发酵工艺控制
发酵工艺控制-生化工程
培养基配制 种子扩大培养 空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
发酵控制的目的
最大的生产速率和最大的生产量，最大限 度的开发菌株的生产潜能
菌种本身的复杂性
发酵过程的复杂性 要从整体上去认识微生物生长与产物形成 之间的关系，包括菌体的增长，成熟，生 物量的积累，环境对微生物代谢方向的影 响等
反应器结构因素的影响 搅拌器：搅拌器组数和搅拌器直径的最适距 离对溶氧有一定的影响。实验表明，搅拌器 组数和间距在很大程度上要根据发酵液的特 性来确定，只有这样，才能达到较好的溶氧 效果。一般，当高径比为2.5时，用多组搅拌 器可提高溶氧10%；当高径比为4时，采用较 大的空气流速和较大的搅拌功率时，多组搅 拌可提高溶氧25%。但是，如果搅拌器之间 的位置不当，则流型和空气分布情况将发生 变化，引起kLa的大幅度下降。
但是供氧并非越大越好，当供氧满足菌体 需要，菌体的生长速率达最大值，如果再 提高供氧，不但不能促进菌体生长，造成 能源浪费，而且高氧水平会抑制菌体生长
溶氧浓度控制
发酵液的溶氧浓度，是由供氧和耗氧两 方面所决定的。也就是说，当发酵的供氧 量大于需氧量，溶氧就上升，直到饱和； 反之就下降。因此要控制好发酵液中的溶 氧，需从这两方面着手。
但同时，温度升高，会导致氧溶解度下降。
体系中盐类的影响：添加多种盐类，反应液 的离子强度会增加，会导致体积传质系数值 增加，其增加的程度随投入动力的增大而增 大，有时为纯水的5～6倍。这主要原因是在 盐类反应液中，气泡群变细小，并且难以合 并，（增大了a）。另外，气体的滞留量也有 增大的倾向。 但同样，离子浓度的增加，会导致氧溶解度 的下降。
发酵工艺的控制
发酵工艺的控制发酵过程中，为了能对生产过程进行必要的控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。
反映发酵过程变化的参数可以分为两类：一类是可以直接采用特定的传感器检测的参数。
它们包括反映物理环境和化学环境变化的参数，如温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、pH、离子浓度、溶解氧、基质浓度等，称为直接参数。
另一类是至今尚难于用传感器来检测的参数，包括细胞生长速率、产物合成速率和呼吸嫡等。
这些参数需要根据一些直接检测出来的参数，借助于电脑计算和特定的数学模型才能得到。
因此这类参数被称为间接参数。
上述参数中，对发酵过程影响较大的有温度、pH、溶解氧浓度等。
1、温度温度对发酵过程的影响是多方面的，它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。
除这些直接影响外，温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。
最适发酵温度是既适合菌体的生长，又适合代谢产物合成的温度，它随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。
理论上，整个发酵过程中不应只选一个培养温度，而应根据发酵的不同阶段，选择不同的培养温度。
在生长阶段，应选择最适生长温度，在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。
但实际生产中，由于发酵液的体积很大，升降温度都比较困难，所以在整个发酵过程中，往往采用一个比较适合的培养温度，使得到的产物产量最高，或者在可能的条件下进行适当的调整。
发酵温度可通过温度计或自动记录仪表进行检测，通过向发酵罐的夹套或蛇形管中通人冷水、热水或蒸汽进行调节。
工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，在这种情况下通常还需要加以冷却，利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通人夹套或蛇形管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。
2、pH值pＨ值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响有以下几个方面：①影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；②影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄；③影响培养基中某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用；④PＨ值不同，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。
8-发酵工艺控制1
影响生物热的因素：
生物热随菌株、培养基、发酵时期的不 同而不同。一般，菌株对营养物质利用 的速率越大，培养基成分越丰富，生物 热也就越大。发酵旺盛期的生物热大于 其他时间的生物热。生物热的大小还与 菌体的呼吸强度有对应关系。
实验发现抗生素高产量批号的生物热高于 低产量批号的生物热。说明抗生素合成时 微生物的新陈代谢十分旺盛。
8.1.2 影响发酵温度的因素 8.1.2.1 发酵热 发酵过程中，随着菌对培养基的利用， 以及机械搅拌的作用，将产生一定热量， 同时因罐壁散热，水分蒸发等也带走部分 热量。发酵热就是发酵过程中释放出来的 净热量。以[J／m3﹒h]表示，
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射
（1）生物热 产生菌在生长繁殖过程中，本身会产 生大量的热称为生物热。 培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质 等物质被分解为CO2,NH3时释放出的大量 能量。 用途：合成高能化合物，供微生物生命 代谢活动，热能散发。
2.pH会影响菌体的形态
3.pH对某些生物合成途径有显著影响
7.2.2 发酵过程中pH的变化 发酵过程中由于菌在一定温度及通气条 件下对培养基中碳、氮源等的利用，随着 有机酸或氨基氮的积累，会使pH产生一定 的变化。
一般在正常情况下：
(1)生长阶段 在菌体生长阶段pH有上升或 下降的趋势。 (2)生产阶段 在生产阶段，pH趋于稳定， 维持在最适产物合成的范围。 (3)自溶阶段 菌丝自溶阶段，随着基质的 耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基 氮增加，致使pH又上升，此时菌丝趋于自 溶而代谢活动终止。
定义：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节
及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵 罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时 必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为 蒸发热。
发酵工艺控制
发酵工艺控制—— pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。
它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。
因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。
尽管多数微生物能在3～4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。
一、PH对发酵的影响微生物生长和生物合成都有其最适和能够耐受的pH范围，大多数细菌生长的最适pH范围在6.3～7.5，霉菌和酵母生长的最适pH范围在3～6，放线菌生长的最适pH范围在7～8。
有的微生物生长繁殖阶段的最适pH范围与产物形成阶段的最适pH范围是一致的，但也有许多是不一致的。
表7-1列举了几种生长最适pH范围与产物形成最适pH范围不一致的例子。
pH还会影响菌体的形态。
例如，产黄青霉细胞壁的厚度随pH的增加而减小；当pH低于6时，菌丝的长度缩短，直径为2～3μm，当pH=7或>7时，直径为2～18μm，酵母状膨胀菌丝的数目增加。
pH下降后，菌丝形态又恢复正常。
pH还影响细胞膜的电荷状态，引起膜的渗透性发生改变，进而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成。
对产物的稳定性同样有影响。
除此之外，pH对某些生物合成途径有显著影响。
例如，丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH范围是5.5～7.0为好，发酵后期pH=4.3～5.3时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。
又如，黑曲霉在pH=2～3时产生柠檬酸，pH近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。
谷氨酸发酵中，pH=7或微碱时形成谷氨酸，pH酸性时产生N—乙酰谷酰胺。
从以上看出，为要更有效地控制生产过程，必须充分了解微生物生长和产物形成的最适pH范围。
二、影响发酵pH的因素发酵过程中，pH的变化是微生物在发酵过程中代谢活动的综合反映，其变化的根源取决于培养基的成分和微生物的代谢特性。
发酵工艺控制 基质浓度控制
的现象，补加尿素可改善这种状况并提高发酵单位； 氨基酸发酵补加作为氮源和pH值调节剂的尿素。
二、氮源对发酵的影响及其控制
（2） 补加无机氮源 补加氨水或硫酸铵是工业上的常用方法。氨水既可作为
二、氮源对发酵的影响及其控制
1.氮源的影响
迅速利用的氮源
种类 氨水、铵盐
优点 缺点
易被菌体利用，明显促进 菌体生长
对于有些菌种高浓度的铵 离子抑制产物合成
缓慢利用的氮源
黄豆饼粉、花生饼粉、和棉子 饼粉
利用缓慢，有利于延长物的分 泌期。防止早衰。
溶解度低，发酵液粘度大。
二、氮源对发酵的影响及其控制
三、磷酸盐对发酵的影响及其控制
2.控制办法 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。 （1）要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量。 （2）当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌体生长。 四环素发酵：菌体生长最适的磷浓度为65～70 μg／mL，而四 环素合成最适磷浓度为25～30 μg／mL。
2.控制办法 1）发酵培养基一般是选用含有快速利用和慢速利用的混合氮源。 如氨基酸发酵用铵盐(硫酸铵或醋酸铵)和麸皮水解液、玉米浆。 2）控制基础培养基中的配比。 3）通过补加氮源。
（1）补加有机氮源 （2）补加无机氮源
二、氮源对发酵的影响及其控制
（1）补加有机氮源 根据产生菌的代谢情况，可在发酵过程中添加某些具有调
7. 发酵工艺的控制
7.3.2 基质浓度控制
一、碳源对发酵的影响及其控制
1、C源种类影响 按菌体利用快慢而言，分为迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源。 前者(如葡萄糖)能较迅速地参与代谢、合成菌体和产生能量，并
发酵工艺控制
发酵工艺控制概述一. 发酵体系的主要特征1. 细胞内部结构和代谢反应的复杂性2. 细胞所处环境的复杂性3. 过程系统状态的时变性及参数的多样性和复杂性影响因素多，有的因素未知，主要影响因素变化。
发酵水平主要取决于：生产菌种的特性；对工艺条件的控制（适合程度）必须了解：菌体的生理代谢规律工艺条件对发酵过程的影响及其控制发酵过程的有关变化规律常规发酵的工艺控制参数：温度、pH、搅拌转速与功率、空气流量、罐压、液位、补料速率及补料量等。
二. 发酵过程的参数检测1.直接状态参数指能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况的参数包括：pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2 、黏度、基质和产物浓度、菌体浓度（OD、DCW、湿重）等参数的检测在线检测各种传感器：pH电极、DO电极、温度电极、液位电极、泡沫电极尾气分析仪：测尾气O2和CO2含量离线检测分光光度计、pH 计、温度计、气相色谱（GC)、液相色谱（HPLC)、色质连用（GC-MS)等2.间接状态参数指利用直接状态参数计算求得的参数包括：比生长速率μ、摄氧率OUR、CO2释放率CER、呼吸商RQ、氧的得率系数YX/O 、氧体积传质系数KLa、基质比消耗速率QS、产物比生成速率Qp等综合各种状态参数，获得代谢过程的各种信息，从而对发酵过程做出相应的调整和控制，以获得最经济的发酵生产。
三. 发酵过程的代谢调控和优化1. 代谢调控以代谢（流）的调节最重要调节酶的合成量，称为“粗调”调节酶的催化活性，称为“细调”工艺控制和过程优化的实质，就是利用各种方法和手段，使细胞的外部和内部环境最适合基质和能量流向产物合成的生物途径，以获得最大的产量。
2. 发酵过程优化的一般步骤确定反映发酵过程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过程的影响及其机制，获得最佳的范围和最适的水平建立数学模型定量描述个参数间随时间的变化关系，为过程优化控制提供依据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，实现发酵过程的最优控制基质浓度对发酵的影响及其控制先进的培养基组成是充分支持高产、稳产和经济的发酵过程的关键因素之一。
发酵工艺控制操作要点及操作技能
发酵工艺控制操作要点及操作技能发酵是一种将有机物质转化为更有益于人类的物质的过程，广泛应用于食品和药品行业。
为了达到最佳的发酵效果，正确的控制和操作是至关重要的。
本文将介绍发酵工艺控制的要点和操作技能，以帮助人们更好地掌握这一关键工艺。
一、发酵工艺控制要点1. 温度控制发酵过程中，温度的变化对微生物的生长和代谢非常重要。
因此，保持适宜的发酵温度十分关键。
在控制温度时，需要根据不同的发酵物质和微生物的要求进行调整。
一般来说，温度要坚持在合适的范围内，过高或过低都会对发酵产物的质量产生负面影响。
2. pH值的控制pH值是发酵过程中影响微生物生长和代谢的重要因素之一。
不同的微生物对于pH值有不同的适应范围。
一般来说，保持适当的pH值可以促进有益菌的生长，抑制有害菌的繁殖。
在发酵过程中，通过调节发酵液的酸碱度来控制pH值。
3. 氧气供应某些微生物在发酵过程中需要充足的氧气供应，而另一些微生物则对氧气敏感。
因此，正确控制氧气供应对于发酵效果至关重要。
一般来说，发酵过程中需要保持适度的通气条件，并且可以通过控制氧气的流速和浓度来满足微生物的需求。
4. 发酵液搅拌搅拌是发酵过程中常用的操作方式之一。
通过搅拌，可以使发酵液充分接触到氧气，促进微生物的生长和代谢。
搅拌还可以均匀分布微生物和营养物质，提高发酵效果。
在进行发酵搅拌时，需要注意搅拌速度和时间的控制，以避免对微生物产生不利影响。
5. 营养物质的添加发酵过程中，营养物质的添加可以提供微生物所需的营养来源，促进微生物的繁殖和代谢。
根据发酵物质的需求和微生物的特点，合理选择并添加适当的营养物质，可以提高发酵效率和产物的质量。
二、发酵操作技能1. 先熟悉发酵工艺流程和操作规程，了解发酵物质和微生物的特性和要求。
2. 在开始发酵前，确保所有操作设备和容器都是清洁和消毒的，以避免杂质对发酵产物的污染。
3. 严格控制发酵过程中的温度，根据不同的发酵物质和微生物的需求设定合适的温度范围。
发酵工艺的过程控制
发酵工艺的过程控制引言发酵工艺是一种将有机物质通过微生物的作用转化为需要的产物的过程。
在发酵过程中，微生物通过吸收养分、产生代谢产物和释放能量，完成了物质的转化。
为了保证发酵过程的高效和稳定，控制发酵过程至关重要。
本文将介绍发酵工艺的过程控制，包括控制参数和控制策略。
1. 发酵过程的控制参数发酵过程的控制参数是指影响发酵过程的参数，包括温度、pH值、溶氧量、搅拌速度、发酵菌种等等。
这些控制参数对于发酵过程的高效和稳定起到了重要的作用。
1.温度：发酵过程中适宜的温度可以促进微生物的生长和代谢活动。
不同的发酵过程需要不同的温度，一般在微生物的最适生长温度附近，通常在25-42摄氏度之间。
2.pH值：发酵过程中的pH值对微生物的生长和代谢活动有重要影响。
不同的微生物对于pH值的需求不同，一般在微生物最适生长pH值的附近维持。
3.溶氧量：溶氧量是指发酵液中的氧气饱和度。
微生物在发酵过程中需要氧气进行呼吸和代谢活动。
合适的溶氧量可以提高发酵效率和产物质量。
4.搅拌速度：搅拌速度对于发酵液中的微生物的分散性和氧气气液传递有着重要影响。
适当的搅拌速度可以保证发酵液中的微生物充分接触营养物质和氧气。
5.发酵菌种：选择适宜的发酵菌种对于发酵过程的控制至关重要。
合适的发酵菌种应具备高发酵活力、产物合成能力和抗污染能力。
2. 发酵过程的控制策略为了实现对发酵过程的有效控制，需要采取相应的控制策略。
以下是几种常见的发酵过程控制策略。
1.反馈控制：反馈控制是根据实时的监测数据对发酵过程进行调节。
通过监测发酵过程中的温度、pH值、溶氧量等参数，将实际参数与设定值进行比较，根据误差进行反馈调整，以维持发酵过程的稳定性。
2.前馈控制：前馈控制是根据预期的发酵过程需求提前对控制参数进行调整。
通过事先设定好的控制策略，根据发酵过程中的状态进行预测和计算，提前对控制参数进行调整，以达到预期的控制效果。
3.比例积分控制：比例积分控制是通过调整控制器的比例参数和积分参数来改变控制器的工作方式。
第七章发酵工艺控制
如：许多抗生素和色素的发酵
第二节
一、物理参数
工业发酵过程的主要 控制参数
1、温度 与温度有关的因素： 氧在培养液中的溶解度和传递速率 菌体生长速率和产物合成速率 测量工具：铂电阻或热敏电阻
• 2、压力（Pa）
与压力高低有关的因素： 罐压高低与氧和CO2在培养液中的溶解度有关 罐压一般范围： 0.2×105～0.5×105 Pa 测量工具： 隔膜法压力表或压敏电阻压力表
1、分批发酵
概念：
分批发酵：指将微生物和营养物一次性加入发酵 罐中，经过培养生长，最后一次收获的培养方式， 中间除了空气进入和尾气排出，没有物料交换。 在分批发酵中，培养基是一次性加入，不再 补充，随着微生物的生长繁殖活跃，营养物质逐 渐消耗，有害代谢产物不断积累，因此其生长速 度将随时间发生有规律性的变化。
2.补料分批培养的优缺点 优点：与分批培养相比
① 解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。 ② 可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成 细胞大量生长所引起的一切影响；
③ 可用作为控制细胞质量的手段，以提高发芽 孢子的比例； ④ 可作为理论研究的手段，为自动控制和最优 控制提供实验基础。
与连续培养相比优点
④ 衰亡期
细胞死亡率增加，明显超过新生率，进入 衰亡期。多数发酵在到达衰亡期前就结束。 特点：活的细胞数目以对数速率急剧下降、 细胞裂解或自溶。衰亡期比其它期相对较 长。
分批发酵优缺点：
•
① ② ③ ④
优点：
操作简单 周期短 染菌机会少 产品质量易于控制
•
缺点：
① 生产能力不是很高 ② 非生产周期较长，使得发酵成本高
三、生物参数
1、菌体形态 菌体形态是衡量种子质量、区分发酵阶段、控 制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之 一。 用显微镜观察菌体形态 2、菌体浓度 概念：菌体浓度是指单位体积培养液中菌体的 含量。 根据菌体浓度的大小决定适合的补料量和供氧 量，同时可判断目的产物的产量是否达到最大量。
发酵工艺控制 补料控制
三、补料方式及控制
3、补料的原则 原则：根据菌体生长代谢规律；生产需要； 环境条件 方法：充足而不过量（少量多次或分批流加），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。
三、补料方式及控制
4、补料中应注意的问题 （1）选择合适的补料的时机、方式和控制指标 （2）料液的配比要恰当（如C/N等） （3）注意对培养基性质的改变（如pH值等） （4）加强无菌控制 （5）经济、节约
二、补料分批发酵的作用
1、可以控制抑制性底物的浓度 高浓度营养物抑制微生物生长：基质过浓使渗透压过高，细胞因脱
水而死亡； 有的基质是合成产物必需的前体物质，浓度过高，就会影响菌体代
谢或产生毒性，使产物产量降低。如苯乙酸、丙醇(或丙酸)分别是 青霉素、红霉素的前体物质，浓度过大，就会产生毒性，使抗生素 产量减少。 有的底物溶解度小，达不到应有的浓度而影响转化率。如甾类化合 物转化中，因它们的溶解度小，使基质的浓度低，造成转化率不高。 采用FBC方式，可以控制适当的基质浓度，解除抑制作用，得到高 浓度的产物。
7. 发酵工艺及控制
7.3.10 补料的作用和控制
补料分批发酵(fed-batch culture，简称FBC)，又称半连续培养 或半连续发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加一种或多 种成分的新鲜培养基的培养方法，是分批发酵和连续发酵之间的一种 过渡培养方式，是一种控制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。
三、补料方式及控制
2、流加操作控制系统 反馈控制： （1）直接方法：直接以限制性营养物浓度作为反馈参数，如控制氮源、 碳源、C/N比等，由于目前缺乏能直接测量重要参数的传感器，因此 直接方法的使用受到了限制。 （2）间接方法：以溶氧、pH值、呼吸商、排气中CO2分压及代谢产 物浓度等作为控制参数。 无反馈控制
发酵工艺控制 时间控制
7.3.9 时间对发酵的影响及控制
随着微生物发酵的进行，发酵培养基营养的不断消耗，微生物发 酵产物随着营养的消耗从产生到增加到一个最大值。随着菌体细胞趋 向衰老自溶，到后期，产物生产能力相应地减慢或停止，甚至下跌。 因此确定微生物发酵的终点，控制发酵时间，可以减少能源的消耗、 提高设备的使用率，对提高产物的生产能力和经济效益是很重要的。
故要考虑发酵周期长短对产物提取工艺的影响。
三、特殊因素
在个别特殊情况下，如染菌、代谢异常（糖耗缓慢等）就应根据 不同情况，进行适当处理。为了能够得到尽量多的产物，应该及时采 取措施（如改变温度或补充营养等），并适当提前或拖后放罐时间。
总之，合理的放罐时间是由试验来确定的，根据不同的发酵时间 所得的产物产量计算出发酵罐的生产力和产品成本，采用生产力高而 成本又低的发酵时间作为放罐时间。在实际操作中常通过检测发酵液 中产物的浓度、残糖浓度、残氮浓度、残磷浓度等判断微生物发酵终 点。
在实际生产中，确定发酵周期，准确判断放罐时间，需要综合考 虑经济因素、产品质量因素和特殊因素。
一、考虑经济因素
发酵产物的生产能力是实际发酵时间和发酵准备时间的综合反应。 实际发酵时间，须要考虑经济因素，也就是，要以最低的成本获得最 大生产能力的时间为最适发酵时间，但在生产速率较小（或停止）的 情况下，单位体积的产物产量增长就有限，如果继续延长时间，使平 均生产能力下降，而动力消耗、管理费用支出，设备消耗等费用仍在 增加，因而产物成本增加。所以，须要从经济学观Fra bibliotek确定一个合理时间。
二、产品质量因素
发酵时间长短对后续工艺和产品质量有很大的影响。如果发酵时 间太短，势必有过多的尚未代谢的营养物质（如可溶性蛋白质、脂肪 等）残留在发酵液中。这些物质对后处理的溶媒萃取或树脂交换等工 序都不利，因为可溶性蛋白质易于在萃取中产生乳化，也影响树脂交 换容量；如果发酵时间太长，菌体会自溶，释放出菌体蛋白或体内的 酶，又会显著改变发酵液的性质，增加过滤工序的难度，这不仅使过 滤时间延长，甚至使一些不稳定的产物的质量下降，产物中杂质含量 增加。
发酵工艺控制 pH控制
二、发酵过程中pH变化的原因
2.基质代谢
（1）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使 pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一
（2）氮代谢 氨基酸中的-NH2被利用，pH下降；尿素被分解成 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。
一、pH对发酵的影响
3、pH不同，微生物代谢产物不同
黑曲霉： pH：2－3，
柠檬酸发酵 pH：7.0，草酸发酵
酿酒酵母： pH：4.5-5.0－3，乙醇 发酵 pH：8.0，甘油发酵/
谷氨酸菌： pH：7－8，
GA发酵
pH：5.0－5.8，谷氨酰胺发酵
4、微生物生长和发酵的最适宜pH可能不同
丙酮丁醇菌：生长： pH 5.5－7.0; 发酵： pH 4.3-5.3; 青霉素菌： 生长： pH 6.5-7.2； 发酵： pH 6.2-6.8 链霉素菌： 生长： pH 6.3-6.9； 发酵： pH 6.7-7.3
别是能产生阻遏作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。也 就是说，采用补料的方法，可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH值和培养液的特性(如 菌浓等)等几个目的。
三、发酵pH的确定和控制
2、常用控制方法 ④ 其它措施 改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，控制有机酸的积累 量及其代谢速度； 改变温度，以控制微生物代谢速度； 改变罐压及通气量，降低CO2的溶解量； 改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量
（3）生理酸碱性物质利用后pH会上升或下降
3.产物形成
某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生 使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH 上升。
发酵工艺参数的优化与控制方法
发酵工艺参数的优化与控制方法发酵工艺参数的优化与控制方法发酵工艺是一种利用微生物在特定条件下生产有机化合物的生物过程。
发酵工艺参数（如温度、pH值、搅拌速度等）的优化与控制对于提高发酵生产效率和产品质量至关重要。
本文将介绍一些常用的发酵工艺参数优化与控制方法，以帮助提高发酵工艺的效果。
一、温度的优化与控制温度是影响发酵过程的最重要参数之一。
一般来说，微生物的生长速率随温度的升高而增加，但过高的温度可能导致微生物的死亡或产物的变性。
因此，需要对发酵过程中的温度进行优化和控制。
在发酵过程中，通过调节发酵罐中的冷却塞温度来控制温度。
使用前馈控制或反馈控制方法，根据温度传感器和控制器的反馈信号，调节冷却塞的开度，使温度保持在设定的范围内。
此外，还可以使用嵌入式感应器和自动化控制系统来监测和调节传热器和冷却系统的性能，以保持发酵温度的稳定。
在优化发酵温度方面，可以通过实验方法来确定最佳生产温度。
首先，将发酵基质分为若干等温区域，分别在不同温度下进行发酵实验。
然后，通过测量发酵产物的产量和质量，寻找最佳生产温度。
二、pH值的优化与控制pH值是指发酵基质中的酸碱性程度。
微生物的生长和产物合成受到pH值的影响，因此对发酵过程中的pH值进行控制和优化是非常重要的。
在发酵过程中，通过添加酸碱调节剂或纯化酶来控制pH值。
具体来说，可以使用酶法或电极法来测量发酵基质中的氢离子浓度，然后根据测量结果调节酸碱调节剂的加入量，以维持合适的pH值范围。
此外，还可以使用自动化控制系统来监测和调节pH探头和酸碱调节剂的性能，以保持发酵过程中pH值的稳定。
在优化发酵pH值方面，可以通过实验方法来确定最佳生产pH。
首先，在不同pH条件下进行发酵实验，测量产物的产量和质量，然后比较不同pH条件下的发酵效果，找到最佳生产pH条件。
三、搅拌速度的优化与控制搅拌速度是指在发酵过程中搅拌器的转速。
适当的搅拌可以帮助提高溶解氧和基质传质，促进微生物的生长和产物的合成。
发酵工艺控制 菌体浓度控制
7.3.1 菌体浓度控制
7.3.1.1菌体浓度对发酵的影响
菌体（细胞）浓度(cell concentration)：单位体积培养液中 菌体的含量。
反映：菌体细胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全 相同的分化阶段。
影响菌体浓度的因素（菌体生长速率）：微生物的种类和自 身的遗传特性；营养基质的种类和浓度有关；环境条件 。
7.3.1ห้องสมุดไป่ตู้1菌体浓度对发酵的影响
为了获得最高的生产率，需要采用摄氧速率OUR与传氧速率 OTR相平衡时的菌体浓度，也就是传氧速率随菌浓变化的曲线和 摄氧速率随菌浓变化的曲线的交点所对应的菌体浓度，即临界菌 体浓度c(X)临。
7.3.1.2 菌体浓度的控制
依靠调节培养基的浓度来控制菌浓。 首先确定基础培养基配方中有个适当的配比，避免产生过浓
（或过稀）的菌体量。 然后通过中间补料来控制，如当菌体生长缓慢、菌浓太稀时，
则可补加一部分磷酸盐，促进生长，提高菌浓；但补加过多， 则会使菌体过分生长，超过临界浓度，对产物合成产生抑制 作用。 利用菌体代谢产生的CO2量来控制生产过程的补糖量，以控制 菌体的生长和浓度。
7.3.1.1菌体浓度对发酵的影响
1.菌浓越大，产物的产量越大。（在适当的比生长速率的条件下） 2.菌浓过高
○影响代谢：营养基质消耗过快，培养液的营养成分发生明显变 化，有毒物质积累，可能改变菌体的代谢途径
○影响溶解氧：菌浓增大，OUR增大；表观粘度增大，OTR减少， 当OUR>OTR时，DO减少，成为限制因素；一般选取OUR=OTR 的菌浓（临界菌体浓度）
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。
微生物工程 06 发酵工艺控制
四）最适温度的选择
◇ 最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的形成。
◇ 在发酵的整个周期内仅选一个温度不一定好。
因为最适合菌生长的温度不一定适合产物的合成。
例如： 青霉素产生菌的最适生长温度是30℃，而最适于青霉素 合成的温度是20℃。 乳酸发酵时，最适生长温度为34℃ ，而产乳酸的温度则 不超过30℃ 。 发酵过程中，在生长初期抗生素还未开始合成，菌丝还未 长浓，这时的温度应适于微生物的生长；到抗生素分泌期， 菌丝已长到一定浓度，积累抗生素是重点考虑，此时应满 足生物合成的最适温度。
在菌体代谢过程中，菌体本身有建成其生长最适pH的 能力，但外界条件发生较大变化时，pH将会不断波动。
◇
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
第六章
发酵工艺控制
发酵的一般流程
培养基配制 种子扩大培养 空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
发酵工艺控制是发酵的重要部分。
控制难点：过程的不确定性和参数的非线性
同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同 批次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响 因素是复杂的，比如设备的差别、水的差别、 培养基灭菌的差别、菌种保藏时间的长短、发 酵过程的细微差别都会引起微生物代谢的不同。 了解和掌握分析发酵过程的一般方法对于控制 代谢是十分必要的。
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
1 calorie:使1克水的温度升高1摄氏度所需热量。 约为4.186焦耳热量
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发酵工艺控制发酵的一般流程培养基配制发酵生产下游处理种子扩大培养空气除菌培养基灭菌发酵设备提纲・温度控制・pH值控制・溶氧控制・二氧化碳控制・泡沫的控制Ks•餾騙fr J?vo *£5 4长代 于衰图7-1对产温岌对青證苗生长速率帕影响 (魯彩俞谡兼零• 1的衿I 旷 r/K d7-2 0A 度对•靑舒菌呼吸强麽的影Mf 参号他樂第、1997)嵌O■Z ----------21 V-■\■ \ ' ■J.2 3・J J.43 J 5 6icr* r'x"1温J 度对讨毒菌生产速宰阚曲1M工2、影响发酵温度的因素•发酵热的成分•生物热：微生物生长繁殖过程中的产热•搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热•蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量•辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量• Q发酵=Q生物+ Q搅拌.Q蒸发Q显g辐射•显热：空气流动过程夹带着的热量• Q发酵=Q生物+ Q搅拌.Q蒸发Q显g辐射3、发酵热的测定①通过冷却水进出口温度和流量测定:Q发酵虫％(32)"G—冷却水流量；C w—水的比热；v_发酵液体积。
②通过发酵液温度随时间上升的速率测定:Q 发酵=(M〔Ci+ M2C2)-S Mi、s—发酵液质量、比热；M2、C2—发酵罐质量、比热；S—温度上升速率。
最适温度选择与发酵温度控制・温度变化的一般规律与控制的一般原则•接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度，以利于抱子萌发和菌体的生长繁殖；•待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温度；•到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低些，即代谢产物合成的最适温度;•到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。
•选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温升氧降）；生长阶段；培养条件等。
4、最适温度选择与发酵温度控制—最适温度选择•最适温度往往不同，各阶段可用不同温度。
如：青霉素分别为：30°C和24.7 °C o•青霉素发酵的温度控制•0-5h： 30°C •6-35h： 25 °C •36-85h： 20 °C •86-125h： 25°C 30253520255125—发酵温度控制・进行温度控制时应考虑的因素•参考其它发酵条件（通气、培养基成分和浓 度、pH 值等），如通气条件差时，则最适 发酵温度比通气良好时低。
4、 最适温度选择与发酵温度控制III不同菌种在不同生长阶段的生长和生产特性・温度控制的方法•冷却是主要的方法，通常是利用发酵罐的热 交换装置进行降温，如果气温较高，冷却水 温度也较高时，多釆用冷媒（盐水）进行降温。
•发酵罐的热交换装置:•罐外夹套 •罐内蛇管、列管4—发酵温度控制二、pH值对发酵的影响及控制・发酵液pH对菌体生长、繁殖和产物积累影响较大o生产前应进行试验和研究。
・菌体生长、繁殖和产物积累的最适pH不一定相同・整个发酵过程的pH是变化的。
1> pH对发酵的影响2、影响发酵pH的因素3、最适pH的选择和调节•微生物生长最适pH值范围不同的微生物具有不同的最适生长的pH值o细菌6.575；放线菌6.5・&0；霉菌4.0-5.8；酵母菌3.8・6.0•产物形成最适pH值范围微生物的生长和产物形成的最适pH值往往不同。
少数一致，大多不同;有的偏高，有的偏低。
pH对微生物生长和产物形成影响的原因:• pH值影响菌体形态，如壁厚薄、长径比;• pH值改变使原生质膜电荷发生改变，影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的排出;• pH值直接影响酶活性;• pH值影响某些重要营养物质和中间代谢产物的离解,从而影响微生物对这些物质的利用o• pH影响生物合成的途径。
如：黑曲霉pH=2-3时产柠檬酸；近中性时产草酸、葡萄糖酸。
2、影响发酵pH的因素・影响pH值的因素：培养基成份、微生物代谢特性决定发酵过程的pH变化。
（综合反映）・此外，通气状况的变化，菌体自溶和杂菌污染都可能引起发酵液pH的变化。
・微生物改变培养液pH以适合自身生长的能力很强。
・发酵液的实际pH是“成分”和“途径”的统一。
・确定和有效控制pH在菌体生长或产物积累的最适范围是高产的保证。
2、影响发酵pH的因素・生理碱性物质和生理酸性物质・生理碱性物质：经微生物代谢后，导致pH上升（碱性物质生成或酸性物质消耗）的物质。
如：有机氮源，硝酸盐，有机酸。
（产N%、NaOH）・生理酸性物质：经微生物代谢后，导致pH下降（酸性物质生成或碱性物质消耗）的物质。
如：糖类（产有机酸），脂肪（产脂肪酸），钱盐（氧化产硫酸）。
・最适pH 的选择和调节t•既有利于菌体的生•! •根据不同微生物的4 值的变化，选用适1 ・生长最适pH 和产物形丿① 两者相同，范围都7 ② 两者相同，范围都夕③ 两者相同，范围一了 ④ 两者不同，范围都夕图7 4 pJI 芍丰和O P 之间关系的几荊不同概最适pH 的选择和调节1=1■巳pH3、最适pH 的选择和调节•补料调节：调节通 比平衡；如：青霉素生产（按需补糖•添加弱酸或弱碱、选择pH 值的方法：通 配制并始终调节控制： 调节pH 值的方法： •主要考虑培养基中 2.0 ‘ 1.60.8 :M三、氧对发酵的影响・氧是制约发酵进行的重要因素•氧难溶于水，培养基中贮存的氧量很少;【纯氧溶纯水，1.26mmol/L；空气氧溶纯水，0.25；培养基更低】•高产株和加富培养基的采用以及发酵周期的缩短加剧了对氧的需求;•形成产物的最佳氧浓度和生长的最佳氧浓度有可能是不同的;•发酵罐中氧的吸收率很低; （多数V 2%；通常V 1%）•加大通气量会引起过多泡沫;•消泡剂不利于氧的溶解。
EM氧传迎的各种且力示識图・氧传递的总推动力：气相与细胞内的氧分压差和浓度差。
・减小阻力方法：液膜，气液混合所生湍动;细胞团表面液膜，搅拌减小外径，减少阻力;细胞团内阻力和壁阻力，搅拌减少逆向扩散梯度;反应阻力，培养基成分，培养条件，产物移去。
1＞氧的传递和传质方程式②气液相间的氧传递和嗥（氧分压和浓度变屮・氧传递的主要阻力存彳单位体积培养液中的辜O1K L Q-容积传递貝Q—比表面积；氐一以氧浓度为彳c* 一气液平衡的VC L—液相主体氧材S7.7气就弊両附迫的耳分臓辎度变化气液相间的氧传递和氧传质方程式培养物处于充裕的通气情况下,C L会逐渐接近C*,氧传递速率渐小;而处于不充裕的通气情况下, 下降趋于0,氧传递速率最大。
（C*・C L一推动力）2、影响微生物对氧需求的因素・不同微生物对氧的需求不同，其耗氧速度用呼吸强度(比耗氧速率)来表示：C LQ O2=(Q O2)M -------------- (当氧是限制性基质时)K0+ C L(Q O2 )m——最大比耗氧速率；C L——溶解氧浓度；K o——氧的米氏常数。
各种菌的K。
和(Q O2 )m有定值(表7・3；表7-4)。
影响微生物对氧需求的因素图7-6酵毋呼吸强度与溶解氧浓度的关乘2、影响微生物对氧需求的因素•摄氧率：单位体积培养X—细胞浓卫・氧的满足度：溶解氧浓度占・产物形成的最启不同，需氧量窘疣抱誌讴霉在廿崔坦若芯比祀弐邑罕钠变化影响微生物摄氧率的因素①菌种；②溶解氧浓度；③细胞浓度；④培养基成分和浓度：如：碳源，利用速度不同摄氧率不同; ⑤pH；⑦有毒物积累。
抑制呼吸;⑧挥发性中间物（有机酸），加强。
3、培养基的流变特性・培养基的流变特性影响：动量、热量、质量传递，继而影响各种发酵条件。
如：溶氧速率、气体交换、发酵温度、营养物补充、PH值的调节等。
•培养液是一多相体系，由液相、固相（菌体，不3、培养基的流变特性溶性培养基组分）和气相构成。
①牛顿流体和非牛顿流体・牛顿型流体：服从牛顿黏性定律，黏度只是温度的函数，与流变状态无关。
即发酵罐中任何局部黏度相同，与搅拌速度、半径无关。
（清细菌、酵母液）・非牛顿型流体：不服从牛顿黏性定律，其黏度不仅受温度影响，而且随流动状态而异。
可分为几种类型的流体。
与切变率r有关。
（放线菌、霉菌、高浓度细菌、酵母培养液）②非牛顿流体的搅拌功率7-13金色链丑繭培莽灌的骷度系数、流变持性衢歌葩培养时间的空化 •罐中非牛顿流彳度成正比。
平均切变率 k —无因次常 N —搅拌器』对不同的非 ,k 值一般在1(・在发酵过程中,现出时变性。
2 ■ {I 4Q 閃 12Ci f&D 2W 培挣吋间皿 O 6 P04、影响供氧的因素・由氧传质方程式：OTR=K L a (C*-C L)可知，以下因素影响氧传递速率：(1) 影响K L Q的因素；(2) 影响推动力(C*-C L )的因素o①搅拌:汽泡变小，增大汽液相接触面积；延长汽泡在液体中的停留时间；增加湍动程度，减小气泡外液膜厚度，减小阻力；使培养基成分和细胞均匀分布，利于营养物吸收,代谢物扩散。
搅拌比通气速度对Kg的影响更明显。
但搅拌速度过高，会对细胞造成损伤，并会增加传热的负担。
通气效率还与罐体积(越小越好)、罐形状、结构、搅拌器形式、挡板有关。
②空气流量:供氧，带走废气。
K L C I随空气流量增加而增加，但有限度。
如超过限度，搅拌器在空气泡中空转，不能分散空气，搅拌功率下降。
气沿轴逸出。
③培养液性质的影响:微生物生长繁殖和代谢可引起发酵液密度、黏度、表面张力.扩散系数的变化。
这些性质的变化都会影响Kg值。
如：黏度增大，滞留液膜厚度增加，传质阻力增大；同时黏度影响扩散系数，使通气效率降低。
综合操作条件和流体性质对Kg的影响，有:K L a=f(D h N, 3》D L出P ,o , g)④微生物生长的影响:细胞浓度增加，K L CI值变小，细胞浓度相同时，球状菌悬液的Kg值是丝状菌悬液Kg值的两倍。
(流动特性，稠度差别较大)（1）影响Ke的因素⑤消沫剂的影响：分布于气液截界面，增大传递阻力，使K L下降（虽使a增大）o产生泡沫原因多样，其中发酵性泡沫氧低, 消沫剂虽然使K L下降，但最终会有效的改C02 高, 不易破，“逃液”。
善发酵液的通气效率。
（消泡沫的重要手段）(1)影响ICB的因素⑥离子强度的影响：气泡在电解质溶液中，比在水中小很多，a较大，K L(J值也比水大。
并随浓度增加而增大。
丙酮、乙醇、甲醇等有机溶剂也有类似情况。
(2)影响推动力的因素影响因素有: ①温度：常压下，随温度升高而降低。
②溶质的影响：随浓度增加氧饱和度下降。
电解质，因盐析作用而降低；有机溶液，升高。
快。
不利于液相中CO2排出。
对细胞渗透压有不利影响④纯氧：富氧通气、溶解氧增加。
但生产成本提高，不够 经济。
C*。
CO2也增加且更5、液相体积氧传递系数K L a的测定・常握供氧，需氧情况，要测定:溶解氧浓度，摄氧率和液相体积氧传递系数Ke。