第5章 发酵过程及控制
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第五章 发酵工程
• 2，灭菌与消毒的区别
• 灭菌：用物理或化学方法杀死或除去环 境中所有微生物，包括营养细胞、细菌 芽孢和孢子
• 消毒：用物理或化学方法杀死物料、容 器、器皿内外的病源微生物。
• • • •
• • • •
二、培养基灭菌的目的 1，在发酵过程中夹杂其它杂菌造成的后果： • 生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力； • 在连续发酵过程中，杂菌的生长速度有时会比生 产菌生长得更快，结果使发酵罐中以杂菌为主； • 杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难 • 杂菌会降解目的产物； • 杂菌会污染最终产品，杂菌会污染最终产品； • 发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象
●
2）温度可能会影响终产物的质量
例如： 苏云金杆菌的发酵，一般在30-31℃进行，这样形成的晶体 毒力强。若发酵温度提高到37℃以上，虽然菌体生长繁殖较快， 最终含菌数也较高，但生物毒力较低，直接影响产品的质量。
3）温度还可能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℃下， 该菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例提高； 在温度达到35℃时，则只产生四环素，金霉素的合成停止
发酵过程泡沫控制的方法
• 物理消沫法 • • 化学消沫法
消泡剂选择的原则：
① 对发酵过程无毒，对人、畜无害，不影响生物合成。
② 消泡作用迅速，效果高和持久性能好。
③ 能耐高压蒸汽灭菌而不变性，在灭菌温度下对设备无腐蚀 性或不形成腐蚀性产物。 ④ 不影响以后的提炼过程。 ⑤ 不干扰分析系统，如溶解氧、pH测定仪的探头。
• 第一阶段：发酵原料的预处理
• 第二阶段：发酵过程的准备
• 第三阶段：发酵过程
• 第四阶段：产品的分离与纯化
第5章-发酵乳制品生产技术
冷却的目的是为了终止发酵过程,迅速而有效地抑 制酸乳中乳酸菌的生长,使酸乳的特征( 质地、口昧、 酸度等)达到所设定的要求。为确保成品具有理想的粘 稠度，冷却的条件需要柔和。
冷却方式有冷却室静止冷却和冷却隧道连续冷却两 种方式。
8.冷藏后熟
冷藏温度一般在2～7℃,最佳为5℃，冷藏的作用 除达到冷却一项中所列举的目的外,还有促进香味物 质产生,改善酸乳硬度的作用。
得更好，使酸奶成为一个稳定的凝固体。
预热、均质、杀菌和冷却都是在由预 热段、杀菌段、保持段、冷却段组成的 板式换热器和外接的均质机联合完成的。
（参见样图）：预热、真空浓缩、均质、杀菌、 冷却的设备流程
1 平衡罐 2 片式热交换器 3 真空浓缩罐 4 均质机 5 保温管 图.发酵乳制品的一般预处理
常用的稳定剂有：
明胶
果胶
琼脂
变性淀粉
4.脱气、预热、均质、杀菌、冷却
4.1脱气： 添加奶粉的标准化方法必须在随后进行脱气处 理，以减少牛奶中的空气。
脱气的目的： 改善均质机的工作条件 减少热处理过程中产生沉淀物 提高酸奶的粘稠性和稳定性 去除挥发性的异味
4.2均质：防止奶油上浮，并保持乳脂肪均匀 分布，改善酸奶的稳定性和稠度，获得良好的 质感。
直投式：乳酸菌纯培养物 继代式：母发酵剂 中间发酵剂 生产发酵剂
3、按使用菌种分
传统的菌种：保加利亚杆菌(Streptococcus thermophilus)和嗜热链球菌(Lactobacillus bugaricus)1比1或者1比2的混合菌种。
益生菌：
4、酸奶中添加的益生菌
益生菌是指能促进人体健康且能在人体肠 道内繁殖的一类微生物。在酸奶中使用的有：
2.砂糖、葡萄糖和甜味剂
冷却方式有冷却室静止冷却和冷却隧道连续冷却两 种方式。
8.冷藏后熟
冷藏温度一般在2～7℃,最佳为5℃，冷藏的作用 除达到冷却一项中所列举的目的外,还有促进香味物 质产生,改善酸乳硬度的作用。
得更好，使酸奶成为一个稳定的凝固体。
预热、均质、杀菌和冷却都是在由预 热段、杀菌段、保持段、冷却段组成的 板式换热器和外接的均质机联合完成的。
（参见样图）：预热、真空浓缩、均质、杀菌、 冷却的设备流程
1 平衡罐 2 片式热交换器 3 真空浓缩罐 4 均质机 5 保温管 图.发酵乳制品的一般预处理
常用的稳定剂有：
明胶
果胶
琼脂
变性淀粉
4.脱气、预热、均质、杀菌、冷却
4.1脱气： 添加奶粉的标准化方法必须在随后进行脱气处 理，以减少牛奶中的空气。
脱气的目的： 改善均质机的工作条件 减少热处理过程中产生沉淀物 提高酸奶的粘稠性和稳定性 去除挥发性的异味
4.2均质：防止奶油上浮，并保持乳脂肪均匀 分布，改善酸奶的稳定性和稠度，获得良好的 质感。
直投式：乳酸菌纯培养物 继代式：母发酵剂 中间发酵剂 生产发酵剂
3、按使用菌种分
传统的菌种：保加利亚杆菌(Streptococcus thermophilus)和嗜热链球菌(Lactobacillus bugaricus)1比1或者1比2的混合菌种。
益生菌：
4、酸奶中添加的益生菌
益生菌是指能促进人体健康且能在人体肠 道内繁殖的一类微生物。在酸奶中使用的有：
2.砂糖、葡萄糖和甜味剂
5 微生物工程 第五章 发酵工业种子制备
种子培养基特点：
有较完全和丰富的营养物质，糖分少，需充
足氮源和生பைடு நூலகம்因子，无机氮源比例大；
各种营养物质的浓度不必太高； 供孢子用的种子培养基，可添加易被吸收
利用的碳源和氮源；
应考虑与发酵培养基的主要成分相近。
pH
选择最适种子培养pH的原则是获得最
大比生长速率和适当的菌量。
培养最后一级种子的培养基的pH应接
长迟滞期
为什么细菌发酵最好是在对数生长期接种？
种子浓度够 代谢活力强
重点
举 例：
梭状芽孢杆菌发酵丁醇－丙酮 时种子扩大培养的程序
酵母发酵时的种子扩大培养
酿酒酵母的扩大培养
最初采用纯种进行酵母发酵并设计出酵
母繁殖流程，他将每一步的接种量规定 为10％，并控制繁殖条件与酿造时一致
现代的流程中，接种量为1%或更低，控
优良种子应具备的条件：
生长活力强，延迟期短； 生理状态稳定； 浓度及总量能满足发酵罐接种量的要求； 无杂菌污染，保证纯种发酵； 适应性强，生产能力稳定
重点
种子罐级数的确定
种子扩大的级数： 制备种子需逐级扩大
培养的次数
级数愈少，愈利于简化工艺及控制，并
可减少种子罐污染杂菌的机会，减少消 毒及值班工作量，减少因种子罐生长异 常而造成的发酵波动。
扩大级数，完成生产车间种子制备；
种子转种至发酵罐
工业发酵种子制备过程：
实验室种子制备阶段：
琼脂斜面至固体培养基扩大培养（如茄
子瓶斜面培养等）或液体摇瓶培养；
生产车间种子制备阶段：
种子罐扩大培养
实验室种子制备
无菌方式接保藏的菌种至斜面培养基上，成
微生物工程第5章发酵过程及控制
（三）、pH在发酵过程中的变化规律
在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少， 铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。
随菌的生长，菌分解了含氮有机物，释放出 铵，培养基的pH会缓慢上升。
当菌转入对数生长期，由于菌体大量繁殖， 大量利用糖和铵离子，培养基的pH逐渐下降。
在生长后期，由于菌体自溶，释放出铵，pH 又回升。
二、发酵过程中的代谢变化及规律
与代谢有关的参数： 1、物理参数 ⑴、温度 ⑵、罐压 ⑶、搅拌速度 ⑷、空气流量 ⑸、表观粘度 ⑹、发酵液重量
与代谢有关的参数： 2、化学参数 ⑴、基质浓度 ⑵、pH ⑶、产物浓度 ⑷、DNA量 ⑸、关键酶 ⑹、溶解氧 ⑺、排气中的氧含量 ⑻、排气中的CO2含量
与代谢有关的参数： 3、生物参数 ⑴、菌丝形态 ⑵、菌丝干重或湿重 ⑶、菌体比生长速率 ⑷、氧的比消耗速率 ⑸、糖的比消耗速率 ⑹、氮的比消耗速率 ⑺、产物的比生产速率
一、种子制备工艺及质量控制
菌种是发酵的关键，从一个保存的菌 种，到生产上使用的种子，如果按几 十～几百吨的发酵规模，10％的种子量 （接种量）计，需要几吨～几十吨的种 子。
（一）、作为种子的要求： 1、细胞的生活力强，移种至发酵罐后能迅速生长 2、菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求 3、无杂菌污染 4、生理形状稳定、保持稳定的生产能力
• 泡沫的控制除了添加消泡剂外，改进培养基成分 也是相辅相成的一个重要方面。
化学消泡剂应具备以下特点：
• 必须是表面活性剂，具有较低的表面张力，消泡 作用迅速有效；
• 具有一定的亲水性，使消泡剂对气－液界面的分 散系数足够大，从而迅速发挥消泡活性；
• 在水中的溶解度必须小，以保持持久地消泡或抑 泡性能；
缓慢利用的氮源物质：有利于延长产物的合 成期。
发酵工程思考题含答案
发酵工程课后思考题第一章绪论1、发酵及发酵工程定义？答：它是应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进展酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性效劳的一门科学。
由于它以培养微生物为主，所以又称为微生物工程。
2、发酵工程根本组成局部？答：从广义上讲分为三局部：上游工程、发酵工程、下游工程3、发酵工业产业化应抓好哪三个环节？答：发酵工程产业化就是将有关应用微生物的科学研究成果转化为发酵产品，并投向市场的过程。
三个环节：投产试验、规模化生产和市场营销。
①投产试验：涉及到〞上、中、下三游〞工作，即研究成果的验证、小试、中试和扩大试验。
②规模化生产：值得注意的是产品质量问题，其检测必须符合相应产品标准。
③市场营销：市场开拓对技术本身影响不大，但参与市场竞争却是产业化成败的决定因素。
4、当前发酵工业面临三大问题是什么？答：菌种问题纯种，遗传稳定性，平安，周期短、转化率高产率高抗污染能力强：噬菌体、蛭弧菌；适宜的反响器生产规模化原料利用量大，并且具有一定选择性，节能，构造多样化、操作制动化，节劳力。
基质的选择价廉原料利用量大，并且具有一定选择性易被利用、副产物少，满足工艺要求。
5、我国发酵工业应该走什么样的产业化道路？发酵过程的组成局部？答第一步为技术积累阶段、第二步为产业崛起阶段、第三步为持续开展阶段典型的发酵过程可划分成六个根本组成局部：〔1〕繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份设定；〔2〕培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；〔3〕培养出有活性、适量的纯种，接种入生产容器中；〔4〕微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长；〔5〕产物别离和精制；〔6〕过程中排出的废弃物的处理。
第二章菌种的来源(1)1、自然界别离微生物的一般操作步骤？答：标本采集，预处理，富集培养，菌种别离〔初筛，复筛〕，发酵性能鉴定，菌种保藏2、从环境中别离目的微生物时，为何一定要进展富集？答：让目的微生物在种群中占优势，使筛选变得可能。
第5章 发酵工艺过程及其控制
2．发酵过程的溶氧变化
一定发酵条件下，每种发酵产物的溶氧浓 度变化都有自己的规律。 发酵过程中，有时会出现溶氧浓度明显降 低或明显升高的异常变化。 其本质都是由耗氧或供氧方面出现了变化 所引起的氧的供需不平衡所致。
异常发酵 溶氧曲线 异常发酵光 密度曲线
正常发酵 溶氧曲线
谷氨酸发酵时正常 和异常的溶氧曲线
发酵过程需氧量受菌体浓度、营养基质种类 和浓度以及培养条件等因素影响，菌体浓度 的影响最明显。 发酵液的摄氧率是随菌体浓度增加而成比例 增加的，但氧传递速率是随菌体浓度对数关 系减少。 因此，可通过控制菌体比生长速率略高于临 界值，以达到最适浓度。 最适菌体浓度即可保证产物比生长速率维持 在最大值，又不会使需氧大于供氧。 菌体浓度可通过基质浓度来控制。还可采用 调节发酵温度、液化培养基、中间补水、添 加表面活性剂等工艺措施来改善溶氧水平。
2．发酵过程中的代谢变化参数
发酵的各种工艺参数分为物理参数、化学 参数和生物学参数。 （1）物理参数：包括温度、压力、流量、 转速、补料和泡沫等，可直接在线测量和 控制。
发酵过程中的物理参数的测量方法和意义
①温度：是指发酵整个过程或不同阶段中 所维持的温度。其高低与发酵中酶反应速 率、氧在培养液中的溶解度和传递速率、 菌体生长速率和产物合成速率等有密切关 系。不同产品，发酵不同阶段所维持的温 度亦不同。 ②压力：是发酵过程中发酵罐维持的压力。 罐内正压可防止外界空气中的杂菌侵入， 同时与氧和二氧化碳在培养液中的溶解度 有关。 ③搅拌转速：与培养基中氧的传递、发酵 液的均一性等有关。
④搅拌功率：是指搅拌器搅拌时所消耗的 功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率 (kW· -3)。大小与氧容量传递系数KLa有关。 m ⑤空气流量：是指每分钟内每单位体积发 酵液通入空气的体积，也叫通风比。一般 控制在0.5L· -1· -1~1.0L· -1· -1。 L min L min ⑥粘度：是细胞生长及形态的一项指标， 其大小可改变氧的传递阻力，也可表示菌 体的相对浓度。
第五章-发酵过程控制(2024版)
为什么要研究发酵过程
了解有关生产菌种对环境条件的要求，并深入地了解生 产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢 途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。 为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，通过各种 监测手段掌握各参数变化情况，并予以有效地控制，使 生产菌种处于产物合成的优化环境之中。
因此，A/Y为燃烧生成1g菌体的底物所需的氧， 而B为燃烧菌体所需氧的量；它们之间的差为C， 即为转化底物成菌体所需氧的量。
将Johnson方程式应用于利用葡萄糖和烷烃生产酵 母的下列方程式为：
对葡萄糖
C（mmol
/
g）
33.33 Y
41.7
对烷烃
C（mmol
/
g）
101.7 Y
41.7
如果对葡萄糖来说Y值取50％，而对烷烃来说Y值 取100％； 则：C对葡萄糖 ＝24.95 mmol氧/g菌体；
生长偶联型 部分生长偶联型 非生长偶联型
■分批发酵的分类对实践的指导意义
从上述分批发酵类型可以分析： ➢如果生产的产品是生长偶联型（如菌体与 初级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长 的培养条件，延长与产物合成有关的对数生 长期； ➢如果产品是非生长偶联型（如次级代谢产 物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足 够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。
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
发酵过程优化与控制(第五章、丙酮酸发酵)ppt课件
二、蛋白胨浓度对丙酮酸发酵的影响 实验结果（图5-3）表明：初始葡萄糖浓度为80g/L，当培养 基中蛋白胨浓度为15g/L时，丙酮酸产量较高，低于15g/L时，葡 萄糖消耗速度较慢，细胞干重和丙酮酸产量也较低；而高于 15g/L时，丙酮酸产量明显下降。
三、豆饼水解液和无机氮源对丙酮酸发酵的影响
1、豆饼水解液对丙酮酸发酵的影响 实验结果（图5-4）表明：豆饼水解液浓度为5g/L时，发酵
用微生物中某一具有特定功能的酶完成由底物（如乳酸）
向丙酮酸的转化。 具体包括如下4种方法：
1、酵母直接发酵生产丙酮酸 常用的酵母有球拟酵母、嗜盐酵母、假丝酵母、得巴利酵 母等，其中球拟酵母属菌株，特别是烟酸、硫胺素、吡哆醇和 生物素4种维生素的营养缺陷型T.glabrata IFO 0005是发酵法生 产丙酮酸的首选菌株。
T.glabrata IFO 0005在只有聚蛋白胨而不添加维生素的种子培养
基上照样生长良好的实验结果表明聚蛋白胨中所含有的维生素 足以满足多重维生素营养缺陷途径中的作用显然无法得
出明确的结论，也不可能使丙酮酸产率达到很高的水平。
2、由于培养基中四种维生素的水平直接影响PDC
（丙酮酸脱羧酶）、PHD（丙酮酸脱氢酶系）、PC（丙 酮酸羧化酶）和PT（转氨酶）的活性，仅仅通过单因素
实验很难分析出烟酸、硫胺素、吡哆醇和生物素各自在丙
酮酸过量合成中的作用，也就谈不上合理优化策略的确定。 3、已有报道认为较高的溶氧有利于丙酮酸的积累， 但溶氧要高到什么程度，应当怎样控制等具体问题并没有 定论。此外，如果把生物素作为主要因素，溶氧作为次要 因素，这两种因素组合起来会对丙酮酸发酵过程产生什么 影响也未有报道。
葡萄糖 乙醇 Ⅰ 硫胺素 Ⅰ：丙酮酸脱羧酶（PDC） Ⅱ：转氨酶（PT） Ⅲ：丙酮酸羧化酶（PC） Ⅳ：丙酮酸脱氢酶系（PDH） 丙酮酸 Ⅳ Ⅱ 吡哆醇 氨基酸 硫胺素 烟酸 生物素
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。
5发酵过程控制(溶氧)
2012年9月7日星期五
长江大学生科院生物工程系
25
2、影响发酵罐中kLa的因素
（1）设备参数：发酵罐的形 状结构、搅拌器（直径d）、 挡板、空气分布器等。 （2）操作条件：通气量Q、搅 拌转速N、搅拌功率PG、罐压、 发酵液体积V、液柱高度HL等。 （3）发酵液的性质：密度、 黏度、表面张力和扩散系数等。 （4）氧载体
2012年9月7日星期五 长江大学生科院生物工程系 19
引起溶氧异常升高的原因
在供氧条件没有发生变化的情况下，主要是耗氧出现改变， 如菌体代谢出现异常，耗氧能力下降，使溶氧上升。特别是污 染烈性噬菌体，影响最为明显，产生菌尚未裂解前，呼吸已受 到抑制，溶氧有可能上升，直到菌体破裂后，完全失去呼吸能 力，溶氧就直线上升。 由上可知，从发酵液中的溶氧变化，就可以了解微生物生 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 等问题，帮助我们查找发酵不正常的原因和控制好发酵生产。
（即低于13%时产物的形成会受到抑制）
卷须霉素 CCr 为13% >8%
一般对于微生物： CCr: ＝1～25%饱和浓度 表7-5 P107
例：酵母 4.6×10-3 mmol.L-1, 1.8% 产黄青霉 2.2×10-2 mmol.L-1, 8.8%
2012年9月7日星期五 长江大学生科院生物工程系 12
长江大学生科院生物工程系
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三、溶解氧浓度对菌体生长和产物形成的影响
QO2
当溶解氧浓度高于临界值时， 微生物的呼吸强度保持恒定，与 培养液中的氧浓度无关；当低于 这个临界值时，微生物的呼吸强 度受到溶解氧浓度的影响，这时 细胞的代谢活动会因溶解氧浓度 的限制受到影响。p107
CCr
5. 发酵过程控制
补糖的控制：时机、方式和指标； 补糖的控制：时机、方式和指标； 通氨及补氮：用于调节pH值和补充无机氮源 值和补充无机氮源， 通氨及补氮：用于调节pH值和补充无机氮源，多 采用少量间隙添加或少量自动流加。 采用少量间隙添加或少量自动流加。 补充无机元素和促进剂及前体。 补充无机元素和促进剂及前体。
五、发酵过程中泡沫的产生 和控制
影响生物热的因素
菌株的性能、接种量、菌丝浓度、 菌株的性能、接种量、菌丝浓度、培养基的成分和 发酵时间都直接影响着生物热的大小。 发酵时间都直接影响着生物热的大小。
最适发酵温度
指最适于产生菌生长或抗生素合成的温 度。 特点： 特点：
最适温度是一个相对的概念； 最适温度是一个相对的概念； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵温度的选择要参考其它发酵条件，如通 发酵温度的选择要参考其它发酵条件， 气条件、培养基的组成和浓度等。 气条件、培养基的组成和浓度等。
三、通气和搅拌
影响发酵过程中需氧的因素： 影响发酵过程中需氧的因素：
① 生产菌种：1）不同菌种；2）同一菌种的不同生 生产菌种： 不同菌种； 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素： 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素：单 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重） 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重）在单位时间 内的耗氧量。 内的耗氧量。 ② 培养基 ③ 菌丝浓度和形状 种子的质和量： ④ 种子的质和量：接种量和接种龄 ⑤ 泡沫和消泡剂 ⑥ 其它因素
菌丝形态与产量的关系
以产黄青霉生产青霉素为例： 以产黄青霉生产青霉素为例：
I. 分生孢子发芽，具有小空泡； 分生孢子发芽，具有小空泡； II. 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； III. 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； IV. 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 开始大量分泌青霉素； 开始大量分泌青霉素； V. 菌丝体出现大空泡，含1个中性红染色的大颗粒， 菌丝体出现大空泡， 个中性红染色的大颗粒， 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； VI. 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长，少数菌丝自 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长， 青霉素分泌减少。 溶，青霉素分泌减少。
五、发酵过程中泡沫的产生 和控制
影响生物热的因素
菌株的性能、接种量、菌丝浓度、 菌株的性能、接种量、菌丝浓度、培养基的成分和 发酵时间都直接影响着生物热的大小。 发酵时间都直接影响着生物热的大小。
最适发酵温度
指最适于产生菌生长或抗生素合成的温 度。 特点： 特点：
最适温度是一个相对的概念； 最适温度是一个相对的概念； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵过程中要控制几个不同的最适温度； 发酵温度的选择要参考其它发酵条件，如通 发酵温度的选择要参考其它发酵条件， 气条件、培养基的组成和浓度等。 气条件、培养基的组成和浓度等。
三、通气和搅拌
影响发酵过程中需氧的因素： 影响发酵过程中需氧的因素：
① 生产菌种：1）不同菌种；2）同一菌种的不同生 生产菌种： 不同菌种； 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素： 长代谢阶段，主要取决于下列两个主要因素：单 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 位体积培养液中的菌液浓度和菌的呼吸强度。 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重） 呼吸强度：单位重量菌丝体（干重）在单位时间 内的耗氧量。 内的耗氧量。 ② 培养基 ③ 菌丝浓度和形状 种子的质和量： ④ 种子的质和量：接种量和接种龄 ⑤ 泡沫和消泡剂 ⑥ 其它因素
菌丝形态与产量的关系
以产黄青霉生产青霉素为例： 以产黄青霉生产青霉素为例：
I. 分生孢子发芽，具有小空泡； 分生孢子发芽，具有小空泡； II. 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； 菌丝增殖，出现类似脂肪的小颗粒； III. 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； 菌丝分支旺盛，出现脂肪颗粒，没有空泡； IV. 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 菌丝缓慢生长，脂肪颗粒减少，形成中小空泡， 开始大量分泌青霉素； 开始大量分泌青霉素； V. 菌丝体出现大空泡，含1个中性红染色的大颗粒， 菌丝体出现大空泡， 个中性红染色的大颗粒， 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； 脂肪粒消失，大量分泌青霉素； VI. 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长，少数菌丝自 菌丝呈筒状，颗粒消失，空泡延长， 青霉素分泌减少。 溶，青霉素分泌减少。
【生物学】第五章 发酵过程及控制
第一节 发酵方式
以上由细胞生长、基质消耗和产物生长的微分方程 构成的微分方程组，反映了分批发酵中细胞、基质和产 物浓度的变化情况。对各种不同的微生物分批发酵过程， 通过实验研究这三个参数的变化规律，建立适当的微分 方程组，就可以对分批发酵进行模拟，进而进行优化控 制，最终达到提高生产效率的目的。 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，如图5-1 所示。
第一节 发酵方式
停滞期的长短，差别很大，短的几乎觉察不到，瞬 间即可完成，而长的要在接种后2～3天才开始生长。种 子一般应采用对数生长期且达到一定浓度的培养物，该 种子能耐受含高渗化合物和低CO2分压的培养基。工业生 产中从发酵产率和发酵指数以及避免染菌考虑，希望尽 量缩短适应期。 （2）加速期（Ⅱ） 加速期（Ⅱ）通常很短，大多 数细胞在此期的比生长速率在短时间内从最小升到最大 值。如这时菌已完全适应其环境，养分过量又无抑制剂 便进入恒定的对数或指数生长期(Ⅲ)。
图5-2 分批培养中基质初始浓度对菌生长的影响
第一节 发酵方式
（1）得率系数Y 在浓度较低的（A-B）范围内，静止 期的细胞浓度与初始基质浓度成正比，可用式(5-5)表示 X＝Y（So一St） (5-5) 式中 so——初始基质浓度，g/L; st——经培养时间t时基质浓度； Y——得率系数，g细胞/g基质 在A-B的区域，当生长停止时，st等于零。方程(5-5)可用 于预测用多少初始基质便能得到相应的菌量。 （2）比生长速率µ 在C-D的区域，菌量不随初始基质 浓度的增加而增加。这时菌体的进一步生长受到积累的有 害代谢物的限制。用Monod方程可描述比生长速率和残留的 限制性基质浓度之间的关系 µ＝µmax s／（Ks＋S） (5-6)
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。
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(一)、CO2 对菌体生长及 产物形成的影响
当排气中的CO2 浓度高于4％时，菌体碳 水化合物的合成及呼吸速率下降 发酵液中的CO2浓度为1.6×10－2 mol时，会 严重抑制酵母菌的生长 CO2 影响产黄青霉的形态
CO2 对氨基酸合成的影响
CO2 对紫苏霉素生物合成的影响
进气中CO2含量(％) 0 1 2 3 4
的罐移种
2、发酵罐早期染菌：调酸以抑制杂
菌生长；加入药物抑制杂菌生长；培养基 重新灭菌，转入发酵旺盛的发酵液
3、发酵罐后期染菌：根据情况，提
前放罐
（四）噬菌体污染与防治
噬菌体在自然界广泛存在，噬 菌体污染轻则减产，重则倒罐，长 时间停产。
噬菌体污染的征兆 (以谷氨酸发酵为例)
1、发酵前期菌丝量不上升或回落 2、pH逐渐上升达8.0以上，不下降 3、糖耗缓慢或停止 4、产生大量泡沫，有时发酵液呈粘状可拔丝 5、谷氨酸产生量甚少，或增长极为缓慢，或停止 6、镜检菌体数少，菌体不规则 7、发酵液残糖高，颜色重(红色、灰色)，有刺激性气味
五、溶解氧对发酵的影响及控制
溶解氧：溶解于液体(发酵液)中的氧
氧难溶于水，在25℃，1atm下，氧在水中的溶 解度为0.26m mol/升
临界溶解氧浓度：满足微生物呼吸的最低限度 的溶解氧浓度。
一般好气性微生物约为0.003～0.05m mol/升 之间。
微生物名称 固氮菌 大肠杆菌 大肠杆菌 酵母菌 酵母菌
第五节 发酵过程及控制
一、种子制备工艺及质量控制 二、常用代谢参数 三、基质浓度变化及控制 四、温度对发酵的影响及控制 五、溶解氧对发酵的影响及控制 六、pH对发酵的影响及控制 七、CO2对发酵的影响 八、泡沫的形成及控制 九、染菌分析及控制
发酵是一个复杂的生物化学过程影 响因素很多：菌种、培养基、温度、 pH、溶氧、污染等。
紫苏霉素相对产量 100 66 15 0 0
(二)、排气中CO2 与菌体生长的关系
(三)、排气中CO2 与pH的关系
(四)、排气中CO2与 排气中O2之间的关系
RQ(呼吸商)= CEO OUT
CEO：CO2释放率(molCO2/Lh) OUT：菌耗氧率(molO2/Lh)
酵母菌：
RQ=0.93 RQ=1.0 RQ＞1.1
呼吸强度：指一克干菌体，在一小时内所需氧的 毫摩尔数
摄氧量：指一升发酵液，在一小时内所需氧的毫 摩尔数
通气量：指一分钟内，发酵液的体积比通过发酵 液的空气体积
六、pH对发酵的影响及控制
(一)、pH值对发酵的影响： 1、pH影响酶的活性 2、pH影响微生物细胞膜的带电状况，从而影响
微生物对养料的吸收和对代谢产物的分泌 3、pH影响培养基中某些营养物质的可给性 4、pH可能改变培养基的氧化还原电位 5、pH会影响某些微生物的形态
(一)、温度对微生物和发酵的影响
1、不同的菌、不同的发酵对温度的要求不 一样。
2、菌体生长的最适温度与产物形成的最适 温度往往不一致。
3、菌种在不同的生长期对温度的敏感性不 同。
温度对发酵的影响归根结底是影响酶的活 力。
谷氨酸菌种的最适生长温度和产物形成的最适温度
菌种 温度（℃）
1299 617 1542 T-613
快速利用的碳源物质：对生长有利，对次级 代谢产物的形成有抑制作用。
缓慢利用的碳源物质：对延长产物的合成是 有利的，尤其是次级代谢产物。
到发酵的中后期，发酵液中的残糖基本耗尽，影响 产物的合成
如果采用丰富碳源的培养基，又会产生其它的问题， 如培养基浓度过高，影响通气搅拌，过高的碳源浓 度也抑制菌体的生长。
1、通气搅拌的强烈程度 2、培养基的配比及原材料 3、灭菌 4、种子和接种量 5、培养液本身的性质变化 6、染菌
泡沫的消除
1、机械消泡 消沫桨 引出罐外消泡后再引回罐内
2、化学消沫 油脂 泡敌
九、染菌分析及控制
（一）染菌原因分析
某发酵厂染菌现象的统计分析
1、种子带菌或怀疑种子带菌 2、罐压跌零造成染菌 3、培养基未彻底灭菌 4、空气系统带菌 5、泡沫冒顶 6、夹层穿孔 7、其它管道穿孔 8、接种管穿孔 9、阀门泄漏 10、搅拌轴密封泄漏 11、罐基漏 12、其它设备漏 13、操作问题 14、原因不祥
9.64％ 0.19％ 0.79％ 19.96％ 0.48％ 12.36％ 5.89％ 0.59％ 1.54％ 2.09％ 1.54％ 10.13％ 10.15％ 20.91％
1、种子带菌或怀疑种子带菌 2、培养基未彻底灭菌 3、空气系统带菌 4、操作问题 5、设备问题 6、原因不祥
～10％ ～1％ ～20％ ～10％ ～40％ ～20％
在生长后期，由于菌体自溶，释放出铵，pH 又回升。
（四）、发酵过程中pH的调节
1、调节培养基的配方 2、补料控制
① 加酸、加碱 ② 流加无机氮源 ③ 加碳源物质 3、调节通气量
七、CO2对发酵的影响
➢CO2是微生物的代谢产物，同时它往 往也是合成所需的一种基质 ➢排气中CO2的浓度与细胞量有一定的 联系，通过测定CO2的生成，可用来估 算菌的生长速率和细胞量 ➢溶解在发酵液中的CO2对氨基酸、抗 生素等发酵具基组成 3、发酵条件
(三)、pH在发酵过程中的变化规律
在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少， 铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。
随菌的生长，菌分解了含氮有机物，释放出 铵，培养基的pH会缓慢上升。
当菌转入对数生长期，由于菌体大量繁殖， 大量利用糖和铵离子，培养基的pH逐渐下降。
接种量过小，除延长发酵周期外，往往还引起其 它不正常情况
接种量过高，会使菌体生长过快，培养液粘度过 高，造成供氧不足
酶活力(μ/mL)
1400 1200 1000
800 600 400 200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 接种量(％)
3、种子质量检查与判断 ①检查pH ②检查培养基灭菌后糖、氮、磷等的含量 ③检查菌丝的形态、浓度、种子液外观等 ④无菌检查 ⑤稳定性检查 ⑥其它参数检查：某种酶的活性、产物量等
橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌 橄榄型青霉菌
温度(℃) 30 15 37.8 20 34.8 24 30 32
C临界(m mol/升) 0.018-0.049 0.0031 0.0082 0.0037 0.0046 0.0022 0.009 0.02
(一)影响需氧和供氧的因素
影响微生物需氧量的因素 1、菌种 2、菌体浓度 3、菌龄 4、培养基
(二)、种子制备的工艺流程及对发酵的影响 1、工艺流程
酶活力(μ/mL)
2、接种时间(种龄)和接种量 接种时间：对数生长期，菌体量还未达最高峰
1000 800 600 400 200 0 8 10 12 14 16 18 20 22 接种菌龄(小时)
接种量：决定于生产菌种在发酵罐中的繁殖速度
谷氨酸棒状杆菌：1％ 大多数抗生素发酵：5～10% 个别的发酵：20～25％
氮源物质往往抑制次级产物的合成。
快速利用的氮源物质：如氨水、铵盐促进 菌体生长。
缓慢利用的氮源物质：有利于延长产物的 合成期。
一般情况下，发酵培养基中同时含快速利 用的氮源和缓慢利用的氮源物质。
如果氮源物质投料多，会造成菌体生长快， 但菌体衰老也快。
解决方法：“中间补料”。
四、温度对发酵的影响及控制
染菌规模：大批发酵罐染菌、部分发酵罐染
菌、个别发酵罐染菌
染菌时间：早期、中后期
染菌种类：芽孢杆菌、小球菌、霉菌、酵母
菌、水生细菌
（二）防止染菌的措施
主要是加强管理： 1、培养基的无菌试验 2、种子的无菌试验 3、设备的定期检查、维修 4、严格、规范的操作
（三）染菌后的挽救措施
1、种子罐染菌：倒罐，从其它未染菌
解决的方法是采取“中间补料”
补糖的方法：连续滴加补糖、小量多次间歇补糖
大量少次补糖
“中间补料”可以延长产物的产生时间， 推迟菌体的自溶时间，增加了发酵液的体 积，而使发酵单位大幅度上升。
2、氮源浓度变化及控制
氮源物质主要用于菌体中蛋白质、核酸等含 氮物质的合成，有些发酵产物中含有氮。
发酵前期，氮源物质随菌体浓度的急剧增加 而迅速减少，发酵中期，氮源(氨基氮)的下降速 度比较缓慢，发酵后期，由于菌体自溶，氨基氮 会回升。
最适生长温度 最适产物形成温度
30-32 32-34 30-34 32-36 34 34-36 34-36 36-38
（二）、温度在发酵中的变化规律
Q生物热(4.19KJ/m3h)
8000
6000
4000
2000
0
0
24 48 72 96 120 144 168
时间(h)
生物热的变化规律
（三）、温度的控制 依靠夹层或蛇管 目前许多发酵罐都采用自动化控制
影响供氧量的因素 1、搅拌 2、通气量 3、空气分布管的结构 4、发酵罐的液柱高度/直径比 5、培养液的物理性质 6、泡沫
（二）溶解氧的控制
溶解氧的控制： 应满足需氧≤供氧
需氧方面 控制最适的菌体浓度
供氧方面： 1、改变气体成份 2、提高搅拌速度 3、增加挡板 4、增加通气量 5、提高罐压
几个概念：
生成柠檬酸 生成菌体 生成乙醇
青霉素发酵
RQ=0.909 RQ=1 RQ=4
菌体生长 菌体维持 青霉素生产
八、泡沫的形成及控制
泡沫的危害
1、气泡中的空气有隔热作用，影响灭菌 2、泡沫多会从轴封溢出，容易造成染菌 3、降低了发酵罐的装料系数 4、严重时停搅拌，影响正常的发酵过程
影响泡沫消长的因素
一、种子制备工艺及质量控制
菌种是发酵的关键，从一个保存的菌 种，到生产上使用的种子，如果按几 十～几百吨的发酵规模，10％的种子量 (接种量)计，需要几吨～几十吨的种子。