03发酵工艺学 发酵工艺与设备1

1、1l 理论授课内容理论授课内容第第1 1章章 绪论绪论1 1学时学时第第2 2章章 微生物代谢调控理论及其在微生物发酵中的应用微生物代谢调控理论及其在微生物发酵中的应用3 3学时学时第第3 3章章 发酵工艺学根底及主要设备发酵工艺学根底及主要设备4 4学时学时第第4 4章章 酒精发酵与酿酒酒精发酵与酿酒8 8学时学时第第5 5章章 氨基酸与核苷酸发酵氨基酸与核苷酸发酵2 2学时学时第第6 6章章 有机酸发酵及其发酵食品有机酸发酵及其发酵食品4 4学时学时第第7 7章章 酶制剂生产酶制剂生产2 2学时学时第第8 8章章 发酵豆制品发酵豆制品6 6学时学时第第9 9章章 其它发酵食品其它发酵食品(

2、2(2学时学时2第第3 3章章 发酵工艺学根底及主要设备发酵工艺学根底及主要设备 本章主要内容本章主要内容: : 3.1 3.1 发酵的工艺过程发酵的工艺过程 3.2 3.2 微生物发酵动力学微生物发酵动力学( (自学自学) ) 3.3 3.3 发酵工艺控制发酵工艺控制 3.4 3.4 发酵的主要设备发酵的主要设备 重点：菌种活化与扩大培养、培养基制备；产物重点：菌种活化与扩大培养、培养基制备；产物别离、提取；分批发酵；工艺条件控制与发酵终别离、提取；分批发酵；工艺条件控制与发酵终点判断；固体发酵设备与机械搅拌通风发酵罐、点判断；固体发酵设备与机械搅拌通风发酵罐、空气净化系统与培养基灭菌系统等

3、。空气净化系统与培养基灭菌系统等。 33.1 3.1 发酵的工艺过程发酵的工艺过程4 发酵工艺发酵工艺与与发酵工程：发酵工程： 工业生产上通过工业生产上通过“工业发酵来加工或制作产品，工业发酵来加工或制作产品，其对应的加工或制作工艺被称为其对应的加工或制作工艺被称为“发酵工艺。发酵工艺。发酵工艺学强调：应用相关的根底理论微生物发酵工艺学强调：应用相关的根底理论微生物学、生物化学等，研究将原料变成所需产品的学、生物化学等，研究将原料变成所需产品的技术及全部措施。技术及全部措施。 发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。发酵工程学强调

4、：将原料的工程学问题的学科。发酵工程学强调：将原料转变为产品的过程所涉及的理论共同的规律转变为产品的过程所涉及的理论共同的规律和工程技术体系。和工程技术体系。 发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼包括废水处理工业过程分为菌种、发酵和提炼包括废水处理等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，分别称为分别称为: :上游、中游和下游工程。上游、中游和下游工程。5Fermentation process controlFermentation Engineering上游工程上游工程

5、Upstream processes下游工程下游工程Downstream processes 发酵工程组成发酵工程组成广义上讲，三局部：广义上讲，三局部： 上游工程、发酵工程上游工程、发酵工程(中游工程中游工程)、下游工程。、下游工程。6# # 生物反响的过程：生物反响的过程： cell enzymecell enzyme biocatalyst monitor sterilized air biocatalyst monitor sterilized air productproduct bioreactor by bioreactor by productproduct residuere

6、sidue sterilizing sterilizing medium mediumextract78 菌种的活化与扩大培养3.1.2 发酵原料的预处理及培养基制备3.1.3 发酵3.1.4 产物的别离、提取与加工本节内容本节内容: :9103.1.1 3.1.1 菌种的活化与扩大培养菌种的活化与扩大培养 定义：将保存于休眠状态的生产菌种冻藏、沙藏定义：将保存于休眠状态的生产菌种冻藏、沙藏等，接种活化后，再经逐级扩大培养试管斜面活化等，接种活化后，再经逐级扩大培养试管斜面活化培养瓶培养培养瓶培养种子罐扩大培养，最终获得一定数量种子罐扩大培养，最终获得一定数量和质量的纯菌种的过程，即为菌种的活

7、化与扩大培养。和质量的纯菌种的过程，即为菌种的活化与扩大培养。 经活化与扩大培养所得到的纯菌种，又称经活化与扩大培养所得到的纯菌种，又称种子种子。 11 优质种子优质种子必须满足五项条件：五项条件：？P67P6712 获得优质种子的前提条件：获得优质种子的前提条件： ？P67P6713 种种 子子 制制 备备 过过 程程 菌种扩大培养的一般工艺流程菌种扩大培养的一般工艺流程 14种子制备的工艺流程：种子制备的工艺流程： 摇瓶摇瓶保藏菌种保藏菌种 试管斜面活化试管斜面活化 茄瓶斜面茄瓶斜面 种子罐种子罐 固体培养基固体培养基1516菌种扩大培养工艺流程图菌种扩大培养工艺流程图休眠菌种休眠菌种斜面

8、培养斜面培养接接种种培养瓶放大培养培养瓶放大培养接接种种种子罐种子罐放大培养放大培养实验室种子制备实验室种子制备 生产车间种子制备生产车间种子制备移移种种17种种 子子 制制 备备 过过 程程 实验室种子制备阶段：从琼脂实验室种子制备阶段：从琼脂斜面培养孢子斜面培养孢子 到到 固体或液体固体或液体培养基扩大培养菌丝如茄子培养基扩大培养菌丝如茄子瓶斜面培养等或液体摇瓶培瓶斜面培养等或液体摇瓶培养养 ) )； 生产车间种子制备阶段：种子生产车间种子制备阶段：种子罐扩大培养罐扩大培养 18 实验室种子制备 在砂土管或冷冻枯燥管内保藏的菌种以无在砂土管或冷冻枯燥管内保藏的菌种以无菌的方式接至适合的斜面

9、培养基上，培养菌的方式接至适合的斜面培养基上，培养成熟后挑选正常的菌落再接一次试管斜面、成熟后挑选正常的菌落再接一次试管斜面、进一步接入摇瓶。进一步接入摇瓶。 1920 生产车间种子制备生产车间种子制备 实验室制备的孢子斜面或摇瓶种子移接到实验室制备的孢子斜面或摇瓶种子移接到种子罐种子罐进行扩大培养；进行扩大培养； 种子罐培养一方面使种子罐培养一方面使菌种菌种获得足够的获得足够的数量数量，另一，另一方面种子罐中的方面种子罐中的培养基更接近发酵罐培养培养基更接近发酵罐培养的醪液的醪液成分和培养条件，成分和培养条件，譬如通无菌空气，搅拌形式等等，以使菌譬如通无菌空气，搅拌形式等等，以使菌体适应发酵

10、环境体适应发酵环境 。2122 种子罐级数确实定：种子罐级数确实定：种子罐的级数是指制备种子需逐级扩大培养的次种子罐的级数是指制备种子需逐级扩大培养的次数数 ；对于生长快的细胞，种子用量的比例少，即需要对于生长快的细胞，种子用量的比例少，即需要的接种量少，所以相应的种子罐也少，一般采用的接种量少，所以相应的种子罐也少，一般采用二级种子。二级种子。种子罐级数愈少，工艺愈简化，并可减少污染时种子罐级数愈少，工艺愈简化，并可减少污染时机。机。2324 一级种子培养摇瓶：一级种子培养摇瓶：培养基特点：培养基特点： 使用的原料根本接近于发酵培使用的原料根本接近于发酵培养基。养基。 二级种子培养种子罐：二

11、级种子培养种子罐：培养基的特点：培养基的特点： 和一级种子相似，其中葡萄和一级种子相似，其中葡萄糖用水解糖代替，更接近于发酵培养基。糖用水解糖代替，更接近于发酵培养基。25 接种种龄和接种量：接种种龄和接种量： 接种龄接种龄 种子罐中培养的菌体从开始种子罐中培养的菌体从开始移入下一级移入下一级种子罐或发酵罐时的种子罐或发酵罐时的培养时间培养时间. . 接种量接种量 接种量指的是移入的种子悬浮液体积和接种接种量指的是移入的种子悬浮液体积和接种后培养液体的后培养液体的体积的比例体积的比例. . 26 种子质量的控制措施：种子质量的控制措施： 菌种稳定性的检查菌种稳定性的检查 ： 保藏菌株保藏菌株无

12、菌的生理盐水无菌的生理盐水 逐级稀逐级稀释释 培养皿琼脂固体培养基上划线培养培养皿琼脂固体培养基上划线培养形态优良的菌落形态优良的菌落三角瓶液体摇瓶培养三角瓶液体摇瓶培养检检测出生产率高的菌种备用。测出生产率高的菌种备用。杂菌检查杂菌检查 ： 显微镜观察，或平板培养试验。种子液显微镜观察，或平板培养试验。种子液涂在平板培养皿上划线培养涂在平板培养皿上划线培养有无异常菌落。有无异常菌落。273.1.2 3.1.2 发酵原料的预处理及培养基制备发酵原料的预处理及培养基制备1)1)培养基的营养成分复习培养基的营养成分复习2)2)培养基的用途复习培养基的用途复习3)3)培养基的分类复习培养基的分类复习

13、4)4)发酵培养基的选择重点发酵培养基的选择重点5)5)培养基成分的营养与作用复习培养基成分的营养与作用复习6)6)培养基确定方法了解培养基确定方法了解7)7)正交试验在培养基确定中的应用了解正交试验在培养基确定中的应用了解283.1.2.1 3.1.2.1 培养基的营养成分培养基的营养成分所有所有发酵培养基发酵培养基都必须提供微生物生长繁都必须提供微生物生长繁殖和产物合成所需的殖和产物合成所需的能源，能源，包括：包括：碳源、碳源、氮源、无机元素、生长因子及水、氧气氮源、无机元素、生长因子及水、氧气等。等。 原料的价格和来源原料的价格和来源 ：29 微生物的营养来源微生物的营养来源 ：1 1能

14、源能源2 2碳源碳源3 3氮源氮源4 4无机盐无机盐5 5特殊生长因子特殊生长因子303.1.2.2 3.1.2.2 培养基的用途培养基的用途 筛选菌种筛选菌种 保藏菌种保藏菌种 检验杂菌检验杂菌 培养种子培养种子 发酵发酵生产生产313.1.2.3 3.1.2.3 培养基的分类培养基的分类1按培养基组成物质的化学成分纯度合成培养基、天然培养基。2按物理性质状态固体、液体、半固体。3按用途选择性培养基、鉴别培养基、富集培养基等；斜面培养基、种子培养基、发酵培养基。32 天然培养基天然培养基 是采用化学成分还不清楚或化学成分还不恒定的各是采用化学成分还不清楚或化学成分还不恒定的各种植物和动物组织

15、或微生物的浸出物、水解液等物种植物和动物组织或微生物的浸出物、水解液等物质质( (例如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨等例如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨等) )制成制成的。的。 适合于各类异养微生物生长。适合于各类异养微生物生长。33 合成培养基合成培养基 是用是用化学成分和数量完全了解化学成分和数量完全了解的物质配制而成的。的物质配制而成的。成分精确，重复性强，可以减少不能控制的因素。成分精确，重复性强，可以减少不能控制的因素。 适用于在实验室适用于在实验室范围作有关营养、代谢、分类鉴范围作有关营养、代谢、分类鉴定、生物测定及选育菌种、遗传分析等定量研究定、生物测定及选育菌种、遗传分析等定量

16、研究工作。工作。 但一般微生物在合成培养基上但一般微生物在合成培养基上生长较慢生长较慢。34 半合成培养基半合成培养基 多数培养基配制是采用一局部天然有机物作碳源、多数培养基配制是采用一局部天然有机物作碳源、氮源和生长因子的来源，再适当参加一些化学药氮源和生长因子的来源，再适当参加一些化学药品以补充无机盐成分，使其更能充分满足微生物品以补充无机盐成分，使其更能充分满足微生物对营养的需要。对营养的需要。 大多数微生物都能在此培养基上生长繁殖。大多数微生物都能在此培养基上生长繁殖。35 液体培养基液体培养基常用于大规模的工业生产及生理代谢等根本理论研常用于大规模的工业生产及生理代谢等根本理论研究工

17、作。究工作。发酵工业多用作培养种子和发酵的培养基。发酵工业多用作培养种子和发酵的培养基。根据微生物对氧的要求情况，分别作静止或通风搅根据微生物对氧的要求情况，分别作静止或通风搅拌培养。拌培养。在菌种筛选工作和菌种培养工作中，也常用液体培在菌种筛选工作和菌种培养工作中，也常用液体培养基进行摇瓶培养。养基进行摇瓶培养。微生物在液体培养基中生长的情况有时也可用作鉴微生物在液体培养基中生长的情况有时也可用作鉴定菌种的参考。定菌种的参考。36几种液体培几种液体培养的用途养的用途37 固体培养基固体培养基 分类：斜面试管、平板等。分类：斜面试管、平板等。 是在液体培养基中参加凝固剂配成的，最是在液体培养基

18、中参加凝固剂配成的，最常用的凝固剂是琼脂。常用的凝固剂是琼脂。 38固体培养基的作用：固体培养基的作用： 固体培养基在菌种的别离、保藏、菌落特征的固体培养基在菌种的别离、保藏、菌落特征的观察、活菌计数和鉴定菌种方面是不可缺少的。观察、活菌计数和鉴定菌种方面是不可缺少的。 在制曲、酶制剂、柠檬酸等生产中，用来培养在制曲、酶制剂、柠檬酸等生产中，用来培养霉菌等的固体种子和发酵培养基，是由麸皮等农作霉菌等的固体种子和发酵培养基，是由麸皮等农作物加无机元素等制成的。物加无机元素等制成的。39 其它培养基其它培养基 增殖培养基：增殖培养基： 鉴别培养基：鉴别培养基： 选择培养基：选择培养基：40 关于关

19、于发酵生产中的培养基类型：发酵生产中的培养基类型： 工业发酵中培养基工业发酵中培养基往往是依据生产流程和作用分为：往往是依据生产流程和作用分为： 斜面培养基斜面培养基 种子培养基种子培养基 摇瓶培养基摇瓶培养基 发酵培养基发酵培养基41l 其中，其中， 发酵培养基：发酵培养基：发酵培养基是发酵生产中最主要的培养基，发酵培养基是发酵生产中最主要的培养基，它不仅耗用大量的原材料，而且也是决定发酵生它不仅耗用大量的原材料，而且也是决定发酵生产成功与否的重要因素。产成功与否的重要因素。据产物合成的特点来设计培养基：据产物合成的特点来设计培养基： 对菌体生长与产物相偶联的发酵类型，充分对菌体生长与产物相

20、偶联的发酵类型，充分满足细胞生长繁殖的培养基就能获得最大的产物。满足细胞生长繁殖的培养基就能获得最大的产物。 对于生产氨基酸等含氮的化合物时，它的发对于生产氨基酸等含氮的化合物时，它的发酵培养基除供给充足的碳源物质外，还应该添加酵培养基除供给充足的碳源物质外，还应该添加足够的铵盐或尿素等氮素化合物。足够的铵盐或尿素等氮素化合物。 发酵培养基的各种营养物质的浓度应尽可能发酵培养基的各种营养物质的浓度应尽可能高些。高些。 发酵培养基需耗用大量原料。发酵培养基需耗用大量原料。423.1.2.4 3.1.2.4 发酵培养基的选择发酵培养基的选择 重点重点(1)(1)必须提供合成微生物细胞和发酵产物的根

21、必须提供合成微生物细胞和发酵产物的根本成分。本成分。(2)(2)有利于减少培养基原料的单耗，即提高单有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质所合成产物数量或最大产率。位营养物质所合成产物数量或最大产率。(3)(3)有利于提高培养基和产物的浓度，以提高有利于提高培养基和产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力。单位容积发酵罐的生产能力。(4)(4)有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。期。43(5)(5)尽量减少副产物的形成，便于产物的别离尽量减少副产物的形成，便于产物的别离纯化。纯化。(6)(6)原料价格低廉，质量稳定，取材容易。原料价格低廉，质量

22、稳定，取材容易。(7)(7)所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提高氧的利用率，降低能拌的影响，利于提高氧的利用率，降低能耗。耗。(8)(8)有利于产品的别离纯化，并尽可能减少产有利于产品的别离纯化，并尽可能减少产生生“三废的物质。三废的物质。44 发酵培养基的设计和本卷须知发酵培养基的设计和本卷须知 ：提供必要的营养成分：培养基成分必须满足提供必要的营养成分：培养基成分必须满足细胞生长，代谢活动和合成产物所需的根本细胞生长，代谢活动和合成产物所需的根本要求。要求。配制适宜的浓度：可以从发酵动力学有关生配制适宜的浓度：可以从发酵动力学有关生长、

23、产物合成和基质利用物料平衡的关系中长、产物合成和基质利用物料平衡的关系中大致推算所需原料或大致计算出所需主要原大致推算所需原料或大致计算出所需主要原料的需要量。料的需要量。主成分与其他成分的配比。主成分与其他成分的配比。45控制适宜的控制适宜的pHpH：46防止产生微生物不能利用的物质或形成防止产生微生物不能利用的物质或形成沉淀沉淀葡萄糖与铵盐或氨基酸的氨基在灭菌高葡萄糖与铵盐或氨基酸的氨基在灭菌高温下作用形成深褐色物质。这种物质不温下作用形成深褐色物质。这种物质不被微生物利用。被微生物利用。硫酸铵中的硫酸铵中的SO42-SO42-与钙盐易形成难溶的与钙盐易形成难溶的硫酸钙，因此二者也不宜直接

24、配成培养硫酸钙，因此二者也不宜直接配成培养基。基。47注意注意代谢调节物代谢调节物的影响：的影响： 有些物质存在于培养基中往往能明显地促有些物质存在于培养基中往往能明显地促进或抑制发酵产物的形成。进或抑制发酵产物的形成。前体物质前体物质诱导剂诱导剂阻遏物阻遏物抑制剂抑制剂金属离子金属离子48 添加有关前体物质前体物质： 前体物质：前体物质： 在发酵中添加前体物质：将有利于产物的合成和显著在发酵中添加前体物质：将有利于产物的合成和显著提高产量，如提高产量，如苯乙酸及其衍生物苯乙酸及其衍生物被认为是被认为是青霉素青霉素的前的前体物质。体物质。49 添加添加诱导物诱导物： 目前工业用微生物酶多数为诱

25、导酶，如蛋白酶、目前工业用微生物酶多数为诱导酶，如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等。淀粉酶、纤维素酶等。 诱导物的存在能大大强化诱导酶的生物合成。诱导物的存在能大大强化诱导酶的生物合成。 酶的正常底物或底物的类似物都可作为诱导物。酶的正常底物或底物的类似物都可作为诱导物。 在各种微生物酶的发酵培养基中必须参加诱导物，在各种微生物酶的发酵培养基中必须参加诱导物， 例如，淀粉、糊精或麦芽糖是淀粉酶或糖化酶的例如，淀粉、糊精或麦芽糖是淀粉酶或糖化酶的诱导物。诱导物。50 注意注意阻遏物阻遏物或或抑制剂抑制剂的影响的影响 培养基中存在反响阻遏物或分解阻遏物均能影响酶的培养基中存在反响阻遏物或分解阻遏物均能影

26、响酶的合成，降低发酵产量。合成，降低发酵产量。 有些酶的抑制剂却能提高某些代谢产物的产量，最早有些酶的抑制剂却能提高某些代谢产物的产量，最早利用抑制剂提高中间代谢物产量的例子是甘油发酵中利用抑制剂提高中间代谢物产量的例子是甘油发酵中参加亚硫酸钠。参加亚硫酸钠。 在培养基配制时必须注意参加有益的抑制剂，而防止在培养基配制时必须注意参加有益的抑制剂，而防止混入有害的抑制物。混入有害的抑制物。51金属离子的影响：金属离子的影响：有些种类的发酵生产对金属离子相当敏感，有些种类的发酵生产对金属离子相当敏感，因为有些金属离子是中间代谢酶的因为有些金属离子是中间代谢酶的抑制剂或抑制剂或激活剂。激活剂。对于有

27、重大影响的金属离子必须严格控制。对于有重大影响的金属离子必须严格控制。如：如：柠檬酸发酵中柠檬酸发酵中铁、锰和锌离子铁、锰和锌离子都能明显影响产量；都能明显影响产量； 钙钙离子对细菌淀粉酶的生产有促进作用；离子对细菌淀粉酶的生产有促进作用； 而而钴钴离子对葡萄糖异构酶的发酵是必需的。离子对葡萄糖异构酶的发酵是必需的。52 3.1.2.5 培养基组成物质的营养与作用 自学 碳素化合物碳素化合物 氮素化合物氮素化合物 水水 微量元素微量元素( (无机盐类无机盐类) ) 生长因子生长因子 533.1.2.6 3.1.2.6 培养基确定方法培养基确定方法1 1首先必须做好调查研究工作，了解菌首先必须做

28、好调查研究工作，了解菌种的来源、生活习惯、生理生化特性和一种的来源、生活习惯、生理生化特性和一般的营养要求。般的营养要求。工业生产主要应用工业生产主要应用: :细菌、放线菌、酵母菌细菌、放线菌、酵母菌和霉菌四大类微生物。和霉菌四大类微生物。542 2其次，对生产菌种的培养条件，生物合成的代其次，对生产菌种的培养条件，生物合成的代谢途径，代谢产物的化学性质、分子结构、一般谢途径，代谢产物的化学性质、分子结构、一般提炼方法和产品质量要求等也需要有所了解，以提炼方法和产品质量要求等也需要有所了解，以便在选择培养基时做到心中有数。便在选择培养基时做到心中有数。553 3最好先选择一种较好的化学合成培养

29、基做最好先选择一种较好的化学合成培养基做根底，开始时先做一些摇瓶试验根底，开始时先做一些摇瓶试验; ; 然后进一步做小型发酵罐培养，摸索菌种对然后进一步做小型发酵罐培养，摸索菌种对各种主要有机碳源和氮源的利用情况和产生代各种主要有机碳源和氮源的利用情况和产生代谢产物的能力。谢产物的能力。 注意培养过程中的注意培养过程中的pHpH变化，观察适合于菌变化，观察适合于菌种生长繁殖和适合于代谢产物形成的两种不同种生长繁殖和适合于代谢产物形成的两种不同pHpH，不断调整配比来适应上述各种情况。，不断调整配比来适应上述各种情况。564 4注意每次只限一个变动条件。有了初步结果以后，注意每次只限一个变动条件

30、。有了初步结果以后，先确定一个培养基配比。先确定一个培养基配比。其次再确定各种重要的金属和非金属离子对发酵的影其次再确定各种重要的金属和非金属离子对发酵的影响，即对各种无机元素的营养要求，试验其最高、响，即对各种无机元素的营养要求，试验其最高、最低和最适用量。最低和最适用量。在合成培养基上得出一定结果后，再做复合培养基试在合成培养基上得出一定结果后，再做复合培养基试验。验。最后试验各种发酵条件和培养基的关系。培养基内最后试验各种发酵条件和培养基的关系。培养基内pHpH可由添加碳酸钙来调节，其他如硝酸钠、硫酸铵也可由添加碳酸钙来调节，其他如硝酸钠、硫酸铵也可用来调节。可用来调节。575 5 有些

31、发酵产物，如抗生素等，除了配制培养有些发酵产物，如抗生素等，除了配制培养基以外，还要通过中间补料法，一面对碳及氮的基以外，还要通过中间补料法，一面对碳及氮的代谢予以适当的控制，一面间歇添加各种养料和代谢予以适当的控制，一面间歇添加各种养料和前体类物质，引导发酵走向合成产物的途径。前体类物质，引导发酵走向合成产物的途径。586 6根据生产和科学研究的需要选择培根据生产和科学研究的需要选择培养基养基 发酵工业中大多采用液体培养基培养发酵工业中大多采用液体培养基培养种子和进行液体发酵，并根据微生物对种子和进行液体发酵，并根据微生物对氧气的要求，分别作外表静止培养或深氧气的要求，分别作外表静止培养或深

32、层通气培养。层通气培养。59 实验室或制种车间进行固体培养常采用试管、实验室或制种车间进行固体培养常采用试管、扁瓶和培养皿。扁瓶和培养皿。 工业生产中也常采用固体原料，如小米、工业生产中也常采用固体原料，如小米、大米、铁皮、马铃署等直接制作斜面，或在茄大米、铁皮、马铃署等直接制作斜面，或在茄子瓶外表培养霉菌、放线菌。具有设备简单、子瓶外表培养霉菌、放线菌。具有设备简单、投资少、易推广等优点。投资少、易推广等优点。 大规模生产中，固体培养的缺点是占地面积大规模生产中，固体培养的缺点是占地面积多，劳动强度大，生产稳定性差。多，劳动强度大，生产稳定性差。60(7) (7) 根据经济效益根据经济效益选

33、择培养基原料选择培养基原料 考虑经济节约，尽量少用或不用主粮，努力节约用考虑经济节约，尽量少用或不用主粮，努力节约用粮，或以其他原料代粮。粮，或以其他原料代粮。 糖类是主要的碳源。糖类是主要的碳源。碳源的代用方向碳源的代用方向主要是寻找主要是寻找植物植物淀粉、纤维水解物，以废糖蜜代替淀粉、糊精和葡萄糖，淀粉、纤维水解物，以废糖蜜代替淀粉、糊精和葡萄糖，以工业葡萄糖代替食用葡萄糖。同时，使用稀薄的培养基，以工业葡萄糖代替食用葡萄糖。同时，使用稀薄的培养基，适当减少碳氮配比适当减少碳氮配比; ; 石油作为碳源石油作为碳源的微生物发酵可以的微生物发酵可以生产以粮食为碳源的发酵产品。生产以粮食为碳源的

34、发酵产品。 61 有机氮源的节约和代替有机氮源的节约和代替主要为减少主要为减少或代替黄豆饼粉、花生饼粉、食用或代替黄豆饼粉、花生饼粉、食用蛋白胨和酵母粉等含有丰富蛋白质蛋白胨和酵母粉等含有丰富蛋白质的原料的原料; 代用的原料代用的原料可以是棉籽饼粉、玉米浆、可以是棉籽饼粉、玉米浆、蚕蛹粉、杂鱼粉、黄浆水或麸汁、饲料蚕蛹粉、杂鱼粉、黄浆水或麸汁、饲料酵母、石油酵母、骨胶、菌体、酒糟，酵母、石油酵母、骨胶、菌体、酒糟，以及各种食品工业下脚料等。以及各种食品工业下脚料等。这些代用品大这些代用品大多蛋白质含量丰富，货源充足，价格低廉，便于就地多蛋白质含量丰富，货源充足，价格低廉，便于就地取材，方便运输

35、。取材，方便运输。623.1.2.7 3.1.2.7 正交试验在培养基确定中的应用正交试验在培养基确定中的应用因素因素水平水平玉米粉玉米粉（）（）A豆饼粉豆饼粉（）（）B蛋白胨（）CPHD10.540.55.021.050.65.531.560.76.0正交因素水平表正交因素水平表其它试验设计：单因素试验、均匀设计等其它试验设计：单因素试验、均匀设计等633.1.3 3.1.3 发酵发酵 发酵工艺的类型：发酵工艺的类型：u按培养基分为按培养基分为：固体发酵、液体发酵。：固体发酵、液体发酵。 固体发酵：传统固体发酵：传统酿造食品酿造食品的主要形式。的主要形式。如，白如，白酒的酿造、豆酱等酒的酿造

36、、豆酱等; 液体发酵液体发酵是现代工业发酵的主要形式。是现代工业发酵的主要形式。u按需氧性分为按需氧性分为：厌氧发酵与好氧发酵。：厌氧发酵与好氧发酵。u按按发酵生产中微生物的生长和培养方式分为：发酵生产中微生物的生长和培养方式分为：连连续式发酵、半连续式发酵和分批发酵。续式发酵、半连续式发酵和分批发酵。其中，其中，分批式分批式发酵发酵是工业发酵的主要形式。是工业发酵的主要形式。关于发酵工艺参数的控制，将在关于发酵工艺参数的控制，将在3.33.3中述。中述。64 工业微生物菌种培养的类型工业微生物菌种培养的类型: : u工业微生物的培养法分为静置培养和通气培养工业微生物的培养法分为静置培养和通气

37、培养两大类型。两大类型。u 静置培养法即将培养基盛于发酵容器中，静置培养法即将培养基盛于发酵容器中，在接种后，不通空气进行发酵，又称为嫌气性在接种后，不通空气进行发酵，又称为嫌气性发酵。发酵。u 通气培养法的生产菌种以需氧菌和兼性需通气培养法的生产菌种以需氧菌和兼性需氧菌居多，必须供给空气，以维持一定的溶解氧菌居多，必须供给空气，以维持一定的溶解氧水平，使菌体迅速生长和发酵，又称为好气氧水平，使菌体迅速生长和发酵，又称为好气性发酵。性发酵。u在静置和通气培养两类方法中又可分为液体培在静置和通气培养两类方法中又可分为液体培养和固体培养两大类型，其中每一类型又有外养和固体培养两大类型，其中每一类型

38、又有外表培养与深层培养之分。表培养与深层培养之分。 653.1.4 3.1.4 产物的别离、提取与加工产物的别离、提取与加工插入插入3.4、产物的别离设备中详述。、产物的别离设备中详述。663.2 3.2 微生物发酵动力学微生物发酵动力学( (自学自学3.2.1 3.2.1 发酵动力学概述发酵动力学概述3.2.2 3.2.2 发酵动力学的分类与特点：发酵动力学的分类与特点：67* * 发酵动力学中常用的几个术语掌握发酵动力学中常用的几个术语掌握1 1产物得率与转化率：产物得率与转化率：产物得率：是指每消耗产物得率：是指每消耗1g(1g(或或mo1)mo1)基质所合成基质所合成的产物的产物g g

39、数数( (或或molmol数数) )。这里消耗的基质是指被微。这里消耗的基质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量残留的基质量(S(S。一。一S)S)。 转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。之比。682 2基质比消耗速率基质比消耗速率(qs g(qs g(或或mo1)mo1)g g菌体菌体h)h)：系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。表示细胞对营养物质利用的速率或效率。693 3产物比生产速率产物

40、比生产速率(qp(qp，g(g(或或mo1)mo1)g g菌体菌体h)h)：系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速度或能力，可以作为判断微生细胞合成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。物合成代谢产物的效率。704 4发酵周期发酵周期* *：实验周期是指接种开始至培养结：实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时间。束放罐这段时间。 但在工业生产上计算劳动生产率时那么还应但在工业生产上计算劳动生产率时那么还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间把发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间也计算在内。即从第一罐接种

41、开始也计算在内。即从第一罐接种开始发酵结束发酵结束第二次接种开始前这段时间为一个发酵周期第二次接种开始前这段时间为一个发酵周期生产周期。这样才能正确反映发酵设备的利用效生产周期。这样才能正确反映发酵设备的利用效率。率。71* 3种培养方式：种培养方式：分批发酵、连续发酵、补料分分批发酵、连续发酵、补料分批发酵。批发酵。目前工业发酵中目前工业发酵中主要采用的培养方式：主要采用的培养方式：分批发酵，或补料分批式操作。分批发酵，或补料分批式操作。72* * 分批发酵法：分批发酵法： 概念：分批发酵是指在一封闭培养系概念：分批发酵是指在一封闭培养系统内具有初始限制量基质的一种发酵方统内具有初始限制量基

42、质的一种发酵方式。底物一次装入罐内，在适宜条件下式。底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反响，经过一定时间后将全部接种进行反响，经过一定时间后将全部反响系取出。反响系取出。食品发酵多属于此食品发酵多属于此发酵工业中常见的分批方法是采用单发酵工业中常见的分批方法是采用单罐深层培养法，每一个分批发酵过程都罐深层培养法，每一个分批发酵过程都经历接种经历接种生长繁殖生长繁殖菌体衰老菌体衰老结束结束发酵发酵提取出产物。提取出产物。这一过程中在某些培养液的条件支配这一过程中在某些培养液的条件支配下，微生物经历着由生下，微生物经历着由生死的一系列变死的一系列变化阶段，在各个变化的进程中都受到菌化阶段，在各

43、个变化的进程中都受到菌体本身特性的制约，也受周围环境的影体本身特性的制约，也受周围环境的影响。响。 73 分批发酵的特点：分批发酵的特点： 微生物所处的环境是不断变化的；微生物所处的环境是不断变化的； 可进行少量多品种的发酵生产；可进行少量多品种的发酵生产； 发生杂菌污染能够很容易终止操作；发生杂菌污染能够很容易终止操作； 当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易改变处理对策；改变处理对策； 对原料组成要求较粗放。对原料组成要求较粗放。74四个阶段：四个阶段：调整期、对数生长期、稳定期和衰亡期调整期、对数生长期、稳定期和衰亡期 分批培养过程中分批培养过程

44、中细胞生长曲线：细胞生长曲线：75* * 3.3 3.3 发酵工艺控制发酵工艺控制 发酵成功的发酵成功的两大制约因素两大制约因素优良的种子优良的种子控制良好的工艺条件参数控制良好的工艺条件参数发酵过程的控制发酵过程的控制76 控制工艺参数：控制工艺参数：物理参数温度、压力、搅物理参数温度、压力、搅拌速度等拌速度等生化参数菌体浓度、生化参数菌体浓度、O2O2浓度浓度PHPH等等77 3.3.1 3.3.1 温度温度3.3.2 PH3.3.2 PH3.3.3 3.3.3 溶解溶解O O2 2浓度浓度3.3.4 CO3.3.4 CO2 23.3.5 3.3.5 基质基质3.3.6 3.3.6 泡沫泡

45、沫3.3.7 3.3.7 染菌的控制染菌的控制3.3.8 3.3.8 发酵终点发酵终点根本参数的控制：根本参数的控制：783.3.1 3.3.1 温度温度 3.3.1.1 3.3.1.1 温度概述：温度概述：对于微生物来说，温度直接影响其生长和合成对于微生物来说，温度直接影响其生长和合成酶。酶。 随着温度的增高有可能遭受不可逆的破坏。随着温度的增高有可能遭受不可逆的破坏。微生物可生长的温度范围较广，总体说在微生物可生长的温度范围较广，总体说在-10-109595。任何微生物的生长都需要有最适的生长温度。任何微生物的生长都需要有最适的生长温度。筛选和培养耐高温的菌种有一定的生产现实意筛选和培养耐

46、高温的菌种有一定的生产现实意义。有何意义？义。有何意义？79 3.3.1.2 3.3.1.2 温度与发酵热有关：温度与发酵热有关：(1) (1) 发酵热：指发酵过程中释放的净热量。发酵热：指发酵过程中释放的净热量。Q Q总发酵热总发酵热=Q=Q生物热生物热+Q+Q搅拌热搅拌热+Q+Q蒸发热蒸发热+Q+Q辐射辐射热热生物热：指微生物代谢分解底物所产生能生物热：指微生物代谢分解底物所产生能量中的以热形式散发出的那局部热量另一局量中的以热形式散发出的那局部热量另一局部那么以部那么以ATPATP形式贮存。生物热使发酵环境形式贮存。生物热使发酵环境升温。升温。搅拌热：指由于机械搅拌通气培养引搅拌热：指由

47、于机械搅拌通气培养引起液体、设备间摩擦生热。也使温度上升。起液体、设备间摩擦生热。也使温度上升。蒸发热：因水分蒸发带走的热量。它使温蒸发热：因水分蒸发带走的热量。它使温度下降。度下降。辐射热：当发酵液温度高于周围环境时，辐射热：当发酵液温度高于周围环境时，发酵液向罐外辐射热量。罐内外温差越大，辐发酵液向罐外辐射热量。罐内外温差越大，辐射热越大。它使发酵液温度下降。射热越大。它使发酵液温度下降。(2) (2) 发酵热的测量与计算：食工原理内容发酵热的测量与计算：食工原理内容, ,自学自学803.3.1.3 3.3.1.3 发酵中的发酵中的温度控制温度控制：1)1)发酵过程中的温度变化：发酵过程中

48、的温度变化： 初期初期低低，中期升，中期升高高，后期下，后期下降降。 可实行可实行变温控制变温控制： 2)2)发酵最适温度：发酵最适温度：最适合发酵微生物生长和产物生最适合发酵微生物生长和产物生成的温度。因菌种、培养条件、产物而异。成的温度。因菌种、培养条件、产物而异。3)3)控制方法：控制方法：加热、保温、降温设备如夹套。加热、保温、降温设备如夹套。813.3.2 pH3.3.2 pH值值 概述：概述：培养基中的培养基中的pHpH值与微生物生命活动有着密切关系，值与微生物生命活动有着密切关系，各种微生物有其可以生长的和最适生长的各种微生物有其可以生长的和最适生长的pHpH范围。范围。 微生物

49、通过其活动也能微生物通过其活动也能改变改变环境的环境的pHpH值。值。 发酵发酵过程中，控制发酵液的过程中，控制发酵液的pHpH值是值是控制生产的指标之控制生产的指标之一一，pHpH值过高、过低都会影响微生物的生长繁殖值过高、过低都会影响微生物的生长繁殖以及代谢产物的积累。以及代谢产物的积累。控制控制pHpH值不但可以保证微生物良好的生长，而且值不但可以保证微生物良好的生长，而且可以可以防止杂菌的污染防止杂菌的污染。82 PH PH对微生物发酵的影响方式：对微生物发酵的影响方式：- -影响酶活性；影响酶活性；- -影响膜电荷与膜透性；影响膜电荷与膜透性；- -影响物质的解离形式与代谢利用的速度

50、；影响物质的解离形式与代谢利用的速度；- -影响氧溶解、氧化复原电位等。影响氧溶解、氧化复原电位等。 最终影响微生物生长和发酵产物的生成。最终影响微生物生长和发酵产物的生成。83 发酵过程中的发酵过程中的PHPH控制掌握控制掌握采用适宜的培养基配比，调节培养基的原采用适宜的培养基配比，调节培养基的原始始PH PH C C：N N适宜适宜 生理酸性物质和生理碱性物质比例适宜生理酸性物质和生理碱性物质比例适宜 添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐同时可添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐同时可作为营养成分作为营养成分 在发酵过程中直接补加酸或碱在发酵过程中直接补加酸或碱 过去流加硫酸或氢氧化钠，过去流加硫酸或氢氧

51、化钠， 现采用补加氨水、尿素、硫酸铵现采用补加氨水、尿素、硫酸铵 在发酵过程中调节补糖速度控制在发酵过程中调节补糖速度控制pH pH 应急调节：搅拌通风、变温、加消泡剂或应急调节：搅拌通风、变温、加消泡剂或加糖等。加糖等。843.3.3 溶解溶解O2 溶解氧溶解氧(DO-Dissolved Oxygen) ：指溶解于：指溶解于1升升水中的分子氧的含量水中的分子氧的含量, 用毫克用毫克(氧氧)/升表示。升表示。 DO与微生物的关系概述：与微生物的关系概述：微生物对氧的需要不同，是由于获得能量的代微生物对氧的需要不同，是由于获得能量的代谢方面的差异所至。好气性菌主要是有氧呼谢方面的差异所至。好气性

52、菌主要是有氧呼吸或氧化代谢，厌气菌为厌气发酵，兼性厌吸或氧化代谢，厌气菌为厌气发酵，兼性厌气菌那么两者兼而有之。气菌那么两者兼而有之。 不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对通风量的要求也不相同。通风量的要求也不相同。工业发酵菌种多为好氧菌。工业发酵菌种多为好氧菌。85 好气培养中好气培养中通风和搅拌通风和搅拌的的 通气作用：通气作用： 通气可以供给大量的氧。通气可以供给大量的氧。通气量与菌种、培养基性质、培养阶段通气量与菌种、培养基性质、培养阶段有关。有关。通气量的多少，最好按氧溶解的多少来通气量的多少，最好按氧溶解的多少来决定。只有氧溶解的速度大于菌体

53、的吸决定。只有氧溶解的速度大于菌体的吸氧量时，菌体才能正常地生长和合成酶。氧量时，菌体才能正常地生长和合成酶。86 搅拌那么能使新鲜氧气更好地与培养液混搅拌那么能使新鲜氧气更好地与培养液混合，保证氧的最大限度溶解，并且搅拌有利于合，保证氧的最大限度溶解，并且搅拌有利于热交换，使培养液的温度一致，还有利于营养热交换，使培养液的温度一致，还有利于营养物质和代谢物的分散。物质和代谢物的分散。 此外，设置挡板，那么有助于搅拌，使其效此外，设置挡板，那么有助于搅拌，使其效果更好。果更好。87 临界氧浓度：临界氧浓度：不影响微生物呼吸时的不影响微生物呼吸时的最低溶最低溶解氧解氧浓度。浓度。 与菌种、温度、

54、培养基组分等有关。与菌种、温度、培养基组分等有关。 氧临界值以下，氧是微生物生长的限制因素；氧临界值以下，氧是微生物生长的限制因素；最适合代谢产物合成的最适合代谢产物合成的DODO不同于临界氧浓度，过不同于临界氧浓度，过高的溶解氧不一定有利于产物的积累。高的溶解氧不一定有利于产物的积累。问题：如果问题：如果微生物的临界溶氧浓度很小，是否意微生物的临界溶氧浓度很小，是否意味着发酵过程中氧很容易满足？味着发酵过程中氧很容易满足？ 88 发酵过程中的发酵过程中的溶解氧变化与控制：溶解氧变化与控制：变化特点：微生物和设备确定时，变化特点：微生物和设备确定时，前期前期微生物生微生物生长旺盛，呼吸强、长旺

55、盛，呼吸强、耗氧多耗氧多，DODO下降快下降快；随着；随着中后期中后期生生长的减缓，呼吸强度变化不大，长的减缓，呼吸强度变化不大，DODO变化小变化小；到；到后期后期菌菌体衰亡，呼吸减弱，体衰亡，呼吸减弱，DODO值上升值上升明显明显。89发酵设备瓶、罐的供氧能力与工艺中的控发酵设备瓶、罐的供氧能力与工艺中的控制方法：制方法：双膜理论的传质公式：双膜理论的传质公式： ( *)lNvK a cc(C*-C)和和Kl是是影响发酵过程中供氧的影响发酵过程中供氧的2个主要因素个主要因素。详细参考复习详细参考复习?食品工程原理食品工程原理?相关内容。相关内容。90提高提高C C* *或降低或降低C C，

56、可提高，可提高(C(C* *-C)-C)。实际操作。实际操作中均有较大的局限性。中均有较大的局限性。klkl反映了设备的供氧能力。调节反映了设备的供氧能力。调节klkl是是最常用的方法。最常用的方法。发酵工艺上的具体控制方法：发酵工艺上的具体控制方法：1 1提高搅拌效率；提高搅拌效率；2 2适当增加通风量适当增加通风量+ +提高搅拌效率；提高搅拌效率； 3 3适当提高罐压适当提高罐压+ +富集氧吸附氮；富集氧吸附氮；4 4降低发酵液的浓度与黏度可加无菌水降低发酵液的浓度与黏度可加无菌水稀释；稀释；5 5机械消泡或化学消泡处理，降低氧传质机械消泡或化学消泡处理，降低氧传质阻力；阻力；6 6采用径

57、高比小的发酵罐或大型发酵罐。采用径高比小的发酵罐或大型发酵罐。91 发酵液中发酵液中供氧和需氧供氧和需氧始终处于一个动态的平始终处于一个动态的平衡中。衡中。 溶氧溶氧控制的控制的整体策略整体策略：前期保证大于临溶氧：前期保证大于临溶氧浓度，可以尽量高；中后期满足产物的形成，因浓度，可以尽量高；中后期满足产物的形成，因为过高为过高DODO不一定有利。不一定有利。 在线监控：在线监控：化学法、压力法、极谱法，覆膜氧电化学法、压力法、极谱法，覆膜氧电极法等。极法等。 923.3.4 CO3.3.4 CO2 2和呼吸熵和呼吸熵 CO2来自于代谢基质或代谢产物。来自于代谢基质或代谢产物。 对细胞的影响机制：对细胞的影响机制： 影响细胞膜的结构。位于膜脂质中的影响细胞膜的结构。位于膜脂质中的CO2到达一到达一定浓度时，通过改变膜电荷和膜流动性，使膜运定浓度时，通过改变膜电荷和膜流动性，使膜运输受阻，细胞生长受抑；输受阻，细胞生长受抑； 其次，发酵液中其次，发酵液中CO2形成碳酸，改变形成碳酸，改变PH，影响代，影响代谢。谢。93 呼吸熵呼吸熵(RQ): 指呼吸时释放的指呼吸时释放的COCO2 2与消耗的与消耗的O O2 2的分子数的分子数之比之比( (或体积之比或体积之比) ) 。943.3.5 3.3.5 基质的控制基质