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第七章发酵工艺过程控制发酵产品生产过程是非常复杂的生物化学反应过程。
为了使生产过程达到预期的目的，获得较高的产品得率，只有采取各种不同方法测定生物代谢过程中代谢变化的各种参数，掌握代谢过程的变化情况，结合代谢控制理论，才能有效控制发酵过程。
不管是微生物发酵还是动植物细胞的培养过程，均是细胞按照生命固有的一系列遗传信息，在所处的营养和培养条件下，进行复杂而细微的各种动态的生化反应的集合。
为了充分表达生物细胞的生产能力，对某一特定的生物来讲，就要研究细胞的生长发育和代谢等生物过程，以及各种生物、理化和工程环境因素对这些过程的影响。
因此研究菌体的培养规律、外界控制因素对过程影响及如何优化条件，达到最佳效果是发酵工程的重要任务。
本章主要介绍微生物发酵的工艺过程控制。
第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数前已述及微生物发酵有三种方式即分批发酵(batchfermentation)、补料分批发酵(fed-batchfermentation)和连续发酵(continuousfermentation)。
工业上为了防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题，大都采用分批发酵或补料分批发酵这两种方式。
其中补料分批发酵已被广泛采用，因为它的技术介于分批发酵和连续发酵之间，兼有两者的优点，又克服了它们的缺点。
各种不同发酵方式菌体代谢变化也不相同，但为了了解其基本变化，仍以分批发酵为基础来说明其代谢规律。
微生物的分批发酵过程，因其代谢产物的种类不同而有一定的差异，但大体上是相同的。
产生菌体经过一定时间不同级数的种子培养，达到一定菌体量后，移种到发酵罐进行纯种和通气搅拌发酵（发酵工业中，绝大部分是好氧发酵），到规定时间即结束。
如在霉菌、放线菌的发酵过程中，随着菌体的生长和繁殖，培养液的物理性质、菌体形态和生理状态都可能会发生显著的变化，如：培养液的表观黏度可能增大，液体的流变学特性改变，进而影响罐内的氧传递、热传递和液体混合等过程。
发酵工艺过程控制发酵工艺过程控制是指在发酵过程中，通过合理控制发酵的条件和参数，使发酵过程达到预期的目标，达到最佳的产品质量和产量。
发酵工艺过程控制包括发酵条件的选择、发酵参数的控制和数据采集、分析等内容。
下面将详细介绍发酵工艺过程控制的一些关键点。
首先，在发酵工艺过程控制中，发酵条件的选择非常重要。
发酵条件包括温度、pH值、氧气供应和搅拌速度等。
不同的微生物和发酵产物有其适宜的发酵条件。
一般来说，温度是一个非常关键的参数。
适宜的温度可以提高微生物的生长速率和代谢活性，从而提高产物的产量和质量。
同时，pH值也会影响微生物的生长和代谢。
合适的pH值可以提供一个适宜的酶活性和物质转运环境。
氧气供应和搅拌速度对于需要氧气的微生物来说非常重要。
合适的氧气供应和搅拌速度可以提高微生物的通气效果和溶氧量，从而提高产量和代谢产物的选择性。
其次，在发酵工艺过程控制中，对发酵参数的控制和数据采集、分析也是至关重要的。
发酵参数包括微生物的接种量、培养基成分比例、培养基的初始pH值等。
合理的微生物接种量和培养基成分比例可以提高产物的产量和质量。
同时，初始pH值的控制可以提供一个合适的环境供微生物生长和代谢。
在发酵过程中，需要对各个参数进行实时的数据采集和分析，以便及时调整和优化发酵条件。
通过数据采集和分析，可以有效地监测发酵过程的进展，及时发现并解决问题，从而提高发酵工艺的稳定性和可控性。
另外，在发酵工艺过程控制中，发酵的时间也是需要考虑的一个因素。
发酵的时间过短可能导致微生物的生长和代谢不完全，从而影响产物的产量和质量；发酵的时间过长则可能导致微生物的过度生长和细胞死亡，影响发酵过程的稳定性和可控性。
因此，需要通过实验和经验来确定合适的发酵时间，以达到最佳的产物质量和产量。
综上所述，发酵工艺过程控制是一个非常重要的领域。
通过合理选择发酵条件和控制发酵参数，以及进行数据采集和分析，可以实现对发酵过程的有效控制，提高产品的产量和质量。
第七章发酵工艺过程控制11. 发酵工艺过程控制2. 温度对发酵的影响及其控制3. pH值对发酵的影响及其控制4. 溶解氧对发酵的影响及其控制5. 泡沫对发酵的影响及其控制6. 补料（基质浓度）控制7. 发酵过程中的参数检测8. 高密度发酵21.发酵工艺过程控制3发酵过程控制的重要性•过程控制的内容：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。
•过程控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使所需要的代谢活动得以最充分的表达，以最经济、最大限度地获得发酵产物。
决定发酵水平的因素外部环境因素生物因素：菌株特性(营养要求、生长速率、产物合成速率)设备性能: 传递性能工艺条件物理：T 、Ws化学：pH 、DO 、基质浓度4工业微生物发酵过程52.温度对发酵的影响及其控制影响发酵温度变化的因素温度对微生物生长的影响温度对基质消耗的影响温度对产物合成的影响最适温度的选择与控制62.1 影响发酵温度的因素发酵热就是发酵过程中所产生的净热量Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射产热因素：生物热机械搅拌热散热因素：蒸发热辐射热7（1）生物热Q生物生物热是生产菌在生长繁殖过程中产生的热能。
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化产生能量，一部分用于合成ATP提供细胞代谢产物合成需的能量，另一部分以热的形式散发，这散发出来的热就叫生物热。
影响生物热的因素：菌株发酵类型、培养基、发酵时期8生物热与发酵类型有关微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。
和水一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2好氧：产生287.2千焦耳热量，–183千焦耳转变为高能化合物–104.2千焦以热的形式释放厌氧：产生22.6千焦耳热量，–9.6千焦耳转变为高能化合物–13千焦以热的形式释放9培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性细胞呼吸量强弱与生物热的大小有关：1.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。
2.菌体在对数生长期时，菌体繁殖迅速，呼吸作用强，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。
3.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，温度变化不大，且逐渐减弱。
10（2）搅拌热Q搅拌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、液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。
（3）蒸发热Q蒸发通气时，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，一般可以忽略不计。
（4）辐射热Q辐射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境的温差。
冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5％。
11发酵热的测定发酵热测定的方法：简单的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，再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。
Q发酵＝GCm (T出－T进)Cm——水的比热G——冷却水流量124.2×10³J/(㎏·℃)2.2 温度对发酵过程的影响①温度一方面通过影响生产菌的生长繁殖及代谢产物的合成而影响发酵过程；②另一方面通过影响发酵液的物理性质（如发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率等）影响发酵的动力学和产物合成。
13✓温度对基质的影响温度对发酵液物理性质的影响☐影响氧在发酵液中的溶解度温度↑溶氧↓☐影响基质的分解速率14温度对产物合成的影响青霉菌发酵生产青霉素青霉菌生长活化能E1= 34 kJ/mol青霉素合成活化能E2= 112 kJ/mol15温度影响发酵方向——产物种类或比例：改变发酵液的物理性质，间接影响细胞的生物合成，影响生物合成方向。
•1：四环素发酵中金色链霉菌：T<30℃，产生金霉素；随着温度升高，产物中四环素比例提高；T达到35℃，仅产生四环素。
•2：米曲霉发酵，温度控制在低限，有利于蛋白酶的合成，而α-淀粉酶活性受到抑制；温度高，则相反。
162.3 最适温度的确定•最适温度是指在既适合菌的生长，又适合代谢产物的合成。
为了使微生物的生长速度最快和代谢产物的产率最高，在发酵过程中必须根据菌种的特性，选择和控制最合适的温度。
•菌体生长最适温度与产物合成最适温度往往是不一致的。
因此，最适发酵温度应从两个方面考虑：菌体的最适生长温度和代谢产物合成的最适温度。
17•最适温度与菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段有关。
•最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。
生产菌株的菌体生长和积累代谢产物的最适温度往往不同18青霉素生产菌黑曲霉（产糖化酶和柠檬酸）谷氨酸生产菌生长温度（℃）303730~32积累代谢产物温度（℃）2532~3434~362.4 发酵（最适）温度的控制•在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。
•冷却介质：深井水或冷冻水•控制方式：手动控制或自动控制19夹套式换热装置（10m3以下）20竖式蛇管换热装置（10m3以上）节能噪音低的冷却系统—冰水机21节能噪音低的冷却系统3. pH值对发酵的影响及其控制 发酵培养基pH值是在一定条件下代谢活动的综合指标，它对菌体生长和产物合成有重要的影响。
发酵过程中pH是不断变化的，因此必须掌握其变化规律，及时监测并加以控制，使得它处于最佳状态。
尽管多数微生物能够在3-4个pH值单位范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到最高生长速率和最佳产物形成，必须使pH值在很窄的范围内保持恒定。
223.1 发酵过程pH值变化的原因（1）引起发酵液中pH变化的因素⏹主要因素：微生物种类、基础培养基的组成和发酵条件均影响发酵过程中的pH值。
⏹代谢对pH影响主要发生在：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/碱性物质的利用。
23A.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；当氨基酸中的-NH2被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降。
2) 中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；3) 生理碱性物质的存在；4) 碱性产物的形成，如红霉素等抗生素；5)发酵后期，菌体自溶。
243.1 发酵过程pH值变化的原因3.1 发酵过程pH值变化的原因B.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）消泡剂加得过多致脂肪酸含量增加；（3）生理酸性盐的利用；（4）酸性产物形成：如有机酸发酵。
253.1 发酵过程pH值变化的原因（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；263.2 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: pH 6.3～7.5 ；霉菌：pH 4.5～5.5(1.5~8.5)；酵母菌：pH 4.5～5.0 (3.0~7.5)；放线菌：pH 7.5～8.5•控制一定的pH，不仅可以保证微生物生长，还可以防止杂菌污染。
e.g. 石油酵母：–pH3.5～5.0：生长良好且不易染菌–pH>5.0：酵母形态变小，发酵液变黑，且污染大量细菌–pH<3.0：酵母生长受抑制，细胞极不整齐，且出现自溶27（2）pH对产物合成的影响微生物生长和发酵的最适宜pH可能不同。
这不仅与菌种特性有关，还取决于产物的化学特性。
28（3）pH影响代谢方向：pH不同，微生物代谢产物不同29（4）pH影响发酵的机理◆pH影响酶的活性：当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻;◆pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的进出，因此影响新陈代谢的进行;◆pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用。
303.3 最适pH的选择•菌体生长阶段获得最大比生产速率和合适的菌体量，以获得最高产量•在产物合成阶段以产物量为指标确立最适产物合成的pH值。
同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的pH，在产物生产阶段采用最适产物合成的pH；31（1）调节原始培养基的pH值使基础培养含有合适碳源和氮源比例和盐类，或加入缓冲剂使其具有缓冲能力；A、基础料中若含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH值。
若要控制灭菌后pH在6.0，灭菌前pH往往要调到6.5~6.8；B、在基础料中加入维持pH的物质，如CaCO3，具有缓冲能力的化学品如磷酸盐等；323.4 发酵过程pH值的调节及控制（2 ）发酵过程pH值的调节和控制A. 直接补加酸碱调节控制pH–发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂(NaOH、HCl)；–当pH值偏离不大，加入强酸碱容易破坏缓冲体系，而且会引起培养液成分发生水解，较少使用。
B. 通过调整通风量来控制pH值。
–在消泡剂加多的情况下，提高通气量可以加速脂肪酸的氧化，减少因脂肪酸的累积引起的pH值降低。
33（2 ）发酵过程pH值的调节和控制C. 补加生理酸碱性基质来调节pH补加生理酸碱性物质，既调节了发酵液的pH值，又可补充营养物质，还可减少阻遏作用。
–酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4＋)－盐、有机酸盐等–碱性基质：NO334（2 ）发酵过程pH值的调节和控制D. 通过补料调节控制pH•当pH值上升至超过最适值，意味着菌体处于饥饿状态，可加糖调节，糖的过量又会使pH值下降。
采用补料的方法同时可以实现补充营养、延长发酵周期、调节pH值和改变培养液的性质（如粘度）等几种目的，特别是产物合成有阻遏作用的营养物质，通过少量多次补加可避免对产物合成的影响。
35pH的控制系统经消毒的pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。
364. 溶解氧对发酵的影响及其控制•工业发酵所用的微生物大多为好氧菌；生长繁殖和合成代谢产物均要氧气，供氧对需氧微生物必不可少。
•发酵过程中供给适量的无菌空气，无菌空气的氧只有溶解到发酵液并进一步传递到细胞内的氧化酶系后菌体才能够利用，才能完成生长繁殖和积累所需的代谢产物。
37•在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。
许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。
384.1 微生物对氧的需求1、微生物耗氧◆需氧包括三方面：①供能——葡萄糖完成氧化②合成产物——将葡萄糖转化为产物，消耗氧③菌体生长——构成细胞成分含有氧◆不同微生物对氧的需求不同。
39基质微生物g 氧/g 干菌体葡萄糖大肠杆菌0.4甲醇假单胞菌C 1.2辛烷假单胞菌 1.7•微生物对需氧量常用呼吸强度和耗氧速率表示–呼吸强度——Q O2mmol O 2/g.h ，亦称氧的比消耗速率是指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量。
