发酵工程 第9章 发酵过程工艺控制
发酵工程-第九章发酵供氧
作为供氧指标与K d比较，用氧的传递速率rab表示更适宜。
举例：
谷氨酸发酵最适亚硫酸盐耗氧速率为1.0×l06_1.5×l0-6mol/(m L.min)，生物耗氧速率r应大于10×l07mol/(m L.min)。
长菌阶段，若供氧过量，在生物素限量的情况下，菌 体生长受到抑制，表现为耗糖慢，pH值偏高，且不易下降。
在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常 变化，常见的是溶氧下降。
造成异常变化的原因有两方面：耗氧或供氧出现了异常或 发生了障碍。
从溶解氧浓度的变化，可以了解微生物生长代谢是否正常， 工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足，查出发酵不 正常的原因，控制好发酵生产。
引起溶氧异常下降的原因： ① 污染好气性杂菌。 ② 菌体代谢发生异常，需氧量增加，使溶氧下降。 ③ 设备或工艺控制发生故障或变化，
链霉素产生菌培养12ｈ的耗氧速率为４5mmol/(L.h)； 黑曲霉生长的最大耗氧速率为５０～５５ mmol/(L.h) ，
而产α淀粉酶时的最大耗氧速率为２０ mmol/(L.h) ； 谷氨酸生产菌在种子培养7ｈ的耗氧速率为13
mmol/(L.h) ，发酵１３ｈ的耗氧速率为50 mmol/(L.h) ，发酵１８ｈ的耗氧速率为 51mmol/(L.h) 。
由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度又很低， 故必须采取强化供氧。
在发酵工业中，随着高产菌株的筛得，高浓度发酵、丰富培养 基的采用对通气和搅拌的要求更高。
在丰富培养基内，发酵旺盛期间，即使培养液完全被空气饱和， 它所贮存的氧也是很少的，只能维持菌正常呼吸１５～３０ｓ， 之后菌的呼吸就受到抑制。
第三类 亮氨酸、缬氨酸和
苯丙氨酸，仅在供氧受 限、细胞呼吸受抑制时， 才能获得最大量的氨基 酸，如果供氧充足，产 物形成反而受到抑制。
发酵工程发酵过程控制
发酵工程发酵过程控制1. 引言发酵工程是利用微生物的生理代谢过程来生产有机化合物的一种工程技术。
而发酵过程控制则是在发酵工程中对发酵过程进行调控和监控，以确保发酵过程能够稳定进行，并获得高产率和良好的产品质量。
发酵过程控制通过对微生物与培养基、发酵设备和操作条件等方面进行控制，研究微生物的生长规律和代谢产物的生成规律，实现对发酵过程的调控，以实现最佳的发酵效果。
本文将介绍发酵工程发酵过程控制的主要内容和方法。
2. 发酵过程控制的目标发酵过程控制的主要目标是实现以下几个方面的调控：1.生物量的控制：调控微生物的生长速率和生物量，使其在适宜的培养基和环境条件下获得最佳生长，提高产酶或产物的产量；2.代谢产物的控制：调控微生物代谢过程中的关键反应步骤，实现选择性产物的生成，并提高产量；3.溶氧的控制：调控发酵过程中的溶氧浓度，提高氧传递效率，防止氧的限制性产物的堆积；4.pH的控制：调控发酵过程中的pH值，维持合适的酸碱环境，促进微生物的生长和代谢；5.温度的控制：调控发酵过程中的温度，提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢。
3. 发酵过程控制的方法发酵过程控制主要采用以下几种方法：3.1 反馈控制反馈控制是一种基于对发酵过程变量的测量和反馈，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的反馈控制方法包括：•温度控制：通过测量发酵容器内的温度，控制加热或降温设备的输出，以维持适宜的温度；•pH控制：通过测量发酵液的pH值，控制酸碱调节器的输出，以维持适宜的酸碱环境；•溶氧控制：通过测量发酵液中的溶氧浓度，控制气体供应设备的输出，以维持适宜的溶氧浓度。
3.2 前馈控制前馈控制是一种基于对发酵过程中外部输入变量的预测，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的前馈控制方法包括：•溶氧前馈控制：根据发酵微生物对溶氧需求的特性，通过对气体供应设备输出的调节，提前调整溶氧浓度，以满足微生物的需求；•pH前馈控制：根据发酵产物对酸碱环境的敏感性，通过对酸碱调节器输出的调节，提前调整pH值，以维持合适的酸碱环境。
第9章_发酵液预处理和固液分离
36
板框过滤机动画
3）真空转鼓过滤机
主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒， 表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布,圆筒内沿 径向被筋板分隔成若干个空间。
38
转筒真空过滤机动画
转筒真空过滤机
主要适用霉菌发酵液，对菌体 细小、黏度大铺助滤剂。
对于滤饼阻力较大的物料适应 能力较差。
40
带式真空过滤机
49
2）平抛式离心机
平抛式离心机一类结构简单的实验室常用的低 中速离心机，转速一般在 3000-6000rpm。
50
３）管式离心机
• 管式离心机具有一 个细长而高速旋转 的转鼓，转鼓内装 有纵向平板，
• 其下部有进料口。 上部两侧有重液相 和轻液相出口。
51
用于分离各种浮浊 液，进行液-液分离， 如油脂；
Al3+ >Fe3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ >Na+ >Li+
12
常用的凝聚剂电解质有：
硫酸铝 Al2(SO4)3•18H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl3•6H2O; 三氯化铁 FeCl3; 硫酸亚铁 FeSO4· 7H2O ； 石灰；ZnSO4；MgCO3
13
絮凝
flocculation
20
2.杂蛋白去除-变性
加热
大幅度调节pH值 加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。
21
3.杂蛋白去除- 吸附法
加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。
四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的 协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3[Fe(CN)5]2的 胶状沉淀来吸附蛋白质; 在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢 二钠形成沉淀物，该沉淀物不仅能吸附杂蛋白 和菌体等胶状悬浮物，加快了过滤速度。
食品发酵工程-9-10(酸乳生产技术)
乳酸的营养价值
与原料有关的营养价值 1. 极好生理价值的蛋白质 2. 更多易于吸收的钙质 3. 维生素
6
酸乳的营养价值（二）
酸乳所特有的营养价值 1. 减轻“乳糖不耐受症” 2. 调节人体肠道中的微生物菌群平衡 3. 降低胆固醇水平 4. 预防白内障的形成
7
凝固型酸乳加工技术
原料乳 净乳 标准化 配料 预热
20
接种
接种是指在物料基液进入发酵的过程中，通过计量泵将 工作发酵剂连续地添加到物料基液中，或将工作发酵剂 直接加入物料中，搅拌混合均匀
接种量：最适接种量一般为2%～3%
接种方法
21
发酵剂
发酵剂（starter culture）：发酵剂是一种含有高浓 度乳酸菌的产品，能促进乳的酸化过程。其质量优劣 与酸乳质量关系密切，发酵剂制备是酸乳生产的关键 技术之一。其主要作用如下： 1. 分解乳糖产生乳酸 2. 分解风味物质如丁二醇、乙醛等使酸乳具有典型的风 味 3. 分解蛋白质和脂肪，使酸乳更容易消化吸收
26
发酵剂的选择
滋气味和芳香味的产生：主要有乙醛、双乙酰、丙酮 和挥发酸等 1. 感官评定：主要有三角检验 2. 测定挥发酸 3. 测定乙醛
27
发酵剂的选择
粘性物质的产生 酸乳发酵过程中产生微量的粘性物质，有助于改善酸乳的 组织状态和粘稠度，这对固形物含量低的酸乳尤为重要。 但一般情况下，产粘性菌株通常对酸乳的其他特性如酸 度、风味等有不良影响，其发酵产品风味都稍差些。因此 在选择这类菌株时，最好和其他菌株混合使用。
食品发酵工程 ——酸乳的生产
1
课程复习
种子培养异常包括3种情况
发酵异常常见的有5种情况
染菌隐患的检查常用4种方法
发酵工程与设备第九章、第一讲-发酵放大与设计
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于耗氧 量较大的微生物发酵不适宜。
机械搅拌通风发酵罐
（二） 罐体的尺寸比例
H----柱体高 (m) HL---液位高度（m） D----罐内径 (m) d----搅拌器直径 s----两搅拌器的间距 B----最下一组搅拌器距罐 底的距离 W----挡板宽度
H / D = 1.7 ～ 4 d / D = 1/2 ～ 1/3 W / D = 1/8 ～ 1/12 B / d = 0.8 ～1.0 (s/d)2 = 1.5 ～2.5 (s/d)3 = 1 ～2
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上
下
传
传
动
动
1）轴封
作用： 使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封； 防止泄漏和染菌
类型： 填料函 端面轴封
1 转轴 3 压紧螺栓 5 铜环
2 填料压盖 4 填料箱体 6 填料（石棉等）
填料函
构成 优点：结构简单、价格低
缺点： 易渗漏，寿命短 对轴磨损较重 摩擦功率消耗大
雷诺（Reynolds），英国，流型判别的依据 雷诺实验（1883年）表明，流动的几何尺寸（管内径d）、 流动的平均流速u及流体性质（密度ρ和粘度μ）对流型的变化 有很大影响。可以将这些影响因素综合成一个无因次的数群 作为流型的判据。
Re=d·u·ρ/μ
d—管内径； u—流动的平均流速 ρ—流体密度； μ—流体粘度
VL —— 发酵罐内发酵液量(m3) Qc —— 发酵液循环量(m3/s) d —— 环流管二内径(m)
—— 发酵液在环流管内流速(m/s)
2）压比、压差、环流量间的关系
发酵液的环流量与通风量之比称为气液比。
A = Qc / Q
发酵工程试题及答案
发酵工程试题及答案一、名称解释1、前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接彼微生物在生物合成过程中合成到产物物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。
2、发酵生长因子从广义上讲，凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子3、菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。
补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。
4、搅拌热：在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。
搅拌热与搅拌轴功率有关5、分批培养：简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出，除了空气的通入和排气。
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。
6、接种量：接种量＝移入种子的体积/接种后培养液的体积7、比耗氧速度或呼吸强度单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2?g菌-1?h-18、次级代谢产物是指微生物在一定生长时期，以初级代谢产物为前体物质，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质过程，这一过程的产物，即为次级代谢产物。
9、实罐灭菌实罐灭菌（即分批灭菌）将配制好的培养基放入发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备加热至灭菌温度后维持一定时间，在冷却到接种温度，这一工艺过程称为实罐灭菌，也叫间歇灭菌。
10、种子扩大培养：指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终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。
11、初级代谢产物是指微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。
这一过程的产物即为初级代谢产物。
12、倒种：一部分种子来源于种子罐，一部分来源于发酵罐。
发酵工程第8章发酵过程控制
分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不 足时氮源当碳源利用pH上升。 •生理酸碱性物质
被微生物利用后会导致环境pH下降（上升）的 物质称为生理酸性（碱性）物质。发酵工程第8章发酵过程控制
① 应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消 泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；
② 应该在低浓度时具有消泡活性； ③ 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； ④ 应该对微生物、人类和动物无毒性； ⑤ 应该对产物的提取不产生影响； ⑥ 不会在使用、运输中引起任何危害； ⑦ 来源方便，成本低； ⑧ 应该对氧传递不产生影响； ⑨ 能耐高温灭菌。
泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。 蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要 的发泡剂。 糊精含量多也引起泡沫的形成。 当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。
发酵工程第8章发酵过程控制
少量泡沫的作用：
一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，导 致氧传递速率增加；
大量的泡沫引起许多负作用：
• 培养基原料性质： 蛋白胨、玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉等蛋白质
原料是主要发泡物质； • 培养基灭菌方法：
温度过高，形成蛋白黑色素，泡沫增多； • 细胞代谢活动：
初期，高粘度、低张力，泡多；中期，粘度降、张力升， 泡少；后期，自溶，泡上升。
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵过程泡沫的变化
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵工程第8章发酵过程控制
2）影响原生质体膜的电荷 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而
改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收 及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
《发酵工程》理论课教学大纲(供四年制本科生物工程专业使用)
《发酵工程》理论教学大纲(供四年制本科生物工程专业使用)I 前言发酵工程是生物学各专业本科生的专业课。
通过学习在工、农、医等方面的应用及发酵工艺的控制、发酵产物的提取、生产设备的结构，了解该学科的发展前沿、热点和问题，使学生牢固掌握发酵工程的基本理论和基础知识，为学生今后的学习及工作实践打下宽厚的基础。
本大纲适用于四年制本科生物工程专业使用。
现将大纲使用中有关问题说明如下：一为了使教师和学生更好地掌握教材，大纲每一章节均由教学目的、教学要求和教学内容三部分组成。
教学目的注明教学目标，教学要求分掌握、熟悉和了解三个级别，教学内容与教学要求级别对应，并统一标示（核心内容即知识点以下划实线，重点内容以下划虚线，一般内容不标示）便于学生重点学习。
二教师在保证大纲核心内容的前提下，可根据不同教学手段，讲授重点内容和介绍一般内容。
三总教学参考学时数：40学时，其中理论课36学时，实验课（参观）4学时。
理论与实验学时之比为9:1。
四教材：《微生物工程》，科学出版社出版，曹军卫主编，第二版，2007年3月。
Ⅱ正文第1章微生物工程概论一教学目的学习微生物工程的发展简史及其应用，发酵的一般过程。
二教学要求（一）了解微生物工程的发展简史。
（二）熟悉微生物工程的应用。
（三）掌握发酵的一般过程三教学内容（一）微生物工程的发展简史。
（二）微生物工程的应用（三）发酵的一般过程第2章生产菌种的来源一教学目的学习生产菌种的来源、分离方法。
二教学要求（一）掌握生产菌种的分离方法。
（二）掌握抗生素产生菌的分离。
（三）掌握氨基酸产生菌的分离。
三教学内容（一）生物物质产生菌的筛选过程。
（二）菌种的分离。
第3章微生物的代谢调节与代谢工程一教学目的通过本章的学习，学习初级代谢与次级代谢的概念、特点及二者的关系；微生物代谢的类型及关系；微生物代谢自我调节的方法及代谢调控方法；代谢工程的定义及方法。
二教学要求（一）了解微生物的代谢类型及关系。
（二）掌握初级代谢与次级代谢的概念、特点及二者的关系。
发酵工程第九章 空气除菌
第二节 过滤介质除菌
常用过滤介质 （1）棉花
直径16～21um左右，填充密度150～ 200kg/m3；填充要均匀
（2）玻璃纤维 直径8～19um，填充系数6％～10％
（3）活性炭Βιβλιοθήκη 过滤效率较低（4）超细玻璃纤维纸 直径1～2um，网格孔隙0.5～5um
（5）烧结材料过滤介质 （6）新型过滤介质
发酵对无菌空气的要求是 ：无菌，无灰尘，无 杂质，无水，无油，正压等几项指标；
发酵对无菌空气的无菌程度要求是：只要在发酵 过程中不因无菌空气染菌，而造成损失即可。
在工程设计中一般要求1000次使用周期中只允许 有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为 N=10-3
二、空气除菌的方法
（一）热杀菌 （二）静电除菌 （三）过滤除菌 （四）辐射杀菌
（一）、空气除菌
工业发酵对空气处理的要求随发酵产品和菌种不同 而异。
半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严格，一 般无需复杂的空所净化处理；
密闭的深层通气发酵需严格的纯净培养，进入发酵 罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和过滤除菌等 处理。
（二）发酵对空气无菌程度 的要求
好气性发酵过程中需要大量的无菌空气，空气要 作到 绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济 的。
无菌室常用的紫外灯功率为30W，安装在操作台 上方一米左右高处，每次照射15-30min既可。
紫外线有很强的杀菌力，但穿透力很弱，一张薄 纸即可完全挡住紫外线，因此待灭菌物品必须置 于紫外光直接照射下，而且在一定范围内作用强 度与距离平方成反比。
此外，紫外线对人体组织有一定刺激作用，眼睛、 皮肤受照射后会产生某些症状，所以工作人员在 无菌室操作时应关闭紫外灯
空气除菌
空气的灭菌是好氧培养过程中的一个重要环节。
发酵生产的过程及控制
死亡期
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，所以发酵结束 时发酵液体积比发酵开始时有所增加。在工厂的实际生产中 采用这种方法很多。
简单的过程，培养基中接入菌种以后，没有物料的加入和取出， 除了空气的通入和排气。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。
优点： 操作简单，周期短，染菌机会少，生产过程和产品质量 容易掌握 缺点： 产率低，不适于测定动力学数据
分批培养中微生物的生长
迟滞期 对数生长期
稳 定期
发酵级数确定的依据
级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响。
级数大，难控制、易染菌、易变异，管理困难，一 般2-4级。
在发酵产品的放大中，反应级数的确定是非常重要 的一个方面。
3、接种量的确定
移入种子的体积 接种量＝ —————————
接种后培养液的体积
过大过小都不好，最终以实践定，如大多数抗生素为7-15%。 但是一般认为大一点好。
7 种子的质量标准
• 菌丝形态、菌体浓度和培养基外观（色素、颗粒等）； • pH； • 糖氮代谢速度； • 其它参数,如接种前的抗生素含量、某种酶活等。
8 影响种子质量的因素：
1）原材料的质量:
一般选择一些有利于孢子发芽和菌丝生长的培养基，在营养 上容易被菌体直接吸收利用，营养成分要适当地丰富和完全， 氮源和维生素含量较高，这样可以使菌丝粗壮，并且具有较 强的活力。
另一方面，种子培养基中的营养成分要尽可能和发酵培养基 接近以适合发酵的需要，这样的种子移入发酵罐后能比较容 易适应发酵罐的培养条件如微量元素Mg、Ca、Ba能刺激孢子 的生长。 2）、培养温度：过低？过高？
第9章 微生物发酵技术
第一节 微生物发酵概论 第二节 工业发酵的工艺流程 第三节 工业发酵的主要产品
发酵工程是一门具有悠久历史，又融合了现代 科学的技术，是现代生物技术的组成部分。本 章主要介绍发酵工程的基本内容和基本原理， 重点介绍了工业发酵的工艺流程,还介绍了典型 产品的发酵生产工艺，如青霉素，谷氨酸和维 生素C的生产。
青霉素是最早发现并用于临床的—种抗生素，1928年为英国人 A . Fleming发现，40年代投入工业生产。在二战期间立刻大显身 手，它能有效控制伤口的细菌感染，挽救了数百万战争中受伤者 的性命。我们就以青霉素为例简单介绍抗生素的发酵生产过程。
(一)青霉素发酵生产菌株
最初由弗莱明分离的点青霉，只能产生2 U／ml的青霉素。 目前全世界用于生产青霉素的高产菌株，大都由菌株Wis Q l76(一种产黄青霉)经不同改良途径得到。70年代前育种采用 诱变和随机筛选方法，后来由于原生质体融合技术、基因克 隆技术等现代育种技术的应用，青霉素工业发酵生产水平已 达85 000U／ml以上。青霉素生产菌株一般在真空冷冻干燥状 态下保存其分生孢子，也可以用甘油或乳糖溶剂作悬浮剂， 在－70度冰箱或液氮中保存孢子悬浮液和营养菌丝体。
三、微生物发酵工业所用菌种
优良的微生物菌种是发酵工业的基础和关键，微生物资源非常 丰富，广泛分布于土壤、水和空气中，尤以土壤中为最多
1.从微生物分类学的角度把所需菌种分为：细菌类如短杆菌、枯 草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、梭状芽孢杆 菌等；酵母菌如啤酒酵母、酒精酵母、汉逊酵母和假丝酵母 等；霉菌如黄曲霉、红曲霉、青霉菌和赤霉菌等；放线菌如 各种抗生素，链、庆大等。
(3)脱色 在二次B A提取液中加活性炭150 一300g／10亿单位， 脱色、过滤。
发酵工程第九章发酵过程控制
发酵工程第九章发酵过程控制发酵工程是一门应用生物学、微生物学、化学等知识与技术的交叉学科，通过对微生物在发酵过程中的代谢特点和运行规律的深入研究，从而探索在发酵生产过程中如何控制微生物的生长、代谢及产物的合成，以提高发酵产物的产量和质量。
发酵过程控制是发酵工程的核心内容，也是实现发酵过程优化的关键。
发酵过程控制主要包括微生物培养条件的优化、发酵参数的监控和调控等。
微生物培养条件的优化是指通过合理调控发酵基质、发酵条件和发酵设备等因素，为微生物提供适宜的生长和代谢环境，以达到提高产酶产物的目的。
其中，发酵基质的优化包括选用适宜的碳源、氮源、无机盐和微量元素等，以满足微生物的营养需求；发酵条件的优化包括控制培养温度、pH值、溶氧度、搅拌速度、通气量等，以提供适宜的生长环境；发酵设备的优化包括选择合适的发酵罐类型和规格，保证良好的混合效果和传质性能。
发酵参数的监控和调控是实现发酵过程可控性的重要手段。
其中，监控发酵参数主要通过测定和分析微生物生长曲线、代谢产物浓度、培养液的理化指标等来了解发酵过程的动态变化，并及时调整发酵条件；调控发酵参数主要通过采用在线控制与传感技术，实时监测并自动调节温度、pH 值、溶氧度、搅拌速度、通气量等关键参数，以实现发酵过程的自动化和精确控制。
发酵过程控制的目标是在保证微生物生长和代谢的基础上，提高发酵产物的产量和质量，实现发酵过程的高效、稳定和可控。
为此，需要通过对发酵过程的深入研究和优化设计，建立合理的发酵工艺和控制策略。
在发酵过程中，应用传统的经验法和现代的控制理论相结合，根据不同微生物和不同发酵产物的特点，制定相应的控制策略。
例如，对于需氧发酵的菌种，应充分考虑氧的供应情况，控制溶氧度在合适的范围内；对于需酸性环境的菌种，应合理调控pH值，维持在适宜的范围内；对于同时产生多种代谢产物的菌种，应选择合适的反馈控制方法，控制各种产物的生成量。
此外，还应考虑发酵过程的反应动力学和传输过程等因素对控制的影响。
《发酵工程》第9章 空气除菌
二.介质过滤（深层介质过滤、深度介质过滤）
以棉花、玻璃纤维等纤维材料或活性炭作为介质填充成 一定厚度的过滤层，或将玻璃纤维、聚四氟乙烯、金属烧结 材料制成过滤层，其介质间的空隙大于被滤除的尘埃或微生 物。当空气流过介质滤层时，借助惯性碰撞、阻截、静电吸 附、扩散等作用，将尘埃和微生物截留在介质层内，达到除 菌的目的。 介质过滤的设备及操作费用低廉，适用于大量空气的净 化处理。
2.过滤纸类过滤器
过滤介质为超细玻璃纤维纸，分为旋风式和套筒式两种。
过滤层很薄，一般用3~6张滤纸叠在一起使用，它属于深层过 滤技术。纤维间的孔隙约为l~1.5um，厚度约为0.25~0.4mm，实重 度为2600kg／m3，虚重度为384kg／m3，填充率为14.8％，除菌效 率相当高，对大于0.3um颗粒的去除率为99.99％以上，阻力小，压 力降小；但强度不大，特别是受潮后强度更差。为了增加强度，常 用酚醛树脂、甲基丙烯酸树脂或含氢硅油等增韧剂或疏水剂处理。 也可在制造滤纸时，在纸浆中加入7％~50％木浆，以增加强度。安 装时，将滤纸夹在多孔法兰花板中间，花板上开Φ8mm的小孔，开 孔面积占板面积40％，在滤纸上、下分别铺上钢丝网和细麻布，外 面各有一个橡胶垫圈。
三.空气过滤器的结构
1.纤维状或颗粒介质过滤器
过滤器内有上、下孔板，过 滤介质置于两孔板之间，被孔板 压紧。介质主要为棉花、玻璃纤 维、活性炭，也有用矿渣棉。一 般棉花（玻璃纤维）置于上、下 层，活性炭在中间，也可全部用 纤维状介质。介质放置时应注意 均匀，贴壁、平整，有一定填充 密度，以防止空气走短路或介质 被空气吹翻。
（2）阻截作用
当气流速度低于临界速度时，在纤维周边形成一层边界滞 留区，滞留区内的气流速度更慢，颗粒不是因惯性碰撞而被滞 留，而是由于摩擦、粘附作用而被滞留，这种作用称为阻截作 用。在介质过滤除菌中，阻截作用不是主要的。
发酵工程 - 多选
1、发酵过程工艺控制中物理参数包括：温度、压力、搅拌转速和质量等。
2、介质过滤除菌机理主要有：惯性碰撞，拦截作用，静电吸引，布朗运动和重力沉降等。
3、液体发酵反应器种类主要包括：酒精发酵罐；啤酒发酵罐；机械搅拌通气式发酵罐；自吸式发酵罐；循环式发酵罐和排管式发酵罐等。
4、实验室使用的发酵系统基本组成可分解为：罐体系统，包括罐体等装置；灭菌系统，包括：蒸汽发生器等装置；温度控制系统，包括：罐内温度传感器等装置；无菌空气制备系统，包括：空气压缩机等装置；控制系统，包括：电源开关等装置。
1．灭菌方法主要有（）A．干热灭菌法B．湿热灭菌法C．射线灭菌法D．化学药品灭菌法E．过滤除菌法2．能影响发酵过程中温度变化的因素是（）A．微生物分解有机物释放的能量B．机械搅拌C．水分蒸发D．发酵罐散热E．菌体自溶3. 发酵过程中污染杂菌的途径可能有（）A．种子带菌B．无菌空气带菌C．设备渗漏D．培养基和设备灭菌不彻底E．操作不当4．影响培养基灭菌效果的因素有（）A．温度B．时间C．pH值D．培养基成分和颗粒物质E．泡沫5. 补料有利于控制微生物的中间代谢，补料的内容有（）A．能源和碳源B．氮源C．消泡剂D．微量元素或无机盐E．诱导酶的底物1．下列不是微生物生长、繁殖所必需的物质的是（）A 激素B 核苷酸C 维生素D 色素E 抗生素2．高温对培养基成分的有害影响，表现在（）A 形成沉淀B 破坏营养C 提高色泽D 改变培养基的pH值E 降低培养基浓度3．微生物的次级代谢产物，（）A 是微生物生长繁殖所必需的物质B 对微生物无明显的生理功能C 在细胞内积累D 具有菌株特异性E 是以初级代谢产物为前体衍生而来4. 近代发酵工业具有以下特点（）A 由自然发酵转为代谢控制发酵和人工支配遗传因子的发酵B 微生物酶反应生物合成和化学合成相结合C 向大型发酵和连续化、自动化方向发展D 微生物工业涉及国民经济的各个领域E 从糖质原料转到利用石油、天然气及纤维素资源5. 目前发酵过程已经实现在线测量和控制的参数是（）A 温度B pH值C 溶解氧浓度D 消泡E 流量5.发酵完毕后，目标产物提取前，要对发酵液进行预处理，其内容包括：（），（），（），（）。
发酵过程控制
发酵过程控制和优化技术的有关知识发酵的生产水平高低除了取决于生产菌种本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺的影响。
只有深入了解生产菌种在生长和合成产物的过程中的代谢和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，有效控制各种工艺条件和参数，使生产菌种始终处于生长和产物合成的优化环境中，从而最大限度地发挥生产菌种的生产能力，取得最大的经济效益。
一．发酵过程进行优化控制的意义随着生物和基因工程技术在各工业行业中的应用，发酵产品生产规模和品种不断增加，对发酵过程进行控制和优化也显得越来越重要。
作为发酵中游技术的发酵过程控制和优化技术，既关系到能否发挥菌种的最大生产能力，又会影响到下游处理的难易程度，在整个发酵过程中是一项承上启下的关键技术。
与物理和化学反应过程不同，生物过程的反应速率比较慢，目的产物的浓度、生产强度、反应物质（底物或基质）向目的产物的转化率也比较底。
工业微生物学从两个方面解决上述问题，一方面通过菌种选育和改良获得高产的发酵菌种；另一方面，通过控制培养条件使微生物最大限度地生产目标产物。
相对来讲，通过发酵过程控制和优化，将生物过程准确地控制在最优的环境或操作条件下，是提高整体生产水平的一个捷径或者说是一种更容易的方法，其重要性也绝不亚于利用分子生物学和基因工程进行菌种改良的方法。
二．生化过程的特征与物理和化学反应过程相比，生化反应过程有以下不同特征：①动力学模型高度非线性；②动力学模型参数的时变性；③除简单的物理和化学状态变量（温度、pH、压力、气体分压、DO 外，绝大多数生物状态变量（生物量、营养物浓度、代谢产物浓度、生物活性等）很难在线测量；④过程参数的滞后性，一个生物过程可能涉及成千上万个小的物理和化学反应，其相互间的作用和影响造成了生物过程的响应速率慢。
生物过程的控制和优化还具有以下特点：①不需要太高的控制精度；②各状态变量之间存在一定的连带关系；③由于没有合适的定量的数学模型可循，其控制与优化操作还必须完全依靠操作人员的经验和知识来进行。
专题九 发酵工程
专题九发酵工程(1)泡菜、果酒和果醋的制备原理、过程和条件控制。
(2)微生物培养基的配制和无菌技术。
(3)微生物的选择培养和计数。
(4)发酵工程及其基本环节。
1.判断有关发酵工程应用说法的正误(1)腐乳制作利用了毛霉等微生物产生的蛋白酶和脂肪酶。
(√)(2)在制作果醋时，如果条件适宜，醋酸菌可将葡萄汁中的糖分解成乙酸。
(√)(3)果酒发酵所需的最适温度高于果醋发酵温度。
(×)(4)制作泡菜时，盐水煮沸后可以立即使用。
(×)(5)泡菜的制作前期需要通入氧气，后期应严格保持无氧条件。
(×)(6)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及菌体本身。
(√)(7)在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。
(√)2.判断有关微生物培养与应用说法的正误(1)在琼脂固体培养基上长出的单个菌落含有多种细菌。
(×)(2)检测土壤中细菌总数实验操作中，确定对照组无菌后，选择菌落数在300以上的实验组平板进行计数。
(×)(3)虽然各种培养基的具体配方不同，但一般都含有水、碳源、氮源和无机盐。
(√)(4)对异养微生物来说，含C、H、O、N的有机化合物既是碳源又是氮源。
(√)(5)观察细菌培养的实验时，最好是在另一块平板上接种无菌水作为对照实验。
(√)(6)平板划线法要求多次划线，稀释涂布平板法中菌液要充分地稀释。
(√)(7)倒平板时，应将打开的皿盖放到一边，以免培养基溅到皿盖上。
(×)(8)对细菌进行计数能采用稀释涂布平板法，也能用平板划线法。
(×)(9)分解尿素的细菌在分解尿素时，可以将尿素转化为氨，使得培养基的酸碱度降低。
(×)(10)刚果红可以与纤维素形成透明复合物，所以可以通过是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。
(×)1.果酒发酵时，装入发酵瓶要留有大约1/3的空间，原因是。
提示为酵母菌大量繁殖提供适量的氧气，防止发酵时汁液溢出2.某同学在通过发酵制作果酒时，发现在制作原料中添加一定量的糖，可以提高酒精度，原因是。
- 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)。
➢ 不同微生物有其最适的生长温度范围。
➢ 同一种微生物，由于培养条件不同，其最适 的温度也有所不同。
➢ 处于不同生长阶段的微生物对温度的反应不同： 处于停滞期的微生物对温度等环境十分敏感； 在最适温度范围内可缩短细胞的延滞期。
二、温度对发酵代谢产物的影响
1.影升高响温发度酵会加动快力反学应，特同征时使细胞提早老化，影响最终产量。 2.改温变度变菌化体使代合成谢的产产物物发的生合改成变；方对向多组分比例产生影响。 3.影如响温微度影生响物反的馈抑代制谢作调用的节强机度制。 4.影通过响影发响酵其他液发的酵理参数化间性接质影响发酵进程。 5.影针响对细产胞物生的长和生产物物合合成成的最适温度不一致的情况。
如：糖类（产有机酸），脂肪（产脂肪酸）
发酵过程中pH的变化因素
1.引起发酵液pH下降的因素 ①培养基碳氮比不当，碳源过多会使有机酸大量积累 ②消泡剂（油）加量过多 ③生理酸性物质的存在，如氨的利用pH下降
2.引起发酵液pH上升的因素 ①培养基碳氮比不当，氮源过多氨基氮释放使pH上升 ②生理碱性物质存在 ③补料时氨水等碱性物质加量过多
✓培养基组成 ✓氧的需求 ➢温度 ➢pH ➢泡沫 ➢补料 ➢CO2和呼吸商
第1节 温度对发酵的影响及控制
微生物生化反应与温度有着密切的关ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
一、温度对微生物细胞生长的影响
大多数微生物的适宜生长温度在20~40oC的范围。 在最适温度范围内，微生物的生长速率可达到最大。 生产菌在最适温度范围以下培养时，生长代谢慢； 当温度超过最适生长温度时生长速率随温度增加而 迅速下降。
能力，以维持最适的pH环境。
发酵过程中pH的变化
外界环境发生较大变化时，pH会不断波动。 生理碱性物质：经微生物代谢后，导致pH上升 （碱性物质生成或酸性物质消耗）的物质。 如：有机氮源，硝酸盐，有机酸 （产NH3、OH-） 生理酸性物质：经微生物代谢后，导致pH下降 （酸性物质生成或碱性物质消耗）的物质。
三、发酵过程中pH的调节与控制
最适pH的选择和调节的原则： – 既有利于菌体的生长繁殖，又可最大限度 的获得高产。 – 根据不同微生物的特性，在发酵过程中随 时检查pH 值的变化，选用适当的方法进行调节。
X
生长
合 成
pH
pH的控制
在发酵过程中，发酵液的pH随着微生物活动而不断变化， 为提供菌体适宜的生长或产物积累的pH值，需要对发酵生 产过程各阶段的pH值实施监控。
第二篇 发酵工程机理与过程控制
第九章 发酵过程工艺控制
第一节 温度对发酵的影响及控制 第二节 pH对发酵的影响及控制 第三节 泡沫对发酵的影响及控制 第四节 CO2浓度和呼吸商 第五节 流加补料的控制
发酵研究的内容：
1.菌种的来源——找到一个好的菌种
2.发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力
选育耐高温菌的意义：
发酵过程所采用的微生物菌种若能在较 高的温度下生长繁殖，既可减少杂菌污 染的机会又可减少夏季培养所需的降温 辅助设备，对生产非常有利。
第2节 pH对发酵的影响及控制
pH是微生物代谢活动的综合指标， 是重要的发酵参数。
一、pH对发酵过程的影响
每一类微生物都有最适的和能耐受的pH范围。 由于菌种自身的特性以及产物的化学性质的关系， 微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH往往不 一样。
生长最适pH和产物形成最适pH的相互关系：
a. 两者相同，范围都宽；容易控制。 b. 两者相同，范围一宽一窄；必须严格控制。
c. 两者相同，范围都窄；必须严格控制。 d. 两者不同，范围都窄；分别严格控制。
pH对发酵的影响主要有： 1）影响微生物的生长繁殖（酶的活性） 2）影响细胞膜带电荷状态，改变膜的通透性 3）影响培养基中某些组分的解离和吸收 4）影响代谢产物形成的数量和代谢途径方向 5）影响产物的稳定性
（4）pH值不同有时会引起代谢过程改变，使 代谢产物的质量和比例发生变化。
pH影响代谢产物形成的数量和代谢途径方向
如 1)黑曲霉:在pH 2-3时发酵产生柠檬酸， 在pH近中性时，则产生草酸。
2)谷氨酸发酵:在中性和微碱性条件下积累谷 氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰 谷氨酰胺。
3)酵母在酸性条件下产生乙醇，而在碱性条件 下发酵产物是甘油。
2.发酵热的测定和计算
1. 通过冷却水带走的热量进行计算； 2.通过发酵液的温度升高进行计算； 3.通过生物合成热进行计算。
四、最适温度的控制
最适发酵温度包含两方面信息：
既适合菌体生长、又适合代谢产物合成 1.有时最适生长温度与最适生产温度不 一致，需要在培养的不同阶段动态调整。 2.接种初期发酵温度会下降，需要及时 保温；待菌种进入指数生长期与主发酵 阶段时发酵产热，温度上升；发酵后期 温度又出现下降趋势，直至发酵结束。
控制一定的pH，不仅是保证微生物生长的主 要条件之一，而且是防止杂菌感染的一个措施。
二、发酵过程中pH的变化及影响因素
培养基中营养物质代谢是引起pH变化的主要因素。 随发酵进行，碳源、氮源等被利用，有机酸等产物 开始积累，会使pH产生一定的变化。 pH变化幅度取决于
所用菌种、培养基的成分和培养条件。 代谢过程中，菌自身具有一定的调整周围pH的
（1）pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些 酶的活性时使菌的新陈代谢受阻； （2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变， 从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物 质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢 的进行；
（3）pH值影响培养基某些营养成分和中间代谢 物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用。
三、发酵热及其计算和测定
1.发酵热 发酵过程产生的热量。
包括： ➢ 生物热：微生物生长繁殖过程中的产热 ➢ 搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热 ➢ 蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量 ➢ 辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量 Q发酵= Q生物+ Q搅拌- Q蒸发-Q辐射
发酵热随时间而变化，尤其是生物热，具有很 强的时间性，处于旺盛的对数生长期产生的生 物热最大。 因此，发酵过程要维持一定的发酵温度，必须 采取保温措施，在夹套内通入蒸汽或冷却水控 制温度。