1、發酵工藝控制第1頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二一、發酵過程檢測控制的主要的參數1、物理參數檢測參數檢測方法 單位 影響溫度鉑電阻 熱敏電阻 qP c*罐壓(0.20.5105Pa)隔膜傳感器壓敏電阻Pa保持正壓，防止染菌O2 及 CO2 的溶解度 攪拌轉數頻率計數器 r/min Kla 發酵液的均勻性 攪拌功率(2 -4KW/m3)功率計KwKla空氣流量浮子流量計 孔板差壓計 m3h-1vvm Kla粘度旋轉粘度計 Pas Kla濁度濁度計%反映單細胞的生長 料液的流量蠕動泵 荷重傳感器量筒 Lh-1 S 第2頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二

2、發酵過程檢測控制的主要的參數2、化學參數檢測參數檢測方法 單位 影響及作用PH復合玻璃電極 菌體和產物合成速度酶促反應的方向基質濃度產物濃度HPLC 離子選擇電極 生物傳感器 取樣gL-1 qP發酵周期的長短氧化還原電位氧化還原電位電極 mV 生長和生化活性溶氧濃度覆膜氧電極 % qo2氣相O2含量 順磁氧分析儀 Pa反映OUR 和 Kla氣相CO2含量 紅外氣體分析儀 %反映OUR 和 Kla第3頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二發酵過程檢測控制的主要的參數3、生物參數檢測參數檢測方法 單位 影響菌絲形態攝像顯微鏡 取樣鏡檢 反映菌體發育階段和正常與否菌體濃度取樣 ：干

3、重、濁度、活菌計數、離心沉降gL-1 影響菌體的生化反應Kla第4頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二二、控制方式 一般檢控系統包括3個部分。 1測定元件：如溫度計、壓力表、電流計、pH計直接測定發酵過程的各種參數，并輸出相應信號。 2控制部分：其功能主要是將測定元件測出的各種參數信號與預先確定值進行比較，并且輸出信號指令執行元件進行調整控制。3執行元件：它接受控制部分的指令開啟、或關閉有關閥門、泵、開關等調節控制機構，使有關參數達到預定位置。手動控制和自動控制第5頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二第一節 溫度的影響及控制一、溫度對發酵的影響：影響各種

4、酶促反應的速度酶活溫度發酵溫度升高，生長代謝加快，生產期提前。發酵溫度太高，菌體容易衰老，發酵周期縮短。改變發酵液的物理性質：溫度影響基質和氧的吸收速度影響飽和溶氧濃度改變菌體代謝產物的合成方向例：溫度小于30，合成金霉素的能力強溫度等于35，只合成四環素第6頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二二、影響發酵溫度變化的因素：發酵熱（KJ/m3 h）發酵熱 =生物熱 +攪拌熱 -蒸發熱 -顯熱 -輻射熱生物熱：產生菌在生長繁殖過程中，釋放的大量熱量。影響生物熱的因素：與菌種遺傳特性有關與菌齡有關：對數生長期生物熱最大。與營養基質有關與產量有關攪拌熱：由于攪拌器的轉動引起液體的摩

5、擦產生的熱量。蒸發熱：發酵液蒸發水分帶走的熱量。攪拌熱=P 3600/V顯熱：發酵排氣散發帶走的熱量。輻射熱：由于罐內外的溫差，輻射帶走的熱量。第7頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二三、最適發酵溫度的選擇選擇既適合菌體生長又適合代謝產物合成的溫度可實行變溫控制：在生長階段選擇適合菌體生長的溫度，在產物合成階段，選擇適合代謝產物合成的溫度。確定最適發酵溫度還應參考其它發酵條件：在較差通氣條件下，降低發酵溫度對發酵有利培養基成分較易被利用或較稀薄時，降低發酵溫度有利第8頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二四、發酵溫度的控制在發酵罐上安裝夾套和蛇罐，通過循環

6、冷卻水控制。冷卻介質：深井水或冷凍水控制方式：手動控制或自動控制溫度計溫度控制器調節閥第9頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二第二節 pH的影響及控制一、pH對發酵的影響：影響菌體生長代謝的酶活性影響代謝產物的合成方向影響菌體原生質膜電荷的改變，引起膜對離子的滲透作用，影響了營養物的吸收和代謝產物的分泌。pHGrowth2-3 pH units第10頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二pH的變化決定于所用的生產菌：培養基中營養物質的代謝引起pH的變化：培養基pH在發酵過程中能被菌體代謝所改變。若陰離子氮源被利用后產生NH3 ，則pH上升；有機酸的積累，使

7、pH下降。一般來說，高碳源培養基傾向于向酸性pH轉移，高氮源培養基傾向于向堿性pH轉移，這都跟碳氮比直接有關。生理酸性物質和生理堿性物質的消耗二、影響發酵pH變化的因素：第11頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二根據不同菌種的生理特性，確定不同的最適pH同一菌種根據不同階段，生長期采用最適生長的pH，在產物采用最適產物合成的pH。三、最適pH的選擇第12頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二幾種具體情況的調節方法當pH低，氨基氮含量低時當pH高，氨基氮含量低時當pH高，氨基氮含量高時當pH由于多加了削沫劑而下降時第13頁，共54頁，2022年，5月20日，

8、4點51分，星期二pH的控制系統pH電極設定控制器調節閥6.5pHUncontrolledControlled經消毒的pH電極裝入發酵罐內定時直接測定培養基的pH，同時還可以與控制儀表連結，通過回路系統控制閥門或泵進行pH調節。第14頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二菌體濃度的增加速度（生長速度）與微生物的種類和自身的遺傳特性有關第三節 菌體生長速度和菌體濃度的影響及控制影響菌體濃度的因素菌體濃度的增加速度（生長速度）與營養基質的種類和濃度有關 （ 正比于S ）當存在基質抑制作用時或造成高滲透壓時，高濃度營養基質引起生長速率下降。菌體濃度的增加速度（生長速度）受環境條件的

9、影響第15頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二最適菌體濃度的確定優化控制的目標：在最短的時間內產生最大量的產物。(dP/dtMAX)dP/dt =qP XqP=f X， ， qO 2 qS CL第16頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二生長速度和菌體濃度的控制方法確定基礎培養基的適當配比，防止培養基過于豐富或過于稀薄。通過調節中間補料的速度和量來控制。第17頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二第四節 營養基質的影響及控制一、碳源種類：葡萄糖優點： 吸收快，利用快，能迅速參加代謝合成菌體和產生能量缺點： 有些品種產生分解產物 阻遏效應。

10、一）、碳源種類的影響及控制迅速利用的碳源緩慢利用的碳源種類：淀粉、乳糖、蔗糖、麥芽糖、玉米油優點： 不易產生分解產物 阻遏效應。 有利于延長次級代謝產物的分泌期缺點：溶解度低，發酵液粘度大。 第18頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二發酵工業中常采用含迅速利用的碳源和緩慢利用的碳源的混合碳源。迅速利用的碳源滿足菌體生長的消耗，緩慢利用的碳源，滿足產物合成，可延長合成期，提高產量，并可解除葡萄糖效應。碳源種類的控制第19頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二二）、碳源濃度的影響S過小 CqP隨減小而減小S過大 CX X COUR增大CL CL CqP減小粘度

11、增大Kla減小產生分解產物阻遏作用的碳源濃度過大，會抑制產物合成。 第20頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二三）、碳源濃度的控制在發酵過程中，補加糖類控制碳源濃度補料的類型：1、流加2、少量多次的加入3、多量少次的加入第21頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二殘糖量pH值QcX粘度溶氧尾氣中O2和CO2的含量發酵液的總體積補糖的依據：第22頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二根據經驗，以最高產量的罐批的加糖率為指標，并依據菌體濃度、一定時間內的糖比消耗速率和殘糖等加以修正。例：青霉素發酵開始補糖在殘糖降至1.5%, pH開始回升時補

12、糖。補糖量以最高罐批經驗量為參考。每小時 前期040h 中期4090h 后期90以后 加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18% 補糖量的控制：經驗法：第23頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二補糖的控制把計算的加糖量，輸入計算機，由計算機控制加料裝置精確控制加入的糖量。第24頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二二、氮源的影響和控制一）氮源的種類影響種類：氨水、銨鹽和玉米漿優點： 易被菌體利用，明顯促進菌體生長缺點： 對于有些品種高濃度的銨離子抑制產物合成迅速利用的氮源緩慢利用的氮源種類：黃豆餅粉、花生餅粉、和棉

13、子餅粉優點：利用緩慢，有利于延長次級代謝產物的分泌期。防止早衰。缺點：溶解度低，發酵液粘度大。 第25頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二發酵工業中常采用含迅速利用的氮源和緩慢利用的氮源的混合氮源。迅速利用的氮源促進菌體生長繁殖，緩慢利用的碳源，滿足產物合成，可延長合成期，延緩自溶期。二）氮源種類的控制第26頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二三）氮源濃度的影響控制補氮的依據：殘氮量、pH值、菌體量氮源濃度對菌體生長和產物合成的量與方向都有影響。氮源濃度的控制：控制基礎培養基中的配比。通過補加氮源。第27頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，

14、星期二補氮量的控制：經驗法：依據使pH升高0.1而通入氨水的量來計算。依據殘氮量和工藝控制殘氮量來計算。例：土霉素發酵50m3發酵罐使pH升高0.1通氨量為10升。使氨基氮上升0.004%-0.005%。動力學方法；通過qN、 qP ，計算每小時的補氮量。第28頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二一、泡沫對發酵的影響泡沫的持久存在影響著微生物對氧的吸收，妨礙二氧化碳的排除，因而破壞其生理代謝的正常進行，不利于發酵；使發酵液的裝料系數減少。由于泡沫大量生成，致使培養液的容量一般只能等于種子罐容量的一半左右，大大影響了設備的利用率。大量的泡沫易造成逃液。增加污染雜菌的機會。造成

15、巨大損失。第五節 泡沫的影響及其控制第29頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二二、泡沫的控制方法減少培養基中易起泡的成分減少培養基中粘度大的成分適當減少通氣量及攪拌轉速采用機械消泡（罐內裝置和罐外裝置）采用削沫劑消泡第30頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二工業上常用的消泡劑天然油脂類 玉米油、豆油、棉籽油、魚油等高碳醇類 十八醇、乙二醇聚合物聚醚類 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油硅酮類 聚二甲基硅氧烷第31頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二泡沫的檢測和控制最簡單的檢測是定時在發酵罐視孔上觀察泡沫產生情況，發現泡沫持續上升時，開啟消

16、泡劑貯罐的閥門，流加少量消泡劑，使泡沫消失即可。也可在罐內頂部裝液位儀與控制儀表連結，用以控制消泡貯率閥門的開啟。當泡沫上升接觸探頭頂端時產生的信號，通過控制裝置，指令打開泵開關或閥門，自動加入消泡劑，泡沫消失，信號也隨之消失，閥門關閉。第32頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二消泡劑使用的注意事項：不能用量過大細密地擴散到泡沫效果好加入土溫-80具有增效作用多種消泡劑并用第33頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二 溶氧(DO)是需氧微生物生長所必需。在發酵過程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。 在28氧在發酵液中的100的空氣飽和濃度

17、只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對數生長期即使發酵液中的溶氧能達到100空氣飽和度，若此時中止供氧，發酵液中溶氧可在幾分鐘之內便耗竭，使溶氧成為限制因素。 第六節 氧的供需及對發酵的影響第34頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二第一節 微生物對氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強度（QO2）：單位時間內單位體積重量的細胞所消耗的氧氣，mmol O2g菌-1h-1 攝氧率(r)：單位時間內單位體積的發酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1 。r= QO2 .X第35頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二二

18、、溶解氧濃度對菌體生長和產物形成的影響CCrQO2CLCCr: 臨界溶氧濃度, 指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。第36頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二一般對于微生物： CCr: 115%飽和濃度例：酵母 4.6*10-3 mmol.L-1, 1.8% 產黃青霉 2.2*10-2 mmol.L-1, 8.8%定義：氧飽和度發酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對于微生物生長，只要控制發酵過程中氧飽和度1.第37頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二問題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發酵過程中氧很容易滿足。例：以微生物的攝氧率0.052 mmol O

19、2L-1S-1 計， 0.25/0.052=4.8秒注意：由于產物的形成和菌體最適的生長條件，常常不一樣： 頭孢菌素 卷須霉素生長 5% (相對于飽和濃度） 13%產物 13% 8%第38頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二二、發酵液中氧的平衡發酵液中供氧和需氧始終處于一個動態的平衡中傳遞：消耗：r= QO2 .X氧的平衡最終反映在發酵液中氧的濃度上面第39頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二三、供氧的調節C有一定的工藝要求，所以可以通過Kla 和C*來調節其中C*P/HNvHPKla第六章 氧的供需及對發酵的影響第40頁，共54頁，2022年，5月20

20、日，4點51分，星期二調節Kla是最常用的方法，kla反映了設備的供氧能力，一般來講大罐比小罐要好。 45升 1噸 10噸攪拌速度 250 rpm 120 120供氧速率 7.6 10.7 20.1第41頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二第三節 影響Kla的因素 Kla反映了設備的供氧能力，發酵常用的設備為搖瓶與發酵罐。一、影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機的種類搖瓶機往復，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉，偏心距25、12,轉述250rpm第42頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二裝液量，一般取1/10左右： 250ml 15-25 ml 5

21、00ml 30 ml 750ml 80 ml例： 500 ml 搖瓶中生產蛋白酶，考察裝液量對酶活的影響 裝液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力 713 734 253 92第43頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二例 某一產品的發酵 d n p0/v c 產量 450 180 1.62 20% 4978 450 280 2.12 40% 5564 550 180 2.61 60% 8455例 黑曲霉生產糖化酶 n 230 230 270 通氣比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 產量 1812 2416 2846提高d、n顯著提高C,提高了產量提高N, 比提高Q有效第44頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二2、實際上：對于轉速的調節有時是有限度的通風的增加也是有限的蒸發量大中間揮發性代謝產物帶走第45頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二3、小型發酵罐和大型發酵罐調節kla的特點 小型發酵罐，轉速可調 大型發酵罐，轉速往往不可調 大型反應器的合理設計 對現有設備一定要注意工藝配套第46頁，共54頁，2022年，5月20日，4點51分，星期二4、影響Kla的其它因素空氣分布器液體的粘度傳質介質第47