第五章发酵工艺过程控制
发酵工艺过程控制
发酵工艺过程控制发酵工艺过程控制是指在发酵过程中，通过合理控制发酵的条件和参数，使发酵过程达到预期的目标，达到最佳的产品质量和产量。
发酵工艺过程控制包括发酵条件的选择、发酵参数的控制和数据采集、分析等内容。
下面将详细介绍发酵工艺过程控制的一些关键点。
首先，在发酵工艺过程控制中，发酵条件的选择非常重要。
发酵条件包括温度、pH值、氧气供应和搅拌速度等。
不同的微生物和发酵产物有其适宜的发酵条件。
一般来说，温度是一个非常关键的参数。
适宜的温度可以提高微生物的生长速率和代谢活性，从而提高产物的产量和质量。
同时，pH值也会影响微生物的生长和代谢。
合适的pH值可以提供一个适宜的酶活性和物质转运环境。
氧气供应和搅拌速度对于需要氧气的微生物来说非常重要。
合适的氧气供应和搅拌速度可以提高微生物的通气效果和溶氧量，从而提高产量和代谢产物的选择性。
其次，在发酵工艺过程控制中，对发酵参数的控制和数据采集、分析也是至关重要的。
发酵参数包括微生物的接种量、培养基成分比例、培养基的初始pH值等。
合理的微生物接种量和培养基成分比例可以提高产物的产量和质量。
同时，初始pH值的控制可以提供一个合适的环境供微生物生长和代谢。
在发酵过程中，需要对各个参数进行实时的数据采集和分析，以便及时调整和优化发酵条件。
通过数据采集和分析，可以有效地监测发酵过程的进展，及时发现并解决问题，从而提高发酵工艺的稳定性和可控性。
另外，在发酵工艺过程控制中，发酵的时间也是需要考虑的一个因素。
发酵的时间过短可能导致微生物的生长和代谢不完全，从而影响产物的产量和质量；发酵的时间过长则可能导致微生物的过度生长和细胞死亡，影响发酵过程的稳定性和可控性。
因此，需要通过实验和经验来确定合适的发酵时间，以达到最佳的产物质量和产量。
综上所述，发酵工艺过程控制是一个非常重要的领域。
通过合理选择发酵条件和控制发酵参数，以及进行数据采集和分析，可以实现对发酵过程的有效控制，提高产品的产量和质量。
第五章 发酵工程
• 2，灭菌与消毒的区别
• 灭菌：用物理或化学方法杀死或除去环 境中所有微生物，包括营养细胞、细菌 芽孢和孢子
• 消毒：用物理或化学方法杀死物料、容 器、器皿内外的病源微生物。
• • • •
• • • •
二、培养基灭菌的目的 1，在发酵过程中夹杂其它杂菌造成的后果： • 生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力； • 在连续发酵过程中，杂菌的生长速度有时会比生 产菌生长得更快，结果使发酵罐中以杂菌为主； • 杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难 • 杂菌会降解目的产物； • 杂菌会污染最终产品，杂菌会污染最终产品； • 发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象
●
2）温度可能会影响终产物的质量
例如： 苏云金杆菌的发酵，一般在30-31℃进行，这样形成的晶体 毒力强。若发酵温度提高到37℃以上，虽然菌体生长繁殖较快， 最终含菌数也较高，但生物毒力较低，直接影响产品的质量。
3）温度还可能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℃下， 该菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例提高； 在温度达到35℃时，则只产生四环素，金霉素的合成停止
发酵过程泡沫控制的方法
• 物理消沫法 • • 化学消沫法
消泡剂选择的原则：
① 对发酵过程无毒，对人、畜无害，不影响生物合成。
② 消泡作用迅速，效果高和持久性能好。
③ 能耐高压蒸汽灭菌而不变性，在灭菌温度下对设备无腐蚀 性或不形成腐蚀性产物。 ④ 不影响以后的提炼过程。 ⑤ 不干扰分析系统，如溶解氧、pH测定仪的探头。
• 第一阶段：发酵原料的预处理
• 第二阶段：发酵过程的准备
• 第三阶段：发酵过程
• 第四阶段：产品的分离与纯化
第5章-发酵乳制品生产技术
冷却方式有冷却室静止冷却和冷却隧道连续冷却两 种方式。
8.冷藏后熟
冷藏温度一般在2～7℃,最佳为5℃，冷藏的作用 除达到冷却一项中所列举的目的外,还有促进香味物 质产生,改善酸乳硬度的作用。
得更好，使酸奶成为一个稳定的凝固体。
预热、均质、杀菌和冷却都是在由预 热段、杀菌段、保持段、冷却段组成的 板式换热器和外接的均质机联合完成的。
（参见样图）：预热、真空浓缩、均质、杀菌、 冷却的设备流程
1 平衡罐 2 片式热交换器 3 真空浓缩罐 4 均质机 5 保温管 图.发酵乳制品的一般预处理
常用的稳定剂有：
明胶
果胶
琼脂
变性淀粉
4.脱气、预热、均质、杀菌、冷却
4.1脱气： 添加奶粉的标准化方法必须在随后进行脱气处 理，以减少牛奶中的空气。
脱气的目的： 改善均质机的工作条件 减少热处理过程中产生沉淀物 提高酸奶的粘稠性和稳定性 去除挥发性的异味
4.2均质：防止奶油上浮，并保持乳脂肪均匀 分布，改善酸奶的稳定性和稠度，获得良好的 质感。
直投式：乳酸菌纯培养物 继代式：母发酵剂 中间发酵剂 生产发酵剂
3、按使用菌种分
传统的菌种：保加利亚杆菌(Streptococcus thermophilus)和嗜热链球菌(Lactobacillus bugaricus)1比1或者1比2的混合菌种。
益生菌：
4、酸奶中添加的益生菌
益生菌是指能促进人体健康且能在人体肠 道内繁殖的一类微生物。在酸奶中使用的有：
2.砂糖、葡萄糖和甜味剂
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。
发酵过程的工艺控制
发酵过程的工艺控制发酵是一种利用微生物（如酵母、乳酸菌等）对物质进行转化以产生有用产物的过程。
在食品、饮料、药物和能源产业中，酵母发酵被广泛应用于生产酒精、面包、酸奶和生物燃料等产品。
在发酵过程中，工艺控制是至关重要的，它可以确保发酵过程的高效进行，并优化产物的质量和产量。
在发酵过程的工艺控制中，有几个关键方面需要考虑和管理。
首先是基质含量和组成的优化。
发酵基质是提供微生物生长和代谢所需的营养物质的载体。
通过合理的基质设计，可以最大限度地提高发酵效率和产物产量。
例如，在酿酒发酵中，酵母对葡萄糖的利用效率通常较高，因此应该控制葡萄糖的浓度，以避免过高或过低的浓度对发酵效果的影响。
其次是发酵过程的温度控制。
温度是影响微生物生长和代谢的最重要因素之一、不同的微生物对温度的要求不同，因此需要根据所采用的微生物菌株来控制发酵过程的温度。
通常情况下，发酵反应的最佳温度需要通过试验确定，以确保微生物能够在最适宜的温度下生长和活性表现。
此外，溶氧浓度的控制也是发酵过程中的重要环节。
微生物在进行发酵代谢时需要氧气作为底物，以促进细胞生长和代谢产物的形成。
因此，在发酵过程中需要保持合适的氧气供给，以防止微生物活性和产物产量的降低。
这可以通过控制搅拌速度、气泡量和气体通量等方式来实现。
此外，pH值的控制也是发酵过程中的重要方面。
微生物对酸碱度的敏感程度各不相同，因此需要根据所采用的微生物菌株来优化发酵过程的pH控制。
通常情况下，维持中性到微酸性的pH值范围对于大多数微生物来说是最适合的。
最后，发酵过程的时间控制也需要加以考虑。
不同的微生物菌株对于发酵反应的时间要求不同，因此需要根据所采用的菌株和产品要求来确定发酵时间。
过长的发酵时间可能会导致产物的质量下降，而过短的发酵时间则可能无法实现所需要的产物产量。
总之，发酵过程的工艺控制是确保发酵反应高效进行的关键要素。
通过优化基质含量和组成、温度控制、溶氧浓度控制、pH值控制和时间控制等方面，可以最大限度地提高发酵效率和产物产量，从而获得高质量的发酵产品。
第5章 发酵工艺过程及其控制
2．发酵过程的溶氧变化
一定发酵条件下，每种发酵产物的溶氧浓 度变化都有自己的规律。 发酵过程中，有时会出现溶氧浓度明显降 低或明显升高的异常变化。 其本质都是由耗氧或供氧方面出现了变化 所引起的氧的供需不平衡所致。
异常发酵 溶氧曲线 异常发酵光 密度曲线
正常发酵 溶氧曲线
谷氨酸发酵时正常 和异常的溶氧曲线
发酵过程需氧量受菌体浓度、营养基质种类 和浓度以及培养条件等因素影响，菌体浓度 的影响最明显。 发酵液的摄氧率是随菌体浓度增加而成比例 增加的，但氧传递速率是随菌体浓度对数关 系减少。 因此，可通过控制菌体比生长速率略高于临 界值，以达到最适浓度。 最适菌体浓度即可保证产物比生长速率维持 在最大值，又不会使需氧大于供氧。 菌体浓度可通过基质浓度来控制。还可采用 调节发酵温度、液化培养基、中间补水、添 加表面活性剂等工艺措施来改善溶氧水平。
2．发酵过程中的代谢变化参数
发酵的各种工艺参数分为物理参数、化学 参数和生物学参数。 （1）物理参数：包括温度、压力、流量、 转速、补料和泡沫等，可直接在线测量和 控制。
发酵过程中的物理参数的测量方法和意义
①温度：是指发酵整个过程或不同阶段中 所维持的温度。其高低与发酵中酶反应速 率、氧在培养液中的溶解度和传递速率、 菌体生长速率和产物合成速率等有密切关 系。不同产品，发酵不同阶段所维持的温 度亦不同。 ②压力：是发酵过程中发酵罐维持的压力。 罐内正压可防止外界空气中的杂菌侵入， 同时与氧和二氧化碳在培养液中的溶解度 有关。 ③搅拌转速：与培养基中氧的传递、发酵 液的均一性等有关。
④搅拌功率：是指搅拌器搅拌时所消耗的 功率，常指每立方米发酵液所消耗的功率 (kW· -3)。大小与氧容量传递系数KLa有关。 m ⑤空气流量：是指每分钟内每单位体积发 酵液通入空气的体积，也叫通风比。一般 控制在0.5L· -1· -1~1.0L· -1· -1。 L min L min ⑥粘度：是细胞生长及形态的一项指标， 其大小可改变氧的传递阻力，也可表示菌 体的相对浓度。
第五章-发酵过程控制(2024版)
为什么要研究发酵过程
了解有关生产菌种对环境条件的要求，并深入地了解生 产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢 途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。 为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，通过各种 监测手段掌握各参数变化情况，并予以有效地控制，使 生产菌种处于产物合成的优化环境之中。
因此，A/Y为燃烧生成1g菌体的底物所需的氧， 而B为燃烧菌体所需氧的量；它们之间的差为C， 即为转化底物成菌体所需氧的量。
将Johnson方程式应用于利用葡萄糖和烷烃生产酵 母的下列方程式为：
对葡萄糖
C（mmol
/
g）
33.33 Y
41.7
对烷烃
C（mmol
/
g）
101.7 Y
41.7
如果对葡萄糖来说Y值取50％，而对烷烃来说Y值 取100％； 则：C对葡萄糖 ＝24.95 mmol氧/g菌体；
生长偶联型 部分生长偶联型 非生长偶联型
■分批发酵的分类对实践的指导意义
从上述分批发酵类型可以分析： ➢如果生产的产品是生长偶联型（如菌体与 初级代谢产物），则宜采用有利于细胞生长 的培养条件，延长与产物合成有关的对数生 长期； ➢如果产品是非生长偶联型（如次级代谢产 物），则宜缩短对数生长期，并迅速获得足 够量的菌体细胞后延长平衡期，以提高产量。
第二节 发酵条件的影响及其控制
工艺条件控制的目的：就是要为生产菌 创造一个最适的环境，使我们所需要的 代谢活动得以最充分的表达。
一、温度对发酵的影响及控制
1，影响发酵温度的因素
产热因素：生物热 搅拌热
散热因素：蒸发热 辐射热
发酵热
发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射
发酵过程工艺控制
乙酰乙酸
5、 pH影响菌体的形态：产黄青霉 细胞壁的厚度随pH的增加而减小； pH<６，菌丝的长度缩短。
（二）发酵过程pH值的变化 在发酵过程中，pH值的变化决定于所 用的菌种、培养基的成分和培养条件。
（三）发酵pH值的确定和控制 1. 发酵pH值的确定
微生物发酵的最适pH值范围一般是在 5～8之间。 最适pH值是根据实验结果来确定的。
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。
C.常用的消泡剂种类
发酵工业常用的消泡剂一般可分为有机消泡剂、 有机硅消泡剂和聚醚型消泡剂等三类。
以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为 常用。
天然油脂类：
♣豆油、玉米油、棉籽油、菜籽油和猪油等。 ♣油不仅用作消泡剂，还可作为碳源和发酵控制的手段。 ♣在发酵中，要控制油的质量、新鲜程度，并要进行发酵 试验检验。
有机硅消泡剂
一般由二甲基硅油和SiO2按一定比例
复合而成。难乳化，表面黏度低，消 泡能力强
五、 菌体浓度和基质对发酵的影响及其控制
(一)菌体浓度对发酵的影响及控制
菌体（细胞）浓度（简称菌浓）是指单位体积 培养液中菌体的含量。 菌浓的大小，在一定条件下，不仅反映菌体细 胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全 相同的分化阶段。
三、 pH值对发酵的影响及其控制
（一）pH值对发酵的影响
1、影响酶的活性，当pH值抑制菌 体中某些酶的活性时，会阻碍菌 体的新陈代谢；
2、影响微生物细胞膜所带电荷的状态， 改变细胞膜的通透性，影响微生物对 营养物的吸收和代谢产物的排泄 3、pH影响培养基中某些组分的解离， 进而微生物对这些成分的吸收、利用
2. 温度的控制
工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释 放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。 利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中， 通过热交换来降温，保持恒温发酵。 如果气温较高（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，就可 采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立 冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。
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缺点： (1)存在一定的非生产时间。 (2)由于物料的加入增加了染菌机会。
4.补料分批培养应用：
应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。
1）细胞的高密度培养
◇ 一般培养基中的营养物质浓度有一定的限度，过高的底 物浓度会抑制菌体的生长； ◇ 采用补料的方法将高浓度的营养物质逐渐加入反应器， 可使发酵液中的菌体浓度达到很高的程度，如大肠杆菌浓 度可达145g/L。
第一节 发酵的操作方式
分批发酵 补料分批发酵（半连续发酵） 连续发酵
一、 分批发酵 （batch culture or fermentation）
1.概念： 向反应器中一次投入所需的培养基，然后接种培养，
培养过程中除控制温度和pH外（O2和CO2及消泡剂 除外）不进行其他任何控制，反应结束后将全部培养 液排出进行处理。
分批培养中微生物的生长
迟滞期 对数生长期
稳定期
死亡期
延滞期（迟滞期）：把微生物从一种培养基中转接到另 一培养基的最初一段时间里，尽管微生物细胞的重量 （W﹠V)有所增加，但细胞的数量没有增加。
指数生长期：如以细胞数目或生物量的对数对时间作一 对数图，将得一直线，因而这一时期称作指数生长期。
➢ 对细菌、酵母等单细胞微生物来讲，单位时间内其细胞 数目将成倍增加。
三、补料分批发酵（fed-batch culture）
介于分批培养和连续培养之间的操作方法。
1.概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培养的某 些阶段适当（间歇或连续地）补加培养基，使菌体或其代谢产 物的生产时间延长。
反复补料分批培养
随着补料操作的进行，发酵液的 体积逐渐增大，到了一定时候将 部分发酵液取出，剩下的发酵液 继续进行补料分批培养，如此可 反复进行多次，称为反复补料分 批培养。
2）发生底物抑制的过程
一些微生物能利用甲醇、乙醇、乙酸、某些芳香族化合物等， 但它们在较高浓度下会对菌体的生产产生抑制。
3）分解代谢物阻遏
◇ 以某些很容易被微生物利用的物质（如葡萄糖）作为碳源 时，其某些分解代谢物会使细胞某些酶的合成受到阻遏； ◇ 采用补料的手段将葡萄糖逐渐加入反应器中，使发酵液中 的葡萄糖保持在低水平，避免分解代谢物的积累，从而可以 有效去阻遏。
死亡期：细胞的营养物质和能源储备已消耗殆尽，不能再 维持细胞的生长和代谢，细胞开始死亡。 ➢ 微生物细胞的死亡呈指数比率增加。 ➢ 在发酵工业生产中．在进入死亡期之前应及时将发酵液放 罐处理。
2.特点：
✓ 整个培养系统与外界没有其它物质交换（O2、CO2、消泡剂、 酸碱除外）。
✓ 整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物浓度不断变 化，是一种非稳态的培养方法。
2.补料方式： 间歇添加营养物质后，其在发酵液中的浓度
即会上升，然后随着微生物的利用又下降；
间歇添加法 再次补入料液后，营养物质浓度再次升高，
然后再次下降，呈现较大的波动。
连续流加法
◇ 恒速流加操作的补料速度是定值，操作简
便恒，速设流备加简单(co；ns最ta常nt用-flo；w rate)
◇ 发酵液体积呈线性增长；由于在指数生长 ◇ 指期数，流微加生补物料的的底加物入消量耗呈也指呈数指规数律增增加长，，恒能速
3.分批发酵的优缺点
优点: 操作简单；周期短，不会产生菌种老化和变异等 问题；染菌机会少；生产过程和产品质量容易掌握。 缺点: 产率低：非生产时间较长、设备利用率低。
但由于操作相对较易， 目前仍是发酵工业的主要方式
二、连续发酵（continuous culture）
1. 概念： 微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜 的培养基，同时不断放出等量代谢物，使微生物细胞在近似 恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、 恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的培养方式。
连续不断地补加新鲜培养基，连续 物浓度，限制性基质浓度均处于恒定状态。
3. 连续培养的优缺点
优点: 1）省去了反复放料、清洗、装料、灭菌等步骤，避免了 延迟期，提高设备的利用率和单位时间产量。 2）发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制； 3）易于分期控制，可以在不同罐中控制不同的条件。
第五章 发酵工艺过程控制
第一节 发酵的操作方式 第二节 温度变化及其控制 第三节 pH变化及其控制 第四节 溶解氧及其控制 第五节 泡沫对发酵的影响及控制 第六节 发酵染菌及其防治 第七节 发酵终点的判断
工艺条件控制的目的：就是要为生产菌创造一个最适 的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达。
缺点: 长期连续培养会引起菌种退化；染菌机会增加。 应用：废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工业中。
例题：
B 下列对微生物连续培养优点的叙述，不正确的是( )。
A．能及时连续补充微生物所需的营养物质，提高产量 B．有利于微生物尽快将代谢产物释放到培养基中 C．提高了设备利用率且便于自动控制与管理 D．能及时排除部分有害代谢产物
➢ 对于丝状微生物而言，单位时间内其生物量将加倍。
稳定期：培养基中的底物不断被消耗，一些对微生物生长 代谢有害的物质在不断积累，微生物的生长速率和比生长 速率逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳定期。
➢ 生物量增加十分缓慢或基本不变； ➢ 微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的组成物质还
在不断变化。
4）营养缺陷型菌株的培养
一些营养缺陷型菌株可以积累某种有用产物，如氨基酸、 核苷、核苷酸等，利用这些菌株进行生产时须补充其不能 合成的物质供生产所需； 但这些物质过量存在时，可能产生反馈抑制或阻遏作用， 影响产物的合成。 采用补料的方法可将这些物质保持在低浓度水平，有助于 提高产物的生产。
在短流指时加数间不流内能得加维到持(最e底x大p物o量n浓e细n度t胞i不a，l-变fl还o，w可底r通a物t过e浓) 变度更会流随
率指时数间来延控长制而比逐生渐长降速低率。；
◇ 但装置相当复杂
3.补料分批培养的优缺点
优点： 与分批培养相比 (1)解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应(葡萄糖效应）。 (2)延长次级代谢产物的生产时间。