发酵工程重点与相关答案

发酵工程重点

1，什么叫发酵工程？采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）机能，结合现代化学工程等将物料加工以提供产品或为社会服务（环保）的过程。是工业可续发展最有希望的技术之一。

什么是发酵：传统定义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。生化学中，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，工业上指利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来获得微生物菌体或代谢产物的过程

2，生物发酵工程的五大要素：

（1）菌种：要求，特征，如何获得，保藏，使用（扩大培养和活化，）级数，生长规律，如何缩短适应期，如何接种

?常见菌种包括：细菌、酵母、霉菌、放线菌。特征一般是大小、颜色、菌落特征等。影响斜面种子质量的因素：(1)原材料质量，水质，培养基pH，(2)灭菌条件，(3)接种量，(4)培养室温度、湿度、通风、(5)培养时间，(6)有害气体或挥发物（培养室内不要安紫外灯）(7) 冷藏条件。生产规模发酵罐的接种，包括两个方面：从实验室摇瓶或孢子悬浮液容器中移种入一个种子罐，从一个种子罐移入另一个生产发酵罐中适应期：糖不利用，要尽量得缩短，控制接种量和发酵条件。

对数生长期：糖耗快，各种成分的消耗使得罐内的各种指标开始变化如PH，菌体浓度迅速增大，及时地供给氮源，调整PH等外部条件，是菌体生长顺利

稳定期：开始合成各种产物，菌体数量稳定。必须供给各种营养物质，控制外部条件，大量的通气，以促进产物产量。

衰退期：菌体衰老，糖耗慢，应及时放罐。

?种龄和种量的控制一级种子控制在11-12h，二级控制在7-8h。种量为1％。过多，菌

体不强壮，提前衰老自溶，后期产酸量不高。

?通风：不同种龄、种量，培养基成分，发酵阶段及发酵罐大小要求通风量不同。在长菌

体阶段，通风量过大，生物素缺乏，抑制菌体生长。

在发酵产酸阶段，需要大量通风供氧

细致的分：

延滞期：细菌数目保持不变或略有下降，倍增速率为零（0-a）。

加速生长期：细菌开始增殖，倍增速率(世代时间的倒数即单位时间内的分裂次数)随时间不断增大(a—b)。

对数生长期：倍增速率达到最大值且保持恒定，它说明平均世代时间不变，细菌数目以几何级数增长(b—c)。

减速生长期：倍增速率随时间而减小，平均世代时间延长(c—d)。

稳定期：生长速率与死亡速率相等，倍增速率为零，活菌数目保持恒定(d—e)。

加速死亡期：死亡速率超过生长速率，并越来越大，活菌数目迅速减少(e—f)。

对数死亡期：死亡速率达到最大值并保持恒定(f—g)。

残留期：

变化规律的曲线。

生长曲线可分：1.延滞期

将少量菌种接入新鲜培养基后，在开始一段时间内菌数不立即增加，或增加很少，生长速度接近于零。也称延迟期、适应期。

迟缓期的特点：分裂迟缓、代谢活跃

在工业发酵和科研中通常采取一定的措施缩短延滞期：

①通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短；

②利用对数生长期的细胞作为“种子”；

③尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大；

④适当扩大接种量等方式缩短迟缓期，克服不良的影响。

2.对数期

以最大的速率生长和分裂，细菌数量呈对数增加，

细菌内各成分按比例有规律地增加，表现为平衡生长。

对数生长期的细菌个体形态、化学组成和生理特性等均较一致，代谢旺盛、生长迅速、代时稳定，所以是研究微生物基本代谢的良好材料。它也常在生产上用作种子，使微生物发酵的迟缓期缩短，提高经济效益。

3.稳定期

由于营养物质消耗，代谢产物积累和pH等环境变化，逐步不适宜于细菌生长，导致生长速率降低直至零(即细菌分裂增加的数量等于细菌死亡数量)，结束对数生长期，进入稳定生长期。获得更多的菌体物质或代谢产物采取措施：

补充营养物质或取走代谢产物或改善培养条件，如对好氧菌进行通气、搅拌或振荡等

4.衰亡期

现象：

细菌代谢活性降低，细菌衰老并出现自溶，产生或释放出一些产物，如氨基酸、转化酶、外肽酶或抗生素等。细胞呈现多种形态，有时产生畸形，细胞大小悬殊，有些革兰氏染色反应阳性菌变成阴性反应等。

特点：

该时期死亡的细菌以对数方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低。

?（2）发酵罐：发酵罐主要设备为发酵罐和种子罐，它们各自都附有原料(培养基)调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气调节和除菌设备，以及搅拌器等。

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?一个优良的发酵罐装置和组成：（1）应具有严密的结构，（2）良好的液体混合特性（3）好的传质相传热速率（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表种子制备设备。具体来说，应包括：主发酵设备，辅助设备(无菌空气和培养基的制备)，发酵液预处理设备，粗产品的提取设备，产品精制与干燥设备，流出物回收、利用和处理设备，洗涤装置（一般用水力喷射装置）。

?

?大型发酵罐的设计

?罐的耐压要求

?热交换

内部清洗

?啤酒发酵罐的容量正在逐步增大，这类发酵罐大部分安装在室外，原来的清洗方法已不适用，必须采用自动化的喷洗装置。

?采用较多的是CIP清洗系统。

?所谓CIP系统，是clean in place的简称，意即内部清洗系统。

高径比：罐的圆柱部分高度H/罐的直径D

发酵罐的基本条件

?（1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。

?（2）发酵罐能承受一定的压力。

?（3）要保证发酵液必须的溶解氧。

?（4）发酵罐应具有足够的冷却面积。

?（5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌。

（6）搅拌器的轴封应严密，防病量减少泄漏

?

?

?发酵罐的种类：以前常用的是密封发酵罐，现今发酵工业上最常用的是通风搅拌罐。除了通风搅拌发酵罐外，其它型式的发酵罐如：气提式发酵罐、自吸式发酵罐、液提式发酵罐、压力循环发酵罐、带超滤膜的发酵罐等。具体来说：

?1．按微生物生长代谢需要分类：

?好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数；

?厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。

? 2. 按照发酵罐设备特点分类：

?机械搅拌通风发酵罐：包括循环式，如伍式发酵罐，文氏管发酵罐，以及非循环式的通风式发酵罐和自吸式发酵罐等。

?非机械搅拌通风发酵罐：包括循环式的气提式、液提式发酵罐，以及非循环式的排管式和喷射式发酵罐。

?这两类发酵罐是采用不同的手段使发酵罐内的气、固、液三相充分混合，从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求。

?3．按容积分类：

?一般认为500L以下的是实验室发酵罐；

?500-5000L是中试发酵罐；

?5000L以上是生产规模的发酵罐。

4按微生物生长环境：有没有包括悬浮生长系统和支持生长系统。

5按操作方式：批发酵和连续发酵。

?（1）密闭式（厌氧）发酵罐：对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受一定压力；有冷却设备；罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物

?密闭式发酵槽优点

?（1）可回收二氧化碳

?（2）减少前发酵室内通风换气的耗冷量

?（3）减少杂菌污染机会。

?密闭式发酵槽组成

?在槽内装置冷却蛇管

?在发酵室内配置冷却排，或采用空调装置，使室内维持工艺所要求的温度和湿度。

新型啤酒发酵设备：

圆筒体锥底发酵耀、联合罐、朝日罐、

?（2）通风式发酵罐的结构：

1、罐体

2、搅拌器搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种

其作用是打碎气泡，使氧溶解于醪液中

挡板挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧

3、消泡器

4、联轴器及轴承

5、变速装置

6、空气分布装置空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。

7、轴封

8、冷却装置

发酵辅助设备主要包括：无菌空气系统，培养基配制和灭菌系统、发酵车间的管道及阀门等。

?空气除菌流程和设备

?空气预过滤空气压缩机冷却器

析水器加热器空气贮罐

空气过滤器发酵罐。

培养基灭菌设备

加热设备：在配料罐里培养基被加热到70℃，然后，用泵送到加热设备，在20秒的时间内继续加热到130～140℃。常用的加热设备有塔式和喷射式两种。

维持设备

维持设备使加热后的培养基保温—定的时间，从而达到灭菌的目的。

冷却设备

①喷淋冷却器

②套管冷却器

③板式换热器

④螺旋板换热器

?发酵罐的特点在于：（1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。

?（3）固体发酵:微生物在具有一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖就称作为固体发酵。方式有：浅盘式、旋转式、厚层式。

（3）培养基C:N 速效性生理(PH值)

?培养基的作用满足微生物细胞生长；促进产物积累。成分是：碳源（作用：提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分。提供合成目的产物所必须的碳成分，来源：糖类、油脂、有机酸、正烷烃）、氮源（氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白质、核酸等）和含氮代谢物。常用的氮源可分为两大类：有机氮源和无机氮源）、无机盐、特殊生长因子（硫酸铵、生物素、肌醇等）、水分等。培养基的类型：

?状态：固体、半固体和液体培养基。

?组成：天然培养基、合成和半合成培养基。前者工业用、后者研究和育种用?用途：孢子培养基、种子培养基和发酵培养基。

?培养基配制原则：根据不同微生物的营养需要配制

?确定合适的碳氮比(C/N ratio)

?控制pH条件

?控制氧化还原电位

?根据原料特点确定配比

制备：原料预处理、原料混溶、调节pH和灭菌。

（4）发酵条件（细胞浓度，溶氧系数）

（5）产物的提取（操作方法）收率:在分离纯化处理的每一步或整个过程结束后获得产物的量与待处理样品(或中间样品)中目标产物量之比的百分数.

4，灭菌：指用化学或物理的方法杀灭或去除物料及设备中所有生命物质的技术或工艺过程。方法（物理，化学，高温灭菌（原理，方法（干热，湿热）），高温瞬间灭菌，影响高温灭菌效果因素，如何确定灭菌的时间，空气除菌（方式：高空采气？））

a化学物质灭菌

原理：药物与微生物细胞中的成分反应，使蛋白质变性酶失活。器皿、双手和实验室、无菌室的环境灭菌，不能用于培养基灭菌

b辐射灭菌原理：利用高能量的电磁辐射与菌体核酸的光化学反应造成菌体死亡。使用范围：用于室内空气及器皿表面灭菌

c干热灭菌原理：利用高温对微生物有氧化、蛋白质变性和电解质浓缩作用而杀灭微生物。

?常用方法：灼烧和电热箱加热，140-180℃1-2小时

使用范围：玻璃及金属用具及沙土管灭菌

d湿热灭菌原理：蒸汽冷凝放出大量潜热，具有穿透力，且在高温有水分条件下，蛋白质易变性。

?常用方法：

水煮常压灭菌：100℃

饱和蒸汽灭菌：一般121℃，30分钟

使用范围：培养基和发酵设备灭菌

分批灭菌高压湿热灭菌：将配制好的培养基输入发酵罐中，用蒸汽加热，使培养基和设备同时灭菌的一种灭菌方式。

操作过程：

空罐准备：清洗、检修和检测。

升温：把培养基加热到灭菌所需的温度。

保温维持：在灭菌温度下保持灭菌所需时间。

冷却保压：把培养基的温度降低到接种的温度。

连续高压湿热灭菌：将培养基通过专门设计的灭菌器，进行连续流动灭菌后，进入预先灭过菌的发酵罐中的发酵的方式。

2．流程：

1)由热交换器组成的灭菌系统

2)蒸汽直接喷射型的连续灭菌系统

3）由连消塔、维持罐和喷淋冷却组成的灭菌系统

分批灭菌

优点：

1．不需附加设备

2．蒸汽利用率高

3．节约劳动力

缺点

1．培养基质量比较差

2．罐的利用率低

3. 冷却水用量大

连续灭菌

优点：

1 采用高温快速灭菌法

2．可以把培养基按其性质分开灭菌

3．有利于自动控制

4．节省冷却水

缺点

1．投资费用高

2．对物料要求高

3．蒸汽用量大

选择原则：1．培养基成份（易降解成分、液化情况等）

2．设备状况（冷却面积、传动装置等）

3. 动力条件

E 过滤除菌:原理：利用微生物不能透过滤膜除菌。

?方法: 0.01~0.45 m孔径滤膜，

?使用范围：用于压缩空气、酶溶液及其他不耐热化合物溶液除菌。

过滤除菌包括介质除菌和膜过滤除菌。

?介质除菌：

原理：过滤介质填充到过滤器中，空气流过时借助惯性碰撞、阻截、扩散、静电吸附、沉降等作用将尘埃微生物截留在介质中，达到除菌的目的。制备无菌空气的流程一般是：高空取气，经过除尘器，空气压缩，放到储气罐；经过一级冷却器，经过油水分离器，经过二级分离器，除雾器；加热器；经过总过滤器，再经过分过滤器，得到无菌空气。

?高空取气管是远离地面几十米的管子。一般而言，地面附近空气中所含的微生物和灰尘等均比高空空气中含的多，据资料介绍，每升高10米，空气中杂菌可降低一个数量级，因此从高空取气要比从低空取气有利得多。

膜过滤（绝对过滤）原理：利用微孔滤膜（microporous membrane）对空气进行过滤，膜的

孔径0.2-0.45微米，大于这一孔径的微生物能绝对截留。

高温瞬间灭菌：广泛地应用于食品发酵工程，除了能快速高效地杀灭细菌外，对营养物质的破坏作用相对较少。

巴氏消毒法（Pasteurization）：利用热力杀死液体中的病原菌或一般的杂菌，同时不致严重损害其质量的消耗方法。由巴斯德创用以消毒酒精类，故名。加温61.1～62.8℃半小时，或71.7℃15～30秒钟。常用于消毒牛奶和酒类等。

超高温杀菌（UHT），是指加热温度为135℃～150℃，加热时间为2～8秒，加热后产品达到商业无菌的杀菌过程。超高温杀菌能在很短的时间内有效地杀死微生物，并较好地保持食品应有的品质。简单的理解就是，在超高温条件下，没等营养物质受到破坏，实际微生物就已经被杀死了，所以有效的保持了营养价值而且达到消毒目的，就是通过高温高压，或者是高温高湿的条件，对细菌的结构或者成分进行改变。

。巴氏（巴斯德）杀菌和UHT（瞬时超高温灭菌）是有非常大的区别的

影响灭菌效果的因素

?微生物种类：不同的微生物k值不同。

?初始菌量：在保持N值不变的前提下，t 与初始菌量N0的对数成正比。

?培养基成份：油脂、蛋白质增加微生物的耐热性。

?传热与混合状况：影响受热均匀度。

?培养基中固体颗粒的存在影响热穿透。

?蒸汽中空气的存在降低蒸汽分压和灭菌温度。

?pH：酸性pH下可加快微生物热死速率

一．培养基灭菌时间的选择

t =1/ k * Ln( N0/ N)

其中K：一般耐热的细菌芽孢的K值

N0 ：细菌及芽孢数之和

N：10 -3

培养基灭菌温度的选择选择即能达到灭菌要求，

又保证营养成分不被破坏的温度

高温的有害影响：形成沉淀物、破坏营养、改变培养基的PH、降低培养基的浓度。防治的措施：采用特殊的加热灭菌法、对易破坏的含糖培养基进行灭菌时，先分别灭菌再合并、对Ca或Fe 离子等先分别灭菌，再混合，就不易造成沉淀、对易破坏的培养基可进行低压灭菌。