第二章发酵过程的工艺控制1
发酵工艺控制实验报告
发酵工艺控制实验报告
实验目的
1. 了解发酵工艺在食品生产中的重要性；
2. 掌握发酵过程的控制方法；
3. 分析不同控制变量对发酵过程的影响；
4. 通过实验数据分析，提出合理的控制策略。
实验器材和药品
1. 发酵罐
2. 控制系统
3. 发酵液样品
4. 酵母菌
5. 葡萄糖
实验原理
发酵是一种生物过程，利用微生物的代谢活动将底物转化为更有用的产物，例如酒精、醋酸和乳酸等。
发酵过程需要控制多个变量，包括温度、pH值、反应物浓度和搅拌速度等。
合理地控制这些变量可以提高发酵效率和产物质量。
实验步骤
1. 准备工作：清洁发酵罐和控制系统，确保无杂质。
2. 酵母培养：将酵母菌接种到适当的培养基中，培养至活跃状态。
3. 发酵液配置：将适量的。
发酵工艺(1)
《发酵工程与工艺学》1 绪论一、发酵的定义1、传统发酵最初发酵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。
2、生化和生理学意义的发酵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，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。
3、工业上的发酵泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程，包括：1.厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。
2.通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。
产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等二、发酵的原理：利用微生物的特点：(1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。
(2)有极强的消化能力。
(3)有极强的繁殖能力。
三、发酵工程的组成上游工程：(1)对菌种加以改造，提高生产能力或者导入外源基因等以获得工程菌；(2)发酵或生物转化，是通过优化发酵条件如温度、营养、供气量等。
利用工程菌的生物合成，加工和修饰等以获得目的产物；发酵工程下游工程：是运用生物化学、物理学方法分离、纯化产品，最终将产品推向市场并获得社会或经济效益。
五、发酵工程研究内容主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。
(1) 有严格的无菌生长环境：包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。
(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。
(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。
发酵工程的发展历史发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物生物技术的发展基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四大工程第二章菌种选育第一节微生物的特性及工业微生物的要求一、微生物的特性：1、有些微生物能在厌氧的条件下生长；2、有些微生物能够利用简单的有机物和无机物满足自身的生长；3、有些微生物能进行复杂的代谢；4、有些微生物能利用较复杂的化合物；5、有些微生物能在极端的环境下生长。
发酵工程复习题1
第一篇微生物工业菌种与培养基一、选择题2．实验室常用的培养细菌的培养基是（）A 牛肉膏蛋白胨培养基B 马铃薯培养基C 高氏一号培养基D 麦芽汁培养基3．在实验中我们所用到的淀粉水解培养基是一种（）培养基A 基础培养基B 加富培养基C 选择培养基D 鉴别培养基7．实验室常用的培养放线菌的培养基是（）A 牛肉膏蛋白胨培养基B 马铃薯培养基C 高氏一号培养基D 麦芽汁培养基8．酵母菌适宜的生长pH值为（）A 5.0-6.0B 3.0-4.0C 8.0-9.0D 7.0-7.59．细菌适宜的生长pH值为（）A 5.0-6.0B 3.0-4.0C 8.0-9.0D 7.0-7.510.培养下列哪种微生物可以得到淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、多肽类抗生素、氨基酸、维生素及丁二醇等产品。
A 枯草芽孢杆菌B 醋酸杆菌C 链霉素D 假丝酵母二、是非题1.根据透明圈的大小可以初步判断菌株利用底物的能力( )2.凡是影响微生物生长速率的营养成分均称为生长限制性基质。
（）3.在最适生长温度下，微生物生长繁殖速度最快，因此生产单细胞蛋白的发酵温度应选择最适生长温度。
（）4.液体石蜡覆盖保藏菌种中的液体石蜡的作用是提供碳源( ).5.种子的扩大培养时种子罐的级数主要取决于菌种的性质、菌体的生长速度、产物品种、生产规模等（）6.碳源对配制任何微生物的培养基都是必不可少的．（）7.亚硝基胍能使细胞发生一次或多次突变,尤其适合于诱发营养缺陷型突变株,有”超诱变剂”之称.9.参与淀粉酶法水解的酶包括淀粉酶、麦芽糖酶和纤维素酶等。
（）三、填空题1.菌种扩大培养的目的是提高菌种使用率，降低生产成本。
2.进行紫外线诱变时,要求菌悬液浓度:细菌约为 106个／ml,放线菌为 ,霉菌和酵母为 106～107个／ml. 紫外线(波长240-250nm)的作用机制主要是形成胸腺嘧啶二聚体以改变DNA生物活性，造成菌体死亡和变异。
3.培养基应具备微生物生长所需要的六大营养要素是_ 碳源___、__氮源_、__能源__、__水___、__无机盐 __和____生长因子 ___。
微生物工程课程教学大纲
微生物工程课程教学大纲课程名称：微生物工程（Microbiology Engineering)课程编码:1313073214课程类别：专业课总学时数:60课内实验时数:24学分:2.5开课单位：生命科学学院生物技术教研室适用专业：生物技术适用对象:本科(四年）一、课程的性质、类型、目的和任务微生物工程又称发酵工程，是生物技术专业的专业必修课。
发酵工程是一门综合性很强的课程，涉及到数学、化学、生物学、生物化学、微生物学、物理化学、有机化学、化工原理等多个学科,基础理论性和实践性均很强，同时要求基础理论和生产实践密切结合.在课程讲授过程中，将要按照微生物发酵生产的全过程阐明各个阶段、各种产品生产的原理和技术，讲解理论知识的同时，又重点突出生产的工艺操作和控制技术等实际问题。
因此，该课程需要在理论教学的同时，配合实验的实践环节，也要求学生建立实际生产的概念，在实践中巩固本课程的教学效果，学生利用实验、参观、实习、社会实践等机会，培养分析问题和解决问题的能力。
学生通过该课程的学习将会缩短理论与生产实践的距离,建立用理论知识分析和解决生产实际问题的概念和能力,动手能力也将有所提高。
二、本课程与其它课程的联系与分工本课程与微生物学、生物化学、高等数学、物理化学、化工原理、有机化学等课程有联系,宜在前述课程开设后开设。
三、教学内容及教学基本要求［1]表示“了解”；[2］表示“理解”或“熟悉”；［3］表示“掌握”;△表示自学内容；○表示略讲内容;第一章绪论发酵工程定义［1］;发酵工程的发展史［1];发酵工程的特点［3];发酵工程的分类及应用[2]；发酵工程与现代生物技术的关系[1］;国内外发酵工业概况及其发展趋势［1]；重点：发酵工程的特点难点:发酵工程与现代生物技术的关系教学手段:多媒体教学教学方法：讨论与讲授结合法作业：1．发酵工程的传统概念与现代意义上的概念各指什么?2．发酵工程与传统酿造、化学工程相比有什么特点？课外活动:查阅一种发酵产品的发展现状及与世界先进水平的差距。
发酵工艺重点
第一章绪论发酵的定义：通过微生物的生长和代谢活动，产生和积累人们所需代谢产物的一切微生物培养过程。
发酵工程：是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系。
微生物发酵产品分为（按发酵类型）：微生物菌体细胞、酶制剂和酶调节剂、微生物代谢产物（包括初级代谢产物和次级代谢产物）以及微生物转化、工程菌发酵产物等。
发酵培养方法：表面培养发酵法和深层培养发酵法。
液体深层培养法的基本工艺过程：菌种选育、孢子制备、种子制备、发酵培养、发酵液预处理、提取精制、成品检验、成品包装。
第二章菌种选育工业发酵三个技术领域：菌种选育、发酵工艺（上游工程）和分离提取工艺（下游工程）。
菌种选育在发酵生产上的目的：提高发酵产量、改进菌种性能、产生新的发酵产物、去除多余的组分。
微生物突变的修复：光修复、切补修复、重组修复、ＳＯＳ修复系统、ＤＮＡ聚合酶的校正作用。
菌种选育的方法：自然选育、诱变育种、杂交育种、基因工程育种、原生质体育种。
自然选育（natural screening）：是指利用微生物在一定条件下产生自发突变的原理，通过分离、筛选排除衰退型菌株，从中选出维持或高于原有生产菌株的过程，以达到稳定或提高生产的目的。
菌种退化：菌种在长期的传代保存过程中，由于自发突变使菌种变得不纯，生产能力下降。
原因有菌种遗传特性的改变、经诱变剂处理后的退化变异、菌种生理状况的改变（培养条件）。
自然选育的一般过程：单孢子悬浮液的制备、分离出单菌落、单菌落传斜面、摇瓶初筛、菌种保藏、摇瓶复筛、放大试验。
诱变育种（mutation breeding）是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群体，促进其突变率大幅提高，然后采用简便、高效的筛选方法，从中选出少数具有优良性状的突变菌株。
主要包括出发菌株的选择、诱变处理和筛选突变株三个部分。
诱变育种的步骤：出发菌株的选择、悬浮液的制备、诱变处理、中间培养、突变株的分离和筛选。
发酵工艺原理知识点归纳
所学内容：1、菌种：选育、培养、保藏；2、发酵的概念、原理、参数控制；3、介绍一些产品的发酵过程第一章绪论一、发酵1、发酵的定义：培养生物细胞（包括动物细胞、植物细胞和微生物）来制得产物的过程。
2、发酵工业：根据有无风味要求分为酿造工业和发酵工业。
3、实现发酵需具备的条件：①适宜的微生物；②保证微生物进行代谢的条件（pH、营养、温度等）；③进行发酵的设备；④有提取精制产品的方法和设备二、发酵工业的沿革①天然发酵阶段：嫌气发酵、非纯种培养（靠的是经验），质量不稳定。
②纯种培养技术的建立：巴斯德认识到发酵是由微生物所进行的化学反应；柯赫建立了单种微生物的分离和纯培养技术。
——表面培养、产量少③通气搅拌发酵技术的建立：青霉素④代谢控制发酵技术：运用动态生物化学、遗传学知识，控制生物合理代谢。
⑤开拓发酵原料时期；⑥基因工程阶段三、发酵工业的范围1、微生物菌体发酵：酵母、微生物菌体蛋白（scp 单细胞蛋白）、藻类、活性乳酸菌制剂、真菌、生物杀虫剂。
2、微生物酶发酵：工业应用的酶大都来自微生物发酵。
3、微生物代谢产物发酵初级代谢产物：对数生长期所产生的产物，是菌体生长繁殖所必需的，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、类脂、糖类等次级代谢产物：菌体生长静止期中，某些菌体能合成在生长期中不能合成的、具有一些特性的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等4、微生物转化发酵：利用微生物细胞的一种或多种酶把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物的生化反应，特点是特异性强，包括反应特异性、结构位置特异性和立体特异性。
最古老的生物转化就是利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。
5、利用生物技术所得的生物细胞发酵①消除环境污染；②保持生态平衡；③湿法冶金；④利用生物技术所得的生物细胞发酵四、发酵工业的特征1、发酵原料的选择和预处理2、微生物菌种的选育及扩大培养3、发酵设备选择及工艺条件控制4、发酵产物的分离纯化5、发酵废弃物的回收利用五、发展趋势第二章工业微生物的生长与产物的生物合成微生物的特点：体积小、繁殖快、吸收转化快、适应性强、容易变异、分布广、种类多、代谢类型多。
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。
发酵过程优化控制-1
发酵过程控制系统
ysp
e
+y
e=ysp-y
u Feedback Controller Gc
发酵过程优化和控制 PID反馈控制器
Disturbance y
Process Gp
Gp(s) : 过程传递函数，以1阶滞后系统为例； Gc(s) : 反馈控制器的传递函数，以PID反馈控制系统为例； G(s)close-loop: 闭回路的传递函数
发酵过程优化和控制
第一节 发酵过程控制系统的基本构成，
监测、控制技术。
发酵过程控制系统
发酵过程优化和控制
生物过程的状态参数，测量参数和操作参数
显示过程状态和特征的状态（测量）参数：
1) 一级（直接测定）参数：pH, DO, 电导率，粘度，电脉冲信号， 电位，发酵罐进出口气体分压，发酵液的浊度或颜色，重量损 耗，酸碱添加总量，菌体浓度，底物（基质）浓度，代谢产物 浓度，等等。
dx Ax bu dt y cx d
（1a，1b）
Here x T [x1, x2 ,.....xn ] b T [b1, b2 ,....b. n ]
a11, a12 ,....a. 1n
A
....................
an1, an2 ,....a. nn
c [c1,c2,....c. n ]
*过程的传递函数的 表现形式
简单起见，假定d（外部扰动）=0。对(1a,1b)两边取Laplace变
换，可以得到输入输出间的传递函数Gp(s)。 Gp(s)=y(s)/u(s)=c(sI-A)-1b，s表示Laplace变换所代表的复变量。 这里s是Laplace变量，I表示单位矩阵，“-1”代表逆矩阵。
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必须了解：
● 菌体的生理代谢规律 ● 工艺条件对发酵过程的影响及其控制 ● 发酵过程的有关变化规律
常规发酵的工艺控制参数： 温度、pH、搅拌转速与功率、空气流量、罐 压、液位、补料速率及补料量等。
第二章发酵过程的工艺控制1
二. 发酵过程的参数检测
1.直接状态参数
● 指能直接反映发酵过程中微生物生理代谢状况
● 包括：比生长速率μ、摄氧率OUR、 CO2释放率 CER、呼吸商RQ、氧的得率系数YX/O 、氧体积传 质系数KLa、基质比消耗速率QS、产物比生成速 率Qp等
综合各种状态参数，获得代谢过程的各种信息， 从而对发酵过程做出相应的调整和控制，以获得最经 济的发酵生产。
第二章发酵过程的工艺控制1
三. 发酵过程的代谢调控和优化
代谢的具体情况，确定补料方式、速率和补料量。
第二章发酵过程的工艺控制1
T it e r o f C T C (u / m l) C o n c . o f N H 2 -N ( g /L )
9000
6000
3000
0
0
16
C TC 2 g /L C TC 8 g /L N H 2 -N 4 g /L N H 2 -N 1 0 g /L
第二部分 发酵工艺控制
第二章 发酵过程的工艺控制 第三章 基因工程菌的发酵 第四章 动植物细胞培养
第二章发酵过程的工艺控制1
第二章 发酵过程的工艺控制
2.1 概述 2.2 基质浓度对发酵的影响及其控制 2.3 灭菌情况 2.4 种子质量的影响 2.5 温度对发酵的影响及其控制 2.6 pH对发酵的影响及其控制 2.7 溶氧对发酵的影响及其控制 2.8 二氧化碳和呼吸商 2.9 补料对发酵的影响及其控制 2.10 泡沫对发酵的影响及其控制 2.11 发酵终点的判断 2.12 发酵染菌的防治
先进的培养基组成是充分支持高产、稳产和经 济的发酵过程的关键因素之一。 一. 基质种类
一般包括： 碳源、氮源和无机盐 前体
二. 基质（原料）的质量 随产地和生产工艺而异 须保证稳定的原料质量 尤其对有机碳源和氮源，经多次实验而定
第二章发酵过程的工艺控制1
三. 基质浓度对发酵的影响
每一种基质都有一个适宜的浓度范围 ● 基质浓度太低
●研究这些参数的变化对发酵过程的影响及其机制， 获得最佳的范围和最适的水平
●建立数学模型定量描述个参数间随时间的变化关 系，为过程优化控制提供依据
●通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种 控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程 的最优控制
第二章发酵过程的工艺控制1
2.2 基质浓度对发酵的影响及其控制
的参数
● 包括：pH、DO、溶解CO2、尾气O2、尾气
CO2 、黏度、基质和产物浓度、菌体浓度 （OD、DCW、湿重）等
● 参数的检测
a 在线检测
各种传感器： pH电极、 DO电极、温度电极、 液位电极、泡沫电极
尾气分析仪：测尾气O2和CO2含量
第二章发酵过程的工艺控制1
b 离线检测 分光光度计、pH 计、温度计、气相色谱（GC)、 液相色谱（HPLC)、色质连用（GC-MS)等 2.间接状态参数 ● 指利用直接状态参数计算求得的参数
1. 代谢调控 以代谢（流）的调节最重要
● 调节酶的合成量，称为“粗调” ● 调节酶的催化活性，称为“细调”
代谢工程
工艺控制和过程优化的实质，就是利用各种方法 和手段，使细胞的外部和内部环境最适合基质和能量 流向产物合成的生物途径，以获得最大的产量。
第二章发酵过程的工艺控制1
2. 发酵过程优化的一般步骤 ●确定反映发酵过程的各种理化参数及其检测方法
影响细胞的生长，不能保证足够量的菌体进行 生产；
延长发酵时间，降低生产效率 ● 基质浓度太高
菌体生长太旺盛，发酵液黏度很大，KLa很小， DO很低，影响发酵正常进行；
影响产物形成： 如酵母利用葡萄糖进行培养，葡萄糖浓度太高， 将进行无氧发酵，产生乙醇，即为crabtree效应
第二章发酵过程的工艺控制1
48
72
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
96
T im e ( h )
C TC 4 g /L C TC 1 0 g /L N H 2 -N 6 g /L
4 .3 3 .8 3 .3 2 .8 2 .3 1 .8 1 .3 0 .8 0 .3 120
C TC 6 g /L N H 2 -N 2 g /L N H 2 -N 8 g /L
9000
6000
3000
0
0
18
40 70
T im e ( h )
又如葡萄糖氧化酶（GOD)发酵中： ◆ 低浓度下：诱导作用 ◆ 高浓度下：分解代谢物阻遏作用
浓度由8%→6%，酶活提高26%
以铵盐为氮源发酵： NH4+浓度过高，产生铵离子效应， 影响生长和合成
● 基质浓度的控制 ◆ 初始培养基中：基质浓度适宜（由实验而定）
第二章发酵过程的工艺控制1
◆ 发酵过程：通过补料操作来控制基质浓度 应根据菌体特性、工艺条件要求和发酵过程中
Effect of （NH4）2SO4 on CTC Biosynthesis (摇瓶)
第二章发酵过程的工艺控制1
C T（Cu / m） l X（1 0 g / ） L
8000
6000
4000
2000
0 18
42
66
t（ h ）
C T C 0 .0 4 3 g /L C T C 0 .1 3 g /L X 0 .0 4 3 g /L X 0 .1 3 g /L
第二章发酵过程的工艺控制1
2.1 概 述
一. 发酵体系的主要特征 1. 细胞内部结构和代谢反应的复杂性 2. 细胞所处环境的复杂性 3. 过程系统状态的时变性及参数的多样性和复杂性
影响因素多，有的因素未知，主要影响因素变化。
发酵水平主要取决于： 生产菌种的特性； 对工艺条件的控制（适合程度）；
第二章发酵过程的工艺控制1
45
43
41
39
37
35
90
120
C T C 0 .0 8 7 g /L C T C 0 .1 9 5 g /L X 0 .0 8 7 g /L X 0 .1 9 5 g /L
Effect of KH2PO4 on CTC Biosynthesis
第二章发酵过程的工艺控制1
T it e r o f C T C (u / m l) C o n c . o2f- NN( gH / L )