发酵过程的工艺控制
发酵食品的制作工艺及关键控制点
发酵食品的制作工艺及关键控制点一、前言发酵食品是指通过微生物的代谢作用，将食品中的某些成分转化为具有特殊风味和营养价值的物质。
在人类食品生产中，发酵技术已经有着悠久的历史。
本文将介绍几种常见的发酵食品制作工艺及其关键控制点。
二、豆腐1. 原料准备选用优质黄豆，浸泡12小时以上，去皮去杂质，洗净沥干水分。
2. 磨浆将黄豆用水磨成浆状物，过滤出黄豆渣。
3. 煮浆将黄豆浆加热至80℃左右，持续加热30分钟左右，使黄豆蛋白质变性凝固。
4. 凝固将煮好的黄豆浆倒入容器中静置冷却，在表面覆盖一层清水或盐水促进凝固。
5. 切块待豆腐完全凝固后，切成块状。
6. 调味根据需要添加调味料。
关键控制点：黄豆的浸泡时间、磨浆的细度、煮浆的温度和时间、凝固时的温度和时间。
三、酸奶1. 原料准备选用优质牛奶，加热至85℃左右杀菌，冷却至42℃左右。
2. 添加发酵剂将适量的酸奶发酵剂加入牛奶中，搅拌均匀。
3. 发酵将发酵好的牛奶倒入保温容器中，保持在42℃左右进行发酵，一般需要6-8小时。
4. 冷藏待发酵完成后将容器放入冰箱冷藏，降低温度停止发酵。
5. 调味根据需要添加调味料。
关键控制点：杀菌温度和时间、发酵温度和时间、保温容器的保温性能。
四、面包1. 原料准备选用优质面粉、水、盐等原料，在面粉中加入干活性酵母或新鲜活性酵母。
2. 揉面将原料混合后揉成光滑柔软的面团，一般需要揉10-15分钟。
3. 发酵将揉好的面团放入发酵箱中，在温度28℃左右、湿度75%左右的环境中进行发酵，一般需要1-2小时。
4. 分割将发酵好的面团分割成适当大小的块状。
5. 成型将分割好的面团按照需要成型，放入烤盘中。
6. 烘焙将成型好的面包放入预热好的烤箱中，温度一般为200℃左右，时间根据面包大小和形状不同而异，一般需要20-30分钟。
关键控制点：揉面时间、发酵温度和湿度、烤箱温度和时间。
五、泡菜1. 原料准备选用新鲜无损伤的白菜，洗净沥干水分。
准备适量生姜、蒜头等调味料。
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。
发酵工艺过程控制
发酵工艺过程控制发酵工艺过程控制是指在发酵过程中，通过合理控制发酵的条件和参数，使发酵过程达到预期的目标，达到最佳的产品质量和产量。
发酵工艺过程控制包括发酵条件的选择、发酵参数的控制和数据采集、分析等内容。
下面将详细介绍发酵工艺过程控制的一些关键点。
首先，在发酵工艺过程控制中，发酵条件的选择非常重要。
发酵条件包括温度、pH值、氧气供应和搅拌速度等。
不同的微生物和发酵产物有其适宜的发酵条件。
一般来说，温度是一个非常关键的参数。
适宜的温度可以提高微生物的生长速率和代谢活性，从而提高产物的产量和质量。
同时，pH值也会影响微生物的生长和代谢。
合适的pH值可以提供一个适宜的酶活性和物质转运环境。
氧气供应和搅拌速度对于需要氧气的微生物来说非常重要。
合适的氧气供应和搅拌速度可以提高微生物的通气效果和溶氧量，从而提高产量和代谢产物的选择性。
其次，在发酵工艺过程控制中，对发酵参数的控制和数据采集、分析也是至关重要的。
发酵参数包括微生物的接种量、培养基成分比例、培养基的初始pH值等。
合理的微生物接种量和培养基成分比例可以提高产物的产量和质量。
同时，初始pH值的控制可以提供一个合适的环境供微生物生长和代谢。
在发酵过程中，需要对各个参数进行实时的数据采集和分析，以便及时调整和优化发酵条件。
通过数据采集和分析，可以有效地监测发酵过程的进展，及时发现并解决问题，从而提高发酵工艺的稳定性和可控性。
另外，在发酵工艺过程控制中，发酵的时间也是需要考虑的一个因素。
发酵的时间过短可能导致微生物的生长和代谢不完全，从而影响产物的产量和质量；发酵的时间过长则可能导致微生物的过度生长和细胞死亡，影响发酵过程的稳定性和可控性。
因此，需要通过实验和经验来确定合适的发酵时间，以达到最佳的产物质量和产量。
综上所述，发酵工艺过程控制是一个非常重要的领域。
通过合理选择发酵条件和控制发酵参数，以及进行数据采集和分析，可以实现对发酵过程的有效控制，提高产品的产量和质量。
发酵工艺过程及控制介绍
发酵工艺过程及控制介绍1. 引言发酵是一种常见的生物过程，广泛应用于食品、饮料、药品等行业。
掌握发酵工艺的相关知识和控制方法对于提高产品品质、减少生产成本具有重要意义。
本文将介绍发酵工艺的基本过程和常见的控制方法，希望能为读者提供一些有用的信息。
2. 发酵工艺的基本过程发酵工艺是利用微生物在一定条件下进行生物代谢产生有用产物的过程。
其基本过程可以分为以下几个阶段：2.1 发酵前处理发酵前处理包括原料准备、消毒灭菌和接种等步骤。
原料准备是根据产品的不同需求选择合适的原料，并进行加工处理，如研磨、过滤等。
消毒灭菌是为了杀死微生物，防止杂菌污染。
接种是将合适的微生物菌种引入到发酵系统中，以促进发酵的进行。
2.2 发酵主过程发酵主过程是指微生物在适宜的环境条件下，利用碳源、氮源和能源进行代谢活动。
这个阶段主要包括菌种适应期、生长期和产物积累期。
在菌种适应期，微生物适应新的环境条件，准备进入生长期。
在生长期，微生物通过吸收和利用外部营养物质，进行生物合成和生长增殖。
在产物积累期，微生物代谢产物开始积累，并趋于稳定。
2.3 发酵后处理发酵后处理主要包括产物分离、精制、贮存等步骤。
产物分离是将发酵液中的固体和液体分离开来，常用的分离方法包括离心、膜分离等。
精制是对分离得到的产物进行纯化和提纯，以满足产品的要求。
贮存是将产物储存起来，以便日后销售和使用。
3. 发酵工艺的控制方法为了保证发酵工艺的顺利进行和产物的高质量，需要采用一些控制方法。
以下是常见的发酵工艺控制方法的介绍：3.1 温度控制温度是影响微生物生长和代谢的重要因素之一。
合适的温度可以提高微生物代谢活性，促进产物的积累。
过高或过低的温度都会对发酵产物的质量和产量产生不良影响。
因此，在发酵过程中，需要对发酵系统进行温度控制，保持适宜的温度范围。
3.2 pH控制pH是微生物生长和代谢的另一个重要因素。
微生物对不同pH值的适应能力有所不同，因此，在发酵过程中，需要控制发酵液的pH值，使其保持在适宜的范围内。
发酵过程的工艺控制
发酵过程的工艺控制发酵是一种利用微生物（如酵母、乳酸菌等）对物质进行转化以产生有用产物的过程。
在食品、饮料、药物和能源产业中，酵母发酵被广泛应用于生产酒精、面包、酸奶和生物燃料等产品。
在发酵过程中，工艺控制是至关重要的，它可以确保发酵过程的高效进行，并优化产物的质量和产量。
在发酵过程的工艺控制中，有几个关键方面需要考虑和管理。
首先是基质含量和组成的优化。
发酵基质是提供微生物生长和代谢所需的营养物质的载体。
通过合理的基质设计，可以最大限度地提高发酵效率和产物产量。
例如，在酿酒发酵中，酵母对葡萄糖的利用效率通常较高，因此应该控制葡萄糖的浓度，以避免过高或过低的浓度对发酵效果的影响。
其次是发酵过程的温度控制。
温度是影响微生物生长和代谢的最重要因素之一、不同的微生物对温度的要求不同，因此需要根据所采用的微生物菌株来控制发酵过程的温度。
通常情况下，发酵反应的最佳温度需要通过试验确定，以确保微生物能够在最适宜的温度下生长和活性表现。
此外，溶氧浓度的控制也是发酵过程中的重要环节。
微生物在进行发酵代谢时需要氧气作为底物，以促进细胞生长和代谢产物的形成。
因此，在发酵过程中需要保持合适的氧气供给，以防止微生物活性和产物产量的降低。
这可以通过控制搅拌速度、气泡量和气体通量等方式来实现。
此外，pH值的控制也是发酵过程中的重要方面。
微生物对酸碱度的敏感程度各不相同，因此需要根据所采用的微生物菌株来优化发酵过程的pH控制。
通常情况下，维持中性到微酸性的pH值范围对于大多数微生物来说是最适合的。
最后，发酵过程的时间控制也需要加以考虑。
不同的微生物菌株对于发酵反应的时间要求不同，因此需要根据所采用的菌株和产品要求来确定发酵时间。
过长的发酵时间可能会导致产物的质量下降，而过短的发酵时间则可能无法实现所需要的产物产量。
总之，发酵过程的工艺控制是确保发酵反应高效进行的关键要素。
通过优化基质含量和组成、温度控制、溶氧浓度控制、pH值控制和时间控制等方面，可以最大限度地提高发酵效率和产物产量，从而获得高质量的发酵产品。
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。
发酵过程中工艺参数的检测和控制
发酵过程中工艺参数的检测和控制引言发酵是许多生物过程中的重要步骤，广泛应用于食品工业、制药工业以及生物燃料生产等领域。
在发酵过程中，工艺参数的检测和控制对于保证产品质量和提高生产效率起着关键作用。
本文将介绍发酵过程中常见的工艺参数，以及如何通过检测和控制这些参数来优化发酵过程。
1. 温度的检测和控制温度是发酵过程中最基本也是最重要的工艺参数之一。
不同的微生物对温度的要求不同，因此在发酵过程中，需要准确地检测和控制温度以满足微生物的生长和代谢需求。
1.1 温度的检测方法常用的温度检测方法包括使用温度计、红外线测温仪以及温度传感器等。
温度计适用于小规模的发酵过程，能够直接测量液体中的温度。
红外线测温仪可以通过测量光谱的方式非接触地测量物体表面的温度，适用于大规模发酵过程中的温度检测。
温度传感器可以安装在发酵罐内，通过测量发酵液的温度来得到准确的温度数据。
1.2 温度的控制方法温度的控制可以通过调节加热或冷却系统来实现。
在小规模的发酵过程中，可以使用加热器和冷却器来控制温度。
温度传感器监测到的温度与设定的目标温度进行比较，然后通过调节加热器或冷却器的电流或气流来调整温度。
在大规模发酵过程中，还可以使用冷却水循环系统或蒸汽加热系统来控制温度。
2. pH值的检测和控制pH值是指溶液酸碱程度的指标，对于许多微生物的生长和代谢过程也起着重要作用。
在发酵过程中，pH值的检测和控制对于调节微生物的生长环境、抑制有害菌的生长以及促进产品产生等方面起着重要作用。
2.1 pH值的检测方法常用的pH值检测方法包括使用酸碱度试纸、玻璃电极pH计以及电化学传感器等。
酸碱度试纸是一种简单易用的检测方法，通过试纸的颜色变化来判断溶液的pH值范围。
玻璃电极pH计可以直接测量溶液的pH值，并给出精确的数值结果。
电化学传感器也可以被用于连续监测pH值的变化。
2.2 pH值的控制方法pH值的控制可以通过添加酸或碱来实现。
根据pH值的变化情况，通过自动控制系统来准确地调节加酸或加碱的量。
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。
发酵过程工艺控制
乙酰乙酸
5、 pH影响菌体的形态：产黄青霉 细胞壁的厚度随pH的增加而减小； pH<６，菌丝的长度缩短。
（二）发酵过程pH值的变化 在发酵过程中，pH值的变化决定于所 用的菌种、培养基的成分和培养条件。
（三）发酵pH值的确定和控制 1. 发酵pH值的确定
微生物发酵的最适pH值范围一般是在 5～8之间。 最适pH值是根据实验结果来确定的。
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。
C.常用的消泡剂种类
发酵工业常用的消泡剂一般可分为有机消泡剂、 有机硅消泡剂和聚醚型消泡剂等三类。
以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为 常用。
天然油脂类：
♣豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。 ♣油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。 ♣在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵 试验检验。
有机硅消泡剂
一般由二甲基硅油和SiO2按一定比例
复合而成。难乳化，表面黏度低，消 泡能力强
五、 菌体浓度和基质对发酵的影响及其控制
(一)菌体浓度对发酵的影响及控制
菌体（细胞）浓度（简称菌浓）是指单位体积 培养液中菌体的含量。 菌浓的大小，在一定条件下，不仅反映菌体细 胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全 相同的分化阶段。
三、 pH值对发酵的影响及其控制
（一）pH值对发酵的影响
1、影响酶的活性，当pH值抑制菌 体中某些酶的活性时，会阻碍菌 体的新陈代谢；
2、影响微生物细胞膜所带电荷的状态， 改变细胞膜的通透性，影响微生物对 营养物的吸收和代谢产物的排泄 3、pH影响培养基中某些组分的解离， 进而微生物对这些成分的吸收、利用
2. 温度的控制
工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释 放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。 利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中， 通过热交换来降温，保持恒温发酵。 如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，就可 采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立 冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。
发酵工艺的过程控制
发酵工艺的过程控制引言发酵工艺是一种将有机物质通过微生物的作用转化为需要的产物的过程。
在发酵过程中，微生物通过吸收养分、产生代谢产物和释放能量，完成了物质的转化。
为了保证发酵过程的高效和稳定，控制发酵过程至关重要。
本文将介绍发酵工艺的过程控制，包括控制参数和控制策略。
1. 发酵过程的控制参数发酵过程的控制参数是指影响发酵过程的参数，包括温度、pH值、溶氧量、搅拌速度、发酵菌种等等。
这些控制参数对于发酵过程的高效和稳定起到了重要的作用。
1.温度：发酵过程中适宜的温度可以促进微生物的生长和代谢活动。
不同的发酵过程需要不同的温度，一般在微生物的最适生长温度附近，通常在25-42摄氏度之间。
2.pH值：发酵过程中的pH值对微生物的生长和代谢活动有重要影响。
不同的微生物对于pH值的需求不同，一般在微生物最适生长pH值的附近维持。
3.溶氧量：溶氧量是指发酵液中的氧气饱和度。
微生物在发酵过程中需要氧气进行呼吸和代谢活动。
合适的溶氧量可以提高发酵效率和产物质量。
4.搅拌速度：搅拌速度对于发酵液中的微生物的分散性和氧气气液传递有着重要影响。
适当的搅拌速度可以保证发酵液中的微生物充分接触营养物质和氧气。
5.发酵菌种：选择适宜的发酵菌种对于发酵过程的控制至关重要。
合适的发酵菌种应具备高发酵活力、产物合成能力和抗污染能力。
2. 发酵过程的控制策略为了实现对发酵过程的有效控制，需要采取相应的控制策略。
以下是几种常见的发酵过程控制策略。
1.反馈控制：反馈控制是根据实时的监测数据对发酵过程进行调节。
通过监测发酵过程中的温度、pH值、溶氧量等参数，将实际参数与设定值进行比较，根据误差进行反馈调整，以维持发酵过程的稳定性。
2.前馈控制：前馈控制是根据预期的发酵过程需求提前对控制参数进行调整。
通过事先设定好的控制策略，根据发酵过程中的状态进行预测和计算，提前对控制参数进行调整，以达到预期的控制效果。
3.比例积分控制：比例积分控制是通过调整控制器的比例参数和积分参数来改变控制器的工作方式。
发酵过程的工艺控制
空气 发酵尾气 消泡剂
酸碱
蒸汽
发酵过程的工艺控制
问题
为什么说微生物分批培 养是一种非稳态的程？
在分批培养过程中，随着微生长细胞和底物、代 谢物的浓度等的不断变化，微生物垢生长可分为停 滞期、对数生长期、稳定期和死亡期等四个阶段， 图10-1为典型的细胞菌生长曲线。 请看下图：
发酵过程的工艺控制
分批培养过程中典型的细菌生
细胞的生长速度基本维持恒定，其生长速度可用数学方程表示：
dx x
dt
x---细胞浓度（g/l）；t---培养时间（hr）； μ ---细胞的比生长速率（1/h）。 如果当t=0时，细胞的浓度为x0(g/l)，上式
积分后就为：
发酵过程的工艺控制
ln x t
x0
于是，用微生物细胞浓度的自然 对数对时间作图，就可得到一条 直线，该直线的斜率就等于 μ。
发酵过程的工艺控制
3、补料分批培养的优点
料分批培养是介于分批培养和连续培 养之间一种微生物细胞的培养方式，它 兼有两种培养方式的优点，并在某种程 度克服了它们所存在的缺点。表10-7为 补料分批培养的一些优点。
发酵过程的工艺控制
一、微生物发酵的动力学
一般来说，微生物学的生长和培 养方式可以分为：
分批培养 连续培养 补料分批培养
发酵过程的工艺控制
基本概念
分批培养又称分批发 酵，是指在一个密闭系统 内投入有限数量的营养物 质后，接入少量的微生物 菌种进行培养，使微生物 生长繁殖，在特定的条件 下只完成一个生长周期的 微生物培养方法。
长曲线
10
对 数
菌 数 的
bc
d
根据图提问
0 16
时间
发酵过程的工艺控制
发酵工艺条件的控制过程中,温度对发酵过程的影响及控制方法
发酵工艺条件的控制过程中，温度对发酵过程的影响及控制方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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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？
发酵工艺过程及控制介绍课件(129页)
产热因素：生物热 搅拌热 散热因素：蒸发热 辐射热
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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
28
✓ 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时释放 出的大量能量。
• 蒸发热的计算： Q蒸发=G（I2-I1） G：空气流量，按干重计算，kg/h I1 、 I2 ：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg （干空气）
33
• 辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体 向外辐射的热量。
• 辐射热可通过罐内外的温差求得，一般不超 过发酵热的5%。
34
发酵热的测定
（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和冷 却水进出口温度，由下式求得这段时间内的 发酵热。
22
2、连续发酵的优缺点
• 优点
– 能维持低基质浓度； – 可以提高设备利用率和单位时间的产量； – 便于自动控制。
• 缺点
– 菌种发生变异的可能性较大； – 要求严格的无菌条件。
23
3、连续发酵的类型
• 恒化培养
– 使培养基中限制性基质的浓度保持恒定
• 恒浊培养
– 使培养基中菌体的浓度保持恒定
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1、pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响
• pH影响酶的活性 • pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态 • pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离
解 • 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
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2、发酵过程中pH的变化
❖生长阶段 ❖生成阶段 ❖自溶阶段
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这节介绍分批发酵、补料分批发酵及连续发酵三种
发酵工艺参数的优化与控制方法
发酵工艺参数的优化与控制方法发酵工艺参数的优化与控制方法发酵工艺是一种利用微生物在特定条件下生产有机化合物的生物过程。
发酵工艺参数（如温度、pH值、搅拌速度等）的优化与控制对于提高发酵生产效率和产品质量至关重要。
本文将介绍一些常用的发酵工艺参数优化与控制方法，以帮助提高发酵工艺的效果。
一、温度的优化与控制温度是影响发酵过程的最重要参数之一。
一般来说，微生物的生长速率随温度的升高而增加，但过高的温度可能导致微生物的死亡或产物的变性。
因此，需要对发酵过程中的温度进行优化和控制。
在发酵过程中，通过调节发酵罐中的冷却塞温度来控制温度。
使用前馈控制或反馈控制方法，根据温度传感器和控制器的反馈信号，调节冷却塞的开度，使温度保持在设定的范围内。
此外，还可以使用嵌入式感应器和自动化控制系统来监测和调节传热器和冷却系统的性能，以保持发酵温度的稳定。
在优化发酵温度方面，可以通过实验方法来确定最佳生产温度。
首先，将发酵基质分为若干等温区域，分别在不同温度下进行发酵实验。
然后，通过测量发酵产物的产量和质量，寻找最佳生产温度。
二、pH值的优化与控制pH值是指发酵基质中的酸碱性程度。
微生物的生长和产物合成受到pH值的影响，因此对发酵过程中的pH值进行控制和优化是非常重要的。
在发酵过程中，通过添加酸碱调节剂或纯化酶来控制pH值。
具体来说，可以使用酶法或电极法来测量发酵基质中的氢离子浓度，然后根据测量结果调节酸碱调节剂的加入量，以维持合适的pH值范围。
此外，还可以使用自动化控制系统来监测和调节pH探头和酸碱调节剂的性能，以保持发酵过程中pH值的稳定。
在优化发酵pH值方面，可以通过实验方法来确定最佳生产pH。
首先，在不同pH条件下进行发酵实验，测量产物的产量和质量，然后比较不同pH条件下的发酵效果，找到最佳生产pH条件。
三、搅拌速度的优化与控制搅拌速度是指在发酵过程中搅拌器的转速。
适当的搅拌可以帮助提高溶解氧和基质传质，促进微生物的生长和产物的合成。
发酵过程的工艺控制-2
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
• 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）
• 蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿 度随季节及控制条件的不同而有所变化。 空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触 进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发； 蒸发所需的热量即为蒸发热。 • 蒸发热的计算： Q蒸发=G（I2-I1） G：空气流量，按干重计算，kg/h I1 、 I2 ：进出发酵罐的空气的热焓量， J/kg（干空气）
第三节 发酵工艺的控制
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。
发酵过程控制是发酵的重要部分 控制难点：过程的不ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ定性和参数的非线性
同样的菌种，同样的培养基在不同工厂，不同批 次会得到不同的结果，可见发酵过程的影响因素 是复杂的，比如设备的差别、水的差别、培养基 灭菌的差别，菌种保藏时间的长短，发酵过程的 细微差别都会引起微生物代谢的不同。了解和掌 握分析发酵过程的一般方法对于控制代谢是十分 必要的。
2，影响发酵温度变化的因素
产热因素：生物热 散热因素：蒸发热
搅拌热 辐射热
发酵热
发酵热就是发酵过程中释放出来的引起温 度变化的净热量。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
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 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。生物热 的大小还与菌体的呼吸强度有对应关系。
发酵工艺过程控制
酶活力（U /mL)
200 150 100 50 0 3 4 5 6 pH 7 8 9
培养基pH对B.subtilis ZJF-1A5产α-淀粉酶的影响（n=4）
发酵的不同阶段采取不同的pH值
例：pH对L-异亮氨酸发酵的影响
菌株最适生长pH控制在6.8～7.0
不同pH值对菌体的形态影响很大，当p于6.5时菌体同 样受抑制，易于老化。而在7.2左右时，菌体是处于 产酸期，呈现长的椭圆形；在6.9左右时，菌体处于 生长期，呈“八”字形状并占有绝对的优势。
一、泡沫形成的原因
1、气液接触
气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体。
气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，形
成的 泡沫一般气泡较小、较稳定。
2、含助泡剂 在未加助泡剂，但并不纯净的水中产生的泡沫， 其寿命在0.5秒之内，只能瞬间存在。摇荡纯溶剂不 起泡，如蒸馏水。在纯净的气体、纯净的液体之外， 必须存在第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体 来说，这第三种物质是助泡剂。 3、起泡速度高于破泡速度 泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减 少，最终呈不起泡状态； 泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将 维持在某一平衡状态； 泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断 增加。
3.分批培养的优缺点
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。
二、连续培养（continuous culture）
1. 概念：
微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断
添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物，使微生
物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式。
2. 特点： 菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处
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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在抗生素发酵中，由于存在菌体生长、维持及产物形 成的不同阶段，其RQ值也不一样。
青霉素发酵的理论呼吸商：菌体生 长0.909，菌体维持1，青霉素合 成4。发酵早期，主要是菌生长， RQ<1；过渡期菌体维持其生命活 动，产物逐渐形成，基质葡萄糖的 代谢不仅仅用于菌体生长，RQ比 生长期略有增加。
8.8 基质对发酵的影响
法降低其浓度；
• 若有促进作用，则应提高其浓度。
呼吸商
• 生物体在同一时间内CO2产生量与O2的消耗量的比值叫做呼 吸商(CO2 ／ O2) 。
• 如糖类物质完全氧化时， O2只用于与氢形成H2O，反应式 可以葡萄糖为例表示如下： C6H12O6＋6H2O ＋6 O2——→6 CO2 ＋12H2O
• 试验罐采用无 级变速装置。
• 发酵罐常用的 变速装置有三 角皮带传动， 圆柱或螺旋圆 锥齿轮减速装 置，其中以三 角皮带变速传 动较为简便。
大型发酵罐 搅拌装置
搅拌电机
搅拌变速器
搅拌轴及轴封
9、换热装置
• 夹套式换热装置
• – 这种装置多应用于容积 较小的发酵罐、种子罐；
• – 夹套的高度比静止液面 高度稍高即可，无须进行 冷却面积的设计。
产物合成基质 前体 诱导物 无有害代谢物积累
高密度发酵策略
•使用最低合成培养基以便于准确的培养基 设计和计算生长得率，避免引入对细胞生 长不利的养分限制
•优化细胞生长速率，使碳源被充分 利用获得高产率
• 用碳源作为限制性养分，采用补 料分批发酵
高密度发酵存在问题
• 水溶液中的固体和气体物质的溶解度 • 基质对生长的限制或抑制作用 • 基质与产物的不稳定性和挥发性 • 产物或副产物的积累达到抑制生长的水平 • 高浓度的CO2和热的释放速率 • 高的氧需求和培养基的粘度不断增加
其呼吸商＝ CO2 ／ O2 ＝6／6＝1．00；并可求得每氧化 1g葡萄糖要消耗1.07g O2 。
呼吸商与发酵
• 分析尾气中CO2的含量，记录培养基体积及通气量的变 化，用计算机计算CO2的积累量。如果连续测得CO2浓度， 可计算出整个发酵过程中CO2的释放率(简称CER)
• 发酵过程中菌的耗氧速率OUR可通过热磁氧分析仪或质 谱仪测量进气和排气中的氧含量计算而得，并最终计算 出呼吸商RQ
料管、补料管、排气 管、接种管和压力表 接管。 • 在罐身上的接管：
冷却水进出管、进空 气管、取样管、温度 计管和测控仪表接口。
罐体的尺寸比例
H/D=1.7~4
罐体各部分的尺 寸有一定的比例， 罐的高度与直径 之比一般为1.7~4 左右。
2、搅拌器
搅拌器的作用：
①打碎气泡，使空
气与溶液均匀接触， 使氧溶于发酵液中。 ②使发酵液中的悬 浮颗粒均匀分散
➢为实现这一目标，在中间补料控制时， 必须选择恰当的反馈控制参数和补料 速率。
补料控制的策略
• 避免抑制和阻遏作用
– 以经验数据或预测数据控制流加，补加的量控 制在出现毒性反应的剂量下
– 补加的方式根据底物消耗的速度连续流加，避 免不足或过量
– 采用自动控制系统，根据菌体浓度、底物浓度 自动补料
补料速率的确定
1 发酵过程的中间检测
• 发酵过程的中间检测分析是生产控制的眼睛，它显示 了发酵过程中微生物的主要代谢变化。因为微生物个 体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只 能从分析一些参数来判断，所以说中间分析是生产控 制的眼睛。
• 这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映发酵过 程中菌的生理代谢状况，如pH，溶氧，尾气氧，尾气 二氧化碳，粘度，菌浓度等
7、轴承
中型发酵罐—般在罐内装 有底轴承 ，而大型发酵 罐装有中间轴承，底轴 承和中间轴承的水平位 置应能适当调节。
罐内轴承不能加润滑油 ，应采用液体润滑的塑料
轴瓦(如聚四氟乙烯等)， 轴瓦与轴之间的间隙常取
轴径的0.4~0.7％。 为了防止轴颈磨损，可以
在与轴承接触处的轴上 增加一个轴套。
8、变速装置
8.11 发酵中间检测及终点判定
• 微生物发酵终点的判断，对提高产物的生产能力和经济效益是 很重要的。 生产能力（或称生产率、产率）是指单位时间内单位罐体 积发酵液的产物积累量而言 生产率单位一般为g／(L·h)或kg／(m3·h)，产物浓度单位为 g／L或kg／m3，发酵时间单位为h
• 终点判断：产量和经济效益的结合。
• 优化补料速率也是补料控制中十分重要的 一环，因为养分和前体需要维持适当的浓 度，而它们则以不同的速率被消耗，所以 补料速率要根据微生物对营养等的消耗速 率及所设定的培养液中最低维持浓度而定。
8.9 通气搅拌对发酵的影响和控制
• 通气：供给微生物适量的无菌空气，满 足菌体生长繁殖和积累代谢产物的需要
RQ= CER / OUR
RQ可以反映菌的代谢情况 • 酵母发酵
RQ=1，糖有氧代谢，仅生成菌体，无产物形成； RQ>1.1，糖经EMP(糖酵解)生成乙醇。 不同基质，菌的RQ不同
E.coli以延胡索酸为基质，RQ=1.44；
以丙酮酸为基质，RQ=1.26； 以琥珀酸为基质，RQ=1.12；
以乳酸、葡萄糖为基质，RQ分别为1.02和1.00。
➢ CO2对发酵的影响 ➢对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最重 要的发酵条件是提供的空气中要含5%的CO2 。 ➢对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、 抗生素等发酵的抑制
➢ 影响发酵液的酸碱平衡
2 CO2对发酵影响的机理
● CO2及HCO3-主要是影响细胞膜的结构，导致膜的流动性 及表面电荷密度发生改变，影响到细胞膜的输送效率， 导致细胞生长受到抑制、形态发生改变。 ●培养液中的CO2主要作用于细胞膜的脂质核心部位； ●HCO3-影响细胞膜的膜蛋白。
碳源浓度的影响
营养过于丰富引起菌体异常繁殖，对菌 体的代谢、产物的合成及氧的传递都会产生 不良的影响。若产生阻遏作用的迅速利用的 碳源用量过大，则产物的合成会受到明显的 抑制；反之，仅仅供给维持量的碳源，菌体 生长和产物合成就都停止。 所以控制合适的碳源浓度是非常重要的。
(2)氮源对发酵的影响及其控制
• 控制适当的底物浓度， 防止底物的抑制和阻遏 作用，也可控制微生物 处于适当的生长阶段。
补料控制目的
❖解除基质过浓的抑制 ❖解除产物的反馈抑制
补料的内容
➢补充微生物能源和碳源的需要。 ➢补充菌体所需要的氮源。 ➢补充微量元素或无机盐。
补料的原则
➢控制微生物的中间代谢，使之向着有 利于产物积累的方向发展。
3 CO2的控制
CO2在发酵液中的浓度大小受到许多因素的 影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学 特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模 等。综合考虑溶解度、温度、通气状况等。 在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控 制。但提高罐压，溶解度增加 ，对菌体生长 有害。
• CO2浓度的控制应随它对发酵的影响而定。 • 如果CO2对产物合成有抑制作用，则应设
4 消泡器
消泡器的作用：将泡沫打碎。最常用的形式有锯 齿式、孔板式。
消泡器的长度约为罐径的0.65倍 孔板式的孔径约10～20mm。
5 轴封
• 轴封的作用是 使罐顶或罐底 与轴之间的缝 隙加以密封， 防止泄漏和污 染杂菌。
• 常用的轴封有 填料函和端面 轴封两种。
6、联轴器
• 大型发酵罐搅拌轴较 长，常分为二至三段， 用联轴器使上下搅拌 轴成牢固的刚性联接。
• 例如，乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油及半乳糖 分别是青霉素、头孢菌素C、盐霉素、核黄素 及生物碱发酵的最适碳源。
• 因此选择最适碳源对提高代谢产物产量是很重 要的。
• 青霉素研究中：在迅速利用的葡萄糖培养基 中，菌体生长良好，但青霉素合成量很少； 相反，在缓慢利用的乳糖培养基中，青霉素 的产量明显增加。糖的缓慢利用是青霉素合 成的关键因素。所以缓慢滴加葡萄糖以代替 乳糖，可以得到良好的结果。乳糖被缓慢利 用的速度恰好适合青霉素合成的要求。
第八章 发酵过程控制
8.1 发酵过程控制概述 8.2 温度对发酵的影响及其控制 8.3 PH 值对发酵的影响和控制 8.4 溶解氧对发酵的影响和控制 8.5 泡沫对发酵的影响及其控制 8.6 污染对发酵的影响及其控制 8.7 CO2和呼吸商对发酵的影响和控制
8.8 基质浓度对发酵的影响及其控制 8.9 通气搅拌对发酵的影响及其控制 8.10 发酵中间检测及终点判定 8.11 高密度发酵与过程控制 8.12 自动控制技术的应用
• 氮源有无机氮源和有机氮源两类。 • 它们对菌体代谢都能产生明显的影响，不同
的种类和不同的浓度都能影响产物合成的方 向和产量。
• 发酵培养基一般是选用含有快速利用和慢速利用的 混合氮源。如氨基酸发酵用铵盐(硫酸铵或醋酸铵) 和麸皮水解液、玉米浆；链霉素发酵采用硫酸铵和 黄豆饼粉。但也有使用单一的铵盐或有机氮源(如黄 豆饼粉)。它们被利用的情况与速效和迟效碳源相似。 为了调节菌体生长和防止菌体衰老自溶，除了基础 培养基中的氮源外，还要在发酵过程中补加氮源来 控制其浓度。
• 搅拌： • 氧传递速率的影响因素：搅拌器的形式、
直径、组数、搅拌器间距和转速等
1、 罐的组成 2、 搅拌器 3 挡板 4、 消泡器 5、 轴封 6、 联轴器 7、 轴承 8、 变速装置 9、 换热装置 10、空气分布装置
1、罐体
• 罐体由圆柱体及椭
圆形或碟形封头焊接 而成，材料一般为不 锈钢。 • 发酵罐顶设有手孔 人孔、 视镜及灯镜。 • 罐顶上的接管：进
• 基质即培养微生物的营养物质。对于发酵控 制来说，基质是生产菌代谢的物质基础，既 涉及菌体的生长繁殖，又涉及代谢产物的形 成。因此基质的种类和浓度与发酵代谢有着 密切的关系。所以选择适当的基质和控制适 当的浓度，是提高代谢产物产量的重要方法
1 基质浓度对发酵的影响