发酵过程的控制
发酵过程控制发酵过程泡沫的形成和控制
发酵过程控制发酵过程泡沫的形成和控制发酵过程中产生泡沫是由于发酵微生物产生的二氧化碳在液体中产生的气泡。
对于一些发酵工艺来说，泡沫的形成是正常的现象，但当泡沫过高时，会导致操作困难、影响发酵效果甚至引发事故。
因此，控制发酵过程中泡沫的形成和控制是非常重要的。
首先，我们来讨论一些常见的发酵过程中形成泡沫的原因。
发酵过程中产生的泡沫主要有以下几个原因：1.发酵微生物产生的二氧化碳气泡：在发酵过程中，微生物会通过代谢作用产生二氧化碳，这些气体会在液体中形成气泡。
2.搅拌：发酵过程中的搅拌会增加气体与液体的接触面积，从而促进气泡的形成。
3.添加剂：有些发酵过程中需要添加剂，如泡沫剂、表面活性剂等，这些添加剂会导致气泡的形成。
针对泡沫过高的情况，我们需要进行泡沫的控制。
以下是一些常见的泡沫控制方法：1.控制发酵微生物的种类和数量：选择合适的发酵微生物，使其不产生过多的二氧化碳气泡。
2.控制发酵温度：温度的控制对于发酵过程很重要，过高或过低的温度都会导致泡沫过高。
因此，要合理控制发酵过程中的温度。
3.控制搅拌的速度和时间：适当控制搅拌的速度和时间，避免过度搅拌，以减少气泡的形成。
4.添加抗泡剂：在发酵过程中添加抗泡剂，可以减少气泡的形成。
抗泡剂可以抑制气泡的集聚和稳定。
5.使用泡沫控制装置：在发酵过程中使用泡沫控制装置，如泡沫传感器和控制器，可以自动检测和控制泡沫的高度。
总之，控制发酵过程中泡沫的形成和控制是一项重要的工作。
通过合理选择发酵微生物、调节温度、控制搅拌速度和时间、添加抗泡剂以及使用泡沫控制装置等手段，可以有效地控制和管理发酵过程中的泡沫，确保发酵过程的顺利进行。
发酵工艺的泡沫控制需要结合具体的实际情况，进行合理的调整和控制，以满足生产过程的要求。
发酵工程发酵过程控制
发酵工程发酵过程控制1. 引言发酵工程是利用微生物的生理代谢过程来生产有机化合物的一种工程技术。
而发酵过程控制则是在发酵工程中对发酵过程进行调控和监控，以确保发酵过程能够稳定进行，并获得高产率和良好的产品质量。
发酵过程控制通过对微生物与培养基、发酵设备和操作条件等方面进行控制，研究微生物的生长规律和代谢产物的生成规律，实现对发酵过程的调控，以实现最佳的发酵效果。
本文将介绍发酵工程发酵过程控制的主要内容和方法。
2. 发酵过程控制的目标发酵过程控制的主要目标是实现以下几个方面的调控：1.生物量的控制：调控微生物的生长速率和生物量，使其在适宜的培养基和环境条件下获得最佳生长，提高产酶或产物的产量；2.代谢产物的控制：调控微生物代谢过程中的关键反应步骤，实现选择性产物的生成，并提高产量；3.溶氧的控制：调控发酵过程中的溶氧浓度，提高氧传递效率，防止氧的限制性产物的堆积；4.pH的控制：调控发酵过程中的pH值，维持合适的酸碱环境，促进微生物的生长和代谢；5.温度的控制：调控发酵过程中的温度，提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢。
3. 发酵过程控制的方法发酵过程控制主要采用以下几种方法：3.1 反馈控制反馈控制是一种基于对发酵过程变量的测量和反馈，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的反馈控制方法包括：•温度控制：通过测量发酵容器内的温度，控制加热或降温设备的输出，以维持适宜的温度；•pH控制：通过测量发酵液的pH值，控制酸碱调节器的输出，以维持适宜的酸碱环境；•溶氧控制：通过测量发酵液中的溶氧浓度，控制气体供应设备的输出，以维持适宜的溶氧浓度。
3.2 前馈控制前馈控制是一种基于对发酵过程中外部输入变量的预测，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的前馈控制方法包括：•溶氧前馈控制：根据发酵微生物对溶氧需求的特性，通过对气体供应设备输出的调节，提前调整溶氧浓度，以满足微生物的需求；•pH前馈控制：根据发酵产物对酸碱环境的敏感性，通过对酸碱调节器输出的调节，提前调整pH值，以维持合适的酸碱环境。
发酵过程的控制
温度提高，合成四环素的比例也提高，温度到达 35 ℃
时，金霉素的合成几乎停顿，只产生四环素。
4、温度还影响基质溶解度
在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解
吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。
五、最适温度的控制
1、根据菌种及生长阶段来选择 微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求
在发酵30h，一次性参加0.1%、0.2％、0.3％、0.4％的次黄嘌呤 对鸟苷产量的影响
第五节 菌体浓度与基质对发酵的影响
一、菌体浓度对发酵的影响 菌体浓度与菌体生长速率直接相关 菌体浓度的大小影响产物的得率 控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓
度
二、基质对发酵的影响及控制
1、碳源对发酵的影响及控制
容易实现自动控制 1、化学消泡机理 消泡剂外表张力低，使气泡膜局部的外表张力降低，
使得平衡受到破坏
2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类 〔1〕选用依据： ①外表活性剂 ②对气-液界面的散布系数必须足够大 ③无毒害性，且不影响发酵菌体； ④不干扰各种测量仪表的使用； ⑤在水中的溶解度较小 ⑥来源方便，本钱低
二、发酵热的测量及计算
发酵热的测定可采用以下几种方法：
①利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷 却水进出口温度，根据
Q发酵 = qvC〔t2 – t1〕/V；
qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg ℃；V为发酵液体积，m3
②利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度 随时间上升的速率，根据
异亮氨酸发酵
不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇 瓶发酵的影响，结果如下图。 “1〞表示只加CaC03 控制pH值，“2〞表示只加尿素控制，“3〞表示 CaC03和尿素联合控制pH值。
生物发酵过程中的控制策略
生物发酵过程中的控制策略生物发酵是一种特殊的化学过程，可以利用微生物代谢产生有用的产物。
这种过程可以用来生产酸、酒精、乳酸、酶、抗生素等。
然而，控制生物发酵过程是非常重要的，因为微生物有种种生长条件和代谢路径选择，必须用适当的控制策略才能达到良好的产量和质量。
下面本文将探讨关于生物发酵过程中的控制策略的几个关键方面。
1. 控制发酵物质的转变在生物发酵中，生物体内代谢反应产生的中间产物和代谢产物会相互影响，对发酵过程的产出、时间和质量等产生重要影响。
因此，在生物发酵过程中，必须掌握好反应条件，以使其达到理想的产出效果。
首先，要做到微生物菌群环境的控制，例如调节发酵器PH、温度等参数，保持一个理想的生长环境和代谢环境。
因此，选择合适的补料、减少氧气供应等。
同时，还应注意对发酵液的持续监测，了解每一时刻的发酵状态，及时修改发酵参数。
这一系列的控制措施旨在确保微生物体内的代谢产物在适宜的转化途径上进行转变，从而达到更高的产量和品质。
2. 控制细胞的生长和分裂在生物发酵过程中，发酵液中的微生物并不是一开始就处于快速增长的状态。
这是因为微生物需要适应环境，进行代谢调整和新基因的表达等过程。
在这个过程中，要注意调整发酵液环境，控制生长速率。
此外，还需防止微生物体积过多和细胞死亡过快等问题。
最后，要在适当的时候终止发酵反应，对细胞完成生长周期和生物代谢途径。
3. 控制气体输送生物发酵过程中，气体输送也是一个需注意控制的方面。
在空气或其他气体的供应中，氧气、二氧化碳、氮气等气体的流动性直接影响微生物代谢。
控制气体输送方式和速度，能够降低二氧化碳累积或氧气不足的情况，使微生物代谢通畅并确保良好地发酵效果。
此外，在输送气体的同时还要注意识别微生物产生的气体，学习和处理产生的微生物氣體处理和管理方式。
4.优化和选择合适的微生物结构生物体内代谢能力是产生发酵产品的关键，而微生物的菌株和菌群的选择能够对发酵产率造成重要影响。
发酵过程中控制杂菌的方法
发酵过程中控制杂菌的方法
1.设备与环境消毒：
-在发酵前，应对所有接触发酵物料的设备，如发酵罐、管道、过滤器、阀门等进行全面、彻底的清洁和消毒，可使用高温蒸汽灭菌、化学消毒剂浸泡等方式进行消毒处理。
2.培养基灭菌：
-制备的发酵培养基必须在严格的无菌条件下操作，通过高压蒸汽灭菌或其它适用方式彻底灭菌，确保无任何杂菌存在。
3.无菌操作技术：
-接种、转接、取样等操作应在无菌操作台上进行，操作人员需要穿戴无菌防护装备，遵循无菌操作规程，避免引入杂菌。
4.种子纯化：
-使用纯净、活性良好的种子进行接种，必要时对种子进行多次传代净化，剔除可能携带的杂菌。
5.温度与pH控制：
-发酵过程中适当调整和控制温度、pH值等参数，创造有利于目标菌株生长而不利于杂菌滋生的条件。
6.监控与检测：
-定期对发酵过程进行监测，包括pH值、溶解氧、浊度等指标的变化，及时发现异常。
并对发酵液进行微生物检测，一旦发现杂菌污染，立即采取相应措施。
7.添加抑菌剂：
-在某些情况下，可在发酵过程中添加适量的抑菌剂或抗生素来抑制杂菌生长，但这需要考虑对目标菌株的影响。
8.应急措施：
-若发现早期染菌，可通过降低培养温度、调整补料策略、补充杀菌剂或抗生素等手段尝试挽救；若中后期染菌且不影响产品质量，则可考虑提前终止发酵。
9.优化工艺流程：
-改进工艺流程，如采用一次性使用系统、密闭连续流发酵技术等，减少人为操作带来的污染风险。
发酵工程第8章发酵过程控制
分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不 足时氮源当碳源利用pH上升。 •生理酸碱性物质
被微生物利用后会导致环境pH下降（上升）的 物质称为生理酸性（碱性）物质。发酵工程第8章发酵过程控制
① 应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消 泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；
② 应该在低浓度时具有消泡活性； ③ 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； ④ 应该对微生物、人类和动物无毒性； ⑤ 应该对产物的提取不产生影响； ⑥ 不会在使用、运输中引起任何危害； ⑦ 来源方便，成本低； ⑧ 应该对氧传递不产生影响； ⑨ 能耐高温灭菌。
泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。 蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要 的发泡剂。 糊精含量多也引起泡沫的形成。 当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。
发酵工程第8章发酵过程控制
少量泡沫的作用：
一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，导 致氧传递速率增加；
大量的泡沫引起许多负作用：
• 培养基原料性质： 蛋白胨、玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉等蛋白质
原料是主要发泡物质； • 培养基灭菌方法：
温度过高，形成蛋白黑色素，泡沫增多； • 细胞代谢活动：
初期，高粘度、低张力，泡多；中期，粘度降、张力升， 泡少；后期，自溶，泡上升。
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵过程泡沫的变化
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵工程第8章发酵过程控制
2）影响原生质体膜的电荷 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而
改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收 及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
发酵过程的参数检测和自动控制
1、物理参数检测
7〕发酵液粘度测定 毛细管粘度计 回转式粘度计 涡轮旋转粘度计
2、化学参数检测
1〕PH测量 复合PH电极 〔灭菌、稳定、流通、耐压〕 PH测量仪器
2、化学参数检测
2〕溶解氧的测量 溶氧电极法： 这是一种参量变换器：把溶氧浓度变成一 个与之呈线性关系的电流量,进行测量,这种溶 氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温,可以固定装在发 酵罐上,连续地测量培养液中溶氧浓度. 亚硫酸盐氧化法 取样极普法 排气法
③自适应控制： 提取有关输入、输出信息,对模型和
参数不断进行辩识,使模型逐渐完善；同 时自动修改控制器的动作,适应实际过 程.——自适应控制系统.
2、发酵自动控制系统的硬件组成
传感器 变送器 执行机构
电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、 变速电机、
正位移泵、蠕动泵. 转换器 过程接口 监控计算机
本章知识结构
被控对象
传感器
1、基本的自 动控制系统
②反馈控制 溶解氧的串联 反馈控制
1、基本的自动控制系统
②反馈控制 开关控制：控制阀门的全开全关； PID控制：采用比例、积分、微分控制算法； 串联反馈控制： 两个以上控制器对一变量实施联合控制； 前馈/反馈控制： 前馈控制与反馈控制相结合.
1、基本的自动控制系统
1〕温度测量
感温元件：铂电阻〔精、稳但贵〕；
化〕；
铜电阻〔便宜、但需长、大,易氧
线形〕.
半导体〔精、小、简、耐腐蚀但非
二次仪表：温度,0—150℃,
1、物理参数检测
2〕热量测量〔属"微热量"〕
①利用热交换原理,测量一定时间内冷却水的流量和冷却水进 出口温度〔影响因素较多Q散Q显Q搅,只能定性和估计〕
发酵工艺的过程控制
发酵工艺的过程控制引言发酵工艺是一种将有机物质通过微生物的作用转化为需要的产物的过程。
在发酵过程中，微生物通过吸收养分、产生代谢产物和释放能量，完成了物质的转化。
为了保证发酵过程的高效和稳定，控制发酵过程至关重要。
本文将介绍发酵工艺的过程控制，包括控制参数和控制策略。
1. 发酵过程的控制参数发酵过程的控制参数是指影响发酵过程的参数，包括温度、pH值、溶氧量、搅拌速度、发酵菌种等等。
这些控制参数对于发酵过程的高效和稳定起到了重要的作用。
1.温度：发酵过程中适宜的温度可以促进微生物的生长和代谢活动。
不同的发酵过程需要不同的温度，一般在微生物的最适生长温度附近，通常在25-42摄氏度之间。
2.pH值：发酵过程中的pH值对微生物的生长和代谢活动有重要影响。
不同的微生物对于pH值的需求不同，一般在微生物最适生长pH值的附近维持。
3.溶氧量：溶氧量是指发酵液中的氧气饱和度。
微生物在发酵过程中需要氧气进行呼吸和代谢活动。
合适的溶氧量可以提高发酵效率和产物质量。
4.搅拌速度：搅拌速度对于发酵液中的微生物的分散性和氧气气液传递有着重要影响。
适当的搅拌速度可以保证发酵液中的微生物充分接触营养物质和氧气。
5.发酵菌种：选择适宜的发酵菌种对于发酵过程的控制至关重要。
合适的发酵菌种应具备高发酵活力、产物合成能力和抗污染能力。
2. 发酵过程的控制策略为了实现对发酵过程的有效控制，需要采取相应的控制策略。
以下是几种常见的发酵过程控制策略。
1.反馈控制：反馈控制是根据实时的监测数据对发酵过程进行调节。
通过监测发酵过程中的温度、pH值、溶氧量等参数，将实际参数与设定值进行比较，根据误差进行反馈调整，以维持发酵过程的稳定性。
2.前馈控制：前馈控制是根据预期的发酵过程需求提前对控制参数进行调整。
通过事先设定好的控制策略，根据发酵过程中的状态进行预测和计算，提前对控制参数进行调整，以达到预期的控制效果。
3.比例积分控制：比例积分控制是通过调整控制器的比例参数和积分参数来改变控制器的工作方式。
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有效地控制发酵，使生产菌的代谢变化沿 着人们所需要的方向进行，从而使发酵生 产达到高质高产的目的。
一、微生物的发酵类型
按投料方式的不同分
按发酵与氧的关系分
按发酵过程中菌体生长与碳源消耗系的
第二阶段是产物合成阶段，产物合成速 率、菌体生长速率和基质消耗速率成正比， 且基本同步 柠檬酸发酵是此类型的典型代表
非生长偶联型发酵
表现为两个阶段：
在第一阶段，以菌体生长为主，菌体生长速率 和基质消耗速率基本同步且成正比，没有或只 有少量产物合成
在第二阶段，以产物合成为主，只有少量菌体 生长或不生长或负生长，少量的基质消耗
缺点 存在产物抑制和阻遏，产率低
补料分批发酵
在发酵过程中一次或多次补入含有一种 或多种营养成分的新鲜料液
具有更多的优越性，实际应用很广 补入的通常是对微生物生长和代谢有较
大影响的营养物质 有效地控制了菌体的浓度和粘度，提高
产量
补料分批培养的优缺点
优点 在这样一种系统中可以维持低的基质浓度， 避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料 控制达到最佳的生长和产物合成条件；还可以 利用计算机控制合理的补料速率，稳定最佳生 产工艺。
不同分
“注意3和4的差别”
按产品类别的不同分
1 按投料方式的不同分
分批发酵 补料分批发酵 连续发酵
分批发酵
一次性投入料液 不同代谢产物分批发酵的基本过程相同 其特点是微生物所处的环境在发酵过程中不断
地变化
分批培养的优缺点
优点 操作简单，周期短，染菌机会少， 生产过程和产品质量容易掌握
产物来自两用代谢途径，在基质消耗和菌体生 长后，菌体利用中间代谢反应来形成产物。
绝大多数的抗生素发酵、氨基酸发酵属于此类
两用代谢途径(amphibolic pathway)
虽然分解代谢和合成代谢基本上采取不 同的途径，但有许多代谢环节还是双方 都可共同利用的。这种可以公用的代谢 环节称为两用代谢途径。
3 按发酵过程中菌体生长与碳源消耗 及产物合成之间关系的不同分
生长偶联型发酵 部分生长偶联型发酵 非生长偶联型发酵
发酵过程反应速度的描述
X
S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质的消耗速度
基质的消耗比速\菌体生长比速\产物形成比速
单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌 体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反 应速度的常用概念。
本次课要求
掌握发酵控制的意义 理解并掌握生长偶联型发酵、部分
生长偶联型发酵、非生长偶联型发 酵的内涵 掌握发酵过程应控制的工艺参数 理解初级代谢产物发酵、次级代谢 产物发酵的代谢变化规律
为什么要对发酵过程进行控制呢？
发酵过程是非常复杂的动态生物化学反应 过程，为了使微生物细胞合成某一代谢产 物的生产能力得到充分的表达，就要研究 并控制发酵过程。
主要是通过脱氢酶和氧化酶进行 在发酵过程中要不断地向发酵液中通入无菌空
气 包括大多数的抗生素发酵、氨基酸发酵、酶制
剂发酵等
厌氧发酵
是由厌氧菌或兼性厌氧菌在无分子氧的条 件下进行的发酵过程
应隔绝空气使发酵在无分子氧的情况下进 行
在厌氧发酵中只有脱氢酶的作用，而无氧 化酶参与
包括乙醇发酵、丙酮发酵、丁醇发酵、乳 酸发酵、丁酸发酵等
缺点 菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌种退 化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增加。
实际应用还较少
2 按发酵与氧的关系分
需氧发酵 厌氧发酵
需氧发酵
是由需氧菌在分子氧存在的条件下进行的发酵 过程
氧在微生物的需氧呼吸中作为最终的电子受体 需氧微生物有较完善的呼吸酶系统，呼吸作用
生长偶联型发酵
产物直接来源于产能的初级代谢 菌体生长、糖的分解代谢和产物形
成几乎是平行的 菌体生长型和产物形成期并不是分
开的 单细胞蛋白和葡萄糖酸的发酵属于
此型
部分生长偶联型发酵
产物也是来自能量代谢所用的基质 有两个阶段：
第一阶段为菌体生长阶段，生长速率与 基质消耗速率成正比，但无产物的合成
物理参数
压力
发酵过程中发酵罐所维持的压力
维持正压：可以防止外界空气中的杂菌侵入，以 保证纯种的培养。
罐压的高低还与氧和二氧化碳在培养液中的溶解 度有关。
罐压一般维持在表压0.02～0.05MPa
物理参数
参数：通过取样分析获得的有关发 酵的信息
鸟苷发酵过程曲线
工艺参数
物理参数 化学参数 生物参数
物理参数
温度 压力 搅拌转速 搅拌功率 空气流量 粘度
物理参数
温度
整个发酵过程或不同阶段所维持的温度。
温度的高低与酶反应速率、氧在培 养中的溶解度和传递速率、菌体生长速 率和产物合成速率有密切关系
第七章 发酵过程的控制
广药生科院 周林
本章主要内容
微生物发酵类型 发酵过程的工艺参数控制 发酵过程中的代谢变化 菌体浓度的影响及其控制 营养基质的影响及其控制 温度的影响及其控制 pH的影响及其控制 溶氧的影响及其控制 二氧化碳的影响及其控制 补料分批发酵 泡沫的影响及其控制 发酵终点的判断
缺点 由于没有物料取出，产物的积累最终导致 比生产速率的下降。由于有物料的加入增加了 染菌机会
连续发酵
发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵 液，使发酵罐内的体积维持恒定。
达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度，限 制性基质浓度都是恒定的。
优点 控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周 期长，得到高的产量。
柠檬酸循环(citric acid cycle)可看作是 两用代谢途径的典型例证。
两用代谢途径的存在，使机体细胞的代 谢更增加了灵活性。
二、发酵过程的工艺参数控制
发酵控制是取得高产高质产品的必 要条件
发酵控制的先决条件是了解发酵进 行的情况，进而做出相应的调整， 使发酵过程有利于目的产物的积累 和产品质量的提高