发酵工程发酵过程控制
发酵工程发酵过程控制
发酵工程发酵过程控制1. 引言发酵工程是利用微生物的生理代谢过程来生产有机化合物的一种工程技术。
而发酵过程控制则是在发酵工程中对发酵过程进行调控和监控，以确保发酵过程能够稳定进行，并获得高产率和良好的产品质量。
发酵过程控制通过对微生物与培养基、发酵设备和操作条件等方面进行控制，研究微生物的生长规律和代谢产物的生成规律，实现对发酵过程的调控，以实现最佳的发酵效果。
本文将介绍发酵工程发酵过程控制的主要内容和方法。
2. 发酵过程控制的目标发酵过程控制的主要目标是实现以下几个方面的调控：1.生物量的控制：调控微生物的生长速率和生物量，使其在适宜的培养基和环境条件下获得最佳生长，提高产酶或产物的产量；2.代谢产物的控制：调控微生物代谢过程中的关键反应步骤，实现选择性产物的生成，并提高产量；3.溶氧的控制：调控发酵过程中的溶氧浓度，提高氧传递效率，防止氧的限制性产物的堆积；4.pH的控制：调控发酵过程中的pH值，维持合适的酸碱环境，促进微生物的生长和代谢；5.温度的控制：调控发酵过程中的温度，提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢。
3. 发酵过程控制的方法发酵过程控制主要采用以下几种方法：3.1 反馈控制反馈控制是一种基于对发酵过程变量的测量和反馈，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的反馈控制方法包括：•温度控制：通过测量发酵容器内的温度，控制加热或降温设备的输出，以维持适宜的温度；•pH控制：通过测量发酵液的pH值，控制酸碱调节器的输出，以维持适宜的酸碱环境；•溶氧控制：通过测量发酵液中的溶氧浓度，控制气体供应设备的输出，以维持适宜的溶氧浓度。
3.2 前馈控制前馈控制是一种基于对发酵过程中外部输入变量的预测，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的前馈控制方法包括：•溶氧前馈控制：根据发酵微生物对溶氧需求的特性，通过对气体供应设备输出的调节，提前调整溶氧浓度，以满足微生物的需求；•pH前馈控制：根据发酵产物对酸碱环境的敏感性，通过对酸碱调节器输出的调节，提前调整pH值，以维持合适的酸碱环境。
现代发酵工程名词解释
现代发酵工程名词解释
现代发酵工程是一门研究利用微生物进行生物化学反应和生物质转化的工程学科。
它涉及到对微生物的生长、代谢和产物生成等过程进行控制和优化，以实现高效的生物制品生产。
以下是一些与现代发酵工程相关的常见名词解释：
1. 微生物发酵：利用微生物（如细菌、酵母菌和真菌）在适宜的环境条件下进行代谢反应，产生有用的化合物。
这些化合物可以包括酸、醇、酶、抗生素等。
2. 发酵剂：在发酵过程中用于促进微生物生长和代谢的物质。
常见的发酵剂包括碳源、氮源、无机盐和辅助因子等。
3. 发酵培养基：为微生物生长和代谢提供必需的营养物质和适宜的物理和化学环境的培养基。
它通常包含碳源、氮源、无机盐、辅助因子和水等。
4. 发酵过程控制：通过监测和调节发酵过程中的关键参数，如温度、pH值、溶氧量和营养物质浓度等，以实现高产、高效和稳定的发酵过程。
5. 代谢工程：通过改造微生物的代谢途径和调节代谢产物的分布，以实现特定产物的高产和优质。
常见的代谢工程策略包括基因工程、酶工程和发酵条件优化等。
6. 生物反应器：用于进行发酵反应的设备。
生物反应器通常包括控制温度、pH 值和溶氧量的系统，以及提供适宜环境的培养基供应系统。
现代发酵工程的应用范围广泛，涉及食品工业、制药工业、环境工程等领域。
通过合理设计和优化发酵过程，可以提高生产效率、降低成本、减少能源消耗，并实现可持续发展。
同时，现代发酵工程也为新型发酵产品的开发和生产提供了技术支持，推动了生物制造业的发展。
发酵工程关键技术
发酵工程关键技术
发酵工程是利用微生物进行发酵过程的工程化应用，在发酵工程中，关键技术主要包括以下几个方面：
1. 微生物菌种的筛选和改良：选择适合的微生物菌种是发酵工程成功的关键，菌种的筛选需要考虑其产酶活性、抗污染性、生长速度等因素，并且通过基因工程等方法对菌种进行改良，提高其产酶效率和稳定性。
2. 发酵培养基的优化：发酵培养基是提供微生物生长和代谢所必需的营养物质的介质，培养基的配方需要包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等成分，通过优化培养基的配方，可以提高菌种的产量和产酶效率。
3. 发酵过程的控制：发酵过程需要控制温度、pH值、通气速
率等因素，以保证微生物在最适合的环境条件下生长和代谢，控制发酵过程可以通过自动化控制系统来实现。
4. 发酵过程的监测和分析：监测发酵过程中微生物的生长情况、代谢产物的积累情况等，可以通过测量生物量、酶活性、代谢产物浓度等指标进行，通过监测和分析可以及时调整发酵过程，提高产量和产酶效率。
5. 发酵产物的提取和纯化：发酵产物的提取和纯化是发酵工程中的关键步骤，包括固液分离、浸提、溶液分离、蒸馏、结晶等操作，通过这些操作可以从发酵液中提取纯净的产物，以便后续的应用和加工。
通过不断改进和创新这些关键技术，可以提高发酵工程的效率和产量，推动相关产业的发展和应用。
发酵过程优化与控制(原理部分)
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大型发酵罐 搅拌装置
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现代发酵工程的主要研究内容
1.发酵过程的优化控制技术 2.生化过程的模型化 3.高密度培养技术 4.代谢工程和代谢网络控制 5.新型生化反应器的研究和开发 6.新型发酵和产品分离技术
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第一章
绪论
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制
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一. 发酵过程优化在生化工程中的地位
现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、 药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地 生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊 化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环 境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是 一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必 须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下 游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高 的生产强度(缩短发酵周期) 20
养或半连续发酵，是指在分批发酵过程
中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵
方法
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流加发酵的研究进展
在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究 几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为 主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加
1973年日本学者Yoshida等人首次提出了 “Fed-Batch Fermentation”这个术语，并从理 论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究 才开始进入理论研究阶段
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基于碳氢化合物的经济转变为基于 碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再
发酵工程第六章
发酵工程
第二节 发酵过程的代谢变化
了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温
度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞
的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对
生产的控制。
发酵工程
一、发酵过程操作方式 发酵过程操作方式：
A.分批发酵 B.补料分批发酵 C.连续发酵
发酵工程
1. 分批发酵 分批发酵是指在一封闭培养系统内含
发酵工程
控制方法： （1）培养基注意适当的配比 （2）通过中间补料，控制起始浓度不要太高
发酵工程
第四节 基质对发酵的影响及其控制
一、碳源种类 速效碳源：较迅速的被利用，有利于菌体的生
长，如葡萄糖 迟效碳源：被菌体缓慢利用，有利于代谢产物
的合成，如乳糖等
发酵工程
培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期； 单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期；2. 同 时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长
3）培养后期，产生热量不多，温度变化不大，且逐 渐减弱。
发酵工程
2、搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械 搅拌带动发酵液作机械运动，造成液 体之间，液体与搅拌器等设备之间的 摩擦，产生可观的热量。
发酵工程
3、蒸发热Q蒸发
通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分 蒸发所需的热量叫蒸发热。 此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显 热，显热很小，一般可以忽略不计。
发酵工程
4、辐射热Q辐射
发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有 部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取 决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天 小一些，一般不超过发酵热的5％。
发酵工程
第六节 发酵过程的pH控制
发酵工程技术
发酵工程技术一、引言发酵工程技术是指利用微生物进行生物化学反应的技术，是现代生物工程领域中的重要分支之一。
随着人们对生命科学认识的不断深入，发酵工程技术在食品、医药、化工等领域的应用也越来越广泛。
本文将从发酵过程、微生物选育、发酵设备和控制等方面详细介绍发酵工程技术。
二、发酵过程发酵过程是指利用微生物进行代谢反应，产生有用产物的过程。
发酵过程一般包括以下几个步骤：1.微生物培养：选取适合的微生物菌株进行培养，使其达到最佳状态。
2.接种：将培养好的微生物菌株加入到合适的基质中。
3.发酵：在适宜的条件下进行反应，如温度、气体含量、pH值等。
4.收获：收集并处理有用产物。
三、微生物选育微生物选育是指通过筛选和改良微生物菌株，获得更优良的特性和功能的过程。
微生物选育可以通过以下几个方面来进行：1.筛选：从自然界中或已有菌株中筛选出具有所需特性的菌株。
2.改良：通过基因工程等手段对微生物进行改良，使其具有更优异的性能。
3.培育：对已筛选或改良好的微生物菌株进行培养和保存，以便后续使用。
四、发酵设备发酵设备是指用于进行发酵反应的设备。
发酵设备一般包括以下几个部分：1.发酵罐：用于容纳微生物和基质，并提供适宜的环境条件，如温度、气体含量、pH值等。
2.搅拌器：用于将微生物和基质充分混合，以加速反应速率。
3.通气系统：用于提供适宜的气体含量和流速，以保证反应过程中氧气充足。
4.控制系统：用于监测和控制反应过程中各项参数，如温度、pH值、搅拌速度等。
五、发酵控制发酵控制是指对发酵过程中各项参数进行监测和控制的过程。
发酵控制可以通过以下几个方面来进行：1.温度控制：保持适宜的温度，以保证微生物菌株处于最佳状态。
2.pH值控制：保持适宜的pH值，以维持反应环境的稳定。
3.气体含量控制：保持适宜的气体含量和流速，以保证反应过程中氧气充足。
4.搅拌速度控制：调节搅拌速度，以加速反应速率。
5.在线监测：通过在线监测各项参数，及时调整反应条件，以提高产物质量和产量。
第七章 发酵过程控制
一、初级代谢的变化 二、次级代谢的变化 三、发酵过程的主要控制参数
初级代谢变化的根本原因在于菌体的代谢活 动引起环境的变化，而环境的变化又反过来影 响菌体的代谢。 在初级代谢中，菌体生长仍显示适应期、对 数生长期、静止期和衰亡期的特征。 由于菌体的生理状态与培养条件不同，各个 时期时间长短也不尽相同，且与接种微生物的 生理状态有关。
生物热的大小随培养时间的不同而不同。 实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产 量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈 代谢十分旺盛。
生物热的大小与菌体的呼吸强度有对应关系，呼 吸强度越大，所产生的生物热也越大。
在四环素发酵中，还发现 生物热和菌的呼吸强度的 变化有对应关系，特别是 在80小时以前。从此实验 中还可看到，当产生的生 物热达到高峰时，糖的利 用速度也最大。另外也有 人提出，可从菌体的耗氧 率来衡量生物热的大小。
• 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）
• 辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐 体向外辐射的热量。
• 辐射热可通过罐内外的温差求得，一 般不超过发酵热的5%。
发酵热的测定
（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和 冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内 的发酵热。
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；
H+或OH-在细胞内改变了胞内原有的中性状 态，影响到酶蛋白的解离度和电荷情况，从而 改变酶的结构和功能。
•
影响微生物原生质膜所带电荷的状态。改变 细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸 收和代谢产物的排泄。
简述发酵工程的基本过程
简述发酵工程的基本过程
发酵工程的基本过程包括以下几个步骤：
1. 选择发酵微生物：根据工艺要求和产品特性，选择合适的发酵微生物（如细菌、酵母、真菌等）作为发酵的生物体。
2. 培养种子：用适当的培养基和条件，培养发酵微生物的种子菌株，使其达到一定的生长状态。
3. 发酵罐设计：设计合适的发酵罐，包括容量、搅拌、通气、温度和pH控制等，以提供最佳的生长环境。
4. 发酵培养基准备：根据微生物的生长需求，配制合适的发酵培养基，包括碳源、氮源、无机盐和其他必要的添加剂。
5. 接种发酵：将培养好的种子菌株接种到发酵罐中的发酵培养基中，使其开始生长和繁殖。
6. 发酵过程控制：通过监测和调控发酵罐中的温度、pH、搅
拌速度、通气速率等参数，控制发酵过程中的生物学反应，以实现最佳的生长和代谢活动。
7. 产物收集和分离：在发酵结束后，收集发酵液中的目标产品，根据需要进行进一步的分离、提纯和处理。
发酵工程实验方案的设计
发酵工程实验方案的设计本实验的目的是通过发酵工程实验，探讨在不同条件下发酵过程对产物的影响，优化发酵参数以提高产物的质量和数量。
实验材料：1. 酵母菌2. 发酵罐3. 发酵培养基4. pH计5. 温度控制设备6. 搅拌器7. 无菌操作台8. 实验室常规设备实验步骤：1. 准备工作确保所有材料和设备都已清洁消毒，并在无菌操作台上进行操作。
2. 发酵罐的准备将发酵罐进行清洁消毒，并加入适量的发酵培养基。
根据实验设计的要求，可以调节发酵培养基的pH值和温度。
3. 加入酵母菌将事先培养好的酵母菌接种到发酵罐中，确保接种量合适。
4. 发酵过程控制在发酵过程中，通过监测pH值和温度，以及调节搅拌速度，控制发酵过程的条件。
5. 样品检测在不同时间点，取样品进行检测，包括产物的数量和质量，以及培养基中的营养成分的消耗情况等。
6. 数据统计和分析对实验数据进行统计和分析，探讨不同发酵条件对产物的影响，寻找最优的发酵参数。
实验设计：1. 不同初始pH值对酵母菌发酵产物的影响分别设置初始pH值在不同条件下的实验组，通过检测不同时间点的产物浓度，探讨不同初始pH值对酵母菌发酵产物的影响。
2. 不同温度条件下的发酵实验设置不同温度下的发酵实验组，通过检测不同温度条件下产物的产量和质量，探讨温度对发酵产物的影响。
3. 不同搅拌速度对发酵的影响在相同的pH值和温度条件下，设置不同搅拌速度的实验组，通过检测产物的质量和数量，探讨搅拌速度对发酵的影响。
实验结果和讨论：1. 不同初始pH值对酵母菌发酵产物的影响实验结果表明，初始pH值对酵母菌发酵产物有明显影响。
在中性条件下，产物的产量和质量较高，而在酸性和碱性条件下，产物的产量显著减少。
2. 不同温度条件下的发酵实验实验结果表明，较低的温度条件下，产物的产量较低，但质量较好；较高的温度条件下，产物的产量较高，但质量有所下降。
3. 不同搅拌速度对发酵的影响实验结果表明，在较低的搅拌速度下，产物的产量较低，但质量较好；在较高的搅拌速度下，产物的产量较高，但质量略有下降。
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？
发酵工程第九章发酵过程控制
发酵工程第九章发酵过程控制发酵工程是一门应用生物学、微生物学、化学等知识与技术的交叉学科，通过对微生物在发酵过程中的代谢特点和运行规律的深入研究，从而探索在发酵生产过程中如何控制微生物的生长、代谢及产物的合成，以提高发酵产物的产量和质量。
发酵过程控制是发酵工程的核心内容，也是实现发酵过程优化的关键。
发酵过程控制主要包括微生物培养条件的优化、发酵参数的监控和调控等。
微生物培养条件的优化是指通过合理调控发酵基质、发酵条件和发酵设备等因素，为微生物提供适宜的生长和代谢环境，以达到提高产酶产物的目的。
其中，发酵基质的优化包括选用适宜的碳源、氮源、无机盐和微量元素等，以满足微生物的营养需求；发酵条件的优化包括控制培养温度、pH值、溶氧度、搅拌速度、通气量等，以提供适宜的生长环境；发酵设备的优化包括选择合适的发酵罐类型和规格，保证良好的混合效果和传质性能。
发酵参数的监控和调控是实现发酵过程可控性的重要手段。
其中，监控发酵参数主要通过测定和分析微生物生长曲线、代谢产物浓度、培养液的理化指标等来了解发酵过程的动态变化，并及时调整发酵条件；调控发酵参数主要通过采用在线控制与传感技术，实时监测并自动调节温度、pH 值、溶氧度、搅拌速度、通气量等关键参数，以实现发酵过程的自动化和精确控制。
发酵过程控制的目标是在保证微生物生长和代谢的基础上，提高发酵产物的产量和质量，实现发酵过程的高效、稳定和可控。
为此，需要通过对发酵过程的深入研究和优化设计，建立合理的发酵工艺和控制策略。
在发酵过程中，应用传统的经验法和现代的控制理论相结合，根据不同微生物和不同发酵产物的特点，制定相应的控制策略。
例如，对于需氧发酵的菌种，应充分考虑氧的供应情况，控制溶氧度在合适的范围内；对于需酸性环境的菌种，应合理调控pH值，维持在适宜的范围内；对于同时产生多种代谢产物的菌种，应选择合适的反馈控制方法，控制各种产物的生成量。
此外，还应考虑发酵过程的反应动力学和传输过程等因素对控制的影响。
发酵过程中与微生物相关工艺参数的调控方法资料
9、黏度 10、浊度 11、料液流量 12、产物的浓度 13、氧化还原电位 14、废气中的氧含量 15、废气中的CO 2含量 16、菌丝形态 17、菌体浓度
2.1 pH 值的控制
2.1.1 pH值对发酵的影响
1.影响培养基某些组分和中间产物的离解
2.影响酶的活性
3.影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜 的通透性
2.1.1 pH值对发酵的影响
4.pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代 谢产物的质量和比例发生改变。
例如：黑曲霉在pH2~3时发酵产生柠檬酸，在 pH近中性时，则产生草酸。
2.1.2发酵过程pH值的变化
pH值
培养过程中 培养液pH值 的大致变化 趋势
培养时间
在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮 源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会 使pH值产生一定的变化。
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。 蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。 显热：发酵排气散发带走的热量。
辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。
2.2.2影响发酵温度变化的因素
发酵热（Q发酵）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辐射－Q显
酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精 乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶 利用真菌生产青霉素 利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、
干扰素和生长激素
2.发酵工程的主要的控制参数
1、pH值（酸碱度） 2、温度 3、溶解氧浓度 4、基质含量 5、空气流量 6、压力 7、搅拌转速 8、搅拌功率
发酵过程中与微生物 相关工艺参数的调控方法
目录
1.发酵工程的定义及应用
5发酵过程控制5(补料)
中间补料的原因
●中后期营养不足，菌体过早衰老； ●初始培养基营养过于丰富造成菌浓过大而缺氧； ●初始培养基中葡萄糖过多引起抑制； ●代谢后碳氮源不平衡、微量元素缺乏； ●合成产物或中间产物积累的毒性。
2013年8月7日星期三
长江大学生科院生物工程系
2013年8月7日星期三
辐射病及辐射防护 保护肝脏 抗过敏 ◆ 指数流加补料分批培养 改善某些疾病的病程和症状 ◆ 恒pH补料分批培养模式 养颜美容护肤 增加视力及眼科疾病 抗衰老作用
长江大学生科院生物工程系
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培养条件：
装液量3L/5L罐 接种量5% 空气流量1 L/L· min
用适量的酸、碱调节培养液的pH至6.5
2013年8月7日星期三 长江大学生科院生物工程系 7
补糖控制考虑：补糖时间、补糖量、补糖方式
参考数据：糖耗速率、残糖浓度、pH变化、菌体 浓度、菌丝形态、发酵液黏度、溶氧浓度等。一般 选择其中两到三个参数来考虑。
常用的两个参考指标：还原糖水平和总糖水平。
2013年8月7日星期三
长江大学生科院生物工程系
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常用的两个参考指标
●根据还原糖水平，如赤霉素还原糖降到0.6%就需要补糖；
●根据总糖水平，如抗生素发酵，有的是2%或3%不等。 具体要根据菌的酶系和pH变化的大小来决定补还原糖还 是总糖。如，菌体淀粉酶活力高就可补淀粉之类的物质(总糖)， 若淀粉酶活力低那就补还原糖；补还原糖pH变化明显，而补 淀粉，由于它是水解糖，pH变化很小较稳定。 注意：不同的发酵阶段控制的残糖浓度有可能不同。 如金霉素，前期3.5%，中期2.5%，后期1.5%。
●恒速流加方式改善了发酵后期的营养条件，使得细胞干
第七章 发酵过程的控制
1、发酵温度
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 三．发酵过程中CO2的控制 • CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞的 呼吸强度、通气搅拌程度、设备规模、罐 压大小、温度等。通气搅拌程度越大，体 系中CO2浓度越低。 • 工业发酵中，CO2的影响远比溶解氧的影 响要小得多，因此，一般不单独进行控制。
5、基质浓度的影响及补料控 制
压力法
覆膜氧电极 法
极普法
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 一．二氧化碳对发酵过程的影响 CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的 pH值下降，或与其他化学物质发生化学反 应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉 淀等原因，造成间接作用而影响菌体生长 和产物合成。
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 二．呼吸商与发酵的关系 • 微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干 重)在单位时间内消耗氧的量，即呼吸商或 比耗氧速率(或呼吸强度)。单位体积培养液， 在单位时间内消耗的氧量称为摄氧率。 • Q氧气 = γ/ Cc 在菌体浓度一定的情况下，摄氧率越大， 呼吸商越大，发酵就越旺盛。
主要内容
由于发酵过程的复杂性，使得发酵过程的控制较为复杂， 目前生产中较常见的参数主要包括：温度、pH值、溶解氧、 空气流量、基质浓度、泡沫、搅拌速率、罐压、效价等。
9 发酵参数和发酵终点的监测与控制 10 发酵过程的计算机控制 设备及管道清洗与消毒的控制
发酵过程控制
发酵过程控制和优化技术的有关知识发酵的生产水平高低除了取决于生产菌种本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺的影响。
只有深入了解生产菌种在生长和合成产物的过程中的代谢和调控机制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求，掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，有效控制各种工艺条件和参数，使生产菌种始终处于生长和产物合成的优化环境中，从而最大限度地发挥生产菌种的生产能力，取得最大的经济效益。
一．发酵过程进行优化控制的意义随着生物和基因工程技术在各工业行业中的应用，发酵产品生产规模和品种不断增加，对发酵过程进行控制和优化也显得越来越重要。
作为发酵中游技术的发酵过程控制和优化技术，既关系到能否发挥菌种的最大生产能力，又会影响到下游处理的难易程度，在整个发酵过程中是一项承上启下的关键技术。
与物理和化学反应过程不同，生物过程的反应速率比较慢，目的产物的浓度、生产强度、反应物质（底物或基质）向目的产物的转化率也比较底。
工业微生物学从两个方面解决上述问题，一方面通过菌种选育和改良获得高产的发酵菌种；另一方面，通过控制培养条件使微生物最大限度地生产目标产物。
相对来讲，通过发酵过程控制和优化，将生物过程准确地控制在最优的环境或操作条件下，是提高整体生产水平的一个捷径或者说是一种更容易的方法，其重要性也绝不亚于利用分子生物学和基因工程进行菌种改良的方法。
二．生化过程的特征与物理和化学反应过程相比，生化反应过程有以下不同特征：①动力学模型高度非线性；②动力学模型参数的时变性；③除简单的物理和化学状态变量（温度、pH、压力、气体分压、DO 外，绝大多数生物状态变量（生物量、营养物浓度、代谢产物浓度、生物活性等）很难在线测量；④过程参数的滞后性，一个生物过程可能涉及成千上万个小的物理和化学反应，其相互间的作用和影响造成了生物过程的响应速率慢。
生物过程的控制和优化还具有以下特点：①不需要太高的控制精度；②各状态变量之间存在一定的连带关系；③由于没有合适的定量的数学模型可循，其控制与优化操作还必须完全依靠操作人员的经验和知识来进行。
高效发酵技术的控制与优化方法
高效发酵技术的控制与优化方法发酵技术是一种将有机物质转化成其他产品的生物技术。
在各个行业中都有广泛的应用，例如食品工业、制药工业、酒类工业等。
随着生物技术的发展，人们对发酵技术进行了深入研究和探索。
如何掌握高效发酵技术的控制与优化方法成为了发酵技术工作者关注的重要问题。
本文将详细探讨高效发酵技术的控制与优化方法。
一、发酵过程中影响因素发酵过程中影响发酵效果的因素有很多，其中最为重要的是温度、pH值、氧气供应和酵母菌菌株等。
发酵过程的微生物和环境是相互作用的，因此其水平的掌握和确定对于发酵的成功非常重要。
在发酵过程中，菌株的选择首先依据生产对象的需求。
例如，对于啤酒酿制而言，酵母菌的选择是非常重要的。
温度、pH值和氧气供应的选择是根据不同的酵母菌菌株和生产对象的需求而定。
因此，发酵过程中的各项参数的控制对于微生物代谢、菌落增长、产物分泌等增量过程具有显著的影响。
二、发酵过程中的温度控制温度是影响发酵过程的重要因素之一。
温度的设定应具有较大的实践意义。
该温度因素包括培养温度、发酵温度、降温过程中的温度控制因素。
通常，菌株生长的最适温度逐渐增加，然后维持在一个平稳的温度下，这可以是菌株的生长速度和其产物效率得到最大化。
在发酵过程中，菌体的温度控制是一个复杂的过程，因为它受到许多因素的影响。
这些因素包括反应速率、产物选择、菌株代谢的不同阶段，以及过量补充的水分和废物等。
温度的控制对于这个过程是非常重要的，设定温度的标准应该是根据菌株的生长需求和生产对象的要求。
三、发酵过程中的 pH 值控制在发酵过程中，pH 值是影响反应的另一个重要因素。
酸碱度的增加或减少会影响微生物代谢，因此，pH 值调整对于发酵效果的影响非常大。
酸碱度越大，微生物线性比例就越低，某些细菌会死亡，同时造成产物的制造效率下降。
这也就是为什么在发酵过程中，pH 值的控制非常重要。
pH 值的控制是一个十分微妙和复杂的问题。
通常在发酵过程中，需要测量反应液的 pH 值和生产物的 pH 值以便于控制。
现代发酵工程名词解释
现代发酵工程名词解释
现代发酵工程是一门研究微生物发酵过程及其应用的科学,涉及到微生物的遗传、生理、代谢和调控等方面,是现代生物学和工程学的重要分支之一。
以下是现代发酵工程中的一些重要名词解释:
1. 发酵罐:发酵罐是一种用于发酵过程的设备,通常由一个或多个圆柱形容器和一个出口端组成。
容器内部通常填充有惰性气体,如氮气或二氧化碳,以保持微生物的生长和发酵过程的稳定性。
2. 发酵剂:发酵剂是指用于发酵过程的微生物或其代谢产物。
常见的发酵剂包括酵母、细菌、霉菌、代谢产物等。
3. 发酵条件:发酵条件是指影响发酵过程的因素,如温度、pH值、氧气浓度、营养物质种类和浓度、代谢产物种类和浓度等。
4. 发酵过程中的控制:发酵过程中的控制包括温度、pH值、氧气浓度、营养物质种类和浓度、代谢产物种类和浓度等的控制。
5. 基因组学:基因组学是指研究生物体基因组的结构和功能的科学。
通过对生物体的基因组进行深入研究,可以更好地了解其遗传信息和控制机制。
6. 代谢组学:代谢组学是指研究微生物代谢途径和代谢产物组成的科学。
通过对微生物的代谢途径和代谢产物进行深入研究,可以更好地了解微生物的代谢能力和代谢产物的功能。
7. 发酵技术:发酵技术是指应用发酵原理和设备进行发酵生产的方法和技术,包括微生物培养、发酵条件控制、代谢产物分离和纯化、发酵产品合成等。
除了上述名词解释外,现代发酵工程还涉及到其他许多重要的概念和领域,如代谢工程、基因工程、蛋白质工程、发酵药物开发等。
随着科技的不断进步和
发展,现代发酵工程将会在各个领域发挥越来越重要的作用。
第八章 发酵工艺的控制
发酵工艺过程，不同于化学反应过程，它既涉及生物细胞的生长、生理和繁殖等生命过程，又涉及生物细胞分泌的各种酶所催化的生化反应过程。
发酵工程是生物应用工程学科，是微生物学在工业生产领域的大规模应用，是化学工程在生物技术领域的延伸，是生物、化学和工程等学科的综合利用。
8.1发酵过程的主要控制参数1. 物理参数（1）温度（℃）直接影响发酵过程的酶反应速率，氧的溶解度和传递速率，菌体生长速率和合成速率。
（2）压力（Pa）影响发酵过程氧和CO2的溶解度，正压防止外界杂菌污染。
罐压一般控制在0.2×105～0.5×105 Pa。
（3）搅拌速度（r/min）搅拌器在发酵过程中的转动速度。
其大小影响发酵过程氧的传递速率，受醪液的流变学性质影响，还受发酵罐的容积限制（见下表）（4）搅拌功率（kW）搅拌器搅拌时所消耗的功率（kW/m3），在发酵过程中的转动速度。
其大小与液相体积氧传递系数有关。
（5）空气流量（m3空气/（m3发酵液·min））单位时间内单位体积发酵液里通入空气的体积，一般控制在0.5～1.0（m3空气/（m3发酵液·min））（6）粘度（Pa·s）细胞生长或细胞形态的一种标志，反映发酵罐中的菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。
（7）浊度（％）反映应单细胞生长情况（8）料液流量（L/min）进料参数（6）粘度（Pa·s）细胞生长或细Array胞形态的一种标志，反映发酵罐中的菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。
（7）浊度（％）反映应单细胞生长情况（8）料液流量（L/min）进料参数（3）溶解氧浓度（ppm或饱和度，％）溶解氧是好氧发酵的必备条件，是生化产能反应的最终电子受体，也是细胞及产物重要的组分。
通常用饱和百分度表示。
（4）氧化还原电位（mV）培养基的氧化还原电位是影响微生物生长及生化活性的因素之一。
在某些限氧发酵（如氨基酸），氧电极以不能精确使用，氧化还原电位参数控制较为理想。
发酵工程思考题含答案解析
发酵工程课后思考题第一章绪论1、发酵及发酵工程定义？答：它是应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进展醐促转化，将原料转化成产品或提供社会性效劳的一门科学。
由于它以培养微生物为主，所以又称为微生物工程。
2、发酵工程根本组成局部？答：从广义上讲分为三局部：上游工程、发酵工程、下游工程3、发酵工业产业化应抓好哪三个环节？答：发酵工程产业化就是将有关应用微生物的科学研究成果转化为发酵产品，并投向市场的过程。
三个环节：投产试验、规模化生产和市场营销。
①投产试验：涉及到〃上、中、下三游〃工作，即研究成果的验证、小试、中试和扩大试验。
②规模化生产：值得注意的是产品质量问题，其检测必须符合相应产品标准。
③市场营销：市场开拓对技术本身影响不大，但参与市场竞争却是产业化成败的决定因素。
4、当前发酵工业面临三大问题是什么？答：菌种问题纯种，遗传稳定性，平安，周期短、转化率高产率高抗污染能力强：噬菌体、蛭弧菌；适宜的反响器生产规模化原料利用量大，并且具有一定选择性，节能，构造多样化、操作制动化，节劳力。
基质的选择价廉原料利用量大，并且具有一定选择性易被利用、副产物少，满足工艺要求。
5、我国发酵工业应该走什么样的产业化道路？发酵过程的组成局部？答第一步为技术积累阶段、第二步为产业崛起阶段、第三步为持续开展阶段典型的发酵过程可划分成六个根本组成局部：(1)繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份设定；(2)培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；(3)培养出有活性、适量的纯种，接种入生产容器中；(4)微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长；(5)产物别离和精制;(6)过程中排出的废弃物的处理。
第二章菌种的来源(1)1、自然界别离微生物的一般操作步骤？答：标本采集，预处理，富集培养，菌种别离(初筛，复筛)，发酵性能鉴定，菌种保藏2、从环境中别离目的微生物时，为何一定要进展富集？答：让目的微生物在种群中占优势，使筛选变得可能。
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困难：传感器要求较高。
对传感器的要求：
❖ 能经受高压蒸汽灭菌； ❖ 探头材料不易老化，使用寿命长； ❖ 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； ❖ 解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞
问题； ❖ 安装使用和维修方便； ❖ 价格合理，便于推广。
❖ 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。
3. 温度对基质消耗的影响
(1) 糖比消耗速率qs
❖ Righelato假定： qs m B
m－维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗。m项 与渗透压调节、代谢产物的生成、迁移性及除繁殖以 外的其它生物转化等过程所需的能量有关。这些过程
受温度的影响，所以m也和温度相关。
B－生长系数，即同一生长速率下的糖耗，B值越大，说 明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。
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
❖ 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
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. 温度对基质消耗的影响 4. 温度对产物合成的影响 5. 最适温度的选择与控制
1. 影响发酵温度的因素
(1)发酵热
❖ 发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。
发酵过程控制概述
1. 过程控制的重要性 2. 发酵过程控制的一般步骤 3. 参数检测
1. 过程控制的重要性
决定发酵 单位(水平) 的因素
生物因素 菌株特性(营养要求、生长速率、 呼吸强度、
产物合成速率)
外部环境因素
设备性能： 传递性能
工艺条件 物理：n、T、Ws
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。
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 被测介质的温度值
❖ 搅拌转速和搅拌功率的测量 搅拌转速：磁感应式，光感应式，
测速电机； 搅拌功率：功率表
❖ 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：
代谢参数按性质可分为三类： ❖ 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 ❖ 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、核酸量等
参数按获取方式可分为两类：
❖ 直接参数：如T、pH、罐压、空气流量、搅拌转速、 溶氧浓度等
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
(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 发酵时期 培养基成分
❖ 生物热与其它参数的关系
①呼吸强度QO2 ②糖利用速率
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，
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
dx x x dt
1 dx x dt
❖ 当μ>>α时，α可忽略，微生物处于生长状态。μ、α皆与T 有关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：
A1eE RT
A2eE RT
❖ ∵Eμ＜Eα ∴死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感。
嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系
本章内容
发酵过程控制概述 温度对发酵的影响及其控制 pH对发酵的影响及其控制 溶解氧对发酵的影响及其控制 CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制 基质浓度对发酵的影响及补料控制 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 高密度发酵及过程控制 发酵终点的检测与控制 自动控制技术在发酵过程控制中的应用
根据流体固有性质（质量、导电性、热传导 性能）设计的流量计。
❖ 罐压测量 压力表 压力传感器
❖ pH测量 复合pH电极 pH测量仪器
❖ 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
❖ 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、 浊度分析等
❖ 改变温度可以控制qs和μ
（2）T对B、m和μ的影响
qs一定： ❖ 当T<Tm时，m↑，μ ↑, B↓
底物转化效率高
当T>Tm时， m ↓ ， μ ↓, B ↑ 底物转化效率低
当T=Tm时， m
m
T(K) 温度对B、m和不同各种反应速率，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
❖ 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。 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。
➢ 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)、比生长速率（μ) 、体积溶氧系 数(KLa)、呼吸商(RQ)等。
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