发酵工程与食品产业

第四章

发酵工程与食品产业

第四章发酵工程及其在食品工业中的应用发酵一词的来源

“发酵”（Fermentation）一词是拉丁语“沸腾”（fervere）的派生词，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象。产生气泡的现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。第一部分发酵工程概述狭义“发酵”的定义在生物化学上发酵: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。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳。同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。广义“发酵”的定义

工业上所称的发酵:泛指利用微生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮、丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。发酵工程的概念：指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于生产过程的一种新技术。典型的发酵过程示意图二、发酵工程的特点

1、发酵过程一般都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件比较简单。2、发酵所用的原料简单粗放。通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。3、发酵过程反应的专一性强，可以得到较为单一的代谢产物。4、发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。

除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。5、能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。6、通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良微生物菌种，使生产设备得到充分利用，也可以获得按常规方法难以生产的产品。7、工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得显著的经济效益。三、发酵工程的内容

1、以菌体为产品的发酵依据最终产品的性质和特点，工业发酵过程可归纳为：2、以微生物的酶为产品的发酵生产制作面包的酵母菌;生产作为人类或动物食物的微生物细胞（即单细胞蛋白质）提取微生物酶制剂

3、、以微微生生物物的的代代谢谢产产物物为为产产品品的的发发酵酵4、、产品品的的转转化化发发酵酵当微生生物物进进入入稳稳定定期期后后，，代代谢谢产产生生如如氨氨基基酸酸、、核核苷苷酸酸、、脂脂类类和和碳碳水水化化物物以以及及抗抗生生素素等等多多种种初初级级和和次次级级代代谢谢产产物物。。生物物细细胞胞或或其其产产生生的的酶酶能能将将一一种种化化合合物物转转化化成成化化学学结结构构相相似似，，但但在在经经济济上上更更有有价价值值的的化化合合物物。。转转化化反反应应包包括括催催化化脱脱氢氢、、氧氧化化、、羟羟化化、、缩缩合合、、脱脱羧羧、、氨氨化化、、脱脱氨氨化化等等作作用用。。天然然发发酵酵阶阶段段（（古古代代-1900年））纯培培养养技技术术的的建建立立（（1905年-）通气气搅搅拌拌发发酵酵技技术术的的建建立立（（1940年-）开拓拓发发酵酵原原料料时时期期（（1960年-）基因因工工程程阶阶段段（（1979-）四、、发发酵酵工工业业的的发发展展史史（1）第第一一个个阶阶段段（（1900年以以前前））产品品只只限限于于含含酒酒精精饮饮料料和和醋醋古埃埃及及已已经经能能酿酿造造啤啤酒酒17世纪纪能能在在容容量量为为1500桶（（一一桶桶相相当当于于110升））的的木木质质大大桶桶中中进进行行第第一一次次真真正正的的大大规规模模酿酿造造1801年就就有有了了原原始始的的热热交交换换器器18世纪纪中中期期，，证证实实了了酒酒精精发发酵酵中中的的酵酵母母活活动动规规律律Paster最终终使使科科学学界界信信服服在在发发酵酵过过程程中中酵酵母母所所遵遵循循的的规规律律18世纪纪后后期期，，Hansen在Calsberg酿造造厂厂建建立立了了酵酵母母纯纯种种培培养养技技术术在18世纪纪末末到到19世纪纪初初，，基基础础培培养养基基是是用用巴巴氏氏灭灭菌菌法法处处理理，，然然后后接接种种10%优质质醋醋使使呈呈酸酸性性，，可可防防治治染染菌菌污污染染。。这这样样就就成成为为一一个个良良好好的的接接种种材材料料。。在20世纪纪初初，，在在酿酿酒酒和和制制醋醋工工业业中中已已建建立立起起过过程程控控制制的的概概念念。。（2）第第二二个个阶阶段段（（1900年~1940年）主要的的新产产品是是酵母母、甘甘油、、柠檬檬酸、、乳酸酸、丁丁醇和和丙酮酮在面包包酵母母的生生产中中首先先采用用了分分批补补料培培养技技术在一次次大战战时，，Weizmann开拓了了丁醇醇、丙丙酮发发酵，，并建建立了了真正正的无无杂菌菌发酵酵（3）第三三个阶阶段（（1940年以后后）这一阶阶段的的标志志是，，在纯纯种培培养技技术下下，以以深层层培养养生产产青霉霉素解决向向培养养基中中通入入大量量无菌菌空气气和高高粘度度培养养液的的搅拌拌问题题（4）第四四个阶阶段（（1960年以后后）以烃为为碳源源生产产微生生物细细胞作作为饲饲料蛋蛋白质质的来来源出现了了不需需要机机械搅搅拌的的高压压喷射射和强强制循循环的的发酵酵罐工业上上普遍遍采用用分批培培养和分批补补料培养法法（5）第五五个阶阶段（（1979年以后后）这个阶阶段以以基因因工程程产品品的生生产为为标志志。目前，，世界界上已已经批批准上上市的的基因因工程程药物物就有有几十十种，，如：：胰岛岛素、、人生生长激激素等等等。。发酵工工程的的发展展趋势势1)利用遗遗传工工程等等先进进技术术，人工选选育和和改良良菌种种，使微微生物物细胞胞按照照人类类的需需要合合成某某些产产品；；2)采用发发酵技技术进进行高高等动动植物物细胞胞培养养；3)按照微微生物物生理理和代代谢特特性以以及产产物的的合成成途径径进行行发酵酵条件件调控控；4)在工程程方面面，开开发和和采用用大型型节能能高效效的发发酵装装置，，自动动控制制将成成为发发酵生生产控控制的的主要要手段段，从从而使使发酵酵工业业朝着着模拟拟化、、自动动化、、最优优化方方向发发展；；5)固定化化技术术广泛应应用；；6)将生物物技术术理论论广泛泛地用用于发发酵工工程。。五、发发酵过过程的的组成成部分分典型的的发酵酵生产产过程程包括括：确定菌菌种繁繁殖和和发酵酵生产产所用用的培养基基；对培养养基、、发酵酵罐及及其附附属设设备进进行灭灭菌；；菌种经经逐级级扩大培培养后，，作作为为生生产产种种子子接接种种于于发发酵酵罐罐中中控制制发酵酵罐罐中中微微生生物物的的生长长条条件件，最最大大程程度度地地获获得得人人们们渴渴望望的的代代谢谢产产物物菌种种的的选选育育产物物分分离离提提纯纯发酵酵过过程程中中废废弃弃物物的的处处理理与与回回收收发酵酵生生产产过过程程流流程程图图第二二部部分分发发酵酵设设备备与与基基本本工工艺艺过过程程一、、生生物物反反应应器器(发发酵酵罐罐)利用用生生物物工工程程技技术术进进行行生生产产的的过过程程统统称称为为生生物物反反应应过过程程。。采用用活活细细胞胞(包包括括微微生生物物、、动动植植物物细细胞胞)作作为为生生物物催催化化剂剂的的生生物物反反应应过过程程称称为为发酵酵过过程程或或细细胞胞培培养养过过程程。生物物反反应应器器：：利用用酶酶或或生生物物体体（（如如微微生生物物））所所具具有有的的生生物物功功能能，，在在体体外外进进行行生生化化反反应应的的装装置置系系统统。。能维维持持一一定定的的温温度度、、pH、、反应应物物(如如营营养养物物质质、、溶溶解解氧氧等等)浓浓度度应具具备备良良好好的的传传质质、、传传热热和和混混合合性性能能，，以以便便为为生生物物反反应应的的顺顺利利进进行行提提供供适适宜宜的的环环境境条条件件。。细胞胞生生物物反反应应器器除除具具备备上上述述特特性性外外，，还还要要求求有有一一定定的的除除菌菌及及密密封封设设备备，，以以防防止止生生产产过过程程中中因因微微生生物物侵侵入入造造成成的的杂杂菌菌污污染染。。根据据生生物物反反应应过过程程中中所所使使用用的的生生物物催催化化剂剂不不同同可可将将生生物物反反应应器器分分为为：：酶反反应应器器和细胞胞生生物物反反应应器器。生物物反反应应器器应应具具备备的的条条件件：：评价价生生物物反反应应器器的的两两个个重重要要指指标标：：生产产能能力力产品品质质量量（一一））发发酵酵罐罐设设计计的的原原则则发酵酵罐罐的的主主要要功功能能是是：：为菌菌体体生生长长，，或或为为某某一一特特定定的的微微生生物物混混合合发发酵酵剂剂提提供供一一个个便便于于控控制制的的环环境境，，以以获获得得人人们们所所期期望望的的产产物物。。1、、发发酵酵器器应应能能在在无无菌菌条条件件下下工工作作数数天天，，且且应应在在长长时时间间运运转转过过程程中中保保持持稳稳定定；；2、、通通气气和和充充分分搅搅拌拌，，以以满满足足微微生生物物代代谢谢的的需需要要，，但但不不应应损损伤伤菌菌体体；；3、、尽尽可可能能低低的的功功率率消消耗耗；；4、、发发酵酵罐罐上上应应配配备备有有温温度度和和pH值控制系系统以及及采样装装置发酵罐设设计的原原则5、发酵酵罐内的的蒸发损损失不应应太多；；6、在放放料、清清洗和维维修等操操作过程程中具有有最低的的劳动力力消耗；；7、发酵酵罐应有有较好的的适应性性，以满满足不同同生产厂厂家的需需求；8、发酵酵罐内表表面应光光滑。9、用于于中试规规模的发发酵罐与与用于实实际生产产的发酵酵罐应具具有相同同的几何何形状，，有利于于放大生生产；10、使使用既能能满足工工艺要求求又比较较便宜的的制造材材料，同同时应配配备完善善的供给给设施。。发酵罐设计原则则（总总结）稳定性控制性操作性安全性可视性（二）微微生物细细胞反应应器依搅拌方方式不同同，微生生物细胞胞反应器器有：内部机械械搅拌型型外部液体体搅拌型型气升循环环式发酵酵罐典型发酵酵罐示意意图电动机pH检测及控制装置培养液无菌空气排气口冷却水出口冷却水进口搅拌器加料口放料口1、机械械搅拌型型微生物物细胞生生物反应应器(通通用型)主要由壳壳体、控控温部分分、搅拌拌部分、、通气部部分、进进出料口口、测量量系统和和附属系系统等组组成。壳体的作作用：为整个发发酵过程程提供一一个密封封的环境境，防止止杂菌污污染；同同时为了了能在一一定压力力下进行行高温灭灭菌，要要求罐体体承受的的压力至至少在0.3MPa以上。控温部分分的作用用：是保证发发酵过程程在恒温温条件下下进行，，并将生生物氧化化和机械械搅拌产产生的热热量及时时移去搅拌部分分的作用用：使罐内物物料混合合良好，，液体中中的固形形物料保保持悬浮浮状态，，这样有有利于菌菌体与营营养物质质充分接接触，便便于营养养吸收。。另一方方面，搅搅拌器可可以打碎碎气泡，，增加气气液接触触面积，，提高气气液间的的传质速速率，加加强氧的的传递效效果及消消除泡沫沫。通气部分分的作用用：是从罐的的底部向向罐内通通入无菌菌空气，，一般入入口空气气压力为为0.1～0.2MPa(表压)，，罐顶部部有空气气出口。。进出料口口：是指进料和和出料用用的系统统，同时时还配有有补料口口装置等等测量系统统：作用在于测量量发酵过过程中的的pH值、溶解解氧等相相关数据据，以便便对发酵酵过程进进行随时时的监测测并及时时对发酵酵参数进进行调整整。此外外，测量量装置应应能承受受一定的的灭菌温温度并在在长时间间内保持持稳定。。通用机械械搅拌型型生物反反应器内内通常安安装消泡装置置，抑制泡泡沫的形形成。附属系统统是指用以以观察发发酵液情情况的视视镜装置置和强化化发酵液液混合的的挡板等等设备。。二、基本本工艺过过程（一）微生物发发酵工艺艺类型1、分批批培养概念：又称分批批发酵，，指在一一个密闭闭系统内内投入有有限数量量的营养养物质后后，接入入少量的的微生物物菌种进进行培养养，使微微生物在在特定的的条件下下只完成成一个生生长繁殖殖周期的的培养方方法。（（微生物物可表现现出典型型的生长长周期））2、连续续培养概念：又又称连续发酵酵，指按按一定的的速度向向培养系系统内添添加新鲜鲜的培养养基，同同时培养养液以相相同的速速度流出出，从而而使发酵酵罐内培培养物的的液量维维持恒定定，使微生物细细胞能在在相对恒恒定的状状态下生生长。（恒定定状态可可有效延延长分批批培养的的对数期期）连续培养养过程中中，微生生物细胞胞所处的的环境条条件，如如营养物物质的浓浓度、产产物的生生成速度度、pH值以及微微生物细细胞的浓浓度和比比生长速速度等参参数自始始至终基基本保持持不变，，甚至还还可以根根据需要要来调节节微生物物细胞的的生长速速度。连续培养养的最大大特点：：微生物细细胞的生生长速度度和产物物的代谢谢生成均均处于恒恒定状态态，因而可可以达到到稳定、、高速培培养微生生物细胞胞或产生生大量代代谢产物物的目的的。连续培养养分类：：恒浊培养(利用浊度度检测细细胞的浓浓度)恒化培养（恒恒定输入入养料中中的某一一基质））3、补料料分批培培养概念：又又称半连连续发酵酵，根据菌株株生长和和初始培培养基的的特点，，在分批批培养的的某些阶阶段适当当补加培培养基，，使菌体体或其代代谢产物物的生产产时间延延长。补料分批批培养在在发酵工工业上主主要用于于发酵生生产单细细胞蛋白白、氨基基酸、抗抗生素、、维生素素、酶制制剂、有有机酸以以及有机机溶剂等等。补料分批批培养类类型：连续补料料非连续补补料多周期补补料，补料分批批培养具具有以下下优点：：消除培养养过程中中底物的的抑制消除产物物的反馈馈抑制可以达到到高密度度细胞培培养延长次级级代谢产产物的生生产时间间稀释有毒毒代谢产产物降低染菌菌和避免免遗传不不稳定性性(二)工工业微微生物菌菌种的扩扩大培养养菌种的扩扩大培养养目的：：为工业发发酵提供供数量巨巨大、代代谢旺盛盛的微生生物种子子(或发发酵剂)。种子的概概念：将保存在在沙土管管或冷冻冻干燥管管中处于于休眠状状态的母母发酵剂剂接入试试管斜面面活化后后，再经经过摇瓶瓶及种子子罐逐级级扩大培培养，最最后获得得一定数数量和质质量的纯纯种培养养物，即即发酵工工业上通通称的““种子””。发酵工业业上使用用的种子子必须具具备的条条件：①生长旺旺盛，活活力较高高，延迟迟期短，，接种到到发酵罐罐后能迅迅速生长长；②细胞浓浓度适宜宜，以保保证在大大型发酵酵罐中有有适当的的接种量量；③生理状状态稳定定；⑤生产能能力保持持稳定④无杂菌菌污染；；（三）培培养基灭灭菌若发酵培培养基中中夹杂有有其他微微生物，，将导致致下列后后果：（或为什什么要对对培养基基灭菌））①生产菌与与杂菌在在培养基基中同时时生长，，使生产产菌丧失失生产能能力；②在连续续发酵过过程中，，杂菌有有时会比比生产菌菌生长快快，使生生物反应应器中杂杂菌占优优势；③杂菌过过度生长长会污染染最终产产品，④杂菌代代谢所产产生的物物质，使使目的产产物的分分离困难难；⑤杂菌使使目的产产物降解解。⑥发酵过过程中，，若发生生噬菌体体污染，，生产菌菌细胞会会发生溶溶菌现象象，使发发酵产物物的最终终产量或或活力大大幅度下下降。为防止和控控制杂菌污污染，实践践生产中采采取灭菌措措施有：①培养基灭灭菌；②发酵罐灭灭菌；③对所有与与发酵过程程有关的物物料进行灭灭菌；④发酵时保保持纯种状状态。培养基的灭灭菌方法：(1)间歇歇式灭菌将配制好的的培养基放放在发酵罐罐或其他装装置中，通通入蒸汽将将培养基和和所用设备备一起进行行加热灭菌菌的过程，，也称作““实罐灭菌菌”。是中小型生生产厂家经经常采用的的一种培养养基灭菌方方法。(2)连连续灭菌配制好的培培养基在向向发酵罐等等培养装置置输送的同同时进行加加热、保温温和冷却而而进行的灭灭菌方式。。连续灭菌的的基本设备备有①配料预热热罐：②连消塔：：主要作用使使高温蒸汽汽与液体培培养基迅速速接触混合合，促使培培养液的温温度快速升升高到灭菌菌温度(126～132℃)；③维持罐：：使培养液在在灭菌温度度下保持5-7min，以以达到彻底底灭菌的目目的④冷却管：：降低培养液液温度培养基连续续灭菌的优优点：灭菌的温度度较高，灭灭菌时间较较短培养基的营营养成分受受破坏的程程度较低提高了发酵酵罐的利用用率。培养基连续续灭菌的缺缺点：灭菌过程所所需的设备备较多操作较为麻麻烦杂菌污染的的机会也相相应增多。。（四）空空气灭菌(1)空气气灭菌的要要求一般空气灭灭菌要求10-3的染菌几率率，即在1000次培养过过程中，只只允许一次次是由于空空气灭菌不不彻底而造造成染菌，，使培养过过程失败的的情况。发酵工业应应用的“无无菌空气””：指通过过除菌处理理使空气中中含菌量降降低在一个个极低的百百分数，从从而能控制制发酵污染染至极小机机会。空气中微生生物的分布布空气中的含含菌量随环环境不同而而有很大差差异：一般干燥寒寒冷的北方方空气中的的含菌量较较少，而潮潮湿温暖的的南方则含含菌量较多多；人口稠密的的城市比人人口少的农农村含菌量量多；地面又比高高空的空气气含菌量多多。各地空气中中所悬浮的的微生物种种类及比例例各不相同同，数量也也随条件的的变化而异异。(2)空气气灭菌的方方法①加热灭菌菌法：利用压缩空空气时产生生的热量进进行灭菌利用压缩热热进行空气气灭菌的流流程图空气进口温温度为21℃，出口温度度为187~198℃，压力为0.7MPa。②辐射杀菌菌：α-射线、X-射线、β-射线、γ-射线、紫外外线和超声声波等破坏坏微生物体体内的蛋白白质等生物物的活性物物质，从而而达到杀菌菌效果。应用范围通常用于无无菌室和医医院手术室室。缺点杀菌效率较较低，杀菌菌时间较长长。一般要要结合甲醛醛蒸汽等来来保证无菌菌室的无菌菌程度。③静电除菌菌：悬浮于空气气中的微生生物大多带带有不同的的电荷，因因此，可以以利用静电电引力吸附附带电粒子子达到除尘尘灭菌的目目的。近几年来，，静电除菌菌方法已被被一些工厂厂用来除去去空气中的的水雾、油油雾、尘埃埃和微生物物。静电除菌有有一定的局局限性，因为一些些直径较小小的颗粒带带电荷很少少，所以当当产生的引引力小于或或等于气流流对微粒的的拉动力时时，则微粒粒就不能被被吸附而沉沉降。对很小的微微粒来说，，静电除尘尘灭菌的效效果是有限限的。④介质过滤滤除菌法：：是利利用用过过滤滤介介质质阻阻截截空空气气中中所所含含的的微微生生物物而而获获得得无无菌菌空空气气的的除除菌菌方方法法。。目目前前，，该该方方法法是是广广泛泛应应用用。。滤材材孔洁净气体含微生物的气体(2)空空气气过过滤滤除除菌菌介介质质的的选选择择①空空气气过过滤滤除除菌菌原原理理：：当空空气气经经过过过过滤滤介介质质时时，，层层层层的的滤滤层层纤纤维维会会迫迫使使空空气气在在流流动动过过程程中中无无数数次次地地改改变变流流速速大大小小和和方方向向，，从从而而导导致致微微生生物物微微粒粒与与滤滤层层纤纤维维间间产产生生撞撞击击、、拦拦截截、、布布朗朗扩扩散散、、重重力力及及静静电电引引力力等等作作用用，，从从而而把把微微生生物物微微粒粒截截留留、、捕捕集集在在纤纤维维表表面面上上，，达达到到过过滤滤除除菌菌的的目目的的。。②空空气气过过滤滤除除菌菌的的介介质质：：纤维维状状物物或或颗颗粒粒状状物物:主要要指指脱脱脂脂棉棉、、无无碱碱玻玻璃璃纤纤维维和和活活性性炭炭等等材材料料。。过滤滤纸纸：：主要要指指玻玻璃璃纤纤维维纸纸，，厚厚度度约约为为0.25～～0.40mm，，孔径径约约为为1.00-1.50µµm微孔孔滤滤膜膜：孔径径小小于于0.50µµm，，甚至至小小于于0.1µµm，，因而而能能将将空空气气中中的的细细菌菌绝绝对对过过滤滤掉掉。。这这类类过过滤滤介介质质主主要要用用于于滤滤除除空空气气中中的的细细菌菌和和尘尘埃埃，，所所以以滤滤后后空空气气的的质质量量较较易易控控制制。。(3)空空气气过过滤滤除除菌菌工工艺艺流流程程两级级冷冷却却和和加加热热除除菌菌流流程程是是一一个个比比较较完完善善的的空空气气除除菌菌流流程程工工艺艺。该流流程程的的特特点点是是两两次次冷冷却却，，两两次次分分离离和和适适当当加加热热；；优优点点是是能能提提高高传传热热系系数数，，节节约约冷冷却却用用水水，，油油水水分分离离得得比比较较完完全全。。(4)空空气气的的预预处处理理空气气预预处处理理的的目目的的：：一是是提提高高压压缩缩前前空空气气的的洁洁净净度度；；二是是去去除除压压缩缩后后空空气气中中所所带带的的油油和和水水。。气体体预预过过滤滤器器外外壳壳图图①空空气气粗粗过过滤滤：：通常常采采用用布布袋袋过过滤滤器器、、填填料料过过滤滤器器、、油油浴浴洗洗涤涤和和水水雾雾除除尘尘装装置置等等作作为为粗粗过过滤滤设设备备。。②空空气气压压缩缩和和压压缩缩空空气气的的冷冷却却：：③压压缩缩空空气气的的除除水水除除油油。。(5)提提高高过过滤滤除除菌菌效效率率的的主主要要措措施施①减减少少进进口口空空气气的的含含菌菌数数②设设计计和和安安装装合合理理的的空空气气过过滤滤器器，，选选用用除除菌菌效效率率较较高高的的过过滤滤介介质质③采用用合合理理的的空空气气预预处处理理设设备备，，以以达达到到较较好好的的除除油油、、水水和和杂杂质质的的目目的的。。④空气进入过过滤器之前前应进行干干燥处理，，以保证过过滤介质正正常工作。。（五）氧的供需与与传递1、细胞对氧氧的需求（1）临界界溶氧浓度度：如果培养基基中不存在在其他限制制性基质时时，影响好好氧性微生生物生长繁繁殖的最低低溶解氧浓浓度称为临临界溶氧浓浓度。虽然氧气在在培养液中中的溶解度度很低，但但培养过程程中并不需需要使溶解解氧浓度达达到饱和值值，而只要要超过某一一临界溶氧氧浓度后，，细胞的呼呼吸生长就就不会受到到抑制。一般来说，，微生物的的临界溶氧氧浓度大约约为其饱和和浓度的1％一25％。保持溶溶解氧氧浓度度高于于临界界溶氧氧浓度度就可可以满满足微微生物物的最最大需需氧量量，从而而获得得最高高的微微生物物细胞胞产量量。细胞对对氧的的利用用情况况也可可用摄摄氧率率来反反映。。摄氧率率：单单位体体积培培养液液在单单位时时间内内消耗耗氧的的含量量(mmolO2/L.s)。（2））摄氧氧率：：影响摄氧率率的因因素培养液液中基基质浓浓度培养时时间细胞浓浓度（3））溶解解氧浓浓度与与细胞胞代谢谢产物物溶解氧氧浓度度对细细胞生生长和和产物物生成成的影影响可可能是是不同同的。。溶解氧氧水平平越高高并不不一定定有利利于产产物的的生成成；同同样，，细胞胞生长长的最最佳氧氧浓度度不一一定就就是生生成产产物的的最佳佳氧浓浓度。。Hirose和Shibai(1980)研究了了黄色色短杆杆菌代代谢生生产氨氨基酸酸时的的溶解解氧浓浓度，，发现现提高高溶解解氧浓浓度不不利于于亮氨氨酸、、缬氨氨酸和和苯丙丙氨酸酸的生生产，，但有有利于于脯氨氨酸、、谷氨氨酸、、谷胱胱甘肽肽、赖赖氨酸酸、苏苏氨酸酸和异异亮氨氨酸的的生产产。这是因因为苯苯丙氨氨酸、、缬氨氨酸和和亮氨氨酸是是通过过糖酵酵解中中间产产物丙丙酮酸酸和磷磷酸烯烯醇式式丙酮酮酸而而形成成的，，而谷谷氨酸酸和天天门冬冬氨酸酸的生生物合合成来来源于于三羧羧酸循循环。。供氧氧充分分时，，三羧羧酸循循环的的中间间产物物丰富富，因因此谷谷氨酸酸和天天门冬冬氨酸酸的产产量就就高；；供氧氧不足足时，，因糖糖代谢谢受阻阻，所所以有有利于于苯丙丙氨酸酸和缬缬氨酸酸的生生产。。2、氧传传递系数数测定现代发酵酵工程研研究表明明，空气气中的氧氧气进入入细胞内内分三个个步骤:氧转移到到发酵液液溶解的氧氧分子通通过发酵酵液进入入微生物物细胞细胞吸收收溶解氧氧。氧从空气气泡(气气相)进进入液体体(液相相)的传传递速率率即氧的传递递速率.可以表示示为方程程：dCL/dt=KLa（C*-CL）式中：CL为发酵液液中的溶溶氧浓度度(mmol/L)；t为时间（（h），dCL/dt为单位时时间内的的氧浓度度变化，，即氧传传递速率率[mmol/(L.h)]；KL为氧传递递系数(m/h)；a为单位体体积液体体的气/液界面面积比，，或称比比表面积积(m2/m3)；C*为饱和溶溶氧浓度度(mmol/L)。KL可以认为为是氧从从气体进进入液体体的传递递阻力的的倒数；；氧传递系系数的测测定方法法主要有有亚硫酸盐盐氧化法法、极谱谱法、物物料衡算算法、动动态法、、排气法法和复膜膜电极法法等。3、增加加溶氧的的工艺措措施（1）改改变通气气速率(增大通通风量)（2）改改变搅拌拌速度（3）改改变气体体组成中中的氧分分压（4）改改变罐压压（5）改改变发酵酵液的理理化性质质（6）加加入中间间传氧介介质第三部分分发酵过程程控制一、发酵酵过程控控制的基基本原则则发酵生产产过程的的主要目目的：是获得最大大产量和和最佳质质量的发发酵产物物.最优化控控制的目目标:首先是得得到最大大量的发发酵产物物，其次次是最短短的生产产周期和和由此获获得的最最佳经济济效益。。影响发酵酵产物生生产的因因素:营养物质质的浓度度、种类类、比例例溶解氧浓浓度氧化还原原电位CO2发酵液黏黏度温度pH值泡沫酶和代谢谢产物此外，还还包括菌菌体浓度度、生长长速率、、死亡速速率、细细胞状态态等生物物学因素素。二、温度对发酵过过程的影影响及其其控制1、温度度对微生生物的影影响：高温会使使微生物物细胞内内的蛋白白质发生生变性或或凝固，，破坏微微生物细细胞内的的酶活性性，从而而杀死微微生物。。温度越越高，微微生物的的死亡越越快。低温能抑抑制微生生物的生生长。各种微生生物都有有一个最最适的生生长温度度范围，，在此范范围内，，微生物物的生长长最快。。2、温度度与酶反反应在一定范围围内,温度越高高，酶反反应速度度越快，，微生物物细胞生生长代谢谢速率加加快，产产物提前前生成；；但因为酶酶本身很很容易因因热的作作用而失失活，温温度越高高，酶的的失活也也越快，，表现出出微生物物细胞容容易衰老老，使发发酵周期期缩短，，从而影影响发酵酵过程最最终产物物的产量量。3、温度度与培养养液的物物理性质质改变培养养液的物物理性质质会影响响到微生生物细胞胞的生长长。例如如，温度度通过影影响氧在在培养液液中的溶溶解浓度度、氧传传递速度度等，而而影响到到整个发发酵过程程。4、温度度与代谢谢产物的的生物合合成方向向在四环素素的发酵酵过程中中，金色色链霉菌菌同时代代谢产生生四环素和和金霉素素，当温度度低于30℃时，金色色链霉菌菌合成金霉素的能力较较强，随随着温度度的升高高，合成成四环素素的能力力也逐渐渐增强，，当温度度提高到到35℃时时，则只合合成四环素，而金霉霉素的合合成几乎乎处于停停止状态态。5、同一一菌株，，其细胞胞生长和和代谢产产物积累累的最适适温度往往往不同同例如，黑黑曲酶的的最适生生长温度度为37℃，产产生糖化化酶和柠柠檬酸的的最适温温度是32-34℃；；谷氨酸酸生产菌菌生长的的最适温温度为30-32℃,产生谷氨氨酸的最最适温度度是34-37℃。三、pH值对发酵过过程的影影响及其其控制（一）pH值对发酵酵过程的的影响大多数细细菌的最最适pH值为6.5～7.5，霉菌的的最适pH值为4.0～5.8，酵母菌菌的最适适pH值为3.8～6.0，放线菌菌的最适适pH值为6.5～8.0。例如，黑曲霉在在pH值2-3的情况下下，发酵酵过程形形成的产产物是柠檬酸，而在pH值接近中性时，却生成成草酸。又如，啤啤酒酵母母菌的最最适生长长pH值为4.5～5.0，此时，，发酵产产物是酒酒精；但但当pH大于7.5时，发酵酵产物除除酒精外外，还有有醋酸和和甘油。。微生物生生长的最最适pH值和发酵酵产物形形成的最最适pH值往往是是不同的的。例如，青青霉素生生产菌生生长的最最适pH值为6.5～7.2，而青霉霉素合成成的最适适pH值却为6.2～6.3；（二）发发酵过程程中pH值的变化化情况一般，发发酵过程程中若消消耗碱性性物质或或生成酸酸性物质质都会引引起发酵酵液的pH值下降。发酵液pH下降的主主要原因因：①培养基基中的碳碳/氮比例不不当，碳碳源过多多②消泡油油加得过过多；③微生物物生理酸酸性物质质的存在在发酵过程程中若消消耗酸性性物质或或生成碱碱性物质质都会引引起发酵酵液的pH值上升.发酵液pH值上升的的主要原原因：①培养基基中的碳碳/氮比例失失衡，氮氮源过多多②存在生生理碱性性物质；；③中间补补料时，，氨水或或尿素等等碱性物物质加入入过多（三）发酵过程程中pH值的控制制采用的方方法：(1)调节培养养基的起起始pH值，或加入入缓冲溶溶液(如磷酸盐盐)或尽量使使盐类和和碳源的的配比平平衡(2)在发酵过过程中及时加入入弱酸或或弱碱来调节pH值(3)可及时补料料调节pH值(4)采用生理理酸性盐盐作为氮氮源时，，向培养养液中加加入碳酸酸钙可以以调节pH值(5)可用流加加氨水或或尿素的的方法来来调节发发酵过程程中pH值的变化化四、泡沫对发酵过程程的影响和和控制（一）泡沫沫的形成及及其对发酵酵过程的影影响发酵过程中中产生泡沫沫的原因：：①外界引进进的气流被被机械地分分散形成泡泡沫；②发酵过程程中产生的的气体聚结结形成的发发酵泡沫。。过多的持久久性泡沫会会给发酵过过程造成不不利的影响响，主要表表现在：①使发酵罐罐的装填系系数减少；；②造成大量量逃液，导导致产物的的损失；③泡沫“顶顶罐”，有有可能使培培养基从搅搅拌轴处渗渗出，增加加了染菌的的机会；④由于泡沫沫的液位变变动，以及及不同生长长周期微生生物随泡沫沫漂浮或黏黏附在罐盖盖或罐壁上上，使微生生物生长的的环境发生生改变，使使微生物群群体的非均均一性增加加；⑤影响通气气搅拌的正正常进行，，妨碍微生生物的呼吸吸，造成发发酵异常，，导致最终终产物产量量下降；⑥使微生物物菌体提早早自溶，这这一过程的的发展又会会促使更多多的泡沫生生成；⑦消泡剂的的加入，会会给最终产产物的提取取带来困难难。（二）发发酵过程中中泡沫的消消除与控制制发酵过程中中消除和控控制泡沫的的主要措施施：(1)化学消泡法法：优点：来源广泛，，消泡效果果好作用迅速可可靠，效率率高，用量量少不仅仅适适用用于于大大规规模模发发酵酵生生产产，，同同时时也也适适用用于于小小规规模模的的发发酵酵实实验验。。化学学消消泡泡剂剂一一般般应应具具备备的的特特点点：：①是是表表面面活活性性剂剂，，具具有有较较低低的的表表面面张张力力，，消消泡泡作作用用迅迅速速有有效效②具具有有一一定定的的亲亲水水性性③在在水水中中的的溶溶解解度度较较小小④对对人人、、畜畜及及微微生生物物细细胞胞无无毒毒性性，，不不影影响响产产物物的的提提取取分分离离和和产产品品的的质质量量；；⑤不不影影响响氧氧在在培培养养液液中中的的溶溶解解和和传传递递；；⑥来来源源方方便便，，价价格格便便宜宜。。常用用的的化化学学消消泡泡剂剂主主要要有有：：天然然油油脂脂(玉米米油油、、米米糠糠油油、、豆豆油油、、菜菜油油、、棉棉子子油油及及鱼鱼油油、、猪猪油油等等)高级级醇醇类类(聚二二醇醇和和十十八八醇醇)脂肪肪酸酸和和聚聚醚醚类类(聚氧氧丙丙烯烯甘甘油油和和丙丙烯烯甘甘油油)硅酮酮类类(聚二二甲甲基基硅硅氧氧烷烷及及其其衍衍生生物物)氟化化烷烷烃烃优点点：：不需需要要在在发发酵酵液液中中添添加加任任何何其其他他物物质质，，减减少少了了由由于于加加入入消消泡泡剂剂所所引引起起的的染染菌菌机机会会和和对对产产物物分分离离工工艺艺的的影影响响。。缺点点：：效果果不不如如化化学学消消泡泡迅迅速速、、可可靠靠，，还还需需要要配配备备一一定定的的设设备备和和消消耗耗一一定定的的动动力力，，不不能能从从根根本本上上消消除除引引起起泡泡沫沫的的因因素素。。(2)机械械消消泡泡法法：：五、、流流加加补补料料的的控控制制流加加补补料料概概念念：：在发发酵酵过过程程中中补补充充某某些些营营养养成成分分以以维维持持生生产产菌菌株株的的代代谢谢活活动动和和产产物物合合成成。。流加补补料的的物质质：可分为为碳源源、氮氮源、、微量量元素素和无无机盐盐以及及诱导导底物物等。。（一））流加加补料料的内内容和和原则则原则：：有效控控制微微生物物的中中间代代谢过过程，，使之之向着着有利利于产产物积积累的的方向向发展展。第二节节发发酵工工程在在食品品工业业中的的应用一、发发酵酵法生生产单单细胞胞蛋白白单细胞胞蛋白白(SCP)概念：指适用用于食食品和和动物物饲料料应用用的微微生物物细胞胞，包包括酵酵母菌菌、细细菌、、霉菌菌和高高等真真菌。。这些微微生物物大多多数是是富含含蛋白白质的的单细细胞生生物，，可以以认为为是单单细胞胞蛋白白质的的重要要来源源。（1）细胞胞蛋白白质含含量高高达50%以上，，含有有多种种氨基基酸、、维生生素、、矿物物质、、粗脂脂肪等等营养养成分分，易易于消消化吸吸收。。（2）微生生物生生长繁繁殖快快，短短时间间可获获得大大量产产品。。应用微微生物物生产产单细细胞蛋蛋白的的优点点：利用微微生物物发酵酵技术术生产产单细细胞蛋蛋白具具有较高的的生产产率。。因为单单细胞胞蛋白白依赖赖于微微生物物菌体体生物物量的的累积积，其其富集集蛋白白质的的能力力要比比动、、植物物快得得多。。猪和牛牛的体体重倍倍增时时间分分别为为4～6周、1—2个月，，植物物体重重倍增增时间间为l一2周，而而细菌菌、酵酵母等等微生生物仅仅需20～120min。1头500kg的母牛牛每天天能产产蛋白白质约约0.4kg。500kg酵母每每天至至少生生产5000kg蛋白质质。在在实际际的工工业发发酵罐罐中，，酵母母能够够生产产出数数吨蛋蛋白质质，生生产率率高达达2-4kg／(h.m3培养液液)。（3）微生生物对对营养养要求求适应应性强强，可可利用用多种种廉价价原料料进行行生产产。（4）微生生物的的生长长条件件可人人为控控制，，可工工厂化化生产产。生产单单细胞胞蛋白白的主主要原原料（1）工农农业生生产的的废弃弃物和和下脚脚料。。（2）碳水水化合合物类类（3）碳氢氢化合合物类类（4）石油油产品品类（5）无机机气体体类各种化化学成成分的的含量量因微微生物物的种种类、、菌龄龄、培培养基基组成成、培培养条条件等等不同同而有有较大大差异异。例如，，啤酒酒酵母母除含含丰富富的优优质蛋蛋白外外，还还含有有较丰丰富的的维生生素D和B族维生素素及Ca、Fe、Zn、K、P、Na等必需微微量元素素，因此此，它可可视为一一种理想想的蛋白白质资源源。一般工业业上生产产单细胞蛋蛋白的微生物物是酵母，主要有有酿酒酵酵母、产产朊假丝丝酵母(或称圆酵酵母)和脆壁克克鲁维酵酵母(或称乳清清酵母)。（一）利利用酵母母菌生产产单细胞胞蛋白SCP生产的概概略流程程图烷烃类原原料生产产SCPZobell(1946年)提出酵母母菌利用用碳氢化化合物有有四个特特点：1、脂肪族族化合物物比芳香香族化合合物易于于利用；；2、长链脂脂肪族化化合物与与短链脂脂肪族化化合物相相比更易易于降解解；3、不饱和和烷烃比比饱和烷烷烃易于于降解；；4、支链烷烷烃较直直链烷烃烃更易被被酵母菌菌利用和和同化。。微生物同同化烷烃烃的步骤骤是细胞胞吸收外外源烷烃烃，然后后将其转转运到细细胞内，，烷烃进进行初始始氧化。。主要有两两条代谢谢烷烃的的途径，，即末端端氧化和和亚末端端氧化途途径。前前者，烷烷烃的末末端甲基基(1个或者2个)被氧化，，最后形形成相应应的脂肪肪酸。酵酵母菌主主要以单单末端氧氧化途径径。单末末端氧化化途径可可简单示示意如下下：R-CH3→R-CH2OH→R-CHO→R-COOH↓β-氧化作用用以淀粉质质原料生生产SCP以淀粉质质原料生生产SCP主要有三三条途径径：①在化学学分解或或酶解底底物基础础上培养养SCP生产酵母母菌；②将对淀淀粉分解解活力高高的霉菌菌与快速速生长的的酵母菌菌混合培培养；③单独培培养能够够同化淀淀粉的生生产菌株株。以木薯为为原料采采用深层层发酵法法生产SCP的流程图图在SCP生产中，，发酵过程程必须控控制温度度以利于于菌体的的大量增增殖、生生长。可以通通过发酵酵罐内部部的冷却却表面散散发培养养液的热热量，当当然也可可以在罐罐外通过过热交换换器来降降低培养养液的温温度。以甘薯、、木薯、、玉米等等淀粉质质原料发发酵生产产SCP得率一般般可超过过50％，即2t原料可生生产出1t多蛋白含含量超过过50％的产物物。每升升发酵液液中生物物量约为为37～40g。瑞典糖业业有限公公司在1973年便利用用土豆加加工的废废渣以混混合培养养方法生生产饲料料SCP。糖蜜原料料生产SCP糖蜜是制制糖工业业的主要要副产品品。甜菜菜、甘蔗蔗糖蜜中中含有多多种可利利用成分分，是综综合利用用发酵生生产酵母母、酒精精、核苷苷酸等产产品的宝宝贵资源源，而且且特别适适用于SCP生产。以糖蜜为为原料生生产SCP多采用液液体深层层发酵法法。发酵前，，应先采采用化学学、机械械或两者者结合的的方法对对糖蜜进进行澄清清和灭菌菌处理。。向糖蜜蜜中添加加新鲜石石灰乳和和磷酸，，形成磷磷酸钙，，静置后后过滤或或离心除除去这些些沉淀即即有澄清清效果。。也可先先用H2SO4调节糖蜜蜜pH，再依次次加入NH3、铝盐、、果胶和和锌盐进进行澄清清。过滤滤材料可可选择石石棉砂和和纤维素素等。经经机械离离心获得得的澄清清糖蜜，，可以加加热至130-140℃杀菌。经过预处处理的糖糖蜜用于于酵母发发酵生产产，可以以提高产产量以及及酵母产产品的纯纯度，同同时热交交换器等等设备表表面盐类类物质沉沉积量减减少，有有利于降降低生产产成本。。纤维素类类原料生生产SCP有三条路线线：一是预处处理-酶解二是酸解解三是混合合发酵法法生产SCP时必须采采用适当当工艺对对原料进进行预处处理。纤维素酶酶分解天天然纤维维的先决决条件是是酶与纤纤维素相相互接触触，形成成复合物物，但天天然纤维维的纤维维素和其其它主要要成分不不溶于水水，并且且在细胞胞壁中排排列成紧紧密的复复合结构构，因此此，必须须设法使使纤维素素酶分子子扩散到到细胞壁壁内，纤纤维素分分子的表表面才能能使之相相互接触触并进行行反应。。结晶度度越高，，纤维表表面积越越小，酶酶解越困困难。另另外，纤纤维素原原料中的的木质素素会阻碍碍酶与纤纤维素接接触，是是影响酶酶反应敏敏感性的的另一重重要因素素。采用用球球磨磨、、高高压压蒸蒸煮煮、、电电子子射射线线照照射射、、γ-射线线照照射射、、膨膨化化处处理理等等方方法法，，使使高高结结晶晶度度纤纤维维素素软软化化，，破破坏坏纤纤维维结结构构，，以以利利于于酶酶解解，，但但这这些些预预处处理理方方法法能能耗耗大大、、成成本本高高，，使使应应用用受受到到限限制制。。预处处理理后后的的纤纤维维性性原原料料经经冷冷却却后后即即可可进进行行酶酶解解。。纤纤维维素素酶酶系系由由三三种种不不同同性性质质的的酶酶组组成成：：纤纤维维素素酶酶外外切切酶酶、、纤纤维维二二糖糖酶酶和和葡葡萄萄糖糖苷苷酶酶。。三三种种酶酶协协同同作作用用，，可可将将纤纤维维素素水水解解为为葡葡萄萄糖糖，，即即可可作作为为SCP生产产的的碳碳源源。。二、、高高活活性性干干酵酵母母的的生生产产细胞胞含含量量超超过过200亿cfu／g.含水水量量小小于于6％的的活活性性干干酵酵母母被被称称为为高活活性性干干酵酵母母。高活活性性干干酵酵母母具具有有含含水水量量低低、、复复水水快快、、贮贮藏藏时时间间长长、、使使用用方方便便等等优优点点。。（一一））高高活活性性干干酵酵母母（（简简称称HADY）活性性干干酵酵母母有有两两个个基基本本特特征征：：一是是常常温温下下长长期期贮贮存存而而不不失失去去活活性性.二是是将将活活性性干干酵酵母母在在一一定定条条件件下下复复水水活活化化后后.即恢恢复复成成自自然然状状态态并并具具有有正正常常酵酵母母活活性性的的细细胞胞。。把含水分70％～73％新鲜活性性酵母经过过连续流化化床干燥装装置烘干为为含水分4％～6％的HADY成品。活性干酵母母生产过程程菌种配制→→发酵→分分离→过滤滤→干燥→→真空包装装→贮存发酵主要原原材料为糖糖蜜。高活性干酵酵母的种类类1、高活性干干面包酵母母2、酒精生产产、酿酒用用的高活性性干酵母3、制造酵母母抽提物的的高活性干干酵母酵母抽提物物即酵母精精，由于其其细胞内含含有核糖核核酸及其加加工后的水水解产物(腺嘌呤核苷苷酸、鸟嘌嘌呤核苷酸酸，胞嘧啶啶核苷酸，