发酵过程工艺控制
发酵工程第5章发酵工艺控制
缺点 如果考察的条件多，实验时间会比较长，各因 子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性。
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。 缺点 对于生物学实验准确性要求高，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。
厌氧发酵 需氧发酵 兼性厌氧发酵
液体发酵（包括液体深层发酵）
按培养基的物理性状
浅盘固体发酵
固体发酵
深层固体发酵（机械通风制曲）
以纯种好氧液体深层发酵为典型探讨发酵工艺控制。
一、发酵过程主要特征
（1）微生物是发酵过程的主体，是灵魂 （2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反应 体系
（3）发酵过程是非常复杂的反应过程
带pH测控与补料控制的摇床
（2）代谢及工程参数层次研究：
一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试 验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法 考察的参数，以及在反应器中微生物对各种 营养成分的利用速率、生长速率、产物合成 速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出 过程控制的最佳条件和方式。由于罐发酵中 全程参数的是连续的，所以得到的代谢情况 比较可信。
供氧、排泄废气、提高KLa 物料混合、提高KLa 反映搅拌情况、KLa 反映菌的生长、KLa 反映菌的生长情况
反映发酵代谢情况
反映供氧效率
42
参数名称
pH 基质浓度 溶解氧浓度 氧化还原电位 产物浓度 尾气氧浓度 尾气CO2浓度 菌体浓度 RNA、DNA含量 ATP、ADP、AMP NADH含量 摄氧率 呼吸强度 呼吸商
07 第七章 发酵工艺过程控制 20171024 课后
第七章发酵工艺过程控制11. 发酵工艺过程控制2. 温度对发酵的影响及其控制3. pH值对发酵的影响及其控制4. 溶解氧对发酵的影响及其控制5. 泡沫对发酵的影响及其控制6. 补料（基质浓度）控制7. 发酵过程中的参数检测8. 高密度发酵21.发酵工艺过程控制3发酵过程控制的重要性•过程控制的内容：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的控制。
•过程控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使所需要的代谢活动得以最充分的表达，以最经济、最大限度地获得发酵产物。
决定发酵水平的因素外部环境因素生物因素：菌株特性(营养要求、生长速率、产物合成速率)设备性能: 传递性能工艺条件物理：T 、Ws化学：pH 、DO 、基质浓度4工业微生物发酵过程52.温度对发酵的影响及其控制影响发酵温度变化的因素温度对微生物生长的影响温度对基质消耗的影响温度对产物合成的影响最适温度的选择与控制62.1 影响发酵温度的因素发酵热就是发酵过程中所产生的净热量Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射产热因素：生物热机械搅拌热散热因素：蒸发热辐射热7（1）生物热Q生物生物热是生产菌在生长繁殖过程中产生的热能。
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化产生能量，一部分用于合成ATP提供细胞代谢产物合成需的能量，另一部分以热的形式散发，这散发出来的热就叫生物热。
影响生物热的因素：菌株发酵类型、培养基、发酵时期8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。
和水一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2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9培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性细胞呼吸量强弱与生物热的大小有关：1.在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。
发酵工艺过程控制
发酵工艺过程控制发酵工艺过程控制是指在发酵过程中，通过合理控制发酵的条件和参数，使发酵过程达到预期的目标，达到最佳的产品质量和产量。
发酵工艺过程控制包括发酵条件的选择、发酵参数的控制和数据采集、分析等内容。
下面将详细介绍发酵工艺过程控制的一些关键点。
首先，在发酵工艺过程控制中，发酵条件的选择非常重要。
发酵条件包括温度、pH值、氧气供应和搅拌速度等。
不同的微生物和发酵产物有其适宜的发酵条件。
一般来说，温度是一个非常关键的参数。
适宜的温度可以提高微生物的生长速率和代谢活性，从而提高产物的产量和质量。
同时，pH值也会影响微生物的生长和代谢。
合适的pH值可以提供一个适宜的酶活性和物质转运环境。
氧气供应和搅拌速度对于需要氧气的微生物来说非常重要。
合适的氧气供应和搅拌速度可以提高微生物的通气效果和溶氧量，从而提高产量和代谢产物的选择性。
其次，在发酵工艺过程控制中，对发酵参数的控制和数据采集、分析也是至关重要的。
发酵参数包括微生物的接种量、培养基成分比例、培养基的初始pH值等。
合理的微生物接种量和培养基成分比例可以提高产物的产量和质量。
同时，初始pH值的控制可以提供一个合适的环境供微生物生长和代谢。
在发酵过程中，需要对各个参数进行实时的数据采集和分析，以便及时调整和优化发酵条件。
通过数据采集和分析，可以有效地监测发酵过程的进展，及时发现并解决问题，从而提高发酵工艺的稳定性和可控性。
另外，在发酵工艺过程控制中，发酵的时间也是需要考虑的一个因素。
发酵的时间过短可能导致微生物的生长和代谢不完全，从而影响产物的产量和质量；发酵的时间过长则可能导致微生物的过度生长和细胞死亡，影响发酵过程的稳定性和可控性。
因此，需要通过实验和经验来确定合适的发酵时间，以达到最佳的产物质量和产量。
综上所述，发酵工艺过程控制是一个非常重要的领域。
通过合理选择发酵条件和控制发酵参数，以及进行数据采集和分析，可以实现对发酵过程的有效控制，提高产品的产量和质量。
发酵工艺过程及控制介绍
发酵工艺过程及控制介绍1. 引言发酵是一种常见的生物过程，广泛应用于食品、饮料、药品等行业。
掌握发酵工艺的相关知识和控制方法对于提高产品品质、减少生产成本具有重要意义。
本文将介绍发酵工艺的基本过程和常见的控制方法，希望能为读者提供一些有用的信息。
2. 发酵工艺的基本过程发酵工艺是利用微生物在一定条件下进行生物代谢产生有用产物的过程。
其基本过程可以分为以下几个阶段：2.1 发酵前处理发酵前处理包括原料准备、消毒灭菌和接种等步骤。
原料准备是根据产品的不同需求选择合适的原料，并进行加工处理，如研磨、过滤等。
消毒灭菌是为了杀死微生物，防止杂菌污染。
接种是将合适的微生物菌种引入到发酵系统中，以促进发酵的进行。
2.2 发酵主过程发酵主过程是指微生物在适宜的环境条件下，利用碳源、氮源和能源进行代谢活动。
这个阶段主要包括菌种适应期、生长期和产物积累期。
在菌种适应期，微生物适应新的环境条件，准备进入生长期。
在生长期，微生物通过吸收和利用外部营养物质，进行生物合成和生长增殖。
在产物积累期，微生物代谢产物开始积累，并趋于稳定。
2.3 发酵后处理发酵后处理主要包括产物分离、精制、贮存等步骤。
产物分离是将发酵液中的固体和液体分离开来，常用的分离方法包括离心、膜分离等。
精制是对分离得到的产物进行纯化和提纯，以满足产品的要求。
贮存是将产物储存起来，以便日后销售和使用。
3. 发酵工艺的控制方法为了保证发酵工艺的顺利进行和产物的高质量，需要采用一些控制方法。
以下是常见的发酵工艺控制方法的介绍：3.1 温度控制温度是影响微生物生长和代谢的重要因素之一。
合适的温度可以提高微生物代谢活性，促进产物的积累。
过高或过低的温度都会对发酵产物的质量和产量产生不良影响。
因此，在发酵过程中，需要对发酵系统进行温度控制，保持适宜的温度范围。
3.2 pH控制pH是微生物生长和代谢的另一个重要因素。
微生物对不同pH值的适应能力有所不同，因此，在发酵过程中，需要控制发酵液的pH值，使其保持在适宜的范围内。
发酵过程的工艺控制
发酵过程的工艺控制发酵是一种利用微生物（如酵母、乳酸菌等）对物质进行转化以产生有用产物的过程。
在食品、饮料、药物和能源产业中，酵母发酵被广泛应用于生产酒精、面包、酸奶和生物燃料等产品。
在发酵过程中，工艺控制是至关重要的，它可以确保发酵过程的高效进行，并优化产物的质量和产量。
在发酵过程的工艺控制中，有几个关键方面需要考虑和管理。
首先是基质含量和组成的优化。
发酵基质是提供微生物生长和代谢所需的营养物质的载体。
通过合理的基质设计，可以最大限度地提高发酵效率和产物产量。
例如，在酿酒发酵中，酵母对葡萄糖的利用效率通常较高，因此应该控制葡萄糖的浓度，以避免过高或过低的浓度对发酵效果的影响。
其次是发酵过程的温度控制。
温度是影响微生物生长和代谢的最重要因素之一、不同的微生物对温度的要求不同，因此需要根据所采用的微生物菌株来控制发酵过程的温度。
通常情况下，发酵反应的最佳温度需要通过试验确定，以确保微生物能够在最适宜的温度下生长和活性表现。
此外，溶氧浓度的控制也是发酵过程中的重要环节。
微生物在进行发酵代谢时需要氧气作为底物，以促进细胞生长和代谢产物的形成。
因此，在发酵过程中需要保持合适的氧气供给，以防止微生物活性和产物产量的降低。
这可以通过控制搅拌速度、气泡量和气体通量等方式来实现。
此外，pH值的控制也是发酵过程中的重要方面。
微生物对酸碱度的敏感程度各不相同，因此需要根据所采用的微生物菌株来优化发酵过程的pH控制。
通常情况下，维持中性到微酸性的pH值范围对于大多数微生物来说是最适合的。
最后，发酵过程的时间控制也需要加以考虑。
不同的微生物菌株对于发酵反应的时间要求不同，因此需要根据所采用的菌株和产品要求来确定发酵时间。
过长的发酵时间可能会导致产物的质量下降，而过短的发酵时间则可能无法实现所需要的产物产量。
总之，发酵过程的工艺控制是确保发酵反应高效进行的关键要素。
通过优化基质含量和组成、温度控制、溶氧浓度控制、pH值控制和时间控制等方面，可以最大限度地提高发酵效率和产物产量，从而获得高质量的发酵产品。
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。
发酵过程的工艺控制
空气 发酵尾气 消泡剂
酸碱
蒸汽
发酵过程的工艺控制
问题
为什么说微生物分批培 养是一种非稳态的程？
在分批培养过程中，随着微生长细胞和底物、代 谢物的浓度等的不断变化，微生物垢生长可分为停 滞期、对数生长期、稳定期和死亡期等四个阶段， 图10-1为典型的细胞菌生长曲线。 请看下图：
发酵过程的工艺控制
分批培养过程中典型的细菌生
细胞的生长速度基本维持恒定，其生长速度可用数学方程表示：
dx x
dt
x---细胞浓度（g/l）；t---培养时间（hr）； μ ---细胞的比生长速率（1/h）。 如果当t=0时，细胞的浓度为x0(g/l)，上式
积分后就为：
发酵过程的工艺控制
ln x t
x0
于是，用微生物细胞浓度的自然 对数对时间作图，就可得到一条 直线，该直线的斜率就等于 μ。
发酵过程的工艺控制
3、补料分批培养的优点
料分批培养是介于分批培养和连续培 养之间一种微生物细胞的培养方式，它 兼有两种培养方式的优点，并在某种程 度克服了它们所存在的缺点。表10-7为 补料分批培养的一些优点。
发酵过程的工艺控制
一、微生物发酵的动力学
一般来说，微生物学的生长和培 养方式可以分为：
分批培养 连续培养 补料分批培养
发酵过程的工艺控制
基本概念
分批培养又称分批发 酵，是指在一个密闭系统 内投入有限数量的营养物 质后，接入少量的微生物 菌种进行培养，使微生物 生长繁殖，在特定的条件 下只完成一个生长周期的 微生物培养方法。
长曲线
10
对 数
菌 数 的
bc
d
根据图提问
0 16
时间
发酵过程的工艺控制
发酵生产的过程及控制
死亡期
2、补料分批培养
在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不足而导致 的发酵过早结束的缺点。 在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，所以发酵结束 时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中 采用这种方法很多。
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。
优点： 操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量 容易掌握 缺点： 产率低，不适于测定动力学数据
分批培养中微生物的生长
迟滞期 对数生长期
稳 定期
发酵级数确定的依据
级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响。
级数大，难控制、易染菌、易变异，管理困难，一 般2-4级。
在发酵产品的放大中，反应级数的确定是非常重要 的一个方面。
3、接种量的确定
移入种子的体积 接种量＝ —————————
接种后培养液的体积
过大过小都不好，最终以实践定，如大多数抗生素为7-15%。 但是一般认为大一点好。
7 种子的质量标准
• 菌丝形态、菌体浓度和培养基外观（色素、颗粒等）； • pH； • 糖氮代谢速度； • 其它参数,如接种前的抗生素含量、某种酶活等。
8 影响种子质量的因素：
1）原材料的质量:
一般选择一些有利于孢子发芽和菌丝生长的培养基，在营养 上容易被菌体直接吸收利用，营养成分要适当地丰富和完全， 氮源和维生素含量较高，这样可以使菌丝粗壮，并且具有较 强的活力。
另一方面，种子培养基中的营养成分要尽可能和发酵培养基 接近以适合发酵的需要，这样的种子移入发酵罐后能比较容 易适应发酵罐的培养条件如微量元素Mg、Ca、Ba能刺激孢子 的生长。 2）、培养温度：过低？过高？
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。
好氧发酵工艺与设备—发酵过程的工艺控制
2. 温度的控制
1. 最适温度的选择
在生长阶段，应选择最适生长温度； 在产物分泌阶段，应选择最适生产温度。 例如:青霉素产生菌生长的最适温度为30℃,但产生青霉素 的最适温度是20℃。 看生长与生物合成哪一个是主要方面。
控制温度的措施
❖工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因 发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。 ❖利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或 蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。 ❖如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又 高，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因 此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进 行发酵。
（三） 磷酸盐对发酵的影响及其控制
磷在发酵过程中的作用？
影响最适磷酸盐浓度的因素
菌种特性 培养条件 培养基组成 培养基的来源
（四） 补料方式及控制
补料方式
连续流加 不连续流加
快速流加 恒速流加 指数流加 变速流加
多周期流加
单组分补料
补加培养基组成
其他： 反馈控制
多组分补料
控制依据指标：青霉素生产中，通过控制葡萄糖的补加 速率来控制pH的变化范围，比恒定流加时产量提高25%。
常用的消泡剂种类
常用消泡剂
天然油脂类——有机消泡剂 聚醚类——聚醚型消泡剂 醇类 硅酮类——有机硅消泡剂
最常用
五、 发酵终点的确定
考虑因素
1. 经济因素
得率 生产率 发酵系数
2. 产品质量因素——发酵时间长短
3. 特殊因素——染菌
1. 整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平； 2. 发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定； 3. 发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升； 4. 发酵开始起泡能力低，以后上升。
发酵工艺参数的优化与控制方法
发酵工艺参数的优化与控制方法发酵工艺参数的优化与控制方法发酵工艺是一种利用微生物在特定条件下生产有机化合物的生物过程。
发酵工艺参数（如温度、pH值、搅拌速度等）的优化与控制对于提高发酵生产效率和产品质量至关重要。
本文将介绍一些常用的发酵工艺参数优化与控制方法，以帮助提高发酵工艺的效果。
一、温度的优化与控制温度是影响发酵过程的最重要参数之一。
一般来说，微生物的生长速率随温度的升高而增加，但过高的温度可能导致微生物的死亡或产物的变性。
因此，需要对发酵过程中的温度进行优化和控制。
在发酵过程中，通过调节发酵罐中的冷却塞温度来控制温度。
使用前馈控制或反馈控制方法，根据温度传感器和控制器的反馈信号，调节冷却塞的开度，使温度保持在设定的范围内。
此外，还可以使用嵌入式感应器和自动化控制系统来监测和调节传热器和冷却系统的性能，以保持发酵温度的稳定。
在优化发酵温度方面，可以通过实验方法来确定最佳生产温度。
首先，将发酵基质分为若干等温区域，分别在不同温度下进行发酵实验。
然后，通过测量发酵产物的产量和质量，寻找最佳生产温度。
二、pH值的优化与控制pH值是指发酵基质中的酸碱性程度。
微生物的生长和产物合成受到pH值的影响，因此对发酵过程中的pH值进行控制和优化是非常重要的。
在发酵过程中，通过添加酸碱调节剂或纯化酶来控制pH值。
具体来说，可以使用酶法或电极法来测量发酵基质中的氢离子浓度，然后根据测量结果调节酸碱调节剂的加入量，以维持合适的pH值范围。
此外，还可以使用自动化控制系统来监测和调节pH探头和酸碱调节剂的性能，以保持发酵过程中pH值的稳定。
在优化发酵pH值方面，可以通过实验方法来确定最佳生产pH。
首先，在不同pH条件下进行发酵实验，测量产物的产量和质量，然后比较不同pH条件下的发酵效果，找到最佳生产pH条件。
三、搅拌速度的优化与控制搅拌速度是指在发酵过程中搅拌器的转速。
适当的搅拌可以帮助提高溶解氧和基质传质，促进微生物的生长和产物的合成。
发酵过程的工艺控制-2
四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程
1：效价；2：呼吸强度；3：生物热；4：糖浓度
• 搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌 的机械运动造成液体之间，液体与设备之 间的摩擦而产生的热 。 Q搅拌=3600（P/V） 3600：热功当量（kJ/（kW.h）） （P/V）：通气条件下单位体积发酵液所 消耗的功率（ kW/m3）
• 蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿 度随季节及控制条件的不同而有所变化。 空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触 进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发； 蒸发所需的热量即为蒸发热。 • 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）
第三节 发酵工艺的控制
工艺条件控制的目的：就是要为生 产菌创造一个最适的环境，使我们 所需要的代谢活动得以最充分的表 达。
发酵过程控制是发酵的重要部分 控制难点：过程的不ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ定性和参数的非线性
同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同批 次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响因素 是复杂的，比如设备的差别、水的差别、培养基 灭菌的差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程的 细微差别都会引起微生物代谢的不同。了解和掌 握分析发酵过程的一般方法对于控制代谢是十分 必要的。
2，影响发酵温度变化的因素
产热因素：生物热 散热因素：蒸发热
搅拌热 辐射热
发酵热
发酵热就是发酵过程中释放出来的引起温 度变化的净热量。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时 产生的大量热量。培养基中碳水化合物， 脂肪，蛋白质等物质被分解为 CO2 ， NH3时释放出的大量能量。 用途：合成高能化合物 供微生物生命代谢活动 热能散发 影响生物热的因素：生物热随菌株，培 养基，发酵时期的不同而不同。生物热 的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。
发酵工艺过程控制
酶活力（U /mL)
200 150 100 50 0 3 4 5 6 pH 7 8 9
培养基pH对B.subtilis ZJF-1A5产α-淀粉酶的影响（n=4）
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
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p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。
一、泡沫形成的原因
1、气液接触
气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体。
气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，形
成的 泡沫一般气泡较小、较稳定。
2、含助泡剂 在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫， 其寿命在0.5秒之内，只能瞬间存在。摇荡纯溶剂不 起泡，如蒸馏水。在纯净的气体、纯净的液体之外， 必须存在第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体 来说，这第三种物质是助泡剂。 3、起泡速度高于破泡速度 泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减 少，最终呈不起泡状态； 泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将 维持在某一平衡状态； 泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断 增加。
3.分批培养的优缺点
优点: 操作简单，周期短，染菌机会少， 生产过程和产品质量容易掌握。
缺点: 产率低。
二、连续培养（continuous culture）
1. 概念：
微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断
添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物，使微生
物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式。
2. 特点： 菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处
第五章微生物发酵及工艺控制
• 比生长速率是菌体浓度除菌体的生长速 率，或菌体浓度除菌体的繁殖速率。在 平衡条件下，比生长速率μ
• 基质的消耗速率 指单位时间、单位体 积发酵液中消耗的基质量，可表示为：
•
• 基质的消耗速率常以单位体积发酵液内 干菌体质量表示，称基质的比消耗速率， 以Qs表示
• ms——以基质消耗表示的维持代谢系数（维持因 数），维持（M）是指活细胞群体在没有实质性 的生长（即生长和死亡处于动态平衡状态）和没 有胞外代谢产物合成情况下的生命活动。所需能 量由细胞物质的氧化或降解产生。这种用于“维 持”的物质代谢称维持代谢，叫做内源代谢（对 好氧发酵称“呼吸”），代谢释放能叫维持能。
• 代谢产物的生成速率指单位体积、单位时间内 产物的生成量，记为up 。
•如果产物生成速率以 单位体积发酵液内干 菌体质量为基准时， 称产物的比生成速率， 记为QP 。
•比当生以成产速物率C常O表2 记示时为，
产
物的 。好
氧微生物发酵反应中生成CO2 量相对于氧的消耗，称呼吸
商（RQ）
微生物发酵动力学
发酵温度取决于发酵过程中能量变化，一般与内在 因素有关。菌体生长繁殖过程中产生的热是内在因素， 称为生物热，是不可改变。另外，与外在因素（搅拌热、
蒸发热、辐射热及冷却介质移出的热量有关。
发酵工艺控制-生化工程(2024版)
温度改变菌体代谢产物的合成方向。如利用金霉 素链霉菌NRRLB-1287进行四环素发酵过程中，发 酵温度愈高，愈有利于四环素的合成。30℃以下 时合成的金霉素增多，在35℃时就只产四环素， 而金霉素合成几乎停止。
黄曲霉产生的多组分黄曲霉毒素，在20℃、25℃ 和30℃下发酵所产生的黄曲霉毒素(aflatoxin)G1与 B1的比例分别为3:1、1:2、1:1。又如赭曲霉在10～ 20℃发酵时，有利于合成青霉素，在28℃时则有 利于合成赭曲霉毒素A。
量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作 用，提高产物产量。
溶解氧对发酵的影响与控制
厌氧发酵与好氧发酵 需氧微生物只有在氧分子存在的情况下
才能完成生物氧化作用，从而使菌体生长 繁殖和积累所需要的代谢产物。
底物氧化需要大量的氧。
在菌体生长期，供氧必须满足菌体呼吸的 需氧量，若菌体的需氧量得不到满足，则 菌体呼吸受到抑制，从而抑制菌体生长， 菌体收率降低。
培养基的影响
基质浓度对培养基物理性质的影响
基质对菌体生长的影响 代谢物分解阻遏 多重底物的菌体生长
温度的影响
•不同的微生物有不同的适宜生长温度
大多数的工业发酵微生物是中温菌，如霉
菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长 温度一般在20～40℃。
菌体生长的最高温度，最低生长温度，最 适宜生长温度。
影响发酵温度的因素
生物热：微生物生长繁殖过程中的产热 搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热 蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量 辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量 显 热：空气流动过程夹带着的热量 Q发酵= Q生物+ Q搅拌- Q蒸发 Q通气-Q辐射
生物热(Q生物) 产生菌在生长繁殖过程中产生的热能，叫
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生 的热多。