第八章_发酵设备与反应器
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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。
发酵液体积氧的浓度
微生物对氧的需求
问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中 氧很容易满足。 例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2· L-1· S-1 计， 0.25/0.052=4.8秒 注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样： 头孢菌素 卷须霉素 5% (相对于饱和浓度） 13% >13% >8%
遗传因素 菌龄 营养的成分与浓度 有害物质的积累 培养条件
第二节 反应器中氧的传递
气膜 液膜
P 一、发酵液中氧的传递方程
Ci Pi
N kg ( P P i ) kl (ci c)
N：传氧速率 kmol/m2.h kg: 气膜传质系数 kmol/m2.h.atm Kl: 液膜传质系数 m/h
反应器中氧的传递
二、发酵液中氧的平衡 发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中 传递： Nv Kl a(c * c) 消耗： r= QO2 .X
氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面
反应器中氧的传递
三、供氧的调节
Nv Kl a(c * c)
C有一定的工艺要求，所以可以通过KLa 和C*来调节 其中 C*＝P*H
氧的供需及对发酵的影响
微生物对氧的需求
发酵液中氧的供给
影响KLa的因素（供氧的调节）
与溶氧相关的参数测定
发酵过程中溶氧监控的意义
微生物对氧的需求
第一节 微生物对氧的需求
一、描述微生物需氧的物理量 比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位重量 的细胞所消耗的氧气，mmol O2· g-1(干菌体)· h-1
摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。 mmol O2· L-1· h-1。 r= QO2 .X
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程的特性与工业控制1
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
三、利用基因工程菌生产的特点
基因工程菌带有外源基因，外源基因可能在质 粒上也可能整合到染色体上，这些基因可能不稳 定。丢失外源基因的菌往往比未丢失的菌生长快 得多，这样就会大大降低产物的表达。为了抑制 基因丢失的菌的生长，一般在培养中加入选择压 力，如抗生素。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
3、低等真核细胞
酵母菌 酿酒酵母是第一个被人利用的生物， 它的最大生长速率是大肠杆菌的25%，酵母比 最大的细菌大，容易从发酵液中回收。酵母有 简单糖基化能力和分泌蛋白的能力。这些是它 的优点。但酵母达到高表达水平比大肠杆菌困 难，外源蛋白分泌到胞外也有限，现在发展了 其他的酵母如甲醇营养型酵母等。 当产生是外源蛋白需要复杂的糖基化和翻译后 修饰时，低等真核细胞就不能适应，要用动物 细胞组织培养来达到。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
4、控制比生长速率的葡萄糖流加
菌体的比生长速率与代谢产物的表达 密切相关。比生长速率太大，超过某 一值，易产生乙酸，这一比生长速率 值称为菌体的乙酸产生临界比生长速 率。通过考察得出最优比生长速率， 控制溶氧、转速、补糖来控制比生长 速率。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
3、宿主细胞突变
宿主细胞的突变也会造成生产能力的减少。 这些突变通常改变细胞调节，结果减少目标 蛋白的合成。例如，控制外源蛋白表达的启 动子，利用宿主细胞的启动子，如果宿主细 胞启动子的改变，将大大改变质粒编码蛋白 的生产水平。乳糖操纵子是常用是操纵子， 通过加入乳糖或它的结构类似物（如IPTG） 来启动表达，如果乳糖操纵子编码半乳糖苷 透酶的基因发生突变就会阻止乳糖或乳糖的 结构类似物进入细胞，从而不能启动细胞的 表达。
三、利用基因工程菌生产的特点
基因工程菌带有外源基因，外源基因可能在质 粒上也可能整合到染色体上，这些基因可能不稳 定。丢失外源基因的菌往往比未丢失的菌生长快 得多，这样就会大大降低产物的表达。为了抑制 基因丢失的菌的生长，一般在培养中加入选择压 力，如抗生素。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
3、低等真核细胞
酵母菌 酿酒酵母是第一个被人利用的生物， 它的最大生长速率是大肠杆菌的25%，酵母比 最大的细菌大，容易从发酵液中回收。酵母有 简单糖基化能力和分泌蛋白的能力。这些是它 的优点。但酵母达到高表达水平比大肠杆菌困 难，外源蛋白分泌到胞外也有限，现在发展了 其他的酵母如甲醇营养型酵母等。 当产生是外源蛋白需要复杂的糖基化和翻译后 修饰时，低等真核细胞就不能适应，要用动物 细胞组织培养来达到。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
4、控制比生长速率的葡萄糖流加
菌体的比生长速率与代谢产物的表达 密切相关。比生长速率太大，超过某 一值，易产生乙酸，这一比生长速率 值称为菌体的乙酸产生临界比生长速 率。通过考察得出最优比生长速率， 控制溶氧、转速、补糖来控制比生长 速率。
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
张嗣同发酵工程第八章典型发酵过程 的特性与工业控制1
3、宿主细胞突变
宿主细胞的突变也会造成生产能力的减少。 这些突变通常改变细胞调节，结果减少目标 蛋白的合成。例如，控制外源蛋白表达的启 动子，利用宿主细胞的启动子，如果宿主细 胞启动子的改变，将大大改变质粒编码蛋白 的生产水平。乳糖操纵子是常用是操纵子， 通过加入乳糖或它的结构类似物（如IPTG） 来启动表达，如果乳糖操纵子编码半乳糖苷 透酶的基因发生突变就会阻止乳糖或乳糖的 结构类似物进入细胞，从而不能启动细胞的 表达。
第八章生物反应器
第八章生物反应器教学目标：掌握返混的概念；了解理想反应器模型；了解发酵罐的基本结构。
教学重点：返混的概念；发酵罐的基本结构。
教学难点：发酵罐的基本结构。
课时：6学时生物反应器：利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装臵。
（古代欧洲用牛胃盛牛奶，牛胃中的活性物质把牛奶转化为乳酪。
牛胃便是生物反应器，活性物质是凝乳酶）第一节生物反应器基本知识一、生物反应器类型1、按操作方式分：间歇、连续、半连续；2、按照反应器内流体流动及物料混合程度：理想、非理想；3、按照几何构型和结构特征：罐式、管式、塔式、膜式；4、按照相态：非均相、均相；5、按照流体与固体催化剂的接触方式：固定床、流化床；6、按照所使用的催化剂：酶催化反应期、微生物反应器。
例如：葡萄糖被葡萄糖异构酶所催化是单一的酶催化反应，所需的反应器为酶反应器。
葡萄糖发酵成乙醇是由微生物酵母生产的一系列酶在无氧条件下催化而成的产品，所用酶反应器为发酵罐。
随着生物工程技术的发展，动植物细胞逐渐从实验室规模过渡到生产规模。
动植物细胞培养是指动物或植物在体外条件下进行培养繁殖，此时细胞虽然生长增多，但不再形成组织。
动植物培养与微生物培养有较大区别，首先是动物细胞没有细胞壁，而且大多数哺乳动物细胞附着在固体或半固体表面才能生长，并对培养基的营养要求苛刻等原因，所以强烈的机械搅拌与通气鼓泡产生较大的剪切力都会损伤细胞，使细胞破裂。
植物细胞具有细胞壁，可以像微生物一样在液体中悬浮培养，但对流体的剪切力的耐受性比微生物低，再加上动物细胞的生长比微生物缓慢，并且动物细胞培养条件又非常适合杂菌生长。
所以反应器在结构上有特殊要求。
二、生物反应器设计内容与开发趋势1、设计内容：生物反应器在生物工程中处于极为重要的中心地位，它通常影响整个过程经济效益的重要方面。
反应器设计的基本准则是操作状态最佳化。
（1）反应器类型：根据生产工艺特征、反应及物料特性等因素确定反应器的操作方式、结构类型、传动和流动方式等。
发酵动力学
第八章 发酵动力学
微生物发酵动力学： 是研究发酵过程中微生
物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的 动态平衡及其内在规律的科学。
发酵动力学中常用的几个术语:
1．得率(或产率，Y)：包括生长得率(Yx/s)和产物 得率(Yp/s)。
得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的 关系。
生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重(g)。
∵在稳定状态下，底物增加速率 dS/dt＝0， ∴上式表现为： 又 ∵ μ＝D
D(S 0 S )YX / S X
∴ X＝YX/S（S0-S） 此式即连续培养的稳定态方程。
三、细胞浓度与稀释率的关系 已知分批发酵时： mS Ks S mS D 用于连续培养时，∵μ＝D， ∴ Ks S
发酵反应动力学的研究内容
研究反应速度及其影响因素并建 立反应速度与影响因素的关联
反应动力学模型
+
反应器特性
反 应 器 的 操 作 模 型
操作条件与反 应结果的关系， 定量地控制反 应过程
研究发酵动力学的目的：
进行最佳发酵工艺条件的控制，即发酵工 艺最优化。
第一节 发酵类型
1．固体发酵生产 固体发酵生产是将一种或多
X—细胞干重浓度(g/L) t—时间(h) μ—比生长速率(h-1)，即单位重量 菌体的瞬时增量g/(g· h)
对数期： μ 与微生物种类、培养温度、pH、培养基成分 及限制性基质浓度等因素有关。在对数生长 阶段，细胞的生长不受限制，因此比生长速 率达到最大值μ m
dX mX dt
Xt mt 经积分后 ln X0
当X=Xmax时，开始以恒定的速度补加培养基(因 为此时营养物基本耗完)。 这时，稀释率D<μ max，事实上随着流加的进行， 所有限制性营养物都很快被消耗（即流入的营养物 与细胞消耗掉的营养物相等）。因此dS/dt＝0。 尽管随时间的延长，培养液中总菌体量增加，但实 际上细胞浓度X保持不变，即dX/dt=0，因而μ ≈ D。 这种dS/dt=0, dX/dt=0, μ ≈ D的状态，就称为“准 恒定状态”。
微生物发酵动力学： 是研究发酵过程中微生
物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的 动态平衡及其内在规律的科学。
发酵动力学中常用的几个术语:
1．得率(或产率，Y)：包括生长得率(Yx/s)和产物 得率(Yp/s)。
得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的 关系。
生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重(g)。
∵在稳定状态下，底物增加速率 dS/dt＝0， ∴上式表现为： 又 ∵ μ＝D
D(S 0 S )YX / S X
∴ X＝YX/S（S0-S） 此式即连续培养的稳定态方程。
三、细胞浓度与稀释率的关系 已知分批发酵时： mS Ks S mS D 用于连续培养时，∵μ＝D， ∴ Ks S
发酵反应动力学的研究内容
研究反应速度及其影响因素并建 立反应速度与影响因素的关联
反应动力学模型
+
反应器特性
反 应 器 的 操 作 模 型
操作条件与反 应结果的关系， 定量地控制反 应过程
研究发酵动力学的目的：
进行最佳发酵工艺条件的控制，即发酵工 艺最优化。
第一节 发酵类型
1．固体发酵生产 固体发酵生产是将一种或多
X—细胞干重浓度(g/L) t—时间(h) μ—比生长速率(h-1)，即单位重量 菌体的瞬时增量g/(g· h)
对数期： μ 与微生物种类、培养温度、pH、培养基成分 及限制性基质浓度等因素有关。在对数生长 阶段，细胞的生长不受限制，因此比生长速 率达到最大值μ m
dX mX dt
Xt mt 经积分后 ln X0
当X=Xmax时，开始以恒定的速度补加培养基(因 为此时营养物基本耗完)。 这时，稀释率D<μ max，事实上随着流加的进行， 所有限制性营养物都很快被消耗（即流入的营养物 与细胞消耗掉的营养物相等）。因此dS/dt＝0。 尽管随时间的延长，培养液中总菌体量增加，但实 际上细胞浓度X保持不变，即dX/dt=0，因而μ ≈ D。 这种dS/dt=0, dX/dt=0, μ ≈ D的状态，就称为“准 恒定状态”。
发酵学 第8章 发酵过程的检测与自控
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
要点
呼吸商 传感器 生物传感器 离线传感器 在线传感器 原位传感器
发酵过程检测的目的 发酵过程自动控制包括哪三方面内容 发酵过程采用的基本自控系统有那几种方式 发酵自动控制系统的硬件组成
1/2O2+H2O+e阳极上的反应是： 2OH-
Pb+2ACO-
Pb(ACO)2+2e-
阴极上失去电子后，阳极反应产生的电子流向阴 极，于是在二电极之间形成电流，将氧的信号转 变成电信号。氧浓度越高，电流越大。
化学信号转变成电信号
一般使用覆膜溶氧探头，它实际测量的是溶氧分压，
与溶氧浓度并不直接相关，故测量结果称为溶氧压 （dissolved oxygen tension，简称DOT），它以饱和 值(即与气相氧分压平衡的溶氧浓度)的百分数表示
间接参数：由直接参数经过计算得到，如摄氧率、 KLa等
3.传感器 1）传感器（电极或探头） 能感受规定的被测量并按照一定的规律将其 转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏 感元件、转化元件及相应的机械结构和线路 组成。
2）对传感器的要求
传感器除了满足常规要求，诸如：可靠性、 准确性、精确度、响应时间、分辨能力、灵 敏度、测量范围、特异性、可维修性等，还 应当满足一些特殊要求：
p c c0 101325
cL=c*· DOT
式中 P——实际操作压力，Pa； c0*——在0.101325 MPa压力下的饱和溶氧浓度，mol／m3或mmol／L； c*——在实际操作压力P下的饱和溶氧浓度，mol／m3或mmol／L； cL——发酵液中溶氧浓度，mol／m3或mmol／L； DOT——溶氧传感器测量的溶氧压，％。
生物反应器
间歇式生物反应器的基本特征：反应物料一次性加入和取 出，反应器内物系的组成仅随时间而变化。在该类反应器内进 行的反应过程是一非稳态过程。
连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基， 同时以相同的流量不断取出反应液。
这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物 则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。
酿酒工业
麦芽产生的淀粉酶、蛋白 酶、葡萄糖酶
β-葡聚糖酶 淀粉葡萄糖苷酶 木瓜蛋白酶
将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用 的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇 的产量
改进啤酒的过滤性能
用于生产低糖啤酒
去降乳糖为葡萄糖和半乳糖
第八章 生物反应器
应用领域
使用的酶种类
用途
乳制品工业 糖工业
凝乳酶 乳糖酶 淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖异构酶
3、酶在工业上的应用
应用领域
使用的酶种类
用途
洗涤剂工业 细菌蛋白酶类
淀粉酶类
用于污渍去除，可以直接液体使用或 用胶囊包埋后使用
可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难 溶的淀粉残迹等
烘烤食品工业 真菌产的-淀粉酶
蛋白酶类
催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类， 用于面包及面卷的制作等
在饼干制作过程中，用于降低面粉中 的蛋白质含量等
半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应 器和连续式生物反应器的一些特点。
第八章 生物反应器
3、按反应器结构特征分
釜式、管式、塔式、膜式等类型
第八章 生物反应器
4、按能量的输入方式分
通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式 利用气体喷射动能的气升式 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等
第八章 物反应器
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基， 同时以相同的流量不断取出反应液。
这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物 则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。
酿酒工业
麦芽产生的淀粉酶、蛋白 酶、葡萄糖酶
β-葡聚糖酶 淀粉葡萄糖苷酶 木瓜蛋白酶
将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用 的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇 的产量
改进啤酒的过滤性能
用于生产低糖啤酒
去降乳糖为葡萄糖和半乳糖
第八章 生物反应器
应用领域
使用的酶种类
用途
乳制品工业 糖工业
凝乳酶 乳糖酶 淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖异构酶
3、酶在工业上的应用
应用领域
使用的酶种类
用途
洗涤剂工业 细菌蛋白酶类
淀粉酶类
用于污渍去除，可以直接液体使用或 用胶囊包埋后使用
可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难 溶的淀粉残迹等
烘烤食品工业 真菌产的-淀粉酶
蛋白酶类
催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类， 用于面包及面卷的制作等
在饼干制作过程中，用于降低面粉中 的蛋白质含量等
半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应 器和连续式生物反应器的一些特点。
第八章 生物反应器
3、按反应器结构特征分
釜式、管式、塔式、膜式等类型
第八章 生物反应器
4、按能量的输入方式分
通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式 利用气体喷射动能的气升式 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等
第八章 物反应器
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
第8章连续发酵
必须与全部工艺系统中的其 它工段保持连续一致
营养成分的利用较分批 发酵稍差产物浓度较分
批发酵略低 杂菌污染的机会较多，菌 种发生变异的问题没有解决
开放式（菌体取出）
单罐
多罐
封闭式（菌体不取出）
单罐
多罐
均匀混合
非循环
搅拌发酵罐 搅拌发酵罐（串联）
透析膜培养
___
非均匀混合
循环 非循环
搅拌发酵罐（菌 体部分重复使用 )
浓度达到一定程度后,以恒定的流量向反应器中流加培养基, 同时以相同流量取出发酵液,使反应器内的发酵液体积保持 恒定.如果在反应器中进行充分的搅拌,则培养液中各处的组 成相同,并且也与流出液的组成相同,成为一个连续流动搅拌 罐反应器(CSTR)｡
连续发酵的控制方式有两种: 恒浊器法 恒化器法
a. 恒浊器法(turbidostat) 通过自控仪表调节输入料液的流量, 以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值。
操作情况 生产情况 微生物的情况
优点
设备的体积可以减小 能合理的按照发酵阶
段实行连续化
操作时间可以缩短 总的操作管理较方便 中间产物和最终产物稳定 生产系统化可节约人力、 物力、降低生产费用 对微生物的生理、生态 和反应机制比较容易分析
存在的问题
将原有分批发酵设备改装成 连续化有一定困难设备的合
理性和加料设备的精确 性要求甚高
管道发酵器、 塔式发酵罐
搅拌发酵罐串联（菌 体部分重复使用）
塔式发酵罐、装有隔 板的管道发酵罐 （卧式、立式）
搅拌发酵罐（菌 搅拌发酵罐串联(菌 体100％重复使用) 体100％重复使用）
塔式发酵罐（菌 塔式发酵罐（菌体 体100％重复使用) 100％重复使用）
营养成分的利用较分批 发酵稍差产物浓度较分
批发酵略低 杂菌污染的机会较多，菌 种发生变异的问题没有解决
开放式（菌体取出）
单罐
多罐
封闭式（菌体不取出）
单罐
多罐
均匀混合
非循环
搅拌发酵罐 搅拌发酵罐（串联）
透析膜培养
___
非均匀混合
循环 非循环
搅拌发酵罐（菌 体部分重复使用 )
浓度达到一定程度后,以恒定的流量向反应器中流加培养基, 同时以相同流量取出发酵液,使反应器内的发酵液体积保持 恒定.如果在反应器中进行充分的搅拌,则培养液中各处的组 成相同,并且也与流出液的组成相同,成为一个连续流动搅拌 罐反应器(CSTR)｡
连续发酵的控制方式有两种: 恒浊器法 恒化器法
a. 恒浊器法(turbidostat) 通过自控仪表调节输入料液的流量, 以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值。
操作情况 生产情况 微生物的情况
优点
设备的体积可以减小 能合理的按照发酵阶
段实行连续化
操作时间可以缩短 总的操作管理较方便 中间产物和最终产物稳定 生产系统化可节约人力、 物力、降低生产费用 对微生物的生理、生态 和反应机制比较容易分析
存在的问题
将原有分批发酵设备改装成 连续化有一定困难设备的合
理性和加料设备的精确 性要求甚高
管道发酵器、 塔式发酵罐
搅拌发酵罐串联（菌 体部分重复使用）
塔式发酵罐、装有隔 板的管道发酵罐 （卧式、立式）
搅拌发酵罐（菌 搅拌发酵罐串联(菌 体100％重复使用) 体100％重复使用）
塔式发酵罐（菌 塔式发酵罐（菌体 体100％重复使用) 100％重复使用）