发酵过程的工艺控制

• 控制适当的底物浓度， 防止底物的抑制和阻遏 作用，也可控制微生物 处于适当的生长阶段。
补料控制目的
❖解除基质过浓的抑制 ❖解除产物的反馈抑制
补料的内容
➢补充微生物能源和碳源的需要。 ➢补充菌体所需要的氮源。 ➢补充微量元素或无机盐。
补料的原则
➢控制微生物的中间代谢，使之向着有 利于产物积累的方向发展。
• 试验罐采用无 级变速装置。
• 发酵罐常用的 变速装置有三 角皮带传动， 圆柱或螺旋圆 锥齿轮减速装 置，其中以三 角皮带变速传 动较为简便。
大型发酵罐 搅拌装置
搅拌电机
搅拌变速器
搅拌轴及轴封
9、换热装置
• 夹套式换热装置
• – 这种装置多应用于容积 较小的发酵罐、种子罐；
• – 夹套的高度比静止液面 高度稍高即可，无须进行 冷却面积的设计。
搅拌器类型：
• 轴向式（桨叶式、螺旋桨式）；
径向式（涡轮式）
发酵罐通常装有两
组搅拌器，两组搅 拌器的间距S约为 搅拌器直径的三倍。
对于大型发酵罐以及液 体深度HL较高的，可 安装三组或三组以上的 搅拌器。
3 挡板
挡板的作用：
改变液流的方 向，由径向流 改为轴向流， 促使液体剧烈 翻动，增加溶 解氧。
7、轴承
中型发酵罐—般在罐内装 有底轴承 ，而大型发酵 罐装有中间轴承，底轴 承和中间轴承的水平位 置应能适当调节。
罐内轴承不能加润滑油 ，应采用液体润滑的塑料
轴瓦(如聚四氟乙烯等)， 轴瓦与轴之间的间隙常取
轴径的0.4~0.7％。 为了防止轴颈磨损，可以
在与轴承接触处的轴上 增加一个轴套。
8、变速装置
3 CO2的控制
CO2在发酵液中的浓度大小受到许多因素的 影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学 特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模 等。综合考虑溶解度、温度、通气状况等。 在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控 制。但提高罐压，溶解度增加 ，对菌体生长 有害。
• CO2浓度的控制应随它对发酵的影响而定。 • 如果CO2对产物合成有抑制作用，则应设
碳源浓度的影响
营养过于丰富引起菌体异常繁殖，对菌 体的代谢、产物的合成及氧的传递都会产生 不良的影响。若产生阻遏作用的迅速利用的 碳源用量过大，则产物的合成会受到明显的 抑制；反之，仅仅供给维持量的碳源，菌体 生长和产物合成就都停止。 所以控制合适的碳源浓度是非常重要的。
(2)氮源对发酵的影响及其控制
• 所以，在分批发酵中，控制合适的基质浓度 不但对菌体的生长有利，对产物的形成也有 益处。
(1) 碳源对发酵的影响及其控制
• 碳源分为速效碳源和迟效碳源。前者(如葡萄糖)能较迅速地 参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解代谢产物(如丙 酮酸等)，因此有利于菌体生长，但有的分解代谢产物对产物 的合成可能产生阻遏作用；后者多数为聚合物(也有例外)， 为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于 延长抗生素的生产期，也为许多微生物药物的发酵所采用。
其呼吸商＝ CO2 ／ O2 ＝6／6＝1．00；并可求得每氧化 1g葡萄糖要消耗1.07g O2 。
呼吸商与发酵
• 分析尾气中CO2的含量，记录培养基体积及通气量的变 化，用计算机计算CO2的积累量。如果连续测得CO2浓度， 可计算出整个发酵过程中CO2的释放率(简称CER)
• 发酵过程中菌的耗氧速率OUR可通过热磁氧分析仪或质 谱仪测量进气和排气中的氧含量计算而得，并最终计算 出呼吸商RQ
RQ= CER / OUR
RQ可以反映菌的代谢情况 • 酵母发酵
RQ=1，糖有氧代谢，仅生成菌体，无产物形成； RQ>1.1，糖经EMP(糖酵解)生成乙醇。 不同基质，菌的RQ不同
E.coli以延胡索酸为基质，RQ=1.44；
以丙酮酸为基质，RQ=1.26； 以琥珀酸为基质，RQ=1.12；
以乳酸、葡萄糖为基质，RQ分别为1.02和1.00。
• 搅拌： • 氧传递速率的影响因素：搅拌器的形式、
直径、组数、搅拌器间距和转速等
1、 罐的组成 2、 搅拌器 3 挡板 4、 消泡器 5、 轴封 6、 联轴器 7、 轴承 8、 变速装置 9、 换热装置 10、空气分布装置
1、罐体
• 罐体由圆柱体及椭
圆形或碟形封头焊接 而成，材料一般为不 锈钢。 • 发酵罐顶设有手孔 人孔、 视镜及灯镜。 • 罐顶上的接管：进
4 消泡器
消泡器的作用：将泡沫打碎。最常用的形式有锯 齿式、孔板式。
消泡器的长度约为罐径的0.65倍 孔板式的孔径约10～20mm。
5 轴封
• 轴封的作用是 使罐顶或罐底 与轴之间的缝 隙加以密封， 防止泄漏和污 染杂菌。
• 常用的轴封有 填料函和端面 轴封两种。
6、联轴器
• 大型发酵罐搅拌轴较 长，常分为二至三段， 用联轴器使上下搅拌 轴成牢固的刚性联接。
8.11 发酵中间检测及终点判定
• 微生物发酵终点的判断，对提高产物的生产能力和经济效益是 很重要的。 生产能力（或称生产率、产率）是指单位时间内单位罐体 积发酵液的产物积累量而言 生产率单位一般为g／(L·h)或kg／(m3·h)，产物浓度单位为 g／L或kg／m3，发酵时间单位为h
• 终点判断：产量和经济效益的结合。
• – 这种装置的优点是：结 构简单；加工容易，罐内 无冷却设备，死角少，容 易进行清洁灭菌工作，有 利于发酵。
• – 其缺点是：传热壁较厚， 冷却水流速低，发酵时降 温效果差，
• 竖式蛇管换热装置
• – 这种装置是竖式的 蛇管分组安装于发酵 罐内，有四组、六组 或八组不等，根据管 的直径大小而定，容 积5米3以上的发酵罐 多用这种换热装置。
• 氮源有无机氮源和有机氮源两类。 • 它们ຫໍສະໝຸດ Baidu菌体代谢都能产生明显的影响，不同
的种类和不同的浓度都能影响产物合成的方 向和产量。
• 发酵培养基一般是选用含有快速利用和慢速利用的 混合氮源。如氨基酸发酵用铵盐(硫酸铵或醋酸铵) 和麸皮水解液、玉米浆；链霉素发酵采用硫酸铵和 黄豆饼粉。但也有使用单一的铵盐或有机氮源(如黄 豆饼粉)。它们被利用的情况与速效和迟效碳源相似。 为了调节菌体生长和防止菌体衰老自溶，除了基础 培养基中的氮源外，还要在发酵过程中补加氮源来 控制其浓度。
生物反应器
发酵罐图4
8.7 CO2及呼吸商对发酵的影响及控制
• CO2是微生物的代谢产物,是细胞代谢的重要指标 • 某些合成代谢的基质 • 自养细菌的碳源 • 在发酵过程中， CO2可能对发酵有促进作用，也
可能有抑制作用
1 CO2对发酵的影响
➢CO2对菌体有抑制作用，当排气中CO2的浓度高于4% 时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。 ➢例如，发酵液中CO2的浓度达到1.6×10-1mol，就会严 重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混合气体的 80%时，酵母活力与对照相比降低20%。
• 优化补料速率也是补料控制中十分重要的 一环，因为养分和前体需要维持适当的浓 度，而它们则以不同的速率被消耗，所以 补料速率要根据微生物对营养等的消耗速 率及所设定的培养液中最低维持浓度而定。
8.9 通气搅拌对发酵的影响和控制
• 通气：供给微生物适量的无菌空气，满 足菌体生长繁殖和积累代谢产物的需要
• 例如，乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油及半乳糖 分别是青霉素、头孢菌素C、盐霉素、核黄素 及生物碱发酵的最适碳源。
• 因此选择最适碳源对提高代谢产物产量是很重 要的。
• 青霉素研究中：在迅速利用的葡萄糖培养基 中，菌体生长良好，但青霉素合成量很少； 相反，在缓慢利用的乳糖培养基中，青霉素 的产量明显增加。糖的缓慢利用是青霉素合 成的关键因素。所以缓慢滴加葡萄糖以代替 乳糖，可以得到良好的结果。乳糖被缓慢利 用的速度恰好适合青霉素合成的要求。
➢ CO2对发酵的影响 ➢对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重 要的发酵条件是提供的空气中要含5%的CO2 。 ➢对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、 抗生素等发酵的抑制
➢ 影响发酵液的酸碱平衡
2 CO2对发酵影响的机理
● CO2及HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性 及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率， 导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。 ●培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位； ●HCO3-影响细胞膜的膜蛋白。
法降低其浓度；
• 若有促进作用，则应提高其浓度。
呼吸商
• 生物体在同一时间内CO2产生量与O2的消耗量的比值叫做呼 吸商(CO2 ／ O2) 。
• 如糖类物质完全氧化时， O2只用于与氢形成H2O，反应式 可以葡萄糖为例表示如下： C6H12O6＋6H2O ＋6 O2——→6 CO2 ＋12H2O
在抗生素发酵中，由于存在菌体生长、维持及产物形 成的不同阶段，其RQ值也不一样。
青霉素发酵的理论呼吸商：菌体生 长0.909，菌体维持1，青霉素合 成4。发酵早期，主要是菌生长， RQ<1；过渡期菌体维持其生命活 动，产物逐渐形成，基质葡萄糖的 代谢不仅仅用于菌体生长，RQ比 生长期略有增加。
8.8 基质对发酵的影响
料管、补料管、排气 管、接种管和压力表 接管。 • 在罐身上的接管：
冷却水进出管、进空 气管、取样管、温度 计管和测控仪表接口。
罐体的尺寸比例
H/D=1.7~4
罐体各部分的尺 寸有一定的比例， 罐的高度与直径 之比一般为1.7~4 左右。
2、搅拌器
搅拌器的作用：
①打碎气泡，使空
气与溶液均匀接触， 使氧溶于发酵液中。 ②使发酵液中的悬 浮颗粒均匀分散
➢为实现这一目标，在中间补料控制时， 必须选择恰当的反馈控制参数和补料 速率。
补料控制的策略
• 避免抑制和阻遏作用
– 以经验数据或预测数据控制流加，补加的量控 制在出现毒性反应的剂量下
– 补加的方式根据底物消耗的速度连续流加，避 免不足或过量
– 采用自动控制系统，根据菌体浓度、底物浓度 自动补料
补料速率的确定
• – 这种装置的优点是： 冷却水在管内的流速 大；传热系数高。这 种冷却装置适用于冷 却用水温度较低的地 区，水的用量较少。
10、空气分布装置
① 单管
② 环形管 dI = 0.8Di
dI —环径Di —浆叶直径
8.10 高密度发酵与过程控制
高密度发酵特点 • 菌体的生长能力保持在最佳状态 • 具备适当的生产条件
1 发酵过程的中间检测
• 发酵过程的中间检测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
产物合成基质 前体 诱导物 无有害代谢物积累
高密度发酵策略
•使用最低合成培养基以便于准确的培养基 设计和计算生长得率，避免引入对细胞生 长不利的养分限制
•优化细胞生长速率，使碳源被充分 利用获得高产率
• 用碳源作为限制性养分，采用补 料分批发酵
高密度发酵存在问题
• 水溶液中的固体和气体物质的溶解度 • 基质对生长的限制或抑制作用 • 基质与产物的不稳定性和挥发性 • 产物或副产物的积累达到抑制生长的水平 • 高浓度的CO2和热的释放速率 • 高的氧需求和培养基的粘度不断增加
第八章 发酵过程控制
8.1 发酵过程控制概述 8.2 温度对发酵的影响及其控制 8.3 PH 值对发酵的影响和控制 8.4 溶解氧对发酵的影响和控制 8.5 泡沫对发酵的影响及其控制 8.6 污染对发酵的影响及其控制 8.7 CO2和呼吸商对发酵的影响和控制
8.8 基质浓度对发酵的影响及其控制 8.9 通气搅拌对发酵的影响及其控制 8.10 发酵中间检测及终点判定 8.11 高密度发酵与过程控制 8.12 自动控制技术的应用
• 基质即培养微生物的营养物质。对于发酵控 制来说，基质是生产菌代谢的物质基础，既 涉及菌体的生长繁殖，又涉及代谢产物的形 成。因此基质的种类和浓度与发酵代谢有着 密切的关系。所以选择适当的基质和控制适 当的浓度，是提高代谢产物产量的重要方法
1 基质浓度对发酵的影响
• 培养基过于丰富，有时会使菌体生长过旺， 黏度增大，传质差，菌体需较多的能量来维 持其生存环境，即用于非生产的能量大量增 加。