第七章 发酵工艺控制,发酵工艺控制的基础： 了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模拟 了解生物、物理、化学和工程的环境条件对发酵过程的影响 如何进行控制？ 测定各种参数 依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程的各项最佳 参数,一、发酵过程检测控制的主要的参数1、物理参数,发酵过程检测控制的主要的参数2、化学参数,发酵过程检测控制的主要的参数3、生物参数,二、控制方式 一般检控系统包括3个部分。 1测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH计直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。 2控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指令执行元件进行调整控制。 3执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位置。 手动控制和自动控制,发 酵 控 制Fermentation Control,Sample Analysis pH DO Sugar Ammonia Phosphate Sulphate Products Precursors Contamination,Pressure probe,Level probe,pH probe,Temp. probe,DO probe,Antifoam,Acid/Base,Cooling,Air/agitation,Sugar/Oil feed,Penicillin Fermentation Profile 变化曲线,第一节 温度的影响及控制,一、温度对发酵的影响：,影响各种酶促反应的速度,发酵温度升高，生长代谢加快，生产期提前。 发酵温度太高，菌体容易衰老，发酵周期缩短。,改变发酵液的物理性质：,温度影响基质和氧的吸收速度 影响饱和溶氧浓度,改变菌体代谢产物的合成方向,例：温度小于30，合成金霉素的能力强 温度等于35，只合成四环素,二、影响发酵温度变化的因素：发酵热（KJ/m3 h）,生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。,影响生物热的因素： 与菌种遗传特性有关 与菌龄有关：对数生长期生物热最大。 与营养基质有关 与产量有关,搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。,蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。,搅拌热=P 3600/V,显热：发酵排气散发带走的热量。,辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。,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,可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。,确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件： 在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利 培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利,四、发酵温度的控制,在发酵罐上安装夹套和蛇罐，通过循环冷却水控制。,冷却介质：深井水或冷冻水,控制方式：手动控制或自动控制,第二节 pH的影响及控制,一、pH对发酵的影响：,影响菌体生长代谢的酶活性,影响代谢产物的合成方向,影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用，影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。,pH的变化决定于所用的生产菌： 培养基中营养物质的代谢引起pH的变化： 培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子氮源被利用后产生NH3 ，则pH上升；有机酸的积累，使pH下降。 一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。 生理酸性物质和生理碱性物质的消耗,二、影响发酵pH变化的因素：,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， 在产物采用最适产物合成的pH。,三、最适pH的选择,四、pH的控制,采用合适的培养基配比 C：N合适 生理酸性物质和生理碱性物质比例合适 添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐 在发酵过程中直接补加酸或碱 过去流加硫酸或氢氧化钠， 现采用补加氨水、尿素、硫酸铵 在发酵过程中调节补糖速度控制pH,几种具体情况的调节方法,当pH低，氨基氮含量低时,当pH高，氨基氮含量低时,当pH高，氨基氮含量高时,当pH由于多加了削沫剂而下降时,pH的控制系统,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。,菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种类和自身的遗传特性有关,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,菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的种类和浓度有关 （ 正比于S ）,当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓度营养基质引起生长速率下降。,菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的影响,最适菌体浓度的确定,优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的产物。(dP/dtMAX),dP/dt =qP X,qP=f X， ， qO 2 qS CL,以青霉素发酵为例,青霉素发酵的qP与的关系, C qP可维持在qPmax, C qP随减小而减小,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。 但是，过高的比生长速率造成过高的菌体浓度，造成不利影响：,过高的比生长速率和过高的菌体浓度造成的不利影响：,1、 过高，S消耗过快，有限的营养基质只能用于生长，而不足于产物合成。,2、有毒中间产物的快速积累，会改变菌体的代谢途径，抑制产物合成。,3、 X过高，增加OUR，且发酵液粘度增大，减小OTR。 CL减小，抑制菌体生长和产物合成。,最适X？,最适为等于或稍大于C,青霉素发酵的qP、OUR、OTR与X的关系,OUR=OTR时的菌体浓度为最适菌体浓度，,在发酵过程中，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,确定基础培养基的适当配比，防止培养基过于丰富或过于稀薄。 通过调节中间补料的速度和量来控制。,第四节 营养基质的影响及控制一、碳源,种类：葡萄糖 优点： 吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量 缺点： 有些品种产生分解产物 阻遏效应。,一）、碳源种类的影响及控制,迅速利用的碳源,缓慢利用的碳源,种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油 优点： 不易产生分解产物 阻遏效应。 有利于延长次级代谢产物的分泌期 缺点：溶解度低，发酵液粘度大。,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。,碳源种类的控制,二）、碳源浓度的影响,S过小, C,qP随减小而减小,S过大, C,X X C,OUR增大,CL CL C,qP减小,粘度增大,Kla减小,产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。,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：,1、流加 2、少量多次的加入 3、多量少次的加入,残糖量 pH值 Qc X 粘度 溶氧 尾气中O2和CO2的含量 发酵液的总体积,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。补糖量以最高罐批经验量为参考。 每小时 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%,补糖量的控制：经验法：,补糖量的控制：动力学方法,依据、 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：,、 qP 、 qC之间的关系：,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,2、求、 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、qp =X/ t X qp =P/ t X,3、确定适宜的0,确定0等于或稍大于C 可使qP达到qPmax,4、确定适宜的qC,qC0 =m+ 0/Yxs + qPmax/Yps,5、根据物料平衡计算加糖速率,qC =m+ /Yxs + qP/Yps,补糖的控制,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）氮源的种类影响,种类：氨水、铵盐和玉米浆 优点： 易被菌体利用，明显促进菌体生长 缺点： 对于有些品种高浓度的铵离子抑制产物合成,迅速利用的氮源,缓慢利用的氮源,种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和棉子饼粉 优点： 利用缓慢，有利于延长次级代谢产物的分泌期。 防止早衰。 缺点：溶解度低，发酵液粘度大。,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，缓慢利用的碳源，满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。,二）氮源种类的控制,三）氮源浓度的影响控制,补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量,氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。,氮源浓度的控制： 控制基础培养基中的配比。 通过补加氮源。,补氮量的控制：,经验法： 依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算。 依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。 例： 土霉素发酵50m3发酵罐使pH升高0.1通氨量为10升。使氨基氮上升0.004%-0.005%。 动力学方法； 通过qN、 qP ，计算每小时的补氮量。,磷酸盐能明显促进产生菌的生长。 （0.32-300mM） 对于次级代谢产物，高浓度的磷酸盐能抑制产物合成。 （10mM以下）,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,一般在基础培养基中采用适宜浓度。 对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足量。 对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。 一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷量达不到最适量。 要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量。 当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌体生长。,一、泡沫对发酵的影响 泡沫的持久存在影响着微生物对氧的吸收，妨碍二氧化碳的排除，因而破坏其生理代谢的正常进行，不利于发酵； 使发酵液的装料系数减少。由于泡沫大量生成，致使培养液的容量一般只能等于种子罐容量的一半左右，大大影响了设备的利用率。 大量的泡沫易造成逃液。增加污染杂菌的机会。造成巨大损失。,第五节 泡沫的影响及其控制,二、泡沫的控制方法,减少培养基中易起泡的成分 减少培养基中粘度大的成分,适当减少通气量及搅拌转速,采用机械消泡（罐内装置和罐外装置）,采用削沫剂消泡,工业上常用的消泡剂,天然油脂类 玉米油、豆油、棉籽油、鱼油等 高碳醇类 十八醇、乙二醇聚合物 聚醚类 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油 硅酮类 聚二甲基硅氧烷,泡沫的检测和控制,最简单的检测是定时在发酵罐视孔上观察泡沫产生情况，发现泡沫持续上升时，开启消泡剂贮罐的阀门，流加少量消泡剂，使泡沫消失即可。 也可在罐内顶部装液位仪与控制仪表连结，用以控制消泡贮率阀门的开启。当泡沫上升接触探头顶端时产生的信号，通过控制装置，指令打开泵开关或阀门，自动加入消泡剂，泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。,消泡剂使用的注意事项：,不能用量过大 细密地扩散到泡沫效果好 加入土温-80具有增效作用 多种消泡剂并用,溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。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的空气饱和浓度只有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，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。,第六节 氧的供需及对发酵的影响,第一节 微生物对氧的需求,一、描述微生物需氧的物理量,比耗氧速度或呼吸强度（