发酵工程 第九章 发酵过程控制
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。
发酵工程-第九章-抗生素
PG
Pka 2.7
RCONH
6
4
5S
CH3
HH
7
O
N1
3 CH3
2
COOH
H
2S，5R，6R
临床用其钠盐、钾盐或普鲁卡因盐，增强水溶性。 粉针剂，有效期2年 临床用粉针剂，现用现配
不稳定性
β –内酰胺环是青霉素中最 不稳定的部分，原因是
1、四元环和五元环稠合， 环的张力大
2、两个环不在同一平面， 青霉素结构中β-内酰胺环 中羰基和氮原子的孤对电 子不能共轭， 易受到亲核 性或亲电性试剂的进攻， 使β-内酰胺环破裂。
(二）一般生产流程
抗生素发酵阶段一般主要包括：孢子制备、种子 制备和发酵，这是进行微生物逐步扩大培养过 程。
1、孢子制备 目的是将沙土管保存的菌种进行 培养，以制备大量孢子供下一步种子制备之用， 一般于试管、扁瓶或摇瓶内进行。
2、种子制备 目的是使有限数量的孢子发芽繁 殖，获得足够菌丝体以供发酵之用。在种子罐 内进行。通过种子制备，可以缩短发酵罐内菌 丝体繁殖生长的时间，增加抗生素合成的时间。 一般通过种子罐1-3次，再移种到发酵罐中－内酰胺类抗生素 （二）四环类抗生素
（三）氨基糖苷类抗生素 （四）大环内酯类抗生素 （五）多烯大环类抗生素 （六）多肽类抗生素 （七）蒽环类抗生素 （八）其他类
四、根据作用机制
（一）抑制细胞壁合成 （二）影响细胞膜功能 （三）抑制和干扰蛋白质合成 （四）抑制核酸合成 （五）抑制细菌生物能作用
OH
H+ or HgCl2
-CO2
NH O
Penilloaldehyde
CHO
O
NH S H
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 发酵工程的定义发酵工程的概念发酵工程的组成1.2 发酵工程的应用领域食品工业制药工业生物化工1.3 发酵工程的发展历程传统发酵技术现代发酵工程技术第二章：发酵过程的微生物学基础2.1 发酵微生物的分类与特性细菌真菌放线菌2.2 发酵微生物的培养与筛选培养基的选择与制备微生物的分离与纯化2.3 发酵微生物的代谢调控微生物的生长曲线微生物的代谢途径第三章：发酵设备的类型与选择3.1 发酵设备的类型大型发酵罐生物反应器膜分离设备3.2 发酵设备的选择原则生产规模产品特性经济效益3.3 发酵设备的运行与维护设备的启动与停止设备的清洗与消毒设备的故障处理第四章：发酵过程的控制与管理4.1 发酵过程的控制参数温度pH值溶氧量营养物质4.2 发酵过程的控制技术自动控制系统反馈控制系统计算机控制系统4.3 发酵过程的管理与优化生产计划的制定发酵条件的优化生产过程的质量控制第五章：发酵工程的案例分析5.1 乳酸菌发酵工程案例酸奶的生产泡菜的制作5.2 酵母菌发酵工程案例啤酒的生产葡萄酒的制作5.3 放线菌发酵工程案例抗生素的生产维生素的生产第六章：发酵工程的安全与环保6.1 发酵工程的安全问题微生物的危害生物安全措施发酵罐的安全操作6.2 发酵过程中的污染控制污染的来源污染的检测与控制清洁生产技术6.3 发酵工程的环保问题废水处理废气处理固体废弃物处理第七章：发酵工程的产业化应用7.1 发酵工程在食品工业的应用面包酵母的生产乳酸菌的产业化7.2 发酵工程在制药工业的应用抗生素的产业化维生素的产业化7.3 发酵工程在其他领域的应用生物燃料的生产生物材料的产业化第八章：发酵工程的研发与创新8.1 发酵工程的新技术发展重组DNA技术基因工程技术合成生物学技术8.2 发酵工程的新设备开发高通量筛选设备生物反应器的设计自动化控制系统8.3 发酵工程的产业化挑战与机遇产业化过程中的问题产业化发展的趋势产业化政策的分析第九章：发酵工程的实例分析与评价9.1 发酵工程案例分析某乳酸菌产品的生产某抗生素的生产9.2 发酵工程项目的评价技术与经济评价环境与社会影响评价风险评价9.3 发酵工程的发展前景与建议行业发展趋势技术创新方向政策与支持措施第十章：发酵工程的实验操作10.1 发酵实验的基本操作菌种的制备与保藏发酵液的制备发酵过程的监控10.2 发酵实验的设计与优化实验设计方法发酵条件的优化实验结果的分析10.3 发酵实验的操作技能培养实验操作的安全规范实验设备的操作与维护实验数据的准确记录与处理重点和难点解析重点环节一：发酵微生物的分类与特性重点掌握不同类型发酵微生物的分类、特点及应用领域。
发酵工程细节控制方案
发酵工程细节控制方案一、微生物菌种的选取和培养条件控制1.1 菌种的选取在发酵工程中，菌种的选取是非常重要的一环。
不同的微生物对于不同的环境条件有着不同的适应性，因此在选取菌种时需要考虑到实际需要产物的特性和生产过程中的操作条件。
一般来说，菌种应具有较高的生长速度和产物生成能力，能够适应生产过程中的温度、pH 值和氧气条件等。
1.2 培养条件控制在菌种的培养过程中，需控制以下方面的条件：温度、pH值、氧气供应和营养成分。
温度和pH值是影响微生物生长和产物生成的重要因素，通常情况下应在微生物的最适生长温度和pH值下进行培养。
同时，氧气供应和营养成分的添加也是培养过程中需要细节控制的地方，这直接影响了微生物的生长速度和产物的产量。
二、发酵过程的环境条件控制2.1 温度控制发酵过程中的温度控制是非常重要的，不同的微生物对于温度的适应性不同，同时温度也直接影响着微生物的生长速度和产物生成速率。
在发酵过程中，通常需要根据微生物的生长特性和产物的需求来控制温度。
一般来说，应在微生物的最适生长温度范围内进行发酵。
2.2 pH值控制pH值是影响微生物生长和产物生成的另一个重要因素，不同的微生物对于pH值的适应性有所不同。
在发酵过程中，需要根据微生物的需要和产物的特性来控制pH值。
通常情况下，应在微生物最适的pH值范围内进行发酵。
2.3 氧气供应控制在发酵过程中，氧气是微生物能够进行呼吸和产生目标产物所必需的。
因此，需要根据微生物菌种的需氧性来控制氧气的供应。
一般来说，在发酵过程中，需要通过改变通气速率来控制氧气的供应量，以满足微生物的需氧需求。
2.4 营养成分的添加控制营养成分的添加是发酵工程中的另一个重要环节，微生物需要通过吸收外源的营养成分来满足其生长和产物生成的需求。
在发酵过程中，通常需要根据微生物的需要和酶产物的特性来控制营养成分的添加量和添加时间，以保证微生物的正常生长和产物的高产量。
三、发酵过程的微生物状态和发酵产物监控3.1 微生物状态监控在发酵过程中，需要通过监控微生物的生长状态来及时发现微生物的异常情况或者满足微生物的需求。
发酵过程优化与控制(原理部分)
16
大型发酵罐 搅拌装置
17
现代发酵工程的主要研究内容
1.发酵过程的优化控制技术 2.生化过程的模型化 3.高密度培养技术 4.代谢工程和代谢网络控制 5.新型生化反应器的研究和开发 6.新型发酵和产品分离技术
18
第一章
绪论
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制
19
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位
现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、 药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地 生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊 化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环 境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是 一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必 须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下 游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高 的生产强度(缩短发酵周期) 20
养或半连续发酵，是指在分批发酵过程
中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵
方法
36
流加发酵的研究进展
在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究 几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为 主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加
1973年日本学者Yoshida等人首次提出了 “Fed-Batch Fermentation”这个术语，并从理 论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究 才开始进入理论研究阶段
11
基于碳氢化合物的经济转变为基于 碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再
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。
发酵工程应用实例
第九章 发酵工程应用实例发酵过程：菌种→孢子制备→种子制备→发酵液处理（1）了解青霉素的发酵工艺、青霉菌：为β—内酰胺类抗生素，为抗革兰氏阳性的抗生素，由真菌生产的次级代谢产物，生长无关型1929年，英国弗莱明（fuleming ）发现青霉素 抗生素分类 1、根据抗生素的生物来源分 ● 放线菌：链霉菌、诺卡氏菌属、小单孢菌属； ● 真菌：青霉菌属、头孢菌属、担子菌； ● 细菌：多粘杆菌、枯草杆菌、芽孢杆菌；● 植物或动物：蒜→蒜素；动物脏器→鱼素。
2、按抗生素化学结构的分类● β-内酰胺类：青霉素类、头孢菌素类，包含一个四元内酰胺环● 氨基糖苷类：链霉素、庆大霉素，既含有氨基糖苷，也含有氨基环醇● 大环内酯类：红霉素、麦迪加霉素，含有一个大环内酯作配糖体，以苷键和1-3个分子的糖相连● 四环类：四环素、土霉素，以四并苯为母核，大都为放线菌生产。
● 多肽类：多粘菌素、杆菌肽，含有多种氨基酸，经肽键缩合成线状、环状或带侧链的环状多肽作用：抑制细胞壁合成。
合成路径为氨基酸、肽类衍生物生产工艺1、菌种：产黄青霉生长发育分六个阶段：Ⅰ—Ⅳ期：菌丝生长期，适宜做种子；Ⅳ—Ⅴ期：青霉素分泌期，菌丝生长趋势减弱，大量产生青霉素；Ⅵ期：菌丝体自溶期。
● I 期 分生孢子发芽；● II 期 菌丝繁殖；● III 期 形成脂肪粒，积累贮藏物，适于作种子；● IV 期 脂肪粒减少，形成中、小空泡；● V 期 形成大空泡，脂肪粒消失；● VI 期 细胞内看不到颗粒，个别细胞出现自溶。
2、培养基：碳源：乳糖、蔗糖、葡萄糖等；氮源：玉米浆、麸皮粉、无机氮源；前体：苯乙酸或苯乙酰胺；（一次﹤0.1％）无机盐：S 、P 、Ga 、Mg 、K 等。
铁离子有害， 控制在﹤30µg/mL 。
3、发酵条件控制补糖：残糖降至0.6％（PH 上升）；补氮：氨氮0.05％，补硫铵、氨水或尿素；PH：6.4—6.6，加糖、加酸、加碱调节；温度：前期，25-26℃；后期，23℃；通气比：1：0.8；溶氧：﹥氧饱和溶解度的30％；消沫剂：玉米油、豆油或化学合成消沫剂详细如下●温度控制：前期25-26°C，后期23 °C；●pH控制：一般为6.4-6.6，加酸加碱及加葡萄糖控制；●通气：一般为1：0.8VVM；●溶氧：﹥氧饱和溶解度的30％●搅拌：要求发酵液中溶解氧量不低于30%。
简述发酵工程的基本过程
简述发酵工程的基本过程
发酵工程的基本过程包括以下几个步骤：
1. 选择发酵微生物：根据工艺要求和产品特性，选择合适的发酵微生物（如细菌、酵母、真菌等）作为发酵的生物体。
2. 培养种子：用适当的培养基和条件，培养发酵微生物的种子菌株，使其达到一定的生长状态。
3. 发酵罐设计：设计合适的发酵罐，包括容量、搅拌、通气、温度和pH控制等，以提供最佳的生长环境。
4. 发酵培养基准备：根据微生物的生长需求，配制合适的发酵培养基，包括碳源、氮源、无机盐和其他必要的添加剂。
5. 接种发酵：将培养好的种子菌株接种到发酵罐中的发酵培养基中，使其开始生长和繁殖。
6. 发酵过程控制：通过监测和调控发酵罐中的温度、pH、搅
拌速度、通气速率等参数，控制发酵过程中的生物学反应，以实现最佳的生长和代谢活动。
7. 产物收集和分离：在发酵结束后，收集发酵液中的目标产品，根据需要进行进一步的分离、提纯和处理。
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。
发酵过程中与微生物相关工艺参数的调控方法资料
9、黏度 10、浊度 11、料液流量 12、产物的浓度 13、氧化还原电位 14、废气中的氧含量 15、废气中的CO 2含量 16、菌丝形态 17、菌体浓度
2.1 pH 值的控制
2.1.1 pH值对发酵的影响
1.影响培养基某些组分和中间产物的离解
2.影响酶的活性
3.影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜 的通透性
2.1.1 pH值对发酵的影响
4.pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代 谢产物的质量和比例发生改变。
例如：黑曲霉在pH2~3时发酵产生柠檬酸，在 pH近中性时，则产生草酸。
2.1.2发酵过程pH值的变化
pH值
培养过程中 培养液pH值 的大致变化 趋势
培养时间
在发酵过程中，随着菌种对培养基种碳、氮 源的利用，随着有机酸和氨基酸的积累，会 使pH值产生一定的变化。
生物热：产生菌在生长繁殖过程中，释放的大量热量。 搅拌热：由于搅拌器的转动引起液体的摩擦产生的热量。 蒸发热：发酵液蒸发水分带走的热量。 显热：发酵排气散发带走的热量。
辐射热：由于罐内外的温差，辐射带走的热量。
2.2.2影响发酵温度变化的因素
发酵热（Q发酵）是发酵温度变化的主要因素。
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射－Q显
酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精 乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶 利用真菌生产青霉素 利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、
干扰素和生长激素
2.发酵工程的主要的控制参数
1、pH值（酸碱度） 2、温度 3、溶解氧浓度 4、基质含量 5、空气流量 6、压力 7、搅拌转速 8、搅拌功率
发酵过程中与微生物 相关工艺参数的调控方法
目录
1.发酵工程的定义及应用
《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。
第九章 发酵产物的提取与精制
缺点
压差较小，主要适用于霉菌发酵液的过滤。
错流过滤设备
改善过滤性能的方法
等电点 蛋白质变性 吸附 凝聚和絮凝 酶解作用 加入助滤剂 直接在发酵液中形成填充-凝固剂
过滤助剂
助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它 能使滤饼疏松，滤速增大。 过滤助剂可解决两个问题
影响凝聚作用的主要因素
无机盐的种类： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+ 无机盐的化合价：离子的化合价越高，凝 聚能力越强 无机盐的用量：无机盐浓度越大，凝聚效 果越好
常用的凝聚剂
Al2(SO4)3·18H2O Alcl3·6H2O Fecl3 ZnSO4 MgCO3
常用的絮凝剂
天然有机高分子絮凝剂：
— — —
多糖类（如壳聚糖及衍生物） 海藻酸钠 明胶和骨胶等
人工合成聚合物：
— — —
聚丙烯酰胺类衍生物 聚苯乙烯类衍生物 聚丙烯酸类
絮凝技术预处理发酵液的优点不仅在于过 滤速度的提高，还在于能有效地去除杂蛋 白质和固体杂质，如菌体、细胞和细胞碎 片等，提高了滤液质量
加热，使发酵液中的蛋白质变性而产生沉 淀 大幅度改变pH 加有机溶剂（丙酮、乙醇等） 加表面活性剂
(三) 加各种沉淀剂沉淀
在酸性溶液中，蛋白质能与一些阴离子如： 三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸 盐、鞣酸盐等形成沉淀； 在碱性溶液中，能与一些阳离子如：Ag+、 Cu2+ 、 Fe3+ 、Zn2+ 、Pb2+等形成沉淀。
- 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)。
一、pH值对发酵过程的影响 二、发酵过程中pH的变化及影响因素 三、发酵过程中pH的控制
发酵液中pH变化的基本原理
微生物代谢对 pH影响主要在两种情况下发生：①酸性或碱性代谢产 物的生成或释放；②菌体对培养基中生理酸性或碱性物质的利用。
引起发酵液中pH下降的因素 （1）C/N过高，或中间补糖过多，溶氧不足，致使有机酸积累，pH下
4. pH控制系统
执行单元 补料
4~20mA
pH变选器 mA pH电极
调节器
给定值
第三节
泡沫对发酵的影响及控制
一、泡沫的性质 二、泡沫的形成及变化 三、泡沫对发酵的影响和消除
1、根据发酵液的性质不同，泡沫有两种类型： ①发酵液液面上的泡沫，气相比例特别大，与液体之间有明显界线；
②菌体发酵液中的泡沫，均匀稳定，与液体之间没有明显界线，气相
4. 最适温度的选择与控制
定义：最适温度是指在该温度下最适于菌的生 长或产物的生成，它是一种相对概念，是在一 定条件下测得的结果。
二阶段发酵 e.g.青霉素发酵：菌体生长期,30 ℃ 青霉素合成分泌期, 20 ℃
4. 最适温度的选择与控制
最适温度的选择还要参考其它发酵条件灵活掌握
通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正
（3）引起pH上升的因素：
凡是导致碱性物质生成或释放及酸性物质消耗，都会引起发酵液pH
上升。 ①培养基中碳、氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放，使pH上升； ②生理碱性物质存在； ③中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH上升。
①添加碳酸钙法； ②氨水流加法；
③尿素流加法。
配制合适的培养基，有很好的缓冲能力；
条件发生较大变化时，pH将会不断波动。
如：利福平霉素的产生菌，采用初始pH为6.8和7.5时，最终发酵pH 都达到7.5左右，发酵单位达到正常水平，但当初始pH为6.0时，发酵单
位为零。
（2）引起pH下降的因素： 凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗都会引起发酵液 pH下 降。 ①培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过量，或者中间 补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大量积累而pH下降； ②消泡剂加量过多； ③生理酸性物质的存在，氨被利用。
浊度分析等
新技术：以电容法为测量原理的在线
活细胞浓度测量传感器
原位活细胞在线检测仪
第一节 温度对发酵的影响及其控制
1. 影响发酵温度的因素 2. 温度对微生物生长的影响 3. 温度对产物合成的影响 4. 最适温度的选择与控制
(1)发酵热
发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
e.g. 四环素发酵中金色链霉菌：T<30℃，产生金霉素； T达35 ℃，产生四环素； 谷氨酸发酵中扩展短杆菌： 30℃培养后37 ℃发酵， 积累过量乳酸。
温度对菌的调节机制关系密切 。
3. 温度对产物合成的影响
影响酶系组成及酶的特性。 米曲霉制曲：温度控制在低限，有利于蛋白酶 合成 凝结芽孢杆菌的 α-淀粉酶热稳定性： 55℃培养 → 90℃保 持 60min ，剩 留 活性 为 88%~99% ； 35℃培养 → 经相同条件处理，剩余活性仅有 6%~10%。
2. 发酵过程控制的一般步骤
确定能反映过程变化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生产水平的影响及其机制， 获取最适水平或最佳范围 建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的关系 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，实现发酵过程最优控制
3. 参数检测
优点：及时、省力，可从繁琐操作中解脱出来，便 于计算机控制。 困难：传感器要求较高。
3. 参数检测
对传感器的要求
能经受高压蒸汽灭菌； 传感器及其二次仪表具有长期稳定性；
最好能在过程中随时校正，灵敏度好； 探头材料不易老化，使用寿命长； 安装使用和维修方便； 解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞 问题； 价格合理，便于推广。
(2)生物热
来源 ：微生物对营养物质的分解所释放的能量 影响因素： 菌株 培养基成分 发酵时期 生物热与其它参数的关系 ①呼吸强度QO2 当产生的生物热达到高峰时，菌的呼 吸强度最大，糖的利用速率也最大， ②糖利用速率 可用耗氧量、糖耗来衡量生物热。
2. 温度对微生物生长的影响
代谢参数按性质可分为三类： 物理参数：温度、搅拌转速、罐压、空气流量、溶解 氧、表观粘度、排气氧（二氧化碳）浓度等
化学参数：基质浓度（包括糖、氮、磷）、 pH、产物 浓度等 生物参数：菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、 呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等
3. 参数检测
参数按获取方式可分为两类：
1. 过程控制的重要性
生物因素： 菌株特性(营养要求、生长速率、 决定发酵 呼吸强度、产物合成速率) 单位(水平) 设备性能：传递性能 的因素 理化因素 物理：n、T、Ws 工艺条件 化学：pH、DO、浓度 过程控制的意义：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。
3. 温度对产物合成的影响
影响发酵过程中各种反应速率，从而影响微生物的生 长代谢与产物生成。 e.g. 青霉菌发酵生产青霉素 青霉菌生长活化能E1=34kJ/mol
青霉素合成活化能E2=112kJ/mol
∴青霉素合成速率对温度较敏感
3. 温度对产物合成的影响
改变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成 。 影响生物合成方向。
压差法：H= （△P2/△P1）· △H
直接重量测量法：直接称重
体积计量法：计算进出料液 流量计量法：计算流量和时间 液位探针
3. 参数检测
参数检测方法
发酵液粘度测定 毛细管粘度计 回转式粘度计 涡轮旋转粘度计
3. 参数检测
参数检测方法
pH测量 复合pH电极 pH测量仪器
3. 参数检测
常良好通气条件下低一些。
培养基成分和浓度的影响
4. 最适温度的选择与控制
变温培养：在抗生素发酵过程中采用变温培养比用恒
温培养所获得的产物有较大幅度的提高。
e.g. 四环素发酵：0~30h稍高温度→30~150h稍低温度 →150h后升温发酵 青霉素发酵：30℃, 5h→25 ℃, 35h →20 ℃, 85h → 25 ℃, 40h；产量提高14.7％
3. 参数检测
参数检测方法
温度测量
感温元件：热电偶（温度信号→ 电信号） 二次仪表：将热电偶输出的电信号转换成 被测介质的温度
3. 参数检测
参数检测方法
搅拌转速和搅拌功率的测量 测速电机；
搅拌转速：磁感应式，光感应式， 搅拌功率：功率表，测定力矩求功率法。
3. 参数检测
参数检测方法
配制不同初始pH的 培养基，摇瓶考察 发酵情况
pH对产海藻酸裂解酶的影响
1. 发酵过程中pH的变化 （1）生长阶段：pH有上升或下降趋势 如：利福霉素 B 发酵起始pH 为中性，但生长初期由于菌体产生的蛋白 酶水解蛋白胨而生成铵离子，使pH上升至碱性；接着，随着铵离子的利 用及葡萄糖利用过程中产生的有机酸使pH下降到酸性范围。
降；
（2）消泡剂加得过多：脂肪酸增加； （3）生理酸性盐的利用； （4）酸性产物形成：如有机酸发酵。
发酵液中pH变化的基本原理
引起发酵液中pH上升的因素
（1）C/N过低（N源过多），氨基氮（NH4＋）释放； （2）中间补料中氨水或尿素等碱性物质加入过多；
Hale Waihona Puke （3）生理碱性盐的利用；（4）碱性产物形成。
空气流量测定 体积流量型：
会引起流体能量损失，受温度和压力变化的影响； ①同心孔板压差式流量计； ②转子流量计。 质量流量型： 根据流体固有性质（质量、导电性、热传导性能） 设计的流量计。
3. 参数检测
参数检测方法
罐压测量
压力表
压力传感器
3. 参数检测
参数检测方法
料液计量与液位控制
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，影响代谢的正常进行。
1. pH对发酵的影响
③影响培养基某些组分的解离，进而影响微生物对这些物质的利用。 ④pH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。
最适pH的选择
选择pH准则：获得最大比生产速率和合适的菌体量， 以获得最高产量。
参数检测方法
溶解氧的测量 化学法 极谱法 复膜氧电极法
复膜氧电极示意图 （a）极谱型 （b）原电池型
3. 参数检测
参数检测方法
溶解二氧化碳测量 复膜式电极法 渗透膜—碳酸氢钠法 发酵尾气的在线分析
CO2分析
O2分析
3. 参数检测
参数检测方法
细胞浓度的测量 化学法：如DNA、RNA分析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、
发酵过程中加入非营养基质的酸碱调节剂 (NaOH、HCl、CaCO3)；
发酵过程中加入生理酸性或碱性基质，通过代谢调节pH； 酸性基质：铵盐、糖、油脂、玉米浆(脱NH4＋) 碱性基质：NO3－盐、有机酸盐、有机氮、氨水、尿素 原则: ①残糖高时，不用糖调pH ②残N高时，不用生理盐调pH
pH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH
嗜冷、嗜中温、嗜热菌的典型生长与温度关系