发酵6项目六发酵过程控制

生物传感器测量原理
发酵工业用的传感器应满足的要求
1)传感器能经受高压蒸汽灭菌； 2)传感器及其二次仪表具有长期稳定性； 3)最好能在过程中随时校正； 4)探头材料不易老化，使用寿命长； 5)探头安装使用和维修方便； 6)解决探头敏感部位被物料(反应液)粘住、堵塞问题； 7)价格合理，便于推广应用。
参数名称
pH 基质浓度 溶解氧浓度 氧化还原电位 产物浓度 尾气氧浓度 尾气CO2浓度 菌体浓度 RNA、DNA含量 ATP、ADP、AMP NADH含量 摄氧率 呼吸强度 呼吸商 比生长速率
单位
g/ml ppm mV g/ml Pa % G(DCW)/ml Mg(DCW)/g Mg(DCW)/g Mg(DCW)/g gO2/L.h gO2/g菌.h
温度越高，酶促反应速度越快， 菌体增殖、产物合成的时间均可提前； 但是温度越高，酶越易失活，菌体易 衰老，整个发酵周期缩短，影响发酵 的最终产量。
从温度对发 酵液的性质 的影响方面
温度影响了发酵液的许多性质，包括营 养物质的电离状态、发酵液的粘度等。
以蔗糖为底物的黄源胶的发酵过程中，当 黄源胶的浓度达到24g/L后，由于黄源胶 的高粘度的性质，使得发酵液的温差可以 达到15℃以上，严重的影响了黄源胶产生 菌的代谢和生理活动。
生物传感器的特点
对被检测物质具有极好的选择性，噪音低。 操作简单，需用样品少，能直接完成测定。 经固定化处理后，可保持长期生物活性，传感器可经得住反复 使用。 能在短时间内完成测定。 不要求样品具有透明度。 主要缺点是寿命较短。
单元三 发酵过程中温度的的影响及变化
温度对发酵的影响 从酶促反应动力 学方面
而产物合成温度为32～34℃; 酵母在发酵前期或酒母培养阶段，要尽量使温度控制在28
～30℃之间，以防止酵母菌过早衰老、死亡，引起发酵不完 全。
目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、pH、 溶氧、基质浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体积%)等。 不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的O2和CO2含量 等。 参数测定方法有： –在线测定（传感器） –取样测定（离线测定）
传感器
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。 生物传感器：是利用酶、抗体、微生物等作为敏感材料， 将所感受的生物体信息转换成电信号进行检测的传感器。
发酵罐的容积(L)
3 10 30 50 200 500 10000 50000
搅拌转速范围 (r/min)
200～2000 200～1200 150～1000 100～800
50～400 50～300 25～200 25～160
不同大小的通用型发酵罐搅拌器转速范围
4、搅拌功率
指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率 （kW/m3） 通用式发酵罐的搅拌功率是选择电动机的依据
4、溶解氧（DO）浓度
氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终 电子受体，也是合成某些产物的基质。 利用DO浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反 映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。
了解产生菌对氧利用的规律 指示发酵的异常情况（？）
溶氧可作为发酵异常的指示？
发酵中污染好气性杂菌：发酵2～3小时时溶解氧迅速下降 污染噬菌体：菌液变稀，溶氧回升 操作故障或工艺错误引起的发酵异常
连续发酵
300
2.5 1.78 3.8 430
面包酵母连续发酵生产与用分批发酵生产相比，其 生产效率较高，而成本较低
单元二 发酵过程中的工艺参数
物理参数 化学参数 生物参数
物理参数
1、温度 指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。
2、压力 发酵过程中发酵罐维持的压力，这是罐压非常重要参数
目的：防止外来杂菌的污染（？） 控制发酵液的溶氧水平（？）
身就是底物消耗的过程，这必然导致转化率的降低
补料分批发酵
补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批 发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方式。
补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶制剂、核苷酸、 有机酸及高聚物等的生产。
1、优点
与分批培养方式比较
1、可以解除培养过程中的底物抑制、产物的反馈抑制 和葡萄糖的分解阻遏效应； 2、对于耗氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次 性投糖过多造成的细胞大量生长、耗氧过多以至通风 搅拌设备不能匹配的状况；在某种程度上可减少微生 物细胞的生成量、提高目的产物的转化率； 3、微生物细胞可以被控制在一系列连续的过渡态阶段 ，可用来控制细胞的质量；并可重复某个时期细胞培 养的过渡态，可用于理论研究。
它的大小可影响氧传递的阻力，也可反映相对菌体浓度。发酵液的表 观黏度与培养基的成分有关，如含有多糖类物质时，非常粘稠。而且与菌 体的浓度也有关系。特别是霉菌和放线菌培养，由于大量的菌丝体，使培 养液十分稠厚。
通常用表观黏度表示表观黏度通常用毛细管粘度计测定。
生产上的简便测定方法 用一根长0.5cm，直径0.8cm的玻璃管，吸取一定量的发
菌丝浓度的测定方法 湿重法 干重法 体积法
3、菌体比生长速率 • 发酵动力学中的一个重要参数 4、氧比消耗速率 • 又叫呼吸强度，表示微生物的相对需氧量。 5、糖比消耗速率 6、氮比消耗速率
发酵过程参数监测方法
物理参数
参数名称
温度 罐压 空气流量 搅拌转速 搅拌功率 粘度 浊度 泡沫 体积氧传质系数KLa
通入发酵罐中的无菌空气的流量常用转子流量计测定。流量计中浮动转 子的位置可以通过电容或电阻原理转换为电信号，经过放大之后启动控制 器便可实现气体流量控制自动化。
6、黏度（Pa . s） 黏度代表流体流动时内摩擦阻力的大小。黏度大小可以作为细胞生
长或细胞形态的一项标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况。
1/h
测试方法
传感器 取样 传感器 传感器 取样 传感器 传感器 取样 取样 取样 取样 间接计算 间接计算 间接计算 间接计算
化学、生物参数
意义、主要作用
了解生长和产物合成 了解生长和产物合成 反映氧供需情况 反映菌的代谢情况 产物合成情况 了解耗氧情况 了解菌的呼吸情况 了解生长情况 了解生长情况 了解能量代谢活力 了解菌的合成能力 了解耗氧速率 了解比耗氧速率 了解菌的代谢途径 了解生长
酵液，用秒表记录其流出速度。 测定时要注意温度与罐温相同。
化学参数
1、基质浓度：发酵过程中糖、氮、磷等营养物质的含量是反 映产生菌代谢变化的重要参数控制这些物质的供给和消耗是 提高产量的重要手段。
2、产物浓度：是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参 数，也是决定发酵周期长短的根据。
3、pH
发酵过程中各种生化反应的酸碱性的综合反映 酵母菌在酸性条件下产生乙醇，在碱性条件下发酵产物是甘 油
酶传感器 微生物传感器 免疫传感器 细胞传感器 组织传感器 生物电子传感器
生物传感器的种类
生物传感器的结构和原理
生物传感器的结构一般是在基础传感器(电化学装置）上再耦合 一个生物敏感膜（称为感受器或敏感元件） 生物敏感膜紧贴在探头表面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔 开。当待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于敏感物质时， 形成复合体，随之进行生化和电化学反应，产生普通电化学装置 能感知的O2、H2、 NH4+、CO2等，并通过电化学装置转换 为电信号。
优点：能维持低基质浓 度；可以提高设备利用 率和单位时间的产量； 便于自动控制
缺点：菌种发生变异的 可能性较大；要求严格 的无菌条件
面包酵母的生产
168h最大产量(吨) 7天生产酵母(吨/1000加
仑) 平均每h生产酵母(吨)
每吨酵母耗工时 每吨酵母耗电(度/吨)
分批发 酵
225
1.5 1.34 7.0 500
确定罐内溶解氧等重要参数的主要指标，它的大小与溶氧传递系数KLa有关
搅拌是以下述方式促进氧的传递：搅拌能把大的空气气泡打成微小气 泡，增加了接触面积，而且小气泡的上升的速度要比大气泡慢，因此接触 时间也增长。
5、空气流(V/V.min)
指每min内每单位体积发酵液通入空气的体积，也叫通风比。 它是需氧发酵中重要的控ຫໍສະໝຸດ Baidu参数之一。 它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。 一般控制在0.5～1.0vvm之间
项目六 发酵过程控制
单元一 微生物发酵方式 （1）分批发酵 （2）补料分批发酵 （3）连续发酵
分批式发酵法
又称分批培养，在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方 式，即是以微生物的一个生长周期为一个生产周期，包括设 备的灭菌、种子培养、发酵操作。 目前微生物培养的最基本的方式。 发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。
与连续培养方式比较
1、不需要严格的无菌条件； 2、不会产生微生物菌种的老 化和变异； 3、最终产物浓度较高，有利 于产物的分离； 4、使用范围广。
2、缺点
缺点：存在一定的非生产时间；和分批发酵比，中途要流加 新鲜培养基，增加了染菌的危险。
连续发酵
连续发酵又称连续培养，培养基料液连续输入发酵罐，并同 时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持 恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产 物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下 生长的发酵方式。
温度对菌体 代谢调节机 制的影响
表现在影响生物合成的方向、速率和产物质量。 四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。 在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。 当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达
35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。
分段控制理论
最适生长温度与最适发酵温度往往有差异的 谷氨酸发酵，谷氨酸产生菌的最适合生长温度为：30℃，
生物参数
1、菌丝形态 菌丝形态的改变是代谢变化的反映。 庆大霉素发酵，每8小时取样一次，镜下观察菌丝形态及 其他参数。 抗生素发酵过程中，若感染了噬菌体，菌丝自溶使培养液 稀化。
2、菌丝浓度 单位体积培养液中的菌丝数量。 观察分析和控制产生菌生长变化的重要参数。 判断放罐的重要指标，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。
空气过滤器 灭菌的培养基储存器
空气出口
pH控制器 酸储存器
加料和出料泵
样品
空气过滤器 流量计
磁搅棒 图10-6 典型的实验室连续培养系统示意图
压缩空气
1、特点
发酵工业中常见的分批发酵方法是采用单罐深层分批发酵法。 每一个分批发酵过程都经历灭菌、接种、生长繁殖、菌体衰 老进而结束发酵，最终提取出产物。 微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和 生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。
主要目的：罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入， 保证纯种培养。 罐压的高低与氧，CO2在培养液中的溶解度有关，间接影响 菌体代谢。 罐压一般维持在表压0.02～0.05MPa (0.2～0.5大气压)。 测定：一个简单的膜式压力表的指示即可。
3、搅拌转速（r/min）
是指搅拌器在发酵罐中转动速 度，通常以每min的转数来表 示。 搅拌转速大小与发酵液的均匀 性和氧在发酵液中的传递速率 有关。 发酵罐的搅拌器的转速，依罐 的大小而异。小罐的搅拌器转 速要比大罐的快些。
2、优缺点
优点：发酵过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱 外，不再加入任何其它物质，操作简单。微生物培养可靠、 安全，操作引起染菌的概率低，不会产生菌种老化和变异等 问题。微生物发酵过程中，微生物的各个阶段的生理、代谢 特征不同，易于控制。
缺点：非生产时间较长、设备利用率低。每次发酵重复进行 既是一种时间的浪费，又是原材料和能量和浪费。底物利用 率低，分批发酵都存在一个微生物自身的增殖过程，增殖本
单位
ºC Pa V/V.min R/min KW Pa.s 透光度
l/h
测试方法
传感器 压力表 传感器 传感器 传感器 粘度计 传感器 传感器 间接计算；
在线
意义、主要作用
维持生长、合成 维持正压、增加溶氧 供氧、排泄废气、提高KLa 物料混合、提高KLa 反映搅拌情况、KLa 反映菌的生长、KLa 反映菌的生长情况 反映发酵代谢情况 反映供氧效率