3化学参数检测与控制5省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

发酵过程控制

（ControlofFermentationProcess)

第三章化学参数检测与控制（五）1/303.5基质浓度与补料3.5.1基质浓度对发酵影响

常温下，淀粉溶液、稀糖水、浓糖水，微生物在哪种液体中生长最好？为何？2/303.5基质浓度与补料3.5.1基质浓度对发酵影响3.5.1.1高基质浓度抑制细胞生长与代谢比如：大多数微生物培养，糖浓度>5~7%时，生长速率下降；谷氨酸发酵糖浓度为10~15%；酵母菌酒精发酵糖浓度为13~20%；不影响酵母菌菌体生长（酵母菌培养）糖浓度<5%。3/30底物抑制μmaxμ（1/h）SmS（g/L）底物抑制细胞生长与代谢可能原因有二：（1）抑制细胞合成与代谢中一些酶活性；（2）基质浓度↑→培养液渗透压↑→细胞脱水→影响生长与代谢。4/303.5.1.2高基质浓度影响产物得率比如：酵母细胞培养时，糖浓度高→产生大量乙醇→YX/S↓青霉素发酵中，糖浓度高→产生有机酸→YP/S↓

S↑→5/303.5.2补料（流加）控制补料目标——解除底物抑制，提升产物浓度和收得率。补料方式：

连续流加——恒速流加、变速流加——用于底物抑制比较显著场所；

间歇补料——一次补料、屡次补料——适于底物抑制相对较弱场所。当所控制基质浓度较低（<1%）时，必须采取连续流加。6/303.5.2.1直接控制——依据基质浓度控制流加（1）取样检测——间歇流加或补料适合于允许基质范围较大场所。氨基酸等常采取此种方法，大多只需补料1~3次。7/303.5.2.1直接控制——依据基质浓度控制流加（2）传感器检测法——在线自动控制用于允许基质浓度波动范围很小场所。如酵母菌培养。当前因为葡萄糖传感器灭菌问题仍未很好处理，因而这种方法使用受到限制。8/303.5.2.2间接控制当前，发酵生产中基质浓度控制大多采取间接控制。

间接控制：依据溶氧、pH、二氧化碳排放、呼吸商、代谢产物浓度等参数计算出基质消耗速率与基质浓度，从而控制基质流加速度。

9/30细胞生长速率

细胞浓度

耗糖速率

底物浓度

其中

比如：10/30例1：酵母生产中，为了取得较高酵母收得率，可发酵性糖浓度普通应控制在0.1%左右。培养液糖浓度%≤0.04%0.05~0.21.0~2.0≥5.0细胞生长速率很小较快最快较快(受抑制)酵母收得率%最高(约50%)高(45%±)较高(30%±)低(20%±)乙醇产率%无低(5%±)较高(20%±)高(30%±)供氧充分情况下培养液糖浓度与酵母收得率关系11/30方法1：依据RQ控制，将RQ控制在1.0~1.1范围内。糖含量高→酒精发酵↑→RQ靠近1.1→F↓糖含量低→酒精发酵↓→RQ靠近1.0→F↑方法2：依据乙醇浓度控制时，将乙醇浓度控制在0.05~0.2%范围内。糖含量高→酒精浓度上升至靠近0.2%时→F↓糖含量低→酒精浓度下降至靠近0.05%时→F↑12/30例2：青霉素发酵中依据pH值改变来控制糖流加，pH值控制在6.5～7.0范围内。糖浓度高→有机酸↑→pH↓→pH靠近6.5时→F↓糖浓度低→菌丝体分解→pH↑→pH靠近7.0时→F↑13/30例3：谷氨酸发酵中，依据pH控制尿素流加，依据耗氧量控制糖液流加。氮源控制：依据pH改变控制尿素流加，pH7.0~7.4氨被利用形成谷氨酸→pH↓→当pH值靠近7.0时，尿素流加↑尿素浓度高→尿素分解成NH3→pH↑→当pH值靠近7.4时，尿素流加↓14/30碳源（糖液）流加控制：糖含量控制在2%左右。谷氨酸发酵理论反应式为：依据此式有：15/30碳源（糖液）流加控制：糖含量控制在2%左右。实际生产中，K=1.75左右，糖液流加速率为：式中：F—糖液流加速率（L/h）

SF—流加糖浓度（mol/L）V—发酵液体积（L）

OUR—耗氧速率（mol/L·h）16/30习题一、用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数，测定条件为：空气平均总压P=2.0atm（绝对压力），温度为25℃。现测得其体积溶氧速率为Na=0.252kmol/m3·h。试计算kLa、kGa、kd和Kd值。17/30解：（1）计算kLa值

用亚硫酸盐氧化法测定溶氧速率时有：而氧分压：p=0.21P=0.42(atm)饱和溶氧浓度：(kmolO2/m3)(1/h)18/30（2）计算kGa、kd和Kd值（kmolO2/m·h·atm）推进力以以氧分压表示时：(molO2/mL·min·atm(p))推进力以空气总压表示时：(molO2/mL·min·atm(P))19/30二、某微生物批式生长培养，采取经过检测CER方法来计算菌体生长与耗糖情况。已知接种时糖浓度S0=80g/L，细胞浓度X0=4g/L，发酵开始时二氧化碳释放速率CER0=0.04molCO2/L·h；且已知YX/S=0.4g细胞/g糖，YX/CO2=20g细胞/molCO2。现测得发酵过程某一时刻CER=0.20molCO2/L·h，试问此时菌体生长速率dX/dt、细胞浓度X、比生长速率μ、耗糖速率-dS/dt及发酵液中残糖浓度S各是多少？20/30解：（1）求微生物比CO2释放速率

发酵开始时，molCO2/L·h于是：21/30（2）当CER=0.2molCO2/L·h时，求

22/30三、试证用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数时，kLa与kGa及kd值之间换算与空气总压无关。23/30依据亨氏定律，有：1803年英国化学家w.亨利研究气体在液体中溶解度时，总结出一条经验规律，“在一定温度和压强下，一个气体在液体里溶解度与该气体平衡压强成正比”。c*：与气相中氧分压p平衡发酵液氧浓度（kmol/m3）；p：气相中氧分压（MPa）；p*：与液相中氧浓度c平衡氧分压（MPa）；H：亨利常数（m3·MPa/kmol）24/30证实：采取亚硫酸盐氧化法测定溶氧速率时有：于是：（1）式中：H为亨利常数，与空所总压无关，即kLa与kGa之间换算与P无关。又（2）即：kGa与kd（p）之间换算与P无关25/30而（3）式中：p/P为氧分子在空气中所占分数，p/P=0.21则（4）亦与空气总压无关由此可见，kLa与kGa之间换算与P无关。26/30第三章复习思索题1.选择过高溶氧浓度对发酵生产有何不利影响？为何？2.简述引发溶氧浓度下降及上升可能原因，并指出哪些为正常情况？哪些为非正常情况？3.当发酵过程中溶氧浓度不足时可采取哪些方法填补？4.简述亚硫酸盐氧化法测定kLa值原理。5.简述稳态氧平衡法测定kLa值原理。6.简述动态法测定kLa值原理。7.指出采取亚硫酸盐氧化法、稳态法和动态法测定kLa值时，反应系统主要特征（供氧与耗氧关系，氧浓度改变情况）27/308.采取动态法测定kLa值时，要注意哪些条件？为何？9.用动态法测定kLa值时，若采取公式计算kLa值，所得结果与反应器实际kLa值关系怎样？为何？10.发酵过程中影响pH值改变原因有哪些？并举简例说明。11.pH控制方法有哪些？并举简例说明。12.试依据以下发酵过程特点选择适当氮源（1）培养过程形成酸性代谢产物；（2）培养过程形成碱性代谢产物；（3）培养过程形成中性代谢产物.。28/3013.采取以下办法将会使培养体系中氧化还原电位产生改变，试标