第五章-发酵工艺控制
发酵条件及工艺控制
补糖量的控制： 动力学方法
依据μ、 qP 、 qC等动力学参数 之间的关系，计算加糖量
以次级代谢产物为例：
控制原则：
μ、
qP
、 qC之间的关系：
Growth
2-3 pH units
pH
影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微
生物对这些物质的利用
二、影响发酵pH变化的因素：
pH的变化决定于所用的生产菌：
培养基中营养物质的代谢引起pH的变化： 培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子
氮源被利用后产生NH3 ，则pH上升；有机酸的积累，使 pH下降。 一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源 培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。 生理酸性物质和生理碱性物质的消耗
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。
通过调节中间补料的速度和量来控制。
第二节 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
三、最适pH的选择
选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一 般根据试验结果确定。 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。
最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：
第五章好氧发酵工艺及设备
第五章好氧发酵工艺及设备好氧发酵是指在氧气存在的条件下进行的发酵过程。
与厌氧发酵不同，好氧发酵需要提供足够的氧气供微生物进行呼吸代谢，产生能量来完成发酵过程。
好氧发酵工艺及设备在食品、饮料、药品、化工等行业有着广泛的应用。
好氧发酵工艺主要包括以下几个方面：1.培养基的选择：好氧发酵过程中，培养基的选择十分重要，需要提供适宜的营养物质供微生物生长和产生目标产物。
常见的培养基组分包括碳源、氮源、矿质盐等。
不同的微生物对培养基的要求有所不同，因此需要根据具体情况进行调整。
2.发酵条件的调控：好氧发酵过程中，温度、pH值、氧气浓度等因素对微生物的生长和产物合成有着重要影响。
合理调控这些条件可以提高产物的产量和质量。
例如，在一些发酵中，会通过控制培养温度来控制产物的结晶度和结晶形态。
3.发酵设备的选择：好氧发酵设备的选择也很重要。
常见的好氧发酵设备包括发酵罐、搅拌器、曝气设备等。
发酵罐通常根据发酵体积的大小有不同的规格，搅拌器可以实现培养基和微生物的均匀混合，曝气设备可以提供足够的氧气供微生物呼吸代谢。
4.发酵过程的监控：好氧发酵过程中，需要对发酵过程进行实时监控和控制。
常见的监测参数包括发酵液的pH值、溶氧量、温度等。
通过监测这些参数，可以及时调整发酵条件，保证发酵过程的稳定性和产物的质量。
好氧发酵工艺及设备在食品、饮料、药品、化工等行业有着广泛的应用。
在食品行业，好氧发酵被应用于面包、乳制品等的生产中，提高了产品的质量和口感。
在药品和化工领域，好氧发酵广泛用于抗生素、维生素等的生产，为制药和化工企业提供了重要的原料。
总之，好氧发酵工艺及设备在各个领域都有着广泛的应用和发展前景。
随着科技的进步，好氧发酵将会越来越被重视，并在更多领域中发挥重要作用。
发酵工艺控制(溶氧)
（2）、降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL，可采取减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa，使发酵液中的CL降低。但是，发酵过程中发酵液中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的呼吸。
目前发酵所采用的设备，其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素之一，故此种方法亦不理想。
（一）影响氧传质推动力的因素
要想增加氧传递的推动力(C*一CL)，就必须设法提高C*或降低CL。
1、提高饱和溶氧浓度C*的方法
A、温度：降低温度
B、溶液的性质：一般来说，发酵液中溶质含量越高，氧的溶解度越小。
C、氧分压：在系统总压力小于0.5MPa时，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。气相中氧浓度增加，溶液中氧浓度也增加。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知，供氧大小是与产物的生物合成途径有关
这个理论假定在气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜，气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态，分子之间无对流运动，因此氧分子只能以扩散方式，即借助于浓度差而透过双膜，另外，气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气流主体，在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同，液流主体亦如此。
发酵工艺控制
发酵工艺控制概述一. 发酵体系的主要特征1. 细胞内部结构和代谢反应的复杂性2. 细胞所处环境的复杂性3. 过程系统状态的时变性及参数的多样性和复杂性影响因素多，有的因素未知，主要影响因素变化。
发酵水平主要取决于：生产菌种的特性；对工艺条件的控制（适合程度）必须了解：菌体的生理代谢规律工艺条件对发酵过程的影响及其控制发酵过程的有关变化规律常规发酵的工艺控制参数：温度、pH、搅拌转速与功率、空气流量、罐压、液位、补料速率及补料量等。
二. 发酵过程的参数检测1.直接状态参数指能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况的参数包括：pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2 、黏度、基质和产物浓度、菌体浓度（OD、DCW、湿重）等参数的检测在线检测各种传感器：pH电极、DO电极、温度电极、液位电极、泡沫电极尾气分析仪：测尾气O2和CO2含量离线检测分光光度计、pH 计、温度计、气相色谱（GC)、液相色谱（HPLC)、色质连用（GC-MS)等2.间接状态参数指利用直接状态参数计算求得的参数包括：比生长速率μ、摄氧率OUR、CO2释放率CER、呼吸商RQ、氧的得率系数YX/O 、氧体积传质系数KLa、基质比消耗速率QS、产物比生成速率Qp等综合各种状态参数，获得代谢过程的各种信息，从而对发酵过程做出相应的调整和控制，以获得最经济的发酵生产。
三. 发酵过程的代谢调控和优化1. 代谢调控以代谢（流）的调节最重要调节酶的合成量，称为“粗调”调节酶的催化活性，称为“细调”工艺控制和过程优化的实质，就是利用各种方法和手段，使细胞的外部和内部环境最适合基质和能量流向产物合成的生物途径，以获得最大的产量。
2. 发酵过程优化的一般步骤确定反映发酵过程的各种理化参数及其检测方法研究这些参数的变化对发酵过程的影响及其机制，获得最佳的范围和最适的水平建立数学模型定量描述个参数间随时间的变化关系，为过程优化控制提供依据通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程的最优控制基质浓度对发酵的影响及其控制先进的培养基组成是充分支持高产、稳产和经济的发酵过程的关键因素之一。
《发酵工艺控制》课件
发酵工艺控制的应用前景
展望发酵工艺控制在未来的发展 前景，如智化控制、自动化生 产等方面的应用。
总结
发酵工艺控制的意义和 作用
发酵工艺控制对确保产品质 量、提高生产效率具有重要 意义和作用。
发酵工艺控制的局限性 和未来发展趋势
发酵工艺控制仍存在局限性， 未来发展趋势包括更加智能 化、自动化以及多参数协同 控制。
控制器的选择与应用
选择适合的控制器，如PID控制 器，用于调节发酵过程中的参 数，并实现自动化控制。
第四部分：发酵工艺控制的实践
常见发酵工艺控制模型
介绍一些常见的发酵工艺控制模 型，如批式发酵、连续发酵等， 以及相应的控制策略。
发酵工艺控制实例分析
通过实际案例分析，探讨发酵工 艺控制在不同行业的应用以及控 制效果。
3
发酵工艺参数的调节方法
通过调节发酵工艺参数如控制温度、添加营养物质等方法，来实现对发酵过程的 精确控制。
第三部分：发酵工艺控制方法
数据采集与处理
使用传感器和监测设备对发酵 过程中的参数进行实时采集和 监测，并通过数据处理方法分 析和优化发酵工艺。
传感器的应用
选择合适的传感器用于测量和 监测发酵工艺中的关键参数， 如温度传感器、pH传感器等。
《发酵工艺控制》PPT课 件
发酵工艺控制是指对发酵过程中的参数进行实时监测、调节和控制，以达到 预期的发酵效果和产品质量。
第一部分：介绍发酵工艺控制
什么是发酵工艺控制
发酵工艺控制是指对发酵过 程中的关键参数进行实时监 测和调节，以保证发酵工艺 的稳定性和产品质量。
发酵工艺控制的作用和 意义
发酵工艺控制能确保发酵过 程中各个参数得到恰当的控 制，提高产品质量，增加生 产效率，降低生产成本。
题 第五章 葡萄酒的发酵工艺
⑵液体二氧化硫流加法：气体二氧化硫经加压或冷冻可以成 为液体。把液体二氧化硫贮存在钢瓶里，使用时极为方便， 通过管道直接流入葡萄醪中（或酒）里即可，并可用流量计 直接计量或钢瓶称重来计算用量，而且不会将无关成分带入 酒中。
按规定：在通常年份，增酸幅度不得高于 1.5g/L；特殊年份，幅度可增加到3.0g/L。
精品课件
计算举例：葡萄汁滴定总酸为5.5g/L， 若提高到8.0g/L，每1 000L需加酒石酸或柠 檬酸为多少？ （8.0－5.5）×1 000＝2 500g＝2.5kg 即每1 000L葡萄汁加酒石酸2.5kg。 1g 酒石酸相当于0.935 g柠檬酸。 若加柠檬酸则需加2.5 ×0.935＝2.3kg
SO2+H2OH2SO3
溶解态二氧化硫具有挥发性，并具有活性。亚硫酸在基质 中有一部分呈解离态。
H2SO3HSO3ˉ+H+
SO32ˉ+H+
离解态的二氧化硫中，有一部分会与某些金属离子成盐而
失去挥发性，也有一部分会与基质中的醛类物质结合。温
度高时，结合速度加快。
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酒精发酵前的葡萄汁中，醛类物质主要是糖和色素 随着糖类和色素含量的增加，被结合的二氧化硫的量也增加
硫化氢还可与酒中铜离子生成硫化铜而成为破败病的根源之
一。
精品课件
2二氧化硫处理方法
在已破碎的葡萄或葡萄汁中可以加入气态二氧化硫、亚硫酸 溶液或偏重亚硫酸钾。应在破碎过程中或破碎结束时加入。 并将二氧化硫均匀地分布在破碎的葡萄及葡萄汁中。所使用 的二氧化硫应参照国际葡萄和葡萄酒组织制定的《国际葡萄 酿酒药典》的规定。二氧化硫的使用方法如下：
发酵工艺控制(温度控制)
发酵工艺控制——温度对发酵的影响及控制录入时间:2010-8-13 9:16:53 来源：青岛海博《微生物工程》微生物发酵生产的水平最基本的是取决于生产菌种的性能，但有了优良的菌种还需要有最佳的环境条件即发酵工艺加以配合，才能使其生产能力充分。
因此必须研究生产菌种的最佳发酵工艺条件，如营养要求、培养温度、对氧的需求等，据此设计合理的发酵工艺，使生产菌种处于最佳成长条件下，才能取得优质高产的效果。
温度对发酵的影响及控制温度对发酵的影响及其调节控制是影响有机体生长繁殖最重要的因素之一，因为任何生物化学的酶促反应与温度变化有关的。
温度对发酵的影响是多方面且错综复杂的，主要表现在对细胞生长、产物合成、发酵液的物理性质和生物合成方向等方面。
一、温度对发酵的影响（一）、温度影响微生物细胞生长随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。
这是由于生长代谢以及繁殖都是酶参加的。
根据酶促反应的动力学来看，温度升高，反应速度加快，呼吸强度增加，最终导致细胞生长繁殖加快。
但随着温度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的。
（二）、温度影响产物的生成量。
（三）、温度影响生物合成的方向。
例如，在四环类抗生素发酵中，金色链丝菌能同时产生四环素和金霉素，在30℃时，它合成金霉素的能力较强。
随着温度的提高，合成四环素的比例提高。
当温度超过35℃时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。
（四）、温度影响发酵液的物理性质温度除了影响发酵过程中各种反应速率外，还可以通过改变发酵液的物理性质间接影响微生物的生物合成。
例如，温度对氧在发酵液中的溶解度就有很大响，随着温度的升高，气体在溶液中的溶解度减小，氧的传递速率也会改变。
另外温度还影响基质的分解速率，例如，菌体对硫酸盐的吸收在25℃时最小。
二、影响发酵温度变化的因素：发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射1、生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。
第五章 发酵过程及控制
（二）pH对发酵的影响
1、实例 例 pH对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液 pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、
(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上，阻碍或抑制某些
酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵66小时pH 达7.93，以后维持在8.0以上至115小时，菌丝浓度降低，NH2-N 升高，发酵不再继续。 发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3，调节这 一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高发酵单位。
4，最适温度的确定 最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最 适于菌的生长或发酵产物的生成。 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件 和菌体生长阶段有关。 最适发酵温度的选择
– 在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一 定好。 – 温度的选择要参考其它发酵条件。 – 温度的选择还应考虑培养基成分和浓度
一、分批发酵
1、分批发酵的定义
• 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的
发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消
泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何 其它物质。发酵过程中培养基成分减少， 微生物得到繁殖。
2、分批发酵的特点
• 其物理，化学和生物参数都随时间
而变化，是一个不稳定的过程。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即
超过最高温度，微生物很快死亡；低于最
低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不
马上死亡。这就是菌种保藏的原理。
3，温度对发酵的影响
• 影响各种酶的反应速率和蛋白质性质 • 影响发酵液的物理性质 • 影响生物合成的方向。
– 例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能产生金霉素。 在低于30℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。 当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达 35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。
发酵工程概论
二、发酵工程概况
发酵工程的发展的四个阶段 1、第一阶段 发酵理论的建立——巴斯德
2、第二个里程碑 以微生物的纯种培养技术为主要特征 ——丙 酮丁醇的制造
物。
菌种的筛选：
自然选育 诱变育种 基因工程育种
2、种子的扩大培养
种子扩大培养：是指将保藏菌种接入试 管斜面活化后，再经摇瓶到种子罐逐级 培养而获得的一定数量和质量被称为发 酵种子的纯种微生物的过程。
种子的扩大培养
（1） 菌丝进罐培养
（2） 孢子进罐培养3 Fra bibliotek生物的发酵过程
三、国外发酵工业的发展趋势
1，生物转化（或生物合成）技术成为国外著名化学 公司争夺的热点，并逐步从医药领域逐渐向化工领 域转移
2，生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一
3，利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环 境友好的化工新材料，是化学工业发展的一个重要 趋势。
4，传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或 改良。许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、 青霉素等都已开始采用基因工程手段进行 改造，大大地提高了产量。在以基因工程 为主导的现代生物技术产品中，医药生物 技术产品占75％左右。
3、第三个阶段 以深层发酵青霉素为主要特征
4、第四个阶段 以引入基因工程，达到微生物定向育
种为主要特征。
三、发酵工程的内容和生产流程
现代发酵工程的主要内容包括：
工业生产菌株的选育 发酵条件的优化与控制 生物反应器的设计 发酵产物的分离、提取和精制
第五章好氧发酵工艺及设备
第五章好氧发酵工艺及设备1.好氧发酵概述好氧发酵是一种在氧气存在下进行的生物发酵过程，通过微生物的代谢活动，将有机物转化为能量、碳 dioxide、水和其他代谢产物。
好氧发酵广泛应用于食品、制药、环境保护等领域。
2.好氧发酵工艺好氧发酵工艺包括废水处理、微生物培养和食品生产等。
废水处理中，好氧发酵可将有机物转化为无害物质，如二氧化碳和水。
微生物培养中，好氧发酵可用于大规模生产细胞、酶和其他生物产品。
食品生产中，好氧发酵可用于制作面包、酸奶和酒精等。
3.好氧发酵设备好氧发酵设备包括反应器、氧气供应系统和控制系统等。
反应器是好氧发酵的核心设备，通常采用搅拌式反应器、固定床反应器或滤床反应器。
氧气供应系统用于提供反应过程中所需的氧气，通常采用天然气或空气。
控制系统用于监测和调节反应温度、氧气浓度、pH值等参数。
4.好氧发酵工艺优化为了提高好氧发酵的产率和质量，需要进行工艺优化。
工艺优化包括基质优化、发酵条件优化和微生物优化。
基质优化是指选择合适的发酵基质，如葡萄糖、乳糖和淀粉等。
发酵条件优化是指调节反应温度、pH值和氧气浓度等参数，以提高产率和质量。
微生物优化是指选择适合的微生物菌种，并进行突变体选育和基因工程改造等手段，以改善发酵性能。
5.好氧发酵应用案例好氧发酵在食品行业中有广泛应用。
例如，制作面包时使用的酵母发酵属于好氧发酵过程。
酵母通过代谢葡萄糖生成二氧化碳和酒精，使面团发酵膨胀。
另外，酸奶的制作也采用好氧发酵工艺。
乳酸菌通过代谢乳糖生成乳酸，增加酸奶的口感和保质期。
总结：好氧发酵是一种在氧气存在下进行的生物发酵过程，广泛应用于废水处理、微生物培养和食品生产等领域。
好氧发酵设备包括反应器、氧气供应系统和控制系统等。
为了提高发酵的产率和质量，需要进行工艺优化，包括基质优化、发酵条件优化和微生物优化。
好氧发酵在食品行业中应用广泛，如面包和酸奶的制作等。
第五章啤酒发酵
第一节啤酒酵母第二节啤酒发酵机理 第三节啤酒发酵技术 第四节传统啤酒发酵 第五节大型啤酒罐发酵【复习】啤酒酿造工艺流程图 麦糟 酒花糟＋热凝固物辅料糊化 麦芽醪 麦芽汁 游戏第一节 啤酒酵母1680年，列文·虎克（荷兰），啤酒发酵液中“小小圆形物”1818年，爱文斯本（捷克），“小小圆形物是活的生物， 由它引起发酵”。
1837年，施旺（德国）等，发酵微生物具有细胞结构， 发酵和繁殖同时进行，“糖真菌”1860年，巴斯德（法国），确立发酵生物学说 随后，汉逊（德国），在实验室中成功地对啤酒酵母进行单细胞分离和纯种培养，纯种发酵技术才在啤酒中推广 一、啤酒酵母的特性1、酵母是什么？酵母：能使含糖液体自然发酵，生成二氧化碳和酒精的单细胞低等真核生物。
(一般)二、啤酒酵母的种类（据发酵特征分2种）对棉子糖发酵发酵结束时上面啤酒酵母 1/3 漂浮在液面下面啤酒酵母全部沉集于器底我国大多数啤酒厂使用下面啤酒酵母。
出发菌株的选择：单细胞分离和性能鉴定 扩培过程的无菌操作：扩培成败的关键 优良的培养基：扩培专用麦汁恰当的扩大比例：高温比例大，低温比例小 恰当的移种时间：对数生长期（如何判断？） 严格控制培养条件：温度 逐级递减 通风 适当汉森罐留种：保留15％酵母液，更换麦汁， 可连续使用半年左右三、啤酒酵母的扩大培养1. 要点：琼脂斜面接种10ml 麦汁28℃ 100ml 麦汁25℃ 1L 麦汁23℃卡氏罐5L 麦汁20℃汉生罐100L 麦汁13～15℃ 繁殖罐11～12℃ 发酵灌10℃ 无菌空气 2. 扩培流程和操作方法：P19扩培目的：①菌体数量增加②训化酵母菌扩大培养采用逐级递降温度、逐级添加酒花的培养方法。
扩大比遵循原则：培养温度较高时,采用1:10-20低温培养时:1:4-5最后一步的培养条件要与生产条件完全一致（为什么？）麦糟酒花糟＋热凝固物【复习】最终麦汁质量透明、少量棕色凝固物；甜香、麦芽香、酒花香；香甜味和苦味；淡黄色、金黄色、琥珀色、棕褐色；粘度略大于水；溶解氧＝6.5～8.5mg/L、pH＝5.3～5.5 化学组成（可溶性浸出物成分）：可发酵性糖％：70～75非发酵性糖％：15～25含氮化合物％：3.5～5.5矿物质％：1.0～2.5其他％：1.0总结第二节啤酒发酵机理麦芽汁中某些组分纯种啤酒酵母一系列代谢过程酒精各种风味物质啤酒影响啤酒质量的主要因素：麦汁的组成成分啤酒酵母的品种、特性、质量、数量和生活状况 发酵工艺条件：pH、温度、溶氧水平、发酵时间、发酵罐的形状、大小、材料等一、糖类的发酵（麦汁浸出物中糖类占90％左右）啤酒酵母的可发酵糖及发酵顺序葡萄糖＞果糖＞蔗糖＞麦芽糖＞麦芽三糖非发酵糖：麦芽四糖以上的寡糖、戊糖、异麦芽糖等均不能发酵，成为啤酒浸出物的主体。
【生物学】第五章 发酵过程及控制
第一节 发酵方式
以上由细胞生长、基质消耗和产物生长的微分方程 构成的微分方程组，反映了分批发酵中细胞、基质和产 物浓度的变化情况。对各种不同的微生物分批发酵过程， 通过实验研究这三个参数的变化规律，建立适当的微分 方程组，就可以对分批发酵进行模拟，进而进行优化控 制，最终达到提高生产效率的目的。 分批发酵过程一般可粗分为四期：即适应期（也有 称停滞期或延滞期的）、对数（指数）生长期、生长稳 定期和死亡期；也可细分为六期：即停滞期、加速期、 对数期、减速期、静止期和死亡（衰亡）期，如图5-1 所示。
第一节 发酵方式
停滞期的长短，差别很大，短的几乎觉察不到，瞬 间即可完成，而长的要在接种后2～3天才开始生长。种 子一般应采用对数生长期且达到一定浓度的培养物，该 种子能耐受含高渗化合物和低CO2分压的培养基。工业生 产中从发酵产率和发酵指数以及避免染菌考虑，希望尽 量缩短适应期。 （2）加速期（Ⅱ） 加速期（Ⅱ）通常很短，大多 数细胞在此期的比生长速率在短时间内从最小升到最大 值。如这时菌已完全适应其环境，养分过量又无抑制剂 便进入恒定的对数或指数生长期(Ⅲ)。
图5-2 分批培养中基质初始浓度对菌生长的影响
第一节 发酵方式
（1）得率系数Y 在浓度较低的（A-B）范围内，静止 期的细胞浓度与初始基质浓度成正比，可用式(5-5)表示 X＝Y（So一St） (5-5) 式中 so——初始基质浓度，g/L; st——经培养时间t时基质浓度； Y——得率系数，g细胞/g基质 在A-B的区域，当生长停止时，st等于零。方程(5-5)可用 于预测用多少初始基质便能得到相应的菌量。 （2）比生长速率µ 在C-D的区域，菌量不随初始基质 浓度的增加而增加。这时菌体的进一步生长受到积累的有 害代谢物的限制。用Monod方程可描述比生长速率和残留的 限制性基质浓度之间的关系 µ＝µmax s／（Ks＋S） (5-6)
第五章谷氨酸的发酵控制
（3）消泡的方法
①物理方法：如改变温度 ②机械消泡：如耙式消泡器 优点：节省消泡剂，减少污染。 缺点：不能从根本上消除引起泡沫稳定的因素。
（3）消泡的方法
③化学消泡：加入消泡剂
优点：消泡效果好，作用快，用量少。
缺点：可能会影响菌体生长或代谢产物的生成； 增加染菌机会；添加过量会影响氧的传递。
④发酵工业上采用机械消泡与化学消泡结合 的方法。
１．高初糖发酵
如，在高初糖谷氨酸发酵中，高玉米浆用量和高生物 素用量可以明显降低高初糖对菌体细胞的抑制作用；
且在接种量１０％，玉米浆用量为０．５５％，生物 素用量为１０μｇ／Ｌ，初糖１９０ｇ／Ｌ的谷氨酸发酵 中，流加５００ｇ／Ｌ的浓糖，３０ｈ的产酸率达到１４ ５．８ｇ／Ｌ，糖酸转化率达到６０．３２％。
<24
180 2500 200
10
11.5
270 600～ 120 1800
1200 53
1200 8300 1300
第二节 主要发酵参数分段控制原则及其特点
一、中初糖流加高浓度糖液的 生物素“超亚适量”工艺
1. 流 程 图
2．谷氨酸发酵记录表
3.培养基的配方
（1）二级种子培养基 葡萄糖 300kg；KH2PO4 12kg；MgSO4· 2O 6kg；糖 7H 蜜100kg；玉米浆 200kg；纯生物素150mg；消泡剂 1.5kg；定容7000L，实消，121℃保温 10min。
3.无机盐
(3)钾 钾是许多酶的激活剂。 对谷氨酸发酵的影响： 谷氨酸发酵产物生成所需要的钾盐比菌体生长需要 量高，钾盐少利于长菌体，钾盐充足利于产谷氨酸。菌 体生长需钾约为1.0～1.5mmol／L，谷氨酸生成需钾约 为2.0～10.0mmol／L。
第五章微生物发酵及工艺控制
• 比生长速率是菌体浓度除菌体的生长速 率，或菌体浓度除菌体的繁殖速率。在 平衡条件下，比生长速率μ
• 基质的消耗速率 指单位时间、单位体 积发酵液中消耗的基质量，可表示为：
•
• 基质的消耗速率常以单位体积发酵液内 干菌体质量表示，称基质的比消耗速率， 以Qs表示
• ms——以基质消耗表示的维持代谢系数（维持因 数），维持（M）是指活细胞群体在没有实质性 的生长（即生长和死亡处于动态平衡状态）和没 有胞外代谢产物合成情况下的生命活动。所需能 量由细胞物质的氧化或降解产生。这种用于“维 持”的物质代谢称维持代谢，叫做内源代谢（对 好氧发酵称“呼吸”），代谢释放能叫维持能。
• 代谢产物的生成速率指单位体积、单位时间内 产物的生成量，记为up 。
•如果产物生成速率以 单位体积发酵液内干 菌体质量为基准时， 称产物的比生成速率， 记为QP 。
•比当生以成产速物率C常O表2 记示时为，
产
物的 。好
氧微生物发酵反应中生成CO2 量相对于氧的消耗，称呼吸
商（RQ）
微生物发酵动力学
发酵温度取决于发酵过程中能量变化，一般与内在 因素有关。菌体生长繁殖过程中产生的热是内在因素， 称为生物热，是不可改变。另外，与外在因素（搅拌热、
蒸发热、辐射热及冷却介质移出的热量有关。
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（二）pH对发酵过程的影响及其控制
1、pH对发酵的影响 • （1）pH影响菌的生长速率；
• （2）pH影响菌体生物合成方向；
• （3）pH影响发酵液的理化性质；
pH对菌体生长、代谢影响的主要原因
细胞质膜的电性改变 影响营养吸收和代谢途径 影响酶活 影响基质和产物性质
pH影响菌的生长速率
◆不同菌种所需的pH有差别。 举例: • 大多数细菌：最适pH为6.5-7.5；霉菌为： 4.0-5.8；酵母为：3.8-6.0；放线菌为：6.58.0。
青霉素产生菌（最适生长T：30℃；最适合成T：20℃） 温控方案：生长初期，主要促使菌丝迅速生长繁殖； 30℃为主；产物分泌期，主要合成产物、积累产物； 20℃为主。
●
Hale Waihona Puke • 具体控制方案：30℃, 5h →25℃, 35h →20℃, 85h →25℃, 40h；产量提高14.7％。
4、最适温度的控制方法
静置沉降体积法
光密度测定法 OD600~660 适合于细菌、酵母
（4）产物浓度 产物浓度直接反映了生产的状况,是发酵控制的重 要参数。
①效价表示法
有效成分的多少，大小用单位（U）来表示
重量折算单位：以最低抑菌浓度为一个单位， 如青霉素0.6微克＝1U 重量单位：规定某些抗生素活性部分1μg=1u 如链霉素、
产物量 的测定
卡那霉素、红霉素等定义活性部分1μg＝1u 类似重量单位：规定抗生素的某种盐1mg=1000u如金霉素、 四环素的盐酸盐定一为1μg＝1u
②酶活力的表示法
酶活力用单位来表示。由于酶通常不是很纯 不能用重量来表示酶的量。
③浓度表示法
三、发酵过程重要参数的控制
（一）温度对发酵过程的影响及其控制
• 举例： • 谷氨酸发酵（菌最适生长温度30℃~34℃；谷氨酸 合成最适温度36℃~37℃） • 温控方案：生长初期，主要促使菌丝迅速生长繁殖； 30℃~34℃为主；产物分泌期，主要合成产物、积 累产物；温度提高至36℃~37℃为主。 • 乳酸链球菌发酵（菌最适生长T：34℃；产酸最适T： <30℃） • 温控方案：生长初期，主要促使菌丝迅速生长繁殖； 34℃为主；产物分泌期，主要合成产物、积累产物； <30℃为主。
pH影响发酵液的理化性质；
2、影响pH变化的因素 • （1）产酸 • 例如糖类氧化不完全时产生的有机酸、脂肪不 完全氧化时产生的脂肪酸、铵盐氧化后产生的 硝酸等生理酸性物质，即凡是导致酸性物质生 成或碱性物质消耗的代谢过程，就会引起pH下 降。碳源的代谢往往降低pH作用。 • 举例：大肠杆菌发酵葡萄糖产脂肪酸过程中， 除了产物脂肪酸的合成之外，还会有大量乙酸 的生成，都会引起pH降低。
发酵热的测定及计算：
• 通过测量一定时间内冷却水的进出口温度差来计算：Q 发酵 =GC(t2-t1)/V；
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射
• 生物热（Q生物）：产生菌在生长繁殖过程中产 生的热能。来源于碳水化合物、脂肪和蛋白质 被微生物分解成CO2、水和其他物质时释放出 来的。部分供产生菌代谢活动和合成代谢产物； 部分以热的形式散发到周围环境中。 • 搅拌热（Q搅拌）：搅拌器转动引起的液体之间 和液体与设备之间的摩擦所产生的热量。 • 蒸发热（Q蒸发）：空气与发酵液接触后排出 引起水分蒸发所需的热能。 • 辐射热（Q辐射）：由于罐内外温差，发酵液 通过主罐体向外辐射的热能。
1、温度对发酵的影响
• （1）温度对微生物细胞生长的影响；
• （2）温度对产物形成的影响； • （3）温度影响发酵液的理化性质； • （4）温度影响生物合成的方向（影响代谢途径方向）； • （5）温度对酶的影响。
温度对微生物细胞生长的影响
举例： • ●大肠杆菌最适生长温度为37℃； • ●毕赤酵母最适生长温度为30℃ • ●谷氨酸发酵中，生产菌最适生长温度为 30~34℃ • ●乳酸链球菌最适生长温度34℃
糖的消耗：反映产生菌的生长繁殖情况；反映产物合成的活力。
糖含量测定包括总糖和还原糖。 总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。如发酵中的淀粉、饴糖、单糖等各种糖。 还原糖指含有自由醛基的单糖，通常指的是葡萄糖。
（2）氨基氮和氨氮
氨基氮指有机氮中的氮（NH2-N），单位是 mg/100ml。 氨氮指无机氨中的氮（NH3-N）。 氮利用快慢可分析出菌体生长情况，含氮产物合成情况。 氮源太多会促使菌体大量生长。有些产物合成受到过量铵离子的抑制。通过氨基氮 和氨氮的分析可控制发酵过程。
• 发酵热：发酵过程中释放出来的净热量。
• 发酵过程中，随着菌体对培养基成分的利用，菌体进行氧 化代谢所释放的能量一部分被利用，其余则变成热能放出； 机械搅拌的作用产生的热量和因罐壁散热，水分蒸发等也 带走部分热量。
发酵过程中产热和散热的因素： （1）发酵热：Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
pH影响菌体生物合成方向
◆不同菌种所需的pH有差别，同一种类的微生物菌种 由于生长pH值不同也可能形成不同发酵产物。 举例： • 黑曲霉：在pH2-3时产柠檬酸，中性时产草酸。 • 丙酮丁醇菌生长最适pH为5.5-7.0；而发酵最适pH 为4.3-5.3。 • 青霉素菌生长最适pH为6.5-7.2，而青霉素合成最 适pH为6.2-6.8。 • 谷氨酸发酵，pH=7或微碱时形成谷氨酸；pH酸性 时产生产生N-乙酰谷酰胺 。
• 2、影响供氧的因素 • （1.）搅拌 • 搅拌的作用：增加气液接触面积；延长气泡运动路 线，增加气液接触时间(使液体作涡流运动) ；减少 气泡周围液膜厚度 (使发酵液呈湍流运动) ；避免菌 体结团，增加菌体对氧气的吸收。改善发酵罐内反 应体系的传质和传热作用。 • 搅拌器形式：轴向式和径向式两种。 • 挡板对搅拌液体流型的影响。 • 搅拌组数对溶氧的影响
4、发酵过程pH控制方法 • （1）调节培养基原始pH值； • （2）加缓冲剂：碳酸钙，磷酸钙； • （3）使用盐类与碳源的配比平衡； • （4）调节通风量； • （5）补料发酵； • 举例：青霉素的补料工艺，利用控制葡萄糖的补 加速率控制pH的变化范围，其青霉素产量比用恒定 的加糖速率和加酸或加碱来控制pH时的产量高25%。 • （6）流加酸碱，或糖、油降低pH； • （7）氨水流加法或尿素流加法。
发酵后期氨基氮回升时要适时放罐，否则影响提取过程。
（3）菌浓度和菌形态 直接反映菌生长的情况。
菌形态：显微镜观察。
菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体 量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本 恒定。补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量 适合与否的一个参数。
菌浓测定方法 测粘度
压缩体积法（离心）
（三）溶氧对发酵的影响及其控制
• 1、溶氧对发酵的影响 • （1） 对菌体生长和产物合成及产量的影响
• 举例：如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨 酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥 珀酸。
• （2）影响生物合成过程中的酶 • 举例：薛氏丙酸菌发酵生产维生素B12，维 生素B12的组成部分咕啉醇酰胺（又称B因子） 生物合成前期的两种主要酶受到氧的阻遏， 限制氧的供给才能积累大量的B因子，B因 子又在供氧的条件下转变成维生素B12。
温度对产物形成的影响
举例：以青霉素为例，通过考察13℃~35℃对 青霉素的生长速率，呼吸强度和青霉素合 成速率影响，结果是温度对着三种代谢影 响不同。青霉素代谢能如下： • 青霉菌生长活化能E＝34kJ/mol； • 青霉菌呼吸E＝71kJ/mol； • 青霉素合成E＝112kJ/mol。 从以上数据分析，青霉素合成速率对温度反 应最敏感。
• 工业上控温一般不需加热，而是 冷 却。 • 冷却方式：夹套或蛇形管中通入冷 却水，通过热交换来降温，利用自 动或手动调整冷却量以保持恒温发 酵。
三种换热装置性能比较
换热 传热 类型 系数 夹套 式 优点 缺点
低
适用于5m3 以下的小罐， 传热壁较厚， 结构简单，加工容易，罐 冷却水流速低， 内死角少，易清洗灭菌 降温效果差
第七章 发酵工艺的控制
• • • • • • • 一、概述 二、发酵工艺控制的目的与方法 三、温度对发酵过程的影响及其控制 四、pH值对发酵过程的影响及其控制 五、溶解氧对发酵过程的影响及其控制 六、泡沫对发酵过程的影响及其控制 七、发酵终点的判断
一、发酵过程工艺控制的目的
维持菌种最佳发酵条件，得到最大的比生 产速率和最大的生产率，使菌种的代谢潜 能得以发挥。
直接参数：通过仪器或其它分析手段可以测得的参
数，如温度、pH、残糖等。
在线检测参数
直接参数
指不经取样直接从发酵罐上安装的仪表上 得到的参数，如温度、pH、搅拌转速； 指取出样后测定得到的参数，如残糖、
离线检测参数
NH2-N、菌体浓度。
间接参数：将直接参数经过计算得到的参数，如摄氧率、KLa等。
2、几种重要发酵参数 （1）糖含量
（2）产碱 • 有机氮源和无机氮源的代谢起到提高pH的 作用。 • 举例：氨基酸的氧化和硝酸钠的还原（氨 基酸氧化路线图和硝酸钠还原路线图）。
（3）耗酸耗碱 • 某些微生物发酵过程是可以利用酸或碱的 过程，从而引起pH变化。 • 举例：
（4）加糖或加油过多
• 举例：大肠杆菌发酵葡萄糖产脂肪酸过程 中，如果糖含量过高，糖主要用于细菌大 量生长，葡萄糖不能完全氧化，因此就会 产生大量的乙酸，引起pH降低。
• （3）供氧影响产物生物合成途径和产物合 成 • 举例：如金霉素发酵，在菌体生长期短时 间停止通气，就可能影响菌体生产期的糖 代谢途径，由HMP转向EMP途径，使金霉素 合成的产量减少。金霉素C6上的氧直接来 源于溶解氧，所以溶解氧水平对菌体代谢 和产物合成都有重要影响。 • 举例：如氨基酸发酵。
（5）生理酸性盐的利用 • 举例：硫酸铵中氨离子被利用会引起pH升 高。
（6）基质被分解形成碱性物质。 • 举例：