1、第九章 发酵工艺过程控制一、一、 发酵过程的测量参数发酵过程的测量参数通常把决定发酵过程状态的各种参数或变量分为通常把决定发酵过程状态的各种参数或变量分为物理参数、化学参数或生物参数。物理参数、化学参数或生物参数。物理参数物理参数：参数名称参数名称 单位单位 测定方法测定方法 意义及主要作用意义及主要作用温度温度 传感器传感器 维持生长、合成维持生长、合成罐压罐压 pa 压力表压力表 维持正压、增加溶氧维持正压、增加溶氧空气流量空气流量 m/h 传感器传感器 供氧、排出废气供氧、排出废气 搅拌转速搅拌转速 r/min 传感器传感器 物料混合物料混合搅拌功率搅拌功率 kw 传感器传感器 反映搅拌
2、情况反映搅拌情况粘度粘度 pa.s 粘度粘度 反映菌体生长反映菌体生长密度密度 g/cm 传感器传感器 反映发酵液性质反映发酵液性质装量装量 m,L 传感器传感器 反映发酵液数量反映发酵液数量浊度浊度 透光度透光度% 传感器传感器 反映菌体生长情况反映菌体生长情况泡沫泡沫 传感器传感器 反映发酵代谢情况反映发酵代谢情况传质系数传质系数 1/h 间接计算或在线检测间接计算或在线检测 反映供氧情况反映供氧情况加糖速度加糖速度 kg/h 传感器传感器 反映好氧情况反映好氧情况加消泡剂速率加消泡剂速率 kg/h 传感器传感器 反映泡沫情况反映泡沫情况加中间体或前体速率加中间体或前体速率kg/h传感器传
3、感器 反映前体和基质利用情况反映前体和基质利用情况加其它基质速率加其它基质速率 kg/h 传感器传感器 反映基质利用情况反映基质利用情况化学参数：化学参数： 参数名称参数名称 单位及测定方法单位及测定方法 意义及主要作用意义及主要作用 酸碱度酸碱度 pH 传感器传感器 反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况 溶氧溶氧 ppm 传感器传感器 反映氧的供给和消耗情况反映氧的供给和消耗情况 排气氧浓度排气氧浓度 pa 传感器传感器 了解好氧情况了解好氧情况 氧化还原电位氧化还原电位 mV 传感器传感器 反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况 溶解溶解CO2浓度浓度 %饱和度饱和度 传感器传感器 了解了解CO2对
4、发酵的影响对发酵的影响 排气排气CO2浓度浓度 % 传感器传感器 了解菌的呼吸情况了解菌的呼吸情况总糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉总糖、葡萄糖、蔗糖、淀粉 kg/m 取样取样 了解在发酵过程了解在发酵过程 中的变化中的变化前体或中间体浓度前体或中间体浓度 mg/ml 取样取样 产物合成情况产物合成情况氨基酸浓度氨基酸浓度 mg/ml 取样取样 了解氨基酸等含量变化情况了解氨基酸等含量变化情况矿物盐浓度矿物盐浓度 mol,% 取样取样 了解这些离子含量对发酵的影响了解这些离子含量对发酵的影响生物参数：生物参数：参数名称参数名称 单位及测定方法单位及测定方法 意义及主要作用意义及主要作用菌体浓度菌体浓度
5、g(DCW)/L 取样取样 了解生长情况了解生长情况菌体中菌体中RNA,DNA 含量含量 mg(DCW)/g 取样取样 了解生长情况了解生长情况菌体中菌体中ATP,ADP,AMP量量 mg(DCW)/g 取样取样 了解菌的能了解菌的能 量代谢情况量代谢情况菌体中菌体中NADH量量 mg(DCW)/g 在线荧光法在线荧光法 了解菌的合了解菌的合 成能力成能力菌体中蛋白质量菌体中蛋白质量 mg(DCW)/g 取样取样 了解生长和产物了解生长和产物 情况情况效价或产物浓度效价或产物浓度 g/mL 取样（传感器）取样（传感器） 产物合成情况产物合成情况细胞形态细胞形态 取样，离线取样，离线 了解生长情
6、况了解生长情况发酵过程的发酵过程的主要控制参数主要控制参数8. 搅拌功率搅拌功率9. 粘度粘度10. 浊度浊度11. 料液流量料液流量12. 产物浓度产物浓度13. 氧化还原电位氧化还原电位14. 废气中的氧含量废气中的氧含量15. 废气中的废气中的CO2含量含量16. 菌丝形态菌丝形态17. 菌体浓度菌体浓度（一）（一）温度温度对发酵的影响对发酵的影响v微生物发酵所用的菌体绝大多数是微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌中温菌，如霉菌、，如霉菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在2040。v在发酵过程中，需要维持适当的在发酵过程中，需要维持适当
7、的温度温度，才能使菌体生，才能使菌体生长和代谢产物的合成顺利进行。长和代谢产物的合成顺利进行。v温度会影响各种温度会影响各种酶酶反应的速率，改变菌体代谢产物的反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向合成方向，影响微生物的，影响微生物的代谢调控代谢调控机制。影响发酵液的机制。影响发酵液的理化性质理化性质(对氧的溶解对氧的溶解)，进而影响，进而影响发酵的动力学特性发酵的动力学特性和和产物的生物合成产物的生物合成。l四环素发酵中四环素发酵中,l 35,只产生四环素只产生四环素温度升高温度升高，气体在溶液中的溶解度，气体在溶液中的溶解度减小减小，氧，氧传递速率改变，影响基质的传递速率改变，影响基质的分解
8、分解速率速率.温度升高温度升高, ,生长快生长快, ,反应速度快反应速度快, ,酶失活酶失活快快, ,菌菌体衰老快体衰老快, ,发酵提前结束发酵提前结束. .（二）影响发酵温度变化的因素（二）影响发酵温度变化的因素产热因素：产热因素：生物热（生物热（Q生物生物）、搅拌热（）、搅拌热（Q搅拌搅拌）散热因素：散热因素：蒸发热（蒸发热（Q蒸发蒸发）、辐射热（）、辐射热（Q辐射辐射）发酵热发酵热（Q发酵发酵）是发酵温度变化的主要因素）是发酵温度变化的主要因素,即发酵即发酵过程中释放出来的净热量过程中释放出来的净热量,以以J/(m3 h)为单位。为单位。为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。为了
9、使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。由于由于Q生物生物和和Q蒸发蒸发，特别是，特别是Q生物生物在发酵过程中随时间变在发酵过程中随时间变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度发生波动。起发酵温度发生波动。l生物热生物热-微生物在生长繁殖过程中微生物在生长繁殖过程中,本身产生的大量本身产生的大量热热. 培养基成分越丰富培养基成分越丰富,营养被利用的速度越快营养被利用的速度越快.（三）温度的控制（三）温度的控制1. 最适温度的选择最适温度的选择2. 温度的控制温度的控制在生长阶段，应选择在生长阶段，应选择最适生长温度最适生长温度；
10、在产物分泌阶段，应选择在产物分泌阶段，应选择最适生产温度最适生产温度。例如例如:青霉素产生菌青霉素产生菌生长的最适温度为生长的最适温度为30, ,但但产生青霉素的最适温产生青霉素的最适温度是度是2 20 0. 看生长与生物合成哪一个是主要方面看生长与生物合成哪一个是主要方面.v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酵热，放了大量的发酵热，需要冷却需要冷却的情况较多。的情况较多。v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，利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的
11、夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。通过热交换来降温，保持恒温发酵。v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，就如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，就可可采用冷冻盐水进行循环式降温，采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立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，以保证在正常温度下进行发酵。冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。（一）（一）pH值对发酵的影响值对发酵的影响1、影响、影响酶的酶的活性，当活性，当pH值抑制菌值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌
12、体的新陈代谢；体的新陈代谢；2、影响微生物细胞膜所带、影响微生物细胞膜所带电荷电荷的状态，的状态，改变细胞膜的改变细胞膜的通透性通透性，影响微生物对，影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄营养物的吸收和代谢产物的排泄3、pH影响培养基中某些组分的影响培养基中某些组分的解离解离，进而微生物对这些成分的吸收、利用进而微生物对这些成分的吸收、利用4、pH值不同，往往引起菌体值不同，往往引起菌体代谢过程代谢过程的不同，使代谢产物的的不同，使代谢产物的质量和比例质量和比例发发生改变。生改变。黑曲霉黑曲霉在在pH=2-3 时产生柠檬酸，近时产生柠檬酸，近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。中性时，积累草酸和葡萄
13、糖酸。谷氨酸谷氨酸发酵中，微碱时形成谷氨酸，发酵中，微碱时形成谷氨酸，酸性时产生酸性时产生N-乙酰谷酰胺。乙酰谷酰胺。pH对对生物合成途径生物合成途径影响：影响：例如：丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的例如：丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH范范围是围是5.5-7.0 为好，发酵后期为好，发酵后期pH4.3 5.3时积时积累丙酮丁醇，累丙酮丁醇，pH升高升高则丙酮丁醇产量减少，而则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。丁酸、乙酸含量增加。乙酰乙酸乙酰乙酸 5、 pH影响影响菌体菌体的形态：产黄青霉的形态：产黄青霉细胞壁的厚度随细胞壁的厚度随pH的增加而减小；的增加而减小；pH，菌丝的长度缩短。，菌丝的长
14、度缩短。（二）发酵过程（二）发酵过程pH值的变化值的变化在发酵过程中，在发酵过程中，pH值的变化值的变化决定于所决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件用的菌种、培养基的成分和培养条件。（三）发酵（三）发酵pH值的确定和控制值的确定和控制1. 发酵发酵pH值的确定值的确定v微生物发酵的微生物发酵的最适最适pH值值范围一般是在范围一般是在58之间。之间。v最适最适pH值是根据实验结果来确定的。值是根据实验结果来确定的。1）将发酵培养基调节成）将发酵培养基调节成不同的出发不同的出发pH值值，进行发，进行发酵，在发酵过程中，酵，在发酵过程中，定时测定和调节定时测定和调节pH值，以分值，以分别别维持出
15、发维持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持。来维持。2）到时）到时观察菌体的生长观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高情况，以菌体生长达到最高值的值的pH值为菌体生长的合适值为菌体生长的合适pH值。值。3）用同样的方法，可测得）用同样的方法，可测得产物合成的合适产物合成的合适pH值值。在确定合适发酵在确定合适发酵pH值时，不定期要值时，不定期要考虑培养考虑培养温度温度的影响，若温度提高或降低，合适的影响，若温度提高或降低，合适pH值也可能发生变动。值也可能发生变动。（六）（六） 泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制1、泡沫的形成及其对发酵的影响
16、、泡沫的形成及其对发酵的影响在大多数微生物发酵过程中，由于培在大多数微生物发酵过程中，由于培养基中有养基中有蛋白质类表面活性剂蛋白质类表面活性剂存在，存在，在通气条件下，培养液中就形成了泡在通气条件下，培养液中就形成了泡沫。沫。u发酵罐的发酵罐的装料系数减少装料系数减少、氧传递系数减小氧传递系数减小；u造成大量造成大量逃液逃液，增加，增加染菌染菌机会；机会；u严重时严重时通气搅拌无法进行通气搅拌无法进行，菌体，菌体呼吸受到阻碍呼吸受到阻碍，导致导致代谢异常代谢异常或或菌体自溶菌体自溶。泡沫的多少与泡沫的多少与搅拌、通风、培养基搅拌、通风、培养基性质有关。性质有关。u蛋白质原料蛋白质原料如蛋白胨
17、、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要的发泡剂。是主要的发泡剂。u糊精含量多糊精含量多也引起泡沫的形成。也引起泡沫的形成。u当发酵当发酵感染杂菌和噬菌体感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。时，泡沫异常多。 调整培养基中的成分调整培养基中的成分（如少加或缓加易起泡的原（如少加或缓加易起泡的原料）或料）或改变改变某些物理化学参数（如某些物理化学参数（如pH值、温度、值、温度、通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）来控制，以减少泡沫形成的机会。料）来控制，以减少泡沫形成的机会。 采用采用机械消泡或消泡剂机械消泡或消泡剂来消除已
18、形成的泡沫。来消除已形成的泡沫。 采用采用菌种选育菌种选育的方法，筛选的方法，筛选不产生流态泡沫不产生流态泡沫的菌的菌种，来消除起泡的内在因素。种，来消除起泡的内在因素。1）机械消泡）机械消泡物理消泡方法，利用物理消泡方法，利用机械强烈振动或压力变化机械强烈振动或压力变化而使泡而使泡沫破裂。沫破裂。罐内消泡罐内消泡靠罐内靠罐内消泡桨消泡桨转动打碎泡沫。转动打碎泡沫。罐外消泡罐外消泡将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离作用或离 心力来消除泡沫。心力来消除泡沫。2） 消泡剂消泡消泡剂消泡A.消泡剂的作用：消泡剂的作用：降低泡沫液膜的机械强度；降低泡沫液膜的机械强度；
19、降低液膜的表面黏度；降低液膜的表面黏度；B.作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件：作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件： 应该在气液界面上具有应该在气液界面上具有足够大的铺展系数足够大的铺展系数，才能迅速发，才能迅速发挥消泡作用，这就要求消泡剂有一定的挥消泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性亲水性； 应该在应该在低浓度低浓度时具有消泡活性；时具有消泡活性； 应该具有应该具有持久持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫；的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； 应该对微生物、人类和动物应该对微生物、人类和动物无毒性无毒性； 应该对产物的应该对产物的提取不产生影响提取不产生影响； 不会在不会
20、在使用使用、运输中引起任何危害；、运输中引起任何危害； 来源来源方便，成本低；方便，成本低； 应该对应该对氧氧传递不产生影响；传递不产生影响； 能耐高温灭菌能耐高温灭菌。以以天然油脂类和聚醚类天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为在生物发酵中最为常用。常用。豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。油不仅用作消泡剂，还可作为油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段碳源和发酵控制的手段。在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵试验检验。试验检验。C.常用的消泡剂种类常用的消泡剂种类发酵工业常用的消泡剂一般
21、可分为发酵工业常用的消泡剂一般可分为有机消泡剂、有机消泡剂、有机硅消泡剂和聚醚型消泡剂有机硅消泡剂和聚醚型消泡剂等三类。等三类。 天然油脂类：天然油脂类：聚醚类消泡剂品种很多，它们是氧化丙烯或氧化丙烯和环氧聚醚类消泡剂品种很多，它们是氧化丙烯或氧化丙烯和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物。乙烷与甘油聚合而成的聚合物。聚氧丙烯甘油聚氧丙烯甘油（GP型）型）氧化丙烯和甘油聚合氧化丙烯和甘油聚合；亲水性；亲水性差，在发泡介质中的溶解度小，所以用于稀薄发酵液中要比差，在发泡介质中的溶解度小，所以用于稀薄发酵液中要比用于粘稠发酵液中的效果好；抑泡性能比消泡性能好，适宜用于粘稠发酵液中的效果好；抑泡性能比消泡
22、性能好，适宜用于基础培养基中，以抑制泡沫的产生。用于基础培养基中，以抑制泡沫的产生。聚氧乙烯氧丙烯甘油聚氧乙烯氧丙烯甘油（GPE型，型，泡敌泡敌）氧化丙烯、环氧氧化丙烯、环氧乙烷与甘油聚合乙烷与甘油聚合；亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能；亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，作用快，溶解度大，消泡活性维持时间短，用于粘稠力强，作用快，溶解度大，消泡活性维持时间短，用于粘稠发酵液的效果比用于稀薄的好。发酵液的效果比用于稀薄的好。聚醚类消泡剂聚醚类消泡剂l一般由一般由二甲基硅油和二甲基硅油和SiO2按一定比例按一定比例复合而成。难乳化，表面黏度低，消复合而成。难乳化，表面黏度低，消泡能力强
23、泡能力强有机硅消泡剂有机硅消泡剂(一一)菌体浓度对发酵的影响及控制菌体浓度对发酵的影响及控制菌体（细胞）浓度（简称菌体（细胞）浓度（简称菌浓菌浓）是指单位体积）是指单位体积培养液中菌体的含量。培养液中菌体的含量。l首先确定基础培养基配方中有个首先确定基础培养基配方中有个适当的适当的配比配比，避免产生，避免产生过浓（或过稀）的菌体量过浓（或过稀）的菌体量。l然后通过然后通过中间补料中间补料来控制，如当菌体生来控制，如当菌体生长缓慢、菌浓太稀时，则可补加一部分长缓慢、菌浓太稀时，则可补加一部分磷磷酸盐酸盐，促进生长，提高菌浓；但补加过多，促进生长，提高菌浓；但补加过多，则会使菌体过分生长，超过临界
24、浓度，对则会使菌体过分生长，超过临界浓度，对产物合成产生抑制作用。产物合成产生抑制作用。2对菌体生长和产物形成的影响对菌体生长和产物形成的影响2影响细胞膜的结构，细胞膜的运输效率，细影响细胞膜的结构，细胞膜的运输效率，细胞生长受抑制，形态发生改变。胞生长受抑制，形态发生改变。2浓度的大小浓度的大小受到菌体的呼吸强度、发酵液的受到菌体的呼吸强度、发酵液的流变性、通气搅拌程度、外界压力大小和设备流变性、通气搅拌程度、外界压力大小和设备规模等多种因素的影响。规模等多种因素的影响。（二）基质对发酵的影响及控制（二）基质对发酵的影响及控制基质即培养微生物的营养物质基质即培养微生物的营养物质碳源、氮源和磷酸盐对发酵的影响及控制碳源、氮源和磷酸盐对发酵的影响及控制
