7发酵过程控制 PPT课件

方法二： 通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自
动控制装置测得温度随时间上升的速率S, 按下式可求得发 酵热 ：
Q 发酵 = K ·S
S --- 温度随时间上升的速率，℃/h K --- 总参数，代表系统的热容量，J/L·℃
K值可由下式求得： K = (MCp)发酵液 + (MCp)容器 + (MCp)附件
3）温度还可能影响生物合成的方向
例如： 四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。在低于30℃下， 该菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例提高； 在温度达到35℃时，则只产生四环素，金霉素的合成停止
四、最适温度的选择
◇ 最适温度是指在该温度下最适于菌的生长或产物的形成。 ◇ 在发酵的整个周期内仅选一个温度不一定好。
后长时间不回升，这很可能说明污染了好气菌 4、溶氧➢➢ 作补如为糖发考后酵查，过设溶程备氧中、出溶工现氧艺明迅条显速件下回对降升氧的，供趋发需势酵与液产变物稀形，成则影很响可能 的指标是➢之因污一此染可了利噬用菌溶体氧作为参数来控制加料的次数、流加速
度和加入量
二、适当溶解氧的选择
◆ 在好氧微生物反应中，一般取 [DO]
传质状况差，对产物的合成不利
例如： 以乙醇为碳源发酵谷氨酸，当乙醇浓度达35g/L，可延长
谷氨酸生产时间，提高产量；但在更高浓度下，菌体生长受 到抑制，产量降低
二、 基质浓度的控制 —— 补料控制
为解除基质过浓的抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖效应， 以及避免在分批发酵中因足的状况，通常采用中间补 料工艺。
当温度超过一 定数值，细胞得 率降低。主要原 因是生命活动维 持方面的需求增 加
2、温度对发酵的影响
1） 温度影响产物合成的速率及产量

参数，使有利于生
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
过程中一面补入新鲜 的料液，一面以相同 的流速放料，维持发 酵液原来的体积。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。

新型发酵设备如旋转式发酵罐、气升式发酵罐等，能够提 高发酵效率、优化发酵过程，促进微生物代谢产物的积累 。
环保和节能技术在发酵过程中的应用
环保技术
采用高效分离技术、生物处理技术等手段， 降低发酵废水的排放，减轻对环境的压力。
节能技术
利用热回收技术、余热利用技术等，降低发 酵过程中的能源消耗，实现绿色Байду номын сангаас碳生产。
详细描述
发酵是一种广泛应用的生物技术，通过微生物或酶的作用将有机物质转化为细胞 物质或代谢产物。根据发酵类型不同，可以分为厌氧发酵和好氧发酵，根据发酵 产物不同，可以分为酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵等。
发酵的基本原理
总结词
发酵过程涉及到微生物的生长、代谢和繁殖等生物学过程，需要适宜的环境条件和营养物质。
菌种特性的发挥：通过 精确控制发酵条件，可 以促使菌种发挥最大的 生产潜力，提高目标产 物的产量和品质。
减少批次间差异：良好 的发酵过程控制可以降 低批次间的差异，使每 次发酵都能达到预期的 效果，从而减少产品批 次间的波动。
提高产物纯度：适当的 发酵条件可以降低杂质 的产生，提高目标产物 的纯度，这对于许多生 物制品的下游分离和纯 化过程至关重要。
06 案例分析
某公司车间发酵过程控制的成功经验
总结词
技术先进、管理严格、持续改进
详细描述
该公司在车间发酵过程控制方面采用了先进的技术和设 备，确保了发酵过程的稳定性和可靠性。同时，公司还 建立了完善的管理制度，对发酵过程进行严格的监控和 管理，及时发现和解决问题。此外，公司还注重持续改 进，不断优化发酵工艺和技术，提高生产效率和产品质 量。
自动化控制技术
通过自动化设备实现发酵过程的自动检测、 控制和调节，提高生产效率和产品质量。

菌种生产性能越高，其生产条件越难满足。
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发酵过程技术原理
分批发酵 补料-分批发酵 半连续发酵 连续发酵
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分批发酵
几个重要参数：
为比生长速率,h-1； -qs 为比基质消耗速率,(g/g)/h； qp 为比产物形成速率,(g/g)/h 。
uX dX dt
q xX d S dt
补充养分，同时解除/消弱代谢产物的抑制。
不足：
丢失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体；送去提炼 的发酵液体积更大；丢失代谢产生的前体物；利于非产生 菌突变株的生长。
实施：海洋微藻合成藻红素和EPA。
需要摸索最佳的培养基更新速率。
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连续发酵
发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相同的流速 放料，维持发酵液原来的体积。（恒化培养）
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1
发酵过程优化与控制
发酵
狭义——厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成 乳酸或乙醇等的分解代谢过程。
广义——微生物把一些原料养分在合适的发酵 条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过 程。
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2
发酵是一个很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素： 菌种性能、培养基组成、原料质量、灭菌条件、种子 质量、发酵条件和过程控制等
pH变化会影响酶活，菌对基质的利用效率和细
胞结构，从而影响菌的生长和产物的合成。
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选择最适发酵pH的原则是获得最大比生产速率和
适当的菌量。
分阶段pH控制策略
如何控制发酵液pH？
基础培养基的配方；通过加酸碱或中间补料 例如，青霉素发酵，通过调节加糖速率来控制pH；链 霉素的生产，补充NH3来控制pH，同时为产物合成提 供氮源。
培养液pH可反映菌的生理状况：pH上升超过最适值，意 味着菌处于饥饿状态，可加糖调节；糖的过量又使pH下 降；用氨水中和有机酸需防止微生物中毒，可通过监测 培养液种溶氧浓度的变化来控制。

碳源、氮源和磷酸盐对发酵的影响及控制
情况
效价或产物浓度
g/mL 取样〔传感器〕 产物
合成情况
发酵过程的主要控制参数
1. pH值〔酸碱度〕 2. 温度〔℃〕 3. 溶解氧浓度 4. 基质含量 5. 空气流量 6. 压力 7. 搅拌转速 8. 搅拌功率 9. 粘度
10. 浊度 11. 料液流量 12. 产物浓度 13. 氧化复原电位 14. 废气中的氧含量 15. 废气中的CO2含量 16. 菌丝形状 17. 菌体浓度
三、 pH值对发酵的影响及其控制
〔一〕pH值对发酵的影响
1、影响酶的活性，当pH值抑制菌 体中某些酶的活性时，会妨碍菌 体的新陈代谢；
2、影响微生物细胞膜所带电荷的形状， 改动细胞膜的通透性，影响微生物对 营养物的吸收和代谢产物的排泄
3、pH影响培育基中某些组分的解离， 进而微生物对这些成分的吸收、利用
mg/ml 取样 了解氨基酸等含
生长情况
菌体中RNA,DNA 含量 mg(DCW)/g 取样 了解
生长情况
பைடு நூலகம்
菌体中ATP,ADP,AMP量 mg(DCW)/g 取样 了解
菌的能
量代谢
情况
菌体中NADH量 mg(DCW)/g 在线荧光法 了解
菌的合
成才
干
菌体中蛋白质量
mg(DCW)/g 取样 了解生
长和产物
四环素发酵中,
金色链霉菌
<30℃,产生金霉素 > 35℃,只产生四环素
•温度升高，气体在溶液中的溶解度减小，氧
传送速率改动，影响基质的分解速率.
•温度升高,生长快,反响速度快,酶失活快,菌
体衰老快,发酵提早终了.
〔二〕影响发酵温度变化的要素

现在来分析发酵热产生和散失的各因素。
1、生物热Q生物
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 成高能化合物（如ATP）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，这 散发出来的热就叫生物热。
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 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧：产生287.2千焦耳热量，
4、温度影响生物合成的方向
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30oC时，这种菌合成金霉素能力较强；温度 提高，合成四环素的比例也提高，温度达到35oC时，金 霉素的合成几乎停止，只产生四环素。
温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶解度也 影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温 度要严格控制。
E
K r1
11
T1
K与温度有关
E越大温度变化 对K的影响越大
2.温度对产物形成的影响 温度对细菌的生长、产物合成的影响可能是不同的
青 霉 素
12oC～30oC
3.温度影响发酵液的物理性质
温度还可以通过改变发酵液的物理性质, 间接影响微生物的生物合成。如:温度对 氧在发酵液中的溶解度就有很大的影响。
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一 致。
什么是液晶状态？
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的 过渡状态称为液晶态。
由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示；
由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。
T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。
那么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。

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三、CO2浓度的控制
二氧化碳浓度的控制根据它对发酵的影响而定。 通气搅拌控制二氧化碳浓度 ； 二氧化碳的产生与补料控制有密切关系
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第五节 流加补料的控制
优点：
1.可以解除底物抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物 阻遏作用；
2.避免因一次性投料过多造成细胞大量生长，耗氧过
多而造成波谷现象；
3.可用作控制细胞质量的手段； 4.可作为理论研究的手段，为自动控制和最优化控制
➢ ➢ 单独使用效果差，常与分散剂（微晶二氧化硅）一起使用
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（5）消泡剂的应用和增效
A 消泡剂加载体增效 B 消泡剂并用增效 C 消泡剂乳化增效。
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2 机械消泡
靠机械力引起强烈振动或者压力变化， 促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的 液体加以分离回收。
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理想的机械消泡装置： 动力小 结构简单 坚固耐用 清洗、杀菌容易 维修保养费用少
生产阶段：pH趋于稳定 自溶阶段：pH上升
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引起pH下降的因素：
（凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗的发 酵，其pH都会下降）
1）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过 量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大 量积累而pH下降。 2）消泡油加得过多 3）生理酸性物质的存在，氨被利用，pH下降
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引起pH上升的因素：
（凡是导致碱性物质生成或释放，酸性物质消耗 的发酵，其pH都会上升） 1）培养基中碳氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放， 使pH上升。 2）生理碱性物质存在 3）中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH 上升。
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三、 发酵过程中 pH的调节与控制 1添加碳酸钙法； 2氨水流加法； 3尿素流加法

四、半连续发酵
半连续培养又称为反复分批培养或换液培养，在补 料-分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液（带 放）便可称为半连续发酵。
半连续发酵也有它的不足：①放掉发酵液的同时也 丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体；② 定期补充和带放使发酵液稀释，送去提炼的发酵液 体积更大；③发酵液被稀释后可能产生更多的代谢 有害物，最终限制发酵产物的合成；④一些经代谢 产生的前体可能丢失；⑤有利于非产生菌突变株的 生长。据此，在采用此工艺时必须考虑上述的技术 上限制，不同的品种应根据具体情况具体分析。
Xt——经过培养时间t的菌体浓度。
减速期（Ⅳ）
减速期（Ⅳ）：在指数生长期，随着细胞的大 量繁殖，培养基中养分的迅速减少，有害代谢 物的逐渐积累，细胞的比生长速率逐渐下降， 即进入减速期（Ⅳ）。
减速期的长短取决于菌对限制性基质的亲和力 （Ks值），亲和力高，即Ks值小，则减速期 短。
静止期（V）
第一节 发酵方式
一、概述
发酵：指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇 等的分解代谢过程。
广义发酵：微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经过 特定的代谢转变成所需产物的过程。
微生物培养：亦称微生物发酵，发酵生产按微生物培养工艺 不同可以分为固态发酵和液态发酵两种类型。两者在工艺过 程上大体相同，主要工艺过程为： 斜面菌种培养～菌体或孢子悬浮液制备～种子扩大培养～ 发酵培养～发酵产物与发酵基质分离～提纯与精制～成品。
中间发酵型。 Ⅲ型为非生长联系型，又称复杂发酵型 Deindoerfer根据发酵的进程，将发酵分为五类，即
单一型、并进型、连贯型、分段型和复合型。
二、微生物生长动力学
1.生长速率 在微生物的培养过程中，菌体浓度的增加速率与菌体浓度、基质浓度和

二、动力学
• 下面以多罐，开放式（相对于菌体截留的密闭 式）混合均匀为例
• F 流量 L/h • X 菌浓度 g/L • S 基质浓度 g/L • P 产物浓度 g/L • 每一罐流量一样为F • 要保持连续发酵系统的稳定
1.菌的情况 流入量十生长菌量=流出菌量 即：
3、对基质情况
• 同理
• •
• 饱和常数 K,为S 1/2 m时基质浓度
算。
2、产物类型 此一类型产物主要有两大类：
• ①菌体 产量常数在一定条件下，用一定菌体产量常数相对稳定。故知 产量常数可控制流加糖的量，还可利用产量常数检查，发酵条 件的控制是否合适。
• ②代谢产物：酵母的酒精发酵、乳酸发酵 另部分次级代谢产物也属此型，但大多数属类型III ③次级代谢产物，杆菌肽、氯霉素。
• ①将预知某个发酵将按什么情况进展
• ②可作为发酵的中间控制的理论基础，在实践上指导生产监督生产，如控制 流加糖。根据菌体生产和产物形成是否同步的，可控制不同的发酵条件，如 Ⅱ、Ⅲ型可在不同时期，为不同目的（菌体或产物），控制不同发酵条件， 从营养上说，生长的营养条件和产物的营养条件有区别。
• ③在连续发酵的设计上，类型Ⅰ可用单级，如为类型Ⅱ、Ⅲ就要采用二级以 上的连续发酵，使菌体生长和产物形成都得到保证。
发酵：1、速度：表征是什么？几个表征间关系；
2、影响因素：其如何影响，怎样控制这些因素
• 现主要讨论第1个问题
• 将培养基灭菌，加入菌种，在一定容器中发酵，将其动态变化 画成曲线，此为发酵曲线图
• 所以影响因素为：
a 基质中糖或碳源
b 菌种
c 产物
从此三个因素分析发酵速度。
发酵曲线图
浓 度

发酵过程中的控制参数
5.空气流量 这是指1min内单位体积发酵液中通入空气的体积。也叫通风 比，是需氧发酵的控制参数。它的大小与氧传递和其他控制参数有关。
6.压力 这是发酵过程中发酵罐维持的压力。罐内维持正压可以防止外界空 气中的杂菌侵入而避免染菌。同时罐压的高低还与氧和二氧化碳在培养 基中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。
DO对发酵的影响及其控制（2）
3.影响微生物好氧的因素 A:微生物本身遗传特征的影响 B:培养基的成分和浓度 培养基的成分尤其是碳源种类对细胞的耗氧量有很
大影响好氧速率大小依次是：油脂和烃类＞葡萄糖＞蔗糖＞乳糖 C:菌龄 一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大，老龄菌生长慢，呼吸强度小 D:发酵条件 PH 温度对溶氧的影响 E:代谢类型 产物是通过TCA循环获取的则呼吸强度大耗氧量大、产物是通
DO对发酵的影响及其控制（6）
7.搅拌速度 对于好氧发酵，在发酵不同阶段转速控制不同，从而调节培养 基中溶氧。通常以每分钟多少转来表示。
8.搅拌功率 这是指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常以每立方米发酵液所消 耗的功率（kw／m3）它的大小与体积溶氧系数KLa有关。
9.黏度 黏度的大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项标志，也能反映发 酵液中菌丝分裂过程的情况，通常用表观黏度表示，它的大小可以改变 氧传递的阻力，又可表示相对菌体浓度。
过EMP途径获取呼吸强度小耗氧量小。
DO对发酵的影响及其控制（3）
4.控制溶氧的意义 发酵不同阶段对氧浓度的要求不同。 二、氧传递方程 OTR=KLa(C*-CL) OTR—单位体积培养液的氧传递速率。
KLa —以浓度差为推动力的体积溶氧系数 三、影响氧传递的因素
在氧传递过程中，主要阻力在于气液间的传递过程，根据气液传递速 率方程OTR=KLa（C*-CL) 可知凡影响推动力C*-CL，比表面积a和传递 系数KLa的因素都会影响氧传递速率。从而影响到供氧。 1. 影响推动力的因素： 温度 溶质 溶剂 氧分压 2.影响KLa 的因素： 设备参数 操作条件 发酵液性质