發(fā)酵工程第九章發(fā)酵過程控制演示文稿

1、發(fā)酵工程第九章發(fā)酵過程控制演示文稿第一頁，共八十四頁。優(yōu)選發(fā)酵工程第九章發(fā)酵過程控制第二頁，共八十四頁。 本章內(nèi)容一、概述二、代謝調(diào)控在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用三、溫度對發(fā)酵的影響及其控制四、pH對發(fā)酵的影響及其控制五、溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制六、CO2和呼吸商對發(fā)酵的影響及其控制七、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響及補(bǔ)料控制八、高密度發(fā)酵及過程控制九、泡沫對發(fā)酵的影響及其控制十、自動(dòng)控制技術(shù)在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用第三頁，共八十四頁。1. 過程控制的重要性 菌株特性(營養(yǎng)要求、生長速率、 呼吸強(qiáng)度、產(chǎn)物合成速率) 傳遞性能 物理：n、T、Ws 化學(xué)：pH、DO、濃度 過程控制的意義：最佳工藝條件的優(yōu)選（即最

2、佳工藝參數(shù) 的確定）以及在發(fā)酵過程中通過過程調(diào)節(jié)達(dá)到最適水平的 控制。決定發(fā)酵單位(水平)的因素理化因素工藝條件生物因素：設(shè)備性能：第四頁，共八十四頁。2. 發(fā)酵過程控制的一般步驟 確定能反映過程變化的各種理化參數(shù)及其檢測方法 研究這些參數(shù)的變化對發(fā)酵生產(chǎn)水平的影響及其機(jī)制，獲取最適水平或最佳范圍建立數(shù)學(xué)模型定量描述各參數(shù)之間隨時(shí)間變化的關(guān)系通過計(jì)算機(jī)實(shí)施在線自動(dòng)檢測和控制，驗(yàn)證各種控制模型的可行性及其適用范圍，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程最優(yōu)控制 第五頁，共八十四頁。3. 參數(shù)檢測代謝參數(shù)按性質(zhì)可分為三類：物理參數(shù)：溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、罐壓、空氣流量、溶解氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）濃度等化學(xué)參數(shù)：基質(zhì)濃度

3、（包括糖、氮、磷）、 pH、產(chǎn)物濃度等生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌體濃度、菌體比生長速率、呼吸強(qiáng)度、攝氧率、關(guān)鍵酶活力等第六頁，共八十四頁。3. 參數(shù)檢測參數(shù)按獲取方式可分為兩類： 如T、pH、罐壓、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、溶氧濃度等 如攝氧率()、呼吸強(qiáng)度(QO2)、比生長速率（) 、體積溶氧系數(shù)(KLa)、呼吸商(RQ)等。直接參數(shù)： 間接參數(shù)：將直接參數(shù)通過公式計(jì)算獲得的參數(shù)，第七頁，共八十四頁。3. 參數(shù)檢測參數(shù)的測量形式離線測量：基質(zhì)（糖、脂類、無機(jī)鹽等）、前體和代謝產(chǎn)物（抗生素、酶、有機(jī)酸、氨基酸等）在線測量：如T 、pH、DO、溶解CO2、尾氣CO2、黏度、攪拌轉(zhuǎn)速等優(yōu)點(diǎn)：及時(shí)、省力，可從

4、繁瑣操作中解脫出來，便于計(jì)算機(jī)控制。 困難：傳感器要求較高。 第八頁，共八十四頁。對傳感器的要求能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌；傳感器及其二次儀表具有長期穩(wěn)定性；最好能在過程中隨時(shí)校正，靈敏度好；探頭材料不易老化，使用壽命長；安裝使用和維修方便；解決探頭敏感部位被物料（反應(yīng)液）粘住、堵塞 問題；價(jià)格合理，便于推廣。 3. 參數(shù)檢測第九頁，共八十四頁。3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測方法溫度測量 感溫元件：熱電偶（溫度信號 電信號） 二次儀表：將熱電偶輸出的電信號轉(zhuǎn)換成 被測介質(zhì)的溫度第十頁，共八十四頁。參數(shù)檢測方法攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測量攪拌轉(zhuǎn)速：磁感應(yīng)式，光感應(yīng)式， 測速電機(jī)；攪拌功率：功率表，測定力矩求功率法。

5、3. 參數(shù)檢測第十一頁，共八十四頁。3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測方法空氣流量測定體積流量型： 會(huì)引起流體能量損失，受溫度和壓力變化的影響； 同心孔板壓差式流量計(jì)； 轉(zhuǎn)子流量計(jì)。質(zhì)量流量型： 根據(jù)流體固有性質(zhì)（質(zhì)量、導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性能）設(shè)計(jì)的流量計(jì)。第十二頁，共八十四頁。參數(shù)檢測方法罐壓測量 壓力表 壓力傳感器 3. 參數(shù)檢測第十三頁，共八十四頁。參數(shù)檢測方法料液計(jì)量與液位控制 壓差法：H=（P2/P1）H 直接重量測量法：直接稱重 體積計(jì)量法：計(jì)算進(jìn)出料液 流量計(jì)量法：計(jì)算流量和時(shí)間 液位探針3. 參數(shù)檢測第十四頁，共八十四頁。參數(shù)檢測方法發(fā)酵液粘度測定 毛細(xì)管粘度計(jì) 回轉(zhuǎn)式粘度計(jì) 渦輪旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)3

6、. 參數(shù)檢測第十五頁，共八十四頁。參數(shù)檢測方法pH測量 復(fù)合pH電極 pH測量儀器3. 參數(shù)檢測第十六頁，共八十四頁。參數(shù)檢測方法溶解氧的測量 化學(xué)法 極譜法 復(fù)膜氧電極法 3. 參數(shù)檢測復(fù)膜氧電極示意圖（a）極譜型 （b）原電池型第十七頁，共八十四頁。參數(shù)檢測方法溶解二氧化碳測量 復(fù)膜式電極法 滲透膜碳酸氫鈉法發(fā)酵尾氣的在線分析 CO2分析 O2分析3. 參數(shù)檢測第十八頁，共八十四頁。參數(shù)檢測方法細(xì)胞濃度的測量 化學(xué)法：如DNA、RNA分析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、 濁度分析等新技術(shù)：以電容法為測量原理的在線 活細(xì)胞濃度測量傳感器 3. 參數(shù)檢測原位活細(xì)胞在線檢測儀第十九頁，共八

7、十四頁。第一節(jié) 溫度對發(fā)酵的影響及其控制1. 影響發(fā)酵溫度的因素2. 溫度對微生物生長的影響3. 溫度對產(chǎn)物合成的影響4. 最適溫度的選擇與控制 第二十頁，共八十四頁。(1)發(fā)酵熱發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的熱量，叫做發(fā)酵熱。 Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射 第二十一頁，共八十四頁。(2)生物熱來源 ：微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的分解所釋放的能量影響因素：菌株培養(yǎng)基成分 發(fā)酵時(shí)期 生物熱與其它參數(shù)的關(guān)系 呼吸強(qiáng)度QO2 糖利用速率當(dāng)產(chǎn)生的生物熱達(dá)到高峰時(shí)，菌的呼吸強(qiáng)度最大，糖的利用速率也最大，可用耗氧量、糖耗來衡量生物熱。第二十二頁，共八十四頁。嗜冷、嗜中溫、嗜熱菌的典型生長與溫度關(guān)系2. 溫度對微生物生

8、長的影響第二十三頁，共八十四頁。2. 溫度對微生物生長的影響在其最適溫度范圍內(nèi)，生長速率隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度超過最適生長溫度，生長速率隨溫度增加而迅速下降。 不同生長階段的微生物對溫度的反應(yīng)不同 處于延遲期的細(xì)菌對溫度的影響十分敏感。對于對數(shù)生長期的細(xì)菌，如果在略低于最適溫度的條件下培養(yǎng)，即使在發(fā)酵過程中升溫，則升溫的破壞作用較弱。 處于生長后期的細(xì)菌，其生長速度一般主要取決于溶解氧，而不是溫度。 第二十四頁，共八十四頁。3. 溫度對產(chǎn)物合成的影響影響發(fā)酵過程中各種反應(yīng)速率，從而影響微生物的生長代謝與產(chǎn)物生成。 e.g. 青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素 青霉菌生長活化能E1=34kJ/mol 青霉素

9、合成活化能E2=112kJ/mol 青霉素合成速率對溫度較敏感第二十五頁，共八十四頁。改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間接影響菌的生物合成 。影響生物合成方向。 e.g. 四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌：TCCr），CO2的抑制作用不能解除，這種負(fù)作用在放大過程更明顯。正確評價(jià)通氣的作用：供氧：排廢氣：CO2水分及揮發(fā)性組分的散失 第六十九頁，共八十四頁。（4）CO2釋放與補(bǔ)糖速率的關(guān)系在青霉素發(fā)酵中補(bǔ)糖將引起排氣CO2增加，同時(shí)pH下降。 糖、CO2、pH三者的相關(guān)性，被青霉素工業(yè)生產(chǎn)上用于補(bǔ)料控制的參數(shù)，并認(rèn)為排氣CO2的變化比pH變化更為敏感，所以測定排氣CO2釋放率（CER）來控制補(bǔ)糖速率。 補(bǔ)糖與溶氧

10、及pH協(xié)同控制補(bǔ)糖速率與CER控制 補(bǔ)糖對排氣CO2和pH的影響第七十頁，共八十四頁。（5）呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系不同菌株、同一菌株不同代謝途徑、同一菌株利用不同基質(zhì)、同一菌株在不同發(fā)酵階段，RQ值不相同。RQ值可以表征發(fā)酵狀況。 第七十一頁，共八十四頁。青霉素發(fā)酵不同階段： 菌體生長階段：RQ0.909 維持階段：RQ=1 生產(chǎn)階段：RQ=4如果產(chǎn)物的還原性比基質(zhì)大時(shí)，其RQ值就增加；反之，當(dāng)產(chǎn)物的氧化性比基質(zhì)大時(shí)，RQ值就要減少；其偏離程度決定于單位菌體利用基質(zhì)形成產(chǎn)物的量。 產(chǎn)物形成對RQ影響最大第七十二頁，共八十四頁。一、基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響 二、補(bǔ)料控制第五節(jié) 流加補(bǔ)料的控制第七十三頁，

11、共八十四頁。SKS情況下，比生長速率與基質(zhì)濃度呈直線關(guān)系：一般情況下符合Monod方程式基質(zhì)濃度高時(shí) （1） 基質(zhì)濃度對微生物生長的影響第七十四頁，共八十四頁。第七十五頁，共八十四頁。低濃度限制高濃度抑制谷氨酸發(fā)酵（乙醇為碳源）：當(dāng)乙醇濃度為2.5g/L和35g/L時(shí)，可延長谷氨酸生產(chǎn)時(shí)間，但在更高濃度下，菌體生長受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量降低。分解阻遏作用e.g.葡萄糖氧化酶發(fā)酵：葡萄糖用量從8%降至6%，補(bǔ)入2%氨基乙酸或甘油，使酶活力分別提高26%或6.7%。 (2) 基質(zhì)濃度對產(chǎn)物合成的影響第七十六頁，共八十四頁。（1）補(bǔ)料的目的（2）補(bǔ)料的內(nèi)容（3）補(bǔ)料的原則（4）補(bǔ)料控制的策略（5）反饋

12、控制參數(shù)的確定（6）補(bǔ)料速率的確定（7）補(bǔ)料時(shí)間的優(yōu)化二、補(bǔ)料控制第七十七頁，共八十四頁。（1）補(bǔ)料的目的避免基質(zhì)濃度過低的限制解除基質(zhì)過濃的抑制解除產(chǎn)物的反饋抑制解除分解代謝物阻遏作用避免因一次性投糖過多造成細(xì)胞大量生長，耗氧過多而造成波谷現(xiàn)象。在生產(chǎn)上，補(bǔ)料還經(jīng)常作為糾正異常發(fā)酵的一個(gè)重要手段。第七十八頁，共八十四頁。（2）補(bǔ)料的內(nèi)容補(bǔ)充微生物所需的碳源 補(bǔ)充菌體所需要的氮源 補(bǔ)充微量元素或無機(jī)鹽 添加前體、誘導(dǎo)劑等第七十九頁，共八十四頁。（3）補(bǔ)料的原則補(bǔ)料的原則就在于控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。補(bǔ)料速率、時(shí)間很重要?，F(xiàn)有的各種補(bǔ)料措施都是通過實(shí)驗(yàn)方法確定的。

13、中間補(bǔ)料的數(shù)量為基礎(chǔ)料的13倍 。 第八十頁，共八十四頁。大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長限制性基質(zhì)以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或預(yù)測數(shù)據(jù)控制流加；用傳感器直接測定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加；以物料平衡方程，通過傳感器在線測定的一些參數(shù)計(jì)算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加；以溶氧、pH、RQ、排氣中CO2分壓及代謝物質(zhì)濃度等多參數(shù)間接控制流加。（4）補(bǔ)料控制的策略第八十一頁，共八十四頁。（5）反饋控制參數(shù)的確定為了有效地進(jìn)行中間補(bǔ)料，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)，以及了解這些參數(shù)與微生物代謝、菌體生長、基質(zhì)利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系。 e.g. 谷氨酸發(fā)酵 在谷氨酸發(fā)酵過程中的某階段，生產(chǎn)菌的攝氧率和基質(zhì)消耗速率之間存在著線性關(guān)系。第八十二頁，共八十四