发酵优化的一般原理
发酵工艺原理
发酵工艺原理发酵工艺是一种利用微生物或酶在适宜条件下进行生物转化的技术。
它在食品加工、酿酒、制药等领域有着广泛的应用。
发酵工艺的原理包括微生物的生长、代谢过程以及发酵过程中的环境条件等多个方面。
下面将详细介绍发酵工艺的原理。
首先，发酵工艺的原理之一是微生物的生长和代谢过程。
微生物在适宜的温度、pH值、营养物质等条件下，可以进行生长和代谢活动。
在生长过程中，微生物会吸收外界的营养物质，并释放代谢产物。
这些代谢产物包括酒精、有机酸、气体等，它们在发酵过程中起着重要的作用。
其次，发酵工艺的原理还涉及到发酵过程中的环境条件。
温度、pH值、氧气、营养物质等因素都会影响微生物的生长和代谢活动。
不同的微生物对环境条件有着不同的要求，因此在实际的发酵过程中需要根据具体的微生物种类和发酵产品的要求来控制这些环境条件。
另外，发酵工艺的原理还包括了酶的作用。
酶是生物体内的一种催化剂，可以加速生物化学反应的进行。
在发酵过程中，酶可以促进底物的转化，提高反应速率，从而加快发酵过程。
总的来说，发酵工艺的原理是一个复杂的系统工程，涉及到微生物学、生物化学、工程学等多个学科的知识。
只有深入理解发酵工艺的原理，才能更好地控制发酵过程，提高产品的质量和产量。
在实际的生产中，发酵工艺的原理需要与现代科学技术相结合，通过对微生物的筛选改良、发酵工艺的优化设计等手段，不断提高发酵产品的质量和经济效益。
同时，还需要加强对发酵工艺原理的研究，探索新的发酵工艺，为相关产业的发展做出更大的贡献。
综上所述，发酵工艺的原理涉及到微生物的生长和代谢过程、发酵过程中的环境条件以及酶的作用等多个方面。
只有深入理解和掌握发酵工艺的原理，才能更好地应用于实际生产中，为相关产业的发展和进步提供有力支持。
发酵反应的条件有哪些原理
发酵反应的条件有哪些原理发酵反应是一种生物化学过程，通过此过程可将有机物转化为其他化合物并释放出能量。
发酵反应的条件是多样的，涉及到温度、pH值、底物浓度、氧气浓度等因素。
下面将详细介绍发酵反应条件的原理。
1. 温度：温度是影响发酵反应速率的重要因素。
适宜的温度能提供合适的活性中心结构，使酶催化反应达到最佳状态，从而促进发酵反应的进行。
一般来说，发酵反应的最适温度范围是20-40摄氏度。
当温度过低时，酶活性下降，反应速率减慢；当温度过高时，酶可能被破坏，反应速率也会减慢甚至停止。
2. pH值：pH值是指溶液的酸碱程度，对发酵反应有重要影响。
不同的发酵过程对pH值的要求不同。
一般来说，酵母发酵偏好于微酸性环境，pH范围在4.0-5.5之间；乳酸菌发酵则偏好于微酸性条件，pH范围在5.5-6.5之间。
适宜的pH值能维持酶的活性和稳定性，促进发酵过程的进行。
3. 底物浓度：底物浓度是指反应物在发酵反应中的浓度。
底物浓度的增加可以提高反应速率，但在一定范围内。
当底物浓度过低时，酵母或细菌无法获取足够的底物来代谢和生长；而底物浓度过高时，可能会引发产物抑制或底物抑制。
因此，优化底物浓度可促进发酵反应的进行。
4. 氧气浓度：氧气在发酵过程中具有重要作用。
适当的氧气供应可以促进酵母和细菌的代谢和生长，提高发酵效率。
但是，在某些发酵过程中，过高的氧气浓度可能抑制发酵反应的进行，因为氧气可能会氧化发酵产物，降低产品收率。
因此，氧气供应在发酵过程中需要适度控制。
除了以上几个条件外，发酵反应还受到其他因素的影响，如搅拌速度、压力、微生物活性等。
1. 搅拌速度：搅拌速度影响了液体中底物、产物、氧气的均匀分布和传质速率。
适当的搅拌速度可以提高反应物质的量传递效率，促进发酵反应的进行。
2. 压力：在某些发酵过程中，高压可以提供有利的环境条件，使微生物能够更好地进行代谢和生长。
但在其他发酵过程中，高压可能对生物产物、酵母或细菌产生不利影响，甚至导致酶失活或细胞死亡。
实验二 生产菌株发酵条件的优化 - 副本
实验二生产菌株发酵条件的优化实验时间：10.23 10.25 实验班级：生物1601B 实验组号： 6实验报告人：同组成员：刘文白李仕清1、实验目的（1）了解发酵条件对产物形成的影响，用单因子试验找出筛选所得菌株的最佳发酵条件。
（2）掌握发酵培养基的配制原则，熟悉用正交试验优化发酵培养基的方法。
2、实验原理发酵条件对产物的形成有着非常重要的影响，其中培养基pH、培养温度和通气状况是三类最主要的发酵条件。
培养基pH 一般指灭菌前的pH，可通过酸碱调节来控制，由于发酵过程中pH会不断改变，所以最好用缓冲溶液来调节；通气状况可用培养基装量和摇床转速来衡量，另外，瓶口布的厚薄也会影响到氧气的传递，为了防止杂菌污染，瓶口布以8层纱布为好。
发酵培养基是指大生产时所用的培养基，由于发酵产物中一般含有较高比例的碳元素，因此培养基中的碳源含量也应该比种子培养基中高，如果产物的含氮量高，还应增加培养基中的氮源比例。
但必须注意培养基的渗透压，如果渗透压太高，又会反过来抑制微生物的生长，在这种情况下可考虑用流加的方法逐步加入碳氮源。
培养基组分对发酵起着关键性的影响作用。
工业发酵培养基与菌种筛选时所用的培养基不同，一般以经济节约为主要原则，因此常用廉价的农副产品为原料。
选择碳源时常用山芋粉、麸支、玉米粉等代替淀粉。
而用豆饼粉、黄豆粉等作为氮源。
此外，还应考虑所选原料不至于影响下游的分离提取工作。
由于这些天然原料的组分复杂，不同批次的原料成分各不相同，在进行发酵前必须进行培养基的优化试验。
发酵培养基中的原料多是大分子物质，微生物一般不能直接吸收，必须通过胞外酶的作用后才能被利用，所以是一些“迟效性”营养物质。
而微生物分泌的胞外酶有不少是诱导酶，为了使发酵起始阶段微生物能快速繁殖，可适当在培养基中添加一些速效营养物。
3、实验材料（1）菌种筛选得到的高产α-淀粉酶的枯草芽孢杆菌（2）培养基①种子培养基肉汤培养基：牛肉膏0.5g，蛋白胨1g，NaCl 0.5g，蒸馏水100mL，pH7.2～7.4，121℃灭菌20Min。
发酵工艺的原理和应用
发酵工艺的原理和应用原理发酵工艺是一种利用微生物（如细菌、酵母菌、曲霉菌等）进行代谢反应的技术。
它是通过调控菌种的生长环境，使菌种在适宜的温度、酸碱度、营养物质等条件下进行生长繁殖，并产生所需要的物质。
发酵工艺的原理主要包括以下几个方面：1.菌种的选择：菌种的选择是发酵工艺成功的关键。
根据发酵的目的和所需的产物，选择适当的菌种。
不同的菌种适应性不同，因此在发酵过程中需要提供合适的生长环境，如温度、pH值、氧气供应等。
2.发酵基质的提供：发酵基质是微生物生长和代谢所必需的营养物质。
一般包括碳源、氮源、无机盐和辅助因子等。
通过合理配置发酵基质的组成和比例，可以促进菌种的生长和产物的产生。
3.生物反应器的设计与控制：生物反应器是发酵工艺的核心设备，用于提供合适的环境条件和促进菌种生长。
其设计需要考虑到菌种的特性、反应速率、发酵产物的收集等因素。
通过控制温度、压力、搅拌速度等操作变量，可以实现对发酵过程的精确控制。
4.产品的提取、纯化和应用：发酵工艺最终的目的是获得所需的产物。
在发酵过程结束后，需要对发酵液进行提取和纯化，以获得高纯度的产物。
然后，这些产物可以被应用于食品、制药、化工等行业。
应用发酵工艺在各个领域都有广泛的应用。
以下列举了一些典型的应用领域：1.食品工业：发酵工艺在食品工业中被广泛应用，用于制作酸奶、啤酒、面包、酱油等食品。
通过控制发酵条件和菌种的选择，可以调节食品的口味、质地和营养价值。
2.制药工业：发酵工艺在制药工业中被用于生产抗生素、激素、酶、疫苗等药物。
通过发酵工艺可以大规模生产高纯度的药物，并提高药物的效力和稳定性。
3.环境工程：发酵工艺可以应用于环境工程中，例如污水处理、固体废弃物处理等。
通过菌种的作用，可以降解有机物和去除有毒物质，从而实现环境的净化和资源的回收利用。
4.能源工业：发酵工艺可以用于生产生物燃料，如生物乙醇、生物气体等。
这种可再生能源具有循环利用和环境友好的特点，对替代传统石油能源具有重要意义。
发酵过程优化与控制(原理部分)
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大型发酵罐 搅拌装置
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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
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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
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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
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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
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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
发酵过程优化与放大概论
优化发酵过程可以提高生产效率、降 低成本，为企业带来经济效益。
可持续发展的推动力
发酵过程具有低能耗、低排放、高效 率等优势，是实现可持续发展的重要 手段。
发酵过程优化的目标
提高产物浓度
通过优化发酵条件，提高目标产物的浓度，从而提高产品的质量和产 量。
降低成本
通过优化发酵过程，降低原料、能源和水的消耗，从而降低生产成本。
挑战
放大过程中可能面临生物反应器设计、 流动特性、传质和传热等方面的挑战， 需要解决放大效应带来的问题。
放大策略与方法
策略
采用适 效应的影响。
方法
采用先进的生物反应器技术，如循环 流化床生物反应器、固定床生物反应 器等，以提高生产效率。
放大过程中的参数控制
产物生成速率与微生物 生长速率和产物浓度有 关，通过控制发酵条件 可以调节产物生成速率。
底物消耗速率
底物消耗速率影响发酵 过程的效率和产物产量， 通过优化底物供给策略 可以降低底物消耗速率。
发酵过程中的参数控制
温度控制
01
温度对微生物生长和代谢有重要影响，通过调节温度可以优化
发酵过程。
pH控制
02
缩短发酵周期
通过优化发酵条件，缩短发酵周期，提高生产效率。
提高菌体生长和产物合成的稳定性
通过优化发酵条件，提高菌体生长和产物合成的稳定性，减少生产波 动。
02
发酵过程的基本原理
微生物的生长和代谢
1 2
微生物生长阶段
微生物在发酵过程中经历适应期、对数生长期、 稳定期和衰亡期，每个阶段微生物的生理状态和 代谢产物有所不同。
微生物代谢途径
微生物通过代谢途径将底物转化为所需的产物， 了解代谢途径有助于优化发酵过程。
发酵技术的原理及应用
发酵技术的原理及应用1. 发酵技术的基本原理发酵技术是一种利用微生物在一定条件下进行代谢的过程，通过微生物的代谢活动，将有机物转化为其他产物的过程。
其基本原理包括以下几个方面：a)代谢途径：发酵过程中微生物通过不同的代谢途径将底物转化为产物。
常见的代谢途径包括糖代谢、脂肪代谢和蛋白质代谢等。
b)生物催化：微生物是发酵过程的关键催化剂。
微生物通过酶的作用，加速反应速率，降低反应能量。
c)条件控制：发酵过程中的条件对于产物的形成和微生物的生长起着至关重要的作用。
常见的控制因素包括温度、pH值、氧气浓度和营养物质等。
2. 发酵技术的应用发酵技术在生物工程、食品工业、制药工业等领域有广泛的应用，以下是其中的几个重要应用领域：a) 食品工业发酵技术在食品工业中被广泛应用于食品的加工和保鲜过程中。
例如，酵母菌发酵面团时产生二氧化碳可以使面团膨胀，从而制成松软的面包。
另外，发酵还可以生成一些食品添加剂，例如酸奶中的乳酸菌。
b) 制药工业在制药工业中，发酵技术被用于生产抗生素、维生素和其他药物。
通过发酵过程，微生物可以产生有效的药物代谢产物。
例如，青霉素就是通过青霉菌发酵得到的。
c) 生物燃料生产发酵技术被应用于生物燃料的生产过程中。
例如，利用微生物可以将废弃的植物物质转化为生物柴油或乙醇。
这种发酵生产的燃料相比传统燃料更环保可持续。
d) 环境修复发酵技术还可以用于环境修复过程中。
通过利用微生物的代谢能力，可以降解有毒物质，减少对环境的污染。
例如，通过发酵作用可以将有机废料转化为有机肥料，实现对土壤的修复。
3. 发酵技术的优势发酵技术具有以下几个优势：a)原料丰富：发酵技术可以利用废弃物或廉价的有机物作为原料，减少资源的浪费。
b)产品多样性：通过调节不同的发酵条件，可以生产出多种不同的产物，满足不同的需求。
c)能源可持续：发酵技术可以利用可再生的能源作为发酵过程的动力，降低对非可再生能源的依赖。
d)环境友好：发酵技术相对于传统的化学合成工艺，减少了化学物质的使用和废弃物的产生，对环境更友好。
发酵过程优化与控制PPT课件
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3
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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4
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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1
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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2
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。
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动力学 原理 统计学 原理
程力等.生物工程学报. 2007, 23: 497-501. 程力. 吸水链霉菌产谷氨酰胺转氨酶的发酵条件优化[D]. [硕士学位论文]. 无锡：江南大学生物工程学院, 2007.
酶工程——实例
谷氨酰胺转胺酶的生理功能
Pro-TGase TGase 抑制 催化 丝氨酸蛋白酶 金属蛋白酶 TAPI (SSI蛋白)
X X
PT (B6)
Alanine
Ethanol
X
OAA
OAA
Citrate α-KG
B1： 硫胺素 NA： 烟酸 ： Bio：生物素 ： B6： 吡哆醛
辅因子调控 代谢网络
一.发酵过程的微生物学原理
• 酶的调控（乳糖操纵子）
实例
谷氨酰胺转胺酶的活化机制
Serine Protease Metalloprotease Inhibition Protease-inhibitor complexs
A-因子 A-
链霉菌分化
胱胺抑制Streptomcys hygroscopicus分化。
酶工程——实例
基于生理功能通过发酵策略提高酶的产量
补加蛋白类氮源 流加碳源
菌体量提高80%，产酶提高108%。
二、发酵过程的动力学原理
• 微生物生长动力学 • 产物形成动力学 • 底物消耗动力学
T，pH, DO, RPM
Inhibitor (TAPI)
TAP TAPI TAPI–TAP 复合物
Secretion
folding Pre-Pro-TGase Pro-TGase
activation TGase
+
TAPI具有表面活性
Pro-region
Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2008, 56 (9): 3403–3408.
二、发酵过程的动力学原理
• 分阶段控ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ • 流加发酵
本质上讲是对发酵过程的动态控制。
三、发酵过程的统计学原理
• 单因素实验 • 正交试验 • 响应面分析
对于没有精确模型 的情况。
四、发酵过程优化的一般原则
代谢调控、 辅因子调控、 胁迫 流加发酵、 分阶段控制 培养基优化、 发酵条件优化
微生 物学原理
第二章
发酵优化的一般原理
一.发酵过程的微生物学原理 二.发酵过程的动力学原理 三.发酵过程的概率统计原理 四.发酵过程优化的一般原则
一.发酵过程的微生物学原理
• 代谢机制 • 辅因子调控机制
PC (Bio)
Glucose
X
PDC (B1) Pyruvate Acetaldehyde Pyruvate PDH (B , NA) AcCoA 1
Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2008, 56(21):10261-10264.
酶工程——实例
根据活化机制制定发酵策略提高酶的产量
根据这一TGase活化模型：在发酵过程的产酶初期，
*添加10 mg/mL的CTAB，使发酵过程酶活提高21.8 %； *添加1000 U/mL的胰蛋白酶，使发酵过程酶活提高31.2 %。