页数：138页文件大小：2.41 MB来源： 发酵工程ppt课件
本课件讲解发酵过程控制，先说明参数检测与传感器的要求，再展开代谢调控在过程控制中的应用，随后逐项分析温度、pH、溶解氧、二氧化碳与基质浓度的影响及控制，并介绍高密度发酵与泡沫控制。
第八章 发酵过程控制
本章内容
一、概述 1.过程控制的重要性
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。
2.发酵过程控制的一般步骤
3.参数检测：代谢参数按性质可分为三类。
3.参数检测：参数按获取方式可分为两类。
3.参数检测——参数的测量形式
对传感器的要求
参数检测方法——温度测量
参数检测方法——搅拌转速和搅拌功率的测量
参数检测方法——空气流量测定
参数检测方法——罐压测量：采用压力表或压力传感器进行测量。
参数检测方法——料液计量与液位控制
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。
参数检测方法——pH测量：采用复合pH电极与pH测量仪器。
参数检测方法——溶解氧的测量：化学法、极谱法、复膜氧电极法。
附：复膜氧电极示意图（a）极谱型（b）原电池型。
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。
参数检测方法——细胞浓度的测量
附：原位活细胞在线检测仪。
1.初级代谢物的生产调节：初级代谢物指一类低分子量的终点产物及这些终点产物的生物合成途径中的中间体。
反馈调节包括
黄色短杆菌赖氨酸生物合成调节机制
（1）避开固有反馈调节的方法
具体应用：积累中间产物；积累终点产物；耐反馈作用的突变株的筛选——抗结构类似物突变株。
抗结构类似物突变株的筛选机制：末端产物类似物和末端产物结构类似，因而能够引起反馈作用，但是它们不能参与生物合成。在培养基中添加末端产物类似物后，未突变的细胞将由于代谢途径受阻而不能获得生物合成所需的该种末端产物，从而导致细胞死亡；那些对类似物不敏感的突变株仍能制造末端产物并长成菌落。
突变株耐结构类似物的原因：①酶的结构起了变化（指耐反馈抑制的突变株）；②酶的合成系统起了变化（指耐反馈阻遏的突变株）。
双突变株的概念：单一菌株内同时发生耐反馈抑制和耐反馈阻遏的突变作用。
思考题：某一菌株对所要生产的产物的类似物有天然的耐受力，这种时候能否利用类似物筛选突变株呢？
回复筛选：用突变除去反馈敏感的酶和用第二次突变置换它，常产生分泌终点产物的回复子。
细胞通透性的变更：细菌细胞膜通透性的增加是谷氨酸过量生产的原因之一。
能过量生产谷氨酸的细菌有两个共同特征
2.次级代谢物的生产调节
（1）次级代谢的特点及与初级代谢的关系
操纵环境条件来控制次级代谢物的生物合成
分解阻遏作用的解除主要是在多个碳源中选择慢碳源，或者采用缓慢流加快碳源的工艺。
附：在含有葡萄糖和乳糖的培养基中的青霉素发酵代谢曲线。
耐负反馈调节的抗性突变株的筛选
（三）温度对发酵的影响及其控制
Q发酵 = Q生物 + Q搅拌 － Q蒸发 － Q辐射
生物热与其它参数的关系：①呼吸强度QO2；②糖利用速率。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：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。
因为Eμ＜Eα，所以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：图示三类微生物的生长速率随温度变化的典型曲线与最适温度区间。
2.温度对微生物生长的影响（续）
（1）糖比消耗速率qs：Righelato假定——
改变温度可以控制qs和μ。
（2）T对B、m和μ的影响（qs一定）：
4.温度对产物合成的影响：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。
例：青霉菌发酵生产青霉素，青霉菌生长活化能E₁=34 kJ/mol，青霉素合成活化能E₂=112 kJ/mol，因此青霉素合成速率对温度较敏感。
4.温度对产物合成的影响——影响酶系组成及酶的特性
二阶段发酵：例青霉素发酵——菌体生长期30℃，青霉素合成分泌期20℃。
5.最适温度的选择与控制：最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握。
变温培养：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒温培养所获得的产物有较大幅度的提高。
（四）pH对发酵的影响及其控制
1）发酵液中pH变化的基本原理：微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生——①酸性或碱性代谢产物的生成或释放；②菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。
引起发酵液中pH下降的因素
1）发酵液中pH变化的基本原理（续）：引起发酵液中pH上升的因素
2）发酵过程中pH的变化规律
（1）pH对微生物生长的影响：每一类菌都有其最适pH和能耐受的pH范围。
例：石油代腊酵母——pH3.5～5.0生长良好且不易染菌；pH>5.0酵母形态变小、发酵液变黑且污染大量细菌；pH<3.0酵母生长受抑制、细胞极不整齐且出现自溶。
pH对生长的影响机制
（2）pH对产物合成的影响：产物合成阶段的最适pH值和微生物生长阶段的最适pH往往不一定相同，这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学特性。
| 菌种 | 生长最适pH | 合成最适pH |
|---|---|---|
| 丙酮丁醇菌 | 5.5～7.0 | 4.3～5.3 |
| 青霉素产生菌 | 6.5～7.2 | 6.2～6.8 |
| 链霉素产生菌 | 6.3～6.9 | 6.7～7.3 |
（2）pH对产物合成的影响——pH影响代谢方向：pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。
| 发酵 | pH范围 | 主要产物 |
|---|---|---|
| 黑曲霉发酵 | pH 2~3 | 柠檬酸 |
| 黑曲霉发酵 | pH接近中性 | 草酸 |
| 酵母菌发酵 | pH 4.5~5.0 | 酒精 |
| 酵母菌发酵 | pH 8.0 | 酒精、醋酸和甘油 |
| 谷氨酸发酵 | pH 7.0~8.0 | 谷氨酸 |
| 谷氨酸发酵 | pH 5.0~5.8 | 谷酰胺和N-乙酰谷酰胺 |
（2）pH对产物合成的影响——pH对青霉素发酵的影响：在不同pH范围内加糖，青霉素产量和糖耗不一样。
| pH范围 | 糖耗 | 残糖 | 青霉素相对单位 |
|---|---|---|---|
| pH 6.0～6.3 | 10% | 0.5% | 较高 |
| pH 6.6～6.9 | 7% | 0.2% | 高 |
| pH 7.3～7.6 | 7% | >0.5% | 低 |
| pH 6.8控制加糖 | <7% | <0.2% | 最高（速率恒定0.055%/h） |
说明：原页「加糖」与「糖耗」两列表述在源文件中连写，此处按上下文拆分为糖耗与残糖两列，建议对照原课件核对列名。
3.最适pH的选择：选择pH准则是获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量。
例：pH对产海藻酸裂解酶的影响——配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况。
（1）pH调节方法
原则：①残糖高时，不用糖调pH；②残N高时，不用生理盐调pH。pH控制应与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH。
（2）pH控制方法比较：以青霉素发酵为例，最适pH为6.6～6.9。
（3）pH控制系统：由pH电极、变选器、调节器、执行单元与补料构成的反馈控制回路，给定值与pH测量值比较后输出4~20mA控制信号。
（五）溶解氧对发酵的影响及其控制
（1）影响溶解氧（DO）的因素：分为供氧与耗氧两大类。
（2）发酵过程中溶氧变化规律：批式发酵无DO控制情况下，溶氧变化规律为「波谷现象」，图示溶氧CL、菌体浓度x、QO2随时间变化的关系。
平衡点分析①：当CL↑，即供氧速率OTR>摄氧率γ时，OTR逐渐↓至OTR=γ，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。
平衡点分析②：当CL↓（如对数生长期γ很大），OTR<γ，称低位平衡。
低位平衡通常发生在正常情况下的对数期。
值得注意的几点
当CL<CCr时呼吸受抑制；当CL>CCr时呼吸不受抑制。因此对生长应满足CL>CCr，但并不是越高越好。
例：卷须霉素，12~70h之间维持CL在10%比在0或45%的产量要高。
（3）CCr与Cm比较：通常Cm与CCr不一致。对于某些菌株CCr>Cm（如卷须霉素），而有些菌株CCr<Cm（如头孢菌素C）。
说明：原页两组数值（8%、13~23%、5%、10~20%）在源文件中连写，未能确定其与菌种及参数的对应关系，此处只保留原文的比较结论，建议对照原课件图片核对后补充具体数值。
QO2、(QO2)m、CCr、CL、P、Cm的关系：生长阶段要求CL>CCr，生产阶段满足CL≥Cm。
（1）发酵异常指标：发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。
附：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：中间补料是否得当可以从溶解氧的变化看出。
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
（4）设备性能、工艺合理性指标：评价设备性能、工艺合理性的最终指标是发酵单位。
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；通气方面为空气分布器的类型和位置、n、P/V；设备操作参数为罐压、WS或VVM；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
改进工艺：控制补料速度、T的调节、中间补水、添加表面活性剂等。
对现有发酵工厂进行技术改造
工艺的改进是否有效可通过溶解氧水平进行评价
（1）溶解氧控制的一般原则
（2）溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一——控制原理
控制原则：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。
控制方法
溶氧在加糖控制上的应用：图示以溶氧水平为反馈信号调节加糖速率的实际运行曲线。
溶氧与pH协同控制系统：图示溶氧与pH两个信号联合控制补料速率的系统结构与运行效果。
（3）溶解氧控制的工艺方法（从供氧方面考虑）
（3）溶解氧控制的工艺方法（续，供氧方面）
（3）溶解氧控制的工艺方法（续，耗氧方面）：限制性基质的流加控制（补料控制）——在OTR一定情况下，控制基质浓度→限制μ、x→限制γ→控制溶解氧。
（4）溶解氧自动控制系统
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——KLa越大，培养基中溶解氧越多，AA合成速度越快（摇床转速150 r/min，25℃）。
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，■—10，▲—20，×—30）。
（六）CO₂和呼吸商对发酵的影响及其控制
（1）影响尾气中CO₂浓度的因素
（2）CER变化规律
∫[CER]dt 与菌体干重的时间曲线对照：1—∫[CER]dt；2—菌量。
（3）CER的测量与计算
（1）研究参数CO₂的意义
（2）CO₂对细胞的作用机制——「麻醉」作用：CO₂及HCO₃⁻都会影响细胞膜的结构，使膜的流动性及表面电荷密度发生变化，导致许多基质的跨膜运输受阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于「麻醉」状态，细胞生长受到抑制，形态发生改变。
（3）CO₂对菌体生长及产物形成的影响
（4）CO₂释放与发酵过程参数pH及操作参数补糖速率的关系：在青霉素发酵中补糖将引起排气CO₂增加，同时pH下降。
糖、CO₂、pH三者的相关性，被青霉素工业生产上用于补料控制的参数，并认为排气CO₂的变化比pH变化更为敏感，所以测定排气CO₂释放率（CER）来控制补糖速率。
（4）尾气CO₂与O₂的相关性：相关程度表示尾气CO₂与O₂的相关性为反向同步关系。
呼吸商（RQ）与发酵的关系：不同菌株、同一菌株不同代谢途径、同一菌株利用不同基质、同一菌株在不同发酵阶段，RQ值不相同。RQ值可以表征发酵状况。
青霉素发酵不同阶段
如果产物的还原性比基质大时，其RQ值就增加；反之，当产物的氧化性比基质大时，RQ值就要减少，其偏离程度决定于单位菌体利用基质形成产物的量。产物形成对RQ影响最大。
（七）基质浓度对发酵过程的影响及补料控制
（1）基质浓度对微生物生长的影响
（2）基质浓度对产物合成的影响：低浓度限制、低水平诱导、高浓度抑制及分解阻遏作用。
（1）补料的目的
（2）补料的内容
（3）补料的原则
（4）补料控制的策略：大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质。
（5）反馈控制参数的确定：为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参数，以及了解这些参数与微生物代谢、菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系。
例：谷氨酸发酵在某一阶段，生产菌的摄氧率和基质消耗速率之间存在着线性关系。
谷氨酸发酵中K值对糖浓度的控制的影响：K=1.51、K=1.75、K=2.16 三种条件下糖浓度控制效果的曲线对比。
（6）补料速率的确定：优化补料速率是补料控制中十分重要的一环，补料速率要根据微生物对营养等的消耗速率及所设定的培养液中最低维持浓度而定。
补糖速率最佳点与设备的供氧能力有关。例：青霉素发酵，KLa大的设备补料速率相应大些；供氧低的设备，补料速率相应减少，产量比供氧能力好的设备降低23％。
（7）实例：四环素发酵中的补糖控制——补糖时间对四环素发酵单位的影响
维持不同还原糖水平的四环素发酵中流加补糖的作用：图示不同还原糖维持水平下流加补糖对发酵的影响。
补糖对四环素发酵的影响：在最适补加葡萄糖的条件下，能正确控制菌丝量的增加、糖的消耗与发酵单位增长三者之间的关系，就可获得比采用丰富培养基时更长的生物合成期。
（八）高密度发酵及过程控制
1.高密度发酵：代谢产物的合成是靠菌体作为生产者来完成的，高细胞密度发酵就是为了适应这一要求而得到广泛的重视。
高细胞密度发酵成功的实例
| 产率 (g/L)/d | 培养时间（h） | 细胞干重（g/L） | 培养方法 | 发酵罐类型 | 基础培养基特征 | 菌种 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 90～100 | 30～40 | 140～150 | 葡萄糖（甘油）非限制指数补料；需氧、葡萄糖过量、形成乙醇 | 搅拌罐 | 葡萄糖矿物盐或甘油矿物盐 | 大肠杆菌 |
| 160 | 30 | 185 | 补料分批培养，以葡萄糖调节pH | 搅拌罐 | 含葡萄糖的完全培养基 | 嗜温菌 枯草杆菌 |
| 120～150 | 50～120 | 100 | 补料分批培养，补甲醇 | 搅拌罐 | 葡萄糖矿物盐 | 嗜温菌 毕氏酵母 |
| 50～150 | 80 | 210 | 连续培养，流加葡萄糖 | 搅拌罐 | 含葡萄糖的完全培养基 | 嗜温菌 酿酒酵母 |
2.高密度发酵策略
3.高密度发酵技术
4.高密度发酵存在的问题：水溶液中的固体与气体物质的溶解度，基质对生长的限制或抑制作用，基质与产物的不稳定性和挥发性，产物或副产物的积累达到抑制生长的水平，高浓度的CO₂与热的释放速率，高的氧需求以及培养基的粘度不断增加等。
（九）泡沫对发酵的影响及其控制 1.泡沫的产生及其影响：泡沫的产生源于通气和搅拌、代谢气体的逸出、存在稳定泡沫的表面活性物质。
泡沫的类型
泡沫的不利影响
2.发酵过程中泡沫的消长规律——影响因素
霉菌发酵过程中培养液的性质与泡沫的关系：图示培养液性质（粘度、菌体浓度等）变化与泡沫消长的对应关系。
3.泡沫的控制
（1）机械消泡
（1）机械消泡——机械消泡装置的选择依据
（1）机械消泡——机械消泡方法
（2）化学消泡——消泡机理
（2）化学消泡——化学消泡的优点
消泡剂选择的依据
常用的消泡剂种类
消泡剂的应用
（十）自动控制技术在发酵过程控制中的应用——计算机在发酵过程控制中的应用
本章小结
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}