第八章 发酵过程的放大
第八章 发酵过程的放大
“发酵放大是一门艺术，而不是一门科学” —— A.E.Humphrey
就目前为止，生化放大过程一直是一 个难题。
虽然很难用理论分析，但是并不是放大 问题没解决就不能放大，反应器的不足 可以通过工艺及控制手段来弥补，工艺 的欠缺也可以通过改善反应器型式来修 正。
主要内容
2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰 直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时 的菌株损失和菌种的适应性等。
3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面 直接接触。发酵罐是和空气混合接触， 考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。
4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控 制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发 酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决 的。
➢ 第一节 发酵放大的原则及方法 ➢ 第二节 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发
酵罐放大 ➢ 第三节 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件
第三阶段 工厂大规模生产
第一节 发酵放大的原则及方法
2.供氧方面的阻力
于氧：是k1气难1 膜溶；气体：，气所k12 液以界面即；液膜：处液1的膜k13阻；力是：主发要酵k14阻液力；来由
源；
k3
3.耗氧方面的阻力
传递k：；18 胞k15 外：液为膜耗；氧方：面k菌6、的k1k丝67 阻丛力；主要：来细源k1胞7 ；膜另；外
：胞内 受菌
体生理及培k养8 基成分如pH不适、代谢产物积累等影响。
以kLa为基准的比拟放大法
有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快， 因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为 生产的限制性因素。耗氧速率可以用实 验法测定。在小型试验发酵罐里进行发 酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的 溶氧浓度。
KLa－－氧传递系数是什么？
二、氧的传递和传质方程式
一、传递途径
1、气泡中氧→气膜→气液界面→发酵液→胞外液膜→细 胞膜→细胞内
发酵罐的类型很多，所适用的体系也各 异，因此发酵罐的放大是比较复杂的。
一、发酵罐的放大原则
（1）几何相似 即按小的与大的装置 各部分几何尺寸比例大致相同放大。但 是，为了避免设备直径过大，大设备的 高径比往往大一些。
定拌而功（确率2）定）恒搅定拌等转体速积。功（率Pg放指大通气由时Pg的/V搅恒
以Po/V相等为准则的比拟放 大
对于溶氧速率控制的非牛顿发酵液系统， 把Po/V相等作为比拟放大的准则就非常 方便，同时也避免了微生物参与所带来 的计算kLa的困难。
值得注意的是， Po/V与传质系数之间的 确存在着重要的关系，但Po/V相等并不 意味着kLa相等。二者之间没有必然的 联系。
其他的比拟放大方法
（一）恒周线速度
丝状菌发酵受剪率、特别是搅拌叶轮尖 端线速度的影响较为明显。如果仅仅保持kLa 相等或Po/V相等，可能会导致严重的失误。在 Po/V相等的条件下，D/T比越小，造成的剪率 越大，也有利于菌丝团的破碎和气泡的分散， 这对于产物抑制的发酵有重要意义。所以，对 于这类发酵体系，搅拌涡轮周线速度也被认为 是比拟放大的基准之一。
可以忽略kHL ，则 ，此时K气G 体kG溶解的阻力主要来自于气膜阻力；
同理可得：
，对于K1L 难 H溶1 kG 气k1L 体如O2，H很大， ，此时气体
溶解K的L 阻k力L 主要来自于 。
kL
三、传质方程
以上只是讨论氧溶解的过程，对于整个发酵工艺控制来讲，作 为控制工艺的参数还需要从整个发酵罐对氧的需求来进行调控。
其他的比拟放大方法
（二）恒混合时间 混合时间的定义是把少许具有与搅拌
罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内， 两者达到分子水平的均匀混合所需要的时间。
混合时间主要与发酵液的粘度有关，通 常，低粘度的液体混合时间要少于高粘度的 液体。另外，放大罐的体积越大，混合时间 就越长。
其他的比拟放大方法
由此可以看出，比拟放大虽然必须以理 性知识为基础，但也离不开丰富的实际 运转经验，特别是对于非牛顿流体发酵 系统尤其如此。直到最近，比拟放大的 现状仍然如此。
NV kL a C C
N体V :积溶氧速率； 是kL 以a 为动C 力C的体积溶氧系数，该式
中NV、 C、 均C易测量，据此可以算出 ；kL 另 a 外，要使发酵正常进
行，供氧与耗氧至少应相等： kL aC， 从C此Q式O2 亦r 可算出。
需要指出的是：供氧与耗氧的平衡是动态的。
也称为“通气效率”，用来衡量发酵罐的通气状况， 高，
增加了二氧化碳的溶解度，影响pH，可能会 对菌体的代谢产生影响，因此对设备要求高； • 挡板：通过挡板的剪切作用，避免低于平均 氧浓度的死角存在；
• 通气量：通气的气速与发酵液体积之比，提高 通气量增加液体中挟持气体体积的平均成分；
• 通气气体成分：掺入纯氧，使氧分压增高，提 高溶氧；
• 发酵液粘度：粘度大，溶氧少；
的亚硫酸根离子
2SO32-+O2 Cu 2+
2SO42-
剩余的SO32-与过量的碘作用
SO32-+I2
SO42-+2I-
Na2S2O3滴定剩余的碘 S2O32-+I2
S4O62-
取样极谱法
当电解电压为0.6～1.0V时，扩散电流的大 小随液体中溶解氧的浓度成正比变化。
排气法
被测定的发酵罐中充以事先用氮气驱出 溶解氧的发酵液或0.1（体积摩尔浓度） 的KCl溶液，当开始通气搅拌后，定时 取样用极谱仪或其他方法测定其溶解氧 浓度。
（3）恒定传氧系数kLa放大 这个方法抓住了传氧这一关键因素，目
前应用很多。具体应用中要注意几个问题。
1.小试中要测得准确的kLa值，选择合适 的计算公式。
2.注意各计算kLa公式在放大中参数的变 化及适用范围。
3.按照计算P0/Pg选择通气比，计算V求
kLa来计算（P0指不通气时的搅拌功率）
（4）恒定剪切力恒定叶端速度放大 剪切力与搅拌桨叶端速度成正比，在恒定
第三节小型罐到大型罐的放大
（一）以kLa为基准的比拟放大法 （二）以Po/V相等为准则的比拟放大 （三）其他的比拟放大方法
例： 某厂试验车间用枯草杆菌在100升 罐中进行生产。—淀粉酶试验， 获得 良好成绩。放大至20立方米罐。
以KLa为基准的比拟放大
H－罐身高 m； HL－不通气时的液位高 m； T－罐直径 m； D－涡轮搅拌器直径 ，m；
• 搅拌浆功率：增加搅拌 可以改善罐内液体的混 合和循环，从而具有抑制气泡聚合的效果，而 且可以避免低于平均氧浓度的死角存在。
表面活性剂 菌丝体浓度
三、非发酵情况下参数测定原理及方法
液相体积氧传递系数KLα的测定
动态测定法：溶氧电极法
直接测定法
亚硫酸盐氧化法
用铜离子作催化剂，溶解在水中的氧能立即氧化其中
1) 在气泡与包围着气泡的液体之间 存在着界面，在界面的气泡一侧存在着 一层气膜，在界面的液体一侧存在着一 层液膜。气膜内的气体分子和液膜中的 液体分子都处于层流状态，分子间无对 流运动，因此氧的分子只能以扩散方式， 即在浓度差推动下而透过双膜。
2) 在空气主流空间的任一点，氧分 子的浓度相同，液体主流中也是如此。
NA
推动力 阻力
P Pi 1
Ci CL 1
kG P Pi kL Ci
CL ①
由于不能直接测kG定气膜kL和液膜处氧的分压、氧浓度，上试
不能直接用于实际操作。如果将两膜合并起来考虑ห้องสมุดไป่ตู้用总传质系
数和总推动力来考虑上式，则：
根据亨N利A定律k，G气P体的P溶解度与k L该C气体的C分L压成 正比，②可得：
体积功率放大时一般维持n3d2不变（n为搅拌桨 转速、d为搅拌桨直径，一般搅拌叶轮直径与罐 直径之比为0.33~0.45）
（5）恒定的混合时间tM放大
二、发酵罐的放大方法
发酵罐的比拟放大，要对具体情况 做具体分析。根据不同的需要来确定放 大准则，再选取合适的方法。具体的放 大方法主要有以下几种：
四、实际发酵情况下摇瓶内发酵工艺及 工程参数的测定
实际发酵情况下摇瓶内工艺工程参数的测定
OUR=PmA(patm-pflask)/VL; OUR’=PmA(pa-pf)/VL’ KLa=OUR/C*flask-CL)； KLa’=OUR/(c*-cL)
Pm－－摇瓶口过滤层氧通透率，mmol/(cm2·h·Pa) OUR,OUR’－－培养液中菌体的摄氧率，mmol/(L·h) KLa, KLa’－－容量传质系数， h-1 Patm—大气中氧的分压，Pa Pflask――摇瓶内氧的分压， Pa； A－摇瓶口截面积， cm2 VL’－－培养液体积， ml VL――对应时刻培养液真实体积， ml
5、搅拌方式不同，摇瓶是摇转方式进行混合搅 拌，对菌株的剪切力较小。发酵罐是直接机械 搅拌，注意剪切力的影响和无菌的影响。
6、PH的控制，摇瓶一般通过碳酸钙和间断补 料控制PH，发酵可以直接流加控制PH，比较方 便。
7、温度控制，摇瓶是空气直接接触或者传热控 制温度，但是发酵罐是蛇罐或者夹套水降温控 制，注意降温和加热的影响。
3) 在双膜之间的界面上，氧气的分 压强与溶于液体中的氧的浓度
4) 传质过程处于稳定状态，传质途 径上各点的氧的浓度不随时间而变。
氧气在气膜中的扩散动力来自于空气中的氧的分压与界面处氧
分压之差，即P - Pi，在液膜中扩散的动力来自于界面处氧浓度
与液体中氧浓度之差，即Ci - CL；
1
1
两种膜的阻力分别用 和kG 表示kL ，则单位界面氧的传递速率为：
二、气体溶解过程：双膜理论
氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程，为实 现这一过程，氧气需要跨过由气-液界面构成的屏障， 在界面的一侧有气膜，另一侧为液膜，氧的溶解需要经 过这两层膜才能实现。因此，根据这一模型建立起来的 气体溶解理论称为双膜理论。
“发酵放大是一门艺术，而不是一门科学” —— A.E.Humphrey
就目前为止，生化放大过程一直是一 个难题。
虽然很难用理论分析，但是并不是放大 问题没解决就不能放大，反应器的不足 可以通过工艺及控制手段来弥补，工艺 的欠缺也可以通过改善反应器型式来修 正。
主要内容
2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰 直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时 的菌株损失和菌种的适应性等。
3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面 直接接触。发酵罐是和空气混合接触， 考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。
4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控 制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发 酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决 的。
➢ 第一节 发酵放大的原则及方法 ➢ 第二节 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发
酵罐放大 ➢ 第三节 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件
第三阶段 工厂大规模生产
第一节 发酵放大的原则及方法
2.供氧方面的阻力
于氧：是k1气难1 膜溶；气体：，气所k12 液以界面即；液膜：处液1的膜k13阻；力是：主发要酵k14阻液力；来由
源；
k3
3.耗氧方面的阻力
传递k：；18 胞k15 外：液为膜耗；氧方：面k菌6、的k1k丝67 阻丛力；主要：来细源k1胞7 ；膜另；外
：胞内 受菌
体生理及培k养8 基成分如pH不适、代谢产物积累等影响。
以kLa为基准的比拟放大法
有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快， 因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为 生产的限制性因素。耗氧速率可以用实 验法测定。在小型试验发酵罐里进行发 酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的 溶氧浓度。
KLa－－氧传递系数是什么？
二、氧的传递和传质方程式
一、传递途径
1、气泡中氧→气膜→气液界面→发酵液→胞外液膜→细 胞膜→细胞内
发酵罐的类型很多，所适用的体系也各 异，因此发酵罐的放大是比较复杂的。
一、发酵罐的放大原则
（1）几何相似 即按小的与大的装置 各部分几何尺寸比例大致相同放大。但 是，为了避免设备直径过大，大设备的 高径比往往大一些。
定拌而功（确率2）定）恒搅定拌等转体速积。功（率Pg放指大通气由时Pg的/V搅恒
以Po/V相等为准则的比拟放 大
对于溶氧速率控制的非牛顿发酵液系统， 把Po/V相等作为比拟放大的准则就非常 方便，同时也避免了微生物参与所带来 的计算kLa的困难。
值得注意的是， Po/V与传质系数之间的 确存在着重要的关系，但Po/V相等并不 意味着kLa相等。二者之间没有必然的 联系。
其他的比拟放大方法
（一）恒周线速度
丝状菌发酵受剪率、特别是搅拌叶轮尖 端线速度的影响较为明显。如果仅仅保持kLa 相等或Po/V相等，可能会导致严重的失误。在 Po/V相等的条件下，D/T比越小，造成的剪率 越大，也有利于菌丝团的破碎和气泡的分散， 这对于产物抑制的发酵有重要意义。所以，对 于这类发酵体系，搅拌涡轮周线速度也被认为 是比拟放大的基准之一。
可以忽略kHL ，则 ，此时K气G 体kG溶解的阻力主要来自于气膜阻力；
同理可得：
，对于K1L 难 H溶1 kG 气k1L 体如O2，H很大， ，此时气体
溶解K的L 阻k力L 主要来自于 。
kL
三、传质方程
以上只是讨论氧溶解的过程，对于整个发酵工艺控制来讲，作 为控制工艺的参数还需要从整个发酵罐对氧的需求来进行调控。
其他的比拟放大方法
（二）恒混合时间 混合时间的定义是把少许具有与搅拌
罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内， 两者达到分子水平的均匀混合所需要的时间。
混合时间主要与发酵液的粘度有关，通 常，低粘度的液体混合时间要少于高粘度的 液体。另外，放大罐的体积越大，混合时间 就越长。
其他的比拟放大方法
由此可以看出，比拟放大虽然必须以理 性知识为基础，但也离不开丰富的实际 运转经验，特别是对于非牛顿流体发酵 系统尤其如此。直到最近，比拟放大的 现状仍然如此。
NV kL a C C
N体V :积溶氧速率； 是kL 以a 为动C 力C的体积溶氧系数，该式
中NV、 C、 均C易测量，据此可以算出 ；kL 另 a 外，要使发酵正常进
行，供氧与耗氧至少应相等： kL aC， 从C此Q式O2 亦r 可算出。
需要指出的是：供氧与耗氧的平衡是动态的。
也称为“通气效率”，用来衡量发酵罐的通气状况， 高，
增加了二氧化碳的溶解度，影响pH，可能会 对菌体的代谢产生影响，因此对设备要求高； • 挡板：通过挡板的剪切作用，避免低于平均 氧浓度的死角存在；
• 通气量：通气的气速与发酵液体积之比，提高 通气量增加液体中挟持气体体积的平均成分；
• 通气气体成分：掺入纯氧，使氧分压增高，提 高溶氧；
• 发酵液粘度：粘度大，溶氧少；
的亚硫酸根离子
2SO32-+O2 Cu 2+
2SO42-
剩余的SO32-与过量的碘作用
SO32-+I2
SO42-+2I-
Na2S2O3滴定剩余的碘 S2O32-+I2
S4O62-
取样极谱法
当电解电压为0.6～1.0V时，扩散电流的大 小随液体中溶解氧的浓度成正比变化。
排气法
被测定的发酵罐中充以事先用氮气驱出 溶解氧的发酵液或0.1（体积摩尔浓度） 的KCl溶液，当开始通气搅拌后，定时 取样用极谱仪或其他方法测定其溶解氧 浓度。
（3）恒定传氧系数kLa放大 这个方法抓住了传氧这一关键因素，目
前应用很多。具体应用中要注意几个问题。
1.小试中要测得准确的kLa值，选择合适 的计算公式。
2.注意各计算kLa公式在放大中参数的变 化及适用范围。
3.按照计算P0/Pg选择通气比，计算V求
kLa来计算（P0指不通气时的搅拌功率）
（4）恒定剪切力恒定叶端速度放大 剪切力与搅拌桨叶端速度成正比，在恒定
第三节小型罐到大型罐的放大
（一）以kLa为基准的比拟放大法 （二）以Po/V相等为准则的比拟放大 （三）其他的比拟放大方法
例： 某厂试验车间用枯草杆菌在100升 罐中进行生产。—淀粉酶试验， 获得 良好成绩。放大至20立方米罐。
以KLa为基准的比拟放大
H－罐身高 m； HL－不通气时的液位高 m； T－罐直径 m； D－涡轮搅拌器直径 ，m；
• 搅拌浆功率：增加搅拌 可以改善罐内液体的混 合和循环，从而具有抑制气泡聚合的效果，而 且可以避免低于平均氧浓度的死角存在。
表面活性剂 菌丝体浓度
三、非发酵情况下参数测定原理及方法
液相体积氧传递系数KLα的测定
动态测定法：溶氧电极法
直接测定法
亚硫酸盐氧化法
用铜离子作催化剂，溶解在水中的氧能立即氧化其中
1) 在气泡与包围着气泡的液体之间 存在着界面，在界面的气泡一侧存在着 一层气膜，在界面的液体一侧存在着一 层液膜。气膜内的气体分子和液膜中的 液体分子都处于层流状态，分子间无对 流运动，因此氧的分子只能以扩散方式， 即在浓度差推动下而透过双膜。
2) 在空气主流空间的任一点，氧分 子的浓度相同，液体主流中也是如此。
NA
推动力 阻力
P Pi 1
Ci CL 1
kG P Pi kL Ci
CL ①
由于不能直接测kG定气膜kL和液膜处氧的分压、氧浓度，上试
不能直接用于实际操作。如果将两膜合并起来考虑ห้องสมุดไป่ตู้用总传质系
数和总推动力来考虑上式，则：
根据亨N利A定律k，G气P体的P溶解度与k L该C气体的C分L压成 正比，②可得：
体积功率放大时一般维持n3d2不变（n为搅拌桨 转速、d为搅拌桨直径，一般搅拌叶轮直径与罐 直径之比为0.33~0.45）
（5）恒定的混合时间tM放大
二、发酵罐的放大方法
发酵罐的比拟放大，要对具体情况 做具体分析。根据不同的需要来确定放 大准则，再选取合适的方法。具体的放 大方法主要有以下几种：
四、实际发酵情况下摇瓶内发酵工艺及 工程参数的测定
实际发酵情况下摇瓶内工艺工程参数的测定
OUR=PmA(patm-pflask)/VL; OUR’=PmA(pa-pf)/VL’ KLa=OUR/C*flask-CL)； KLa’=OUR/(c*-cL)
Pm－－摇瓶口过滤层氧通透率，mmol/(cm2·h·Pa) OUR,OUR’－－培养液中菌体的摄氧率，mmol/(L·h) KLa, KLa’－－容量传质系数， h-1 Patm—大气中氧的分压，Pa Pflask――摇瓶内氧的分压， Pa； A－摇瓶口截面积， cm2 VL’－－培养液体积， ml VL――对应时刻培养液真实体积， ml
5、搅拌方式不同，摇瓶是摇转方式进行混合搅 拌，对菌株的剪切力较小。发酵罐是直接机械 搅拌，注意剪切力的影响和无菌的影响。
6、PH的控制，摇瓶一般通过碳酸钙和间断补 料控制PH，发酵可以直接流加控制PH，比较方 便。
7、温度控制，摇瓶是空气直接接触或者传热控 制温度，但是发酵罐是蛇罐或者夹套水降温控 制，注意降温和加热的影响。
3) 在双膜之间的界面上，氧气的分 压强与溶于液体中的氧的浓度
4) 传质过程处于稳定状态，传质途 径上各点的氧的浓度不随时间而变。
氧气在气膜中的扩散动力来自于空气中的氧的分压与界面处氧
分压之差，即P - Pi，在液膜中扩散的动力来自于界面处氧浓度
与液体中氧浓度之差，即Ci - CL；
1
1
两种膜的阻力分别用 和kG 表示kL ，则单位界面氧的传递速率为：
二、气体溶解过程：双膜理论
氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程，为实 现这一过程，氧气需要跨过由气-液界面构成的屏障， 在界面的一侧有气膜，另一侧为液膜，氧的溶解需要经 过这两层膜才能实现。因此，根据这一模型建立起来的 气体溶解理论称为双膜理论。
合集下载
第八章_发酵过程参数的检测及控制
主要参数检测原理及仪器
•液体和气体流量测定
主要参数检测原理及仪器
• 搅拌转速
常用检测方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等。
感应片切割磁 场或光速。
输出电压与转 速成正比。
主要参数检测原理及仪器
• pH的检测
常用pH检定仪为复合pH电极，具有
结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。
思考：pH电极如何标定？
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
（一）温度的控制
生长阶段
生成阶段
自溶阶段
2、引起pH下降的因素
碳源过量 消泡油添加过量 生理酸性物质的存在
3、引起pH上升的因素
氮源过多
生理碱性物质的存在 中间补料，碱性物质添加过多
4、 pH的控制
调节基础培养基的配方
调节碳氮比（C/N）
添加缓冲剂 补料控制 – 直接加酸加碱 – 补加碳源或氮源
1、基本的自动控制系统
②反馈控制 反馈控制是自动控制的主要方式
控制器
被控对象
传感器
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；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
发酵思考题完整答案
发酵思考题完整答案第⼋章发酵过程1，发酵过程的定义发酵过程即细胞的⽣物反应过程，是指由⽣长繁殖的细胞所引起的⽣物反应过程。
它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，⽽且还包括固定化细胞的反应过程、⽣物法废⽔处理过程和细菌采矿等过程。
2，为何要研究发酵过程微⽣物发酵的⽣产⽔平不仅取决于⽣产菌种本⾝的性能，⽽且要赋以合适的环境条件才能使它的⽣产能⼒充分表达出来。
为此我们必须通过各种研究⽅法了解有关⽣产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深⼊地了解⽣产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的⽣产⼯艺提供理论基础。
同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测⼿段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采⽤传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使⽣产菌种处于产物合成的优化环境之中。
3，发酵过程的主要控制参数主要分为哪三⼤类物理、化学和⽣物三类4，发酵过程中通常测定的参数有哪些⽬前较常测定的参数有温度、罐压、空⽓流量、搅拌转速、pH、溶氧、基质浓度、菌体浓度(⼲重、离⼼压缩细胞体积%)等。
5，发酵过程中参数测定的⽅法有哪两种参数测定⽅法有：在线测定，取样测定（离线测定）6，简述发酵过程的代谢变化规律。
为什么要了解这⼀规律。
1）代谢变化就是反映发酵过程中菌体的⽣长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。
2）了解⽣产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通⽓搅拌等环境条件下对基质的利⽤、细胞的⽣长以及产物合成的代谢变化，有利于⼈们对⽣产的控制。
7，分批发酵、补料分批发酵和连续发酵的定义。
对这三种发酵⽅式进⾏⽐较。
分批发酵(Batch fermentation)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。
第八章发酵培养方法及发酵动力学
• 在连续培养技术中被称为稀释速率，用 符号“D”表示
（等于培养液在罐中平均停留时间τ的倒数）
• 在稳定状态下，细胞的比生长速率等于稀释 速率。
2. 基于限制性营养成分（S）的物料平衡
• 养分进入系统的速率－养分流出系统的速率－用于 生长的养分消耗的速率－用于维持的养分消耗的速 率－用于产物形成的养分消耗的速率 ＝养分在系统中积累的速率
遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧 的矛盾。②避免培养基积累有毒代谢物。 • 缺点：增加了染菌机会；比生产速率下降。 • 适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、 酶、核苷酸、有机酸等的生产。
三、连续培养技术
• 连续进出料液，保持发酵液体积恒定，使培养物在近似恒 定状态下生长的培养方法。
• 转化率：（已经反应的基质量）/（总共加入的基质
量）*100%
（2）发酵过程反应速度的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
基质消耗速率： 菌体生长速率： 产物生成速率：
dS rs d t
rx
dX dt
rp
dP dt
(g·L-1·h-1) (g·L-1·h-1) (g·L-1·h-1)
F0, S0, X0, P0
F, S, X, P, Xd
F0=F
反应器内(V)全 混流溶质浓度处 处相等
S, X, Xd, V, P
1. 基于细胞量（X）的物料平衡
细胞的进入速率－细胞的流出速率＋细胞的生长速率 －细胞的死亡速率 ＝细胞的积累速率
简化后：
在连续培养系统达到稳定状态时 式可变为：
，上
第八章 发酵培养方法及发酵动力学
第一节 发酵培养的方法
第八章 发酵中式比拟放大
第三节 发酵中试和发酵罐比拟放大内容
1、发酵中试放大的内容 研究在一定规模设备中操作参数和条件的变化规
律；验证实验室工艺路线的可行性；进行工艺条 件限度实验和过程优化控制；确定小试到放大所 需测定参数及过程控制方法；解决实验室阶段未 能解决或尚未发现的问题。 具体内容有以下几个部分：
（1）生产工艺路线的复审 （2）设备材质与型式选择 （3）搅拌器型式和搅拌速度的考察 （4）反应条件的进一步研究 （5）工艺流程和操作方法的确定 （6）原辅材料和中间体的质量控制
大罐单位体积需要通风量要比小罐单位体积通风量 小的多。
（3）搅拌功率放大 搅拌功率是影响溶氧量的关键因素，搅拌功率放
大是放大主要内容，性质固定液体，功率取决于 转速n和叶轮直径Di,一般Di固定，放大就主要是转 速问题。 ①按雷诺系数Re相等放大 ②单位体积液体消耗功率P0/V相等放大
③按体积溶氧系数相等放大 ④搅拌器末端线速度相等放大 ⑤按单位体积搅拌循环量F/V相等放大
第四节 发酵中试比拟放大的方法
1、比拟放大的基本方法 将在小型设备中进行的科研成果放在大生产设备
中再现的过程，便是比拟放大。 基本方法：找出表征系统的各种参数，并将之组
成一个具有物理含义的无量纲量，由此再建立函 数关系式；用实验方法在试验设备中求得函数式 中包含的常熟和指数；将此确定的函数关系式用 于与试验设备几何相似的大型设备设计。 比拟放大不是简单按比例放大，而是建立在几何 相似、培养条件相同和微生物在反应器中充分分 散的假设基础上的。 一般生物工业生产中，放大倍数在10-200。
一致。
3、物料衡算
意义：是化工计算中最基本和重要内容，也是能 量衡算基础；揭示物料利用情况；了解产品得率 最佳值和设备生产能力潜力；掌握各生产设备匹 配情况。
发酵工程第8章发酵过程控制
使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一 氮代谢 当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被
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
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
第八章发酵下游过程
第八章 发酵下游过程简介
大多数发酵产品的下游加工过程， 常常按生产过程的顺序分为四个大框 架步骤，即发酵液的预处理和过滤、 提取、精制、成品加工
下游加工的一般流程
• 第一节 下游加工过程及技术
• 一、发酵液的预处理和固液分离
• 细胞外产物：酸化、加热、加絮凝剂等
• 细胞内产物：酸化、加热、加絮凝剂等，外加细胞破碎。
• 细胞破碎方法：物理法→高压匀浆机、球磨机、超声波 等
•
化学法→加酸或碱处理• Nhomakorabea生物法→用酶处理
• 固液分离：过滤和离心
• 二、初步纯化（提取）
• 1.吸附法：活性炭、白土、氧化铝等
• 2.离子交换法：阴离子或阳离子交换树脂
• 3.沉淀法： ①盐析法
•
②有机溶剂沉淀法
•
③等电点沉淀法
•
④非离子型聚合物沉淀法
• 2.无菌过滤和去热原
• 3.干燥
•
⑤聚电解质沉淀法
• 4.溶剂萃取法：用于抗生素等小分子物质提取
• 5.双水相萃取 • 6.超临界萃取 • 7.超滤法
• 三、高度纯化（精制）
• 1.层析法
• 2.结晶：调节pH值，改变溶解平衡，产物析出；
•
溶液冷却或加入其他溶剂或将溶剂蒸发；
•
加入晶种，有利于加快产物析出
• 四、成品加工
• 1.浓缩
大多数发酵产品的下游加工过程， 常常按生产过程的顺序分为四个大框 架步骤，即发酵液的预处理和过滤、 提取、精制、成品加工
下游加工的一般流程
• 第一节 下游加工过程及技术
• 一、发酵液的预处理和固液分离
• 细胞外产物：酸化、加热、加絮凝剂等
• 细胞内产物：酸化、加热、加絮凝剂等，外加细胞破碎。
• 细胞破碎方法：物理法→高压匀浆机、球磨机、超声波 等
•
化学法→加酸或碱处理• Nhomakorabea生物法→用酶处理
• 固液分离：过滤和离心
• 二、初步纯化（提取）
• 1.吸附法：活性炭、白土、氧化铝等
• 2.离子交换法：阴离子或阳离子交换树脂
• 3.沉淀法： ①盐析法
•
②有机溶剂沉淀法
•
③等电点沉淀法
•
④非离子型聚合物沉淀法
• 2.无菌过滤和去热原
• 3.干燥
•
⑤聚电解质沉淀法
• 4.溶剂萃取法：用于抗生素等小分子物质提取
• 5.双水相萃取 • 6.超临界萃取 • 7.超滤法
• 三、高度纯化（精制）
• 1.层析法
• 2.结晶：调节pH值，改变溶解平衡，产物析出；
•
溶液冷却或加入其他溶剂或将溶剂蒸发；
•
加入晶种，有利于加快产物析出
• 四、成品加工
• 1.浓缩
第八章 发酵机制及发酵过程动力学-2
F－培养基流速； D－稀释率
YX
S
X S0 S
连续培养的优缺点
优点： 1.能维持低基质浓度； 2.具有培养液浓度和代谢产物含量的相对稳定性，保证 了产品质量的稳定； 3.减少了分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、卸 料等操作时间，从而缩短培养周期，提高设备利用率; 4.减轻劳动强度和便于自控等； 缺点： 1.延续的时间长，发生杂菌污染的机会比较多； 2.长期进行连续培养时细胞发生变异退化的可能性比 分批培养突出； 3.细胞在反应器壁、搅拌轴、排液管等处生长，增加 了连续培养的困难；
第二节 微生物反应过程中的质量和能量衡算
48
第三节 基质消耗动力学的基本概念
S1 S S2 S3
菌体 产物 维持
维持消耗(m) ：
指维持细胞最低活性所 需消耗的能量，一般来 讲，单位重量的细胞在 单位时间内用于维持消 耗所需的基质的量是一 个常数。
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：
S(mg/l) 6 μ(h-1) 0.06 33 64 153 221 0.24 0.43 0.66 0.70
求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?
解：将数据整理：
S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221
Growth cycle of populations in batch culture
迟滞期
对数生长期
稳
定 期
死亡期
微生物生长的各阶段特征
生长阶段 延滞期
特征
细胞不分裂（不生长），但细胞变大，细胞内RNA含量增高， 原生质呈碱性，合成代谢活跃，易合成新的诱导酶，对外界 环境变化敏感。接种物中死细胞较多或培养基不丰富时延滞 期较长 细胞分裂（生长）最快，细胞进行平衡生长，酶系活跃，代 谢旺盛。生长速率由营养成分和培养条件决定
YX
S
X S0 S
连续培养的优缺点
优点： 1.能维持低基质浓度； 2.具有培养液浓度和代谢产物含量的相对稳定性，保证 了产品质量的稳定； 3.减少了分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、卸 料等操作时间，从而缩短培养周期，提高设备利用率; 4.减轻劳动强度和便于自控等； 缺点： 1.延续的时间长，发生杂菌污染的机会比较多； 2.长期进行连续培养时细胞发生变异退化的可能性比 分批培养突出； 3.细胞在反应器壁、搅拌轴、排液管等处生长，增加 了连续培养的困难；
第二节 微生物反应过程中的质量和能量衡算
48
第三节 基质消耗动力学的基本概念
S1 S S2 S3
菌体 产物 维持
维持消耗(m) ：
指维持细胞最低活性所 需消耗的能量，一般来 讲，单位重量的细胞在 单位时间内用于维持消 耗所需的基质的量是一 个常数。
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据：
S(mg/l) 6 μ(h-1) 0.06 33 64 153 221 0.24 0.43 0.66 0.70
求在该培养条件下，求大肠杆菌的μmax，Ks和td?
解：将数据整理：
S/μ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221
Growth cycle of populations in batch culture
迟滞期
对数生长期
稳
定 期
死亡期
微生物生长的各阶段特征
生长阶段 延滞期
特征
细胞不分裂（不生长），但细胞变大，细胞内RNA含量增高， 原生质呈碱性，合成代谢活跃，易合成新的诱导酶，对外界 环境变化敏感。接种物中死细胞较多或培养基不丰富时延滞 期较长 细胞分裂（生长）最快，细胞进行平衡生长，酶系活跃，代 谢旺盛。生长速率由营养成分和培养条件决定
第八章 发酵下游过程简介
下游加工技术的发展趋势
生物分离过程的高效集成化 新技术、新方法的开发及推广使用 上下游技术的集成耦合 新型分离介质材料的开发 清洁生产
细胞破碎主要是用于提取细胞内的发酵产物。细 胞破碎是指选用物理、化学、酶或机械的方法来 破坏细胞壁或细胞膜，使产物从胞内释放到周围 环境中的过程。 固液分离方法主要分为两大类：一类是限制液体 流动，颗粒在外力场的作用下（如重力和离心力 ）自由运动。传统方法如浮选、重力沉降和离心 沉降等。另外一类为颗粒受限，液体自由运动的 分离方法，如过滤等。
溶剂萃取法 利用有机溶剂来实现水相中某种物质 向有机溶液中转移的方法。由于蛋白质遇有机溶剂 会引起变性，所以溶剂萃取法一般仅用于抗生素等 小分子生物物质的提取。 双水相萃取 双水相萃取技术又称水溶液两相分配 技术，是通过在水溶液中加入两种亲水聚合物或者 一种亲水性聚合物和盐，到一定浓度时，就会形成 两相，利用目标生物质在两相中分配不同的特性来 完成浓缩和纯化的技术。 超临界流体萃取 利用超临界流体来提取液体或固 体中某种组份的技术。超临界流体的密度和液体相 近，粘度和气体相近，溶质在其中的扩散速度可为 液体的100倍，这是超临界流体的萃取能力和萃取 速度优于一般溶剂的原因。
第一节 下游加工过程及技术
发酵液的预处理和固液分离
发酵液中含有菌（细胞）体、胞内外代谢产物、残 余的培养基以及发酵过程中加入其它一些物质等。 发酵液的预处理和固液分离过程是下游加工的第一 步操作。发酵液预处理的目的，就在于改变发酵液 的性质，以利于固液分离及产品的捕集，有时还要 考虑利于菌体的回收等。常用的预处理方法有酸化 、加热、加絮凝剂等。
第二节 下游加工技术的选择及 发展趋势
第八章发酵罐比拟放大
在几何相似前提下：
P01 P02 V1 V2
P01 NPn13D5i1
P02
N
P
n
3 2
D
5 i2
V1 D13 D3i1
V2
D
3 2
D3i2
n13D12
n
32D
2 2
2
n2
n1
D1 D2
3
以上由单位体积不通风时搅拌功率相等、几何 相似放大，推导求出生产发酵罐的转速，并知： 发酵罐越大转速越低。
μ1=μ2
Q1 Q2 V1 V2
Q1
4
D121
Q2
4
D222
V1 D13
V2 D32
1 2
D1 D2
通过以上推到，说明在几何相似前提下，通 风比相等，发酵罐越大，空罐截面气速越高，有 体积溶氧系数计算公式可知，大发酵罐溶氧比小 发酵罐溶氧效果好。
三、单位体积不通风时搅拌功率相等比拟放大
1
2 3 1
1 1
因：Q gD2，VL D3
g 2 g 1
1
D2 D1
3
又因：
g
vvmVL
pD2
vvmD
p
vvm 2 vvm 1
g 2 p2D1 g 1 p1D2
1
D2 D1Fra bibliotek3
D32 D13
D2 D1
3
D2
D13
V2 V1
8第八章 发酵过程的放大
3.菌丝受机械损伤的差异
摇瓶培养：菌体只受液体的冲击或沿着 瓶壁滑动影响——机械损伤很轻； 发酵罐培养：受搅拌叶的剪切力、搅拌 时间的长短等——机械损伤程度远远大 于摇瓶培养。
搅拌增加菌体受损伤的程度
菌体内核酸类物质的漏出率与搅拌转速、 搅拌持续时间、搅拌叶的叶尖线速度、 培养液单位体积吸收的功率及Kla值成 正比关系
一、从摇瓶取得发酵罐放大有用参数的方法及原 理 二、 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发酵 罐放大 三、 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段
实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件
第三阶段 工厂大规模生产
第一节、从摇瓶取得发酵罐放大有用参数 的方法及原理
上式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。 生物反应醪液多属与时间无关的粘性流体范围（表 5-1）。
f ( )
表5-1 与时间无关的纯粘性流体的流变特性
类别 牛顿型 流变性方程 表观粘度a 恒定不变 a 示 例
假塑型 K n ,0 n 1 随剪切率的增加而 减少 a K n1 (幂律) 膨胀型 (幂律) 平汉塑型
₰ 丝状菌发酵中，高粘度发酵液的表观粘度明显 随剪切速率的不同而变化。 ₰ 同一反应器中，离搅拌器远近位置的不同，流动 特性明显不同。 ₰ 一般丝状菌的发酵液呈假塑性流体、胀塑性流 体等非牛顿性流体特性，并且发酵液的流动特性 还随时间而变化。 ₰ 微小颗粒悬浮液的粘度是多种因素的函数，除 依赖菌体颗粒的浓度外，还受颗粒的形状、大小、 颗粒的变形度、表面特性等因素影响。霉菌或放 线菌等的发酵中，发酵液的流动特性常出现大幅 度变化。