生物发酵过程解决方案

生物发酵过程解决方案

引言:

发酵过程是一种既古老又年轻的生化过程。早在几千年前人们就已经在食品生产方面利用酵母对淀粉进行发酵以获得含有乙醇的饮料，这一生产过程一直延续至今，它就是人们所熟知的制酒工业的核心——酿造工业。

利用微生物生长过程中的二次代谢作用以制取医药工业中的抗生素则是人类运用生化技术的一大创造。工业生产时这一新陈代谢过程在发酵罐内完成。深入研究发酵过程将为生化反应——发酵罐的设计、操作和控制奠定基础。因此，它是提高生化工程水平的重要内容之一；生化反应是生化技术中的难点所在，在研究和实际应用时既需要微生物技术也需要借用化工技术以及融汇近代测量技术、计算机技术和控制技术于一体。微生物发酵过程是个极其复杂的生化反应过程，对于发酵罐的操作，以前人们是凭借实践经验来进行的，由于缺乏发酵过程参数的测量监视和控制系统，使得发酵产品成本高、操作费用大、产品在国际市场上缺乏竞争力。为此，需要对发酵罐实行优化操作和控制。

一、发酵过程中的工艺及其特点

一般的耗氧型发酵罐系统如下图所示，其中要测量的参数可以分为物理参数、化学参数以及生物参数。

发酵过程物理参数: 通常有发酵罐温度（T）、

发酵罐压力（P）、发酵液体积（V）、空气流

量（F

A ）、冷却水进出口温度（T

1

和T

2

）、搅拌

马达转速（RMP）、搅拌马达电流（I）、泡沫

高度（H）等，这些物理参数根据不同种类的

发酵要求，都可以选择性的选取有关测量仪

表来实现自动测量。

发酵过程化学参数: 发酵过程典型的化学参

数有PH值（PH）和溶解氧浓度（DO），这两

个参数对于微生物的生长，代谢产物的形成

极为重要。过于由于缺乏耐消毒的能进行无菌操作的PH电极和溶解氧电极，使得无法做到实时的在线测量。而现在已有成熟的PH 和溶解氧测量电极，典型的产品如瑞士的Ingold电极等。

发酵过程生物参数: 生物参数通常包括生物质呼吸代谢参数、生物质浓度、代谢产物浓度、底物浓度以及生物比生长速率、底物消耗速率和产物形成速率等。

关于生物参数，无论在国内还是国外，在工业生产中实时在线的测量仪表都还很少。正是由于这些原因，使得微生物发酵过程的控制比一般的工业生产过程难度更大。

呼吸代谢参数的测量：微生物呼吸代谢参数通常有三个，即微生物的氧利用速率（OUR），二氧化碳释放速率（CER）和呼吸商（RQ）。这三个参数的测量，可以给予发酵罐系统气相平衡计算出来。要测量呼吸代谢参数，必须测量除发酵液体积、空气流量，排出气体氧含量和二氧化碳的含量。假设流出发酵罐的气体流量与空气流入量相等，空

％，二氧化气中氧含量为21％，二氧化碳的浓度为零，测量到派出气体的氧浓度为O

2出

％。

碳的浓度为CO

2出

●微生物发酵热的测量：微生物发酵热从某种意义上说间接地反应了微生物生长过程

的细胞浓度和生长速率。因此，通过测量发酵热，就可以了解微生物生长状态。

这样只要测量出冷却水流量和它的进出口温度就可以粗略地知道发酵热的变化。

●生物质底物和产物浓度的测量：就目前来看，还没有可在工业生产实用的这些参数

的测量仪器。在实验室中，已有用质谱仪和核磁共震分析仪来测量发酵液中各种物质的浓度。利用生物传感器来测量生物质浓度、底物和产物浓度在成为研究热点。

在工业生产中这些参数的测量大都基于取出发酵液样品到实验室采用化学分析方法和借用如HPLC仪器来分析，由于分析一个样品要用很长时间，这对于实时控制来说就很难通过这样的方法来利用这些数据。

二、发酵过程的控制

随着生物工业技术的迅速发展，其生产设备和规模不断扩大，生产过程的强化，对自动控制技术的要求越来越迫切，对生化过程实行优化控制，可稳定生产，提高得率，降低消耗，增加效益。然而，微生物发酵过程，不同于一般的过程工业，由于它涉及生命体的生长繁殖过程，机理十分复杂，至今还有许多发酵过程信息无法测量，这给发酵过程优化控制带来极大的困难。

影响发酵过程的两个主要因素是发酵培养基和发酵条件，在培养基配方基本固定的

情况下，发酵条件是影响过程代谢变化的主要方面。根据那些反映发酵条件和代谢变化的参数，参照代谢变化规律来控制以下发酵条件，尽可能缩短菌体生长期，延长产物合成期，使菌体生长既迅速而又不易衰老，并保持产物的最大生产速率，从而达到提高最终产物产量目的。

上图为：以常规控制为主的发酵罐自控工艺图

2.1发酵罐温度常规控制

对于特定的微生物，它都有一个最适宜的生长温度。如果从生物酶动力学方面来考虑，酶的最佳活力对应着一最好的温度。因此，微生物发酵过程发酵温度的控制是一个很重要的微生物生长环境参数，必须严格的加以控制。影响发酵温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水本身的温度。

对于小型的发酵罐温度控制系统是以发酵罐温度为被控参数，冷却水流量为控制参数的单回路控制方案，对于大型的发酵罐系统，则采用发酵罐温度为主回路，以冷却水系统为副回路的串级控制或前馈-反馈控制方案。

（一）单回路PID控制

在进水温度比较稳定的情况下，发酵反应罐的温度常采用单回路的PID控制。在实际过程中工业发酵过程温度控制，由于冷却水（或温水）温度地变化，将会影响发酵温度控制品质，这个影响作用过程是先使夹套温度变化，然后使发酵罐的温度变化，只有这时，控制器才感受到温差的出现，从而驱动调节阀。很明显，从干扰开始到调节阀动作，要经过较大的滞后，要克服这些滞后作用，可以采用串级调节。

（二）串级控制

将T

1、T

2

测量出来的信号组成一个控制系统，将TC

1

的输出作为TC

2

控制器的给定值，

便组成一个串级控制系统。与单回路控制相比，串级控制有以下特点：

（1）当由于一些外界的原因，夹套温度发生波动时，TC

2

的作用将使这种波动在还未影

响到T

1时就被提前克服，故有利于保证T

1

的控制品质。并可显著改善发酵罐的控制特性，

使等效对象滞后减小。

（2）可兼顾两个参数，实现“均匀控制：当主控制器TC

1

的比例度选得较宽时，其输出

变化较小。由于它是作为副控制器TC

2

的给定值，因此使得副参数变化也较小，比较平稳，这样就可以使主副两个参数都能保持在一定范围内平缓波动，以满足工艺过程的要求。（3）可消除调节阀等非线性特性的影响：由于调节阀和一部分对象（副控制对象）被包含于副回路之内，调节阀的非线性影响在副环中便被消除。

（三）前馈-反馈控制

将冷却水温度这一扰动信号于TC

1

控制器的输出信号一起作用于调节阀，便形成前馈-反馈控制，这样，对于冷却水温度的变化这一干扰便能快速的作用于调节阀门，使调节阀也作相应的调整从而及时消除这一干扰。但需要注意的是前馈补偿器需要有准确的数学模型作为基础。

2.2发酵罐压力常规控制

发酵罐操作压力的变化，将会引起氧在发酵液中的分压改变，也就是说影响着溶解氧浓度的变化。另外，为了使发酵物不被细菌感染，需要对通入的压缩气体进行过滤消毒，并保证发酵罐内呈现正压，以免外部未经处理的空气等的进入。影响发酵罐的压力主要是供给的消毒空气的压力变化，通常控制发酵罐的压力是通过调节排出气体的量来控制。一般采用单回路控制即可，对于发酵罐内压力变化对溶解氧浓度的影响，则由溶解氧浓度调节回路来处理，当然，溶解氧浓度的调节将考虑罐内压力对其的影响。

2.3发酵过程中的PH值控制

PH是微生物生长的另一个重要环境参数。在发酵过程中，必须严格加以控制，否则