(简)发酵过程参数相关分析
发酵豆粕(湿料)生产工艺及相关指标
发酵豆粕（湿料)生产工艺及相关指标目录目录 (2)发酵豆粕生产手册 (3)产品指标 (4)混合及发酵设备 (5)发酵车间设计 (6)发酵豆粕湿料应用 (7)发酵料储存时间 (9)附件（部分检测方法）: (13)发酵豆粕生产手册原料：豆粕、酵源、水、糖蜜（非必选）原料配比：酵源5kg +水500Kg+豆粕1000Kg（+糖蜜20Kg，非必选）工艺：上述原料混匀，转入发酵桶、盖严、室温48～120 小时。
检测pH 值≤5.5 即为合格。
发酵容器可选内膜袋、呼吸膜袋、发酵桶、发酵箱等，以能密闭不进气为好。
添加顺序：酵源+水充分混匀，再加入豆粕中.酵源与水混匀时间不小于2分钟，混合液添加至豆粕时间不超过2分钟，混合液与豆粕搅拌混合不超过2分钟。
温度需求：水温30～40°C最宜,不能高于40°C，低于15°C考虑用热水；环境温度20～40°C,低于15°C考虑保温或延长发酵时间.水质要求：普通自来水及以上级别均可。
加工设备：材质要求不锈钢(防腐蚀）.原料称量:确定电子秤准确后按配方要求顺序称取各种原料,最大误差:大宗原料保持在0。
5Kg 以内、小料保持在100g 以内。
原料混合:非连续生产时，混合前后清理搅拌机，保证原料的混合均匀度。
严禁出现结块，半干半湿现象。
产品指标以46%蛋白豆粕计算，干料以60°C烘干计算混合及发酵设备混合设备：建议采用带投料斗垂直提升绞龙卧式混合机接种混合系统在整个设计中比较关键，因此必须要满足一下几个条件：1.对于水分较高的料具有较高的混合均匀度，不会出现成团或成球;2.效率高，占地面面积小,运行费用低；3.发酵前要尽量避免带入杂菌，因此菌种混合系统要易于清理。
发酵设备:建议采用呼吸袋或者厚一点普通密封塑料袋子，可以重复利用.混合完后装袋发酵，保证袋口密封，杜绝空气中的杂菌进入影响产品质量。
根据每个饲料厂的情况选择合理发酵方式,现在用的比较多的发酵模式有：槽式发酵,堆式发酵,箱式发酵，塔式发酵，罐式发酵，袋式发酵.由于我们这个方案是针对终端，发酵规模相对较小，操作需简单,投入小等特点，所以我们建议用袋式发酵,易于控制温度,夏天把袋子铺开来发酵,可以较好的散热，冬天把袋子堆起来发酵,可以较好提升发酵的保温，易于使用，每个袋子的发酵料都定量，用的时候不用称量，易于控制产品的质量,每个袋子都是独立的单元,互不影响，可以避免在使用过程中的二次发酵，没有用完的成品需密封储存，避免空气中的杂菌污染。
自然发酵黄豆酱生产过程中理化及微生物指标的动态分析
典型发酵过程动力学及模型
组合在一起决定着细胞的比生长速率。
a）相关模型：
n
i
1
b）非相关模型：µ=min (µi)
非相关模型---产物的生成与细胞的生长无直接的关
(2) 必要基质与生长促进型基质限制：必要基质的存在使细胞的比生
长速率大于零，而另一些基质的存在使µ值增大,称之为生长促进型基
质。累加动力学方程：
n
i
1
（3）Tao和Hanson模型：多基质限制的动力学模型
产物生成速率
rP drP/dt
细胞比生长速率 rX/rX 底物消耗比速率 qs rS/rX
产物比生成速率 qP rP/rX
二、微生物生长动力学
1. 细胞反应的得率系数
对底物的细胞得率：
YX / S
生成细胞的质量＝ DmX 消耗底物的质量 DmS
rX rX0 rs0 rs
对氧的细胞得率：
YX /酵过程反应的描述
X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）
一、 概论
目的 1) 建立发酵过程中细胞浓度、基质浓度、温度等工艺参数 工艺条件；2) 以发酵动力学模型为依据，利用计算机进行合 模拟最优化的发酵工艺流程和技术参数，使发酵工艺的过程 的研究为实验工厂数据的放大、为分批式发酵过渡到连续式
对于这类非生长偶联型产物的生物反应来说，应充分注 意菌体在生长期和产物形成期营养的差别。可适当调配 快速利用和缓慢利用的营养物的比例，分别满足不同时 期菌体的不同需要。
四、 代谢产物生成动力学
3）混合型 产物形成与细胞生长有关联和无关联的复合模式， 也叫产物形成与细胞生长部分关联模式。 这时产物的形成与细胞生长的关系可表达为：
模型 μ= μm[1-exp(-S/Ks)] μ= μmS/(Ks+S) μ= μm(1+KsS-n)-1 μ= μm(S/X)/(Ks+S/X) μ= μmS/(KsX+S) μ=KsSn S=Aμ+Bμ/(μm＋μ) μ2/K-(Ks+S)μ-μmＳ=0 μ= μmS/(Ks+S)-D
发酵工程--发酵动力学
对数生长期、减速期、稳定期（静止期）和衰亡
期五个时期，如图
对数 衰减期 生长期
稳定期
衰亡期
菌体浓度X
延滞期
时间t
延滞期又称停滞期、调整期或适应期。指 微生物接种到新鲜培养基中后一段时间内，菌 体数目增加不明显的的一段时期。这是由于接 种初期微生物细胞对生长环境有一个适应的过 程，这个时期的长短取决于种子质量、菌龄、 接种量等因素。如果接种物处于对数生长期， 延迟期就短；同一菌种，接种量大延迟期则短。 在延迟期微生物细胞浓度（或数量）的变化
3、分批培养的底物消耗动力学 ① ② ③ 得率系数 基质消耗动力学参数 基质消耗动力学
4、分批发酵的产物形成动力学
由于微生物细胞代谢所生成的产物种类繁 多，细胞内生物合成的途径十分复杂，代谢调 节机制各不相同。为了研究在工业发酵过程中
如何提高代谢产物的产量，就必须首先确定目
的代谢产物的合成与微生物细胞生长的动力学
S(mg/l)
6
33
0.24
64
0.43
153
221
μ (h-1) 0.06
0.66 0.70
求在该培养条件下，求大肠杆菌的μ max，Ks和 td?
解：将数据整理：
S/μ S 100 6 137.5 192.5 231.8 311.3 33 64 153 221
S/μ 的平均值为202.536，S的平均值为152.6。
dx 0 dt
x xmax
由于生长环境恶化，菌体繁殖越来越慢， 死亡数越来越多，菌体死亡的速率超过生长速 率。在衰亡期，菌体形态显著改变，出现多形 态的细胞衰退型，如菌体变长、肿胀或扭曲，
有时菌体自溶难以辨认，新陈代谢活动趋于停
发酵过程中与微生物相关工艺参数的调控方法资料
9、黏度 10、浊度 11、料液流量 12、产物的浓度 13、氧化还原电位 14、废气中的氧含量 15、废气中的CO 2含量 16、菌丝形态 17、菌体浓度
2.1 pH 值的控制
2.1.1 pH值对发酵的影响
1.影响培养基某些组分和中间产物的离解
2.影响酶的活性
3.影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜 的通透性
2.1.1 pH值对发酵的影响
4.pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代 谢产物的质量和比例发生改变。
例如：黑曲霉在pH2~3时发酵产生柠檬酸，在 pH近中性时，则产生草酸。
2.1.2发酵过程pH值的变化
pH值
培养过程中 培养液pH值 的大致变化 趋势
培养时间
在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮 源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会 使pH值产生一定的变化。
生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。 搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。 蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。 显热：发酵排气散发带走的热量。
辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。
2.2.2影响发酵温度变化的因素
发酵热（Q发酵）是发酵温度变化的主要因素。
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射－Q显
酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精 乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶 利用真菌生产青霉素 利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、
干扰素和生长激素
2.发酵工程的主要的控制参数
1、pH值（酸碱度） 2、温度 3、溶解氧浓度 4、基质含量 5、空气流量 6、压力 7、搅拌转速 8、搅拌功率
发酵过程中与微生物 相关工艺参数的调控方法
目录
1.发酵工程的定义及应用
发酵过程的参数相关分析
1.1.2 二氧化碳释放率CER
排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况 微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳，有的 进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消 耗的氧并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的 有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳 大于消耗的氧。
重要间接参数介绍
二氧化碳释放速率CER， mol/（L·h）
C CER
Fin
C inertia
in
CO2out
1 (CO2out CCO2out )
CCO2in
f
f
273 273 tin
Pin
1 10 5 1 h
简化公式：CER＝F/V(CO2out-CO2in)
CER：表示单位体积发酵液单位时间内释放的二氧化碳的量
在非糖限制条件下，特别是在发酵初期，菌量与CER有 一定的线性关系
OUR下降，表征的是该菌株耗氧能力降低;与 此相应，伴随着CER的下降，是菌体活力下 降的表现
重要间接参数介绍
体积氧传递系数 KLa，1/h
KLa
OUR , ηapp)
C:整体液相中的溶解氧浓度 mol/l C*:与气相氧分压平衡的液相中氧浓度mol/l一般取0.2mmol/L
发酵过程的参数相关分析
华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，国家生化工程技 术研究中心 2007.5.23
主要内容
1.重要参数介绍 2.多参数相关性分析 3.发酵培养基分析与工艺改进
1.发酵过程的参数分类
直接参数
通过传感器把非电量变化直接转化为电量变 化， 实时地送计算机数据采集。物理参数、化学参数、 生物量参数就地测量（in line）、在线测量（on line）
2.1 理化相关
发酵过程
连续发酵动力学-理论-多级恒化器连续发酵
稳态时
1 D
x1 YX / S ( S0 S1 )
KS D S1 m D
KS D Dx1 DYX / S ( S 0 ) m D
DP1 qP x1
多级恒化器连续发酵 第二级细胞物料衡算
dx2 Dx1 Dx2 2 x2 x2 dt
第二节 分批发酵动力学
分批发酵动力学
细胞生长动力学 基质消耗动力学 产物形成动力学
分批发酵动力学-产物形成动力学
根据发酵时间过程分析，微生物生长与产物 合成存在以下三种关系：
与生长相关→生长偶联型 与生长部分相关→生长部分偶联型 与生长不相关→无关联
相关型
部分相关型
非相关型
产物合成相关、部分相关、非相关模型动力学示意图
反应器内(V)全混流,溶质浓度处处相等
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
定义： ① 稀释率 D=F/V (h-1)
F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3） ② 理论停留时间
TL 1 D
连续发酵动力学-理论-单级恒化器连续发酵
细胞的物料衡算（µ和D的关系）
积累的细胞（净增量）= 流入的细胞-流出的细胞+生长的细 胞-死亡的细胞
酵中不同稀释率
下的稳态细胞浓 度、限制性基质
浓度和细胞生产
率的变化。
例题
已知某一微生物反应，其细胞生长符合Monod动
max 0.51 , K S 2 g / L, S0 50 g / L, YX ， 1 S
力学模型， 其
试问：
(1)在单一CSTR（连续搅拌式反应器）进行反 应，稳态下操作且无细胞死亡，欲达到最大的细胞 生产率，其最佳稀释率是多少? (2)采用同样大小N个CSTR相串联，其D值相同， 若要求最终反应基质浓度降至1g/L以下，试求N至 少应为多少级?
(简)发酵过程参数相关分析(庄英萍)
好氧生物反应器供氧情况变化引起的变化
当降低搅拌转速时，供氧速率（OTR）下降必然引起溶解氧 浓度（DO）的下降，这是一个属于生物反应器系统中的过程 传递和混和问题
d C KLa(C* C) OUR dt
如果DO下降到临界氧浓度以下时，就引起菌体呼吸强度 的减弱，这实质上是氧成为限制性基质时的动力学行为
生物相关：排气氧浓度与溶解氧浓度的对应关系
不同发酵周期的EO2浓度与DO的几种对应关系。这种不 同的对应关系是与不同操作条件和菌体呼吸强度有关的。
ECO2
DO
EO2
EO2 ECO2
DO
rpm
非碳源限制，临界氧浓度以下 （ＤＯ变化不显著）
rpm
h
EO2 ECO2
DO
碳源限制，临界氧浓度以下 （ＤＯ变化显著）
代谢曲线对照
常规发酵过程分析的缺陷性
分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的 工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某 参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试 差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程。 ----缺乏机理性认识，有局限性。 发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并 采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验 规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究 提供了内容。 ----强调参数各自的时序变化，缺乏数据时序 变化之间的相关分析
参数相关耦合的定义
参数耦合相关是指各种直接参数、间接参数 以及实验室手工参数随着发酵过程的进行而 变化，并且参数间发生某种耦合相关。 这种参数相关是生物反应器中物料、能量或 信息传递、转换、以及平衡或不平衡的结果， 其微观因素也许只是发生在基因、细胞或反 应器工程水平的某一个尺度上，但最终会在 宏观过程中有所反映，这就为我们研究生物 反应器中不同尺度的数据关联分析方法提供 了线索。
酵母菌进行酒精发酵的最适温度
酵母菌进行酒精发酵的最适温度随着人们生活水平的提高，白酒、啤酒、葡萄酒等各种酒类饮料在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。
而酒类饮料的酿造离不开重要的一步酒精发酵过程，而酵母菌作为发酵的关键微生物，其发酵活动受到温度的影响，而最适温度是酵母菌进行酒精发酵的重要参数之一。
本文将探讨酵母菌进行酒精发酵的最适温度，并对其影响因素进行相关分析。
1. 酵母菌的发酵过程酵母菌进行酒精发酵是一种无氧呼吸过程，主要通过将葡萄糖和其他碳水化合物分解成酒精和二氧化碳来释放能量。
在发酵过程中，酵母菌通过一系列的生化酶的作用，将葡萄糖分解成乙醇和二氧化碳，产生了酒精和二氧化碳。
2. 酵母菌发酵的温度范围酵母菌在进行酒精发酵时，其适宜的温度范围是在20℃-30℃之间。
这个温度范围内，酵母菌的生长和代谢活动最为活跃，发酵效率最高。
当温度过低或者过高时，酵母菌的代谢活动会受到影响，导致发酵效率降低或者停滞不前。
3. 温度对酵母菌发酵活性的影响3.1 温度过低时当温度低于20℃时，酵母菌的代谢活动会减缓，酒精发酵速率减慢，发酵时间延长。
此时，酵母菌的生长速度和发酵效率都会受到限制，影响到酒类酒精含量和口感的稳定性。
3.2 温度过高时当温度超过30℃时，酵母菌的代谢活动会过度加快，导致酵母菌变得容易受到不利因素的影响，如发生酒精代谢产物的异常增加，酿造出的酒类口感和品质受到损害。
4. 温度的控制与调节为了保证酒类饮料的发酵质量和稳定性，酵母菌进行酒精发酵的温度应该得到有效的控制和调节。
酒厂在酒类饮料的生产过程中通常会采用恒温发酵罐或者冷却设备来控制和维持发酵温度，以达到最佳的发酵效果和产品品质。
总结在酒类饮料的酿造过程中，酵母菌进行酒精发酵是一个至关重要的环节，而发酵的温度则是影响酵母菌代谢和发酵效率的关键因素。
了解酵母菌进行酒精发酵的最适温度对于控制和提高酒类饮料的质量和口感具有重要意义，同时也为相关领域的科研和技术应用提供了重要的理论基础。
(简)发酵过程参数相关分析(庄英萍)
（四）、生物相关
生物相关是指通过生物细胞的生命活动所引起的参数之间耦合 相关，主要体现在二种方式： 其一，通过生物细胞生长代谢后引起的培养液物性的变化，进 而引起的参数相关。
精品课件
菌体生长引起的生物相关特性
* 快速生长期时，培养液粘度上升，KLa下 降，引起DO水平的变化。
* 培养液粘度的变化也会引起溶解二氧化 碳CO2与排气二氧化碳浓度ECO2的差异。
当用λPL,C启动子构建表达载体时， PL,R启动子受λ噬菌体cI基因的负 调控，cI基因产生的阻遏蛋白结合 在操纵基因上，阻止转录的进行。 当在28～30℃培养时，利用cI的温 度敏感突变基因的突变体可以产生 有活性阻遏蛋白，阻遏PL,R转录， 细菌大量生长。温度上升到42℃， 造成阻遏蛋白失活，PL,R解除阻遏， 启动外源基因的高效转录和表达， 从而合成大量有价值的外源蛋白。
适应生物反应器的供氧能力，控制菌体生长速率与 最大生物量。
在菌体生长期完成后，在细胞水平控制比生长速率， 使菌体酶体系处于最有利于生产的状态，或控制比 生长速率来解决基因水平上的分解代谢产物的阻遏 作用。
低浓度葡萄糖可以降低高浓度时所引起的分解代谢 阻遏作用。
精品课件
生物相关：排气氧浓度与溶解氧浓度的对应关系
精品课件
代谢曲线对照
精品课件
常规发酵过程分析的缺陷性
分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的 工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某 参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试 差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程。
----缺乏机理性认识，有局限性。 发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并 采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验 规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究 提供了内容。
发酵过程的参数相关分析
红霉素生物合成过程中组分研究
目前市 场上对 EA的比 例要求 在78 % 以上。
发酵初始添加六种氨基酸对产量与组分影响
添加Gly后对红霉素产量、组分时序变化
EA%
120 100 80 60 40 20
0 72
对照 1# 2#
96
120
144 t/h
Fig.5.10 Effect of Gly on the component percent of erythromycin in the fermentation process (1# 0.05, 2#0.15%)
8
80
7
70
6
60
5
50
4
40
3
30
2
20
1
10
0
0
24
48
72
96 120 144 168 192
hour
10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
8
Gly
80
10000
9000
7
70
8000
6
60
7000
5
50
6000
4
40
5000
3
相关性分析：发酵过程中加油的作用
EO2 ECO2
DO
消泡
释放CO2
(h)
RQ OUR
CER DO
作为碳源利用
(h)
OUR
CER
DO
KLa
改变流变特性
(h)
加糖 加油
作为氧载体
(h)
提高对氧亲和力
3. 发酵培养基分析
发酵参数及控制
（3）通过补料调节pH ①调节补糖速率、空气流量来调节pH ②当NH2-N低，pH低时补氨水； 当NH2-N低，pH高时补(NH4)2SO4
（4）加酸碱调pH
5、pH值
pH的控制
（5）发酵的不同阶段采取不同的pH值
在生长期和生产期的pH分别控制在6.5 和7.0时，可使利福霉素B的产率比整 个发酵过程的pH维持在7.0的情况下的 产率提高14%。
在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带 放），称为半连续培养。某些品种采取这种方式，如 四环素发酵
优点 放掉部分发酵液，再补入部分料液，使代谢有
害物得以稀释有利于产物合成，提高了总产量。
缺点 丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体， 代谢产生的前体也可能被丢失，提炼的发酵液的总体 积更大
微生物的培养方式
1、分批培养
微生物生长分为：迟滞期、对数生长期、稳定期和死亡期
在迟滞期，菌体没有分裂只有生长，因为当菌种接种入 一个新的环境，细胞内的核酸、酶等稀释，这时细胞不 能分裂，细胞个体增大。当接种的是饥饿或老龄的微生 物细胞，或新鲜培养基营养不丰富时，迟滞期将延长。
当细胞内的与细胞分裂相关的物质浓度达到一定程度， 细胞开始分裂，这时细胞生长很快，比生长速率达到最 大值，几近常数，细胞活力很强，生长速率大小取决于 培养基的营养和环境。这个时期称为对数生长期。
6、溶解氧
溶解氧(DO)是需氧微生物生长所必需的。在发酵 过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往最易成为控制 因素。
在28℃氧在发酵液中的100%空气的饱和浓度只有 0.25 mmol.L-1左右。在对数生长期即使发酵液中的溶氧 能达到100％空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中 溶氧可在几秒（分）钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因 素。
发酵过程中工艺参数的检测和控制课件
在线分析仪
通过分析发酵液体的成分，间接 评估泡沫对发酵过程的影响。
泡沫控制的方法和策略
物理方法
通过调节搅拌速度、通气量、 温度等物理参数，控制泡沫产生。
化学方法
添加消泡剂或表面活性剂，降 低泡沫的稳定性，使其破裂或 减少。
工艺参数优化
通过优化培养基配方、接种量、 发酵温度等工艺参数，减少泡 沫产生。
发酵过程的原理和步骤
总结词
发酵过程通常包括菌种选择、种子扩大培养、发酵罐接种、发酵过程控制和产物提取等步骤。其原理是利用微生 物的代谢活动，将底物转化为产物。
详细描述
在发酵过程中，首先需要选择适合的菌种，并进行种子扩大培养，使菌种数量达到一定规模。然后，将种子接种 到发酵罐中，在适宜的条件下进行发酵。发酵过程中，需要控制温度、pH、溶氧等参数，以确保微生物的正常 代谢活动。最后，通过提取和分离等方法，获得所需的产物。
总结词
发酵是一种生物化学过程，通过微生物或酶的作用将有机物 质转化为更简单的物质或产生新的物质。根据发酵产物的不 同，可以分为酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵等类型。
详细描述
发酵是一种古老的生物化学过程，广泛应用于食品、饮料、 化工、制药等领域。通过发酵，人们可以将有机物质转化为 酒精、乳酸、醋酸等物质，也可以产生新的物质，如抗生素、 酶等。
溶氧浓度过高则可能导致微生物 死亡或产生副产物。
因此，对溶氧浓度的检测和控制 是实现高效、稳定发酵的关键。
溶氧浓度检测的方法和设备
01
02
03
04
溶氧浓度的检测方法包括电极 法、荧光法、光纤传感器法等。
电极法是最常用的方法，通过 测量溶解氧通过电解膜时的电
流来计算溶氧浓度。
荧光法利用荧光物质与溶解氧 的相互作用产生荧光，通过测 量荧光强度来计算溶氧浓度。
工业发酵主要类型及主要控制参数(精)
- 1 -《生物制药工艺技术》课程教学方案 教师：苏艳 授课专业 生物技术及应用、生物制药技术上课地点 授课时间 第 周 学习内容 项目6、发酵过程控制（2）工业发酵主要类型及主要控制参数课时 8 教学目标 知识目标 了解发酵过程中各参数：温度、pH 、泡沫等对发酵过程的影响。
技能目标能根据不同发酵过程控制发酵参数。
能处理发酵过程中出现的问题。
素质目标 培养学生理论联系实际动手操作能力、自主性、创造性、严谨的科学态度；吃苦耐劳、团队协作精神，良好的职业素养。
教学重点难点重点：发酵过程中参数的控制。
难点：发酵过程中参数的选择。
目标群体 学生在前面学习了“发酵罐及附属设备的结构”，具备了《应用微生物技术》的基础知识。
教学环境教室 教学方法理论讲授 时间安排 教学过程设计- 2 - [课型] 理论课：多媒体辅助讲授[组织教学]5分钟演讲，1分钟安全教育[实施新课]讲授：项目6 发酵过程的控制知识目标:• 了解发酵过程中各参数对发酵过程的影响。
• 掌握发酵过程中各发酵参数的控制。
能力目标:• 能根据不同发酵过程控制发酵参数。
• 能处理发酵过程中出现的问题。
素质目标:• 培养学生理论联系实际动手操作能力、自主性、创造性、严谨的科学态度； 吃苦耐劳、团队协作精神 。
任务1工业发酵主要类型及主要控制参数一、概述发酵：指在厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过程。
广义上将发酵看作是微生物把一些原料养分在合适的发酵条件下经过特定的代谢转变成所需产物的过程。
微生物培养亦称微生物发酵，发酵生产按微生物培养工艺不同可以分为固态发酵和液态发酵两种类型。
两者在工艺过程上大体相同，主要工艺过程为：斜面菌种培养-菌体或孢子悬浮液制备-种子扩大培养-发酵培养-发酵产物与发酵基质分离-提纯与精制-成品。
固态发酵是将微生物接种到经过处理的固体发酵基质上，或将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体支撑物上，通过微生物的代谢活动，使发酵原料转化成发酵产品。
白酒酒醅发酵过程中酶活与酯类生成的相关性分析与主成分分析
白酒酒醅发酵过程中酶活与酯类生成的相关性分析与主成分分析郭建华;郭宏文;邹东恢;刘晓兰;贾士儒【摘要】以白酒酒醅为研究对象,在酒醅发酵过程中,测定了酒醅中的淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、纤维素酶、果胶酶和脂肪酶的活性,同时,测定了酒醅中总酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯和乳酸乙酯的含量.利用相关分析和主成分分析研究了平均酶活与酯类生成量之间的相关性.相关分析表明,不同酶活与酯类生成之间存在不同程度的相关性.通过主成分分析,提取了6种酶的2个主成分,代表了酶的2种作用.根据主成分与酯类生成的相关性,探讨了酶活对酯类生成的影响.【期刊名称】《食品与发酵工业》【年(卷),期】2013(039)011【总页数】6页(P44-49)【关键词】酒醅;酶活;酯类;相关性分析;主成分分析【作者】郭建华;郭宏文;邹东恢;刘晓兰;贾士儒【作者单位】齐齐哈尔大学食品与生物工程学院,黑龙江齐齐哈尔,161006;天津科技大学生物工学院,天津,300222;齐齐哈尔大学食品与生物工程学院,黑龙江齐齐哈尔,161006;齐齐哈尔大学食品与生物工程学院,黑龙江齐齐哈尔,161006;齐齐哈尔大学食品与生物工程学院,黑龙江齐齐哈尔,161006;天津科技大学生物工学院,天津,300222【正文语种】中文酯类是中国白酒中的主要风味物质，其含量约占白酒风味物质总量的75% ～95%［1］。
白酒中的酯类有100多种，其中乙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯和乳酸乙酯是主要的酯类，其含量约占总酯含量的90%左右［2］。
酒中的风味物质是决定白酒香气，口感和风格的关键［3］。
有些酯类使白酒具有水果的香气，如己酸乙酯使白酒具有一种复合水果香气［4］。
除了原料含有酯类外，大量的酯类物质是在酒醅发酵过程中由微生物代谢产生的［5］。
酒醅中的微生物来源于酒曲、酿造水、空气及窖池，包括霉菌、放线菌、酵母和细菌。
在酒醅发酵过程中，微生物产生大量的酶，催化酒醅中的各种生化反应。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
代谢曲线对照
.
常规发酵过程分析的缺陷性
分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的 工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某 参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试 差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程。
----缺乏机理性认识，有局限性。 发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并 采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验 规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究 提供了内容。
.
参数曲线相关分析的优势
从发酵过程多尺度系统理论来看，参数趋势曲 线相关有可能是某一尺度的线性或动力学行为， 也可能是多尺度系统的结构性突变，因此用常 规的单一尺度模式有时就无法解释过程中发生 的许多现象。 虽然这些过程检测大多是环境中的状态或操作 量，但可以通过进一步分析，得到反映分子、 细胞和反应器工程水平的不同尺度问题的联系， 从而实现跨尺度观察和跨尺度操作。
发酵过程参数相关分析原理及应用
国家生化工程技术研究中心（上海） 庄英萍 ypzhuang@
.
主要内容
发酵过程特性概述 发酵过程的参数分类及检测 理化相关 生物相关 应用举例 下阶段工作展望
.
发酵过程特性概述
生物反应器中基因、细胞和反应器不同尺度网络之 间存在着以时间为坐标多输入多输出的互动关系。 表现在同一尺度下多过程的耦合，不同尺度下也往 往会有不同过程发生。 多尺度的研究方法要求从一个尺度观察另一尺度现 象，即所谓跨尺度观察与控制，即可能提供在生物 技术研究中所没有发现的现象。 研究尺度间相互作用和耦合的原则和条件，只有这 样才能进一步分析不同尺度下的各种子过程之间的 相互量化关系，并与已知条件关联，构成描述复杂 系统的综合模型或描述。
ddCtKLa(C*C)OUR
如果DO下降到临界氧浓度以下时，就引起菌体呼吸强 度的减弱，这实质上是氧成为限制性基质时的动力学行为
OUR QOmCX KO C
当DO继续下降，就可能产生厌氧代谢，代谢途径发生迁 移，甚至发生胞内酶体系的改变 ─── 发生反应体系的结构 性变化。
.
温度诱导的基因工程菌生长与表达
.
物理参数
直接参数
化学参数
温度
积累消耗量量
碱
泡沫水平
消泡剂
加料速率
细胞量
基质
气泡含量
前体
气泡表面积
诱导物
表面张力
培养液重量
培养液体积
生物热
培养液表观
粘度
pH 氧化还原电位 溶解氧浓度 溶解 CO2 浓度 排气 O2 分压 排气 CO2 分压 其他排气成分
.
成分浓度 糖 氮 前体 诱导物 产物
.
发酵过程的特性
发酵过程多以分批操作形式进行，随着细胞生长 和代谢过程的变化，各种测量参数（自动或手工 实验室测定）随时间的变化而变化，通过对这些 变化进行研究，有可能获得对发酵工艺和过程控 制的有关认识，有利于发酵过程优化。 有必要在计算机辅助下对过程进行时序性综合研 究和分析。 通过这些趋势曲线可以看出检测参数的多样性、 时变性、相关耦合性和不确定性。
当用λPL,C启动子构建表达载体时， PL,R启动子受λ噬菌体cI基因的负调 控，cI基因产生的阻遏蛋白结合在 操纵基因上，阻止转录的进行。当 在28～30℃培养时，利用cI的温度 敏感突变基因的突变体可以产生有 活性阻遏蛋白，阻遏PL,R转录，细 菌大量生长。温度上升到42℃，造 成阻遏蛋白失活，PL,R解除阻遏， 启动外源基因的高效转录和表达， 从而合成大量有价值的外源蛋白。
.
参数相关耦合的定义
参数耦合相关是指各种直接参数、间接参数 以及实验室手工参数随着发酵过程的进行而 变化，并且参数间发生某种耦合相关。
这种参数相关是生物反应器中物料、能量或 信息传递、转换、以及平衡或不平衡的结果， 其微观因素也许只是发生在基因、细胞或反 应器工程水平的某一个尺度上，但最终会在 宏观过程中有所反映，这就为我们研究生物 反应器中不同尺度的数据关联分析方法提供 了线索。
中间代谢物 金属离子 脱氢酶活力 各种酶活力 细胞内成分 蛋白质 DNA RNA
生化反应过程中参数检测的复杂性
1)反应器上插入的传感器必须能耐热，经受高温灭 菌； 2)菌体以及其他固体物质极易吸附在传感器的表面， 使一些传感器的使用性能受到影响； 3)生物反应过程往往是耗氧的过程，故在反应器内 通气带来的气泡影响，往往对测量过程会造成干扰； 4）使用在反应器上的传感器，其结构必须防止杂 菌进入和避免产生灭菌死角，因而使传感器结构复 杂或使其检测性能产生变化； 5)生化反应过程中化学成分的分析往往是重要的检 测内容，但对其电信号的转换困难。
.
发酵过程参数检测技术要求越来越高
微生物学 生物化学 分子生物学 发酵工艺学 化学工程 现代控制理论 各种工程开发
参数检测 (自动或手工检测) 综合性研究：
在线计算机
定性和定量的描述
工业生产
——随着生物技术的快速发展，生化工程对传感技术、计 算机数据处理的要求越来越高，有望形成新的技术领域
.
（一）、 发酵过程的参数分类及检测
直接参数 通过传感器把非电量变化直接转化为电量变化，
实时地送计算机数据采集。物理参数、化学参数、 生物量参数就地测量(in line)、在线测量（on line）
手工参数:取样后实验室手工测量参数，离线输入。 间接参数:由一些直接参数计算得到的各种反映过程特性的
参数。反映菌体代谢活性、反应器工程特性、反应 器操作特性等。
----强调参数各自的时序变化，缺乏数据时序变化 之间的相关分析
.
发酵过程特性产生的原因
随着菌体生长和基质消耗，过程状态随时间变化的， 因此测量参数的时变性反映了发酵过程的时变系统特 征。
由于发酵过程多容量性和严重非线性特征，表现在过 程测量参数的离散性，主要是细胞代谢对环境因子的 高度敏感性和细胞代谢的不可逆性，有时还表现在基 因水平的启动和表达的影响，输入的初始条件极细微 的差别会产生结果的巨大变化，即发酵过程混沌现象。
由于对上述现象缺乏认识，更无法控制，也就描述为 测量参数的不确定性，应加强有关生物学机理的认识， 才能在产品的工业发酵生产上取得突破性进展。
.
好氧生物反应器供氧情况变化引起的变化
当降低搅拌转速时，供氧速率（OTR）下降必然引起溶解 氧浓度（DO）的下降，这是一个属于生物反应器系统中的 过程传递和混和问题