發(fā)酵工程第九章發(fā)酵過程控制

1、第九章第九章發(fā)酵過程控制發(fā)酵過程控制 本章內容本章內容一、一、概述概述二、二、代謝調控在發(fā)酵過程控制中的應用代謝調控在發(fā)酵過程控制中的應用三、三、溫度溫度對發(fā)酵的影響及其控制對發(fā)酵的影響及其控制四、四、pH對發(fā)酵的影響及其控制對發(fā)酵的影響及其控制五、五、溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制六、六、CO2和呼吸商對發(fā)酵的影響及其控制和呼吸商對發(fā)酵的影響及其控制七、七、基質濃度對發(fā)酵的影響及補料控制基質濃度對發(fā)酵的影響及補料控制八、八、高密度發(fā)酵及過程控制高密度發(fā)酵及過程控制九、泡沫對發(fā)酵的影響及其控制九、泡沫對發(fā)酵的影響及其控制十、十、自動控制技術在發(fā)酵過程控制中的應用自動控制技

2、術在發(fā)酵過程控制中的應用1. 過程控制的重要性過程控制的重要性 菌株特性菌株特性(營養(yǎng)要求、生長速率、營養(yǎng)要求、生長速率、 呼吸強度、產(chǎn)物合成速率呼吸強度、產(chǎn)物合成速率) 傳遞性能傳遞性能 物理：物理：n、T、Ws 化學化學：pH、DO、濃度濃度 過程控制的意義：過程控制的意義：最佳工藝條件的優(yōu)選（即最佳工藝參數(shù)最佳工藝條件的優(yōu)選（即最佳工藝參數(shù) 的確定）以及在發(fā)酵過程中通過過程調節(jié)達到最適水平的的確定）以及在發(fā)酵過程中通過過程調節(jié)達到最適水平的 控制?？刂?。決定發(fā)酵決定發(fā)酵單位單位(水平水平)的的因素因素理化因素理化因素工藝條件工藝條件生物因素生物因素：設備性能：設備性能：2. 發(fā)酵過程控制

3、的一般步驟發(fā)酵過程控制的一般步驟 確定能反映過程變化的各種確定能反映過程變化的各種理化參數(shù)理化參數(shù)及其及其檢測方法檢測方法 研究這些參數(shù)的變化對發(fā)酵生產(chǎn)水平的影響及其研究這些參數(shù)的變化對發(fā)酵生產(chǎn)水平的影響及其機制機制，獲取獲取最適水平最適水平或或最佳范圍最佳范圍建立數(shù)學模型定量描述各參數(shù)之間建立數(shù)學模型定量描述各參數(shù)之間隨時間變化隨時間變化的關系的關系通過計算機實施通過計算機實施在線自動檢測和控制在線自動檢測和控制，驗證各種控制，驗證各種控制模型的可行性及其適用范圍，實現(xiàn)發(fā)酵過程最優(yōu)控制模型的可行性及其適用范圍，實現(xiàn)發(fā)酵過程最優(yōu)控制 3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測n代謝參數(shù)按性質可分為三類：代謝參數(shù)按

4、性質可分為三類：物理參數(shù)：物理參數(shù)：溫度、攪拌轉速、罐壓、空氣流量、溶解溫度、攪拌轉速、罐壓、空氣流量、溶解氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）濃度等氧、表觀粘度、排氣氧（二氧化碳）濃度等化學參數(shù)：化學參數(shù)：基質濃度（包括糖、氮、磷）、基質濃度（包括糖、氮、磷）、 pH、產(chǎn)物、產(chǎn)物濃度等濃度等生物參數(shù)：生物參數(shù)：菌絲形態(tài)、菌體濃度、菌體比生長速率、菌絲形態(tài)、菌體濃度、菌體比生長速率、呼吸強度、攝氧率、關鍵酶活力等呼吸強度、攝氧率、關鍵酶活力等3.參數(shù)檢測參數(shù)檢測n參數(shù)按獲取方式可分為兩類：參數(shù)按獲取方式可分為兩類： 如如T、pH、罐壓、空氣流量、攪罐壓、空氣流量、攪拌轉速、溶氧濃度等拌轉速、溶氧濃

5、度等如攝氧率如攝氧率()、呼吸強度、呼吸強度(QO2)、比生長、比生長速率（速率（)、體積溶氧系數(shù)體積溶氧系數(shù)(KLa)、呼吸商呼吸商(RQ)等等。直接參數(shù)直接參數(shù)： 間接參數(shù)間接參數(shù)：將直接參數(shù)通過公式計算獲得的：將直接參數(shù)通過公式計算獲得的參數(shù)，參數(shù)，3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測n參數(shù)的測量形式參數(shù)的測量形式離線測量：離線測量：基質（糖、脂類、無機鹽等）、前體和代基質（糖、脂類、無機鹽等）、前體和代謝產(chǎn)物（抗生素、酶、有機酸、氨基酸等）謝產(chǎn)物（抗生素、酶、有機酸、氨基酸等）在線測量在線測量：如：如T 、pH、DO、溶解、溶解CO2、尾氣、尾氣CO2、黏度、黏度、攪拌轉速等攪拌轉速等n優(yōu)點：及時、

6、省力，可從繁瑣操作中解脫出來，便優(yōu)點：及時、省力，可從繁瑣操作中解脫出來，便于計算機控制。于計算機控制。n困難：傳感器要求較高。困難：傳感器要求較高。 v對傳感器的要求對傳感器的要求n能經(jīng)受能經(jīng)受高壓高壓蒸汽滅菌；蒸汽滅菌；n傳感器及其二次儀表具有傳感器及其二次儀表具有長期穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性；n最好能在過程中隨時校正，最好能在過程中隨時校正，靈敏度好靈敏度好；n探頭材料探頭材料不易老化不易老化，使用壽命長；，使用壽命長；n安裝使用和維修方便；安裝使用和維修方便；n解決探頭敏感部位被物料（反應液）粘住、堵塞解決探頭敏感部位被物料（反應液）粘住、堵塞 問題；問題；n價格合理，便于推廣。價格合理，便于

7、推廣。 3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法n溫度測量溫度測量 感溫元件：熱電偶（溫度信號感溫元件：熱電偶（溫度信號 電信號電信號） 二次儀表：將熱電偶輸出的電信號轉換成二次儀表：將熱電偶輸出的電信號轉換成 被測介質的溫度被測介質的溫度v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法n攪拌轉速和攪拌功率的測量攪拌轉速和攪拌功率的測量攪拌轉速：磁感應式，光感應式，攪拌轉速：磁感應式，光感應式， 測速電機；測速電機；攪拌功率：功率表，測定力矩求功率法。攪拌功率：功率表，測定力矩求功率法。3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法n空氣流量測定空氣流量測定體積

8、流量型：體積流量型： 會引起流體能量損失，受溫度和壓力變化的影響；會引起流體能量損失，受溫度和壓力變化的影響； 同心孔板壓差式流量計；同心孔板壓差式流量計； 轉子流量計轉子流量計。質量流量型：質量流量型： 根據(jù)流體固有性質（質量、導電性、熱傳導性能）根據(jù)流體固有性質（質量、導電性、熱傳導性能）設計的流量計。設計的流量計。v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法n罐壓測量罐壓測量 壓力表壓力表 壓力傳感器壓力傳感器 3.參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法n料液計量與液位控制料液計量與液位控制 壓差法：壓差法：H=（P2/P1）H 直接重量測量法：直接稱重直接重量測量法：直接稱重 體積計量法：計算進出料

9、液體積計量法：計算進出料液 流量計量法：計算流量和時間流量計量法：計算流量和時間 液位探針液位探針3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法n發(fā)酵液粘度測定發(fā)酵液粘度測定 毛細管粘度計毛細管粘度計 回轉式粘度計回轉式粘度計 渦輪旋轉粘度計渦輪旋轉粘度計3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法npH測量測量復合復合pH電極電極pH測量儀器測量儀器3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法n溶解氧的測量溶解氧的測量 化學法化學法 極譜法極譜法 復膜氧電極法復膜氧電極法 3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測復膜氧電極示意圖復膜氧電極示意圖（a）極譜型極譜型 （b）原電池型原電池型v參數(shù)檢測方法

10、參數(shù)檢測方法n溶解二氧化碳測量溶解二氧化碳測量 復膜式電極法復膜式電極法 滲透膜滲透膜碳酸氫鈉法碳酸氫鈉法n發(fā)酵尾氣的在線分析發(fā)酵尾氣的在線分析 CO2分析分析 O2分析分析3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測v參數(shù)檢測方法參數(shù)檢測方法n細胞濃度的測量細胞濃度的測量 化學法：如化學法：如DNA、RNA分分析等析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、物理法：如重量分析、分光光度分析、 濁度分析等濁度分析等新技術：以電容法為測量原理的在線新技術：以電容法為測量原理的在線 活細胞濃度測量傳感器活細胞濃度測量傳感器 3. 參數(shù)檢測參數(shù)檢測原位活細胞在線檢測儀原位活細胞在線檢測儀第一節(jié)第一節(jié)溫度對發(fā)酵的影響及其控制溫

11、度對發(fā)酵的影響及其控制1. 影響發(fā)酵溫度的因素影響發(fā)酵溫度的因素2.溫度對微生物生長的影響溫度對微生物生長的影響3.溫度對產(chǎn)物合成的影響溫度對產(chǎn)物合成的影響4.最適溫度的選擇與控制最適溫度的選擇與控制 (1)發(fā)酵熱發(fā)酵熱n發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的熱量，叫做發(fā)酵熱發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的熱量，叫做發(fā)酵熱。 Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射 (2)生物熱生物熱n來源來源 ：微生物微生物對營養(yǎng)物質的分解所釋放的能量對營養(yǎng)物質的分解所釋放的能量n影響因素：影響因素：n菌株菌株n培養(yǎng)基成分培養(yǎng)基成分 n發(fā)酵時期發(fā)酵時期 n生物熱與其它參數(shù)的關系生物熱與其它參數(shù)的關系 呼吸強度呼吸強度QO2 糖利用速率糖利用速

12、率當產(chǎn)生的生物熱達到高峰時，菌的呼當產(chǎn)生的生物熱達到高峰時，菌的呼吸強度最大，糖的利用速率也最大，吸強度最大，糖的利用速率也最大，可用耗氧量、糖耗來衡量生物熱?？捎煤难趿?、糖耗來衡量生物熱。嗜冷、嗜中溫、嗜熱菌的典型生長與溫度關系嗜冷、嗜中溫、嗜熱菌的典型生長與溫度關系2.溫度對微生物生長的影響溫度對微生物生長的影響2.溫度對微生物生長的影響溫度對微生物生長的影響n在其最適溫度范圍內，生長速率隨溫度升高而增加，在其最適溫度范圍內，生長速率隨溫度升高而增加，當溫度超過最適生長溫度，生長速率隨溫度增加而迅當溫度超過最適生長溫度，生長速率隨溫度增加而迅速下降。速下降。 n不同生長階段的微生物對溫度的

13、反應不同不同生長階段的微生物對溫度的反應不同 n處于延遲期的細菌對溫度的影響十分敏感。處于延遲期的細菌對溫度的影響十分敏感。n對于對數(shù)生長期的細菌，如果在略低于最適溫度的對于對數(shù)生長期的細菌，如果在略低于最適溫度的條件下培養(yǎng)，即使在發(fā)酵過程中升溫，則升溫的破條件下培養(yǎng)，即使在發(fā)酵過程中升溫，則升溫的破壞作用較弱。壞作用較弱。 n處于生長后期的細菌，其生長速度一般主要取決于處于生長后期的細菌，其生長速度一般主要取決于溶解氧，而不是溫度。溶解氧，而不是溫度。 3.溫度對產(chǎn)物合成的影響溫度對產(chǎn)物合成的影響n影響發(fā)酵過程中各種反應速率，從而影響微生物的生影響發(fā)酵過程中各種反應速率，從而影響微生物的生長

14、代謝與產(chǎn)物生成。長代謝與產(chǎn)物生成。 e.g.青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素青霉菌生長活化能青霉菌生長活化能E1=34kJ/mol青霉素合成活化能青霉素合成活化能E2=112kJ/mol青霉素合成速率對溫度較敏感青霉素合成速率對溫度較敏感n改變發(fā)酵液的物理性質，間接影響菌的生物合成改變發(fā)酵液的物理性質，間接影響菌的生物合成。n影響生物合成方向影響生物合成方向。e.g.四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌：四環(huán)素發(fā)酵中金色鏈霉菌：TCCr），CO2的抑制作用不能解除，這種負作用在放大過程的抑制作用不能解除，這種負作用在放大過程更明顯。更明顯。n正確評價通氣的作用：正確評價通氣的作用：n供氧：供氧：n排

15、廢氣：排廢氣：CO2n水分及揮發(fā)性組分的散失水分及揮發(fā)性組分的散失 LaK,VVM（4）CO2釋放與補糖速率的關系釋放與補糖速率的關系n在青霉素發(fā)酵中補糖將引起排氣在青霉素發(fā)酵中補糖將引起排氣CO2增加，同時增加，同時pH下降下降。 n糖糖、CO2、pH三者的相關性三者的相關性，被青霉素工業(yè)生產(chǎn)上用于補料控制的參被青霉素工業(yè)生產(chǎn)上用于補料控制的參數(shù)，并認為排氣數(shù)，并認為排氣CO2的變化比的變化比pH變化更為敏感，所以測定排氣變化更為敏感，所以測定排氣CO2釋釋放率放率（CER）來控制補糖速率來控制補糖速率。 補糖與溶氧及補糖與溶氧及pH協(xié)同控制協(xié)同控制補糖速率與補糖速率與CER控制控制 補糖對

16、排氣補糖對排氣CO2和和pH的影響的影響（5）呼吸商與發(fā)酵的關系）呼吸商與發(fā)酵的關系不同菌株、同一菌株不同代謝途徑、同一菌株利用不同基質、同不同菌株、同一菌株不同代謝途徑、同一菌株利用不同基質、同一菌株在不同發(fā)酵階段，一菌株在不同發(fā)酵階段，RQ值不相同值不相同。RQ值可以表征發(fā)酵狀況值可以表征發(fā)酵狀況。 青霉素發(fā)酵不同階段青霉素發(fā)酵不同階段： 菌體生長階段菌體生長階段：RQ0.909 維持階段維持階段：RQ=1 生產(chǎn)階段生產(chǎn)階段：RQ=4如果產(chǎn)物的還原性比基質大時，其如果產(chǎn)物的還原性比基質大時，其RQ值就增加；值就增加；反之，當產(chǎn)物的氧化性比基質大時反之，當產(chǎn)物的氧化性比基質大時，RQ值就要減

17、少；值就要減少；其偏離程度決定于單位菌體利用基質形成產(chǎn)物的量。其偏離程度決定于單位菌體利用基質形成產(chǎn)物的量。產(chǎn)物形成對產(chǎn)物形成對RQ影響最大影響最大一、基質濃度對發(fā)酵的影響一、基質濃度對發(fā)酵的影響 二、補料控制二、補料控制第五節(jié)第五節(jié) 流加補料的控制流加補料的控制nSKS情況下，比生長速率與基質濃度呈直線關系：情況下，比生長速率與基質濃度呈直線關系：n一般情況下符合一般情況下符合Monod方程式方程式n基質濃度高時基質濃度高時 SkSmaxSkSSmaxSkkiimax（1） 基質濃度對微生物生長的影響基質濃度對微生物生長的影響n低濃度限制低濃度限制n高濃度抑制高濃度抑制n谷氨酸發(fā)酵谷氨酸發(fā)酵

18、（乙醇為碳源）：當乙醇濃度為（乙醇為碳源）：當乙醇濃度為2.5g/L和和35g/L時，可時，可延長谷氨酸生產(chǎn)時間，但在更高濃度下，菌體生長受到抑制，谷延長谷氨酸生產(chǎn)時間，但在更高濃度下，菌體生長受到抑制，谷氨酸產(chǎn)量降低。氨酸產(chǎn)量降低。n分解阻遏作用分解阻遏作用e.g.葡萄糖氧化酶發(fā)酵葡萄糖氧化酶發(fā)酵：葡萄糖用量從：葡萄糖用量從8%降至降至6%，補入，補入2%氨基乙氨基乙酸或甘油，使酶活力分別提高酸或甘油，使酶活力分別提高26%或或6.7%。(2) 基質濃度對產(chǎn)物合成的影響基質濃度對產(chǎn)物合成的影響n（1）補料的目的）補料的目的n（2）補料的內容）補料的內容n（3）補料的原則）補料的原則n（4）補

19、料控制的策略）補料控制的策略n（5）反饋控制參數(shù)的確定）反饋控制參數(shù)的確定n（6）補料速率的確定）補料速率的確定n（7）補料時間的優(yōu)化）補料時間的優(yōu)化二、補料控制二、補料控制（1）補料的目的）補料的目的n避免基質濃度過低的限制避免基質濃度過低的限制n解除解除基質過濃的抑制基質過濃的抑制n解除解除產(chǎn)物的反饋抑制產(chǎn)物的反饋抑制n解除分解代謝物阻遏作用解除分解代謝物阻遏作用n避免避免因一次性投糖過多造成細胞大量生長，耗氧過多而造成波谷現(xiàn)因一次性投糖過多造成細胞大量生長，耗氧過多而造成波谷現(xiàn)象。象。n在生產(chǎn)上，補料還經(jīng)常作為糾正異常發(fā)酵的一個重要手段。在生產(chǎn)上，補料還經(jīng)常作為糾正異常發(fā)酵的一個重要手段

20、。（2）補料的內容）補料的內容n補充微生物所需的碳源補充微生物所需的碳源n 補充菌體所需要的氮源補充菌體所需要的氮源n 補充微量元素或無機鹽補充微量元素或無機鹽n 添加前體、誘導劑等添加前體、誘導劑等（3）補料的原則）補料的原則n補料的原則就在于控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積補料的原則就在于控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。累的方向發(fā)展。n補料速率、時間很重要。補料速率、時間很重要。n現(xiàn)有的各種補料措施都是通過實驗方法確定的?，F(xiàn)有的各種補料措施都是通過實驗方法確定的。n中間補料的數(shù)量為基礎料的中間補料的數(shù)量為基礎料的13倍倍。 n大多數(shù)補料分批發(fā)酵均補加生長大

21、多數(shù)補料分批發(fā)酵均補加生長限制性基質限制性基質以以經(jīng)驗數(shù)據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)或預測數(shù)據(jù)控制流加；或預測數(shù)據(jù)控制流加；用用傳感器傳感器直接測定限制性基質的濃度，直接控制流加；直接測定限制性基質的濃度，直接控制流加；以以物料平衡物料平衡方程，通過傳感器在線測定的一些參數(shù)計算限制性基方程，通過傳感器在線測定的一些參數(shù)計算限制性基質的濃度，間接控制流加；質的濃度，間接控制流加；以溶氧、以溶氧、pH、RQ、排氣中、排氣中CO2分壓及代謝物質濃度等分壓及代謝物質濃度等多參數(shù)多參數(shù)間接控間接控制流加。制流加。（4）補料控制的策略）補料控制的策略（5）反饋控制參數(shù)的確定）反饋控制參數(shù)的確定n為了有效地進行中間補料，必須選擇恰當?shù)姆答伩刂茀榱擞行У剡M行中間補料，必須選擇恰當?shù)姆答伩刂茀?shù)，以及了解這些參數(shù)與微生物代謝、菌體生長、基質數(shù)，以及了解這些參數(shù)與微生物代謝、菌體生長、基質利用以及產(chǎn)物形成之間的關系。利用以及產(chǎn)物形成之間的關系。e.g.谷氨酸發(fā)酵谷氨酸發(fā)酵 在谷氨酸發(fā)酵過程中的某階段，生產(chǎn)菌的攝