1、第七章 发酵工艺控制发酵工艺控制的基础：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？如何进行控制？测定各种参数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参数一、一、发酵过程检测控制的主要发酵过程检测控制的主要的参数的参数1、物理参数、物理参数检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响影响温度温度铂电阻铂电阻 热敏热敏电阻电阻 qP c*
2、罐压罐压(0.20.5105Pa)隔膜传感器隔膜传感器压敏电阻压敏电阻Pa保持正压，防止染菌保持正压，防止染菌O2 及及 CO2 的溶解度的溶解度 搅拌转数搅拌转数频率计数器频率计数器 r/min Kla 发酵液的均匀性发酵液的均匀性 搅拌功率搅拌功率(2-4KW/m3)功率计功率计KwKla空气流量空气流量浮子流量计浮子流量计 孔板差压计孔板差压计 m3 h-1vvm Kla粘度粘度旋转粘度计旋转粘度计 Pa s Kla浊度浊度浊度计浊度计%反映单细胞的生长反映单细胞的生长 料液的流量料液的流量蠕动泵蠕动泵 荷重传感器荷重传感器量筒量筒 L h-1 S 发酵过程检测控制的主要发酵过程检测控制
3、的主要的参数的参数2、化学参数、化学参数检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响及作用影响及作用PH复合玻璃电极复合玻璃电极 菌体和产物合成速度菌体和产物合成速度酶促反应的方向酶促反应的方向基质浓度基质浓度产物浓度产物浓度HPLC 离子选择电极离子选择电极 生物传感器生物传感器 取样取样g L-1 qP发酵周期的长短发酵周期的长短氧化还原电位氧化还原电位氧化还原电位电极氧化还原电位电极 mV 生长和生化活性生长和生化活性溶氧浓度溶氧浓度覆膜氧电极覆膜氧电极%qo2气相气相O2含量含量 顺磁氧分析仪顺磁氧分析仪 Pa反映反映OUR 和和 Kla气相气相CO2含量含量 红外气体分析仪红外气
4、体分析仪%反映反映OUR 和和 Kla发酵过程检测控制的主要发酵过程检测控制的主要的参数的参数3、生物参数、生物参数检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响影响菌丝形态菌丝形态摄像显微镜摄像显微镜 取样镜检取样镜检 反映菌体发育阶段反映菌体发育阶段和正常与否和正常与否菌体浓度菌体浓度取样取样：干重、浊度、：干重、浊度、活菌计数、离心沉降活菌计数、离心沉降g L-1 影响菌体的生化反应影响菌体的生化反应Kla qP qS qo2(OUR)CER(Co2释放速率)RQ(呼吸商:CER/OUR)Yxs Yps Kla 等等 发酵过程检测控制的主要发酵过程检测控制的主要的参数的参数4、间接状态
5、参数、间接状态参数二、控制方式二、控制方式 一般检控系统包括一般检控系统包括3 3个部分。个部分。1 1测定元件：如温度计、压力表、电流计、测定元件：如温度计、压力表、电流计、pHpH计计直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。2 2控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各控制部分：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。令执行元件进行调整控制。3 3执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭有关阀门
6、、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位置。到预定位置。手动控制和自动控制手动控制和自动控制发发 酵酵 控控 制制Fermentation Control Sample AnalysispHDOSugarAmmoniaPhosphateSulphateProductsPrecursorsContaminationPressure probeLevel probepH probeTemp.probeDO probeAntifoamAcid/BaseCoolingAir/agitationSugar/OilfeedPenicillin Ferme
7、ntation Profile 变化曲线变化曲线第一节第一节 温度的影响及控制温度的影响及控制一、温度对发酵的影响：一、温度对发酵的影响：影响各种酶促反应的速度影响各种酶促反应的速度酶活酶活温度温度发酵温度升高，生长代谢加快，生发酵温度升高，生长代谢加快，生产期提前。产期提前。发酵温度太高，菌体容易衰老，发发酵温度太高，菌体容易衰老，发酵周期缩短。酵周期缩短。改变发酵液的物理性质：改变发酵液的物理性质：温度影响基质和氧的吸收速度温度影响基质和氧的吸收速度影响饱和溶氧浓度影响饱和溶氧浓度改变菌体代谢产物的合成方向改变菌体代谢产物的合成方向例：温度小于例：温度小于30，合成金霉素的能力强，合成金霉
8、素的能力强温度等于温度等于35，只合成四环素，只合成四环素二、影响发酵温度变化的因素：二、影响发酵温度变化的因素：发酵热发酵热（KJ/m3 h）发酵热发酵热=生物热生物热+搅拌热搅拌热-蒸发热蒸发热-显热显热-辐射热辐射热生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。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。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。蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。搅拌热=P 3600
9、/V显热：发酵排气散发带走的热量。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。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。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：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在较差通气条件下，降
10、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。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：深井水或冷冻水冷却介质：深井水或冷冻水控制方式：手动控制或自动控制控制方式：手动控制或自动控制温度计温度计温度控制器温度控制器调节阀调节阀第二节第二节 pH的影响及控制的影响及控制一、一、pH对发酵的影响：对发酵的影响：影响菌体生长代谢的酶活性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
11、对离子的渗透作用，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。影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。pHGrowth2-3 pH unitspH的变化决定于所用的生产菌：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培养基中营养物质的代谢引起pH的变化：的变化：n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。n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。n生理酸性物质和生理碱性物质的消耗二、影响发酵二、影响发酵pH变化的因素：
12、变化的因素：根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适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在产物采用最适产物合成的pH。三、最适三、最适pH的选择的选择四、四、pH的控制的控制采用合适的培养基配比采用合适的培养基配比C：N合适合适生理酸性物质和生理碱性物质比例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在发酵过程中直接补加酸或碱过去流加硫酸或氢氧化钠，过去流加硫酸或氢氧化钠，现采用补加氨水、尿素、硫酸铵现
13、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几种具体情况的调节方法当当pH低，氨基氮含量低时低，氨基氮含量低时当当pH高，氨基氮含量低时高，氨基氮含量低时当当pH高，氨基氮含量高时高，氨基氮含量高时当当pH由于多加了削沫剂而下降时由于多加了削沫剂而下降时pH的控制系统的控制系统pH电极电极设定设定控制器控制器调节阀调节阀6.5pHUncontrolledControlled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。n菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的
14、种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类和自身的遗传特性有关第三节第三节 菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制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影响菌体浓度的因素n菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的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种类和浓度有关 （正比于正比于S）n当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓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。度营养基质引起生长速率下降。n菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的影响影响最适菌体浓度的确定最适菌
15、体浓度的确定n优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的产物。产物。(dP/dtMAX)ndP/dt=qP XnqP=f X，qO 2 qS CL以青霉素发酵为例以青霉素发酵为例qP/qPm/m1.0-1.0青霉素发酵的青霉素发酵的qP与与的关系的关系C C qP可维持在可维持在qPmax C qP随随减小而减小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。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：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
16、：过高的比生长速率和过高的菌体浓度造成的不利影响：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，过高，S消耗过快，有限的营养基质只能用于生长，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。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，、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。抑制产物合成。3、X过高，增加过高，增加OUR，且发酵液粘度增大，减小，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。减小，抑制菌体生长和产物合成。最适最适X？最适最适为等于或稍大于为等于或稍大于C青霉素发酵的青霉素发酵的qP、OUR、OTR
17、与与X的关系的关系1.0-X/Xm1.0OURqP/qPmOTRdp/dtXCOUR=OTR时的菌体时的菌体浓度为最适菌体浓度，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临界比生长速率，以维持呼吸临界溶氧浓度为前提的耗氧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。到最大值。生长速度和菌体浓度的控制方法生长速度和菌体浓度的控制方法n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。n通过调节中间补料的速度
18、和量来控制。第四节第四节 营养基质的影响及控制营养基质的影响及控制一、碳源一、碳源n种类：种类：葡萄糖n优点：优点：吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量n缺点：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一）、碳源种类的影响及控制迅速利用的碳源迅速利用的碳源缓慢利用的碳源缓慢利用的碳源n种类：种类：淀粉、乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油n优点：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n缺点：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。利用的碳源的混合碳源。迅速利
19、用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳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。解除葡萄糖效应。碳源种类的控制碳源种类的控制二）、碳源浓度的影响二）、碳源浓度的影响S过小过小 CqP随随减小而减小减小而减小S过大过大 CX X COUR增大增大CL CL CqP减小减小粘度增大粘度增大Kla减小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。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）、碳源浓度的控制三）、碳源浓度的控制在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度在发酵过
20、程中，补加糖类控制碳源浓度补料的类型：补料的类型：1、流加、流加2、少量多次的加入、少量多次的加入3、多量少次的加入、多量少次的加入n残糖量npH值nQcnXn粘度n溶氧n尾气中O2和CO2的含量n发酵液的总体积补糖的依据：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。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：例：青霉素发酵开始补糖在残糖降至青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%,pH开始回升时补糖。开始回升时补糖。补糖量以最高罐批经验量为参考。补糖量以最高罐批经验量为
21、参考。每小时每小时 前期前期040h 中期中期4090h 后期后期90以后以后 加糖量加糖量 0.08%-0.15%0.15%-0.18%0.15%-0.18%补糖量的控制：补糖量的控制：经验法：经验法：补糖量的控制：补糖量的控制：动力学方法动力学方法依据依据、qP、qC等动力学参数等动力学参数 之间的关系，计算加糖量之间的关系，计算加糖量以次级代谢产物为例：以次级代谢产物为例：、qP、qC之间的关系：之间的关系：X qp qCS控制原则：控制原则：以维持临界生长限制基质以维持临界生长限制基质浓度、临界菌体浓度和临浓度、临界菌体浓度和临界比生长速率为指标的基界比生长速率为指标的基质流加速率与消
22、耗速率的质流加速率与消耗速率的平衡。平衡。具体方法：1、求、求X0测定测定 X OTR OUR XXCOUROTRX02、求、qpn在发酵过程中，测定每小时菌体干重X和产物Pn计算每小时、qp=X/t X qp=P/t X 3、确定适宜的、确定适宜的0qPC确定确定0等于或稍大于等于或稍大于C可使可使qP达到达到qPmax4、确定适宜的、确定适宜的qCqC0=m+0/Yxs+qPmax/Yps5、根据物料平衡计算加糖速率、根据物料平衡计算加糖速率每小时加糖量每小时加糖量=qC0 X0 v 发酵液的残糖量发酵液的残糖量补料液的含糖量补料液的含糖量qC=m+/Yxs+qP/Yps补糖的控制补糖的控
23、制把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加料装置精确控制加入的糖量。料装置精确控制加入的糖量。二、氮源的影响和控制二、氮源的影响和控制一）氮源的种类影响一）氮源的种类影响n种类：种类：氨水、铵盐和玉米浆n优点：优点：易被菌体利用，明显促进菌体生长n缺点：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迅速利用的氮源缓慢利用的氮源缓慢利用的氮源n种类：种类：黄豆饼粉、花生饼粉、和棉子饼粉n优点：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。n缺点：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发酵工业中常采用
24、含迅速利用的氮源和缓慢利用的氮源的混合氮源。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，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。满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。二）氮源种类的控制二）氮源种类的控制三）氮源浓度的影响控制三）氮源浓度的影响控制补氮的依据：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氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都有影响。有影响。氮源浓度的控制：氮源浓度的控制：控制基础培养基中的配比。通过补加氮源。补氮量的控制补氮量的控制：n经验法：依据使pH升高0.1而通入氨水
25、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%。n动力学方法；通过通过qN、qP，计算每小时的补氮量。计算每小时的补氮量。n磷酸盐能明显促进产生菌的生长。（0.32-300mM）n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三、磷酸盐的影响和控制一）磷酸盐源的影响一）磷酸盐源的影响二）二）磷酸盐浓度的控制磷酸盐浓度的控制n一般在基础培养基中采用适宜浓度。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。对于初级代谢产物，磷酸盐浓度采用足
26、量。对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。对于次级代谢产物，磷酸盐浓度采用生长亚适量。n一般磷酸盐采用单消，防止发生沉淀反应使溶磷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。量达不到最适量。n要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最要控制有机氮源中的磷含量，以防溶磷量超过最适量。适量。n当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进当菌体生长缓慢时，可适当补加适量的磷，促进菌体生长。菌体生长。一、泡沫对发酵的影响一、泡沫对发酵的影响n泡沫的持久存在影响着微生物对氧的吸收，妨碍影响着微生物对氧的吸收，妨碍二氧化碳的排除，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；
27、n使发酵液的装料系数减少。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。n大量的泡沫易造成逃液大量的泡沫易造成逃液。增加污染杂菌的机会增加污染杂菌的机会。造成巨大损失。第五节第五节 泡沫的影响及其控制泡沫的影响及其控制二、泡沫的控制方法二、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易起泡的成分减少培养基中粘度大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）采用机械消泡（罐内装置和罐外装置）采用削沫剂消泡采用削沫剂消泡工业上常用的消泡剂工业上常用的消泡剂
28、n天然油脂类天然油脂类 玉米油、豆油、棉籽油、鱼油等n高碳醇类高碳醇类 十八醇、乙二醇聚合物n聚醚类聚醚类 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油n硅酮类硅酮类 聚二甲基硅氧烷泡沫的检测和控制泡沫的检测和控制n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。n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：消泡剂使用的注意事项：n不能用量过大n细密地扩散到泡沫效果好
29、n加入土温-80具有增效作用n多种消泡剂并用 溶氧溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程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中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。素。在在28氧在发酵液中的氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有的空气饱和浓度只有0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，若空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶
30、氧成为限制因素。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一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸强度（比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积）：单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2g菌菌-1h-1 摄氧率摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。mmol O2L-1h-1。r=QO2.X二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响CCrQO2CLCCr:临界溶氧浓度临界溶氧浓度,指不影响呼
31、吸所允许的最低溶氧浓度指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。一般对于微生物：一般对于微生物：CCr:115%饱和浓度饱和浓度例：例：酵母酵母 4.6*10-3 mmol.L-1,1.8%产黄青霉产黄青霉 2.2*10-2 mmol.L-1,8.8%定义定义：氧饱和度发酵液中氧的浓度氧饱和度发酵液中氧的浓度/临界溶氧溶度临界溶氧溶度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度所以对于微生物生长，只要控制发酵过程中氧饱和度1.问题：问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中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。氧很容易满足。例：以微生物的摄氧率例：以微生物的摄氧率0.
32、052 mmol O2L-1S-1 计，计，0.25/0.052=4.8秒秒注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样：头孢菌素头孢菌素 卷须霉素卷须霉素生长生长 5%(相对于饱和浓度）相对于饱和浓度）13%产物产物 13%8%三、影响需氧的因素三、影响需氧的因素r=QO2.Xq 菌体浓度菌体浓度q QO2 遗传因素遗传因素 菌龄菌龄 营养的成分与浓度营养的成分与浓度 有害物质的积累有害物质的积累 培养条件培养条件第二节 反应器中氧的传递一、发酵液中氧的传递方程一、发酵液中氧的传递方程()()giliNkPPk ccCCiPPi气膜
33、气膜液膜液膜N：传氧速率：传氧速率 kmol/m2.hkg:气膜传质系数气膜传质系数 kmol/m2.h.atmKl:液膜传质系数液膜传质系数 m/hC*P/H,与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度与气相中氧分压相平衡的液体中氧的浓度(*)lNK ccKl:以氧浓度为推动力的总传递系数以氧浓度为推动力的总传递系数(m/h)再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为再令：单位体积的液体中所具有的氧的传递面积为 a(m2/m3)(*)lNvK a ccNv：体积传氧速率：体积传氧速率 kmol/m3.hKla:以以(C*-C)为推动力的体积溶氧系数为推动力的体积溶氧系数 h-1二、发酵液中氧的平
34、衡二、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发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中传递：传递：)*(ccaKNvl消耗：消耗：r=QO2.X氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面三、供氧的调节三、供氧的调节(*)lNvK a ccC有一定的工艺要求，所以可以通过有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和和C*来调节来调节其中其中C*P/HNvHPKla第六章 氧的供需及对发酵的影响)*(ccaKNvl调节调节Kla是最常用的方法，是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力，反映了设备的供氧能力，一般来讲大罐比小罐要好。一般来讲大罐比小
35、罐要好。45升升 1吨吨 10吨吨搅拌速度搅拌速度 250 rpm 120 120供氧速率供氧速率 7.6 10.7 20.1第三节 影响Kla的因素 Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇瓶与发酵罐。瓶与发酵罐。一、影响摇瓶一、影响摇瓶kla的因素的因素为装液量和摇瓶机的种类为装液量和摇瓶机的种类摇瓶机摇瓶机往复，频率往复，频率80-120分分/次，振幅次，振幅8cm旋转，偏心距旋转，偏心距25、12,转述转述250rpm装液量，一般取装液量，一般取1/10左右：左右：250ml 15-25 ml 500ml 30 ml 750ml 80 ml
36、例：例：500 ml 摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响摇瓶中生产蛋白酶，考察装液量对酶活的影响 装液量装液量 30 ml 60ml 90ml 120ml 酶活力酶活力 713 734 253 92二、影响发酵罐中二、影响发酵罐中Kla的因素的因素已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：已知在通风发酵罐中，全挡板条件下：350PKn d()KlandQ(/)()gsKlaK P VVK la=K (P/V)(v s)(app)-wP/V 单位体积发酵液实际消耗的功率（指通气条件下）。单位体积发酵液实际消耗的功率（指通气条件下）。（KW/m3）V s 空气的直线速度（空气的直线速度（m/h），截
37、面积一定，反映的空气的体积流量），截面积一定，反映的空气的体积流量（m3/h)（v v m m3/m3 min)app发酵液的粘度（发酵液的粘度（kg s/m2)、w指数，与搅拌器和空气分布器的形式有关指数，与搅拌器和空气分布器的形式有关K经验常数经验常数1、理论上分析、理论上分析KLand通气量提高搅拌，调节提高搅拌，调节kla的效果显著的效果显著例例 某一产品的发酵某一产品的发酵 d n p0/v c 产量产量 450 180 1.62 20%4978 450 280 2.12 40%5564 550 180 2.61 60%8455例例 黑曲霉生产糖化酶黑曲霉生产糖化酶 n 230 23
38、0 270 通气比通气比 1:0.8 1:1.2 1:0.8 产量产量 1812 2416 2846提高提高d、n显著提高显著提高C,提高了产量提高了产量提高提高N,比提高比提高Q有效有效2、实际上：、实际上：对于转速的调节有时是有限度的对于转速的调节有时是有限度的通风的增加也是有限的通风的增加也是有限的蒸发量大蒸发量大中间挥发性代谢产物带走中间挥发性代谢产物带走例：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：养，比色法测定产量：通气通气 静止静止 1.4 2.0 3.1 6.8 19.5 OD 0.28 0.7 8.3
39、 15.6 14.3 6.2提高提高下降下降所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的所以这些因素的存在，发酵设备的供养是有限的3、小型发酵罐和大型发酵罐调节、小型发酵罐和大型发酵罐调节kla的特点的特点q 小型发酵罐，转速可调小型发酵罐，转速可调q 大型发酵罐，转速往往不可调大型发酵罐，转速往往不可调 大型反应器的合理设计大型反应器的合理设计 对现有设备一定要注意工艺配套对现有设备一定要注意工艺配套4、影响、影响Kla的其它因素的其它因素空气分布器空气分布器液体的粘度液体的粘度传质介质传质介质溶氧浓度的变化及其控制一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律（一定一、典型的分批发酵中氧浓度的变化规律
40、（一定Kla下）：下）：rXQCL一般有一个低谷，一般有一个低谷，在对数生长的末期在对数生长的末期二、发酵过程中溶氧的控制二、发酵过程中溶氧的控制1、溶氧控制的策略、溶氧控制的策略微生物反应微生物反应:XS P+X=a+b菌体生长期：菌体生长期：酶系统酶系统 酶系统酶系统 关键因子关键因子开始的细胞开始的细胞生长好后的细胞生长好后的细胞产物合成产物合成产物形成期：产物形成期：底物底物产物产物酶系统酶系统 反应动力学问题反应动力学问题 发酵过程的控制一般策略：前期有利于菌体生长，中后期有利用产物的合成溶氧控制的一般策略：前期大于临溶氧浓度，中后期满足产物的形成。2、溶氧控制的实例、溶氧控制的实例
41、GAXDO谷氨酸发酵谷氨酸发酵：要求：氧饱和度要求：氧饱和度1控制：控制：0-12小时小时 小通风小通风 12小时后小时后 增加通风增加通风原因：原因：0-12小时菌体小时菌体量较小，采用小通风量较小，采用小通风12 一般认为，发酵初期较大的通风和搅拌而产生过大一般认为，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。但是通气增大的时间一耗，而且在工艺上也是必须的。但是通气增大的时间一定要把
42、握好。定要把握好。例：例：生产肌苷酸：生产肌苷酸：通气量不变通气量不变 17.15 mg/ml24小时增加小时增加 22.55 mg/ml30小时增加小时增加 18.25 mg/ml36小时增加小时增加 12.34 mg/ml例例：某厂青霉素发酵的工艺研究：某厂青霉素发酵的工艺研究*三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义三、发酵过程中溶氧浓度监控的意义1、考察工艺控制是否满足要求、考察工艺控制是否满足要求2、其它异常情况的表征、其它异常情况的表征 染菌、噬菌体、设备和操作故障染菌、噬菌体、设备和操作故障3、间接控制的措施、间接控制的措施本章小节：了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念 掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定 深入理解Kla的意义，了解反应器放大的基本概念 掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控 溶氧浓度的意义
