发酵工程第八章详解
第八章发酵工程第一讲ppt课件
第三节 菌种的选育和保藏
工业的生产水平取决于三个要素：生产菌种、发酵工艺和设 备。优良菌种的选育不仅为发酵工业提供高产生产菌株，还 可以提供各种类型的突变株，改善其生理生化特性，去除多 余的代谢途径和产物，有利于合成新的产物，改善发酵工艺 的条件，提高产品质量，增加经济效益。
1、菌种选育的目的
菌种选育的目的： 1.提高其生产能力： 2.选育能适应工艺条件的菌种，如能利用廉价的发酵原料、 能耐受某些化学消毒剂等。
3、酵母菌
本属中有产脂肪较好的菌种。可由 菌体提取大量脂肪。
红酵母
4、霉菌
① 根霉
能将淀粉转化为糖。根霉常 用作糖化菌种。是酿造工业 中常用糖化菌。我国最早利 用根霉糖化淀粉（即阿明诺法） 生产酒精。
4、霉菌
② 毛霉
有几种毛霉能产生较多的蛋白酶， 具有分解大豆蛋白的能力，多用于 制造酸性蛋白酶、豆腐乳和豆豉。
3、发酵的基本过程
根据不同的需要，发酵工艺可分为3类： 1.批量发酵，即一次投料发酵； 2.流加批量发酵，即在批量发酵的基础上，流加一定量的
营养，使细胞进一步生长，或得到更多的代谢产物； 3.连续发酵，不断地流加营养，并不断地取出发酵液。
3、发酵的基本过程
下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术。包括: ① 固液分离技术（离心，过滤，沉淀分离等工艺） ② 细胞破壁技术（超声，高压剪切，渗透压，表面活性
第八章 发酵工程
第八章 发酵工程---第一讲
第一节 发酵工程的内容 第二节 工业上常用的微生物 第三节 菌种的选育和保藏
第一节 发酵工程的内容
1、发酵工程的产生及发展 2、发酵的定义 3、发酵的基本过程 4、发酵工程产品的类型
1、发酵工程的产生及发展
第八章发酵工程----第二讲
2、初步纯化
⑤ 膜过滤法：又分为超滤，微滤，反渗透和纳滤四种。超 滤法是利用一定截留分子量的超滤膜进行溶质的分离或浓 缩。微滤主要用于发酵液中除去菌体；反渗透主要用于小 分子的浓缩；纳滤也可用于小分子的浓缩。膜过滤的主要 缺点是浓差极化和膜的污染，膜的寿命较短和通量低，很 难用于处理量大的工业中。但这些缺点正在克服，有很好 的发展前景。
1、种子扩大培养
作为种子的准则是： ① 菌种细胞的生长活力强，移种至发酵罐后能迅速生长， 迟缓期短； ② 生理性状稳定； ③ 菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求； ④ 无杂菌污染； ⑤ 保持稳定生产能力。
1、种子扩大培养
种子制备的工艺流程如下： 砂土（冷冻干燥管）管孢子→斜面→摇瓶液体（菌丝体） 或茄型瓶斜面或固体→种子罐→发酵罐.
③ 半连续发酵
在补料—分批发酵的基础上，间歇放出部分发酵液送到 产物提纯工段，被称为半连续发酵。 由于有害代谢产物的不断积累，产物合成最终难免受到 阻遏。放掉部分发酵液再补加适当料液不仅补充养分和 前体，而且代谢有害产物被稀释，从而有利于产物继续 合成。
③ 半连续发酵
半连续发酵也有她的不足： ⑴ 放掉发酵液的同时也丢失了未利用养分和处于生产旺盛期的 菌体； ⑵ 定期补充和放出使发酵液稀释，送去提炼的发酵液体积更大。 ⑶ 发酵罐被稀释后可能产生更多的代谢有害物，最终限制发酵 的产物合成； ⑷ 一些经代谢产生的前体可能丢失； ⑸ 有利于非生产菌突变株的生长。
2、发酵方式
微生物发酵可以分为： ① 分批 ② 补料—分批 ③ 半连续 ④ 连续
① 分批发酵
又称间歇式发酵罐，是一种准封闭式系统，种子接种到培 养基后除了气体流通外发酵液始终留在生物反应器内。 分批发酵过程可细分为6期 Ⅰ: 停滞期： Ⅱ：加速期： Ⅲ：对数期： Ⅳ：减速期： Ⅴ：静止期： Ⅵ：死亡期：
发酵工程章节复习资料
发酵⼯程章节复习资料第⼀章绪论1、发酵及发酵⼯程的概念1、传统发酵最初发酵是⽤来描述酵母菌作⽤于果汁或麦芽汁产⽣⽓泡的现象，或者是指酒的⽣产过程。
2、⽣化和⽣理学意义的发酵指微⽣物在⽆氧条件下，分解各种有机物质产⽣能量的⼀种⽅式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电⼦受体的氧化还原产能反应。
如葡萄糖在⽆氧条件下被微⽣物利⽤产⽣酒精并放出CO2。
3、⼯业上的发酵泛指利⽤微⽣物制造或⽣产某些产品的过程包括：1. 厌氧培养的⽣产过程，如酒精，乳酸等。
2. 通⽓（有氧）培养的⽣产过程，如抗⽣素、氨基酸、酶制剂等。
产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
发酵⼯程（Fermentation Biotechnology）: 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⾏酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的⼀门科学。
2、发酵⼯程技术的发展⼤致可分为哪⼏个阶段，每段的技术特点是什么？1. ⾃然发酵时期:嫌⽓性发酵⽤于酒类酿造，好⽓性发酵⽤于酿醋、制曲。
2. 纯培养技术的建⽴：⼈⼯控制环境条件使发酵效率迅速提⾼。
3.通⽓搅拌好⽓发酵过程技术的建⽴：从分解代谢转为⽣物合成代谢，可以利⽤微⽣物合成积累⼤量有⽤的代谢产物。
4.⼈⼯诱变育种与代谢控制发酵⼯程技术的建⽴：遗传⽔平上控制微⽣物代谢。
5. 发酵动⼒学、发酵⼯程连续化、⾃动化⼯程：以数学、动⼒学、化⼯原理等为基础，通过计算机实现发酵过程的⾃动化控制的研究，使发酵过程的⼯艺控制更为合理。
6. 微⽣物酶反应⽣物合成与化学合成反应结合⼯程技术：可⽣产许多过去不能⽣产的有⽤物质。
3、发酵⼯业的应⽤范围1. 酿酒⼯业（啤酒、葡萄酒、⽩酒）2. ⾷品⼯业（酱、酱油、⾷醋、腐乳、⾯包、乳酸）3. 抗⽣素⼯业（青霉素、链霉素、⼟霉素）4. 有机酸⼯业（柠檬酸、葡萄糖酸）5. 酶制剂⼯业（淀粉酶、蛋⽩酶）6. 氨基酸⼯业（⾕氨酸、赖氨酸）7. 核苷酸发酵⼯业(肌苷酸、肌苷)8. 有机溶剂⼯业（酒精、丙酮）9. 维⽣素⼯业(VB2、VB12)10.⽣物能源⼯业（沼⽓、⽣物柴油）11.环境保护产业（废⽔⽣物处理）12.⽣理活性物质发酵⼯业（激素）13. 冶⾦⼯业(微⽣物探矿、⽯油脱硫)14.微⽣物菌体蛋⽩发酵⼯业（酵母、单细胞蛋⽩）4、发酵⼯业的特点与化学⼯程相⽐，发酵⼯程具有以下特点：1、发酵过程是极其复杂的⽣物化学反应，与微⽣物细胞息息相关2、通常在常温常压下进⾏，反应安全，需求条件也⽐较简单3、发酵醪（包括固相、液相、⽓相，还含有活细胞体或菌丝体），属⾮⽜顿流体，其特性影响因素很多，对发酵⼯程都有关联4、具有严格的灭菌系统，以防⽌杂菌污染如空⽓除菌系统、培养基灭菌系统、设备的冲洗灭菌等5、反应以⽣命体的⾃动调节⽅式进⾏，因此数⼗个反应过程能够像单⼀反应⼀样，在同⼀发酵罐内进⾏6、后处理阶段，为了适应菌体与发酵产物的特点，需采取⼀些特殊的⼯艺措施并选⽤合适的设备。
发酵工程-各章重点ppt课件
第九章 发酵供养 一、呼吸强度、耗氧速率概念及其相互关系 二、临界氧浓度概念 三、氧的传送阻力 四、根据传质方程式分析影响氧传送的要素 五、溶氧系数的测定方法
第十念及其组成 2、温度对发酵的影响 3、最适温度控制 二、pH的控制 1、pH对菌体生长和代谢产物合成的影响 2、pH的调理控制 三、泡沫的控制 1、消泡方法 2、化学消泡剂的特点及类型 3、机械消泡类型
各章重点
绪论 一、发酵、发酵工程概念 二、新产品、新种类投入消费的必经之路 三、发酵工业的开展历史
第一章 菌种与菌种扩展培育 一、微生物工业对菌种的要求 二、菌种保藏方法及其特点 三、工业微生物的培育类型 四、影响种子质量的主要要素
第二章 培育基的制备与灭菌 一、培育基的组成成分及培育基的类型 二、淀粉水解糖的制备方法及其特点 三、糖蜜前处置的方法及其特点 四、灭菌与消毒的区别 五、灭菌方法类型、微生物热阻、致死时间、致 死
四、补料的控制 1、补料的作用 2、补料内容 3、补料原那么 五、发酵终点判别的要素 六、染菌控制 1、染菌时间对发酵的影响 2、发酵总染菌率概念 3、染菌缘由分析及其防止 4、染菌后的处置方法
一、考核方式：闭卷考试 二、试题类型 1、填空题〔30空，每空0.5分，共15分〕 2、选择题〔10题，每题2分，共20分〕 3、名词解释〔5题，每题3分，共15分〕 4、简答题〔5题，共40分〕 5、论述题〔1题，共10分〕 三、平常成果20％＋卷面成果80％
温度概念 六、湿热灭菌优缺陷 七、分批灭菌的优缺陷 八、空气除菌的方法 九、介质过滤机理
发酵机制 一、发酵机制概念 二、巴斯德效应及其机制 三、乳酸发酵类型 四、氨基酸发酵代谢调控方法 五、抗生素类型
第八章 发酵动力学 一、微生物培育方式及其特点 二、补料培育的类型 三、延续培育的类型 四、延续培育的优缺陷
发酵工程
（3）发酵的类型
• 按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，是否需氧是由 按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类， •
所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。 所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。 发酵过程需要氧气。 好氧发酵 (aerobic fermentation) 发酵过程需要氧气。多 数有机酸，如醋酸、 数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需要 氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。 氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅拌 促进氧气进入发酵液。 促进氧气进入发酵液。 厌氧发酵(anaerobic fermentation)发酵过程无需氧气 发酵过程无需氧气， 厌氧发酵(anaerobic fermentation)发酵过程无需氧气， 不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸， 不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维 素过程不需要氧气。 素过程不需要氧气。 按照使用的细胞类型，发酵分为： 按照使用的细胞类型，发酵分为： 微生物发酵： 微生物发酵： 植物细胞发酵； 植物细胞发酵； 动物细胞发酵。 动物细胞发酵。 动植物细胞的发酵历史很短。 动植物细胞的发酵历史很短。通常所说的发酵主要是指微生 物发酵。 物发酵。
•
（2）应用发酵工程的生产实例
•
谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分，以前用植物(如大豆) 谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分，以前用植物(如大豆)蛋 白质水解法生产。1957年 白质水解法生产。1957年，日本率先用微生物发酵法生 产成功。 产成功。 常用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌 黄色短杆菌等 谷氨酸棒状杆菌、 常用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等。 培养基通常用豆饼(或马铃薯等)的水解液、玉米浆、尿素、 培养基通常用豆饼(或马铃薯等)的水解液、玉米浆、尿素、 磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成， 磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成，呈液 体状态，因此也称培养液。其中的生物素是生长因子。 体状态，因此也称培养液。其中的生物素是生长因子。培 养液配制完成以后，投放到发酵罐中，通入98kPa的蒸汽 养液配制完成以后，投放到发酵罐中，通入98kPa的蒸汽 进行灭菌，冷却后，在无菌条件下加入菌种，即为接种。 进行灭菌，冷却后，在无菌条件下加入菌种，即为接种。 发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等， 发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等， 上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置；此外， 上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置；此外， 还有对温度、pH、通气量与转速等发酵条件进行检测和控 还有对温度、pH、 制的装置(如图) 制的装置(如图)。
发酵工程笔记
第一章发酵工程1．发酵工程定义定义1：发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物细胞作为产品的工业生产过程。
定义2 ：发酵工程是指在最适发酵条件下，在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的技术。
2．发酵工程的发展历史大致可分为三个阶段：○1传统（古老）发酵技术阶段（纯培养技术建立之前）○2近代发酵技术阶段（20世纪20年代—70年代）○3现代发酵技术阶段（20世纪70年代以后）3．为什么能利用微生物进行发酵生产：微生物繁殖速度快，代谢能力强，易培养，容易改造代谢产物多样，能利用廉价的有机物、无机物。
4．发酵工程的特点（与化学工业相比）1 原料广泛2 生产安全、设备简单3 反应专一性强、副产物少4 代谢多样、应用广泛5 易受污染、无菌要求严格6 菌种的优劣影响较大。
第二章工业用微生物菌种1．工业用菌种的特点及要求：1具有稳定的遗传学特性2能利用低价的原材料3长条件易于满足4于细菌，具有抗Phage的能力5酵周期短，降低生产成本6谢产物无毒无害2．发酵工业常用微生物从菌种的遗传学特征上可以把菌种分为：野生型和改良型从微生物分类学的角度分为：1细菌类2酵母菌3霉菌4放线菌3．菌种选育的目的：防止菌种退化，提高生产能力，简化生产工艺，开发新产品4．菌种选育方法：○1基因突变—自然选育，诱变育种○2基因重组—杂交育种（原生质体融合），基因工程5．自然选育：利用微生物自然突变进行菌种选育的过程，一般习惯称为菌种的分离纯化。
6．自然选育的目的：纯化菌种、复壮菌种、稳定生产、提高产量。
自然选育方法步骤：○1通过表观形态来淘汰不良菌株（初筛）○2通过目的代谢物产量考察（副筛）○3菌种纯度试验（纯度验证）○4传代稳定性试验（传代试验）。
7．各种生产菌适宜的保藏方法——酵母菌：定期移植斜面低温保藏法，石蜡油保藏法曲霉菌：砂土保藏法真菌（只长菌丝不长孢子的菌）：采用液氮超低温冻结保藏，石蜡油保藏法细菌：斜面低温保藏法，冷冻干燥保藏法放线菌：砂土或冷冻保藏法8．菌种的退化：生产菌株遗传标记的丢失，导致生产能力下降，即负突变,称为菌种的退化9．菌种退化的原因：内因—基因突变，分离现象，质粒脱落；外因：保藏方法不当，营养条件不适，传代次数过多10．防治菌种退化的措施：从菌种选育方面考虑：控制传代次数,合理传代，采用不易衰退细胞传代，采用有效的保藏方法11．菌种衰退时应采取的提纯复壮措施：分离纯化，通过寄主体进行复壮，淘汰衰退的个体12．种子扩大培养:指将保存的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纯种的过程。
发酵工程复习总结
第一章绪论传统发酵工程：利用微生物的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的过程理论与工程技术体系。
该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成。
现代发酵工程：是将DNA重组及细胞融合技术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、过程工程优化与放大技术等新技术与传统发酵工程融合，大大提高传统发酵技术水平，拓展传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业生物技术体系（新一代工业生物技术）。
采用现代工程技术手段，利用天然生物体或人工改造的生物体对原料进行加工，为人类生产有用的产品，或直接把生物体应用于工业生产的过程。
发酵工程发展史：1900以前自然发酵阶段：酿造工业1900—1940 纯培养技术的建立: 固体培养基，纯粹培养1940—1950 通气搅拌纯培养发酵技术的建立: 丙酮丁醇发酵,标志：纯种培养深层发酵生产青霉素1950—1960 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立:耗氧发酵实现规模化纯培养发酵1960—1970 开拓发酵原料时期（石油发酵时期）1970年以后进入基因工程菌发酵时期，以及细胞大规模培养技术的全面发展发酵工艺过程：1、菌种以及确定的种子培养基和发酵培养基的组成2、培养基，发酵罐和辅助设备的灭菌3、大规模的有活性、纯种的种子培养物的生产4、发酵罐中微生物最优的生长条件下产物的大规模生产5、产物的提纯、纯化6、发酵废液的处理第二章微生物菌种制备原理与技术工业微生物是生物技术产品生产的关键，而菌种又是工业微生物的核心。
发酵工业常用微生物分类：细菌、放线菌、酵母、霉菌工业微生物获得途径：1、向菌种保藏机构索取有关的菌株，从中筛选所需菌株2、由自然界采集样品，从中进行分离筛选3、从一些发酵制品中分离目的菌株自然界分离微生物的一般操作步骤：标本采集→样品预处理→目的菌富集培养→菌种分离（初筛、复筛）→菌种发酵性能鉴定→菌种保藏目的：高效地获取一株高产目的产物的微生物菌种的退化和防止：菌种退化是指整个菌体在多次接种传代过程中逐渐造成菌种发酵力或繁殖力下降或发酵产物得率低的现象。
发酵工程下游加工工程
• （二）清除高价无机离子 • 1. Ca2+、Mg2+、Fe2+等影响树脂旳互换容量 • 2. 用草酸清除钙离子，草酸钙还能增进蛋 • 白质凝固 • 3. 三聚磷酸钠与镁形成可溶性络合物 • Na5P3O10+Mg2+ =MgNa3P3O10+2Na+ • 4. 黄血盐与铁离子形成普鲁土盐沉淀
• 3K4Fe(CN)6+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3+12K+
• （三）清除可溶性杂蛋白 • 1. 蛋白质等电点沉淀 • 两性物质，稳定性与所带电荷有关 • 酸性溶液中带正电荷，碱性中带负电荷 • 2. 酸性溶液中与阴离子物质结合形成沉淀 • 三氯醋酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味 • 酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等 • 3. 碱性溶液中与阳离子形成沉淀 • Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+、Pb2+等
时，可同步清除非活性蛋白质
• 二. 发酵液固液分离 • （一）离心 • （二）过滤 • 菌种对过滤速度影响很大 • 真菌轻易过滤，放线菌则难 • 培养基构成对过滤也有影响
• 第三节 微生物细胞破碎
• 一. 微生物细胞壁旳构成与构造 • 微生物种类，培养基构成影响细胞壁 • 二. 常用细胞破碎措施 • 1. 珠磨法（bead mill） • 试验室：Mickle捣碎机、匀浆器Braun • 中试：胶质膜处理 • 工业：高速珠磨机（High-speed bead mill）
• 4. 盐析 • 亲水胶体，加入碱金属中性盐，脱水剂 • 5. 热变性 • 一般蛋白质在70~80C发生不可逆变性 • 如链霉素发酵液在pH3.0，加热到70 C保 • 持0.5h后过滤 • 柠檬酸发酵液在80 C处理 • 6. 加入絮凝剂 • 7. 吸附作用
发酵工程教案(打印
发酵工程教案（打印）第一章：发酵工程的概述1.1 发酵的定义和意义1.2 发酵工程的起源和发展1.3 发酵工程的研究内容和应用领域第二章：发酵过程的基本原理2.1 微生物的生长与代谢2.2 发酵条件的控制2.3 发酵过程中的物质变化第三章：发酵设备及其设计3.1 发酵罐的设计与选择3.2 发酵过程的自动化控制3.3 发酵设备的清洗与消毒第四章：发酵条件的优化与控制4.1 发酵条件的优化方法4.2 发酵过程的监控与控制4.3 发酵过程中的问题与解决方法第五章：发酵工程的应用实例5.1 微生物肥料的生产与应用5.2 生物农药的发酵生产5.3 食品工业中的发酵应用第六章：发酵工程在药品生产中的应用6.1 抗生素的发酵生产6.2 维生素的发酵生产6.3 重组蛋白的发酵生产第七章：生物化工领域的发酵工程7.1 氨基酸的发酵生产7.2 有机酸的发酵生产7.3 生物酶的发酵生产第八章：发酵工程在环保领域的应用8.1 生物滤池技术8.2 生物脱硫技术8.3 生物降解技术第九章：发酵工程的产业化与发展9.1 发酵工程的产业化流程9.2 发酵工程的技术创新与挑战9.3 我国发酵工程产业的发展现状与趋势第十章：发酵工程的可持续发展10.1 发酵工程与资源利用10.2 发酵工程与环境保护10.3 发酵工程的循环经济模式第十一章：发酵工程在生物制药中的应用11.1 重组蛋白药物的发酵生产11.2 疫苗的发酵生产11.3 基因治疗的发酵工程应用第十二章：发酵工程技术在农业中的应用12.1 微生物肥料的发酵生产12.2 生物农药的发酵生产12.3 动物疫苗和生物兽药的发酵生产第十三章：发酵工程在生物能源中的应用13.1 燃料酒精的发酵生产13.2 生物柴油的发酵生产13.3 生物气体的发酵生产第十四章：发酵工程在生物材料中的应用14.1 发酵生产生物塑料14.2 发酵生产生物纤维14.3 发酵生产生物复合材料第十五章：发酵工程的案例分析与实践操作15.1 发酵工程案例分析15.2 发酵工程的实践操作技巧15.3 发酵工程的实验设计与数据分析重点和难点解析本文教案涵盖了发酵工程的概述、基本原理、设备设计、条件优化与控制、应用实例、药品生产、生物化工、环保领域应用、产业化发展、技术创新、可持续发展以及案例分析和实践操作等多个方面。
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器 ppt课件
满足物料必须的溶氧需求 反应器应有恰当的冷却装置和冷却面积，满足生物体
生长代谢过程中的温度要求
9
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
反应器应尽量减少死角，消除藏垢积污场所，保证灭菌彻 底
尽量减少法兰连接，防止因设备震动和热膨胀，引起法兰 连接处移位，造成污染
13
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
罐体圆柱形，罐顶为椭圆封头，罐底为圆锥形。 筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。D：H＝1：
1.5-6。增加H有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄 清。 发酵罐锥底角一般为60-130°考虑到发酵中酵母自然沉降 最有利，以70°为好。
14
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
罐顶：进料管，补料管， 排气管和压力表管等。
罐底：出料管，进气管 等。
罐身：冷却水进出管， 进空气管，温度计管和 测控仪表接口。
35
发酵工程 第八章 发酵设备与反应 器
（1）搅拌器的主要作用：混合和传质 溶氧：使通入的空气分散成小气泡并与发酵液充分混合，使气
40
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
因为气体不是直接被搅拌器剪碎而分散的，而是首先在浆 叶的背面形成稳定的气穴，而后气穴在尾部破裂，这些小 气泡在离心力的作用下被甩出而分散至液体内。气穴的存 在使得Rushton涡轮的效率降低，特别在高气速下，有时 整个搅拌器被气穴包围，搅拌器近似空转，效率很低，气 体穿过搅拌器直接上升到液面。
加速发酵，C.C.T发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦 汁)和酵母对流获得强化，可加速发酵。
发酵工程_韩北忠_第八章发酵中试的比拟放大
三 比拟放大和它的基本方法
• 首先必须找出表征着此系统的各种参数， 首先必须找出表征着此系统的各种参数， 将它们组成几个具有一定物理含义的无 因次数，并建立它们间的函数式， 因次数，并建立它们间的函数式，然后 用实验的方法在试验设备中求得此函数 式中所包含的常数和指数， 式中所包含的常数和指数，则此关系式 在一定条件下便可用作为比似放大的依 据。比拟放大是化工过程研究和生产中 常用的基本方法之一。 常用的基本方法之一。
• （一）恒周线速度 丝状菌发酵受剪率、特别是搅拌叶轮尖端 线速度的影响较为明显。如果仅仅保持kLa相 等或Po/V相等，可能会导致严重的失误。在 P /V Po/V相等的条件下，D/T比越小，造成的剪率 越大，也有利于菌丝团的破碎和气泡的分散， 这对于产物抑制的发酵有重要意义。所以，对 于这类发酵体系，搅拌涡轮周线速度也被认为 是比拟放大的基准之一。
其他的比拟放大方法
其他的比拟放大方法
• （二）恒混合时间 混合时间的定义是把少许具有与搅拌 罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内，两 者达到分子水平的均匀混合所需要的时间。 混合时间主要与发酵液的粘度有关，通常， 低粘度的液体混合时间要少于高粘度的液体。 另外，放大罐的体积越大，混合时间就越长。
其他的比拟放大方法
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。
Hale Waihona Puke • 例： 某厂试验车间用枯草杆菌在100升 罐中进行生产。—淀粉酶试验， 获得良 好成绩。放大至20立方米罐。
按照计算p来计算发酵罐的放大原则三四恒定剪切力恒定叶端速度放大剪切力与搅拌桨叶端速度成正比在恒定体积功率放大时一般维持n不变n为搅拌桨转速d为搅拌桨直径五恒定的混合时间t放大另外还有人主张考虑nre及动量因子来放大等这里就不一一介绍了
发酵重点1-8
1、发酵工程的基本定义？发酵工程：是利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系，是生物工程与生物技术学科的重要组成部分。
发酵工程也称作微生物工程，该技术体系主要包括菌株选育与保藏、菌种的扩大生产、微生物代谢产物的发酵生产和分离纯化制备，同时也包括微生物生理功能的工业化利用。
2、提出研发一个发酵新产品的可能路线发酵生产工艺流程除某些转化过程外，典型的发酵工艺过程大致可以划分为以下6个基本过程①用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配制；②培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；③扩大培养有活性的适量纯种，以一定比例将菌种接入发酵罐中；④控制最适的发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物；⑤将产物提取并精制，以得到合格的产品；⑥ 回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。
3、发酵工业的特点①常温常压下进行的生物化学反应，条件较温和②较廉价的原料生产较高价值的产品③通过生物体的自适应调节来完成，反应专一性强，可以得到较为单一的代谢产物④可以产生比较复杂的高分子化合物⑤不受地理、气候、季节等自然条件的限制，可以根据订单安排通用发酵设备来生产多种多样的发酵产品1、为什么需要进行微生物菌种改良？①提高目标产物的产量生产效率和效益！②提高目标产物的纯度，减少副产物可有效降低产物分离成本。
③改良菌种性状，改善发酵过程改变和扩大菌种所利用的原料范围、提高菌种生长速率、保持菌株生产性状稳定、提高斜面孢子产量、改善对氧的摄取条件并降低需氧量及能耗、增强耐不良环境的能力（如耐高温、耐酸碱、耐自身所积累的过量代谢产物）、改善细胞透性以提高产物的分泌能力等。
④改变生物合成途径，以获得高产的新产品2、你认为菌种筛选过程中最关键的环节是什么？筛选方法（1）平皿快速检测法肉眼可观察的变化。
显色法、变色圈法、透明圈法、生长圈法和抑制圈法…（2）形态变异的利用（3）高通量筛选(high throughput screening)3、如果尽量保持菌种不发生退化？（1）控制传代次数基因的变化往往发生在复制和繁殖过程中，繁殖越颇繁，复制的次数越多，基因发生变化的机会也就越多。
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。
发酵工程第八章
pH对细胞形态的影响 pH对细胞形态的影响 这实际上是pH值对细胞生长和代 这实际上是pH值对细胞生长和代 谢途径影响的外部（宏观）表现， 在GA发酵过程中，pH值不同， GA发酵过程中，pH值不同， 代谢途径不同，菌体形态不同。 在青霉素发酵过程中，pH≧6.0时， 在青霉素发酵过程中，pH≧6.0时， 菌丝体缩短，而pH≧7.0时，膨 菌丝体缩短，而pH≧7.0时，膨 胀的菌丝体明显的增加。
一、氧对发酵的影响
影响了菌系的酶活性 氧的存在影响了代谢途径
二、氧传递动力学：
氧传递的双膜理论 1溶氧过程存在一个界面，这个界面 的厚度可以忽略不计。在这个界面上， 气相中氧的分压与溶于液相中氧的浓 度呈平衡关系，既Pi与Ci呈平衡关系， 度呈平衡关系，既Pi与Ci呈平衡关系， 符合亨利定律：Ci= 符合亨利定律：Ci= K *Pi 2传质过程是一个稳定的过程，各点 氧的浓度不是时间的函数。 3气膜、液膜都以层流状态存在。
三、提高氧传递效率的途径
提高kLa 提高kLa 搅拌 打碎气流，形成小气泡，增加气液接触 面积. 面积. 使液体形成涡流，增加气泡在液体中的 滞留时间 增加液体的湍流程度，减少气泡周围的 液膜阻力k3液膜阻力k3-1，减少氧在液体主流中的 传递阻力k4传递阻力k4-1 对于真菌、食用菌等易结团现象，降低 细胞膜的表面阻力，降低细胞周围代谢 物的浓度
提高（c* c)，即氧传递动力 提高（c* - c)，即氧传递动力
c*，受到体系的温度、发酵液的 c*，受到体系的温度、发酵液的 浓度、粘度、pH值等因素的影响， 浓度、粘度、pH值等因素的影响， 改变c*是没有太大的余地的。因 改变c*是没有太大的余地的。因 为，发酵温度、浓度等严格的受 到菌体生长和发酵工艺的限制。
发酵工程发酵工程8-专科-酱油
4.3-5.2
4.4-5.4
2） 豆粕
豆粕是大豆先经适当的热处理(一 般低于100℃)，热榨后加入有机 溶剂提取油脂，除去中溶剂即得 豆粕
蛋白质40～48%，脂肪低水分少，易粉碎，是理想原料
3）豆饼
冷榨豆饼： 压榨前未经高温处理，蛋白质未变性， 适于豆制品 热榨豆饼：大豆经过较高温度处理后(1300C)再经压 榨，出油率高，含水少，蛋白质高，质地疏松，适 于酱油
粉碎
混料
润水
蒸料
润水
加入适量水，充分而均匀吸入原料内部过程 常压蒸料多用，旋转蒸料锅可以蒸料、润水间断进行 加水量80～90%，用50～600C温水 曲料水分：冬47～48%，春秋48～49%，夏49～51%
蒸料
蛋白质适度变性，易于被酶作用 淀粉质糊化 杀灭原料附着微生物
蒸料要求达到一熟、二软、三疏松、四不粘手、五无夹心、 六有熟料固有的色泽和香气
第三阶段菌丝繁殖期：第一次翻曲后，菌丝发育更加旺 盛，品温迅速上升，需要连续通风，严格控制品温在35℃ 左右。约隔5h后曲料表面层产生裂缝迹象，品温相应上 升，进行第二次翻曲。此阶段米曲霉菌丝充分繁殖，肉眼 见到曲料全部发白 第四阶段孢子着生期：第二次翻曲后，品温逐渐下降， 但仍需要连续通风维持品温30 ～ 32℃。当曲料接种培 养18h左右，曲霉逐渐由菌丝大量繁殖，而开始着生孢 子。培养26h左右，孢子逐渐成熟，使曲料呈现淡黄色 直至黄绿色。一般孢子着色期间，米曲霉的蛋白酶分泌 最为旺盛
酱油中含有多种调味成分，有酱油的特殊 香气、食盐的咸味、氨基酸钠盐的鲜味、 糖及其他醇甜物质的甜味、有机酸的酸 味、酪氨酸等的爽适的苦味，还有天然的 红褐色色素，可谓咸、酸、鲜、甜、苦五 味调和、色、香俱备的调味佳品
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。
- 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)。
在四环素发酵
中，可看到当 产生的生物热 达到高峰时， 糖的利用速度
也最大。
有人提出，可
从菌体的耗氧
率来衡量生物 热的大小。
四环素生物合成过程中系列参数的动态变化过程 1：效价；2：呼吸强度；3：生物热；4：糖浓度
1.3 搅拌热
• 通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液 体之间、液体与设备之间的摩擦而产生的热 。 Q搅拌=3600（P/V） 3600：热功当量（kJ/（kW.h）） （P/V）：通气条件下单位体积发酵液所消耗的功 率（ kW/m3）
离线检测：分光光度计、气相和液相色谱仪等
• 直接状态参数：直接反应发酵过程中微生物生理代
谢状况的参数
对传感器的要求：耐高温、高压；避免表面被微生
物堵塞
有价值的状态参数：尾气分析和空气流量的检测
• 间接状态参数：采用直接状态参数计算得到的参数
离线发酵分析法
• 没有一种可在线监测培养基成分和代谢产 物的传感器 • 发酵液的基质、前体、代谢产物和菌量的 监测通过人工取样和离线分析
mV % Pa
生长和生化活性 qo2 反映OUR 和 Kla
气相CO2含量
红外气体分析仪
%
反映OUR 和 Kla
发酵过程检测控制的主要的参数-----生物参数
检测参数 检测方法 单位 影响
菌丝形态
菌体浓度
摄像显微镜 取样镜检
取样 ：干重、浊 gL-1 度、活菌计数、 离心沉降
反映菌体发育阶 段和正常与否
G --- 冷却水流量，kg/h
C --- 水的比热， J/kg ·℃
t1、t2 --- 进、出口的冷却水温度，℃ V ---- 发酵液体积 ， m3
方法二： 通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，再关闭自动控制
装臵测得温度随时间上升的速率S, 按下式可求得发酵热 ：
Q 发酵 = K ·S
S --- 温度随时间上升的速率，℃/h
铂电阻 热敏电阻
隔膜传感器 压敏电阻 频率计数器 功率计 浮子流量计 孔板差压计 旋转粘度计 浊度计 蠕动泵 荷重传感器 量筒
℃
Pa r/min kW m3h-1 vvm Pas % Lh-1
μ qP c*
保持正压，防止染菌 O2 及 CO2 的溶解度 Kla 发酵液的均匀性 K la K la K la 反映单细胞的生长 S
第八章 发酵过程控制
定 义
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。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。
研究发酵过程的意义
发酵体系的特征
内容
•发酵过程控制概述 •温度对发酵的影响及其控制 •pH 值对发酵的影响和控制 •溶解氧对发酵的影响和控制 •CO2和呼吸商对发酵的影响和控制
控制方式：
一般检控系统包括3个部分
发酵控制
Fermentation Control
Sugar/Oil feed Pressure probe Level probe
Antifoam Acid/Base Cooling Air/agitation pH probe Temp. probe DO probe
• 缺点：不连贯性和滞后性
发酵过程的代谢控制
• 调节营养物质通过细胞膜进入细胞的能力 • 调节代谢流 调节酶的合成量 调节酶的催化活力
发酵过程检测控制的主要的参数----物理参数
检测参数 检测方法 单位 影响
温度
罐压(0.20.5×105Pa) 搅拌转数 搅拌功率(2 -4KW/m3) 空气流量 粘度 浊度 料液的流量
• 基质浓度对发酵的影响及其控制
• 通气搅拌对发酵的影响及其控制
• 泡沫对发酵的影响及其控制
• 高密度发酵与过程控制
• 发酵终点的检测与控制
• 自动控制技术的应用
发酵过程控制概述 常规发酵工艺控制参数 直接状态参数：温度、pH值、搅拌转 速、液位、补料速率等 间接状态参数：产物浓度、溶解氧、 溶解CO2等 发酵过程优化控制步骤
K --- 总参数，代表系统的热容量，J/L· ℃
K值可由下式求得：
K = (MCp)发酵液 + (MCp)容器 + (MCp)附件 M — 以每升发酵液计的发酵液、容器、附件的重量
Cp — 代表各自的比热
一般微生物发酵过程中的最大发酵热约为 4.186× (3000～8000) kJ / m3 ·h
Sample Analysis •pH •DO •Sugar •Ammonia •Phosphate •Sulphate •Products •Precursors •Contamination
发酵过程参数检测
• 发酵过程参数的检测是控制发酵过程的重要依据
• 检测方法
通过仪器在线检测 发酵罐中取样离线检测 常用的检测仪器 在线检测：传感器
1.2 生物热
生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培 养基中碳水化合物、脂肪、蛋白质等物质被分解为 CO2、NH3和水时释放出的大量能量。 用途：合成高能化合物供微生物生命代谢活动 合成产物 热能散发
影响生物热的因素
生物热随菌株、培养基、发酵时期的不同而不同 对于某一种微生物，生物热的产生具有强烈的时间性 孢子发芽和生长初期，产生数量有限 进入对数生长期后，大量产生，此后逐渐减少 生物热的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系 培养基成分越丰富，菌体利用营养物质速率越大，生物热 产生越多
影响菌体的生化 反应Kla
一 、温度对发酵的影响及控制
1 影响发酵温度的因素：发酵热
产热因素 生物热 通气热 搅拌热 散热因素 蒸发热 辐射热
1.1 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通气-Q蒸发-Q辐射
发酵热的测定
方法一： 通过测定一定时间内冷却水的流量和冷却水的进出口温度， 由下式求得这段时间内的发酵热： Q发酵 = GC (t2- t1) / V (J / m3 ·h)
发酵过程检测控制的主要的参数-----化学参数
检测参数
pH 基质浓度 产物浓度 氧化还原电位 溶氧浓度 气相O2含量
检测方法
复合玻璃电极 HPLC 离子选择电极 生物传感器 取样 氧化还原电位电极 覆膜氧电极 顺磁氧分析仪
单位
影响及用
菌体和产物合成速度 酶促反应的方向
gL-1
μ qP 发酵周期的长短