手动控制和自动控制
第一节 温度的影响及控制
一、温度对发酵的影响：
酶活
影响各种酶促反应的速度
发改酵变温发度酵升高液，的生物长理代性谢质加快：，生
产期提前。
温度
发温改酵度变温影菌度响体太基高代质，和谢菌氧产体的物容吸的易收合衰速老成度，方发向
酵周期缩短。 影响饱和溶氧浓度
例：温度小于30℃，合成金霉素的能力强
缺点：
防止早衰。
对于有些品种高浓度的 缺点：溶解度低，发酵
铵离子抑制产物合成
液粘度大。
二）氮源种类的控制
发酵工业中常采用含迅速利用的氮源和缓慢 利用的氮源的混合氮源。
迅速利用的氮源促进菌体生长繁殖，缓慢利用的碳源， 满足产物合成，可延长合成期，延缓自溶期。
三）氮源浓度的影响控制
氮源浓度对菌体生长和产物合成的量与方向都 有影响。 氮源浓度的控制： 控制基础培养基中的配比。 通过补加氮源。
S过大
μ ＞＞ μC
OUR增大
X ＞＞ X C
CL ＜ CL C
qP减小
粘度增大
Kla减小
产生分解产物阻遏作用的碳源浓度过大，会抑制产物合成。
三）、碳源浓度的控制
在发酵过程中，补加糖类控制碳源浓度 补料的类型：
1、流加 2、少量多次的加入 3、多量少次的加入
补糖的依据：
残糖量 pH值 Qc X 粘度 溶氧 尾气中O2和CO2的含量 发酵液的总体积
补糖的控制
把计算的加糖量，输入计算机，由计算机控制加 料装置精确控制加入的糖量。
二、氮源的影响和控制
一）氮源的种类影响
迅速利用的氮源
缓慢利用的氮源
种类：氨水、铵盐和玉 种类：黄豆饼粉、花生
米浆
饼粉、和棉子饼粉
优点：
优点：
易被菌体利用，明显促 利用缓慢，有利于延长次
进菌体生长
级代谢产物的分泌期。
消泡剂使用的注意事项：
不能用量过大 细密地扩散到泡沫效果好 加入土温-80具有增效作用 多种消泡剂并用
第六节 氧的供需及对发酵的影响
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 0.25 mmol.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。
问题：一般微生物的临界溶氧浓度很小，是不是发酵过程中 氧很容易满足。
例：以微生物的摄氧率0.052 mmol O2·L-1·S-1 计， 0.25/0.052=4.8秒
注意：由于产物的形成和菌体最适的生长条件，常常不一样：
生长 产物
头孢菌素
卷须霉素
5% (相对于饱和浓度） 13%
>13%
>8%
二、发酵液中氧的平衡 发酵液中供氧和需氧始终处于一个动态的平衡中
二、泡沫的控制方法
减少培养基中易起泡的成分 减少培养基中粘度大的成分 适当减少通气量及搅拌转速 采用机械消泡（罐内装置和罐外装置） 采用削沫剂消泡
工业上常用的消泡剂
天然油脂类 玉米油、豆油、棉籽油、鱼油等
高碳醇类 十八醇、乙二醇聚合物
聚醚类 聚氧丙烯甘油、聚氧乙烯丙烯甘油
硅酮类 聚二甲基硅氧烷
影响及作用 菌体和产物合成速度
酶促反应的方向 μ qP
发酵周期的长短
生长和生化活性 qo2
反映OUR 和 Kla 反映OUR 和 Kla
发酵过程检测控制的主要的参数
3、生物参数
检测参数 菌丝形态
菌体浓度
检测方法 摄像显微镜
取样镜检
取样 ：干重、浊度、 活菌计数、离心沉降
单位 gL-1
影响 反映菌体发育阶段
三、最适发酵温度的选择
选择既适合菌体生长又适合代谢产物合成的温度 可实行变温控制：在生长阶段选择适合菌体生长的温 度，在产物合成阶段，选择适合代谢产物合成的温度。 确定最适发酵温度还应参考其它发酵条件： 在较差通气条件下，降低发酵温度对发酵有利 培养基成分较易被利用或较稀薄时，降低发酵温度有利
四、发酵温度的控制
温度等于35℃，只合成四环素
二、影响发酵温度变化的因素： 发酵热（KJ/m3 h）
发酵热 = 生物热 + 搅拌热 - 蒸发热 - 显热 - 辐射热
生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。 搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。 影蒸响发搅生热拌物：热热发=的酵P 因3液6素蒸00：发/V水分带走的热量。 与菌种遗传特性有关 与显菌热龄：有发关酵：排对气数散生发长带期走生的物热热量最。大。 与辐营射养热基：质由有于关罐内外的温差，辐射带走的热量。 与产量有关
菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的 影响
最适菌体浓度的确定
优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的 产物。(dP/dtMAX)
dP/dt =qP X
qP=f〔 X， μ ， qO 2 qS CL〕
生长速度和菌体浓度的控制方法
确定基础培养基的适当配比，防止培养 基过于丰富或过于稀薄。
传递： Nv Kl a(c * c)
消耗： r= QO2 .X 氧的平衡最终反映在发酵液中氧的浓度上面
第六章 氧的供需及对发酵的影响 三、供氧的调节
Nv NKvla(cK*l a(cc) * c)
C有一定的工艺要求，所以可以通过Kla 和C*来调节 其中C*＝P/H
H
Nv
P
Kla
调节Kla是最常用的方法，kla反映了设备的供氧能力， 一般来讲大罐比小罐要好。
调节阀 设定控制器
Controlled
Uncontrolled 6.5
pH电极
pH
第三节 菌体生长速度和菌体浓度的影响及控制
影响菌体浓度的因素
菌体浓度的增加速度（生长速度）与微生物的种 类和自身的遗传特性有关
菌体浓度的增加速度（生长速度）与营养基质的 种类和浓度有关 （ μ 正比于S ）
当存在基质抑制作用时或造成高渗透压时，高浓 度营养基质引起生长速率下降。
补氮的依据：残氮量、pH值、菌体量
补氮量的控制：
经验法：
依据使pH升高0.1而通入氨水的量来计算。 依据残氮量和工艺控制残氮量来计算。 例： 土霉素发酵50m3发酵罐使pH升高0.1通氨量为10升。
使氨基氮上升0.004%-0.005%。
动力学方法；
通过qN、μ、 qP ，计算每小时的补氮量。
搅拌速度 供氧速率
45升 250 rpm 7.6
1吨 10吨 120 120 10.7 20.1
第三节 影响Kla的因素
Kla反映了设备的供氧能力，发酵常用的设备为摇 瓶与发酵罐。
一、影响摇瓶kla的因素
补糖量的控制： 经验法：
根据经验，以最高产量的罐批的加糖率为指标，并依据
菌体浓度、一定时间内的糖比消耗速率和残糖等加以修正。
例：
青霉素发酵开始补糖在残糖降至1.5%, pH开始回升时补糖。 补糖量以最高罐批经验量为参考。
每小时 前期0—40h
中期40—90h 后期90以后
加糖量 0.08%-0.15% 0.15% - 0.18% 0.15% -0.18%
Kla Kla
Kla 反映单细胞的生长
S
发酵过程检测控制的主要的参数
2、化学参数
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
mV % Pa %
三、最适pH的选择
根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH 同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的pH， 在产物采用最适产物合成的pH。
几种具体情况的调节方法
当pH低，氨基氮含量低时 当pH高，氨基氮含量低时 当pH高，氨基氮含量高时 当pH由于多加了削沫剂而下降时
pH的控制系统
经消毒的pH电极装入发 酵罐内定时直接测定培 养基的pH，同时还可以 与控制仪表连结，通过 回路系统控制阀门或泵 进行pH调节。
第一节 微生物对氧的需求
一、描述微生物需氧的物理量
比耗氧速度或呼吸强度（QO2）：单位时间内单位体积 重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2·g菌-1·h-1
摄氧率(r)：单位时间内单位体积的发酵液所需要的氧量。 mmol O2·L-1·h-1 。
r= QO2 .X
二、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
第七章 发酵工艺控制
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
一、发酵过程检测控制的主要的参数
1、物理参数
检测参数
检测方法 单位
温度
铂电阻 热敏 ℃ 电阻
有利于延长次级代谢产 物的分泌期
缺点：溶解度低，发酵 液粘度大。

碳源种类的控制
发酵工业中常采用含迅速利用的碳源和缓慢 利用的碳源的混合碳源。
迅速利用的碳源满足菌体生长的消耗，缓慢利用的碳 源，满足产物合成，可延长合成期，提高产量，并可 解除葡萄糖效应。
二）、碳源浓度的影响
S过小
μ ＜ μC
qP随μ减小而减小
罐压(0.20.5×105Pa) 隔膜传感器 Pa 压敏电阻
搅拌转数
频率计数器 r/min
搅拌功率(2 -4KW/m3)