发酵条件及过程控制资料
发酵条件及工艺控制
发酵条件及工艺控制1. 引言发酵是一种常见的食品加工方法，通过微生物对食材中的碳水化合物进行分解和转化，产生有益的化学物质。
在食品加工中，发酵被广泛应用于面包、酸奶、啤酒等产品的制造过程中。
而发酵条件及工艺的控制对于确保食品质量和口感具有重要作用。
2. 发酵条件2.1 温度发酵过程中的温度是一个非常关键的因素，它会直接影响微生物的生长和代谢速率。
不同的食品发酵过程对温度的要求不同。
例如，面包制作中酵母需要在28°C至32°C的温度下才能发酵，而制作酸奶则需要在45°C至50°C的温度下发酵。
2.2 pH值pH值是另外一个重要的发酵条件。
微生物对于不同的pH值有不同的适应性，因此在食品发酵过程中需要控制pH值以促进好菌的生长和抑制有害菌的繁殖。
例如，酸奶发酵时，需要在4.0至4.5的酸性环境下进行，以促进益生菌的生长。
2.3 湿度湿度会影响发酵过程中的水分蒸发和微生物的生长繁殖。
过高的湿度会导致食品中水分过多，影响发酵的效果；而过低的湿度则会导致水分过少，微生物生长受到抑制。
因此，在发酵过程中需要根据不同食品的要求来控制湿度。
2.4 氧气含量有些发酵过程需要氧气的存在，而有些则需要无氧条件。
例如，啤酒发酵需要较高的氧气含量，因此需要通风设备进行氧气的供应；而乳酸菌发酵需要无氧条件，因此需要密封容器来避免氧气的进入。
3. 工艺控制3.1 菌种选择与活化发酵过程中的菌种选择是非常关键的，不同的菌种有不同的发酵效果和产物。
在选择菌种时需要考虑其耐受性、耐高温能力和产物品质等因素。
此外，菌种的活化也是一项重要的工艺控制措施，通过适当的温度和培养基，可以让菌种尽快进入活跃状态。
3.2 发酵时间控制发酵时间是控制发酵过程的重要参数之一。
不同的食品发酵过程需要不同的时间，过短或过长的发酵时间都会影响食品的质量和口感。
因此，在工艺控制中需要根据食品的特性和要求来准确控制发酵时间。
发酵过程控制(概述)
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。
二
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。
发挥菌种的最大生产潜力考虑之点
菌种本身的代谢特点 ： 生长速率、呼吸强 度、营养要求（酶系统）、代谢速率
菌代谢与环境的相关性： 温度、pH、渗透 压、离子强度、溶氧浓度、剪切力等
本节重点内容
根据发酵工艺，发酵分为哪几种类型？ 各自有何优缺点？
微生物代谢是一个复杂的系统，它的代谢呈网络 形式，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。
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，本章首先要告诉大家分 析发酵过程的基本方面，在此基础上再举一些例子，说
第一节 发酵过程工艺控制的 目的、研究的方法和层次
一 发酵过程的种类
分批培养
补料分批培养
半连续培养 连续培养
1、 分批发酵 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。
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。
发酵过程的控制
温度提高，合成四环素的比例也提高，温度到达 35 ℃
时，金霉素的合成几乎停顿，只产生四环素。
4、温度还影响基质溶解度
在发酵液中的溶解度也影响菌对某些基质的分解
吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。
五、最适温度的控制
1、根据菌种及生长阶段来选择 微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求
在发酵30h，一次性参加0.1%、0.2％、0.3％、0.4％的次黄嘌呤 对鸟苷产量的影响
第五节 菌体浓度与基质对发酵的影响
一、菌体浓度对发酵的影响 菌体浓度与菌体生长速率直接相关 菌体浓度的大小影响产物的得率 控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓
度
二、基质对发酵的影响及控制
1、碳源对发酵的影响及控制
容易实现自动控制 1、化学消泡机理 消泡剂外表张力低，使气泡膜局部的外表张力降低，
使得平衡受到破坏
2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类 〔1〕选用依据： ①外表活性剂 ②对气-液界面的散布系数必须足够大 ③无毒害性，且不影响发酵菌体； ④不干扰各种测量仪表的使用； ⑤在水中的溶解度较小 ⑥来源方便，本钱低
二、发酵热的测量及计算
发酵热的测定可采用以下几种方法：
①利用热交换原理，测量一定时间内冷却水的流量和冷 却水进出口温度，根据
Q发酵 = qvC〔t2 – t1〕/V；
qv为冷却水体积流量，L/h；C为水的比热容，kJ/kg ℃；V为发酵液体积，m3
②利用温度变化率：先使罐温恒定，再关闭自控装置，测量温度 随时间上升的速率，根据
异亮氨酸发酵
不同pH控制方式对目的突变株ISw330异亮氨酸摇 瓶发酵的影响，结果如下图。 “1〞表示只加CaC03 控制pH值，“2〞表示只加尿素控制，“3〞表示 CaC03和尿素联合控制pH值。
发酵过程控制
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2）发酵过程中pH的变化规律 ）发酵过程中 的变化规律
生长阶段： 相对于起始 相对于起始pH有上升或下降的 生长阶段：pH相对于起始 有上升或下降的 趋势 生产阶段：pH趋于稳定，维持在最适于产物合 趋于稳定， 生产阶段： 趋于稳定 成的范围 自溶阶段： 又上升 自溶阶段：pH又上升
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(一)温度对发酵的影响及其控制 一 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
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(1)发酵热 发酵热
发酵过程中所产生的热量，叫做发酵热 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
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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、 营养要求、 决定发酵 生物因素： 菌株特性 营养要求、生长速率、 呼吸强度、产物合成速率) 呼吸强度、产物合成速率 单位(水平 水平) 单位 水平 设备性能： 的因素 外部环境因素 设备性能：传递性能 物理： 工艺条件 物理：n、T、 化学：pH、DO、浓度 化学 浓度 过程控制的意义：最佳工艺条件的优选（ 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） 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。 控制。
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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， 通气条件较差情况下，最适发酵温度可能比正 常良好通气条件下低一些。 常良好通气条件下低一些。 培养基成分和浓度的影响
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4. 最适温度的选择与控制
发酵过程控制
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（2）细胞通透性的变更
细菌细胞膜通透性的增加是谷氨酸过量生产的原因之一。 能过量生产谷氨酸的细菌有两个共同特征：
① α-酮戊二酸脱氢酶缺失：表明这类细菌的TCA上的酶受 阻，保证了碳引向谷氨酸的合成歧路。 ② 对生物素的营养需求：表明这类细菌的生物素的生物合 成受阻，导致细胞膜通透性的改变，使细胞可以分泌出谷氨 酸。
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5. 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 ℃
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5. 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 常良好通气条件下低一些。 培养基成分和浓度的影响
原位活细胞在线检测仪
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二、代谢调控在发酵过程控制中的应用 1. 初级代谢物的生产调节
初级代谢物：指一类低分子量的终点产物及这些 终点产物的生物合成途径中的中间体。
调节方法：
(1) 避开固有的反馈调节 (2) 细胞通透性的变更
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（1）避开固有的反馈调节
反馈调节包括 ①反馈抑制：某一生物合成途径的最终代谢物抑制 该途径的第一或第二个酶的活性。 ②反馈阻遏：抑制酶的形成，是由途径终点产物或 其衍生物施行的。
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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
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。
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黄原胶的发酵生产，菌体生长的最适温度 为27℃，黄原胶的产生温度则在32℃ 谷氨酸产生菌生长30～34 ℃ ，产谷氨酸 36～37 ℃ 。
（2）根据培养条件选择
通气条件差时可适当降低温度，使菌体呼吸速率 降低些，溶氧浓度也可高些。
培养基稀薄时，温度也低些。因为温度高营养利
（1）温度升高，微生物的生长和代谢速 度会加快，发酵产物会提前生成。 但温度过高可能会造成酶的受热失活， 微生物菌体容易过早衰老和自溶，从而 缩短发酵周期，降低发酵产量。
（2）温度影响微生物的生物合成方向
金色链霉菌具有产生金霉素和四环素能力.
温度低于30℃时，合成金霉素能力较强；
温度提高，合成四环素的比例也提高，温度 达到35℃时，几乎只产生四环素。
用快，会使菌过早自溶。
（3）根据菌生长情况
菌生长快，维持在较高温度时间要短些，
菌生长慢，维持较高温度时间可长些。
培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那
么前期温度可髙些，以利于菌的生长。
总之，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条 件综合考虑。通过反复实践来定出最适温度。
第8章 发酵工艺控制
影响发酵过程的因素
菌体生产能力
温度 溶解氧浓度 泡沫
基质含量
pH 搅拌转速、搅拌功率 尾气中的氧气和二氧化碳
罐压力、料液流量、粘度、浊度、产物浓 度、氧化还原电位、菌丝形态
8.1 温度对发酵的影响及调节控制
温度对微生物生长的影响、对代谢产物合成的影响
8.1.1 温度对微生物生长的影响 （1）微生物对低温的适应能力强于对高温的适应能力
问题5
发酵热包括哪些热？ Q发酵= Q生物+ Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
8.1.4 最适温度的选择与发酵温度的控制
（1）根据菌种及生长阶段选择
微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同， 所要求的温度范围也不同。如： 黑曲霉生长温度为37 ℃ ， 谷氨酸棒状杆菌的生长温度为30～32 ℃ ， 青霉菌生长温度为30 ℃ 。
9.6 KJ转变为ATP+13 KJ生物热释放
转化为高能化合物的转化率分别为63.7％和42.6％
生物热的产生具有明显的阶段性，与呼吸作用强弱有关
发酵初期，菌体呼吸作用缓慢，产生热量较少。 菌体在对数期，繁殖迅速，呼吸作用强，产生的 热量多，温度上升快，必须注意控制温度。 发酵后期，菌体繁殖↓，主要靠菌体内的酶系进行 代谢作用，产生热量不多，温度变化不大。 如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢， 发酵不正常。 如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌。 培养基营养越丰富，生物热也越大。
发酵热（Q发酵）：发酵过程中产生的净热量。单位 kJ/(m3· h)。 包括生物热、搅拌热、蒸发热以及辐射热 。
发酵热引起发酵液的温度上升。
发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。
生物热（Q生物）
在发酵过程中，菌体不断将营养物质氧化分解，产生的能量， 一部分用于合成高能化合物如ATP，供细胞合成和代谢活动 一部分用于合成代谢产物 一部分以热的形式散发出来，这散发出来的热就叫生物热。
（2）微生物的生长阶段不同，温度对其影响不同，
不同的温度范围内，对微生物的影响也不相同。
a.在最适生长温度范围内，微生物的生长速度会随温 度升高而加快。
b.不同生长阶段的微生物对温度变化的反应也不一样
发酵的最适生长温度是什么 ？ ——微生物生长繁殖最快的温度
不同微生物的生长对温度的要求不同，据此， 将微生物大致可分为四类： 嗜冷菌：0～26℃； 嗜温菌：15～43 ℃ ； 嗜热菌：37～65 ℃ ；嗜高温菌：65 ℃以上
（3）温度影响多组分次级代谢产物的比例
在20℃发酵时黄曲霉所产生的黄曲霉毒素G1 与B1的比例为3:1，25℃时为1:2，30℃为1:1.
（4）温度影响微生物的代谢调控机制
（5）温度还影响基质溶解度、发酵液的物理性 质如黏度
因此对发酵过程中的温度要严格控制。
8.1.2 影响发酵温度的因素
发酵过程中，随着微生物对营养物质的利用、机 械搅拌的作用，将会产生一定的热量；同时由于发酵 罐壁的散热、水分的蒸发等将会带走部分热量。
蒸发热（Q蒸发）
通气时，空气进入发酵罐后就与发酵液进行广泛的接触， 除部分氧等被微生物利用外，大部分气体仍从发酵液中 逸出。通气还引起发酵液的水分蒸发，被空气和水分带 走的热量叫蒸发热。
辐射热（Q辐射）
发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过 罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。 冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5％
问题1
生物热来源于培养基中的什么物质？
在发酵的哪一阶段，微生物产生的 生物热最大？
问题2
生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸和厌氧发酵产生的热量对比
1mol葡萄糖彻底氧化成CO2和水
好氧：产生287.2 KJ热量，
183 KJ转变为ATP+104.2 KJ 生物热释放
厌氧：产生22.6KJ热量，
搅拌热（Q搅拌）
问题3
搅拌热是如何产生的？
对于机械搅拌通气式发酵罐，由于机 械搅拌带动培养液作相应的比较剧烈的运 动，造成液体之间、液体与搅拌器等设备 之间的摩擦，会产生相应的热量。
搅拌热与搅拌轴功率的关系： Q搅拌＝P×860×4186.8（焦耳/小时） P—搅拌轴功率 4186.8——机械能转变为热能的热功当量
﹠ 发酵前期由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量 的菌体，稍高的温度，使菌生长迅速； ﹠ 发酵中期菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要 延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低一些， 可以推迟衰老。 ﹠ 发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有 必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。
多数情况下，微生物的生长和发酵产物的合成所需要 的最适温度不一样
每种微生物对温度的要求可用最低温度、最 适温度、最高温度来表征。 在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速 度非常缓慢，世代时间无限延长。
在最适温度下，微生物的生长速率随温度升高 而增加，微生物生长迅速； 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；
8.1.1.2 温度对发酵过程的影响