第五章 发酵过程控制讲解

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、效价、糖含量、前体(如 苯乙酸)浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体 积%)等。不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、 排气中的O2和CO2含量等。
发酵过程各参数概况
参数名称 温度 罐压
空气流量 搅拌转速
pH
测试方法 传感器 压力表 传感器 传感器 酸度计
3．溶解氧浓度［10-6（ppm）或饱和度（％）］
• 溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。 •利用溶氧浓度的变化，可了解产生菌对氧利用的 规律，反映发酵的异常情况，也可作为发醉中间 控制的参数及设备供氧能力的指标。 •溶氧浓度一般用绝对含量（10-6）来表示、有时 也用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。
意义、主要作用 维持生长、合成 维持正压、增加DO 供氧排泄废气提高KLα 物料混合、提高KLα 反映pH、KLα
第二节、发酵过程控制
一、温度变化及控制 1.温度对发酵的影响
（1）影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。 在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率
也增加，但有一个最适温的酶反应的影响不同。
3．搅拌转速（r／min） •搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度， 通常以每1min的转数来表示。 •它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液的 均匀性有关。
4．搅拌功率（kw） 指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每1m3发酵 液所消耗的功率（kw／m3）。 它的大小与氧容量传递系数有关。
5．空气流量［V／（V·min），简称VVM］ •每1min内每单性体积发酵液通入空气的体积， 也是需氧发酵的控制参数。 •与氧的传递和其他控制参数有关。一般控制在 0.5～1.0V／（V·min）范围内。
6．粘度（Pa·s） 粘度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项 标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况。 通常用表观粘度表示之：它的大小可改变氧传递 的阻力。
7．浊度（％） 浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数，
对某些产品的生产是极其重要的参数。一般采 用分光光度计的波长420～660 nm测量。浊度 对氨基酸、核苷酸等产品的生产是极其重要的。
4．产物的浓度[μg（u）／ml] 这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的 重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。
5．废气中的氧含量（％） • 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数 有关。 •从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率 和发酵罐的供氧能力。
6．废气中的CO2浓度（％） • 废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的CO2。测定 它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生菌的 呼吸代谢规律。 ７.氧化还原电位（mV)
• 计算
（菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速 率、氮比消耗速率和产物比生产速率）
（控制产生菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件）
研究
发酵动力学
由此可见，取得发酵过程中正确可靠的各种数 据是研究动力学的前提。遗憾的是现有的能直接 从发酵罐中测量的参数不多，还难于做到把许多 有用的参数就地通过传感方式变成各种输出信号。
也是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。 对微生物，培养基最适宜和所允许的最大电位值， 应与微生物本身的种类和生理状态有关。
其他化学参数：DNA、RNA、生物合成的酶等。
（三）生物参数
1．菌丝形态
•丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢 变化的反映。
•一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发 酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周 期的依据之一。
8. 料液流量（L／min） 这是控制流体进料的参数。
（二）化学参数
1． pH（酸碱度）
•发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和产碱 的生化反应的综合结果。
•它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的高 低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。
2．基质浓度（g或mg％） •是指发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的 浓度。 •它们的变化对产生菌的生长和产物的合成有 着重要的影响，也是提高代谢产物产量的重 要控制手段。 •在发酵过程中，必须定时测定糖（还原糖和 总糖）、氮（氨基氮或氨氮）等基质的浓度。
如产黄青霉菌体的最适生长温度为30℃，黑曲酶的 最适生长温度为37度
（2）温度还能改变菌种代谢产物的合成方 向，细胞生长和代谢产物积累的最适温度也 往往是不同的。
例如，青霉素产生菌的生长最适温度为 30度，而产生青霉素的最适温度为25度；
（3）影响发酵液的物理性质。
发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的 溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收 速率等。
2．菌体浓度 •菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵的重要 参数之一。
•大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响
•在生产上，常常根据菌体浓度来决定适合的补 料量和供氧量，以保证生产达到顶期的水平。
（三）发酵参数在发酵过程控制中的作用
• （发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、 糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值）
第五章 发酵过程控制
典型的细菌生长曲线
a适应期（迟滞期）
10
b对数生长期期
c稳定期(平稳期）
d死亡期（衰老期）
d
b
c
a
0
ab菌体生长阶段
时间
c产物合成阶段
16
d菌体自溶阶段
第一节、发酵过程的主要控制参数
（一）物理参数 1．温度（℃） •发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度。 •影响酶反应速率、氧在培养液中的溶解度与传 递速率、菌体生长速率和产物合成速率 2．压力（Pa） 发酵过程中发酵罐维持的压力, 罐内维持正压可 以防止外界空气中的杂菌侵入，保证纯种的培养, 间接影响菌体代谢。一般维持在 0.2×105~0.5×105Pa。
2.最适温度的选择
（1）根据菌种及生长阶段选择 •前期菌量少，取稍高的温度，使菌生长迅速； •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。 •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。