发酵过程的控制
发酵过程控制发酵过程泡沫的形成和控制
发酵过程控制发酵过程泡沫的形成和控制发酵过程中产生泡沫是由于发酵微生物产生的二氧化碳在液体中产生的气泡。
对于一些发酵工艺来说，泡沫的形成是正常的现象，但当泡沫过高时，会导致操作困难、影响发酵效果甚至引发事故。
因此，控制发酵过程中泡沫的形成和控制是非常重要的。
首先，我们来讨论一些常见的发酵过程中形成泡沫的原因。
发酵过程中产生的泡沫主要有以下几个原因：1.发酵微生物产生的二氧化碳气泡：在发酵过程中，微生物会通过代谢作用产生二氧化碳，这些气体会在液体中形成气泡。
2.搅拌：发酵过程中的搅拌会增加气体与液体的接触面积，从而促进气泡的形成。
3.添加剂：有些发酵过程中需要添加剂，如泡沫剂、表面活性剂等，这些添加剂会导致气泡的形成。
针对泡沫过高的情况，我们需要进行泡沫的控制。
以下是一些常见的泡沫控制方法：1.控制发酵微生物的种类和数量：选择合适的发酵微生物，使其不产生过多的二氧化碳气泡。
2.控制发酵温度：温度的控制对于发酵过程很重要，过高或过低的温度都会导致泡沫过高。
因此，要合理控制发酵过程中的温度。
3.控制搅拌的速度和时间：适当控制搅拌的速度和时间，避免过度搅拌，以减少气泡的形成。
4.添加抗泡剂：在发酵过程中添加抗泡剂，可以减少气泡的形成。
抗泡剂可以抑制气泡的集聚和稳定。
5.使用泡沫控制装置：在发酵过程中使用泡沫控制装置，如泡沫传感器和控制器，可以自动检测和控制泡沫的高度。
总之，控制发酵过程中泡沫的形成和控制是一项重要的工作。
通过合理选择发酵微生物、调节温度、控制搅拌速度和时间、添加抗泡剂以及使用泡沫控制装置等手段，可以有效地控制和管理发酵过程中的泡沫，确保发酵过程的顺利进行。
发酵工艺的泡沫控制需要结合具体的实际情况，进行合理的调整和控制，以满足生产过程的要求。
发酵工程发酵过程控制
发酵工程发酵过程控制1. 引言发酵工程是利用微生物的生理代谢过程来生产有机化合物的一种工程技术。
而发酵过程控制则是在发酵工程中对发酵过程进行调控和监控，以确保发酵过程能够稳定进行，并获得高产率和良好的产品质量。
发酵过程控制通过对微生物与培养基、发酵设备和操作条件等方面进行控制，研究微生物的生长规律和代谢产物的生成规律，实现对发酵过程的调控，以实现最佳的发酵效果。
本文将介绍发酵工程发酵过程控制的主要内容和方法。
2. 发酵过程控制的目标发酵过程控制的主要目标是实现以下几个方面的调控：1.生物量的控制：调控微生物的生长速率和生物量，使其在适宜的培养基和环境条件下获得最佳生长，提高产酶或产物的产量；2.代谢产物的控制：调控微生物代谢过程中的关键反应步骤，实现选择性产物的生成，并提高产量；3.溶氧的控制：调控发酵过程中的溶氧浓度，提高氧传递效率，防止氧的限制性产物的堆积；4.pH的控制：调控发酵过程中的pH值，维持合适的酸碱环境，促进微生物的生长和代谢；5.温度的控制：调控发酵过程中的温度，提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢。
3. 发酵过程控制的方法发酵过程控制主要采用以下几种方法：3.1 反馈控制反馈控制是一种基于对发酵过程变量的测量和反馈，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的反馈控制方法包括：•温度控制：通过测量发酵容器内的温度，控制加热或降温设备的输出，以维持适宜的温度；•pH控制：通过测量发酵液的pH值，控制酸碱调节器的输出，以维持适宜的酸碱环境；•溶氧控制：通过测量发酵液中的溶氧浓度，控制气体供应设备的输出，以维持适宜的溶氧浓度。
3.2 前馈控制前馈控制是一种基于对发酵过程中外部输入变量的预测，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的前馈控制方法包括：•溶氧前馈控制：根据发酵微生物对溶氧需求的特性，通过对气体供应设备输出的调节，提前调整溶氧浓度，以满足微生物的需求；•pH前馈控制：根据发酵产物对酸碱环境的敏感性，通过对酸碱调节器输出的调节，提前调整pH值，以维持合适的酸碱环境。
发酵过程的控制
温度提高，合成四环素的比例也提高，温度到达 35 ℃
时，金霉素的合成几乎停顿，只产生四环素。
4、温度还影响基质溶解度
在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解
吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。
五、最适温度的控制
1、根据菌种及生长阶段来选择 微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求
在发酵30h，一次性参加0.1%、0.2％、0.3％、0.4％的次黄嘌呤 对鸟苷产量的影响
第五节 菌体浓度与基质对发酵的影响
一、菌体浓度对发酵的影响 菌体浓度与菌体生长速率直接相关 菌体浓度的大小影响产物的得率 控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓
度
二、基质对发酵的影响及控制
1、碳源对发酵的影响及控制
容易实现自动控制 1、化学消泡机理 消泡剂外表张力低，使气泡膜局部的外表张力降低，
使得平衡受到破坏
2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类 〔1〕选用依据： ①外表活性剂 ②对气-液界面的散布系数必须足够大 ③无毒害性，且不影响发酵菌体； ④不干扰各种测量仪表的使用； ⑤在水中的溶解度较小 ⑥来源方便，本钱低
二、发酵热的测量及计算
发酵热的测定可采用以下几种方法：
①利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷 却水进出口温度，根据
Q发酵 = qvC〔t2 – t1〕/V；
qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg ℃；V为发酵液体积，m3
②利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度 随时间上升的速率，根据
异亮氨酸发酵
不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇 瓶发酵的影响，结果如下图。 “1〞表示只加CaC03 控制pH值，“2〞表示只加尿素控制，“3〞表示 CaC03和尿素联合控制pH值。
生物发酵过程中的控制策略
生物发酵过程中的控制策略生物发酵是一种特殊的化学过程，可以利用微生物代谢产生有用的产物。
这种过程可以用来生产酸、酒精、乳酸、酶、抗生素等。
然而，控制生物发酵过程是非常重要的，因为微生物有种种生长条件和代谢路径选择，必须用适当的控制策略才能达到良好的产量和质量。
下面本文将探讨关于生物发酵过程中的控制策略的几个关键方面。
1. 控制发酵物质的转变在生物发酵中，生物体内代谢反应产生的中间产物和代谢产物会相互影响，对发酵过程的产出、时间和质量等产生重要影响。
因此，在生物发酵过程中，必须掌握好反应条件，以使其达到理想的产出效果。
首先，要做到微生物菌群环境的控制，例如调节发酵器PH、温度等参数，保持一个理想的生长环境和代谢环境。
因此，选择合适的补料、减少氧气供应等。
同时，还应注意对发酵液的持续监测，了解每一时刻的发酵状态，及时修改发酵参数。
这一系列的控制措施旨在确保微生物体内的代谢产物在适宜的转化途径上进行转变，从而达到更高的产量和品质。
2. 控制细胞的生长和分裂在生物发酵过程中，发酵液中的微生物并不是一开始就处于快速增长的状态。
这是因为微生物需要适应环境，进行代谢调整和新基因的表达等过程。
在这个过程中，要注意调整发酵液环境，控制生长速率。
此外，还需防止微生物体积过多和细胞死亡过快等问题。
最后，要在适当的时候终止发酵反应，对细胞完成生长周期和生物代谢途径。
3. 控制气体输送生物发酵过程中，气体输送也是一个需注意控制的方面。
在空气或其他气体的供应中，氧气、二氧化碳、氮气等气体的流动性直接影响微生物代谢。
控制气体输送方式和速度，能够降低二氧化碳累积或氧气不足的情况，使微生物代谢通畅并确保良好地发酵效果。
此外，在输送气体的同时还要注意识别微生物产生的气体，学习和处理产生的微生物氣體处理和管理方式。
4.优化和选择合适的微生物结构生物体内代谢能力是产生发酵产品的关键，而微生物的菌株和菌群的选择能够对发酵产率造成重要影响。
发酵过程中控制杂菌的方法
发酵过程中控制杂菌的方法
1.设备与环境消毒：
-在发酵前，应对所有接触发酵物料的设备，如发酵罐、管道、过滤器、阀门等进行全面、彻底的清洁和消毒，可使用高温蒸汽灭菌、化学消毒剂浸泡等方式进行消毒处理。
2.培养基灭菌：
-制备的发酵培养基必须在严格的无菌条件下操作，通过高压蒸汽灭菌或其它适用方式彻底灭菌，确保无任何杂菌存在。
3.无菌操作技术：
-接种、转接、取样等操作应在无菌操作台上进行，操作人员需要穿戴无菌防护装备，遵循无菌操作规程，避免引入杂菌。
4.种子纯化：
-使用纯净、活性良好的种子进行接种，必要时对种子进行多次传代净化，剔除可能携带的杂菌。
5.温度与pH控制：
-发酵过程中适当调整和控制温度、pH值等参数，创造有利于目标菌株生长而不利于杂菌滋生的条件。
6.监控与检测：
-定期对发酵过程进行监测，包括pH值、溶解氧、浊度等指标的变化，及时发现异常。
并对发酵液进行微生物检测，一旦发现杂菌污染，立即采取相应措施。
7.添加抑菌剂：
-在某些情况下，可在发酵过程中添加适量的抑菌剂或抗生素来抑制杂菌生长，但这需要考虑对目标菌株的影响。
8.应急措施：
-若发现早期染菌，可通过降低培养温度、调整补料策略、补充杀菌剂或抗生素等手段尝试挽救；若中后期染菌且不影响产品质量，则可考虑提前终止发酵。
9.优化工艺流程：
-改进工艺流程，如采用一次性使用系统、密闭连续流发酵技术等，减少人为操作带来的污染风险。
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
发酵过程的参数检测和自动控制
1、物理参数检测
7〕发酵液粘度测定 毛细管粘度计 回转式粘度计 涡轮旋转粘度计
2、化学参数检测
1〕PH测量 复合PH电极 〔灭菌、稳定、流通、耐压〕 PH测量仪器
2、化学参数检测
2〕溶解氧的测量 溶氧电极法： 这是一种参量变换器：把溶氧浓度变成一 个与之呈线性关系的电流量,进行测量,这种溶 氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温,可以固定装在发 酵罐上,连续地测量培养液中溶氧浓度. 亚硫酸盐氧化法 取样极普法 排气法
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
本章知识结构
被控对象
传感器
1、基本的自 动控制系统
②反馈控制 溶解氧的串联 反馈控制
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； 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
1〕温度测量
感温元件：铂电阻〔精、稳但贵〕；
化〕；
铜电阻〔便宜、但需长、大,易氧
线形〕.
半导体〔精、小、简、耐腐蚀但非
二次仪表：温度,0—150℃,
1、物理参数检测
2〕热量测量〔属"微热量"〕
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进 出口温度〔影响因素较多Q散Q显Q搅,只能定性和估计〕
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 发酵过程控制
一、初级代谢的变化 二、次级代谢的变化 三、发酵过程的主要控制参数
初级代谢变化的根本原因在于菌体的代谢活 动引起环境的变化，而环境的变化又反过来影 响菌体的代谢。 在初级代谢中，菌体生长仍显示适应期、对 数生长期、静止期和衰亡期的特征。 由于菌体的生理状态与培养条件不同，各个 时期时间长短也不尽相同，且与接种微生物的 生理状态有关。
生物热的大小随培养时间的不同而不同。 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。
生物热的大小与菌体的呼吸强度有对应关系，呼 吸强度越大，所产生的生物热也越大。
在四环素发酵中，还发现 生物热和菌的呼吸强度的 变化有对应关系，特别是 在80小时以前。从此实验 中还可看到，当产生的生 物热达到高峰时，糖的利 用速度也最大。另外也有 人提出，可从菌体的耗氧 率来衡量生物热的大小。
• 蒸发热的计算： Q蒸发=G（I2-I1） G：空气流量，按干重计算，kg/h I1 、I2 ：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg （干空气）
• 辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐 体向外辐射的热量。
• 辐射热可通过罐内外的温差求得，一 般不超过发酵热的5%。
发酵热的测定
（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和 冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内 的发酵热。
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；
H+或OH-在细胞内改变了胞内原有的中性状 态，影响到酶蛋白的解离度和电荷情况，从而 改变酶的结构和功能。
•
影响微生物原生质膜所带电荷的状态。改变 细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸 收和代谢产物的排泄。
发酵工程第九章发酵过程控制
发酵工程第九章发酵过程控制发酵工程是一门应用生物学、微生物学、化学等知识与技术的交叉学科，通过对微生物在发酵过程中的代谢特点和运行规律的深入研究，从而探索在发酵生产过程中如何控制微生物的生长、代谢及产物的合成，以提高发酵产物的产量和质量。
发酵过程控制是发酵工程的核心内容，也是实现发酵过程优化的关键。
发酵过程控制主要包括微生物培养条件的优化、发酵参数的监控和调控等。
微生物培养条件的优化是指通过合理调控发酵基质、发酵条件和发酵设备等因素，为微生物提供适宜的生长和代谢环境，以达到提高产酶产物的目的。
其中，发酵基质的优化包括选用适宜的碳源、氮源、无机盐和微量元素等，以满足微生物的营养需求；发酵条件的优化包括控制培养温度、pH值、溶氧度、搅拌速度、通气量等，以提供适宜的生长环境；发酵设备的优化包括选择合适的发酵罐类型和规格，保证良好的混合效果和传质性能。
发酵参数的监控和调控是实现发酵过程可控性的重要手段。
其中，监控发酵参数主要通过测定和分析微生物生长曲线、代谢产物浓度、培养液的理化指标等来了解发酵过程的动态变化，并及时调整发酵条件；调控发酵参数主要通过采用在线控制与传感技术，实时监测并自动调节温度、pH 值、溶氧度、搅拌速度、通气量等关键参数，以实现发酵过程的自动化和精确控制。
发酵过程控制的目标是在保证微生物生长和代谢的基础上，提高发酵产物的产量和质量，实现发酵过程的高效、稳定和可控。
为此，需要通过对发酵过程的深入研究和优化设计，建立合理的发酵工艺和控制策略。
在发酵过程中，应用传统的经验法和现代的控制理论相结合，根据不同微生物和不同发酵产物的特点，制定相应的控制策略。
例如，对于需氧发酵的菌种，应充分考虑氧的供应情况，控制溶氧度在合适的范围内；对于需酸性环境的菌种，应合理调控pH值，维持在适宜的范围内；对于同时产生多种代谢产物的菌种，应选择合适的反馈控制方法，控制各种产物的生成量。
此外，还应考虑发酵过程的反应动力学和传输过程等因素对控制的影响。
生化工艺 第五章发酵过程及控制 第四节发酵过程检测和自控
第四节 发酵过程检测和自控
2．尾气分析 尾气分析能在线、即时反映生产菌的生长情况。通 风发酵尾气中pH的减少和CO2的增加是培养基中营养物质 好氧代谢的结果。这两种气体（CO2 、O2）的在线分析所 获得的耗氧率（ OUR）和CO2释放率（CER）是目前有效 的微生物代谢活性指示值。目前主要有红外CO2分析仪 (IR)、热导式气相色谱法（GC）、CO2电极法、质谱仪等。 IR和电极法较为常用。O2分析仪有顺磁氧分析仪、极谱 氧电极和质谱仪。
第四节 发酵过程检测和自控
3．发酵液成分分析 发酵液成分的分析对于认识和控制发酵过程也是十分 重要的。高效液相层析(HPLC)具有分辨率高、灵敏度好、 测量范围广、快速及系统特异性等优点。目前已成为实验 室分析的主导方法。但进行分析前必须选择适当的层析柱、 操作温度、溶剂系统、梯度等，而且样品要经过亚微米级 过滤处理。与适当的自动取样系统连接，HPLC可对发酵液 进行在线分析。
第四节 发酵过程检测和自控
由生物化学性质可得到呼吸活动及糖代谢等信息， 这对了解发酵的代谢途径是很重要的。通过计算机可确 定碳平衡的变化，运用寄存数据可得细胞产量。采用不 同的底物并将计算得到的细胞产率和有机能量产率加以 比较，可能反映出有机化合物的分解代谢机制。这些变 量之间的关系将有助于阐明发酵过程的主要代谢途径以 及发酵生产的效率。
第四节 发酵过程检测和自控
③最优控制 最优控制是指根据生产情况，随时改变某些参数给定 值，以达到生产过程的最优化控制。最优控制常用观察指 标：最高产量、最优质量、最佳经济效益等。最优化控制 时，根据生产过程的变化情况，改变其中某些参数给定值， 使产量达到最大。 使用计算机对发酵过程中的有关参数进行数据分析， 可深入了解发酵过程的物理、化学、生理和生化条件，指 导生产，调整操作参数，获取新的信息。否则这些条件或 者无从了解或者由于测定或计算费事、费时而只能在事后 才能加以测定。
发酵条件及过程控制资料
发酵条件及过程控制资料发酵是一种利用微生物代谢产生的酶来生产有机物的过程。
在发酵过程中，控制发酵条件和过程非常重要，这将直接影响到发酵产物的质量和产量。
以下是有关发酵条件及过程控制的资料。
一、发酵条件控制1.温度控制：不同的微生物对温度的需求有所不同，一般来说，适宜的温度可以提高发酵效率和发酵产物的质量。
常见的发酵温度范围为25-40摄氏度，需要根据具体的微生物进行调整。
2.pH值控制：微生物对pH值有不同的要求，有些微生物喜酸性环境，而有些则喜碱性环境。
根据不同的微生物和发酵产物的要求，调整发酵液的pH值，以保持适宜的生长和代谢环境。
3.氧气供应控制：有些微生物需要氧气来进行代谢活动，而有些则是厌氧微生物。
因此，在发酵过程中，需要根据微生物的特性来确定适宜的氧气供应方式，如空气曝气或搅拌曝气。
4.发酵液中的营养成分控制：发酵过程中，微生物需要适当的营养物质来进行生长和繁殖。
这些营养物质包括碳源、氮源、矿物盐等。
通过合理地调配和控制发酵液中的营养成分，可以提高微生物的生长速率和代谢效率。
二、发酵过程控制1.发酵菌种的筛选和培养：选择适合的发酵微生物菌种是保证发酵过程成功的关键。
有些菌种具有良好的发酵能力和产物选择性，而有些菌种则具有高生长速率和较高的产物产量。
通过对不同微生物菌种的筛选和培养，可以为发酵过程提供优质的起始菌群。
2.发酵容器和设备的选择：发酵容器的选择直接关系到发酵过程的高效性和安全性。
常见的发酵容器包括发酵罐、发酵塔、摇瓶等。
根据微生物的特性和发酵产物的需求，选择合适的发酵容器和设备，以提供良好的发酵环境和条件。
3.发酵条件的监测和控制：发酵过程中，需要对相关的物理化学参数进行监测和控制，以保持适宜的发酵条件。
常见的监测参数包括温度、pH 值、溶氧量、溶液浓度等。
通过合理地监测和控制这些参数，可以及时发现发酵过程中的异常情况，并及时采取措施进行调整和修正。
4.发酵产物的提取和纯化：发酵结束后，需要对发酵液中的产物进行提取和纯化。
发酵过程控制
引起发酵液pH值变化的常见因素 (1)下降 ①培养基中C/N不当，有机酸积累； ②消沫油加得过多； ③生理酸性物质过多； (2)上升 ①C/N比例不当，N过多，氨基氮释放； ②生理碱性物质过多； ③中间补料时碱性物参加量过大；
➢ 发酵液的pH值变化是菌体代谢反响的综合结果。
②利用温度变化率S〔℃/h〕：先使罐温恒定， 再关闭自控装置，测量S，根据
③热力学方法：
根据盖斯定律：“在恒压和横容条件下，一个反响 不管是一步完成或几步完成，其反响热是一样的〞。这 实际上是热力学第一定律的必然推论，因为焓〔H〕是 状态函数，过程的焓变与途径无关，只决定于过程的始 态和终态。发酵热可根据标准燃烧热或标准生成热来计 算。
2 影响pH值变化的因素
在发酵过程中，pH值的变化决定于所用的菌 种、培养基的成分和培养条件。在产生菌的代 谢过程中，菌体本身具有一定的调整周围环境 pH值，构建最适pH值的能力。
1〕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。
发酵过程的主要控制参数
⑴ pH值： 显示发酵过程中各种生化反响的综合 结果。
⑵ 温度：不同的菌种，不同产品，发酵不同阶 段所维持的温度亦不同。
⑶ 溶氧浓度〔DO值，简称溶氧〕：一般用绝对 含量(mg／L)来表示，有时也用在一样条件下 氧在培养液中饱和度的百分数(％)来表示。
⑷ 基质含量：定时测定糖(复原糖和总糖)、氮 (氨基氮或铵氮)等基质的浓度。
后期产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。
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。
发酵过程的控制
【例】： 在GA(谷氨酸)发酵的合成期，过量供氧会使NADPH（还原型辅酶Ⅱ）进入呼吸链被氧化，减少了其数量，而NADPH与α-KGA（α-酮戊二酸）的还原氨基化是相偶联的，必然会影响α-KGA →GA的合成。
要指出的是，需氧发酵并不是溶解氧越高越好，适宜的溶氧水平有利于菌体生长和产物形成。但溶氧太高，有时反而抑制产物的形成。即使是专性好气菌，过高的DO对生长也可能不利。因为过量的氧会形成新生态[O]、活性氧自由基 O2 ·和 OH· ，造成许多细胞组分破坏，反而不利于微生物的生长。 发酵过程需氧程度产生差异的原因是：微生物的代谢途径不同所引起的。由于不同代谢途径产生不同数量的还原型NAD(P)H，它再氧化所需要的溶氧量当然也不同。由此可知，供氧大小与产物的生物合成途径有关。
三、发酵过程氧的传质理论
（一）氧从气泡至细胞的传递过程
供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液相主体中。
耗氧：氧从液相主体通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内，才能被微生物利用。 以上氧传递的整个过程必须克服一系列的阻力。
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
O2
气膜
发酵罐的温度传感器、耐高温pH和溶氧传感器
好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，它们只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用。因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖、积累所需要的代谢产物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧。 溶氧(Dissolved Oxygen , DO)是需氧微生物生长所必需的。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是制约发酵进行的重要限制因素。
一、溶氧对发酵的影响 氧对微生物发酵的影响是多方面的，不同的菌、不同的发酵阶段对于氧的要求也不相同，氧对其的影响也不相同，表现如下： 1、影响菌系的酶活性 在微生物的代谢过程中，许多参与催化脱氢氧化反应的酶都是以NAD(P)为辅酶的，NAD(P)的数量是保证酶活力的基础。NAD(P)作为H的受体，脱氢后成为还原的NAD(P)H。NAD(P)H只有在有氧条件下才能通过呼吸链被氧化，生成氧化型NAD(P)后又重新参加脱氢反应，一旦发酵液中的氧的浓度不够，与NAD(P)相关的酶促反应就会停止。
第七章 发酵过程的控制
1、发酵温度
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 三．发酵过程中CO2的控制 • CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞的 呼吸强度、通气搅拌程度、设备规模、罐 压大小、温度等。通气搅拌程度越大，体 系中CO2浓度越低。 • 工业发酵中，CO2的影响远比溶解氧的影 响要小得多，因此，一般不单独进行控制。
5、基质浓度的影响及补料控 制
压力法
覆膜氧电极 法
极普法
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 一．二氧化碳对发酵过程的影响 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 淀等原因，造成间接作用而影响菌体生长 和产物合成。
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 二．呼吸商与发酵的关系 • 微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干 重)在单位时间内消耗氧的量，即呼吸商或 比耗氧速率(或呼吸强度)。单位体积培养液， 在单位时间内消耗的氧量称为摄氧率。 • Q氧气 = γ/ Cc 在菌体浓度一定的情况下，摄氧率越大， 呼吸商越大，发酵就越旺盛。
主要内容
由于发酵过程的复杂性，使得发酵过程的控制较为复杂， 目前生产中较常见的参数主要包括：温度、pH值、溶解氧、 空气流量、基质浓度、泡沫、搅拌速率、罐压、效价等。
9 发酵参数和发酵终点的监测与控制 10 发酵过程的计算机控制 设备及管道清洗与消毒的控制
第六章 发酵条件及过程控制
第六章发酵条件及过程控制发酵是一个非常复杂的生物化学变化过程。
受很多环境条件的影响，除了培养基等化学因素影响外，还要受pH、温度、氧气、泡沫及杂菌（及噬菌体）污染等物理和生物因素的影响，而这些因素的影响往往是相互联系，相互影响，同时也是动态的。
人们就是通过观察和控制这些工艺条件，从而控制和完成发酵过程。
第一节发酵过程中PH的变化与控制第二节发酵过程中温度的影响与控制第三节发酵过程中溶解氧的影响与控制第四节发酵过程中泡沫的形成与控制第五节发酵过程中中间补料第一节发酵过程中PH的变化与控制不同种类的微生物对pH的要求是不同的。
不同的发酵阶段往往最适的pH也不同。
在不同的pH 培养基中，其代谢产物往往也不完全相同，在生产中通过调节pH值范围，也可以达到抑制杂菌的生长。
pH值在发酵过程中是一个很敏感的因素，因此，要严格控制和调节。
一、pH对发酵过程的影响pH对发酵过程的影响主要表现在下面几个方面：1、pH值影响酶的活性2、pH值影响微生物细胞膜可带电荷的状况3、pH值影响培养基中某些营养物质的分解或微生物中间产物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用4、pH值可以改变培养基的氧化还原条件二、影响pH变化的因素1、菌种的特性2、培养基的配比3、发酵条件三、关于发酵过程中pH的调节在实际生产中，调节和控制发酵液pH值的方法应根据具体情况加以选择。
常用的方法：1、调节培养基的原始pH值；2、在发酵过程中加入弱酸或弱碱进行pH值的调节，从而合理地控制发酵条件；3、通过补料进行调节；4、通过加入碳酸钙进行调节（仅在用生理酸性铉盐做氮源时，现在用的不多。
）；5、通过流加氨水方法调节（既调节pH又提供氮源。
通常采用自动控制连续流加）；6、通过流加尿素调节pH值（有规律性可控制）。
味精厂普遍采用。
第二节发酵过程中温度的影响与控制温度是影响微生物生长和代谢活动的重要因素，严格保持菌种的生长繁殖和生物合成所需要的最适温度，对稳定发酵过程，缩短发酵周期，提高产量，有着重要的意义。
第五章发酵条件及过程控制
第五章发酵条件及过程控制发酵是利用微生物对有机物进行氧化还原反应的过程，广泛应用于食品、饮料、药品和化工等领域。
发酵条件及过程控制对于发酵生产的效果和产品质量至关重要。
本章将介绍发酵条件的选择和发酵过程的控制，以实现高效的发酵生产。
一、发酵条件选择发酵条件的选择主要涉及温度、pH值、酸碱度、氧气供应和营养物质等因素。
1.温度：温度是影响酵母和细菌生长的重要因素，一般酵母的最适生长温度在25-30℃，细菌的最适生长温度在37-42℃。
因此，在进行发酵生产时需要根据微生物的特性选择适宜的温度条件。
2.pH值：pH值是指溶液的酸碱程度，对微生物的生长和酶的活性有很大影响。
不同微生物对pH值的要求不同，例如，酵母菌发酵一般在pH值为4-6的酸性环境下进行，而乳酸菌则喜欢pH值在6-7之间的中性环境。
因此，在进行发酵生产时需要调整培养基的pH值，以满足微生物的要求。
3.酸碱度：发酵过程中，微生物对氢离子的产生和消耗会影响培养基的酸碱度，进而影响发酵过程的进行。
为了保持酸碱度的稳定，一般会添加酸碱缓冲物质，如磷酸盐、硫酸盐等。
4.氧气供应：氧气是微生物进行呼吸代谢的重要因素。
在发酵过程中，适量的氧气供应有助于微生物的生长和代谢产物的生成。
因此，在发酵生产中需要提供合适的氧气供应条件，如搅拌、增加曝气量等。
5.营养物质：发酵过程中，微生物需要充足的营养物质才能正常生长和进行代谢。
一般来说，微生物生长所需的基本营养物质包括水、碳源、氮源、无机盐和微量元素等。
其中，碳源和氮源是微生物生长的主要营养物质，不同微生物对碳源和氮源的需求也有所不同。
因此，在发酵生产中需要根据微生物的特性选择适当的营养物质。
二、发酵过程控制发酵过程控制是指根据发酵要求，对发酵过程中的各项参数进行实时监测和控制，以提高发酵生产的效果和产品质量。
1.pH值控制：pH值对于微生物的生长和酶的活性有很大影响，因此在发酵过程中需要对pH值进行控制。
微生物发酵的过程控制和调节
微生物发酵的过程控制和调节微生物发酵是一种以微生物为媒介，利用生物化学反应产生物质的过程。
它广泛应用于食品、药品、化工等各个领域。
在微生物发酵过程中，为了达到预期的发酵效果，需要对发酵过程进行控制和调节。
一、发酵过程的控制1.温度控制温度是微生物生长和代谢的重要因素，也是影响发酵速率和产物产量的主要因素之一。
一般来说，微生物在特定温度范围内可以快速生长并代谢，而在高于或低于该温度范围时，微生物的生长和代谢都会受到影响，从而影响了发酵效果。
因此，在发酵过程中，需要通过恒温水浴或恒温箱等方式对温度进行控制。
对于不同类型的微生物和发酵过程，合适的温度也不同。
例如，对于酵母发酵，一般在25℃左右；对于乳酸菌发酵，一般在35℃左右。
2. pH值控制pH值也是微生物生长和代谢的重要因素之一，是微生物生长和代谢活动所需的酶的作用条件之一。
不同微生物对pH值的要求不同，例如酵母最适宜的pH值范围为4.5-5.5，乳酸菌最适宜的pH值范围为6.0-6.5。
因此，在发酵过程中需要对pH值进行控制。
如果pH值过高或过低，会影响微生物的生长和代谢，进而影响到产物的产量。
一般采用添加脱氧化剂或碱、酸来进行pH值的调节。
3. 氧气供应控制氧气对微生物的代谢和生长也有影响。
有些微生物的代谢需要氧气，例如酵母发酵，而有些微生物的代谢是厌氧代谢，例如乳酸菌发酵。
因此，对于需要氧气的微生物发酵过程，需要确保氧气的充分供应，以维持微生物的生长和代谢。
二、发酵过程的调节1. 防止污染微生物发酵过程中，如果外部环境出现污染，将会影响微生物的生长和代谢。
因此，在发酵过程中需要实行无菌操作，防止细菌和其他杂质的污染。
常用的无菌操作方法有热消毒、化学消毒和紫外线消毒等。
2. 添加营养物质微生物需要特定的营养物质才能完成生长和代谢。
在发酵过程中，需要根据微生物类型和发酵需求添加适量的营养物质，以保证微生物的正常生长和代谢。
3. 发酵过程的监测和调节在发酵过程中，需要对发酵过程进行监测和调节，以达到预期的发酵效果。
发酵注意事项
发酵注意事项
1. 温度控制：发酵过程需要一定的温度，不同种类的发酵需要不同的温度。
通常温度在20-40摄氏度之间。
2. 环境卫生：发酵容器和工具应该保持清洁卫生，避免细菌和其他有害物质的污染。
3. 湿度控制：发酵过程中保持一定的湿度是非常重要的，以便微生物能够进行生长和繁殖。
4. 发酵时间：不同的食材和发酵方法对应着不同的发酵时间，需要根据具体情况进行掌握。
5. 搅拌与通气：搅拌可以促进食材中的养分均匀分布，而通气可以保持微生物进行呼吸和代谢所需的氧气。
6. 盖子松紧度：发酵容器的盖子松紧度应当适中，不要过紧或过松，以保持适度的通气条件。
7. 注意观察：发酵过程中需要经常观察食材的颜色、味道和气味的变化，以确保发酵正常进行。
8. 防止异物进入：要保持发酵容器和工具的干净，避免异物、尘土等物质的进入，以免影响发酵的质量。
9. 注意存储：发酵后的食品应当适当保存，防止发酵继续进行导致变质。
10. 安全注意：在处理发酵物时，要注意自身的卫生和安全，避免细菌感染或其他伤害。
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有效地控制发酵，使生产菌的代谢变化沿 着人们所需要的方向进行，从而使发酵生 产达到高质高产的目的。
一、微生物的发酵类型
按投料方式的不同分
按发酵与氧的关系分
按发酵过程中菌体生长与碳源消耗系的
第二阶段是产物合成阶段，产物合成速 率、菌体生长速率和基质消耗速率成正比， 且基本同步 柠檬酸发酵是此类型的典型代表
非生长偶联型发酵
表现为两个阶段：
在第一阶段，以菌体生长为主，菌体生长速率 和基质消耗速率基本同步且成正比，没有或只 有少量产物合成
在第二阶段，以产物合成为主，只有少量菌体 生长或不生长或负生长，少量的基质消耗
缺点 存在产物抑制和阻遏，产率低
补料分批发酵
在发酵过程中一次或多次补入含有一种 或多种营养成分的新鲜料液
具有更多的优越性，实际应用很广 补入的通常是对微生物生长和代谢有较
大影响的营养物质 有效地控制了菌体的浓度和粘度，提高
产量
补料分批培养的优缺点
优点 在这样一种系统中可以维持低的基质浓度， 避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料 控制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以 利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生 产工艺。
不同分
“注意3和4的差别”
按产品类别的不同分
1 按投料方式的不同分
分批发酵 补料分批发酵 连续发酵
分批发酵
一次性投入料液 不同代谢产物分批发酵的基本过程相同 其特点是微生物所处的环境在发酵过程中不断
地变化
分批培养的优缺点
优点 操作简单，周期短，染菌机会少， 生产过程和产品质量容易掌握
产物来自两用代谢途径，在基质消耗和菌体生 长后，菌体利用中间代谢反应来形成产物。
绝大多数的抗生素发酵、氨基酸发酵属于此类
两用代谢途径(amphibolic pathway)
虽然分解代谢和合成代谢基本上采取不 同的途径，但有许多代谢环节还是双方 都可共同利用的。这种可以公用的代谢 环节称为两用代谢途径。
3 按发酵过程中菌体生长与碳源消耗 及产物合成之间关系的不同分
生长偶联型发酵 部分生长偶联型发酵 非生长偶联型发酵
发酵过程反应速度的描述
X
S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质的消耗速度
基质的消耗比速\菌体生长比速\产物形成比速
单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌 体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反 应速度的常用概念。
本次课要求
掌握发酵控制的意义 理解并掌握生长偶联型发酵、部分
生长偶联型发酵、非生长偶联型发 酵的内涵 掌握发酵过程应控制的工艺参数 理解初级代谢产物发酵、次级代谢 产物发酵的代谢变化规律
为什么要对发酵过程进行控制呢？
发酵过程是非常复杂的动态生物化学反应 过程，为了使微生物细胞合成某一代谢产 物的生产能力得到充分的表达，就要研究 并控制发酵过程。
主要是通过脱氢酶和氧化酶进行 在发酵过程中要不断地向发酵液中通入无菌空
气 包括大多数的抗生素发酵、氨基酸发酵、酶制
剂发酵等
厌氧发酵
是由厌氧菌或兼性厌氧菌在无分子氧的条 件下进行的发酵过程
应隔绝空气使发酵在无分子氧的情况下进 行
在厌氧发酵中只有脱氢酶的作用，而无氧 化酶参与
包括乙醇发酵、丙酮发酵、丁醇发酵、乳 酸发酵、丁酸发酵等
缺点 菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种退 化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增加。
实际应用还较少
2 按发酵与氧的关系分
需氧发酵 厌氧发酵
需氧发酵
是由需氧菌在分子氧存在的条件下进行的发酵 过程
氧在微生物的需氧呼吸中作为最终的电子受体 需氧微生物有较完善的呼吸酶系统，呼吸作用
生长偶联型发酵
产物直接来源于产能的初级代谢 菌体生长、糖的分解代谢和产物形
成几乎是平行的 菌体生长型和产物形成期并不是分
开的 单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵属于
此型
部分生长偶联型发酵
产物也是来自能量代谢所用的基质 有两个阶段：
第一阶段为菌体生长阶段，生长速率与 基质消耗速率成正比，但无产物的合成
物理参数
压力
发酵过程中发酵罐所维持的压力
维持正压：可以防止外界空气中的杂菌侵入，以 保证纯种的培养。
罐压的高低还与氧和二氧化碳在培养液中的溶解 度有关。
罐压一般维持在表压0.02～0.05MPa
物理参数
参数：通过取样分析获得的有关发 酵的信息
鸟苷发酵过程曲线
工艺参数
物理参数 化学参数 生物参数
物理参数
温度 压力 搅拌转速 搅拌功率 空气流量 粘度
物理参数
温度
整个发酵过程或不同阶段所维持的温度。
温度的高低与酶反应速率、氧在培 养中的溶解度和传递速率、菌体生长速 率和产物合成速率有密切关系
第七章 发酵过程的控制
广药生科院 周林
本章主要内容
微生物发酵类型 发酵过程的工艺参数控制 发酵过程中的代谢变化 菌体浓度的影响及其控制 营养基质的影响及其控制 温度的影响及其控制 pH的影响及其控制 溶氧的影响及其控制 二氧化碳的影响及其控制 补料分批发酵 泡沫的影响及其控制 发酵终点的判断
缺点 由于没有物料取出，产物的积累最终导致 比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了 染菌机会
连续发酵
发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵 液，使发酵罐内的体积维持恒定。
达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限 制性基质浓度都是恒定的。
优点 控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周 期长，得到高的产量。
柠檬酸循环(citric acid cycle)可看作是 两用代谢途径的典型例证。
两用代谢途径的存在，使机体细胞的代 谢更增加了灵活性。
二、发酵过程的工艺参数控制
发酵控制是取得高产高质产品的必 要条件
发酵控制的先决条件是了解发酵进 行的情况，进而做出相应的调整， 使发酵过程有利于目的产物的积累 和产品质量的提高