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发酵工程发酵过程控制1. 引言发酵工程是利用微生物的生理代谢过程来生产有机化合物的一种工程技术。
而发酵过程控制则是在发酵工程中对发酵过程进行调控和监控，以确保发酵过程能够稳定进行，并获得高产率和良好的产品质量。
发酵过程控制通过对微生物与培养基、发酵设备和操作条件等方面进行控制，研究微生物的生长规律和代谢产物的生成规律，实现对发酵过程的调控，以实现最佳的发酵效果。
本文将介绍发酵工程发酵过程控制的主要内容和方法。
2. 发酵过程控制的目标发酵过程控制的主要目标是实现以下几个方面的调控：1.生物量的控制：调控微生物的生长速率和生物量，使其在适宜的培养基和环境条件下获得最佳生长，提高产酶或产物的产量；2.代谢产物的控制：调控微生物代谢过程中的关键反应步骤，实现选择性产物的生成，并提高产量；3.溶氧的控制：调控发酵过程中的溶氧浓度，提高氧传递效率，防止氧的限制性产物的堆积；4.pH的控制：调控发酵过程中的pH值，维持合适的酸碱环境，促进微生物的生长和代谢；5.温度的控制：调控发酵过程中的温度，提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢。
3. 发酵过程控制的方法发酵过程控制主要采用以下几种方法：3.1 反馈控制反馈控制是一种基于对发酵过程变量的测量和反馈，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的反馈控制方法包括：•温度控制：通过测量发酵容器内的温度，控制加热或降温设备的输出，以维持适宜的温度；•pH控制：通过测量发酵液的pH值，控制酸碱调节器的输出，以维持适宜的酸碱环境；•溶氧控制：通过测量发酵液中的溶氧浓度，控制气体供应设备的输出，以维持适宜的溶氧浓度。
3.2 前馈控制前馈控制是一种基于对发酵过程中外部输入变量的预测，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的前馈控制方法包括：•溶氧前馈控制：根据发酵微生物对溶氧需求的特性，通过对气体供应设备输出的调节，提前调整溶氧浓度，以满足微生物的需求；•pH前馈控制：根据发酵产物对酸碱环境的敏感性，通过对酸碱调节器输出的调节，提前调整pH值，以维持合适的酸碱环境。
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；
（3）发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升；
（4）发酵开始起泡能力低，以后上升；
（5）以上类型的综合方式。
二、起泡的危害
发酵过程产生泡沫有一定的好处，使气体分散增强、增加气液接触面积；但过多的泡沫是有害的。
1、降低生产能力
如下图所示，在发酵罐中，为了容纳泡沫，为防止溢出而降低装液量，降低了生产能力。
2、引起原料浪费
如果起泡现象严重，发酵罐上方容纳泡沫的空间不够，气泡会顺着排气管连续外溢，引起原料流失，造成浪费。
3、引起染菌
逃液使排气管中粘上培养基，就会长杂菌。
随着时间延长，杂菌会长入发酵罐而造成染菌。
大量泡沫由罐顶进一步渗到轴封，轴封处的润滑油可起一定的消泡作用，从轴封处落下的泡沫往往引起杂菌污染。
4、影响细胞的呼吸
如果气泡稳定，不破碎，那么随着微生物的呼吸，气泡中充满二氧化碳，影响了细胞的呼吸。
三、泡沫的控制
泡沫的控制可以从以下两个方面入手：
①调整培养基中的成分，或改变某些物理化学参数，或者改变发酵工艺；
②采用机械消沫或消沫剂消沫；
工业上通常采用机械消沫或消沫剂消沫。
1、机械消沫
利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂，起消沫作用。
有罐内消沫和罐外消沫两种方法。
机械消泡装置主要有以下几种：
一是耙式消泡器。
安装于罐内顶部、高出液面的位置，固定在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。
如下图。
二是半封闭式涡轮消泡器，它是由前者发展改进而来，泡沫可直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。
如下图。
机械消泡的优点：节省原料，不需引进外界物质(如消泡剂)，减少染菌机会，不会增加下游工段的负担。
机械消泡的缺点：消沫效果不理想，不能从根本上消除泡沫成因，仅可作为消沫的辅助方法。
2、消泡剂破除泡沫
破泡剂：加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。
如低级醇、天然油脂。
一般来说，这类消泡剂随着时间的延续，迅速降低效率，并且当温度上升时，因溶解度增加，消泡效率会下降。
抑泡剂：发泡前预先添加而阻止起泡的添加剂。
如聚醚及有机硅等属于抑泡剂。
3、常用消泡剂的种类和性能
（1）天然油脂
天然油脂是最早用的消泡剂，来源容易，价格低，使用简单，没有明显副作用，如豆油、菜油、鱼油等。
主要成分是高级脂肪酸酯和高级一元醇酯，还有高级醇、高级烃等。
但油脂易变质，使酸值增高，对发酵有毒性。
有些油是发酵产物的前体，会影响产物的合成。
如豆油是红霉素的前体，鱼油是螺旋霉素的前体。
近年来出于对环境保护的考虑，研发了两类新的天然消泡剂。
A：酒糟榨出液由酒糟中压榨出大约40%液体，在500C真空蒸馏，浓缩19倍，得到可用于麦芽汁发酵过程的消泡剂。
效果很好，没有副作用。
酒糟榨出液中存在C8~C18的脂肪酸，尤其是卵磷脂等物，这些物质的协同作用下的消泡作用比这些物质单独消泡作用强得多。
B：啤酒花油研究发现向啤酒添加1~5ppm啤酒花油是减轻气泡的有效措施。
啤酒花油含有消泡活性的物质有：石竹烯、荷兰芹萜烯等。
（2）聚醚类消泡剂
聚醚类消泡剂种类很多，是以甘油为起始剂，由环氧丙烷，或环氧乙烷与环氧丙烷的混合物进行加成聚合而制成的。
只在甘油分子上加成聚合环氧丙烷的产物叫聚氧丙烯甘油，定名为GP型消泡剂；用于链霉素发酵，代替天然油，效果很好。
在GP型消泡剂的聚丙二醇链节末端再加成环氧乙烷，成为链端是亲水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPE型消泡剂（泡敌）。
按照环氧乙烷加成量为10%，20%……50%，分别称为GPE10，GPE20，……GPE50。
这类消泡剂称为“泡敌”。
用于四环素发酵效果很好，相当于豆油的10～20倍。
（3）高碳醇
高碳醇是强疏水弱亲水的线型分子，在水体系里是有效的消泡剂。
C7~C9的醇是最有效的消泡剂。
C12~C22的高碳醇借助适当的乳化剂配制成粒度为4~9μm，含量为
20~50%的水乳液，即成为消泡剂。
（4）硅酮类
最常用的是聚二甲基硅氧烷，也称二甲基硅油。
它表面能低，表面张力也较低，与一般油的亲和性也很小。
挥发性低并具有化学惰性，比较稳定且毒性小。
