3化学参数检测与控制5.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,发酵过程控制,（Control of Fermentation Process),第三章 化学参数检测与控制（五）,1/30,3.5 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？,2/30,3.5 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57%时，生长速率下降；,谷氨酸发酵糖浓度为1015%；,酵母菌酒精发酵糖浓度为1320%；,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,max,（1/h）,Sm S（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。,4/30,3.5.1.2 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Y,X/S,青霉素发酵中，糖浓度高,产生有机酸Y,P/S,S,5/30,3.5.2 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。,6/30,3.5.2.1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13次。,7/30,3.5.2.1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。,8/30,3.5.2.2 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%,0.050.2,1.02.0,5.0,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1.01.1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0.050.2%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6.57.0范围内。,糖浓度高有机酸pHpH靠近6.5时F,糖浓度低菌丝体分解pHpH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，pH7.07.4,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NH,3,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）,S,F,流加糖浓度（mol/L）,V,发酵液体积（L）,OUR,耗氧速率（mol/Lh）,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,=2.0 atm（绝对压力），温度为25。现测得其体积溶氧速率为Na=0.252 kmol/m,3,h。试计算,k,L,a、k,G,a、k,d,和,K,d,值。,17/30,解：（1）计算,k,L,a,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：,(kmol O,2,/m,3,),(1/h),18/30,（2）计算,k,G,a、k,d,和,K,d,值,（kmolO,2,/mhatm）,推进力以以氧分压表示时：,(molO,2,/mLminatm(p),推进力以空气总压表示时：,(molO,2,/mLminatm(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,S,0,=80 g/L，细胞浓度,X,0,=4 g/L，发酵开始时二氧化碳释放速率CER,0,=0.04 molCO,2,/Lh；且已知,Y,X/S,=0.4g细胞/g糖，,Y,X/CO2,=20g细胞/molCO,2,。现测得发酵过程某一时刻CER=0.20 molCO,2,/Lh，试问此时菌体生长速率,dX/dt,、细胞浓度,X,、比生长速率,、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CO,2,释放速率,发酵开始时，,molCO,2,/Lh,于是：,21/30,（2）当,CER,=0.2 molCO,2,/Lh时，求,22/30,三、试证用亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数时，,k,L,a,与,k,G,a,及,k,d,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（M Pa）；p*：与液相中氧浓度c平衡氧分压（M Pa）；,H：亨利常数（m3M Pa/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,k,L,a,与,k,G,a,之间换算与,P,无关。,又,（2）,即：,k,G,a,与,k,d,（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,k,L,a,值原理。,5.简述稳态氧平衡法测定,k,L,a,值原理。,6.简述动态法测定,k,L,a,值原理。,7.指出采取亚硫酸盐氧化法、稳态法和动态法测定,k,L,a,值时，反应系统主要特征（供氧与耗氧关系，氧浓度改变情况）,27/30,8.采取动态法测定,k,L,a,值时，要注意哪些条件？为何？,9.用动态法测定,k,L,a,值时，若采取公式计算,k,L,a,值，所得结果与反应器实际,k,L,a,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.。,28/30,13.采取以下办法将会使培养体系中氧化还原电位产生改变，试标出其改变方向（升高用“”表示，下降用“”表示）。,（1）加大通风量；（2）加入抗坏血酸；,（3）增加罐压；（4）加碱pH值上升。,14.采取哪些方法可降低发酵培养液中CO2浓度？并说明其理由。,15.基质氧化还原性与RQ值如关系。,16.简述发酵生产中RQ值普通规律。,17.举例说明补料控制发酵过程原理。,29/30,谢谢大家,！,30/30,