发酵过程控制精.ppt

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1、发酵过程控制第1页，本讲稿共93页重点掌握重点掌握:温度、温度、pHpH、溶解氧、菌体浓度、基、溶解氧、菌体浓度、基质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵过程质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵过程的影响的影响第2页，本讲稿共93页第3页，本讲稿共93页（5 5）空气流量空气流量 空气灭菌系统、流量、温空气灭菌系统、流量、温度、目的是供氧。度、目的是供氧。（6 6）罐压）罐压 正压防止空气中的杂菌侵入发正压防止空气中的杂菌侵入发酵液，罐压过高时酵液，罐压过高时COCO2 2 浓度陡增，负面作用。浓度陡增，负面作用。（7 7）搅拌速度）搅拌速度 延长空气的停留时间，提延长空气的停留时间，提高溶氧；促进

2、菌体与培养基之间的质量传递。高溶氧；促进菌体与培养基之间的质量传递。过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫。过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫。（8 8）搅拌功率）搅拌功率 其成本比重较大。其成本比重较大。第4页，本讲稿共93页（9 9）粘度）粘度 菌体浓度增大时，粘度增加，菌体浓度增大时，粘度增加，溶氧下降。溶氧下降。（1010）浊度）浊度 能直接反应菌体的浓度，但能直接反应菌体的浓度，但不能区分菌体的死活。不能区分菌体的死活。（1111）料液流量）料液流量 连续发酵时，涉及稀释连续发酵时，涉及稀释率。率。（1212）产物浓度）产物浓度 生产目标生产目标（1313）氧化还原电位）氧化还原电位 其原因

3、往往十分复其原因往往十分复杂。测量手段有待开发。杂。测量手段有待开发。第5页，本讲稿共93页（1414）废气中的氧含量）废气中的氧含量 （1515）废气中的）废气中的COCO2 2 从中可了解生产菌从中可了解生产菌株的呼吸代谢规律。株的呼吸代谢规律。（1616）菌丝形态）菌丝形态 判别种子质量、区分判别种子质量、区分发酵阶段、确认染菌的重要依据。发酵阶段、确认染菌的重要依据。（1717）菌体浓度）菌体浓度 是确定补料量、供气量、是确定补料量、供气量、阶段转换的重要依据。阶段转换的重要依据。第6页，本讲稿共93页发酵过程的主要控制参数发酵过程的主要控制参数pH值（酸碱度）值（酸碱度）1.温度（温

4、度（）2.溶解氧浓度溶解氧浓度3.基质含量基质含量4.空气流量空气流量5.压力压力6.搅拌转速搅拌转速7.搅拌功率搅拌功率8.粘度粘度浊度浊度料液流量料液流量产物浓度产物浓度氧化还原电位氧化还原电位废气中的氧含量废气中的氧含量废气中的废气中的CO2含量含量菌丝形态菌丝形态菌体浓度菌体浓度第7页，本讲稿共93页二、发酵过程的参数检测二、发酵过程的参数检测1.1.直接状态参数直接状态参数2.2.间接状态参数间接状态参数3.3.离线发酵分析方法离线发酵分析方法第8页，本讲稿共93页1.1.直接状态参数直接状态参数直接反映发酵过程微生物生理代谢状况的参直接反映发酵过程微生物生理代谢状况的参数。如数。如

5、pHpH、DODO、溶解、溶解COCO2 2、尾气、尾气O O2 2、尾气、尾气COCO2 2、黏度等。黏度等。在线检测在线检测传感器传感器第9页，本讲稿共93页2.2.间接状态参数间接状态参数指那些采用直接状态参数计算求得的参数。指那些采用直接状态参数计算求得的参数。比生长速率，摄氧率（比生长速率，摄氧率（OUROUR）,CO,CO2 2释放速率，释放速率，呼吸商（呼吸商（RQRQ），），KLaKLa。可以提供反应过程状态、反应速率、设备性可以提供反应过程状态、反应速率、设备性能、设备利用效率等信息。能、设备利用效率等信息。第10页，本讲稿共93页3 3、离线发酵分析方法、离线发酵分析方法从

6、发酵液中取出样品进行离线分析从发酵液中取出样品进行离线分析,分析菌体浓度，形态、培养基成分和产物成分析菌体浓度，形态、培养基成分和产物成分及含量。分及含量。显微观察，细胞体积，干重，光密度，平板显微观察，细胞体积，干重，光密度，平板计数及基质及产物分析等。计数及基质及产物分析等。第11页，本讲稿共93页第第1 1节节 温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制一、影响发酵温度的因素一、影响发酵温度的因素 二、温度对微生物的生长的影响二、温度对微生物的生长的影响三、温度对发酵的影响三、温度对发酵的影响四、最适温度的选择四、最适温度的选择第12页，本讲稿共93页一、影响发酵温度的因素一、影响

7、发酵温度的因素发酵热：发酵过程中释放出来的发酵热：发酵过程中释放出来的净热量净热量。菌分解基质产生热量，菌分解基质产生热量，搅拌产生热量，搅拌产生热量，罐壁散热，罐壁散热，水分蒸发、空气排气带走热量，水分蒸发、空气排气带走热量，发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大，温度发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大，温度上升快；发酵热小，温度上升慢。上升快；发酵热小，温度上升慢。第13页，本讲稿共93页第14页，本讲稿共93页例如例如一摩尔葡萄糖彻底氧化成水和二氧化碳一摩尔葡萄糖彻底氧化成水和二氧化碳好氧：产生好氧：产生287.2287.2千焦热量千焦热量 183183千焦转变为高能化合物千焦转变为高能化合

8、物 104.2104.2千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放厌氧：产生厌氧：产生22.622.6千焦的热量千焦的热量 9.69.6千焦转变为高能化合物千焦转变为高能化合物 1313千焦以热的形式释放千焦以热的形式释放二例中葡萄糖转化为高能化合物的热量分别占二例中葡萄糖转化为高能化合物的热量分别占63.7%63.7%和和42.6%42.6%，放出的热量分别为，放出的热量分别为104.2104.2千焦和千焦和1313千焦。千焦。微生物的好氧培养产生的热比厌氧培养多。微生物的好氧培养产生的热比厌氧培养多。第15页，本讲稿共93页生物热的产生具有强烈的时间性生物热的产生具有强烈的时间性1.1.初初 期

9、：适应期，菌量少，呼吸慢，热量少期：适应期，菌量少，呼吸慢，热量少2.2.对数期：菌量大，呼吸旺盛，热量多对数期：菌量大，呼吸旺盛，热量多3.3.合成期：菌体合成减缓，靠已合成的酶进行反合成期：菌体合成减缓，靠已合成的酶进行反应，产热减少，温升小。应，产热减少，温升小。如果培养前期温度上升过缓，发酵不正常；若培如果培养前期温度上升过缓，发酵不正常；若培养前期温度上升过于剧烈，有可能染菌。养前期温度上升过于剧烈，有可能染菌。此外培养基营养越丰富，生物热也越大。此外培养基营养越丰富，生物热也越大。第16页，本讲稿共93页搅拌热搅拌热Q Q搅拌搅拌 搅拌热与搅拌功率有关，可用下式计算：搅拌热与搅拌功

10、率有关，可用下式计算：Q Q搅拌搅拌=P*860*4186.8J/h=P*860*4186.8J/hPP搅拌轴功率搅拌轴功率860*4186.8860*4186.8机械能转变为热能的热功当机械能转变为热能的热功当量量第17页，本讲稿共93页蒸发热蒸发热Q Q蒸发蒸发 通气时引起发酵液的水分蒸发所需的热量叫蒸发热，此外通气时引起发酵液的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排气也会带走部分热量叫显热Q Q显显，显热很小，一般可忽略。，显热很小，一般可忽略。辐射热辐射热Q Q辐射辐射 发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热

11、通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐内与环境的温差。冬体向外辐射。辐射热的大小取决于罐内与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些。天大一些，夏天小一些。Q Q发酵发酵=Q=Q生物生物+Q+Q搅拌搅拌-Q-Q蒸发蒸发-Q-Q辐射辐射第18页，本讲稿共93页二、温度对微生物的生长的影响二、温度对微生物的生长的影响微生物生长对温度要求不同，大致可分为：微生物生长对温度要求不同，大致可分为：嗜冷菌：嗜冷菌：20 20 最大最大 002626生长，生长，嗜温菌：嗜温菌：303035 1535 154343生长，生长，嗜热菌：嗜热菌：50 3750 376565生长。生长。最适温度最适温度最高温度最高温度最

12、低温度最低温度第19页，本讲稿共93页在最适温度范围内，微生物生长迅速，生长在最适温度范围内，微生物生长迅速，生长速率随温度升高而增加，温度增加速率随温度升高而增加，温度增加1010，生，生长速率增长一倍。长速率增长一倍。超过最高温度微生物即受到抑制或死亡，在超过最高温度微生物即受到抑制或死亡，在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。度非常缓慢，世代时间无限延长。如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为3737。谷氨酸棒状杆菌生谷氨酸棒状杆菌生长温度为长温度为303032 32。青霉菌生长温度为。青霉菌生长温度为3030。第20页

13、，本讲稿共93页为什么不同微生物对温度要求不同呢？为什么不同微生物对温度要求不同呢？根据根据细胞膜脂质成分细胞膜脂质成分分析表明不同最适温度分析表明不同最适温度生长的微生物，其膜内磷脂组成有很大区别。生长的微生物，其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸，嗜热菌只含饱和脂肪酸，嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。第21页，本讲稿共93页三、温度对发酵的影响温度影响反应速率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，酶反应有一个最适反应温度，低于最适温度，反反应有一个最适反应温度，低于最适温度，反应速率随温度升高而上升，

14、高于最适温度，发应速率随温度升高而上升，高于最适温度，发酵速率随温度升高而下降。酵速率随温度升高而下降。阿累尼乌斯方程式阿累尼乌斯方程式 第22页，本讲稿共93页第23页，本讲稿共93页根据菌的生长特性，菌体生长快，维持较高根据菌的生长特性，菌体生长快，维持较高温度时间要短些，菌体生长慢，维持较高温温度时间要短些，菌体生长慢，维持较高温度时间可长些度时间可长些温度影响细胞生长，也影响细胞得率，因为温度影响细胞生长，也影响细胞得率，因为在高温下细胞维持生命活动的消耗增加。在高温下细胞维持生命活动的消耗增加。第24页，本讲稿共93页在生长的不同阶段所控制的最适温度也不同。在生长的不同阶段所控制的最

15、适温度也不同。在发酵前期在发酵前期，由于菌量少，培养目的是尽快达到，由于菌量少，培养目的是尽快达到大量的菌体，因此取稍高的温度，促使菌的生长大量的菌体，因此取稍高的温度，促使菌的生长及代谢。及代谢。中期菌量中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低些，长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低些，可以推迟菌体衰老。在稍低温度下，氨基酸合成可以推迟菌体衰老。在稍低温度下，氨基酸合成蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较严密，有利蛋白质、核酸的正常途径关闭得比较严密，有利于产物合成。于产物合成。第25页，本讲稿共93页发酵后期，产物

16、合成能力降低，没有必要延发酵后期，产物合成能力降低，没有必要延长发酵周期，所以提高温度刺激产物合成到长发酵周期，所以提高温度刺激产物合成到放罐。放罐。第26页，本讲稿共93页温度影响发酵方向温度影响发酵方向影响关键酶活性改变发酵途径影响关键酶活性改变发酵途径.如如四环素产生菌四环素产生菌金色链霉菌金色链霉菌低于低于30 30 0 0C C时合成金霉素能力较强。时合成金霉素能力较强。温度提高温度提高,合成四环素的比例提高。合成四环素的比例提高。温度达到温度达到35 35 0 0C C时金霉素的合成几乎停止，只时金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。产生四环素。第27页，本讲稿共93页四、最适温度的

17、选择1)1)最适温度，最适于菌的生长或产物的生成最适温度，最适于菌的生长或产物的生成的温度，的温度，适合菌体的生长的最适温度适合菌体的生长的最适温度发酵产物合成的最适温度发酵产物合成的最适温度2)2)二阶段的发酵二阶段的发酵青霉素产生菌最适的生长温度青霉素产生菌最适的生长温度3030，而青霉，而青霉素合成分泌的最适温度素合成分泌的最适温度2020。第28页，本讲稿共93页第29页，本讲稿共93页（3 3）其他发酵条件）其他发酵条件根据培养条件综合考虑，灵活选择温度。根据培养条件综合考虑，灵活选择温度。1 1通气条件差时可适当通气条件差时可适当降低降低温度，使菌呼吸速温度，使菌呼吸速率降低些，溶

18、氧浓度提高一些；率降低些，溶氧浓度提高一些；2 2培养基稀薄时，温度也该低些，因为温度高培养基稀薄时，温度也该低些，因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。营养利用快，会使菌过早自溶。第30页，本讲稿共93页4 4）变温培养）变温培养在抗生素发酵过程中，采用变温培养往往会在抗生素发酵过程中，采用变温培养往往会比恒温培养获得的产物更多。比恒温培养获得的产物更多。青霉素发酵青霉素发酵0 05h,30,55h,30,535h 25,3535h 25,3585h,20,85h,20,最最后回升到后回升到2525培养培养4040小时放罐小时放罐,比恒温比恒温2525培培养提高养提高14.7%14.7%第3

19、1页，本讲稿共93页通通用用式式发发酵酵罐罐第32页，本讲稿共93页工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。酵热，需要冷却的情况较多。利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。来降温，保持恒温发酵。如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温）如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，冷却水的温度又

20、高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就达不到预定的温度，就可采用冷冻盐水进行可采用冷冻盐水进行循环式降温，循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。证在正常温度下进行发酵。第33页，本讲稿共93页第第2 2节节 pHpH值对发酵的影响及其控制值对发酵的影响及其控制一、发酵过程中一、发酵过程中pHpH值变化的规律值变化的规律二、最适二、最适pHpH值的选择值的选择三、三、pHpH值的调控策略值的调控策略第34页，本讲稿共93页一、发酵过程中一、发酵过程中pHpH值变化的规

21、律值变化的规律1.1.基质代谢基质代谢（1 1）糖代谢糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使小分子酸、醇，使pHpH下降下降（2 2）氮代谢氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH-NH2 2被利用后被利用后pHpH会下降，尿素被分解成会下降，尿素被分解成NHNH3 3，pHpH上升，上升，NHNH3 3利用利用后后pHpH下降，当碳源不足时氮源当碳源利用下降，当碳源不足时氮源当碳源利用pHpH上上升。升。（3 3）生理酸碱性物质利用后）生理酸碱性物质利用后pHpH会上升或下降，会上升或下降，生理酸性物质（如生理酸性物质（如(NH(NH4 4)2 2SOSO

22、4 4）和生理碱性物质）和生理碱性物质（如（如NaNONaNO3 3）。）。第35页，本讲稿共93页2.2.产物形成产物形成某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pHpH变变化。化。如有机酸类产生使如有机酸类产生使pHpH下降，红霉素、洁霉素、下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pHpH上升。上升。3.3.菌体自溶，菌体自溶，pHpH上升，发酵后期，上升，发酵后期，pHpH上升。上升。第36页，本讲稿共93页二、最适二、最适pHpH值的选择值的选择选择最适发酵选择最适发酵pHpH的准则是获得最大比生产速的准则是获得最大比生产速

23、率和合适的菌体量率和合适的菌体量,以获得最高产量。以获得最高产量。利福霉素利福霉素,最适最适pHpH值值7.0-7.57.0-7.5第37页，本讲稿共93页第38页，本讲稿共93页简述一般发酵过程简述一般发酵过程pH值如何变化？值如何变化？在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮源的在发酵过程中，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，会使利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会使pH值产值产生一定的变化。生一定的变化。1 1、生长阶段、生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中的：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质，生成铵离子，使蛋白质，生成铵离子，使pHpH上升至碱性；随着上升至碱性

24、；随着菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖利菌体量增多，铵离子的消耗也增多，另外糖利用过程中有机酸的积累使用过程中有机酸的积累使pHpH值下降。值下降。2 2、生产阶段、生产阶段：这个阶段：这个阶段pHpH值趋于稳定。值趋于稳定。3 3、自溶阶段：、自溶阶段：随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的随着养分的耗尽，菌体蛋白酶的活跃，培养液中氨基氮增加，致使活跃，培养液中氨基氮增加，致使pHpH又上升，又上升，此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。此时菌体趋于自溶而代谢活动终止。第39页，本讲稿共93页pH值值培养时间培养时间培养过程中培养液培养过程中培养液pH值的大致变化趋值的大致变化趋势势由此可见，在适合于

25、菌生长及合成产物的环境条件下，菌体本身由此可见，在适合于菌生长及合成产物的环境条件下，菌体本身具有一定的调节具有一定的调节pH的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，菌体就的能力，但是当外界条件变化过于剧烈，菌体就失去了调节能力，培养液的失去了调节能力，培养液的pH就会波动。就会波动。第40页，本讲稿共93页将发酵培养基调节成不同的出发将发酵培养基调节成不同的出发pHpH值，进行发酵，在发酵过值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节程中，定时测定和调节pHpH值，以分别维持出发值，以分别维持出发pHpH值，或者利值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。用缓冲液来配制培养基来维持。到时观察菌体的生长

26、情况，以菌体生长达到最高值的到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的pHpH值为值为菌菌体生长的合适体生长的合适pHpH值。值。用同样的方法，可测得产物合成的合适用同样的方法，可测得产物合成的合适pHpH值。值。同一产品的合适同一产品的合适pHpH值，与所用的菌种、培养基组成和培养条件值，与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。有关。在确定合适发酵在确定合适发酵pHpH值时，不定期要考虑培养温度的影响。值时，不定期要考虑培养温度的影响。如何确定发酵如何确定发酵pH值值第41页，本讲稿共93页三、pHpH值的调控策略值的调控策略考虑基础培养基配方考虑基础培养基配方,调节好基础料的调节好基础

27、料的pHpH，然后然后通过加酸碱或中间补料来控制。通过加酸碱或中间补料来控制。基础料中含有玉米浆，基础料中含有玉米浆，pHpH呈酸性，必须调节呈酸性，必须调节pHpH。有机酸或氨水调节注意监测氧浓度变化防止有机酸或氨水调节注意监测氧浓度变化防止菌体出现氨中毒。菌体出现氨中毒。在基础料中加入维持在基础料中加入维持pH pH 的物质，如的物质，如CaCOCaCO3 3第42页，本讲稿共93页如何通过补料调节pHpH？在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调补料与调 pH pH 没有矛盾时采用补料调没有矛盾时采用补料调 pHpH。（1 1）调节补糖速率

28、，调节空气流量来调节）调节补糖速率，调节空气流量来调节pH pH。(2(2）当当NHNH2 2-N-N低，低，pH pH 低时补氨水；当低时补氨水；当NHNH2 2-N-N低，低，pH pH 高时补高时补(NH(NH4 4)2 2SOSO4 4。当补料与调当补料与调 pH pH 发生矛盾时，加酸碱调发生矛盾时，加酸碱调pHpH。第43页，本讲稿共93页第第3 3节节 溶解氧对发酵的影响及其控制溶解氧对发酵的影响及其控制一、溶解氧变化的规律一、溶解氧变化的规律二、溶解氧在发酵过程控制中的重要应用二、溶解氧在发酵过程控制中的重要应用三、影响溶解氧的主要因素与控制方法三、影响溶解氧的主要因素与控制方

29、法四、溶解氧控制对发酵的影响四、溶解氧控制对发酵的影响第44页，本讲稿共93页一、溶解氧变化的规律一、溶解氧变化的规律溶解氧溶解氧 DO DO 值值 溶氧电极溶氧电极溶解氧浓度：一般用溶解氧浓度：一般用mg/Lmg/L或或mmol/Lmmol/L表示表示,一般耗氧菌呼吸临界溶解氧浓度为一般耗氧菌呼吸临界溶解氧浓度为0.03-0.03-0.05mg/L0.05mg/L还可以用还可以用空气饱和百分比空气饱和百分比或或氧分压氧分压表示表示,以接种以接种前的空气饱和度为前的空气饱和度为100%100%计算计算,第45页，本讲稿共93页第46页，本讲稿共93页溶氧监测的作用溶氧监测的作用1)1)从发酵液

30、中的溶解氧浓度变化，可以了解微生物从发酵液中的溶解氧浓度变化，可以了解微生物 生长代谢是否异常。生长代谢是否异常。a a、溶解氧判断是操作故障或事故引起的异常现象。、溶解氧判断是操作故障或事故引起的异常现象。b b、判断中间补料是否恰当。、判断中间补料是否恰当。c c、溶解氧判断发酵体系是否污染杂菌。、溶解氧判断发酵体系是否污染杂菌。d d、溶解氧作为控制代谢方向的指标。、溶解氧作为控制代谢方向的指标。第47页，本讲稿共93页举例：供氧对谷氨酸发酵的影响举例：供氧对谷氨酸发酵的影响通风适量通风适量 生成谷氨酸生成谷氨酸通风过量通风过量 生成生成-酮戊二酸酮戊二酸 通风不足通风不足 生成乳酸或琥

31、珀酸生成乳酸或琥珀酸 2)2)工艺控制是否合理工艺控制是否合理 3)3)设备供氧能力是否充足。设备供氧能力是否充足。第48页，本讲稿共93页谷氨酸发酵时正常谷氨酸发酵时正常谷氨酸发酵时正常谷氨酸发酵时正常和异常的溶氧曲线和异常的溶氧曲线和异常的溶氧曲线和异常的溶氧曲线 红霉素发酵过程中红霉素发酵过程中红霉素发酵过程中红霉素发酵过程中溶氧和黏度的曲线溶氧和黏度的曲线溶氧和黏度的曲线溶氧和黏度的曲线 第49页，本讲稿共93页溶解氧浓度的控制溶解氧浓度的控制决定因素：供氧和需氧。决定因素：供氧和需氧。供氧控制：供氧控制：设法提高氧传递的推动力和设法提高氧传递的推动力和KlaKla。需氧控制：需氧控制

32、：需氧量受菌体浓度、基质种类、需氧量受菌体浓度、基质种类、和浓度及培养条件等因素影响，以菌浓度影和浓度及培养条件等因素影响，以菌浓度影响最明显。响最明显。发酵液摄氧率随菌浓增加而按比例增加发酵液摄氧率随菌浓增加而按比例增加但氧的传递速率随菌浓度的对数关系减少。但氧的传递速率随菌浓度的对数关系减少。第50页，本讲稿共93页对于好氧发酵过程是否是维持DO值越高越好？即使是专性好氧菌，过高的即使是专性好氧菌，过高的DODO值对生长也可值对生长也可能不利。氧的有害作用是因为新生能不利。氧的有害作用是因为新生O O，超氧化，超氧化物基物基O O2-2-和超氧化物基和超氧化物基O O2 22-2-或羟基自

33、由基或羟基自由基OH-OH-，破坏细胞及细胞膜。破坏细胞及细胞膜。第51页，本讲稿共93页第4节 CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制一、一、COCO2 2 对菌体的生长和产物形成的影响对菌体的生长和产物形成的影响1 CO1 CO2 2影响细胞膜的结构和通透性影响细胞膜的结构和通透性 溶解溶解COCO2 2主要作用于细胞膜的脂肪酸核心主要作用于细胞膜的脂肪酸核心部位，而部位，而HCOHCO3 3则影响磷脂，亲水头部带电荷则影响磷脂，亲水头部带电荷表面上的蛋白质。当细胞膜的磷脂相中表面上的蛋白质。当细胞膜的磷脂相中COCO2 2浓浓度达到临界值时，膜的流动性及表面电荷密度达到临界值时，膜的流动性及

34、表面电荷密度发生变化。这将导致膜对许多基质的运输度发生变化。这将导致膜对许多基质的运输受阻，使细胞处于受阻，使细胞处于“麻醉麻醉”状态，生长受抑状态，生长受抑制，形态发生变化。制，形态发生变化。第52页，本讲稿共93页2 2、抑制代谢、抑制代谢 溶解在发酵液中的溶解在发酵液中的COCO2 2的抑制作用。大多数的抑制作用。大多数微生物适应低微生物适应低COCO2 2浓度（浓度（0.02 0.02 0.04 0.04 体体积分数）。积分数）。当尾气当尾气COCO2 2浓度高于浓度高于4 4 时，微生物的糖代时，微生物的糖代谢与呼吸速率下降。谢与呼吸速率下降。COCO2 2的溶解度是的溶解度是O O

35、2 2 的的2424倍。倍。应控制罐压。应控制罐压。举例：青霉素生产中：举例：青霉素生产中：COCO2 2浓度浓度0.08100.08105 5 Pa Pa 作用：产物的合成速率作用：产物的合成速率40 40 措施：措施：H/DH/D；排气；排气第53页，本讲稿共93页第54页，本讲稿共93页第55页，本讲稿共93页三、呼吸商与发酵的关系摄氧率摄氧率:OUR:OURCOCO2 2的释放率的释放率(CER)(CER)：呼吸商呼吸商:RQ=CER/OURRQ=CER/OUR：酵母培养时：酵母培养时：若若RQ=1,RQ=1,表示糖代谢进行有氧分解代谢途径，表示糖代谢进行有氧分解代谢途径，仅供生长，无

36、产物形成。仅供生长，无产物形成。若若RQ1.1,RQ1.1,表示进行表示进行EMPEMP途径，生成乙醇。途径，生成乙醇。当当RQ=0.93,RQ=0.93,生产柠檬酸；生产柠檬酸；RQ0.7RQ0.7表示生成乙醇被当作基质再利用。表示生成乙醇被当作基质再利用。第56页，本讲稿共93页呼吸商与发酵的关系1 1、菌体利用不同基质时、菌体利用不同基质时RQRQ值也是不同的。值也是不同的。2 2、在抗生素发酵中生长、维持和产物形成阶、在抗生素发酵中生长、维持和产物形成阶段的段的RQRQ值也不一样。如青霉素分别值也不一样。如青霉素分别0.9090.909，1.01.0，4.04.0。3 3、产物的还原性

37、比基质的还原性大，其、产物的还原性比基质的还原性大，其RQRQ值值增加。增加。4 4、当蔗糖、葡萄糖或淀粉等碳水化合物作为、当蔗糖、葡萄糖或淀粉等碳水化合物作为呼吸底物时，如果它们被完全氧化呼吸底物时，如果它们被完全氧化RQRQ值约等值约等于于1 1。5 5、无氧呼吸时，没有、无氧呼吸时，没有O O2 2的吸收，只有的吸收，只有COCO2 2的释的释放，此时放，此时RQRQ值为无穷大；值为无穷大；第57页，本讲稿共93页第5节 基质浓度对发酵的影响及其控制1 1、培养基的质量、培养基的质量:有机碳源和有机氮源，除规定的外观，含水有机碳源和有机氮源，除规定的外观，含水量，灰分，主要成分含量等参数

38、外，更重要量，灰分，主要成分含量等参数外，更重要的需经实验评价来确定。的需经实验评价来确定。2 2、培养基的数量、培养基的数量:控制底物浓度在适当的程控制底物浓度在适当的程度，可以防止底物抑制和阻遏的作用，也可度，可以防止底物抑制和阻遏的作用，也可以控制微生物适当的生长阶段。以控制微生物适当的生长阶段。第58页，本讲稿共93页糖对青霉素生物合糖对青霉素生物合糖对青霉素生物合糖对青霉素生物合成的影响试验成的影响试验成的影响试验成的影响试验第59页，本讲稿共93页如何避免发酵的过程中底物和前体发生抑制和阻遏？根据底物消耗速度连续流加以避免出现不足或过量。具体可根据底物消耗速度连续流加以避免出现不足

39、或过量。具体可以：以：1 1、以经验数据或预测数据控制流加；、以经验数据或预测数据控制流加；2 2、以、以pHpH、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；、尾气、溶氧、产物浓度等参数间接控制流加；3 3、以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计、以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计算限制性基质的浓度，间接控制流加；算限制性基质的浓度，间接控制流加；4 4、用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。、用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。第60页，本讲稿共93页第 6 节 通气搅拌对发酵的影响及其控制影响氧的传递速率影响氧的传递速率影响物料的混合均匀影响物料的混

40、合均匀影响泡沫的产生影响泡沫的产生影响菌丝体形态影响菌丝体形态第61页，本讲稿共93页第 7 节 泡沫对发酵的影响及其控制 泡沫是气体被分泡沫是气体被分散在少量液体中的散在少量液体中的胶体体系。胶体体系。第62页，本讲稿共93页第63页，本讲稿共93页第64页，本讲稿共93页 不同浓度蛋白质原料的起泡作用不同浓度蛋白质原料的起泡作用第65页，本讲稿共93页第66页，本讲稿共93页三、泡沫的消除1、机械消泡法、机械消泡法原理原理 用机械力或压力变化击碎泡沫。用机械力或压力变化击碎泡沫。方法方法 罐内法：在搅拌轴上方安装消沫桨，形罐内法：在搅拌轴上方安装消沫桨，形式多样，击碎泡沫；式多样，击碎泡沫

41、；罐外法：泡沫引出罐外，喷嘴加速作用或罐外法：泡沫引出罐外，喷嘴加速作用或离心破碎泡沫。离心破碎泡沫。优点：优点：不用引入外界物质；减小染菌机会；节不用引入外界物质；减小染菌机会；节省原料；不增加下游分离负担；省原料；不增加下游分离负担；缺点：缺点：仅限于泡沫较轻的情况；不能根本解决仅限于泡沫较轻的情况；不能根本解决泡沫生成的原因。泡沫生成的原因。第67页，本讲稿共93页2、消泡剂消泡消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低、液膜排液，消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低、液膜排液，因而导致泡沫破灭。因而导致泡沫破灭。对消泡剂的要求对消泡剂的要求（1）消泡能力强，有一定的水性）消泡能力强，有一定的水性，挥

42、发性小，挥发性小。（2）使用浓度要低。降低成本、减少副作用。）使用浓度要低。降低成本、减少副作用。（3）对产物无影响。对产物无影响。与发酵液不起化学反应。与发酵液不起化学反应。（4）无毒）无毒，能耐高温灭菌，能耐高温灭菌。（5）便于使用、运输安全，来源方便、价廉。便于使用、运输安全，来源方便、价廉。第68页，本讲稿共93页第69页，本讲稿共93页第70页，本讲稿共93页一、高细胞密度发酵成功实例大肠杆菌在基本培养基，葡萄糖、矿物盐或甘油矿物盐，培养方法葡萄糖（甘油）非限制指数补料，细胞干重140150g/L第第8 8节节 高密度发酵及控制过程高密度发酵及控制过程第71页，本讲稿共93页第72页

43、，本讲稿共93页三、高密度培养发酵技术三、高密度培养发酵技术1 1、常用搅拌罐和带有外置式或内置式细胞持、常用搅拌罐和带有外置式或内置式细胞持留装置的反应器，如透析膜反应器、气升式留装置的反应器，如透析膜反应器、气升式反应器、气旋式反应器等。反应器、气旋式反应器等。2 2工业化生产中常采用搅拌罐和补料工艺来进工业化生产中常采用搅拌罐和补料工艺来进行高细胞密度发酵。行高细胞密度发酵。第73页，本讲稿共93页四、高密度发酵存在的问题：四、高密度发酵存在的问题：1 1、水溶液中的固体与气体物质的溶解度。、水溶液中的固体与气体物质的溶解度。2 2、基质对生长的限制或抑制作用；、基质对生长的限制或抑制作

44、用；3 3、基质对产物的不稳定性，挥发性；、基质对产物的不稳定性，挥发性；4 4、产物或副产物的积累达到抑制生长的水平；、产物或副产物的积累达到抑制生长的水平；5 5、高浓度的二氧化碳与热的释放速率；、高浓度的二氧化碳与热的释放速率；6 6、高的氧需求以及培养基的粘度不断增加等。、高的氧需求以及培养基的粘度不断增加等。第74页，本讲稿共93页第9节 发酵终点的检测与控制一、经济因素一、经济因素以最低的成本来获得最大生产能力的时间为以最低的成本来获得最大生产能力的时间为最适发酵时间。最适发酵时间。1.1.原料成本高原料成本高 ：主要追求提高产率主要追求提高产率kg/(mkg/(m3 3h)h)、

45、得率（转化率）、得率（转化率）kg kg 产物产物 /kgkg基质基质和发酵系数和发酵系数kg kg 产物产物 /（罐容积（罐容积m m3 3发酵周期发酵周期h h）。此时如果发酵时间过短，则营。此时如果发酵时间过短，则营养物质残留过多，成本高，废水处理成本高。养物质残留过多，成本高，废水处理成本高。第75页，本讲稿共93页2.2.产品价值高、提纯成本高产品价值高、提纯成本高 ：要提高产率、发酵系数、产物浓度。要计算总的体积产要提高产率、发酵系数、产物浓度。要计算总的体积产率率g g 产物产物/（发酵液（发酵液LhLh）(内含放罐、洗罐、配料、内含放罐、洗罐、配料、灭菌等时间灭菌等时间)。此时

46、要求尽量缩短辅助工作时间。此时要求尽量缩短辅助工作时间。3.3.总的生产效益最高。总的生产效益最高。第76页，本讲稿共93页二、产品质量因素二、产品质量因素放罐时间过早：残留的营养成份过高，可能放罐时间过早：残留的营养成份过高，可能增加后部提取工序的负担。增加后部提取工序的负担。放罐时间过晚：菌体分泌毒素可能增加、有放罐时间过晚：菌体分泌毒素可能增加、有些产物可能开始分解、菌体自溶延长过滤时些产物可能开始分解、菌体自溶延长过滤时间。间。第77页，本讲稿共93页三、特殊因素三、特殊因素在正常情况下，可根据作业计划，按时放罐；在正常情况下，可根据作业计划，按时放罐；在异常情况下，如染菌、代谢异常（

47、糖耗缓慢在异常情况下，如染菌、代谢异常（糖耗缓慢等），就应根据不同情况，进行适当处理，以等），就应根据不同情况，进行适当处理，以免倒罐。免倒罐。为了能够得到尽量多的产物，应该及时采取措为了能够得到尽量多的产物，应该及时采取措施（如改变温度或补充营养等），并适当提前施（如改变温度或补充营养等），并适当提前或拖后放罐时间。或拖后放罐时间。第78页，本讲稿共93页第79页，本讲稿共93页第10节 自动控制技术在发酵过程控制中的应用第80页，本讲稿共93页2022/11/28发酵过程自控是根据对过程变量的有效测量及对过程变化规律的发酵过程自控是根据对过程变量的有效测量及对过程变化规律的认识，借助于由自

48、动化仪表和电子计算机组成的控制器，操纵其认识，借助于由自动化仪表和电子计算机组成的控制器，操纵其中一些关键变量，使过程向着预定的目标发展。中一些关键变量，使过程向着预定的目标发展。包括：包括：a.和过程的未来状态相联系的控制目的或目标（如和过程的未来状态相联系的控制目的或目标（如要求控制的温度、要求控制的温度、pH值、生物量浓度等）的检测；值、生物量浓度等）的检测；b.一组可供选择的控制动作（如阀门的开、关，泵的一组可供选择的控制动作（如阀门的开、关，泵的开、停等）；开、停等）；c.一种能够预测控制动作对过程状态影响的模型一种能够预测控制动作对过程状态影响的模型（如用加入基质的浓度和速率控制细

49、胞生长率时（如用加入基质的浓度和速率控制细胞生长率时需要能表达它们之间相关关系的数学式）。需要能表达它们之间相关关系的数学式）。三者相互联系、相互制约，组成具有特定自控功能的自控系统。三者相互联系、相互制约，组成具有特定自控功能的自控系统。第81页，本讲稿共93页发酵罐发酵罐主机主机计算机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新型生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新的基础平台的基础平台85第85页，本讲稿共93页发酵过程的主要在线发酵过程的主要在线发酵过程的主要在线发酵过程的主要在线传感器传感器89第89页，本讲稿共93页pHpHpHpH计计计计溶氧仪溶氧仪溶氧

50、仪溶氧仪第90页，本讲稿共93页传感器要求：传感器要求：1 1、插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌、插入罐内的传感器必须能经受高压蒸汽灭菌2 2、传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染、传感器结构不能存在灭菌不透的死角，以防染菌（密封性好）菌（密封性好）3 3、传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。、传感器对测量参数要敏感，且能转换成电信号。4 4、传感器性能要稳定，受气泡影响小。、传感器性能要稳定，受气泡影响小。第91页，本讲稿共93页电子计算机的使用，为发酵过程的检测和自控注电子计算机的使用，为发酵过程的检测和自控注入了巨大的活力。入了巨大的活力。第92页，本讲稿共93页思 考