各工艺条件对发酵的影响(一)
发酵条件及工艺控制
发酵条件及工艺控制1. 引言发酵是一种常见的食品加工方法，通过微生物对食材中的碳水化合物进行分解和转化，产生有益的化学物质。
在食品加工中，发酵被广泛应用于面包、酸奶、啤酒等产品的制造过程中。
而发酵条件及工艺的控制对于确保食品质量和口感具有重要作用。
2. 发酵条件2.1 温度发酵过程中的温度是一个非常关键的因素，它会直接影响微生物的生长和代谢速率。
不同的食品发酵过程对温度的要求不同。
例如，面包制作中酵母需要在28°C至32°C的温度下才能发酵，而制作酸奶则需要在45°C至50°C的温度下发酵。
2.2 pH值pH值是另外一个重要的发酵条件。
微生物对于不同的pH值有不同的适应性，因此在食品发酵过程中需要控制pH值以促进好菌的生长和抑制有害菌的繁殖。
例如，酸奶发酵时，需要在4.0至4.5的酸性环境下进行，以促进益生菌的生长。
2.3 湿度湿度会影响发酵过程中的水分蒸发和微生物的生长繁殖。
过高的湿度会导致食品中水分过多，影响发酵的效果；而过低的湿度则会导致水分过少，微生物生长受到抑制。
因此，在发酵过程中需要根据不同食品的要求来控制湿度。
2.4 氧气含量有些发酵过程需要氧气的存在，而有些则需要无氧条件。
例如，啤酒发酵需要较高的氧气含量，因此需要通风设备进行氧气的供应；而乳酸菌发酵需要无氧条件，因此需要密封容器来避免氧气的进入。
3. 工艺控制3.1 菌种选择与活化发酵过程中的菌种选择是非常关键的，不同的菌种有不同的发酵效果和产物。
在选择菌种时需要考虑其耐受性、耐高温能力和产物品质等因素。
此外，菌种的活化也是一项重要的工艺控制措施，通过适当的温度和培养基，可以让菌种尽快进入活跃状态。
3.2 发酵时间控制发酵时间是控制发酵过程的重要参数之一。
不同的食品发酵过程需要不同的时间，过短或过长的发酵时间都会影响食品的质量和口感。
因此，在工艺控制中需要根据食品的特性和要求来准确控制发酵时间。
发酵条件及工艺控制
补糖量的控制： 动力学方法
依据μ、 qP 、 qC等动力学参数 之间的关系，计算加糖量
以次级代谢产物为例：
控制原则：
μ、
qP
、 qC之间的关系：
Growth
2-3 pH units
pH
影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微
生物对这些物质的利用
二、影响发酵pH变化的因素：
pH的变化决定于所用的生产菌：
培养基中营养物质的代谢引起pH的变化： 培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子
氮源被利用后产生NH3 ，则pH上升；有机酸的积累，使 pH下降。 一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源 培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。 生理酸性物质和生理碱性物质的消耗
确定基础培养基的适当配比，防止培养 基过于丰富或过于稀薄。
通过调节中间补料的速度和量来控制。
第二节 温度的影响及控制
一、温度对发酵的影响：
酶活
影响各种酶促反应的速度
发改酵变温发度酵升高液，的生物长理代性谢质加快：，生
产期提前。
温度
发温改酵度变温影菌度响体太基高代质，和谢菌氧产体的物容吸的易收合衰速老成度，方发向
三、最适pH的选择
选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一 般根据试验结果确定。 根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH
同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的 pH，在产物采用最适产物合成的pH。
最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：
发酵工艺控制温度对发酵的影响及控制
发酵工艺控制——温度对发酵的影响及控制微生物发酵生产的水平最基本的是取决于生产菌种的性能，但有了优良的菌种还需要有最佳的环境条件即发酵工艺加以配合，才能使其生产能力充分。
因此必须研究生产菌种的最佳发酵工艺条件，如营养要求、培养温度、对氧的需求等，据此设计合理的发酵工艺，使生产菌种处于最佳成长条件下，才能取得优质高产的效果。
温度对发酵的影响及控制温度对发酵的影响及其调节控制是影响有机体生长繁殖最重要的因素之一，因为任何生物化学的酶促反应与温度变化有关的。
温度对发酵的影响是多方面且错综复杂的，主要表现在对细胞生长、产物合成、发酵液的物理性质和生物合成方向等方面。
一、温度对发酵的影响（一）、温度影响微生物细胞生长随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。
这是由于生长代谢以及繁殖都是酶参加的。
根据酶促反应的动力学来看，温度升高，反应速度加快，呼吸强度增加，最终导致细胞生长繁殖加快。
但随着温度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的。
（二）、温度影响产物的生成量。
（三）、温度影响生物合成的方向。
例如，在四环类抗生素发酵中，金色链丝菌能同时产生四环素和金霉素，在30℃时，它合成金霉素的能力较强。
随着温度的提高，合成四环素的比例提高。
当温度超过35℃时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。
（四）、温度影响发酵液的物理性质温度除了影响发酵过程中各种反应速率外，还可以通过改变发酵液的物理性质间接影响微生物的生物合成。
例如，温度对氧在发酵液中的溶解度就有很大响，随着温度的升高，气体在溶液中的溶解度减小，氧的传递速率也会改变。
另外温度还影响基质的分解速率，例如，菌体对硫酸盐的吸收在25℃时最小。
二、影响发酵温度变化的因素：发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射1、生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。
生物热主要是培养基中碳水化合物、脂肪、蛋白质等物质被分解为CO2、NH3时释放出的大量能量。
07 第七章 发酵工艺过程控制 20171024 课后
第七章发酵工艺过程控制11. 发酵工艺过程控制2. 温度对发酵的影响及其控制3. pH值对发酵的影响及其控制4. 溶解氧对发酵的影响及其控制5. 泡沫对发酵的影响及其控制6. 补料（基质浓度）控制7. 发酵过程中的参数检测8. 高密度发酵21.发酵工艺过程控制3发酵过程控制的重要性•过程控制的内容：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。
•过程控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适的环境，使所需要的代谢活动得以最充分的表达，以最经济、最大限度地获得发酵产物。
决定发酵水平的因素外部环境因素生物因素：菌株特性(营养要求、生长速率、产物合成速率)设备性能: 传递性能工艺条件物理：T 、Ws化学：pH 、DO 、基质浓度4工业微生物发酵过程52.温度对发酵的影响及其控制影响发酵温度变化的因素温度对微生物生长的影响温度对基质消耗的影响温度对产物合成的影响最适温度的选择与控制62.1 影响发酵温度的因素发酵热就是发酵过程中所产生的净热量Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射产热因素：生物热机械搅拌热散热因素：蒸发热辐射热7（1）生物热Q生物生物热是生产菌在生长繁殖过程中产生的热能。
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化产生能量，一部分用于合成ATP提供细胞代谢产物合成需的能量，另一部分以热的形式散发，这散发出来的热就叫生物热。
影响生物热的因素：菌株发酵类型、培养基、发酵时期8生物热与发酵类型有关微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多。
和水一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2好氧：产生287.2千焦耳热量，–183千焦耳转变为高能化合物–104.2千焦以热的形式释放厌氧：产生22.6千焦耳热量，–9.6千焦耳转变为高能化合物–13千焦以热的形式释放9培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性细胞呼吸量强弱与生物热的大小有关：1.在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。
发酵工艺控制(溶氧)
（2）、降低发酵液中的CL
降低发酵液中的CL，可采取减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa，使发酵液中的CL降低。但是，发酵过程中发酵液中的CL不能低于C临界，否则就会影响微生物的呼吸。
目前发酵所采用的设备，其供氧能力已成为限制许多产物合成的主要因素之一，故此种方法亦不理想。
（一）影响氧传质推动力的因素
要想增加氧传递的推动力(C*一CL)，就必须设法提高C*或降低CL。
1、提高饱和溶氧浓度C*的方法
A、温度：降低温度
B、溶液的性质：一般来说，发酵液中溶质含量越高，氧的溶解度越小。
C、氧分压：在系统总压力小于0.5MPa时，氧在溶液中的溶解度只与氧的分压成直线关系。气相中氧浓度增加，溶液中氧浓度也增加。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知，供氧大小是与产物的生物合成途径有关
这个理论假定在气泡和包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面液体一侧存在着一层液膜，气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于层流状态，分子之间无对流运动，因此氧分子只能以扩散方式，即借助于浓度差而透过双膜，另外，气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气流主体，在空气主流空间的任一点氧分子的浓度相同，液流主体亦如此。
发酵工艺控制
发酵工艺控制概述一. 发酵体系的主要特征1. 细胞内部结构和代谢反应的复杂性2. 细胞所处环境的复杂性3. 过程系统状态的时变性及参数的多样性和复杂性影响因素多，有的因素未知，主要影响因素变化。
发酵水平主要取决于：生产菌种的特性；对工艺条件的控制（适合程度）必须了解：菌体的生理代谢规律工艺条件对发酵过程的影响及其控制发酵过程的有关变化规律常规发酵的工艺控制参数：温度、pH、搅拌转速与功率、空气流量、罐压、液位、补料速率及补料量等。
二. 发酵过程的参数检测1.直接状态参数指能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况的参数包括：pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气CO2 、黏度、基质和产物浓度、菌体浓度（OD、DCW、湿重）等参数的检测在线检测各种传感器：pH电极、DO电极、温度电极、液位电极、泡沫电极尾气分析仪：测尾气O2和CO2含量离线检测分光光度计、pH 计、温度计、气相色谱（GC)、液相色谱（HPLC)、色质连用（GC-MS)等2.间接状态参数指利用直接状态参数计算求得的参数包括：比生长速率μ、摄氧率OUR、CO2释放率CER、呼吸商RQ、氧的得率系数YX/O 、氧体积传质系数KLa、基质比消耗速率QS、产物比生成速率Qp等综合各种状态参数，获得代谢过程的各种信息，从而对发酵过程做出相应的调整和控制，以获得最经济的发酵生产。
三. 发酵过程的代谢调控和优化1. 代谢调控以代谢（流）的调节最重要调节酶的合成量，称为“粗调”调节酶的催化活性，称为“细调”工艺控制和过程优化的实质，就是利用各种方法和手段，使细胞的外部和内部环境最适合基质和能量流向产物合成的生物途径，以获得最大的产量。
2. 发酵过程优化的一般步骤确定反映发酵过程的各种理化参数及其检测方法研究这些参数的变化对发酵过程的影响及其机制，获得最佳的范围和最适的水平建立数学模型定量描述个参数间随时间的变化关系，为过程优化控制提供依据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，实现发酵过程的最优控制基质浓度对发酵的影响及其控制先进的培养基组成是充分支持高产、稳产和经济的发酵过程的关键因素之一。
7发酵工艺控制(第3节 发酵条件的影响及其控制)【发酵工程】
发酵过程中pH的变化与微生物的活动有关 ：
NH3在溶液中NH4+的形式存在，被利用成为R—NH3+后，在培养基内生 成H+；如以N03-为氮源，H+被消耗，N03-还原为R—NH3+；如以氨基酸作为氮 源，被利用后产生的H+，使pH下降。
pH改变的另一个原因是有机酸的积累，如乳酸、丙酮酸或乙酸。
pH的变化会影响各种酶活、菌对基质的利用速率和细胞的结构，从而影 响菌的生长和产物的合成。
（2）温度还通过改变发酵液的物理性质间接影响产物的合成。
例如：氧的溶解度和基质的传质速率以及菌对养分的分解和吸收 速率受温度影响。
（3）温度影响生物合成的方向。
例如：四环素发酵中金色链霉菌在低于30℃ 下，合成金霉素的能力较 强。合成四环素的比例随温度的升高而增大，在35℃下只产生四环素。
（4）近年来发现温度对代谢有调节作用。
式中：A和Ea分别为Arrennius常数和活化能；R和T分别为通用气体常 数和绝对温度。
若在半对数坐标纸上作最大比生长速率lnμm对温度T的倒数作曲线， 曲线的弯曲部分的温度大于最适温度。死亡率增加。
活化能高低的意义：
微生物生长活化能Ea在50～70kJ／mol，死亡活化能Ea’为300-~380kJ／ mol。
3、 pH的控制
控制pH在合适范围应首先从基础培养基的配方考虑，然后通过加酸 碱或中间补料来控制。如在基础培养基中加适量的CaCO3。
举例：青霉素发酵中PH的控制：
按菌的生理代谢需 要，调节加糖速率来控 制pH，比用恒速加糖 ，pH由酸碱控制可提 高青霉素的产量25％。
有些抗生素品种，如链霉素，采用过程通NH3控制pH，既调节了pH， 也补充了N源。用氨水需谨慎，过量的NH3会使微生物中毒，导致呼吸强度 急速下降。故在通氨过程中监测溶氧浓度的变化可防止菌的中毒。
温度对发酵的影响及其控制1
（一）影响发酵温度的因素
? 培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的 酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大， 且逐渐减弱。
? 如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发 酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌， 此外培养基营养越丰富，生物热也越大。
温度对发酵的影响及其控制
温度直接影响酶的反应，从而影响生物体的 生命活动。 同一菌种的生长和积累代谢产物的最适温度 也往往不同。 总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及 培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出 最适温度。
致谢
感谢老师及在坐的各位同学的仔细聆 听，希望大家提出宝贵的建议。
温度对发酵的影响及其控制
制作团队
制作总监 沈俊秀 主讲人 祁娟 技术顾问 周戴 内容编辑：李程 张正涛 叶强
研究内容
1、影响发酵温度的因素 2、温度对微生物发酵的影响 3、最适温度的选择与控制
（一）影响发酵温度的因素
发酵热Q发酵 生物热Q生物 搅拌热Q搅拌 蒸发热Q蒸发 辐射热Q辐射
（一）影响发酵温度的因素
?最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验 。
（三）最适温度的选择
2、根据培养条件选择
? 温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。 ? 通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，
溶氧浓度也可髙些。 ? 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利用
快，会使菌过早自溶。
（三）最适温度的选择
（二）温度对微生物发酵的影响
2、温度对产物形成的影响； ? 从酶反应动力学来看，发酵温度升高，酶反应速率增
大，生长代谢速度加快，但酶本身容易过热而失活， 表现在菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终的产 量。
发酵工艺控制——PH
发酵工艺控制—— pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。
它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。
因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。
尽管多数微生物能在3～4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。
一、PH对发酵的影响微生物生长和生物合成都有其最适和能够耐受的pH范围，大多数细菌生长的最适pH 范围在6.3～7.5，霉菌和酵母生长的最适pH范围在3～6，放线菌生长的最适pH范围在7～8。
有的微生物生长繁殖阶段的最适pH范围与产物形成阶段的最适pH范围是一致的，但也有许多是不一致的。
表7-1列举了几种生长最适pH范围与产物形成最适pH范围不一致的例子。
pH还会影响菌体的形态。
例如，产黄青霉细胞壁的厚度随pH的增加而减小；当pH低于6时，菌丝的长度缩短，直径为2～3μm，当pH=7或>7时，直径为2～18μm，酵母状膨胀菌丝的数目增加。
pH下降后，菌丝形态又恢复正常。
pH还影响细胞膜的电荷状态，引起膜的渗透性发生改变，进而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成。
对产物的稳定性同样有影响。
除此之外，pH对某些生物合成途径有显著影响。
例如，丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH范围是5.5～7.0为好，发酵后期pH=4.3～5.3时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。
又如，黑曲霉在pH=2～3时产生柠檬酸，pH近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。
谷氨酸发酵中，pH=7或微碱时形成谷氨酸，pH酸性时产生N—乙酰谷酰胺。
从以上看出，为要更有效地控制生产过程，必须充分了解微生物生长和产物形成的最适pH范围。
二、影响发酵pH的因素发酵过程中，pH的变化是微生物在发酵过程中代谢活动的综合反映，其变化的根源取决于培养基的成分和微生物的代谢特性。
发酵生产的影响因素
发酵培训之马矢奏春创作发酵生产的影响因素发酵生产中存在着诸多影响因素，而四大主要影响因素，使之困扰着发酵能否正常运作；能否发酵指标持续坚持较好水平；能否达到降成本增效益的方向目标。
另外还有一大辅助因素，是包管生产是否顺利运行和稳定提高的基本条件。
四大主要影响因素包含：1.适合大生产的优质菌种；2.匹配的设备条件；3.符合质量尺度的原资料；4.完善的配方和严谨的工艺控制。
一大辅助影响因素包含：蒸汽——设备和培养基灭菌动力——压缩空气的制备电网——搅拌的驱动冷却水——循环水制冷为了减少这些因素给我的生产造成的影响，需要各个部分的基础工作，扎实认真、有效配合、严格把关、共同维护，尽量减少生产动摇。
防止生产异常，并将损失降到最低，达到满意抗生素生产指标的高效完成。
一.生产菌种它是理想的发酵生产水平的内因因素。
菌种工作做好了，发酵生产就取得了一半的成功，这是因为，好的菌种在外因强有力的推动下，能发挥出他应有的能力和水平，使发酵生产指标达到一个较高的水平。
1）.满足大生产需求的斜面瓶数，并按时制备成孢子悬浮液。
靠压差法接入一级种子罐进行培养，达到孢子发芽、繁殖菌丝的目的，一级种子长好后移入二级种子罐，达到继续扩大菌丝的目的，之后，二级种子移入发酵罐，进行前期菌丝繁殖扩大的初级代谢，之后进入次级代谢，初级代谢与次级代谢交替进行，最后得到具有产品生成的抗生素；2）.优质菌种必须是纯种，只有抗生素生产菌的一个菌体，不带有其它杂菌；3）.种子生产必须旺盛，迅速，发生所需的产品时间短，在规定的时间里，菌种必须产出预期数量的产品，并坚持相对稳定；4）.在遗传上必须稳定，比较容易分离提纯；根据微生物的生理生化特性，人工创造适宜的条件（低温、干燥、缺氧、营养缺乏）使微生物的代谢活动处于不活泼和生长繁殖受抑制的休眠状态。
（砂土收藏法、真空冷冻干燥收藏法）菌种收藏的目的：1）.坚持菌种的存活，不退化、不死亡；2）.坚持菌种的纯粹，减少种子污染；3）.坚持菌种遗传性状稳定，包管较高的抗生素生产能力4）.防止菌种的退化和变异，退化和变异会使抗生素产量下降，孢子形成的能力减少，以及孢子存活率的降低。
章发酵工艺条件
碳源物质
单双糖：葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、棉子糖；
多糖：淀粉、纤维素、半纤维素、甲壳质和果胶质 等，其中淀粉是大多数微生物都能利用的碳源。
有机酸：柠檬酸、反丁烯二酸、琥珀酸、苹果酸、 丙酮酸、酒石酸等。
醇类：甘露醇、甘油、低浓度乙醇。 低级脂肪酸：甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等 低级脂肪酸都可用作碳源。 高级脂肪酸：油酸和亚油酸等高级脂肪酸 可被放线菌和真菌作为碳源和能源利用， 低浓度的高级脂肪酸可刺激细菌生长，但 浓度较高时往往有毒害作用。
在微生物培养过程中，一项重要措施
——如何及时调节合适的pH。
治标
调 节 措 施 根据表面现象而进行直接、快速但不能
持久的调节。
治本
根据内在机制所采用的间接、缓效但能
发挥较持久作用的调节。
pH值的影响
注意培养过程中的 pH 变化，观察适于 菌种生长繁 殖和适于代谢产物形成的两种不同 pH。其次再确定各
一、选用和设计培养基的原则和方法
（2）营养物质浓度及配比合适
营养物质的浓度适宜；
高浓度糖类物质、无机盐、重金属离子等不仅不能 维持和促进微生物的生长，反而起到抑制或杀菌作用。 培养基中营养物质之间的配比直接影响微生物的生长繁殖和 代谢产物的形成和积累，其中碳氮比(C/N)的影响较大。 发酵生产谷氨酸时：
微生物生长需要六大营养要素：
碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水
微生物生长所需要的六大营养物质及其生理功能
第二节 培养基 培养基：是用于维持微生物生长繁殖和产物形成的营养物质。
培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础
任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：
任何培养基一旦配成，必须立即进行灭菌处理； 常规高压蒸汽灭: 1.05kg/cm2,121.3℃ 15-30min； 某些成分进行分别灭菌:过滤除菌；
试论影响面团发酵工艺的因素
试论影响面团发酵工艺的因素作者：吴雷阮雁春来源：《大学教育》2012年第12期[摘要]通过对膨松发酵面团的了解和分析，介绍了发酵面团的形成原理和影响面团发酵的因素，即面粉质量、酵母、温度、掺水量、发酵时间五个因素的影响。
[关键词]面粉质量酵母温度掺水量发酵时间[中图分类号] R154 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2012）12-0054-02膨松面团，是指在面团的调制过程中，在面粉里加一定量的膨松剂或用其他特殊的膨胀方法，使面团发生生化反应、化学反应或物理反应，改变面团性质，产生蜂窝状组织，从而使面团体积变得膨大。
根据其膨松方法的不同，大致可分为发酵面团、化学膨松面团、物理膨松面团三类。
下面就关于影响面团发酵的因素做以下探讨。
一、发酵常识（一）发酵含义广义上来讲，发酵是指微生物在一定条件下，对有机物中的成分进行分解，产生二氧化物，并释放少量能量的过程。
具体地讲是利用酵母菌体内含有的酶，在一定条件下发生生化变化，产生二氧化碳。
（二）发酵原理餐饮行业及教学中活性干酵母用得较多。
在面团调制过程中加入一定量的酵母，酵母菌即可得到面团中淀粉在淀粉酶作用下分解而成的葡萄糖作为养分，在温度适宜的条件下迅速繁殖增生，他们体内分泌出有机化合物——酶。
糖分子在酶的作用下发生一系列的变化，产生乙醇和二氧化碳气体及部分热量。
酵母菌不断繁殖并分泌酶，二氧化碳随之大量生成，并被面团中面筋网络包住不能逸出，面团出现蜂窝状组织，变得膨大、松软，产生酒香味和酸味。
这就是酵母发酵的原理和全过程。
二、影响面团发酵的因素利用干酵母发酵是餐饮行业中最普遍的一种膨松方法。
为了使发酵面团制作达到一定效果，必须确保酵母发酵的所需条件。
面团发酵主要取决于面团内部产生二氧化碳气体的能力以及面团内部保持这种气体的能力。
其中面粉质量、酵母影响、温度影响、掺水量影响、发酵时间的影响等对面团发酵效果起着重要的作用。
（一）面粉质量面粉对面团发酵的影响，主要取决于面粉中糖与淀粉酶的含量及面筋中蛋白质的数量与质量。
温度对发酵的影响
c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最 大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制； 如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等。
22
3、发酵过程的溶氧变化
23
4、溶氧的控制
4.1 调节通风与搅拌 4.2 限制基础培养基的浓度
第四章 发酵工艺条件的确定
1
第二节 温度对发酵的影响及控制
微生物可生长的温度范围较广:-10-95℃。
任何微生物的生长都需要有最适的生长温度，在 此温度范围内微生物生长繁殖最快。
在生物学范围内通常每升高10℃，生长速度就 加快一倍，所以温度直接影响酶反应，对于微 生物来说，温度直接影响其生长和合成酶。
发酵的不同阶段采取不同的pH值
19
第四节 氧、二氧化碳和泡沫对发酵的影响 与控制
一、氧对发酵的影响
1，发酵过程中氧的需求
临界氧浓度（C临）：QO2
指不影响菌体呼吸所允许 的最低氧浓度，或微生物 对发酵液中溶解氧浓度的 最低要求。
Ccritical
Dissolved Oxygen Concentration
发出调节信号
控制器动作
二、 参数的离线检测进展
45
第四章 要 点
1、需要控制的发酵条件主要有哪些？ 怎样对发酵条件进行控制？
2、影响发酵的主要因素有哪些？ 如何利用这些因素对发酵进行调节？
3、发酵过程中为什么会产生泡沫？ 产生的泡沫对发酵有什么危害？ 发酵过程中怎样防止和消除泡沫？
46
2
一、温度对生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度 的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～26℃生长， 嗜温菌适应于15～43 ℃生长，嗜热菌适应于37～650C 生长，嗜高温菌适应于650C以上生长。
发酵工艺学
第一章绪论名词解释1、发酵：利用微生物在无氧或者有氧条件下的生命活动来制备菌体本身，或其代谢产物的过程。
2、发酵工程：将微生物学、生物化学和化学工程结合起来，利用微生物的某种特性，生产人们所需的产品，或者直接将微生物用于工业生产的技术。
3、初级代谢产物：微生物自身代谢产生的，是微生物生长和繁殖所必需的物质，具有保守性。
如氨基酸、核苷酸、维生素和脂类。
4、次级代谢产物：是微生物生长发育稳定期产生的物质，来源于初级代谢产物，具有特异性。
如抗生素、色素、生物碱、细胞毒素。
5、生物转化：利用微生物的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位，使之转化为化学结构相似，但具有更大经济价值的化合物的生化反应。
反应最显著的特点是特异性强。
最终产物不是微生物利用营养物质经过代谢产生的，而是微生物的酶作用于底物的特定部位，催化特定部位化学反应产生的。
填空问答1、发酵生产的条件：合适的微生物、保证或者控制微生物进行代谢生产的合适条件(适当的培养基、温度、pH、溶解氧)、用于进行微生物发酵的设备、用于分离纯化精制产品的设备2、重要发酵技术的建立：纯培养技术、通气搅拌发酵技术、代谢调控发酵技术、发酵放大技术、基因工程等多种技术引入发酵3、发酵工程的三大部分：上游工程、发酵工程、下游工程4、发酵工程的特点：1）安全简单，发酵条件简单温和，在常温常压下进行2）原料广泛，以淀粉质、糖蜜和其他农副产品为主，也可以用废水、石油、矿产资源进行发酵3）容易染菌，由于发酵培养基营养丰富，适合于许多微生物生长4）投资小，见效快、效益高5、发酵的分类：1）发酵原料分：糖类发酵、废水发酵、石油发酵 2）发酵液形态：固体发酵（浅层发酵、深层发酵）、液体发酵（表面培养法、深层培养法）3）发酵产物分类 4）发酵工艺流程：连续发酵、分批发酵、半连续发酵 5）发酵需氧：好氧发酵、厌氧发酵6、发酵工程四部分：菌种的选育与扩大培养，原料的预处理与培养基的配制，发酵设备及发酵条件的选择，产物的分离与纯化第二章微生物的代谢调控名词解释1、酶活性调节：通过改变代谢途径中一个或者几个关键酶的活性来调节代谢反应速率的调节方式，调节迅速、及时、有效和经济，是蛋白质水平上的调节。
第五章 发酵过程控制
发酵罐：夹套（10M3以下） 盘管（蛇管） （10M3以上）
二、 pH对发酵的影响及控制
发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环 境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的 发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很 大的影响。因此，必须掌握发酵过程中pH的 变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最 佳的状态。尽管多数微生物能在3~4个pH单位 的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了 达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH 在很窄的范围内保持恒定。
第五章 发酵过程控制
本章讲述内容
发酵过程代谢变化规律 发酵条件的影响及其控制
第一节 发酵过程的代谢变化规律 发酵过程即细胞的生物反应过程， 是指由生长繁殖的细胞所引起的生 物反应过程。它不仅包括了以往 “发酵”的全部领域，而且还包括 固定化细胞的反应过程、生物法废 水处理过程和细菌采矿等过程。
为什么要研究发酵过程
µ与 α与温度有关
根据Arrenhnius公式 µ = Ae-E/RT α = A’e-E’/RT 通常E’大于E，所以 α比 µ对温度变化更为敏感 。
例：青霉菌生产青霉素 青霉菌生长活化能E=34kJ/mol 青霉素合成活化能E=112kJ/mol 青霉素合成速率对温度较敏感，温度控制相当 重要。
第二节 发酵条件的影响及其控制
工艺条件控制的目的：就是要为生产菌 创造一个最适的环境，使我们所需要的 代谢活动得以最充分的表达。
一、温度对发酵的影响及控制
1，影响发酵温度的因素 产热因素：生物热 搅拌热 散热因素：蒸发热 辐射热
发酵热
发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
3、分批发酵的优缺点
●
发酵条件及工艺控制
菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的 影响
最适菌体浓度的确定
优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的 产物。(dP/dtMAX)
dP/dt =qP X qP=f〔 X， μ ， qO 2 qS CL〕
以青霉素发酵为例
在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。 冷却介质：深井水或冷冻水 控制方式：手动控制或自动控制
温度计 温度控制器
调节阀
第三节 pH的影响及控制 一、pH对发酵的影响：
影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用， 影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。
影响菌体生长代谢的酶活性
影响代谢产物的合成方向
在发酵过程中直接补加酸或碱
过去流加硫酸或氢氧化钠， 现采用补加氨水、尿素、硫酸铵
在发酵过程中调节补糖速度控制pH
pH的控制系统
经消毒的pH电极装入发 酵罐内定时直接测定培 养基的pH，同时还可以 与控制仪表连结，通过 回路系统控制阀门或泵 进行pH调节。
Controlled
Uncontrolled 6.5
调节阀
设定控制器 pH电极
pH
第四节 氧的供需及对发酵的影响
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程 中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因 素。
在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有 0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生 长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若 此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭， 使溶氧成为限制因素。
（2）μ较宽， Qp范围较窄，或μ较窄， Qp范围较宽（难控制，应严格 控制）；
发酵原理
细胞生长率
P=
细胞生长速率（g/L·min）
D（min-1）
参数：S0=6g/L =0.6g/(min·L)Yx/s=0.1Ks=0.8g/L
P=f(D)，求P的极大值
，令f’(D)= =0
得D= 或
即D= 或
又∵D≤ ∴D=
多级连续培养
基本假设：①各级反应液体积相同V；②中间不添加培养基；③各级流量相等
（3）菌体可被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用来作为控制细胞质量的手段；
（4）与连续发酵相比，补料分批发酵的优点在于①无菌要求低；②菌种变异、退化少；③适应范围更广。
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。由于有物料的加入增加了染菌机会
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。
一次冷却和析水的空气过滤流程示意图
1－高空采风；2－粗过滤器；3－压缩机；4－冷却器；5，6—析水器；7—贮罐；8—加热器；9—空气总过滤器；10—空气分过滤器
5.种子培养扩大培养
种子培养扩大培养（seed culture）：指将冷冻干燥管、沙土管中处于休眠状态的工业菌种接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量纯种的过程。
0X0（0<t<t1)
µmaxX0eµmaxt (t1<t<t2)
µ = X=X0eµmax(t2-t1) eµt(t2<t<t3)
0Xmax(t3<t<t4)
-aXmaxe-a t(t4<t<t5)
微生物生长与产物合成的关系：
与生长相关→生长偶联型（乙醇）
与生长部分相关→生长部分偶联型（柠檬酸、Glu）
发酵的工艺条件
发酵的工艺条件发酵是一种利用微生物（如细菌、酵母菌）对有机物进行代谢产生能量和产物的过程。
要使发酵能够顺利进行，需要具备适宜的工艺条件。
以下是发酵的一些重要工艺条件：1. 温度：发酵过程中的温度是十分重要的因素，其可影响微生物代谢和生长速率。
不同的微生物需要不同的温度条件。
一般而言，大多数细菌适宜的温度范围为25-45摄氏度，而酵母菌则适宜的温度范围为20-35摄氏度。
2. pH值：pH值是描述溶液酸碱性的指标，也对微生物的生长和代谢有较大的影响。
不同的微生物对pH值的要求有所不同。
一般而言，细菌适宜的pH范围为6-8，而酵母菌适宜的pH范围为4-6。
3. 可溶性氧含量：微生物在发酵过程中对氧的需求量也是不同的。
有些微生物需要较高的氧浓度（好氧发酵），有些则需要较低的氧浓度（厌氧发酵）。
因此，在发酵的过程中需要控制氧气供应来满足微生物的需求。
4. 酸碱度：酸碱度对于发酵过程中的微生物代谢和产物生成也有很大的影响。
适宜的酸碱度可以提供合适的环境给微生物的生长和代谢活性，有利于产物的生成与积累。
5. 营养物质：微生物在发酵过程中需要吸收和利用各种营养物质来生长和代谢。
这些营养物质包括碳源（如葡萄糖）、氮源（如氨基酸或氨）、无机盐和微量元素等。
不同的微生物对于营养物质的需求有所不同，因此，需要根据具体的微生物选取适宜的营养物质。
6. 搅拌和通气：在发酵过程中，搅拌和通气可以促进微生物与营养物质的接触，提供充足的氧气供应，并将产生的可溶性产物均匀分布于发酵液中，有利于发酵过程的进行。
7. 时间：发酵需要一定的时间来实现微生物对底物的代谢和产物的生成。
不同的发酵过程持续的时间有所不同，可以根据微生物的生长速率和代谢特性确定适宜的发酵时间。
总结起来，发酵的工艺条件包括适宜的温度、pH值、可溶性氧含量、酸碱度、营养物质、搅拌、通气和时间等。
对这些条件的科学控制和调节，在发酵产业中是非常重要的，能够提高发酵效率和产物质量。
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各工艺条件对发酵的影响
发酵条件控制的目的就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达，积累更多的代谢产物。
影响L-苏氨酸产量的因素有很多，如培养基、温度、pH、溶氧等。
1、培养基对发酵的影响：
发酵培养基必需满足微生物的能量、元素及特殊养分的需求：碳源、氮源、无机盐类、生长因子等。
（1）碳、氮、磷的平衡：C/N直接影响菌体的生长和代谢，如果C/N偏小（氮源丰富），会导致菌体生长过剩，易造成菌体提前衰老自溶；C/N过大，菌体繁殖数量少，发酵密度低，细菌代谢不平衡，不利于产物的积累。
磷是核酸与磷脂的成分，组成高能磷酸化合物及许多酶的活性基，磷不足影响菌体生长。
在代谢方面，适量磷有利于糖代谢的进行；磷酸根在能量代谢中起调节作用。
另外，在一定范围内，磷酸盐对培养基pH值的变化起缓冲作用。
（2）基质浓度对发酵的影响：低浓度有诱导作用（迟滞期产生各种酶），高浓度会起分解代谢物阻遏作用；培养基过于丰富，会使菌体生长过盛，发酵液黏稠，影响传质。
（3）碳源的种类和浓度对发酵的影响：
碳源的种类对发酵的影响主要取决于其性质，即快速利用的碳源（速效碳源）和缓慢利用的碳源（迟效碳源）。
速效碳源（如葡萄糖）能较快地参与微生物的代谢，合成菌体、产生能量、合成代谢产物等；迟效碳源（如蔗糖）不能被微生物直接吸收利用，需要微生物分泌胞外酶先将其分解成小分子物质，因此菌体利用缓慢。
速效碳源（葡萄糖）的特点：
优点：吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量。
缺点：有的分解代谢产物对产物的合成会产生阻遏作用。
碳源的浓度对菌体的生长和产物的合成有着明显的影响。
以葡糖糖为例，它对糖代谢中的一个关键酶——葡糖糖氧化酶（GOD）的形成具有双重效应，即低浓度下有诱导作用，而高浓度下有分解代谢产物阻遏效应。
为避免初始培养基中渗透压过高，一般采用中间补糖的方法控制碳源浓度。
发酵过程中补糖过量，碳代谢流在糖酵解途径中过量，必须分解部分氧化副产物（如乙酸、乳酸、其它氨基酸等）来维持碳代谢流平衡，易造成碳源浪费，糖酸转化率低。
同时，因补入糖造成pH下降，为维持平衡补氨量增多，而菌体利用有限，极易造成无机氮升高，对菌体产生不良影响。
补糖量不足，菌体生长、产物合成受限。
尤其是对数生长期，缺糖还会造成菌体过早衰老，后期活力低，产酸下降。
（4）氮源的种类和浓度对发酵的影响
无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做速效氮源，反之为迟效氮源。
前者包括氨基态氮的氨基酸或者铵盐形式的硫酸铵和玉米浆等，后者包括黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉等。
速效氮源易于被菌体吸收利用，所以有利于菌体生长，却会影响某些产物的的产量；迟效氮源对延长次级代谢产物的分泌期、提高产物产量有好处，但一次性投入容易使养分过早耗竭，导致菌体过早衰老自溶，从而缩短产物分泌期。
因此，发酵培养基一般选用含有速效、迟效氮源的混合氮源。
对某些发酵过程来说，培养基中某些氮源的添加有利于该发酵过程中产物的积累，这些主要是培养基中的有机氮源作为菌体生长繁殖的营养外，还能作为产物的前体。
无机氮源利用会快于有机氮源，但是常会引pH值的变化，这必须注意随时调整。
2、pH对发酵的影响
发酵过程中发酵液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。
它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。
发酵液pH值对发酵的影响
（1）pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响
a）影响酶的活性：酶需在最适的pH值环境中工作；当pH抑制菌体中某些酶的活性时，使菌体的新陈代谢受阻；
b）影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄，因此影响代谢的正常进行；
c）影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用；
d）pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。
以苏氨酸发酵为例，当pH持续偏低时，菌体生长和产物合成均受到一定抑制。
（2）引起pH下降的因素
a）碳源过量特别是葡萄糖过量，或中间补糖过多，加之溶氧不足，致使有机酸大量积累而使pH下降；b）消泡剂添加过量；c）生理酸性物质的存在（硫酸铵）；d）发酵过程中补氨不足（液氨压力较低，或液氨靠罐阀开度较小，或补氨自控开阀时间和比例设置不合理等）。
e）发酵初期、种子罐中后期因代谢旺盛，离线测定pH时会随取样时间长短导致pH 不同程度下降。
（3）引起pH上升的因素
a）氮源过多，氨基氮释放；b）生理碱性物质的存在（如硝酸钠）；c）发酵过程中补氨过多（液氨压力较高，或液氨靠罐阀开度较大，或补氨自控开阀时间和比例设置不合理等）；罐中进液氨；d）缺糖；e）菌体自溶。
3、溶氧对发酵的影响
苏氨酸发酵为好气发酵，发酵过程中需要适量的溶解氧以维持其呼吸代谢和产物合成（基因工程菌相对于野生菌需氧量更大）。
（1）溶氧对发酵的影响
a）溶氧不足：基因工程菌质粒体丢失；呼吸受限，菌体量少，活力低；代谢途径改变，产生乙酸、乳酸、其他氨基酸等副产物；
b）溶氧过高：破坏细胞组分；糖趋于完全氧化，糖酸转化率下降。
发酵后期溶氧过高可能会造成代谢异常，菌体提前自溶。
（2）发酵过程溶氧的变化
a）发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降；
b）发酵中后期：溶氧浓度明显受工艺控制手段的影响，如补糖量、风量、罐压等；
c）发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显上升。
（3）溶氧的控制
a）调节通风量、罐压与搅拌（有限措施）；
b）限制基础培养基的浓度，使发酵罐内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。
（4）引起溶氧异常下降的可能原因：
a）污染了好气性杂菌，大量的溶氧被消耗，可能在短时间内（一般2～5h内）使溶氧接近到零，并长时间不回升；
b）菌体代谢发生异常现象，需氧量增加，使溶氧下降；
c）某些设备或工艺控制发生故障或变化，如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。
d）高温影响。
4、温度对发酵的影响
微生物的生长和产物的合成都是在各种酶催化下进行的，温度是保证酶活性的重要条件，因此在发酵系统中必须保证稳定而合适的温度环境。
通常在生物学范围内每升高10℃，生长速度就加快一倍，温度直接影响其生长。
菌体的重要组成如蛋白质、核酸等都对温度较敏感，随着温度的增高有可能遭受不可逆的破坏。
（1）影响发酵温度的因素
a）产热因素：生物热和搅拌热。
b）散热因素：蒸发热和辐射热。
（2）温度对发酵的影响
a）影响各种酶的反应速率和蛋白质性质：温度过高，酶容易失活，表现为菌体易衰老，影响产物最终产量；
b）通过影响发酵液的物理性质，间接影响生物合成；
温度对发酵液物理性质的影响：影响氧在发酵液中的溶解度（温度上升，溶氧下降）；影响基质的分解和吸收速率（如：菌体对硫酸盐吸收在25℃时最小）。
c）影响微生物代谢调节及生物合成方向：温度与微生物的代谢调节机制关系密切；微生物的酶的组成和特性也受到温度的控制。
（3）最适温度选择
a）发酵周期：发酵初期选择最适生长温度；OD达到一定程度，选择最适发酵温度；
b）发酵条件：通气条件较差的情况下，最适发酵温度可能比良好通气条件下低一些，这是因为温度低时，氧溶解度相对大些，菌体生长速率相对小些，从而弥补了因通气不足而造成的代谢异常。
（4）苏氨酸前期持续高温影响：
无机氮升高且不容易下降，起泡沫较早，溶氧很低。
控制措施（夏季）：高于41.5℃可适当降糖控制，如果高于42℃可间歇停糖控制，每次停3-5min。
（根据具体情况灵活调节）。