07 第七章 发酵工艺过程控制 20171024 课后
7发酵过程控制
第二节 发酵过程技术原理
发酵过程的种类
一、分批发酵 二、补料－分批发酵 补料－ 三、半连续发酵 四、连续发酵
一、分批发酵
1、 分批发酵的理论基础 、
定义：分批发酵是一种准封闭式系统， 定义：分批发酵是一种准封闭式系统，种子接种到培养 基后除了气体流通外发酵液始终留在生物反应器内。 基后除了气体流通外发酵液始终留在生物反应器内。 整个过程中菌的浓度、 整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度等参 数都随时间变化。 数都随时间变化。 液体的流量等于零。 液体的流量等于零。
二、灭菌情况
随灭菌温度的升高， 随灭菌温度的升高，时间 的延长， 的延长，对养分的破坏作 用愈大， 用愈大，从而影响产物的 合成，特别是葡萄糖， 合成，特别是葡萄糖，不 宜同其他养分一起灭菌。 宜同其他养分一起灭菌。
三、种子质量
1、接种菌龄： 、接种菌龄： 是指种子罐中培养的菌体开始移种到下一级种子罐或发酵 罐的培养时间。 罐的培养时间。 太年轻或过老的种子对发酵不利。 太年轻或过老的种子对发酵不利。 2、接种量： 、接种量： 是指移种的种子液和培养液体积之比。 是指移种的种子液和培养液体积之比。 通常为5％～ ％，抗生素有时可达20％～ ％，甚至更 通常为 ％～10％，抗生素有时可达 ％～ ％，甚至更 ％～ ％，抗生素有时可达 ％～25％， 大。
四、温度
1、温度对生长的影响 、
不同微生物的生长对温度的要求不同， 不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的 适应于0～ ℃生长， 要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于 要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于 ～26℃生长，嗜温菌 适应于15～ ℃生长，嗜热菌适应于 适应于37～ ℃生长， 适应于 ～43℃生长，嗜热菌适应于 ～65℃生长，嗜高 温菌适应于 适应于65℃ 温菌适应于 ℃以上生长 。
发酵工艺过程控制
第七章发酵工艺过程控制发酵产品生产过程是非常复杂的生物化学反应过程。
为了使生产过程达到预期的目的，获得较高的产品得率，只有采取各种不同方法测定生物代谢过程中代谢变化的各种参数，掌握代谢过程的变化情况，结合代谢控制理论，才能有效控制发酵过程。
不管是微生物发酵还是动植物细胞的培养过程，均是细胞按照生命固有的一系列遗传信息，在所处的营养和培养条件下，进行复杂而细微的各种动态的生化反应的集合。
为了充分表达生物细胞的生产能力，对某一特定的生物来讲，就要研究细胞的生长发育和代谢等生物过程，以及各种生物、理化和工程环境因素对这些过程的影响。
因此研究菌体的培养规律、外界控制因素对过程影响及如何优化条件，达到最佳效果是发酵工程的重要任务。
本章主要介绍微生物发酵的工艺过程控制。
第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数前已述及微生物发酵有三种方式即分批发酵(batchfermentation)、补料分批发酵(fed-batchfermentation)和连续发酵(continuousfermentation)。
工业上为了防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题，大都采用分批发酵或补料分批发酵这两种方式。
其中补料分批发酵已被广泛采用，因为它的技术介于分批发酵和连续发酵之间，兼有两者的优点，又克服了它们的缺点。
各种不同发酵方式菌体代谢变化也不相同，但为了了解其基本变化，仍以分批发酵为基础来说明其代谢规律。
微生物的分批发酵过程，因其代谢产物的种类不同而有一定的差异，但大体上是相同的。
产生菌体经过一定时间不同级数的种子培养，达到一定菌体量后，移种到发酵罐进行纯种和通气搅拌发酵（发酵工业中，绝大部分是好氧发酵），到规定时间即结束。
如在霉菌、放线菌的发酵过程中，随着菌体的生长和繁殖，培养液的物理性质、菌体形态和生理状态都可能会发生显著的变化，如：培养液的表观黏度可能增大，液体的流变学特性改变，进而影响罐内的氧传递、热传递和液体混合等过程。
发酵工艺过程控制
发酵工艺过程控制发酵工艺过程控制是指在发酵过程中，通过合理控制发酵的条件和参数，使发酵过程达到预期的目标，达到最佳的产品质量和产量。
发酵工艺过程控制包括发酵条件的选择、发酵参数的控制和数据采集、分析等内容。
下面将详细介绍发酵工艺过程控制的一些关键点。
首先，在发酵工艺过程控制中，发酵条件的选择非常重要。
发酵条件包括温度、pH值、氧气供应和搅拌速度等。
不同的微生物和发酵产物有其适宜的发酵条件。
一般来说，温度是一个非常关键的参数。
适宜的温度可以提高微生物的生长速率和代谢活性，从而提高产物的产量和质量。
同时，pH值也会影响微生物的生长和代谢。
合适的pH值可以提供一个适宜的酶活性和物质转运环境。
氧气供应和搅拌速度对于需要氧气的微生物来说非常重要。
合适的氧气供应和搅拌速度可以提高微生物的通气效果和溶氧量，从而提高产量和代谢产物的选择性。
其次，在发酵工艺过程控制中，对发酵参数的控制和数据采集、分析也是至关重要的。
发酵参数包括微生物的接种量、培养基成分比例、培养基的初始pH值等。
合理的微生物接种量和培养基成分比例可以提高产物的产量和质量。
同时，初始pH值的控制可以提供一个合适的环境供微生物生长和代谢。
在发酵过程中，需要对各个参数进行实时的数据采集和分析，以便及时调整和优化发酵条件。
通过数据采集和分析，可以有效地监测发酵过程的进展，及时发现并解决问题，从而提高发酵工艺的稳定性和可控性。
另外，在发酵工艺过程控制中，发酵的时间也是需要考虑的一个因素。
发酵的时间过短可能导致微生物的生长和代谢不完全，从而影响产物的产量和质量；发酵的时间过长则可能导致微生物的过度生长和细胞死亡，影响发酵过程的稳定性和可控性。
因此，需要通过实验和经验来确定合适的发酵时间，以达到最佳的产物质量和产量。
综上所述，发酵工艺过程控制是一个非常重要的领域。
通过合理选择发酵条件和控制发酵参数，以及进行数据采集和分析，可以实现对发酵过程的有效控制，提高产品的产量和质量。
第7章 发酵工艺控制
生物热产生的大小有明显的阶段性， 其大小与菌体的呼吸强度呈正相关，呼吸强 度越大，所产生的生物热也越大。
并且也随着培养基成分的不同而变化。
在相同条件下，培养基成分越丰富，营养 被利用的速度越快，产生的生物热就越大。
（2）搅拌热（Q搅拌）
在好气发酵中，机械搅拌是增加溶解氧的必要手 段，所以好气培养的发酵罐都装有大功率的搅拌器。 搅拌热：搅拌带动液体作机械运动，造成液体之间、 液体与设备之间发生摩擦，这样机械搅拌的动能以摩 擦放热的方式，使热量散发在发酵液中，即搅拌热。 其可近似地按照式（7-4）计算。 Q搅拌=(P/V)×3600 P/V—通气条件下，单位体积发酵液所消耗的功率 （kW/m3)
发酵热：所谓发酵热即发酵过程中释放出来的 净热量，用[J/m3· h]表示，它是由产热因素和散热 因素两方面所决定的：
Q发酵= Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q显—Q辐射
（7-3）
（1）生物热（Q生物）
生物热：微生物在生长繁殖过程中，本
身产生的大量热称为生物热。
这种热主要来源于营养物质如碳水化合
物、蛋白质和脂肪等的分解产生的大量能 量。
实际上，生物氧化中氧吸收的效率多数低 于2%，通常情况下常常低于1%。也就是说，通 入发酵罐约99%的无菌空气被白白浪费掉。而 且大量无用空气还是引起过多泡沫的因素。
所以通气效率的改进可减少空气的使用量，
从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。
7.3.1 氧的传递和传质方程式 7.3.1.1 氧传递的各种阻力
3600——热功当量〔 kJ/(kW· 〕 h)
（3）蒸发热（Q蒸发）
蒸发热：通气时，进入发酵罐的空气与发酵液可 以进行热交换，使温度下降。并且空气带走了一部 分水蒸气，这些水蒸气由发酵液中蒸发时，带走了 发酵液中的热量，也使温度下降。被排出的水蒸气 和空气夹带着部分显热（Q显）散失到罐外的热量称 为蒸发热。 因为空气的温度和湿度随着季节的变化而不同， 所以蒸发热和Q显也会随之变化。 蒸发热可按下式（7-5）计算。 Q蒸发=G(I出-I进) G—通入发酵罐的干空气质量流量 I出、I进—分别为发酵罐排气和进气的热焓
第七章 发酵过程控制1-2
发酵过程的代谢控制
发酵过程工艺控制的目的、 发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次
发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本 身的遗传特性、物质运输、能量平衡、 身的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因 环境因素等等。 素、环境因素等等。因此发酵过程的控制具有 不确定性和复杂性。 不确定性和复杂性。 为了全面的认识发酵过程， 为了全面的认识发酵过程，本章首先要告 诉大家分析发酵过程的基本方面， 诉大家分析发酵过程的基本方面，在此基础上 再举一些例子， 再举一些例子，说明如何综合分析发酵过程及 进行优化放大。 进行优化放大。
发酵过程的代谢控制
发酵过程工艺控制的目的、 发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次 代谢及工程参数层次研究： 代谢及工程参数层次研究：
一般在小型反应器规模进行试验。 一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的 基础上，考察溶氧、 基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参 数，以及在反应器中微生物对各种营养成分的利 用速率、生长速率、 用速率、生长速率、产物合成速率及其它一些发 酵过程参数的变化， 酵过程参数的变化，找出过程控制的最佳条件和 方式。由于罐发酵中全程参数的是连续的， 方式。由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以 得到的代谢情况比较可信。 得到的代谢情况比较可信。
对于初级代谢产物， 对于初级代谢产物，在对数生长期初期就 开始合成并积累，而次级代谢产物则在对 开始合成并积累， 数生长期后期和稳定期大量合成。 数生长期后期和稳定期大量合成。
发酵过程的代谢控制
发酵过程工艺控制的目的、 发酵过程工艺控制的目的、研究的方法和层次 分批培养的优缺点
优点 操作简单，周期短，染菌机会少，生产 操作简单，周期短，染菌机会少， 过程和产品质量容易掌握 产率低， 缺点 产率低，不适于测定动力学数据
发酵工艺控制
条件，种子质量，发酵条件，过程控制
-必须的：代谢规律，影响产物合成的因素，
发酵条件优化 -多变性： 菌株及培养基配比定，生产能力不同
（一般地，strain生产性能越高，对环境越敏感，越 难以满足生产潜能的发挥。）
• 7.2 发酵过程的参数
7.2.1 参数 在线和离线 *设定参数：罐温，罐压，通气量，搅拌转速
抗生素发酵：稳定期末期加入前体，↑产量 一般：稳定期末期放罐 4 衰减期
6.4 发酵过程技术
6.4.1分批发酵 一 菌体生长
延迟期=适应期: 种子活性、接种量、medium 加速期：μ→μ ↑ 对数生长期： µ = In xt /xo t rx=µ x dx/dt= rx In xt /xo= µ t
的发酵液一起送去提炼）
有害代谢产物多 稀释
优点：补充养分和前体， 代谢有害物被稀释，产 物合成继续
缺点
处理体积大 失掉养分、cell
前体失掉
6.4.3 连续培养：一边补入新鲜料液，一边相同流速放料。
补料与放液一起进行， ∆V=0 一 单级连培 a) 特性：放掉的细胞量等于生成的细胞量，流入的料液稀释 发酵液。
YX / S X SO S
c)恒化器中微生物的特性可以用某些常数描 述：μ max，Ks ，Yx/s ， Dcrit
Dcrit= μ
max
s0/(Ks+s0)
s0↑ Dcrit→ μ
max
二 多级连培 a) 优点：不同级内条件不同，产率、生产稳定 性、自动化优于分批培养
产气克雷伯氏菌：第一罐，葡萄糖， 第二罐，麦芽糖，生长速率低于第 一级，形成次级代谢产物。
-- 多种碳源或氮源时，存在降解物代谢阻遏，出现 二次生长现象。
发酵过程的工艺控制
空气 发酵尾气 消泡剂
酸碱
蒸汽
发酵过程的工艺控制
问题
为什么说微生物分批培 养是一种非稳态的程？
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， 图10-1为典型的细胞菌生长曲线。 请看下图：
发酵过程的工艺控制
分批培养过程中典型的细菌生
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：
dx x
dt
x---细胞浓度（g/l）；t---培养时间（hr）； μ ---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：
发酵过程的工艺控制
ln x t
x0
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 μ。
发酵过程的工艺控制
3、补料分批培养的优点
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。表10-7为 补料分批培养的一些优点。
发酵过程的工艺控制
一、微生物发酵的动力学
一般来说，微生物学的生长和培 养方式可以分为：
分批培养 连续培养 补料分批培养
发酵过程的工艺控制
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。
长曲线
10
对 数
菌 数 的
bc
d
根据图提问
0 16
时间
发酵过程的工艺控制
第七章发酵过程控制
E
K r1
11
T1 T2
K与温度有关
E越大温度变化 对K的影响越大
2.温度对产物形成的影响 温度对细菌的生长、产物合成的影响可能是不同的
青 霉 素
12oC～30oC
3.温度影响发酵液的物理性质
温度还可以通过改变发酵液的物理性质, 间接影响微生物的生物合成。如:温度对 氧在发酵液中的溶解度就有很大的影响。
总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养 条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。
五、利用温度控制提高产量
例1 利用热冲击处理技术提高发酵甘油的产量
背景： （1）酵母在比常规发酵温度髙10～200C的温度下 经受一段时间刺激后，胞内海藻糖的含量显著增加。 （2）Lewis发现热冲击能提高细胞对盐渗透压的耐 受力 （3）Toshiro发现热冲击可使胞内3－磷酸甘油脱 氢酶的活力提高
例：林可霉素发酵的变温培养 问题的提出
接种后10h左右已进入对数生长期，随后是 10h左右的加速生长期，在40h左右对数生长期基 本完成，在50h左右转入生产期
主要问题：
如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？
适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和维持相 当数量的有强生产能力的菌丝体存在
根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似 值。
因为热效应决定于系统的初态和终态，而与变化途径 无关，反应的热效应可以用燃烧值来计算，特别是有 机化合物，燃烧热可以直接测定。反应热效应等于反 应物的燃烧热总和减去生成物的燃烧热的总和。
ΔH＝∑（△H）反应物－∑（△H）产物
如谷氨酸发酵中主要物质的燃烧热为：
2、根据培养条件选择
温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低 些，溶氧浓度也可髙些。 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利 用快，会使菌过早自溶。
发酵过程的工艺控制《发酵工程》
装液量 酶活力
30 ml 60ml 90ml 120ml
713 734 253
92
发酵过程的工艺控制《发酵工程》
1.4.2影响发酵罐供氧因素
1.4.2.1 搅拌：搅拌功率增大对氧的利用效果明显，但过于激 烈的搅拌，产生很大的剪切力，可能对细胞造成损伤。另 外，激烈的搅拌会产生大量的搅拌热。增加传热的负担。
（1）
QO2 =(QO2 ）max × CL /(K0 +CL ）
QO2比耗氧速率(mmol O2/g菌·h)，CL溶解氧浓度， K0氧 的米氏常数（ mol/ m3 ），(QO2）max 最大比耗氧速率 (mmol O2/g菌·h )：
啤酒酵母为：2.2 ×10-3，黑曲霉为： 8.3 ×10-4
1.5.2 导入血红蛋白：将血红蛋白基因克隆到大肠杆菌和 放线菌，可促进有氧代谢、菌体生长和抗生素的合成。
发酵过程的工艺控制《发酵工程》
2 CO2浓度对发酵的影响及其控制
2.1 CO2浓度对发酵的影响：
CO2是微生物呼吸和分解代谢的终产物，同时也是某些 合成代谢的一种基质，几乎所有的发酵都会产生CO2 溶解在发酵液中的CO2对氨基酸、抗生素微生物的发酵 具有刺激和抑制作用，大多数微生物适应低浓度的CO2 （ 0.02%—0.04% V/V ）。
发酵过程的工艺控制《发酵工程》
第四节 温度对发酵的影响及其控制
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对 温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～260C生 长，嗜温菌适应于15～430C生长，嗜热菌适应于37～ 650C生长，嗜高温菌适应于650C以上生长
发酵过程的工艺控制《发酵工程》
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、 最低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超 过最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度范围 内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无 限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随 温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长 速率下降，最后停止生长，引起死亡。
发酵工艺控制
发酵工艺控制的基础： 发酵工艺控制的基础：
了解产生菌生长、 了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模拟 了解生物、物理、 了解生物、物理、化学和工程的环境条件对发酵过程的影响
如何进行控制？ 如何进行控制？
测定各种参数 依据参数变化， 依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程的各项最佳 参数
补糖的控制
把计算的加糖量，输入计算机， 把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加 料装置精确控制加入的糖量。 料装置精确控制加入的糖量。
二、氮源的影响和控制
一）氮源的种类影响
迅速利用的氮源 缓慢利用的氮源
种类： 种类： 种类：氨水、铵盐和玉 种类：黄豆饼粉、花生 米浆 饼粉、和棉子饼粉 优点： 优点： 优点： 优点： 易被菌体利用，明显促 利用缓慢，有利于延长次 进菌体生长 级代谢产物的分泌期。 防止早衰。 缺点： 缺点： 对于有些品种高浓度的 缺点： 缺点：溶解度低，发酵 液粘度大。 铵离子抑制产物合成
三、最适发酵温度的选择
选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度 可实行变温控制： 可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温 在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。 度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。 确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件： 确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件： 在较差通气条件下， 在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利 培养基成分较易被利用或较稀薄时， 培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利
发酵过程检测控制的主要的参数 一、发酵过程检测控制的主要的参数 1、物理参数 、
检测参数 温度 罐压(0.20.5×105Pa) × 罐压 搅拌转数 搅拌功率(2 -4KW/m3) 空气流量 粘度 浊度 料液的流量 检测方法 铂电阻 热敏 电阻 隔膜传感器 压敏电阻 频率计数器 功率计 浮子流量计 孔板差压计 旋转粘度计 浊度计 蠕动泵 荷重传感器 量筒 单位 ℃ Pa r/min Kw m3h-1 vvm Pas % Lh-1 影响 qP c*
发酵工艺控制培训课程
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
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
1、温度对发酵的影响
对细胞生长的影响：温度升高，从酶反应动力学来看，生 长代谢加快，但由于酶很容易热失活，所以高温时菌体易 于衰老； 对产物形成的影响：菌体生长速率、呼吸强度和代谢产物 形成速率的最适温度往往是不同的；温度升高，一般产物 生成提前； 对生物合成的方向的影响：反馈抑制随温度变化而改变； 对发酵液物理性质及溶解氧的影响：影响氧的溶解和传递， 影响一些基质的分解，间接影响生物合成。
能是不同的； 发酵罐中氧的吸收率很低；（多数＜ 2%；通常＜ 1%） 加大通气量会引起过多泡沫； 消泡剂不利于氧的溶解。
1、氧的传递和传质方程式
①氧传递的阻力：
气相到气液界面；
气液界面；
通过液膜；
液相；
细胞或细胞团表面液膜； 固液界面；
细胞团内；
细胞壁；
反应（生化）阻力。
从空气泡到细胞内总阻力为上述阻力之和。
Q发酵=G·cw·(t1-t2)/V G—冷却水流量； Cw—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=(M1c1+ M2c2)·S M1、c1 —发酵液质量、比热； M2、c2 —发酵罐质量、比热； S—温度上升速率。
4、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
★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氧传质方程式。 （氧分压和浓度变化图7-7）
第七章发酵过程控1制175页PPT
1、生物热Q生物
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物 质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合 成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合 成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这 散发出来的热就叫生物热。
生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧：产生287.2千焦耳热量，
糖
－37
－30.3
－24.0
－41.7
谷氨酸
5.9
15.4
23.9
尿素 菌体
－2.9 4.8
－6.0
6.0
1.2
玉米浆
－2.4
－3.0
－0.6
发酵12～18小时的生物热为：
Q生物＝24×159555.9＋0.6×12309.2＋6×10634.5 －1.2×20934－15.4×15449.3＝191098.1KJ/M3
第7章 发酵工艺控制
微生物学教研室
发酵工艺控制最优化
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。
问题
如何实施最佳工艺？
实施最佳工艺就是通过优化管理，严格执行发酵工艺，将发酵控制在
实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因 此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量
正交条件A 冲击温度（0C） 40，45，50 B 开始时机（h） 8，16，30 C 冲击时间（分） 15，30，60
三、发酵过程引起温度变化的因素
（一）发酵热Q发酵
发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。
发酵学 第7章 发酵工艺的控制3
三、特殊因素
异常情况：染菌、代谢异常(糖耗缓慢等)
避免损失，挽救。
判断放罐指标：
产物浓度、过滤速度、氨基氮、菌丝形态， pH、培养液的外观、粘度
菌体自溶前的迹象：
氨基氮升高、 pH升高、菌丝碎片增多、粘度 增大、过滤速度降低
放罐临近时，加糖、补料或消泡剂都要慎重，因残留物对提
⒉ 可以解除或减弱分解代谢物的阻遏
有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，
如葡萄糖阻抑纤维素酶、赤霉素、青霉素等多种 酶或产物的合成。
例：缓慢流加葡萄糖，纤维素酶的产量几乎增加
200倍；将葡萄糖浓度控制在0.02％水平，赤霉素 浓度可达905 mg／L；采用滴加葡萄糖的技术， 可明显提高青霉素的发酵单位等。
⒊ 可以使发酵过程最佳化 随着FBC补料方式的不断改进，为发酵过程的优 化和反馈控制奠定了基础。
随着计算机、传感器等的发展和应用，已有可能
用离线方式计算或用模拟复杂的数学模型在线方 式实现最优化控制。
三、补料方式及控制
连续流加、不连续流加、多周期流加 1.补料方式 快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加 单组分流加、多组分流加
◆ CO2对某些发酵产生抑制作用。 如：氨基糖苷类抗生素紫苏霉素生产： 通以1％CO2，微生物对基质的代谢极慢，菌丝增长速度降低，紫苏霉 素的产量比对照组降低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。
◆二氧化碳可通过改变pH而影响发酵生产。
学消泡剂消泡或两者同时使用消泡。 –机械法：靠机械强烈振动，压力的变化，使 气泡破裂，或借助机械力将排出气体中的液体 加以分离回收 –化学法：添加消泡剂（油类等），应用面广
发酵标准工艺过程控制
第七章发酵工艺过程控制教学目旳：1、熟悉发酵过程旳重要控制参数；2、掌握各因素对发酵过程旳影响、过程控制措施和原理；3、熟悉几种发酵操作类型。
教学措施：讲授教学手段：使用多媒体课件教学内容：第一节发酵过程中旳代谢变化与控制参数一、发酵工艺过程控制旳重要性从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中旳菌体生长、发酵参数旳变化（培养基和培养条件）和产物形成速率这三者之间旳关系。
二、发酵过程旳代谢变化规律这里简介分批发酵、补料分批发酵、半持续发酵及持续发酵四种类型旳操作方式下旳代谢特性。
1、分批发酵指在一种封闭旳培养系统内具有初始限制量旳基质旳发酵方式。
即一次性投料，一次性收获产品旳发酵方式。
在分批培养过程中根据产物生成与否与菌体生长同步旳关系，将微生物产物形成动力学分为（1）生长关联型产物旳生成速率与菌体生长速率成正比。
这种产物一般是微生物分解基质旳直接产物，如酒精，但也有某些酶类，如脂肪酶和葡萄糖异构酶对于生长关联型产品，可采用有助于细胞生长旳培养条件，延长与产物合成有关旳对数生长期。
（2）非生长关联型产物旳生成速率与菌体生长速率成无关，而与菌体量旳多少有关。
对于非生长关联型产品，则宜缩短菌体旳对数生长期，并迅速获得足够量旳菌体细胞后，延长稳定期，从而提高产量。
2、补料-分批发酵是指分批培养过程中，间歇或持续地补加新鲜培养基旳培养措施。
与老式旳分批发酵相比，长处在于使发酵系统中维持很低旳基质浓度。
低基质浓度旳长处：（1）可以除去迅速运用碳源旳阻遏效应，并维持合适旳菌体浓度，使不至于加剧供氧旳矛盾；（2）克服养分旳局限性，避免发酵过早结束。
３、半持续发酵是指在补料－分批发酵旳基本上，间歇地放掉部分发酵液旳培养措施。
长处：（1）可以除去迅速运用碳源旳阻遏效应，并维持合适旳菌体浓度，使不至于加剧供氧旳矛盾；（2）克服养分旳局限性，避免发酵过早结束；（3）缓和有害代谢产物旳积累。
４、持续发酵又称持续流动培养或开放型培养，即培养基料液持续输入发酵罐，并同步放出具有产品旳发酵液旳培养措施。
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第七章发酵工艺过程控制11. 发酵工艺过程控制2. 温度对发酵的影响及其控制3. pH值对发酵的影响及其控制4. 溶解氧对发酵的影响及其控制5. 泡沫对发酵的影响及其控制6. 补料（基质浓度）控制7. 发酵过程中的参数检测8. 高密度发酵21.发酵工艺过程控制3发酵过程控制的重要性•过程控制的内容：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。
•过程控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使所需要的代谢活动得以最充分的表达，以最经济、最大限度地获得发酵产物。
决定发酵水平的因素外部环境因素生物因素：菌株特性(营养要求、生长速率、产物合成速率)设备性能: 传递性能工艺条件物理：T 、Ws化学：pH 、DO 、基质浓度4工业微生物发酵过程52.温度对发酵的影响及其控制影响发酵温度变化的因素温度对微生物生长的影响温度对基质消耗的影响温度对产物合成的影响最适温度的选择与控制62.1 影响发酵温度的因素发酵热就是发酵过程中所产生的净热量Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射产热因素：生物热机械搅拌热散热因素：蒸发热辐射热7（1）生物热Q生物生物热是生产菌在生长繁殖过程中产生的热能。
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化产生能量，一部分用于合成ATP提供细胞代谢产物合成需的能量，另一部分以热的形式散发，这散发出来的热就叫生物热。
影响生物热的因素：菌株发酵类型、培养基、发酵时期8生物热与发酵类型有关微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。
和水一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2好氧：产生287.2千焦耳热量，–183千焦耳转变为高能化合物–104.2千焦以热的形式释放厌氧：产生22.6千焦耳热量，–9.6千焦耳转变为高能化合物–13千焦以热的形式释放9培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性细胞呼吸量强弱与生物热的大小有关：1.在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。
2.菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用强，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。
3.培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。
10（2）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。
（3）蒸发热Q蒸发通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量叫蒸发热。
此外，排气也会带走部分热量，一般可以忽略不计。
（4）辐射热Q辐射发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。
辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。
冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5％。
11发酵热的测定发酵热测定的方法：简单的一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。
在工厂里，可以通过测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。
Q发酵＝GCm (T出－T进)Cm——水的比热G——冷却水流量124.2×10³J/(㎏·℃)2.2 温度对发酵过程的影响①温度一方面通过影响生产菌的生长繁殖及代谢产物的合成而影响发酵过程；②另一方面通过影响发酵液的物理性质（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等）影响发酵的动力学和产物合成。
13✓温度对基质的影响温度对发酵液物理性质的影响☐影响氧在发酵液中的溶解度温度↑溶氧↓☐影响基质的分解速率14温度对产物合成的影响青霉菌发酵生产青霉素青霉菌生长活化能E1= 34 kJ/mol青霉素合成活化能E2= 112 kJ/mol15温度影响发酵方向——产物种类或比例：改变发酵液的物理性质，间接影响细胞的生物合成，影响生物合成方向。
•1：四环素发酵中金色链霉菌：T<30℃，产生金霉素；随着温度升高，产物中四环素比例提高；T达到35℃，仅产生四环素。
•2：米曲霉发酵，温度控制在低限，有利于蛋白酶的合成，而α-淀粉酶活性受到抑制；温度高，则相反。
162.3 最适温度的确定•最适温度是指在既适合菌的生长，又适合代谢产物的合成。
为了使微生物的生长速度最快和代谢产物的产率最高，在发酵过程中必须根据菌种的特性，选择和控制最合适的温度。
•菌体生长最适温度与产物合成最适温度往往是不一致的。
因此，最适发酵温度应从两个方面考虑：菌体的最适生长温度和代谢产物合成的最适温度。
17•最适温度与菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段有关。
•最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。
生产菌株的菌体生长和积累代谢产物的最适温度往往不同18青霉素生产菌黑曲霉（产糖化酶和柠檬酸）谷氨酸生产菌生长温度（℃）303730~32积累代谢产物温度（℃）2532~3434~362.4 发酵（最适）温度的控制•在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。
•冷却介质：深井水或冷冻水•控制方式：手动控制或自动控制19夹套式换热装置（10m3以下）20竖式蛇管换热装置（10m3以上）节能噪音低的冷却系统—冰水机21节能噪音低的冷却系统3. pH值对发酵的影响及其控制 发酵培养基pH值是在一定条件下代谢活动的综合指标，它对菌体生长和产物合成有重要的影响。
发酵过程中pH是不断变化的，因此必须掌握其变化规律，及时监测并加以控制，使得它处于最佳状态。
尽管多数微生物能够在3-4个pH值单位范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到最高生长速率和最佳产物形成，必须使pH值在很窄的范围内保持恒定。
223.1 发酵过程pH值变化的原因（1）引起发酵液中pH变化的因素⏹主要因素：微生物种类、基础培养基的组成和发酵条件均影响发酵过程中的pH值。
⏹代谢对pH影响主要发生在：①酸性或碱性代谢产物的生成或释放；②菌体对培养基中生理酸性/碱性物质的利用。
23A.引起发酵液中pH上升的因素1) C/N过低(N源过多)，氨基氮(NH4＋)释放；当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降。
2) 中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；3) 生理碱性物质的存在；4) 碱性产物的形成，如红霉素等抗生素；5)发酵后期，菌体自溶。
243.1 发酵过程pH值变化的原因3.1 发酵过程pH值变化的原因B.引起发酵液中pH下降的因素（1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机酸积累，pH下降；（2）消泡剂加得过多致脂肪酸含量增加；（3）生理酸性盐的利用；（4）酸性产物形成：如有机酸发酵。
253.1 发酵过程pH值变化的原因（2）发酵过程中pH的变化规律•生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的趋势；•生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合成的范围；•自溶阶段：pH又上升；263.2 pH值对发酵过程的影响（1）pH对微生物生长的影响•每一类菌都有其最适pH和能耐受的pH范围细菌: pH 6.3～7.5 ；霉菌：pH 4.5～5.5(1.5~8.5)；酵母菌：pH 4.5～5.0 (3.0~7.5)；放线菌：pH 7.5～8.5•控制一定的pH，不仅可以保证微生物生长，还可以防止杂菌污染。
e.g. 石油酵母：–pH3.5～5.0：生长良好且不易染菌–pH>5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌–pH<3.0：酵母生长受抑制，细胞极不整齐，且出现自溶27（2）pH对产物合成的影响微生物生长和发酵的最适宜pH可能不同。
这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学特性。
28（3）pH影响代谢方向：pH不同，微生物代谢产物不同29（4）pH影响发酵的机理◆pH影响酶的活性：当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻;◆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进出，因此影响新陈代谢的进行;◆pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用。
303.3 最适pH的选择•菌体生长阶段获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量•在产物合成阶段以产物量为指标确立最适产物合成的pH值。
同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的pH，在产物生产阶段采用最适产物合成的pH；31（1）调节原始培养基的pH值使基础培养含有合适碳源和氮源比例和盐类，或加入缓冲剂使其具有缓冲能力；A、基础料中若含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH值。
若要控制灭菌后pH在6.0，灭菌前pH往往要调到6.5~6.8；B、在基础料中加入维持pH的物质，如CaCO3，具有缓冲能力的化学品如磷酸盐等；323.4 发酵过程pH值的调节及控制（2 ）发酵过程pH值的调节和控制A. 直接补加酸碱调节控制pH–发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂(NaOH、HCl)；–当pH值偏离不大，加入强酸碱容易破坏缓冲体系，而且会引起培养液成分发生水解，较少使用。
B. 通过调整通风量来控制pH值。
–在消泡剂加多的情况下，提高通气量可以加速脂肪酸的氧化，减少因脂肪酸的累积引起的pH值降低。
33（2 ）发酵过程pH值的调节和控制C. 补加生理酸碱性基质来调节pH补加生理酸碱性物质，既调节了发酵液的pH值，又可补充营养物质，还可减少阻遏作用。
–酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4＋)－盐、有机酸盐等–碱性基质：NO334（2 ）发酵过程pH值的调节和控制D. 通过补料调节控制pH•当pH值上升至超过最适值，意味着菌体处于饥饿状态，可加糖调节，糖的过量又会使pH值下降。
采用补料的方法同时可以实现补充营养、延长发酵周期、调节pH值和改变培养液的性质（如粘度）等几种目的，特别是产物合成有阻遏作用的营养物质，通过少量多次补加可避免对产物合成的影响。
35pH的控制系统经消毒的pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。
364. 溶解氧对发酵的影响及其控制•工业发酵所用的微生物大多为好氧菌；生长繁殖和合成代谢产物均要氧气，供氧对需氧微生物必不可少。
•发酵过程中供给适量的无菌空气，无菌空气的氧只有溶解到发酵液并进一步传递到细胞内的氧化酶系后菌体才能够利用，才能完成生长繁殖和积累所需的代谢产物。
37•在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。
许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。
384.1 微生物对氧的需求1、微生物耗氧◆需氧包括三方面：①供能——葡萄糖完成氧化②合成产物——将葡萄糖转化为产物，消耗氧③菌体生长——构成细胞成分含有氧◆不同微生物对氧的需求不同。
39基质微生物g 氧/g 干菌体葡萄糖大肠杆菌0.4甲醇假单胞菌C 1.2辛烷假单胞菌 1.7•微生物对需氧量常用呼吸强度和耗氧速率表示–呼吸强度——Q O2mmol O 2/g.h ，亦称氧的比消耗速率是指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量。