发酵工程发酵过程控制.pptx

第八章本章内容发酵过程控制概述1.过程控制的重要性2.发酵过程控制的一般步骤3.参数检测参数按获取方式可分为两类：
直接参数：如T、pH、罐压、空气流量、搅拌转速、溶氧浓度等
间接参数：将直接参数通过公式计算获得的。如摄氧率(γ)、呼吸强度(QO2)、比生长速率（μ)、体积溶氧系数(KLa)、呼吸商(RQ)等。
参数的测量形式：
离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）
在线测量：如T、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、搅拌转速等
优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便于计算机控制。
困难：传感器要求较高。
对传感器的要求：
能经受高压蒸汽灭菌；
探头材料不易老化，使用寿命长；
传感器及其二次仪表具有长期稳定性；
最好能在过程中随时校正，灵敏度好；
解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞
问题；
安装使用和维修方便；
价格合理，便于推广。温度测量
感温元件：热电偶（温度信号→电信号）
二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成
被测介质的温度值搅拌转速和搅拌功率的测量
搅拌转速：磁感应式，光感应式，
测速电机；
搅拌功率：功率表空气流量测定
体积流量型：
会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；
①同心孔板压差式流量计；
②转子流量计。
质量流量型：
根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。罐压测量
压力表
压力传感器

pH测量
复合pH电极
pH测量仪器溶解氧的测量
化学法
极谱法
复膜氧电极法

细胞浓度的测量
化学法：如DNA、RNA分析等
物理法：如重量分析、分光光度分析、
浊度分析等

新技术：以电容法为测量原理的在线
活细胞浓度测量传感器

温度对发酵的影响及其控制影响发酵温度的因素(1)发酵热(2)生物热2.温度对微生物生长的影响嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅速下降。

不同生长阶段的微生物对温度的反应不同
处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。
对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破坏作用较弱。
处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于溶解氧，而不是温度。Righelato假定：

m－维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗。m项与渗透压调节、代谢产物的生成、迁移性及除繁殖以外的其它生物转化等过程所需的能量有关。这些过程受温度的影响，所以m也和温度相关。
B－生长系数，即同一生长速率下的糖耗，B值越大，说明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。
改变温度可以控制qs和μ
（2）T对B、m和μ的影响4.温度对产物合成的影响改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。
影响生物合成方向。
e.g.四环素发酵中金色链霉菌：T<30℃，产生金霉素；T达35℃，产生四环素；
谷氨酸发酵中扩展短杆菌：30℃培养后37℃发酵，积累过量乳酸。
温度对菌的调节机制关系密切。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
通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正常良好通气条件下低一些。
培养基成分和浓度的影响
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。
e.g.四环素发酵：0~30h稍高温度；→30~150h稍低温度；→150h后升温发酵。
青霉素发酵：30℃,5h；→25℃,35h；→20℃,85h；→25℃,40h；产量提高14.7％pH对发酵的影响及其控制发酵对pH的影响1）发酵液中pH变化的基本原理引起发酵液中pH上升的因素
（1）C/N过低（N源过多），氨基氮（NH4＋）释放；
（2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；
（3）生理碱性盐的利用；
（4）碱性产物形成。2）发酵过程中pH的变化规律2.pH值对发酵过程的影响（1）pH对微生物生长的影响pH对生长的影响机制
对E合成的影响
对E活性的影响
对ATP生产率影响：
影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜的渗透性的变化，因而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的分泌。
影响培养基某些重要营养物质和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用（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。
e.g.黑曲霉发酵：pH2~3,柠檬酸；pH接近中性，草酸
酵母菌发酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸
和甘油
谷氨酸发酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；pH5.0~5.8,谷酰胺
和N-乙酰谷酰胺
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