的代谢途 径。同时菌浓增加会引起溶氧浓度降低，并成为限制性因 素。
HCO 3 -主要影响细胞膜的膜蛋白
三、CO2的控制
在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有 一定的规律。它的大小受到许多因素的影响， 如细胞的呼吸强度、 发酵液的流变学特性、通 气搅拌程度、 罐压大小、设备规模等。在发酵 过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。
2、氮源对发酵的影响及控制
◆氮源浓度的影响及控制
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。
补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量
3、磷酸盐浓度的影响及控制
磷是菌体生长繁殖必需的成分，也是合成代谢产物所必需 的。
微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为0.32~300mmol /L； 对次级代谢产物所允许的最高平均浓度仅为1.0mmol /L， 提高到10mmol/L，就明显地抑制合成。
产生分解代谢产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑 制产物合成。
◆碳源浓度的控制
在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度。补料的类型有： • 流加 • 少量多次的加入 • 多量少次的加入
2、氮源对发酵的影响及控制 ◆氮源种类的影响 迅速利用的氮源
缓慢利用的氮源
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
这可能是由于高浓度基质形成高渗透压，引起细胞 脱水而抑制生长。
3、菌体浓度的控制
菌浓的大小，对发酵产物的得率有着重要的影响。在 适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌浓成正比关系。
但菌浓过高，营养物质消耗过快，营养液的成分发生 明显改变，有毒物质的积累，就有可能改变菌体的代谢途 径。同时菌浓增加会引起溶氧浓度降低，并成为限制性因 素。
CO2对发酵的影响及控制
培养液中的CO2 主要作用于细胞膜的脂质核心 部位；
HCO 3 -主要影响细胞膜的膜蛋白
三、CO2的控制
在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有 一定的规律。它的大小受到许多因素的影响， 如细胞的呼吸强度、 发酵液的流变学特性、通 气搅拌程度、 罐压大小、设备规模等。在发酵 过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。
3、磷酸盐浓度的影响及控制
一般在基础培养基中采用适宜浓度。 对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。 对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。
一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷量达不到最 适量。 要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量。 当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌体生长。
这可能是由于高浓度基质形成高渗透压，引起细胞 脱水而抑制生长。
3、菌体浓度的控制
菌浓的大小，对发酵产物的得率有着重要的影响。在 适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌浓成正比关系。
但菌浓过高，营养物质消耗过快，营养液的成分发生 明显改变，有毒物质的积累，就有可能改变菌体的代谢途 径。同时菌浓增加会引起溶氧浓度降低，并成为限制性因 素。
2、影响菌体浓度的因素
◆菌体浓度的增加与微生物的种类和自身的遗传特性有关；
◆菌体浓度的增加还受环境条件的影响；
◆菌体浓度的增加与营养基质的种类和浓度有关。
营养物质均存在一个上限浓度，在此限度以内，菌 体的比生长速率随着浓度增加而增加，但超过此上限， 浓度继续增加，反而会引起生长速率下降，这种效应就 是基质抑制作用。
产生分解代谢产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑 制产物合成。
◆碳源浓度的控制
在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度。补料的类型有： • 流加 • 少量多次的加入 • 多量少次的加入
HCO 3 -主要影响细胞膜的膜蛋白
三、CO2的控制
在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有 一定的规律。它的大小受到许多因素的影响， 如细胞的呼吸强度、 发酵液的流变学特性、通 气搅拌程度、 罐压大小、设备规模等。在发酵 过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。
3、磷酸盐浓度的影响及控制
一般在基础培养基中采用适宜浓度。 对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。 对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。
一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷量达不到最 适量。 要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量。 当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌体生长。
这可能是由于高浓度基质形成高渗透压，引起细胞 脱水而抑制生长。
3、菌体浓度的控制
菌浓的大小，对发酵产物的得率有着重要的影响。在 适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌浓成正比关系。
但菌浓过高，营养物质消耗过快，营养液的成分发生 明显改变，有毒物质的积累，就有可能改变菌体的代谢途 径。同时菌浓增加会引起溶氧浓度降低，并成为限制性因 素。
2、影响菌体浓度的因素
◆菌体浓度的增加与微生物的种类和自身的遗传特性有关；
◆菌体浓度的增加还受环境条件的影响；
◆菌体浓度的增加与营养基质的种类和浓度有关。
营养物质均存在一个上限浓度，在此限度以内，菌 体的比生长速率随着浓度增加而增加，但超过此上限， 浓度继续增加，反而会引起生长速率下降，这种效应就 是基质抑制作用。
产生分解代谢产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑 制产物合成。
◆碳源浓度的控制
在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度。补料的类型有： • 流加 • 少量多次的加入 • 多量少次的加入
教学培训PPT发酵过程工艺控制
30
三、CO2浓度的控制
二氧化碳浓度的控制根据它对发酵的影响而定。 通气搅拌控制二氧化碳浓度 ； 二氧化碳的产生与补料控制有密切关系
31
第五节 流加补料的控制
优点：
1.可以解除底物抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物 阻遏作用；
2.避免因一次性投料过多造成细胞大量生长，耗氧过
多而造成波谷现象；
3.可用作控制细胞质量的手段； 4.可作为理论研究的手段，为自动控制和最优化控制
➢ ➢ 单独使用效果差，常与分散剂（微晶二氧化硅）一起使用
23
（5）消泡剂的应用和增效
A 消泡剂加载体增效 B 消泡剂并用增效 C 消泡剂乳化增效。
24
2 机械消泡
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。
25
理想的机械消泡装置： 动力小 结构简单 坚固耐用 清洗、杀菌容易 维修保养费用少
生产阶段：pH趋于稳定 自溶阶段：pH上升
12
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的发 酵，其pH都会下降）
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）消泡油加得过多 3）生理酸性物质的存在，氨被利用，pH下降
13
引起pH上升的因素：
（凡是导致碱性物质生成或释放，酸性物质消耗 的发酵，其pH都会上升） 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。
14
三、 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
三、CO2浓度的控制
二氧化碳浓度的控制根据它对发酵的影响而定。 通气搅拌控制二氧化碳浓度 ； 二氧化碳的产生与补料控制有密切关系
31
第五节 流加补料的控制
优点：
1.可以解除底物抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物 阻遏作用；
2.避免因一次性投料过多造成细胞大量生长，耗氧过
多而造成波谷现象；
3.可用作控制细胞质量的手段； 4.可作为理论研究的手段，为自动控制和最优化控制
➢ ➢ 单独使用效果差，常与分散剂（微晶二氧化硅）一起使用
23
（5）消泡剂的应用和增效
A 消泡剂加载体增效 B 消泡剂并用增效 C 消泡剂乳化增效。
24
2 机械消泡
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。
25
理想的机械消泡装置： 动力小 结构简单 坚固耐用 清洗、杀菌容易 维修保养费用少
生产阶段：pH趋于稳定 自溶阶段：pH上升
12
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的发 酵，其pH都会下降）
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）消泡油加得过多 3）生理酸性物质的存在，氨被利用，pH下降
13
引起pH上升的因素：
（凡是导致碱性物质生成或释放，酸性物质消耗 的发酵，其pH都会上升） 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。
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三、 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
发酵工程第九章发酵过程控制(ppt)
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
(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QO2 ②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。
复合pH电极 pH测量仪器
3. 参数检测
❖参数检测方法 溶解氧的测量
化学法 极谱法 复膜氧电极法
复膜氧电极示意图 （a）极谱型 （b）原电池型
3. 参数检测
❖ 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
❖ 参数检测方法 细胞浓度的测量
发酵工程第九章发 酵过程控制(ppt)
优选发酵工程第九章发酵过程 控制
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
➢ 间接参数：将直接参数通过公式计算获得的 参数，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。
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、
(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QO2 ②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。
复合pH电极 pH测量仪器
3. 参数检测
❖参数检测方法 溶解氧的测量
化学法 极谱法 复膜氧电极法
复膜氧电极示意图 （a）极谱型 （b）原电池型
3. 参数检测
❖ 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
❖ 参数检测方法 细胞浓度的测量
发酵工程第九章发 酵过程控制(ppt)
优选发酵工程第九章发酵过程 控制
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
➢ 间接参数：将直接参数通过公式计算获得的 参数，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。
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、
二氧化碳对发酵的影响及控制PPT课件
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大多数的微生物发酵，当排气中CO2的含量>4% 时， 微生物的糖代谢和呼吸速率下降。
发酵液中，当溶解CO2含量达0.016 mol/L (0.704g/L) 时，会严重抑制细胞生长（酵母生产）；当进气口的 CO2含量占混合气体的80％时，酵母活力与对照相比降 低20％。
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影响发酵液的酸碱平衡使发酵液的ph值下降或与其他化学物质发生化学反应或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉淀或氧的过分消耗引起溶氧浓度下降等原因造成间接作用而影响菌体生长和产物合成
二氧化碳的来源：
1、微生物的代谢产物； 2、通过通气和补料等，溶解在发酵液中的二 氧化碳。
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CO₂对发酵的影响
2.影响培养液的酸碱平衡
CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的pH值下降， 或与其他化学物质发生化学反应，或与生长必需金属离子 形成碳酸盐沉淀，或氧的过分消耗引起溶氧浓度下降等原 因，造成间接作用而影响菌体生长和产物合成。
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CO₂对细胞的作用机制
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第10页/共13页
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CO2对产物合成的影响
（促进）如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的 空气中要含有5％的CO2 ；精氨酸发酵，需要一定量的CO2 ，才能 得到最大产量，其最适CO2分压为0.12 ×105Pa，高于或低于此 分压，产量都会降低。 （抑制） CO2对某些发酵还能产生抑制作用，如对肌苷、异亮氨 酸、组氨酸、抗生素等的发酵，特别是抗生素发酵中。例如， CO2能够抑制紫苏霉素的合成，在通气中加入1％ CO2产生菌对基 质的代谢极慢，菌丝生长速率降低，紫苏霉素产量比不加CO2时 下降33％，通入2％CO2，紫苏霉素的产量比对比照组降低85％， CO2的含量超过3％，则不产生紫苏霉素。
大多数的微生物发酵，当排气中CO2的含量>4% 时， 微生物的糖代谢和呼吸速率下降。
发酵液中，当溶解CO2含量达0.016 mol/L (0.704g/L) 时，会严重抑制细胞生长（酵母生产）；当进气口的 CO2含量占混合气体的80％时，酵母活力与对照相比降 低20％。
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影响发酵液的酸碱平衡使发酵液的ph值下降或与其他化学物质发生化学反应或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉淀或氧的过分消耗引起溶氧浓度下降等原因造成间接作用而影响菌体生长和产物合成
二氧化碳的来源：
1、微生物的代谢产物； 2、通过通气和补料等，溶解在发酵液中的二 氧化碳。
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CO₂对发酵的影响
2.影响培养液的酸碱平衡
CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的pH值下降， 或与其他化学物质发生化学反应，或与生长必需金属离子 形成碳酸盐沉淀，或氧的过分消耗引起溶氧浓度下降等原 因，造成间接作用而影响菌体生长和产物合成。
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CO₂对细胞的作用机制
第9页/共13页
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CO2对产物合成的影响
（促进）如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的 空气中要含有5％的CO2 ；精氨酸发酵，需要一定量的CO2 ，才能 得到最大产量，其最适CO2分压为0.12 ×105Pa，高于或低于此 分压，产量都会降低。 （抑制） CO2对某些发酵还能产生抑制作用，如对肌苷、异亮氨 酸、组氨酸、抗生素等的发酵，特别是抗生素发酵中。例如， CO2能够抑制紫苏霉素的合成，在通气中加入1％ CO2产生菌对基 质的代谢极慢，菌丝生长速率降低，紫苏霉素产量比不加CO2时 下降33％，通入2％CO2，紫苏霉素的产量比对比照组降低85％， CO2的含量超过3％，则不产生紫苏霉素。
《RQ补料发酵终点》PPT课件
菌体生长 C6H12O6十NH3十3.3O2十0.06H2SO4 →0.42C71H13.2O4.4NS0.06 十 3CO2 十 4.8H2O
<9-26>
菌体维持 C6H12O6十6O2 →6CO2十6 H2O
<9-
27>
青霉素生产 C6H12O6十<NH4>2SO4十0.5O2 十PAA
→C16H17O4N2S十2CO2十H2O
<9-
28>
从图9—33中看出,由于葡萄糖的补入,排气二氧 化碳增加,同时pH下降.
其原因主要有两个方面,一是葡萄糖被菌利用产 生二氧化碳,溶于培养液使pH下降 二是葡萄糖被菌利用过程产有机酸,使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,并认为排气二氧化碳的 变化比pH变化更为敏感；所以以测定排气CO2 释放率来控制补糖速率.
菌体生长 C6H12O6十NH3十3.3O2十0.06H2SO4 十3CO2十4.8H2O
菌体维持 C6H12O6十6O2 →6CO2十6 H2O
青霉素生产 C6H12O6十<NH4>2SO4十0.5O2 十PAA →C16H17O4N2S十2CO2十H2O
葡萄糖的补入,排气二氧化碳增加,pH下降.原 因有两个方面
KOU/qRSX耗糖 氧(耗 (m m 量 m mo2o)llO ) <9—31>
利用K值和摄氧率可间接估算糖耗.从理论上按反应式<9-31>计算 可得K值似应为1.5. C6H12O6十1.5O2+NH3 →C2H9O4N+CO2十H2O <9-32>
根据摄氧率与糖耗速率之间的线性关系制定的加糖模 型控制在加糖时发现,最佳K值应为1.75.
飞酿笔记（七十七）——二氧化碳及其压力对发酵的影响
飞酿笔记（七十七）——二氧化碳及其压力对发酵的影响作为酿酒师，时时刻刻在与二氧化碳打交道，从起酵时不断冒出的小气泡，到发酵正旺时翻滚的液面，再到苹乳时上人孔边缘绽露的一串串气泡，甚至在春天的酒窖里，你也能听到二氧化碳从木桶酒中溢出的声音……所以，酿酒师并不孤独，我们身边总有一些可爱的精灵在陪伴。
在发酵过程中，会产生大量的二氧化碳，每克葡萄糖约产生260mg，相当于发酵汁子体积的50倍以上，二氧化碳逸出会带走20%的发酵产生的热量，还有些热量损失来源于能量消耗以及水的蒸发。
二氧化碳逸出还会带走各种挥发性物质，其中乙醇的损失约占产生量的1%—1.5%，这与消耗的糖和温度有关。
高级醇和单萜烯也会损失差不多的程度（~1%），而乙酯和乙酸酯会有较大幅度的损失，这与品种相关，也特别受发酵温度的影响，这些与香气相关的重要化合物甚至可能会损失掉25%。
相比而言，乙酸酯类会比乙酯类损失得更多，这种损失能使人感觉出酒的果香特征减少了，所以，捕获这些物质并将其重新加入到葡萄酒中将是一个有意思的课题。
发酵汁子中易挥发物的损失与合成及降解的相对速率有关，也与它们在酒精含量不断增加的汁子中的溶解度有关。
另外，蒸发还受发酵罐的尺寸和形状影响，比如，小发酵罐拥有更高的比表面积以及比大发酵罐更小的液体压力，因而更有利于挥发。
不过，虽然在低温下蒸汽分压的降低会限制挥发，但低温同时也会使二氧化碳更慢地从酒中释放出来，从而抵消蒸汽分压降低带来的挥发减少。
二氧化碳的产生会在发酵液中产生强烈的对流作用，这会使汁子中的营养物质和温度分布均匀，但是在红葡萄醪中，飘浮的或者被淹没的酒帽都会打破这种平衡。
在敞口发酵槽及大部分发酵罐中，发酵时产生的二氧化碳能够散发到周围的空气中。
但当二氧化碳滞留在罐中时，罐内压力会快速升高，压力高于7atm，酵母的生长就会停止。
其实有实验证明，压力达到0.3atm时这种影响就出现了。
低PH值和高酒精含量会增加酵母对二氧化碳产生压力的敏感。
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d)硅酮类：聚二甲基硅氧烷及其衍生物
e)氟化烷烃
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（2）化学消沫
消泡剂多数是溶解度小、分散性不十分好的高 分子化合物，所以在使用时，要考虑如何降低它的 黏度和提高它的分散性，来增强它们的消泡效果。 使用的增效方法有:
a) 机械分散、或借助分散剂 b) 与载体一起使用 c) 多种消沫剂并用 d) 利用乳化剂增强消沫剂的消沫作用
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6.3.1 发酵过程中泡沫的产生
泡沫产生的原因
（1）由外界引进的气流被机械地分散形成 （2）由发酵过程产生的气体聚结生成的发酵泡沫 （3）发酵液中糖、蛋白质和代谢物等的存在起到 加强或稳定泡沫的作用
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泡沫消长的影响因素：
（1）通气、搅拌的剧烈程度
（2）培养基所用原材料性质：
（1）使发酵罐的装填系数减少 （2）造成大量逃液，导致产物损失 （3）增加了染菌的机会 （4）增加了菌群的非均一性 （5）消泡剂的加入给提取工序带来困难
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6.3.3 发酵过程中泡沫的控制
★机械消沫 ★化学消沫（消沫剂消沫）
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（1）机械消沫
原理：利用物理作用，靠机械的强烈振动或压 力的变化促使泡沫破碎。 优点：节省原材料，不会增加下游工段的负担， 减少染杂菌。 缺点：效率不高（作为消沫的辅助方法），不 能从根本上消除泡沫成因。
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补料的策略：
一次性大量：操作简便，但会造成发酵液瞬时大
量稀释，扰乱菌的生理代谢，难于将过程控制在最 适合于生产的状态；
多次少量：麻烦些，但更合理； 连续流加：快速、恒速、指数和变速流加。
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补料应注意的问题
１、料液配比要适当 ２、加强无菌观念 ３、经济核算，节约粮食 ４、培养基的碳、氮要平衡
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•
必须选择恰当的反馈控制参数，以及了解这
些参数对微生物代谢、菌体生长、基质利用以及
产物形成之间的关系。
•
采用最优的补料程序也是依赖于比生长曲线、
形态、产物形成速率及发酵的初始条件等情况。
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• 优需要维持适当的浓度，而它们则以 不同速被消耗，所以，补料速度要根据微生物对营 养等的消耗速度及所设定的培养液中最低维持浓度 而定。
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罐内机械消沫
例如：耙式消泡桨装在发酵罐的搅拌轴上，桨上的齿面 略高于液面，靠轴的旋转带动来打碎泡沫，起到消泡的 作用。
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罐内机械消沫
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罐外机械消沫
通过喷头将含气泡的 培养液喷向转向板， 使其破裂，然后再流
回发酵罐。
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（2）化学消沫
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★ 菌体在利用不同基质时，其RQ值也不 同；
★ 在抗生素发酵中在生长、维持和产物 形成阶段的RQ值也不一样。
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（3） 二氧化碳浓度的控制
发酵液中CO2浓度受到许多因素的影响， 如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、
通气搅拌程度、罐压大小和设备规模等。值 得注意的是，罐内的CO2分压是液体深度的 函数。
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（2） 呼吸商与发酵的关系
呼吸商：
RQCO2O 消 2产耗 生速 速 率 O C 率E URR
RQ值可以反映菌体的代谢情况，例如酵母培养过程：
RQ=1 糖代谢走有氧分解代谢途径，仅供生长、无产物形成； RQ>1.1 走EMP途径，生成乙醇； RQ=0.93 生成柠檬酸； RQ<0.7 生成的乙醇被当作基质再利用。
CO2浓度的控制：根据其对发酵的促进或
抑制作用，通过调节通气量和搅拌速率，提 高或降低其浓度。
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6.2.8
加糖、补料对发酵的影响 及其控制
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分批发酵常因配方中的糖量过多造成细胞生 长过旺，供氧不足。解决这个问题可在发酵过程 中加糖和补料。补料的作用是及时供给菌合成产 物的需要。通过补料控制可解除抑制：基质过浓 的抑制、产物的反馈抑制以及Ｇ分解代谢物的抑 制。从而调节菌体的呼吸，以免培养过程受氧的 限制。P185
蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、花生 饼粉、黄豆饼干粉、酵母粉和糖蜜等 是主要的发泡物质。培养基中蛋白质 含量越多，发酵液的粘度也越大，越 容易起泡，泡沫多而且持久稳定。
另外 ，培养基的灭菌方法、灭菌温度 和时间也会影响到培养基成分的变化， 从而影响培养基的起泡能力。
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6.3.2 泡沫对发酵的危害
★化学消沫的机理：化学消沫剂是表面活性剂。 一般好的消沫剂应同时具备降低液膜的机械强 度和表面粘度这两种性能。
★常用的消沫剂（溶解度较小、分散性较差的 高分子化合物）：
a)天然油脂类：玉米油、豆油、菜油及猪油等
b)高级醇类：十八醇、聚二醇等
c)聚醚类：聚氧丙烯甘油(GP)、聚氧乙烯氧丙烯甘油
（“泡敌”）(GPE)等P187
6.2.7
二氧化碳对发酵的影响 及其控制
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1
（1） 二氧化碳对发酵的影响
CO2是微生物的代谢产物，同时也是某些合成代谢 的一种基质，它是细胞代谢的重要指标。
CO2的抑制作用
影响菌体生长、形态及产物合成
高浓度的CO2会影响产黄青霉的菌丝形态。
大多数微生物适应低CO2浓度（0.02~0.04%体积分 数）。当尾气CO2浓度高于4%时微生物的糖代谢与呼吸 速率下降。
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3
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CO2对细胞的作用机制：
CO2 ——主要作用在细胞膜的脂肪酸核心部位
HCO3 ——影响磷脂的亲水头部带电荷的表面及细 胞膜表面上的蛋白质
当细胞膜的脂质相中CO2浓度达到一临界 值时，膜的流动性及表面电荷密度发生变化。 这将导致膜对许多基质的运输受阻，影响了细 胞膜的运输效率，使细胞处于“麻醉”状态， 生长受抑制，形态发生变化。
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•
补料的原则：就在于控制微生物的中间代谢，
使之向着有利于产物积累的方向发展。
•
补料的内容和补料时机，都是根据菌的生长代
谢、生物合成规律进行调节控制，但大多数都根据
经验进行。
•
经验表明，在最适补料条件下，能正确控制菌
体量的增加和糖的消耗，获得较好的效果。
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6.3 泡沫对发酵的影响及控制