发酵工艺控制
发酵工艺控制
发酵工艺控制的基础：
了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模拟 了解生物、物理、化学和工程的环境条件对发酵过程的影响
如何进行控制？
测定各种参数 依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程的各项最佳 参数
一、发酵过程检测控制的主要的参数
1、物理参数
检测参数
检测方法 单位
温度
铂电阻 热敏 ℃ 电阻
三）氮源浓度的影响控制
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
补氮量的控制：
• 经验法：
依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算。 依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。 例： 土霉素发酵50m3发酵罐使pH升高0.1通氨量为10升。
qP减小
Kla减小
产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。
三）、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：
1、流加 2、少量多次的加入 3、多量少次的加入
补糖的依据：
• 残糖量 • pH值 • Qc •X • 粘度 • 溶氧 • 尾气中O2和CO2的含量 • 发酵液的总体积
Kla Kla
Kla 反映单细胞的生长
S
发酵过程检测控制的主要的参数
2、化学参数
检测参数 PH
基质氧浓度
气相O2含量 气相CO2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 红外气体分析仪
单位
gL-1
mV % Pa %
缓慢利用的碳源
发酵工艺的控制
发酵工艺的控制发酵过程中，为了能对生产过程进行必要的控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。
反映发酵过程变化的参数可以分为两类：一类是可以直接采用特定的传感器检测的参数。
它们包括反映物理环境和化学环境变化的参数，如温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、pH、离子浓度、溶解氧、基质浓度等，称为直接参数。
另一类是至今尚难于用传感器来检测的参数，包括细胞生长速率、产物合成速率和呼吸嫡等。
这些参数需要根据一些直接检测出来的参数，借助于电脑计算和特定的数学模型才能得到。
因此这类参数被称为间接参数。
上述参数中，对发酵过程影响较大的有温度、pH、溶解氧浓度等。
1、温度温度对发酵过程的影响是多方面的，它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。
除这些直接影响外，温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。
最适发酵温度是既适合菌体的生长，又适合代谢产物合成的温度，它随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。
理论上，整个发酵过程中不应只选一个培养温度，而应根据发酵的不同阶段，选择不同的培养温度。
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。
但实际生产中，由于发酵液的体积很大，升降温度都比较困难，所以在整个发酵过程中，往往采用一个比较适合的培养温度，使得到的产物产量最高，或者在可能的条件下进行适当的调整。
发酵温度可通过温度计或自动记录仪表进行检测，通过向发酵罐的夹套或蛇形管中通人冷水、热水或蒸汽进行调节。
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，在这种情况下通常还需要加以冷却，利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通人夹套或蛇形管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。
2、pH值pＨ值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响有以下几个方面：①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；②影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄；③影响培养基中某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用；④PＨ值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。
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。
发酵工艺控制
发酵工艺控制概述一. 发酵体系的主要特征1. 细胞内部结构和代谢反应的复杂性2. 细胞所处环境的复杂性3. 过程系统状态的时变性及参数的多样性和复杂性影响因素多，有的因素未知，主要影响因素变化。
发酵水平主要取决于：生产菌种的特性；对工艺条件的控制（适合程度）必须了解：菌体的生理代谢规律工艺条件对发酵过程的影响及其控制发酵过程的有关变化规律常规发酵的工艺控制参数：温度、pH、搅拌转速与功率、空气流量、罐压、液位、补料速率及补料量等。
二. 发酵过程的参数检测1.直接状态参数指能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况的参数包括：pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2 、黏度、基质和产物浓度、菌体浓度（OD、DCW、湿重）等参数的检测在线检测各种传感器：pH电极、DO电极、温度电极、液位电极、泡沫电极尾气分析仪：测尾气O2和CO2含量离线检测分光光度计、pH 计、温度计、气相色谱（GC)、液相色谱（HPLC)、色质连用（GC-MS)等2.间接状态参数指利用直接状态参数计算求得的参数包括：比生长速率μ、摄氧率OUR、CO2释放率CER、呼吸商RQ、氧的得率系数YX/O 、氧体积传质系数KLa、基质比消耗速率QS、产物比生成速率Qp等综合各种状态参数，获得代谢过程的各种信息，从而对发酵过程做出相应的调整和控制，以获得最经济的发酵生产。
三. 发酵过程的代谢调控和优化1. 代谢调控以代谢（流）的调节最重要调节酶的合成量，称为“粗调”调节酶的催化活性，称为“细调”工艺控制和过程优化的实质，就是利用各种方法和手段，使细胞的外部和内部环境最适合基质和能量流向产物合成的生物途径，以获得最大的产量。
2. 发酵过程优化的一般步骤确定反映发酵过程的各种理化参数及其检测方法研究这些参数的变化对发酵过程的影响及其机制，获得最佳的范围和最适的水平建立数学模型定量描述个参数间随时间的变化关系，为过程优化控制提供依据通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程的最优控制基质浓度对发酵的影响及其控制先进的培养基组成是充分支持高产、稳产和经济的发酵过程的关键因素之一。
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。
发酵工艺控制课件
意义：控制菌的生长速率、培养中期 的代谢活动，延长合成期，推迟菌体 自溶；加入前体增加合成产物的中间 体，从而使产量大幅度提高。
发酵工艺控制课件
中间补料内容 1、碳源
3、前体
2、氮源 4、无机盐和水
控制和引导产生菌在培养过 程中，特别ห้องสมุดไป่ตู้中期的生化代谢 活动向着有利于产物合成和分 泌的方向发展。发酵工艺控制课件
• 有些金属离子特别是二价阳离子是酶的 激活剂，适当时间补入无机盐可以提高 酶活，从而提高产量。
发酵工艺控制课件
中间补料的优缺点
优点：推迟菌的自溶期，延长产物分泌期， 维持较高的生产速率，增加发酵液总体 积，使产量大幅度上升。现在大多数抗 生素都采取补糖措施。
缺点：补糖使工艺复杂化，而且增加了 染菌机会。因此工厂管理十分重要，一 定要严格消毒，包括料液消毒和管道消 毒。
发酵工艺控制课件
并非添加速率越大越好，据研究表明，加 入苯乙酸浓度越高，苯乙酸的利用率越低。 苯乙酸可被菌氧化，先氧化成邻羟苯乙酸， 然后苯环被破坏形成α－酮戊二酸，再经 TCA循环氧化为CO2和H2O，苯乙酸作为碳 源被消耗掉。
苯乙酸具有毒性，青霉素是借苯乙酸与 氨基酸结合形成青霉素而解毒，因此加入 前体能形成青霉素，但必须适量而不能过 量。
分批培养中微生物的生长
迟滞期
对数生长期
稳 定期
发酵工艺控制课件
死亡期
第三节 发酵控制与中间补料
中后期营养不足，菌体过早衰老
补
料 初始培养基营养过于丰富造成菌浓过大
的
理 由
初始培养基中葡萄糖过多引起抑制
发酵工艺控制 温度控制
Q搅拌 ∝ P 蒸发热 ：空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，进行热交换，必然引起水分的
那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。 总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段
及培养条件综合考虑。要通过反复实践来 定出最适温度。
三、温度的控制
2、 温度的控制方法 发酵热在整个发酵过程中是随时间变化的。 所以，为使发酵在一定温度下进行，必须采取措施——在夹
套或蛇管内通入冷水加以控制（小型的发酵罐，在冬季和发 酵初期，散热量大于产热量则需用热水保温。）
一、温度对发酵的影响
3、影响发酵液的理化性质 发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基
质的分解吸收速率等。
二、影响温度变化的因素
发酵热：指的是发酵过程中释放出来的净热量，以J/(m3•h)为单位表示。是发
酵温度变化的主要因素 Q发酵 Q生物 Q搅拌 Q蒸发 Q显 Q辐射
蒸发，被空气和蒸发水分带走的热量。 辐射热：由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向
大气辐射的热量。 显热：废气因温度差异所带走的热量。
三、温度的控制
根据菌种及 生长阶段选择
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。
根据菌 生长情况
微生物种类不同，所具有的酶系及其性 质不同，所要求的温度范围也不同。如： 黑曲霉生长温度为37℃； 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为
发酵工艺控制PPT课件
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)
G --- 冷却水流量，kg/h C --- 水的比热， J/kg · ℃ t 1、t 2 --- 进、出口的冷却水温度，℃ V ---- 发酵液体积 ， m3
一、溶氧测定的意义
1、溶氧作为发酵中氧是否足够的度量，了解菌对氧利用的规律。 2、溶氧作为发酵异常情况的指示 3、溶氧 作溶为氧发一酵反中往间常控，制在的较手短段的之时一间内跌到零附近，且跌零
后长时间不回升，这很可能说明污染了好气菌 4、溶氧 作补如为糖发考后酵查，过设溶程备氧中、出溶工现氧艺明迅条显速件下回对降升氧的，供趋发需势酵与液产变物稀形，成则影很响可能 的指标是之因污一此染可了利噬用菌溶体氧作为参数来控制加料的次数、流加速
◇ 这种热的主要来源是培养基中的碳水化合物、脂肪和 蛋白质等的分解。
◇ 释放出的能量部分用来合成高能化合物(ATP),部分用来 合成产物，其余的则以热的形式散发出来
影响生物热的因素：
菌株特性 培养基成分和浓度 发酵时期
◇ 菌株对营养物质利用的速率越大，培养基成分越丰富，生 物热也就越大。 ◇ 发酵旺盛期的生物热大于其它时间的生物热 （四环素2050小时； 苏云金杆菌10-18小时）
五、温度的控制
方法： 罐壁调温 夹层调温 罐内调温
第二节 pH对发酵的影响及其控制
一、pH对菌体生长和产物合成的影响
1）pH影响酶的活性 当pH抑制菌体中某些酶的活性时，使菌体的新陈代谢
受阻
2）pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而改变细 胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产 物的排泄，因此影响代谢的正常进行。
发酵过程工艺控制
乙酰乙酸
5、 pH影响菌体的形态：产黄青霉 细胞壁的厚度随pH的增加而减小； pH<６，菌丝的长度缩短。
（二）发酵过程pH值的变化 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。
（三）发酵pH值的确定和控制 1. 发酵pH值的确定
微生物发酵的最适pH值范围一般是在 5～8之间。 最适pH值是根据实验结果来确定的。
⑦ 来源方便，成本低；
⑧ 应该对氧传递不产生影响； ⑨ 能耐高温灭菌。
C.常用的消泡剂种类
发酵工业常用的消泡剂一般可分为有机消泡剂、 有机硅消泡剂和聚醚型消泡剂等三类。
以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为 常用。
天然油脂类：
♣豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。 ♣油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。 ♣在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵 试验检验。
有机硅消泡剂
一般由二甲基硅油和SiO2按一定比例
复合而成。难乳化，表面黏度低，消 泡能力强
五、 菌体浓度和基质对发酵的影响及其控制
(一)菌体浓度对发酵的影响及控制
菌体（细胞）浓度（简称菌浓）是指单位体积 培养液中菌体的含量。 菌浓的大小，在一定条件下，不仅反映菌体细 胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全 相同的分化阶段。
三、 pH值对发酵的影响及其控制
（一）pH值对发酵的影响
1、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；
2、影响微生物细胞膜所带电荷的状态， 改变细胞膜的通透性，影响微生物对 营养物的吸收和代谢产物的排泄 3、pH影响培养基中某些组分的解离， 进而微生物对这些成分的吸收、利用
2. 温度的控制
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。
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。
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。
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
微生物工程--8发酵工艺控制
微生物工程--8发酵工艺控制∙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。
∙温度对发酵的影响及其调节控制温度是影响有机体生长繁殖最主要的因素之一，因为微生物的生长和产物的合成都是在各种酶催化下进行的，温度是保证酶活性的重要条件，因此在发酵系统中必须保证稳定而合适的温度环境。
∙温度对发酵的影响及控制∙温度对发酵的影响是多方面的，主要表现在对细胞生长、产物形成、发酵液的物理性质和生物合成方向等方面。
∙ 1.温度对微生物细胞生长的影响从酶动力学来看，温度升高反应速率加大，生长代谢加快，生产期提前。
• 但因酶本身很易因热而失去活性，温度越高，酶的失活也越快，表现在菌体易于衰老，发酵周期的缩短，影响产物的最终产量。
∙ 2.温度对产物形成的影响产物合成速率∙ 3.温度影响发酵液的物理性质温度除了直接影响发酵过程中各种反应速率外，还通过改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。
∙ 4.温度影响生物合成的方向温度还会影响生物合成的方向。
例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。
在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。
当温度提高，合成四环索的比例也提高。
在温度达35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。
∙影响发酵温度的因素∙发酵热发酵过程中，随着菌对培养基的利用，以及机械搅拌的作用，将产生一定热量，同时因罐壁散热，水分蒸发等也带走部分热量。
发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。
以[J／m3﹒h]表示，∙（1）生物热产生菌在生长繁殖过程中，本身会产生大量的热称为生物热。
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。
∙（2）搅拌热定义：好气培养的发酵设备都有大功率搅拌。
搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间、液体和设备之间的磨擦而产生的热。
∙（3）蒸发热（包括Q显）定义：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。
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
微生物工程 06 发酵工艺控制
四）最适温度的选择
◇ 最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的形成。
◇ 在发酵的整个周期内仅选一个温度不一定好。
因为最适合菌生长的温度不一定适合产物的合成。
例如： 青霉素产生菌的最适生长温度是30℃，而最适于青霉素 合成的温度是20℃。 乳酸发酵时，最适生长温度为34℃ ，而产乳酸的温度则 不超过30℃ 。 发酵过程中，在生长初期抗生素还未开始合成，菌丝还未 长浓，这时的温度应适于微生物的生长；到抗生素分泌期， 菌丝已长到一定浓度，积累抗生素是重点考虑，此时应满 足生物合成的最适温度。
在菌体代谢过程中，菌体本身有建成其生长最适pH的 能力，但外界条件发生较大变化时，pH将会不断波动。
◇
引起pH下降的因素：
（凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗的发 酵，其pH都会下降） 1）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过 量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大量 积累而pH下降。 2）消泡油加得过多
第六章
发酵工艺控制
发酵的一般流程
培养基配制 种子扩大培养 空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
发酵工艺控制是发酵的重要部分。
控制难点：过程的不确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。
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
1 calorie:使1克水的温度升高1摄氏度所需热量。 约为4.186焦耳热量
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第一节 温度的影响及控制
一、温度对发酵的影响：
酶活
影响各种酶促反应的速度
发改酵变温发度酵升高液，的生物长理代性谢质加快：，生
产期提前。
温度
发温改酵度变温影菌度响体太基高代质，和谢菌氧产体的物容吸的易收合衰速老成度，方发向
酵周期缩短。 影响饱和溶氧浓度
例：温度小于30℃，合成金霉素的能力强
缺点：
防止早衰。
对于有些品种高浓度的 缺点：溶解度低，发酵
铵离子抑制产物合成
液粘度大。
二）氮源种类的控制
发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢 利用的氮源的混合氮源。
迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的碳源， 满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。
三）氮源浓度的影响控制
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。
S过大
μ ＞＞ μC
OUR增大
X ＞＞ X C
CL ＜ CL C
qP减小
粘度增大
Kla减小
产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。
三）、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：
1、流加 2、少量多次的加入 3、多量少次的加入
补糖的依据：
残糖量 pH值 Qc X 粘度 溶氧 尾气中O2和CO2的含量 发酵液的总体积
补糖的控制
把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加 料装置精确控制加入的糖量。
二、氮源的影响和控制
一）氮源的种类影响
迅速利用的氮源
缓慢利用的氮源
种类：氨水、铵盐和玉 种类：黄豆饼粉、花生
米浆
饼粉、和棉子饼粉
优点：
优点：
易被菌体利用，明显促 利用缓慢，有利于延长次
进菌体生长
级代谢产物的分泌期。
消泡剂使用的注意事项：
不能用量过大 细密地扩散到泡沫效果好 加入土温-80具有增效作用 多种消泡剂并用
第六节 氧的供需及对发酵的影响
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程 中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因 素。
在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有 0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生 长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若 此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭， 使溶氧成为限制因素。
问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中 氧很容易满足。
例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2·L-1·S-1 计， 0.25/0.052=4.8秒
注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样：
生长 产物
头孢菌素
卷须霉素
5% (相对于饱和浓度） 13%
>13%
>8%
二、发酵液中氧的平衡 发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中
二、泡沫的控制方法
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 采用机械消泡（罐内装置和罐外装置） 采用削沫剂消泡
工业上常用的消泡剂
天然油脂类 玉米油、豆油、棉籽油、鱼油等
高碳醇类 十八醇、乙二醇聚合物
聚醚类 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油
硅酮类 聚二甲基硅氧烷
影响及作用 菌体和产物合成速度
酶促反应的方向 μ qP
发酵周期的长短
生长和生化活性 qo2
反映OUR 和 Kla 反映OUR 和 Kla
发酵过程检测控制的主要的参数
3、生物参数
检测参数 菌丝形态
菌体浓度
检测方法 摄像显微镜
取样镜检
取样 ：干重、浊度、 活菌计数、离心沉降
单位 gL-1
影响 反映菌体发育阶段
三、最适发酵温度的选择
选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度 可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温 度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。 确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件： 在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利 培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利
四、发酵温度的控制
温度等于35℃，只合成四环素
二、影响发酵温度变化的因素： 发酵热（KJ/m3 h）
发酵热 = 生物热 + 搅拌热 - 蒸发热 - 显热 - 辐射热
生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。 搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。 影蒸响发搅生热拌物：热热发=的酵P 因3液6素蒸00：发/V水分带走的热量。 与菌种遗传特性有关 与显菌热龄：有发关酵：排对气数散生发长带期走生的物热热量最。大。 与辐营射养热基：质由有于关罐内外的温差，辐射带走的热量。 与产量有关
菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的 影响
最适菌体浓度的确定
优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的 产物。(dP/dtMAX)
dP/dt =qP X
qP=f〔 X， μ ， qO 2 qS CL〕
生长速度和菌体浓度的控制方法
确定基础培养基的适当配比，防止培养 基过于丰富或过于稀薄。
传递： Nv Kl a(c * c)
消耗： r= QO2 .X 氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面
第六章 氧的供需及对发酵的影响 三、供氧的调节
Nv NKvla(cK*l a(cc) * c)
C有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和C*来调节 其中C*＝P/H
H
Nv
P
Kla
调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力， 一般来讲大罐比小罐要好。
调节阀 设定控制器
Controlled
Uncontrolled 6.5
pH电极
pH
第三节 菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制
影响菌体浓度的因素
菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种 类和自身的遗传特性有关
菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的 种类和浓度有关 （ μ 正比于S ）
当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓 度营养基质引起生长速率下降。
补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量
补氮量的控制：
经验法：
依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算。 依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。 例： 土霉素发酵50m3发酵罐使pH升高0.1通氨量为10升。
使氨基氮上升0.004%-0.005%。
动力学方法；
通过qN、μ、 qP ，计算每小时的补氮量。
搅拌速度 供氧速率
45升 250 rpm 7.6
1吨 10吨 120 120 10.7 20.1
第三节 影响Kla的因素
Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇 瓶与发酵罐。
一、影响摇瓶kla的因素
补糖量的控制： 经验法：
根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据
菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。
例：
青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%, pH开始回升时补糖。 补糖量以最高罐批经验量为参考。
每小时 前期0—40h
中期40—90h 后期90以后
加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18%
Kla Kla
Kla 反映单细胞的生长
S
发酵过程检测控制的主要的参数
2、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 气相CO2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 红外气体分析仪
单位
gL-1
mV % Pa %
三、最适pH的选择
根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH 同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的pH， 在产物采用最适产物合成的pH。
几种具体情况的调节方法
当pH低，氨基氮含量低时 当pH高，氨基氮含量低时 当pH高，氨基氮含量高时 当pH由于多加了削沫剂而下降时
pH的控制系统
经消毒的pH电极装入发 酵罐内定时直接测定培 养基的pH，同时还可以 与控制仪表连结，通过 回路系统控制阀门或泵 进行pH调节。
第一节 微生物对氧的需求
一、描述微生物需氧的物理量
比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积 重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2·g菌-1·h-1
摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。 mmol O2·L-1·h-1 。
r= QO2 .X
二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
第七章 发酵工艺控制
发酵工艺控制的基础：
了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模拟 了解生物、物理、化学和工程的环境条件对发酵过程的影响
如何进行控制？
测定各种参数 依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程的各项最佳 参数
一、发酵过程检测控制的主要的参数
1、物理参数
检测参数
检测方法 单位
温度
铂电阻 热敏 ℃ 电阻
有利于延长次级代谢产 物的分泌期
缺点：溶解度低，发酵 液粘度大。
碳源种类的控制
发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢 利用的碳源的混合碳源。
迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳 源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可 解除葡萄糖效应。
二）、碳源浓度的影响
S过小
μ ＜ μC
qP随μ减小而减小
罐压(0.20.5×105Pa) 隔膜传感器 Pa 压敏电阻
搅拌转数
频率计数器 r/min
搅拌功率(2 -4KW/m3)