發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制

發(fā)酵工程_8發(fā)酵過(guò)程控制2025/1/22發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制本章內(nèi)容發(fā)酵過(guò)程控制概述溫度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制pH對(duì)發(fā)酵的影響及其控制溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制CO2和呼吸商對(duì)發(fā)酵的影響及其控制基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響及補(bǔ)料控制通氣攪拌對(duì)發(fā)酵的影響及其控制泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制高密度發(fā)酵及過(guò)程控制發(fā)酵終點(diǎn)的檢測(cè)與控制自動(dòng)控制技術(shù)在發(fā)酵過(guò)程控制中的應(yīng)用發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制發(fā)酵過(guò)程控制概述1.過(guò)程控制的重要性2.

發(fā)酵過(guò)程控制的一般步驟3.

參數(shù)檢測(cè)發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制1.過(guò)程控制的重要性過(guò)程控制的意義：最佳工藝條件的優(yōu)選（即最佳工藝參數(shù)的確定）以及在發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)過(guò)程調(diào)節(jié)達(dá)到最適水平的控制。決定發(fā)酵單位(水平)的因素外部環(huán)境因素工藝條件生物因素設(shè)備性能：傳遞性能菌株特性(營(yíng)養(yǎng)要求、生長(zhǎng)速率、呼吸強(qiáng)度、產(chǎn)物合成速率)物理：n、T、Ws化學(xué)：pH、DO、濃度發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制2.

發(fā)酵過(guò)程控制的一般步驟

確定能反映過(guò)程變化的各種理化參數(shù)及其檢測(cè)方法

研究這些參數(shù)的變化對(duì)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(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)施在線自動(dòng)檢測(cè)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(guò)程最優(yōu)控制

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制3.

參數(shù)檢測(cè)代謝參數(shù)按性質(zhì)可分為三類：生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌體濃度、菌體比生長(zhǎng)速率、呼吸強(qiáng)度、攝氧率、關(guān)鍵酶活力等物理參數(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（包括糖、氮、磷）、pH、產(chǎn)物濃度、核酸量等發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制參數(shù)按獲取方式可分為兩類：

直接參數(shù)：如T、pH、罐壓、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、溶氧濃度等間接參數(shù)：將直接參數(shù)通過(guò)公式計(jì)算獲得的。如攝氧率(γ)、呼吸強(qiáng)度(QO2)、比生長(zhǎng)速率（μ)、體積溶氧系數(shù)(KLa)、呼吸商(RQ)等。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制參數(shù)的測(cè)量形式：離線測(cè)量：基質(zhì)（糖、脂類、無(wú)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(cè)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，可從繁瑣操作中解脫出來(lái)，便于計(jì)算機(jī)控制。困難：傳感器要求較高。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制對(duì)傳感器的要求：能經(jīng)受高壓蒸汽滅菌；探頭材料不易老化，使用壽命長(zhǎng)；傳感器及其二次儀表具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性；最好能在過(guò)程中隨時(shí)校正，靈敏度好；解決探頭敏感部位被物料（反應(yīng)液）粘住、堵塞問(wèn)題；安裝使用和維修方便；價(jià)格合理，便于推廣。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制溫度測(cè)量感溫元件：熱電偶（溫度信號(hào)→

電信號(hào)）二次儀表：將熱電偶輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度值參數(shù)檢測(cè)方法發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率的測(cè)量攪拌轉(zhuǎn)速：磁感應(yīng)式，光感應(yīng)式，測(cè)速電機(jī)；攪拌功率：功率表發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制空氣流量測(cè)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；①同心孔板壓差式流量計(jì)；②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)。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制罐壓測(cè)量壓力表壓力傳感器

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制pH測(cè)量復(fù)合pH電極pH測(cè)量?jī)x器發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制溶解氧的測(cè)量化學(xué)法極譜法復(fù)膜氧電極法

復(fù)膜氧電極示意圖（a）極譜型（b）原電池型發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制細(xì)胞濃度的測(cè)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(cè)量原理的在線活細(xì)胞濃度測(cè)量傳感器

原位活細(xì)胞在線檢測(cè)儀發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制溫度對(duì)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(duì)微生物生長(zhǎng)的影響3.溫度對(duì)基質(zhì)消耗的影響4.溫度對(duì)產(chǎn)物合成的影響5.最適溫度的選擇與控制

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制影響發(fā)酵溫度的因素

(1)發(fā)酵熱發(fā)酵過(guò)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

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制(2)生物熱來(lái)源：微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解所釋放的能量影響因素：菌株發(fā)酵時(shí)期培養(yǎng)基成分生物熱與其它參數(shù)的關(guān)系

①呼吸強(qiáng)度QO2②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(lái)衡量生物熱。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制2.溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響當(dāng)μ>>α?xí)r，α可忽略，微生物處于生長(zhǎng)狀態(tài)。μ、α皆與T有關(guān)，其關(guān)系均可用阿累尼烏斯公式描述：∵Eμ＜Eα∴死亡速率比生長(zhǎng)速率對(duì)溫度變化更為敏感。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制嗜冷、嗜中溫、嗜熱菌的典型生長(zhǎng)與溫度關(guān)系發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制在其最適溫度范圍內(nèi)，生長(zhǎng)速率隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度超過(guò)最適生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)速率隨溫度增加而迅速下降。不同生長(zhǎng)階段的微生物對(duì)溫度的反應(yīng)不同處于延遲期的細(xì)菌對(duì)溫度的影響十分敏感。對(duì)于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)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(guò)程中升溫，則升溫的破壞作用較弱。處于生長(zhǎng)后期的細(xì)菌，其生長(zhǎng)速度一般主要取決于溶解氧，而不是溫度。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制Righelato假定：m－維持因子，即生長(zhǎng)速率為零時(shí)的葡萄糖的消耗。m項(xiàng)與滲透壓調(diào)節(jié)、代謝產(chǎn)物的生成、遷移性及除繁殖以外的其它生物轉(zhuǎn)化等過(guò)程所需的能量有關(guān)。這些過(guò)程受溫度的影響，所以m也和溫度相關(guān)。B－生長(zhǎng)系數(shù)，即同一生長(zhǎng)速率下的糖耗，B值越大，說(shuō)明同樣比生長(zhǎng)速率下，用于純粹生長(zhǎng)的糖耗越大。改變溫度可以控制qs和μ

3.溫度對(duì)基質(zhì)消耗的影響

(1)糖比消耗速率qs發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（2）T對(duì)B、m和μ的影響

qs一定：當(dāng)T<Tm時(shí)，m↑，μ↑,B↓

底物轉(zhuǎn)化效率高

當(dāng)T>Tm時(shí)，m↓，μ↓,B↑

底物轉(zhuǎn)化效率低 當(dāng)T=Tm時(shí)，T(K)m溫度對(duì)B、m和不同qs下對(duì)μ值的影響發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制4.溫度對(duì)產(chǎn)物合成的影響影響發(fā)酵過(guò)程中各種反應(yīng)速率，從而影響微生物的生長(zhǎng)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(zhǎng)活化能E1=34kJ/mol青霉素合成活化能E2=112kJ/mol

∴青霉素合成速率對(duì)溫度較敏感發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制改變發(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：T<30℃，產(chǎn)生金霉素；T達(dá)35℃，產(chǎn)生四環(huán)素；谷氨酸發(fā)酵中擴(kuò)展短桿菌：30℃培養(yǎng)后37℃發(fā)酵，積累過(guò)量乳酸。

溫度對(duì)菌的調(diào)節(jié)機(jī)制關(guān)系密切。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制5.最適溫度的選擇與控制定義：最適溫度是指在該溫度下最適于菌的生長(zhǎng)或產(chǎn)物的生成，它是一種相對(duì)概念，是在一定條件下測(cè)得的結(jié)果。二階段發(fā)酵

e.g.青霉素發(fā)酵：菌體生長(zhǎng)期,30℃青霉素合成分泌期,20℃發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制最適溫度的選擇還要參考其它發(fā)酵條件靈活掌握通氣條件較差情況下，最適發(fā)酵溫度可能比正常良好通氣條件下低一些。培養(yǎng)基成分和濃度的影響發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制變溫培養(yǎng)：在抗生素發(fā)酵過(guò)程中采用變溫培養(yǎng)比用恒溫培養(yǎng)所獲得的產(chǎn)物有較大幅度的提高。e.g.四環(huán)素發(fā)酵：0~30h稍高溫度；→30~150h稍低溫度；→150h后升溫發(fā)酵。青霉素發(fā)酵：30℃,5h；→25℃,35h；→20℃,85h；→25℃,40h；產(chǎn)量提高14.7％發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制pH對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1.

發(fā)酵對(duì)pH的影響2.pH值對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響3.最適pH的選擇4.發(fā)酵過(guò)程中pH的調(diào)節(jié)與控制發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制發(fā)酵對(duì)pH的影響

1）發(fā)酵液中pH變化的基本原理微生物代謝對(duì)pH影響主要在兩種情況下發(fā)生：①酸性或堿性代謝產(chǎn)物的生成或釋放；②菌體對(duì)培養(yǎng)基中生理酸性或堿性物質(zhì)的利用。引起發(fā)酵液中pH下降的因素（1）C/N過(guò)高，或中間補(bǔ)糖過(guò)多，溶氧不足，致使有機(jī)酸積累，pH下降；（2）消泡劑加得過(guò)多：脂肪酸增加；（3）生理酸性鹽的利用；（4）酸性產(chǎn)物形成：如有機(jī)酸發(fā)酵。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制引起發(fā)酵液中pH上升的因素（1）C/N過(guò)低（N源過(guò)多），氨基氮（NH4＋）釋放；（2）中間補(bǔ)料中氨水或尿素等堿性物質(zhì)加入過(guò)多；（3）生理堿性鹽的利用；（4）堿性產(chǎn)物形成。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制

2）發(fā)酵過(guò)程中pH的變化規(guī)律生長(zhǎng)階段：pH相對(duì)于起始pH有上升或下降的趨勢(shì)生產(chǎn)階段：pH趨于穩(wěn)定，維持在最適于產(chǎn)物合成的范圍自溶階段：pH又上升

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制2.pH值對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響

（1）pH對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響每一類菌都有其最適pH和能耐受的pH范圍細(xì)菌:pH6.3～7.5；霉菌和酵母菌：pH3～6；

放線菌：pH7～8控制一定的pH值，不僅保證微生物生長(zhǎng)，而且防止雜菌感染e.g.石油代臘酵母：pH3.5～5.0：生長(zhǎng)良好且不易染菌pH>5.0：酵母形態(tài)變小，發(fā)酵液變黑，且污染大量細(xì)菌pH<3.0：酵母生長(zhǎng)受抑制，細(xì)胞極不整齊，且出現(xiàn)自溶

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制pH對(duì)生長(zhǎng)的影響機(jī)制對(duì)E合成的影響對(duì)E活性的影響對(duì)ATP生產(chǎn)率影響：影響菌體細(xì)胞膜電荷狀況，引起膜的滲透性的變化，因而影響菌體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌。影響培養(yǎng)基某些重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用

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（2）pH對(duì)產(chǎn)物合成的影響產(chǎn)物合成階段的最適pH值和微生物生長(zhǎng)階段的最適pH往往不一定相同，這不僅與菌種特性有關(guān)，還取決于產(chǎn)物的化學(xué)特性。e.g.丙酮丁醇菌：生長(zhǎng)pH為5.5～7.0；合成pH為4.3～5.3青霉素產(chǎn)生菌：生長(zhǎng)pH為6.5～7.2，合成pH為6.2～6.8

鏈霉素產(chǎn)生菌：生長(zhǎng)pH為6.3～6.9，合成pH為6.7～7.3

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制pH影響代謝方向：pH不同，往往引起菌體代謝過(guò)程不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。e.g.黑曲霉發(fā)酵：pH2~3,檸檬酸；pH接近中性，草酸酵母菌發(fā)酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸和甘油谷氨酸發(fā)酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；pH5.0~5.8,谷酰胺和N-乙酰谷酰胺發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制pH對(duì)青霉素發(fā)酵的影響：在不同pH范圍內(nèi)加糖，青霉素產(chǎn)量和糖耗不一樣。pH范圍

糖耗殘?zhí)?/p>

青霉素相對(duì)單位pH6.0～6.3加糖10%0.5%較高pH6.6～6.9加糖7%0.2%高pH7.3～7.6加糖7%>0.5%低pH6.8控制加糖<7%<0.2%最高速率恒定(0.055%/h)*采用pH控制補(bǔ)糖速率的意義發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制3.最適pH的選擇

選擇pH準(zhǔn)則：獲得最大比生產(chǎn)速率和合適的菌體量，以獲得最高產(chǎn)量。pH對(duì)產(chǎn)海藻酸裂解酶的影響配制不同初始pH的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制4.發(fā)酵過(guò)程中pH的調(diào)節(jié)與控制

（1）pH調(diào)節(jié)方法

配制合適的培養(yǎng)基，有很好的緩沖能力；發(fā)酵過(guò)程中加入非營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的酸堿調(diào)節(jié)劑(NaOH、HCl、CaCO3)；發(fā)酵過(guò)程中加入生理酸性或堿性基質(zhì)，通過(guò)代謝調(diào)節(jié)pH；

酸性基質(zhì)：銨鹽、糖、油脂、玉米漿(脫NH4＋)堿性基質(zhì)：NO3－鹽、有機(jī)酸鹽、有機(jī)氮、氨水、尿素原則:①殘?zhí)歉邥r(shí)，不用糖調(diào)pH

②殘N高時(shí)，不用生理鹽調(diào)pH發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（2）pH控制方法比較以青霉素發(fā)酵為例，最適pH為6.6～6.9控制方案：方案一：培養(yǎng)基中供應(yīng)充足的糖，并配用pH緩沖劑方案二：培養(yǎng)基中供應(yīng)充足的糖，以非基質(zhì)NaOH調(diào)節(jié)pH方案三：在發(fā)酵過(guò)程中恒速補(bǔ)糖，以NaOH、H2SO4調(diào)節(jié)pH方案四：改變補(bǔ)糖速率來(lái)控制pH為6.6～6.9發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制

（3）pH控制系統(tǒng)

執(zhí)行單元調(diào)節(jié)器pH變選器給定值補(bǔ)料pH電極mA4~20mA發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1.

引起溶解氧變化的因素2.溶解氧對(duì)發(fā)酵的影響3.

溶解氧在發(fā)酵過(guò)程控制中的重要作用4.發(fā)酵液中溶解氧的控制5.溶解氧控制實(shí)例發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（1）影響溶解氧（DO）的因素

供氧

耗氧兩大類以關(guān)系式表示：影響供氧的因素：影響耗氧的因素：

C*-CL溫度、溶質(zhì)、溶劑、氧分壓KLa設(shè)備參數(shù)、操作參數(shù)、發(fā)酵液特性菌種特性、培養(yǎng)基成分和濃度、菌齡、培養(yǎng)條件（T、pH）、代謝類型γ發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（2）發(fā)酵過(guò)程中溶氧變化規(guī)律批式發(fā)酵無(wú)DO控制情況下，溶氧變化規(guī)律為“波谷現(xiàn)象”

溶氧、x、QO2、隨時(shí)間變化的關(guān)系

CLxQO2發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制平衡點(diǎn)分析：①當(dāng)CL↑，即，OTR>γ∵，∴OTR逐漸↓至OTR=γ，即，高位平衡當(dāng)處于高位平衡時(shí)，表明供氧性能好。高位平衡通常發(fā)生在正常情況的前、后期。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制平衡點(diǎn)分析：②當(dāng)CL↓（如對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期γ很大），，OTR<γ∵，∴，，稱低位平衡。低位平衡通常發(fā)生在正常情況下的對(duì)數(shù)期。

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制值得注意的幾點(diǎn)自然“波谷現(xiàn)象”，一般可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)（）當(dāng)，則需要控制，增加OTR，防止需氧受阻。補(bǔ)料與“波谷現(xiàn)象”對(duì)應(yīng)：即補(bǔ)料時(shí)間、劑量選擇與溶氧變化有關(guān)。

a.

不能在波谷時(shí)補(bǔ)料，加重缺氧

b.

一次補(bǔ)料不能過(guò)量，防止，菌體停止呼吸、死亡

c.每次補(bǔ)料都會(huì)引起一次大的溶氧下降。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制

（1）溶解氧對(duì)生長(zhǎng)的影響臨界氧濃度（CCr）：

當(dāng)時(shí),當(dāng)時(shí),∴對(duì)生長(zhǎng)應(yīng)滿足,但并不是越高越好呼吸抑制呼吸不受抑制指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（2）溶解氧對(duì)產(chǎn)物合成的影響

最適氧濃度（Cm）：溶氧濃度對(duì)產(chǎn)物合成有一個(gè)最適范圍，CL過(guò)高或過(guò)低，對(duì)合成都不利。

e.g.卷須霉素：12~70h之間，維持CL在10%比在0或45%的產(chǎn)量要高。

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（3）CCr與Cm比較：通常Cm與CCr不一致對(duì)于某些菌株Ccr>Cm,卷須霉素:

而有些菌株Ccr<Cm,頭孢菌素C：Cm8%Ccr13~23%Ccr

5%Cm

10~20%發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制QO2(QO2)mCcrCLPCmCL生長(zhǎng)階段要求CL>CCr，生產(chǎn)階段滿足CL≥Cm。

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（1）發(fā)酵異常指標(biāo)發(fā)酵中污染雜菌，溶解氧發(fā)生異常變化。對(duì)于好氣性雜菌，溶解氧會(huì)一反往常在較短時(shí)間內(nèi)跌到零附近，跌零后長(zhǎng)時(shí)間不回升。對(duì)于厭氣性雜菌，溶解氧升高。污染噬菌體或其它不明原因引起發(fā)酵液變稀，此時(shí)溶解氧迅速上升。操作故障或事故分析

谷氨酸正常發(fā)酵和異常發(fā)酵的溶解氧曲線——正常發(fā)酵溶解氧曲線-----異常發(fā)酵溶解氧曲線—·—異常發(fā)酵光密度曲線發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（2）補(bǔ)料控制指標(biāo)

中間補(bǔ)料是否得當(dāng)可以從溶解氧的變化看出。發(fā)酵過(guò)程中出現(xiàn)“發(fā)酸”現(xiàn)象，此時(shí)溶解氧很快下降。

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（3）代謝方向控制指標(biāo)

測(cè)量溶解氧可以確定CCr、Cm值通過(guò)溶氧測(cè)量可以掌握由好氣轉(zhuǎn)為厭氣培養(yǎng)的關(guān)鍵時(shí)機(jī)

e.g.天門(mén)冬酰胺酶發(fā)酵：45%飽和度

在酵母以及其他微生物菌體的生產(chǎn)中，溶氧值是控制其代謝方向的最好的指標(biāo)之一。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（4）設(shè)備性能、工藝合理性指標(biāo)評(píng)價(jià)設(shè)備性能、工藝合理性的最終指標(biāo)：發(fā)酵單位

設(shè)備反映供氧性能：攪拌槳形式

葉片形式

攪拌器直徑d

攪拌檔數(shù)m和攪拌器間距s

檔板寬度w和檔板數(shù)z

通氣：空氣分布器的類型和位置n，P/V

設(shè)備操作參數(shù)

罐壓

WS或VVM攪拌設(shè)備幾何參數(shù)發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（4）設(shè)備性能、工藝合理性指標(biāo)工藝條件反映耗氧和供氧特征菌種性能：耗O2培養(yǎng)基性能：耗O2、供O2溫度：耗O2、供O2RQ（O2與CO2水平比較）：耗O2表面活性劑：耗O2、供O2發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制改進(jìn)工藝：控制補(bǔ)料速度、T

的調(diào)節(jié)、中間補(bǔ)水、添加表面活性劑等等

對(duì)現(xiàn)有發(fā)酵工廠進(jìn)行技術(shù)改造

淺層次

修改設(shè)備和工藝

規(guī)模和控制水平上檔次

引入新型發(fā)酵類型

深層次

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制

工藝的改進(jìn)是否有效可通過(guò)溶解氧水平進(jìn)行評(píng)價(jià)：

P/V的改變對(duì)溶解氧和產(chǎn)量的影響

e.g.利福霉素發(fā)酵：50~80h波谷階段，P/V↑，KLa↑，供氧↑；3W/L比1W/L批號(hào)的發(fā)酵單位增加約900u/ml

攪拌轉(zhuǎn)數(shù)n對(duì)溶解氧和產(chǎn)量的影響e.g.赤霉素發(fā)酵：15~50h期間，n從155提高至180r/min，

赤霉素單位↑發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（1）溶解氧控制的一般原則

生長(zhǎng)階段：即可產(chǎn)物合成階段：即可過(guò)高的溶氧水平反而對(duì)菌體代謝有不可逆的抑制作用發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（2）溶解氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一

控制原理發(fā)酵過(guò)程中，糖量↑→x↑,QO2↑

→

γ

↑

→

CL↓

糖量

↓→QO2↓→γ↓→

CL↑

補(bǔ)糖使CL下降，而CL回升的快慢取決于供氧效率。對(duì)于一個(gè)具體的發(fā)酵，存在一個(gè)最適氧濃度（Cm）水平，補(bǔ)糖速率應(yīng)與其相適應(yīng)。

，加大補(bǔ)糖速率

，減小補(bǔ)糖速率實(shí)現(xiàn)用溶解氧水平控制補(bǔ)料速率

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制補(bǔ)糖速率控制在正好使生產(chǎn)菌處于所謂“半饑餓狀態(tài)”，使其僅能維持正常的生長(zhǎng)代謝，即把更多的糖用于產(chǎn)物合成，并永遠(yuǎn)不超過(guò)罐設(shè)計(jì)時(shí)的KLa水平所能提供的最大供氧速率。

控制原則（2）溶氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制控制方法

溶氧和補(bǔ)糖控制系統(tǒng)

溶氧和pH控制的系統(tǒng)

（2）溶氧控制作為發(fā)酵中間控制的手段之一

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制溶氧在加糖控制上的應(yīng)用發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制溶氧與pH協(xié)同控制系統(tǒng)發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（3）溶解氧控制的工藝方法：從供氧、需氧兩方面考慮

供氧方面：提高氧分壓（氧分含量），即，提高供氧能力改變攪拌轉(zhuǎn)速：通過(guò)改變KLa來(lái)提高供氧能力

通氣速率Ws↑：Ws增加有上限，引起“過(guò)載”、泡沫提高罐壓：

，但同時(shí)會(huì)增加CO2的溶解度，影響pH及可能會(huì)影響菌的代謝，另外還會(huì)增加對(duì)設(shè)備的強(qiáng)度要求。

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制改變發(fā)酵液理化性質(zhì)（σ，，Ii）

加消泡劑，補(bǔ)加無(wú)菌水，改變培養(yǎng)基成分→改變KL改變溫度：，提高推動(dòng)力（C*－CL）（3）溶解氧控制的工藝方法（續(xù)）供氧方面：發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（3）溶解氧控制的工藝方法（續(xù)）耗氧方面

限制性基質(zhì)的流加控制（補(bǔ)料控制）：在OTR一定情況下，控制基質(zhì)濃度→限制μ、x→

限制γ→控制溶解氧發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（4）溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)改變通氣速率的溶氧控制系統(tǒng)

改變攪拌轉(zhuǎn)速的溶氧控制系統(tǒng)改變通氣量、轉(zhuǎn)速、罐壓所組成的多參數(shù)溶氧控制系統(tǒng)

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制溶解氧對(duì)被孢霉合成花生四烯酸(AA)的影響溶氧量對(duì)AA產(chǎn)量的影響注：搖床轉(zhuǎn)速150r/min,25℃

KLa越大，培養(yǎng)基中溶解氧越多,

AA合成速度越快發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制溶解氧控制對(duì)鳥(niǎo)苷產(chǎn)量的影響不同的DO控制條件下鳥(niǎo)苷積累的比較DO(％)：◆—5，■—l0，▲—20，×—30發(fā)酵過(guò)程DO變化與鳥(niǎo)苷積累的關(guān)系DO控制在10~20％，產(chǎn)物積累↑，鳥(niǎo)苷含量最高。DO在5％和30％，前期產(chǎn)物積累↑，但后期基本不增加.DO水平的超高階段(發(fā)酵周期28h～44h)，鳥(niǎo)苷積累量基本不增加；調(diào)整DO在適當(dāng)水平上，鳥(niǎo)苷積累量繼續(xù)上升。

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制CO2和呼吸商對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1.

定義2.發(fā)酵過(guò)程中CO2釋放率的變化3.

CO2對(duì)發(fā)酵的影響

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制1.定義

呼吸商（RQ）：指菌體呼吸過(guò)程中，CO2釋放率和菌的耗氧速率之比，RQ反映菌的代謝情況。菌體耗氧速率OUR，molO2/L·h

菌體CO2釋放率CER，molCO2/L·h發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（1）影響尾氣中CO2濃度的因素

通入空氣量：

呼吸強(qiáng)度：CO2溶解度：菌體量：發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（2）CER變化規(guī)律

CO2積累量漸增，與x曲線對(duì)應(yīng)，基本類似S型曲線變化；當(dāng)工藝和設(shè)備參數(shù)一定的情況下，CER與x有比例關(guān)系（CER∝菌體生長(zhǎng)速率）；CO2濃度變化與O2濃度變化成反向同步關(guān)系。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制∫[CER]dt，菌體干重的時(shí)間曲線1-[CER]dt；2-菌量發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（3）CER的測(cè)量與計(jì)算

測(cè)量方法：熱導(dǎo)、紅外分析儀、質(zhì)譜儀計(jì)算

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（1）研究參數(shù)CO2的意義

作為代謝產(chǎn)物或中間前體，尾氣中CO2積累與生物量成正比，通過(guò)C質(zhì)量平衡估算生長(zhǎng)速率和細(xì)胞量。高濃度CO2對(duì)發(fā)酵多表現(xiàn)為抑制作用，應(yīng)實(shí)施測(cè)量與控制；尾氣CO2不僅直接反映代謝情況，而且和其它參數(shù)及補(bǔ)料操作密切相關(guān)，可作為工藝優(yōu)化的指標(biāo)。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（2）CO2對(duì)細(xì)胞的作用機(jī)制“麻醉”作用

CO2及HCO3-都會(huì)影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，使膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生變化，導(dǎo)致許多基質(zhì)的跨膜運(yùn)輸受阻，影響了細(xì)胞膜的運(yùn)輸效率，使細(xì)胞處于“麻醉”狀態(tài)，細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制，形態(tài)發(fā)生改變。

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（3）CO2對(duì)菌體生長(zhǎng)及產(chǎn)物形成的影響

CO2↑,基質(zhì)分解速率↓，ATP↓，中間產(chǎn)物↓或形態(tài)變異導(dǎo)致產(chǎn)量↓高濃度CO2抑制作用的獨(dú)立性:只要CO2在培養(yǎng)液中濃度過(guò)量，即使供氧充足（CL>CCr），CO2的抑制作用不能解除，這種負(fù)作用在放大過(guò)程更明顯。正確評(píng)價(jià)通氣的作用：供氧：排廢氣：水分及揮發(fā)性組分的散失

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（4）CO2釋放與發(fā)酵過(guò)程參數(shù)pH及操作參數(shù)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(cè)定排氣CO2釋放率（CER）來(lái)控制補(bǔ)糖速率。

補(bǔ)糖與溶氧及pH協(xié)同控制補(bǔ)糖速率與CER控制

補(bǔ)糖對(duì)排氣CO2和pH的影響發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（4）尾氣CO2與O2的相關(guān)性

相關(guān)程度表示：尾氣CO2與O2相關(guān)性：反向同步關(guān)系呼吸商（RQ）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。

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制青霉素發(fā)酵不同階段：

菌體生長(zhǎng)階段：RQ＝0.909

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(duì)RQ影響最大發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1.基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響

2.補(bǔ)料控制發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（1）

基質(zhì)濃度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響s<<KS情況下，比生長(zhǎng)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)

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制(2)基質(zhì)濃度對(duì)產(chǎn)物合成的影響低濃度限制低水平誘導(dǎo)高濃度抑制及分解阻遏作用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%。

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(zhǎng)谷氨酸生產(chǎn)時(shí)間，但在更高濃度下，菌體生長(zhǎng)受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量降低。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（1）補(bǔ)料的目的解除基質(zhì)過(guò)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(guò)多造成細(xì)胞大量生長(zhǎng)，耗氧過(guò)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。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（2）補(bǔ)料的內(nèi)容補(bǔ)充微生物能源和碳源補(bǔ)充菌體所需要的氮源補(bǔ)充微量元素或無(wú)機(jī)鹽添加前體、誘導(dǎo)劑等發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（3）補(bǔ)料的原則中間補(bǔ)料的數(shù)量為基礎(chǔ)料的1～3倍。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。現(xiàn)有的各種補(bǔ)料措施都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定的。

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長(zhǎng)限制性基質(zhì)以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)控制流加；用傳感器直接測(cè)定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制流加；以溶氧、pH、RQ、排氣中CO2分壓及代謝物質(zhì)濃度等參數(shù)間接控制流加；以物料平衡方程，通過(guò)傳感器在線測(cè)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。（4）補(bǔ)料控制的策略發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（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(zhǎng)、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(guò)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。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制K=1.51K=1.75K=2.16谷氨酸發(fā)酵中K值對(duì)糖濃度的控制的影響發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（6）補(bǔ)料速率的確定優(yōu)化補(bǔ)料速率是補(bǔ)料控制中十分重要的一環(huán)，補(bǔ)料速率要根據(jù)微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)等的消耗速率及所設(shè)定的培養(yǎng)液中最低維持濃度而定。補(bǔ)糖速率最佳點(diǎn)與設(shè)備的供氧能力有關(guān)。e.g.青霉素發(fā)酵：KLa大的設(shè)備補(bǔ)料速率相應(yīng)大些；供氧低的設(shè)備，補(bǔ)料速率相應(yīng)減少，產(chǎn)量比供氧能力好的設(shè)備降低23％。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（7）實(shí)例：四環(huán)素發(fā)酵中的補(bǔ)糖控制補(bǔ)糖時(shí)間對(duì)四環(huán)素發(fā)酵單位的影響Ⅰ－補(bǔ)糖時(shí)間適當(dāng)（45h后加）Ⅱ－補(bǔ)糖時(shí)間過(guò)晚（62h開(kāi)始加）Ⅲ－補(bǔ)糖時(shí)間過(guò)早（20h后加）發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制

維持不同還原糖水平的四環(huán)素發(fā)酵中流加補(bǔ)糖的作用發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制補(bǔ)糖對(duì)四環(huán)素發(fā)酵的影響

在最適補(bǔ)加葡萄糖的條件下，能正確控制菌絲量的增加、糖的消耗與發(fā)酵單位增長(zhǎng)三者之間的關(guān)系，就可獲得比采用豐富培養(yǎng)基時(shí)更長(zhǎng)的生物合成期。

維持不同還原糖水平的四環(huán)素發(fā)酵中流加補(bǔ)糖的作用發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及其控制1.泡沫的產(chǎn)生及其影響2.

發(fā)酵過(guò)程中泡沫的消長(zhǎng)規(guī)律3.泡沫的控制發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制1.泡沫的產(chǎn)生及其影響

泡沫的產(chǎn)生通氣和攪拌代謝氣體的逸出存在穩(wěn)定泡沫的表面活性物質(zhì)發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制1.泡沫的產(chǎn)生及其影響泡沫的類型一類存在于發(fā)酵液的液面上。這類泡沫氣相所占比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辨的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見(jiàn)的泡沫。另一類出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當(dāng)中。這種泡沫分散很細(xì)，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體間沒(méi)有明顯的波面界限，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比例由下而上地逐漸增加。發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制泡沫的不利影響降低了發(fā)酵罐的裝料系數(shù)增加了菌群的非均一性增加了染菌機(jī)會(huì)大量起泡引起“逃液”，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失泡沫嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響通氣攪拌的正常進(jìn)行消泡劑的加入將給提取工序帶來(lái)困難1.泡沫的產(chǎn)生及其影響

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制2.發(fā)酵過(guò)程中泡沫的消長(zhǎng)規(guī)律影響因素通氣攪拌的強(qiáng)度培養(yǎng)基的配比及原材料組成培養(yǎng)基的滅菌方法和操作條件微生物代謝活動(dòng)造成發(fā)酵液性質(zhì)變化染菌

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制霉菌發(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)液的性質(zhì)與泡沫的關(guān)系發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制3.泡沫的控制

（1）機(jī)械消泡（2）化學(xué)消泡（3）從微生物本身特性著手，防止泡沫形成篩選不產(chǎn)生泡沫的微生物突變株幾種微生物混合培養(yǎng)

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（1）機(jī)械消泡原理：靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動(dòng)或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不需引入外來(lái)物質(zhì)，可節(jié)省原材料，減少污染機(jī)會(huì)，并可減少培養(yǎng)液性質(zhì)復(fù)雜化的程度。缺點(diǎn)：不如化學(xué)消泡迅速可靠，需要一定的設(shè)備和消耗一定的動(dòng)力；不能從根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（1）機(jī)械消泡機(jī)械消泡裝置的選擇依據(jù)動(dòng)力小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

堅(jiān)固耐用

清洗、殺菌容易

維修保養(yǎng)費(fèi)用少

發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制機(jī)械消泡方法

罐內(nèi)消泡：耙式消泡槳、旋轉(zhuǎn)圓板式、氣流吸入式、沖擊反射板式、碟式及超聲波等機(jī)械消泡裝置。罐外消泡：旋轉(zhuǎn)葉片式、噴霧式、離心式及轉(zhuǎn)向板式等機(jī)械消泡裝置。

（1）機(jī)械消泡發(fā)酵工程8發(fā)酵過(guò)程控制（2）化學(xué)消泡消泡機(jī)理當(dāng)泡沫的表層存在著極性的表面活性物質(zhì)而形成雙電層時(shí)，可以加入一種具有相反電荷的表面活性劑，以降低泡沫的機(jī)械強(qiáng)度；或加入某些具有強(qiáng)極性的物質(zhì)與發(fā)泡劑爭(zhēng)奪液膜上的空間，降低液膜強(qiáng)度，導(dǎo)致泡沫破裂。當(dāng)泡沫的液膜具有較大的表面粘度時(shí)，可以加入某些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液體流失，導(dǎo)致泡沫破裂