發(fā)酵工藝控制

發(fā)酵工藝控制第1頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)

1、物理參數(shù)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法

單位

影響溫度鉑電阻

熱敏電阻

℃

μqPc*罐壓(0.20.5×105Pa)隔膜傳感器壓敏電阻Pa保持正壓，防止染菌O2及CO2

的溶解度攪拌轉(zhuǎn)數(shù)頻率計(jì)數(shù)器

r/minKla發(fā)酵液的均勻性

攪拌功率(2-4KW/m3)功率計(jì)KwKla空氣流量浮子流量計(jì)

孔板差壓計(jì)

m3h-1vvmKla粘度旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)

PasKla濁度濁度計(jì)%反映單細(xì)胞的生長(zhǎng)

料液的流量蠕動(dòng)泵

荷重傳感器量筒Lh-1

S第2頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)

2、化學(xué)參數(shù)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法

單位

影響及作用PH復(fù)合玻璃電極

菌體和產(chǎn)物合成速度酶促反應(yīng)的方向基質(zhì)濃度產(chǎn)物濃度HPLC離子選擇電極生物傳感器取樣gL-1

μqP發(fā)酵周期的長(zhǎng)短氧化還原電位氧化還原電位電極mV生長(zhǎng)和生化活性溶氧濃度覆膜氧電極

%qo2氣相O2含量

順磁氧分析儀

Pa反映OUR和Kla氣相CO2含量

紅外氣體分析儀

%反映OUR和Kla第3頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)

3、生物參數(shù)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法

單位

影響菌絲形態(tài)攝像顯微鏡取樣鏡檢

反映菌體發(fā)育階段和正常與否菌體濃度取樣：干重、濁度、活菌計(jì)數(shù)、離心沉降gL-1

影響菌體的生化反應(yīng)Kla第4頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、控制方式

一般檢控系統(tǒng)包括3個(gè)部分。

1．測(cè)定元件：如溫度計(jì)、壓力表、電流計(jì)、pH計(jì)直接測(cè)定發(fā)酵過(guò)程的各種參數(shù)，并輸出相應(yīng)信號(hào)。

2．控制部分：其功能主要是將測(cè)定元件測(cè)出的各種參數(shù)信號(hào)與預(yù)先確定值進(jìn)行比較，并且輸出信號(hào)指令執(zhí)行元件進(jìn)行調(diào)整控制。3．執(zhí)行元件：它接受控制部分的指令開(kāi)啟、或關(guān)閉有關(guān)閥門(mén)、泵、開(kāi)關(guān)等調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)，使有關(guān)參數(shù)達(dá)到預(yù)定位置。手動(dòng)控制和自動(dòng)控制第5頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)溫度的影響及控制一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響：影響各種酶促反應(yīng)的速度酶活溫度發(fā)酵溫度升高，生長(zhǎng)代謝加快，生產(chǎn)期提前。發(fā)酵溫度太高，菌體容易衰老，發(fā)酵周期縮短。改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)：溫度影響基質(zhì)和氧的吸收速度影響飽和溶氧濃度改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向例：溫度小于30℃，合成金霉素的能力強(qiáng)溫度等于35℃，只合成四環(huán)素第6頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、影響發(fā)酵溫度變化的因素：

發(fā)酵熱（KJ/m3h）發(fā)酵熱=生物熱+攪拌熱-蒸發(fā)熱-顯熱-輻射熱生物熱：產(chǎn)生菌在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中，釋放的大量熱量。影響生物熱的因素：與菌種遺傳特性有關(guān)與菌齡有關(guān)：對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期生物熱最大。與營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)有關(guān)與產(chǎn)量有關(guān)攪拌熱：由于攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)引起液體的摩擦產(chǎn)生的熱量。蒸發(fā)熱：發(fā)酵液蒸發(fā)水分帶走的熱量。攪拌熱=P3600/V顯熱：發(fā)酵排氣散發(fā)帶走的熱量。輻射熱：由于罐內(nèi)外的溫差，輻射帶走的熱量。第7頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、最適發(fā)酵溫度的選擇選擇既適合菌體生長(zhǎng)又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度可實(shí)行變溫控制：在生長(zhǎng)階段選擇適合菌體生長(zhǎng)的溫度，在產(chǎn)物合成階段，選擇適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。確定最適發(fā)酵溫度還應(yīng)參考其它發(fā)酵條件：在較差通氣條件下，降低發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵有利培養(yǎng)基成分較易被利用或較稀薄時(shí)，降低發(fā)酵溫度有利第8頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、發(fā)酵溫度的控制在發(fā)酵罐上安裝夾套和蛇罐，通過(guò)循環(huán)冷卻水控制。冷卻介質(zhì)：深井水或冷凍水控制方式：手動(dòng)控制或自動(dòng)控制溫度計(jì)溫度控制器調(diào)節(jié)閥第9頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)pH的影響及控制一、pH對(duì)發(fā)酵的影響：影響菌體生長(zhǎng)代謝的酶活性影響代謝產(chǎn)物的合成方向影響菌體原生質(zhì)膜電荷的改變，引起膜對(duì)離子的滲透作用，影響了營(yíng)養(yǎng)物的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌。pHGrowth2-3pHunits第10頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月pH的變化決定于所用的生產(chǎn)菌：培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝引起pH的變化：培養(yǎng)基pH在發(fā)酵過(guò)程中能被菌體代謝所改變。若陰離子氮源被利用后產(chǎn)生NH3

，則pH上升；有機(jī)酸的積累，使pH下降。一般來(lái)說(shuō)，高碳源培養(yǎng)基傾向于向酸性pH轉(zhuǎn)移，高氮源培養(yǎng)基傾向于向堿性pH轉(zhuǎn)移，這都跟碳氮比直接有關(guān)。生理酸性物質(zhì)和生理堿性物質(zhì)的消耗二、影響發(fā)酵pH變化的因素：第11頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)不同菌種的生理特性，確定不同的最適pH同一菌種根據(jù)不同階段，生長(zhǎng)期采用最適生長(zhǎng)的pH，在產(chǎn)物采用最適產(chǎn)物合成的pH。三、最適pH的選擇第12頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幾種具體情況的調(diào)節(jié)方法當(dāng)pH低，氨基氮含量低時(shí)當(dāng)pH高，氨基氮含量低時(shí)當(dāng)pH高，氨基氮含量高時(shí)當(dāng)pH由于多加了削沫劑而下降時(shí)第13頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月pH的控制系統(tǒng)pH電極設(shè)定控制器調(diào)節(jié)閥6.5pHUncontrolledControlled經(jīng)消毒的pH電極裝入發(fā)酵罐內(nèi)定時(shí)直接測(cè)定培養(yǎng)基的pH，同時(shí)還可以與控制儀表連結(jié)，通過(guò)回路系統(tǒng)控制閥門(mén)或泵進(jìn)行pH調(diào)節(jié)。第14頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月菌體濃度的增加速度（生長(zhǎng)速度）與微生物的種類(lèi)和自身的遺傳特性有關(guān)第三節(jié)菌體生長(zhǎng)速度和菌體濃度的影響及控制影響菌體濃度的因素菌體濃度的增加速度（生長(zhǎng)速度）與營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的種類(lèi)和濃度有關(guān)（μ正比于S）當(dāng)存在基質(zhì)抑制作用時(shí)或造成高滲透壓時(shí)，高濃度營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)引起生長(zhǎng)速率下降。菌體濃度的增加速度（生長(zhǎng)速度）受環(huán)境條件的影響第15頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月最適菌體濃度的確定優(yōu)化控制的目標(biāo)：在最短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生最大量的產(chǎn)物。(dP/dtMAX)dP/dt

=qPXqP=f〔X，μ，qO2

qSCL〕第16頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生長(zhǎng)速度和菌體濃度的控制方法確定基礎(chǔ)培養(yǎng)基的適當(dāng)配比，防止培養(yǎng)基過(guò)于豐富或過(guò)于稀薄。通過(guò)調(diào)節(jié)中間補(bǔ)料的速度和量來(lái)控制。第17頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的影響及控制

一、碳源種類(lèi)：葡萄糖優(yōu)點(diǎn)：吸收快，利用快，能迅速參加代謝合成菌體和產(chǎn)生能量缺點(diǎn)：有些品種產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏效應(yīng)。一）、碳源種類(lèi)的影響及控制迅速利用的碳源緩慢利用的碳源種類(lèi)：淀粉、乳糖、蔗糖、麥芽糖、玉米油優(yōu)點(diǎn)：不易產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏效應(yīng)。有利于延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期缺點(diǎn)：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。

第18頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的碳源和緩慢利用的碳源的混合碳源。迅速利用的碳源滿(mǎn)足菌體生長(zhǎng)的消耗，緩慢利用的碳源，滿(mǎn)足產(chǎn)物合成，可延長(zhǎng)合成期，提高產(chǎn)量，并可解除葡萄糖效應(yīng)。碳源種類(lèi)的控制第19頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二）、碳源濃度的影響S過(guò)小μ＜μCqP隨μ減小而減小S過(guò)大μ＞＞μCX＞＞XCOUR增大CL＜CLCqP減小粘度增大Kla減小產(chǎn)生分解產(chǎn)物阻遏作用的碳源濃度過(guò)大，會(huì)抑制產(chǎn)物合成。第20頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三）、碳源濃度的控制在發(fā)酵過(guò)程中，補(bǔ)加糖類(lèi)控制碳源濃度補(bǔ)料的類(lèi)型：1、流加2、少量多次的加入3、多量少次的加入第21頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月殘?zhí)橇縫H值QcX粘度溶氧尾氣中O2和CO2的含量發(fā)酵液的總體積補(bǔ)糖的依據(jù)：第22頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以最高產(chǎn)量的罐批的加糖率為指標(biāo)，并依據(jù)菌體濃度、一定時(shí)間內(nèi)的糖比消耗速率和殘?zhí)堑燃右孕拚?。例：青霉素發(fā)酵開(kāi)始補(bǔ)糖在殘?zhí)墙抵?.5%,pH開(kāi)始回升時(shí)補(bǔ)糖。補(bǔ)糖量以最高罐批經(jīng)驗(yàn)量為參考。每小時(shí)前期0—40h中期40—90h后期90以后加糖量0.08%-0.15%0.15%-0.18%0.15%-0.18%補(bǔ)糖量的控制：

經(jīng)驗(yàn)法：第23頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月補(bǔ)糖的控制把計(jì)算的加糖量，輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制加料裝置精確控制加入的糖量。第24頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、氮源的影響和控制

一）氮源的種類(lèi)影響種類(lèi)：氨水、銨鹽和玉米漿優(yōu)點(diǎn)：易被菌體利用，明顯促進(jìn)菌體生長(zhǎng)缺點(diǎn)：對(duì)于有些品種高濃度的銨離子抑制產(chǎn)物合成迅速利用的氮源緩慢利用的氮源種類(lèi)：黃豆餅粉、花生餅粉、和棉子餅粉優(yōu)點(diǎn)：利用緩慢，有利于延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期。防止早衰。缺點(diǎn)：溶解度低，發(fā)酵液粘度大。

第25頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵工業(yè)中常采用含迅速利用的氮源和緩慢利用的氮源的混合氮源。迅速利用的氮源促進(jìn)菌體生長(zhǎng)繁殖，緩慢利用的碳源，滿(mǎn)足產(chǎn)物合成，可延長(zhǎng)合成期，延緩自溶期。二）氮源種類(lèi)的控制第26頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三）氮源濃度的影響控制補(bǔ)氮的依據(jù)：殘氮量、pH值、菌體量氮源濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的量與方向都有影響。氮源濃度的控制：控制基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的配比。通過(guò)補(bǔ)加氮源。第27頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月補(bǔ)氮量的控制：經(jīng)驗(yàn)法：依據(jù)使pH升高0.1而通入氨水的量來(lái)計(jì)算。依據(jù)殘氮量和工藝控制殘氮量來(lái)計(jì)算。例：土霉素發(fā)酵50m3發(fā)酵罐使pH升高0.1通氨量為10升。使氨基氮上升0.004%-0.005%。動(dòng)力學(xué)方法；通過(guò)qN、μ、qP，計(jì)算每小時(shí)的補(bǔ)氮量。第28頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、泡沫對(duì)發(fā)酵的影響泡沫的持久存在影響著微生物對(duì)氧的吸收，妨礙二氧化碳的排除，因而破壞其生理代謝的正常進(jìn)行，不利于發(fā)酵；使發(fā)酵液的裝料系數(shù)減少。由于泡沫大量生成，致使培養(yǎng)液的容量一般只能等于種子罐容量的一半左右，大大影響了設(shè)備的利用率。大量的泡沫易造成逃液。增加污染雜菌的機(jī)會(huì)。造成巨大損失。第五節(jié)泡沫的影響及其控制第29頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、泡沫的控制方法減少培養(yǎng)基中易起泡的成分減少培養(yǎng)基中粘度大的成分適當(dāng)減少通氣量及攪拌轉(zhuǎn)速采用機(jī)械消泡（罐內(nèi)裝置和罐外裝置）采用削沫劑消泡第30頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工業(yè)上常用的消泡劑天然油脂類(lèi)

玉米油、豆油、棉籽油、魚(yú)油等高碳醇類(lèi)

十八醇、乙二醇聚合物聚醚類(lèi)

聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油硅酮類(lèi)

聚二甲基硅氧烷第31頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月泡沫的檢測(cè)和控制最簡(jiǎn)單的檢測(cè)是定時(shí)在發(fā)酵罐視孔上觀(guān)察泡沫產(chǎn)生情況，發(fā)現(xiàn)泡沫持續(xù)上升時(shí)，開(kāi)啟消泡劑貯罐的閥門(mén)，流加少量消泡劑，使泡沫消失即可。也可在罐內(nèi)頂部裝液位儀與控制儀表連結(jié)，用以控制消泡貯率閥門(mén)的開(kāi)啟。當(dāng)泡沫上升接觸探頭頂端時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)，通過(guò)控制裝置，指令打開(kāi)泵開(kāi)關(guān)或閥門(mén)，自動(dòng)加入消泡劑，泡沫消失，信號(hào)也隨之消失，閥門(mén)關(guān)閉。第32頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月消泡劑使用的注意事項(xiàng)：不能用量過(guò)大細(xì)密地?cái)U(kuò)散到泡沫效果好加入土溫-80具有增效作用多種消泡劑并用第33頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

溶氧(DO)是需氧微生物生長(zhǎng)所必需。在發(fā)酵過(guò)程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。

在28℃氧在發(fā)酵液中的100％的空氣飽和濃度只有0.25mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100％空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾分鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。第六節(jié)氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響第34頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)微生物對(duì)氧的需求一、描述微生物需氧的物理量比耗氧速度或呼吸強(qiáng)度（QO2）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積重量的細(xì)胞所消耗的氧氣，mmolO2·g菌-1·h-1

攝氧率(r)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積的發(fā)酵液所需要的氧量。mmolO2·L-1·h-1

。r=QO2.X第35頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、溶解氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的影響CCrQO2CLCCr:

臨界溶氧濃度,指不影響呼吸所允許的最低溶氧濃度。第36頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一般對(duì)于微生物：CCr:

＝1～15%飽和濃度例：酵母4.6*10-3mmol.L-1,1.8%

產(chǎn)黃青霉2.2*10-2mmol.L-1,8.8%定義：氧飽和度＝發(fā)酵液中氧的濃度/臨界溶氧溶度所以對(duì)于微生物生長(zhǎng)，只要控制發(fā)酵過(guò)程中氧飽和度>1.第37頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月問(wèn)題：一般微生物的臨界溶氧濃度很小，是不是發(fā)酵過(guò)程中氧很容易滿(mǎn)足。例：以微生物的攝氧率0.052mmolO2·L-1·S-1

計(jì)，

0.25/0.052=4.8秒注意：由于產(chǎn)物的形成和菌體最適的生長(zhǎng)條件，常常不一樣：

頭孢菌素卷須霉素生長(zhǎng)5%(相對(duì)于飽和濃度）13%產(chǎn)物>13%>8%第38頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、發(fā)酵液中氧的平衡發(fā)酵液中供氧和需氧始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中傳遞：消耗：r=QO2.X氧的平衡最終反映在發(fā)酵液中氧的濃度上面第39頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、供氧的調(diào)節(jié)C有一定的工藝要求，所以可以通過(guò)Kla和C*來(lái)調(diào)節(jié)其中C*＝P/HNvHPKla第六章氧的供需及對(duì)發(fā)酵的影響第40頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)節(jié)Kla是最常用的方法，kla反映了設(shè)備的供氧能力，一般來(lái)講大罐比小罐要好。

45升1噸10噸攪拌速度250rpm120120供氧速率7.610.720.1第41頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)影響Kla的因素

Kla反映了設(shè)備的供氧能力，發(fā)酵常用的設(shè)備為搖瓶與發(fā)酵罐。一、影響搖瓶kla的因素為裝液量和搖瓶機(jī)的種類(lèi)搖瓶機(jī)往復(fù)，頻率80-120分/次，振幅8cm旋轉(zhuǎn)，偏心距25、12,轉(zhuǎn)述250rpm第42頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月裝液量，一般取1/10左右：

250ml15-25ml500ml30ml750ml80ml例：

500ml搖瓶中生產(chǎn)蛋白酶，考察裝液量對(duì)酶活的影響裝液量30ml60ml90ml120ml

酶活力71373425392第43頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例某一產(chǎn)品的發(fā)酵

dnp0/vc產(chǎn)量

4501801.6220%49784502802.1240%55645501802.6160%8455例黑曲霉生產(chǎn)糖化酶

n230230270

通氣比1:0.81:1.21:0.8

產(chǎn)量181224162846提高d、n顯著提高C,提高了產(chǎn)量提高N,比提高Q有效第44頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、實(shí)際上：對(duì)于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有時(shí)是有限度的通風(fēng)的增加也是有限的蒸發(fā)量大中間揮發(fā)性代謝產(chǎn)物帶走第45頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、小型發(fā)酵罐和大型發(fā)酵罐調(diào)節(jié)kla的特點(diǎn)小型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速可調(diào)大型發(fā)酵罐，轉(zhuǎn)速往往不可調(diào)大型反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備一定要注意工藝配套第46頁(yè)，課件共54頁(yè)，創(chuàng)