发酵工程第8章发酵过酥程控制
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发酵工程 8 发酵过程控制
检测仪器:气相色谱,高效液相,离子色 检测仪器:气相色谱,高效液相, 谱,双向电泳,毛细管电泳,红外光谱,基 双向电泳,毛细管电泳,红外光谱, 因测序仪等. 因测序仪等. 检测代谢中间物,分析代谢流向, 检测等. 检测代谢中间物,分析代谢流向,RNA检测等. 检测等 1,参数在线检测
在线检测必须用专门的传感器(也叫电极或探头) 在线检测必须用专门的传感器(也叫电极或探头) 放入发酵系统,将发酵的一些信息传递出来, 放入发酵系统,将发酵的一些信息传递出来,为发 酵控制提供依据. 酵控制提供依据.
(2)酶电极 (2)酶电极
酶电极是在离子选择性电极的表面覆盖一个涂层, 酶电极是在离子选择性电极的表面覆盖一个涂层, 把酶固定在涂层内, 把酶固定在涂层内,通过酶反应产生的物质的测 可以推算出反应物的量. 定,可以推算出反应物的量. 例如脲酶电极,把脲酶固定在 例如脲酶电极,把脲酶固定在NH3气敏电极或 CO2气敏电极的表面,在脲酶的催化下,尿素可以 气敏电极的表面,在脲酶的催化下, 发生如下的分解反应: 发生如下的分解反应:
8 发酵过程控制
思考题 1,叙述发酵过程优化控制的一般步骤. 叙述发酵过程优化控制的一般步骤. 叙述发酵过程优化控制的一般步骤 2,什么是发酵过程的直接状态参数与间接状态参数,列 出常用的直接状态参数与间接状态参数. 3,温度对发酵有哪些影响?如何选择最适发酵温度? 温度对发酵有哪些影响?如何选择最适发酵温度? 温度对发酵有哪些影响 4,pH对发酵有哪些影响?如何选择最适发酵pH? pH对发酵有哪些影响? pH对发酵有哪些影响 5,发酵过程中泡沫是如何产生的,有何危害?如何控制? 发酵过程中泡沫是如何产生的,有何危害?如何控制? 发酵过程中泡沫是如何产生的
代谢参数按性质分可分三类: 代谢参数按性质分可分三类: 物理参数:温度,搅拌转速,空气压力, 物理参数:温度,搅拌转速,空气压力,空气 流量,溶解氧,表观粘度,排气氧(二氧化碳) 流量,溶解氧,表观粘度,排气氧(二氧化碳) 浓度等; 浓度等; 化学参数:基质浓度(包括糖,氮,磷), 化学参数:基质浓度(包括糖, pH,产物浓度,,核酸量等; ,,核酸量等 ,产物浓度,,核酸量等; 生物参数:菌丝形态,菌浓度, 生物参数:菌丝形态,菌浓度,菌体比生长速 呼吸强度,基质消耗速率,关键酶活力等. 率,呼吸强度,基质消耗速率,关键酶活力等.
发酵过程控制
即每小时在 1m3 培养液中的需氧量是氧溶解量的 750 倍。
一、影响氧溶解度的主要因素
温度
溶液性质 氧分压
温度升高，气体分子运动加快，会使氧的 溶解度下降。
25℃，1atm下纯氧在不同溶液中的溶解度(mmol/L)
溶液浓度mol/L 0 0.5 1.0 2.0
盐酸 1.26 1.21 1.16 1.12
生物热：微生物在生长繁殖过程中，本身产生的 大量热，称为生物热。 搅拌热：机械搅拌通气发酵罐，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。 蒸发热：通气时，引起发酵液水分的蒸发，被空 Q搅拌 P 3601 气和水分蒸发带走的热量叫蒸发热。 辐射热的大小取决于罐内外温差。 辐射热：由于发酵罐内温度与罐外环境的温度差 异，而使发酵液中的部分热能通过罐体向外辐射， 即为辐射热。
温度控制措施：
大罐：在夹套或蛇管内通入冷却水。 小罐：控制冷却水水温。
二、温度对微生物生长和发酵的影响
温度和微生物生长的关系
温度对发酵的影响
1、温度和微生物生长的关系
在最适温度范围内，生长速度随温度的升
高而增加，发酵温度越高，生长周期越短； 不同生长阶段的微生物对温度的反应不同。
2、温度对发酵的影响
空气线速度过大，会发生“过载”现象， 搅拌速率和溶氧速率都大大降低。 过载：即气体不经分散而沿搅拌叶缓慢运动 的中心迅速上升。
3、空气分布管
空气分布管形式
单管、多孔环管或多孔分支环管。 喷口直径 通风量小时（0.02～0.5mL/s），喷口直径 越小，气泡直径越小，溶氧系数越大。 管口与罐底距离的相对位臵 通风量大时，气泡直径只与通风量有关。 d/D＞0.3～0.4：管口距罐底20～40mm； d/D＝2.5～0.3：管口距罐底40～60mm。
第8章 发酵过程控制
发酵工程
第8章 发酵过程控制
北京科技大学 化学与生物工程学院 生物科学与工程系
8.1 发酵过程控制概述
常规的发酵工艺控制参数有温度、pH、搅拌转速、空 气流量、罐压、液位、补料速度及补料量等。 能表征发酵过程性质的直接状态参数有pH、溶解氧 （DO）、溶解CO2、氧化还原电位（rH），尾气中的O2 和CO2含量、基质（如葡萄糖）或产物浓度、代谢中 间体浓度、菌体浓度。 通过直接状态参数可以求得发酵体系中各种间接状态 参数，如比生长速率、摄氧率、CO2释放速率、呼吸 商、氧得率系数、氧体积传质系数、基质消耗速率、 产物合成速率等。
8.8 泡沫对发酵的影响及其控制
8.8.3 泡沫的控制
预防泡沫形成
菌种、培养基…
机械消泡
/duomeiti/10694459/0061.jpg
消泡剂消泡
天然油脂（玉米油、豆油、米糠油…） 聚醚类化合物（聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油— “泡敌”）
8.2 温度对发酵的影响及其控制
8.2.2 温度对微生物生长的影响
在微生物最适温度范围内，生长速率随温度升高而增 加。当温度超过最适生长温度，生长速率将随温度增 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。将其置于最适生长 温度附近，可以缩短其生长的延迟期，而将其置于较 低的温度，则会增加其延迟期。对于对数生长期的细 菌，从一般适温菌来看，如果在略低于最适温度的条 件下培养，既有利于菌体的生长，又避免热作用的破 坏。处于生长后期的细菌，一般其生长速度主要取决 于溶解氧的浓度，而不是温度，因此在培养后期最好 适当提高通气量。
菌 生 量 g/m 体 物 (m L)
150
15
溶氧
第8章 发酵过程控制
北京科技大学 化学与生物工程学院 生物科学与工程系
8.1 发酵过程控制概述
常规的发酵工艺控制参数有温度、pH、搅拌转速、空 气流量、罐压、液位、补料速度及补料量等。 能表征发酵过程性质的直接状态参数有pH、溶解氧 （DO）、溶解CO2、氧化还原电位（rH），尾气中的O2 和CO2含量、基质（如葡萄糖）或产物浓度、代谢中 间体浓度、菌体浓度。 通过直接状态参数可以求得发酵体系中各种间接状态 参数，如比生长速率、摄氧率、CO2释放速率、呼吸 商、氧得率系数、氧体积传质系数、基质消耗速率、 产物合成速率等。
8.8 泡沫对发酵的影响及其控制
8.8.3 泡沫的控制
预防泡沫形成
菌种、培养基…
机械消泡
/duomeiti/10694459/0061.jpg
消泡剂消泡
天然油脂（玉米油、豆油、米糠油…） 聚醚类化合物（聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油— “泡敌”）
8.2 温度对发酵的影响及其控制
8.2.2 温度对微生物生长的影响
在微生物最适温度范围内，生长速率随温度升高而增 加。当温度超过最适生长温度，生长速率将随温度增 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。将其置于最适生长 温度附近，可以缩短其生长的延迟期，而将其置于较 低的温度，则会增加其延迟期。对于对数生长期的细 菌，从一般适温菌来看，如果在略低于最适温度的条 件下培养，既有利于菌体的生长，又避免热作用的破 坏。处于生长后期的细菌，一般其生长速度主要取决 于溶解氧的浓度，而不是温度，因此在培养后期最好 适当提高通气量。
菌 生 量 g/m 体 物 (m L)
150
15
溶氧
发酵过程的工艺控制
• 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。
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
• 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
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
(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。
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
• 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
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
第八章发酵过程控制
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 ℃
第八章发酵过程控制
第八章发酵过程控制
2. 次级代谢物的生产调节
(1) 次级代谢的特点及与初级代谢的关系 (2) 调节方法
诱导作用 避开固有的负反馈
操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成 耐负反馈调节的抗性突变株的筛选 初级代谢物的调节作用 能荷调节 e.g.磷酸盐影响金霉素的合成
第八章发酵过程控制
（1）次级代谢的特点及与初级代谢的关系
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%。
第八章发酵过程控制
5. 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。
第八章发酵过程控制
(1) 糖比消耗速率qs
Righelato假定： qs mB
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。
次级代谢酶的特异性较初级代谢酶的特异性低，故受 遗传及环境因素的影响大。
次级代谢物的合成途径比初级代谢的种类多，但大多 数次级代谢物都是由少数关键中间代谢物组装的。
次级代谢产物的合成一般是在生长期后，即培养基中 的养分快耗尽，菌的比生长速率降低时才合成。
第八章发酵过程控制
第八章发酵过程控制
第八章发酵过程控制
2. 次级代谢物的生产调节
(1) 次级代谢的特点及与初级代谢的关系 (2) 调节方法
诱导作用 避开固有的负反馈
操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成 耐负反馈调节的抗性突变株的筛选 初级代谢物的调节作用 能荷调节 e.g.磷酸盐影响金霉素的合成
第八章发酵过程控制
（1）次级代谢的特点及与初级代谢的关系
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%。
第八章发酵过程控制
5. 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。
第八章发酵过程控制
(1) 糖比消耗速率qs
Righelato假定： qs mB
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。
次级代谢酶的特异性较初级代谢酶的特异性低，故受 遗传及环境因素的影响大。
次级代谢物的合成途径比初级代谢的种类多，但大多 数次级代谢物都是由少数关键中间代谢物组装的。
次级代谢产物的合成一般是在生长期后，即培养基中 的养分快耗尽，菌的比生长速率降低时才合成。
第八章发酵过程控制
中药学-发酵工艺控制
恒化器
连续培养浓缩菌体两种办法：
①限制菌体从恒化器中排出，让流出的菌 体浓度比罐内的小； ②将流出的发酵液送到菌体分离设备中， 如让其沉积或将其离心，再将部分浓缩的 菌体送回罐内。部分菌体返回罐内的净效 应为：罐内的菌体浓度增加了；这导致残 留基质浓度比简单恒化器小；菌体和产物 的最大产量增加；临界稀释速率也提高。 菌体反馈恒化器能提高基质的利用率，可 以改进料液浓度不同的系统的稳定性，适 用于被处理的料液较稀的品种，如酿造和 废液处理。
了解发酵工艺过程控制的重要性
发酵是一种很复杂的生化过程，其好坏涉及 诸多因素。除了菌种的生产性能，还与培养 基的配比、原料的质量、灭菌条件、种子的 质量、发酵条件、过程控制等有密切的关系。 由于高产菌种对工艺条件的波动比低产菌种 更敏感，通常菌种的生产性能越高，其生产 条件越难满足。 发酵生产受许多因素的影响和工艺条件的制 约，故掌握生产菌种的代谢规律和发酵调控 的基本知识对生产的稳定和提高具有重要的 意义。
（1）长时间的连续培养难以保证纯种培 养； （2）菌种发生变异的可能性较大
第三节、菌体浓度影响及其控制
本节内容: 一、影响菌生长速率的因素 二、菌浓度对发酵产物得率的影响 三、菌浓度的控制
菌体（细胞）浓度
菌体（细胞）浓度（简称菌浓，cell concentration）是指单位体积培养液中 菌体的含量。
第四节、基质的影响及其控制
本节内容: 一、碳源的种类和浓度影响和控制 二、氮源的种类和浓度影响和控制 三、磷酸盐浓度的影响和控制
基质的影响及其控制
基质是产生菌代谢的物质基础，既 涉及菌体的生长繁殖，又涉及代谢产物 的形成。 它们及其代谢产物又是许多调节控 制机制的效应剂，也影响产物的形成。
发酵过程控制技术ppt课件
3项
知识目标
2项
素质目标
生产操 作技能
能进行培养基配制及灭菌操作 能按照工艺配方正确计算出原料、辅料的投料量 能按照发酵过程控制标准操作规程进行生产和设备操作 能识别发酵生产异常情况并处理
技能 目标
设备操 作技能
能进行本岗位的主要设备与管路的使用维护 能进行常用发酵设备仪器仪表的使用和维护 能识别常见设备异常情况并处理
队 积极与他人合
合 作完成工作任
社作
务
会
能 力 考 核
责 任 感
爱护设备、教 学设施、节约
耗材
3
12
分
安 全 意 识
水电气安全操 作，注意环境
保护
3
理化 检测
能够合理分析发酵液参数，快速 检测发酵液副产物，比如乙醇的含量， 10
以及目标产物酵母菌的浓度。
数据 记录
数据记录规范、完整，真实可靠
5
初产品 质量
发酵产品生产 （小试、中试、 扩试）
发酵技术学习、 就业（毕业后即 上岗）
一 条 线
校内条件
实训室名称
主要功能
校企共建，中央财政支持 国家级食品生物基地 图书中心 资料中心 多媒体网络机房
工业发酵酿
生物发酵反应 发酵中游生产、中试生产、
车间
自动化发酵监测等。
合计 考核项目总合得分
考核项目权重 考核项目综合得分
总分
情境一
学生成绩总考核表
学号
过程与能力考核
情境二
情境三
情境四
情境五
职业资格考核
知识
操作
10%
15%
20%
25%
30%
30%
发酵过程的代谢控制PPT课件
一、温度对生长的影响
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最 高温度、最低温度来表征。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超 过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温 度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死 亡。这就是菌种保藏的原理。
二、温度对发酵的影响
1、温度影响反应速率
发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。 从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2
后期的补料控制是关键。
3、糖含量
微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。 糖的消耗 反映产生菌的生长繁殖情况
反映产物合成的活力 糖含量测定包括总糖和还原糖。 总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。 还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡 萄糖。
4、氨基氮和氨氮
氨基氮指有机氮中的氮（NH2-N），单位是 mg/100ml。 如氨基酸中的氮，黄豆饼粉、花生饼粉中都有有机氮。 氨氮指无机氨中的氮（NH3-N）。 氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合 成情况。
从检测手段分可分为：直接参数、间接 参数
直接参数：通过仪器或其它分析手段可 以测得的参数，如温度、pH、残糖等
间接参数：将直接参数经过计算得到的 参数，如摄氧率、KLa等
直接参数又可分为在线检测参数和离线 检测参数
在线检测参数指不经取样直接从发酵罐 上安装的仪表上得到的参数，如温度、 pH、搅拌转速；
排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况。
CER表示单位体积发酵液单位时间内释放 的二氧化碳的量
呼吸熵＝ RQ CER
OUR
呼吸熵反映了氧的利用状况
RQ值随微生物菌种的不同，培养基成分的 不同，生长阶段的不同而不同。测定RQ值 一方面可以了解微生物代谢的状况，另一 方面也可以指导补料
第八章发酵过程控制
其中敏感性膜部分随组成 材料的不同而各有特色。 测定pH值的玻璃电极的 敏感膜是厚度为10－1～ 10－3mm的玻璃薄膜，其 电阻为50～500mΩ。
离子选择性电极的结构
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
指示电极的关键是敏感膜 KCl溶液
H+ H+ H+
H+ H+ H+
待测溶液
玻璃敏感膜
浓度差引起电位差——浓差电极
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高， 因此对传感器有特殊要求：
插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 （材料、数据）
传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染 菌（密封性好）
传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。 （响应快、灵敏）
传感器性能要稳定，受气泡影响小。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
△ε膜=常数+
RT F
Ln H
在25℃下： △ε膜=常数-0.0591pH（试液）
但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即使 α1=α2时，△ε膜≠0，这差别所产生的电位叫不对称电 位（ε不对称），这样整个玻璃电极（指示电极）的电 位应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测 第三节 微生物培养过程的参数检测
黑箱
参数检测灰箱
检测仪器：气相色谱、高效液相、离子色谱、
双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等 检测代谢中间物，分析代谢流向、RNA检测
一 参数在线检测
在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头） 放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控 制提供依据。
离子选择性电极的结构
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
指示电极的关键是敏感膜 KCl溶液
H+ H+ H+
H+ H+ H+
待测溶液
玻璃敏感膜
浓度差引起电位差——浓差电极
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
由于微生物培养过程是纯培养过程，无菌要求高， 因此对传感器有特殊要求：
插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌 （材料、数据）
传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染 菌（密封性好）
传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。 （响应快、灵敏）
传感器性能要稳定，受气泡影响小。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测
△ε膜=常数+
RT F
Ln H
在25℃下： △ε膜=常数-0.0591pH（试液）
但实际上玻璃膜内外侧表面性状总有微小差别，即使 α1=α2时，△ε膜≠0，这差别所产生的电位叫不对称电 位（ε不对称），这样整个玻璃电极（指示电极）的电 位应是内参比电位、膜电位与不对称电位之和。
发酵过程控制
❖ 微生物培养过程的参数检测 第三节 微生物培养过程的参数检测
黑箱
参数检测灰箱
检测仪器：气相色谱、高效液相、离子色谱、
双向电泳、毛细管电泳、红外光谱、基因测序仪等 检测代谢中间物，分析代谢流向、RNA检测
一 参数在线检测
在线检测必须用专门的传感器（也叫电极或探头） 放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控 制提供依据。
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。
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。
第八章.发酵过程的控制7发酵工程
菌的繁殖，尤其是细菌本身 具有稳定泡沫的作用
发酵最旺盛时泡沫形成比较多，在发酵后期菌体 自溶导致发酵液中可溶性蛋白质增加，又有利 于泡沫的产生。
此外，发酵过程中污染杂菌而使发酵液
粘度增加，也会产生大量泡沫。
好气性发酵过程
强烈的通气 和搅拌 微生物的呼吸和发酵 产生大量二氧化碳
必然引起大量泡沫的产生
喷嘴与共振室之间的间隙可以根据振动
次数需要进行调整。这种消泡法只
适用于实验室小型发酵试验 的消泡，当发酵罐直径大于0.3m时， 消泡效率明显降低，且设备费用高，
因此不适宜用于大规模工业发酵的消泡。
图12-6 超声波消泡器
(7)碟片式消泡器的机械消泡
碟片式消泡器是一种较 为新型的消泡装置，它的 结构如图12-7所示，
中有一定的滞留时因素
如发酵罐的装料系数(装量与容量之比)的减少，
若不加以控制，还会造成排气管大量逃 液的损失 泡沫升到罐顶有可能从轴封渗出，增加污染 杂菌的机会，并使部分菌丝粘附在罐盖或 罐壁上，而失去作用。
泡沫严重时
还会影响通气搅拌的正常进行，因而妨碍 菌体的呼吸，造成代谢异常，导
第六节 泡沫的控制
一、泡沫的性质
在微生物发酵过程中为了适应微生物 的生理特性，并取得较好的生产效果， 要通入大量的无菌空气。
同时，又为了加速氧在水中溶解度，就必须加剧 烈的搅拌，使气泡分割成无数小气泡，以增加 气—液界面。
气液界面的增加
有利于
微生物呼吸过程中所产生的二氧化碳 的逸出 因此，在通气发酵过程中，产生一 定数量的泡沫，是必然的正常现象 为了达到充分交换的目的，气泡还必须在培养液
(2)旋转圆板式的机械消泡
这种旋转圆板设置在发酵槽内气 相部分与发酵醪的液面平行，见图 12-2。
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如噻纳霉素的发酵中，
pH值在6.7-7.5之间时，抗生素的产量相近，产品 稳定性未受影响，半衰期也无变化，
但当pH大于7.5时，抗生素半衰期缩短，稳定性 下降，发酵产量也减少。
5）pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
X
四
生长
环
合
素
成
pH
pH对菌体生长影响比产物合成影响小
例 青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0,产物合成最适 pH7.2~7.4
快速生长期：pH值变化较大，因菌种及培养基不同而上升或 下降。
2.在生产阶段，一般发酵液的pH值趋于稳定，维持在适合产物形 成的pH范围。
3.在微生物细胞自溶阶段,养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培 养液中氨基氮增加，致使pH又上升。
1.2 引起发酵过程pH变化的原因
1、基质代谢 糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，
2）影响原生质体膜的电荷 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而
改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收 及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
如产黄青霉细胞壁的厚度会随pH的增加而减小。 pH低于6时，菌丝长度变短，直径为2-3μm， pH 大于7时，菌丝直径为2-8 μm 膨胀菌丝增多， pH下降后，菌丝又恢复到正常状态。
四环素：菌体生长最适pH6.0~6.8，产物合成最适 pH5.8~6.0
三、最适pH的选择
各种微生物适应的pH范围不同：
细菌6.5-7.5;
霉菌4.0-5.8;
酶母菌3.8-6.0;
放线菌6.5-8.0.
微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH值往往 也不一样。这与菌种的特性有关，也取决于产物的化 学性质。
四、PH的调控策略
1、配制合适的培养基，调节培养基初始PH至合适范围并 使其有很好的缓冲能力。
2、培养过程中加入非营养基质的酸碱调节剂，如CaCO3 等防治PH过度下降。 3、培养过程中加入基质性酸碱调节剂，如氨水等。 4、加生理酸性或碱性盐基质，通过代谢调节PH。
5、将PH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制PH。
一、发酵过程中的pH变化及其原因 二、pH对发酵的影响 三、最适pH的选择 四、PH的调控策略
一、发酵过程中的pH变化及其原因
1.1发酵过程中pH值的变化一般规律
1.在微生物细胞的生长阶段:
初期:接种后到孢子萌发,因碳氮源代谢水平比较低, pH一般 可维持不变,或者由于添加了CaCO3而略有上升。
发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3， 调节这一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高发酵 单位。
例：培养基初始pH值对漆酶分泌的影响 pH在4～7范围内产酶最高
二、pH对发酵的影响
1）影响酶活性继而影响微生物的生长繁殖。
石油吃蜡酵母（解脂假丝酵母和热带假丝酵母） 在 pH 3.5-5.0 范围内生长良好且不易染菌；高于5时， 形态变小，发酵液变黑，发酵过程中容易被细菌污染 ；pH低于3时，生长受到严重的抑制，细胞极不齐整， 且出现细胞自溶的情况。
使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一 氮代谢 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被
分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不 足时氮源当碳源利用pH上升。 •生理酸碱性物质
被微生物利用后会导致环境pH下降（上升）的 物质称为生理酸性（碱性）物质。
2、产物形成
某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH 变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁 霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。
的
通过补料调节pH
控
制 方
当补料与调pH发生矛盾时， 加酸碱调pH
式
选择合适的pH调节剂
发酵的不同阶段采取不同的 pH值
10
3）pH影响代谢产物的形成的数量和方向 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。 如黑曲霉:在pH 2-3时发酵产生柠檬酸， 在pH近中性时，则产生草酸。 谷氨酸发酵:在中性和微碱性条件下积累谷氨酸， 在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和 N-乙酰谷氨酰胺
4）影响产物的稳定性
① μ和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内(a)， 这种发酵过程易于控制；
② Qp (或μ)的最适pH值范围窄，而μ(或Qp)的范围较宽(b)；
③ μ和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的(c)， 第二、第三种情况的发酵pH值应严格控制；
④ μ和Qp有各自的最适pH值(d)，应分别严格控制各自的最适 pH值，才能优化发酵过程。
选择最适发酵PH的准则：
获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最 高产量。 最适pH值是根据实验结果来确定的。
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
在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适pH值、菌体 的比生长速率(μ)和产物比生成速率(Qp)等3个参数的相互关 系有四种情况：
应急措施： 改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，
控制有机酸的积累量及其代谢速度； 改变温度，以控制微生物代谢速度； 改变罐压及通气量，降低CO2的溶解量； 改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；
总结
pH控制是一项非常细致的工作，不仅 考虑最佳pH值，而且要根据生长阶段 考察对pH的要求。在pH控制中还要采 用合适的调节方法。
3、菌体自溶 发酵后期，pH上升，可做为终止发酵的指示。
例 ：pH对林可霉素发酵的影响
林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发 酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及 时补糖、(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上， 阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。 对照罐发酵66小时pH达7.93，以后维持在8.0以上至115小 时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。
小
结
发酵过程pH会发生变化
变 基质代谢
化 原
产物形成
因 菌体自溶
pH pH影响酶的活性
对 发 酵
pH值影响微生物细胞膜所带电荷的 改变
的 pH值影响培养基某些成分和中间代
影 谢物的解离
响 pH影响代谢方向
பைடு நூலகம்
pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
基础培养基调节pH
在基础料中加入维持pH的
pH 物质
pH值在6.7-7.5之间时，抗生素的产量相近，产品 稳定性未受影响，半衰期也无变化，
但当pH大于7.5时，抗生素半衰期缩短，稳定性 下降，发酵产量也减少。
5）pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
X
四
生长
环
合
素
成
pH
pH对菌体生长影响比产物合成影响小
例 青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0,产物合成最适 pH7.2~7.4
快速生长期：pH值变化较大，因菌种及培养基不同而上升或 下降。
2.在生产阶段，一般发酵液的pH值趋于稳定，维持在适合产物形 成的pH范围。
3.在微生物细胞自溶阶段,养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培 养液中氨基氮增加，致使pH又上升。
1.2 引起发酵过程pH变化的原因
1、基质代谢 糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，
2）影响原生质体膜的电荷 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而
改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收 及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
如产黄青霉细胞壁的厚度会随pH的增加而减小。 pH低于6时，菌丝长度变短，直径为2-3μm， pH 大于7时，菌丝直径为2-8 μm 膨胀菌丝增多， pH下降后，菌丝又恢复到正常状态。
四环素：菌体生长最适pH6.0~6.8，产物合成最适 pH5.8~6.0
三、最适pH的选择
各种微生物适应的pH范围不同：
细菌6.5-7.5;
霉菌4.0-5.8;
酶母菌3.8-6.0;
放线菌6.5-8.0.
微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH值往往 也不一样。这与菌种的特性有关，也取决于产物的化 学性质。
四、PH的调控策略
1、配制合适的培养基，调节培养基初始PH至合适范围并 使其有很好的缓冲能力。
2、培养过程中加入非营养基质的酸碱调节剂，如CaCO3 等防治PH过度下降。 3、培养过程中加入基质性酸碱调节剂，如氨水等。 4、加生理酸性或碱性盐基质，通过代谢调节PH。
5、将PH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制PH。
一、发酵过程中的pH变化及其原因 二、pH对发酵的影响 三、最适pH的选择 四、PH的调控策略
一、发酵过程中的pH变化及其原因
1.1发酵过程中pH值的变化一般规律
1.在微生物细胞的生长阶段:
初期:接种后到孢子萌发,因碳氮源代谢水平比较低, pH一般 可维持不变,或者由于添加了CaCO3而略有上升。
发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3， 调节这一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高发酵 单位。
例：培养基初始pH值对漆酶分泌的影响 pH在4～7范围内产酶最高
二、pH对发酵的影响
1）影响酶活性继而影响微生物的生长繁殖。
石油吃蜡酵母（解脂假丝酵母和热带假丝酵母） 在 pH 3.5-5.0 范围内生长良好且不易染菌；高于5时， 形态变小，发酵液变黑，发酵过程中容易被细菌污染 ；pH低于3时，生长受到严重的抑制，细胞极不齐整， 且出现细胞自溶的情况。
使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一 氮代谢 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被
分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不 足时氮源当碳源利用pH上升。 •生理酸碱性物质
被微生物利用后会导致环境pH下降（上升）的 物质称为生理酸性（碱性）物质。
2、产物形成
某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH 变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁 霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。
的
通过补料调节pH
控
制 方
当补料与调pH发生矛盾时， 加酸碱调pH
式
选择合适的pH调节剂
发酵的不同阶段采取不同的 pH值
10
3）pH影响代谢产物的形成的数量和方向 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。 如黑曲霉:在pH 2-3时发酵产生柠檬酸， 在pH近中性时，则产生草酸。 谷氨酸发酵:在中性和微碱性条件下积累谷氨酸， 在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和 N-乙酰谷氨酰胺
4）影响产物的稳定性
① μ和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内(a)， 这种发酵过程易于控制；
② Qp (或μ)的最适pH值范围窄，而μ(或Qp)的范围较宽(b)；
③ μ和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的(c)， 第二、第三种情况的发酵pH值应严格控制；
④ μ和Qp有各自的最适pH值(d)，应分别严格控制各自的最适 pH值，才能优化发酵过程。
选择最适发酵PH的准则：
获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最 高产量。 最适pH值是根据实验结果来确定的。
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
在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适pH值、菌体 的比生长速率(μ)和产物比生成速率(Qp)等3个参数的相互关 系有四种情况：
应急措施： 改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，
控制有机酸的积累量及其代谢速度； 改变温度，以控制微生物代谢速度； 改变罐压及通气量，降低CO2的溶解量； 改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；
总结
pH控制是一项非常细致的工作，不仅 考虑最佳pH值，而且要根据生长阶段 考察对pH的要求。在pH控制中还要采 用合适的调节方法。
3、菌体自溶 发酵后期，pH上升，可做为终止发酵的指示。
例 ：pH对林可霉素发酵的影响
林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发 酵液pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及 时补糖、(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上， 阻碍或抑制某些酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。 对照罐发酵66小时pH达7.93，以后维持在8.0以上至115小 时，菌丝浓度降低，NH2-N升高，发酵不再继续。
小
结
发酵过程pH会发生变化
变 基质代谢
化 原
产物形成
因 菌体自溶
pH pH影响酶的活性
对 发 酵
pH值影响微生物细胞膜所带电荷的 改变
的 pH值影响培养基某些成分和中间代
影 谢物的解离
响 pH影响代谢方向
பைடு நூலகம்
pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
基础培养基调节pH
在基础料中加入维持pH的
pH 物质