发酵工程8发酵工艺控制09-10new.ppt

发酵工程 李赛男 一、发酵过程技术原理 微生物发酵过程可分为： 一）分批发酵 分批发酵是一种准封闭式系统，种子接种到培养基后除了气体流通外发酵液始终留在生物反应器内。在此简单系统内所有液体的流量等于零。 分批发酵过程一般可粗分为四期，即适应(停滞)期、对数生长期、生长稳定期和死亡期；也可细分为六期：即停滞期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡期。 分批发酵的优缺点 分批发酵的优缺点： 优点：操作简单；周期短；染菌的机会减少；生 产过程、产品质量易掌握。 缺点：不适用于测定其过程动力学；因使用复合 培养基，不能简单地运用Monod方程来描 述生长，存在基质抑制问题；存在二次生长 (diauxic growth)现象。 二）补料(流加)-分批(fed～batch)发酵 补料-分批发酵是在分批发酵过程中补入新鲜的料液，以克服由于养分的不足，导致发酵过早结束。由于只有料液的输入，没有输出，因此，发酵液的体积在增加。在工厂的实际生产中采用这种方法的很多。 三）半连续发酵 在补料-分批发酵的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。带放是指放掉的发酵液和其他正常放罐的发酵液一起送去提炼工段。某些品种采取这种方式，如四环素发酵。 四）连续发酵 发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。 达到稳态后，整个过程中菌的浓度、产物浓度、限制性基质浓度都是恒定的。 二、发酵条件的影响及其控制 常规的发酵条件有：罐温、搅拌转速、空气流量、罐压、液位、补料、加糖、油或前体、通氨速率以及补水(需要的话)等的设定和控制。 能表征过程性质的状参数有：pH、溶氧(DO)、溶解CO2、氧化还原电位(rH)，尾气O2和CO2含量、基质(如葡萄糖)或产物浓度、代谢中间体或前体浓度、菌浓(以OD值或细胞干重DCW等代表)等。通过直接状态参数还可以求得各种更有用的间接状态参数。 微生物发酵的生产水平取决于生产菌种的特性和发酵条件（包括培养基的控制）。 一）溶氧的影响 溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。 在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有7 mg.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。 温度影响基质溶解度，间接影响微生物的生物合成。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。 （四）影响发酵温度变化的因素 产热的因素有生物热（Q生物）和搅拌热（Q搅拌）；散热的因素有蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）和显热（Q显）。产生的热能减去散失的热能所得的净热量就是发酵热Q发酵（kJ/m3?h），即： Q发酵= Q生物 + Q搅拌 - Q蒸发- Q辐射 - Q显  三、 发酵过程参数检测和自动控制 （一）发酵过程的参数检测 通过取样分析获得的有关发酵的信息称为参数。根据参数的性质特点，可分为三类，即物理参数、化学参数和间接参数。 pH电极的标定 将电极浸入pH6.86的缓冲液（0.2mol/LNa2HPO4　16.47mL，0.1mol/L柠檬酸3.53mL）中，一获得稳定读数就立即将pH表（asymmetry）设定到缓冲液的值。 将蒸馏水漂洗电极玻璃球泡部位，然后用软纸轻轻擦干，再浸入第二种缓冲液pH9.18（1/15mol/LNa2HPO4）或pH4.0（0.2mol/LNa2HPO4　7.71mL，0.1mol/L柠檬酸12.29mL）中，获得稳定读数后，用斜率电位计（mV/pH）纠正pH值。如此反复2－3次，直至读数与被测试剂相同并稳定。以上程序不得颠倒，否则不能获得有效的校准。 （二）发酵过程的自动控制 发酵过程的自动控制是根据对过程变量的有效测量和对发酵过程变化规律的认识，借助于有自动化仪表和计算机组成的控制器，控制一些发酵的关键变量，达到控制发酵过程的目的。 本章小结 了解发酵过程技术原理，掌握微生物分批发酵、补料-分批发酵、半连续(发酵液带放)发酵和连续发酵的优缺点。 了解微生物对氧的需求并掌握其中的基本概念；掌握反应器氧的传递方程，及其参数的测定；深入理解KLa的意义，掌握发酵过程中溶氧浓度的调节方法，并认识监控溶氧浓度的意义。 了解温度对生长和发酵的影响；掌握温度的控制方法；了解影响发酵温度变化的因素。 了解发酵过程pH变化的原因 ；了解pH对发酵