发酵与酿造工程学基础及主要设备PPT学习教案

1、会计学1发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵与酿造工程学基础及主要设备发酵罐容积(L)搅拌转速范（r/min）备注32002000实验室研究101501000实验室，小试50100800中试20050400中试或生产1000025200生产5000025160生产第1页/共76页第2页/共76页第3页/共76页第4页/共76页第5页/共76页第6页/共76页第7页/共76页（二）控制方式（二）控制方式 一般检控系统包括一般检控系统包括3个部分。个部分。 1测定元件：如温度计、压力表、电流计、测定元件：如温度计、压力表、电流计、pH计计直接测定发酵过程的各种参数，并输出相应信号。直接测定发酵过程的

2、各种参数，并输出相应信号。 2控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种控制部分：其功能主要是将测定元件测出的各种参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指令参数信号与预先确定值进行比较，并且输出信号指令执行元件进行调整控制。执行元件进行调整控制。 3执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭执行元件：它接受控制部分的指令开启、或关闭有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达有关阀门、泵、开关等调节控制机构，使有关参数达到预定位置。到预定位置。 手动控制和自动控制手动控制和自动控制第8页/共76页第9页/共76页第10页/共76页1.温度对生长的影响温度对生长的影响 不同微生物的生长对温

3、度的要求不同，根据它们不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于对温度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0260C生长，嗜温菌适应于生长，嗜温菌适应于15430C生长，嗜热菌适应于生长，嗜热菌适应于37650C生长，嗜高温菌适应于生长，嗜高温菌适应于650C以上生长以上生长 （一）温度对发酵的影响（一）温度对发酵的影响第11页/共76页 每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超过最低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死

4、亡；在最低温度范围内微最高温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。生物尚能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而在最低和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最增加，超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最后停止生长，引起死亡。后停止生长，引起死亡。 微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高温微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温度，微生物代谢受到很度，微生物很快死亡；低于最低温度，微

5、生物代谢受到很大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。大抑制，并不马上死亡。这就是菌种保藏的原理。第12页/共76页2、温度对发酵的影响：、温度对发酵的影响： 温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，影响发酵液的理化性方向，影响微生物的代谢调控机制，影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。质，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。 发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解吸收速率等，都受温度变化的影响

6、速率、某些基质的分解吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。 例如四环素产生菌例如四环素产生菌金色链霉菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环同时产生金霉素和四环素，当温度低于素，当温度低于30 时，这种菌合成金霉素能力较强；温时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到35 时，金时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。霉素的合成几乎停止，只产生四环素。第13页/共76页（二）最适温度的选择（二）最适温度的选择1 1、根据菌种及生长阶段选择、根据菌种及生长阶段

7、选择微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。要求的温度范围也不同。如黑曲霉生长温度为如黑曲霉生长温度为37 ，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为3032 ，青霉菌生长温度为青霉菌生长温度为30 。第14页/共76页 发酵前期发酵前期，由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌，由于菌量少，发酵目的是要尽快达到大量的菌体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速；体，取稍高的温度，促使菌的呼吸与代谢，使菌生长迅速； 发酵中期发酵中期，菌量已达到合成产物的最适量，发酵需要延长中期，菌量已达到合成

8、产物的最适量，发酵需要延长中期，从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因从而提高产量，因此中期温度要稍低一些，可以推迟衰老。因为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比为在稍低温度下氨基酸合成蛋白质和核酸的正常途径关闭得比较严密有利于产物合成。较严密有利于产物合成。 发酵后期发酵后期，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，产物合成能力降低，延长发酵周期没有必要，就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段就又提高温度，刺激产物合成到放罐。如四环素生长阶段28 ，合成期，合成期26 后期再升温；黑曲霉生长后期再升温；黑曲霉生长37 ，产糖化酶，产糖化酶3234

9、。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸。但也有的菌种产物形成比生长温度高。如谷氨酸产生菌生长产生菌生长3032 ，产酸，产酸3437 。最适温度选择要根。最适温度选择要根据菌种与发酵阶段做试验。据菌种与发酵阶段做试验。l根据生长阶段选择根据生长阶段选择第15页/共76页2 2、根据培养条件选择、根据培养条件选择 温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。温度选择还要根据培养条件综合考虑，灵活选择。通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。溶氧浓度也可髙些。 培养基稀薄时，温度也该低些。因为温度高营养利培养基稀薄时，

10、温度也该低些。因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。用快，会使菌过早自溶。第16页/共76页3 3、根据菌生长情况、根据菌生长情况 菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营慢，维持较高温度时间可长些。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。菌的生长。 总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度。第17

11、页/共76页（三）发酵过程引起温度变化的因（三）发酵过程引起温度变化的因素素1.1.发酵热发酵热Q Q发酵发酵 发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。 所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。什所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数带走热量。这各种产生的热量和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的

12、温度上升。发酵和就叫做净热量。发酵热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。热大，温度上升快，发酵热小，温度上升慢。 Q发酵发酵Q生物生物Q搅拌搅拌Q蒸发蒸发Q辐射辐射第18页/共76页（1 1）生物热）生物热Q Q生物生物 在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用物质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合成高能化合物（如于合成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产）提供细胞合成和代谢产物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出物合成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来

13、，这散发出来的热就叫生物热。来，这散发出来的热就叫生物热。第19页/共76页l 培养过程中生物热的产生具有培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性强烈的时间性。 培养初期培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢，产生热量较少。产生热量较少。 培养中期培养中期，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，菌体繁殖迅速，呼吸作用激烈，菌体也较多，所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。所以产生的热量多，温度上升快，必须注意控制温度。 培养后期培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内的酶系进行代谢作用，产生热量不

14、多，温度变化不大，且逐酶系进行代谢作用，产生热量不多，温度变化不大，且逐渐减弱。渐减弱。 如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵如果培养前期温度上升缓慢，说明菌体代谢缓慢，发酵不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外不正常。如果发酵前期温度上升剧烈，有可能染菌，此外培养基营养越丰富，生物热也越大。培养基营养越丰富，生物热也越大。第20页/共76页（2 2）搅拌热）搅拌热Q Q搅拌搅拌 在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发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

15、生可观的热量。备之间的摩擦，产生可观的热量。（3 3）蒸发热）蒸发热Q Q蒸发蒸发 通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量叫蒸发热。的热量叫蒸发热。（4 4）辐射热）辐射热Q Q辐射辐射 发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。过罐体向外辐射。辐射热的大小取决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的冬天大一些，夏天小一些，一般不超过发酵热的5。第21页/共76页（5）发酵热的测定）发酵热的测定 有三种发酵热测定的方法。

16、一种是用冷却水进出有三种发酵热测定的方法。一种是用冷却水进出口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却口温度差计算发酵热。在工厂里，可以通过测量冷却水进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量水进出口的水温，再从水表上得知每小时冷却水流量来计算发酵热。来计算发酵热。 另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让另一种是根据罐温上升速率来计算。先自控，让发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温发酵液达到某一温度，然后停止加热或冷却，使罐温自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。自然上升或下降，根据罐温变化的速率计算出发酵热。 还有就是根据化合物的燃烧值估算发酵过程生物还有就是根

17、据化合物的燃烧值估算发酵过程生物热的近似值。热的近似值。第22页/共76页第23页/共76页在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。冷却介质：深井水或冷冻水冷却介质：深井水或冷冻水控制方式：手动控制或自动控控制方式：手动控制或自动控制制 温度温度计计温度控制器温度控制器调节阀调节阀第24页/共76页第25页/共76页第26页/共76页第27页/共76页第28页/共76页第29页/共76页第30页/共76页第31页/共76页第32页/共76页第33页/共76页恒定。恒定。第34页/共76页第35页/共76页（1）pH影响酶的活性。当影响酶的活性

18、。当pH值抑制菌体某些酶的值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻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值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，值影响培养基某些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从而影响微生物对这些物质的利用 （4 4）pHpH影响代谢方向影响代谢方向 pHpH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的不同，往

19、往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。例如黑曲霉在质量和比例发生改变。例如黑曲霉在pH2-3pH2-3时发酵产时发酵产生柠檬酸，在生柠檬酸，在pHpH近中性时，则产生草酸。近中性时，则产生草酸。谷氨酸发酵，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在谷氨酸发酵，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酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-N-乙酰谷氨酰胺乙酰谷氨酰胺第36页/共76页(5)pH(5)pH在微生物培养的不同阶段有不同的影响在微生物培养的不同阶段有不同的影响 生长合成pH对菌体生长影响比产物合成影响小对菌体生长影响比产物合成影响小例例 青霉素：菌体生长最

20、适青霉素：菌体生长最适pH3.56.0,产物合成最适产物合成最适pH7.27.4 四环素：菌体生长最适四环素：菌体生长最适pH6.06.8，产物合成最适，产物合成最适pH5.86.0XpH四环素四环素第37页/共76页第38页/共76页第39页/共76页第40页/共76页第41页/共76页第42页/共76页第43页/共76页第44页/共76页pH的控制系统的控制系统pH电极电极设定设定控制器控制器调节阀调节阀6.5pHUncontrolledControlled经消毒的pH电极装入发酵罐内定时直接测定培养基的pH，同时还可以与控制仪表连结，通过回路系统控制阀门或泵进行pH调节。第45页/共76

21、页第46页/共76页第47页/共76页第48页/共76页第49页/共76页第50页/共76页第51页/共76页第52页/共76页第53页/共76页第54页/共76页第55页/共76页第56页/共76页第57页/共76页第58页/共76页第59页/共76页（一）泡沫形成的原因（一）泡沫形成的原因1.1.气液接触气液接触 因为泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡因为泡沫是气体在液体中的粗分散体，产生泡沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只沫的首要条件是气体和液体发生接触。而且只有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量有气体与液体连续、充分地接触才会产生过量的泡沫。气液接触大致有以下两类情况：的泡

22、沫。气液接触大致有以下两类情况： （1）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入）气体从外部进入液体，如搅拌液体时混入气体气体 （2）气体从液体内部产生。气体从液体内部产）气体从液体内部产生。气体从液体内部产生时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。生时，形成的泡沫一般气泡较小、较稳定。第60页/共76页2 2、含助泡剂、含助泡剂在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种在纯净的气体、纯净的液体之外，必须存在第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质，才能产生气泡。对纯净液体来说，这第三种物质是助泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界物质是助泡剂。当形成气泡时，液体中出现气液界面，这些助泡

23、剂就会形成定向吸附层。与液体亲和面，这些助泡剂就会形成定向吸附层。与液体亲和性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端性弱的一端朝着气泡内部，与液体亲和性强的一端伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。伸向液相，这样的定向吸附层起到稳定泡沫的作用。第61页/共76页3 3、起泡速度高于破泡速度、起泡速度高于破泡速度起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；起泡的难易，取决于液体的成分及所经受的条件；破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表破泡的难易取决于气泡和泡破灭后形成的液滴在表面自由能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进面自由能上的差别；同时还取决于泡沫破裂过程进行得多快这一

24、速度因素。行得多快这一速度因素。高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起高起泡的液体，产生的泡沫不一定稳定。体系的起泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效泡程度是起泡难易和泡沫稳定性两个因素的综合效果。果。泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，泡沫产生速度小于泡沫破灭速度，则泡沫不断减少，最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于泡沫破灭速最终呈不起泡状态；泡沫产生速度等于泡沫破灭速度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态；泡沫产生度，则泡沫数量将维持在某一平衡状态；泡沫产生速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。速度高于泡沫破灭速度，泡沫量将不断增加。第62页/共76页4 4、发酵过程泡

25、沫产生的原因、发酵过程泡沫产生的原因（1）通气搅拌的强烈程度）通气搅拌的强烈程度通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。第63页/共76页（2）培养基配比与原料组成）培养基配比与原料组成培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难以搅拌。前期难以搅拌。例：在例：在50L罐中投料罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900 rpm，通气，通气，泡沫生成量为培养基的泡沫生成量为培养基的2倍。如培养基适当稀一倍。如培养基适当稀一些，接种量大一些，生长速度快些，前期就容些，接种量大一些，生长速度快些，前期就