发酵工程_8发酵过程控制

本章内容发酵过程控制概述温度对发酵的影响及其控制pH对发酵的影响及其控制溶解氧对发酵的影响及其控制CO2和呼吸商对发酵的影响及其控制基质浓度对发酵的影响及补料控制通气搅拌对发酵的影响及其控制泡沫对发酵的影响及其控制高密度发酵及过程控制发酵终点的检测与控制自动控制技术在发酵过程控制中的应用发酵过程控制概述1.过程控制的重要性2.发酵过程控制的一般步骤3.参数检测1.过程控制的重要性过程控制的意义：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控制。决定发酵单位(水平)的因素外部环境因素工艺条件生物因素设备性能：传递性能菌株特性(营养要求、生长速率、呼吸强度、产物合成速率)物理：n、T、Ws化学：pH、DO、浓度2.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3.参数检测代谢参数按性质可分为三类：生物参数：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物理参数：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化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、pH、产物浓度、核酸量等参数按获取方式可分为两类：直接参数：如T、pH、罐压、空气流量、搅拌转速、溶氧浓度等间接参数：将直接参数通过公式计算获得的。如摄氧率(γ)、呼吸强度(QO2)、比生长速率（μ)、体积溶氧系数(KLa)、呼吸商(RQ)等。参数的测量形式：离线测量：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）在线测量：如T、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、搅拌转速等优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便于计算机控制。困难：传感器要求较高。对传感器的要求：能经受高压蒸汽灭菌；探头材料不易老化，使用寿命长；传感器及其二次仪表具有长期稳定性；最好能在过程中随时校正，灵敏度好；解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题；安装使用和维修方便；价格合理，便于推广。温度测量感温元件：热电偶（温度信号→电信号）二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成被测介质的温度值参数检测方法搅拌转速和搅拌功率的测量搅拌转速：磁感应式，光感应式，测速电机；搅拌功率：功率表空气流量测定体积流量型：会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响；①同心孔板压差式流量计；②转子流量计。质量流量型：根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能）设计的流量计。罐压测量压力表压力传感器pH测量复合pH电极pH测量仪器溶解氧的测量化学法极谱法复膜氧电极法复膜氧电极示意图（a）极谱型（b）原电池型细胞浓度的测量化学法：如DNA、RNA分析等物理法：如重量分析、分光光度分析、浊度分析等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原位活细胞在线检测仪温度对发酵的影响及其控制1.影响发酵温度的因素2.温度对微生物生长的影响3.温度对基质消耗的影响4.温度对产物合成的影响5.最适温度的选择与控制1.影响发酵温度的因素(1)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来源：微生物对营养物质的分解所释放的能量影响因素：菌株发酵时期培养基成分生物热与其它参数的关系①呼吸强度QO2②糖利用速率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，可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。2.温度对微生物生长的影响当μα时，α可忽略，微生物处于生长状态。μ、α皆与T有关，其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：xxdtdxdtdxx1RTE1eARTE2eA∵Eμ＜Eα∴死亡速率比生长速率对温度变化更为敏感。嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系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速下降。不同生长阶段的微生物对温度的反应不同处于延迟期的细菌对温度的影响十分敏感。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，则升温的破坏作用较弱。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。Righelato假定：m－维持因子，即生长速率为零时的葡萄糖的消耗。m项与渗透压调节、代谢产物的生成、迁移性及除繁殖以外的其它生物转化等过程所需的能量有关。这些过程受温度的影响，所以m也和温度相关。B－生长系数，即同一生长速率下的糖耗，B值越大，说明同样比生长速率下，用于纯粹生长的糖耗越大。改变温度可以控制qs和μBmqs3.温度对基质消耗的影响(1)糖比消耗速率qs（2）T对B、m和μ的影响qs一定：当TTm时，m↑，μ↑,B↓底物转化效率高当TTm时，m↓，μ↓,B↑底物转化效率低当T=Tm时，mT(K)m温度对B、m和不同qs下对μ值的影响4.温度对产物合成的影响影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生长代谢与产物生成。e.g.青霉菌发酵生产青霉素青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol青霉素合成活化能E2=112kJ/mol∴青霉素合成速率对温度较敏感改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。影响生物合成方向。e.g.四环素发酵中金色链霉菌：T30℃，产生金霉素；T达35℃，产生四环素；谷氨酸发酵中扩展短杆菌：30℃培养后37℃发酵，积累过量乳酸。温度对菌的调节机制关系密切。5.最适温度的选择与控制定义：最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一定条件下测得的结果。二阶段发酵e.g.青霉素发酵：菌体生长期,30℃青霉素合成分泌期,20℃最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正常良好通气条件下低一些。培养基成分和浓度的影响变温培养：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒温培养所获得的产物有较大幅度的提高。e.g.四环素发酵：0~30h稍高温度；→30~150h稍低温度；→150h后升温发酵。青霉素发酵：30℃,5h；→25℃,35h；→20℃,85h；→25℃,40h；产量提高14.7％pH对发酵的影响及其控制1.发酵对pH的影响2.pH值对发酵过程的影响3.最适pH的选择4.发酵过程中pH的调节与控制1.发酵对pH的影响1）发酵液中pH变化的基本原理微生物代谢对pH影响主要在两种情况下发生：①酸性或碱性代谢产物的生成或释放；②菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。引起发酵液中pH下降的因素（1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机酸积累，pH下降；（2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加；（3）生理酸性盐的利用；（4）酸性产物形成：如有机酸发酵。引起发酵液中pH上升的因素（1）C/N过低（N源过多），氨基氮（NH4＋）释放；（2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；（3）生理碱性盐的利用；（4）碱性产物形成。2）发酵过程中pH的变化规律生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的趋势生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合成的范围自溶阶段：pH又上升2.pH值对发酵过程的影响（1）pH对微生物生长的影响每一类菌都有其最适pH和能耐受的pH范围细菌:pH6.3～7.5；霉菌和酵母菌：pH3～6；放线菌：pH7～8控制一定的pH值，不仅保证微生物生长，而且防止杂菌感染e.g.石油代腊酵母：pH3.5～5.0：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pH3.0：酵母生长受抑制，细胞极不整齐，且出现自溶pH对生长的影响机制对E合成的影响对E活性的影响对ATP生产率影响：影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜的渗透性的变化，因而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的分泌。影响培养基某些重要营养物质和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用x,ATP（2）pH对产物合成的影响产物合成阶段的最适pH值和微生物生长阶段的最适pH往往不一定相同，这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学特性。e.g.丙酮丁醇菌：生长pH为5.5～7.0；合成pH为4.3～5.3青霉素产生菌：生长pH为6.5～7.2，合成pH为6.2～6.8链霉素产生菌：生长pH为6.3～6.9，合成pH为6.7～7.3pH影响代谢方向：pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。e.g.黑曲霉发酵：pH2~3,柠檬酸；pH接近中性，草酸酵母菌发酵：pH4.5~5.0，酒精；pH8.0，酒精、醋酸和甘油谷氨酸发酵：pH7.0~8.0，谷氨酸；pH5.0~5.8,谷酰胺和N-乙酰谷酰胺pH对青霉素发酵的影响：在不同pH范围内加糖，青霉素产量和糖耗不一样。pH范围糖耗残糖青霉素相对单位pH6.0～6.3加糖10%0.5%较高pH6.6～6.9加糖7%0.2%高pH7.3～7.6加糖7%0.5%低pH6.8控制加糖7%0.2%最高速率恒定(0.055%/h)*采用pH控制补糖速率的意义3.最适pH的选择选择pH准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量。pH对产海藻酸裂解酶的影响配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况4.发酵过程中pH的调节与控制（1）pH调节方法配制合适的培养基，有很好的缓冲能力；发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂(NaOH、HCl、CaCO3)；发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH；酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4＋)碱性基质：NO3－盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素原则:①残糖高时，不用糖调pH②残N高时，不用生理盐调pH（2）pH控制方法比较以青霉素发酵为例，最适pH为6.6～6.9控制方案：方案一：培养基中供应充足的糖，并配用pH缓冲剂方案二：培养基中供应充足的糖，以非基质NaOH调节pH方案三：在发酵过程中恒速补糖，以NaOH、H2SO4调节pH方案四：改变补糖速率来控制pH为6.6～6.9（3）pH控制系统执行单元调节器pH变选器给定值补料pH电极mA4~20mA溶解氧对发酵的影响及其控制1.引起溶解氧变化的因素2.溶解氧对发酵的影响3.溶解氧在发酵过程控制中的重要作用4.发酵液中溶解氧的控制5.溶解氧控制实例（1）影响溶解氧（DO）的因素供氧耗氧两大类以关系式表示：影响供氧的因素：影响耗氧的因素：xQCCaKOTRdtdCOLLL2C*-CL温度、溶质、溶剂、氧分压KLa设备参数、操作参数、发酵液特性菌种特性、培养基成分和浓度、菌龄、培养条件（T、pH）、代谢类型γ（2）发酵过程中溶氧变化规律批式发酵无DO控制情况下，溶氧变化规律为“波谷现象”溶氧、x、QO2、随时间变化的关系CLxQO2平衡点分析：①当CL↑，即，OTRγ∵，∴OTR逐渐↓至OTR=γ，即，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常情况的前、后期。LLaCCKOTR0dtdCLOTR,CC,CLL0dtdCL平衡点分析：②当CL↓（如对数生长期γ很大），，OTRγ∵，∴，，称低位平衡。低位平衡通常发生在正常情况下的对数期。γOTR0dtdCLLLaCCKOTROTR,CC,CLL0dtdCL值得注意的几点自然“波谷现象”，一般可以自适应调节（）当，则需要控制，增加OTR，防止需氧受阻。补料与“波谷现象”对应：即补料时间、剂量选择与溶氧变化有关。a.不能在波谷时补料，加重缺氧b.一次补料不能过量，防止，菌体停止呼吸、死亡c.每次补料都会引起一次大的溶氧下降。OTR,CLCrL