发酵条件及过程控制解析
第二节_发酵过程影响因素及过程控制
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2.固体发酵
当发酵温度不足时可通入蒸汽保温或水浴保温， 也可用堆积的办法保温，一般采用通入蒸汽保 温较为简单 当发酵温度过高时，采用风机连续通风，可达 到冷却降温的目的
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（二）pH对发酵的影响及其控制
1. 发酵对pH的影响 2. pH值对发酵过程的影响 3. 最适pH的选择 4. 发酵过程中pH的调节与控制
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根据和氧的关系分为： 专性好氧微生物 好氧微生物 （必需有氧） 微好氧微生物 兼性好氧微生物 耐氧微生物 厌氧微生物
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（可有可无）
（不需） 严格厌氧微生物
温度太低：使原生质膜处于凝固状态，不能正常进行营养物质的 运输或形成质子梯度。 温度太高：蛋白质、核酸和细胞的其他组成发生不可逆的变形作 用。
微生物对低温的适应性又比高温强，在低温往往停 止生长发育，而在高温下易死亡。
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小结：
1.嗜冷微生物能够在低温条件下生长的原因是：其所含 的酶在低温能有效地催化生化反应；在低温下主动运输 仍能正常进行，有效的吸收必须的营养物质，是其原生 质膜中含有较多的不饱和脂肪酸，在低温下仍可维持膜 的流动性。 2.嗜高温微生物在高温条件下生长的原因是：其酶和其 他蛋白质在高温时更稳定；其蛋白质合成机构和细胞 质膜（富含饱和脂肪酸等）等结构成分是热稳定。
第三，PH的改变往往引起某些酶的激活或抑制，使生物合成途 径发生改变，代谢产物发生变化。
二、pH对发酵的影响
1、实例
例
pH对林可霉素发酵的影响
林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发
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。
发酵过程优化与控制PPT课件
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发酵过程技术原理
分批发酵 补料-分批发酵 半连续发酵 连续发酵
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分批发酵
几个重要参数：
为比生长速率,h-1； -qs 为比基质消耗速率,(g/g)/h； qp 为比产物形成速率,(g/g)/h 。
uX dX dt
q xX d S dt
补充养分，同时解除/消弱代谢产物的抑制。
不足：
丢失了未利用的养分和处于生长旺盛期的菌体；送去提炼 的发酵液体积更大；丢失代谢产生的前体物；利于非产生 菌突变株的生长。
实施：海洋微藻合成藻红素和EPA。
需要摸索最佳的培养基更新速率。
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连续发酵
发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相同的流速 放料，维持发酵液原来的体积。（恒化培养）
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发酵过程优化与控制
发酵
狭义——厌氧条件下葡萄糖通过酵解途径生成 乳酸或乙醇等的分解代谢过程。
广义——微生物把一些原料养分在合适的发酵 条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过 程。
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发酵是一个很复杂的生化过程，其好坏涉及诸多因素： 菌种性能、培养基组成、原料质量、灭菌条件、种子 质量、发酵条件和过程控制等
pH变化会影响酶活，菌对基质的利用效率和细
胞结构，从而影响菌的生长和产物的合成。
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选择最适发酵pH的原则是获得最大比生产速率和
适当的菌量。
分阶段pH控制策略
如何控制发酵液pH？
基础培养基的配方；通过加酸碱或中间补料 例如，青霉素发酵，通过调节加糖速率来控制pH；链 霉素的生产，补充NH3来控制pH，同时为产物合成提 供氮源。
培养液pH可反映菌的生理状况：pH上升超过最适值，意 味着菌处于饥饿状态，可加糖调节；糖的过量又使pH下 降；用氨水中和有机酸需防止微生物中毒，可通过监测 培养液种溶氧浓度的变化来控制。
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。
第五章 发酵过程及控制
（二）pH对发酵的影响
1、实例 例 pH对林可霉素发酵的影响 林可霉素发酵开始，葡萄糖转化为有机酸类中间产物，发酵液 pH下降，待有机酸被生产菌利用，pH上升。若不及时补糖、
(NH4)2SO4或酸，发酵液pH可迅速升到8.0以上，阻碍或抑制某些
酶系，使林可霉素增长缓慢，甚至停止。对照罐发酵66小时pH 达7.93，以后维持在8.0以上至115小时，菌丝浓度降低，NH2-N 升高，发酵不再继续。 发酵15小时左右，pH值可以从消后的6.5左右下降到5.3，调节这 一段的pH值至7.0左右，以后自控pH，可提高发酵单位。
4，最适温度的确定 最适温度是一种相对概念，是指在该温度下最 适于菌的生长或发酵产物的生成。 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件 和菌体生长阶段有关。 最适发酵温度的选择
– 在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温度不一 定好。 – 温度的选择要参考其它发酵条件。 – 温度的选择还应考虑培养基成分和浓度
一、分批发酵
1、分批发酵的定义
• 是指在一封闭系统内含有初始限量基质的
发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消
泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何 其它物质。发酵过程中培养基成分减少， 微生物得到繁殖。
2、分批发酵的特点
• 其物理，化学和生物参数都随时间
而变化，是一个不稳定的过程。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即
超过最高温度，微生物很快死亡；低于最
低温度，微生物代谢受到很大抑制，并不
马上死亡。这就是菌种保藏的原理。
3，温度对发酵的影响
• 影响各种酶的反应速率和蛋白质性质 • 影响发酵液的物理性质 • 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℃温度下，该菌种合成金霉素能力较强。 当温度提高，合成四环素的比例也提高。在温度达 35℃则只产生四环素而金霉素合成几乎停止。
发酵工作原理
发酵工作原理
发酵工作原理是指在适宜的温度、湿度和酵母菌或其他微生物的存在下，通过这些微生物对物质的代谢作用，使得物质发生变化，产生新的产物。
具体来说，发酵工作原理包括以下几个方面：
1. 源料选择：选择适合发酵的原料，如面粉、果汁、豆腐等。
这些原料中含有一定的碳水化合物、蛋白质等有机物，能够提供微生物进行代谢的基础物质。
2. 微生物的存在：酵母菌、乳酸菌、酢酸菌等微生物在适宜的环境条件下加入到原料中。
这些微生物通过分解物质的代谢作用，释放出能量，从而推动发酵反应的进行。
3. 温度调控：发酵过程中需要适宜的温度。
不同的微生物对温度的要求有所不同，一般在20-40摄氏度之间。
温度过高或过低都会影响微生物的活性和发酵速度。
4. 湿度控制：适当的湿度能提供微生物生长所需的水分。
过高的湿度可能导致微生物过多繁殖，影响发酵品质，而过低的湿度则可能导致微生物活性降低。
5. 发酵期控制：发酵的时间长短会影响产物的质量和口感。
根据不同产品和微生物的需求，设置合适的发酵时间。
总的来说，发酵工作原理是通过微生物对原料中的有机物进行
代谢，产生新的产物，同时释放出能量和代谢产物，推动发酵反应的进行。
这一过程是一种生物化学反应，能够改变物质的性质和风味。
发酵操作规程
发酵操作规程一、引言发酵是一种生物技术，用于转化有机物质为有用产物。
在食品加工、酿酒、酸奶等行业中，发酵是一个重要的步骤。
为了确保发酵的效果和安全性，需要遵循一些操作规程。
本文将介绍发酵操作规程，包括发酵前的准备工作、发酵过程中的控制和监测，以及发酵后的处理措施。
二、发酵前的准备工作1. 确定发酵的目标和产物：在开始发酵前，需要明确发酵的目的和预期产物，以便进行后续的操作和监测。
2. 选择发酵菌种：不同的产物需要不同的发酵菌种，根据目标产物的要求选择合适的菌种，并进行培养和增殖。
3. 准备发酵基质：- 根据菌种的生长需要，选择合适的基质，如麦芽、淀粉等。
- 对基质进行适当的处理，如研磨、消毒等，以保证基质的质量和卫生。
- 按照配方准确称量和混合基质的组分。
4. 准备发酵容器：- 选择合适的发酵容器，如发酵罐、培养皿等，并进行清洗和消毒。
- 确保容器的密封性和通气性，以便控制发酵过程中的气体交换。
5. 准备发酵环境：- 根据菌种的需求，调节适宜的温度、湿度和酸碱度等环境条件。
- 保持发酵环境的清洁和卫生，以防止有害微生物的污染。
三、发酵过程的控制和监测1. 控制发酵条件：- 在发酵过程中，根据菌种的需求，控制恰当的温度、湿度和pH值等条件，以促进菌种的生长和代谢。
- 定期检查和调整发酵环境，确保环境条件的稳定性。
2. 监测发酵进程：- 定期取样并测量关键参数，如菌种数量、产物浓度、酸碱度等，以了解发酵进程的变化。
- 根据监测结果，及时调整操作参数，以确保发酵的顺利进行。
3. 防止污染：- 严格控制发酵容器和设备的卫生状况，定期清洗和消毒。
- 在操作过程中，避免外界的污染，如杂菌、灰尘等。
- 采取适当的防护措施，如穿戴干净的工作服、戴口罩等，以防止人员对发酵过程的污染。
四、发酵后的处理措施1. 停止发酵：- 在达到预期产物或发酵结束的时候，停止提供发酵菌种所需要的营养物质和环境条件。
- 停止搅拌或通气等操作，以防止污染和产物的破坏。
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？
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发酵周期的长短
mV
生长和生化活性
%
qo2
Pa
反映OUR 和 Kla
%
反映OUR 和 Kla
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制 发酵用复合pH电极
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
溶氧电极
《发酵工程》 生物参数
第六章 发酵条件及过程控制
检测参数 菌丝形态
检测方法
摄像显微镜 取样镜检
第六章 发酵条件及过程控制
控制方式
一般检控系统包括3个部分。
1．测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH计 直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。
2．控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各 种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指 令执行元件进行调整控制。
比如糖代谢产生的中间物可能用作合成菌体的前体， 可能用作合成产物的前体，也可能合成副产物，而这
些前体有可能流向不同的反应方向，环境条件的差异
会引发代谢朝不同的方向进行。
因此对发酵过程的了解不能机械的，割裂的去认识， 而要从细胞代谢水平和反应工程水平全面的认识
微生物的生长与产物合成有密切相关性，不仅表现在 菌体量的大小影响产物量的多少，而且菌体生长正常 与否，即前期的代谢直接影响中后期代谢的正常与否。 特别是对于次级代谢产物的合成更具有复杂性
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
发酵过程研究的方法和层次
研究方法
单因子实验：对实验中要考察的因子逐个进行试 验，寻找每个因子的最佳条件。一般用摇瓶做实验
•优点：一次可以进行多种条件的实验，可以在较快 时间内得到的结果。
•缺点：如果考察的条件多，实验时间会比较长。各 因子之间可能会产生交互作用，影响的结果准确性
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
数理统计学方法：运用统计学方法设计实验和分 析实验结果，得到最佳的实验条件。如正交设计、 均匀设计、响应面设计。
优点：同时进行多因子试验。用少量的实验，经 过数理分析得到单因子实验同样的结果，甚至更准 确，大大提高了实验效率。
但对于生物学实验要求准确性高，因为实验的最 佳条件是经过统计学方法算出来的，如果实验中存 在较大的误差就会得出错误的结果。《发酵ຫໍສະໝຸດ 程》第六章 发酵条件及过程控制
研究的层次
初级层次的研究： • 一般在摇瓶规模进行试验。主要考察目的菌株生 长和代谢的一般条件，如培养基的组成、最适温度、 最适pH等要求。 • 摇瓶研究的优点是工作量大，可以一次试验几十 种甚至几百种条件，对于菌种培养条件的优化有较 高的效率。
《发酵工程》
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
第六章
发酵条件及过程控制
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
发酵过程工艺控制的目的
有一个好的菌种以后要有一个配合菌种 生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来
目标是得到最大的比生产速率和最大的 生产率
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络形式，
电阻式、电容式、 电感式、半导体式
《发酵工程》 化学参数
第六章 发酵条件及过程控制
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 气相CO2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 红外气体分析仪
单位 gL-1
影响及作用 菌体和产物合成速度
单位
影响
反映菌体发育阶段 和正常与否
菌体浓度
取样 ：干重、浊度、 活菌计数、离心沉降
gL-1
影响菌体的生化反应 Kla
《发酵工程》 间接状态参数
第六章 发酵条件及过程控制
μ qP qS qo2 (OUR) CER(Co2释放速率)
RQ(呼吸商: CER/ OUR) Yxs Yps Kla 等
《发酵工程》
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
检测方法 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
单位 ℃ Pa
r/min Kw m3h-1 vvm Pas % Lh-1
影响 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
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
生产规模放大 • 在大型发酵罐规模进行试验。将小型发酵罐的优 化条件在大型反应器上得以实现,达到产业化的实 现。 • 一般来说微生物在不同体积的反应器中的生长速 率是不同的，原因可能是，罐的深度造成氧的溶解 度、空气停留时间和分布不同，剪切力不同，灭菌 时营养成分破坏程度不同所致。
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
发酵工艺控制的基础
了解产生菌生长、发育及代谢情况及动力学模拟
了解生物、物理、化学和工程的环境条件对发酵 过程的影响
如何进行控制
测定各种参数
依据参数变化，并通过动力学关系获得发酵过程 的各项最佳参数
《发酵工程》 物理参数
第六章 发酵条件及过程控制
检测参数 温度
Kla Kla
Kla 反映单细胞的生长
S
《发酵工程》
感温元件
第六章 发酵条件及过程控制
《发酵工程》
热 电 偶
第六章 发酵条件及过程控制
导线
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
温度显示仪表
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
《发酵工程》 罐压测量
第六章 发酵条件及过程控制
就地指示式： 压力表 信号远传式： 压力信号转换器
《发酵工程》
第六章 发酵条件及过程控制
发酵过程受到多因素又相互交叉的影响如菌本身 的遗传特性、物质运输、能量平衡、工程因素、环 境因素等等。因此发酵过程的控制具有不确定性和 复杂性。
为了全面的认识发酵过程，首先要告诉大家分析 发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子， 说明如何综合分析发酵过程及进行优化放大。
第六章 发酵条件及过程控制
代谢及工程参数层次研究： • 一般在小型反应器规模进行试验。在摇瓶试验的 基础上，考察溶氧、搅拌等摇瓶上无法考察的参数， 以及在反应器中微生物对各种营养成分的利用速率、 生长速率、产物合成速率及其它一些发酵过程参数 的变化，找出过程控制的最佳条件和方式。 • 由于罐发酵中全程参数的是连续的，所以得到的 代谢情况比较可信。