车间发酵过程控制优秀PPT.ppt

车间发酵过程控制现在学习的是第1页，共27页提纲1、发酵过程中的代谢变化与控制参数。2、温度对发酵的影响及其控制。3、PH值对发酵的影响及其控制。3、DO对发酵的影响及其控制。4、泡沫对发酵的影响及其控制。5、基质浓度对发酵的影响及其控制。6、CO2对发酵的影响及其控制。7、发酵终点的判定。8、发酵过程检测与自动控制。现在学习的是第2页，共27页发酵过程中的代谢变化与控制参数一、初级代谢产物的变化。二、次级代谢产物的变化。三、发酵过程中主要控制参数。1.PH 发酵液的PH是发酵过程中各种生化反应的综合结果，它是发酵工艺控制的重要参数之一。PH的高低与菌体生长和产物合成有着重要关系。2.温度 指发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度，它的高低与发酵中的酶反应速率、氧在培养基中的溶解度和传递速率、菌体生长速率、产物合成速率等有密切关系。不同菌种、不同产品、不同发酵阶段温度要求亦不同3.DO 溶解氧是需氧发酵的必备条件。氧是微生物体内的一系列经细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些代谢产物的基质。4.基质含量 这是发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的浓度。他们的变化对产生菌的生长和产物的合成有着重要的影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段，因此在发酵过程中必须定时测定糖、氮等基质浓度。现在学习的是第3页，共27页发酵过程中的控制参数5.空气流量 这是指1min内单位体积发酵液中通入空气的体积。也叫通风比，是需氧发酵的控制参数。它的大小与氧传递和其他控制参数有关。6.压力 这是发酵过程中发酵罐维持的压力。罐内维持正压可以防止外界空气中的杂菌侵入而避免染菌。同时罐压的高低还与氧和二氧化碳在培养基中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。7.搅拌速度 对于好氧发酵，在发酵不同阶段转速控制不同，从而调节培养基中溶氧。通常以每分钟多少转来表示。8.搅拌功率 这是指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常以每立方米发酵液所消耗的功率（kwm3）它的大小与体积溶氧系数KLa有关。9.黏度 黏度的大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项标志，也能反映发酵液中菌丝分裂过程的情况，通常用表观黏度表示，它的大小可以改变氧传递的阻力，又可表示相对菌体浓度。现在学习的是第4页，共27页发酵过程中的控制参数10.浊度 浊度是能及时反映单细胞生长情况的参数，对氨基酸、核苷酸等产品是及其重要的参数。11.产物浓度 这是发酵产物产量高低和合成代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。12.氧化还原电位 培养基的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。对各种微生物而言，培养基最适宜的与允许的最大电位值，应与微生物本身的种类和生理状态有关。13.菌丝形态 丝状菌在发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢变化的反映，一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据。14.菌丝浓度 菌丝浓度是控制微生物发酵的重要参数之一，特别是对抗生素次级代谢产物的发酵。它的大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响，因此测定菌体浓度具有重要意义。现在学习的是第5页，共27页发酵过程中的控制参数15.废气中的CO2含量 废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的 CO2。测定它就可算出产生菌的呼吸熵，从而了解产生菌的呼吸代谢规律。16.废气中的O2含量 废气中的O2含量与产生菌的摄氧率和KLa有关。从废气中的氧和CO2含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸熵和发酵罐的供氧能力。除上述外，还有跟踪细胞生物活性的其他化学参数，如NAD-NADH体系、ATP-ADP-AMP体系、DNA、RNA、生物合成的关键酶等。现在学习的是第6页，共27页温度对发酵的影响及其控制一、温度对发酵的影响 温度对发酵有很大的影响。它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特征和产物的生物合成。酶的调控原理分子生物学内容。温度改变酶的活性进而改变生化反应的能力，酶能使反应的“能障”降低 温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解的吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特征和产物合成。二、影响发酵温度变化的因素 在发酵过程中，既有产生热能的因素，又有散失热能的因素，因而引起发酵温度的变化。产热的因素有生物热（Q生物）和搅拌热（Q搅拌）；现在学习的是第7页，共27页温度对发酵的影响及其控制 散热的因素有蒸发热（Q蒸发）、辐射热（Q辐射）和显热（Q显）。产生的热和减去散失的热能，所得的净热量就是发酵热（Q发酵）即Q发酵=Q生物+Q搅拌Q蒸发Q辐射Q显。1.生物热（Q生物）产生菌在生长繁殖过程中产生的热能。营养基质被菌体分解代谢产生大量的热能，部分用于合成ATP，供给合成代谢所需要的能量，多余的热量则以热能的形式释放出来，形成了生物热。生物热的大小与培养基的成分、培养时间不同而有变化。2.搅拌热（Q搅拌）搅拌器转动引起的液体之间及液体与设备之间的摩擦所产生的热量。Q搅拌=3600PV P V 通气条件下单位体积发酵液所消耗的功率。3600指热功当量3.蒸发热（Q蒸发）空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，排出一起水分蒸发所需的热量。4.辐射热（Q辐射）由于罐外壁和大气间的温度差异而使部分热能通过罐体向大气辐射的热量。上述热量在发酵过程中是随时间变化从而引起发酵温度的波动，为使发酵温度能在一定的温度下进行，故要设法进行控制。现在学习的是第8页，共27页温度对发酵的影响及其控制三、温度的控制1.最适温度的选择 最适发酵温度随着菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。理论上，整个发酵过程中不应只选一个温度培养，而根据发酵阶段不同，选择不同的培养温度。在生长阶段，应选择最适生长温度；在产物分泌阶段应选择最适生在温度。发酵温度可根据不同菌种，不同产品进行控制。2.温度的控制 工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中需要冷却的情况较多，因为发酵过程中释放了大量的发酵热。温度调节可用自动或手动方式进行调节。夹层或盘管通如冷却水进行热交换达到温控的目的。现在学习的是第9页，共27页PH对发酵的影响及其控制 PH是表征微生物生长及产物合成的重要状态参数之一，也是反映微生物代谢活动的综合指标。因此必需掌握发酵过程中PH的变化规律，以便在线适时监控，使其一直处于生产的最佳状态水平。1.发酵过程中PH的变化规律 微生物生长阶段和产物合成阶段的最适PH通常是不一样的。这不仅与菌种的特性有关，也与产物的化学性质有关。在发酵过程中PH是动态变化的，这与微生物的代谢活动及培养基的性质密切相关。一方面微生物通过代谢活动分泌酸性或碱性物质另一方面微生物通过利用培养基中的生理酸性或生理碱性盐从而引起环境PH的变化，所以要注意在发酵过程中初始PH的选择和发酵过程中PH的控制，使其适合菌体的生长和产物的合成。发酵液PH的改变对发酵产生很大的影响：1.导致微生物细胞原生质的电荷发生改变从而影响原生质体膜对个别离子的通透性从而影响营养物质吸收和代谢产物的分泌。2.PH变化影响菌体代谢方向。3.PH变化影响代谢产物的合成。现在学习的是第10页，共27页PH对发酵的影响及其控制2.最适PH的选择 选择最适PH的准则是获得最大比生长速率和合适的菌体量。Uc=dcdt 比生长速率 3.PH的控制 一般PH调控通常有以下几种方法。A:配制合适的培养基调节培养基初始PH至合适的范围并使其有很好的缓冲能力B:培养过程中加入非营养基质的酸碱调节剂。C:培养过程中加入基质性酸碱调节剂。D:加生理酸性或生理碱性盐基质，通过代谢调节PH。E:将PH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制PH。在实际生产过程中，一般可以选择其中一种或几种方法，并结合PH在线检测情况对PH进行有效控制，以保证PH处于合适范围。现在学习的是第11页，共27页DO对发酵的影响及其控制（1）一、微生物对氧的需求 氧是一种难溶于水的气体，在25和0.1mPa时，氧在水中的溶解度仅为0.25molL左右，而且随着温度上升其溶解度减小。好氧微生物发酵过程中如果不能及时向发酵罐中供氧，这些溶氧仅能维持微生物具体12-20秒的正常代谢，随后氧将会耗尽。因此，在发酵过程中供氧极为重要。1.氧在微生物发酵中的作用 氧是构成微生物细胞本身及其代谢产物的组分之一，微生物细胞必须利用分子态的氧作为呼吸链电子传递系统末端的电子受体，最后与氢离子结合成水，同时在呼吸链的弟子传递过程中可释放出大量能量，供细胞生长和代谢使用。氧还可以作为中间体直接参与一些生物合成反应。（乙酸合成）2.微生物的好氧特征呼吸强度：单位质量干菌体在单位时间内所吸收的氧。以表示。好氧率：单位体积培养液在单位时间内的好氧量。以r表示。也叫摄氧率呼吸强度和好氧率之间关系如下：r=Qo2*X r菌体摄氧率 Qo2菌体呼吸强度 X菌体浓度 微生物在发酵过程中的好氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积发酵液的菌体浓度，而菌体呼吸强度又受菌龄、菌种性能、培养基及培养条件等诸多因素的综合影响。现在学习的是第12页，共27页DO对发酵的影响及其控制（2）3.影响微生物好氧的因素A:微生物本身遗传特征的影响B:培养基的成分和浓度 培养基的成分尤其是碳源种类对细胞的耗氧量有很大影响好氧速率大小依次是：油脂和烃类葡萄糖蔗糖乳糖C:菌龄 一般幼龄菌生长旺盛，呼吸强度大，老龄菌生长慢，呼吸强度小D:发酵条件 PH 温度对溶氧的影响E:代谢类型 产物是通过TCA循环获取的则呼吸强度大耗氧量大、产物是通过EMP途径获取呼吸强度小耗氧量小。现在学习的是第13页，共27页DO对发酵的影响及其控制（3）4.控制溶氧的意义发酵不同阶段对氧浓度的要求不同。二、氧传递方程OTR=KLa(C*-CL)OTR单位体积培养液的氧传递速率。KLa 以浓度差为推动力的体积溶氧系数三、影响氧传递的因素 在氧传递过程中，主要阻力在于气液间的传递过程，根据气液传递速率方程OTR=KLa（C*-CL)可知凡影响推动力C*-CL，比表面积a和传递系数KLa的因素都会影响氧传递速率。从而影响到供氧。1.影响推动力的因素：温度 溶质 溶剂 氧分压2.影响KLa 的因素：设备参数 操作条件 发酵液性质 现在学习的是第14页，共27页DO对发酵的影响及其控制（4）四、溶氧在发酵过程控制中的重要作用 溶解氧是好氧微生物生长所必需的。由于氧在水中的溶解度很低，所以在好氧微生物发酵过程中溶解氧DO往往最易成为限制因素。通过对发酵过程中DO变化的在线检测及时加以调控。1.溶解氧判断操作故障或事故引起的异常现象。一些故障或事故引起的发酵异常现象能从DO值的变化得到反映。搅拌停止等。2.溶解氧判断中间补料是否恰当。3.溶解氧判断发酵体系是否污染杂菌。当发酵系统污染杂菌后，DO值一般会一反往常，DO急速上升或下降。比无菌检测要提前好几小时。4.溶氧作为控制代谢方向的指标。5.DO变化作为各级种子罐的质量控制和移种指标之一。现在学习的是第15页，共27页DO对发酵的影响及其控制（5）五、影响溶解氧的主要因素与控制方法OTR=KLa(C*-CL)凡能使KLa和C*增加的因素都能使发酵供氧得到改善。C*增加的方法：1.在通气中搀入纯氧或富氧，提高氧分压。2.提高罐压不利因素是二氧化碳浓度增加它在水中的溶解度比氧30倍。这会影响PH和菌体的生理代谢。3.改变通气速率在流量大的情况下改善效果不明显，反而使泡沫大量增加，导致逃逸或染菌。KLa增加的方法：实际生产中通常从提高KLa入手，提高设备的供氧能力。1.搅拌转速对DO的影响。2.发酵液黏度对DO的影响。3.培养基的丰富程度。4.温度的影响。5.气体组成成分对DO的影响。现在学习的是第16页，共27页DO对发酵的影响及其控制（6）六、溶解养的检测方法 目前测定发酵液中溶解氧主要采用复膜氧电极测定法。复膜氧电极有置于碱性电解质中的银阴极和铅阳极组成的原电池，以及由管状银阳极铂丝阴极、氯化钾电解液组成的极谱形这两种探头产生的电流都正比于通过膜扩散入探头的氧量（氧的分压），极谱形复膜氧电极整套仪器造价较高但较精确，生产上广泛使用。复膜氧电极实际测量的是氧的分压（与发酵液中氧活度对应的氧分压）而非绝对氧浓度，一般测定时显示的读数为饱和浓度分数。使用前先标定电极，使在发酵液被氧饱和时输出的电流设定为100%，发酵液氧浓度为0时设定为零。在测量过程中的氧（分压）以氧饱和分数表示，此读数值会随着发酵液成分、通气量、搅拌速度、发酵压力等变化而变化，故是一种近似测量溶氧的方法。现在学习的是第17页，共27页泡沫对发酵的影响及其控制（1）发酵过程中因为通气搅拌、发酵液中产生的二氧化碳以及蛋白质和代谢物等稳定泡沫的表面活性剂的存在导致发酵产生很多泡沫。泡沫往往会给发酵带来不利的影响。因此，发酵过程中必须了解泡沫的消长规律并加以控制。一、泡沫对发酵的影响1.降低了发酵罐的装料系数，一般在需氧发酵中，发酵罐的装料系数为0.6-0.7，余下的空间用于容纳泡沫。2.泡沫过多时，造成大量逃液，发酵液从排气管路或轴封逃出而增加染菌机会和产物损失。3.严重时通气搅拌无法进行，菌体呼吸受到阻碍，导致代谢异常或菌体自溶。所以控制泡沫乃是保证发酵正常进行的基本条件。现在学习的是第18页，共27页泡沫对发酵的影响及其控制（2）二、发酵过程中泡沫的变化规律 需氧发酵过程中泡沫的形成有一定规律。泡沫的多少一方面与通气搅拌的剧烈程度有关，搅拌所引起的泡沫比通气来的大；另以方面与培养基所用原材料的性质有关。蛋白质原料，如蛋白胨、玉米浆、黄豆饼粉和酵母粉等是主要的气泡因素，起泡能力随原料的品种、产地、加工条件而不同，还与配比以及培养基浓度和黏度有关。在发酵过程中培养液的性质，因微生物的代谢活动处在变化中，影响到泡沫的形成和消长。现在学习的是第19页，共27页泡沫对发酵的影响及其控制（3）三、泡沫的控制泡沫的控制可采取两种途径：1.调整培养基的成分或改变某些物理化学参数或改变发酵工艺来控制，以减少泡沫形成的机会，但这些方法的效果有局限性。2.机械消泡这是一种物理作用消泡的方法，利用机械强烈震动或压力变化而使泡沫破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收。因此分罐内消泡和罐外消泡两种方法。3.化学消泡 外界加入消泡剂，降低泡沫液膜的机械强度，降低液膜的表面黏度。其是表面活性剂，具有较低的表面张力。消泡剂的要求：现在学习的是第20页，共27页消泡剂的要求：1.应该在气-液界面上具有足够大的铺展系数，才能发挥消泡作用，有一定的亲水性。2.应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫。3.应该对微生物、人类和动物无毒性。4.成本低5.应该对氧传递不产生影响。6.能耐高温灭菌。发酵工业常用的消泡剂：油脂类、高碳醇、脂肪酸和脂类、聚醚类等.泡沫对发酵的影响及其控制（4）现在学习的是第21页，共27页基质浓度对发酵的影响及其控制 CO2对发酵的影响及其控制 基质是指供微生物生长及产物合成的原料，有时也称为底物，主要包括碳源、氮源和无机盐等。基质的种类和浓度直接影响到菌体代谢变化和产物合成。在实际发酵过程中基质的浓度主要依靠补料来维持，所以发酵过程中一定要控制好补料的时间和数量，使发酵过程按合成产物的最大可能方向进行。1.培养基的质量 2.培养基的数量CO2是呼吸和分解代谢的终产物，几乎所有发酵均产生大量的CO2。根据生产品种的不同菌体对CO2的利用及耐受也各不相同。现在学习的是第22页，共27页发酵终点的判定 不同类型的发酵，要求达到的目的不同，对发酵终点的判断也不同。要确定一个合理的放罐时间，必须考虑下列几个因素：1.经济因素 发酵产物的生产能力是实际发酵时间和发酵准备时间的综合反映。实际发酵时间，必须考虑经济因素，也就是，以最低的成本获得最大生产能力的时间为最适发酵时间。生产速率较小的的情况下，单位体积的产物产量增长就有限，如果继续延长发酵时间，使平均生产能力下降，而动力消耗，管理费用支出，设备消耗等费用仍在增加，使产品成本增加。所以，需要从经济学观点确定一个合理的时间2.产品质量因素 发酵时间长短对后续工艺和产品质量有很大影响。如果发酵时间太短，培养基中营养成分残留在发酵液中，如果发酵时间太长，菌体会自溶，释放出菌体蛋白或体内的醇。这些物质对后续分离纯化不利，导致分离纯化成本高，所有这些影响，都有可能使产物质量下降，产物中杂质含量增加，故要考虑发酵周期长短对产物提取工序的影响。现在学习的是第23页，共27页发酵终点的判定3.特殊因素 在个别特殊发酵情况下，还要考虑个别因素。对老品种的发酵来说，放罐时间都已掌握，在正常情况下，可根据作业计划，按时放罐。但在异常情况下，如染菌、代谢异常，就应根据不同情况进行适当处理。为了能够得到尽量多的产物，应及时采取措施（如改变温度或补充营养等），并适当提前或拖后放罐时间。总之，合理的放罐时间是由实验来确定的，就是根据不同的发酵工艺和发酵目的，结合经济、产品质量和特殊因素等综合考虑，确定发酵终了的放罐指标。常见的放罐指标有产物的产量、过滤速度、氨基氮的含量、菌丝形态、PH、发酵液的外观和黏度等。现在学习的是第24页，共27页发酵过程检测与自动控制发酵过程的控制有人工控制和自动控制两种方式。人工控制主要靠操作人员的经验观察发酵过程参数变化，进行判断和决策并采取措施加以控制。自动控制是借助先进的检测设备和计算机对发酵过程进行参数适时监测、逻辑判断并反馈控制。人工控制经验性强，只适合于简单的发酵控制过程，现代发酵工业的过程控制一般都采用自动控制系统。发酵过程的自动控制包括三个方面：1与发酵过程的状态参数相联系的控制目标，如温度、PH和DO等。2控制动作，如阀门的开关，泵的开停等。3.能够预测控制动作对过程状态参数影响的模型，如加入的基质浓度对生物量的影响模型等。现在学习的是第25页，共27页发酵过程检测与自动控制 发酵自动控制有测量系统、数据处理系统和控制系统组成，其中硬件包括传感器、变送器、执行机构、转换器、过程接口和监控计算机等。1.传感器 这包括直接测量发酵过程个参数的传感器如PH电极、DO电极、温度电极等。传感器包括在线测量传感器和离线测量传感器。选择传感器时不仅要考虑其功能，还要确保该仪器不会增加染菌的机会，置于发酵罐内的探头必须能高温灭菌。探头易出现问题：1.探头敏感的表面堵塞。2.探头失效或显著漂移。2.变送器与过程接口 变送器将传感器获取的信号转换成能被控制器接收的信号。传感器和变送器有时安装在同一装置内。3.执行机构和转换器 执行机构是直接实施控制动作的元件，如电磁阀、气动控制阀、电动控制阀、变速电机、蠕动泵等。控制器输出信号或操作者手动干预信号通过执行机构改变控制变量值。执行机构可以连续动作。4.监控计算机 过程控制计算机的主要作用：1.数据存储2.数据处理分析3.生物过程控制。现在学习的是第26页，共27页 谢谢！现在学习的是第27页，共27页