生物发酵过程解决方案

生物发酵过程解决方案引言:发酵过程是一种既古老又年轻的生化过程。早在几千年前人们就已经在食品生产方面利用酵母对淀粉进行发酵以获得含有乙醇的饮料，这一生产过程一直延续至今，它就是人们所熟知的制酒工业的核心——酿造工业。利用微生物生长过程中的二次代谢作用以制取医药工业中的抗生素则是人类运用生化技术的一大创造。工业生产时这一新陈代谢过程在发酵罐内完成。深入研究发酵过程将为生化反应——发酵罐的设计、操作和控制奠定基础。因此，它是提高生化工程水平的重要内容之一；生化反应是生化技术中的难点所在，在研究和实际应用时既需要微生物技术也需要借用化工技术以及融汇近代测量技术、计算机技术和控制技术于一体。微生物发酵过程是个极其复杂的生化反应过程，对于发酵罐的操作，以前人们是凭借实践经验来进行的，由于缺乏发酵过程参数的测量监视和控制系统，使得发酵产品成本高、操作费用大、产品在国际市场上缺乏竞争力。为此，需要对发酵罐实行优化操作和控制。一、发酵过程中的工艺及其特点一般的耗氧型发酵罐系统如下图所示，其中要测量的参数可以分为物理参数、化学参数以及生物参数。X,S,PCT,P,PH,DO,VM营养物消泡空气FACO2X,S,PCT,P,PH,DO,VM营养物消泡空气FACO2,O2%T2FW,T1RMP发酵过程化学参数:发酵过程典型的化学参数有PH值（PH）和溶解氧浓度（DO），这两个参数对于微生物的生长，代谢产物的形成极为重要。过于由于缺乏耐消毒的能进行无菌操作的PH电极和溶解氧电极，使得无法做到实时的在线测量。而现在已有成熟的PH和溶解氧测量电极，典型的产品如瑞士的Ingold电极等。发酵过程生物参数:生物参数通常包括生物质呼吸代谢参数、生物质浓度、代谢产物浓度、底物浓度以及生物比生长速率、底物消耗速率和产物形成速率等。关于生物参数，无论在国内还是国外，在工业生产中实时在线的测量仪表都还很少。正是由于这些原因，使得微生物发酵过程的控制比一般的工业生产过程难度更大。呼吸代谢参数的测量：微生物呼吸代谢参数通常有三个，即微生物的氧利用速率（OUR），二氧化碳释放速率（CER）和呼吸商（RQ）。这三个参数的测量，可以给予发酵罐系统气相平衡计算出来。要测量呼吸代谢参数，必须测量除发酵液体积、空气流量，排出气体氧含量和二氧化碳的含量。假设流出发酵罐的气体流量与空气流入量相等，空气中氧含量为21％，二氧化碳的浓度为零，测量到派出气体的氧浓度为O2出％，二氧化碳的浓度为CO2出％。微生物发酵热的测量：微生物发酵热从某种意义上说间接地反应了微生物生长过程的细胞浓度和生长速率。因此，通过测量发酵热，就可以了解微生物生长状态。这样只要测量出冷却水流量和它的进出口温度就可以粗略地知道发酵热的变化。生物质底物和产物浓度的测量：就目前来看，还没有可在工业生产实用的这些参数的测量仪器。在实验室中，已有用质谱仪和核磁共震分析仪来测量发酵液中各种物质的浓度。利用生物传感器来测量生物质浓度、底物和产物浓度在成为研究热点。掏在工葛业生捉产中票这些泡参数张的测亏量大悠都基律于取他出发闹酵液照样品逮到实劣验室侄采用顽化学推分析瞒方法浴和借踩用如虽HP野LC哈仪器勤来分音析，眠由于肺分析迟一个胃样品统要用府很长卧时间楼，这做对于芽实时核控制违来说竖就很扑难通旷过这跟样的险方法架来利军用这骑些数刻据。应二拉、茶发酵队过程华的控泄制邪随着具生物摧工业新技术使的迅抢速发奶展，沫其生磁产设挺备和翼规模夫不断诱扩大驴，生味产过姓程的氧强化爆，对场自动籍控制善技术才的要倘求越斗来越舱迫切养，对名生化音过程返实行吃优化刑控制负，可拾稳定哨生产班，提鲜高得摧率，识降低崭消耗申，增拳加效浴益。贪然而俩，微嚼生物漏发酵染过程源，不沃同于昂一般侵的过较程工暑业，龙由于丰它涉眼及生灿命体腊的生讲长繁只殖过层程，隆机理孔十分陈复杂慢，至辫今还箱有许由多发扰酵过竞程信逼息无奶法测唇量，需这给厉发酵编过程跃优化誉控制遣带来傲极大铁的困哑难。尼影响百发酵犁过程度的两读个主鞠要因曲素是组发酵尽培养巷基和疗发酵怕条件亮，在秧培养蛙基配桐方基墓本固提定的畅情况苏下，耳发酵跑条件封是影形响过帜程代毁谢变葱化的始主要形方面涨。根伴据那面些反莲映发恒酵条珠件和月代谢距变化浑的参哥数，翅参照板代谢乱变化疤规律很来控物制以沸下发榆酵条皂件，尖尽可猛能缩则短菌踢体生泡长期蒸，延苍长产难物合闭成期录，使斗菌体帐生长逝既迅哈速而接又不笼易暴衰老兼，并猾保持金产物遣的最嫩大生武产速凡率，鸽从而堪达到仔提高具最终昨产物倍产量胳目的衫。公上图邀为：炭以常梨规控阀制为复主的萍发酵骡罐自弃控工勒艺图奥2村.1讨发酵机罐温停度常巧规控件制时对于冒特定蹈的微始生物巧，它遗都有品一个禽最适伙宜的幻生长奉温度淹。如街果从乒生物菊酶动切力学绪方面被来考羽虑，逮酶的黄最佳组活力液对应止着一罪最好隆的温对度。冤因此优，微稠生物夏发酵寒过程强发酵寄温度仁的控张制是冒一个贪很重刑要的钓微生举物生机长环叫境参允数，岭必须东严格怖的加聪以控珍制。掘影响妙发酵种温度屡的主坊要因晴素有忘微生散物发威酵热筑、电州机搅似拌热丰、冷橡却水串本身圾的温绢度。贪对于胖小型渗的发壁酵罐诱温度似控制抱系统舞是以盾发酵画罐温斑度为阵被控径参数烦，冷宇却水狂流量今为控带制参萄数的规单回宇路控析制方停案，总对于类大型闪的发膏酵罐键系统氧，则政采用躬发酵荒罐温伪度为棍主回封路，浴以冷环却水若系统异为副浴回路湖的串趁级控炸制或详前馈滨-反与馈控佩制方化案。赖（一袄）单销回路秩PI衰D控检制收在进区水温芽度比解较稳扣定的网情况门下，戏发酵明反应合罐的龙温度属常采惯用单统回路惭的P松ID爱控制站。在词实际串过程君中吩工业席发酵衰过程棵温度饥控制锯，由渴于冷叫却水旱（或钟温水殊）温端度地偶变化枣，将喝会影产响发钻酵温阀度控稳制品谁质，宋这个顾影响斤作用野过程票是先喉使夹红套温短度变妻化，纵然后资使发鱼酵罐袋的温讨度变恨化，善只有泪这时俘，控阅制器归才感掩受到香温差橡的出坏现，落从而窃驱动姨调节越阀。垒很明掀显，漂从干忘扰开据始到毅调节炉阀动雄作，耍要经币过较灶大的混滞后箱，要将克服耻这些讽滞后聋作用侦，可蚁以采条用串讯级调忠节。朱（二喇）串森级控肿制馒将T欠1吴、T斯2东测量柔出来钥的信信号组残成一摧个控文制系铁统，沿将T腹C磨1猛的输御出作辞为T矮C坦2疯控制代器的糊给定葡值，乌便组裙成一辨个串锣级控翁制系话统。镰与单厕回路泪控制术相比聚，串虚级控拐制有嘴以下佣特点古：块（1搂）当秒由于饿一些狸外界艺的原膨因，着夹套寿温度劫发生娱波动输时，柔TC奖2优的作歌用将洋使这系种波趁动在录还未饲影响亚到T醉1申时就宏被提遗前克窄服，无故有盘利于翅保证先T质1污的控渴制品冻质。菊并可话显著话改善赞发酵受罐的境控制连特性养，使顾等效远对象门滞后绪减小寸。槐（2码）可岔兼顾械两个瓣参数订，实迫现厚“来均匀翼控制惧：当裹主控注制器钟TC解1毯的比桃例度误选得因较宽致时，多其输吧出变唇化较锯小。浴由于世它是风作为盖副控慎制器次TC速2悟的给会定值座，因反此使避得副受参数僚变化堂也较表小，言比较绪平稳洗，这泉样就锯可以盛使主笑副两怎个参粥数都底能保凉持在芝一定假范围稼内平事缓波叠动，招以满消足工倦艺过票程的供要求海。足（3秩）可稻消除龙调节蹲阀等岩非线挎性特慢性的桌影响嫁：由两于调芬节阀勇和一们部分捐对象雨（副乔控制杀对象捧）被核包含忘于副嘉回路露之内从，调神节阀城的非写线性种影响歪在副恼环中刊便被掌消除晨。山（三央）前幅馈-省反馈股控制定将冷败却水蛛温度兔这一鸭扰动化信号位于T晕C未1魄控制旷器的攀输出电信号攀一起歌作用铁于调杨节阀写，便读形成绞前馈懒-反亭馈控乒制，肯这样败，对独于冷阻却水每温度均的变吸化这史一干路扰便圣能快新速的朗作用肢于调叫节阀盼门，挤使调渐节阀方也作音相应嫩的调伟整从勇而及趴时消妨除这帐一干检扰虎。但割需要催注意救的是路前馈踩补偿叶器需惕要有签准确想的数凶学模惠型作表为基巩础。封2在.2菌发酵黑罐压惩力常骑规控书制更发酵念罐操护作压镇力的伪变化居，将顾会引卷起氧船在发老酵液嫁中的者分压相改变块，也脖就是史说影拴响着青溶解得氧浓斧度的渔变化卷。另鸣外，冈为了黎使发端酵物海不被浸细菌件感染剥，需具要对数通入芹的压舒缩气烛体进迟行过坊滤消娇毒，拴并保劫证发殊酵罐否内呈送现正徒压，辫以免亏外部梢未经见处理更的空著气等倒的进抱入。弄影响浸发酵列罐的愁压力掏主要拾是供饺给的铁消毒烧空气忙的压唐力变听化，液通常数控制抵发酵网罐的伯压力箱是通裁过调书节排疲出气膜体的毛量来键控制汽。一从般采思用单昨回路穿控制忌即可谦，对喝于发愿酵罐主内压辉力变昼化对嘴溶解墙氧浓住度的攀影响倚，则史由溶迁解氧狼浓度扣调节等回路谈来处背理，贵当然励，溶丧解氧目浓度看的调恰节将孟考虑霸罐内寿压力出对其最的影撤响。采2耻.3炼发酵撤过程慰中的纵PH始值控青制间P声H是肤微生信物生材长的吧另一然个重扩要环疏境参剖数。捎在发筐酵过盯程中跃，必基须严逢格加椒以控重制，钱否则付会严艰重影蚂响微易生物向代谢脱的进朱行和鹿代谢纺产物理的合登成。顷在工例业生中产上舱，若祥发酵桃液孟P桐H值笑偏低棵、氨斥氮也体偏低幻的时踩候，泛则通此过加升氨水赢等方肉法使奖其插PH干值回旋升；拆如果阀PH横值偏智高而稍氨氮央偏低絮，可冈以补酷入硫爸酸铵碧或氯眠化铵墓；若霉PH序值和桶氨氮窜都偏吸高，姨在发段酵前奇期，波可适醉当增艰加糖全的补默加量筐来调亏整。揪一般杆没有双其它蛋的控撑制手材段。繁因此殿在败PH孤值控损制中夹必须出严格机控制待好调技整液秒的加扩入量伴，绝震对不片能过颈量。列如下艳图所痰示，各PH付值的阅控制绩常由抽PH妇测量躺电极恋和变摸送器三、猫PH出控制替器、括空气锯开关舌和气悠动开呢关阀模组成鞋。氨娇水可否以通拦过喷锅淋头适加入颈发酵钳罐，皆当然种最好炸是通勾过空阁气管破道与替空气凝一起肚送入爪发酵佣罐，献这样叫便使足氨水铅充分衰散发奥于发陡酵液咳中，躁不会朋造成秃局部牵区域冷的饼PH宵值的伟偏高悔或偏先低。忠为避职免一开般调充节阀弟有泄抚漏量吴的缺钢陷，奥在辛PH较控制绳中，尊所使划用的候阀门魔常用跪开关热阀。它控制扯器根狗据掏PH段偏差饶信号蜜计算解出开继关阀章门开卫关周睛期和铺开与江关的迷时间剩长短泻，来诸控制伸加入望调整容液（肾如氨释水）不的量律，从分而达嚼到控漫制冷PH竭值的羽目的诉。当胀然，牵由于矿PH州值的僻严重博非线贤性特辛性，愿使得撤控制统器在击PH饼值为势7（择中性套点）盛附近民和远平离中番性点初的控伴制方仍法和某整定刻参数国不尽胡相同缎。因量此这献里的窜控制呈器是喂综合洒考虑异PH百值的葱非线芹性特裳性和哪阀门骨调节娇特性士的的眼复杂喂的控抖制器受，简墨单的数PI敞D调蛛节器扣是不冰能完下成要阔求的档。另眠外，老与开怖关阀签门相财对应割，控溉制器嗽的输海出也贩为开泛关信煌号。的在愧PH疗值的坑控制扁过程锅中，呼首先盼要在睡控制究方法距上确捡保阀晌门动兔作的誓频率备在可茄接受私的范晋围内但尽可遇能的例小，闷以尽奴可能龙的延泥长阀码门的央使用酱寿命病。另虚一方谎面，折阀门奥在整车个调袖节控荷制回药路中食是最霞易出扛故障逆的环案节是用一个闭不争糊的事漠实，葡当阀贫门出宴现故示障时丽，有仰可能凑将氨挎水直泪接泄律漏到幕发酵预罐中勾，因赏此，虽严格三而独济立并胀具有愈冗余穿配置俘的众PH词值报火警系剂统是种必须淹的，翼最好医有一落个紧确急事薄件处惕理系砖统。酱2钩.奏4尾发酵趋过程孤中的派溶解泊氧浓饺度控俯制搁在耗闸氧型蓄发酵靠过程贵中，约氧是衬作为抄微生雾物生喉长必德须的窜原料种，若煤供氧稀不足山，将拣会抑笋制微颂生物讨的生沙长和摩代谢鲜的进询行。吴为此辜在发见酵过大程中秋要保沙持一方定的斑溶解些氧浓袍度。星影响阵溶解橡氧浓誓度的识主要方因素翠有供前给的稠空气趋量、爷搅拌乳桨污转速沙和发台酵罐券的压站力。缸如果户在发贝酵罐亩压力困有自桌动控税制的睬情况搅下则估认为咏发酵兽罐压密力恒载定不而变。把目前捧，国关内发鼻酵罐泡搅拌靠桨转穴速一掀般是贞恒定耕不变址的，首所以材只要圣通过姻调节补供给贩的空两气量什来控息制溶漠解氧挽浓度妻。当害然，地也有咏同时睬对发卷酵罐商转速兄和供仪应的冬空气补量进卷行综俭合调断节的恶做法哗。如症前所捷述，奴发酵瞎罐内敌压力徐的波嫁动对得溶解旨氧浓混度有壮影响爆，因垫此，湿在通填过调酬节通洋入的盒空气建流量堪来实泻现溶分解氧站浓度抢控制疲时，窑需要兴考虑托这种吩影响浅。其蓄控制馅原理完图如稍下所古示：聋这里务采用篇了一衣个串析级控隶制回通路，访在保烂证对结通入闲蒸汽陆量的焰调节核满足床溶解房氧浓吧度要蛛求的狮同时旬，及恐时消肤除了缩压力顾波动堵的影孟响。滋如果坚溶解遭氧浓愤度的悼调节至通过法调节员搅拌奶机的叠转速味来实春现，宏情况掀类似造。晋2嘴.槽5艘发酵址过程袭中的失消泡烦控制贸在发侧酵前钱期，待微生里物生向长旺披盛时脖期，紫加入误料液寨满载毙，搅贩拌马姿达全垃速开盼动，煌空气福通入罗量达肾到最希大。抬这时可候，痕发酵诉液上萌浮得全很厉泡害，芽稍有涌不慎专，就遍可能藏会产杆生逃旨液现竖象。扎此时爆，必属须即串使加辰入消嚷泡剂饼，以旁减少榨泡沫逃，防文止发与酵液陈上浮牵。消汽泡控核制通剩常采叼用双貌位式培的控属制方狸法，俗当发付酵液怜液面珠达到鸽一定劲的高安度时勤，自闪动打诚开消送泡剂脂的阀漫门，米当液牲面降旨回到型正常导时，尸自动模关闭购消泡遇剂阀葱门。惰2意.来6脆发酵骆过程遵中的鸟补料救控制崇在半领连续丛发酵厘过程周中，宴随着赶发酵拍的进袜行，敢微生吵物生酒长状斩态和茫生物料代谢坊状况丧，中亦间要叔继续赶不断蚂补充产营养虹物质屑，使许微生趁物沿治着最静优的我生长牧轨迹舰生长悉，以性获得循高产菌的微敏生物漏代谢纽产物麻。由持于微利生物士和代陷谢状河况无愧法在插线测打量，题使得松这一锐补料绍极为端困难然，一被般的云发酵炒工业括生产止过程联是根执据实饥验室馋大量拥的试丧验研仿究结叹果得隶出的怜补料油曲线避来指车导工搅业生加产的壮补料医，发盾酵工档艺技颗术人野员根遵据离遥线的怨化验鹿室化挨验的距数据厦，适税当修渡正补束料速冬率，辅这种额方法四对于疏有大笔量实香践经叙验的每人来拨说可冠能会望做出影好的皆判断厉决策肢，但师往往衔不尽症如人追意，伸不能鬼确保早发酵寸过程槐沿着额最优笼的曲坦线进阔行，柴不能牲获得脑最好任的代季谢产照物。户针对宜这种蔑发酵游过程筛的复粘杂性绸和信叫息的正缺乏累，发道酵工蓬艺技严术人斗员与河自动阻控制库人员挺一起耀共同圆研究蹄，试弹图寻肿找出才更好掉的补参料方杏法和邻策略卖。例享如，针基于载出口傲气体梯二氧亚化碳敞的释挤放率士来控申制补侮料速酬率、胃用化滚学元昏素的碍平衡消方法吓来调孩整补犯糖量漏、用简控制愁呼吸猫商的污方法埋来控羊制补违料等岩等。驳三饥、针系统欢配置适针对猫生物眨发酵润过程依的具拜体特渴点，捉选用愁了S跌un危yT童DC田S9右20欠0集撇散控孝制系谁统进删行配碌置。听糖化表车间言、点发酵惯车间挨、象制质药车惨间各枕设置瘦一个虚现