第八章发酵过程控制资料
发酵过程控制 pH
二、pH对发酵的影响
（1）pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些酶的 活性时使菌的新陈代谢受阻
（2）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
（3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离， 从而影响微生物对这些物质的利用
（4）pH影响代谢方向。 pH不同，往往引起菌体代谢过程
不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。
例如黑曲霉在pH2~3时发酵产生柠檬酸，在pH近中性 时，则产生草酸。
例：pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
X
四
生长
合成
环
素
pH
pH对菌体生长影响比产物合成影响小 例 青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0,产物合成最适 pH7.2~7.4
四环素：菌体生长最适pH6.0~6.8，产物合成最适 pH5.8~6.0
三、发酵过程最佳pH的确定
原则：有利于菌体生长和产物的合成。 一般根据实验结 果确定。
配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况
最适pH与菌株，培养基组成，发酵工 艺有关。应按发 酵过程的不同阶段分别 控制不同的pH范围。
发酵最适pH的确定
第八章 发酵过程控制
pH对发酵过程影响及控制
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。
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。
一、发酵过程pH变化的原因
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。
发酵过程控制(概述)
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。
二
发酵过程工艺控制的目的
有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长的最佳条 件，使菌种的潜能发挥出来。 目标是得到最大的比生产速率和最大的生产率。
发挥菌种的最大生产潜力考虑之点
菌种本身的代谢特点 ： 生长速率、呼吸强 度、营养要求（酶系统）、代谢速率
菌代谢与环境的相关性： 温度、pH、渗透 压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等
本节重点内容
根据发酵工艺，发酵分为哪几种类型？ 各自有何优缺点？
微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络 形式，比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的 前体，可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物， 而这些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的 差异会引发代谢朝不同的方向进行。
发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身的遗传 特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环境因素等等。 因此发酵过程的控制具有不确定性和复杂性。 为了全面的认识发酵过程，本章首先要告诉大家分 析发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子，说
第一节 发酵过程工艺控制的 目的、研究的方法和层次
一 发酵过程的种类
分批培养
补料分批培养
半连续培养 连续培养
1、 分批发酵 简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有 物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。 整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产 物浓度等参数都随时间变化。
第八章_发酵过程参数的检测及控制
主要参数检测原理及仪器
•液体和气体流量测定
主要参数检测原理及仪器
• 搅拌转速
常用检测方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等。
感应片切割磁 场或光速。
输出电压与转 速成正比。
主要参数检测原理及仪器
• pH的检测
常用pH检定仪为复合pH电极，具有
结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。
思考：pH电极如何标定？
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
（一）温度的控制
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）
添加缓冲剂 补料控制 – 直接加酸加碱 – 补加碳源或氮源
1、基本的自动控制系统
②反馈控制 反馈控制是自动控制的主要方式
控制器
被控对象
传感器
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；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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。
发酵过程控制 补料 、发酵终点判断
太长或太短均会使产物质量下降，含量增加。
3、特殊因素 异常情况：染菌、代谢异常(糖耗缓慢等)。 为避免损失，可提前或拖后放罐时间来挽救。
算限制性基质的浓度，间接控制流加；
用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。
五、补料控制参数的选择
为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的 反馈控制参数，以及了解这些参数与微生物代谢、 菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系。
采用最优的补科程序也是依赖于比生长曲线 形态、产物生成速率及发酵的初始条件等情况。 因此，欲建立分批补料培养的数学模型及选择最 佳控制程序都必须充分了解微生物在发酵过程中 的代谢规律及对环境条件的要求。
生产能力（或称生产率、产率）： 是指单位时间内单位罐体积发酵液的产物积
累量而言。
生产率单位：一般为g／(L·h)或kg／(m3·h)，产 物浓度单位为g／L或kg／m3，发酵时间单位为h。
二、影响放罐时间的因素
合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据 不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的 生产率和产品成本，采用生产率高而成本又低的 时间，作为放罐时间。
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。
为实现这一目标，在中间补料控制时，必 须选择恰当的反馈控制参数和补料速率。
四、补料控制的策略
大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质。
以经验数据或预测数据控制流加； 以pH、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加； 以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计
第十节 发酵终点的判断
一、发酵终点的判断原则
发酵过程控制 泡沫
消泡剂选择的依据
➢对发酵过程无毒，对人、畜无害和不影响酶的生物合成。 ➢消泡作用迅速，效果高和持久性能好。 ➢能耐高压蒸气灭菌而不变性，在灭菌温库下对设备无腐 蚀性或不形成腐蚀性产物。 ➢不影响以后的提取过程。 ➢消沫剂的来源多，价格低，添加装置简单。 不干扰分 析系统，如溶解氧、pH测定仪的探头。 ➢最好还能做到不影响氧的传递。
另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种 泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间 没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占 的比例由下而上地逐渐增加。
二、发酵过程泡沫产生的原因
（1）通气搅拌的强烈程度
通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前 期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易 起泡。应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如 此。也可在基础料中加入消泡剂。
菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快 被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可 以加大接种量
（4）灭菌质量
培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微 生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加 消泡剂也无效。
三、泡沫对发酵的影响
•降低发酵设备的利用率 •增加了菌群的非均一性 •增加了染菌的机会 •导致产物的损失 •消泡剂会给后面的提取工序带来困难 •泡沫中的代谢气体不易被带走，改变了生活环境， 使菌体代谢异常，导致菌体提前自溶
五、发酵过程泡沫检测和控制
控制方法
•物理消沫法 •化学消沫法 •减少培养基中易起泡的成分 •减少培养基中粘度大的成分 •适当减少通气量及搅拌转速
1、物理消泡法 （一般作为消泡的辅助方法）
原理： 靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破
裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。
第八章发酵培养方法及发酵动力学
• 在连续培养技术中被称为稀释速率，用 符号“D”表示
（等于培养液在罐中平均停留时间τ的倒数）
• 在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释 速率。
2. 基于限制性营养成分（S）的物料平衡
• 养分进入系统的速率－养分流出系统的速率－用于 生长的养分消耗的速率－用于维持的养分消耗的速 率－用于产物形成的养分消耗的速率 ＝养分在系统中积累的速率
遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧 的矛盾。②避免培养基积累有毒代谢物。 • 缺点：增加了染菌机会；比生产速率下降。 • 适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、 酶、核苷酸、有机酸等的生产。
三、连续培养技术
• 连续进出料液，保持发酵液体积恒定，使培养物在近似恒 定状态下生长的培养方法。
• 转化率：（已经反应的基质量）/（总共加入的基质
量）*100%
（2）发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质消耗速率： 菌体生长速率： 产物生成速率：
dS rs d t
rx
dX dt
rp
dP dt
(g·L-1·h-1) (g·L-1·h-1) (g·L-1·h-1)
F0, S0, X0, P0
F, S, X, P, Xd
F0=F
反应器内(V)全 混流溶质浓度处 处相等
S, X, Xd, V, P
1. 基于细胞量（X）的物料平衡
细胞的进入速率－细胞的流出速率＋细胞的生长速率 －细胞的死亡速率 ＝细胞的积累速率
简化后：
在连续培养系统达到稳定状态时 式可变为：
，上
第八章 发酵培养方法及发酵动力学
第一节 发酵培养的方法
第八章发酵过程控制
第八章发酵过程控制
第八章发酵过程控制
2. 次级代谢物的生产调节
(1) 次级代谢的特点及与初级代谢的关系 (2) 调节方法
诱导作用 避开固有的负反馈
操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成 耐负反馈调节的抗性突变株的筛选 初级代谢物的调节作用 能荷调节 e.g.磷酸盐影响金霉素的合成
第八章发酵过程控制
（1）次级代谢的特点及与初级代谢的关系
合成 凝结芽孢杆菌的α-淀粉酶热稳定性：55℃培养
→90℃ 保持 60min， 剩留活 性为 88%~99%； 35℃ 培 养 → 经 相 同 条 件 处 理 ， 剩 余 活 性 仅 有 6%~10%。
第八章发酵过程控制
5. 最适温度的选择与控制
定义：最适温度是指在该温度下最适于菌的生 长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一 定条件下测得的结果。
第八章发酵过程控制
(1) 糖比消耗速率qs
Righelato假定： qs mB
m－维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗。m项 与渗透压调节、代谢产物的生成、迁移性及除繁殖以 外的其它生物转化等过程所需的能量有关。这些过程
受温度的影响，所以m也和温度相关。
B－生长系数，即同一生长速率下的糖耗，B值越大，说 明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。
次级代谢酶的特异性较初级代谢酶的特异性低，故受 遗传及环境因素的影响大。
次级代谢物的合成途径比初级代谢的种类多，但大多 数次级代谢物都是由少数关键中间代谢物组装的。
次级代谢产物的合成一般是在生长期后，即培养基中 的养分快耗尽，菌的比生长速率降低时才合成。
第八章发酵过程控制
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。
第八章发酵过程控制
离子选择性电极的结构
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
指示电极的关键是敏感膜 KCl溶液
H+ H+ H+
H+ H+ H+
待测溶液
玻璃敏感膜
浓度差引起电位差——浓差电极
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
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）
传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。 （响应快、灵敏）
传感器性能要稳定，受气泡影响小。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
△ε膜=常数+
RT F
Ln H
在25℃下： △ε膜=常数-0.0591pH（试液）
但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即使 α1=α2时，△ε膜≠0，这差别所产生的电位叫不对称电 位（ε不对称），这样整个玻璃电极（指示电极）的电 位应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测 第三节 微生物培养过程的参数检测
黑箱
参数检测灰箱
检测仪器：气相色谱、高效液相、离子色谱、
双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等 检测代谢中间物，分析代谢流向、RNA检测
一 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。
发酵过程控制 CO2
HCO 3 -主要影响细胞膜的膜蛋白
三、CO2的控制
在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有 一定的规律。它的大小受到许多因素的影响， 如细胞的呼吸强度、 发酵液的流变学特性、通 气搅拌程度、 罐压大小、设备规模等。在发酵 过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。
2、氮源对发酵的影响及控制
◆氮源浓度的影响及控制
氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。
氮源浓度的控制： 控制基础培养基中的配比。 通过补加氮源。
补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量
3、磷酸盐浓度的影响及控制
磷是菌体生长繁殖必需的成分，也是合成代谢产物所必需 的。
微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为0.32~300mmol /L； 对次级代谢产物所允许的最高平均浓度仅为1.0mmol /L， 提高到10mmol/L，就明显地抑制合成。
产生分解代谢产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑 制产物合成。
◆碳源浓度的控制
在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度。补料的类型有： • 流加 • 少量多次的加入 • 多量少次的加入
2、氮源对发酵的影响及控制 ◆氮源种类的影响 迅速利用的氮源
缓慢利用的氮源
种类：氨水、铵盐和玉米浆 优点：
易被菌体利用，明显促进菌体 生长
这可能是由于高浓度基质形成高渗透压，引起细胞 脱水而抑制生长。
3、菌体浓度的控制
菌浓的大小，对发酵产物的得率有着重要的影响。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。
但菌浓过高，营养物质消耗过快，营养液的成分发生 明显改变，有毒物质的积累，就有可能改变菌体的代谢途 径。同时菌浓增加会引起溶氧浓度降低，并成为限制性因 素。
发酵过程控制
发酵过程控制和优化技术的有关知识发酵的生产水平高低除了取决于生产菌种本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺的影响。
只有深入了解生产菌种在生长和合成产物的过程中的代谢和调控机制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求，掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，有效控制各种工艺条件和参数，使生产菌种始终处于生长和产物合成的优化环境中，从而最大限度地发挥生产菌种的生产能力，取得最大的经济效益。
一．发酵过程进行优化控制的意义随着生物和基因工程技术在各工业行业中的应用，发酵产品生产规模和品种不断增加，对发酵过程进行控制和优化也显得越来越重要。
作为发酵中游技术的发酵过程控制和优化技术，既关系到能否发挥菌种的最大生产能力，又会影响到下游处理的难易程度，在整个发酵过程中是一项承上启下的关键技术。
与物理和化学反应过程不同，生物过程的反应速率比较慢，目的产物的浓度、生产强度、反应物质（底物或基质）向目的产物的转化率也比较底。
工业微生物学从两个方面解决上述问题，一方面通过菌种选育和改良获得高产的发酵菌种；另一方面，通过控制培养条件使微生物最大限度地生产目标产物。
相对来讲，通过发酵过程控制和优化，将生物过程准确地控制在最优的环境或操作条件下，是提高整体生产水平的一个捷径或者说是一种更容易的方法，其重要性也绝不亚于利用分子生物学和基因工程进行菌种改良的方法。
二．生化过程的特征与物理和化学反应过程相比，生化反应过程有以下不同特征：①动力学模型高度非线性；②动力学模型参数的时变性；③除简单的物理和化学状态变量（温度、pH、压力、气体分压、DO 外，绝大多数生物状态变量（生物量、营养物浓度、代谢产物浓度、生物活性等）很难在线测量；④过程参数的滞后性，一个生物过程可能涉及成千上万个小的物理和化学反应，其相互间的作用和影响造成了生物过程的响应速率慢。
生物过程的控制和优化还具有以下特点：①不需要太高的控制精度；②各状态变量之间存在一定的连带关系；③由于没有合适的定量的数学模型可循，其控制与优化操作还必须完全依靠操作人员的经验和知识来进行。
发酵工程与设备第八章第二讲发酵过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
2）温度可能会影响终产物的质量
例如： 苏云金杆菌的发酵，一般在30-31℃进行，这样形成的晶体
毒力强。若发酵温度提高到37℃以上，虽然菌体生长繁殖较快， 最终含菌数也较高，但生物毒力较低，直接影响产品的质量。
K值可由下式求得： K = (MCp)发酵液 + (MCp)容器 + (MCp)附件 M — 以每升发酵液计的发酵液、容器、附件的重量 Cp — 代表各自的比热
一般微生物发酵过程中的最大发酵热约为 4.186× (3000～8000) kJ / m3 ·h
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
三、温度与发酵的关系
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
A 温度；B 开始时机；C 冲击时间
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
A比B好
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
五、温度的控制
方法： 罐壁调温
夹层调温 罐内调温
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
变温培养的正交设计
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
结论：前60h按31℃控制，缩短了适应期使发酵提前转入
生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗 生素提供了物质基础 60小时后将罐温降至3O℃使与抗生素合成有关的酶的活性 增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的延长有利 于进一步积累抗生素 发酵进入后期罐温再回升至31℃ 使生产菌在生命的最后阶 段最大限度的合成和排出次级代谢产物。
第八章 发酵工艺的控制
发酵工艺过程，不同于化学反应过程，它既涉及生物细胞的生长、生理和繁殖等生命过程，又涉及生物细胞分泌的各种酶所催化的生化反应过程。
发酵工程是生物应用工程学科，是微生物学在工业生产领域的大规模应用，是化学工程在生物技术领域的延伸，是生物、化学和工程等学科的综合利用。
8.1发酵过程的主要控制参数1. 物理参数（1）温度（℃）直接影响发酵过程的酶反应速率，氧的溶解度和传递速率，菌体生长速率和合成速率。
（2）压力（Pa）影响发酵过程氧和CO2的溶解度，正压防止外界杂菌污染。
罐压一般控制在0.2×105～0.5×105 Pa。
（3）搅拌速度（r/min）搅拌器在发酵过程中的转动速度。
其大小影响发酵过程氧的传递速率，受醪液的流变学性质影响，还受发酵罐的容积限制（见下表）（4）搅拌功率（kW）搅拌器搅拌时所消耗的功率（kW/m3），在发酵过程中的转动速度。
其大小与液相体积氧传递系数有关。
（5）空气流量（m3空气/（m3发酵液·min））单位时间内单位体积发酵液里通入空气的体积，一般控制在0.5～1.0（m3空气/（m3发酵液·min））（6）粘度（Pa·s）细胞生长或细胞形态的一种标志，反映发酵罐中的菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。
（7）浊度（％）反映应单细胞生长情况（8）料液流量（L/min）进料参数（6）粘度（Pa·s）细胞生长或细Array胞形态的一种标志，反映发酵罐中的菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。
（7）浊度（％）反映应单细胞生长情况（8）料液流量（L/min）进料参数（3）溶解氧浓度（ppm或饱和度，％）溶解氧是好氧发酵的必备条件，是生化产能反应的最终电子受体，也是细胞及产物重要的组分。
通常用饱和百分度表示。
（4）氧化还原电位（mV）培养基的氧化还原电位是影响微生物生长及生化活性的因素之一。
在某些限氧发酵（如氨基酸），氧电极以不能精确使用，氧化还原电位参数控制较为理想。
8.发酵过程控制
发酵过程控制
五 CO2 和 呼 吸 商 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
CO2对菌体具有抑制作用；通常，当排气中 CO2的浓度高于4%时，微生物的糖代谢和 呼吸速率下降。如，发酵液中CO2的浓度达 到1.6×10-1mol，就会严重抑制酵母的生长； 当迚气口CO2的含量占混合气体的80%时， 酵母活力与对照相比降低20%。
二 温 度 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
发酵过程控制
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 温 度 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
发酵过程控制
发酵热的测量： 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迚 出口温度，根据 Q发酵 = G*C（t2 – t1）/V
八 泡 沫 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
发酵过程控制
泡沫的消长规律
八 泡 沫 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
操作情况 培养基原料
发酵周期
发酵过程控制
不同搅拌速度和通气量对泡沫影响
八 泡 沫 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
发酵过程控制
不同浓度蛋白质原料的起泡作用
八 泡 沫 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
二 温 度 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
发酵过程控制
散热的情况：
二 温 度 对 发 酵 的 影 响 及 其 控 制
蒸发热：水汽化时带走的热量，用Q蒸发表示； 假设迚出口气体温度相同，则由通气带走的 热量为：Q蒸发= G（I出-I迚） G：空气流量；I：气体热焓；
发酵过程控制
辐射热：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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一节 发酵过程中的代谢变化与控
制参数
第二节 温度控制
第三节 pH值控制
第四节 泡沫控制 第五节 菌浓和基质对发酵的影响 第六节 发酵终点的判断
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
微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而 且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来
三、发酵过程的主要控制参数
⑸ 空气流量：每分钟内每单位体积发酵液通入空气的体积， 也叫通风比。一般控制在0.5～1.0 L／(L· min)。 ⑹ 压力：罐压一般维持在0.02～0.05 MPa。 ⑺ 搅拌转速：控制搅拌转速调节溶氧。以每分钟的转数表示。 ⑻ 搅拌功率：常指每立方米发酵液所消耗的功率(kW／m3)。 ⑼ 黏度：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，通常用表观黏度表示之。
成方向，影响微生物的代谢调控机制。影响发酵液的理
化性质，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成
在发酵过程中，需要维持适当的温度，才能使菌体生长
和代谢产物的合成顺利进行
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0～260C生长，嗜温 菌适应于15～430C生长，嗜热菌适应于37～650C生长，嗜 高温菌适应于650C以上生长
分批发酵 连续发酵
补料分批发酵
三、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应的综合结果。
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，有时也用在相同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(还原糖和总糖)、氮(氨基氮或铵氮) 等基质的浓度
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， 183千焦耳转变为高能化合物
104.2千焦以热的形式释放
厌氧：产生22.6千焦耳热量， 9.6千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的形式释放 二个例子中转化为高能化合物分别为63.7％和42.6％
温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的
12℃～30℃
二、影响发酵温度变化的因素
• 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。在发酵过程中，某些因 素导致热的产生，另外一些因素又导致热量散失
二、影响发酵温度变化的因素
产热因素：生物热（Q生物）、搅拌热（Q搅拌）
由以上参数计算得出的菌体生长比速、氧比消耗速率、糖比消耗 速率、氮比消耗速率和产物比生成速率也是控制产生菌的代谢、决定 补料和供氧工艺条件的主要依据，多用于发酵动力学的研究。
第二节 温度控制
一、温度对发酵的影响
微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌 温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合
散热因素：蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
产热>散热 净热量堆积 发酵液的温度上升； 相反，产热小于耗热，温度下降。 下面具体分析产热和散热的因素。
1) 生物热Q生物
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，
将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能其余一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生 物热。
三、发酵过程的主要控制参数
(15) 废气中的CO2含量：揭示产生菌的呼吸代谢规律。 (16) 菌丝形态：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长短的依据之一。 (17) 菌体浓度：是控制微生物发酵的重要参数之一，特别是 对抗生素次级代谢产物的发酵。常根据菌浓来决定适合的 补料量和供氧量。
特点：
• 具有时间性；
• 具有生物特异性；
• 与营养有关； 如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢 缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧 烈，有可能染菌，此外培养基营养越丰富，生 物热也越大。
2) 搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液 作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的 摩擦，产生可观的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关，可用 下式计算：
必须了解有关生产菌种对环境条件的要求，并深入了解生产 菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径， 为设计合理的生产工艺提供理论基础 通过各种监测手段以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度 、pH、溶解氧等参数情况，并予以有效地控制，使生产菌 种处于产物合成的优化环境中
二、发酵过程的代谢变化规律
三、发酵过程的主要控制参数
(10)浊度：澄清培养液中低浓度非丝状菌的OD值与细胞浓度 成线性关系，波长600～700 nm间。浊度对氨基酸、核苷 酸等产品的生产是极其重要的。 (11)料液流量
(12)产物的浓度：
(13)氧化还原电位：限氧条件发酵用氧化还原电位参数控制 则较理想。 (14)废气中的氧含量：从废气中的氧和CO2的含量可以算出 产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力。
影响合成方向：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。金色链霉菌 在低于30℃时合成链霉素，温度到达35℃时，只产四环 素
影响产物生成量：黑曲霉生长最适温度33-37℃ ，积累 柠檬酸的最适温度在32℃ 影响产物质量：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％。
葡萄糖过量的培养基上温度对大肠杆菌生长比速的影响
温度对微生物生长的影响具体表现在： (1)有最适宜温度范围。 (2)高温使蛋白质凝固。耐热能力与pH值有关。
V
最适 最低
T 最高
温度对发酵的影响
(1)影响产物生成速度 (2)影响发酵液性质 (3)影响产物种类 a.改变体内酶系→中间产物种类→产物 种类; b.使代谢比例失调； (4)影响产物特性