第二章 发酵过程的工艺控制-1

量以最高罐批经验量为参考。 每小时 前期0~40h 中期40~90h 后期90h以后 加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18%
补糖量的控制： 动力学方法
依据μ、 qP 、 qC等动力学参数 之间的关系，计算加糖量
以次级代谢产物为例：
控制原则：
μ、
qP
、 qC之间的关系：
Growth
2-3 pH units
pH
影响培养基某些组分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
二、影响发酵pH变化的因素：
pH的变化决定于所用的生产菌：
培养基中营养物质的代谢引起pH的变化： 培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子
氮源被利用后产生NH3 ，则pH上升；有机酸的积累，使 pH下降。 一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源 培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。 生理酸性物质和生理碱性物质的消耗
确定基础培养基的适当配比，防止培养 基过于丰富或过于稀薄。
通过调节中间补料的速度和量来控制。
第二节 温度的影响及控制
一、温度对发酵的影响：
酶活
影响各种酶促反应的速度
发改酵变温发度酵升高液，的生物长理代性谢质加快：，生
产期提前。
温度
发温改酵度变温影菌度响体太基高代质，和谢菌氧产体的物容吸的易收合衰速老成度，方发向
三、最适pH的选择
选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一 般根据试验结果确定。 根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH
同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的 pH，在产物采用最适产物合成的pH。
最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：

发酵工艺控制
发酵工艺控制的基础：
了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模拟 了解生物、物理、化学和工程的环境条件对发酵过程的影响
如何进行控制？
测定各种参数 依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程的各项最佳 参数
一、发酵过程检测控制的主要的参数
1、物理参数
检测参数
检测方法 单位
温度
铂电阻 热敏 ℃ 电阻
三）氮源浓度的影响控制
氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都 有影响。 氮源浓度的控制： 控制基础培养基中的配比。 通过补加氮源。
补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量
补氮量的控制：
• 经验法：
依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算。 依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。 例： 土霉素发酵50m3发酵罐使pH升高0.1通氨量为10升。
qP减小
Kla减小
产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。
三）、碳源浓度的控制
在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度 补料的类型：
1、流加 2、少量多次的加入 3、多量少次的加入
补糖的依据：
• 残糖量 • pH值 • Qc •X • 粘度 • 溶氧 • 尾气中O2和CO2的含量 • 发酵液的总体积
Kla Kla
Kla 反映单细胞的生长
S
发酵过程检测控制的主要的参数
2、化学参数
检测参数 PH
基质氧浓度
气相O2含量 气相CO2含量
检测方法 复合玻璃电极
HPLC 离子选择电极
生物传感器 取样
氧化还原电位电极 覆膜氧电极
顺磁氧分析仪 红外气体分析仪
单位
gL-1
mV % Pa %
缓慢利用的碳源

（4）搅拌功率（kW）
搅拌器搅拌时所消耗的功率（kW/m3），在发酵过 程中的转动速度。 其大小与液相体积氧传递系数有关。 （5）空气流量（m3空气/（m3发酵液· min）） 单位时间内单位体积发酵液里通入空气的体积，一 般控制在0.5～1.0（m3空气/（m3发酵液· min））

每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最 低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高 温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度范围内微生物尚 能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。在最低 和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超 过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最后停止生长， 引起死亡。 微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高温度， 微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代谢受到很大抑制， 并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。
还有就是根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物 热的近似值。
（四）发酵温度的控制
发酵罐在发酵过程中一般不需加热，选用微生物能承受 稍高一些的温度进行生长和繁殖，这对生产有很大的好处， 即可减少污染杂菌的机会和夏季培养所需降温的辅助设备， 因此培养耐高温的菌种有一定的现实意义。
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
（5）发酵热的测定
有三种发酵热测定的方法。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。
另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让 发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温 自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。
（二）最适温度的选择

（三）影响供氧的因素 N = K La . (C*-CL) 1、影响氧传递推动力的因素 (C*-CL) 是氧传递的推动力，因此只有提高 C*，降低CL 。但不符合生产现状或要求。 2、影响K La 的因素 经生产实践证明，影响K La 的主要因 素有搅拌、空气流量、发酵液的理化性质 等。可用下列经验式表示它们之间的关系：
2.氮源 影响：同样包括种类和浓度的影响。 工业生产中采用的措施： 1）混合使用 2）在发酵过程中补加氮源。
3.磷酸盐 在工业生产中，通过在基础培养基中控制磷 酸盐的亚适量，来减少磷酸盐的抑制作用。
二、基质浓度对发酵的影响及控制 1.影响： 基质浓度过低，不能满足菌体生长的需求； 基质浓度过丰富，也会影响菌体生长和产物的 合成。
8.4营养基质的影响及控制
一、营养基质种类的影响及控制 1.碳源 碳源种类的影响：速效碳源有利于菌体的快速 生长，但其分解产物有明显的阻遏作用；缓慢利用 的碳源有利于延长代谢产物的合成。 碳源浓度的影响：碳源丰富易造成繁殖过剩， 对产物合成及氧的传递造成不良的影响。 在工业上的控制，一般采用二者混合使用，并 控制一定的浓度，在发酵过程中采用补料分批发酵 的方法。
K La= K〔(P/V)α· s)β· app)-ω〕 (υ (η P/V 发酵罐搅拌功率kW/m3 υs 罐体垂直方向的空气直线速度m/h ηapp 发酵液的表观粘度Pa·s K 经验常数 α β –ω 经验常数，与搅拌器、空气分布器的形状 等有关，一般通过实验测定。 实验侧得α值在0.75～1.0， β在0.4～ 0.72，
8.9二氧化碳的影响及控制
一、二氧化碳对发酵的影响
1、发酵液中的二氧化碳对微生物的生长速 度具有刺激或抑制作用。 1）刺激作用：称之为CO2效应。 环状芽孢杆菌、大肠杆菌和链孢霉的突 变株需30%的浓度。 2） 抑制作用：酵母菌，青霉素菌丝形态 随着CO2的增加形态发生改变，如青霉菌 由丝状变为球状或酵母状细胞。