发酵工程原理与技术_江南大学-陈坚-第十六章固态发酵
江南大学发酵工程原理及技术考试样卷2
样卷2
一、填空（每空1分，共30分）
1，酒精发酵罐的冷却装置有、
和三种类型。
2，发酵罐上常用的轴封有和两种类型。
3，按细胞类型可将固定化细胞分为、和三种类型。
4，发酵产品的下游加工工艺过程可分为、、
和四个阶段。
5，发酵过程的主要控制参数主要分为、
和三种类型。
6，超临界流体萃取的流程有、和。
7，植物细胞大规模培养的方式有和。
8，细胞固定化的方法有、、
和。
10，质粒的不稳定性有和两种类型。
11，影响植物细胞培养的因素有和。
12，发酵过程中参数测定的方法和哪两种。
二、名词解释（每题4分，共20分）
1，分批发酵
2，物理密封
3，错流过滤
4，死角
三、简答题（每题4分，共20分）
1，大部分通风发酵过程都会产生泡沫，请问泡沫的形成对发酵过程有何不利影响？
2，简述影响超滤速度的因素。
3，简述动植物细胞培养与微生物细胞培养有何区别。
4，简述Monod方程与米氏方程的区别与联系。
5，搅拌器的轴功率
四、问答、计算题（每题10分，共30分）
1，按照产物生成与菌体生长是否同步，可将分批发酵分为哪两种类型，并用公式进行表述。
这种分类方法对实际生产有何指导意义？
2， 根据功率准数所表征的意义推导下式
3，请问下图中的管道连接方式有何不合理之处，为什么？请画出正确的连接方式
5
30
D N P P N ρ=。
发酵工程原理与技术_陈坚_思考题
发酵工程原理与技术_陈坚_思考题第一章的复习思考题1，发酵及发酵工程的定义2，发酵工程的特点3，发酵的分类4，发酵产品的类型5，微生物代谢产物的类型及其之间的关系6，发酵过程的组成7，发酵生产成立的条件8，发酵工业发展的阶段及大致年代9，和国际先进水平相比较，我国发酵工业的不足之处主要表现在哪些方面第二章的复习思考题1，微生物代谢调节和微生物代谢调控的概念2，为何要进行微生物的代谢调控3，微生物代谢调节的方式4，从本质上来说，微生物的代谢是通过哪两种方式来进行的5，酶合成调节的方式及其定义、机制6，酶活性调节的定义、方式7，有分支代谢途径的调节方式有哪些8，酶活性的调节机制可用什么理论来解释9，初级代谢的调节有哪几种方式10，次级代谢的调节方式11，提高初级和次级代谢产物产量的方法12，高浓度细胞培养的目的、原理、优点、方法及存在的问题第三章的复习思考题1，次级代谢和次级代谢产物的概念2，次级代谢产物的分类3，次级代谢产物的生物合成模式4，在微生物的氢代谢过程中，关键的酶是什么酶，它有哪些类型5，氢效应的概念及产生的原因6，二氧化碳固定的概念、方式、生理意义7，什么是卡尔文循环，它由哪几个部分组成第四章的复习思考题1，原料的定义及选择原则2，培养基设计的基本原则及如何进行培养基的设计3，为何要进行原料预处理及原料预处理的方法4，原料粉碎的目的和方法5，垂式粉碎机生产能力的计算6，干法粉碎和湿法粉碎工艺的比较7，原料输送的方法8，气流输送的原理、流程和优点9，颗粒在垂直管道和水平管道中悬浮输送的机理10，气流输送中常用除尘装置有哪几种11，淀粉原料水-热处理的定义及目的12，淀粉的膨胀、糊化和液化13，在淀粉的水-热处理过程中有哪些反应（变化）是我们所不希望的14，淀粉的酶法液化和糖化工艺常用到的酶有哪些及各自的作用专一性15，酶法液化的工艺有哪几种及各自的优缺点16，淀粉液化效果的标准17，淀粉糖化的定义和目的18，淀粉糖化的理论收率、实际收率和淀粉转化率的定义及计算19，DE值的定义20，淀粉糖化的工艺有哪几种，比较各自的优缺点21，糖蜜原料的来源、特点及常用的处理方法22，在发酵培养基中添加前提物质、抑制剂和促进剂为何能提高产物的产量第五章的复习思考题1，何谓培养基的灭菌，它和消毒有和区别2，常用的灭菌方法3，致死温度、微生物热阻的定义4，湿热灭菌的原理和优点5，从工程角度看，设计一个培养基的湿热灭菌过程首先要解决的问题是什么6，根据微生物的热死灭动力学方程和温度对微生物热死灭常熟（K）的影响，论述为什么采用高温短时间灭菌既有利于杀灭微生物又有利于减少营养物质的破坏7，间歇灭菌的成功的要素及注意事项8，常用的连续灭菌工艺有哪几种9，连续灭菌和间歇灭菌的比较10，影响灭菌的因素第六章的复习思考题1，何谓无菌空气，发酵工业对空气无菌程度的要求2，空气含菌量的测定方法3，空气除菌的方法有哪些、这些方法的原理和优缺点4，介质过滤除菌的定义，机理；过滤介质的类型5，常见的空气过滤除菌工艺流程的分析计算6，过滤效率、对数穿透律7，传统空气过滤除菌工艺中的主要设备有哪些8，新型的空气过滤器有哪些，有何优点9，空气贮罐的作用是什么，其大小如何确定第七章的复习思考题1，种子的扩大培养的定义。
发酵工程原理的概念
发酵工程原理的概念
发酵工程原理是指利用微生物进行发酵过程中的基本原理和规律。
发酵是利用微生物（如细菌、酵母、真菌等）在合适的环境条件下，通过代谢产生酶、酸、酒精、有机酸、氨基酸、酶解等多种化合物的过程。
发酵工程原理主要包括以下几个方面的内容：
1. 微生物的选择与培养：根据所需产物的特性，选择合适的微生物种类，并进行优化培养，保证微生物的生长和代谢能力。
2. 发酵底物的选择与加工：根据微生物的代谢途径和能源需求，选择合适的发酵底物，并对底物进行预处理，提高底物利用效率。
3. 发酵过程控制与调节：通过对发酵条件的控制和调节，如温度、pH值、氧气供应、营养物质浓度等参数的优化，保证发酵过程的顺利进行，提高产物的产量和品质。
4. 发酵产物的分离与提取：选择合适的分离技术，对发酵产物进行分离、提纯和浓缩，得到所需的纯净产品。
通过对发酵工程原理的研究和应用，可以实现高效、可控和可持续的生物生产过程，广泛应用于食品、医药、环保等领域。
发酵工程 原理与技术 第一章 陈坚PPT课件
传统诱变、 分子生物 学、组学
成本经济学 目的产物
q p/ h
qs / h-1
0
2.0
1.6
3t
2
1.2
0.8
底1 物消耗 E
0.4
0.4
2
t/ h
0.3
3
0.2 1
F
0.1 产物生成
0
0 10 20 30 40 50 60
广义的概念：生物学(微生物学、
生物化学)和工程学(化学工程) 狭义的发酵概念：微生物培养
泥
dewater
浓缩罐
Air com pressor Sludge disposal
生物修复
异位生物修复
原位生物修复
◆土著原位 22 ◆工程原位
发酵工程的现在－－研究的内容
1 微生物菌株选育→ →微生物菌株选育、改造与功能优化技术
微生物及其分 子的适应能力
发酵工程 的障碍
工业环境与自然 环境的巨大差异
寻找性能相近、廉价 、清洁、可再生的车 用替代燃料
用生物质发酵生产生物乙醇、 丁醇等！
•车用燃油占我国石油消费总量 的三分之一
•车用燃油消耗每年递增15-16%
• 2015年车用燃油消费量预计 将达到全国石油消费量的65%
21
发酵工程的现在－－解决的问题
环境问题：解决复杂环境问题的最经济有效手段
废水生物处理工程
4
生物技术与发酵工程
微生物菌株（自然分离）
诱变育种 杂交育种 基因工程
突变体
重组体
细胞工程
原料 淀粉、糖蜜、 纤维质原料、 高分子化合物
发酵：微生物培养和代谢 固定化细胞、酶 生化工程
葡萄糖及其它
第十六章--固态发酵
以基质的运动情况可分为两类： ①静态固态发酵反应器，包括浅盘式和塔柱式反应
器； ②动态固态发酵反应器，包括机械搅拌的筒柱式、
转鼓式反应器等。
第十六章--固态发酵
无论何种形式的固态发酵反应器，都必须考虑以下 问题：
①接种技术
②灭菌方式
③发酵基质的特性 ④供气手段
⑤参数的测量和控制 ⑥取样分析技术
（3）甑桶蒸馏 蒸馏是将发酵后的酒糟装入传统的甑桶中，蒸出的
白酒品质较好，这种蒸馏方式，不仅是浓缩分离酒 精的过程，而且是香味的提取和重新组合的过程。
第十六章--固态发酵
（4）多菌种发酵
固态发酵白酒的生产，在整个生产过程中都是开放 式操作，除原料蒸煮过程中起到灭菌作用外，空气、 水、窖池和场地等各种渠道多能把大量的、多种多 样的微生物带入到料醅中，与曲中的有益微生物协 同作用，产生出丰富的香味物质。
固态发酵难以实现工业化大规模生产的原因有：
①通风散热困难；②易染茵；③基质利用率低；④ 缺少固态发酵反应器设计和放大的统一标准；⑤缺 少完善的传质、传热数学模型；⑥检测手段不完备
等。
第十六章--固态发酵
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第六节 固态发酵的典型实例—白酒
一、白酒的发酵机理 其主要产物是乙醇，还含有占总量2%左右的其他香
消耗 工序，节能
耗能量大
固体培养基的水活度在0.99以下，
11
发酵 范围
适宜于在0.93~0.98的微生物生 长，限制了应用范围，同时也限
适用于大多数微生物生长
制杂菌生长
12
热 驱除
代谢热驱除比较困难，主要依靠 通过冷却水控制，不存在通气造成 通气蒸发冷却，易造成局部缺水 水分缺乏
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第四章培养基及其制备第一节原料一、原料的定义及选择（一）原料的定义从工艺角度来看，凡是能被生物细胞利用并转化成所需的代谢产物或菌体的物料，都可作为发酵工业生产的原料。
（二）选择原料的依据1，原料选择的原则选择淀粉质原料生产酒精时，从工艺的角度着眼，凡任何含有可发酵性糖或可变为发酵糖的原料，都可作为酒精生产的原料。
对于工业上大规模投入生产的原料，除了要提出工艺上的要求外，还要提出生产管理和经济上的要求，因此，在选择工业上大规模生产酒精的原料时，应考虑到下列诸条件：（1）因地制宜，就地取材，原料产地离工厂要近，便于运输，节省费用。
（2）要求原料内碳水化合物含量较多，蛋白质含量要适当，适合与微生物的需要和吸收利用。
（3）原料资源要丰富，容易收集。
由于酒精生产需要大量原料，要保证一定的库存量。
（4）原料要容易贮藏。
应考虑到新鲜原料内含水量多，不耐久藏，最好选择经，干燥后，含水极少的干原料，易与保藏，不宜霉烂。
（5）对人民的身体无寻损害，影响发酵过程的杂质含量因应当极少，或者几乎不含。
（6）原料价格低廉，可降低产品成本。
此外，还应当考虑到大力节约粮食原料，尽量少用或不用粮食原料，充分利用当地的非粮食原料，广泛利用野生植物原料，同时利用农林副产物和植物纤维原料，以及亚硫酸盐纸浆废液等，对于节约粮食原料有着重要意义。
另外，利用石油原料化学合成制造酒精，也是发展酒精的主要途径。
2，在确定原料选择原则时需注意的问题（1）所选用的培养基与所使用的发酵器的结构有关。
例如ICI公司因指定用甲醇和氨生产单细胞蛋白质而另行设计新的发酵罐。
同样的理由，在一个巳设定的发酵罐中，发酵必然会受到培养基组份改变的影响。
（2）从实验室规模放大到实验工厂规模，以至于放大到工业生产规模，都要考虑培养基的组份的变化。
（3）培养基的组成，除了考虑到菌体生长和产物的形成的需要外，还要考虑到培养基的pH变化、泡沫的形成、氧化还原电位和微生物的形态等，而且还有前体和代谢抑制剂的需要。
江南大学科技成果——传统发酵食品工艺机理解析与优化
江南大学科技成果——传统发酵食品工艺机理解析与优化成果简介
通过国家“十一五”科技支撑计划、863计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金及镇江市科技支撑计划的资助，解析我国优势传统发酵食品，如镇江香醋的功能性组份及其成因，探寻我国传统多菌种混合发酵过程中微生物群落结构与功能之间的关系，进而进行其功能优化调控。
创新要点
以原位分离出的功能微生物进行“生物强化”，调控产酸、产酯、改善产品品质、提高原料利用率、缩短发酵周期。
效益分析
通过“生物强化”新技术，取得显著降低食醋发酵周期（25%以上）及提高成品产率（10%以上）的效果。
推广情况
先后与江苏恒顺集团、安徽恒裕酿造有限公司、湖北灵乡食品有限公司等多家食醋酿造企业合作。
目前与泸州老窖合作开展国窖1573窖池酿造微生物多样性研究。
授权专利
一株高产3-羟基丁酮的地衣芽孢杆菌MEL09的筛选及应用，201010166969.8。
02【课堂笔记】《发酵工程》现代固体发酵技术部分
第一章微生物的现代发酵技术1.1固态发酵按照培养基物理性状的不同，分为固体发酵和液体发酵1)固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程2)液态发酵是以液相为连续相的生物反应过程固体发酵：微生物在固态培养基上生长和代谢的一种发酵方式。
是指没有或几乎没有自由水存在，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物进行的一个生物反应过程。
固态发酵（曲法培养）：分为浅盘固体培养和深层固体培养此法最大的特点是：酶活力高1.1.1固态发酵的特点1)热量传递困难2)存在明显的营养梯度3)并无大量有机废水产生4)氧气、二氧化碳扩散比较容易1.1.2固体培养的优点1)原料多是谷物和农业废物，来源广泛，成本低廉2)防止污染：霉菌在水分较低的基质表面可以增殖3)通气：使用循环的冷却增湿无菌空气调控温度1.1.3固液发酵的比较1.1.4传统固态发酵与现代固态发酵根据固态发酵过程中是否能实现限定微生物纯种培养，分为传统固态发酵与1.1.5固态发酵分类1.1.5.1按微生物的情况和形成的产品条件自然富集固态发酵强化微生物混合固态发酵限定微生物混合固态发酵单菌固态纯种发酵1.1.5.2按固态发酵固相的性质分类固体底物基质固态发酵惰性载体吸附固态发酵1.1.6适合固态发酵的微生物固态发酵的最佳微生物即为丝状微生物，即为真菌或放线菌1)能够利用多糖的混合物2)有完整的酶系3)能够深入到料层中，也能够穿入基质细胞内4)不容易孢子化5)生长迅速，染菌较少6)可以在含水量比较低的基质中生长7)能够耐受高浓度的营养盐8)耐受基质预处理中产生的苯类等有毒物质1.1.7固态发酵的界面作用意义1)提供给微生物生长繁殖的场所2)营养物质通过界面作用吸附在界面表面，供给微生物的生长利用。
1.2固态发酵反应器固态发酵的放映基质以固态形式存在，反应体系内的传递极其复杂。
包括气固、气液、液固等形式，气相是最主要的流动介质。
以基质的运动情况分类静态固态发酵反应器动态固态发酵反应器1.2.1静态固态发酵反应器包括浅盘式和塔柱式反应器;优点:结构简单，操作方便，放大问题小;缺点:由于发酵基质的相对静止，热量、氧气和其他营养物质的传递困难，从而导致基质内部温度、湿度、酸碱度和菌体生长状态的严重不均匀。
发酵工程原理与技术_江南大学-陈坚
第四章培养基及其制备第一节原料一、原料的定义及选择（一）原料的定义从工艺角度来看，凡是能被生物细胞利用并转化成所需的代谢产物或菌体的物料，都可作为发酵工业生产的原料。
（二）选择原料的依据1，原料选择的原则选择淀粉质原料生产酒精时，从工艺的角度着眼，凡任何含有可发酵性糖或可变为发酵糖的原料，都可作为酒精生产的原料。
对于工业上大规模投入生产的原料，除了要提出工艺上的要求外，还要提出生产管理和经济上的要求，因此，在选择工业上大规模生产酒精的原料时，应考虑到下列诸条件：（1）因地制宜，就地取材，原料产地离工厂要近，便于运输，节省费用。
（2）要求原料内碳水化合物含量较多，蛋白质含量要适当，适合与微生物的需要和吸收利用。
（3）原料资源要丰富，容易收集。
由于酒精生产需要大量原料，要保证一定的库存量。
（4）原料要容易贮藏。
应考虑到新鲜原料内含水量多，不耐久藏，最好选择经，干燥后，含水极少的干原料，易与保藏，不宜霉烂。
（5）对人民的身体无寻损害，影响发酵过程的杂质含量因应当极少，或者几乎不含。
（6）原料价格低廉，可降低产品成本。
此外，还应当考虑到大力节约粮食原料，尽量少用或不用粮食原料，充分利用当地的非粮食原料，广泛利用野生植物原料，同时利用农林副产物和植物纤维原料，以及亚硫酸盐纸浆废液等，对于节约粮食原料有着重要意义。
另外，利用石油原料化学合成制造酒精，也是发展酒精的主要途径。
2，在确定原料选择原则时需注意的问题（1）所选用的培养基与所使用的发酵器的结构有关。
例如ICI公司因指定用甲醇和氨生产单细胞蛋白质而另行设计新的发酵罐。
同样的理由，在一个巳设定的发酵罐中，发酵必然会受到培养基组份改变的影响。
（2）从实验室规模放大到实验工厂规模，以至于放大到工业生产规模，都要考虑培养基的组份的变化。
（3）培养基的组成，除了考虑到菌体生长和产物的形成的需要外，还要考虑到培养基的pH变化、泡沫的形成、氧化还原电位和微生物的形态等，而且还有前体和代谢抑制剂的需要。
发酵技术的原理和流程
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《发酵工程原理与技术》课程复习提纲及习题集
《发酵工程原理与技术》课程复习提纲及部分知识点[复习提纲]什么是发酵？发酵工程的发展历程？发酵的定义在合适的条件下利用生物细胞内特定的代谢途径转变外界底物生成人类所需目标产物或菌体的过程自然发酵时期 1.发酵工程的诞生 2.通气搅拌液体深层发酵的建立 3.大规模连续发酵以及代谢调控发酵技术的建立 4.现代发酵工程时期发酵工业常用的微生物及其特点。
①细菌：枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等②放线菌：链霉菌属、小单胞菌属和诺卡均属③酵母菌：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母 4.霉菌菌种的分离及保藏一稀释涂布和划线分离法二利用平皿中的生化反应进行分离三组织分离法四通过控制营养和培养条件进行分离一斜面保藏方法二液体石蜡油保藏法三冷冻干燥保藏法四真空干燥法五液氮超低温保藏法六工程菌的保藏菌种的退化及复壮菌种退化是指生产菌种或选育过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行转移传代或包藏之后，群体中某些生理特征和形态特征逐渐减退或完全丧失的现象退化的原因主要有基因突变连续传代以及不当的培养和保藏条件菌种的复壮通过人工选择法从中分离筛选出那些具有优良性状的个体使菌种获得纯化服装的方法一纯种分离二淘汰法三宿主体内复壮法微生物育种的方法有哪些？自然育种、诱变育种培养基的主要成分。
水、碳源、氮源、无机盐、生长因子、碳源及氮源的种类。
碳源种类：1、糖类2、醇类3、有机酸类4、脂肪类5、烃类6、气体氮源种类：1、无机氮源 2、有机氮源培养基的设计的基本原则？一根据生产菌株的营养特性配制培养基二营养成分的配比恰当三渗透压4ph值发酵工业原料的选择原则一因地制宜就地取材原料产地离工厂要近，便于运输节省费用二营养物质的组成比较丰富浓度恰当能满足菌种发育和生长繁殖成大量有生理功能菌丝体的需要更重要的是能显示出产物合成的潜力三原料资源要丰富容易收集四原料药容易储藏五在一定条件下理化性质要相对稳定六生产过程中既不影响通气与搅拌的效果又不影响产物的分离精制和废物处理七对身体无损害八原料价格低廉可降低产品成本培养基及设备的灭菌方法有哪些？一加热灭菌二过滤灭菌三紫外线灭菌四化学药物消毒与灭菌五熏蒸消毒空气中的微生物有哪些？有较强耐受恶劣劣环境能力的霉菌孢子或细菌芽孢空气的洁净度是如何表示的？什么是无菌空气？无菌空气使除菌后的空气微生物含量达到一个很低的水平如何制备无菌空气？一热灭菌二辐射灭菌三静电吸附四介质过滤生物反应器的类型及设计要点？根据反应器的操作方式：分为间歇操作、连续操作和半间歇半连续操作。
江南大学发酵工程原理及技术考试样卷1
样卷1一、填空（每空1分，共30分）1，工业上的发酵产品分为菌体、代谢产物、微生物酶和生物转化产品四个类别。
2，从本质上来说，微生物代谢是通过酶量调节和酶活性调节两种方式来进行调节的。
3，根据对氧需求的不同可将发酵分为通风发酵和厌氧发酵两种类型。
4，根据产物合成途径，我们可将次级代谢分为与糖代谢有关的类型、与脂肪酸代谢有关的类型、与萜烯和甾体化合物有关的类型、与TCA环有关的类型和与氨基酸代谢有关的类型五种类型。
5，卡尔文循环由羧化、还原和再生三个阶段（部分）组成。
6，发酵厂用于原料除杂的方法有筛选、风选和磁力除铁。
7，种子的制备可分为实验室种子制备和车间种子制备两个阶段。
8，空气除菌的方法有加热、静电、射线和介质过滤。
10，常用的连续灭菌工艺有喷射加热、薄板换热器和喷淋冷却。
11，氢化酶是氢细菌进行无机化能营养方式生长的关键酶，在多数氢细菌中有两种氢化酶，它们是颗粒状氢化酶和可溶性氢化酶。
二、名词解释（每题4分，共20分）1，发酵工程应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。
2，无菌空气发酵工业应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。
此种空气称为“无菌空气”。
3，种子的扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，在经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。
这些纯种培养物称为种子。
4，酶合成的阻遏某些酶在微生物生长时可正常地产生，但当生化途径的终产物浓度增加时或向生长培养基加入这种终产物时，酶的合成就被阻遏。
这种低分子量的终产物(辅阻遏物)被认为是同胞内由调节基因编码的蛋白质(阻遏蛋白)结合，产生一种阻遏物，该阻遏物“关闭”对酶编码的结构基因。
这样的酶称为可受阻遏的酶。
阻遏酶合成的物质称为阻遏物。
发酵工程原理与技术课件
•发酵工程原理与技术
•44
特殊变异菌的筛选方法
营养缺陷型突变株 抗阻遏和抗反馈突变型 组成型突变株 抗（敏感）性突变株
•发酵工程原理与技术
•47
高丝氨酸缺陷菌生产赖氨酸
必需氨基酸 食品、医药、畜牧业需要量很大 但在代谢过程中，一方面赖氨酸对天冬氨酸激酶有反馈抑制， 另一方面还同时生成苏氨酸和甲硫氨酸，使赖氨酸不能在细 胞内累积 高丝氨酸缺陷菌（不能合成高丝氨酸脱氢酶，补充适量高丝 氨酸）则合成大量赖氨酸
2
3
2
1
3 2
对照(HC0 =HC1+ HC2 + HC3) 诱变
3
•发酵工程原理与技术
( HC1＞ HC0 能力增强)
( HC2＜ HC0 能力减弱) ( HC3= HC0 能力不变)•42
•发酵工程原理与技术
•43
诱变后的突变株会继续变异，低单位菌株在传代过程 中往往占优势，因此复筛中常常出现产量高低不稳的状态， 必须进行自然分离—诱变育种和杂交育种必须环节。
•发酵工程原理与技术
•21
自然选育
自然选育：利用菌种自然突变(Spontaneous Mutation)进 行菌种筛选的过程。 自然突变：微生物在没有人工参与下所发生的突变。 引起自然突变两个原因：多因素低剂量的诱变效应和互变 异构效应。
•发酵工程原理与技术
前进
•22
自然突变
多因素低剂量诱变效应：自然突变实质上是由一些原 因不详的低剂量诱变因素引起的长期综合效应，如宇宙 空间各种短波辐射、自然界中普遍存在的一些低浓度诱 变物质以及微生物自身代谢活动中所产生的一些诱变物 质(如H2O2)的作用等。
固态发酵工艺ppt
气态环境和氧气传递
• 氧的传递,主要指需氧的固态发酵而言。由于微生物的生长,在固体 表面形成菌膜并使基质结块,基质被代谢而变粘,因而随着微生物的 生长,可能造成基质内局部区域缺氧而影响生长。另外基质的高含水 量或使用较细的基质料,也会影响基质内氧的传递。为了防止基质内 缺氧和增加基质内氧的浓度,促进微生物生长,通常采用通风、搅拌 或翻动来增大氧的传递。通风是最常用和有效的方法,除可以增加氧 的传递,还有利于热交换。翻动或搅拌虽可防止物料结块,并且利于 热交换,但过分的翻动或搅拌影响菌体与基质的接触,并可能损伤菌 丝体,使水分蒸发过多而使物料变干,抑制菌体生长。生产中可将以 上2 种方式结合起来使用。此外增加氧传递的常用方式还有: (1) 采用较薄的基质层;(2) 使用多孔的、较粗的利于氧传递的疏松性材 料作基质填充料,如稻壳等; (3) 使用带孔的培养盘; (4) 采用低含 水量的物料,中间补水。
工艺控制参数
温度
pH值
湿
度
工艺控制参数
物料含水量
气态环境和氧 气传递
温度
• 温度是影响微生物生长的重要因素,直接关系到发酵过程的正常进行 和最终产品的生成。固态发酵中,微生物生长初期要达到一定的温度, 才能保证其正常生长。然而微生物在生长和代谢过程中需要释放大 量的热量,尤其是在发酵前期,菌体生长旺盛,麸曲的温度(俗称“品 温”) 上升很快,有时高达2 ℃/ h 左右。显然,这些热量如果不及 时排除,菌体的生长和代谢就会受到严重影响,有时甚至会造成“烧 曲”,菌体大量死亡,发酵彻底失败。但菌丝体生长旺盛尤其在对数 生长期,造成物料大面积板结,加之固态发酵中没有自由流动相,导热 性能差,单位距离上存在很大的温度梯度,有时高达3℃/ cm,不利于 微生物的生长和产酶,必须通过通风降温、喷淋无菌水及翻曲等手段 使热量及时散发。如果生产处于夏季,降温困难(尤其在我国南方,夏 季气温高,空气湿度大) ,采用短时间液氨制冷或空调制冷来降温也 是可取的。
固态发酵反应器的认知与操作—固态发酵概述
③固态发酵中培养基提供的与气体的接触面积 要比液体深层发酵中与气泡的接触面积大得多， 供氧更充足，同时，空气通过固体层得阻力较 小，能量消耗低；
④使用固体原料，在发酵过程中，糖化和发酵 过程同时进行，简化操作工序，节约能耗；
⑤高底物浓度可以产生高的产物浓度；
⑥由于产物浓度高，提取工艺简单可控，没有 大量有机废液产生，但提取物含有底物成分；
固态发酵的分类
（1）固态发酵 的分类
①依据固态发酵过程中是否能实现限定微生 物纯种培养，分为传统固态发酵与现代固态 发酵。现代固态发酵是为了充分发挥固态发 酵的优势，针对传统固态发酵存在的问题， 使之适应现代生物技术的发展而进行的，可 以实现限定微生物的纯种大规模培养
②固态发酵可以以许多不同的形式进行，按照 使用的微生物的情况和形成的产品条件不同， 固态发酵可分为自然富集固态发酵、强化微生 物混合固态发酵、限定微生物混合固态发酵和 单菌固态纯种发酵。
固态发酵应用具有巨大的潜能、但与液体发酵 研究相比，固态发酵在传质、传热等方面缺乏 有效的研究，难以实现工业化大规模的生产。 其原因主要为：通风散热困难；易染茵；基质 利用率低；缺少固态发酵反应器设计和放大的 统一标准；缺少完善的传质、传热数学模型； 检测手段不完备等。
固态发酵反应器的类型
（1）固态发酵反 应器的类型
迄今为止已有许多类型的固态发酵反应器问 世（包括实验室、中试、工业生产规模）。 目前大约有九种不同形式的工业规模的固态 发酵反应器：转鼓式、木盒式、加盖盘式、 垂直培养盒式、倾斜接种盒式、浅盘式、传 送带式、圆柱式、混合式等。
以基质的运动情况则可以分为两类：①静态固 态发酵反应器，包括浅盘式和塔柱式反应器； ②动态固态发酵反应器，包括机械搅拌的筒柱 式、转鼓式反应器等。
固态发酵技术
• 氧气和其它非极性气体的溶解度和扩散性较好。
• 霉菌的固体培养，比液态培养更容易产生孢子。 • 某些霉菌，在固态培养状态下，产生的酶更多，次 级代谢产物的产率更高（如青霉素，赤霉酸）。
• 固体培养，菌体量的测定比较困难。
• 有的固态发酵产品，无需提取纯化，直接可用于生 产或直接使用。 • 相对于液态发酵来说，传统固态发酵方式，能量消 耗低，生产成本低；大多没有废水排放，但有时会 有大量的固态废渣。 • 传统固态发酵手工操作较多，故劳动强度大。
固态发酵和液态发酵的比较
项目 培养基质水分 低 含量 水活度 培养基 较低的水活度，杂菌 因此而不易生长 原料种类少，但成分 不完全明确，无机盐 种类要求不多； 培养基体积浓度高， 高基质浓度导致产品 浓度高，故体积生产 率高， 固态发酵 高 水活度高，许多微生 物都可生长 多种纯度高，化学物 质明确的组分配合而 成， 培养基体积浓度较低， 故体积生产效率较低； 高基质浓度导致流体 流变学的问题，需要 流加培养 液态发酵
本章主要内容
• 1 固态发酵概述
• 2 固态发酵的基本过程 • 3 固态发酵的应用
1 固态发酵概述
• 1.1 固态发酵定义
• 1.2 固态发酵特点 • 1.3 固态发酵技术简史
各种固态培养的酒曲
例：红曲米固态发酵
右图：通风池式 下图：浅盘式
1.1 固态发酵的定义
• 固态发酵过程定义：微生物在几乎没有游离可 流动水的培养基质上的生长过程及生物反应过 程。
发酵工程原理
绪 论
发酵工程
二、微生物工程的发展史 1.自然发酵时期；经验操作 2.纯培养技术的建立 绪 论 厌氧发酵工程技术逐渐发展，该期产品如丙 酮等。 3.通气搅拌的好气性发酵工程技术的建立， 抗生素工业开始，有机酸、酶制剂、维生素、 激素等产品的问世。
发酵工程
4.人工诱变育种与代谢控制发酵工业技术的建 立；上个世纪60年代，氨基酸微生物工业发酵 技术建立，这是在分子生物学发展的基础上实 现的，这表明遗传工程技术在发酵生产中得到 应用。人工诱变育种代谢控制发酵工程技术的 建立，是微生物工程发展的一个转折时期。 5.发酵动力学、发酵过程的连续化、自动化工 程技术的建立； 目前，发酵工程的全部基本参数：如温度、pH 值等均能自动记录并能自动控制。
绪 论
发酵工程
七、《发酵工程原理与技术》的任务和内容 任务：从微生物工程范畴出发来阐明厌氧性 发酵与好气性发酵过程及产品提纯的工艺原 理； 用这些基本理论去分析、解决微生物工业中 存在的具体问题，提高产品质量和数量；
绪 论
发酵工程
通过学习，应初步掌握： ①优良菌种选育； ②合理控制发酵条件，调节代谢途径（增加 前体物质或抑制物质）； ③生产过程连续化、自动化； ④探求新工艺、新设备； ⑤从事微生物工程的研究和设计能力； 主要内容：发酵机理、代谢控制、发酵产物 提纯
绪 论
发酵工程
1.发酵产品的生产特点： ①一般操作条件比较温和； ②原料以淀粉、糖蜜等为主； ③过程反应以生命体的自动调节方式进行； ④能合成复杂的化合物如酶、光学活性体等； ⑤能进行一些特殊反应，如官能团导入； ⑥生产产品的生物体本身也是产物； ⑦生产过程中，需要防止杂菌污染； ⑧通过菌种性能的改变，从而获得新的反应性 能或提高生产率；
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混合发酵
限于传统发酵食品的生产
扩大了固态发酵的应用范围 操作能耗低，设备投资小，劳动强度
增加了操作能耗，设备投资大 大
需要无菌处理发酵原料
可直接利用粮食和纤维素原料，价格 低廉
适宜于分离纯化高附加值产品 一般产品后处理简单，可直接烘干
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第二节 固态发酵的分类
• 按微生物的情况和形成的产品条件不同分类 – 自然富集固态发酵 – 强化微生物混合固态发酵 – 限定微生物混合固态发酵 – 单菌固态纯种发酵。
质过程； – 搅拌过程中剪切效果。
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1，气体与固体培养基颗粒间的传质
• 在固态发酵中，最重要的颗粒间传质是氧从 基质空隙向微生物的转移。空隙部分在基质 内大小由基质本身的性质(如多孔性)、颗粒 大小和含水量所决定。有时为了增加基质的 空隙率，可以专门添加诸如谷壳之类的疏松 材料以利于通气。基质的含水量也与氧向空 隙的转移紧密相关，因为过多游离水妨碍空 气的流动。对一定的空隙率来说，氧在颗粒 间转移可由搅拌相通气来实现，定时翻醅、 间歇或连续通风都是经常使用的方法。
bread
don’t worry, in another year it will be gone
Hein de Kort 1
本章的主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
概述 固态发酵的分类 固态发酵反应器 影响固态发酵过程的主要参数与控制 固态发酵的应用
2
第一节 概述 固态发酵(SSF)
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2，颗粒内氧的扩散
• 在物料性质一定的情况下，颗粒内部的 溶氧水平与颗粒半径的大小有关，并存 在一个临界半径，在该半径以内的部分 ，溶氧水平接近为零，好氧微生物在此 半径以内不能正常生长。颗粒内部菌丝 顶端的供氧问题，是固态发酵中比较关 键的传递过程，目前仍没有切实可行的 解决方法，氧在这样复杂的真菌-基质 颗粒内的扩散动力学还远没有被认识。
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• 按固态发酵固相的性质分类
– 以农作物(如麸皮、豆饼等)为底物的 固态发酵方式
– 以惰性固态载体为固态发酵过程中的 固相的固态发酵方式（惰性载体吸附 固态发酵）
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第三节 固态发酵反应器
一、浅盘式固态发酵反应器
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二、转鼓式固态发酵反应器
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三、旋转圆盘式固态发酵反应器
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柱 式 固 态 发 酵 反 应 器
9
固态发酵与液态发酵的比较
优点
1.培养基含水量少，废水废渣少，环境污 染少 ，容易处理。
2.能源消耗量低，供能设备简易。 3.培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得
，价格低廉。 4.设备和技术较简易，较低的投资。 5.产物浓度较高，后处理较方便。
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固态发酵与液态发酵的比较
缺点 1.菌种限于耐低水活性(aw)的微生物，菌
• 由于固态发酵反应器内部传热和传统夹 套散热的局限性，传热问题是固态发酵 过程中最大的障碍。
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3，解决措施
• 强制通风； • 冷凝蛇管或夹套冷却。
通气、温度、湿度控制相耦合
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三、通气与传质过程
• 微观过程：传质过程发生在发酵微生物细 胞水平上。
• 宏观过程：
– 空气进入和排出生物反应器的过程； – 空气流动而发生的自然对流、扩散过程 ； – 在生物反应器壁内与周围环境之间发生的传
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• 国内药用真菌固态发酵生产工艺现有两 类：
– 有渣型：用甘蔗渣、玉米芯、麦麸、米糠 等作为基质，接种、发酵，经热水、乙醇 等提取成分后制剂的工艺。
– 无渣型：用玉米粉发酵后直接烘干制剂的 工艺。
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环境
• 固体废弃物的固态发酵 • 土壤固态修复
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固体废弃物的固态发酵
• 固体废物是人们在生产建设、日常生活 和其他活动中产生的，在一定时间和地 点无法利用而被丢弃的污染环境的固体 、半固体废物。主要包括生活和生产过 程产生的残渣，例如城市生活垃圾、工 业生产废渣、农副产品加工残余等；也 包括废水少物处理过程中的剩余污泥， 过滤、沉淀等分离到的固体物等。
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生物肥料
• 微生物肥料又称菌肥、接种剂，是一种以微 生物生命活动使农作物得到特定肥料效应的 微生物制剂。它的肥料效应一般认为是广义 的，不仅仅是营养物质方面，也包括了对作 物生长刺激、调控，协助作物吸收水分以及 由于接种微生物在作物根际的广泛生长而降 低或抑制有害微生物的存活，表现出减轻一 些病(虫)害的效用。
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豆腐乳
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豆豉
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二、酶制剂
• 淀粉酶 • 纤维素酶 • 蛋白酶
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淀粉酶
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三、农业
• 生物农药 • 生物肥料 • 生物饲料
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生物农药
• 生物农药又称生物源农药，一般是指直 接利用自然界有益的生物或从某些生物 中获取的具有杀虫、防病等作用的生物 活性物质。人体直接摄入这类产品不产 生危害，人体可以对其分解利用。这类 物质进入生物圈后，极易被阳光或环境 微生物分解，因而不产生公害。
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控制措施
• 在培养基中添加缓冲液； • 用脲而不用铵盐作为主要氮源。许多
情况下则是靠固态物料强大的缓冲能 力来维持的。
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第五节 固态发酵的应用
• 传统食品 • 酶制剂 • 农业 • 医药 • 环境 • 生物冶金
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一、传统食品
• 酒曲 • 酱油曲 • 豆腐乳 • 豆豉
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酒曲
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酱油曲
充足的水环境； • 影响微生物对氧的利用。
微生物能否在底物上生长取决于该基质的水活 度αw，它与底物的含水量W有关。
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• 底物的性质、最终产物的类型及微生物 的需求共同决定底物含水量的水平
– 细菌要求水活度0.9~0.99； – 酵母菌要求水活度0.8~0.9； – 真菌和少数酵母菌要求水活度0.6~0.7。
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1，固态发酵过程中热量传递过程
• 固体培养基颗粒内热量的传递过程； • 热量在颗粒表面到颗粒间气相的传递 。
如果没有强制通风，热量从固体培养基 表面到气相的传递主要以热传导的方式 进行。
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2，存在问题
• 由于固态基质多为有机质，导热性能差 ，没有自由流动的液相，导致在固态发 酵过程中热量传递困难。料层内存在着 较大的温度梯度，因而不利于微生物的 生长和产酶。
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3，氧气从气相主体到微生物的传 递过程
• 固态发酵没有自由水。微少物直接从空 气中汲取氧。但很多操作因素与培养基 特性影响氧的传递速率，如空气压力、 通气率、基质的空隙率、料层厚度、基 质湿度、反应器几何特征及机械搅拌装 置的转速等。基质表面湿度足以形成一 层液膜，是传质的控制因素。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4，改善传质状况的措施
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• 影响固态发酵过程的主要参数有：
– 温度 – 湿度 – pH值 – 气相组成
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一、湿度与水活度
• 含水量
W
=
物料湿重 − 物料干重 物料湿重
• 水活度
αw
=
p pa
p：为湿料饱和蒸汽压
p
：为同样温度下纯水饱
a
和蒸汽压
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1，水对固态发酵的影响
• 水对物料的理化性质有复杂的影响； • 水在固态发酵中为微生物生长提供营养
– 利用来源广泛的废弃物、矿物、纤维素及糖 类资源培养的微生物菌体蛋白。
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• 药用真菌
– 猴头菌 – 蜜环菌
医药
猴头菌
蜜环菌
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• 药用真菌固体发酵的历史，可追溯到约 2500年前中药神曲的制作，此后很长的 历史时期内没有什么新发展。直到20世 纪70年代，才有猴头、亮菌等新品种出 现。发酵时多采用农副产品为基质，较 适用于能耐受湿度较低的丝状真菌。
Aspergillus oryzae on
wheat
4
为什么要利用固态发酵?
• 产品品质较高 • 较高的产率或产品浓度 • 下游处理比较方便，廉价 • 较少的废水排放 • 稳定的固态副产物 • 发酵技术成本较低
5
固态发酵的特点
• 在固态发酵中，微生物是在接近于自然 条件的状况下生长，有可能产生一些液 体培养中不产生的酶和其它代谢物。
第十五章 固态发酵
从传统手艺到科学技术
I bought this bread a year ago
what a glorious moment ...
but look ... it has little green
hairs !
ah ... the wonders of
nature
actually, I don’t like
种选择性少。 2.发酵速度慢，周期较长。 3.天然原料成分复杂，有时变化，影响发
酵产物的质和量。 4.工艺参数难测准和控制。 5.产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大
。
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现代固态与传统固态发酵的比较
现代固态发酵
传统固态发酵
在密闭的固态发酵反应器中进 在极为简单的发酵容器中或敞口式固
行
态发酵
采用单一菌株纯种或限定菌株 基本是自然富集发酵或强化菌种发酵
Photograph Bavaria
传统
霉菌发酵干酪, 蘑菇栽培, 发酵香肠, ...
工业化 air
食品及饲料用酶制剂 酱油, 制麦, 蘑菇菌丝体, 控制有害物真菌, ...
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What is Solid-State Fermentation（SSF）?
• Solid-State Fermentation is the cultivation of micro-organisms on moist solid raw materials, such as grains, beans or wheat bran. This is an alternative to the cultivation of micro-organisms in liquid nutrient broths (submerged fermentation), which is the work horse of the fermentation industry in the West.