发酵工程 第九章 发酵过程控制

空气流量测定 体积流量型：

会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响； ①同心孔板压差式流量计； ②转子流量计。 质量流量型： 根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能） 设计的流量计。
3. 参数检测
参数检测方法

罐压测量
压力表
压力传感器
3. 参数检测
参数检测方法

料液计量与液位控制
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； 酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4＋) 碱性基质：NO3－盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素 原则: ①残糖高时，不用糖调pH ②残N高时，不用生理盐调pH

pH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH
降；
（2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加； （3）生理酸性盐的利用； （4）酸性产物形成：如有机酸发酵。
发酵液中pH变化的基本原理

引起发酵液中pH上升的因素
（1）C/N过低（N源过多），氨基氮（NH4＋）释放； （2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；
（3）生理碱性盐的利用；
（4）碱性产物形成。
1. pH对发酵的影响
(1)每一类微生物都有最适的和能耐受的pH范围： 如：细菌最适生长pH为6.3～7.5；
霉菌最适生长pH 4.0～5.8；
酵母最适生长pH 3.8～6.0； 放线菌最适生长pH 6.5～8.0。
1. pH对发酵的影响
(2)微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH往往不同。 如：丙酮丁醇产生菌，生长pH 5.5～7.0，发酵pH 4.3～5.3；青霉素 的生长pH 6.5～7.2，合成青霉素pH 6.2～6.8。
2. 发酵过程控制的一般步骤
确定能反映过程变化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生产水平的影响及其机制， 获取最适水平或最佳范围 建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系 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，实现发酵过程最优控制
3. 参数检测
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. 发酵过程中pH的变化 （1）生长阶段：pH有上升或下降趋势 如：利福霉素 B 发酵起始pH 为中性，但生长初期由于菌体产生的蛋白 酶水解蛋白胨而生成铵离子，使pH上升至碱性；接着，随着铵离子的利 用及葡萄糖利用过程中产生的有机酸使pH下降到酸性范围。
3. 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
3. 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。
参数检测方法

溶解氧的测量 化学法 极谱法 复膜氧电极法
复膜氧电极示意图 （a）极谱型 （b）原电池型
3. 参数检测
参数检测方法

溶解二氧化碳测量 复膜式电极法 渗透膜—碳酸氢钠法 发酵尾气的在线分析

CO2分析
O2分析
3. 参数检测
参数检测方法

细胞浓度的测量 化学法：如DNA、RNA分析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、

代谢参数按性质可分为三类： 物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解 氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等


化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、 pH、产物 浓度等 生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、 呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等
3. 参数检测

参数按获取方式可分为两类：
（3）引起pH上升的因素：
凡是导致碱性物质生成或释放及酸性物质消耗，都会引起发酵液pH
上升。 ①培养基中碳、氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放，使pH上升； ②生理碱性物质存在； ③中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH上升。
①添加碳酸钙法； ②氨水流加法；
③尿素流加法。


配制合适的培养基，有很好的缓冲能力；

如 T 、 pH 、罐压、空气流量、搅 直接参数： 拌转速、溶氧浓度等

间接参数：将直接参数通过公式计算获得的 如摄氧率 (γ) 、呼吸强度 (QO2) 、比生长 参数， 速率（μ) 、体积溶氧系数(KLa)、呼吸商(RQ) 等。
3. 参数检测

参数的测量形式 离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代 谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等） 在线测量：如T 、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、 搅拌转速等
条件发生较大变化时，pH将会不断波动。
如：利福平霉素的产生菌，采用初始pH为6.8和7.5时，最终发酵pH 都达到7.5左右，发酵单Hale Waihona Puke Baidu达到正常水平，但当初始pH为6.0时，发酵单
位为零。
（2）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都会引起发酵液 pH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消泡剂加量过多； ③生理酸性物质的存在，氨被利用。
4. pH控制系统
执行单元 补料
4~20mA
pH变选器 mA pH电极
调节器
给定值
第三节
泡沫对发酵的影响及控制
一、泡沫的性质 二、泡沫的形成及变化 三、泡沫对发酵的影响和消除
1、根据发酵液的性质不同，泡沫有两种类型： ①发酵液液面上的泡沫，气相比例特别大，与液体之间有明显界线；
②菌体发酵液中的泡沫，均匀稳定，与液体之间没有明显界线，气相
压差法：H= （△P2/△P1）· △H
直接重量测量法：直接称重
体积计量法：计算进出料液 流量计量法：计算流量和时间 液位探针
3. 参数检测
参数检测方法

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
3. 参数检测
参数检测方法

pH测量 复合pH电极 pH测量仪器
3. 参数检测
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


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。
(2)生物热


来源 ：微生物对营养物质的分解所释放的能量 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 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， ②糖利用速率 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
所占比例由下而上逐渐增加。
2、泡沫的生成原因：
①由外界引进的气流被机械地分散形成； ②发酵过程中产生的气体凝结生成。
1、影响泡沫形成的因素： ①与通风、搅拌的剧烈程度有关，搅拌所引起的泡沫比通风来的大； ②与培养基所用的原材料有关，蛋白质原料是主要的起泡原因。 2、起泡的方式：
1. 过程控制的重要性
生物因素： 菌株特性(营养要求、生长速率、 决定发酵 呼吸强度、产物合成速率) 单位(水平) 设备性能：传递性能 的因素 理化因素 物理：n、T、Ws 工艺条件 化学：pH、DO、浓度 过程控制的意义：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。
(3)同一种微生物在培养过程中pH不同，可以形成不同的发酵产物。 如：黑曲霉在pH 2～3时产柠檬酸，接近中性产草酸。
1. pH对发酵的影响
(4)pH对微生物生长及产物生成的影响体现在： ①pH影响酶的活性 当pH选择不当，会抑制菌体中某些酶的活性，使菌体的新陈代谢受阻。 ②pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态


优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便 于计算机控制。 困难：传感器要求较高。

3. 参数检测
对传感器的要求

能经受高压蒸汽灭菌； 传感器及其二次仪表具有长期稳定性；



最好能在过程中随时校正，灵敏度好； 探头材料不易老化，使用寿命长； 安装使用和维修方便； 解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞 问题； 价格合理，便于推广。
常良好通气条件下低一些。

培养基成分和浓度的影响
4. 最适温度的选择与控制

变温培养：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒
温培养所获得的产物有较大幅度的提高。
e.g. 四环素发酵：0~30h稍高温度→30~150h稍低温度 →150h后升温发酵 青霉素发酵：30℃, 5h→25 ℃, 35h →20 ℃, 85h → 25 ℃, 40h；产量提高14.7％
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，影响代谢的正常进行。
1. pH对发酵的影响
③影响培养基某些组分的解离，进而影响微生物对这些物质的利用。 ④pH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。
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。
3. 参数检测
参数检测方法

温度测量
感温元件：热电偶（温度信号→ 电信号） 二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成 被测介质的温度
3. 参数检测
参数检测方法

搅拌转速和搅拌功率的测量 测速电机；
搅拌转速：磁感应式，光感应式， 搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。
3. 参数检测
参数检测方法
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 。
3. 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 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%。
（2）生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适产物合成的范围。 （ 3 ）自溶阶段：随着基质的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基 酸增加，致使pH上升，此时菌丝趋于自溶而代谢活动终止。
2. 引起发酵液中pH变化的因素
（1）发酵过程中pH的变化取决于微生物的种类、培养基的组成和发酵
条件。 在产生菌的代谢过程中，菌本身具有一定的调节pH的能力，但外界

一、pH值对发酵过程的影响 二、发酵过程中pH的变化及影响因素 三、发酵过程中pH的控制


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，致使有机酸积累，pH下
浊度分析等

新技术：以电容法为测量原理的在线
活细胞浓度测量传感器
原位活细胞在线检测仪
第一节 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. 温度对产物合成的影响 4. 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
本章内容
一、概述 二、代谢调控在发酵过程控制中的应用 三、温度对发酵的影响及其控制 四、pH对发酵的影响及其控制 五、溶解氧对发酵的影响及其控制 六、CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制 七、基质浓度对发酵的影响及补料控制 八、高密度发酵及过程控制 九、泡沫对发酵的影响及其控制 十、自动控制技术在发酵过程控制中的应用

4. 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。
二阶段发酵 e.g.青霉素发酵：菌体生长期,30 ℃ 青霉素合成分泌期, 20 ℃

4. 最适温度的选择与控制

最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握

通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正