补料分批发酵过程控制系统研究 黄 丽,孙玉坤,黄永红, 薛力红

补料分批发酵过程控制系统研究

黄 丽，孙玉坤，黄永红, 薛力红

（江苏大学 电气信息工程学院， 江苏 镇江 212013）

摘 要：发酵过程是一个复杂的生化反应过程，笔者从系统的角度分析了补料分批发酵过程的特点及主要影响因素。在此基础上，提出了一套适合于现场的控制策略，设计了一个能够对生物发酵生产过程中的温度、压力、溶解氧、PH值及补料进行自动控制，以Motorola 公司的MC68HC08GP32芯片为核心的计算机控制系统。

关键词：补料分批发酵；温度控制；溶解氧控制；PH值控制；模糊控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A

Study of Control System About Batch Feed Ferment Process

Huang Li, Sun Yukun, Huang Yonghong, Xue Lihong

(School of Electrical and Information Engineering , Jiangsu University , Zhenjiang 212013 , China) Abstract: Fermentation is a very complicated biochemistry reaction process. According to the characteristic and central influencing factors, a suit of control system that is adaptive to scene is designed. The system was set up for microbe fermenting and producing process by temperature control , pressure control, DO，PH automatic control and automatic adding nutriment .And MC68HC08GP32 of Motorola is the core of this computer control system.

Key words: fed-batch fermentation; temperature; dissolved oxygen; PH; fuzzy control

1 引言

近年来，生物技术迅速发展，生化反应过程，如发酵工业越来越引起科技界、工业界的重视。发酵过程是一个非常复杂的生物化学变化过程，生物发酵有两个核心：一是涉及获得特殊反应或过程所需的最良好的生物细胞（或酶）；二是选择最精良的发酵设备，开发最优技术，创造充分发挥生物细胞（或酶）作用的最佳环境。其中第二个核心部分涉及到微生物细胞发挥作用的系统或反应器方面的问题，其首要问题是提供使微生物能够最优生长、最优形成产物的可控系统和环境。例如，提出各环境参数的控制策略，提供设备设计及仪表装置，以使温度、通气、PH值等物理、化学条件得到有效的维持和控制，从而使微生物细胞呈现出最佳的性能，生成和积累大量产物。

补料分批发酵（fed-batch fermentation）是介于分批发酵和连续发酵之间的过渡类型。这种发酵是指分批发酵中间间歇地或连续地补加一种或多种成分新鲜培养基，但所需产物不到某一时刻不从罐内放出的一种与分批发酵相似的发酵方法。这种方法几乎遍及整个发酵工业，如生产酵母、氨基酸、抗生素、霉制剂、维生素等。它兼有分批发酵和连续发酵的优点，而且克服了两者的缺点，是目前发酵工业中较有代表性的一种发酵工艺。

补料分批发酵过程主要分为以下两个阶段：

准备阶段 包括菌种培养；培养基配制；消毒灭菌。

发酵阶段 包括接种；分批发酵；补料。

基金项目：江苏省高新项目(1191140002)

作者简介：黄丽(1977-)，女，甘肃天水人，教师，主要研究方向：智能控制；孙玉坤（1958-），男，江苏靖江人，教授，博导，主要从事智能控制及应用、电力电子技术应用方面的研究。

2 参数控制方案

发酵过程具有时变性、多样性、耦合性和不确定性，采用传统的PID控制方法往往不能够满足实际的控制要求，本文针对这一问题提出了发酵过程中各参数的控制策略。

2.1 温度

对于特定的微生物，都有一个最适宜的生长温度，发酵温度低于最适温度，菌体生长缓慢；但若高于最适温度，机体的重要组成部分可能会被破坏。因此，发酵过程中的罐温是一个十分重要的微生物生长的环境参数，必须严格加以控制。影响发酵温度的因素很多，如微生物发酵热，电机搅拌然，冷却水本身的温度变化以及周围环境温度的改变等。要想建立精确的数学模型比较困难，加之发酵温度对象时滞大，惯性大，根据以上特点，我们通过控制加热器开关及调节冷却水流量对发酵温度进行控制。采用Fuzzy－PID复合控制，如图1所示。

图 1 Fuzzy－PID控制框图

其中，S：系统的设定值；

,de

e

dt

：系统的偏差与偏差的变化率；

E、E C：经模糊化处理后，偏差与偏差变化率转换成的模糊量；

u: 控制量；

Y：系统输出值

Fuzzy－PID复合控制的实质是，应用fuzzy集合理论和方法将操作人员（或专家）的整定经验和技术知识总结成为fuzzy规则模型，形成计算机的查询表格及解析式。计算机根据系统的实际响应情况，运用fuzzy推理来实现对PID的三个参数Kp、Ki、Kd的最佳调整。

2.2 压力

在发酵过程中发酵罐的罐压必须保持正压，如果罐压为零或负，则会造成充气染菌倒罐；若罐压过高，发酵液中溶入过多的二氧化碳而造成菌体中毒。因此，在整个发酵过程中有必要对罐压进行控制。

影响发酵罐的压力主要是供给的消毒空气的压力变化和进气流量的变化。通常是通过调节排出的气体的量来控制发酵罐的压力，采用传统的PID控制一般即可达到控制要求。 2.3 溶解氧

发酵过程中需要大量溶于发酵液中的氧，以满足菌体生长和发酵代谢的需要。在耗氧型发酵中，氧是作为微生物生长必须的原料，若供氧不足，将会抑制微生物的生长和代谢的进行，为此，在发酵过程中，要保持一定的溶氧浓度。影响溶解氧的因素很多，培养基浓度的增加、发酵温度的上升、发酵罐内的压力下降、空气湿度的增加、搅拌转速的下降及通气量

的减少等变化都会引起溶解氧浓度的下降。一般，发酵过程中保持罐压恒定及搅拌转速不变，而温度如前所述采用Fuzzy－PID复合控制，可以稳定于设定值，故主要通过调节通气量（供给的空气量）来控制溶解氧浓度。可采用溶解氧和通气量组成串级控制系统（图2），溶解氧为主控制回路，通气量为副控制回路。

图 2 DO控制框图

其中，Dor: 设定溶氧值；Do：实际溶氧输出

2.4 PH值

PH值是微生物生长的另一个重要环境参数，它影响微生物的生长繁殖和代谢产物的合成。PH值的变化是发酵过程中代谢平衡，特别是碳、氮代谢平衡的反映。一般，PH值上升多是由于碳代谢不足，可适当增加糖的补加量来调整；PH值下降主要是由于碳源过量或者氮源不足引起的，可通过补加氨水的方法使其回升。由于PH对象特性具有时变性、不确定性（影响因素多所致）、较大的时滞性等特点，在PH值控制中，可选择PH值和设定值之差作为过程输入，蠕动阀开、关为过程输出，通过改变蠕动阀的开关频率和开关脉冲宽度来调节氨水的加入量，使PH值逐步逼进设定值，以达到控制精度。PH值控制流程如图3所示。

图 3 PH值控制流程图

图中，I：PH值的设定值； V：PH值的采样值。

2.5 补料控制

补料控制的目的在于控制中间代谢，使菌丝保持在半饥饿状态，促使它大量地分泌和合成代谢产物，及时对培养液中菌丝的变化、培养液主要成分的含量进行调节控制，使发酵沿着有利于提高质量的方向发展。在此，补料控制可采用基于尾气反馈的控制方法，利用尾气分析所得信息来控制补料速率。

早期的连续补料控制系统是计量杯式补料系统，但由于执行机构计量杯存在的问题，没有得到成功应用。现在普遍采用的是计量罐式补料系统，该系统由一个不锈钢计量罐、一对液位电极、两个波纹管截止阀和两个电磁阀组成，如图4所示。其原理是计算机通过调整计量罐滴加装置的工作频率来实现补料控制。例如，采用5L的计量罐，补料速率为500L/h，则每小时要补入100罐营养剂（5升/罐×100罐＝500升）。计算机控制计量罐滴加装置把100罐营养剂在1小时内（3600s）等间隔地加入发酵罐内，即每36s加入一罐料液（5L）。补料时，通过计算机输入补料速率或补料量等参数，补料执行机构在等时间间隔把营养剂一罐一罐地加入发酵罐。从每罐加料的方式看是脉冲方式补料（间歇补料），但从整个发酵过程看则是连续滴加补料，故称之为“脉冲滴加”方式。

一个完整的补料过程如图4所示，其中E1、V1构成入料阀，E2、V2构成出料阀，计算机控制系统通过定时或外部脉冲控制E1、E2动作并联动V1、V2进行补料，计量罐液位电极T控制补料过程。补料时控制系统首先打开进料阀V1使料液进入计量罐，当计量罐内液位接触到电极T时，进料阀V1自动关闭，出料阀V2开启，将计量罐内料液排至发酵罐，料液排空后关闭出料阀，完成了一个补料周期，再等待下一个补料周期。

图 4 计量罐式补料系统

其中，E1、E2：电磁阀（二位三通式）；V1、V2：气动波纹管阀；G：计量罐；T：计量罐液位电极。

3 系统组成

本系统下位机以Motorola 公司的MC68HC08系列中的芯片：MC68HC08GP32为核心，包括主机模块、输入模块、输出模块和显示模块。上位机采用普通的PC机控制，以Visual C++ 6.0为平台，结合MySQL 4.1.14数据库和Matlab6.5建立了友好的人机界面。通过CAN总线实现上下位机的实时通讯。

4 结束语

虽然近年来生物发酵过程控制越来越受到人们的关注和重视，但由于发酵过程是一个非常复杂的化学变化和生理变化的综合过程，微生物生长过程的动态变化及高度的非线性、时变性，关键变量如菌体浓度、产物浓度又不可在线测量，使得发酵过程的模型化、优化控制都存在着不少难题。笔者提出了发酵过程中一些重要参数的控制思想及其实现方法，如温度控制、溶解氧控制等。今后随着神经元网络的不断深入研究，利用其在模式识别、噪声数据分类及工业生成过程建模的强大功能，可获得真实的生化反应过程信息，从而可对发酵过程实行完整的闭环控制和优化控制，提高发酵产物的生成率。

参考文献：

［1］肖应旺，徐保国. 补料分批发酵过程计算机控制系统的设计与应用［J］. 计算机测量与控制，2004，12（6）：529～543.

［2］ 王宇智. 微生物发酵过程建模及控制开发环境的研究 ［D］. 天津：天津科技大学，2003.

［3］ 李艳. 发酵工业概论［M］. 北京：中国轻工业出版社，1999.

［4］ 陈冠胜，许勇. 链霉素发酵过程的计算机控制［J］. 工业仪表与自动化装置，1995.1：33～35. ［5］ 盛金辉，庄诚，林红权. 啤酒发酵温度控制算法的设计及模型化[ J ]. 微计算机信息，2005. 21(4): 32～

33

本文作者创新点：1、温度控制算法。

2、溶解氧控制思想及实现方式。

作者简介：

姓名：黄丽

出生：1977年

性别：女

民族：汉族

籍贯：甘肃天水

职务：教师

研究方向：智能控制

Name: Huang Li

Birth: 1977

Sex: female

Nation: Han

Native Place: Tianshui city of Gansu province, China

Position: assistant teacher

Major: intelligent control

姓名：孙玉坤

出生：1958年

性别：男

籍贯：江苏靖江

职称：教授、博士生导师

研究方向：智能控制、电力电子技术

Name: Sun Yukun

Birth: 1958

Sex: male

Nation: Han

Native Place: Jingjiang city of Jiangsu province, China

Position: professor, Master tutor

Major: intelligent control、power electronics

邮编：212013

通信地址：江苏镇江江苏大学（校本部）电气学院，电工电子教研室 黄丽 收 E-mail: lilys@https://www.doczj.com/doc/1713828332.html,

分批发酵连续流加发酵和分批补料发酵优缺点比较

图表比较分批发酵、连续（流加）发酵和分批补料发酵优缺点? 表一：分批发酵、连续（流加）发酵和分批补料发酵简单比较

呼吸作用与发酵的根本区别在于：电子受体不是将电子直接传递给底物本身的中间产物，而是交给电子传递系统，并逐步释放能量后再交给最终的电子受体。 4、发酵过程杂菌污染的途径有哪些？如出现杂菌污染，应如何处理？ 答：发酵过程杂菌污染的途径有 1.种子带菌，2.培养基及设备消毒不够，3.设备破损，4.空气系统，5.操作不当（取样、补料、消泡、控制）等。（2分） 如出现杂菌污染，应对染菌时间、种类、染菌规模进行分析根据具体情况处理，（1分）如： 1.种子带杂菌——灭菌，排掉。（0.5分） 2.发酵前期——严重：实消后补种、料。不严重：运转并观察。（0.5分） 3.发酵中期——分析微生物数量、种类、物料性质，再做处理。（0.5分） 4.发酵后期——同中期，并考虑产率与成本关系，考虑放罐。（0.5分） 5、连续发酵有何优缺点？ 答：（1）、设备生产能力大、利用率高、没有中间清洗杀菌、没有发酵适应期。（1分）（2）、连续化、自动化、人平生产率高、成本降低。（1分） （3）、发酵稳定、便于管理。（1分） 缺点：营养利用率略低、控制要求高。（2分） 6、摇瓶提高溶氧方法有哪些？发酵罐提高溶氧方法有哪些？ 答：摇瓶提高溶氧可考虑减小装液比，增加摇床转速，不会造成染菌的情况下减少瓶口砂布层数等方法。（3分）发酵罐提高溶氧的方法有选择合理罐型，增加高径比，适当提高通气量，适当提高搅拌速度（搅拌罐）等方法。（3分）

6、泡沫对发酵有何影响？常用的消泡方法有何优缺点？ 答：泡沫对发酵的影响有：（1）泡沫持久存在，妨碍CO2的排除，影响微生物对氧的吸收，破坏正常生理代谢，不利发酵和生物合成。（2）泡沫大量产生，使发酵罐有效容积大大减少，影响设备利用率。（3）泡沫过多，控制不好，会引起大量跑料，造成浪费和环境污染（4）泡沫升到灌顶，可能从轴封渗出，增加染菌机会（5）泡沫过多也会影响氧传递、通风与搅拌效果。（3分，答出3点以上即可） 化学消泡优点：化学消泡剂来源广泛，消泡效果好作用迅速可靠，用量少，不需改造设备，大小规模适用，易实现自动控制。缺点：消泡剂对微生物生长有毒性。（1分） 物理消泡优点：不用在发酵液中加其他物质，节省原料，减少由于加消泡剂引起的污染机会。缺点：不如化学消泡迅速、可靠，需一定设备及消耗动力，不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。（1分） 7、改变细胞膜通透性的方法有哪些？ 答：（1）选择生物素缺陷型限制生物素用量，（2）生物素过量时采用油酸缺陷型菌株，限制油酸用量，（3）添加含高级脂肪酸的表面活性剂，拮抗脂肪酸的合成，（4）选育甘油缺陷型，限制甘油含量，（5）添加青霉素控制细胞壁后期合成。（每点1分） 基于工业发酵的基本模式,在微生物定向育种和发酵条件控制方面所采取的五字策略是“进、通、节、堵、出” ①进，促进细胞对碳源营养物质的吸收；②通，使来自上游和各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物； ③节，阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物； ④堵，消除或削弱目的产物进一步代谢的途径； ⑤出，促进目的产物向胞外空间分泌。 五、分析问答题：（15分） 1、在某菌种发酵生产中，最近发现发酵过程中糖氮的消耗减慢了，发酵周期延长了，产品得率下降，试分析可能的原因，并进一步验证和提出解决的办法。 答：经分析很可能发生了菌种衰退。（3分，写出分析的根据） 验证方法：1、显微镜镜检，观察菌种形态上有无发生变异，2、平板培养，观察菌落生长情况，3、摇瓶培养，测定相关生理指标。换过菌种或进行菌种复壮，看上述现象是否消失。（5分） 要解决好菌种衰退问题要做到： （1）做好菌种的保藏工作（5分，回答5点以上即可，每点给1分） A、使菌种在保藏中处于休眠状态，孢子、芽孢。低温、干燥、缺氧、营养缺乏、代谢活动下降。 B、要纯粹，要作无菌检查 C、新鲜的斜面，生长要丰满，取幼龄菌接种 D、接种量要适当，斜面生长不过密 E、保藏培养基，C源比例少，营养贫乏一些，否则产酸，产生代谢产物，引起变异。保藏培养基不加或少加葡萄糖，活化用0.1％葡萄糖

第六章 发酵过程控制-4

第六章发酵过程控制 第四节发酵过程泡沫的形成与控制 泡沫的定义：泡沫是气体在少量液体中的粗分散体，属于气液非均相体系，泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。是一种密度接近气体，而不接近液体的胶体体系。 泡沫的类型： 一种是存在于发酵液的液面上，气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面的液体之间有能分辫的界线。例如：某些稀薄的前期发酵液或种子培养液中的泡沫。 另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵液当中。这种泡沫分散很细，而且很均匀，也较稳定。泡沫与液体间没有明显的波面界限，在鼓泡的发酵液中气体分散相占的比例由下而上地逐渐增加。 一、泡沫形成的原因 1、通气搅拌 产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量的泡沫。 如下图所示，通气强度大、搅拌强烈可使泡沫增多；在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。 2、培养基配比与原料组成 在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质—助泡剂，才能产生气泡。

助泡剂在气液界面处就会形成定向吸附层：与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。见下图： 培养基营养丰富，多数富含蛋白质。蛋白质可以作为助泡剂，因此发酵培养基中通气后易产生稳定的泡沫。例如在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌200rpm，通气，泡沫生成量为培养基体积的2倍。 3、培养基的粘度 粘度很高的发酵液，产生的泡沫非常稳定。因为粘稠的液膜，有助于吸收外力的冲击，起到缓冲的作用，使泡沫能持久一些。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果： 泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起泡状态； 泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态； 泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加； 4、菌种、种子质量 菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。 5、灭菌质量 培养基灭菌质量不好，糖氮等营养成分破坏严重，抑制微生物生长，使细胞自溶，产生大量泡沫。 总结：发酵过程中泡沫的多寡与通气搅拌的剧烈程度和培养基的成分有关如蛋白、粘度、糖类、灭菌情况等。 发酵过程中起泡沫的方式： 在发酵过程中发酵液的性质随菌的代谢活动不断变化，是泡沫消长的重要因素。发酵过程中起泡沫的方式通常有5种情况： （1）整个发酵过程中，泡沫保持恒定的水平； （2）发酵早期，起泡后稳定地下降，以后保持恒定；

第六章 发酵过程作业参考答案

第六章 发酵过程作业参考答案 1、简述补料分批发酵的定义及优缺点、分类。（20分） 答：补料分批发酵又称半连续发酵或培养，是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。（4分）补料分批发酵与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：1）可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致于加剧供氧的矛盾。2)避免培养基积累有毒代谢物。3）与连续发酵相比，补料分批发酵不需要严格的无菌条件，也不会产生菌种老化和变异等问题，其应用范围十分广泛，包括抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸、及高聚物等、4）在发酵的不同时间不断补加一定的养料，可以延长微生物对数期的持续时间，增加生物量的积累和静止期代谢产物的积累。（8分）补料分批发酵可以分为两种类型：a: 单一补料分批发酵：在开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳源和(或)氮源和(或)其他必须基质，直到发酵液体积达到发酵罐最大工作容积后停止补料，将发酵液一次全部放出。这种操作方式称为单一补料分批发酵，由于受发酵罐工作容积的限制，发酵周期只能控制在较短的范围内。（4分）b 重复补料分批发酵：重复补料分批发酵是在单一补料分批发酵的基础上，每隔一定时间按一定比例放出一部分发酵液，使发酵液体积始终不超过发酵罐的最大工作容积，从而可以延长发酵周期，直至发酵产率明现下降，才最终将发酵液全部放出．这种操作方式既保留了单一补料分批发酵的优点，又避免了它的缺点。（4分） 2、通过哪些手段可提高发酵过程的溶氧量并分析比较各种措施的效果。（３０分） 答：(1) 提高KL a KL a 与其中的主要影响因素的函数关系可以使用下式表示： 对于牛顿型流体发酵液， KL a 的关联式可简单表示为： （２分） ①搅拌效率对KL a 的影响：一般情况下，高转速可有效地提高 KL a ，但太大或搅拌器的类型不当也会损伤菌丝，或产生漩涡，反而降低混合效果。对于高粘度的流体，转速、器型的影响会更明显。 ②气体流速对KL a 的影响：由上式得知：提高WS ，即提高通气量Q ，也可以有效的提高KL a 。研究表明，当通气量Q 较低时，随着通气量Q 的增加，WS 空气表观线速度也会增加。但Q 过大时，搅拌器不能有效地将空气气泡充分分散，而在大量气体中空转，形成所谓的“过载”现象 。会导致Pw/V 会随着Q 的增加而下降，即单位体积发酵液所拥有的搅拌功率会下降。 ③设备参数的影响：式中的α、β与发酵罐的大小、形状、搅拌器的类型等因素有关。Bartholomew 研究指出，9L 的发酵罐的α为0.95；0.5m3的发酵罐，α变为0.67；而27~57m3的发酵罐的α变为0.5。搅拌器的类型不同，α、β值的大小也不相同，对于α值，弯叶>平叶>箭叶；对),,,,,,,(g D W N d f K L s L a σρη=βαs w L W V P K K a )(=

发酵词汇

20 Amino Acids H

nWzg%R&e Glycine (Gly, G) 甘氨酸F6IX n+? Alanine (Ala, A) 丙氨酸is Nr1R6n{ Valine (Val, V) 缬氨酸1,IONN=E% Leucine (Leu, L) 亮氨酸B),W!?YO " Isoleucine (Ile, I) 异亮氨酸D_tPM! A b Phenylalanine (Phe, F) 苯丙氨酸N3"aq|^qP Tyrosine (Tyr, Y) 酪氨酸&b01Y` Tryptophan (Try, Trp, W) 色氨酸txf q" J-u Serine (Ser, S) 丝氨酸;+q0PCw Threonine (Thy, T) 苏氨酸64#V-z Cysteine (CysH, Cys, C) 半胱氨酸Yhb|

补料分批发酵过程控制系统研究 黄 丽,孙玉坤,黄永红, 薛力红

补料分批发酵过程控制系统研究 黄 丽，孙玉坤，黄永红, 薛力红 （江苏大学 电气信息工程学院， 江苏 镇江 212013） 摘 要：发酵过程是一个复杂的生化反应过程，笔者从系统的角度分析了补料分批发酵过程的特点及主要影响因素。在此基础上，提出了一套适合于现场的控制策略，设计了一个能够对生物发酵生产过程中的温度、压力、溶解氧、PH值及补料进行自动控制，以Motorola 公司的MC68HC08GP32芯片为核心的计算机控制系统。 关键词：补料分批发酵；温度控制；溶解氧控制；PH值控制；模糊控制 中图分类号：TP273 文献标识码：A Study of Control System About Batch Feed Ferment Process Huang Li, Sun Yukun, Huang Yonghong, Xue Lihong (School of Electrical and Information Engineering , Jiangsu University , Zhenjiang 212013 , China) Abstract: Fermentation is a very complicated biochemistry reaction process. According to the characteristic and central influencing factors, a suit of control system that is adaptive to scene is designed. The system was set up for microbe fermenting and producing process by temperature control , pressure control, DO，PH automatic control and automatic adding nutriment .And MC68HC08GP32 of Motorola is the core of this computer control system. Key words: fed-batch fermentation; temperature; dissolved oxygen; PH; fuzzy control 1 引言 近年来，生物技术迅速发展，生化反应过程，如发酵工业越来越引起科技界、工业界的重视。发酵过程是一个非常复杂的生物化学变化过程，生物发酵有两个核心：一是涉及获得特殊反应或过程所需的最良好的生物细胞（或酶）；二是选择最精良的发酵设备，开发最优技术，创造充分发挥生物细胞（或酶）作用的最佳环境。其中第二个核心部分涉及到微生物细胞发挥作用的系统或反应器方面的问题，其首要问题是提供使微生物能够最优生长、最优形成产物的可控系统和环境。例如，提出各环境参数的控制策略，提供设备设计及仪表装置，以使温度、通气、PH值等物理、化学条件得到有效的维持和控制，从而使微生物细胞呈现出最佳的性能，生成和积累大量产物。 补料分批发酵（fed-batch fermentation）是介于分批发酵和连续发酵之间的过渡类型。这种发酵是指分批发酵中间间歇地或连续地补加一种或多种成分新鲜培养基，但所需产物不到某一时刻不从罐内放出的一种与分批发酵相似的发酵方法。这种方法几乎遍及整个发酵工业，如生产酵母、氨基酸、抗生素、霉制剂、维生素等。它兼有分批发酵和连续发酵的优点，而且克服了两者的缺点，是目前发酵工业中较有代表性的一种发酵工艺。 补料分批发酵过程主要分为以下两个阶段： 准备阶段 包括菌种培养；培养基配制；消毒灭菌。 发酵阶段 包括接种；分批发酵；补料。 基金项目：江苏省高新项目(1191140002) 作者简介：黄丽(1977-)，女，甘肃天水人，教师，主要研究方向：智能控制；孙玉坤（1958-），男，江苏靖江人，教授，博导，主要从事智能控制及应用、电力电子技术应用方面的研究。

分批发酵、连续流加发酵和分批补料发酵优缺点比较

图表比较分批发酵、连续(流加)发酵与分批补料发酵优缺点? 表一:分批发酵、连续(流加)发酵与分批补料发酵简单比较

呼吸作用与发酵的根本区别在于:电子受体不就是将电子直接传递给底物本身的中间产物,而就是交给电子传递系统,并逐步释放能量后再交给最终的电子受体。 4、发酵过程杂菌污染的途径有哪些？如出现杂菌污染,应如何处理？ 答:发酵过程杂菌污染的途径有1、种子带菌,2、培养基及设备消毒不够,3、设备破损,4、空气系统,5、操作不当(取样、补料、消泡、控制)等。(2分) 如出现杂菌污染,应对染菌时间、种类、染菌规模进行分析根据具体情况处理,(1分)如: 1、种子带杂菌——灭菌,排掉。(0、5分) 2、发酵前期——严重:实消后补种、料。不严重:运转并观察。(0、5分) 3、发酵中期——分析微生物数量、种类、物料性质,再做处理。(0、5分) 4、发酵后期——同中期,并考虑产率与成本关系,考虑放罐。(0、5分) 5、连续发酵有何优缺点？ 答:(1)、设备生产能力大、利用率高、没有中间清洗杀菌、没有发酵适应期。(1分) (2)、连续化、自动化、人平生产率高、成本降低。(1分)

(3)、发酵稳定、便于管理。(1分) 缺点:营养利用率略低、控制要求高。(2分) 6、摇瓶提高溶氧方法有哪些？发酵罐提高溶氧方法有哪些？ 答:摇瓶提高溶氧可考虑减小装液比,增加摇床转速,不会造成染菌的情况下减少瓶口砂布层数等方法。(3分)发酵罐提高溶氧的方法有选择合理罐型,增加高径比,适当提高通气量,适当提高搅拌速度(搅拌罐)等方法。(3分) 6、泡沫对发酵有何影响？常用的消泡方法有何优缺点？ 答:泡沫对发酵的影响有:(1)泡沫持久存在,妨碍CO2的排除,影响微生物对氧的吸收,破坏正常生理代谢,不利发酵与生物合成。(2)泡沫大量产生,使发酵罐有效容积大大减少,影响设备利用率。(3)泡沫过多,控制不好,会引起大量跑料,造成浪费与环境污染(4)泡沫升到灌顶,可能从轴封渗出,增加染菌机会(5)泡沫过多也会影响氧传递、通风与搅拌效果。(3分,答出3点以上即可) 化学消泡优点:化学消泡剂来源广泛,消泡效果好作用迅速可靠,用量少,不需改造设备,大小规模适用,易实现自动控制。缺点:消泡剂对微生物生长有毒性。(1分) 物理消泡优点:不用在发酵液中加其她物质,节省原料,减少由于加消泡剂引起的污染机会。缺点:不如化学消泡迅速、可靠,需一定设备及消耗动力,不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。(1分) 7、改变细胞膜通透性的方法有哪些？ 答:(1) 选择生物素缺陷型限制生物素用量,(2) 生物素过量时采用油酸缺陷型菌株,限制油酸用量,(3) 添加含高级脂肪酸的表面活性剂,拮抗脂肪酸的合成,(4)选育甘油缺陷型,限制甘油含量,(5)添加青霉素控制细胞壁后期合成。(每点1分) 基于工业发酵的基本模式,在微生物定向育种与发酵条件控制方面所采取的五字策略就是“进、通、节、堵、出” ①进,促进细胞对碳源营养物质的吸收;②通,使来自上游与各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物; ③节,阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流,使碳架物质相对集中地流向目的产物; ④堵,消除或削弱目的产物进一步代谢的途径; ⑤出,促进目的产物向胞外空间分泌。 五、分析问答题:(15分) 1、在某菌种发酵生产中,最近发现发酵过程中糖氮的消耗减慢了,发酵周期延长了,产品得率下降,试分析可能的原因,并进一步验证与提出解决的办法。 答:经分析很可能发生了菌种衰退。(3分,写出分析的根据) 验证方法:1、显微镜镜检,观察菌种形态上有无发生变异,2、平板培养,观察菌落生长情况,3、摇瓶培养,测定相关生理指标。换过菌种或进行菌种复壮,瞧上述现象就是否消失。(5分) 要解决好菌种衰退问题要做到: (1)做好菌种的保藏工作(5分,回答5点以上即可,每点给1分) A、使菌种在保藏中处于休眠状态,孢子、芽孢。低温、干燥、缺氧、营养缺乏、代谢活动下

发酵课后题整理答案

第一章 1.发酵与酿造的概念，发酵、酿造工业与化学工业的区别 答：发酵：将提炼精制获得的成分单纯、无风味的要求的产品的生产过程称为发酵。（PPT）广义上，微生物进行的一切活动都可以称为发酵；狭义上，发酵仅仅是指厌氧条件下有机化合物进行不彻底分解代谢释放能量的过程。（书） 工业上的发酵：利用微生物生产某些产品的过程。 酿造：通常指成分复杂并对风味有特殊要求的食品或调味品的生产过程。 区别：在于发酵与酿造工业是利用生物体或生物体产生的酶进行的化学反应。 2.简述发酵与酿造技术的研究对象 答：按产业部门分类：酿酒工业、传统酿造工业、有机酸发酵工业、酶制剂发酵工业、氨基酸发酵工业、功能性食品生产工业、食品添加剂生产工业、菌体制造工业、维生素发酵工业、核苷酸发酵工业。 按产品性质分类：生物代谢产物发酵、酶制剂发酵、生物转化发酵、菌体获得。 3.简述发酵与酿造的特点 答：安全、简单；原料广泛；反应专一；代谢多样；易受污染；菌种选育。 4.简述发酵与酿造和现代生物技术的关系 答：生物技术是靠基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和生化工程这五大体系支撑起来的，发酵工程常常是基因工程、酶工程的基础和必要条件。食品发酵和酿造主要是以发酵工程和酶工程为支撑，是利用微生物细胞或动植物细胞的特定性状，通过现代化工程技术，生产食品或保健品的一种技术。发酵技术的两个核心部分是生物催化剂和生物反应系统，总而言之，食品发酵和酿造与现代生物技术关系密切，传统的发酵与酿造技术只有采用现代生物技术加以改造才被赋予新的内涵，才会有新的突破性进展。（补充请翻书4、5页） 5.我国主要发酵食品有哪些 答：酒精饮料、谷类食品发酵、豆类食品发酵、蔬菜发酵。 6.新型发酵食品的生产工艺及用途 答： 第四章 1.发酵工业的特征是什么 答：①微生物菌种选育及扩大培养； ②发酵原料的选择及预处理； ③发酵设备选择及工艺条件控制； ④发酵产物的提取和分离； ⑤发酵产物的回收和利用。

发酵第六章

1 发酵过程 第六章2 定义 发酵过程即细胞的生物反应过程，是指由生长繁殖的细胞所引起的生物反应过程。它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，而且还包括固定化细胞的反应过程、生物法废水处理过程和细菌采矿等过程。 3 为什么要研究发酵过程 微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能，而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来。为此我们必须通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深入地了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。 4 本章讲述的内容 ?第一节发酵过程的代谢变化规律?第二节发酵工艺的控制 ?第三节发酵过程的主要控制参数

5 第一节发酵过程的代谢变化规律 ?代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。 ?了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。 6 代谢曲线 代谢变化是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。把它们随时间变化的过程绘制成图，就成为所说的代谢曲线。 7 ■发酵过程按进行过程有三种方式： 9分批发酵(Batch fermentation) 9补料分批发酵(Fed-batch fermentation)9连续发酵(Continuous fermentation) 这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种类型的操作方式下的代谢特征。 8 1、分批发酵的定义 ?是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖 。 一、分批发酵

分批培养与补料分批培养的区别

分批培养与补料分批培养的区别？补料分批培养的优点？ 分批式培养是指先将细胞和培养液一次性装入反应器内进行培养，细胞不断生长，同时产物也不断形成，经过一段时间的培养后，终止培养。在细胞分批培养过程中，不向培养系统补加营养物质，而只向培养基中通入氧，能够控制的参数只有pH值、温度和通气量。因此细胞所处的生长环境随着营养物质的消耗和产物、副产物的积累时刻都在发生变化，不能使细胞自始至终处于最优的条件下，因而分批培养并不是一种理想的培养方式。分批培养过程特征如图14-2。 图14-2动物细胞分批式培养过程的特征 细胞分批式培养的生长曲线与微生物细胞的生长曲线基本相同。在分批式培养过程中，可分为延滞期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期等五个阶段。分批培养过程中的延滞期是指细胞接种后到细胞分裂繁殖所需的时间，延滞期的长短根据环境条件的不同而不同，并受原代细胞本身的条件影响。一般认为，细胞延滞期是细胞分裂繁殖前的准备时期，一方面，在此时期内细胞不断适应新的环境条件，另一方面又不断积累细胞分裂繁殖所必需的一些活性物质，并使之达到一定的浓度。因此，一般选用生长比较旺盛的处于对数生长期的细胞作为种子细胞，以缩短延滞期。

细胞经过延滞期后便开始迅速繁殖，进入对数生长期，在此时期细胞随时间呈指数函数形式增长，细胞的比生长速率为一定值，根据定义 式中 t：培养时间（h）； X ：细胞的初始浓度； X：t时刻的细胞浓度； μ：细胞的比生长速率。 细胞通过对数生长期迅速生长繁殖后，由于营养物质的不断消耗、抑制物等的积累、细胞生长空间的减少等原因导致生长环境条件不断变化，细胞经过减速期后逐渐进入平稳期，此时，细胞的生长、代谢速度减慢，细胞数量基本维持不变。 在经过平稳期之后，由于生长环境的恶化，有时也有可能由于细胞遗传特性的改变，细胞逐渐进入衰退期而不断死亡，或由于细胞内某些酶的作用而使细胞发生自溶现象。

发酵技术中的补料的控制

发酵技术中的补料的控制 补料分批发酵(fed-batch culture，FBC)： 又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法，是分批发酵和连续发酵之间的一种过渡培养方式，是一种控制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。 1 FBC的作用 1）可以控制抑制性底物的浓度 高浓度营养物抑制微生物生长： ①基质过浓使渗透压过高，细胞因脱水而死亡； ②高浓度基质能使微生物细胞热致死(themal death)，如乙醇浓度达10％时，就可使酵母细胞热致死； ③有的是因某种或某些基质对代谢关键酶或细胞组分产生抑制作用，如高浓度苯酚(3％～5％)可凝固蛋白； ④高浓度基质还会改变菌体的生化代谢而影响生长等。 有的基质是合成产物必需的前体物质，浓度过高，就会影响菌体代谢或产生毒性，使产物产量降低。如苯乙酸、丙醇(或丙酸)分别是青霉素、红霉素的前体物质，浓度过大，就会产生毒性，使抗生素产量减少。 有的底物溶解度小，达不到应有的浓度而影响转化率。如甾类化合物转化中，因它们的溶解度小，使基质的浓度低，造成转化率不高。 采用FBC方式，可以控制适当的基质浓度，解除抑制作用，得到高浓度的产物。2）解除或减弱分解代谢物的阻遏 有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，如葡萄糖阻抑纤维素酶、赤霉素、青霉素等多种酶或产物的合成。通过补料来限制基质葡萄糖的浓度，就可解除酶或其产物的阻遏，提高产物产量。 缓慢流加葡萄糖，纤维素酶的产量几乎增加200倍；将葡萄糖浓度控制在0.02％水平，赤霉素浓度可达905 mg／L；采用滴加葡萄糖的技术，可明显提高青霉素的发酵单位等。这都是利用发酵技术解决分解代谢物阻遏的实际应用。在植物细胞培养中，也采用该技术来提高产量。 3）可以使发酵过程最佳化 分批发酵动力学的研究，阐明了各个参数之间的相互关系。利用FBC技术，就可以使菌种保持在最大生产力的状态。 随着FBC补料方式的不断改进，为发酵过程的优化和反馈控制奠定了基础。 随着计算机、传感器等的发展和应用，已有可能用离线方式计算或用模拟复杂的数学模型在线方式实现最优化控制。 FBC的优点： ①解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏； ②避免一次投料过多造成细胞大量生长所引起的一切影响，改善发酵液流变学性 质； ③可提高发芽孢子的比例，控制细胞质量； ④不需要严格的无菌条件，产生菌不易老化变异，比连续发酵适用广泛。 2 补料内容 ①能源和碳源； ②氮源；