7发酵过程控制
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。
发酵过程控制发酵过程泡沫的形成和控制
发酵过程控制发酵过程泡沫的形成和控制发酵过程中产生泡沫是由于发酵微生物产生的二氧化碳在液体中产生的气泡。
对于一些发酵工艺来说，泡沫的形成是正常的现象，但当泡沫过高时，会导致操作困难、影响发酵效果甚至引发事故。
因此，控制发酵过程中泡沫的形成和控制是非常重要的。
首先，我们来讨论一些常见的发酵过程中形成泡沫的原因。
发酵过程中产生的泡沫主要有以下几个原因：1.发酵微生物产生的二氧化碳气泡：在发酵过程中，微生物会通过代谢作用产生二氧化碳，这些气体会在液体中形成气泡。
2.搅拌：发酵过程中的搅拌会增加气体与液体的接触面积，从而促进气泡的形成。
3.添加剂：有些发酵过程中需要添加剂，如泡沫剂、表面活性剂等，这些添加剂会导致气泡的形成。
针对泡沫过高的情况，我们需要进行泡沫的控制。
以下是一些常见的泡沫控制方法：1.控制发酵微生物的种类和数量：选择合适的发酵微生物，使其不产生过多的二氧化碳气泡。
2.控制发酵温度：温度的控制对于发酵过程很重要，过高或过低的温度都会导致泡沫过高。
因此，要合理控制发酵过程中的温度。
3.控制搅拌的速度和时间：适当控制搅拌的速度和时间，避免过度搅拌，以减少气泡的形成。
4.添加抗泡剂：在发酵过程中添加抗泡剂，可以减少气泡的形成。
抗泡剂可以抑制气泡的集聚和稳定。
5.使用泡沫控制装置：在发酵过程中使用泡沫控制装置，如泡沫传感器和控制器，可以自动检测和控制泡沫的高度。
总之，控制发酵过程中泡沫的形成和控制是一项重要的工作。
通过合理选择发酵微生物、调节温度、控制搅拌速度和时间、添加抗泡剂以及使用泡沫控制装置等手段，可以有效地控制和管理发酵过程中的泡沫，确保发酵过程的顺利进行。
发酵工艺的泡沫控制需要结合具体的实际情况，进行合理的调整和控制，以满足生产过程的要求。
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。
7发酵工艺控制(第4节-泡沫控制)【发酵工程】
发酵液性质随菌代谢不断变化，是泡沫消长的重要因素。
举例： 霉菌发酵前期，泡沫很稳定，因发酵液黏度高和表面
张力低。随着蛋白酶、淀粉酶的增多及碳、氮源的利用， 蛋白质降解，发酵液黏度 降低和表面张力上升，泡 沫在减少。
菌体也有稳定泡沫的升。
三、 泡沫的控制
消沫装置可安装在罐内或罐外。
罐内法：可在搅拌轴上方安装消沫桨，形式多样， 泡沫借旋风离心场作用被压碎，也可将少量消泡剂加 到消沫转子上以增强消沫效果。
罐外法：是将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或 离心力粉碎泡沫。
离心式消泡器 ：
是一种离心式气液分离装置。装于排气口上，夹带 液沫的气流以切线方向进入分离器中，由于离心力的作 用，液滴被甩向器壁，经回流管返回发酵罐，气体则自 中间管排出。
②、增加了菌群的非均一性：
由于泡沫高低的变化和处在不同生长周期的微 生物随泡沫漂浮，或黏附在罐壁上，使这部分菌有时在 气相环境中生长，引起菌的分化，甚至自溶，从而影响 了菌群的整体效果。
③、增加了污染杂菌的机会，发酵液溅到轴封 处，容易染菌。
④、大量起泡，控制不及时，会引起逃液，招 致产物的流失。
举例：
土霉素发酵中用泡敌、植物油和水按(2～3)：(5～ 6)：30的比例配成乳化液，消沫效果很好，不仅节约了 消沫剂和油的用量，还可在发酵全程使用。
消沫作用的持久性与本身的性能、加入量、加入时 机有关。
举例： 青霉素发酵中曾采用滴加玉米油的方式，防止了泡沫
用量0.03％左右，消沫能力比植物油大10倍以上。
泡敌亲水性好，在发泡介质中易铺展，消沫能力强， 但其溶解度也大，消沫活性维持时间较短。在黏稠发酵 液中使用效果比在稀薄发酵液中更好。
3、高级醇：
十八醇是高级醇类中常用的一种，可单独或与载体一 起使用。它与冷榨猪油一起能有效控制青霉素发酵的泡沫。
发酵过程的控制
温度提高，合成四环素的比例也提高，温度到达 35 ℃
时，金霉素的合成几乎停顿，只产生四环素。
4、温度还影响基质溶解度
在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解
吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。
五、最适温度的控制
1、根据菌种及生长阶段来选择 微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求
在发酵30h，一次性参加0.1%、0.2％、0.3％、0.4％的次黄嘌呤 对鸟苷产量的影响
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 菌体浓度与菌体生长速率直接相关 菌体浓度的大小影响产物的得率 控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓
度
二、基质对发酵的影响及控制
1、碳源对发酵的影响及控制
容易实现自动控制 1、化学消泡机理 消泡剂外表张力低，使气泡膜局部的外表张力降低，
使得平衡受到破坏
2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类 〔1〕选用依据： ①外表活性剂 ②对气-液界面的散布系数必须足够大 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 ⑥来源方便，本钱低
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 = qvC〔t2 – t1〕/V；
qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg ℃；V为发酵液体积，m3
②利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度 随时间上升的速率，根据
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，结果如下图。 “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。
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。
发酵工艺的过程控制
发酵工艺的过程控制引言发酵工艺是一种将有机物质通过微生物的作用转化为需要的产物的过程。
在发酵过程中，微生物通过吸收养分、产生代谢产物和释放能量，完成了物质的转化。
为了保证发酵过程的高效和稳定，控制发酵过程至关重要。
本文将介绍发酵工艺的过程控制，包括控制参数和控制策略。
1. 发酵过程的控制参数发酵过程的控制参数是指影响发酵过程的参数，包括温度、pH值、溶氧量、搅拌速度、发酵菌种等等。
这些控制参数对于发酵过程的高效和稳定起到了重要的作用。
1.温度：发酵过程中适宜的温度可以促进微生物的生长和代谢活动。
不同的发酵过程需要不同的温度，一般在微生物的最适生长温度附近，通常在25-42摄氏度之间。
2.pH值：发酵过程中的pH值对微生物的生长和代谢活动有重要影响。
不同的微生物对于pH值的需求不同，一般在微生物最适生长pH值的附近维持。
3.溶氧量：溶氧量是指发酵液中的氧气饱和度。
微生物在发酵过程中需要氧气进行呼吸和代谢活动。
合适的溶氧量可以提高发酵效率和产物质量。
4.搅拌速度：搅拌速度对于发酵液中的微生物的分散性和氧气气液传递有着重要影响。
适当的搅拌速度可以保证发酵液中的微生物充分接触营养物质和氧气。
5.发酵菌种：选择适宜的发酵菌种对于发酵过程的控制至关重要。
合适的发酵菌种应具备高发酵活力、产物合成能力和抗污染能力。
2. 发酵过程的控制策略为了实现对发酵过程的有效控制，需要采取相应的控制策略。
以下是几种常见的发酵过程控制策略。
1.反馈控制：反馈控制是根据实时的监测数据对发酵过程进行调节。
通过监测发酵过程中的温度、pH值、溶氧量等参数，将实际参数与设定值进行比较，根据误差进行反馈调整，以维持发酵过程的稳定性。
2.前馈控制：前馈控制是根据预期的发酵过程需求提前对控制参数进行调整。
通过事先设定好的控制策略，根据发酵过程中的状态进行预测和计算，提前对控制参数进行调整，以达到预期的控制效果。
3.比例积分控制：比例积分控制是通过调整控制器的比例参数和积分参数来改变控制器的工作方式。
发酵过程控制7发酵过程泡沫的形成与控制
胶束
定向吸附层
溶 液中当表面活性剂的浓度低于临界胶束浓度时，
以第一种情况为主；
表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种
情况。 在泡沫不断增加时，表面活性剂会从胶束中不
断转移到新产生的气液界面上
超过表面 活性剂形 成胶束的 最低浓度 后，溶液 表面张力 不再降低
表面活性剂为什么会定向排列在表面？
明胶、聚乙烯醇、甲基纤维素、皂素等。
• 应用 泡沫浮选，泡沫灭火剂，泡沫杀虫
剂，泡沫除尘...
• 泡沫的破坏 消泡
分物理方法 化学方法
搅动、加热和冷却的交替、 加压与减压、过滤、离心或超声波处理等方 法进行消泡。
物理方法
化学方法 两方面：抑泡 (防止泡沫形成)
和破泡 (消除已生成的泡沫)。常用加入泡沫 抑制剂和消泡剂。
定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体
亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫 的作用。
3、起泡速度高于破泡速度
起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件； 破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自由能上的 差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一速度因素。 高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起泡程度是起泡难 易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。 泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起
PU泡沫性能 容重（kg/m3） 抗压强度（Mpa) 地面 43±3 ≥0.30 墙面 35±2 ≥0.10 顶面 32±2 ≥0.10
阻燃性
闭孔率 尺寸稳定性
离火自熄时间3～5秒
≥90% ≤ 3%
导热系数
≤0.026 Kcal/m• h ℃
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第七章 发酵过程控制
一、初级代谢的变化 二、次级代谢的变化 三、发酵过程的主要控制参数
初级代谢变化的根本原因在于菌体的代谢活 动引起环境的变化，而环境的变化又反过来影 响菌体的代谢。 在初级代谢中，菌体生长仍显示适应期、对 数生长期、静止期和衰亡期的特征。 由于菌体的生理状态与培养条件不同，各个 时期时间长短也不尽相同，且与接种微生物的 生理状态有关。
生物热的大小随培养时间的不同而不同。 实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产 量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈 代谢十分旺盛。
生物热的大小与菌体的呼吸强度有对应关系，呼 吸强度越大，所产生的生物热也越大。
在四环素发酵中，还发现 生物热和菌的呼吸强度的 变化有对应关系，特别是 在80小时以前。从此实验 中还可看到，当产生的生 物热达到高峰时，糖的利 用速度也最大。另外也有 人提出，可从菌体的耗氧 率来衡量生物热的大小。
• 蒸发热的计算： Q蒸发=G（I2-I1） G：空气流量，按干重计算，kg/h I1 、I2 ：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg （干空气）
• 辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐 体向外辐射的热量。
• 辐射热可通过罐内外的温差求得，一 般不超过发酵热的5%。
发酵热的测定
（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和 冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内 的发酵热。
影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶 的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；
H+或OH-在细胞内改变了胞内原有的中性状 态，影响到酶蛋白的解离度和电荷情况，从而 改变酶的结构和功能。
•
影响微生物原生质膜所带电荷的状态。改变 细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸 收和代谢产物的排泄。
7aca发酵工艺 -回复
7aca发酵工艺-回复什么是7aca发酵工艺？7aca发酵工艺是指利用微生物发酵过程生产7-氨基羟基丙酸（7aca）的技术。
7aca是一种重要的合成中间体，广泛用于制药、化妆品和农药等领域。
通过7aca发酵工艺，可以将廉价的酮酸底物转化为高附加值的7aca 产物，具有经济效益和环境友好性。
发酵工艺流程7aca发酵工艺包括发酵液的制备、发酵过程控制和分离纯化等步骤。
以下是7aca发酵工艺的详细流程。
1. 发酵菌种的选取：选择适合7aca生产的菌株，常用的菌株包括亚稳耐热链球菌和亚稳耐酸链球菌等。
2. 发酵基质的准备：酮酸为最常用的发酵底物，需要通过生化过程提取或化学合成获取。
甘油和其他有机底物也可作为基质。
3. 发酵液的制备：将选定的发酵菌株接种到含有酮酸基质的发酵培养基中，并进行适当的培养条件控制。
包括pH值、温度、氧气供应和营养成分的调节。
4. 发酵过程控制：通过调控发酵条件来提高7aca的产率和纯度。
优化pH 控制、氧气供应和营养成分的添加量等因素。
5. 发酵反应的监测：对发酵过程中的关键指标进行实时监测，如酮酸浓度、细胞密度和产物产量等。
6. 发酵液的分离纯化：将发酵液经过离心、超滤和蒸发等步骤进行固液分离，得到高纯度的7aca产物。
7. 产品的检测和分析：通过高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）和质谱等技术对7aca产物进行检测和纯度分析。
发酵工艺的关键因素在7aca发酵工艺中，有几个关键因素需要特别关注：1. 菌株的选择：不同的菌株对酮酸基质的利用能力和7aca产量有差异。
因此，选择适宜的菌株对工艺的成功与否至关重要。
2. 发酵条件的控制：pH值、温度和营养成分等发酵条件对菌株的生长和代谢过程起着重要调节作用。
通过优化这些参数，可以提高7aca的产量和纯度。
3. 氧合条件的控制：提供足够的氧气供应是7aca发酵过程中另一个关键因素。
合理的氧气供应可以提高酮酸的利用效率和7aca的产量。
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。
7 发酵过程控制
4. 温度对产物合成的影响
影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生 长代谢与产物生成。 e.g. 青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol
青霉素合成活化能E2=112kJ/mol
∴青霉素合成速率Байду номын сангаас温度较敏感
4. 温度对产物合成的影响
改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。 影响生物合成方向。
dC L 0，OTR>γ dt
当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平衡通常发生
在正常情况的前、后期。
平衡点分析：
dC L 0，OTR<γ dt
②当CL↓（如对数生长期γ 很大），
∵ OTR KLa C CL ， CL , C CL , OTR
dC L ∴OT R γ ， 0 ，称低位平衡。 dt
e.g. 丙酮丁醇菌：生长 pH为5.5～7.0；合成pH为4.3～5.3
（2）pH对产物合成的影响
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。
e.g. 黑曲霉发酵：pH2~3, 柠檬酸；pH接近中性，草酸
酵母菌发酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸
2. 温度对微生物生长的影响
dx x x dt
1 dx x dt
当μ>>α时，α可忽略，微生物处于生长状态。μ、α皆与T有 关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：
A1e
E RT
A 2e E
RT
∵Eμ＜Eα
∴死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感
第七章 发酵过程控制1
各因子之间可能会产生交互作用,影响的结果准 各因子之间可能会产生交互作用, 确性
发酵过程控制
数理统计学方法: 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, 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. 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, 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, 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. 大大提高了实验效率. 但生物学实验要求准确性高, 但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, 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. 较大的误差就会得出错误的结果.
发酵过程控制
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, 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
发酵过程控制
发挥菌种的最大生产潜力需考虑的要点 生长速率,呼吸强度, 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 营养要求(酶系统),代谢速率 温度, , 菌体代谢与环境的相关性 温度,pH,渗透 离子强度,溶氧浓度, 压,离子强度,溶氧浓速度(r/min) 3 搅拌速度(r/min) 搅拌器在发酵过程中的转动速度. 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, 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 还受发酵罐的容积限制(见下表) 响,还受发酵罐的容积限制(见下表)
发酵罐容积(L) 发酵罐容积(L) 3 10 50 200 10000 50000 搅拌转速范(r/min) 搅拌转速范(r/min) 200~2000 150~1000 100~800 50~400 25~200 25~160 备注 实验室研究 实验室, 实验室,小试 中试 中试或生产 生产 生产
发酵过程控制
引起发酵液pH值变化的常见因素 (1)下降 ①培养基中C/N不当，有机酸积累； ②消沫油加得过多； ③生理酸性物质过多； (2)上升 ①C/N比例不当，N过多，氨基氮释放； ②生理碱性物质过多； ③中间补料时碱性物参加量过大；
➢ 发酵液的pH值变化是菌体代谢反响的综合结果。
②利用温度变化率S〔℃/h〕：先使罐温恒定， 再关闭自控装置，测量S，根据
③热力学方法：
根据盖斯定律：“在恒压和横容条件下，一个反响 不管是一步完成或几步完成，其反响热是一样的〞。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。
2 影响pH值变化的因素
在发酵过程中，pH值的变化决定于所用的菌 种、培养基的成分和培养条件。在产生菌的代 谢过程中，菌体本身具有一定的调整周围环境 pH值，构建最适pH值的能力。
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。
发酵过程的主要控制参数
⑴ pH值： 显示发酵过程中各种生化反响的综合 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，有时也用在一样条件下 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(复原糖和总糖)、氮 (氨基氮或铵氮)等基质的浓度。
后期产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。
2〕根据培养条件选择
➢温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 ➢通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低 些，溶氧浓度也可髙些。 ➢培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利 用快，会使菌过早自溶。
发酵过程的控制
【例】： 在GA(谷氨酸)发酵的合成期，过量供氧会使NADPH（还原型辅酶Ⅱ）进入呼吸链被氧化，减少了其数量，而NADPH与α-KGA（α-酮戊二酸）的还原氨基化是相偶联的，必然会影响α-KGA →GA的合成。
要指出的是，需氧发酵并不是溶解氧越高越好，适宜的溶氧水平有利于菌体生长和产物形成。但溶氧太高，有时反而抑制产物的形成。即使是专性好气菌，过高的DO对生长也可能不利。因为过量的氧会形成新生态[O]、活性氧自由基 O2 ·和 OH· ，造成许多细胞组分破坏，反而不利于微生物的生长。 发酵过程需氧程度产生差异的原因是：微生物的代谢途径不同所引起的。由于不同代谢途径产生不同数量的还原型NAD(P)H，它再氧化所需要的溶氧量当然也不同。由此可知，供氧大小与产物的生物合成途径有关。
三、发酵过程氧的传质理论
（一）氧从气泡至细胞的传递过程
供氧：空气中的氧从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液相主体中。
耗氧：氧从液相主体通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内，才能被微生物利用。 以上氧传递的整个过程必须克服一系列的阻力。
氧从气泡到细胞的传递过程示意图
O2
气膜
发酵罐的温度传感器、耐高温pH和溶氧传感器
好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，它们只有氧分子存在情况下才能完成生物氧化作用。因此，供氧对需氧微生物是必不可少的，在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖、积累所需要的代谢产物。而需氧微生物的氧化酶系是存在于细胞内原生质中，因此，微生物只能利用溶解于液体中的氧。 溶氧(Dissolved Oxygen , DO)是需氧微生物生长所必需的。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是制约发酵进行的重要限制因素。
一、溶氧对发酵的影响 氧对微生物发酵的影响是多方面的，不同的菌、不同的发酵阶段对于氧的要求也不相同，氧对其的影响也不相同，表现如下： 1、影响菌系的酶活性 在微生物的代谢过程中，许多参与催化脱氢氧化反应的酶都是以NAD(P)为辅酶的，NAD(P)的数量是保证酶活力的基础。NAD(P)作为H的受体，脱氢后成为还原的NAD(P)H。NAD(P)H只有在有氧条件下才能通过呼吸链被氧化，生成氧化型NAD(P)后又重新参加脱氢反应，一旦发酵液中的氧的浓度不够，与NAD(P)相关的酶促反应就会停止。
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
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。
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（1）溶解氧控制的一般原则
生长阶段：CL CCr
即可
产物合成阶段： CL Cm
即可
❖ 过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑 制作用
（2）溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一
❖ 控制原理
▪ 发酵过程中， 糖量↑→ x ↑, QO2 ↑ → γ ↑ → CL↓ 糖量 ↓ → QO2 ↓ → γ ↓ → CL ↑
正确评价通气的作用：
供氧：VVM , KLa 排废气：
水分及挥发性组分的散失
(2) 基质浓度对产物合成的影响
低浓度限制 低水平诱导 高浓度抑制及分解阻遏作用
e.g.葡萄糖氧化酶发酵：葡萄糖用量从8%降至6%，补入 2%氨基乙酸或甘油，使酶活力分别提高26%或6.7%。 谷氨酸发酵（乙醇为碳源）：当乙醇浓度为2.5g/L和 35g/L时，可延长谷氨酸生产时间，但在更高浓度下， 菌体生长受到抑制，谷氨酸产量降低。
C CL
QO2 x
▪影响供氧的因素：C*- CL 温度、溶质、溶剂、氧分压
KLa 设备参数、操作参数、发酵液特性
▪影响耗氧的因素：γ 菌种特性、培养基成分和浓度、菌
龄、培养条件（T、pH）、代谢类型
（2）发酵过程中溶氧变化规律
批式发酵无DO控制情况下，溶氧变化规律为“波谷现象”
CL
x
QO2
（六）CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制
1. 定义 2. 发酵过程中CO2释放率的变化 3. CO2对发酵的影响
1. 定义
呼吸商（RQ）：指菌体呼吸过程中，CO2释放率和菌的耗 氧速率之比，RQ反映菌的代谢情况。
菌体耗氧速率 OUR，molO2/L·h 菌体CO2释放率CER，molCO2/L·h
（四）pH对发酵的影响及其控制
1. 发酵对pH的影响 2. pH值对发酵过程的影响 3. 最适pH的选择 4. 发酵过程中pH的调节与控制
1）发酵液中pH变化的基本原理
微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生：①酸性 或碱性代谢产物的生成或释放；②菌体对培养基中生 理酸性或碱性物质的利用。
引起发酵液中pH下降的因素 （1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机
醉”状态，细胞Βιβλιοθήκη 长受到抑制，形态发生改变。（3）CO2对菌体生长及产物形成的影响
CO2↑, 基质分解速率↓，ATP ↓ ，中间产物↓或形态变异 导致产量↓
高浓度CO2抑制作用的独立性: 只要CO2在培养液中浓度 过量，即使供氧充足（CL>CCr），CO2的抑制作用不能 解除，这种负作用在放大过程更明显。
（2）pH对产物合成的影响
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。 e.g. 黑曲霉发酵：pH2~3, 柠檬酸；pH接近中性，草酸 酵母菌发酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸 和甘油 谷氨酸发酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；pH5.0~5.8, 谷酰胺 和N-乙酰谷酰胺
2）发酵过程中pH的变化规律
生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的 趋势
生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合 成的范围
自溶阶段：pH又上升
（1）pH对微生物生长的影响
▪ pH对生长的影响机制 ▪ 对E合成的影响 ▪ 对E活性的影响 ▪ 对ATP生产率影响：ATP , x ▪ 影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜的渗透性的变化，
当 CL CCr 时, QO2
QO2 m CL K0 CL
QO2 m
呼吸抑制
∴对生长应满足 CL CCr , 但并不是越高越好
（2）溶解氧对产物合成的影响
最适氧浓度（Cm）：溶氧浓度对产物合成有一个最适 范围，CL过高或过低，对合成都不利。
e.g.卷须霉素：12~70h之间，维持CL 在10%比在0或
（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一
❖控制方法 ▪ 溶氧和补糖控制系统 ▪ 溶氧和pH控制的系统
（3）溶解氧控制的工艺方法：从供氧、需氧两方面考虑
供氧方面： ▪ 提高氧分压（氧分含量），即
，提高供氧能力
▪ 改变搅拌转速：通过改变KLa来提高供氧能力
▪ 通气速率Ws ↑：Ws增加有上限，引起C“过载”、泡沫
A1eE RT
A2eE RT
∵Eμ＜Eα ∴死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感
嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系
2. 温度对微生物生长的影响(续)
在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加， 当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅 速下降。
不同生长阶段的微生物对温度的反应不同 处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。 对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的 条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破 坏作用较弱。 处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于 溶解氧，而不是温度。
3. 最适pH的选择
选择pH准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量， 以获得最高产量。
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
（1）pH调节方法
配制合适的培养基，有很好的缓冲能力； 发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂
(NaOH、HCl、CaCO3)； 发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH；
影响生物合成方向。 e.g. 四环素发酵中金色链霉菌：T<30℃，产生金霉素； T达35 ℃，产生四环素； 谷氨酸发酵中扩展短杆菌： 30℃培养后37 ℃发酵， 积累过量乳酸。
温度对菌的调节机制关系密切 。
4. 温度对产物合成的影响
影响酶系组成及酶的特性。 ➢ 米曲霉制曲：温度控制在低限，有利于蛋白酶
补糖使CL下降，而CL回升的快慢取决于供氧效率。 ▪ 对于一个具体的发酵，存在一个最适氧浓度（Cm）水
平，补糖速率应与其相适应。
CL
C
，加大补糖速率
m
CL Cm，减小补糖速率 实现用溶解氧水平控制补料速率
（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一
❖控制原则 补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓“半饥饿 状态”，使其仅能维持正常的生长代谢，即把更 多的糖用于产物合成，并永远不超过罐设计时的 KLa水平所能提供的最大供氧速率。
4. 温度对产物合成的影响
影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生 长代谢与产物生成。
e.g. 青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol 青霉素合成活化能E2=112kJ/mol ∴青霉素合成速率对温度较敏感
4. 温度对产物合成的影响
改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。
(三)温度对发酵的影响及其控制
1. 影响发酵温度的因素 2. 温度对微生物生长的影响 3. 温度对基质消耗的影响 4. 温度对产物合成的影响 5. 最适温度的选择与控制
(1)发酵热
发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
(2)生物热
来源 ：微生物对营养物质的分解所释放的能量
平衡点分析：
②当CL↓（如对数生长期γ很大）， dCL 0，OTR<γ dt
∵ OTR KLa C CL ， CL , C CL , OTR
∴OTR γ ，dCL 0 ，称低位平衡。 dt
低位平衡通常发生在正常情况下的对数期。
值得注意的几点
自然“波谷现象”，一般可以自适应调节C（L ,OTR ） 当 CL CCr ，则需要控制，增加OTR，防止需氧受阻。 补料与“波谷现象”对应：即补料时间、剂量选择与溶
影响因素：
菌株
培养基成分
发酵时期
生物热与其它参数的关系
①呼吸强度QO2 ②糖利用速率
当产生的生物热达到高峰时，菌的呼
吸强度最大，糖的利用速率也最大， 可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。
2. 温度对微生物生长的影响
dx x x dt
1 dx x dt
当μ>>α时，α可忽略，微生物处于生长状态。μ、α皆与T有 关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：
RQ CER OUR
（1）影响尾气中CO2浓度的因素
通入空气量：VVM , CCO2出
呼吸强度： QO2 QCO2 ，CCO2出 CO2溶解度：T、P T , CCO2出 ；P ，CCO2出
菌体量：x QCO2 x CER ，CCO2出
（2）CER变化规律
CO2积累量渐增，与x曲线对应，基本类似S型曲线变化； 当工艺和设备参数一定的情况下，CER与x有比例关系
溶氧、x、QO2、 随时间变化的关系
平衡点分析：
①当CL↑，即
dCL 0，OTR>γ dt
∵ OTR KLa C CL ，CL , C CL , OTR
∴OTR逐渐↓至OTR=γ，即 dCL 0，高位平衡 dt
当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平衡通常发生
在正常情况的前、后期。
▪ 提高罐压： ，但同时会增加CO2的溶解度，影响pH及可能会影响 菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。
▪ ▪
改加变消发泡酵剂液，C理补 化加性无质菌水（σ，，改变，培Ii养）基成分→改变KL
▪ 改变温度： 提高推动力（C*－CL）
（3）溶解氧控制的工艺方法（续）
耗氧方面 限制性基质的流加控制（补料控制）：在OTR一定情况 下，控制基质浓度→限制μ、x→ 限制γ →控制溶解氧
氧变化有关。 a. 不能在波谷时补料，加重缺氧 b. 一次补料不能过量，防止 CL CCr ， 菌体停止呼吸、死亡 c.每次补料都会引起一次大的溶氧下降。
（1）溶解氧对生长的影响
临界氧浓度（CCr）： 指不影响菌体呼吸所允许的最低 氧浓度。
当 CL CCr 时, QO2 QO2 m 呼吸不受抑制