发酵工程第九章发酵过程控制

1、第九章第九章发酵过程控制发酵过程控制 本章内容本章内容一、一、概述概述二、二、代谢调控在发酵过程控制中的应用代谢调控在发酵过程控制中的应用三、三、温度温度对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制四、四、pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制五、五、溶解氧对发酵的影响及其控制溶解氧对发酵的影响及其控制六、六、CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制和呼吸商对发酵的影响及其控制七、七、基质浓度对发酵的影响及补料控制基质浓度对发酵的影响及补料控制八、八、高密度发酵及过程控制高密度发酵及过程控制九、泡沫对发酵的影响及其控制九、泡沫对发酵的影响及其控制十、十、自动控制技术在发酵过程控制中的应用自动控制技

2、术在发酵过程控制中的应用1. 过程控制的重要性过程控制的重要性 菌株特性菌株特性(营养要求、生长速率、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) 传递性能传递性能 物理：物理：n、T、Ws 化学化学：pH、DO、浓度浓度 过程控制的意义：过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数 的确定）以及在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的的确定）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。决定发酵决定发酵单位单位(水平水平)的的因素因素理化因素理化因素工艺条件工艺条件生物因素生物因素：设备性能：设备性能：2. 发酵过程控制

3、的一般步骤发酵过程控制的一般步骤 确定能反映过程变化的各种确定能反映过程变化的各种理化参数理化参数及其及其检测方法检测方法 研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制机制，获取获取最适水平最适水平或或最佳范围最佳范围建立数学模型定量描述各参数之间建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化随时间变化的关系的关系通过计算机实施通过计算机实施在线自动检测和控制在线自动检测和控制，验证各种控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程最优控制 3. 参数检测参数检测n代谢参数按性质可分为三类：代谢参数按

4、性质可分为三类：物理参数：物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等化学参数：化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、基质浓度（包括糖、氮、磷）、 pH、产物、产物浓度等浓度等生物参数：生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等3.参数检测参数检测n参数按获取方式可分为两类：参数按获取方式可分为两类： 如如T、pH、罐压、空气流量、搅罐压、空气流量、搅拌转速、溶氧浓度等拌转速、溶氧浓

5、度等如摄氧率如摄氧率()、呼吸强度、呼吸强度(QO2)、比生长、比生长速率（速率（)、体积溶氧系数体积溶氧系数(KLa)、呼吸商呼吸商(RQ)等等。直接参数直接参数： 间接参数间接参数：将直接参数通过公式计算获得的：将直接参数通过公式计算获得的参数，参数，3. 参数检测参数检测n参数的测量形式参数的测量形式离线测量：离线测量：基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代基质（糖、脂类、无机盐等）、前体和代谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）谢产物（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等）在线测量在线测量：如：如T 、pH、DO、溶解、溶解CO2、尾气、尾气CO2、黏度、黏度、搅拌转速等搅拌转速等n优点：及时、

6、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便于计算机控制。于计算机控制。n困难：传感器要求较高。困难：传感器要求较高。 v对传感器的要求对传感器的要求n能经受能经受高压高压蒸汽灭菌；蒸汽灭菌；n传感器及其二次仪表具有传感器及其二次仪表具有长期稳定性长期稳定性；n最好能在过程中随时校正，最好能在过程中随时校正，灵敏度好灵敏度好；n探头材料探头材料不易老化不易老化，使用寿命长；，使用寿命长；n安装使用和维修方便；安装使用和维修方便；n解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞 问题；问题；n价格合理，便于推广。价格合理，便于

7、推广。 3. 参数检测参数检测3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法n温度测量温度测量 感温元件：热电偶（温度信号感温元件：热电偶（温度信号 电信号电信号） 二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成 被测介质的温度被测介质的温度v参数检测方法参数检测方法n搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式，搅拌转速：磁感应式，光感应式， 测速电机；测速电机；搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。3. 参数检测参数检测3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法n空气流量测定空气流量测定体积

8、流量型：体积流量型： 会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响； 同心孔板压差式流量计；同心孔板压差式流量计； 转子流量计转子流量计。质量流量型：质量流量型： 根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。设计的流量计。v参数检测方法参数检测方法n罐压测量罐压测量 压力表压力表 压力传感器压力传感器 3.参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法n料液计量与液位控制料液计量与液位控制 压差法：压差法：H=（P2/P1）H 直接重量测量法：直接称重直接重量测量法：直接称重 体积计量法：计算进出料

9、液体积计量法：计算进出料液 流量计量法：计算流量和时间流量计量法：计算流量和时间 液位探针液位探针3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法n发酵液粘度测定发酵液粘度测定 毛细管粘度计毛细管粘度计 回转式粘度计回转式粘度计 涡轮旋转粘度计涡轮旋转粘度计3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法npH测量测量复合复合pH电极电极pH测量仪器测量仪器3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法n溶解氧的测量溶解氧的测量 化学法化学法 极谱法极谱法 复膜氧电极法复膜氧电极法 3. 参数检测参数检测复膜氧电极示意图复膜氧电极示意图（a）极谱型极谱型 （b）原电池型原电池型v参数检测方法

10、参数检测方法n溶解二氧化碳测量溶解二氧化碳测量 复膜式电极法复膜式电极法 渗透膜渗透膜碳酸氢钠法碳酸氢钠法n发酵尾气的在线分析发酵尾气的在线分析 CO2分析分析 O2分析分析3. 参数检测参数检测v参数检测方法参数检测方法n细胞浓度的测量细胞浓度的测量 化学法：如化学法：如DNA、RNA分分析等析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、物理法：如重量分析、分光光度分析、 浊度分析等浊度分析等新技术：以电容法为测量原理的在线新技术：以电容法为测量原理的在线 活细胞浓度测量传感器活细胞浓度测量传感器 3. 参数检测参数检测原位活细胞在线检测仪原位活细胞在线检测仪第一节第一节温度对发酵的影响及其控制温

11、度对发酵的影响及其控制1. 影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素2.温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响3.温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响4.最适温度的选择与控制最适温度的选择与控制 (1)发酵热发酵热n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 (2)生物热生物热n来源来源 ：微生物微生物对营养物质的分解所释放的能量对营养物质的分解所释放的能量n影响因素：影响因素：n菌株菌株n培养基成分培养基成分 n发酵时期发酵时期 n生物热与其它参数的关系生物热与其它参数的关系 呼吸强度呼吸强度QO2 糖利用速率糖利用速

12、率当产生的生物热达到高峰时，菌的呼当产生的生物热达到高峰时，菌的呼吸强度最大，糖的利用速率也最大，吸强度最大，糖的利用速率也最大，可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系2.温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响2.温度对微生物生长的影响温度对微生物生长的影响n在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，在其最适温度范围内，生长速率随温度升高而增加，当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅当温度超过最适生长温度，生长速率随温度增加而迅速下降。速下降。 n不同生长阶段的微生物对温度的

13、反应不同不同生长阶段的微生物对温度的反应不同 n处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。n对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的对于对数生长期的细菌，如果在略低于最适温度的条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破条件下培养，即使在发酵过程中升温，则升温的破坏作用较弱。坏作用较弱。 n处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于处于生长后期的细菌，其生长速度一般主要取决于溶解氧，而不是温度。溶解氧，而不是温度。 3.温度对产物合成的影响温度对产物合成的影响n影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生长

14、代谢与产物生成。长代谢与产物生成。 e.g.青霉菌发酵生产青霉素青霉菌发酵生产青霉素青霉菌生长活化能青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol青霉素合成活化能青霉素合成活化能E2=112kJ/mol青霉素合成速率对温度较敏感青霉素合成速率对温度较敏感n改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。n影响生物合成方向影响生物合成方向。e.g.四环素发酵中金色链霉菌：四环素发酵中金色链霉菌：TCCr），CO2的抑制作用不能解除，这种负作用在放大过程的抑制作用不能解除，这种负作用在放大过程更明显。更明显。n正确评价通气的作用：正确评价通气的作用：n供氧：供氧：n排

15、废气：排废气：CO2n水分及挥发性组分的散失水分及挥发性组分的散失 LaK,VVM（4）CO2释放与补糖速率的关系释放与补糖速率的关系n在青霉素发酵中补糖将引起排气在青霉素发酵中补糖将引起排气CO2增加，同时增加，同时pH下降下降。 n糖糖、CO2、pH三者的相关性三者的相关性，被青霉素工业生产上用于补料控制的参被青霉素工业生产上用于补料控制的参数，并认为排气数，并认为排气CO2的变化比的变化比pH变化更为敏感，所以测定排气变化更为敏感，所以测定排气CO2释释放率放率（CER）来控制补糖速率来控制补糖速率。 补糖与溶氧及补糖与溶氧及pH协同控制协同控制补糖速率与补糖速率与CER控制控制 补糖对

16、排气补糖对排气CO2和和pH的影响的影响（5）呼吸商与发酵的关系）呼吸商与发酵的关系不同菌株、同一菌株不同代谢途径、同一菌株利用不同基质、同不同菌株、同一菌株不同代谢途径、同一菌株利用不同基质、同一菌株在不同发酵阶段，一菌株在不同发酵阶段，RQ值不相同值不相同。RQ值可以表征发酵状况值可以表征发酵状况。 青霉素发酵不同阶段青霉素发酵不同阶段： 菌体生长阶段菌体生长阶段：RQ0.909 维持阶段维持阶段：RQ=1 生产阶段生产阶段：RQ=4如果产物的还原性比基质大时，其如果产物的还原性比基质大时，其RQ值就增加；值就增加；反之，当产物的氧化性比基质大时反之，当产物的氧化性比基质大时，RQ值就要减

17、少；值就要减少；其偏离程度决定于单位菌体利用基质形成产物的量。其偏离程度决定于单位菌体利用基质形成产物的量。产物形成对产物形成对RQ影响最大影响最大一、基质浓度对发酵的影响一、基质浓度对发酵的影响 二、补料控制二、补料控制第五节第五节 流加补料的控制流加补料的控制nSKS情况下，比生长速率与基质浓度呈直线关系：情况下，比生长速率与基质浓度呈直线关系：n一般情况下符合一般情况下符合Monod方程式方程式n基质浓度高时基质浓度高时 SkSmaxSkSSmaxSkkiimax（1） 基质浓度对微生物生长的影响基质浓度对微生物生长的影响n低浓度限制低浓度限制n高浓度抑制高浓度抑制n谷氨酸发酵谷氨酸发酵

18、（乙醇为碳源）：当乙醇浓度为（乙醇为碳源）：当乙醇浓度为2.5g/L和和35g/L时，可时，可延长谷氨酸生产时间，但在更高浓度下，菌体生长受到抑制，谷延长谷氨酸生产时间，但在更高浓度下，菌体生长受到抑制，谷氨酸产量降低。氨酸产量降低。n分解阻遏作用分解阻遏作用e.g.葡萄糖氧化酶发酵葡萄糖氧化酶发酵：葡萄糖用量从：葡萄糖用量从8%降至降至6%，补入，补入2%氨基乙氨基乙酸或甘油，使酶活力分别提高酸或甘油，使酶活力分别提高26%或或6.7%。(2) 基质浓度对产物合成的影响基质浓度对产物合成的影响n（1）补料的目的）补料的目的n（2）补料的内容）补料的内容n（3）补料的原则）补料的原则n（4）补

19、料控制的策略）补料控制的策略n（5）反馈控制参数的确定）反馈控制参数的确定n（6）补料速率的确定）补料速率的确定n（7）补料时间的优化）补料时间的优化二、补料控制二、补料控制（1）补料的目的）补料的目的n避免基质浓度过低的限制避免基质浓度过低的限制n解除解除基质过浓的抑制基质过浓的抑制n解除解除产物的反馈抑制产物的反馈抑制n解除分解代谢物阻遏作用解除分解代谢物阻遏作用n避免避免因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多而造成波谷现因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多而造成波谷现象。象。n在生产上，补料还经常作为纠正异常发酵的一个重要手段。在生产上，补料还经常作为纠正异常发酵的一个重要手段

20、。（2）补料的内容）补料的内容n补充微生物所需的碳源补充微生物所需的碳源n 补充菌体所需要的氮源补充菌体所需要的氮源n 补充微量元素或无机盐补充微量元素或无机盐n 添加前体、诱导剂等添加前体、诱导剂等（3）补料的原则）补料的原则n补料的原则就在于控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积补料的原则就在于控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展。累的方向发展。n补料速率、时间很重要。补料速率、时间很重要。n现有的各种补料措施都是通过实验方法确定的。现有的各种补料措施都是通过实验方法确定的。n中间补料的数量为基础料的中间补料的数量为基础料的13倍倍。 n大多数补料分批发酵均补加生长大

21、多数补料分批发酵均补加生长限制性基质限制性基质以以经验数据经验数据或预测数据控制流加；或预测数据控制流加；用用传感器传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加；直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加；以以物料平衡物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计算限制性基方程，通过传感器在线测定的一些参数计算限制性基质的浓度，间接控制流加；质的浓度，间接控制流加；以溶氧、以溶氧、pH、RQ、排气中、排气中CO2分压及代谢物质浓度等分压及代谢物质浓度等多参数多参数间接控间接控制流加。制流加。（4）补料控制的策略）补料控制的策略（5）反馈控制参数的确定）反馈控制参数的确定n为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的反馈控制参数，以及了解这些参数与微生物代谢、菌体生长、基质数，以及了解这些参数与微生物代谢、菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系。利用以及产物形成之间的关系。e.g.谷氨酸发酵谷氨酸发酵 在谷氨酸发酵过程中的某阶段，生产菌的摄