酶促反应的方向 μ qP
发酵周期的长短
mV
生长和生化活性
%
qo2
Pa
反映OUR 和 Kla
%
反映OUR 和 Kla
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制 发酵用复合pH电极
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
溶氧电极
《发酵工程》 生物参数
第六章 发酵条件及过程控制
检测参数 菌丝形态
检测方法
摄像显微镜 取样镜检
第六章 发酵条件及过程控制
控制方式
一般检控系统包括3个部分。
1．测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH计 直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。
2．控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各 种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指 令执行元件进行调整控制。
比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的前体， 可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物，而这
些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的差异
会引发代谢朝不同的方向进行。
因此对发酵过程的了解不能机械的，割裂的去认识， 而要从细胞代谢水平和反应工程水平全面的认识
微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现在 菌体量的大小影响产物量的多少，而且菌体生长正常 与否，即前期的代谢直接影响中后期代谢的正常与否。 特别是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
发酵过程研究的方法和层次
研究方法
单因子实验：对实验中要考察的因子逐个进行试 验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验
•优点：一次可以进行多种条件的实验，可以在较快 时间内得到的结果。
•缺点：如果考察的条件多，实验时间会比较长。各 因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分 析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、 均匀设计、响应面设计。
优点：同时进行多因子试验。用少量的实验，经 过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准 确，大大提高了实验效率。
但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最 佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存 在较大的误差就会得出错误的结果。《发酵ຫໍສະໝຸດ 程》第六章 发酵条件及过程控制
研究的层次
初级层次的研究： • 一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生 长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最适温度、 最适pH等要求。 • 摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几十 种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较 高的效率。
《发酵工程》
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
第六章
发酵条件及过程控制
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
发酵过程工艺控制的目的
有一个好的菌种以后要有一个配合菌种 生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来
目标是得到最大的比生产速率和最大的 生产率
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络形式，
电阻式、电容式、 电感式、半导体式
《发酵工程》 化学参数
第六章 发酵条件及过程控制
检测参数 PH
基质浓度
产物浓度
氧化还原电位 溶氧浓度
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
影响及作用 菌体和产物合成速度
单位
影响
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
gL-1
影响菌体的生化反应 Kla
《发酵工程》 间接状态参数
第六章 发酵条件及过程控制
μ qP qS qo2 (OUR) CER(Co2释放速率)
RQ(呼吸商: CER/ OUR) Yxs Yps Kla 等
《发酵工程》
罐压(0.20.5×105Pa)
搅拌转数 搅拌功率(2 -4KW/m3)
空气流量
粘度 浊度 料液的流量
检测方法 铂电阻 热敏电阻
隔膜传感器 压敏电阻
频率计数器
功率计
浮子流量计 孔板差压计 旋转粘度计
浊度计
蠕动泵 荷重传感器
量筒
单位 ℃ Pa
r/min Kw m3h-1 vvm Pas % Lh-1
影响 μ qP c* 保持正压，防止染菌 O2 及 CO2 的溶解度 Kla 发酵液的均匀性
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
生产规模放大 • 在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优 化条件在大型反应器上得以实现,达到产业化的实 现。 • 一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速 率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解 度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌 时营养成分破坏程度不同所致。
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
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
《发酵工程》 物理参数
第六章 发酵条件及过程控制
检测参数 温度
Kla Kla
Kla 反映单细胞的生长
S
《发酵工程》
感温元件
第六章 发酵条件及过程控制
《发酵工程》
热 电 偶
第六章 发酵条件及过程控制
导线
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
温度显示仪表
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
《发酵工程》 罐压测量
第六章 发酵条件及过程控制
就地指示式： 压力表 信号远传式： 压力信号转换器
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身 的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环 境因素等等。因此发酵过程的控制具有不确定性和 复杂性。
为了全面的认识发酵过程，首先要告诉大家分析 发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子， 说明如何综合分析发酵过程及进行优化放大。
第六章 发酵条件及过程控制
代谢及工程参数层次研究： • 一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的 基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数， 以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、 生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数 的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。 • 由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以得到的 代谢情况比较可信。