发酵过程控制
第二节_发酵过程影响因素及过程控制
17:44
22
2.固体发酵
当发酵温度不足时可通入蒸汽保温或水浴保温， 也可用堆积的办法保温，一般采用通入蒸汽保 温较为简单 当发酵温度过高时，采用风机连续通风，可达 到冷却降温的目的
17:44
23
（二）pH对发酵的影响及其控制
1. 发酵对pH的影响 2. pH值对发酵过程的影响 3. 最适pH的选择 4. 发酵过程中pH的调节与控制
17:44
43
根据和氧的关系分为： 专性好氧微生物 好氧微生物 （必需有氧） 微好氧微生物 兼性好氧微生物 耐氧微生物 厌氧微生物
17:44
（可有可无）
（不需） 严格厌氧微生物
温度太低：使原生质膜处于凝固状态，不能正常进行营养物质的 运输或形成质子梯度。 温度太高：蛋白质、核酸和细胞的其他组成发生不可逆的变形作 用。
微生物对低温的适应性又比高温强，在低温往往停 止生长发育，而在高温下易死亡。
4
17:44
17:44
5
小结：
1.嗜冷微生物能够在低温条件下生长的原因是：其所含 的酶在低温能有效地催化生化反应；在低温下主动运输 仍能正常进行，有效的吸收必须的营养物质，是其原生 质膜中含有较多的不饱和脂肪酸，在低温下仍可维持膜 的流动性。 2.嗜高温微生物在高温条件下生长的原因是：其酶和其 他蛋白质在高温时更稳定；其蛋白质合成机构和细胞 质膜（富含饱和脂肪酸等）等结构成分是热稳定。
第三，PH的改变往往引起某些酶的激活或抑制，使生物合成途 径发生改变，代谢产物发生变化。
二、pH对发酵的影响
1、实例
例
pH对林可霉素发酵的影响
林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发
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。
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。
第五章 发酵过程及控制
（二）pH对发酵的影响
1、实例 例 pH对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液 pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、
(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上，阻碍或抑制某些
酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵66小时pH 达7.93，以后维持在8.0以上至115小时，菌丝浓度降低，NH2-N 升高，发酵不再继续。 发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3，调节这 一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高发酵单位。
4，最适温度的确定 最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最 适于菌的生长或发酵产物的生成。 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件 和菌体生长阶段有关。 最适发酵温度的选择
– 在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一 定好。 – 温度的选择要参考其它发酵条件。 – 温度的选择还应考虑培养基成分和浓度
一、分批发酵
1、分批发酵的定义
• 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的
发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消
泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何 其它物质。发酵过程中培养基成分减少， 微生物得到繁殖。
2、分批发酵的特点
• 其物理，化学和生物参数都随时间
而变化，是一个不稳定的过程。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即
超过最高温度，微生物很快死亡；低于最
低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不
马上死亡。这就是菌种保藏的原理。
3，温度对发酵的影响
• 影响各种酶的反应速率和蛋白质性质 • 影响发酵液的物理性质 • 影响生物合成的方向。
– 例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。 在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。 当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达 35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。
发酵过程控制
（7） 排气氧、排气CO2
排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物 利用以后还剩余的氧。
排气CO2反映了微生物代谢的情况，因为 微生物摄入的氧并不是全部变成CO2的，有的
进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因
此消耗的氧并不等于排出的CO2；此外，含氧 的有机物降解后会产生CO2，使排气CO2大于
消耗的氧。
• 指单位时间内单位体积发酵液通入空气的 体积。
• 它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。 • 一般控制在0.1~1.0vvm之间
（6） 黏度
• 粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标 志之一。
• 在发酵过程中通常用表观粘度表示。 • 粘度的大小可改变氧传递的阻力。 • 粘度的大小可表示相对菌体浓度。
发酵后期氨基氮回升，这时就要放罐，否则 影响提取过程。
③ 磷含量
微生物体内磷含量较高，培养基中以磷酸 盐为主，发酵中用来计算磷含量的是磷酸根。
磷是核酸的组成部分，是高能化合物ATP的 组成部分，磷还能促进糖代谢。因此磷在培养 基中具有非常重要的作用，如果磷缺乏就要采 取补磷措施。
但是在某些次生代谢产物发酵过程中，磷 浓度过高会抑制产物的合成。
✓ 在培养过程中，产生菌的合成能力和产物ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
积累情况都要通过产物量的测定来了解，产 物浓度直接反映了生产的状况，是发酵控制 的重要参数。而且通过计算还可以得到生产 速率和比生产速率，从而分析发酵条件如补 料、pH对产物形成的影响。
6.2 温度对发酵的影响及其控制
6.2.1 温度对发酵的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同， 根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜 冷菌适应于0～26℃生长，嗜温菌适应于15 ～43 ℃生长，嗜热菌适应于37～65℃生长 ，嗜高温菌适应于65 ℃以上生长 。
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。
第七章 发酵过程控制
一、初级代谢的变化 二、次级代谢的变化 三、发酵过程的主要控制参数
初级代谢变化的根本原因在于菌体的代谢活 动引起环境的变化，而环境的变化又反过来影 响菌体的代谢。 在初级代谢中，菌体生长仍显示适应期、对 数生长期、静止期和衰亡期的特征。 由于菌体的生理状态与培养条件不同，各个 时期时间长短也不尽相同，且与接种微生物的 生理状态有关。
生物热的大小随培养时间的不同而不同。 实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产 量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈 代谢十分旺盛。
生物热的大小与菌体的呼吸强度有对应关系，呼 吸强度越大，所产生的生物热也越大。
在四环素发酵中，还发现 生物热和菌的呼吸强度的 变化有对应关系，特别是 在80小时以前。从此实验 中还可看到，当产生的生 物热达到高峰时，糖的利 用速度也最大。另外也有 人提出，可从菌体的耗氧 率来衡量生物热的大小。
• 蒸发热的计算： Q蒸发=G（I2-I1） G：空气流量，按干重计算，kg/h I1 、I2 ：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg （干空气）
• 辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐 体向外辐射的热量。
• 辐射热可通过罐内外的温差求得，一 般不超过发酵热的5%。
发酵热的测定
（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和 冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内 的发酵热。
影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶 的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；
H+或OH-在细胞内改变了胞内原有的中性状 态，影响到酶蛋白的解离度和电荷情况，从而 改变酶的结构和功能。
•
影响微生物原生质膜所带电荷的状态。改变 细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸 收和代谢产物的排泄。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
二、温度的影响与控制
（一）温度对发酵的影响 1、温度影响反应速率
发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有 一个最适温度。
从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2
积分得
E= 4.6logKr2 / Kr1 1/T1 1/T2
E——活化能
Kr——速率常数
发酵过程控制
4 .61
发酵过程控制
根据生长阶段选择温度
例：林可霉素发酵的变温培养
问题的提出
接种后10h左右已进入对数生长期，随后是10h左 右的加速生长期，在40h左右对数生长期基本完成， 在50h左右转入生产期
主要问题：
如何维持适度的菌体浓度和延长分泌期？
适当降低培养温度可以延缓菌体的衰老和 维持相当数量的有强生产能力的菌丝体存 在
发酵过程控制
3、蛋白质合成
嗜冷菌具有在0℃合成蛋白质的能力。这 是由于其核糖体、酶类以及细胞中的可 溶性因子等对低温的适应，蛋白质翻译 的错误率最低。许多中温菌不能在O0C合 成蛋白质，一方面是由于其核糖体对低 温的不适应，翻译过程中不能形成有效 的起始复合物，另一方面是由于低温下 细胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄 露。
发酵过程控制
变温培养的正交设计
发酵过程控制
发酵过程控制
结论：前60h按31℃控制，缩短了适应期使 发酵提前转入生产阶段，同时菌丝体已有 相当量的积累，为大量分泌抗生素提供了 物质基础
发酵过程控制
4、合成冷休克蛋白
低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克蛋白 将大肠杆菌从370C突然转移到100C条件时细胞中会 诱导合成一组冷休克蛋白，它们对低温的生理适应 过程中发挥着重要作用，检测嗜冷酵母的冷休克反 应，发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内大量产 生。 耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必须忍 受温度的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋白是 密切相关的。
发酵过程控制
2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件 下的结构完整性和催化功能：(1)通过自 然或诱导突变，将特定残基发生改变的 蛋白与其天然结构进行对比；(2)对比同 属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白结构
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和x一射线衍射 分析表明，嗜冷酶分子间的作用力减弱， 与溶剂的作用加强，酶结构的柔韧性增加， 使酶在低温下容易被底物诱导产生催化作 用
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范 围相一致。
发酵过程控制
什么是液晶状态？ 液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的 过渡状态称为液晶态。 由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示； 由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。 T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。 那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细 胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物， 其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸， 而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
发酵过程控制
微生物受高温的伤害比低温的伤害大， 即超过最高温度，微生物很快死亡； 低于最低温度，微生物代谢受到很大 抑制，并不马上死亡。这就是菌种保 藏的原理。
发酵过程控制
二、微生物与温度相关性的原理
1、微生物对温度的要求不同与它们的膜 结构物理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常 生理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶 状态，只有当细胞膜处于液晶状态，才能 维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最 佳生长状态
温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中 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。
发酵过程控制
（二）最适温度的选择
1、根据菌种及生长阶段选择 微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要 求的温度范围也不同。 如黑曲霉生长温度为370C， 谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为30～320C， 青霉菌生长温度为300C。
发酵过程控制
第五节 温度变化及其控制 一、温度对生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们 对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于 0～260C生长，嗜温菌适应于15～430C生长， 嗜热菌适应于37～650C生长，嗜高温菌适应于 650C以上生长
发酵过程控制
每种微生物对温度的要求可用最适温度、 最高温度、最低温度来表征。在最适温度 下，微生物生长迅速；超过最高温度微生 物即受到抑制或死亡；在最低温度范围内 微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢， 世代时间无限延长。在最低和最高温度之 间，微生物的生长速率随温度升高而增加， 超过最适温度后，随温度升高，生长速率 下降，最后停止生长，引起死亡。
发酵过程控制
根据生长阶段选择
在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌 体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；
在中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期， 从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。 因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关 闭得比较严密有利于产物合成。
发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要， 就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段 280C，合成期260C后期再升温；黑曲霉生长370C，产糖 化酶32～340C。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如 谷氨酸产生菌生长30～320C，产酸34～370C。最适温度 选择要根据菌种与发酵阶段做试验。
lg
K Байду номын сангаас2
E
K r1
11
TT
1
2
K与温度有关
E越大温度变化 对K的影响越大
发酵过程控制
温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的
青 霉 素
120C～300C
发酵过程控制
2、温度影响发酵方向
四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉 素和四环素，当温度低于300C时，这 种菌合成金霉素能力较强；温度提高， 合成四环素的比例也提高，温度达到 350C时，金霉素的合成几乎停止，只 产生四环素。
二、微生物与温度相关性的原理
1、微生物对温度的要求不同与它们的膜 结构物理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常 生理条件下，膜中的脂质成分应保持液晶 状态，只有当细胞膜处于液晶状态，才能 维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最 佳生长状态
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范 围相一致。