发酵工程03第三章 发酵工艺条件的优化
发酵工艺优化
发酵工艺优化从摇瓶试验到中试发酵罐试验的不同之处1、消毒方式不同，摇瓶是外流蒸汽静态加热(大部分是这样的)，发酵雁是直接蒸汽动态加热，部分的是直接和蒸汽混合，会因此影响发酵培育基的质显，体积，PH,透光率等指标。
扩大时摇考虑2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰直接接种(当然有其他的接种方式)，要考虑接种时的菌株损失和菌种的适应性等。
3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面点接接触。
发酵罐是和空气混合接触，考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解状况。
4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好掌握，湿度掌握好的话，蒸发量会少。
发酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决的。
5、搅拌方式不同，摇瓶是摇转方式进行混合搅拌，对菌株的剪切力较小。
发酵雁是直接机械搅拌，留意剪切力的影响和无菌的影响。
6、PH的掌握，摇瓶一般通过碳酸钙和间断补料掌握PH,发酵可以直接流加掌握PH,比较便利。
7、温度掌握，摇瓶是空气直接接触或者传热掌握温度，但是发酵罐是蛇罐或者夹套水降温掌握，留意降温柔加热的影响。
8、留意染菌的掌握方法不一样，发酵罐依据染菌的周期和染菌的类型等可以实行一些必要的措施削减损失。
9、发酵罐可以取样或者仪表时时检测，但是摇瓶由于量小不能便利的进行掌握和检测。
10、原材料不一样，发酵所用原材料比较廉价而且粗旷，工艺掌握和摇瓶区分很大等等发酵工艺中补料的作用补料分批培育(fed—batch culture简称FBC)是指在分批培育过程中、间歇或连续地补加一种或多种成分的新奇培育基的培育方法、与传统的分批集中补料培育相比、它有以下优点：(1)可以避开在分批发酵中因一次投料过多造成发酵液环境突变，造成菌丝大量生长等问题，改善发酵液流变等性质，使得发酵过程泡沫得以掌握，节省消泡剂，并提高了装罐系数。
(2)可以掌握细胞质量，以提高芽抱的比例，并使pH得以稳定。
(3)可以解除底物抑制，产物反馈抑制和分解阻遏o(4)可以使“放料和补料”方法得以实施。
发酵条件优化
“发酵条件优化”资料合集目录一、一株高产乙偶姻芽孢杆菌菌株筛选及发酵条件优化二、产灵菌红素粘质沙雷氏菌发酵条件优化及色素性质的研究三、黄曲霉毒素B1降解菌的筛选鉴定及发酵条件优化四、绿色木霉的筛选与产纤维素酶发酵条件优化及部分酶学性质研究五、埃博霉素高产菌株选育、发酵条件优化及抗肿瘤活性研究六、树莓果酒酵母的筛选与发酵条件优化一株高产乙偶姻芽孢杆菌菌株筛选及发酵条件优化在生物技术领域，菌株的筛选和发酵条件的优化是提高微生物产物的关键步骤。
乙偶姻是一种重要的化学品，广泛应用于食品、化妆品和制药行业。
因此，筛选高产乙偶姻的菌株并优化其发酵条件具有重要意义。
筛选高产乙偶姻的菌株是研究的第一步。
常用的筛选方法包括：单菌落分离、平板梯度稀释法和基因工程技术。
这些方法可以根据菌株的生长速度、产物产量和其他特性进行筛选。
在筛选过程中，需要设置对照组，以便比较和评估各菌株的性能。
一旦获得高产乙偶姻的菌株，就需要对发酵条件进行优化。
这包括培养基成分、温度、pH值、溶氧浓度和发酵时间等参数的调整。
通过单因素实验和正交实验，可以确定最佳的发酵条件组合。
还可以使用响应面分析法、遗传算法和人工神经网络等高级方法来进一步优化发酵条件。
优化后的菌株和发酵条件可以提高乙偶姻的产量，降低生产成本，并促进其在各个领域的应用。
通过进一步研究，还可以发现新的用途和应用领域，推动乙偶姻的可持续发展。
高产乙偶姻芽孢杆菌菌株的筛选和发酵条件优化是提高乙偶姻产量的关键步骤。
通过科学的方法和技术手段，可以获得性能优越的菌株并优化其发酵条件，为乙偶姻的生产和应用提供有力支持。
产灵菌红素粘质沙雷氏菌发酵条件优化及色素性质的研究粘质沙雷氏菌是一种常见的土壤细菌，具有产生多种代谢产物的特性。
其中，灵菌红素是一种具有广泛生物活性的红色素，被广泛应用于食品、医药和化妆品等领域。
为了提高灵菌红素的产量，优化其发酵条件是十分必要的。
本文旨在探讨粘质沙雷氏菌发酵产灵菌红素的优化条件，并对其色素性质进行分析。
发酵过程优化与控制
菌种突变：
工业用菌株通常是经过改造的菌株，回复突变的倾向性很大， 发酵时不够稳定。如果突变的结果使细胞获得高速生长能力，但 失去生长能力，则最终低产突变株将取代高产突变株。 连续培养时间越长，形成的突变株数目越多，发酵过程失败 的可能性越大。 解决方案：建立一种不利于低产突变株的选择性生产条件。 如，L-苏氨酸产生菌：多重遗传缺陷的异亮氨酸渗漏高产菌 株，可使补入的培养基中不含异亮氨酸。
溶氧的控制：搅拌、通气、加糖或补料速率 （粘度）、发酵温度等 工业上，在关键时刻，采用富氧气体以改善供 氧状况。
加糖、补料对发酵的影响
补料： 消除底物抑制； 防止细胞生长过旺造成供氧不足。 补料方式： 一次性大量；多次少量； 连续流加（快速、恒速、 指数和变速流加） 补料的时机： 菌的形态、DO浓度、尾气中的O2和CO2含量； 残糖浓度（对于次级代谢产物，还原糖浓度一般控 制在5g/L）； 产物形成（现代酵母发酵借助自动测量尾气中的微 量乙醇控制糖蜜的流加）
产酶的影响更大。
种子质量
发酵期间生产菌种生长的快慢和产物合成的多
寡在很大程度上取决于种子的质量。 （1）种龄 （2）接种量5－10％
温度
温度对产物合成的影响： 温度高，生长速率快，生产期提前，但菌体容易衰 老，影响产量； 温度亦影响生物合成方向：金色链霉菌低于30C时 主要合成金霉素，而35C下只产生四环素。 分阶段控温
泡沫对发酵的影响
泡沫的副作用： 降低了发酵罐的装料系数 增加了菌群的非专一性 增加了染菌的几率 引起“逃液”，产物流失 消泡剂的加入有时会影响发酵或给提炼工序带来麻烦。
染菌的防治
染菌的途径
种子包括进罐前菌种室出现问题 培养基配制和灭菌不彻底 空气除菌不彻底 设备过程操作疏漏
发酵工程发酵工程概述
第二节
微生物发酵过程
（三）发酵
所用的培养基和培养设备都必须经过灭菌，通 入的空气或中途的补料都是无菌的，转移种子 也要采用无菌接种技术。通常利用饱和蒸汽对 培养基进行灭菌，灭菌条件是在120℃（约 0.1MPa表压）维持20~30min。 （四）下游处理
第三节 液体深层发酵
一、深层发酵的操作方式
第二节
微生物发酵过程
二、培养基
（二）发酵培养基的组成 1.碳源 2.氮源 3.无机盐和微量元素 4.生长因子 5.水 6.产物形成的诱导物、前体和促进剂许多胞外 酶的合成需要适当的诱导物存在。
第二节
微生物发酵过程
三、发酵的一般过程
（一）菌种 （二）种子扩大培养
第一节 发酵工程概述
一、发酵工程的概念
现代的发酵工程不仅包括包括菌体生产和代谢 产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用。 其主要内容包括生产菌种的选育，发酵条件的 优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提 取与精制等。
第一节 发酵工程概述
二、发酵类型
（一）微生物菌体发酵
是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。 传统的菌体发酵工业：有用于面包制作的酵母 发酵及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白 （单细胞蛋白）发酵两种类型。新的菌体发酵 可用来生产一些药用真菌药用真菌可以通过发 酵培养的手段来生产出与天然产品具有同等疗 效的产物。有的微生物菌体还可用作生物防治 剂
第三章 发酵工程
第一节 发酵工程概述
一、发酵工程的概念
发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技 术产业化的重要环节 它将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原 理有机地结合起来，是一门利用微生物的生长和 代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。由于 它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。 人们把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活 动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为 发酵。
发酵工艺条件优化
发酵工艺条件优化发酵工艺条件优化是指在发酵过程中，通过合理调节和控制发酵条件，提高发酵活性和产酸效果的工作。
发酵工艺的优化对于提高产品质量、降低生产成本和保证生产稳定性都具有重要意义。
本文将介绍一些重要的发酵工艺条件优化措施，以提供参考。
首先，发酵基质的选择是发酵工艺条件优化的关键。
一般来说，以可溶性碳源和氮源为主要成分的基质对于发酵活性的提高有重要影响。
碳源的选择应根据发酵菌的特性和需求，如葡萄糖、麦芽糖、乳糖等。
而氮源的选择应保证其含有丰富的氮元素，如蛋白胨、酵母粉、酵母提取物等。
同时，还要考虑到基质的成本和可获得性。
根据实际情况，可以通过优化碳源和氮源的比例来提高发酵效率。
其次，在发酵过程中合理调节温度是非常重要的。
温度对发酵菌的生长和代谢有直接影响。
一般来说，发酵菌的合适生长温度范围是20-40摄氏度。
过低或过高的温度都会限制发酵菌的生长和产酸效果。
此外，温度的稳定性也很重要。
可以通过控制发酵室的温度和湿度，以及加入保温材料等方式来提高温度的稳定性，从而提高发酵效果。
另外，发酵过程中的pH值也需要进行合理调节。
pH值对于发酵菌的生长和代谢同样具有重要影响。
一般来说，发酵菌最适应的pH范围是4.0-7.0。
过低或过高的pH值都会限制发酵菌的生长和产酸效果。
可以通过加入缓冲液或控制酸碱度来调节pH值。
此外，pH值的稳定性也很重要。
可以通过加入pH调节剂和定期调节pH值来提高pH值的稳定性。
最后，发酵过程中的氧气供应也是发酵工艺条件优化的关键。
氧气对于许多发酵过程是必需的，因为它是呼吸过程中产生能量的重要底物。
然而，过高或过低的氧气浓度都会影响发酵活性。
对于需要氧气的发酵菌，应保证发酵罐内的氧气供应充足。
可以通过调节搅拌速度、增加氧气供应装置等方式来提高氧气的溶解度。
而对于不需要氧气的发酵菌，应采取措施阻止氧气进入发酵罐，如完全密封发酵罐，采用负压或满氮气体。
综上所述，发酵工艺条件优化是提高发酵活性和产酸效果的重要措施。
发酵过程控制与优化ppt课件
产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 补料-分批发酵：是在
分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 发酵过早结束。
• 半连续发酵：在补料-
分批发酵的基础上加 上间歇放掉部分发酵 液便可称为半连续发 酵。
• 连续发酵： 是指发酵
过程中一面补入新鲜 的料液，一面以相同 的流速放料，维持发 酵液原来的体积。
5.2发酵条件的影响及其控制
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而
对发酵终点的判断标准也应有所不同。
• 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌
丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。
• 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般
都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。
7发酵工艺控制(第3节 发酵条件的影响及其控制)【发酵工程】
发酵过程中pH的变化与微生物的活动有关 ：
NH3在溶液中NH4+的形式存在，被利用成为R—NH3+后，在培养基内生 成H+；如以N03-为氮源，H+被消耗，N03-还原为R—NH3+；如以氨基酸作为氮 源，被利用后产生的H+，使pH下降。
pH改变的另一个原因是有机酸的积累，如乳酸、丙酮酸或乙酸。
pH的变化会影响各种酶活、菌对基质的利用速率和细胞的结构，从而影 响菌的生长和产物的合成。
（2）温度还通过改变发酵液的物理性质间接影响产物的合成。
例如：氧的溶解度和基质的传质速率以及菌对养分的分解和吸收 速率受温度影响。
（3）温度影响生物合成的方向。
例如：四环素发酵中金色链霉菌在低于30℃ 下，合成金霉素的能力较 强。合成四环素的比例随温度的升高而增大，在35℃下只产生四环素。
（4）近年来发现温度对代谢有调节作用。
式中：A和Ea分别为Arrennius常数和活化能；R和T分别为通用气体常 数和绝对温度。
若在半对数坐标纸上作最大比生长速率lnμm对温度T的倒数作曲线， 曲线的弯曲部分的温度大于最适温度。死亡率增加。
活化能高低的意义：
微生物生长活化能Ea在50～70kJ／mol，死亡活化能Ea’为300-~380kJ／ mol。
3、 pH的控制
控制pH在合适范围应首先从基础培养基的配方考虑，然后通过加酸 碱或中间补料来控制。如在基础培养基中加适量的CaCO3。
举例：青霉素发酵中PH的控制：
按菌的生理代谢需 要，调节加糖速率来控 制pH，比用恒速加糖 ，pH由酸碱控制可提 高青霉素的产量25％。
有些抗生素品种，如链霉素，采用过程通NH3控制pH，既调节了pH， 也补充了N源。用氨水需谨慎，过量的NH3会使微生物中毒，导致呼吸强度 急速下降。故在通氨过程中监测溶氧浓度的变化可防止菌的中毒。
发酵工艺条件的优化
发酵工艺条件的优化发酵优化对于搞发酵的工作者而言是非常必需的，下面结合其他战友的一些经验之谈引出此专题，希望大家踊跃讨论，以其提高发酵水平和解决实际问题。
发酵工艺的优化在发酵行业起到很大的作用,尤其是在发酵生产中,它是提高发酵指标的一项非常,有用的技术手段.同时也是搞发酵行业的人的必备知识要求之一,借此我想通过和大家交流共同提高发酵方面的知识水平.发酵工艺优化方法与思路:发酵工艺优化的方法有很多,它们之间不是孤立的,而是相互联系的。
在一种发酵中,往往是多种优化方法的结合,其目的就是发酵是细胞大规模培养技术中最早被人们认识和利用的。
发酵技术在医药、轻工、食品、农业、环保等领域的广泛应用，使这一技术在国民经济发展中发挥着越来越重要的作用。
为了提高发酵生产水平，人们首先考虑的是菌种的选育或基因工程的构建。
而实际上，发酵工艺的优化，包括生物反应器中的工程问题，也同样非常重要。
发酵环境条件的优化是发酵过程中最基本的要求，也是最重要、最难掌握的技术指标。
温度、pH值、溶氧、搅拌转速、氨离子、金属离子、营养物浓度等的优化控制，依据不同的发酵而有所不同。
同时，微生物在生长的不同阶段、生产目的代谢产物的不同时期，对环境条件可能会有不同的要求。
因此，应该在生物反应器内，使温度、pH值、溶氧、搅拌转速等不断变换，始终为其提供最佳的环境条件，以提高目的产物的得率，在发酵放大实验中，一般都很注重寻找最佳的培养基配方和最佳的温度、pH值、溶氧等参数，但往往忽视了细胞代谢流的变化。
例如：在溶解氧浓度的测量与控制时，关心的是最佳氧浓度或其临界值，而不注意细胞代谢时的摄氧率；用氨水调节pH值时，关心的是最佳pH值，却不注意添加氨水时的动态变化及其与其他发酵过程的参数的关系，而这些变化对细胞的生长代谢却非常重要。
注意:大家可以从以下各个方面进行交流.尽量能够分类进行叙述,我总结了以下几累,也不是很全,当然从其他的方面进行交流也可以,但是希望你注明附加说明谢谢大家的参与一 . 好氧发酵1. PH工艺的优化2. 溶氧工艺的优化3.原材料工艺的优化4.消毒（灭菌）工艺的优化5.菌种制备工艺的优化6.小试到中试,中试到生产等扩大实验的工艺优化7.成本工艺优化8.种子罐工艺的优化9.发酵罐工艺参数控制的优化10.仪表控制的工艺优化11.环境的工艺优化12.染菌处理的工艺优化13.紧急情况处理的工艺优化（停电\停水\停气\停汽等）14.补料工艺的优化15.倒种工艺的优化16发酵设备的工艺优化17.其他的工艺优化二 . 厌氧工艺的优化三.固体发酵的工艺优化四 .其他1. PH工艺的优化A.配料中的PH很重要,其中有配前PH,配后PH,消前PH,消后PH,接种前PH,工艺控制PH等,配前PH,配后PH,可以用来检测原材料的质量,初步估计配料的情况,如果出了错误,有时候可以从PH中的变化看出来,能够减少错误的发生.B.另外,每次有新的配方我们总是要用PH方法检测其中的每种原材料是否会和其他的发生反应,可以互相两两混合,检测PH的变化,也可以用来作为配微量元素的检测.C.消前PH可以用来减少消毒过程对培养基的破坏，因为培养基在消毒中会有PH的变化,在不同的PH条件下对培养基破坏也不一样，因此可以在消毒的时候选择合适的PH,消毒完后可以调节过来,这样一来可以对PH 敏感的一些原材料减少破坏,这种方法在生产中已经取得了初步的成绩,提高了指标.D.工艺控制的PH,在发酵的产抗期间,通过在不同的发酵时间调整不同的PH,可以减少杂质的产生，同时还可以缓解溶氧，比如在头孢发酵中，通过在后期调整PH可以减少DCPC的含量,给提取工序带来很大的好处，E.补料罐通过PH的调节可以更好的通过流加物料而不影响发酵.（部分发酵在不同时期的PH有所不同，所以通过补料罐的调整可以对发酵指标有所提高）F.发酵过程中的PH调节可以通过各种方法,不一定要添加氨水和氢氧化钠,可以添加玉米桨等其他的物料来进行调节.G.控制放罐时的PH可以对后面的过滤有所影响,所以一定要控制好放罐前的PHH.绘制种子瓶和种子罐以及发酵罐等整个发酵过程的PH生长曲线,可以用来参考控制工艺,检测无菌情况的发生.A. 华东理工大学的张嗣良提出了“以细胞代谢流分析与控制为核心的发酵工程学”的观点。
发酵工程工艺原理复习思考题答案
《发酵工程工艺原理》复习思考题第一章思考题：1 ■何谓次级代谢产物？次级代谢产物主要有哪些种类？举例说明次级代谢产物在食品中的应用及对发酵食品的影响。
P50初级代谢：脂微生物的生长、分化和繁殖所必需的代谢活动而言的。
初级代谢过程所生成的产物就是初级代谢产物'坎级代谢：」是指非微生物生命活动所必须的代谢活动而言.也就是说这种代谢对微生物的生长、分化和繁殖关系不大，生理功能也不十分清楚，但可能对微生物的生存有一定价值。
次级代谢过程所生成的产物就是次级代谢产物。
通常在细胞生成的后期形成。
次级代谢产物有抗生素、生物破、色素和毒素等,2.典型的发酵过程由哪几个部分组成？发酵工程的一般过程可分为三个步骤：第一，准备阶段；第二，发酵阶段；第三，产品的分离提取阶段。
准备阶段的任务包括四个方面，即各种器具的准备.培养基的准备.优良菌种的选择或培育，器具和培养基的消毒。
优良菌种是保证发酵产品质量好、产量高的基础。
优良菌种的取得，最初是通过对自然菌体进行筛选得到的。
20世纪40年代开始使用物理的或化学的诱变剂，如紫外线、芥子气等处理菌种.进行人工诱发突变，从而迅速选育出比自然菌种更优良的菌种。
后来.又运用细胞工程和遗传工程的成果来获取菌种。
例如，使用大肠杆菌生产人类的胰岛素、生长素、干扰毒等等。
在发酵过程中.还要防止“不速之客”来打扰。
发酵工程要求纯种发酵，以保证产品质量因此，防止杂菌污染是确实保证正常生产的关键之一。
其方法是，对于这些不受欢迎的“来客”进行灭菌消毒，在进行发酵之前，对有关器械、培养基等也进行严格的消毒°第二章思考题:1.食品发酵对微生物菌种有何要求？举例说明，>能在廉价原料制成的培养基上迅速生长，并能高产和稳产所需的代谢产物。
>可在易于控制的培养条件下迅速生长和发酵，且所需的酶活性高。
>生长速度和反应速度快，发酵周期短。
>副产物尽量少，便于提纯，以保证产品纯度。
发酵工程原理与技术
发酵产品及分离提纯工艺
固液分离技术、细胞破碎技术、浓缩分离技术、精制技术、结 晶技术等
四、发酵工程的发展历史
发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗 菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵） →基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规 模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物
发酵罐试验
摇瓶试验
三、发酵工业生产流程
发酵过程的操作方式
三种模式：间歇发酵、连续发酵和流加发酵 间歇发酵又称分批发酵，在发酵过程中，除气体进出外，与外
界没有其它的物料交换。分批发酵是一种操作简单并且广泛使 用的发酵方式。
连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基， 同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的体 积维持恒定，使微生物细胞处于近似恒定状态下生长的微生物 发酵方式。
一般采用无菌空气作为氧气来源，高空采风，经空 气压缩机加压后采用加热灭菌或过滤除菌。
微生物种子的制备
一般都是由保存于冷冻管及砂土管或冰箱中的斜面 菌种开始，在正式使用前要先转接到新鲜斜面培养 基上活化后，再用于种子扩大培养。
扩大培养的方法可以根据需要采用固体培养或液体 培养两级不同方式。
菌种筛选
成品
三、发酵工业生产流程 发酵原料的预处理 原料不同处理方法也有所差异。 1.淀粉——利用前需变成糊精或葡萄糖。 方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法 2.糖蜜——加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处
理后再补充无机盐。 3.碳氢化合物：石油脱蜡——一定馏分的石油
经冷却脱蜡而获得的凝固点在-10℃的油，加 入适量无机盐进行接种发酵。
细菌是单细胞原核生物，具有环状DNA染 色体，以典型的二分分裂方式繁殖。 根据形态可分为三类：
发酵工程——精选推荐
发酵⼯程第三章发酵⼯程第⼀节绪论远古时代已经有发酵⼯程：酿酒、造醋、制⾯包等。
发酵已经从过去简单的⽣产酒精类饮料、⽣产醋酸和发酵⾯包发展到今天成为⽣物⼯程的⼀个极其重要的分⽀，成为⼀个包括了微⽣物学、化学⼯程、基因⼯程、细胞⼯程、机械⼯程和计算机软硬件⼯程的⼀个多学科⼯程。
现代发酵⼯程不仅⽣产酒精类饮料、醋酸和⾯包，⽽且⽣产胰岛素、⼲扰素、⽣长激素、抗⽣素和疫苗等多种医疗保健药物，⽣产天然杀⾍剂、细菌肥料和微⽣物除草剂等农⽤⽣产资料，在化学⼯业上⽣产氨基酸、⾹料、⽣物⾼分⼦、酶以及维⽣素和单细胞蛋⽩等。
发酵⼯程从⼴义上讲，由三部分组成：上游⼯程、发酵⼯程、下游⼯程。
上游⼯程包括：基因⼯程或细胞⼯程，种⼦培养，培养基配制，灭菌，接种。
下游⼯程包括：产物提取和纯化，废弃物处理，产品的获得。
⼀、发酵⼯程定义：发酵⼯程（fermentation engineering）主要指在最适发酵条件下，在⽣物反应器中⼤量培养细胞和⽣产代谢产物的⼯艺技术。
发酵⼯程是⽣物技术产业化的基础和关键技术，⽆论传统发酵产品，如抗⽣素、氨基酸等，还是现代基因⼯程产品，如疫苗、⼈体蛋⽩质等，都需要发酵技术进⾏⽣产。
1．传统发酵最初发酵是⽤来描述酵母菌作⽤于果汁或麦芽汁产⽣⽓泡的现象，或者是指酒的⽣产过程。
ferver：发泡、沸腾——fermentation发酵现象的本质①显微镜观察：微⽣物（列⽂虎克）②著名的巴斯德实验：微⽣物作⽤（1857年法国化学家、微⽣物家巴斯德（Pasteur）提出了著名的发酵理论：“⼀切发酵过程都是微⽣物作⽤的结果。
”）巴斯德认为，酿酒是发酵，是微⽣物在起作⽤；酒变质也是发酵，是另⼀类微⽣物在作祟；随着科学技术的发展，可以⽤加热处理等⽅法来杀死有害的微⽣物，防⽌酒发⽣质变。
同时，也可以把发酵的微⽣物分离出来，通过⼈⼯培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。
③著名的毕希纳实验：酵素（酶）的作⽤（1897年德国化学家毕希纳（Buchner）发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精———酶）2．⽣化和⽣理学意义的发酵指微⽣物在⽆氧条件下，分解各种有机物质产⽣能量的⼀种⽅式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电⼦受体的氧化还原产能反应。
发酵工艺重点
第一章绪论发酵的定义：通过微生物的生长和代谢活动，产生和积累人们所需代谢产物的一切微生物培养过程。
发酵工程：是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系。
微生物发酵产品分为（按发酵类型）：微生物菌体细胞、酶制剂和酶调节剂、微生物代谢产物（包括初级代谢产物和次级代谢产物）以及微生物转化、工程菌发酵产物等。
发酵培养方法：表面培养发酵法和深层培养发酵法。
液体深层培养法的基本工艺过程：菌种选育、孢子制备、种子制备、发酵培养、发酵液预处理、提取精制、成品检验、成品包装。
第二章菌种选育工业发酵三个技术领域：菌种选育、发酵工艺（上游工程）和分离提取工艺（下游工程）。
菌种选育在发酵生产上的目的：提高发酵产量、改进菌种性能、产生新的发酵产物、去除多余的组分。
微生物突变的修复：光修复、切补修复、重组修复、ＳＯＳ修复系统、ＤＮＡ聚合酶的校正作用。
菌种选育的方法：自然选育、诱变育种、杂交育种、基因工程育种、原生质体育种。
自然选育（natural screening）：是指利用微生物在一定条件下产生自发突变的原理，通过分离、筛选排除衰退型菌株，从中选出维持或高于原有生产菌株的过程，以达到稳定或提高生产的目的。
菌种退化：菌种在长期的传代保存过程中，由于自发突变使菌种变得不纯，生产能力下降。
原因有菌种遗传特性的改变、经诱变剂处理后的退化变异、菌种生理状况的改变（培养条件）。
自然选育的一般过程：单孢子悬浮液的制备、分离出单菌落、单菌落传斜面、摇瓶初筛、菌种保藏、摇瓶复筛、放大试验。
诱变育种（mutation breeding）是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群体，促进其突变率大幅提高，然后采用简便、高效的筛选方法，从中选出少数具有优良性状的突变菌株。
主要包括出发菌株的选择、诱变处理和筛选突变株三个部分。
诱变育种的步骤：出发菌株的选择、悬浮液的制备、诱变处理、中间培养、突变株的分离和筛选。
发酵过程优化与控制技术研究 ppt课件
关键科学问题：维生素C发酵微生物的功能关系
L-山梨糖
2-酮基-L-古龙酸
小菌(氧化葡萄糖 杆菌G. oxydans )
+
大菌(巨大芽孢杆 菌B. megaterium )
现况：维生素C两步发酵工艺 小菌单独培养生长、产酸困难 大菌本身不产酸，促进小菌生长和产酸
基于细胞内部分析进行优化
d (DCW) / (g/L)
r (Glucose) / (g/L)
16
12
8
A
4
0
140
120
t /h
100
80
60
B
40
20
0
80 t /h
60
40
C
20
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t /h
优化策略
高产量
高底 物转 化率
高生 产强
度
r (Pyruvate) / (g/L)
对发酵过程 自适应最优
进行在线状 化控制系统
态预测和模 的开发、计
式识别
算机模拟和
实际应用
15
发酵优 化技术
4 基于代谢通量分析的过程优化技术
研究思想
参考已知的生化反应计量关系、 代谢途径、生理、特征，构建、
合成不同产物的代谢网络。
利用代谢通量分析方法，计算得
出胞内各条代谢途径的通量变化。
16
目的
研究思想
分 析
发酵过程的动力学参数(μ， qp，qs) 流变学参数的变化特性
不同T、pH、 RPM、DO
发酵过程优化原理复习
发酵过程优化原理复习发酵过程优化原理复习1、发酵过程优化的目标答：①建立生物反应过程的数量化处理和动力学模型。
②实现发酵过程优化，以更好地控制发酵过程；③规避生物技术产业化过程的技术风险，追求其经济效益；2、发酵过程优化主要涉及的研究内容答：①细胞生长过程研究，了解微生物从非生物培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向，确定不同环境条件下微生物的代谢产物分布；②根据微生物代谢反应符合质量守恒定律，对微生物反应的化学计量进行研究，简化对发酵过程的质量衡算；③研究生物反应速率及其影响因素，建立生物反应动力学，这也是是发酵过程优化研究的核心内容。
④生物反应器工程，包括生物反应器及参数的检测与控制，它们是发酵过程优化最基本的手段。
3、Hasting（1954年）指出生化工程要解决的十大问题是哪些？答：深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害。
其中通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中放大是生化工程的焦点。
4、Cooney指出，要实现发酵过程的优化与控制，必须解决好哪些问题？答：必须解决好5个问题：①生物模型；②传感器技术；③适用于生物过程的最优化技术；④系统动力学；⑤计算机-监测系统-发酵罐之间的接口技术5、流加发酵、分批发酵、连续发酵方式的优缺点比较答：①与传统的分批发酵相比，流加发酵可以解除底物抑制、葡萄糖效应和代谢阻遏等；与连续发酵相比，流加发酵则具有染菌可能性更小，菌种不易老化变异等优点。
②与流加发酵和连续发酵相比，分批发酵工艺操作简单，比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题，对营养物的利用效率较高，产物浓度也比连续发酵要高。
但其人力、物力、动力消耗较大，生产周期较长，生产效率低。
③连续发酵最大的优点是，微生物细胞的生长速度、代谢活性处于恒定状态，可达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的，且便于进行微生物代谢、生理生化和遗传特性的研究，在工业上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等操作时间，提高了生产效率和自动化程度。
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• 种子培养基特点： • 1. 必须有较完全和丰富的营养物质，特别需要 充足的氮源和生长因子。 • 2. 种子培养基中各种营养物质的浓度不必太高。 供孢子发芽生长用的种子培养基，可添加一些 易被吸收利用的碳源和氮源。 • 3. 种子培养基成分还应考虑与发酵培养基的主 要成分相近。
（3）半合成培养基
• 多数培养基配制是采用一部分天然有机物作碳 源、氮源和生长因子的来源，再适当加入一些 化学药品以补充无机盐成分，使其更能充分满 足微生物对营养的需要。 • 大多数微生物都能在此培养基上生长繁殖。因 此，在微生物工业生产上和试验研究中被广泛 使用。
• （1） 液体培养基：常用于大规模的工业 生产及生理代谢等基本理论研究工作。 • 发酵工业多用作培养种子和发酵的培养基。 • 根据微生物对氧的要求情况，分别作静止 或通风搅拌培养。 • 在菌种筛选工作和菌种培养工作中，也常 用液体培养基进行摇瓶培养 • 微生物在液体培养基中生长的情况有时也 可用作鉴定菌种的参考。
生理代谢
菌种筛选
种子培养
发酵培养
• （2） 固体培养基 • 分类：斜面试管、平板等 • 是在液体培养基中加入凝固剂配 成的，最常用的凝固剂是琼脂。
• 作用： • 固体培养基在菌种的分 离、保藏、菌落特征的观察、 活菌计数和鉴定菌种方面是 不可缺少的。 • 在制曲、酶制剂、柠檬 酸等生产中，用来培养霉菌 等的固体种子和发酵培养基 是由麸皮等农作物加无机元 素等制成的。
(2)添加诱导物：
• 目前工业用微生物酶多数为诱导酶，如蛋白酶、 淀粉酶、纤维素酶等。 • 诱导物的存在能大大强化诱导酶的生物合成。 • 酶的正常底物或底物的类似物都可作为诱导物。 • 在各种微生物酶的发酵培养基中必须加入诱导 物，例如淀粉、糊精或麦芽糖是淀粉酶或糖化 酶的诱导物。只有添加这些物质的培养基，才 能获得高产。
微生物的营养来源
• （1）能源 • 自养菌：光；氢，硫胺；亚硝酸盐，亚 铁盐。 • 异养菌：碳水化合物等有机物，石油 天然气和石油化工产品，如醋酸。
• （2）碳源： • 碳酸气； • 淀粉水解糖，糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液 等 • 石油、正构石蜡，天然气 • 醋酸、甲醇、乙醇等石油化工产品
• （3）氮源 • 豆饼或蚕蛹水解液，味精废液，玉米浆， 酒糟水等有机氮 • 尿素，硫酸铵，氨水，硝酸盐等无机氮 • 气态氮
• (5)尽量减少副产物的形成，便于产物的 分离纯化。 • (6)原料价格低廉，质量稳定，取材容易。 • 7)所用原料尽可能减少对发酵过程中通 气搅拌的影响，利于提高氧的利用率， 降低能耗。 • (8)有利于产品的分离纯化，并尽可能减 少产生“三废”的物质。
发酵培养基的设计和注意事项
• 1．提供必要的营养成分：培养基成分必 须满足细胞生长，代谢活动和合成产物 所需的基本要求。 • 2．配制合适的浓度：可以从发酵动力学 有关生长、产物合成和基质利用物料平 衡的关系中大致推算所需原料或大致计 算出所需主要原料的需要量。 • 3. 主成分与其他成分的配比。
第三章 发酵工艺条件的确定
• 第一节 培养基的选择和确定 • 第二节 培养条件的确定
第一节 培养基的选择和确定
• • • • • • 一、培养基的营养成分 二、培养基的用途 三、发酵培养基的选择 四、培养基成分的营养与作用 五、培养基确定方法 六、正交试验在培养基确定中的应用
一、培养基的营养成分
• • • • • •
(4)无机盐 磷酸盐，钾盐，镁盐，钙盐等其他矿盐 铁、锰、钴等微量元素 其他 （5）特殊生长因子 硫胺素、生物素、对氨基苯甲酸、肌醇 等
二、培养基的用途
• • • • • 筛选菌种 保藏菌种 检验杂菌 培养种子 发酵生产
（一）、培养基的分类
（二）、发酵生产中的 培养基类型
（一）、培养基的分类
• 5．注意代谢调节物的影响： • 有些物质存在于培养基中往往能明显地促进或 抑制发酵产物的形成。 • 前体物质 • 诱导剂 • 阻遏物 • 抑制剂 • 金属离子
(1)添加有关前体物质：
• 前作物质：是指当添加到发酵培养基中 的某些化学物质基本上不改变其分子结 构而直接进入产物中的小分子物质，从 而在一定条件下控制产物的合成方向和 提高产量。 • 在发酵中添加前体物质将有利于产物的 合成和显著提高产量，如苯乙酸及其衍 生物被认为是青霉素的前体物质。
• 4．控制合适的pH：微生物的生长繁殖或 产物的合成往往需要—定的pH环境，在 最适pH值下有利于加快各种酶的反应。 因此在整个发酵过程中应使培养基的pH 适合于微生物生长或产物合成所需。
pH的具体控制方法
• 1. 可以在微生物培养过程中加入酸或碱或流加 某些营养物质调节培养基的pH，但更应在配制 培养基时考虑所用营养物质的组成成分，使其 pH值适合该微生物生长或合成代谢产物的需要。
3．发酵培养基
• 发酵培养基是发酵生产中最主要的培养基ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ它 不仅耗用大量的原材料，而且也是决定发酵生 产成功与否的重要因素。 • （1）根据产物合成的特点来设计培养基： 对菌体生长与产物相偶联的发酵类型，充 分满足细胞生长繁殖的培养基就能获得最大的 产物。 对于生产氨基酸等含氮的化合物时，它的 发酵培养基除供给充足的碳源物质外，还应该 添加足够的铵盐或尿素等氮素化合物。
• 油和脂肪：在微生物分泌的脂肪酶作用 下水解为甘油和脂肪酸，在溶解氧的参 与下，氧化成水和CO2。因此用脂肪作 碳源时需比糖代谢供给更多的氧。
(2)氮素化合物
• 氮是构成微生物细胞蛋白质和核酸的主 要元素，而蛋白质和核酸是微生物原生 质的主要组成部分。氮素一般不提供能 量，但硝化细菌却能利用氨作为氮源和 能源。 • 就某一类微生物而言，由于其合成能力 的差异，对氮营养的需要也有很大区别。
• 特点： • 1.富含有机氮源，少含或不含糖分。有机氮有 利于菌体的生长繁殖，能获得更多的细胞。 • 2.对于放线菌或霉菌的产孢子培养基，则氮源 和碳源均不宜太丰富，否则容易长菌丝而较少 形成孢子。 • 3.斜面培养基中宜加少量无机盐类，供给必要 的生长因子和微量元素。
2．种子培养基(包括摇瓶种子和小罐 种子培养基)：
（2）发酵培养基的各种营养物质的浓度应 尽可能高些，这样在同等或相近的转化 率条件下有利于提高单位容积发酵罐的 利用率，增加经济效益。 • （3）发酵培养基需耗用大量原料，因此， 原料来源、原材料的质量以及价格等必 须予以重视。
三、发酵培养基的选择
• (1)必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基 本成分。 • (2)有利于减少培养基原料的单耗，即提高单 位营养物质所合成产物数量或最大产率。 • (3)有利于提高培养基和产物的浓度，以提高 单位容积发酵罐的生产能力。 • (4)有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周 期。
（二）、发酵生产中的培养基 类型
• 工业发酵中培养基往往是依据生产 流程和作用分为： • 斜面培养基 • 种子培养基 • 发酵培养基 • 摇瓶培养基
1．斜面培养基
• 作用：这是供微生物细胞生长繁殖用 的，包括细菌，酵母等的斜面培养基 以及霉菌、放线菌生孢子培养基或麸 曲培养基等。这类培养基主要作用是 供给细胞生长繁殖所需的各类营养物 质。
• 氮的来源可分为无机氮和有机氮： • 有机氮源：花生饼粉、黄豆饼粉、棉子 饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、 酵母膏、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝 体和酒糟等。 • 它们在微生物分泌的蛋白酶作用下， 水解成氨基酸，被菌体进一步分解代谢。
（2）合成培养基
• 是用化学成分和数量完全了解的物质配制而成 的。成分精 确，重复性强，可以减少不能控制 的因素 • 适用于在实验室范围作有关营养、代谢、 分类鉴定、生物测定及选育菌种、遗传分析等 定量研究工作。 • 但一般微生物在合成培养基上生长较慢， 有些微生物营养要求复杂，在合成培养基上不 能生长。
• 醇类中甘露醇、甘油、低浓度的乙醇。 • 脂肪酸如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等低级脂肪 酸都可用作碳源。油酸和亚油酸等高级脂肪酸 可被不少放线菌和真菌作为碳源和能源利用， 低浓度的高级脂肪酸可刺激细菌生长，但浓度 较高时往往有毒害作用。 • 正烷烃：一般是指从石油裂得到的14C至18C的 直链烷烃混合物。
• 微生物的营养活动，是依靠向外界分泌大量的 酶．将周围环境中大分子的蛋白质、糖类、脂 肪等营养物质分解成小分子化合物，再借助细 胞膜的渗透作用，吸收这些小分子营养来实现 的。 • 所有发酵培养基都必须提供微生物生长繁殖和 产物合成所需的能源，包括碳源、氮源、无机 元素、生长因子及水、氧气等。对于大规模发 酵生产，除考虑上述微生物的需要外，还必须 重视培养基原料的价格和来源。
• • • • • • （1）按培养基组成物质的化学成分 合成培养基、天然培养基。 （2）按物理性质 固体，液体 （3）按用途 选择性培养基、鉴别培养基、富集培养 基等
• （1）天然培养基 • 是采用化学成分还不清楚或化 学成分还不恒定的各种植物和动物 组织或微生物的浸出物、水解液等 物质(例如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、 蛋白胨等)制成的。 • 适合于各类异养微生物生长， 而一般自养微生物都不能生长。
葡萄糖： • 是最易利用的糖，并且作为加速微生物 生长的一种有效的糖。 • 过多的葡萄糖会过分加速菌体的呼吸， 以致培养基中的溶解氧不能满足需要。
• 糖蜜：是制糖厂生产糖时的结晶母液，是蔗糖 厂的副产物。含有较丰富的糖、氨素化合物和 无机维生素等，是微生物工业的价廉物美的原 料。 • 淀粉：一般要经菌体产生的胞外酶水解成单糖 后再被吸收利用。可克服葡萄代谢过快的弊病。 来源丰富，价格比较低廉。常用的为玉米淀粉、 小麦淀粉和甘薯淀。
四、培养基组成物质的营养与 作用
• • • • • 碳素化合物 氮素化合物 水 微量元素(无机盐类) 生长因子