发酵工艺控制

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。
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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
4、影响供氧的因素
• 由氧传质方程式：
OTR=KLα（C*-CL）
可知，以下因素影响氧传递速率：
（1）影响KLα的因素 ；
（2）影响推动力（C*-CL）的因素 。
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（1）影响KLα的因素
①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KLα的影响更明显。
l 接种后发酵温度有下降趋势，此时可适当升高温度， 以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖；
l 待发酵液温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长 温度；
l 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；
l 到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。 l 选择是相对的，要考虑培养基成分、浓度；溶氧（温
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（1）影响KLα的因素
④微生物生长的影响： 细胞浓度增加， KLα值变小，细胞
浓度相同时，球状菌悬液的KLα值是丝 状菌悬液KLα值的两倍。
（流动特性，稠度差别较大）
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（1）影响KLα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KL下 降（虽使α 增大）。
产生泡沫原因多样，其中发酵性泡沫氧低， CO2高，不易破，“逃液”。
围是高产的保证。
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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NH3、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。
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3、最适pH的选择和调节
• 选择pH值的方法：通过实验确定。 配制并始终调节控制不同pH，检出菌体或产物最大值。
• 调节pH值的方法： l 主要考虑培养基中生理酸、碱性物质的配比； l 补料调节：调节通气量、调整盐类、氮源、碳源的配 比平衡； 如：青霉素生产的葡萄糖补加控制pH。 （按需补糖比恒速补糖效果好。） l 添加弱酸或弱碱、加缓冲剂。（一般效果不好）
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（1）影响KLα的因素
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KLα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KLα的影响，有： KLα=f(Di,N,ωs,DL,µ,ρ,σ,g)
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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）
• 氧传递的主要阻力存在于气膜和液膜中。
单位体积培养液中的氧传递速率 ：
OTR=KLα（C*-CL） KL α—容积传递系数； α—比表面积；
KL—以氧浓度为推动力的总传递系数； C*—气液平衡的液相氧浓度（应有）；
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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
如：碳源，利用速度不同摄氧率不同； ⑤ pH； ⑥温度：温度高，临界值增高； ⑦有毒物积累。抑制呼吸； ⑧挥发性中间物（有机酸），加强。
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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
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三、氧对发酵的影响
• 氧是制约发酵进行的重要因素 l 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】 l 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； l 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； l 发酵罐中氧的吸收率很低；（多数＜ 2%；通常＜ 1%） l 加大通气量会引起过多泡沫； l 消泡剂不利于氧的溶解。
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。
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（1）影响KLα的因素
②空气流量： 供氧，带走废气。 KLα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。
• 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。
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1、 pH对发酵的影响
pH对微生物生长和产物形成影响的原因： l pH值影响菌体形态，如壁厚薄、长径比； l 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； l pH值直接影响酶活性； l 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。 l 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。
度（比耗氧速率）来表示：
CL QO2 =( QO2 )m ————
K0 + CL
(当氧是限制性基质时 )
( QO2 )m——最大比耗氧速率；
CL——溶解氧浓度；
K0——氧的米氏常数。 各种菌的K0和( QO2 )m有定值（表7-3；表7-4）。
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影响微生物对氧需求的因素
• 菌的呼吸强度与菌种种类[K0， ( QO2 )m] 和培养液中溶解氧浓度有关。 CL增加，QO2 增强；直至达到 [CL / （ K0 + CL ）≈1] 临界值，再不加大。 如：图7-8。
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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。 即1/kt=1/kG+1/kI+1/kL+1/kLB+1/kLC+1/kIS+1/kA+1/kW+ 1/kR • 液相主体到细胞壁，氧的浓度差很小。
• 发酵热的成分
l 生物热：微生物生长繁殖过程中的产热 l 搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热 l 蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量 l 辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量 l 显 热：空气流动过程夹带着的热量 l Q发酵= Q生物+ Q搅拌- Q蒸发Q显-Q辐射
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3、发酵热的测定
①通过冷却水进出口温度和流量测定：
溶性培养基组分）和气相构成。
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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）
如：糖类（产有机酸），脂肪（产脂肪酸），铵盐 （氧化产硫酸）。
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3、最适pH的选择和调节
• 最适pH的选择和调节的原则： l 既有利于菌体的生长繁殖，又可最大限度的获得高产。 l 根据不同微生物的特性，在发酵过程中随时检查pH 值的变化，选用适当的方法进行调节。
• 生长最适pH和产物形成最适pH的相互关系： ①两者相同，范围都宽；容易控制。 ②两者相同，范围都窄；必须严格控制。 ③两者相同，范围一宽一窄；必须严格控制。 ④两者不同，范围都窄；分别严格控制。
—发酵温度控制
• 温度控制的方法
l 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，多采用冷媒(盐水)进行降温。
l 发酵罐的热交换装置：
l 罐外夹套 l 罐内蛇管、列管
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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。 生产前应进行试验和研究。
• 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。
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2、影响发酵温度的因素
发酵工艺控制
②非牛顿流体的搅拌功率
• 罐中非牛顿流体的平均切变率与搅拌速 度成正比。 _ 平均切变率 r = k N k—无因次常数 N—搅拌器转速 对不同的非牛顿流体，采用不同型式和大小的搅拌器， k值一般在10-13之间。
• 在发酵过程中，培养液的黏度系数K、流变特征指数n表 现出时变性。
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CL—液相主体氧浓度（存在）。
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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， CL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， CL 下降趋于0，氧传递速率最大。
（C*-CL—推动力）
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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
升氧降）；生长阶段；培养条件等。
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4、最适温度选择与发酵温度控制
—最适温度选择
• 最适温度分最适生长温度和最适产物合成温度，两者 往往不同，各阶段可用不同温度。
如：青霉素分别为： 30℃和 24.7 ℃。
• 青霉素发酵的温度控制
l 0-5h：30°C
30
l 6-35h：25°C
25
25
l 36-85h：20°C l 86-125h：25°C
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2020/11/14
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
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
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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；
发酵工艺控制
2、影响微生物对氧需求的因素
• 摄氧率： 单位体积培养液，在单位时间内耗氧量。 r = QO2·X X—细胞浓度。
• 氧的满足度： 溶解氧浓度与临界氧浓度之比。
• 产物形成的最佳氧浓度有时与细胞生长最佳氧浓度 不同，需氧量差别较大，各有不同。
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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Βιβλιοθήκη Baidu成分和浓度：
• 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
发酵工艺控制
1、 pH对发酵的影响
• 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。 细菌6.5-7.5； 放线菌6.5-8.0； 霉菌4.0-5.8； 酵母菌3.8-6.0
（细胞不结团时，壁氧的浓度与液膜接发近酵工）艺控。制
1、氧的传递和传质方程式
• 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。
05
35 20 85
125
发酵工艺控制
4、最适温度选择与发酵温度控制
—发酵温度控制
• 进行温度控制时应考虑的因素
l 不同菌种在不同生长阶段的生长和生产特性 l 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。
发酵工艺控制
4、最适温度选择与发酵温度控制