发酵工程 第9章 发酵过程工艺控制
发酵工程-第九章发酵供氧
作为供氧指标与K d比较，用氧的传递速率rab表示更适宜。
举例：
谷氨酸发酵最适亚硫酸盐耗氧速率为1.0×l06_1.5×l0-6mol/(m L.min)，生物耗氧速率r应大于10×l07mol/(m L.min)。
长菌阶段，若供氧过量，在生物素限量的情况下，菌 体生长受到抑制，表现为耗糖慢，pH值偏高，且不易下降。
在发酵过程中，有时出现溶氧明显降低或明显升高的异常 变化，常见的是溶氧下降。
造成异常变化的原因有两方面：耗氧或供氧出现了异常或 发生了障碍。
从溶解氧浓度的变化，可以了解微生物生长代谢是否正常， 工艺控制是否合理，设备供氧能力是否充足，查出发酵不 正常的原因，控制好发酵生产。
引起溶氧异常下降的原因： ① 污染好气性杂菌。 ② 菌体代谢发生异常，需氧量增加，使溶氧下降。 ③ 设备或工艺控制发生故障或变化，
链霉素产生菌培养12ｈ的耗氧速率为４5mmol/(L.h)； 黑曲霉生长的最大耗氧速率为５０～５５ mmol/(L.h) ，
而产α淀粉酶时的最大耗氧速率为２０ mmol/(L.h) ； 谷氨酸生产菌在种子培养7ｈ的耗氧速率为13
mmol/(L.h) ，发酵１３ｈ的耗氧速率为50 mmol/(L.h) ，发酵１８ｈ的耗氧速率为 51mmol/(L.h) 。
由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧的溶解度又很低， 故必须采取强化供氧。
在发酵工业中，随着高产菌株的筛得，高浓度发酵、丰富培养 基的采用对通气和搅拌的要求更高。
在丰富培养基内，发酵旺盛期间，即使培养液完全被空气饱和， 它所贮存的氧也是很少的，只能维持菌正常呼吸１５～３０ｓ， 之后菌的呼吸就受到抑制。
第三类 亮氨酸、缬氨酸和
苯丙氨酸，仅在供氧受 限、细胞呼吸受抑制时， 才能获得最大量的氨基 酸，如果供氧充足，产 物形成反而受到抑制。
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。
第9章_发酵液预处理和固液分离
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板框过滤机动画
3）真空转鼓过滤机
主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒， 表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布,圆筒内沿 径向被筋板分隔成若干个空间。
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转筒真空过滤机动画
转筒真空过滤机
主要适用霉菌发酵液，对菌体 细小、黏度大铺助滤剂。
对于滤饼阻力较大的物料适应 能力较差。
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带式真空过滤机
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2）平抛式离心机
平抛式离心机一类结构简单的实验室常用的低 中速离心机，转速一般在 3000-6000rpm。
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３）管式离心机
• 管式离心机具有一 个细长而高速旋转 的转鼓，转鼓内装 有纵向平板，
• 其下部有进料口。 上部两侧有重液相 和轻液相出口。
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用于分离各种浮浊 液，进行液-液分离， 如油脂；
Al3+ >Fe3+ >H+ >Ca2+ >Mg2+ >K+ >Na+ >Li+
12
常用的凝聚剂电解质有：
硫酸铝 Al2(SO4)3•18H2O（明矾）； 氯化铝 AlCl3•6H2O; 三氯化铁 FeCl3; 硫酸亚铁 FeSO4· 7H2O ； 石灰；ZnSO4；MgCO3
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絮凝
flocculation
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2.杂蛋白去除-变性
加热
大幅度调节pH值 加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。
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3.杂蛋白去除- 吸附法
加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。
四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的 协同作用生成亚铁氰化锌钾K2Zn3[Fe(CN)5]2的 胶状沉淀来吸附蛋白质; 在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢 二钠形成沉淀物，该沉淀物不仅能吸附杂蛋白 和菌体等胶状悬浮物，加快了过滤速度。
食品发酵工程-9-10(酸乳生产技术)
乳酸的营养价值
与原料有关的营养价值 1. 极好生理价值的蛋白质 2. 更多易于吸收的钙质 3. 维生素
6
酸乳的营养价值（二）
酸乳所特有的营养价值 1. 减轻“乳糖不耐受症” 2. 调节人体肠道中的微生物菌群平衡 3. 降低胆固醇水平 4. 预防白内障的形成
7
凝固型酸乳加工技术
原料乳 净乳 标准化 配料 预热
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接种
接种是指在物料基液进入发酵的过程中，通过计量泵将 工作发酵剂连续地添加到物料基液中，或将工作发酵剂 直接加入物料中，搅拌混合均匀
接种量：最适接种量一般为2%～3%
接种方法
21
发酵剂
发酵剂（starter culture）：发酵剂是一种含有高浓 度乳酸菌的产品，能促进乳的酸化过程。其质量优劣 与酸乳质量关系密切，发酵剂制备是酸乳生产的关键 技术之一。其主要作用如下： 1. 分解乳糖产生乳酸 2. 分解风味物质如丁二醇、乙醛等使酸乳具有典型的风 味 3. 分解蛋白质和脂肪，使酸乳更容易消化吸收
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发酵剂的选择
滋气味和芳香味的产生：主要有乙醛、双乙酰、丙酮 和挥发酸等 1. 感官评定：主要有三角检验 2. 测定挥发酸 3. 测定乙醛
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发酵剂的选择
粘性物质的产生 酸乳发酵过程中产生微量的粘性物质，有助于改善酸乳的 组织状态和粘稠度，这对固形物含量低的酸乳尤为重要。 但一般情况下，产粘性菌株通常对酸乳的其他特性如酸 度、风味等有不良影响，其发酵产品风味都稍差些。因此 在选择这类菌株时，最好和其他菌株混合使用。
食品发酵工程 ——酸乳的生产
1
课程复习
种子培养异常包括3种情况
发酵异常常见的有5种情况
染菌隐患的检查常用4种方法
发酵工程与设备第九章、第一讲-发酵放大与设计
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于耗氧 量较大的微生物发酵不适宜。
机械搅拌通风发酵罐
（二） 罐体的尺寸比例
H----柱体高 (m) HL---液位高度（m） D----罐内径 (m) d----搅拌器直径 s----两搅拌器的间距 B----最下一组搅拌器距罐 底的距离 W----挡板宽度
H / D = 1.7 ～ 4 d / D = 1/2 ～ 1/3 W / D = 1/8 ～ 1/12 B / d = 0.8 ～1.0 (s/d)2 = 1.5 ～2.5 (s/d)3 = 1 ～2
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上
下
传
传
动
动
1）轴封
作用： 使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封； 防止泄漏和染菌
类型： 填料函 端面轴封
1 转轴 3 压紧螺栓 5 铜环
2 填料压盖 4 填料箱体 6 填料（石棉等）
填料函
构成 优点：结构简单、价格低
缺点： 易渗漏，寿命短 对轴磨损较重 摩擦功率消耗大
雷诺（Reynolds），英国，流型判别的依据 雷诺实验（1883年）表明，流动的几何尺寸（管内径d）、 流动的平均流速u及流体性质（密度ρ和粘度μ）对流型的变化 有很大影响。可以将这些影响因素综合成一个无因次的数群 作为流型的判据。
Re=d·u·ρ/μ
d—管内径； u—流动的平均流速 ρ—流体密度； μ—流体粘度
VL —— 发酵罐内发酵液量(m3) Qc —— 发酵液循环量(m3/s) d —— 环流管二内径(m)
—— 发酵液在环流管内流速(m/s)
2）压比、压差、环流量间的关系
发酵液的环流量与通风量之比称为气液比。
A = Qc / Q
发酵工程试题及答案
发酵工程试题及答案一、名称解释1、前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接彼微生物在生物合成过程中合成到产物物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。
2、发酵生长因子从广义上讲，凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子3、菌浓度的测定是衡量产生菌在整个培养过程中菌体量的变化，一般前期菌浓增长很快，中期菌浓基本恒定。
补料会引起菌浓的波动，这也是衡量补料量适合与否的一个参数。
4、搅拌热：在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。
搅拌热与搅拌轴功率有关5、分批培养：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。
6、接种量：接种量＝移入种子的体积/接种后培养液的体积7、比耗氧速度或呼吸强度单位时间内单位体积重量的细胞所消耗的氧气，mmol O2?g菌-1?h-18、次级代谢产物是指微生物在一定生长时期，以初级代谢产物为前体物质，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质过程，这一过程的产物，即为次级代谢产物。
9、实罐灭菌实罐灭菌（即分批灭菌）将配制好的培养基放入发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备加热至灭菌温度后维持一定时间，在冷却到接种温度，这一工艺过程称为实罐灭菌，也叫间歇灭菌。
10、种子扩大培养：指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终获得一定数量和质量的纯种过程。
这些纯种培养物称为种子。
11、初级代谢产物是指微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。
这一过程的产物即为初级代谢产物。
12、倒种：一部分种子来源于种子罐，一部分来源于发酵罐。
发酵工程第8章发酵过程控制
分解成NH3，pH上升，NH3利用后pH下降，当碳源不 足时氮源当碳源利用pH上升。 •生理酸碱性物质
被微生物利用后会导致环境pH下降（上升）的 物质称为生理酸性（碱性）物质。发酵工程第8章发酵过程控制
① 应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消 泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；
② 应该在低浓度时具有消泡活性； ③ 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； ④ 应该对微生物、人类和动物无毒性； ⑤ 应该对产物的提取不产生影响； ⑥ 不会在使用、运输中引起任何危害； 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。
泡沫的多少与搅拌、通风、培养基性质有关。 蛋白质原料如蛋白胨、玉米浆、黄豆粉、酵母粉等是主要 的发泡剂。 糊精含量多也引起泡沫的形成。 当发酵感染杂菌和噬菌体时，泡沫异常多。
发酵工程第8章发酵过程控制
少量泡沫的作用：
一定数量的泡沫是正常现象，可以增加气液接触面积，导 致氧传递速率增加；
大量的泡沫引起许多负作用：
• 培养基原料性质： 蛋白胨、玉米浆、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉等蛋白质
原料是主要发泡物质； • 培养基灭菌方法：
温度过高，形成蛋白黑色素，泡沫增多； • 细胞代谢活动：
初期，高粘度、低张力，泡多；中期，粘度降、张力升， 泡少；后期，自溶，泡上升。
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵过程泡沫的变化
发酵工程第8章发酵过程控制
发酵工程第8章发酵过程控制
2）影响原生质体膜的电荷 pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而
改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收 及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
《发酵工程》理论课教学大纲(供四年制本科生物工程专业使用)
《发酵工程》理论教学大纲(供四年制本科生物工程专业使用)I 前言发酵工程是生物学各专业本科生的专业课。
通过学习在工、农、医等方面的应用及发酵工艺的控制、发酵产物的提取、生产设备的结构，了解该学科的发展前沿、热点和问题，使学生牢固掌握发酵工程的基本理论和基础知识，为学生今后的学习及工作实践打下宽厚的基础。
本大纲适用于四年制本科生物工程专业使用。
现将大纲使用中有关问题说明如下：一为了使教师和学生更好地掌握教材，大纲每一章节均由教学目的、教学要求和教学内容三部分组成。
教学目的注明教学目标，教学要求分掌握、熟悉和了解三个级别，教学内容与教学要求级别对应，并统一标示（核心内容即知识点以下划实线，重点内容以下划虚线，一般内容不标示）便于学生重点学习。
二教师在保证大纲核心内容的前提下，可根据不同教学手段，讲授重点内容和介绍一般内容。
三总教学参考学时数：40学时，其中理论课36学时，实验课（参观）4学时。
理论与实验学时之比为9:1。
四教材：《微生物工程》，科学出版社出版，曹军卫主编，第二版，2007年3月。
Ⅱ正文第1章微生物工程概论一教学目的学习微生物工程的发展简史及其应用，发酵的一般过程。
二教学要求（一）了解微生物工程的发展简史。
（二）熟悉微生物工程的应用。
（三）掌握发酵的一般过程三教学内容（一）微生物工程的发展简史。
（二）微生物工程的应用（三）发酵的一般过程第2章生产菌种的来源一教学目的学习生产菌种的来源、分离方法。
二教学要求（一）掌握生产菌种的分离方法。
（二）掌握抗生素产生菌的分离。
（三）掌握氨基酸产生菌的分离。
三教学内容（一）生物物质产生菌的筛选过程。
（二）菌种的分离。
第3章微生物的代谢调节与代谢工程一教学目的通过本章的学习，学习初级代谢与次级代谢的概念、特点及二者的关系；微生物代谢的类型及关系；微生物代谢自我调节的方法及代谢调控方法；代谢工程的定义及方法。
二教学要求（一）了解微生物的代谢类型及关系。
（二）掌握初级代谢与次级代谢的概念、特点及二者的关系。
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➢ 不同微生物有其最适的生长温度范围。
➢ 同一种微生物，由于培养条件不同，其最适 的温度也有所不同。
➢ 处于不同生长阶段的微生物对温度的反应不同： 处于停滞期的微生物对温度等环境十分敏感； 在最适温度范围内可缩短细胞的延滞期。
二、温度对发酵代谢产物的影响
1.影升高响温发度酵会加动快力反学应，特同征时使细胞提早老化，影响最终产量。 2.改温变度变菌化体使代合成谢的产产物物发的生合改成变；方对向多组分比例产生影响。 3.影如响温微度影生响物反的馈抑代制谢作调用的节强机度制。 4.影通过响影发响酵其他液发的酵理参数化间性接质影响发酵进程。 5.影针响对细产胞物生的长和生产物物合合成成的最适温度不一致的情况。
如：糖类（产有机酸），脂肪（产脂肪酸）
发酵过程中pH的变化因素
1.引起发酵液pH下降的因素 ①培养基碳氮比不当，碳源过多会使有机酸大量积累 ②消泡剂（油）加量过多 ③生理酸性物质的存在，如氨的利用pH下降
2.引起发酵液pH上升的因素 ①培养基碳氮比不当，氮源过多氨基氮释放使pH上升 ②生理碱性物质存在 ③补料时氨水等碱性物质加量过多
✓培养基组成 ✓氧的需求 ➢温度 ➢pH ➢泡沫 ➢补料 ➢CO2和呼吸商
第1节 温度对发酵的影响及控制
微生物生化反应与温度有着密切的关ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
一、温度对微生物细胞生长的影响
大多数微生物的适宜生长温度在20~40oC的范围。 在最适温度范围内，微生物的生长速率可达到最大。 生产菌在最适温度范围以下培养时，生长代谢慢； 当温度超过最适生长温度时生长速率随温度增加而 迅速下降。
能力，以维持最适的pH环境。
发酵过程中pH的变化
外界环境发生较大变化时，pH会不断波动。 生理碱性物质：经微生物代谢后，导致pH上升 （碱性物质生成或酸性物质消耗）的物质。 如：有机氮源，硝酸盐，有机酸 （产NH3、OH-） 生理酸性物质：经微生物代谢后，导致pH下降 （酸性物质生成或碱性物质消耗）的物质。
三、发酵过程中pH的调节与控制
最适pH的选择和调节的原则： – 既有利于菌体的生长繁殖，又可最大限度 的获得高产。 – 根据不同微生物的特性，在发酵过程中随 时检查pH 值的变化，选用适当的方法进行调节。
X
生长
合 成
pH
pH的控制
在发酵过程中，发酵液的pH随着微生物活动而不断变化， 为提供菌体适宜的生长或产物积累的pH值，需要对发酵生 产过程各阶段的pH值实施监控。
第二篇 发酵工程机理与过程控制
第九章 发酵过程工艺控制
第一节 温度对发酵的影响及控制 第二节 pH对发酵的影响及控制 第三节 泡沫对发酵的影响及控制 第四节 CO2浓度和呼吸商 第五节 流加补料的控制
发酵研究的内容：
1.菌种的来源——找到一个好的菌种
2.发酵过程的工艺控制——最大限度发挥菌种的潜力
选育耐高温菌的意义：
发酵过程所采用的微生物菌种若能在较 高的温度下生长繁殖，既可减少杂菌污 染的机会又可减少夏季培养所需的降温 辅助设备，对生产非常有利。
第2节 pH对发酵的影响及控制
pH是微生物代谢活动的综合指标， 是重要的发酵参数。
一、pH对发酵过程的影响
每一类微生物都有最适的和能耐受的pH范围。 由于菌种自身的特性以及产物的化学性质的关系， 微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH往往不 一样。
生长最适pH和产物形成最适pH的相互关系：
a. 两者相同，范围都宽；容易控制。 b. 两者相同，范围一宽一窄；必须严格控制。
c. 两者相同，范围都窄；必须严格控制。 d. 两者不同，范围都窄；分别严格控制。
pH对发酵的影响主要有： 1）影响微生物的生长繁殖（酶的活性） 2）影响细胞膜带电荷状态，改变膜的通透性 3）影响培养基中某些组分的解离和吸收 4）影响代谢产物形成的数量和代谢途径方向 5）影响产物的稳定性
（4）pH值不同有时会引起代谢过程改变，使 代谢产物的质量和比例发生变化。
pH影响代谢产物形成的数量和代谢途径方向
如 1)黑曲霉:在pH 2-3时发酵产生柠檬酸， 在pH近中性时，则产生草酸。
2)谷氨酸发酵:在中性和微碱性条件下积累谷 氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰 谷氨酰胺。
3)酵母在酸性条件下产生乙醇，而在碱性条件 下发酵产物是甘油。
2.发酵热的测定和计算
1. 通过冷却水带走的热量进行计算； 2.通过发酵液的温度升高进行计算； 3.通过生物合成热进行计算。
四、最适温度的控制
最适发酵温度包含两方面信息：
既适合菌体生长、又适合代谢产物合成 1.有时最适生长温度与最适生产温度不 一致，需要在培养的不同阶段动态调整。 2.接种初期发酵温度会下降，需要及时 保温；待菌种进入指数生长期与主发酵 阶段时发酵产热，温度上升；发酵后期 温度又出现下降趋势，直至发酵结束。
控制一定的pH，不仅是保证微生物生长的主 要条件之一，而且是防止杂菌感染的一个措施。
二、发酵过程中pH的变化及影响因素
培养基中营养物质代谢是引起pH变化的主要因素。 随发酵进行，碳源、氮源等被利用，有机酸等产物 开始积累，会使pH产生一定的变化。 pH变化幅度取决于
所用菌种、培养基的成分和培养条件。 代谢过程中，菌自身具有一定的调整周围pH的
（1）pH影响酶的活性。当pH值抑制菌体某些 酶的活性时使菌的新陈代谢受阻； （2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变， 从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物 质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢 的进行；
（3）pH值影响培养基某些营养成分和中间代谢 物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用。
三、发酵热及其计算和测定
1.发酵热 发酵过程产生的热量。
包括： ➢ 生物热：微生物生长繁殖过程中的产热 ➢ 搅拌热：机械搅拌造成的摩擦热 ➢ 蒸发热：被通气和蒸发水分带走的热量 ➢ 辐射热：发酵罐罐体向外辐射的热量 Q发酵= Q生物+ Q搅拌- Q蒸发-Q辐射
发酵热随时间而变化，尤其是生物热，具有很 强的时间性，处于旺盛的对数生长期产生的生 物热最大。 因此，发酵过程要维持一定的发酵温度，必须 采取保温措施，在夹套内通入蒸汽或冷却水控 制温度。