发酵工程第八章详解

铂电阻 热敏电阻
隔膜传感器 压敏电阻 频率计数器 功率计 浮子流量计 孔板差压计 旋转粘度计 浊度计 蠕动泵 荷重传感器 量筒
℃
Pa r/min kW m3h-1 vvm Pas % Lh-1
μ qP c*
保持正压，防止染菌 O2 及 CO2 的溶解度 Kla 发酵液的均匀性 K la K la K la 反映单细胞的生长 S
G --- 冷却水流量，kg/h
C --- 水的比热， J/kg ·℃
t1、t2 --- 进、出口的冷却水温度，℃ V ---- 发酵液体积 ， m3
方法二： 通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制
装臵测得温度随时间上升的速率S, 按下式可求得发酵热 ：
Q 发酵 = K ·S
S --- 温度随时间上升的速率，℃/h
影响菌体的生化 反应Kla
一 、温度对发酵的影响及控制
1 影响发酵温度的因素：发酵热
产热因素 生物热 通气热 搅拌热 散热因素 蒸发热 辐射热
1.1 发酵热
发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。
Q发酵=Q生物+Q搅拌+Q通气-Q蒸发-Q辐射
发酵热的测定
方法一： 通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出口温度， 由下式求得这段时间内的发酵热： Q发酵 = GC (t2- t1) / V (J / m3 ·h)
• 基质浓度对发酵的影响及其控制
• 通气搅拌对发酵的影响及其控制
• 泡沫对发酵的影响及其控制
• 高密度发酵与过程控制
• 发酵终点的检测与控制
• 自动控制技术的应用
发酵过程控制概述 常规发酵工艺控制参数 直接状态参数：温度、pH值、搅拌转 速、液位、补料速率等 间接状态参数：产物浓度、溶解氧、 溶解CO2等 发酵过程优化控制步骤
• 缺点：不连贯性和滞后性
发酵过程的代谢控制
• 调节营养物质通过细胞膜进入细胞的能力 • 调节代谢流 调节酶的合成量 调节酶的催化活力
发酵过程检测控制的主要的参数----物理参数
检测参数 检测方法 单位 影响
温度
罐压(0.20.5×105Pa) 搅拌转数 搅拌功率(2 -4KW/m3) 空气流量 粘度 浊度 料液的流量
发酵过程检测控制的主要的参数-----化学参数
检测参数
pH 基质浓度 产物浓度 氧化还原电位 溶氧浓度 气相O2含量
检测方法
复合玻璃电极 HPLC 离子选择电极 生物传感器 取样 氧化还原电位电极 覆膜氧电极 顺磁氧分析仪
单位
影响及作用
菌体和产物合成速度 酶促反应的方向
gL-1
μ qP 发酵周期的长短
在四环素发酵
中，可看到当 产生的生物热 达到高峰时， 糖的利用速度
也最大。
有人提出，可
从菌体的耗氧
率来衡量生物 热的大小。
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
1.3 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）
1.2 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和水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 合成产物 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 对于某一种微生物，生物热的产生具有强烈的时间性 孢子发芽和生长初期，产生数量有限 进入对数生长期后，大量产生，此后逐渐减少 生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系 培养基成分越丰富，菌体利用营养物质速率越大，生物热 产生越多
第八章 发酵过程控制
定 义
发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生 长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。不仅 包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包 括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理 过程和细菌采矿等过程。
研究发酵过程的意义
发酵体系的特征
内容
•发酵过程控制概述 •温度对发酵的影响及其控制 •pH 值对发酵的影响和控制 •溶解氧对发酵的影响和控制 •CO2和呼吸商对发酵的影响和控制
mV % Pa
生长和生化活性 qo2 反映OUR 和 Kla
气相CO2含量
红外气体分析仪
%
反映OUR 和 Kla
发酵过程检测控制的主要的参数-----生物参数
检测参数 检测方法 单位 影响
菌丝形态
菌体浓度
摄像显微镜 取样镜检
取样 ：干重、浊 gL-1 度、活菌计数、 离心沉降
反映菌体发育阶 段和正常与否
离线检测：分光光度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、气相和液相色谱仪等
• 直接状态参数：直接反应发酵过程中微生物生理代
谢状况的参数
对传感器的要求：耐高温、高压；避免表面被微生
物堵塞
有价值的状态参数：尾气分析和空气流量的检测
• 间接状态参数：采用直接状态参数计算得到的参数
离线发酵分析法
• 没有一种可在线监测培养基成分和代谢产 物的传感器 • 发酵液的基质、前体、代谢产物和菌量的 监测通过人工取样和离线分析
Sample Analysis •pH •DO •Sugar •Ammonia •Phosphate •Sulphate •Products •Precursors •Contamination
发酵过程参数检测
• 发酵过程参数的检测是控制发酵过程的重要依据
• 检测方法
通过仪器在线检测 发酵罐中取样离线检测 常用的检测仪器 在线检测：传感器
K --- 总参数，代表系统的热容量，J/L· ℃
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
控制方式：
一般检控系统包括3个部分
发酵控制
Fermentation Control
Sugar/Oil feed Pressure probe Level probe
Antifoam Acid/Base Cooling Air/agitation pH probe Temp. probe DO probe