发酵工艺流程控制课件.ppt

1、 本章内容本章内容一、一、概述概述二、二、温度对发酵的影响及其控制温度对发酵的影响及其控制三、三、pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制四、四、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五、五、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六、六、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七、七、高密度发酵及过程控制高密度发酵及过程控制八、八、泡沫对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制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

2、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控制。水平的控制。决定发酵决定发酵单位单位(水平水平)的因素的因素外部环境因素外部环境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：2.2.发酵过程控制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理化参数及其检测方法确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法 研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制，获取研

3、究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制，获取最适水平或最佳范围最适水平或最佳范围建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制模型的通过计算机实施在线自动检测和控制，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、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）浓度等溶解氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）

4、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、产物浓度、核酸量等产物浓度、核酸量等;生物参数：生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等;3.3.参数检测参数检测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 T、pHpH、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、溶氧浓度等 如摄氧率如摄氧率()()、呼吸强度、呼吸强度(Q(QO2O2)、比生、比生长速率（长速率（)、体积溶氧系数、体积溶氧系数(K(KL La a)

5、、呼吸商、呼吸商(RQ)(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、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

6、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能经受高压蒸汽灭菌；能经受高压蒸汽灭菌；n传感器及其二次仪表具有长期稳定性；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；n最好能在过程中随时校正，灵敏度好；最好能在过程中随时校正，灵敏度好；n探头材料不易老化，使用寿命长；探头材料不易老化，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粘住、堵塞问题；解决探头敏感部位被物料粘住、堵塞问题；n价格合理，便于推广。价格合理，便于推广。3.参数检测参数检测第三节第三节 温度变化及其控制温度变化及其控制 一、温度对生长的影响一、温度对生长的影响二、温度的影响与控制

7、二、温度的影响与控制三、发酵过程引起温度变化的因素三、发酵过程引起温度变化的因素一、温度对生长的影响一、温度对生长的影响不同微生物生长对温度的要求不同，根据对温度不同微生物生长对温度的要求不同，根据对温度的要求可分为四类：嗜冷菌适应于的要求可分为四类：嗜冷菌适应于0 026260 0C C生长，生长，嗜温菌适应于嗜温菌适应于151543430 0C C生长，嗜热菌适应于生长，嗜热菌适应于373765650 0C C生长，嗜高温菌适应于生长，嗜高温菌适应于65650 0C C以上生长以上生长 。每种微生物对温度的要求可用每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最适温度、最高温度、最低温度最

8、低温度来表征。来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温度微在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡；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，但生长速度缓在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度缓慢，世代时间无限延长。慢，世代时间无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温度在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。速率下降，最后停止生长，引起死亡。微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高微生物受高温的伤害比低温的

9、伤害大，即超过最高温度，微生物很快死亡；温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。上死亡。这就是菌种保藏的原理。二、温度的影响与控制二、温度的影响与控制（一）温度对发酵的影响（一）温度对发酵的影响1 1、温度影响反应速率、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，酶反应有一个最适温度。从阿累尼乌斯方程式可以看到个最适温度。从阿累尼乌斯方程式可以看到RTEeAK/K K与温度有关与温度有关E E越大越大,温度变化对温度变化对K K的影响越大。的

10、影响越大。微生物生长典型活化能值在微生物生长典型活化能值在505070kJ/mol70kJ/mol，死亡的活化能，死亡的活化能为为300300380380kJ/molkJ/mol。高的死亡活化能值说明死亡速率的增加远大于低活化能的高的死亡活化能值说明死亡速率的增加远大于低活化能的生长速率的增加。生长速率的增加。dx/dtdx/dt=x-xx-x211211lg61.4TTKKErr、微生物对温度的要求不同与膜结构物理化学性、微生物对温度的要求不同与膜结构物理化学性质有密切关系质有密切关系根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生理条件根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生理条件下，膜中的脂质成分应

11、保持下，膜中的脂质成分应保持液晶状态液晶状态，只有当细胞，只有当细胞膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常生理功能，膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常生理功能，使细胞处于最佳生长状态使细胞处于最佳生长状态微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致。2 2、微生物与温度相关性的原理、微生物与温度相关性的原理什么是什么是液晶状态液晶状态？液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的过渡液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的过渡状态称为液晶态。状态称为液晶态。由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1T1表示；表

12、示；由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2T2表示。表示。T1T1与与T2T2之间的温度称为液晶温度范围。之间的温度称为液晶温度范围。为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细胞膜脂质成为什么不同微生物对温度的要求不同呢？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，而嗜冷菌含有较高的有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸，而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。不饱和脂肪酸。几乎所有微生物的脂质成分均随生长温度变化。几乎所有微生物的脂质成分均随生长温度变化。

13、脂质的熔点与脂肪酸的含量成正比，膜的功能取决脂质的熔点与脂肪酸的含量成正比，膜的功能取决于膜中脂质组分的流动性，而后者取决于脂肪酸的于膜中脂质组分的流动性，而后者取决于脂肪酸的饱和程度。饱和程度。温度降低时细胞脂质的不饱和脂肪酸含量增加。温度降低时细胞脂质的不饱和脂肪酸含量增加。3 3、温度影响发酵方向、温度影响发酵方向发酵温度升高，酶反应速率增大，生长代谢加快，发酵温度升高，酶反应速率增大，生长代谢加快，生产期提前。生产期提前。酶本身很易因过热而失去活性，表现在菌体容易酶本身很易因过热而失去活性，表现在菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终产量。衰老，发酵周期缩短，影响最终产量。温度还通过改变

14、发酵液的物理性质，例如：基质溶温度还通过改变发酵液的物理性质，例如：基质溶解度，氧在发酵液中的溶解度，也影响菌对某些基解度，氧在发酵液中的溶解度，也影响菌对某些基质的分解吸收。质的分解吸收。四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于素，当温度低于3030时，这种菌合成金霉素能力时，这种菌合成金霉素能力较强；较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到35 时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。（二）最适温度的选择（二）最适温度的选择1 1、根据菌种及生

15、长阶段选择、根据菌种及生长阶段选择微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。要求的温度范围也不同。如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为37370 0C C，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为303032320 0C C，青霉菌生长温度为青霉菌生长温度为30300 0C C。在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到在发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；谢，使菌生长迅速；在中期菌量已达到合成产物

16、的最适量，发酵需要在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，因此中期温度要稍低延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸一些，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。利于产物合成。l根据生长阶段选择根据生长阶段选择n发酵后期发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又必要，就又提高温度提高温度，刺激产物合成到放罐。，刺激产物合成到放罐。n如四环素如四环素生长阶段生长阶段28，合成期，合成期2

17、6后期再升温；后期再升温；n黑曲霉黑曲霉生长生长37，产糖化酶，产糖化酶3234。n但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长生菌生长3032，产酸，产酸3437。n最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。2 2、根据培养条件选择、根据培养条件选择温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。些，溶氧浓度也可髙些。培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高

18、营养利培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。用快，会使菌过早自溶。菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可高些，以利于菌的生长。期温度可高些，以利于菌的生长。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。3 3、根据菌生长情况、根据菌生长情况三、发酵

19、过程引起温度变化的因素三、发酵过程引起温度变化的因素（一）发酵热（一）发酵热Q Q发酵发酵所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。净热量净热量:在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。各种产生的热量和各种散失的热量的气带走热量。各种产生的热量和各种散失的热量的代数和。代数和。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。升快，发酵热小，温度上升慢。

20、1 1、生物热、生物热Q Q生物生物在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如能化合物（如ATPATP）提供细胞合成和代谢产物合成需）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，散发出要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，散发出来的热就叫来的热就叫生物热生物热。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。l 培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。培养过程中生物热的

21、产生具有强烈的时间性。生物热的大小与呼吸作用强弱有关。生物热的大小与呼吸作用强弱有关。在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。缓慢，产生热量较少。菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量多；菌体也较多，所以产生的热量多；培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不的酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。大，且逐渐减弱。如果培养前期温度上升缓

22、慢，说明菌体代谢缓慢，如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌。此外培养基营养越丰富，生物热也越大。染菌。此外培养基营养越丰富，生物热也越大。2 2、搅拌热、搅拌热Q Q搅拌搅拌在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生的热量。备之间的摩擦，产生的热量。搅拌热与搅拌轴功率有关。搅拌热与搅拌轴功率有关。3 3、蒸发热、蒸发热Q Q蒸发蒸发 通气时，引起

23、发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的通气时，引起发酵液的水分蒸发，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量叫蒸发热。此外，排气也会带走部分热量叫显热热Q Q显热显热，显热很小，一般可以忽略不计。，显热很小，一般可以忽略不计。4 4、辐射热、辐射热Q Q辐射辐射发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热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温与环通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。境的温差。Q Q发酵发酵Q Q生物生物Q Q搅拌搅拌Q Q蒸发蒸发Q Q辐射辐射（二）发酵热的测定（二）发酵热的测定一种是用冷却水进出口

24、温度差计算发酵热。一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却水进出口的水温，再在工厂里，可以通过测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。Q Q发酵发酵GCGCm m(T(T出出T T进进)C Cm m水的比热水的比热 G冷却水流量冷却水流量 另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热

25、。热。小小 结结微生物最适生长温度微生物最适生长温度微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关微生物对温度的要求不同与它们的膜结构有关微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一致致微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关，如蛋微生物对温度的要求与酶分子结构的区别有关，如蛋白构象稳定性因素改变，活性位点关键区域氨基酸的白构象稳定性因素改变，活性位点关键区域氨基酸的取代，离子束缚作用取代，离子束缚作用(ion binding)(ion binding)减弱，蛋白核心减弱，蛋白核心区域疏水作用下降等区域疏水作用下降等温度对发酵的影响：温度对发酵的影响：温度影响

26、反应速率温度影响反应速率温度影响发酵方向温度影响发酵方向最适温度的选择最适温度的选择根据菌种根据菌种生长阶段选择生长阶段选择根据培养条件选择根据培养条件选择菌种的生长情况菌种的生长情况发酵过程引起温度变化的因素发酵过程引起温度变化的因素发酵热是引起发酵过程温度变化的原因发酵热是引起发酵过程温度变化的原因Q Q发酵发酵Q Q生物生物Q Q搅拌搅拌Q Q蒸发蒸发Q Q辐射辐射生物热的定义，产生的原因：基质代谢。它与菌生物热的定义，产生的原因：基质代谢。它与菌种、发酵类型、生长阶段、营养条件有关种、发酵类型、生长阶段、营养条件有关搅拌热与搅拌功率有关搅拌热与搅拌功率有关发酵热测定发酵热测定:冷却容量

27、冷却容量 燃烧热燃烧热7.16 7.16 根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类微生物？根据微生物对温度的依赖可分类成哪几类微生物？7.17 7.17 微生物对温度要求不同的原理是什么？微生物对温度要求不同的原理是什么？7.18 7.18 发酵过程的温度会不会变化？为什么？发酵过程的温度会不会变化？为什么？7.19 7.19 发酵热的定义发酵热的定义7.20 7.20 生物热的大小与哪些因素有关？生物热的大小与哪些因素有关？7.21 7.21 温度对发酵有哪些影响？温度对发酵有哪些影响？7.22 7.22 发酵过程温度的选择有什么依据？发酵过程温度的选择有什么依据？思考题思考题第三节第三节 发酵

28、过程的发酵过程的pH控制控制n一、发酵过程一、发酵过程pH变化的原因变化的原因n二、二、pH对发酵的影响；对发酵的影响；n三、三、pH的控制的控制第三节第三节 发酵过程的发酵过程的pHpH控制控制 发酵过程中培养液的发酵过程中培养液的pHpH值是微生物在一定环境条件值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，对菌体的生长和产品的积下代谢活动的综合指标，对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。累有很大的影响。必须掌握发酵过程中必须掌握发酵过程中pHpH的变化规律，及时监测并加的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。以控制，使它处于最佳的状态。尽管多数微生物能在尽管多数微生物能在343

29、4个个pHpH单位的单位的pHpH范围内生长，范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使物形成，必须使pHpH在很窄的范围内保持恒定。在很窄的范围内保持恒定。一、发酵过程一、发酵过程pHpH变化的原因变化的原因 1 1、基质代谢、基质代谢（1 1）糖代谢）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使子酸、醇，使pHpH下降。糖缺乏，下降。糖缺乏，pHpH上升，是补料的上升，是补料的标志之一。标志之一。（2 2）氮代谢）氮代谢 当氨基酸中的当氨基酸中的-NH2-NH2被利用后被利用后pHp

30、H会下会下降；尿素被分解成降；尿素被分解成NH3NH3，pHpH上升，上升，NH3NH3利用后利用后pHpH下降，下降，当碳源不足时氮源当碳源利用当碳源不足时氮源当碳源利用pHpH上升。上升。（3 3）生理酸碱性物质利用后）生理酸碱性物质利用后pHpH会上升或下降。会上升或下降。2 2、产物形成、产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pHpH变化。如变化。如有机酸类产生使有机酸类产生使pHpH下降，红霉素、螺旋霉素等抗生下降，红霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使素呈碱性，使pHpH上升。上升。3 3、菌体自溶，、菌体自溶，pHpH上升，发酵后期，上升，发酵

31、后期，pHpH上升。上升。引起发酵液中引起发酵液中pH下降的因素下降的因素（1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机酸积累，使有机酸积累，pH下降；下降；（2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加；）消泡剂加得过多：脂肪酸增加；（3）生理酸性盐的利用；）生理酸性盐的利用；（4）酸性产物形成：如有机酸发酵。）酸性产物形成：如有机酸发酵。引起发酵液中引起发酵液中pH上升的因素上升的因素 （1 1）C/N过低（过低（N源过多），氨基氮（源过多），氨基氮（NH4）释放；）释放；（2 2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；

32、（3 3）生理碱性盐的利用；）生理碱性盐的利用；（4 4）碱性产物形成。）碱性产物形成。n每一类菌都有其最适每一类菌都有其最适pH和能耐受的和能耐受的pH范围范围 细菌细菌:pH 6.37.5；霉菌和酵母菌：霉菌和酵母菌：pH 36；放线菌：放线菌：pH 78n控制一定的控制一定的pH值，不仅保证微生物生长，而且防止值，不仅保证微生物生长，而且防止 杂菌感染杂菌感染 e.g.石油代腊酵母：石油代腊酵母：pH3.55.0：生长良好且不易染菌生长良好且不易染菌 pH5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌 pH ，OTR逐渐逐渐至至OTR=，即即 ，

33、高位平衡高位平衡 当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平衡通常发生在正当处于高位平衡时，表明供氧性能好。高位平衡通常发生在正常情况的前、后期。常情况的前、后期。LLaCCKOTR0dtdCLOTR,CC,CLL0dtdCLn平衡点分析：平衡点分析：当当C CL L（如对数生长期（如对数生长期很大），很大），OTROTRCm,卷须霉素卷须霉素:n而有些菌株而有些菌株 Ccr CCr，生产阶段满足生产阶段满足CLCm。三三.溶解氧在发酵过程控制中的重要作用溶解氧在发酵过程控制中的重要作用n（1 1）发酵异常指标）发酵异常指标n（2）补料控制指标补料控制指标n（3 3）代谢方向控制指标）代谢方向控

34、制指标n（4 4）设备性能、工艺合理性指标）设备性能、工艺合理性指标（1 1）发酵异常指标）发酵异常指标n发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。发酵中污染杂菌，溶解氧发生异常变化。对于好气性杂菌，溶解氧会一反往常在较短时间内跌到对于好气性杂菌，溶解氧会一反往常在较短时间内跌到零附近，跌零后长时间不回升。零附近，跌零后长时间不回升。对于厌气性杂菌，溶解氧升高。对于厌气性杂菌，溶解氧升高。n污染噬菌体或其它不明原因引起污染噬菌体或其它不明原因引起 发酵液变稀，此时溶解氧迅速上升。发酵液变稀，此时溶解氧迅速上升。谷氨酸正常发酵和异常发酵的溶解氧曲线正常发酵溶解氧曲线-异常发酵溶解氧曲线异常发酵光密度曲

35、线（2）补料控制指标补料控制指标 n中间补料是否得当可以从中间补料是否得当可以从溶解氧溶解氧的变化看出。的变化看出。n发酵过程中出现发酵过程中出现“发酸发酸”现象，此时溶解氧很快下降。现象，此时溶解氧很快下降。（3 3）代谢方向控制指标）代谢方向控制指标 n测量溶解氧可以确定测量溶解氧可以确定CCr、Cm值值n通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关通过溶氧测量可以掌握由好气转为厌气培养的关键时机键时机 e.g.e.g.天门冬酰胺酶发酵天门冬酰胺酶发酵：45%饱和度饱和度 n在酵母以及其他微生物菌体的生产中，溶氧值是在酵母以及其他微生物菌体的生产中，溶氧值是控制其代谢方向的最好的指标之一控制

36、其代谢方向的最好的指标之一 。（4 4）设备性能、工艺合理性指标）设备性能、工艺合理性指标n评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位评价设备性能、工艺合理性的最终指标：发酵单位 n设备反映供氧性能：设备反映供氧性能：搅拌桨形式搅拌桨形式 叶片形式叶片形式 搅拌器直径搅拌器直径d 搅拌档数搅拌档数m和搅拌器间距和搅拌器间距s 档板宽度档板宽度w和档板数和档板数z 通气：空气分布器的类型和位置通气：空气分布器的类型和位置 n，P/V 设备操作参数设备操作参数 罐压罐压 WS或或VVM搅拌搅拌设备几何参数设备几何参数（4 4）设备性能、工艺合理性指标）设备性能、工艺合理性指标工艺条件反映耗氧和供

37、氧特征工艺条件反映耗氧和供氧特征 菌种性能：耗菌种性能：耗O2 培养基性能：耗培养基性能：耗O2、供供O2 温度：耗温度：耗O2、供供O2 RQ（O2与与CO2水平比较水平比较）：耗耗O2 表面活性剂：耗表面活性剂：耗O2、供供O2改进工艺：控制补料速度、改进工艺：控制补料速度、T 的调节、中间补水、的调节、中间补水、添加表面活性剂等等添加表面活性剂等等 对现有发酵工对现有发酵工厂进行技术改造厂进行技术改造 浅层次浅层次 修改设备和工艺修改设备和工艺 规模和控制水平上档次规模和控制水平上档次 引入新型发酵类型引入新型发酵类型 深层次深层次 工艺的改进是否有效可通过溶解氧水平进行评价：工艺的改进

38、是否有效可通过溶解氧水平进行评价：P/V的改变对溶解氧和产量的影响的改变对溶解氧和产量的影响 e.g.利福霉素发酵利福霉素发酵：5080h波谷阶段波谷阶段，P/V，KLa，供氧供氧；3W/L比比1 W/L批号的发酵单位增加约批号的发酵单位增加约900u/ml 搅拌转数搅拌转数n 对溶解氧和产量的影响对溶解氧和产量的影响e.g.赤霉素发酵赤霉素发酵：15 50h期间期间，n从从155 提高至提高至180r/min，赤霉素单位赤霉素单位四四.发酵液中溶解氧的控制发酵液中溶解氧的控制n（1 1）溶解氧控制的一般原则）溶解氧控制的一般原则n（2 2）溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一）溶解氧控制作为

39、发酵中间控制的手段之一n（3 3）溶解氧控制的工艺方法：）溶解氧控制的工艺方法：从供氧、需氧两从供氧、需氧两方面考虑方面考虑n（4 4）溶解氧自动控制系统）溶解氧自动控制系统（1 1）溶解氧控制的一般原则）溶解氧控制的一般原则 n生长阶段生长阶段：即可即可n产物合成阶段产物合成阶段：即可即可v过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑制作用过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑制作用CrLCC mLCC（2）溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶解氧控制作为发酵中间控制的手段之一 v控控制原理制原理 发酵过程中，发酵过程中，糖量糖量 x,QO2 CL 糖量糖量 QO2 CL 补糖使补糖使CL下

40、降，而下降，而CL回升的快慢取决于供氧效率回升的快慢取决于供氧效率。对于一个具体的发酵，存在一个最适氧浓度对于一个具体的发酵，存在一个最适氧浓度（Cm）水水平，补糖速率应与其相适应。平，补糖速率应与其相适应。mLCC，加大补糖速率加大补糖速率 mLCC，减小补糖速率减小补糖速率实现用溶解氧水平控制补料速率实现用溶解氧水平控制补料速率 补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓补糖速率控制在正好使生产菌处于所谓“半饥饿状态半饥饿状态”，使其仅能维持正常的生长代谢，即把更多的糖用于产物合使其仅能维持正常的生长代谢，即把更多的糖用于产物合成，并永远不超过罐设计时的成，并永远不超过罐设计时的KLa水平所能提供

41、的最大供水平所能提供的最大供氧速率。氧速率。v控制原则控制原则（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一 v控制方法控制方法 溶氧和补糖控制系统溶氧和补糖控制系统 溶氧和溶氧和pH控制的系统控制的系统（2）溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一溶氧控制作为发酵中间控制的手段之一 溶氧在加糖控制上的应用溶氧在加糖控制上的应用溶氧与溶氧与pH协同控制系统协同控制系统（3 3）溶解氧控制的工艺方法：）溶解氧控制的工艺方法：从供氧、需氧两方面考虑从供氧、需氧两方面考虑 n供氧方面：供氧方面：提高氧分压（氧分含量），即提高氧分压（氧分含量），即 ，提高供氧能力提高供氧能力改变

42、搅拌转速：通过改变改变搅拌转速：通过改变KLa来提高供氧能力来提高供氧能力 通气速率通气速率Ws：Ws增加有上限，引起增加有上限，引起“过载过载”、泡沫、泡沫提高罐压：提高罐压：，但同时会增加，但同时会增加CO2的溶解度，影响的溶解度，影响pH及及可能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。可能会影响菌的代谢，另外还会增加对设备的强度要求。CC改变发酵液理化性质改变发酵液理化性质（，Ii）加消泡剂，补加无菌水，改变培养基成分加消泡剂，补加无菌水，改变培养基成分改变改变KL改变温度：改变温度：，提高推动力提高推动力（C*CL）C,T（3）溶解氧控制的工艺方法（续）溶解氧控制的工艺方法（续）

43、n 供氧方面：供氧方面：（3 3）溶解氧控制的工艺方法（续）溶解氧控制的工艺方法（续）n耗氧方面耗氧方面 n限制性基质的流加控制（补料控制）：在限制性基质的流加控制（补料控制）：在OTR一定情一定情况下，控制基质浓度况下，控制基质浓度限制限制、x 限制限制 控制溶控制溶解氧解氧（4）溶解氧自动控制系统）溶解氧自动控制系统n改变通气速率的溶氧控制系统改变通气速率的溶氧控制系统 n改变搅拌转速的溶氧控制系统改变搅拌转速的溶氧控制系统n改变通气量、转速、罐压所组成的多参数溶氧控制系改变通气量、转速、罐压所组成的多参数溶氧控制系统统 溶解氧对被孢霉合成花生四烯酸溶解氧对被孢霉合成花生四烯酸 (AA)(

44、AA)的影响的影响 溶氧量对溶氧量对AA产量的影响产量的影响注：摇床转速注：摇床转速150r/min,25 KLa越大越大，培养基中溶培养基中溶解氧越多解氧越多,AA合成速合成速度越快度越快第六节、第六节、COCO2 2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一、一、定义定义 二、二、发酵过程中发酵过程中CO2释放率的变化释放率的变化三、CO2对发酵的影响对发酵的影响 1.1.定义定义 n 呼吸商呼吸商（RQ）：指菌体呼吸过程中，指菌体呼吸过程中，CO2释放率释放率和菌的耗氧速率之比，和菌的耗氧速率之比，RQ反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况。n菌体耗氧速率菌体耗氧速率 OUR，

45、molO2/Lh 菌体菌体CO2释放率释放率CER，molCO2/LhOURCERRQ（1 1）影响尾气中）影响尾气中CO2浓度的因素浓度的因素 n通入空气量通入空气量：n呼吸强度：呼吸强度：nCO2溶解度：溶解度：n菌体量：菌体量：出2COC,VVM出，2CO2CO2OCQQ出出，；、2CO2COCPC,TPT出，2CO2COCCERxQx（2）CER变化规律变化规律 nCO2积累量渐增，与积累量渐增，与x曲线对应，基本类似曲线对应，基本类似S型曲型曲线变化线变化；n当工艺和设备参数一定的情况下当工艺和设备参数一定的情况下，CER与与x有比例有比例关系关系（CER菌体生长速率菌体生长速率）；

46、nCO2浓度变化与浓度变化与O2浓度变化成反向同步关系浓度变化成反向同步关系。CERdtCERdt，菌体干重的时间曲线，菌体干重的时间曲线1-CERdt1-CERdt；2-2-菌量菌量（1 1）研究参数）研究参数CO2的意义的意义 n作为代谢产物或中间前体，尾气中作为代谢产物或中间前体，尾气中COCO2 2积累与生物积累与生物量成正比，通过量成正比，通过C C质量平衡估算生长速率和细胞量。质量平衡估算生长速率和细胞量。n高浓度高浓度COCO2 2对发酵多表现为抑制作用，应实施测量对发酵多表现为抑制作用，应实施测量与控制；与控制；n尾气尾气COCO2 2不仅直接反映代谢情况，而且和其它参数不仅直

47、接反映代谢情况，而且和其它参数及补料操作密切相关，可作为工艺优化的指标。及补料操作密切相关，可作为工艺优化的指标。（2）CO2对细胞的作用机制对细胞的作用机制n“麻醉麻醉”作用作用 CO2及及HCO3-都会影响细胞膜的结构，使膜的流动性都会影响细胞膜的结构，使膜的流动性及表面电荷密度发生变化，导致许多基质的跨膜运输受及表面电荷密度发生变化，导致许多基质的跨膜运输受阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻醉麻醉”状状态，细胞生长受到抑制，形态发生改变。态，细胞生长受到抑制，形态发生改变。（3）CO2对菌体生长及产物形成的影响对菌体生长及产物形成的影响 nC

48、O2,基质分解速率基质分解速率，ATP ，中间产物中间产物或形态变异导致产量或形态变异导致产量n高浓度高浓度CO2抑制作用的独立性抑制作用的独立性:只要只要CO2在培养液中浓度过量，即使在培养液中浓度过量，即使供氧充足供氧充足（CLCCr），CO2的抑制作用不能解除，这种负作用在放的抑制作用不能解除，这种负作用在放大过程更明显。大过程更明显。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排废气：排废气：n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释放与发酵过程参数释放与发酵过程参数pH及操作参数补糖速率的关系及操作参数补糖速率的关系n在青霉素发酵中补糖

49、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 补糖对排气补糖对排气CO2和和pH的影响的影响（4）尾气）尾气CO2与与O2的相关性的相关性 n相关程度表示：相关程度表示：n尾气尾气CO2与与O2相关性：反向

50、同步关系相关性：反向同步关系n呼吸商呼吸商（RQ）与发酵的关系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，同基质、同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。OURCERRQ fCC1CCCVFxQOUR2O2CO2O2OL2O出出出惰进进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；反之，当值就增加