第8章连续发酵
第八章--发酵染菌及其防治全文编辑修改
2、发酵染菌的异常现象
（1）菌体浓度异常 菌体浓度异常下降 菌体浓度异常升高 菌体繁殖和代谢速率缓慢
（2）pH过高或过低 pH上升（感染噬菌体，导致菌体自溶，释放大量氨、 氮） pH下降（感染杂菌，基质大量消耗产生酸性物质）
（3）溶解氧及CO2水平异常 溶解氧短时间内下降，甚至接近零，且长时间不能 回升（污染耗氧微生物） 耗氧量减少，溶解氧升高（污染非耗氧微生物或者 噬菌体） 耗糖量加快，CO2含量增加（污染杂菌） 耗糖量减少，CO2含量减少（污染噬菌体）
第一节 染菌对发酵的影响
一、染菌对发酵过程的影响
生产不同的品种，可污染不同种类和性质的微生物。 不同污染时间，不同污染途径，污染不同菌量，不同培 养基和培养条件又可产生不同后果
1、发酵染菌对不同发酵品种的影响
（1）不同生产菌可能污染的染菌 ➢放线菌由于生长的最适pH为7左右，因此染细菌为多 ➢霉菌生长pH为5左右，因此染酵母菌为多。
酚红肉汤培养基检测（检查培养基和无菌空气是否染菌， 肉汤由红变黄） 平板划线 显微镜观察
3、检查的工序和时间
工序 斜面 摇瓶种子 种子罐种子 种子罐种子 种子罐种子 种子罐种子 发酵 发酵 发酵 发酵 发酵 总过滤器 分过滤器
表1 发酵过程的杂菌检查
时间
0h 0h 培养中期 成熟种子 0h 0h 8h 16h 24h 每月一次 每月一次
第八章 发酵染菌及其防治
发酵染菌（contamination）：发酵培养过程中除了生产菌 以外，侵入了有碍生产的其它微生物。
发酵染菌的危害 ➢发酵过程污染杂菌，会严重的影响生产，是发酵工业的致 命伤。 ➢造成大量原材料的浪费，在经济上造成巨大损失 ➢扰乱生产秩序，破坏生产计划。 ➢遇到连续染菌，特别在找不到染菌原因往往会影响人们的 情绪和生产积极性。 ➢影响产品外观及内在质量
【课堂笔记】《发酵工程》
【课堂笔记】《发酵⼯程》《发酵⼯程笔记》笔者：赵可⽬录第⼀章绪论（p1） (1)1.1概念 (1)1.2发酵⼯程的研究内容 (1)1.3发酵过程的特点 (2)1.4发酵过程的问题 (2)1.5发酵⼯程的发展简史 (2)1.6发酵⼯程⼯程的任务 (2)1.7发展⽅向 (3)第⼆章⽣物发酵的基本过程（p36） (3)2.1发酵的基本过程 (3)2.2发酵过程的⼀般过程和操作⽅式 (3)2.3微⽣物的发酵类型 (4)2.3.1液体发酵 (4)2.3.2固体发酵 (4)2.3.3好氧发酵 (5)2.3.4厌氧发酵 (5)第三章种⼦扩⼤配培养（p44） (5)3.1概念 (5)3.2种⼦扩⼤培养⼯艺 (6)3.2.1制备流程 (6)3.2.2优良种⼦具备的条件 (6)3.2.3影响种⼦的质量因素 (6)3.2.4种⼦质量控制措施 (6)第四章发酵培养基（p48） (6)4.1⼀般特点 (6)4.2发酵培养基的组成与制备 (6)4.2.1发酵培养基的组成 (6)4.2.2发酵培养基的制备要点 (7)4.3发酵培养基的设计和优化 (8)4.3.1设计发酵培养基要考虑的因素： (8)4.3.2摇瓶实验： (8)4.3.3正交实验：多因素多⽔平 (8)第五章发酵过程产物分析（p53） (8)5.1分析项⽬按性质分可分三类： (8)5.2发酵终点的判断 (8)第六章发酵动⼒学（p59） (8)6.1发酵动⼒学概念 (8)6.2研究发酵动⼒学的⽬的 (9)6.3动⼒学 (9)6.3.1课程重点 (9)6.4⽣物反应类型 (9)6.5发酵的⽬的 (9)6.6发酵研究的关键问题 (9)6.7优化发酵过程达到⾼产⽬标的⽅法 (10)6.8发酵动⼒学研究的基本过程 (10)6.9分批发酵动⼒学 (10)6.9.1菌龄 (10)6.9.2分类 (10)6.9.3细胞⽣长动⼒学 (10)6.9.4分批发酵基质消耗动⼒学 (11)6.9.5分批发酵产物形成动⼒学 (11)6.9.6分批发酵的优缺点 (12)6.9.7重要截图（来⾃中国MOOC余龙江教授） (12)6.10讨论与问题 (13)第七章分批发酵、补料分批发酵和⾼密度发酵（p81） (14)7.1分批发酵 (14)7.1.1分批发酵的操作⼯艺 (15)7.1.2菌体⽣长规律 (15)7.1.3代谢变化 (15)7.2补料分批发酵 (16)7.2.1适⽤范围： (16)7.2.2物料流加⽅式 (16)7.2.3补料分批动⼒学 (16)7.3⾼密度发酵 (16)7.3.1影响⾼密度发酵⽣产的因素 (16)7.3.2⾼密度发酵存在的问题 (17)7.4讨论与问题 (17)7.4.1分批发酵和补料分批发酵有哪些联系和区别？ (17)7.4.2分批发酵的流程 (17)7.4.3分批发酵包括哪些时期 (17)7.5课堂问题 (17)第⼋章连续发酵（p105） (19)8.1基本概念 (19)8.2连续发酵的优缺点 (19)8.3连续发酵的类型 (19)8.4连续发酵操作⽅式 (20)8.4.1开放式连续发酵 (20)8.4.2封闭式连续发酵 (20)8.5膜连续发酵 (21)8.6连续发酵的控制⽅式 (21)8.7连续发酵的实际应⽤ (22)8.7.1连续发酵 (22)8.7.2分批发酵 (22)8.7.3补料分批发酵 (22)8.7.4连续发酵在⼯业上的应⽤ (23)第九章微⽣物的现代固态发酵（p121） (23)9.1固态发酵 (23)9.1.1固态发酵的特点 (23)9.1.2固体培养的优点 (23)9.1.3固液发酵的⽐较 (23)9.1.4传统固态发酵与现代固态发酵 (24)9.1.5固态发酵分类 (25)9.1.6适合固态发酵的微⽣物 (25)9.1.7固态发酵的界⾯作⽤ (25)9.2固态发酵反应器 (25)9.2.1静态固态发酵反应器 (25)9.2.2动态固态发酵反应器 (26)9.2.3固态发酵反应器 (26)9.3固态发酵的应⽤ (26)第⼗章基因⼯程菌株发酵（p154） (27)10.1⼯业化⽣产的基因⼯程菌应具备的条件 (27)10.2基因⼯程菌的发酵 (27)10.2.1培养操作和发酵设备 (27)10.3讨论与问题 (27)10.3.1基因⼯程菌的不稳定性 (27)10.3.2改善措施： (27)10.3.3⽣产过程: (27)第⼗⼀章发酵过程中氧的溶解、传递、测定及其影响因素（p167） (28)第⼗⼆章发酵控制⼯程（p183） (28)12.1讨论与问题 (28)第⼗三章空⽓除菌（p250） (29)13.1⼏个基本概念 (29)13.2染菌的危害 (29)13.3树⽴⽆菌概念，强调⽆菌操作 (29)13.4灭菌和除菌的基本原理 (30)13.5发酵⼯程的灭菌⼯程（p228） (30)13.5.1化学物质灭菌 (30)13.5.2⼲热灭菌法 (30)13.5.3湿热灭菌法 (31)13.5.4射线灭菌 (31)13.5.5过滤介质除菌 (31)13.5.6静电除菌 (31)13.5.7臭氧灭菌 (31)13.6名词概念 (32)13.7培养基和发酵设备的灭菌 (32)13.7.1温度和时间对培养基的影响 (32)13.7.2影响培养基灭菌的其他因素 (33)13.7.3培养基分批灭菌 (33)13.7.4发酵设备的灭菌 (34)13.8空⽓除菌 (34)13.8.1发酵⽤⽆菌空⽓的概念和质量标准 (34)第⼗四章发酵⼯程设备（p265） (35)14.1通⽓发酵罐 (35)14.1.1机械搅拌通⽓发酵罐 (35)14.1.2⾃吸式发酵罐 (35)14.2嫌⽓发酵罐 (36)14.2.1基本要求 (36)《发酵⼯程》1-14章节笔记第⼀章绪论（p1）1.1概念发酵⼯程利⽤微⽣物或动植细胞的⽣长繁殖和代谢活动以及特定功能，通过现代化⼯程技术⽣产有⽤物质或直接应⽤于⼯业化⽣产的技术体系；是将传统发酵与现代的DNA重组，细胞融合，分⼦修饰，和改造新技术结合并发展起来的现代发酵技术；它是渗透有⼯程学的微⽣物学和细胞⽣物学，是现代⽣物技术产业的基础与核⼼。
第八章微生物的生长及其控制
获得同步生长的方法：
同步培养法
诱导法
筛选法
化学诱导 物理诱导
过滤法 区带密度梯度离心法 膜洗脱法
二、微生物的生长曲线 生长曲线(Growth Curve)：
二、氧气对微生物生长的影响
根据微生物与氧的关系,可把它们分 为几种类群: 专性好氧菌: 兼性厌氧菌: 微好氧菌： 耐氧厌氧菌： 厌氧菌 (专性)厌氧菌：
好氧菌
一）好氧菌
1、专性好氧菌（obligate or strict aerobes）
必须在较高氧分压的条件下才能生长，有完
整的呼吸链，以分子氧作为最终氢受体，细胞含
②发酵工业上尽量延长该期，以达到较高的菌体 密度
③食品工业上尽量使有害微生物不能进入此期 ④是生理代谢及遗传研究或进行染色、形态观察 等的良好材料。
③稳定期（stationary phase）
又称：恒定期或最高生长期 特点： ①培生长速率常数R＝0，正、负增 长相等；
②菌体产量达到了最高点；
③细胞内开始积聚糖原、异染粒和 脂肪等内含物；
一）、直接法 比例计数法、 薄膜过滤染色镜检法 血球计数板法、 薄膜过滤荧光镜
检法
二）、间接法（活菌计数法）
平板菌落计数法、平板涂布法、
薄膜过滤平皿计数法
1 总细胞计数法 1） 血球计数板法
薄膜过滤吖叮橙染色荧光镜检法
2 活细胞计数法
1）平皿菌落计数法(稀释倒平板法)
2）平皿菌落计数法(平板涂布法)
第八章
微生物的生长繁殖 及其控制
• 目的和要求： • 本章主要使大家掌握微生物生长繁殖的规律， 微生物生长的测定方法，及各种物理、化学因 素对微生物生长的影响，有害微生物的控制方 法
第8章-微生物反应动力学
Feed vessel
Balance P
Controller
Temp. control system
Pump
Gas flow controller
conc.
Feed volume
AD converter
Agitation speed
P
Acid/base
volume
O2 analyzer
原因：在新的环境，缺乏分解或催化相关底物的酶。
缩短和消除延迟期的方法有：增加接种量、采用最适种 龄、选用繁殖速度快的菌种以及尽量保持接种前后所处 的培养基介质和条件一致。
第二节 分批培养动力学
一、分批培养中细胞的生长动力学
1、延迟期：适应过程
细胞初浓度X0一定,限制性基质浓度S0不同 限制性基质浓度S0一定,细胞初浓度X0不同
第二节 分批培养动力学
分批发酵（batch fermentation)即分批培养 特点：
微生物所处的环境在发酵过程中不断变化， 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。
优点：操作简单； 操作引起染菌的概率低，且发生杂菌污 染后易终止操作； 不会产生菌种老化和变异等问题；当运 转条件变化时，易改变处理对策；对原料组成要求较粗放。 缺点：非生产时间较长、设备利用率低。
解：将数据整理得：
400
S/μ 100 137.5 148.8 231.8 311.3
S/ µ
S 6 33 64 153 221
300
斜率为0.95
由斜率为1/µmax，纵轴截距为KS/µmax可以 求得：μmax＝1.1 (h-1);
第一节 发酵类型
二、类型Ⅱ （生长部分相关型）
发酵动力学
第八章发酵动力学发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。
fermentation kinetics生化反应工程的基础内容之一，以研究发酵过程的反应速率和环境因素对速率的影响为主要内容。
通过发酵动力学的研究，可进一步了解微生物的生理特征，菌体生长和产物形成的合适条件，以及各种发酵参数之间的关系，为发酵过程的工艺控制、发酵罐的设计放大和用计算机对发酵过程的控发酵动力学制创造条件。
研究发酵过程中菌的生长速率、培养基的消耗速率和产品形成速率的相互作用和随时间变化的规律。
发酵动力学包括化学热力学(研究反应的方向)和化学动力学(研究反应的速度)并涉及酶反应动力学和细胞生长动力学。
它为发酵过程的控制、小罐试验数据的放大以及从分批发酵过渡到半连续发酵和连续发酵提供了理论基础。
发酵动力学也是计算机模拟发酵过程研究及发酵过程计算机在线控制的基础。
在发酵中同时存在着菌体生长和产物形成两个过程，它们都需要消耗培养基中的基质，发酵动力学因此有各自的动力学表达式，但它们之间是有相互联系的，都是以菌体生长动力学为基础的。
所谓菌体生长动力学是以研究菌体浓度、限制性基质（培养基中含量最少的基质，其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、温度和pH等对菌体生长速率的影响为内容的。
在分批发酵中，菌体浓度X,产物浓度P和限制性基质浓度S均随时间t变化菌体生长可分迟滞、对数、减速、静止、衰退等五个时期。
其中菌体的主要生长期是对数期，它的特点是：随着基质浓度继续下降，菌体的衰老死亡逐步与生长平衡以至超过生长，也即进入静止和衰退期。
发酵动力学J.莫诺于1949年提出了一个μ与S间的经验关联式，此式被称莫诺方程式：μm为最大比生长速率, 即不因基质浓度变化而改变的最大μ值;Ks为饱和常数，即在数量上相当于μ=0.5μm时的S值。
Ks值愈小，说明在低基质浓度范围中，S对μ愈为敏感,而保持μm的临界S值愈低。
第八章 发酵过程的放大
“发酵放大是一门艺术，而不是一门科学” —— A.E.Humphrey
就目前为止，生化放大过程一直是一 个难题。
虽然很难用理论分析，但是并不是放大 问题没解决就不能放大，反应器的不足 可以通过工艺及控制手段来弥补，工艺 的欠缺也可以通过改善反应器型式来修 正。
主要内容
2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰 直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时 的菌株损失和菌种的适应性等。
3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面 直接接触。发酵罐是和空气混合接触， 考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。
4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控 制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发 酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决 的。
➢ 第一节 发酵放大的原则及方法 ➢ 第二节 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发
酵罐放大 ➢ 第三节 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件
第三阶段 工厂大规模生产
第一节 发酵放大的原则及方法
2.供氧方面的阻力
于氧：是k1气难1 膜溶；气体：，气所k12 液以界面即；液膜：处液1的膜k13阻；力是：主发要酵k14阻液力；来由
源；
k3
3.耗氧方面的阻力
传递k：；18 胞k15 外：液为膜耗；氧方：面k菌6、的k1k丝67 阻丛力；主要：来细源k1胞7 ；膜另；外
：胞内 受菌
体生理及培k养8 基成分如pH不适、代谢产物积累等影响。
以kLa为基准的比拟放大法
有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快， 因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为 生产的限制性因素。耗氧速率可以用实 验法测定。在小型试验发酵罐里进行发 酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的 溶氧浓度。
第八章 发酵中式比拟放大
第三节 发酵中试和发酵罐比拟放大内容
1、发酵中试放大的内容 研究在一定规模设备中操作参数和条件的变化规
律；验证实验室工艺路线的可行性；进行工艺条 件限度实验和过程优化控制；确定小试到放大所 需测定参数及过程控制方法；解决实验室阶段未 能解决或尚未发现的问题。 具体内容有以下几个部分：
（1）生产工艺路线的复审 （2）设备材质与型式选择 （3）搅拌器型式和搅拌速度的考察 （4）反应条件的进一步研究 （5）工艺流程和操作方法的确定 （6）原辅材料和中间体的质量控制
大罐单位体积需要通风量要比小罐单位体积通风量 小的多。
（3）搅拌功率放大 搅拌功率是影响溶氧量的关键因素，搅拌功率放
大是放大主要内容，性质固定液体，功率取决于 转速n和叶轮直径Di,一般Di固定，放大就主要是转 速问题。 ①按雷诺系数Re相等放大 ②单位体积液体消耗功率P0/V相等放大
③按体积溶氧系数相等放大 ④搅拌器末端线速度相等放大 ⑤按单位体积搅拌循环量F/V相等放大
第四节 发酵中试比拟放大的方法
1、比拟放大的基本方法 将在小型设备中进行的科研成果放在大生产设备
中再现的过程，便是比拟放大。 基本方法：找出表征系统的各种参数，并将之组
成一个具有物理含义的无量纲量，由此再建立函 数关系式；用实验方法在试验设备中求得函数式 中包含的常熟和指数；将此确定的函数关系式用 于与试验设备几何相似的大型设备设计。 比拟放大不是简单按比例放大，而是建立在几何 相似、培养条件相同和微生物在反应器中充分分 散的假设基础上的。 一般生物工业生产中，放大倍数在10-200。
一致。
3、物料衡算
意义：是化工计算中最基本和重要内容，也是能 量衡算基础；揭示物料利用情况；了解产品得率 最佳值和设备生产能力潜力；掌握各生产设备匹 配情况。
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 (第8章)
3、主要结构参数（自习）
4、主要性能指标（自习）
5、典型的气升环流发酵罐
BIOHOCH多气升管废水处理生化反应器
（三）机械搅拌自吸发酵罐
四弯叶自吸式叶轮转子
六直叶自吸式叶轮转子
转子（叶轮、自吸搅拌器）
定子（导轮）
三、固体培养设备
（一）自然通风固体曲发酵设备
曲架、曲盘、帘子
（二）机械通风固体曲发酵设备
1一输送带 2一高位料斗 3一送料小车 4一曲料室 5一进出料机 6一料斗 7一输送带 8一鼓风机 9一空调室 10一循环风道 11-室闸门
四、动植物细胞培育反应器
（一）动物细胞培养生物反应器
1、动物细胞悬浮培养反应器
双臂磁搅拌細胞培养瓶 双侧臂Celstir瓶
四臂磁搅拌細胞培养瓶 四侧臂Celstir瓶
10－空气排放口 11－空气，CO2混合室
12－收集（取样）口
密闭式光生物反应器优点： （1）无污染，能实现单种、纯种培养 （2）培养条件易于控制
（3）培养密度高，易收获
（4）适合于所有微藻的光自养培养，尤其适 合于微藻代谢产物的生产 （5）有较高的光照面积与培养体积之比，光能 和CO2利用率较高等突出优点
全挡板条件下 的搅拌流型
c、轴封
单端面机械轴封示意图
1 静环与罐体之间的密封：通常用 各种形状有弹性的辅助密封圈来防 止液体从静环与罐体之间泄漏。这 是一静密封。
单端面机械轴封 1- 弹簧 2- 动环 3- 硬质合金 4- 静环 5- O形密封圈
单端面机械轴封示意图
2 动环与轴之间的密封：也是用 各种形状有弹性的辅助密封圈来 防止液体从动环与轴之间泄漏。 这是一个相对静止的密封。但当 端面磨损时，允许其作补偿磨损 的轴向移动，这个补偿移动是靠 弹簧或波纹板来实现的。
第8章乳酸发酵工艺
2 乳酸发酵微生物
乳酸细菌
1）乳酸菌分离 酿造发酸食品采样 泡菜形式富集 碳酸钙透明圈法分离（倾注法倒平板） 2）产D-乳酸细菌 德氏乳杆菌：77g/L，转化率90%，D-乳酸比例：90% 保加利亚乳杆菌：40g/L，转化率72%，D-乳酸比例：99% 左旋乳酸芽孢杆菌 菊糖芽孢乳杆菌： 98g/L，转化率97%，D-乳酸比例：99%
1）浓缩：12-13波美度（乳酸钙26—28%） 杂质影响（杂质增加1%，乳酸钙溶解度增加10%），浓缩前要除杂
第8章乳酸发酵工艺
乳酸钙结晶酸解工艺
2）结晶 初始温度30℃---------- 23 ℃（1h），投放6—7%晶种 23 ℃-------18 ℃（1.5h） 后温度每1h降低2 ℃ 终温10 ℃，保持3—5h
第8章乳酸发酵工艺
同型乳酸发酵
2H（乳酸脱氢酶）
C6H12O6 EMP 2CH3COCOOH
2CH3CHOHCOOH
同型乳酸发酵的特点：1mol的G产生2mol乳酸，理论转化率是 100%。另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。
第8章乳酸发酵工艺
①同型乳酸发酵
2乳酸
2ATP 2ADP
葡萄糖
2NAD+ 2NADH
第8章乳酸发酵工艺
二. 代谢途径及产乳酸微生物
1 乳酸代谢途径
细菌乳酸途径
厌氧菌或微需氧菌，按发酵糖类过程和产物不同，可分为同型和 异型和双歧乳酸发酵
同型乳酸发酵：它们利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸还原产 生乳酸。发酵产物中主要为乳酸的称为同型乳酸发酵，如乳链球菌 （Streptococcus lactics）、乳酪链球菌（ Streptococcus cremoris）、干酪乳杆菌（lactobacillus casei）、保加利亚乳杆菌 （Lac. bulgaricus）等。
最新8第八章发酵豆制品1
• 沪酿1.08植物乳酸菌 与沪酿2.14蒙奇球拟 酵母在固态低盐发酵后期中协同作用，短 期发酵所得酱油风味，可与老法长期天然 晒油相媲美。
• 此外，酱醪发酵的全过程，始终能查到一 定数量的芽孢杆菌，如枯草杆菌、地衣芽 孢杆菌：与某些生香物质有关。
（四）对酱油生产中曲霉的要求
• 不产黄曲霉毒素； • 蛋白酶、淀粉酶活力高，有谷氨酰胺酶活力； • 生长快速、培养条件粗放，抗杂菌能力强； • 香味好，不产生异味。
2 沪酿214蒙奇球拟酵母(T．mogii SB214)
上海酿造科研所分离，有很强的酒精发酵力，酒精 含量在7％以上，能在18％食盐中生长，在10％ 浓度的食盐酱醪中发酵旺盛。与植质乳杆菌协同 作用，对产生酱香有良好效果。
3 酱醪结合酵母（Zygosaccharomyces major） 也是耐高渗透压的酵母菌，在酱醪接近成熟时生产 较多，能进行酒精发酵，赋予酱油醇香味。
日本制曲用混合曲霉，米曲霉79％，酱油曲霉21％。 我国多用纯米曲霉菌种制曲，也有用混合曲。 ——决定了原料的利用率、酱醪发酵成熟的时间及产 品酱油和酱的风味和色泽。
3．As3.350黑曲霉(Aspergillus niger) 高产酸性蛋白 酶。在沪酿3.042米曲霉固体制曲中，添加一定量 As3.350黑曲霉种曲混合制曲，谷氨酸含量提高20 ％以上，酱油鲜味增加。
• 关于谷氨酰胺酶：林祖中等(1985)诱变选育 的沪酿3.422菌株，其谷氨酰胺酶活力比沪酿 3.042 菌 株 提 高 近 2 倍 ， 谷 氨 酸 含 量 可 提 高 40%。
• 可见，不同米曲霉菌株的酶活力差异很大！
(二)淀粉糖化
8第八章发酵豆制品1
本章提要
• 酱类与酱油的酿造 • 腐乳 • 纳豆和纳豆制品 • 丹贝
8第八章 发酵过程的放大
3.菌丝受机械损伤的差异
摇瓶培养：菌体只受液体的冲击或沿着 瓶壁滑动影响——机械损伤很轻； 发酵罐培养：受搅拌叶的剪切力、搅拌 时间的长短等——机械损伤程度远远大 于摇瓶培养。
搅拌增加菌体受损伤的程度
菌体内核酸类物质的漏出率与搅拌转速、 搅拌持续时间、搅拌叶的叶尖线速度、 培养液单位体积吸收的功率及Kla值成 正比关系
一、从摇瓶取得发酵罐放大有用参数的方法及原 理 二、 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发酵 罐放大 三、 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段
实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件
第三阶段 工厂大规模生产
第一节、从摇瓶取得发酵罐放大有用参数 的方法及原理
上式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。 生物反应醪液多属与时间无关的粘性流体范围（表 5-1）。
f ( )
表5-1 与时间无关的纯粘性流体的流变特性
类别 牛顿型 流变性方程 表观粘度a 恒定不变 a 示 例
假塑型 K n ,0 n 1 随剪切率的增加而 减少 a K n1 (幂律) 膨胀型 (幂律) 平汉塑型
₰ 丝状菌发酵中，高粘度发酵液的表观粘度明显 随剪切速率的不同而变化。 ₰ 同一反应器中，离搅拌器远近位置的不同，流动 特性明显不同。 ₰ 一般丝状菌的发酵液呈假塑性流体、胀塑性流 体等非牛顿性流体特性，并且发酵液的流动特性 还随时间而变化。 ₰ 微小颗粒悬浮液的粘度是多种因素的函数，除 依赖菌体颗粒的浓度外，还受颗粒的形状、大小、 颗粒的变形度、表面特性等因素影响。霉菌或放 线菌等的发酵中，发酵液的流动特性常出现大幅 度变化。
第八章 发酵工艺的控制
发酵工艺过程，不同于化学反应过程，它既涉及生物细胞的生长、生理和繁殖等生命过程，又涉及生物细胞分泌的各种酶所催化的生化反应过程。
发酵工程是生物应用工程学科，是微生物学在工业生产领域的大规模应用，是化学工程在生物技术领域的延伸，是生物、化学和工程等学科的综合利用。
8.1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。
（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，受醪液的流变学性质影响，还受发酵罐的容积限制（见下表）（4）搅拌功率（kW）搅拌器搅拌时所消耗的功率（kW/m3），在发酵过程中的转动速度。
其大小与液相体积氧传递系数有关。
（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。
（7）浊度（％）反映应单细胞生长情况（8）料液流量（L/min）进料参数（6）粘度（Pa·s）细胞生长或细Array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。
（7）浊度（％）反映应单细胞生长情况（8）料液流量（L/min）进料参数（3）溶解氧浓度（ppm或饱和度，％）溶解氧是好氧发酵的必备条件，是生化产能反应的最终电子受体，也是细胞及产物重要的组分。
通常用饱和百分度表示。
（4）氧化还原电位（mV）培养基的氧化还原电位是影响微生物生长及生化活性的因素之一。
在某些限氧发酵（如氨基酸），氧电极以不能精确使用，氧化还原电位参数控制较为理想。
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营养成分的利用较分批 发酵稍差产物浓度较分
批发酵略低 杂菌污染的机会较多，菌 种发生变异的问题没有解决
开放式（菌体取出）
单罐
多罐
封闭式（菌体不取出）
单罐
多罐
均匀混合
非循环
搅拌发酵罐 搅拌发酵罐（串联）
透析膜培养
___
非均匀混合
循环 非循环
搅拌发酵罐（菌 体部分重复使用 )
浓度达到一定程度后,以恒定的流量向反应器中流加培养基, 同时以相同流量取出发酵液,使反应器内的发酵液体积保持 恒定.如果在反应器中进行充分的搅拌,则培养液中各处的组 成相同,并且也与流出液的组成相同,成为一个连续流动搅拌 罐反应器(CSTR)｡
连续发酵的控制方式有两种: 恒浊器法 恒化器法
a. 恒浊器法(turbidostat) 通过自控仪表调节输入料液的流量, 以控制培养液中的菌体浓度达到恒定值。
操作情况 生产情况 微生物的情况
优点
设备的体积可以减小 能合理的按照发酵阶
段实行连续化
操作时间可以缩短 总的操作管理较方便 中间产物和最终产物稳定 生产系统化可节约人力、 物力、降低生产费用 对微生物的生理、生态 和反应机制比较容易分析
存在的问题
将原有分批发酵设备改装成 连续化有一定困难设备的合
理性和加料设备的精确 性要求甚高
管道发酵器、 塔式发酵罐
搅拌发酵罐串联（菌 体部分重复使用）
塔式发酵罐、装有隔 板的管道发酵罐 （卧式、立式）
搅拌发酵罐（菌 搅拌发酵罐串联(菌 体100％重复使用) 体100％重复使用）
塔式发酵罐（菌 塔式发酵罐（菌体 体100％重复使用) 100％重复使用）
循环
管道发酵器、塔 式发酵罐（菌体部
分重复食用
塔式发酵罐、装有隔 板的管道发酵器（菌
体部分重复使用）
管道发酵器 （菌体100％ 重复使用）
塔式发酵罐、装 有隔板的管道发 酵器（菌体100％
重复使用）
三. 罐式连续发酵 发酵设备与分批发酵设备无根本区别.根据所用罐数又可
分为单罐连续发酵和多罐连续发酵。 1. 单罐连续发酵 通常先要进行一段时间的分批发酵.当反应器中的细胞
二. 连续发酵的分类及其特点
连续发酵的方式可分成开放式连续发酵系统和封闭式连续发酵系统在开放式连续发酵系统中，培养系 统中的微生物细胞随着发酵液的流出而一起流出。流出的发酵液如部分返回（反馈）培养系统进行重复使 用，则该装置叫做循环系统 否则称非循环系统。
根据理想混合状态，开放式连续发酵系统又可分成全混流混合和平推流混合，前者一般在带有搅拌装 置的发酵罐中进行发酵，简称罐式连续发酵；后者一般在管式反应器中进行发酵，称管式连续发酵 。此外 还有介于全混流和平推流混合之间的塔式连续发酵 。
封闭式连续发酵系统是在连续发酵系统中运用某种方法使细胞一直保持在培养器内，并使其数量不 断增加。这种条件下，某些限制因素在培养器中也发生变化，最后导致大部分细胞死亡。因此在这种系 统中，不可能维持稳定状态。封闭式连续发酵可以通过改装开放式连续发酵设备，使全部菌体循环使用， 也可以采用各种固定化载体，使菌体在上面生长而不随发酵液流出而流失。
b. 恒化器法(chemostat) 与 a 相似之处是维持一定的体积, 不同之处是菌体浓度不是直接控制的,而是通
过恒定输入的养料中某一种生长限制基质的浓度(共余组分均为过量)来控制.产生菌的生长最终便
由生长限制因素所决定.
2. 连续发酵动力学--------以恒化器法培养进行研究
(1) 稀释速率与菌体生长的关系:
平推流是理想状态下在流动方向上完全没有返混，而在垂直于流动方向的平面上达到最大程度的混合。 返混是不同停留时间的粒子的混合。 混合是不同空间位置的粒子的混合。停留时间指的是年龄，所谓年龄就 是说从物料进入平推流反应器开始，未出平推流的情况下，在反应器中停留的时间。平推流中的物料在径向 截面上物质参数均相同，浓度、温度与轴向距离有关系。
液的体积, L;
x: 单位时间内单位体积培养液中菌体的增长量, g / L･h;
情况1, 如: 料液是新鲜培养基
则: X0 = 0
当整个系统达到平衡时, dX/dt = 0,
相对于分批发酵的封闭培养系统和补料分批发酵的半开放培养系统，连续发酵是一个开放的培养 系统。它可以根据发酵目的，把微生物分批培养到某个阶段后，人为地固定其生长和代谢速率。也就 是说，连续发酵中，可以人为地将微生物的生长代谢活动保持在最旺盛状态，而且pH、营养成分、溶 解氧等状态变量也可通过系统外部调控保持恒定，如此连续发酵的时间越长，设备利用率就越高。
第八章 连续发酵（Continuous Fermentation）
第一讲（上）
一. 连续发酵的概念 二. 连续发酵的分类及其特点（上）
连续发酵（Continuous Fermentation）
一. 连续发酵的概念
亦称连续培养是指以相同的速度向培养系统内连续流加新鲜的培养基并同时输出发酵液，使培养 系统内各状态变量恒定的培养方法。
在 FX0 + xV - FX (净增加量) (输入量) (生长量) (输出量)
式中: F: 单位时间内输入或输出的培养液体积, L/ h;
X0:输入料液中的菌体浓度, g / L; V: 发酵过程中的培养
X: 输出培养液中的菌体浓度, g / L;
第八章 连续发酵（Continuous Fermentation）
第一讲（下）
二. 连续发酵的分类及其特点（下） 三. 罐式连续发酵 四. 管式连续发酵 五. 几个连续发酵的例子
全混流是理想流动的一种。其特征是在连续流动过程中，无论轴向或是径向都是达到完全混合，以致物 系参数均一。全混流流是返混程度最在的一种流动。该模型的基本假定是设备内物料的浓度均一，且等于设 备出口处的浓度。
膜连续发酵是典型的封闭式连续发酵，它是采用一种只能通过发酵产物，而不能通过菌体细胞的有 机膜将发酵设备分隔，将培养液连续流加到发酵设备的具有菌体的间隔中，微生物的代谢产物通过膜连 续不断地从另一间隔流出。对于具有产物抑制的连续发酵体系，采用膜发酵的方法可不断移出代谢产物， 从而提高产品得率。
名称 设备方面