3化学参数检测与控制(5)

发酵过程控制（ControlofFermentationProcess)第三章化学参数检测与控制（五）3.5基质浓度与补料3.5.1基质浓度对发酵的影响常温下，淀粉溶液、稀糖水、浓糖水，微生物在哪种液体中生长最好？为什么？3.5基质浓度与补料3.5.1基质浓度对发酵的影响3.5.1.1高基质浓度抑制细胞生长与代谢例如：•大多数微生物的培养，糖浓度5~7%时，生长速率下降；•谷氨酸发酵糖浓度为10~15%；•酵母菌酒精发酵糖浓度为13~20%；•不影响酵母菌菌体生长（酵母菌培养）的糖浓度5%。底物抑制μmaxμ（1/h）SmS（g/L）底物抑制细胞生长与代谢的可能原因有二：（1）抑制细胞合成与代谢中某些酶的活性；（2）基质浓度↑→培养液渗透压↑→细胞脱水→影响生长与代谢。3.5.1.2高基质浓度影响产物得率例如：•酵母细胞培养时，糖浓度高→产生大量乙醇→YX/S↓•青霉素发酵中，糖浓度高→产生有机酸→YP/S↓S↑→SPY/副产品生产速率上升大副产品酶系被激活或增不变正产品生产速率下降或变正产品酶系受抑制或不3.5.2补料（流加）控制•补料目的——解除底物抑制，提高产物浓度和收得率。•补料方式：连续流加——恒速流加、变速流加——用于底物抑制比较明显的场合；间歇补料——一次补料、多次补料——适于底物抑制相对较弱的场合。•当所控制的基质浓度较低（1%）时，必须采用连续流加。3.5.2.1直接控制——根据基质浓度控制流加（1）取样检测——间歇流加或补料•适合于允许基质的范围较大的场合。•氨基酸等常采用此种方法，大多只需补料1~3次。3.5.2.1直接控制——根据基质浓度控制流加（2）传感器检测法——在线自动控制•用于允许基质浓度的波动范围很小的场合。•如酵母菌的培养。•目前由于葡萄糖传感器的灭菌问题仍未很好解决，因而这种方法的使用受到限制。3.5.2.2间接控制•目前，发酵生产中基质浓度的控制大多采用间接控制。•间接控制：根据溶氧、pH、二氧化碳排放、呼吸商、代谢产物浓度等参数计算出基质消耗速率与基质浓度，从而控制基质的流加速度。细胞生长速率CERYdtdxCOX2//细胞浓度2/COQCERx耗糖速率CERYYdtdxYdtdsSXCOXSX/2//1底物浓度SXYxxSS/00/)(其中SSxxYSX00/例如：例1：酵母生产中，为了获得较高的酵母收得率，可发酵性糖的浓度一般应控制在0.1%左右。培养液糖浓度%≤0.04%0.05~0.21.0~2.0≥5.0细胞生长速率很小较快最快较快(受抑制)酵母收得率%最高(约50%)高(45%±)较高(30%±)低(20%±)乙醇产率%无低(5%±)较高(20%±)高(30%±)供氧充足情况下培养液糖浓度与酵母收得率的关系方法1：根据RQ控制，将RQ控制在1.0~1.1范围内。•糖含量高→酒精发酵↑→RQ接近1.1→F↓•糖含量低→酒精发酵↓→RQ接近1.0→F↑方法2：根据乙醇浓度控制时，将乙醇浓度控制在0.05~0.2%范围内。•糖含量高→酒精浓度上升至接近0.2%时→F↓•糖含量低→酒精浓度下降至接近0.05%时→F↑例2：青霉素发酵中根据pH值的变化来控制糖的流加，pH值控制在6.5～7.0范围内。•糖浓度高→有机酸↑→pH↓→pH接近6.5时→F↓•糖浓度低→菌丝体分解→pH↑→pH接近7.0时→F↑例3：谷氨酸发酵中，根据pH控制尿素流加，根据耗氧量控制糖液流加。氮源控制：根据pH变化控制尿素流加，pH7.0~7.4•氨被利用形成谷氨酸→pH↓→当pH值接近7.0时，尿素流加↑•尿素浓度高→尿素分解成NH3→pH↑→当pH值接近7.4时，尿素流加↓碳源（糖液）流加控制：糖含量控制在2%左右。谷氨酸发酵的理论反应式为：OH3CONOHCNHO5.1OHC224953261265.1)()(molmolK耗糖量耗氧量根据此式有：碳源（糖液）流加控制：糖含量控制在2%左右。实际生产中，K=1.75左右，糖液的流加速率为：OURSVSKOURVFFF75.1式中：F—糖液流加速率（L/h）SF—流加糖浓度（mol/L）V—发酵液体积（L）OUR—耗氧速率（mol/L·h）习题一、用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数，测定条件为：空气平均总压P=2.0atm（绝对压力），温度为25℃。现测得其体积溶氧速率为Na=0.252kmol/m3·h。试计算kLa、kGa、kd和Kd值。解：（1）计算kLa值用亚硫酸盐氧化法测定溶氧速率时有：0*,0pc而氧分压：p=0.21P=0.42(atm)饱和溶氧浓度：331042.01021.02*c(kmolO2/m3)6001042.0252.0*3ccNaakL(1/h)（2）计算kGa、kd和Kd值60.060042.01042.0***3akpcakppccakLLG（kmolO2/m·h·atm）推动力以以氧分压表示时：533100.16.01060110601)(akpkGd(molO2/mL·min·atm(p))推动力以空气总压表示时：663101.26.0105.310601)(akPpPkGd(molO2/mL·min·atm(P))二、某微生物批式生长培养，采用通过检测CER的办法来计算菌体生长与耗糖情况。已知接种时糖浓度S0=80g/L，细胞浓度X0=4g/L，发酵开始时二氧化碳的释放速率CER0=0.04molCO2/L·h；且已知YX/S=0.4g细胞/g糖，YX/CO2=20g细胞/molCO2。现测得发酵过程某一时刻的CER=0.20molCO2/L·h，试问此时的菌体生长速率dX/dt、细胞浓度X、比生长速率μ、耗糖速率-dS/dt及发酵液中的残糖浓度S各是多少？解：（1）求微生物的比CO2释放速率发酵开始时，04.0g/L,4CERxmolCO2/L·h于是：h)/L(molCO01.0404.022xCERQCO（2）当CER=0.2molCO2/L·h时，求StSxtx、dd、、、ddg/L404.042080/)(hg/L100.44.01dtd1dd/h12.00.4201dd1gcell/L2001.02.0hgcell/L0.42.020dd/00//22SXSxCOCOxYxxSSxYtStxxQCERxCERYtx三、试证用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数时，kLa与kGa及kd值之间的换算与空气总压无关。根据亨氏定律，有：iilHcpHcpHcp1803年英国化学家w.亨利研究气体在液体中的溶解度时，总结出一条经验规律，“在一定的温度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡压强成正比”。c*：与气相中氧分压p平衡的发酵液氧浓度（kmol/m3）；p：气相中氧分压（MPa）；p*：与液相中氧浓度c平衡的氧分压（MPa）；H：亨利常数（m3·MPa/kmol）证明：采用亚硫酸盐氧化法测定溶氧速率时有：0*,0pc于是：HakakpcakppccakLLLG***（1）式中：H为亨利常数，与空所总压无关，即kLa与kGa之间的换算与P无关。akpkGd310601)(又（2）即：kGa与kd（p）之间的换算与P无关akPpPkGd310601)(而（3）式中：p/P为氧分子在空气中所占分数，p/P=0.21akPkGd21.010601)(3则（4）亦与空气总压无关由此可见，kLa与kGa之间的换算与P无关。第三章复习思考题1.选择过高的溶氧浓度对发酵生产有何不利影响？为什么？2.简述引起溶氧浓度下降及上升的可能原因，并指出哪些为正常情况？哪些为非正常情况？3.当发酵过程中溶氧浓度不足时可采用哪些方法弥补？4.简述亚硫酸盐氧化法测定kLa值的原理。5.简述稳态氧平衡法测定kLa值的原理。6.简述动态法测定kLa值的原理。7.指出采用亚硫酸盐氧化法、稳态法和动态法测定kLa值时，反应系统的主要特征（供氧与耗氧的关系，氧浓度变化情况）8.采用动态法测定kLa值时，要注意哪些条件？为什么？9.用动态法测定kLa值时，若采用公式计算kLa值，所得结果与反应器实际的kLa值的关系怎样？为什么？10.发酵过程中影响pH值变化的因素有哪些？并举简例说明。11.pH控制的方法有哪些？并举简例说明。12.试根据下列发酵过程的特点选择合适的氮源（1）培养过程形成酸性代谢产物；（2）培养过程形成碱性代谢产物；（3）培养过程形成中性代谢产物.。13.采用下列措施将会使培养体系中氧化还原电位产生变化，试标出其变化的方向（升高用“↑”表示，下降用“↓”表示）。（1）加大通风量；（2）加入抗坏血酸；（3）增加罐压；（4）加碱pH值上升。14.采用哪些方法可降低发酵培养液中CO2的浓度？并说明其理由。15.基质氧化还原性与RQ值如关系。16.简述发酵生产中RQ值的一般规律。17.举例说明补料控制发酵过程的原理。谢谢大家！