第八章发酵过程控制

2. 温度对微生物生长的影响(续)


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。
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：
A1e

E RT
A 2e E
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

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、核酸量等 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：

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、DO2、溶解CO2、尾气CO2、黏 度、搅拌转速等
(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
1. 过程控制的重要性
决定发酵 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) 单位(水平) 设备性能：传递性能 的因素 外部环境因素 物理：n、T、Ps 工艺条件 化学：pH、DO2、基质浓度 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。
本章内容
一、概述 二、发酵过程中控制的一般步骤 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
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
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
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、
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
(三)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)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


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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。
(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。 改变温度可以控制qs和μ
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
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