第七章工业发酵过程中的 主要控制参数(2)

工业发酵过程中的主要控制参数引言•微生物发酵的生产水平取决于生产菌种本身的性能，和合适的环境条件、才能使它的生产能力充分表达出来。我们通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。•通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度、糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度、pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。•一般来说，菌种的生产性能越高，使其表达它应有的生产潜力所需的环境条件就越难满足。高产菌种比低产菌种对工艺条件的波动更为敏感。•化学工程和计算机应用的发展为发酵工艺控制打下另一方面的基础。•研究发酵动力学，找出适于描述和真正能反映系统的生化反应过程的数学模型，通过现代化的试验与计算手段，相信不久定能为发酵的优化控制开创一个新的局面。第二节发酵过程的参数检测物理参数化学参数生物参数间接参数1、物理参数检测参数检测方法单位影响温度铂电阻热敏电阻℃μqPc*罐压(0.2～0.5×105Pa)隔膜传感器压敏电阻Pa保持正压，防止染菌O2及CO2的溶解度搅拌转数频率计数器r/minKla发酵液的均匀性搅拌功率(2-4KW/m3)功率计KwKla空气流量浮子流量计孔板差压计m3h-1vvmKla粘度旋转粘度计PasKla浊度浊度计%反映单细胞的生长料液的流量蠕动泵荷重传感器量筒Lh-1S2、化学参数检测参数检测方法单位影响及作用PH复合玻璃电极菌体和产物合成速度酶促反应的方向基质浓度产物浓度HPLC离子选择电极生物传感器取样gL-1μqP发酵周期的长短氧化还原电位氧化还原电位电极mV生长和生化活性溶氧浓度覆膜氧电极%qo2气相O2含量顺磁氧分析仪Pa反映OUR和Kla气相CO2含量红外气体分析仪%反映OUR和Kla3、生物参数检测参数检测方法单位影响菌丝形态摄像显微镜取样镜检反映菌体发育阶段和正常与否菌体浓度取样：干重、浊度、活菌计数、离心沉降gL-1影响菌体的生化反应Kla一、物理参数1、温度指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。温度的高低与下列参数有密切关系发酵中的酶反应速度菌体生长速度、产物合成速度氧在培养液中的溶解度、传递速度发酵罐维持的压力。罐内维持正压，可防止外界空气中杂菌的侵入，保证纯种培养。罐压的高低与氧，CO2在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。罐表压一般维持在0.2～0.5×105Pa。2、压力3、搅拌转速是指搅拌器在发酵罐中转动速度。搅拌转速大小与发酵液的均匀性和氧在发酵液中的传递速率有关。发酵罐的容积(L)搅拌转速范围(r/min)3200~200010200~120030150~100050100~80020050~40050050~3001000025~2005000025~160指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率（kW/m3）。它的大小与溶氧传递系数KLa有关。4、搅拌功率指单位时间内单位体积发酵液通入空气的体积。它的大小与氧的传递和其它控制参数有关。一般控制在0.1-1.0vvm之间5、空气流量粘度大小可作为细胞生长或细胞形态的标志之一。在发酵过程中通常用表观粘度表示。粘度的大小可改变氧传递的阻力。粘度的大小可表示相对菌体浓度。6、粘度能及时反映单细胞生长状况。7、浊度二、化学参数1、pH发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综合结果，与菌体生长和产物合成有重要的关系。pH的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的浓度。基质浓度的变化对产生菌的生长和产物的合成有重要影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。2、基质浓度氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质。利用DO浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。3、溶解氧（DO）浓度培养基氧化还原电位是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。4、氧化还原电位是发酵产物产量高低，代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。5、产物浓度尾气中O2浓度与生产菌的摄氧率和KLa有关。尾气中CO2是产生菌呼吸放出的CO2。从尾气中O2和CO2浓度的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力，从而了解产生菌的呼吸代谢规律。6、尾气O2浓度和CO2浓度菌体RNA,DNA含量，以及ATP,ADP,AMP体系，NAD(P)-NAD(P)H体系。分别表示菌体生长情况，能量代谢能力，生物合成能力。7、其它参数三、生物参数1、菌（丝）体浓度（生物量biomass）菌体浓度的大小和变化速度对生化反应有影响，特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵，菌体浓度与培养液的粘度，DO都有关。四、间接参数•根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、基质浓度和产物浓度等参数的变化值，可分别计算出菌体的比生长速率、氧的比消耗速率、基质的比消耗速率和产物比生产速率。摄氧率r：单位体积培养液每小时所消耗的氧量（mmol/L.h）1、摄氧率呼吸强度QO2：单位重量的干菌体每小时所消耗的氧量（mmol/g.h）2、呼吸强度呼吸商RQ：发酵过程中氧的消耗比速与二氧化碳生成比速的商3、呼吸商参数名称单位测试方法意义、主要作用温度罐压空气流量搅拌转速搅拌功率粘度浊度泡沫体积氧传质系数KLaºCPaV/V.minR/minKWPa.s透光度l/h传感器压力表传感器传感器传感器粘度计传感器传感器间接计算维持生长、合成维持正压、增加溶氧供氧、排泄废气、提高KLa物料混合、提高KLa反映搅拌情况、KLa反映菌的生长、KLa反映菌的生长情况反映发酵代谢情况反映供氧效率物理参数参数名称单位测试方法意义、主要作用pH基质浓度溶解氧浓度氧化还原电位产物浓度尾气氧浓度尾气CO2浓度菌体浓度RNA、DNA含量ATP、ADP、AMPNADH含量摄氧率呼吸强度呼吸商比生长速率g/mlppmmVg/mlPa%G(DCW)/mlMg(DCW)/gMg(DCW)/gMg(DCW)/ggO2/L.hgO2/g菌.h1/h传感器取样传感器传感器取样传感器传感器取样取样取样取样间接计算间接计算间接计算间接计算了解生长和产物合成了解生长和产物合成反映氧供需情况反映菌的代谢情况产物合成情况了解耗氧情况了解菌的呼吸情况了解生长情况了解生长情况了解能量代谢活力了解菌的合成能力了解耗氧速率了解比耗氧速率了解菌的代谢途径了解生长化学、生物参数•目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、pH、溶氧、基质浓度、菌体浓度(干重、离心压缩细胞体积%)等。•不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、尾气中的O2和CO2含量等。•参数测定方法有：–在线测定–取样测定（离线测定）参数在线测定的优点及问题主要是及时、省力，且可从繁琐操作中解脱出来，便于用计算机控制。发酵液的性质复杂。一般培养液中同时存在三相，即液、气、固体不溶物或油；发酵要求纯种培养，培养基和有关设备需用高压蒸汽灭菌。因而要求使用的传感器能耐蒸汽灭菌，这给各种传感器的制造带来很大的困难。