发酵过程检测与控制-第三章化学参数检测与控制3
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发酵过程的参数检测
5气相氧浓度测定
• （1）磁氧分析仪 • （2）极谱氧电极法 • （3）质谱分析仪
8.1.2 化学参数检测
6 菌浓度的测量
微生物在生命活动中总是伴随着增殖和增长。有关菌量 的测量方法很多。 离线取样分析： 称重法； 细胞蛋白质测定法； 核酸测定法； 平板计数法。 在线连续菌量测量方法： 浊度法； 荧光测量法； 电容测定法； 排气分析法等。
8.1发酵过程的参数检测
8.1发酵过程的参数检测
8.1.1 物理参数检测
1.温度测量 1）感温元件： 液体温度计 热电偶 热电阻 2）二次仪表 信号放大、显示和记录： 模拟值 数字值
8.1.1 物理参数检测
2.热量测量 测量方法： 恒温法； 绝热量热法； 热流量热 流通式量热计 动态量热法 补偿法连续测量法
8.1.1 物理参数检测
3.搅拌转速和搅拌功率的测量 1)搅拌转速 搅拌转速的检测一般应用磁感应式、光感应式或测 速发电机来实现。 磁感应式和光感应式检测器是通过计测脉冲数来测 量转速。安装在搅拌轴或电动机轴上的切片切割磁场或 光速而产生脉冲电信号，一定时间间隔内的脉冲频率反 应了搅拌转速的大小。 测速发电机是安装在搅拌轴或电动机轴上的小型发 电机，它的输出电压与转速之间有良好的线形对应关系。 大型发酵罐可以采用变频控制器来调节交流电动机 的转速，也可以采用直流电动机进行调速。小型机械搅 拌式发酵罐的搅拌转速都是可调的。
8.1.1 物理参数检测
5. 罐压测量 发酵过程中维持一定的正压，是防止杂菌污染的重 要措施。 压力信号转换器很多，如电阻式、电感式、电容式 和半导体式等。
8.1.1 物理参数检测
6.料液计量测量 压差法 称重器法 流量计法 液位探针
8.1.1 物理参数检测
发酵过程检测与控制-第三章化学参数检测与控制5
⚫葡萄糖、蔗糖等 ⚫迅速参与代谢、合成菌体和产生能量，并产 生分解产物，有利于菌体生长，但有的分解代 谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用；
⚫多数为聚合物，淀粉等 ⚫为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成， 特别有利于延长抗生素的分泌期，也有许多微生 物药物的发酵所采用。
在工业上，发酵培养基中常采用含迅速和缓 慢利用的混合碳源。
• 补加无机氮源：氨水或硫酸铵
氨水：既可作为无机氮源，又可调节pH值。在抗 生素发酵工业中，通氨是提高发酵产量的有效措 施，如与其他条件相配合，有的抗生素的发酵单 位可提高50％左右。
硫酸铵：生理酸性，当pH值偏高而又需补氮时补 加，以达到提高氮含量和调节pH值的双重目的。
根据发酵控制的要求选择其他无机氮源。
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；
链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。
• 补加有机氮源 酵母粉、玉米浆、尿素等。
如：土霉素发酵，补加酵母粉可提高发酵单位；
青霉素发酵，后期出现糖利用缓慢、菌浓变 稀、pH值下降的现象，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。
发酵过程检测与控制
天津科技大学 郭学武
第三章 化学参数的检测与控制
3.1 溶氧浓度 3.2 溶氧系数的测定方法 3.3 pH与氧化还原电位 3.4 二氧化碳与呼吸商 3.5 基质浓度与补料控制
3.5 菌体浓度、基质浓度与补料
3.5.1 菌体浓度对发酵的影响及其控制
菌体浓度简称菌浓（cell concentration）是指单位 体积培养液中菌体的含量。
常温下，淀粉溶液、稀糖水、浓糖水，微生物在哪种液 体中生长最好？为什么？
发酵学发酵过程的检测与自控课件
详细描述
在发酵过程中，微生物起着至关重要的作用。不同种类的微生物具有不同的代谢 特性和发酵产物，如乳酸菌可以产生乳酸，酵母菌可以产生酒精和二氧化碳等。 了解和掌握微生物的特性是实现发酵过程优化和控制的关键。
发酵过程的基本原理
总结词
发酵过程的基本原理包括微生物的代谢过程、酶的作用机制以及发酵产物的形成机制等。 了解和掌握这些基本原理有助于更好地理解发酵过程，并实现发酵过程的优化和控制。
详细描述
在发酵过程中，温度的变化会影响酶的活性、 细胞生长和产物合成。通过自动控制系统， 可以实时监测发酵罐内的温度，并根据需要 调整温度，以获得最佳的发酵效果。常用的 温度控制方法包括冷却水控制和加热棒控制。
pH值控制
总结词
pH值是影响发酵过程的关键参数，控制pH 值可以维持微生物生长的最佳环境。
要点二
详细描述
代谢产物检测是发酵过程检测中的核心环节，通过实时监 测发酵液中的代谢产物浓度，可以了解菌种的代谢活动和 产物形成情况。同时，通过控制代谢产物浓度，可以调节 菌种的生长和代谢，提高发酵效率和产品质量。
03
发酵过程的自动控制技术
温度控制
总结词
温度是影响发酵过程的重要因素，控制温度 可以确保微生物的正常生长和代谢。
发酵学发酵过程的检测与自 控课件
contents
目录
• 发酵学基础知识 • 发酵过程的检测技术 • 发酵过程的自动控制技术 • 发酵过程的优化与放大 • 发酵过程的计算机模拟与仿真 • 发酵过程的安全与环保
01
发酵学基础知识
发酵的定义与类型
总结词
发酵是一种生物化学过程，通过微生物或酶的作用将有机物质转化为细胞物质 或代谢产物。根据发酵产物的不同，发酵可以分为酒精发酵、乳酸发酵、丙酮 丁醇发酵等类型。
在发酵过程中，微生物起着至关重要的作用。不同种类的微生物具有不同的代谢 特性和发酵产物，如乳酸菌可以产生乳酸，酵母菌可以产生酒精和二氧化碳等。 了解和掌握微生物的特性是实现发酵过程优化和控制的关键。
发酵过程的基本原理
总结词
发酵过程的基本原理包括微生物的代谢过程、酶的作用机制以及发酵产物的形成机制等。 了解和掌握这些基本原理有助于更好地理解发酵过程，并实现发酵过程的优化和控制。
详细描述
在发酵过程中，温度的变化会影响酶的活性、 细胞生长和产物合成。通过自动控制系统， 可以实时监测发酵罐内的温度，并根据需要 调整温度，以获得最佳的发酵效果。常用的 温度控制方法包括冷却水控制和加热棒控制。
pH值控制
总结词
pH值是影响发酵过程的关键参数，控制pH 值可以维持微生物生长的最佳环境。
要点二
详细描述
代谢产物检测是发酵过程检测中的核心环节，通过实时监 测发酵液中的代谢产物浓度，可以了解菌种的代谢活动和 产物形成情况。同时，通过控制代谢产物浓度，可以调节 菌种的生长和代谢，提高发酵效率和产品质量。
03
发酵过程的自动控制技术
温度控制
总结词
温度是影响发酵过程的重要因素，控制温度 可以确保微生物的正常生长和代谢。
发酵学发酵过程的检测与自 控课件
contents
目录
• 发酵学基础知识 • 发酵过程的检测技术 • 发酵过程的自动控制技术 • 发酵过程的优化与放大 • 发酵过程的计算机模拟与仿真 • 发酵过程的安全与环保
01
发酵学基础知识
发酵的定义与类型
总结词
发酵是一种生物化学过程，通过微生物或酶的作用将有机物质转化为细胞物质 或代谢产物。根据发酵产物的不同，发酵可以分为酒精发酵、乳酸发酵、丙酮 丁醇发酵等类型。
发酵过程中工艺参数的检测和控制
发酵过程中工艺参数的检测和控制引言发酵是许多生物过程中的重要步骤，广泛应用于食品工业、制药工业以及生物燃料生产等领域。
在发酵过程中，工艺参数的检测和控制对于保证产品质量和提高生产效率起着关键作用。
本文将介绍发酵过程中常见的工艺参数，以及如何通过检测和控制这些参数来优化发酵过程。
1. 温度的检测和控制温度是发酵过程中最基本也是最重要的工艺参数之一。
不同的微生物对温度的要求不同，因此在发酵过程中，需要准确地检测和控制温度以满足微生物的生长和代谢需求。
1.1 温度的检测方法常用的温度检测方法包括使用温度计、红外线测温仪以及温度传感器等。
温度计适用于小规模的发酵过程，能够直接测量液体中的温度。
红外线测温仪可以通过测量光谱的方式非接触地测量物体表面的温度，适用于大规模发酵过程中的温度检测。
温度传感器可以安装在发酵罐内，通过测量发酵液的温度来得到准确的温度数据。
1.2 温度的控制方法温度的控制可以通过调节加热或冷却系统来实现。
在小规模的发酵过程中，可以使用加热器和冷却器来控制温度。
温度传感器监测到的温度与设定的目标温度进行比较，然后通过调节加热器或冷却器的电流或气流来调整温度。
在大规模发酵过程中，还可以使用冷却水循环系统或蒸汽加热系统来控制温度。
2. pH值的检测和控制pH值是指溶液酸碱程度的指标，对于许多微生物的生长和代谢过程也起着重要作用。
在发酵过程中，pH值的检测和控制对于调节微生物的生长环境、抑制有害菌的生长以及促进产品产生等方面起着重要作用。
2.1 pH值的检测方法常用的pH值检测方法包括使用酸碱度试纸、玻璃电极pH计以及电化学传感器等。
酸碱度试纸是一种简单易用的检测方法，通过试纸的颜色变化来判断溶液的pH值范围。
玻璃电极pH计可以直接测量溶液的pH值，并给出精确的数值结果。
电化学传感器也可以被用于连续监测pH值的变化。
2.2 pH值的控制方法pH值的控制可以通过添加酸或碱来实现。
根据pH值的变化情况，通过自动控制系统来准确地调节加酸或加碱的量。
发酵过程的检测与自控
四、发酵过程检测的可靠性
（二）分析数据的确认
（1）校准：传感器和分析仪在使用一段时间后应 当进行校准。
（2）数据解析：利用相关变量的检测数据进行解 析，确认某些传感器的可靠性。
（3）噪声分析：所有传感器和分析仪都不可避免 地会出现一些噪声。噪声突然或缓慢消失，有 可能是出现故障的信号。
第二部分 发酵过程变量 的间接估计
一、与基质消耗有关变量的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计
(二)基质消耗总量
二、与呼吸有关变量的估计
(一)CO2释放率
二、与呼吸有关变量的估计
(二)氧消耗率
二、与呼吸有关变量的估计
(三)呼吸商 CO2释放率与氧消耗 率之商叫做呼吸商。
三、与传质有关变量的估计 氧消耗率
(一)液相体积氧传递系数
发酵过程中的氧传递量与氧消耗量达到平衡时
用于生物传感器的生物材料包括固定化酶、微生物、抗 原抗体、生物体组织或器官等。
用于产生二次响应的转换元件包括电化学电极、热敏电 阻、离子敏感场效应管、光纤和压电晶体等。
10. 生物传感器
酶电极即酶传感器，主要由固定化酶膜与相 应的各类电化学元件构成。
酶膜
测定对象
电流
酶需经过固 定化处理。 电势 所用酶可以 是一种酶或 复合酶，或 是酶和辅酶 系统。
相关。 （5）浊度：光密度（OD）与细胞浓度成线性关系。
三、发酵过程其他重要检测技术
（一）生物量分析 （6）过滤探头：发酵液的过
滤特性和细胞浓度及形态相 关。
过滤探头可自动测定 达到预先设定的滤饼体 积Vc和所获得的滤液体 积Vf及所需的过滤时间 tf，并由此估算出细胞 浓度。
三、发酵过程其他重要检测技术
三、发酵过程其他重要检测技术
发酵过程中工艺参数的检测和控制课件
在线分析仪
通过分析发酵液体的成分，间接 评估泡沫对发酵过程的影响。
泡沫控制的方法和策略
物理方法
通过调节搅拌速度、通气量、 温度等物理参数，控制泡沫产生。
化学方法
添加消泡剂或表面活性剂，降 低泡沫的稳定性，使其破裂或 减少。
工艺参数优化
通过优化培养基配方、接种量、 发酵温度等工艺参数，减少泡 沫产生。
发酵过程的原理和步骤
总结词
发酵过程通常包括菌种选择、种子扩大培养、发酵罐接种、发酵过程控制和产物提取等步骤。其原理是利用微生 物的代谢活动，将底物转化为产物。
详细描述
在发酵过程中，首先需要选择适合的菌种，并进行种子扩大培养，使菌种数量达到一定规模。然后，将种子接种 到发酵罐中，在适宜的条件下进行发酵。发酵过程中，需要控制温度、pH、溶氧等参数，以确保微生物的正常 代谢活动。最后，通过提取和分离等方法，获得所需的产物。
总结词
发酵是一种生物化学过程，通过微生物或酶的作用将有机物 质转化为更简单的物质或产生新的物质。根据发酵产物的不 同，可以分为酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵等类型。
详细描述
发酵是一种古老的生物化学过程，广泛应用于食品、饮料、 化工、制药等领域。通过发酵，人们可以将有机物质转化为 酒精、乳酸、醋酸等物质，也可以产生新的物质，如抗生素、 酶等。
溶氧浓度过高则可能导致微生物 死亡或产生副产物。
因此，对溶氧浓度的检测和控制 是实现高效、稳定发酵的关键。
溶氧浓度检测的方法和设备
01
02
03
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溶氧浓度的检测方法包括电极 法、荧光法、光纤传感器法等。
电极法是最常用的方法，通过 测量溶解氧通过电解膜时的电
流来计算溶氧浓度。
荧光法利用荧光物质与溶解氧 的相互作用产生荧光，通过测 量荧光强度来计算溶氧浓度。
发酵过程参数检测与控制
紧力有关； p：压力。
2.1.4、电阻应变片
金属导体的电阻会随着它所承受的机械变形 （导致其长度、截面积和电阻系数的相应变化） 而发生变化，这称为金属的电阻应变效应。这 就是电阻应变片工作的物理基础。
2.2、液位和泡沫液位测量
在生化反应前期，微生物生长旺盛。加 入料液满载，搅拌马达全速开动，空气通入 量达到最大。这时候，反应液上浮很厉害， 稍有不慎，就可能会产生“逃液”现象。此 时，必须及时加入消泡剂，以减少泡沫，防 止反应物上浮。
（四）：产品相关参数
1. 蛋白质浓度 2. 蛋白质纯度 3. 杂质含量
1.2、参数测量的分类
1、就地（在位）测量，in-place、in-situ 指测量系统中的传感器直接与培养体系
接触，给出连续和快速响应的信号，测量信 号系统对过程没有发生影响，例如T、pH、 溶解氧浓度和罐压测量。
2、在线测量，on-line
1. 可靠性 2. 灵敏性 3. 精度 4. 可更换性 5. 易清洗 6. 耐高温消毒 7. 材质无毒 8. 与设备连接的密封性
第二章、过程工程参数的测量
2.1、压力测量
生化反应器操作压力的变化，将会引起氧在反 应液中的分压改变，也就是说影响着溶解氧浓 度的变化；
同时，压力对溶解二氧化碳浓度的影响更大， 而高的溶解二氧化碳浓度可能会对细胞产生毒 性，抑制细胞的生长和目标产物的表达。
这种流量计由节流元件（截流装置）、引压导 管、压差计3部分组成。
节流元件将被测介质的流量变换成差压 信号，经引压导管的传递，进入差压计进 行显示。所谓节流装置就是在管道中放置 一个局部收缩元件，并配以取压装置。最 常用的节流装置是孔板，其次是喷嘴、文 丘里管。
在水平管道中垂直 安装一块孔板，假设 充满整个管道的流体 在管道截面I前以一定 的流速v1平行连续地 流动，其静压力为p1。
2.1.4、电阻应变片
金属导体的电阻会随着它所承受的机械变形 （导致其长度、截面积和电阻系数的相应变化） 而发生变化，这称为金属的电阻应变效应。这 就是电阻应变片工作的物理基础。
2.2、液位和泡沫液位测量
在生化反应前期，微生物生长旺盛。加 入料液满载，搅拌马达全速开动，空气通入 量达到最大。这时候，反应液上浮很厉害， 稍有不慎，就可能会产生“逃液”现象。此 时，必须及时加入消泡剂，以减少泡沫，防 止反应物上浮。
（四）：产品相关参数
1. 蛋白质浓度 2. 蛋白质纯度 3. 杂质含量
1.2、参数测量的分类
1、就地（在位）测量，in-place、in-situ 指测量系统中的传感器直接与培养体系
接触，给出连续和快速响应的信号，测量信 号系统对过程没有发生影响，例如T、pH、 溶解氧浓度和罐压测量。
2、在线测量，on-line
1. 可靠性 2. 灵敏性 3. 精度 4. 可更换性 5. 易清洗 6. 耐高温消毒 7. 材质无毒 8. 与设备连接的密封性
第二章、过程工程参数的测量
2.1、压力测量
生化反应器操作压力的变化，将会引起氧在反 应液中的分压改变，也就是说影响着溶解氧浓 度的变化；
同时，压力对溶解二氧化碳浓度的影响更大， 而高的溶解二氧化碳浓度可能会对细胞产生毒 性，抑制细胞的生长和目标产物的表达。
这种流量计由节流元件（截流装置）、引压导 管、压差计3部分组成。
节流元件将被测介质的流量变换成差压 信号，经引压导管的传递，进入差压计进 行显示。所谓节流装置就是在管道中放置 一个局部收缩元件，并配以取压装置。最 常用的节流装置是孔板，其次是喷嘴、文 丘里管。
在水平管道中垂直 安装一块孔板，假设 充满整个管道的流体 在管道截面I前以一定 的流速v1平行连续地 流动，其静压力为p1。
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。
第三章_发酵过程参数的检测及控制
（三）发酵染菌的防止
１. 种子带菌的原因及防止
• 带菌的原因
– 无菌室的无菌条件不符合要求、培养基灭菌 不彻底、操作不当。
• 种子带菌的防止
– 保持卫生 – 规范操作
２. 发酵设备、管件的渗漏与配置
• 设备和管件的微小漏孔。
• 试漏方法
– 气压试验
– 水压试验
阀门试漏的方法
３. 发酵罐与管件的死角
M
进行调整
1、发酵过程中pH的变化
生长阶段
生成阶段
自溶阶段
2、引起pH下降的因素
碳源过量 消泡油添加过量 生理酸性物质的存在
3、引起pH上升的因素
氮源过多
生理碱性物质的存在 中间补料，碱性物质添加过多
4、 pH的控制
调节基础培养基的配方
调节碳氮比（C/N）
• 糖的测定
• 斐林试剂法 • DNS法
• 苯酚硫酸法
• 氨氮的测定
• 凯氏定氮法 • 格利氏法
思考题
• 以上参数哪些是物理参数？哪些是化学参数？哪
些是生物参数？ • 以上参数哪些是直接参数？哪些是间接参数？ • 以上参数哪些是在线检测参数？哪些是离线检测 参数？
• 发酵工业中哪些参数的测定频率最高？
搅拌轴密封泄漏 泡沫冒顶
夹套穿孔
2.09 0.48
12.36
其他设备漏 操作问题
原因不明
10.13 10.15
24.91
（２）国内一制药厂发酵染菌原因的分析
染菌原因 外界带入杂菌（取样、补料带入） 设备穿孔 空气系统带菌 停电罐压跌零 接种 蒸汽压力不够或蒸汽量不足 管理问题 操作违反规程 种子带菌 百分率，% 8.20 7.60 26.00 1.60 11.00 0.60 7.09 1.60 0.60
3化学参数检测与控制
3.1.1 溶解氧对发酵的影响
3.1.1.1 溶氧浓度对微生物生长的影响
• 微生物的比生长速率与氧浓度的关系：
' max
c Ko c
μ́max— 氧浓度足够时的最大比生长速率（1/h） c — 溶氧浓度（kmol/m3） KO — 氧饱和常数（kmol/m3）
μ（1/h）
' max
高氧抑制
3.1 溶氧浓度
◆ 难溶：25°C、一个大气压，空气中的O2在纯水 中的溶解度仅0.25mol/m3。发酵液中含有各种成分， 其溶解度更低。 ◆ 对于菌体浓度为1015个/ml的发酵液，假定每个菌体的 体积为10-16 m3，细胞的呼吸强度为2.6×10-3 molO2/(kg· s)， 菌体密度为1000 kg/m3，含水量80%，则每立方米培养液的 需氧量为： 10-16×1015×1000×0.2 × 2.6×10-3 =0.052 molO2/(m3· s) ◆ 0.25 ÷ 0.052 = 4.8 (s) 培养液中的溶解氧最多可用4.8秒，因此必须连续通气。
发酵 头孢菌素C 卷须霉素 菌体生长Ccrit （gO2/m3 ） 0.4 1.0~2.0 产物形成Ccrit （gO2/m3 ） 0.8~1.6 0.6
（3）某些发酵产物形成有一个最适的溶氧浓度
卷须霉素合成（%对照）
120 100 80 60 40 20 饱和氧浓度10% 饱和氧浓度45%
饱和氧浓度0%
对于好氧发酵来说，溶解氧通常既是营养因素 ，又是环境因素。特别是对于具有一定氧化还 原性质的代谢产物的生产来说，DO值的改变势 必会影响到菌株培养体系的氧化还原电位，同 时也会对细胞生长和产物的形成产生影响。需 氧微生物酶的活性对氧有着很强的依赖性。DO 值的高低还会改变微生物代谢途径，以致改变 发酵环境甚至使目标产物发生偏离。研究表明 ，L-异亮氨酸的代谢流量与溶氧浓度有密切关 系，可以通过控制不同时期的溶氧来改变发酵 过程中的代谢流分布，从而改变异亮氨酸等氨 基酸合成的代谢流量。
3化学参数检测与控制(5)
（1）
式中：H为亨利常数，与空所总压无关，即kLa与kGa之 间的换算与P无关。
又
kd(p)6101 03kGa
（2）
即：kGa与kd（p）之间的换算与P无关
而
kd(P)61010 3P pkGa
（3）
式中：p/P为氧分子在空气中所占分数，p/P=0.21
则
kd(P)610 1 030.2k1Ga
并说明其理由。
15. 基质氧化还原性与RQ值如关系。 16. 简述发酵生产中RQ值的一般规律。 17. 举例说明补料控制发酵过程的原理。
谢谢大家！
亦与空气总压无关
（4）
由此可见，kLa与kGa之间的换算与P无关。
第三章 复习思考题
1. 选择过高的溶氧浓度对发酵生产有何不利影响？为什么？ 2. 简述引起溶氧浓度下降及上升的可能原因，并指出哪些为
正常情况？哪些为非正常情况？
3. 当发酵过程中溶氧浓度不足时可采用哪些方法弥补？ 4. 简述亚硫酸盐氧化法测定kLa值的原理。 5. 简述稳态氧平衡法测定kLa值的原理。 6. 简述动态法测定kLa值的原理。 7. 指出采用亚硫酸盐氧化法、稳态法和动态法测定kLa值时，
方法2：根据乙醇浓度控制时，将乙醇浓度控制在 0.05~0.2%范围内。
• 糖含量高→酒精浓度上升至接近0.2%时→F↓ • 糖含量低→酒精浓度下降至接近0.05%时→F↑
例2：青霉素发酵中根据pH值的变化来控制 糖的流加，pH值控制在6.5～7.0范围内。
• 糖浓度高→有机酸↑→pH↓→pH接近6.5时→F↓ • 糖浓度低→菌丝体分解→pH↑→pH接近7.0时→F↑
例3：谷氨酸发酵中，根据pH控制尿素流加， 根据耗氧量控制糖液流加。
教学大纲发酵过程与控制正式
《发酵过程及控制》课程教学大纲课程名称：发酵过程及控制计划学时：70计划学分：6课程类型：专业必修课课程性质：专业技术课适用专业：电气自动化技术制订人：制订时间：2012.7审核人：批准人：一、课程的性质、任务发酵过程及控制是一门研究发酵过程中参数的检测技术及自动控制的学科，通过本课程的学习，使学生能了解发酵过程控制中各种检测技术的基本原理，掌握发酵过程参数检测与控制的基本内容及控制方法，了解现代化制药过程中连续自动化模拟控制操作，熟悉工程化放大生产的技术要求，了解生产过程中常用设备的结构、特点、原理、设计、计算、选型及保养。
并熟悉各种检测技术的原理和定性、定量分析在发酵过程质量监控中的广泛应用。
二、课程特色本课程以课堂的教与学相结合的授课方式，使学生能够运用自动控制、检测技术、设备管理的相关理论，针对具体企业的实际情况，进行案例分析，通过对其生产要求及内外部环境条件的分析，进行企业具体应用的实践，以提升学生对工厂的设备流程、设备结构及工作原理，主要设备的设计计算及选型，初步了解设备的安装与维护、了解设备的新技术、新设备及发展动向。
在授课中列举大量工厂实用的例子和有关工厂设计的参数，培养学生综合思考问题的能力，并配以案例讨论，激发学生主动思考学习。
三、知识能力培养目标通过对生化设备主要介绍，生物工程生产过程中常用设备的结构、特点、原理、设计、计算、选型及保养的学习，使学生对生产生物产品的设备有初步了解，适应工业化生产的要求。
，并能针对企业生产过程中出现的问题提出解决实际问题的能力，还能对企业实际生产过程中应用安全生产的知识保护自己的能力。
教学过程中，有关基本知识、基本原理按“了解、掌握、应用”三个层次进行。
了解：要求学员对所述部分内容中，对关系到企业生产的基本理论、安全生产基本要领的理解；掌握：要求学员对所述部分内容能够理解并把握；重点掌握：要求学员对所述部分内容能够深入理解并熟练把握，同时能准确地应用。
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发酵过程检测与控制
天津科技大学 郭学武
第三章 化学参数的检测与控制
3.1 溶氧浓度 3.2 溶氧系数的测定方法 3.3 pH与氧化还原电位 3.4 二氧化碳与呼吸商 3.5 基质浓度与补料控制
3.3 pH与氧化还原电位
pH 英文全名hydrogen ion concentration，氢离子浓度指 数,是水溶液中酸碱度的一种表示方法。
但酸度过低，发酵快，升酸迅猛， 不利于 香味成分的生成， 酒味和香味较淡。
酸度的控制措施
（1）前期酸度控制 原料选择：红粮选择贮陈一年的最好。(酶活 性较为稳定，陈粮就差些，新红粮则酶活性 太强，发酵力猛，生酸幅度大，会使材料发 粘。）红粮粉碎要按照冬天细，夏天粗的原 则。 （2）做好内在卫生控制感染酸 （3）做好保温
醋酸杆菌
3.3.1.1 最适pH
微生物种类 适应环境
细菌
中性
放线菌 中性偏碱
霉菌
偏酸性
酵母
偏酸性
最适pH 对酸敏感度 生长范围
6.5~7.5
敏感
5.0~10.0
7.0~8.0
敏感
5.0~10.0
4.8~5.8 不敏感 1.5~10.0
3.8~6.0 不敏感 2.5~8.0
对于同一种类的微生物，各菌株的最适pH亦有所不同。
2 硼酸在pH 8．50，酶反 应最快
3 磷酸在pH 8．50，酶反 应最快
4 Tris在pH 8．50，酶反应 最快
酶活1＞2＞4＞3
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，结果如图所示。 “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。
NaOH)， pH↑
★配制培养基时调整pH值的措施：
★培养过程中调节pH值的措施
过酸时：加入碱或适量氮源，提高通气量。
过碱时：加入酸或适量碳源，降低通气量。
影响环境pH值的其他因素还包括
1、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。
6、发酵的不同阶段采取不同的pH值
例：pH对L-异亮氨酸发酵的影响（天津科技大学）
菌株最适生长pH控制在6.8～7.0
不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于7．5 时，菌体易于老化，呈现球状；当pH值低于6．5时 菌体同样受抑制，易于老化。而在7．2左右时，菌 体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在6．9左右时， 菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优 势。
3.3.1.2 pH对微生物生长的影响
酶的活性损失 （1）pH影响微生物酶的活性 酶的变性失活
（2）改变细胞膜的渗透性： pH的变化→培养液H+ 浓度的变化→细胞膜电 荷性质的改变→细胞膜渗透性的改变→影响 营养物的吸收和代谢产物的排泄→影响新陈 代谢
（3）影响营养物质的利用
• 影响营养物质的离解：如蛋白质、有机酸、氨基酸、 磷酸盐等营养物质在不同pH值下其分子形式不同。
2、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH 上升。
3.3.2.2 pH控制
（1）无机酸、碱调节 常用酸：盐酸、硫酸 常用碱：石灰水、碳酸钠、氢氧化钠
（2）采用具有缓冲作用的培养基——三角瓶培养、小型试验 例1：细菌培养缓冲剂：等摩尔K2HPO4-KH2PO4，缓冲范围
pH6.4~7.2 例2：CaCO3可作为产酸菌（如乳酸菌、己酸菌等）的缓冲剂，
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；
39
3.3.3 pH检测
pH试纸 pH检测 取样检测 酸度计 电化学方法
传感器检测
pH电极
pH试纸
HI98105笔式酸度计
pH510台式酸度计
磷源选择：
磷酸可中和培养基中的碱性物质 磷酸二氢钾或钠对碱性代谢物具有一定缓冲作用 磷酸氢二钾或钠对酸性代谢物具有一定缓冲作用 过磷酸钙对碱性代谢物具有一定缓冲作用
天冬酰胺酶
5、不同调pH方法的影响
分别在4种缓冲介质中， 于pH 6．50一9．50测定天 冬酰胺酶酶活力．
1 甘氨酸介质pH 8.00时 酶活力最高；
pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，所
以是十分重要的参数。 “pH”中的“H”代表氢离子（H+），而“p”
的来源则有几种说法。第一种称p代表德语
这个概念是1909年由丹麦生物化学家索 “Potenz”，意思是力度、强度；第二种称
伦·彼得·劳里兹·索伦森（Søren Peder pH代表拉丁文“pondus hydrogenii”，即
• 影响营养物质的分解：如酒精发酵是一个边糖化边发 酵的过程，其中淀粉糖化的最适pH为4.5左右，如果pH 值太高，就会影响糖化速度，最终影响酒精发酵。
3.3.1.3 pH对代谢产物形成的影响
（1）生长最适pH与产物形成最适pH
发酵种类 生长最适pH 产物形成最适pH
谷氨酸
7.5~8.0
7.0~7.4
（2）酸性或碱性代谢物质的形成 如：有机酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸等
（3）培养基比例失调
碳源过多，氮源不足(葡萄糖过量)→有机酸形成→pH↓ 碳源不足，氮源过量→氨基氮释放→ pH↑
（4）杂菌污染
产酸细菌污染→有机酸↑→pH↓ 噬菌体污染→菌体自溶，蛋白质分解→pH↑(如谷氨酸发酵)
微生物的生命活动对环境pH值的影响
链霉素、红霉素 7.0~8.0
6.8~7.3
金素、四环素 利福霉素
7.0~8.0 6.5
5.9~6.3 7.0~7.5
生长的最适pH值与发酵的最适pH值
同一种微生物在其不同的生长阶段和不同的生理生化过程中，对 pH值的要求也不同。 举例：Aspergillus niger
在pH 2~2.5范围时有利于合成柠檬酸， 当在pH 2.5~6.5范围内时以菌体生长为主， 而在pH 7.0时，则以合成草酸为主。
Handylab pH11台式酸度计
上海雷磁pHS-3C酸度计
氨水
固态发酵中pH和酸度的测定与控制
pH的测定：通常的做法是取一定量的固态物料，加入3倍 其质量的水，浸泡5min后，用电极测定。
酸度对发酵的影响 (1)酸度影晌容池微生态 (2)酸度影晌酒质酒率
入窖酸度过大，曲药中的淀粉酶活力受到 抑制甚至失活， 淀粉糖化不完全， 酒糟中 残留大量糊精， 出现酒糟发粘， 结团， 出酒率下降， 还原糖增高，增加淀粉的消 耗，并且容易使出窖酒糟酸度过大，给下 排生产造成困难；
在有充足氧的情况下，醋酸菌会将乙醇 氧化成大量的醋酸。而乙醇在有氧的环境中 也会将自已氧化变成乙醛，乙醛又继续氧化 生成乙酸。
发酵过程中pH值的变化一般规律
1.在微生物细胞的生长阶段:
初期:接种后到孢子萌发,因碳氮源代谢水平比 较低, pH一般可维持不变,或者由于添加了CaCO3而 略有上升。
快速生长期：pH值变化较大，因菌种及培养基 不同而上升或下降
2.在生产阶段，一般发酵液的pH值趋于稳定，维持 在适合产物形成的pH范围。
Lauritz Sørensen）提出的。
“氢的量”；第三种认为p只是索伦森随意
选定的符号，因为他也用了q。
发酵过程中pH是不断变化的，通过观察 pH变化规律可以了解发酵的正常与否
3.3.1 pH对发酵过程的影响 1、实例
例 pH对林可霉素发酵的影响
pH
pH 7.0
效价
不调pH
t 调pH
例：培养基初始pH值对漆酶分泌的影响 pH在4～7范围内产酶最高
• pH对微生物的生长和代谢产物的积累都有很大的影响； • 不同种类的微生物对pH值的要求不同； • 同种微生物在不同的发酵生产中所要求pH值不同。
不同微生物对pH要求不同
➢各种微生物都有其生长的最低、最适和最高pH值。 低于最低、或超过最高生长pH值时，微生物生长受 抑制或导致死亡。
微生物种类 最低pH 最适pH 最高pH
丙酮丁醇梭菌 在pH 5.5~7.0范围时，以菌体生长为主， 在pH 4.3~5.3范围内才进行丙酮丁醇发酵。
最佳pH的确定
配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况
pH对产海藻酸裂解酶的影响
pH对海藻糖水解酶产生的影响 pH——菌浓 pH——酶活
pH对谷氨酰胺转氨酶活力的影响
热凝胶产生不同阶段pH的考察
大肠杆菌
4.3
枯草芽孢杆菌
4.5
金黄色葡萄球菌 4.2
黑曲霉
1.5
一般放线菌
5.0
一般酵母菌
3.0
6.0—8.0 9.5 6.0—7.5 8.5 7.0—7.5 9.3 5.0—6.0 9.0 7.0—8.0 10 5.0—6.0 8.0
➢不同的微生物最适生长的pH值不同，根据微 生物生长的最适pH值，将微生物分为： 嗜碱微生物：硝化细菌、尿素分解菌、多数放线 菌 耐碱微生物：许多链霉菌 中性微生物：绝大多数细菌，一部分真菌 嗜酸微生物：硫杆菌属 耐酸微生物：乳酸杆菌、
★微生物在生长过程中也会使外界环境的pH值发生改变，原因：
➢由于有机物分解：
➢分解糖类、脂肪等，产生酸性物质，使培养液pH值下降；
➢分解蛋白质、尿素等，产生碱性物质，使培养液pH值上 升
➢由于无机盐选择性吸收： NH4+被吸收
➢铵盐吸收（(NH4)2SO4 NO3+被吸收
H2SO4）， pH↓
➢硝酸盐吸收(NaNO3
pH DO
（2）pH的变化改变代谢产物的合成方向
pH的变化→
→代谢途径与产物合成方向改变
天津科技大学 郭学武
第三章 化学参数的检测与控制
3.1 溶氧浓度 3.2 溶氧系数的测定方法 3.3 pH与氧化还原电位 3.4 二氧化碳与呼吸商 3.5 基质浓度与补料控制
3.3 pH与氧化还原电位
pH 英文全名hydrogen ion concentration，氢离子浓度指 数,是水溶液中酸碱度的一种表示方法。
但酸度过低，发酵快，升酸迅猛， 不利于 香味成分的生成， 酒味和香味较淡。
酸度的控制措施
（1）前期酸度控制 原料选择：红粮选择贮陈一年的最好。(酶活 性较为稳定，陈粮就差些，新红粮则酶活性 太强，发酵力猛，生酸幅度大，会使材料发 粘。）红粮粉碎要按照冬天细，夏天粗的原 则。 （2）做好内在卫生控制感染酸 （3）做好保温
醋酸杆菌
3.3.1.1 最适pH
微生物种类 适应环境
细菌
中性
放线菌 中性偏碱
霉菌
偏酸性
酵母
偏酸性
最适pH 对酸敏感度 生长范围
6.5~7.5
敏感
5.0~10.0
7.0~8.0
敏感
5.0~10.0
4.8~5.8 不敏感 1.5~10.0
3.8~6.0 不敏感 2.5~8.0
对于同一种类的微生物，各菌株的最适pH亦有所不同。
2 硼酸在pH 8．50，酶反 应最快
3 磷酸在pH 8．50，酶反 应最快
4 Tris在pH 8．50，酶反应 最快
酶活1＞2＞4＞3
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，结果如图所示。 “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。
NaOH)， pH↑
★配制培养基时调整pH值的措施：
★培养过程中调节pH值的措施
过酸时：加入碱或适量氮源，提高通气量。
过碱时：加入酸或适量碳源，降低通气量。
影响环境pH值的其他因素还包括
1、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。
6、发酵的不同阶段采取不同的pH值
例：pH对L-异亮氨酸发酵的影响（天津科技大学）
菌株最适生长pH控制在6.8～7.0
不同pH值对菌体的形态影响很大，当pH值高于7．5 时，菌体易于老化，呈现球状；当pH值低于6．5时 菌体同样受抑制，易于老化。而在7．2左右时，菌 体是处于产酸期，呈现长的椭圆形；在6．9左右时， 菌体处于生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优 势。
3.3.1.2 pH对微生物生长的影响
酶的活性损失 （1）pH影响微生物酶的活性 酶的变性失活
（2）改变细胞膜的渗透性： pH的变化→培养液H+ 浓度的变化→细胞膜电 荷性质的改变→细胞膜渗透性的改变→影响 营养物的吸收和代谢产物的排泄→影响新陈 代谢
（3）影响营养物质的利用
• 影响营养物质的离解：如蛋白质、有机酸、氨基酸、 磷酸盐等营养物质在不同pH值下其分子形式不同。
2、菌体自溶，pH上升，发酵后期，pH 上升。
3.3.2.2 pH控制
（1）无机酸、碱调节 常用酸：盐酸、硫酸 常用碱：石灰水、碳酸钠、氢氧化钠
（2）采用具有缓冲作用的培养基——三角瓶培养、小型试验 例1：细菌培养缓冲剂：等摩尔K2HPO4-KH2PO4，缓冲范围
pH6.4~7.2 例2：CaCO3可作为产酸菌（如乳酸菌、己酸菌等）的缓冲剂，
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；
39
3.3.3 pH检测
pH试纸 pH检测 取样检测 酸度计 电化学方法
传感器检测
pH电极
pH试纸
HI98105笔式酸度计
pH510台式酸度计
磷源选择：
磷酸可中和培养基中的碱性物质 磷酸二氢钾或钠对碱性代谢物具有一定缓冲作用 磷酸氢二钾或钠对酸性代谢物具有一定缓冲作用 过磷酸钙对碱性代谢物具有一定缓冲作用
天冬酰胺酶
5、不同调pH方法的影响
分别在4种缓冲介质中， 于pH 6．50一9．50测定天 冬酰胺酶酶活力．
1 甘氨酸介质pH 8.00时 酶活力最高；
pH是微生物代谢的综合反映，又影响代谢的进行，所
以是十分重要的参数。 “pH”中的“H”代表氢离子（H+），而“p”
的来源则有几种说法。第一种称p代表德语
这个概念是1909年由丹麦生物化学家索 “Potenz”，意思是力度、强度；第二种称
伦·彼得·劳里兹·索伦森（Søren Peder pH代表拉丁文“pondus hydrogenii”，即
• 影响营养物质的分解：如酒精发酵是一个边糖化边发 酵的过程，其中淀粉糖化的最适pH为4.5左右，如果pH 值太高，就会影响糖化速度，最终影响酒精发酵。
3.3.1.3 pH对代谢产物形成的影响
（1）生长最适pH与产物形成最适pH
发酵种类 生长最适pH 产物形成最适pH
谷氨酸
7.5~8.0
7.0~7.4
（2）酸性或碱性代谢物质的形成 如：有机酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸等
（3）培养基比例失调
碳源过多，氮源不足(葡萄糖过量)→有机酸形成→pH↓ 碳源不足，氮源过量→氨基氮释放→ pH↑
（4）杂菌污染
产酸细菌污染→有机酸↑→pH↓ 噬菌体污染→菌体自溶，蛋白质分解→pH↑(如谷氨酸发酵)
微生物的生命活动对环境pH值的影响
链霉素、红霉素 7.0~8.0
6.8~7.3
金素、四环素 利福霉素
7.0~8.0 6.5
5.9~6.3 7.0~7.5
生长的最适pH值与发酵的最适pH值
同一种微生物在其不同的生长阶段和不同的生理生化过程中，对 pH值的要求也不同。 举例：Aspergillus niger
在pH 2~2.5范围时有利于合成柠檬酸， 当在pH 2.5~6.5范围内时以菌体生长为主， 而在pH 7.0时，则以合成草酸为主。
Handylab pH11台式酸度计
上海雷磁pHS-3C酸度计
氨水
固态发酵中pH和酸度的测定与控制
pH的测定：通常的做法是取一定量的固态物料，加入3倍 其质量的水，浸泡5min后，用电极测定。
酸度对发酵的影响 (1)酸度影晌容池微生态 (2)酸度影晌酒质酒率
入窖酸度过大，曲药中的淀粉酶活力受到 抑制甚至失活， 淀粉糖化不完全， 酒糟中 残留大量糊精， 出现酒糟发粘， 结团， 出酒率下降， 还原糖增高，增加淀粉的消 耗，并且容易使出窖酒糟酸度过大，给下 排生产造成困难；
在有充足氧的情况下，醋酸菌会将乙醇 氧化成大量的醋酸。而乙醇在有氧的环境中 也会将自已氧化变成乙醛，乙醛又继续氧化 生成乙酸。
发酵过程中pH值的变化一般规律
1.在微生物细胞的生长阶段:
初期:接种后到孢子萌发,因碳氮源代谢水平比 较低, pH一般可维持不变,或者由于添加了CaCO3而 略有上升。
快速生长期：pH值变化较大，因菌种及培养基 不同而上升或下降
2.在生产阶段，一般发酵液的pH值趋于稳定，维持 在适合产物形成的pH范围。
Lauritz Sørensen）提出的。
“氢的量”；第三种认为p只是索伦森随意
选定的符号，因为他也用了q。
发酵过程中pH是不断变化的，通过观察 pH变化规律可以了解发酵的正常与否
3.3.1 pH对发酵过程的影响 1、实例
例 pH对林可霉素发酵的影响
pH
pH 7.0
效价
不调pH
t 调pH
例：培养基初始pH值对漆酶分泌的影响 pH在4～7范围内产酶最高
• pH对微生物的生长和代谢产物的积累都有很大的影响； • 不同种类的微生物对pH值的要求不同； • 同种微生物在不同的发酵生产中所要求pH值不同。
不同微生物对pH要求不同
➢各种微生物都有其生长的最低、最适和最高pH值。 低于最低、或超过最高生长pH值时，微生物生长受 抑制或导致死亡。
微生物种类 最低pH 最适pH 最高pH
丙酮丁醇梭菌 在pH 5.5~7.0范围时，以菌体生长为主， 在pH 4.3~5.3范围内才进行丙酮丁醇发酵。
最佳pH的确定
配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况
pH对产海藻酸裂解酶的影响
pH对海藻糖水解酶产生的影响 pH——菌浓 pH——酶活
pH对谷氨酰胺转氨酶活力的影响
热凝胶产生不同阶段pH的考察
大肠杆菌
4.3
枯草芽孢杆菌
4.5
金黄色葡萄球菌 4.2
黑曲霉
1.5
一般放线菌
5.0
一般酵母菌
3.0
6.0—8.0 9.5 6.0—7.5 8.5 7.0—7.5 9.3 5.0—6.0 9.0 7.0—8.0 10 5.0—6.0 8.0
➢不同的微生物最适生长的pH值不同，根据微 生物生长的最适pH值，将微生物分为： 嗜碱微生物：硝化细菌、尿素分解菌、多数放线 菌 耐碱微生物：许多链霉菌 中性微生物：绝大多数细菌，一部分真菌 嗜酸微生物：硫杆菌属 耐酸微生物：乳酸杆菌、
★微生物在生长过程中也会使外界环境的pH值发生改变，原因：
➢由于有机物分解：
➢分解糖类、脂肪等，产生酸性物质，使培养液pH值下降；
➢分解蛋白质、尿素等，产生碱性物质，使培养液pH值上 升
➢由于无机盐选择性吸收： NH4+被吸收
➢铵盐吸收（(NH4)2SO4 NO3+被吸收
H2SO4）， pH↓
➢硝酸盐吸收(NaNO3
pH DO
（2）pH的变化改变代谢产物的合成方向
pH的变化→
→代谢途径与产物合成方向改变