第九章发酵过程控制
发酵过程控制(概述)
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分析
实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、均匀设 计、响应面设计。 优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经过数 理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准确，大大 提高了实验效率。 但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最佳 条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存在较大 的误差就会得出错误的结果。
二
发酵过程工艺控制的目的
有一个好的菌种以后要有一个配合菌种生长的最佳条 件，使菌种的潜能发挥出来。 目标是得到最大的比生产速率和最大的生产率。
发挥菌种的最大生产潜力考虑之点
菌种本身的代谢特点 ： 生长速率、呼吸强 度、营养要求（酶系统）、代谢速率
菌代谢与环境的相关性： 温度、pH、渗透 压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等
本节重点内容
根据发酵工艺，发酵分为哪几种类型？ 各自有何优缺点？
微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络 形式，比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的 前体，可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物， 而这些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的 差异会引发代谢朝不同的方向进行。
发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身的遗传 特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环境因素等等。 因此发酵过程的控制具有不确定性和复杂性。 为了全面的认识发酵过程，本章首先要告诉大家分 析发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子，说
第一节 发酵过程工艺控制的 目的、研究的方法和层次
一 发酵过程的种类
分批培养
补料分批培养
半连续培养 连续培养
1、 分批发酵 简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有 物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。 整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产 物浓度等参数都随时间变化。
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。
第九章发酵工艺
第九章发酵工艺糖质原料的共同特点是它所含的发酵性物质是可以直接供酵母进行酒精发酵的各种糖。
不同的糖质原料还有各自的特点，由于我国糖类原料目前主要是甘蔗或甜菜废糖蜜，这里重点介绍糖蜜酒精发酵的特点。
糖蜜稀释液接人培养成熟的酒母后，糖蜜稀释液中的糖分在酵母菌作用下分两大步发酵生成酒精。
第一步是酵母菌首先将体内的转化酶（即蔗糖酶．系一种胞外酶）借扩散作用分泌到细胞体外将发酵液中的蔗糖进行水解转化为葡萄糖和果糖。
第二步葡萄糖和果糖通过扩散作用进人酵母细胞体内，在酵母体内酒化酶（胞内酶）的作用下发酵变成酒精和二氧化碳：一、糖蜜酒精发酵方法糖蜜酒精发酵的方法很多，有间歇发酵、半连续发酵和连续发酵3 种，而各种方法又有很多方案，现介绍如下l 间歇发酵法(1)普通间歇发酵即单罐发酵：发酵罐空罐清洗后用蒸汽杀菌至10O℃ 保温0.5～1h ，冷却至30 ℃ 后，接人培养成熟的酒母醪液，而后再将温度为27 ～30℃ （夏天应偏低，冬天应偏高）的发酵糖液输入进行发酵。
发酵温度控制为33～35℃ 为宜。
为了有效地控制发酵，首先必须掌握好糖液入罐温度的控制，其次是加强发酵过程中的温度控制。
夏天应提早升冷却水，冬大则要迟后开冷却水，水量控制由小到大、避免猛开猛关，防止温度骤升骤降，影响发酵效果。
发酵时间一般为32～36h ，通常40～50h 即可送去蒸馏。
(2)分割式间歇发酵第一只罐按普通间歇式发酵法进行发酵,当发酵处于主发酵时,从该罐分割l/3～1/2 主发酵罐至第二罐，用稀糖液加满两罐,第一只继续发酵，直至终了,送去蒸馏。
第二罐进人主酵后再分割l/3～1/2至第三罐，再用稀糖液加满两罐，如此继续下去。
此法的优点是避免了每罐都需制作酒母，且总的发酵时间大为缩短；缺点是易染菌，必须加强糖蜜酸化灭菌工作。
此方法发醉稀糖液一般20～24OBx ，发酵温度为33～35℃ ，发酵时间28～32h 。
(3)分批流加间歇发酵法分批流加间歇发酵法是先在发酵罐内加10％～20％酒母后分3 次加人发酵稀糖液，第一次、第二次加人罐容约20％的稀糖液，第三次加40％～50％的稀糖液，以保持罐内醪液中糖浓度一致，有利于酵母的正常发酵。
发酵过程控制
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2）发酵过程中pH的变化规律 ）发酵过程中 的变化规律
生长阶段： 相对于起始 相对于起始pH有上升或下降的 生长阶段：pH相对于起始 有上升或下降的 趋势 生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合 趋于稳定， 生产阶段： 趋于稳定 成的范围 自溶阶段： 又上升 自溶阶段：pH又上升
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(一)温度对发酵的影响及其控制 一 温度对发酵的影响及其控制
1. 影响发酵温度的因素 2. 温度对微生物生长的影响 3. 温度对产物合成的影响 4. 最适温度的选择与控制
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(1)发酵热 发酵热
发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热 发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
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1. 过程控制的重要性
生物因素： 菌株特性(营养要求 生长速率、 营养要求、 决定发酵 生物因素： 菌株特性 营养要求、生长速率、 呼吸强度、产物合成速率) 呼吸强度、产物合成速率 单位(水平 水平) 单位 水平 设备性能： 的因素 外部环境因素 设备性能：传递性能 物理： 工艺条件 物理：n、T、 化学：pH、DO、浓度 化学 浓度 过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（ 过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数 的确定） 的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的 控制。 控制。
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4. 最适温度的选择与控制
最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握 通气条件较差情况下， 通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正 常良好通气条件下低一些。 常良好通气条件下低一些。 培养基成分和浓度的影响
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4. 最适温度的选择与控制
09.2 发酵过程pH控制
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5）pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响 pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响
X
生长 合 成
四 环 素
பைடு நூலகம்
pH
pH对菌体生长影响比产物合成影响小 对菌体生长影响比产物合成影响小
放线菌金色链丛菌
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3、发酵过程pH变化及其原因 发酵过程pH变化及其原因 pH 3.1发酵过程中pH值的变化一般规律 3.1发酵过程中pH值的变化一般规律 发酵过程中pH 1.在微生物细胞的生长阶段: 1.在微生物细胞的生长阶段: 在微生物细胞的生长阶段 初期:接种后到孢子萌发, 初期:接种后到孢子萌发,因碳氮源代谢水平比较低 , pH一般可维持不变,或者由于添加了CaCO3而略有上升 pH一般可维持不变,或者由于添加了CaCO 一般可维持不变 。 快速生长期：pH值变化较大，因菌种及培养基不同 快速生长期：pH值变化较大， 值变化较大 而上升或下降 2.在生产阶段，一般发酵液的pH值趋于稳定，维持在适 2.在生产阶段，一般发酵液的pH值趋于稳定， 在生产阶段 pH值趋于稳定 合产物形成的pH范围。 pH范围 合产物形成的pH范围。 3.在微生物细胞自溶阶段,养分的耗尽，菌体蛋白酶的 3.在微生物细胞自溶阶段,养分的耗尽， 在微生物细胞自溶阶段 9 活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升。 pH又上升 活跃，培养液中氨基氮增加，致使pH又上升。
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在生产上，主要的过程控制方法有： 在生产上，主要的过程控制方法有： ①添加CaCO3：当用NH4+盐作为氮源时，可在培养 添加CaCO3 当用NH4+盐作为氮源时， CaCO3： NH4+盐作为氮源时 基中加入CaCO3 用于中和NH4+被吸收后剩余的酸. CaCO3， NH4+被吸收后剩余的酸 基中加入CaCO3，用于中和NH4+被吸收后剩余的酸. ②氨水流加法：氨水可以中和发酵中产生的酸，且 氨水流加法：氨水可以中和发酵中产生的酸， NH4+可作为氮源 供给菌体营养. 可作为氮源， NH4+可作为氮源，供给菌体营养.通氨一般是使压缩 氨气或工业用氨水(浓度20 左右) 20％ 氨气或工业用氨水(浓度20％左右)，采用少量间歇 添加或连续自动流加， 添加或连续自动流加，可避免一次加入过多造成局 部偏碱。氨极易和铜反应产生毒性物质， 部偏碱。氨极易和铜反应产生毒性物质，对发酵产 生影响，故需避免使用铜制的通氨设备。 生影响，故需避免使用铜制的通氨设备。
发酵过程优化与控制PPT课件
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发酵过程技术原理
分批发酵 补料-分批发酵 半连续发酵 连续发酵
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分批发酵
几个重要参数：
为比生长速率,h-1； -qs 为比基质消耗速率,(g/g)/h； qp 为比产物形成速率,(g/g)/h 。
uX dX dt
q xX d S dt
补充养分，同时解除/消弱代谢产物的抑制。
不足：
丢失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体；送去提炼 的发酵液体积更大；丢失代谢产生的前体物；利于非产生 菌突变株的生长。
实施：海洋微藻合成藻红素和EPA。
需要摸索最佳的培养基更新速率。
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连续发酵
发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相同的流速 放料，维持发酵液原来的体积。（恒化培养）
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发酵过程优化与控制
发酵
狭义——厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成 乳酸或乙醇等的分解代谢过程。
广义——微生物把一些原料养分在合适的发酵 条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过 程。
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2
发酵是一个很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素： 菌种性能、培养基组成、原料质量、灭菌条件、种子 质量、发酵条件和过程控制等
pH变化会影响酶活，菌对基质的利用效率和细
胞结构，从而影响菌的生长和产物的合成。
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选择最适发酵pH的原则是获得最大比生产速率和
适当的菌量。
分阶段pH控制策略
如何控制发酵液pH？
基础培养基的配方；通过加酸碱或中间补料 例如，青霉素发酵，通过调节加糖速率来控制pH；链 霉素的生产，补充NH3来控制pH，同时为产物合成提 供氮源。
培养液pH可反映菌的生理状况：pH上升超过最适值，意 味着菌处于饥饿状态，可加糖调节；糖的过量又使pH下 降；用氨水中和有机酸需防止微生物中毒，可通过监测 培养液种溶氧浓度的变化来控制。
发酵工艺控制PPT课件
度，由下式求得这段时间内的发酵热：
Q发酵 = GC (t2- t1) / V (J / m3 ·h)
G --- 冷却水流量，kg/h C --- 水的比热， J/kg · ℃ t 1、t 2 --- 进、出口的冷却水温度，℃ V ---- 发酵液体积 ， m3
一、溶氧测定的意义
1、溶氧作为发酵中氧是否足够的度量，了解菌对氧利用的规律。 2、溶氧作为发酵异常情况的指示 3、溶氧 作溶为氧发一酵反中往间常控，制在的较手短段的之时一间内跌到零附近，且跌零
后长时间不回升，这很可能说明污染了好气菌 4、溶氧 作补如为糖发考后酵查，过设溶程备氧中、出溶工现氧艺明迅条显速件下回对降升氧的，供趋发需势酵与液产变物稀形，成则影很响可能 的指标是之因污一此染可了利噬用菌溶体氧作为参数来控制加料的次数、流加速
◇ 这种热的主要来源是培养基中的碳水化合物、脂肪和 蛋白质等的分解。
◇ 释放出的能量部分用来合成高能化合物(ATP),部分用来 合成产物，其余的则以热的形式散发出来
影响生物热的因素：
菌株特性 培养基成分和浓度 发酵时期
◇ 菌株对营养物质利用的速率越大，培养基成分越丰富，生 物热也就越大。 ◇ 发酵旺盛期的生物热大于其它时间的生物热 （四环素2050小时； 苏云金杆菌10-18小时）
五、温度的控制
方法： 罐壁调温 夹层调温 罐内调温
第二节 pH对发酵的影响及其控制
一、pH对菌体生长和产物合成的影响
1）pH影响酶的活性 当pH抑制菌体中某些酶的活性时，使菌体的新陈代谢
受阻
2）pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而改变细 胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产 物的排泄，因此影响代谢的正常进行。
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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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。 如黑曲霉生长温度为37。 谷氨酸棒状杆菌生 长温度为30～32 。青霉菌生长温度为30。
为什么不同微生物对温度要求不同呢？ 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， 嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
例如
一摩尔葡萄糖彻底氧化成水和二氧化碳 好氧：产生287.2千焦热量 183千焦转变为高能化合物 104.2千焦以热的形式释放 厌氧：产生22.6千焦的热量 9.6千焦转变为高能化合物 13千焦以热的形式释放 二例中葡萄糖转化为高能化合物的热量分别占 63.7%和42.6%，放出的热量分别为104.2千焦和 13千焦。 微生物的好氧培养产生的热比厌氧培养多。
一、影响发酵温度的因素
发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。
菌分解基质产生热量，
搅拌产生热量，
罐壁散热， 水分蒸发、空气排气带走热量， 发酵热引起发酵温度的上升。发酵热大，温度
上升快；发酵热小，温度上升慢。
生物热Q生物 微生物在生长繁殖过程中，产生热量，部分用 来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动 的需要，部分用来合成产物，其余部分则以热 的形式散发出来，这部分热叫生物热。
菌体浓度增大时，粘度增加，
溶氧下降。 （10）浊度 能直接反应菌体的浓度，但 不能区分菌体的死活。 （11）料液流量 连续发酵时，涉及稀释 率。 （12）产物浓度 生产目标 （13）氧化还原电位 其原因往往十分复 杂。测量手段有待开发。
（14）废气中的氧含量 （15）废气中的CO2 从中可了解生产菌 株的呼吸代谢规律。 （16）菌丝形态 判别种子质量、区分 发酵阶段、确认染菌的重要依据。 （17）菌体浓度 是确定补料量、供气量、 阶段转换的重要依据。
L-亮氨酸/g•L 糖酸转化率/%
20 16 12 8 24 26 28 30
生物热的产生具有强烈的时间性
1. 初 期：适应期，菌量少，呼吸慢，热量少 2. 对数期：菌量大，呼吸旺盛，热量多 3. 合成期：菌体合成减缓，靠已合成的酶进行反 应，产热减少，温升小。
如果培养前期温度上升过缓，发酵不正常；若培 养前期温度上升过于剧烈，有可能染菌。 此外培养基营养越丰富，生物热也越大。
1.直接状态参数 2.间接状态参数 3.离线发酵分析方法
1.直接状态参数
直接反映发酵过程微生物生理代谢状况的参 数。如pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2、 黏度等。 在线检测
传感器
2.间接状态参数
指那些采用直接状态参数计算求得的参数。 比生长速率，摄氧率（OUR）,CO2释放速率， 呼吸商（RQ），KLa。 可以提供反应过程状态、反应速率、设备性 能、设备利用效率等信息。
三、温度对发酵的影响
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 应有一个最适反应温度，低于最适温度，反应 速率随温度升高而上升，高于最适温度，发酵 速率随温度升高而下降。
阿累尼乌斯方程式
发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度 和传递速率、某些基质的分解吸收速率等，都 受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性 和产物的生物合成。
搅拌热Q搅拌
搅拌热与搅拌功率有关，可用下式计算： Q搅拌=P*860*4186.8J/h
P——搅拌轴功率 860*4186.8——机械能转变为热能的热功当 量
பைடு நூலகம்
蒸发热Q蒸发 通气时引起发酵液的水分蒸发所需的热量叫蒸发热， 此外排气也会带走部分热量叫显热Q显，显热很小， 一般可忽略。 辐射热Q辐射 发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热 通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐内与环 境的温差。冬天大一些，夏天小一些。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
（5）空气流量 空气灭菌系统、流量、温 度、目的是供氧。 （6）罐压 正压防止空气中的杂菌侵入 发酵液，罐压过高时CO2 浓度陡增，负面作 用。 （7）搅拌速度 延长空气的停留时间，提 高溶氧；促进菌体与培养基之间的质量传递。 过高时会损伤菌体、产生过多的泡沫。 （8）搅拌功率 其成本比重较大。
（9）粘度
3、离线发酵分析方法
从发酵液中取出样品进行离线分析, 分析菌体浓度，形态、培养基成分和产物成 分及含量。 显微观察，细胞体积，干重，光密度，平板 计数及基质及产物分析等。
第1节 温度对发酵的影响及其控制
一、影响发酵温度的因素
二、温度对微生物的生长的影响
三、温度对发酵的影响
四、最适温度的选择
二、温度对微生物的生长的影响
微生物生长对温度要求不同，大致可分为： 嗜冷菌： 20 ℃ 最大 0℃～26℃生长， 嗜温菌： 30～35℃ 15℃～43℃生长， 嗜热菌： 50℃ 37℃～65℃生长。
最适温度 最高温度 最低温度
在最适温度范围内，微生物生长迅速，生长 速率随温度升高而增加，温度增加10℃，生 长速率增长一倍。
重点掌握:温度、pH、溶解氧、菌体浓度、
基质浓度、二氧化碳、泡沫等因素对发酵过
程的影响
一、发酵过程的主要控制参数
(1) 温度 最适生长温度与最佳次级代谢产 物合成温度往往不同。 （2）pH 菌体的代谢影响培养基的pH，培养 基的pH又影响菌体的生长和酶系统活性、代谢 途径. （3）溶解氧的浓度（DO） 溶解氧是需氧菌 发酵的必要条件。 （4）基质含量 要保证菌体生长、维持生存、 避免抑制、合成产物等不同目的和阶段的工艺 需要。
发酵过程的主要控制参数
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. pH值（酸碱度） 温度（℃） 溶解氧浓度 基质含量 空气流量 压力 搅拌转速 搅拌功率 粘度
• • • 浊度 料液流量 产物浓度
•
• •
氧化还原电位
废气中的氧含量 废气中的CO2含量
•
•
菌丝形态
菌体浓度
二、发酵过程的参数检测