[工学]第六章发酵过程控制

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1、上节知识回顾本章内容一、概述 二、温度对发酵的影响及其控制 三、pH对发酵的影响及其控制 四、溶解氧对发酵的影响及其控制 五、CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制 六、基质浓度对发酵的影响及补料控制 七、泡沫对发酵的影响及其控制 八、自动控制技术在发酵过程控制中的应用1、 过程控制的重要性菌株特性(营养要求、生长速率、呼吸强度、产物合成速率)传递性能物理：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。决定发酵 单位(水平 )的因素外部环境因素工艺条件生物因素：设备性能：一、概述2. 发酵过程控制的一般步

2、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v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v参数按获取方式可分为两类： 如T、pH、罐压、空气

3、流量、搅拌转速、溶氧浓度等如摄氧率()、呼吸强度(QO2)、比生长速率（) 、体积溶氧系数(KLa)、呼吸商(RQ)等。直接参数： 间接参数：将直接参数通过公式计算获得的 参数，3. 参数检测v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。对传感器的要求：v能经受高压蒸汽灭菌；v传感器及其二次仪表具有长期稳定性；v最好能在过程中随时校正，灵敏度好；v探头材料不易老化，使用寿命长；v安装使

4、用和维修方便；v解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题；v价格合理，便于推广。 3. 参数检测3. 参数检测v参数检测方法v（1）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v参数检测方法v（2）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，测定力矩求功率法。3. 参数检测3. 参数检测v参数检测方法v（3）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；同心孔板压差式流量计； 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。v参数检测方法v（

5、4）罐压测量压力表压力传感器3. 参数检测v参数检测方法v（5）料液计量与液位控制压差法：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v参数检测方法v（6）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v参数检测方法v（7）pH测量复合pH电极 pH测量仪器3. 参数检测v参数检测方法v（8）溶解氧的测量化学法极谱法复膜氧电极法3. 参数检测复膜氧电极示意图 （a）极谱型 （b）原电池型v参数检测方法v（9）溶解二氧化碳测量复膜式电极法渗透膜碳酸氢钠法v（10）发酵尾气的在线分析CO2分析O2分析3.

6、参数检测v参数检测方法v（11）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 3. 参数检测原位活细胞在线检测仪二、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v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(2)生物热v来源 ：微生物对营养物质的分解所释放的能量v影响因素：菌株培养基成分 发酵时期 v生物热与其它参数的关系呼吸强度QO2糖利

7、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v当时，可忽略，微生物处于生长状态。、皆与T有 关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：vEE 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2. 温度对微生物生长的影响(续)v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。 v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

8、，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。 (1) 糖比消耗速率qs vRighelato假定：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。 v改变温度可以控制qs和 （2）T对B、m和的影响 vqs一定：v当TTm时， m ， , B 底物转化效率低当T=Tm时，T(K)m温度对B、m和不同qs下对值的影响4. 温

9、度对产物合成的影响v影响发酵过程中各种反应速率，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v改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。v影响生物合成方向。e.g. 四环素发酵中金色链霉菌：T5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌pH0.5% 低 pH6.8控制加糖 ， OTR逐渐至OTR=，即 ，高位平衡当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平衡通常发生在正常情况的前、后期。n平衡点分析：当CL（如对数生长期很大）， ，OTRCm, 卷须霉素: v而有

10、些菌株 Ccr CCr，生产阶段满足CLCm。 （1）发酵异常指标v发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。 对于好气性杂菌，溶解氧会一反往常在较短时间内跌到 零附近，跌零后长时间不回升。 对于厌气性杂菌，溶解氧升高。v污染噬菌体或其它不明原因引起发酵液变稀，此时溶解 氧迅速上升。 v操作故障或事故分析谷氨酸正常发酵和异常发酵的溶解氧曲线 正常发酵溶解氧曲线 -异常发酵溶解氧曲线 异常发酵光密度曲线（2）补料控制指标 v中间补料是否得当可以从溶解氧的变化看出。v发酵过程中出现“发酸”现象，此时溶解氧很快下降。 （3）代谢方向控制指标 v测量溶解氧可以确定CCr、Cm值v通过溶氧测量可以掌握由好气转

11、为厌气培养的关键时机e.g.天门冬酰胺酶发酵：45%饱和度 v在酵母以及其他微生物菌体的生产中，溶氧值是控制其代谢方向的最好的指标之一 。（4）设备性能、工艺合理性指标v评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位 v设备反映供氧性能：搅拌桨形式叶片形式搅拌器直径d搅拌档数m和搅拌器间距s档板宽度w和档板数z通气：空气分布器的类型和位置n，P/V设备操作参数 罐压WS或VVM搅拌设备几何参数（4）设备性能、工艺合理性指标工艺条件反映耗氧和供氧特征 菌种性能：耗O2 培养基性能：耗O2、供O2 温度：耗O2、供O2 RQ（O2与CO2水平比较）：耗O2 表面活性剂：耗O2、供O2改进工艺：控制补

12、料速度、T 的调节、中间补水、添加表面活性剂等等 对现有发酵工 厂进行技术改造 浅层次 修改设备和工艺 规模和控制水平上档次 引入新型发酵类型 深层次 工艺的改进是否有效可通过溶解氧水平进行评价： P/V的改变对溶解氧和产量的影响 e.g.利福霉素发酵：5080h波谷阶段，P/V，KLa，供氧 ；3W/L比1 W/L批号的发酵单位增加约900u/ml 搅拌转数n 对溶解氧和产量的影响 e.g.赤霉素发酵：15 50h期间，n从155 提高至180r/min，赤霉素单位（1）溶解氧控制的一般原则 v生长阶段： 即可v产物合成阶段： 即可v过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑制作用（2）溶解氧

13、控制作为发酵中间控制的手段之一 v控制原理 发酵过程中， 糖量 x , QO2 CL 糖量 QO2 CL 补糖使CL下降，而CL回升的快慢取决于供氧效率。 对于一个具体的发酵，存在一个最适氧浓度（Cm）水平 ，补糖速率应与其相适应。 ，加大补糖速率 ，减小补糖速率实现用溶解氧水平控制补料速率 补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓“半饥饿状态”，使其仅能维持正常的生长代谢，即把更多的糖用于产物合成，并永远不超过罐设计时的KLa水平所能提供的最大供氧速率。 v控制原则（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一 v控制方法 溶氧和补糖控制系统 溶氧和pH控制的系统 （2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之

14、一 溶氧在加糖控制上的应用溶氧与pH协同控制系统（3）溶解氧控制的工艺方法：从供氧、需氧两方面考虑虑 v供氧方面：提高氧分压（氧分含量），即 ，提高供氧能力改变搅拌转速：通过改变KLa来提高供氧能力 通气速率Ws ：Ws增加有上限，引起“过载”、泡沫提高罐压： ，但同时会增加CO2的溶解度，影响pH及可 能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。 改变发酵液理化性质（， ，Ii）加消泡剂，补加无菌水，改变培养基成分改 变KL改变温度： ，提高推动力（C*CL）（3）溶解氧控制的工艺方法（续）n 供氧方面：（3）溶解氧控制的工艺方法（续）v耗氧方面 限制性基质的流加控制（补料控制）：在OT

15、R一定情况下，控制基质浓度限制、x 限制 控制溶解氧（4）溶解氧自动控制系统v改变通气速率的溶氧控制系统 v改变搅拌转速的溶氧控制系统v改变通气量、转速、罐压所组成的多参数溶氧 控制系统溶解氧对被孢霉合成花生四烯酸 (AA) 的影响溶氧量对AA产量的影响 注：摇床转速150r/min, 25 KLa越大，培养基中溶 解氧越多, AA合成速 度越快溶解氧控制对鸟苷产量的影响不同的DO控制条件下鸟苷积累的比较DO()：5，l0，20，30发酵过程 DO 变化与鸟苷 积累的关系 DO 控制在1020，产物积累，鸟苷含量最高。DO在5和 30，前期产物积累，但后期基本不增加. DO水平的超高阶段(发酵周期28h44h)，鸟苷积累量基本不 增加；调整DO 在适当水平上，鸟苷积累量继续上升。 作业n 查阅资料，对发酵工程中感兴趣的问题进行总结，不少 于600字，题材不限。