发酵工艺第三篇1

1、发酵的全过程发酵的全过程培养基培养基第一节 概述一、概念 培养基：供给微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的按一定比例配制的多种营养物质的混合物。二、培养基条件与微生物生理和形态的关系1.培养基条件可改变细胞表面组成而影响菌体形态 2.培养基组成可改善细胞的通透性三、配制工业发酵培养基的要求1.营养物质组成丰富、恰当2.原材料理化性质稳定3.粘度适中，具有适当的渗透压4.利于产物的生物合成，并能保持较高的生产速率5.产物易于分离提取，废液废渣易于处理6.原料因地制宜，质优价廉第二节 培养基的成分和种类一、微生物细胞的化学组成细菌酵母霉菌水分蛋白质碳水化合物类脂物质核酸无机盐7585508

2、012285201020230708032752763215683.87859014157404401612二、培养基的成分碳源糖、脂肪、有机酸、碳氢化合物氮源有机氮源（黄豆粉）、无机氮源无机盐和微量元素 无机盐、微量元素水深井水、自来水、地表水前体例如：苯乙酸、外源性前体消泡剂植物或动物油脂、高分子化合物其他成分生长因子、促进剂、抑制剂三、培养基的种类与选择1.种类按培养基组分分类：合成、天然按用途分类：孢子、种子、发酵、鉴别、分离等A.孢子培养基：B.种子培养基C.发酵培养基2.培养基设计3.培养基的筛选第三节 影响培养基质量的因素1.原材料质量的影响工业用原材料多为有机成分，质量难以控制

3、2.水质影响3.灭菌影响： 糖，无机盐4.其他影响因素： pH 值、粘度灭菌灭菌第一节 灭菌的基本原理1.概念灭菌：用化学的和物理的方法杀灭或除掉无聊或设备中所有所有的有生命的有机体的工艺过程。灭菌的方法主要有：化学灭菌、辐射灭菌、干热灭菌、湿热灭菌2.湿热灭菌的原理（1）概念致死温度：杀死微生物的极限温度。致死时间：在致死温度下，杀死全部微生物所用的时间。热阻：微生物在某一特定条件下（主要指温度和加热方式）的致死时间。（2）灭菌的指标（3）对数残留定律第二节 培养基和发酵设备的灭菌一、培养基灭菌温度的选择1. 影响灭菌条件选择的因素温度/ 灭菌时间/min养分的破坏/%10011012013

4、0140150400300400.50.080.0199.3672782C长临4.培养条件5.有毒产物的形成与积累例如：CO2、NH3等3.发酵液理化性质6.挥发性中间产物的损失 如糖代谢中，挥发性有机酸因大量通气而引起损失，也会影响呼吸代谢。第二节 氧在溶液中的传递一、氧传递的阻力二、双膜理论三、氧的传递方程式 N= KLa（ C* -CL）(1)当发酵液中的溶解氧浓度不是限制因素： N= Qm X = .(2)当发酵液中的溶氧浓度不随时间变化时： KLa（ C* -CL）= Qm X = Kla = /（ C* -CL）(3)第三节 发酵液的流变学一、液流类型 流体动力粘度（）：剪切力T与

5、剪切速度之间的比值。 = T / 1.牛顿型流体2.平汉塑性流体3.拟塑性流体和涨塑性流体二、发酵液的流变学第四节 影响供氧的因素一、影响氧传递推动力的因素1.提高C* 的方法降低温度、降低营养物质含量、提高氧分压等，最可行的就是采用富集氧的方法。2.降低CL二、影响Kla的因素1.搅拌a.搅拌的作用b.搅拌功率2.空气流速空气流速增大，可提高Kla，但过大则不利于空气在罐内的分散与停留，在发酵过程中应使搅拌轴附近的液面没有大气泡逸出4.泡沫的影响泡沫的产生将影响微生物的呼吸，可使用适量的消泡剂。5.空气分布器形式与发酵罐结构现在的生产中多采用多孔环型鼓泡器第五节 Kla的测定一、 CL的测定

6、二、摄氧率的测定三、 Kla的测定1.亚硫酸盐法利用氧化还原反应测定。2.取样法发酵液中的溶氧可用极谱仪来测定3.排气法4.直接测定法5.动态测定法6.覆膜氧电极法发酵动力学发酵动力学第一节 概述一、发酵动力学研究的内容二、研究的方法1.宏观处理法 2.质量平衡法三、发酵动力学与过程优化控制第二节 质量与能量平衡一、得率与维持因数1.维持因数维持：活细胞群体在没有实质性的生长和没有胞外代谢产物合成情况下的生命活动维持代谢：用于“维持”的物质代谢。维持因数：单位质量干菌体在单位时间内因维持代谢消耗的基质量。2.生长得率生长得率：菌体的生长量相对于基质消耗量的收得率。生长得率分为理论生长得率（Yg

7、s）和实际生长得率（Yx/s），一般Ygs Yx/s3.产物得率分为：理论和实际得率4.实际得率与菌体生长速率的关系公式二、有机化合物中的化学能三、发酵过程的化学计量式四、质量平衡1.碳平衡 2.氮平衡 3.基质平衡 4.氧平衡5.CO2平衡五、能量平衡六、质量平衡与能量平衡的统一第三节 微生物生长与产物合成动力学一、微生物生长动力学1.Monod方程2.其他生长动力学方程A.双基质限制生长动力学B.基质抑制生长动力学C.产物抑制生长动力学D.Contois方程式二、产物合成动力学第四节 发酵过程动力学模拟与优化一、分批发酵1.简单分批发酵简单分批发酵：将全部物料一次投入，经过若干时间的发酵后

8、，将发酵液一次放出的操作类型。2.补料分批发酵这类操作可分为两个阶段：简单分批发酵的生长阶段和补料分批发酵的生产阶段。3.反复补料分批发酵可分为三个阶段：简单分批发酵阶段，补料分批发酵阶段，反复补料分批发酵阶段二、连续发酵1.概述A.设备与条件控制B.优缺点2.基本动力学方程式A.生长限制基质浓度与菌体 浓度B.菌体产率C.代谢产物浓度与产率D.临界稀释率3.连续发酵操作点的选择三、动力学参数的确定1.Monod方程式中m和Ks的确定2.维持因数ms和得率常数Ygs、Yps的确定四、补料分批发酵过程的优化1.微生物生长模型的建立发酵工艺的控制发酵工艺的控制第一节 发酵过程的主要控制参数一、研究

9、发酵过程控制的意义二、物理参数1.温度 2.压力 3.搅拌转数 4.搅拌功率5.空气流量 6.粘度 7.浊度 8.料液流量三、化学参数1.pH 2.基质浓度 3.溶解氧浓度 4.氧化还原电位 5.产物的浓度 6.废气中的氧浓度7.废气中的CO2浓度四、生物参数1.菌丝形态 2.菌体浓度 3.菌体比生长速率第二节 发酵过程中的代谢变化一、概述1.代谢曲线：根据发酵过程中菌体生长、发酵参数、产物形成速度随时间变化的过程绘制成的曲线。2.发酵类型的分类：A.生长期和产物形成期不分开B.形成次级代谢产物C.初级代谢和产物形成完全分开二、初级代谢的代谢变化三、次级代谢的代谢变化次级代谢的代谢变化一般分为

10、菌体生长、产物合成和菌体自溶3个阶段1.菌体生长阶段2.产物合成阶段3.菌体自溶阶段第三节 菌体浓度的影响和控制一、菌体浓度对发酵的影响1.菌体浓度2.菌体浓度对发酵的影响A、菌体浓度的大小与生长速度密切相关B、菌体浓度对发酵产物的产率密切相关二、菌体浓度的控制1、以菌体作为产品的菌体浓度的控制2、以代谢产物作为产品的菌体浓度的控制?第四节 基质的影响及控制一、碳源种类、浓度的影响和控制二、氮源种类、浓度的影响和控制1.补加有机氮源2.补加无 机氮源三、磷酸盐浓度的影响和控制第五节第五节 温度的影响和控制温度的影响和控制一、温度对发酵的影响1.酶反应速率和蛋白质性质2.发酵液的物理性质3.代谢

11、产物的方向4.多组分次级代谢产物的组分比例5.微生物代谢调控机制二、影响发酵温度变化的因素1.生物热 2.搅拌热 3.蒸发热 4.辐射热三、温度的控制1.最适温度的选择 在工业发酵中，常只采用一个较合适的温度，在可能的条件下，适当调整2.温度的控制第六节第六节 pH的影响和控制的影响和控制一、 pH对发酵的影响1.pH影响代谢活动的机理2. pH对产物稳定性的影响二、 pH的变化1.菌体有一定的调节能力2.物质代谢的影响三、发酵pH的确定和控制1.发酵 pH的确定2. pH的控制第七节第七节 溶氧的影响和控制溶氧的影响和控制一、溶氧的影响1.对菌体生长和产物的性质及产量的影响2.溶氧的确定二、

12、发酵过程的溶氧变化1.发酵过程的溶氧变化：菌体生长，溶氧下降(前期)溶氧较稳定(中后期) 菌体衰老，溶氧上升(后期)2.引起溶氧异常的原因三、溶氧浓度的控制第八节第八节 CO2的影响及控制的影响及控制一、 CO2的影响1. CO2的影响2. CO2对细胞的作用机理二、 CO2浓度的控制其控制随它对发酵的影响而定第九节第九节 补料的作用和控制补料的作用和控制一、补料分批培养（FBC）的优点和应用1.FBC：在分批培养过程中，间接或连续补加一种或多种成分的新鲜培养基的方法2.优点二、FBC的作用1.控制抑制性底物的浓度2.解除或减弱分解产物阻遏3.使发酵过程最佳化三、FBC的补料方式和控制1.补料

13、方式2.控制系统A. 反馈控制系统B. 无反馈控制系统补料方式每次流加发酵体积反应器数目培养基成分补料方式连续流加快速 变体积单级单组分补料不连续流加恒速多周期流加指数速率恒体积多级多组分补料变速第十节第十节 泡沫的影响和控制泡沫的影响和控制一、泡沫的分类液面上的泡沫，流态泡沫二、起泡的方式三、泡沫对发酵的影响四、泡沫的控制1.调整培养基中的成分2.机械消沫或消沫剂消沫A.机械消沫B.消沫剂消沫：表面活性剂、天然油脂、聚醚类消泡剂等第十一节第十一节 发酵终点的判断发酵终点的判断1.经济因素提高发酵生产率，降低成本2.产品提炼质量因素3.特殊因素几种主要抗生素发酵pH控制范围品种最适pH产物合成

14、pH青霉素链霉素四环素土霉素红霉素灰黄霉素庆大霉素6.5-6.96.3-6.66.1-6.66.0-6.66.6-7.06.4-7.06.5-7.06.2-6.86.7-7.35.9-6.35.8-6.16.8-7.16.2-6.56.8-7.5大豆发酵饮料大豆发酵饮料1.大豆中的营养物质大豆中的营养物质2.酸豆奶的工艺流程酸豆奶的工艺流程大豆大豆去种皮去种皮浸泡浸泡磨浆磨浆除臭除臭均质均质配料配料*接种接种发酵发酵冷却冷却冷藏冷藏成品成品发酵过程检测与自控发酵过程检测与自控第一节第一节 发酵过程检测发酵过程检测一、概述1.检测的目的2.检测的方法3.分批发酵过程中，各种变量检测系统的配置(p

15、190)二、发酵传感器（一）发酵过程对传感器的要求1.可靠性 2.准确性 3.精确度 4.响应时间5.分辨能力 6.灵敏度 7.测量范围 8.特异性9.可维修性 10.特殊要求（二）发酵传感器的分类1.按测量方式A.离线传感器 B.在线传感器 C.原位传感器2.按测量原理A.力敏元件 B.热敏元件C.光敏元件 D.磁敏元件E.电化学传感器（三）发酵过程的主要传感器1.PH：常采用可原位灭菌的复合PH传感器2.溶氧： 一般采用复膜溶氧探头，其实际测量的是氧分压，与溶氧浓度并不直接相关，故测量结果称为溶氧压（DOT）3.氧化还原电位4.溶CO2（四）发酵检测用新型传感器1.离子选择电极原理：能对某种离子成特异反应优缺点：灵敏度高，但不能蒸汽灭菌，膜易被发酵液中蛋白质和细胞阻塞，因而难于在线应用。2.生物传感器原理：将生物学敏感材料固定化，把它与适当的转换系统相连，就可以将生物信号转化为电信号组成：由三部分组成三、其他重要检测技术（一）生物量分析1.干细胞浓度 2.DNA含量 3.沉降量或压缩细胞体积 4.粘度 5.浊度6.过滤探头 7.荧光（二）尾气分析1.红外CO2分析仪 2.顺磁O2分析仪3.质谱：优点、分类及注意事项（三）发酵液成分分析四、发酵过程检测的可靠性1.各种传感器和仪器的可靠性2.分析数据的确认A.校准B.数据解析C.噪声分析第二节第