第七章发酵过程参数检测与控制
发酵工艺过程控制
第七章发酵工艺过程控制教学目的：1、熟悉发酵过程的主要控制参数；2、掌握各因素对发酵过程的影响、过程控制方法和原理；3、熟悉几种发酵操作类型。
教学方法：讲授教学手段：使用多媒体课件教学内容：第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数一、发酵工艺过程控制的重要性从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化（培养基和培养条件）和产物形成速率这三者之间的关系。
二、发酵过程的代谢变化规律这里介绍分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵及连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征。
1、分批发酵指在一个封闭的培养系统内含有初始限制量的基质的发酵方式。
即一次性投料，一次性收获产品的发酵方式。
在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系，将微生物产物形成动力学分为（1）生长关联型产物的生成速率与菌体生长速率成正比。
这种产物通常是微生物分解基质的直接产物，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，可采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期。
（2）非生长关联型产物的生成速率与菌体生长速率成无关，而与菌体量的多少有关。
对于非生长关联型产品，则宜缩短菌体的对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后，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，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。
与传统的分批发酵相比，优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。
低基质浓度的优点：（1）可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；（2）克服养分的不足，避免发酵过早结束。
３、半连续发酵是指在补料－分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液的培养方法。
优点：（1）可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；（2）克服养分的不足，避免发酵过早结束；（3）缓解有害代谢产物的积累。
４、连续发酵又称连续流动培养或开放型培养，即培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。
发酵学发酵过程的检测与自控课件
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pH会发生变化变化原因基...
第七章发酵的中间控制重点温度控制发酵热温度对发酵的影响 pH值的控制pH值对菌生长和代谢产物形成的影响影响pH变化的因素发酵过程中pH的调节及控制泡沫的控制发酵过程中泡沫的变化补料的控制发酵的中间控制的项目包括温度控制pH控制泡沫控制补料控制发酵过程中主要要控制的参数有⑴pH值发酵液的pH值是发酵过程中各种生化反应的综合结果是重要参数之一⑵温度是整个发酵过程或在不同阶段所维持的温度⑶溶解氧浓度溶解氧是需氧菌发酵的必备条件⑷基质含量指发酵液中糖氮磷等重要营养物质的浓度⑸空气流量是指单位时间内每单位体积发酵液通入空气的体积也称通风比⑹压力指发酵过程中发酵罐所维持的压力⑺搅拌转速⑻搅拌功率⑼黏度黏度大小可做为细胞生长或细胞形态的一项指标表示相对菌体丝状菌浓度⑽浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数⑾料液流量这是控制流体进料的参数⑿产物的浓度这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的重要参数也是决定生产周期长短的根据⒀氧化还原电位⒁废气中的氧含量废气中氧含量与产生菌摄氧率和KLa有关⒂废气中的CO2含量废气中的CO2含量就是产生菌呼吸放出的CO2 ⒃菌丝形态丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢变化的反映⒄菌体浓度菌体浓度是控制微生物发酵的重要参数之一⒅细胞生物活性的其他参数如NAD-NADH体系ATP-ADP-AMP体系DNARNA及生物合成的关键酶发酵热伴随发酵的进行而产生的热量叫发酵热发酵热的产生引起发酵液温度变化发加热对温度的影响在发酵过程中某些因素导致热量的产生另外一些因素又导致热量散失如果在过程中产生的热量大于散失的热量则有净热量堆积这时发酵液的温度将上升相反产热小于耗热则温度将下降产热的情况生物热有氧呼吸的最高效率贮能转换成ATP高能键约为42％厌氧发酵如同型乳酸发酵约为27％表明菌体分解的基质中的能量大部分是以热能的形式散失到环境中用Q生物表示生物热产生的特征具有强烈的时间性搅拌热通风搅拌过程中发酵液之间发酵液与搅拌器及罐壁之间均有摩擦由此产生的热量称为摩擦热用Q搅拌表示 Q搅拌 P 功率× 3061热功当量散热的情况蒸发热空气经发酵液时发酵液中有部分水汽化变成水蒸气随空气一起排出罐外这部分水汽化时带走的热量用Q蒸发表示假设进出口气体温度相同则由通气带走的热量为Q蒸发qmH出-H进 qm 空气流量kghH气体热焓kJkg 辐射热通过罐体表面向环境中发射红外线而散失的热量热量的大小决定于罐内外温度差大小罐的表面积等发酵过程中发酵液温度变化取决于上面几个因素 Q发酵 Q 生物 Q搅拌 - Q蒸发 - Q辐射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 qvCt2 – t1V 式中qv为冷却水流量Lh c为水的比热t1t2为进出冷却水的温度V发酵液体积m3 ②利用温度变化率u℃h先使罐温恒定再关闭自控装置测量S根据 Q 发酵 M1C1 M2C2u 式中M1M2分别为发酵液和发酵罐的质量kg C1C2分别为发酵液和发酵罐的材料的比热容u为温度上升速率℃h ③热力学方法根据盖斯定律在恒压和恒容条件下一个反应不论是一步完成或几步完成其反应热是相同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三温度对微生物生长的影响 1任何微生物的生长温度均在一定范围内可用最高温度最适温度和最低生长温度进行描述 2温度对微生物的影响主要从以下几个方面酶活性膜的通透性以及影响细胞内各种反应的速率工业发酵上常采用阶段温度控制来进行发酵不同微生物生长的温度范围宽窄不同同一微生物在其生长和产物积累阶段的温度要求也不同温度对微生物生长的影响在其他条件如pH环境溶液的离子强度变化时变化也较大是他们协同综合作用的结果四温度对发酵的影响既然温度对微生物的生长活动影响很大当然在发酵生产上就成为一个过程控制的参数酶学方面在一定温度范围内温度升高反应速率加大有利于菌体生长和产物积累但菌体的衰退也加快菌体对氧的消耗相应加快而温度升高时氧的溶解度下降所以应综合考虑温度能影响菌体分泌的产物种类及酶系用米曲霉制曲时如温度在低限时得到蛋白酶此时α-淀粉酶的合成受到抑制又如用凝结芽孢杆菌合成α-淀粉酶时发酵温度控制在55℃时合成的α-淀粉酶较耐高温在90℃60min条件下其活性丧失仅10％左右而发酵温度控制在35℃时合成的α-淀粉酶在相同条件下丧失90％菌体特性方面同种菌体在生长和产物积累阶段所要求的温度往往有差别多数情况下是最适生长温度比产物积累的最适温度要略高些温度冠毒素发酵发酵的影响六最适温度的控制由于微生物在生长和发酵过程中对温度有以上要求在生产上为获得较高的生产率针对所用菌种的特性在发酵周期的各阶段需要进行温度控制提供该阶段微生物活动的最适温度如用产黄青霉进行青霉素的发酵过程中根据不同生理代谢过程的温度特点而采用四段控制其发酵温度30℃起始发酵5h→25℃40h→20℃125h→25℃165h→放罐该法其青霉素产量比自始至终进行30℃恒温发酵培养的对照组提高了147％发掘罐中温度的控制措施温度的检测温度计温度的控制①温度过高用冷水②温度过低用热水第二节 pH值的控制一pH值对菌体生长和代谢产物形成的影响 1pH值的意义pH表示溶液氢离子浓度的负对数纯水的[H]浓度是10-7molL因此pH为7pH＞7呈碱性pH＜7呈酸性pH值差1时其[H]浓度就相差10倍 2微生物生长的pH范围微生物生长的pH范围很广大多数在pH5～9之间与温度对微生物的影响相似微生物活动的pH范围也存在最高最适最低三基点微生物活动的pH范围也存在最高最适最低三基点常见微生物的最适pH值根据不同微生物生长的最适pH不同可将微生物分为嗜酸性嗜碱性嗜中性微生物即使在产物积累阶段由于pH值不同也可能会得到不同的发酵产物如黑曲霉在酸性pH2～3时进行柠檬酸发酵而在接近中性时则进行草酸发酵二影响PH值变化的因素在发酵过程中PH值的变化取决于下列因素冠毒素发酵过程中pH变化一发酵过程中pH值得检测一发酵过程中pH值的检测方法及设备常见的pH值计和在线检测电极 pH值计和在线检测电极使用方法pH值计和在线检测电极的校正使用前 pH值计和在线检测电极的校正方法常采用两点法采用的标准pH值缓冲液com校正25℃发酵过程中最适pH值的确定⑴单因素实验法如图所示⑵多因素实验法如正交实验法L9⑶3二次旋转正交实验法均匀设计等三最适pH与微生物生长和产物形成的相互关系在发酵过程中实验所得的最适pH在各种微生物生长和产物形成中3个参数的相互关系①菌体的必生长速率μ和Qp产物比生产速率的最适pH值都在一个相似较宽的适宜范围内这种发酵过程易控制②第二种是μ或Qp 的最适pH值范围很窄而μ的范围较宽③第三种是μ和Qp对pH值都很敏感它们的最适pH值又是相同的第二第三模式的发酵pH值应严格控制④第四种更复杂μ和Qp有各自的最适pH值应分别严格控制各自的最适pH值才能优化发酵过程三发酵过程中pH值的调节及控制在发酵过程中发酵液的pH随着微生物活动而不断变化为提供菌体适宜的生长或产物积累的pH值需要对发酵生产过程各阶段的pH值实施控监控实际生产中从以下几个方面进行一调整培养基组分适当调整CN比使盐类与碳源配比平衡一般情况CN高时真菌培养基pH降低CN低时一般细菌经过发酵后pH上升根据发酵液pH值的变化进行相应控制如过酸时可加入NaOHNa2CO3等碱性物质进行中和或流加尿素蛋白质提高通风量等过碱时加H2SO4HCl或流加糖类乳酸降低通风量等措施在生产上主要的过程控制方法有①添加CaCO3当用NH4盐作为氮源时可在培养基中加入CaCO3用于中和NH4被吸收后剩余的酸②氨水流加法氨水作为一种碱可以中和发酵中产生的酸且NH4可作为氮源供给菌体营养③尿素流加法味精厂多采用此法以尿素作为菌体氮源时尿素首先被菌体尿酶分解成氨氨进入发酵液使pH上升当NH4被菌体作为氮源消耗并形成有机酸时发酵液pH下降这时随着尿素的补加氨进入发酵液又使发酵液pH上升及补充氮源如此循环致至发酵液中碳源耗尽完成发酵一泡沫的产生性质及变化性质泡沫实际上是气溶胶构成的胶体系统其分散相是空气和代谢气连续相是发酵液泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通泡沫的分类⑴存在于发酵液的也液面上泡沫气相比例大⑵存在于发酵液中分散得很细很均匀较稳定①外界引入在通气过程中伴随机械搅拌空气被分成细小的气泡从溶氧的角度讲气泡越细越好使空气中的氧和发酵液中的CO2能充分的进行交换这些气泡升到发酵液面形成泡沫②微生物产生发酵活动时产生一些气体如CO2这些代谢气体凝结形成气泡冒出到发酵液面成为发酵泡沫菌体代谢越旺盛这部分泡沫的产生量越多二发酵过程泡沫的变化一形成泡沫的多少的原因⑴与通风搅拌的剧烈程度有关搅拌影响更大⑵与培养基的原材料的性质有关蛋白质是主要因素⑶其他因素胶体物质多多糖水解灭菌等二好气性发酵过程中泡沫的形成的规律产生过多持久的泡沫会给发酵带来很多不利①减少发酵的有效容积若不加控制过多的泡沫通过排气管溢出造成发酵液流失②过多的泡沫可能从罐顶的轴封渗出罐外这就增加了染菌的机会③使部分菌体粘附在罐盖或罐壁上而失去作用④泡沫严重时影响通气搅拌的正常进行妨碍代谢气的排出对菌体呼吸造成影响甚至使菌体代谢异常影响生产率泡沫控制的目的在于打碎泡沫液膜使气相和液相分离化学方法降低泡沫液膜的表面张力使泡沫破灭物理方法使泡沫液膜的某些部分局部受力打破液膜原来的受力平衡而破裂微生物工业消泡常用的方法一化学消泡 1化学消泡是一种使用化学消泡剂的消泡法 2消泡剂选用依据①表面活性剂具有较低的表面张力内聚力弱消泡效果明显②对气-液界面的散布系数必须足够大才能迅速消泡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以保持持久的消泡性能⑥来源方便使用成本低①天然油脂②高碳醇脂肪酸和酯类③聚醚类④硅酮类 2应用在消泡剂的使用时主要是让其有足够的分散性能除用机械方式协助其扩散外还用载体以助其分散具体使用有以下几种形式①消泡剂载体聚氧丙烯甘油用豆油作载体115的效果明显②复合消泡剂05-3硅酮20-30植物油等与水组成消泡剂可增强消泡作用③消泡剂乳化剂聚氧丙烯甘油用土温-80为乳化剂1-2倍⑴机械消泡是一种物理作用靠机械强烈振动压力变化促使气泡破裂或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收⑵化学和机械消泡的优缺点化学消泡最显著的优点效果好作用迅速可靠用量少可自动控制缺点是影响氧气的溶解使其减少15～13 这对微生物供氧极为不利机械消泡能克服这一缺点但其应用效果不如化学消泡迅速可靠不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素①动力小②结构简单③易清洁④运行可靠⑤维护费用低 2机械消泡方式⑴罐内消泡①耙式消泡桨的机械消泡②旋转圆盘板式的机械消泡③流体吹入管内吸引消泡④超声波消泡等①流体吹入式消泡②气体吹入管内吸引消泡③冲击反射板消泡④超声波消泡⑤碟片式消泡器的机械消泡⑵罐外消泡①旋转叶片罐外消泡②喷雾消泡③离心力消泡等①旋转叶片罐外消泡②喷雾消泡③离心力消泡④旋风分离器消泡⑤转向板消泡第四节补料的控制一补料的意义内容原则意义补充菌体营养延长发酵期推迟自溶期提高发酵产量内容补充C源N源无机盐诱导酶的底物原则根据菌体生长代谢规律生产需要二补料操作时间为达到生产目的在需要时加入方式以不引起发酵液成分剧烈波动为前提补量加入与消耗平衡一补料的作用 1可以控制抑制性底物的浓度高浓度底物对微生物生长不利的影响为①使渗透压过高细胞脱水死亡②使微生物细胞热致死如乙醇浓度10使酵母细胞热致死③某些基质对代谢关键酶或细胞组分产生抑制④高浓度基质还会改变菌体的生化代谢而影响生长等例如苯乙酸丙醇分别是青霉素和红霉素的前体物质浓度过大就会使抗生素产量减少 2可以解除或减弱分解代谢物的阻遏 3可以使发酵过程最佳化二补料的内容补料的内容大致可分为以下四个方面⑴补充能源和碳源⑵补充菌体所需要的氮源⑶加入某些微量元素或无机盐⑷对于某些产诱导酶的微生物常补加该酶的作用底物提高酶产量三补料的原则补料的原则就在于控制微生物的中间代谢使之向着有利于产物积累的方向发展四补糖的控制五补充氮源及无机盐在工业发酵中中间常添加某些具有调节生长代谢作用的物料如磷酸盐尿素硝酸盐Na2SO4 酵母粉或玉米浆等如土霉素发酵中前期补加2-3次酵母粉结果产量比对照的高出约1500umL青霉素发酵不正常时菌体成葫芦状菌丝展不开糖不被利用这时添加尿素水溶液有一定的作用补加料是注意的问题①料液配比要合适②注意无菌控制③应考虑经济核算节约粮食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一菌体浓度cell concentration 菌体浓度指单位体积中菌体的含量不仅代表菌体数量的多少还反映菌体细胞生理特性不完全分化阶段常用在动力学研究如计算比生长速率和比生产速率等二影响菌体浓度的因素菌体浓度的大小对发酵产物得率会产生重要的影响四发酵过程中菌体浓度的控制发酵过程中菌体浓度的控制发酵过程应设法控制菌体浓度在合适的范围内二基质对发酵的影响及控制一基质基质即培养微生物的营养物质是生产菌代谢的物质基础二碳源对发酵的影响 1碳源的分类 2特点⑴速效碳源菌体利用较快但对产物的合成可能产生阻遏作用⑵缓效碳源多为聚合物菌体利用缓慢有利于延长代谢产物的合成选择最适碳源对提高代谢产物的产量非常重要 2氮源的种类和浓度对发酵的影响和控制⑴氮源的分类⑵氮源对发酵的影响例1在谷氨酸发酵中①当NH4不足形成酮戊二酸②当NH4过量时形成谷氨酰胺③只有控制适量的NH4浓度才合成谷氨酸不同氮源的作用⑴速效氮源菌体容易利用促进菌体生长但对某些代谢产物抗生素的合成产生调节而影响产量⑵缓效氮源菌体利用较缓慢能延长抗生素的分泌提高产物的产量但一次性投入容易促进菌体生长和养分过早耗尽导致菌体过早衰老而自溶从而缩短产物分泌期例如链霉菌的竹桃霉素发酵中采用铵盐作氮源能促进菌丝生长但抗生素的产量下降发酵培养基中常用混合氮源例如氨基酸发酵用铵盐和麸皮水解液玉米浆作氮源链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉作氮源生产上常采用的不料控制氮源浓度的方法⑴补加有机氮源如酵母粉玉米浆尿素等土霉素发酵中补加酵母粉青霉素发酵补加尿素⑵补加无机氮源如氨水或硫酸铵等抗生素发酵工业中常补加氨水 3磷酸盐对发酵的影响及控制磷是微生物生长所必需的成分也是合成代谢产物所必需的生长所需磷酸盐浓度为032-300mmolL 次级代谢产物合成良好所需磷酸盐浓度为平均为10mmolL提高到10mmolL则抑制磷酸盐浓度的控制⑴一般在基础培养基中采用适当的浓度如抗生素发酵采用生长亚适量⑵在代谢缓慢情况下可补加磷酸盐如在四环素发酵中间歇添加微量KH2PO4有利提高产量第六节二氧化碳和呼吸商二氧化碳的来源及作用⑴来源微生物的代谢产物和空气中含有的⑵作用是细胞代谢的重要指标也是生物合成的必要物质一CO2对菌体生长和产物合成的影响 1CO2对菌体的生长的直接作用⑴影响碳水化合物的代谢⑵影响微生物的呼吸速率例如 CO2对生产过程具有抑制作用当CO2分压为003105Pa时青霉素合成速度降低40当浓度为16 10-2molL时会严重抑制酵母菌的生长一般以1L L·min 的通气量 CO2的浓度达抑制水平的10 2 CO2对细胞的作用机制 CO2及其产生的HCO3-都会影响细胞膜的结构使细胞处于麻醉状态细胞生长受到抑制形态发生改变二排气中CO2浓度与发酵的关系 1检测菌体的生长分析尾气中CO2的含量用计算机计算的CO2积累量与菌体的干重进行比较得出对数期菌体生长速率与CO2释放率成正比关系 2 CO2的释放率carbon dioxide release ratioCRR CRR QCO2X q进Vψ惰进·ψCO2出 1-ψO2出ψCO2进-ψCO2进 f 式中QCO2为比CO2释放率X为菌体干重q进为进气流量ψ为气体的体积分数V发酵液体积f为系数 3补糖与排气CO2浓度的关系发酵液中补加葡萄糖即增加碳源排气CO2浓度增加pH值下降三呼吸商与发酵的关系 1发酵过程中菌体的耗氧速率oxygen uptake rate简称OUROUR QO2X F进 V ψO2进- 四 CO2浓度的控制 1 CO2浓度的变化规律 CO2浓度的变化没有一定的规律 2影响CO2浓度的变化的因素影响因素较多如菌体的呼吸强度发酵液的特性通气搅拌程度和外界压力大小等因素 3 CO2浓度的控制① CO2对合成起抑制作用应降低其浓度② CO2若有促进作用则应提高其浓度 4 CO2控制的方法通气和搅拌速率的大小可调节CO2的溶解度第七节微生物发酵终点的判断微生物发酵终点的判断对提高产物的生产能力和经济效益很重要生产能力是指单位时间内单位罐体积的产物积累一经济因素发酵时间需要考虑经济因素即以最低的综合成本来获得最大生产能力的时间为最适发酵时间二产品质量因素发酵时间长短对后续工艺和产品质量有很大的影响三特殊因素在个别发酵情况下还要考虑特殊因素如老品种的发酵已掌握了他们的放罐时间在正常情况下可根据作业计划按时放罐合理的放罐时间是由试验确定的⑴当原料成本是整个产品成本的主要部分时所追求的是提高产物得率⑵当生产成本是整个产品成本的主要部分时所追求的是提高生产率和发酵系数⑶当下游技术成本占产品成本的主要部分而产品价格较贵时追求的是高的产物浓度 1会残留过多的养分如糖脂肪可溶解性蛋白对分离纯化不利 2放罐过晚菌体自溶会延长过滤时间还会使产品的数量下降扰乱分离纯化作业计划判断放罐的主要指标①产物浓度②氨基氮③菌体形态④pH值⑤培养液的外观⑥黏度等染菌的防治二发酵染菌对提炼和产品质量的影响 1发酵染菌对过滤的影响染菌的发酵液一般发粘菌体大多数自溶所以在发酵液过滤时不能或很难形成滤饼导致过滤困难即使采取加热冷却添加助滤剂等措施使部分蛋白质凝聚但效果并不理想污染杂菌的种类对过滤的影响程度有差异如污染霉菌时影响较小而污染细菌时很难过滤由于过滤困难过滤时间拉长影响发酵液储罐和过滤设备的周转使用破坏了生产平衡染菌发酵液还会因过滤困难而大幅度降低过滤收率直接影响提炼总收率 2发酵染菌对提炼的影响染菌发酵液中含有比正常发酵液更多的水溶性蛋白和其它杂质采用有机溶剂萃取的提炼工艺则极易发生乳化很难使水相和溶剂相分离影响进一步提纯采用直接用离子交换树脂的提取工艺如链霉素庆大霉素染菌后大量杂菌黏附在离子交换树脂表面或被离子交换树脂吸附大大降低离子交换树脂的交换容量而且有的杂菌很难用水冲洗干净洗脱时与产物一起进入洗脱液影响进一步提纯二染菌的原因一发酵染菌率计算基准总染菌率指一年发酵染菌的批次数与总投料批次数之比的百分率染菌批次数应包括染菌后培养基经重新灭菌又再次染菌的批次数在内这是习惯的计算方法也是我国的统一计算方法总染菌率二染菌原因成染菌的因素很多但总结几十年的经验对绝大部分罐批染菌的原因是比较清楚的但在实际生产中发酵染菌率仍比较高可以说产生这种现象大多数是由于工作中明知故犯不负责任和侥幸心理所造成的例如灭菌的蒸汽压不足不能灭菌设备有渗漏不能进罐等等都是众所周知的但因为有侥幸心理还是照样灭菌进罐结果以污染杂菌而告终现将我们收集到的国内外几家抗生素工厂发酵染菌原因列于下日本工业技术院发酵研究所多年来抗生素发酵染菌原因分析项目百分率种子带菌或怀疑种子带菌 964 接种时罐压跌零019 培养基灭菌不透 079 总空气系统有菌1996 泡沫冒顶 048 夹套穿孔1236 盘管穿孔 589 接种管穿孔039 阀门渗漏145 搅拌轴密封渗漏209 罐盖漏。
7发酵过程控制
二
微生物培养过程的参数检测
参数在线检测
在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头） 放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控 制提供依据。
由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高， 因此对传感器有特殊要求： 插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 （材料、数据）
传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染 菌（密封性好）
发酵过程的中间分析
发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过 程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个体极微小，肉 眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数 来判断，所以说中间分析是生产控制的眼睛。 这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过程中 菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气二氧化碳， 粘度，菌浓度等
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
A 温度；B 开始时机；C 冲击时间
• 结果发酵16小时，45℃ 冲击30分钟最佳， 发酵96小时后甘油浓度提高32.6％
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
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分
析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、 均匀设计、响应面设计。 优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经过 数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确， 大大提高了实验效率。 但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的 最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中 存在较大的误差就会得出错误的结果。
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。
第七章 生物反应器的检测及控制
9.冷却介质流量与温度
生物发酵过程均有生物合成热产生，对机械搅拌发酵罐 还有搅拌热，为保持反应器系统的温度在工艺规定的范 围内，必须用水等冷却介质通过热交换器把发酵热带走。 要维持工艺要求的发酵温度，对应不同的发酵时期有不 同的发酵热以及冷却介质的温度，需相应改变其流量。 故必须测定冷却介质的进出口温度与流量，据此也可间 接推定发酵罐中的生物反应是否正常进行。
生物细胞本身的状态； (5)反应系统中需控制的主要参变量是什么?这些需控制
的参变量与生物反应效能如何相关对应?
第一节 生化过程主要检测的参变量
在发酵工厂中，生物反应有关的过程可分成培养基灭菌、 生物反应以及产物分离纯化过程。对生物反应器系统， 为了掌握其中生化反应的状态参数及操作特性以便 进行控制，需检测系 列的参数，如表7-1 所示。
对一定的发酵反应器，搅拌转速对发酵液的混合状态、溶氧 速率、物质传递等有重要影响，同时影响生物细胞的生长、 产物的生成、搅拌功率消耗等。对某一确定的发酵反应器， 当通气量一定时，搅拌转速升高，其溶氧速率增大，消耗的 搅拌功率也越大。在完全湍流的条件下，搅拌功率与搅拌转 速的三次方成正比，即，其中N为搅拌转速。此外，某些生 物细胞如动植物细胞、丝状菌等，对搅拌剪切敏感，故搅拌 转速和搅拌叶尖线速度有其临界上限范围。故此，测量和控 制搅拌转速具有重要意义。
4.泡沫高度 液体生物发酵，不管是通气还是厌气发酵均有不同程度
的泡沫产生。发酵液泡沫产生的原因是多方面的，最主 要的是培养基中所固有的或是发酵过程中生成的蛋白质、 菌体、糖浆以及其他稳定泡沫的表面活性物质，加上通 气发酵过程大量的空气泡以及厌气发酵过程中生成的 CO2气泡，都会导致生物发酵液面上生成不同程度的泡 沫层。如控制不好，就会大大降低发酵反应器的有效反 应空间，即装料系数低，增加感染杂菌的机会，严重时 泡沫会从排气口溢出而造成跑料，这导致产物收率下降。 不同的生物反应其泡沫产生情况变化很大，有些生物发 酵过程的泡沫不易控制。
发酵过程控制课件
发酵工艺控制最优化
明确控制目标
明确影响因素
确定实现目标值的方法
确定最佳工艺
发酵过程控制课件
实施最佳工艺
第一节 温度变化及其控制
一、温度对生长的影响
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0～26oC生 长，嗜温菌适应于15～43oC生长，嗜热菌适应于 37～65oC生长，嗜高温菌适应于65oC以上生长
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，
发酵过程控制课件
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。
发酵过程控制课件
2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结 构完整性和催化功能：(1)通过自然或诱导突变， 将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行 对比；(2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白 结构
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和X一射线衍射分析表 明，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加 强，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底 物诱导产生催化作用
4 .6 log K r 2
E
K r1
11
T1 T2
K与温度有关
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
04
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。
第七章菌体浓度对发酵的影响及控制3-PPT精选文档
• 此法只能作为细胞浓度的粗略估计。
• 工业发酵过程中菌体浓度的测定方法常用 的有浊度法、干重法、离心称湿法或测体
积法等。
• 浊度法：用于澄清发酵液中非丝状菌的菌 浓的测定。通常取发酵液在420～600nm 波长范围内测定光密度（OD值）。 吸光度要求控制在0.3-0.5范围内，此时吸 光值与细胞浓度呈线性关系，故对于较浓
发酵液需稀释在此范围内测量。
菌体对发酵的影响主要表现：
1.菌浓度对产物的率的影响
（1）在适当的比生长速率下，发酵产物的
产率与菌浓成正比关系
发酵产物的产率Rp = Qp ∙ X
其中Qp为菌体的比生产速率，X为菌
体浓度
（2）菌浓过高，对发酵产生多种不利影响 OUR：培养液的摄氧率，r； OTR：氧的传递速率，N；
可能改变菌体的代谢途径，特别是对培
养液中溶解氧的影响较明显。摄氧率OUR
按比例增加，氧传递速率OTR成对数减少
（3）为获得最高的生产率，需要采用摄氧
速率与传氧速率相平衡的菌体浓度，最好
维持在临界菌体浓度
临界菌体浓度?
在抗生素生产中，如何确定并维持临界
菌体浓度是提高抗生素生产能力的关键。 临界菌体浓度是由菌体的遗传特性和 发酵罐的传氧特性共同影响的结果。
临界菌体浓度
定义：摄氧速率随菌体浓度变化的曲线
和供氧速率随菌体浓度变化的曲线的
交点所对应的菌体浓度。
• 临界菌体浓度是菌体的遗传特性和发酵罐 的传氧特性的综合反映。 • 当发酵罐的通气和搅拌强度大、传氧速率 高时、供氧速率的曲线将向上扬，当菌种 需氧量小、耗氧速率相应降低时，摄氧速 率曲线的斜率将下降。这两种情况都将使
避免产生过浓（或过稀）的菌体量。
发酵过程参数检测与控制
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。
第七章发酵工艺控制
如：许多抗生素和色素的发酵
第二节
一、物理参数
工业发酵过程的主要 控制参数
1、温度 与温度有关的因素： 氧在培养液中的溶解度和传递速率 菌体生长速率和产物合成速率 测量工具：铂电阻或热敏电阻
• 2、压力（Pa）
与压力高低有关的因素： 罐压高低与氧和CO2在培养液中的溶解度有关 罐压一般范围： 0.2×105～0.5×105 Pa 测量工具： 隔膜法压力表或压敏电阻压力表
1、分批发酵
概念：
分批发酵：指将微生物和营养物一次性加入发酵 罐中，经过培养生长，最后一次收获的培养方式， 中间除了空气进入和尾气排出，没有物料交换。 在分批发酵中，培养基是一次性加入，不再 补充，随着微生物的生长繁殖活跃，营养物质逐 渐消耗，有害代谢产物不断积累，因此其生长速 度将随时间发生有规律性的变化。
2.补料分批培养的优缺点 优点：与分批培养相比
① 解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。 ② 可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成 细胞大量生长所引起的一切影响；
③ 可用作为控制细胞质量的手段，以提高发芽 孢子的比例； ④ 可作为理论研究的手段，为自动控制和最优 控制提供实验基础。
与连续培养相比优点
④ 衰亡期
细胞死亡率增加，明显超过新生率，进入 衰亡期。多数发酵在到达衰亡期前就结束。 特点：活的细胞数目以对数速率急剧下降、 细胞裂解或自溶。衰亡期比其它期相对较 长。
分批发酵优缺点：
•
① ② ③ ④
优点：
操作简单 周期短 染菌机会少 产品质量易于控制
•
缺点：
① 生产能力不是很高 ② 非生产周期较长，使得发酵成本高
三、生物参数
1、菌体形态 菌体形态是衡量种子质量、区分发酵阶段、控 制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之 一。 用显微镜观察菌体形态 2、菌体浓度 概念：菌体浓度是指单位体积培养液中菌体的 含量。 根据菌体浓度的大小决定适合的补料量和供氧 量，同时可判断目的产物的产量是否达到最大量。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和控制
3.2 基质浓度
①C源，青霉素生产中葡萄糖和 乳糖利用。因此工业上培养基中 含有迅速和缓慢利用的混合C源。 如为聚合物，利用缓慢。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
3.2 基质浓度
②N源，也有迅速利用和缓慢利用， 前者有氨基酸、硫酸铵、尿素和玉 米浆，后者有黄豆饼粉、花生、棉 子饼粉等蛋白质。前者菌生长快， 但产量低，选用快、慢混合氮源很 重要。生产上可补加有机或无机氮 源。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
❖中间补料的机理
①避免一次投料，菌丝生长过盛。 ②延长次级代谢产物的分泌期， 提高产量。
☆
第七章发酵过程中工艺参数的检测和
控制
❖ FBC的内容
①补碳源、氮源（无机和有机），如蛋 白胨、玉米浆、硫酸铵、尿素。
②无机盐，微量元素，前体和促进剂。 ③补全料和补水，总之视情况不同，补
第一节 工业发酵的主要类型
（三） 补料分批发酵法(fed-batch fermentation)
补料分批发酵又称半连续发酵，是 指在分批发酵过程中，间歇或连续地补 加新鲜培养基的培养方法。与传统分批 发酵相比，其优点在于使发酵系统中维 持很低的基质浓度。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
☆
第一节 工业发酵的主要类型
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
一、溶氧的浓度对发酵的影响
微生物对氧的需求： 1、 C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量
从分子式看出，180g葡萄糖完全氧化需 190克O2。 2、构成细胞成分含有氧，如酵母细胞元素组成 为C3.95 N6.5 O1.94。
第七章发酵过程中工艺参数的检测和 控制
第一节 工业发酵的主要类型
精选发酵工程07第七章发酵生产的设备
一、发酵罐
发酵罐的定义：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。
发酵罐系统
一个优良的发酵罐装置和组成（1）应具有严密的结构（2）良好的液体混合特性（3）好的传质相传热速率（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表
发酵罐容积
发酵罐采用圆柱形器身，底和顶为锥形盖，选取结构尺寸的比例关系如下：
由发酵罐的基本结构尺寸，可确定全罐表面积．罐体圆柱部分表面积F1和罐底罐顶表面积F2，F3分别为：
2．冷却面积和冷却装置主要结构尺寸
假定罐壁不包扎保温层，壁温最高可达35t，生产厂所在地区的夏季平均温度可查阅有关资料，现假定为32℃。
第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。
Q3=全罐总表面积× ac ×(t2-t1)
主发酵控制发酵液温度tw为30℃，按题意冷却水进出口温度分别为t1＝20℃，t2＝25℃
(4)传热总系数K值的确定选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为53/60mm，则管的横截面积为
考虑罐径较大，设罐内同心装两列蛇管，并同时进入冷却水，则水在管内流速为：
啤酒发酵容器的变迁过程
（2）开放式发酵容器向密闭式转变。小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理、泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便。随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，并为密闭式。从开放式转向密闭发酵的最大问题是发酵时被气泡带到表面的泡盖的处理。可用吸取法分离泡盖。
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
微生物工程发酵第七章发酵中的参数检测及自动控制
7.1.1 物理参数
⑦浊度 能及时反映单细胞生长状况；
7.1.2 化学参数
① pH • 发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综
合结果，与菌体生长和产物合成有重要的 关系； • pH的高低与菌体生长和产物合成有着重要 的关系；
7.1.2 化学参数
② 基质浓度 • 指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的
• 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 • – 取样测定（离线测定）
7.2.1参数在线检测
• 在线检测必须用专门的传感器（也叫电极 或探头）放入发酵系统，将发酵的一些信 息传递出来，为发酵控制提供依据；
发酵用传感器及探头
发酵所用传感器的要求
• 发酵是一个较复杂的生化反应过程，大滞 后和时变性是其主要特征；
传感器 • – 不能蒸汽灭菌； • – 会和产品发生反应； • – 过分敏感；
7.3.4基本的自动控制系统(control loop)
7.3.4.1 前馈控制(feedforward control) 7.3.4.2 后（反）馈控制(feedback control ) 7.3.4.3 自适应控制(adaptive control)
动控制功能的自控系统。
7.3.2 自动化控制的优缺点
• 提高产品的得率； • 改进产品的质量； • 降低后续加工过程的损耗； • 在整个操作过程中能稳定的保持最优条件； • 提高对原料质量波动的适应性； • 减少人为因素的影响； • 提高工厂的生产效率； • 降低能耗； • 降低分析和操作成本；
7.3.3 存在的问题
化学或物理信号
电信号
放大
记录显示仪
控制器（与设定参数比较） 发出调节信号控制器动作
生化过程参数的检测和控制概要
所以： Q 106O2 由此可见，通风（耗氧）发酵过程生成的发酵热 数量与过程所消耗的氧是成正比。当测得发酵过程 中氧的消耗（可根据气体分析和通风量进行计算得 到），就能把发酵过程中需要移去的热量计算出来。
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根据理论推导和试验验证，可以用下式对通
风发酵过程生成热进行估算：
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生物传感器的应用领域 临床检测：葡萄糖85%，乳酸盐及其他4%， 研究4%。 药物：3% 环境：2% 食品：2% 机器人、国防及其他：<1%
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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
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微生物反应过程产生泡沫的原因
1. 由外界引进的气流被机械地分散形成 2. 反应过程产生的气体聚结生成的泡沫 培养基的物理化学性质对泡沫形成的表面现象起 决定作用，此外，培养基的温度、酸碱度、浓度 等对过程的泡沫也有一定的影响。培养基中的蛋
白质含量越多，反应液的黏度也越大，越容易起
后，剩下的酸根会引起发酵液中的pH值下降，
在培养液中可加入碳酸钙来调节pH值。
5. 根据pH值的变化可用流加氨水的方法来调节，
同时又可把氨水作为氮源供给。
6. 以尿素作为氮源进行流加调节pH值。
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第七章发酵过程参数检测与控制
一、测定元件(传感器)
➢ 发酵传感器 传感器（发酵罐） 标准电信号仪表显示或传送给计
算机 ① 离线传感器 ② 在线传感器 ③ 原位传感器
第七章发酵过程参数检测与控制
生物量
浊度法
入射光细胞散射
荧光法
细胞NADH被紫外激发
溶氧 复膜氧探头 氧在电极转移产生电流
气相C变气O相量2 成分测CO量2红质方外普法分析离仪子测化量后CO原2理吸收红外光
第七章发酵过程参数检测与控制
二、发酵过程参数检测的特点
➢ 发酵过程参数检测的难点： 1. 耐热、经受高温灭菌； 2. 菌体等固形物干扰； 3. 气泡干扰； 4. 密封及死角； 5. 化学成分的信号转换，等、
第七章发酵过程参数检测与控制
第二节 发酵检测系统的基本组成
一．测定元件(传感器) 二．变送器与过程接口 三．监控计算机 四．执行机构和转换器
第七章发酵过程参数检测与控制
直接参数又可分为在线检测参数和离线检测参数 在线检测参数指不经取样直接从发酵罐上安装的 仪表上得到的参数，如温度、pH、搅拌转速； 离线检测参数指取出样后测定得到的参数，如残 糖、NH2-N、菌体浓度。
第七章发酵过程参数检测与控制
（一）物理参数
温度(℃)（温度计或温度传感器） 压力(Pa)：罐压一般0.2×l05～0.5×l05Pa
第七章 发酵过程参数检测与控制
第七章发酵过程参数检测与控制
菌体 培养基 通气、搅拌 无菌状态 培养条件等
发酵过程
发酵控制
控制
发酵液
取样
测定各种参数
执行机构
调节指令
分析判断
第七章发酵过程参数检测与控制
测定发酵过程中参数，以便对此过程进行有效的控制。 检测的目的： ①了解过程变量的变化是否与预期的目标值相符； ②决定种子罐移种和发酵罐放罐的时间； ③对不可测变量进行间接估计； ④对过程变量按给定值进行手动控制或自动控制； ⑤通过过程模型实施计算机控制； ⑥收集认识和发展过程(包括建立数学模型)所必需的数据。
pH 温玻度璃电铂极电阻 电极对电氢阻离随子温特度异变反化应
细胞形压态力 热隔敏射膜电像阻显微镜电直阻接显随感微温受射度像变技化术
气体流量 压热敏质电量阻流量计电阻随压气力体变带化走热与流量成正比
基质和代谢物
HPLC
对各成分分析
溶CO2 液体流量 气相氧
CO2探头 通过扩散引起电解液pH变化
蠕动泵
转速与流量正比
第七章发酵过程参数检测与控制
（二）化学参数
1、pH(酸碱度) （取样或在线）
2、基质浓度(mg或％) ： （1）糖的浓度：总糖和还原糖（斐林试剂法） （2）氮的测定：凯氏定氮或甲醛法 （3）磷酸盐的测定
3、溶解氧浓度(ppm或饱和度，％) 测定相对溶氧浓度，以未加菌种的培养基中溶氧浓度 (100％)和以饱和Na2SO3的培养基中的溶氧浓度(0％)为 基准。
第七章发酵过程参数检测与控制
第一节 发酵过程参数检测概述
一、发酵过程的主要控制参数 代谢参数按性质分可分三类： 物理参数： 化学参数： 生物参数：
第七章发酵过程参数检测与控制
从检测手段分可分为：直接参数、间接参数 直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得 的参数，如温度、pH、残糖等 间接参数：将直接参数经过计算得到的参数， 如摄氧率、KLa等
1mg链霉素碱（纯）＝1000U （2）重量单位：产物重量／ml发酵液
链霉素1mg=1U
第七章发酵过程参数检测与控制
5、废气中的氧浓度(Pa) 6、废气中的CO2浓度(％) 7、DNA含量 8、关键酶
青霉素发酵：酰基转移酶 链霉素发酵：转脒基酶 红霉素发酵: 丙酸酯酶
第七章发酵过程参数检测与控制
（三）生物参数
第七章发酵过程参数检测与控制
二、变送器与过程接口
第七章发酵过程参数检测与控制
三、控制部分（监控计算机 ）
（一）开关(on-off)控制
第七章发酵过程参数检测与控制
（二）比列、积分、微分组合控制
2. PID控制 当控制负荷不稳定时，可采用
比例(P)、积分(I)、微分(D) 控制算法，简称为PID控制 比例（Proportional） 积分（Integrating） 微分（Differentiation）
作用：（1）防止杂菌 （2）提高饱和溶氧浓度 表示单位：Kg/cm2 或 MPa (1MPa=106Pa=9.868atm) 搅拌转速(r／min) 10L：200－1200r/min 10000L：25－200r／min 搅拌功率：常指每立方米发酵液所消耗的功率(kW／m3) 一般2－4KW／m3 空气流量：一般控制在0.5—1.0V／(V·min) 绝对流量(L/min或m3/h)和相对流量（每分钟单位体积发酵 液进入空气的量） 粘度(Pa·s)：表观粘度 浊度(％) ：单细胞微生物 料液流量(L／min)
1、菌丝形态：以产黄青霉为例 （1）分生孢子发芽－芽管 （2）菌丝繁殖成分枝状，染色深，末期出现脂肪小颗粒 （3）菌丝呈网状，粗壮，染色深，出现较多脂肪小颗粒， 无空泡 （4）菌丝变细，染色变浅，出现中小空泡 （5）出现中大型空泡，脂肪颗粒消失 （ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）菌体断裂，模糊，染色变浅
2、菌体浓度 （1）菌体干重 （2）菌体湿重 （3）菌体湿体积
第七章发酵过程参数检测与控制
4、产物的浓度(mg(u)／m1) （1）效价单位：发酵液中含有抗生素的效价单位数
/ml（U／ml） U：在50ml肉汤培养基中能抑制标准金黄色葡
萄球菌的青霉素最小剂量为一个青霉素单位。 1mg青霉素钠盐（纯品）＝1667单位
链霉素单位：在50ml肉汤培养基中能抑制大肠杆 菌生长的最小链霉素剂量为一个单位。
顺磁氧分析仪
磁场强度变化
搅拌转速 频率计数器 光反射计数
转速表
感应电流与转速正比
粘度 旋转黏度仪 剪应力/剪速
泡沫 电导或电容 探头与液面及电磁阀成回路
体积 压差传感器 静压差与液深度正比 第七章发酵过程参数检测与控制
对传感器的要求
(1)可靠性：物理强度、故障的频率及方式 (2)准确性：误差 (3)精确度：重复率 (4)响应时间： (5)分辨能力： (6)灵敏度 (7)测量范围 (8)特异性 (9)可维修性 (10)发酵过程对传感器的特殊要求