页数：78页文件大小：743.0 KB来源： 发酵工艺原理ppt课件
本课件从发酵过程检测参数与控制方式入手，依次讲解温度、pH、菌体生长速度与浓度的控制，碳源、氮源与磷酸盐的种类与浓度控制及补糖补氮的经验法与动力学方法，泡沫的消泡控制，以及氧的供需、KLa影响因素与溶氧控制策略。
第七章 发酵工艺控制。发酵工艺控制的基础：
下表列出发酵过程中需要检测的主要物理参数、检测方法、单位及其影响。
| 检测参数 | 检测方法 | 单位 | 影响 |
|---|---|---|---|
| 温度 | 铂电阻、热敏电阻 | ℃ | μ、qP、c* |
| 罐压 | 隔膜传感器、压敏电阻 | Pa | 保持正压（0.2-0.5×105Pa），防止染菌；影响O2及CO2的溶解度 |
| 搅拌转数 | 频率计数器 | r/min | KLa、发酵液的均匀性 |
| 搅拌功率 | 功率计 | Kw | KLa（2-4 KW/m3） |
| 空气流量 | 浮子流量计、孔板差压计 | m3·h-1 | vvm、KLa |
| 粘度 | 旋转粘度计 | Pa·s | KLa |
| 浊度 | 浊度计 | % | 反映单细胞生长情况 |
下表列出发酵过程中需要检测的主要化学参数、检测方法、单位及其影响与作用。
| 检测参数 | 检测方法 | 单位 | 影响及作用 |
|---|---|---|---|
| pH | 复合玻璃电极 | — | 菌体和产物合成速度、酶促反应的方向 |
| 基质浓度、产物浓度 | HPLC、离子选择电极、生物传感器、取样 | g·L-1 | μ、qP、发酵周期的长短 |
| 氧化还原电位 | 氧化还原电位电极 | mV | 生长和生化活性 |
| 溶氧浓度 | 覆膜氧电极 | % | qO2 |
| 气相O2含量 | 顺磁氧分析仪 | Pa | 反映OUR和KLa |
| 气相CO2含量 | 红外气体分析仪 | % | 反映OUR和KLa |
下表列出发酵过程中需要检测的主要生物参数、检测方法、单位及其影响。
| 检测参数 | 检测方法 | 单位 | 影响 |
|---|---|---|---|
| 菌丝形态 | 摄像显微镜、取样镜检 | — | 反映菌体发育阶段和正常与否 |
| 菌体浓度 | 取样：干重、浊度、活菌计数、离心沉降 | g·L-1 | 影响菌体的生化反应、KLa |
4、间接状态参数：μ、qP、qS、qO2（OUR）、CER（CO2释放速率）、RQ（呼吸商：CER/OUR）、YXS、YPS、KLa等。
二、控制方式：一般检控系统包括3个部分。
分为手动控制和自动控制。
图示发酵控制系统：罐上装有压力探头、液位探头、pH探头、温度探头、溶氧探头，并配置消泡剂、酸碱、冷却与空气/搅拌等执行单元；取样分析项目包括pH、DO、糖、氨、磷酸盐、硫酸盐、产物、前体与染菌检查。
Penicillin Fermentation Profile：图示青霉素发酵过程中菌体浓度、产物浓度与基质等参数随时间的变化曲线，具体数据以原课件图示为准。
第一节 温度的影响及控制
一、温度对发酵的影响：
二、影响发酵温度变化的因素：发酵热（KJ/m3·h）
发酵热 = 生物热 + 搅拌热 - 蒸发热 - 显热 - 辐射热
三、最适发酵温度的选择：选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度。
四、发酵温度的控制：在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。冷却介质为深井水或冷冻水；控制方式为手动控制或自动控制，由温度计、温度控制器与调节阀组成控制回路。
第二节 pH的影响及控制
一、pH对发酵的影响：
一般菌生长的适宜pH范围约为2-3个pH单位。
二、影响发酵pH变化的因素：
三、最适pH的选择：根据不同菌种的生理特性确定不同的最适pH；同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的pH，产物合成期采用最适产物合成的pH。
四、pH的控制：
几种具体情况的调节方法：
具体调节措施以原课件说明为准。
经消毒的pH电极装入发酵罐内，定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。
系统组成：pH电极 → 设定控制器 → 调节阀；图中对比未控制（Uncontrolled）与受控（Controlled）两种曲线，设定值约6.5。
第三节 菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制
影响菌体浓度的因素：
最适菌体浓度的确定：
以青霉素发酵为例：μ > μC时qP可维持在qPmax；μ < μC时qP随μ减小而减小。
要保证生产菌获得最大的比生产速率，就必须维持较大的比生长速率；但过高的比生长速率会造成过高的菌体浓度，带来不利影响。
过高的比生长速率和过高的菌体浓度造成的不利影响：
最适X？最适μ为等于或稍大于μC。
OUR = OTR时的菌体浓度为最适菌体浓度。发酵过程中的控制目标为：保持稳定的临界菌体浓度和临界比生长速率，以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧速率与供氧速率的平衡，从而使产物合成速率和比速率达到最大值。
生长速度和菌体浓度的控制方法：
第四节 营养基质的影响及控制——一、碳源
（一）碳源种类的影响及控制：
发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源的混合碳源：迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳源满足产物合成，可延长合成期、提高产量，并可解除葡萄糖效应。
（二）碳源浓度的影响：
（三）碳源浓度的控制：在发酵过程中补加糖类控制碳源浓度。补料的类型：
补糖的依据：
根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。例：青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%、pH开始回升时补糖。
| 发酵阶段 | 前期（0—40 h） | 中期（40—90 h） | 后期（90 h以后） |
|---|---|---|---|
| 每小时加糖量 | 0.08%-0.15% | 0.15%-0.18% | 0.15%-0.18% |
补糖量的控制——动力学方法：依据μ、qP、qC等动力学参数之间的关系计算加糖量。以次级代谢产物为例，μ、qP、qC之间的关系：X、μ、qP、qC、S。
控制原则：以维持临界生长限制基质浓度、临界菌体浓度和临界比生长速率为指标的基质流加速率与消耗速率的平衡。
具体方法：1、求X0——测定X、OTR、OUR，在耗氧速率与供氧速率平衡处确定最适菌体浓度X0。
2、求μ、qP：在发酵过程中测定每小时菌体干重X和产物P，计算每小时μ、qP：
3、确定适宜的μ0：由qP与μ的关系曲线确定临界比生长速率μC，取μ0等于或稍大于μC，可使qP达到qPmax。
4、确定适宜的qC：
qC0 = m + μ0/YXS + qPmax/YPS
通式：qC = m + μ/YXS + qP/YPS
5、根据物料平衡计算加糖速率：每小时加糖量 = (qC0·X0·v − 发酵液的残糖量) / 补料液的含糖量
把计算的加糖量输入计算机，由计算机控制加料装置精确控制加入的糖量。
二、氮源的影响和控制
（一）氮源种类的影响：
发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源的混合氮源：迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的氮源满足产物合成，可延长合成期、延缓自溶期。
（三）氮源浓度的影响：氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。
控制：控制基础培养基中的配比，并通过补加氮源。
补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量。
补氮量的控制：
三、磷酸盐的影响和控制
（一）磷酸盐源的影响：
（二）磷酸盐浓度的控制：
第五节 泡沫的影响及其控制
一、泡沫对发酵的影响：
二、泡沫的控制方法：
工业上常用的消泡剂：
泡沫的检测和控制：
消泡剂使用的注意事项：
溶氧（DO）是需氧微生物生长所必需的。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。在28℃氧在发酵液中的100%空气饱和浓度只有0.25 mmol·L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100%空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中的溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。
第一节 微生物对氧的需求
一、描述微生物需氧的物理量：
二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响：
溶氧低于临界值后QO2随CL下降而降低。
一般对于微生物：CCr = 1～15%饱和浓度。
| 微生物 | 临界溶氧浓度 | 饱和度 |
|---|---|---|
| 酵母 | 4.6×10-3 mmol·L-1 | 1.8% |
| 产黄青霉 | 2.2×10-2 mmol·L-1 | 8.8% |
氧饱和度 = 发酵液中氧的浓度 / 临界溶氧浓度，对于微生物生长只要控制发酵过程中氧饱和度 > 1。
问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中氧很容易满足？
例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2·L-1·s-1计，0.25/0.052 = 4.8秒。
注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件常常不一样，例如头孢菌素生长需5%、产物形成需>13%（相对于饱和浓度），卷须霉素生长13%、产物形成>8%。
三、影响需氧的因素：r = QO2·X
第二节 反应器中氧的传递
一、发酵液中氧的传递方程（气膜—液膜双膜模型）：
图中标出气相主体氧分压P、界面Pi与液相Ci、C的浓度分布。
C* = P/H，为与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度。
二、发酵液中氧的平衡：发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中。
氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面。
三、供氧的调节：C有一定的工艺要求，所以可以通过KLa和C*来调节，其中C* = P/H。
NV = KLa·H·P
调节KLa是最常用的方法，KLa反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。
| 罐规模 | 45升 | 1吨 | 10吨 |
|---|---|---|---|
| 搅拌速度（rpm） | 250 | 120 | 120 |
| 供氧速率 | 7.6 | 10.7 | 20.1 |
第三节 影响KLa的因素
一、影响摇瓶KLa的因素为装液量和摇瓶机的种类：
装液量一般取1/10左右：250 ml瓶15-25 ml、500 ml瓶30 ml、750 ml瓶80 ml。
例：500 ml摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响：
| 装液量（ml） | 30 | 60 | 90 | 120 |
|---|---|---|---|---|
| 酶活力 | 713 | 734 | 253 | 92 |
二、影响发酵罐中KLa的因素。已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：
KLa = K·[(P/V)α·(vs)β·(ηapp)-w]
1、理论上分析：提高搅拌转速与通气量，调节KLa的效果显著。
例：某一产品的发酵结果如下。
| d | n | p0/v | c | 产量 |
|---|---|---|---|---|
| 450 | 180 | 1.62 | 20% | 4978 |
| 450 | 280 | 2.12 | 40% | 5564 |
| 550 | 180 | 2.61 | 60% | 8455 |
说明：原课件该处数字为粘连串，本表按 d（搅拌器直径）、n（转速）、p0/v（单位体积功率）、c（溶氧）、产量 的顺序拆分排列，请对照原图核校。
例：黑曲霉生产糖化酶，转速230、230、270，通气比1:0.8、1:1.2、1:0.8时产量分别为1812、2416、2846。提高d、n显著提高C，提高了产量；提高N比提高Q有效。
2、实际上：对于转速的调节有时是有限度的，通风的增加也是有限的，原因是蒸发量大，中间挥发性代谢产物被带走。
例：红曲霉生产色素用于食品工业，静止培养改为通气培养，比色法测定产量：
| 通气（相对值） | 1.4 | 2.0 | 3.1 | 6.8 | 19.5 |
|---|---|---|---|---|---|
| OD（色素产量） | 0.28 | 0.7 | 8.3 | 15.6 | 14.3 |
说明：原课件数值排列为"通气 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5"与"OD 0.28 0.7 8.3 15.6 14.3 6.2"，两者项数不完全对应，本表按前列顺序对应排列，末位6.2未列入，请对照原图核校。
所以这些因素的存在，发酵设备的供氧是有限的。
3、小型发酵罐和大型发酵罐调节KLa的特点：
4、影响KLa的其它因素：
一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定KLa下）：菌体浓度X上升、摄氧率r与QO2变化，使CL一般出现一个低谷，位于对数生长的末期。
二、发酵过程中溶氧的控制
1、溶氧控制的策略：微生物反应 S → P + X，π = a + bμ。
菌体生长期：由酶系统Ⅰ主导，关键因子保证开始的细胞生长良好，为后续产物合成打好基础。
产物形成期：底物经酶系统Ⅱ催化生成产物，属于反应动力学问题。
发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期有利于产物的合成。
溶氧控制的一般策略：前期大于临界溶氧浓度，中后期满足产物的形成。
2、溶氧控制的实例——谷氨酸发酵：
一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大的剪切力，对菌体的生长有时会产生不利的影响，所以有时发酵初期采用小通风、停搅拌，不但有利于降低能耗，而且在工艺上也是必须的，但通气增大的时间一定要把握好。
例：生产肌苷酸，通气量不变条件下的对比：
| 通气增大时间 | 24小时 | 30小时 | 36小时 | 通气量不变 |
|---|---|---|---|---|
| 肌苷酸产量（mg/ml） | 22.55 | 18.25 | 12.34 | 17.15 |
例：某厂青霉素发酵的工艺研究，具体工艺参数与过程曲线以原课件图示为准。
三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义：
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