第五章发酵工艺控制
发酵工程第5章发酵工艺控制
缺点 如果考察的条件多，实验时间会比较长，各因 子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性。
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和
分析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设 计、均匀设计、响应面设计。 优点 同时进行多因子试验。用少量的实验，经 过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更 准确，大大提高了实验效率。 缺点 对于生物学实验准确性要求高，因为实验 的最佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实 验中存在较大的误差就会得出错误的结果。
厌氧发酵 需氧发酵 兼性厌氧发酵
液体发酵（包括液体深层发酵）
按培养基的物理性状
浅盘固体发酵
固体发酵
深层固体发酵（机械通风制曲）
以纯种好氧液体深层发酵为典型探讨发酵工艺控制。
一、发酵过程主要特征
（1）微生物是发酵过程的主体，是灵魂 （2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反应 体系
（3）发酵过程是非常复杂的反应过程
带pH测控与补料控制的摇床
（2）代谢及工程参数层次研究：
一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试 验的基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法 考察的参数，以及在反应器中微生物对各种 营养成分的利用速率、生长速率、产物合成 速率及其它一些发酵过程参数的变化，找出 过程控制的最佳条件和方式。由于罐发酵中 全程参数的是连续的，所以得到的代谢情况 比较可信。
供氧、排泄废气、提高KLa 物料混合、提高KLa 反映搅拌情况、KLa 反映菌的生长、KLa 反映菌的生长情况
反映发酵代谢情况
反映供氧效率
42
参数名称
pH 基质浓度 溶解氧浓度 氧化还原电位 产物浓度 尾气氧浓度 尾气CO2浓度 菌体浓度 RNA、DNA含量 ATP、ADP、AMP NADH含量 摄氧率 呼吸强度 呼吸商
发酵工艺控制实验报告
发酵工艺控制实验报告
实验目的
1. 了解发酵工艺在食品生产中的重要性；
2. 掌握发酵过程的控制方法；
3. 分析不同控制变量对发酵过程的影响；
4. 通过实验数据分析，提出合理的控制策略。
实验器材和药品
1. 发酵罐
2. 控制系统
3. 发酵液样品
4. 酵母菌
5. 葡萄糖
实验原理
发酵是一种生物过程，利用微生物的代谢活动将底物转化为更有用的产物，例如酒精、醋酸和乳酸等。
发酵过程需要控制多个变量，包括温度、pH值、反应物浓度和搅拌速度等。
合理地控制这些变量可以提高发酵效率和产物质量。
实验步骤
1. 准备工作：清洁发酵罐和控制系统，确保无杂质。
2. 酵母培养：将酵母菌接种到适当的培养基中，培养至活跃状态。
3. 发酵液配置：将适量的。
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。
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。
精品课件
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：
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
发酵工艺学第五章
（二）恒化连续培养
恒化器（chemostat或bactogen）是使培养液流
速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率 条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。它通过控 制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子
这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投
入的基质量减去残留的基质量。 转化率：指投入的原料与合成产物数量之比。
2．基质比消耗速率 (qs ，g/g菌体· h)：指单位时间内每克菌体消耗营养物 质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。
在比较不同微生物的发酵效率上这个参数很有用。
3．产物比生产速率 (qp，g(或mo1)／g菌体· h)：指单位时间内每克菌体合 成产物的量。它表示细胞合成产物的速度或能力
（细菌的生长速率取决于限制性因子的浓度，并低于最高生长速率）
通过控制流速可以得到生长速率不同但密度基本恒定的培养物 多用于科研
遗传学：突变株分离；
生理学：不同条件下的代谢变化；
生态学：模拟自然营养条件建立实验模型；
的条件下达到的，因而可称为外控制式的连续培养装
置。
使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高
生长速率下进行生长繁殖。
限制性因子必须是机体生长所必需的营养物质，如氨基酸
和氨等氮源，或是葡萄糖、麦芽糖等碳源或者是无机盐，
因而可在一定浓度范围内能决定营养物质控制在较低的浓度， 以作为限制性因子，而其他营养物均过量。
Temperature Fermentation time (h)
Flow Rate Control 流量控制
第五章-发酵过程控制ppt课件(全)
第一节 发酵方式
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。
广义发酵：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。
分批培养的特点是操作简单，易于掌握，是最常见的操作方 式。
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
分批培养中的微生物的典型生长曲线
停滞期（Ⅰ）
停滞期（Ⅰ）： 刚接种后的一段时间内，细胞不生长，细胞 数目和菌量基本不变。
第五章 发酵过程及控制
学习目标
知识目标 能陈述发酵过程的影响因素（温度、溶氧、pH等）； 能陈述不同发酵方式的理论及异同及优劣； 掌握发酵动力学的有关原理、发酵器的分类及发展趋势。 能力目标 能够找出发酵最适宜条件，并采取相应控制措施； 能够进行发酵终点判断； 能够进行发酵过程重要检测；
三、产物形成动力学
产物形成与生长的关系 细胞生长与代谢产物形成之间的动力学关系决定
于细胞代谢中间产物所起的作用。描述这种关系的 模式有三种，即生长联系型模式、非生长联系型模 式和复合型模式。 （1）生长联系型模式 （2）非生长联系型模式 （3）复合模式
四、生长得率与产物得率
1.生长得率和产物得率的定义 生长得率：消耗每单位数量的基质所得到的菌体，
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。
生化工艺 第五章发酵过程及控制 第四节发酵过程检测和自控
第四节 发酵过程检测和自控
2．尾气分析 尾气分析能在线、即时反映生产菌的生长情况。通 风发酵尾气中pH的减少和CO2的增加是培养基中营养物质 好氧代谢的结果。这两种气体（CO2 、O2）的在线分析所 获得的耗氧率（ OUR）和CO2释放率（CER）是目前有效 的微生物代谢活性指示值。目前主要有红外CO2分析仪 (IR)、热导式气相色谱法（GC）、CO2电极法、质谱仪等。 IR和电极法较为常用。O2分析仪有顺磁氧分析仪、极谱 氧电极和质谱仪。
第四节 发酵过程检测和自控
3．发酵液成分分析 发酵液成分的分析对于认识和控制发酵过程也是十分 重要的。高效液相层析(HPLC)具有分辨率高、灵敏度好、 测量范围广、快速及系统特异性等优点。目前已成为实验 室分析的主导方法。但进行分析前必须选择适当的层析柱、 操作温度、溶剂系统、梯度等，而且样品要经过亚微米级 过滤处理。与适当的自动取样系统连接，HPLC可对发酵液 进行在线分析。
第四节 发酵过程检测和自控
由生物化学性质可得到呼吸活动及糖代谢等信息， 这对了解发酵的代谢途径是很重要的。通过计算机可确 定碳平衡的变化，运用寄存数据可得细胞产量。采用不 同的底物并将计算得到的细胞产率和有机能量产率加以 比较，可能反映出有机化合物的分解代谢机制。这些变 量之间的关系将有助于阐明发酵过程的主要代谢途径以 及发酵生产的效率。
第四节 发酵过程检测和自控
③最优控制 最优控制是指根据生产情况，随时改变某些参数给定 值，以达到生产过程的最优化控制。最优控制常用观察指 标：最高产量、最优质量、最佳经济效益等。最优化控制 时，根据生产过程的变化情况，改变其中某些参数给定值， 使产量达到最大。 使用计算机对发酵过程中的有关参数进行数据分析， 可深入了解发酵过程的物理、化学、生理和生化条件，指 导生产，调整操作参数，获取新的信息。否则这些条件或 者无从了解或者由于测定或计算费事、费时而只能在事后 才能加以测定。
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。
第五章柠檬酸发酵工艺
适合任何精制淀粉， 所得的糖化液过滤性 能好
有副反应生成有色物 及复合糖类，淀粉转 化率低，糖液质量差， 糖化液中含有微量醇 和不溶性糊精
淀粉乳浓度30%， pH6.5，Ca2+ 0.01 mol /L,液化温度85~ 90℃，30~60min液 化DE值15~18%
设备要求低，操作容 液化效果一般，经糖
淀粉液化的方法
1、酸法：以强酸为催化剂，高温、高
压条件下进行，液化程度较难掌握
2、酶法：采用α-淀粉酶，在中性溶液中，
常温、常压条件下进行，液化程度容易掌握。 此法适应于柠檬酸工业。
3、机械液化：不使用催化剂，使淀粉浆
喷射入一个旋转的蒸汽加热器中，受热淀粉 立即糊化，在强烈的机械剪力的作用下，使 淀粉分散。不破坏淀粉颗粒表面和结晶结构。
❖ 淀粉的液化实质上是在淀粉颗粒因 受热吸水膨胀、糊化破坏了其结晶结 构之后进行的，这是因为淀粉颗粒对 于酶作用的抵抗力较强，很难直接液 化。例如：细菌α-淀粉酶水解淀粉和 水解糊化淀粉速度比为1：20000，因 此淀粉乳糊化是酶法液化的第一个重 要的步骤。
淀粉在常温下不溶于水，但当水温至53℃ 以上，淀粉的物理性能发生明显变化。淀 粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液 的特性，称为淀粉的糊化。
➢ 通蒸汽进喷射器、保温系统，待出口温度达 90℃以上时，打开浆料回流阀，开始将浆料泵 入喷射器进行液化，出料口温度达到95-97℃ 时，关小回流阀，料液进入层流罐，在9095℃条件下，维持30-60分钟；
➢ 然后进行二次喷射，料温达到140-145℃，进 入维持罐维持3-5分钟后，经闪冷器迅速降温后 落入二次液化罐中，加余下的1/3淀粉酶，在 90 ℃左右维持30分钟，碘检查无蓝色反应，然 后用稀酸调pH至4.8-5.2，趁热过滤去渣。调整 好氮源之后，经连消或实消后发酵。
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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4、连续培养
发酵过程中一边补入新鲜料液一边放出等量的发 酵液，使发酵罐内的体积维持恒定。
达到稳态后，整个过程中菌的浓度，产物浓度， 基质浓度都是恒定的。
连续培养的优缺点
优点：控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发 酵周期长，得到高的产量。
缺点 ：菌种不稳定的话，长期连续培养会引起菌 种退化，降低产量。长时间补料染菌机会大大增 加。
溶解氧是好氧发酵的必备条件，通常用饱和百分度
表示。
第五章发酵工艺控制
（5）产物浓度（µg（u）/ml） 检验发酵是否正常与否的重要参数， 是决定发酵周期长短的根据.
第五章发酵工艺控制
3. 生物参数 （1）菌丝形态 菌丝形态是衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发
酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之一。 （2）菌体浓度 菌体浓度是控制微生物发酵的重要参数之一。生产
第五章发酵工艺控制
实验室，小试 中试
中试或生产 生产 生产
（5）空气流量（m3空气/（m3发酵液·min）） 单位时间内单位体积发酵液里通入空气的体积，一
般控制在0.5～1.0（m3空气/（m3发酵液·min）） （6）粘度（Pa·s） 细胞生长或细胞形态的一种标志，反映发酵罐中的
菌丝分裂情况，表示菌体的浓度。
第五章发酵工艺控制
分批培养中微生物的生长规律
迟滞期
对数生长期
稳 定期
第五章发酵工艺控制
死亡期
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。
对数生长期：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，对于初级代谢产物，在对数生长期初期就开始 合成并积累，
第五章发酵工艺控制
2. 化学参数
（1）pH （酸碱度）
发酵工艺重要的参数之一，与菌体生长和产物合成 有密切关系。包括起始pH ，发酵发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的浓度，对菌 体的生长和代谢合成有重要影响，是产物代谢控制 的重要手段。
（3）溶解氧浓度（饱和度，％）
上，常常根据菌体浓度来决定补料量和供氧量，以 保证生产达到预期水平。
第五章发酵工艺控制
2 . 温度的影响及其控制
一、温度对发酵的影响
（1）影响微生物各种酶催化反应的速度 微生物可生长的温度范围较广，总体说在-10—95℃。
在生物学范围内温度每升高10℃，生长速度通常就加快 一倍；温度每升高10℃酶反应速度增加2～3倍； 菌体生长的酶反应和产物合成酶反应温度往往是不同的， 因而发酵过程的温度直接影响产率；
整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产 物浓度等参数都随时间变化。 分批培养的优缺点：
优点： 操作简单，周期短，染菌机会少，生 产过程容易掌握 缺点 ： 产率低
第五章发酵工艺控制
2、补料分批培养
在分批培养过程中补入新鲜的料液，以克服营养不 足而导致的发酵过早结束的缺点。
在此过程中只有料液的加入没有料液的取出，在工 厂的实际生产中采用这种方法很多。
pH、产物浓度等
生物参数：菌丝形态、菌浓度、呼吸强度、关键酶
活力等
第五章发酵工艺控制
发酵过程的主要控制参数
1. 物理参数 （1）温度（℃） 直接影响发酵过程的酶反应速率，氧的溶解度
和传递速率，菌体生长速率和合成速率。 （2）压力（Pa） 影响发酵过程氧和CO2的溶解度，正压防止外
界杂菌污染。罐压一般控制在0.2×105～ 0.5×105 Pa。
补料分批培养的优缺点:
优点: 在这样一种系统中可以维持低的基质浓度， 避免快速利用碳源的阻遏效应；可以通过补料控制 达到最佳的生长和产物合成条件。
缺点: 由于没有物料取出，产物的积累最终导致比 生产速率的下降; 增加了染菌机会
第五章发酵工艺控制
3、半连续培养
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。 半连续培养的特点 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。
第五章发酵工艺控制
（3）搅拌速度（r/min） 搅拌器在发酵过程中的转动速度。 其大小影响发酵过程氧的传递速率，还受发酵罐的
容积限制（见下表）
发酵罐容积(L) 搅拌转速范（r/min） 备注
3
200~2000
实验室研究
10 50 200 10000 50000
150~1000 100~800 50~400 25~200 25~160
第五章发酵工艺控制
二、发酵过程的代谢参数
发酵过程的分析是生产控制的眼睛，它显示 了发酵过程中微生物的主要代谢变化。微生物个 体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况， 只能从分析一些参数来判断。
代谢参数按性质分可分三类：
物理参数：温度、转速、压力、空气流量、粘度等
化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、溶解氧、
（2）影响产物合成的方向 金霉素链霉菌四环素发酵时，30℃一下时金霉素增多，
发酵过程的影响因素是复杂的，比如设备的差 别、水的差别、培养基灭菌的差别，菌种保藏 时间的长短，发酵过程的细微差别都会引起微 生物代谢的不同。了解和掌握分析发酵过程的 一般方法对于优化发酵是十分必要的
一、发酵过程的方式
二、发酵过程的代谢参数
第五章发酵工艺控制
一、发酵过程的方式
分批培养 补料分批培养 半连续培养 连续培养
第五章
发酵工艺的控制
第五章发酵工艺控制
第五章 发酵工艺的控制
1. 概述 ２. 温度的影响及其控制 ３. pH的影响及控制 ４. 溶氧的影响和控制 ５. 泡沫的作用和控制 ６. 补料的作用和控制 ７. 发酵终点的判断
第五章发酵工艺控制
1. 概述
发酵过程控制是发酵的重要部分
控制难点：过程的不确定性和参数的非线性
稳定期：随着细胞生长，培养液中的营养物减少， 废物积累，导致细胞生长速率下降，进入减速期
死亡期：最后当细胞死亡速率大于生成速率，进入 死亡期，而次级代谢产物则在对数生长期后期和稳 定期大量合成。
第五章发酵工艺控制
1、 分批发酵(间隙发酵)
最简单的发酵过程，培养基灭菌后, 接入菌 种，进行发酵, 除了空气的通入和排气外, 没有物料的加入和取出。