发酵过程优化与控制技术研究38页PPT
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发酵食品工艺学PPT课件
病犬延髓（几代减毒） 被疯狗严重咬伤的9岁男童 第14页/共52页
科
发明培养基并用其纯化微生
赫
物等一系列研究方法的创立
的
证实炭疽病因 — 炭疽杆菌
功
发现结核病原菌—结核杆菌
绩
科赫法则
第15页/共52页
单菌落
划线法获得单菌落
第16页/共52页
科赫定理图示
结论
• 1880年，发现可以通过稀释把多种微生物分离 开来，建立了单种微生物的分离和纯培养技术。
• 建立了研究的微生物一系列方法，把早年在马 铃薯块上的培养技术改为明胶平板（1881）和 琼脂平板（1882）
• 显微镜技术：包括细菌鞭毛在内的许多染色方 法、悬滴培养法以及显微摄影技术。
• 利用平板分离方法找到并分离许多传染病的病 源菌（炭疽、结核、链球、）
• 1884年提出了科赫法则（Koch’s
第1页/共52页 第一节 什么是发酵、酿造
1、发酵及发酵工业
• 广义——通过微生物的培养使某种特定代谢产 物或菌体本身大量积累的过程。
• 狭义——厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧 条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。
• 发酵工业：（巴斯德）经纯种培养和提炼精制 获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产过 程叫发酵工业。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨 基酸、酶、维生素、某些色素等。
第36页/共52页 第三节 渊源及其文化内涵
现 代：
• 古老的发酵食品自产生以来，长时间内停留在自然酿 造阶段。即知其然而不知其所以然，通常以经验掌握。 由于节气、环境的变化即决定了产品的成败，因此食 品酿造甚至被赋予很多神秘色彩，甚至出现了对曲的 顶礼膜拜，与一些祭祀活动也连起来。由于其发酵的 机理一直未能充分揭示，因此发酵技术也迟迟未能进 一步发扬光大和合理调控。直到巴斯德、科赫等人的 工作成果推动了微生物发酵及工艺调控的推陈出新。
科
发明培养基并用其纯化微生
赫
物等一系列研究方法的创立
的
证实炭疽病因 — 炭疽杆菌
功
发现结核病原菌—结核杆菌
绩
科赫法则
第15页/共52页
单菌落
划线法获得单菌落
第16页/共52页
科赫定理图示
结论
• 1880年，发现可以通过稀释把多种微生物分离 开来，建立了单种微生物的分离和纯培养技术。
• 建立了研究的微生物一系列方法，把早年在马 铃薯块上的培养技术改为明胶平板（1881）和 琼脂平板（1882）
• 显微镜技术：包括细菌鞭毛在内的许多染色方 法、悬滴培养法以及显微摄影技术。
• 利用平板分离方法找到并分离许多传染病的病 源菌（炭疽、结核、链球、）
• 1884年提出了科赫法则（Koch’s
第1页/共52页 第一节 什么是发酵、酿造
1、发酵及发酵工业
• 广义——通过微生物的培养使某种特定代谢产 物或菌体本身大量积累的过程。
• 狭义——厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧 条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。
• 发酵工业：（巴斯德）经纯种培养和提炼精制 获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产过 程叫发酵工业。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨 基酸、酶、维生素、某些色素等。
第36页/共52页 第三节 渊源及其文化内涵
现 代：
• 古老的发酵食品自产生以来，长时间内停留在自然酿 造阶段。即知其然而不知其所以然，通常以经验掌握。 由于节气、环境的变化即决定了产品的成败，因此食 品酿造甚至被赋予很多神秘色彩，甚至出现了对曲的 顶礼膜拜，与一些祭祀活动也连起来。由于其发酵的 机理一直未能充分揭示，因此发酵技术也迟迟未能进 一步发扬光大和合理调控。直到巴斯德、科赫等人的 工作成果推动了微生物发酵及工艺调控的推陈出新。
谷氨酸发酵PPT课件
第9页/共72页
2.1.3 谷氨酸发酵的代谢途径
葡萄糖生成丙酮酸后，一部分氧化脱 羧生成乙酰CoA，一部分固定CO2生成草 酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰CoA在 柠檬酸合成酶催化下缩合成柠檬酸，再经 氧化还原共轭的氨基化反应生成谷氨酸。
第10页/共72页
（一）谷氨酸发酵的代谢途径
谷氨酸的合成主要途径是α-酮戊二酸的还原性氨基化，是通过谷氨酸脱氢酶 完成的。α-酮戊二酸是谷氨酸合成的直接前体，它来源于三羧酸循环，是三羧酸 循环的一个中间代谢产物。由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径如图2-2所示，至 少有16步酶促反应。
第38页/共72页
1磷酸果糖激 酶；2果糖-1,6二磷酸酯酶；3 柠檬酸合成酶； 4异柠檬酸脱氢 酶； 5反丁烯二 酸酶；6乙酰 CoA羧化酶；7 糖原磷酸化酶； 8糖原合成酶
第11页/共72页
图2-2 由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径 第12页/共72页
(1) 葡萄糖首先经EMP及HMP两个途径生成丙酮酸。其中以EMP途径为主，生物素充足时HMP所占 比例是38％；控制生物素亚适量，发酵产酸期，EMP所占的比例更大，HMP所占比例约为26％。
第13页/共72页
(2) 生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脱氢酶系的作用下氧化脱羧生成乙酰 CoA，另一部分经CO2固定反应生成草酰乙酸化酶。
(1)优先合成
所谓优先合成，就是对于一个分支合成途径 来讲，由于催化某一分支反应的酶活性远远大于催 化另一分支反应的酶活性，结果先合成酶活性大的 那一分支的终产物。当该终产物达到一定浓度时， 就会抑制该酶，使代谢转向合成另一分支的终产物。 谷氨酸比天冬氨酸优先合成，谷氨酸合成过量后， 就会抑制和阻遏自身的合成途径，使代谢转向合成 天冬氨酸。
2.1.3 谷氨酸发酵的代谢途径
葡萄糖生成丙酮酸后，一部分氧化脱 羧生成乙酰CoA，一部分固定CO2生成草 酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰CoA在 柠檬酸合成酶催化下缩合成柠檬酸，再经 氧化还原共轭的氨基化反应生成谷氨酸。
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（一）谷氨酸发酵的代谢途径
谷氨酸的合成主要途径是α-酮戊二酸的还原性氨基化，是通过谷氨酸脱氢酶 完成的。α-酮戊二酸是谷氨酸合成的直接前体，它来源于三羧酸循环，是三羧酸 循环的一个中间代谢产物。由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径如图2-2所示，至 少有16步酶促反应。
第38页/共72页
1磷酸果糖激 酶；2果糖-1,6二磷酸酯酶；3 柠檬酸合成酶； 4异柠檬酸脱氢 酶； 5反丁烯二 酸酶；6乙酰 CoA羧化酶；7 糖原磷酸化酶； 8糖原合成酶
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图2-2 由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径 第12页/共72页
(1) 葡萄糖首先经EMP及HMP两个途径生成丙酮酸。其中以EMP途径为主，生物素充足时HMP所占 比例是38％；控制生物素亚适量，发酵产酸期，EMP所占的比例更大，HMP所占比例约为26％。
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(2) 生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脱氢酶系的作用下氧化脱羧生成乙酰 CoA，另一部分经CO2固定反应生成草酰乙酸化酶。
(1)优先合成
所谓优先合成，就是对于一个分支合成途径 来讲，由于催化某一分支反应的酶活性远远大于催 化另一分支反应的酶活性，结果先合成酶活性大的 那一分支的终产物。当该终产物达到一定浓度时， 就会抑制该酶，使代谢转向合成另一分支的终产物。 谷氨酸比天冬氨酸优先合成，谷氨酸合成过量后， 就会抑制和阻遏自身的合成途径，使代谢转向合成 天冬氨酸。
谷氨酸的生产工艺ppt课件
从上图可以看出，GA产生菌必须具备以下条件： 1.α—KGA脱氢酶酶活性微弱或丧失 这是菌体生成并积累α—KGA的关键，从上图可以看出， α—KGA是菌体进行TCA循环的中间性产物，很快在α—KGA 脱氢酶的作用下氧化脱羧生成琥珀酸辅酶A，在正常的微生 物体内他的浓度很低，也就是说，由α—KGA进行还原氨基 化生成GA的可能性很少。只有当体内α—KGA脱氢酶活性很 低时，TCA循环才能够停止，α—KGA才得以积累。
第14页，共69页
四、培养基
碳源；
氮源； 碳氮比； 磷酸盐； 金属离子和无机盐。
第15页，共69页
碳源
碳源一般都是淀粉原料，如玉米、小麦、甘 薯、大米等，其中甘薯和淀粉最为常用； 淀粉原料要先通过制糖工艺水解成微生物可 直接利用的葡萄糖，然后经过中和、脱色再 投放到发酵罐； 糖蜜原料作为碳源，如甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。 糖蜜因富含生物素，在发酵前需要经活性炭、 树脂吸附和亚硝酸法吸附或破坏生物素。
积累并非是当初设想的由于特异代谢途径导 致，而是： 代谢调节控制； 细胞膜通透性的特异调节； 发酵条件的适合。
第6页，共69页
葡萄糖
6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖 果糖-1，6-二磷酸 6-磷酸葡萄糖酸
5-磷酸核糖
NAD+
NADH2
⑨
3-磷酸甘油醛 丙酮酸 CO2
② ③
乳酸
乙酰辅酶A
磷酸烯醇式 丙酮酸羧化酶 柠檬酸 顺乌头酸
第18页，共69页
氮源
作用：合成菌体蛋白质、核酸及谷氨酸的原料； 氮源比碳源对谷氨酸发酵影响更大，约85％ （30%~80%）的氮源被用于合成谷氨酸，另外 15％（3%~5%）用于合成菌体； 大多数氨基酸产生菌都不能分泌胞外水解蛋白 酶，因此常用的有机氮源有玉米浆、豆饼、毛发、 棉籽饼、麸皮等蛋白质原料的水解液； 有机氮源也是氨基酸发酵中重要的生长因子来 源，对氨基酸合成途经具有调控作用。
第14页，共69页
四、培养基
碳源；
氮源； 碳氮比； 磷酸盐； 金属离子和无机盐。
第15页，共69页
碳源
碳源一般都是淀粉原料，如玉米、小麦、甘 薯、大米等，其中甘薯和淀粉最为常用； 淀粉原料要先通过制糖工艺水解成微生物可 直接利用的葡萄糖，然后经过中和、脱色再 投放到发酵罐； 糖蜜原料作为碳源，如甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。 糖蜜因富含生物素，在发酵前需要经活性炭、 树脂吸附和亚硝酸法吸附或破坏生物素。
积累并非是当初设想的由于特异代谢途径导 致，而是： 代谢调节控制； 细胞膜通透性的特异调节； 发酵条件的适合。
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葡萄糖
6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖 果糖-1，6-二磷酸 6-磷酸葡萄糖酸
5-磷酸核糖
NAD+
NADH2
⑨
3-磷酸甘油醛 丙酮酸 CO2
② ③
乳酸
乙酰辅酶A
磷酸烯醇式 丙酮酸羧化酶 柠檬酸 顺乌头酸
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氮源
作用：合成菌体蛋白质、核酸及谷氨酸的原料； 氮源比碳源对谷氨酸发酵影响更大，约85％ （30%~80%）的氮源被用于合成谷氨酸，另外 15％（3%~5%）用于合成菌体； 大多数氨基酸产生菌都不能分泌胞外水解蛋白 酶，因此常用的有机氮源有玉米浆、豆饼、毛发、 棉籽饼、麸皮等蛋白质原料的水解液； 有机氮源也是氨基酸发酵中重要的生长因子来 源，对氨基酸合成途经具有调控作用。
发酵过程控制与优化ppt课件
参数，使有利于生
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。
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。
发酵过程优化与控制PPT课件
菌种生产性能越高，其生产条件越难满足。
.
3
发酵过程技术原理
分批发酵 补料-分批发酵 半连续发酵 连续发酵
.
4
分批发酵
几个重要参数：
为比生长速率,h-1； -qs 为比基质消耗速率,(g/g)/h； qp 为比产物形成速率,(g/g)/h 。
uX dX dt
q xX d S dt
补充养分，同时解除/消弱代谢产物的抑制。
不足：
丢失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体；送去提炼 的发酵液体积更大；丢失代谢产生的前体物；利于非产生 菌突变株的生长。
实施：海洋微藻合成藻红素和EPA。
需要摸索最佳的培养基更新速率。
.
10
连续发酵
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。（恒化培养）
.
1
发酵过程优化与控制
发酵
狭义——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——微生物把一些原料养分在合适的发酵 条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过 程。
.
2
发酵是一个很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素： 菌种性能、培养基组成、原料质量、灭菌条件、种子 质量、发酵条件和过程控制等
pH变化会影响酶活，菌对基质的利用效率和细
胞结构，从而影响菌的生长和产物的合成。
.
23
选择最适发酵pH的原则是获得最大比生产速率和
适当的菌量。
分阶段pH控制策略
如何控制发酵液pH？
基础培养基的配方；通过加酸碱或中间补料 例如，青霉素发酵，通过调节加糖速率来控制pH；链 霉素的生产，补充NH3来控制pH，同时为产物合成提 供氮源。
培养液pH可反映菌的生理状况：pH上升超过最适值，意 味着菌处于饥饿状态，可加糖调节；糖的过量又使pH下 降；用氨水中和有机酸需防止微生物中毒，可通过监测 培养液种溶氧浓度的变化来控制。
.
3
发酵过程技术原理
分批发酵 补料-分批发酵 半连续发酵 连续发酵
.
4
分批发酵
几个重要参数：
为比生长速率,h-1； -qs 为比基质消耗速率,(g/g)/h； qp 为比产物形成速率,(g/g)/h 。
uX dX dt
q xX d S dt
补充养分，同时解除/消弱代谢产物的抑制。
不足：
丢失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体；送去提炼 的发酵液体积更大；丢失代谢产生的前体物；利于非产生 菌突变株的生长。
实施：海洋微藻合成藻红素和EPA。
需要摸索最佳的培养基更新速率。
.
10
连续发酵
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。（恒化培养）
.
1
发酵过程优化与控制
发酵
狭义——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——微生物把一些原料养分在合适的发酵 条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过 程。
.
2
发酵是一个很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素： 菌种性能、培养基组成、原料质量、灭菌条件、种子 质量、发酵条件和过程控制等
pH变化会影响酶活，菌对基质的利用效率和细
胞结构，从而影响菌的生长和产物的合成。
.
23
选择最适发酵pH的原则是获得最大比生产速率和
适当的菌量。
分阶段pH控制策略
如何控制发酵液pH？
基础培养基的配方；通过加酸碱或中间补料 例如，青霉素发酵，通过调节加糖速率来控制pH；链 霉素的生产，补充NH3来控制pH，同时为产物合成提 供氮源。
培养液pH可反映菌的生理状况：pH上升超过最适值，意 味着菌处于饥饿状态，可加糖调节；糖的过量又使pH下 降；用氨水中和有机酸需防止微生物中毒，可通过监测 培养液种溶氧浓度的变化来控制。
发酵过程优化与控控制PPT课件
（一）运输过程 大多数细胞的细胞质外有两种结构：细胞壁和细胞膜，
这些结构是细胞的屏障。 细胞壁的主要功能是防止因胞内的高渗透压而引起细胞
破裂，细胞膜主要由磷脂组成，在细胞生长过程中，具有变 化的流动结构。大部分小分子很容易通过细胞壁，因此运输 过程主要取决于细胞膜，大分子物质只有在细胞具有特定的 排泄机制时才可以通过细胞壁运输。
培养基中存在的能够被微生物利用的化学物质均称为底 物，因此，底物可以是培养基制备时所添加的化学物质，也 可以是代谢产物或代谢中间体等物质。例如酿酒酵母的二次 生长现象，酵母以葡萄糖为底物生长的同时会产生乙醇，当 葡萄糖耗尽后，细胞能继续以乙醇为底物生长。
代谢产物是那些形成于细胞内，能够穿过细胞膜的物质， 它们可以被排泄进入非生物相。因此，代谢产物既可以是底 物经过多步反应形成的小分子物质，也可以是细胞产生的大 分子物质，如胞外蛋白酶。细胞质成分则是由底物形成的、 不能穿过细胞膜的物质，如蛋白质、RNA和DNA，一些小分 子如ATP、NADH以及NADPH也可以归为细胞质成分。
质子穿过膜的过程中会产生电化学势，将质子运输回 细胞（线粒体）内，就可以获得吉布斯自由能。质子的内流 是由参与了ATP合成的ATP酶传递的，其运输是可逆的，如 ATP酶也可以通过通过消耗ATP的方式将质子泵出细胞，这 也是一个一级主动运输过程。质子的运输过程如图2-1所示。
n0H+
膜
ATP酶
NADH+O2
2、协助扩散 细胞膜中存在许多转运蛋白，允许特定的化合物进行被 动运输，且比自由扩散通过细胞快得多，这一过程就是协 助扩散。真菌中这种运输机制是很典型的，在细菌中则比 较少见。 协助扩散与自由扩散相似，因为只有存在浓度梯度时， 由高浓度向低浓度的运输才可能发生。化合物在自由转运 物的存在下才能进入细胞，故运输速率遵循典型的饱和型 动力学，即：在低浓度下，运输速率与底物浓度呈一级关 系，而在高浓度时则呈现零级关系。真菌中通过协助扩散 的底物主要有葡萄糖和其它糖类。
发酵培养基的优化方法与策略PPT课件
▪ 大米和小米常用作霉菌孢子培养基，因它们含 氮少、疏松、表面积大，是较好的孢子培养基。 水分控制在21％－25％。（手捏法）
第5页/共60页
B 种子培养基
• 种子培养基是供（孢子萌发）、菌体生长和大 量繁殖的培养基。
• 在种子扩培过程中，各级种子培养基的成分往 往不一样。 （种子培养基营养相对比较丰富）
2.2.2, 无机氮源-- (NH4) 2SO4 , NH4 Cl , NH4 NO3 , KNO3, NaNO3, NH3
第18页/共60页
2.2.1 有机氮源
• 成分复杂：除了蛋白质、多肽、氨基酸外，还有 少量的糖、脂肪、无机盐、维生素等
• 玉米浆 Corn steep Liquor • 玉米淀粉生产过程中的副产品 • ①可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸 • ②较多的乳酸 • ③硫、磷、微量元素等 第19页/共60页
• 最后一级的种子培养基的成分比较接近发酵培 养基。
第6页/共60页
C 发酵培养基
---发酵培养基是供菌体生长、繁殖和合成产物之用。
要求 ① 培养基能够满足产物合成的需要。 ② 培养基的原料应因地制宜，价格低廉；质量稳定，资源
丰富，便于运输、仓藏。 ③所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响
(3) 产物促进剂
促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方面 的（机理不详）。 ➢ 有些促进剂本身是酶的诱导物； ➢ 有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善
细胞与氧的接触从而促进酶的分泌与生产； ➢ 也有人认为表面活性剂对酶的表面失活有保护作用； ➢ 有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害的重金属离子。
锰对于羧化作用是必需的，糖代谢中许多酶的活性都 与锰有关。
第5页/共60页
B 种子培养基
• 种子培养基是供（孢子萌发）、菌体生长和大 量繁殖的培养基。
• 在种子扩培过程中，各级种子培养基的成分往 往不一样。 （种子培养基营养相对比较丰富）
2.2.2, 无机氮源-- (NH4) 2SO4 , NH4 Cl , NH4 NO3 , KNO3, NaNO3, NH3
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2.2.1 有机氮源
• 成分复杂：除了蛋白质、多肽、氨基酸外，还有 少量的糖、脂肪、无机盐、维生素等
• 玉米浆 Corn steep Liquor • 玉米淀粉生产过程中的副产品 • ①可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸 • ②较多的乳酸 • ③硫、磷、微量元素等 第19页/共60页
• 最后一级的种子培养基的成分比较接近发酵培 养基。
第6页/共60页
C 发酵培养基
---发酵培养基是供菌体生长、繁殖和合成产物之用。
要求 ① 培养基能够满足产物合成的需要。 ② 培养基的原料应因地制宜，价格低廉；质量稳定，资源
丰富，便于运输、仓藏。 ③所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响
(3) 产物促进剂
促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方面 的（机理不详）。 ➢ 有些促进剂本身是酶的诱导物； ➢ 有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善
细胞与氧的接触从而促进酶的分泌与生产； ➢ 也有人认为表面活性剂对酶的表面失活有保护作用； ➢ 有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害的重金属离子。
锰对于羧化作用是必需的，糖代谢中许多酶的活性都 与锰有关。
谷氨酸的发酵工艺PPT课件
第16页/共58页
三、谷氨酸合成途径
1.谷氨酸合成的方式
（1）氨基转移作用
-酮戊二酸 + 氨基酸
谷氨酸 + -酮酸
（2）还原氨基化作用
-酮戊二酸 + NH4+ + NADPH2 谷氨酸+ NADPH + H2O
第17页/共58页
2、谷氨酸合成途径
谷氨酸的生物合成过程中的几个途 径 主 要 有 ：
发酵液的pH影响微生物的生长和代谢途径。 • 发酵前期如果pH偏低，则菌体生长旺盛，长菌而不产酸；
如果pH偏高，则菌体生长缓慢，发酵时间拉长。在发酵前 期将pH值控制在7.5~8.0左右较为合适。 • 而在发酵中、后期将pH值控制在7.0~7.6左右对提高谷氨 酸产量有利。
第35页/共58页
（3） 通风
氨 基 酸 发 酵 是（典中间型代的谢产代物）谢 控 制 发 酵 ， 它 的 积 累 是 建
立在对微生物正常代谢的抑制上。
关键：能否打破微生物的正常代谢调节，人为 的控制发酵。
第8页/共58页
一、谷氨酸生产原料及其处理
谷氨酸的作用：
（1）合成人体代谢所需的其他氨基酸。 （2）降低血液中氨中毒作用。 （3）参与脑蛋白代谢和糖代谢。
（1）糖酵解途径（EMP途径） （2）磷酸己糖途径（HMP途径） （3）三羧酸循环途径（TCA循环） （4）乙醛酸循环途径（DCA循环） （5）伍德-沃克反应（CO2固定反应） （6）α-酮戊二酸的还原氨基化反应
这6条途径之间是相互联系和相互制约的，如图所示：
第18页/共58页
过谷 程氨 中酸 的的 几生 个物 途合 径成
第3页/共58页
味精 主要内容： 的发酵工艺
三、谷氨酸合成途径
1.谷氨酸合成的方式
（1）氨基转移作用
-酮戊二酸 + 氨基酸
谷氨酸 + -酮酸
（2）还原氨基化作用
-酮戊二酸 + NH4+ + NADPH2 谷氨酸+ NADPH + H2O
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2、谷氨酸合成途径
谷氨酸的生物合成过程中的几个途 径 主 要 有 ：
发酵液的pH影响微生物的生长和代谢途径。 • 发酵前期如果pH偏低，则菌体生长旺盛，长菌而不产酸；
如果pH偏高，则菌体生长缓慢，发酵时间拉长。在发酵前 期将pH值控制在7.5~8.0左右较为合适。 • 而在发酵中、后期将pH值控制在7.0~7.6左右对提高谷氨 酸产量有利。
第35页/共58页
（3） 通风
氨 基 酸 发 酵 是（典中间型代的谢产代物）谢 控 制 发 酵 ， 它 的 积 累 是 建
立在对微生物正常代谢的抑制上。
关键：能否打破微生物的正常代谢调节，人为 的控制发酵。
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一、谷氨酸生产原料及其处理
谷氨酸的作用：
（1）合成人体代谢所需的其他氨基酸。 （2）降低血液中氨中毒作用。 （3）参与脑蛋白代谢和糖代谢。
（1）糖酵解途径（EMP途径） （2）磷酸己糖途径（HMP途径） （3）三羧酸循环途径（TCA循环） （4）乙醛酸循环途径（DCA循环） （5）伍德-沃克反应（CO2固定反应） （6）α-酮戊二酸的还原氨基化反应
这6条途径之间是相互联系和相互制约的，如图所示：
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过谷 程氨 中酸 的的 几生 个物 途合 径成
第3页/共58页
味精 主要内容： 的发酵工艺
发酵过程优化与控制技术研究 ppt课件
我国是世界最大的维生素C生产国和出口国，2009年生产10万吨 左右，产值45亿，占世界市场90％
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
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
发酵过程控制与优化ppt课件
一、温度对发酵的影响 1.影响反应速率 2.影响发酵方向
另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和酵温度是既适合菌体的生长又适合 代谢产物合成的温度。
随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生 长阶段不同而改变。
三、发酵过程引起温度变化的因素——发酵热
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐
射
四、温度的控制
一般不需加热，因 释放了大量的发酵热， 需要冷却的情况多。
用夹套或蛇形管， 通冷却水。
第三节 pH变化及其控制
一、pH变化的原因
1.基质代谢
（1）糖代谢 糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。 糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一。
（2）氮代谢 氨基酸中的-NH2被利用，pH下降； 尿素被分解成NH3，pH上升。
生长的最适pH值与发酵的最适pH值
举例：Aspergillus niger在pH2~2.5范围时有利于合 成柠檬酸，当在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主， 而在pH7.0时，则以合成草酸为主。
2.pH的控制
(1)调节好基础培养基的pH。
若控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.56.8。 (2)通过加酸碱和中间补料来控制。
罐内消泡: 靠罐内消泡浆打碎泡沫。 罐外消泡：靠喷嘴的加速作用消除泡沫。
2.消泡剂消泡
机理: 降低液膜的机械强度 降低液膜的表面粘度
（1）天然油脂类：豆油、玉米油、棉子油、菜 籽油（还可作为碳源），用量大，0.1% 0.2%。 （2）聚醚类：又称泡敌，消泡能力为豆油的 1020倍，用量少，0.02%-0.03%。
第六节 发酵染菌及其防治
一、染菌的检查、判断
（一）观察法
1. 菌体浓度（OD值）异常（OD:optical density） 2. 溶解氧（DO）异常 3. pH值异常 4. 泡沫过多
另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和酵温度是既适合菌体的生长又适合 代谢产物合成的温度。
随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生 长阶段不同而改变。
三、发酵过程引起温度变化的因素——发酵热
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐
射
四、温度的控制
一般不需加热，因 释放了大量的发酵热， 需要冷却的情况多。
用夹套或蛇形管， 通冷却水。
第三节 pH变化及其控制
一、pH变化的原因
1.基质代谢
（1）糖代谢 糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。 糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一。
（2）氮代谢 氨基酸中的-NH2被利用，pH下降； 尿素被分解成NH3，pH上升。
生长的最适pH值与发酵的最适pH值
举例：Aspergillus niger在pH2~2.5范围时有利于合 成柠檬酸，当在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主， 而在pH7.0时，则以合成草酸为主。
2.pH的控制
(1)调节好基础培养基的pH。
若控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.56.8。 (2)通过加酸碱和中间补料来控制。
罐内消泡: 靠罐内消泡浆打碎泡沫。 罐外消泡：靠喷嘴的加速作用消除泡沫。
2.消泡剂消泡
机理: 降低液膜的机械强度 降低液膜的表面粘度
（1）天然油脂类：豆油、玉米油、棉子油、菜 籽油（还可作为碳源），用量大，0.1% 0.2%。 （2）聚醚类：又称泡敌，消泡能力为豆油的 1020倍，用量少，0.02%-0.03%。
第六节 发酵染菌及其防治
一、染菌的检查、判断
（一）观察法
1. 菌体浓度（OD值）异常（OD:optical density） 2. 溶解氧（DO）异常 3. pH值异常 4. 泡沫过多
6-微生物工程-第六章-发酵动力学2
30
0.3～0.5
28
0.1～0.3
第18页，共91页。
关于菌龄的描述：
微生物细胞倍增时间与群体生长动力学
细菌：典型倍增时间1hr 酵母：典型倍增时间2hr 放线菌和丝状真菌：典型倍增时间4－8hr
微生物细胞群体生长动力学是反映整个群体的 生长特征，而不是单个微生物生长倍增的特征。
因此，菌龄是指一个群体的表观状态。
第3页，共91页。
研究发酵动力学的目的：
➢ 认识发酵过程的规律； ➢ 优化发酵工艺条件，确定最优发酵过程参
数，如：基质浓度、温度、pH、溶氧等； ➢ 提高发酵产量、效率和转化率等。
第4页，共91页。
发酵工程：
一条主线： 发酵工艺过程
两个重点：
发酵过程的优化与放大
三个层次：
分子、细胞、反应器
1 rO2 YX/O rX
比耗氧速率：
（6-9）
第37页，共91页。
（6-11）
（2）底物消耗动力学
产物的生成直接与能量的产生相联系
底物消耗速率：
rs
1 Y
X/S
rX
mX
（6-12）
为维持细胞结构和生命活动所需 能量的细胞维持系数：
m
YX/S 表观得率
针对底物的细胞绝对得率：
Y X/S
qS
1 Y
Monod方程：
比 生 长
mSt Ks St
素 率
表征μ与培养基中残留的生
μ
长限制性底物St的关系
限制性底物残留浓度St
残留的限制性底物浓度对 微生物比生长率的影响
Ks—底物亲和常数，等
于处于1/2μm时的底物浓 度，表征微生物对底物的
PPT课件发酵过程优化与工艺装备控制技术新进展
1、发酵过程优化的关键问题和工程意义1Biblioteka 关键问题1工程意义1
微生物能够积累最大目的产 高产量 便于产品分离
物(产量)的条件是什么？ 提取、提高设备利用率
相关：微生物生理、遗传特性和营养、环境因素
基础研究
1、发酵过程优化的关键问题和工程意义-2
关键问题2
底物最多被微生物转化为产物( 转化率)的条件是什么？
2、过程控制的重要性
▪决定发 酵单位 (水平)的 因素
生物因素： 菌 株 特 性 （ 营 养 要 求 、 生 长 速 率 、 呼吸强度、产物合成速率）
设备性能： 传递性能
外部环境因素 工艺条件
物理：n、T、
化学：pH、DO、浓度
过程控制的意义：
最佳工艺条件的优选（即最佳工艺参数的确定）以及 在发酵过程中通过过程调节达到最适水平的控制。
•微生物学与化学工程相结合形成了生物发酵工程
生物发酵工程优化与放大技术的现状与 存在的问题
• 发酵过程优化主要靠人工经验长期摸索───效果差周期长 ➢提高工业生产规模发酵单位需数年到几十年时间，特别是大 宗发酵产品 ➢新产品或国外引进技术：投产进程慢，周期长
• 发酵工程放大主要采用人工经验逐级放大──效果差风险大 ➢从摇瓶到工业规模（1-几百m3）逐级放大，耗时耗财和人力 ➢放大指数越大风险越大（新设备、新产品）
研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机 制，获取最适水平或最佳范围
建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系 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，实现发酵过程最优控制
（二）发酵过程的工艺控制主要内容
发酵的生产水平高低除了取决于生产菌本身的性 能外，还要受到发酵条件、工艺等的影响。只有深入 了解生产菌种在合成产物过程中的代谢调控机制以及 可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求， 掌握菌种在发酵 过程中的代谢变化规律，有效控制， 以使生产菌种能始终处于生长和产物合成的优化环境 之中，从而最大限度地发挥生产菌种的合成产物的能 力，进而了取得最大的经济效益。