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1、第四章 发酵工程与食品产业 第四章第四章第四章第四章发酵工程及其在食品工业发酵工程及其在食品工业发酵工程及其在食品工业发酵工程及其在食品工业中的应用中的应用中的应用中的应用u发酵一词的来源发酵一词的来源“发发酵酵”（Fermentation）一一词词是是拉拉丁丁语语“沸沸腾腾”（fervere）的的派派生生词词，它它描描述述酵酵母母作作用用于于果果汁汁或或麦麦芽芽浸浸出出液液时时产产生生气气泡泡的的现现象象。产产生生气气泡泡的的现现象象是是由由浸浸出出液液中中的的糖糖在在缺缺氧氧条条件件下下降降解解而而产产生生的的二二氧氧化化碳碳所所引起的。引起的。第一部分第一部分 发酵工程概述发酵工程概述
2、狭义狭义“发酵发酵”的定义的定义l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。l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。广义广义“发酵发酵”的定义的定义l 工业上所称的发酵工业上所称的发酵:泛指利用微生物细胞制造某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、气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的
3、生产。酶制剂等的生产。l产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。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典型的发酵过程示意图二、发酵工程的特点二、发酵工程的特点 1 1 1 1、发酵过程一般都是在常温常压下进行的生物化学、发酵过程一般都是在常温常压下进行的生物化学、发酵过程一般都是在常温常压下进行的生物化学、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。反应，反应安全，要求条件比较简单。反应，反应安全，要求条
4、件比较简单。反应，反应安全，要求条件比较简单。2 2 2 2、发酵所用的原料简单粗放。、发酵所用的原料简单粗放。、发酵所用的原料简单粗放。、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，只要加入通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入通常以淀粉、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。微生物因不少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不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。基同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养
5、。基同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基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于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原于这一特性，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。料进行生物资源的改造和更新。料进行生物资源的改造和更新。料进行生物资源的改造和更新。3 3、发发酵酵过过程程反反应应的的专专一一性性强强，可可以以得得到到较较为为单一的代谢产物。单一的代谢产物。4 4、发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。、发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。除除了了必必须须对对设设备备
6、进进行行严严格格消消毒毒处处理理和和空空气气过过滤滤外外，反反应应必必须须在在无无菌菌条条件件下下进进行行。如如果果污污染染了了杂杂菌菌，生生产产上上就就要要遭遭到到巨巨大大的的经经济济损损失失，要要是是感感染染了了噬噬菌菌体体，对对发发酵酵就就会会造造成成更更大大的的危危害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。5 5、能能够够专专一一性性地地和和高高度度选选择择性性地地对对某某些些较较为为复复杂杂的的化化合合物物进进行行特特定定部部位位地地氧氧化化、还还原原等等化化学学转转化化反反应应，也也可可以以产产生生比比较较复复杂杂的的高高分分子子化化合合物。物。6
7、 6、通通过过变变异异和和菌菌种种筛筛选选，可可以以获获得得高高产产的的优优良良微微生生物物菌菌种种，使使生生产产设设备备得得到到充充分分利利用用，也也可可以获得按常规方法难以生产的产品。以获得按常规方法难以生产的产品。7 7、工工业业发发酵酵与与其其他他工工业业相相比比，投投资资少少，见见效效快快，并可以取得显著的经济效益。并可以取得显著的经济效益。三、发酵工程的内容三、发酵工程的内容1、以菌体为产品的发酵以菌体为产品的发酵依据最终产品的性质和特点，工业发酵过程依据最终产品的性质和特点，工业发酵过程可归纳为：可归纳为：2、以微生物的酶为产品的发酵以微生物的酶为产品的发酵生生产产制制作作面面包
8、包的的酵酵母母菌菌;生生产产作作为为人人类类或或动物食物的微生物细胞（即单细胞蛋白质）动物食物的微生物细胞（即单细胞蛋白质）提取微生物酶制剂提取微生物酶制剂3、以微生物的代谢产物为产品的发酵以微生物的代谢产物为产品的发酵4、产品的转化发酵产品的转化发酵当微生物进入稳定期后，代谢产生如氨基酸、微生物进入稳定期后，代谢产生如氨基酸、核苷酸、脂类和碳水化物以及抗生素等多核苷酸、脂类和碳水化物以及抗生素等多种初级和次级代谢产物。种初级和次级代谢产物。生物细胞或其产生的酶能将一种化合物转化生物细胞或其产生的酶能将一种化合物转化成化学结构相似，但在经济上更有价值的化成化学结构相似，但在经济上更有价值的化合
9、物。转化反应包括催化脱氢、氧化、羟化、合物。转化反应包括催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化等作用。缩合、脱羧、氨化、脱氨化等作用。n n天然发酵阶段（古代-1900年）n n纯培养技术的建立（1905年-）n n通气搅拌发酵技术的建立（1940年-）n n开拓发酵原料时期（1960年-）n n基因工程阶段（1979-）四、发酵工业的发展史四、发酵工业的发展史（1）第一个阶段（）第一个阶段（1900年以前）年以前）n产品只限于含酒精饮料和醋n古埃及已经能酿造啤酒 n17世纪能在容量为1500桶（一桶相当于110升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造 n1801年就有了原始的热交换
10、器 n18世纪中期，证实了酒精发酵中的酵母活动规律 nPaster最终使科学界信服在发酵过程中酵母所遵循的规律 n18世纪后期，Hansen在Calsberg酿造厂建立了酵母纯种培养技术n在18世纪末到19世纪初，基础培养基是用巴氏灭菌法处理，然后接种10%优质醋使呈酸性，可防治染菌污染。这样就成为一个良好的接种材料。n在20世纪初，在酿酒和制醋工业中已建立起过程控制的概念。（2）第二个阶段（）第二个阶段（1900年年1940年）年）n主要的新产品是酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮 n在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术n在一次大战时，Weizmann开拓了丁醇、丙酮发酵，并建立了
11、真正的无杂菌发酵 （3）第三个阶段（）第三个阶段（1940年以后）年以后）n这一阶段的标志是，在纯种培养技术下，以深层培养生产青霉素n解决向培养基中通入大量无菌空气和高粘度培养液的搅拌问题（4）第四个阶段（）第四个阶段（1960年以后）年以后）n以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源 n出现了不需要机械搅拌的高压喷射和强制循环的发酵罐 n工业上普遍采用分批培养和分批补料培养法（5）第五个阶段）第五个阶段（1979年以后）年以后）n这个阶段以基因工程产品的生产为标志。n目前，世界上已经批准上市的基因工程药物就有几十种，如：胰岛素、人生长激素等等。发酵工程的发展趋势发酵工程的发展趋势1)利用
12、遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种，使微生物细胞按照人类的需要合成某些产品；2)采用发酵技术进行高等动植物细胞培养；3)按照微生物生理和代谢特性以及产物的合成途径进行发酵条件调控；4)在工程方面，开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段，从而使发酵工业朝着模拟化、自动化、最优化方向发展；5)固定化技术广泛应用；6)将生物技术理论广泛地用于发酵工程。五、发酵过程的组成部分五、发酵过程的组成部分u典型的发酵生产过程包括：典型的发酵生产过程包括：确定菌种繁殖和发酵生产所用的确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基培养基；对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌；对培养基、发酵
13、罐及其附属设备进行灭菌；菌种经逐级菌种经逐级扩大培养扩大培养后，作为生产种子后，作为生产种子接种于发酵罐中接种于发酵罐中 控制控制发酵罐中微生物的发酵罐中微生物的生长条件生长条件，最大程，最大程度地获得人们渴望的代谢产物度地获得人们渴望的代谢产物 菌种的选育菌种的选育产物分离提纯产物分离提纯发酵过程中废弃物的处理与回收发酵过程中废弃物的处理与回收发发酵酵生生产产过过程程流流程程图图第二部分第二部分 发酵设备与基本工艺过程发酵设备与基本工艺过程一、一、生物反应器生物反应器(发酵罐发酵罐)利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反应过程应过程 。采用活细胞
14、(包括微生物、动植物细胞)作为生物催化剂的生物反应过程称为发酵过程或细胞培养过程。生物反应器：生物反应器：利用酶或生物体（如微生物）所具利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统。有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统。能维持一定的温度、pH、反应物(如营养物质、溶解氧等)浓度应具备良好的传质、传热和混合性能，以便为生物反应的顺利进行提供适宜的环境条件。细胞生物反应器除具备上述特性外，还要求有一定的除菌及密封设备，以防止生产过程中因微生物侵入造成的杂菌污染。根据生物反应过程中所使用的生物催化剂不根据生物反应过程中所使用的生物催化剂不同可将生物反应器分为：同可将
15、生物反应器分为：酶反应器酶反应器和和细胞生物反应器细胞生物反应器。生物反应器应具备的条件：生物反应器应具备的条件：评价生物反应器的两个重要指标：评价生物反应器的两个重要指标：生产能力产品质量（一）（一）发酵罐设计的原则发酵罐设计的原则u发酵罐的主要功能是：发酵罐的主要功能是：为菌体生长，或为某一特定的微生物混合发酵剂提供一个便于控制的环境，以获得人们所期望的产物。1、发酵器应能在无菌条件下工作数天，且应在、发酵器应能在无菌条件下工作数天，且应在长时间运转过程中保持稳定；长时间运转过程中保持稳定；2、通气和充分搅拌，以满足微生物代谢的需要，、通气和充分搅拌，以满足微生物代谢的需要，但不应损伤菌体
16、；但不应损伤菌体；3、尽可能低的功率消耗；、尽可能低的功率消耗；4、发酵罐上应配备有温度和、发酵罐上应配备有温度和pH值控制系统以及值控制系统以及采样装置采样装置发酵罐设计的原则发酵罐设计的原则5、发酵罐内的蒸发损失不应太多；、发酵罐内的蒸发损失不应太多；6、在放料、清洗和维修等操作过程中具有最、在放料、清洗和维修等操作过程中具有最低的劳动力消耗；低的劳动力消耗；7、发酵罐应有较好的适应性，以满足不同生、发酵罐应有较好的适应性，以满足不同生产厂家的需求；产厂家的需求；8、发酵罐内表面应光滑。、发酵罐内表面应光滑。9、用于中试规模的发酵罐与用于实际生产的、用于中试规模的发酵罐与用于实际生产的发酵
17、罐应具有相同的几何形状，有利于放大生发酵罐应具有相同的几何形状，有利于放大生产；产；10、使使用用既既能能满满足足工工艺艺要要求求又又比比较较便便宜宜的的制制造材料，同时应配备完善的供给设施。造材料，同时应配备完善的供给设施。发酵罐发酵罐设计原则设计原则（总结）（总结）n稳定性稳定性 n控制性控制性 n操作性操作性 n安全性安全性 n可视性可视性（二）微生物细胞反应器（二）微生物细胞反应器依搅拌方式不同，微生物细胞反应器有：依搅拌方式不同，微生物细胞反应器有：内部机械搅拌型内部机械搅拌型外部液体搅拌型外部液体搅拌型气升循环式发酵罐气升循环式发酵罐 典型发酵罐示意图电动机电动机电动机电动机pHp
18、H检测及检测及检测及检测及控制装置控制装置控制装置控制装置培养液培养液培养液培养液无菌空气无菌空气无菌空气无菌空气排气口排气口排气口排气口冷却水出口冷却水出口冷却水出口冷却水出口冷却水进口冷却水进口冷却水进口冷却水进口搅拌器搅拌器搅拌器搅拌器加料口加料口加料口加料口放料口放料口放料口放料口1、机械搅拌型微生物细胞生物反应器、机械搅拌型微生物细胞生物反应器(通用型通用型)主要由壳体、控温部分、搅拌主要由壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等组成。测量系统和附属系统等组成。壳体的作用：壳体的作用：为整个发酵过程提供一个密封的环境，防止杂菌污染；
19、同时为了能在一定压力下进行高温灭菌，要求罐体承受的压力至少在0.3MPa以上。控温部分的作用：控温部分的作用：是保证发酵过程在恒温条件下进行，并将生物氧化和机械搅拌产生的热量及时移去 搅拌部分的作用：搅拌部分的作用：使罐内物料混合良好，液体中的固形物料保持悬浮状态，这样有利于菌体与营养物质充分接触，便于营养吸收。另一方面，搅拌器可以打碎气泡，增加气液接触面积，提高气液间的传质速率，加强氧的传递效果及消除泡沫。通气部分的作用：通气部分的作用：是从罐的底部向罐内通入无菌空气，一般入口空气压力为0.10.2MPa(表压)，罐顶部有空气出口。进出料口：进出料口：是是指进料和出料用的系统，同时指进料和出
20、料用的系统，同时还配有补料口装置等还配有补料口装置等 测量系统：测量系统：作用作用在于测量发酵过程中的pH值、溶解氧等相关数据，以便对发酵过程进行随时的监测并及时对发酵参数进行调整。此外，测量装置应能承受一定的灭菌温度并在长时间内保持稳定。通用机械搅拌型生物反应器内通常安装消泡装置，抑制泡沫的形成。附属系统是指用以观察发酵液情况的视镜装置和强化发酵液混合的挡板等设备。二、基本工艺过程二、基本工艺过程（一）（一）微生物发酵工艺类型微生物发酵工艺类型1、分批培养、分批培养概念：又称分批发酵，指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物在特定的条件下只完成一个生
21、长繁殖周期的培养方法。（微生物可表现出典型的生长周期）2、连续培养、连续培养概念：又称连续发酵，指按一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时培养液以相同的速度流出，从而使发酵罐内培养物的液量维持恒定，使微生物细胞能在相对恒定的状态下生长。（恒定状态可有效延长分批培养的对数期）连续培养过程中，微生物细胞所处的环境条件，如营养物质的浓度、产物的生成速度、pH值以及微生物细胞的浓度和比生长速度等参数自始至终基本保持不变，甚至还可以根据需要来调节微生物细胞的生长速度。连续培养的最大特点：微生物细胞的生长速度和产物的代谢生成均处于恒定状态，因而可以达到稳定、高速培养微生物细胞或产生大量代谢产物的目的
22、。连续培养分类：连续培养分类：恒浊培养(利用浊度检测细胞的浓度)恒化培养（恒定输入养料中的某一基质）3、补料分批培养、补料分批培养概念：又称半连续发酵，根据菌株生长和初始培养基的特点，在分批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其代谢产物的生产时间延长。补料分批培养在发酵工业上主要用于发酵生产单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素、酶制剂、有机酸以及有机溶剂等。补料分批培养类型：补料分批培养类型：连续补料非连续补料多周期补料，补料分批培养具有以下优点：补料分批培养具有以下优点：消除培养过程中底物的抑制消除产物的反馈抑制可以达到高密度细胞培养可以达到高密度细胞培养 延长次级代谢产物的生产时间延长次级
23、代谢产物的生产时间 稀释有毒代谢产物稀释有毒代谢产物 降低染菌和避免遗传不稳定性降低染菌和避免遗传不稳定性(二二)工业微生物菌种的扩大培养工业微生物菌种的扩大培养菌种的扩大培养目的：为工业发酵提供数量巨大、代谢旺盛的微生物种子(或发酵剂)。种子的概念：将保存在沙土管或冷冻干燥管中处于休眠状态的母发酵剂接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养，最后获得一定数量和质量的纯种培养物，即发酵工业上通称的“种子”。发酵工业上使用的种子必须具备的条件发酵工业上使用的种子必须具备的条件：生长旺盛，活力较高，延迟期短，接种到发酵罐后能迅速生长；细胞浓度适宜，以保证在大型发酵罐中有适当的接种量；生理状
24、态稳定；生产能力保持稳定无杂菌污染；（三）培养基灭菌（三）培养基灭菌若发酵培养基中夹杂有其他微生物，将导致若发酵培养基中夹杂有其他微生物，将导致下列后果下列后果：（或为什么要对培养基灭菌）（或为什么要对培养基灭菌）生产菌与杂菌在培养基中同时生长，使生产菌丧失生产能力；在连续发酵过程中，杂菌有时会比生产菌生长快，使生物反应器中杂菌占优势；杂菌过度生长会污染最终产品，杂菌代谢所产生的物质，使目的产物的分离困难；杂菌使目的产物降解。发酵过程中，若发生噬菌体污染，生产菌细胞会发生溶菌现象，使发酵产物的最终产量或活力大幅度下降。为防止和控制杂菌污染，实践生产中采取灭为防止和控制杂菌污染，实践生产中采取灭
25、菌措施有：菌措施有：培养基灭菌；发酵罐灭菌；对所有与发酵过程有关的物料进行灭菌；发酵时保持纯种状态。培养基的灭菌方法培养基的灭菌方法：(1)间歇式灭菌将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，也称作行加热灭菌的过程，也称作“实罐灭菌实罐灭菌”。是中小型生产厂家经常采用的一种培养基是中小型生产厂家经常采用的一种培养基灭菌方法灭菌方法。(2)连续灭菌连续灭菌配制好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行的灭菌方式。l连续灭菌的基本设备有连续灭菌的基本设备有
26、配料预热罐：连消塔：主要作用使高温蒸汽与液体培养基迅速接主要作用使高温蒸汽与液体培养基迅速接触混合，促使培养液的温度快速升高到灭菌温触混合，促使培养液的温度快速升高到灭菌温度度(126(126132)132)；维持罐：使培养液在灭菌温度下保持使培养液在灭菌温度下保持5-7min5-7min，以达到彻底灭菌的目的以达到彻底灭菌的目的 冷却管：降低培养液温度降低培养液温度l培养基连续灭菌的优点培养基连续灭菌的优点：灭菌的温度较高，灭菌时间较短培养基的营养成分受破坏的程度较低提高了发酵罐的利用率。l培养基连续灭菌的缺点培养基连续灭菌的缺点：灭菌过程所需的设备较多操作较为麻烦杂菌污染的机会也相应增多。
27、（四）（四）空气灭菌空气灭菌(1)空气灭菌的要求空气灭菌的要求l一般空气灭菌要求10-3的染菌几率，即在1 000次培养过程中，只允许一次是由于空气灭菌不彻底而造成染菌，使培养过程失败的情况。l发酵工业应用的“无菌空气”：指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。l空气中微生物的分布n空气中的含菌量随环境不同而有很大差异：q一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；q人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；q地面又比高空的空气含菌量多。n各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数量也随条件的变化而异。(2)空气灭菌的方法空气灭
28、菌的方法加热灭菌法：利用压缩空气时产生的热量进行灭菌利用压缩空气时产生的热量进行灭菌 n利用压缩热进行空气灭菌的流程图利用压缩热进行空气灭菌的流程图n空气进口温度为空气进口温度为21，出口温度为，出口温度为187198 ，压，压力为力为0.7MPa。辐射杀菌：-射线、射线、X-X-射线、射线、-射线、射线、-射线、紫外射线、紫外线和超声波等破坏微生物体内的蛋白质等生物线和超声波等破坏微生物体内的蛋白质等生物的活性物质，从而达到杀菌效果。的活性物质，从而达到杀菌效果。应用范围应用范围n通常用于无菌室和医院手术室。通常用于无菌室和医院手术室。缺点缺点n杀菌效率较低，杀菌时间较长。一般要结合甲醛杀菌
29、效率较低，杀菌时间较长。一般要结合甲醛蒸汽等来保证无菌室的无菌程度。蒸汽等来保证无菌室的无菌程度。静电除菌：悬浮于空气中的微悬浮于空气中的微生物大多带有不同生物大多带有不同的电荷，因此，可的电荷，因此，可以利用静电引力吸以利用静电引力吸附带电粒子达到除附带电粒子达到除尘灭菌的目的。尘灭菌的目的。近几年来，静电除菌方法已被一些工厂用来除去空气中的水雾、油雾、尘埃和微生物。静电除菌有一定的局限性，因为一些直径较小的颗粒带电荷很少，所以当产生的引力小于或等于气流对微粒的拉动力时，则微粒就不能被吸附而沉降。对很小的微粒来说，静电除尘灭菌的效果是有限的。介质过滤除菌法：是利用过滤介质阻截空气中所含的微是
30、利用过滤介质阻截空气中所含的微生物而获得无菌空气的除菌方法。目前，生物而获得无菌空气的除菌方法。目前，该方法是广泛应用。该方法是广泛应用。滤材滤材孔孔洁净气体洁净气体含微生物的气体含微生物的气体(2)空气过滤除菌介质的选择空气过滤除菌介质的选择 空气过滤除菌原理：当空气经过过滤介质时，层层的滤层纤维当空气经过过滤介质时，层层的滤层纤维会迫使空气在流动过程中无数次地改变流会迫使空气在流动过程中无数次地改变流速大小和方向，从而导致微生物微粒与滤速大小和方向，从而导致微生物微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力及静电引力等作用，从而把微生物微粒力及静电引力
31、等作用，从而把微生物微粒截留、捕集在纤维表面上，达到过滤除菌截留、捕集在纤维表面上，达到过滤除菌的目的。的目的。空气过滤除菌的介质：纤维状物或颗粒状物纤维状物或颗粒状物:主要指脱脂棉主要指脱脂棉 、无碱玻璃、无碱玻璃纤维和活性炭等材料纤维和活性炭等材料 。过滤纸：过滤纸：主要指玻璃纤维纸，厚度约为主要指玻璃纤维纸，厚度约为0.250.250.400.40mmmm，孔径约为孔径约为1.001.00-1.50m-1.50m微孔滤膜微孔滤膜：孔径小于孔径小于0.500.50m m，甚至小于甚至小于0.10.1m m，因而能将空气中的细菌绝对过滤掉。这类过滤介因而能将空气中的细菌绝对过滤掉。这类过滤介
32、质主要用于滤除空气中的细菌和尘埃，所以滤后质主要用于滤除空气中的细菌和尘埃，所以滤后空气的质量较易控制。空气的质量较易控制。(3)空气过滤除菌工艺流程空气过滤除菌工艺流程两级冷却和加热除菌流程是一个比较完善的空气除菌流程工艺。l该流程的特点是两次冷却，两次分离和适当加热；优点是能提高传热系数，节约冷却用水，油水分离得比较完全。(4)空气的预处理空气的预处理 空气预处理的目的：一是提高压缩前空气的洁净度；二是去除压缩后空气中所带的油和水。气体预过滤器外壳图气体预过滤器外壳图 空气粗过滤：通常采用布袋过滤器、填料过滤器、油浴通常采用布袋过滤器、填料过滤器、油浴洗涤和水雾除尘装置等作为粗过滤设备。洗
33、涤和水雾除尘装置等作为粗过滤设备。空气压缩和压缩空气的冷却：压缩空气的除水除油。(5)提高过滤除菌效率的主要措施提高过滤除菌效率的主要措施减少进口空气的含菌数 设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率较高的过滤介质 采用合理的空气预处理设备，以达到较好的除油、水和杂质的目的。空气进入过滤器之前应进行干燥处理，以保证过滤介质正常工作。（五）（五）氧的供需与传递氧的供需与传递1、细胞对氧的需求、细胞对氧的需求（1）临界溶氧浓度：l如果培养基中不存在其他限制性基质时，如果培养基中不存在其他限制性基质时，影响好氧性微生物生长繁殖的最低溶解氧浓影响好氧性微生物生长繁殖的最低溶解氧浓度称为临界溶氧浓度。度
34、称为临界溶氧浓度。l 虽然氧气在培养液中的溶解度很低，但培养虽然氧气在培养液中的溶解度很低，但培养过程中并不需要使溶解氧浓度达到饱和值，而过程中并不需要使溶解氧浓度达到饱和值，而只要超过某一临界溶氧浓度后，细胞的呼吸生只要超过某一临界溶氧浓度后，细胞的呼吸生长就不会受到抑制。长就不会受到抑制。l一般来说，微生物的临界溶氧浓度大约为其一般来说，微生物的临界溶氧浓度大约为其饱和浓度的饱和浓度的1 1一一2525。保持溶解氧浓度高于临保持溶解氧浓度高于临界溶氧浓度就可以满足微生物的最大需氧量界溶氧浓度就可以满足微生物的最大需氧量，从而获得最高的微生物细胞产量。从而获得最高的微生物细胞产量。细胞对氧的
35、利用情况也可用摄氧率来反映。细胞对氧的利用情况也可用摄氧率来反映。l摄氧率：单位体积培养液在单位时间内消耗氧摄氧率：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的含量的含量(mmolOmmolO2 2/L.s)/L.s)。（2）摄氧率：影响影响摄氧率的因素摄氧率的因素培养液中基质浓度培养时间 细胞浓度（3 3）溶解氧浓度与细胞代谢产物）溶解氧浓度与细胞代谢产物l溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影响溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影响可能是不同的。可能是不同的。溶解氧水平越高并不一定有溶解氧水平越高并不一定有利于产物的生成；同样，细胞生长的最佳氧利于产物的生成；同样，细胞生长的最佳氧浓度不一定就是生成产物的
36、最佳氧浓度。浓度不一定就是生成产物的最佳氧浓度。lHiroseHirose和和Shibai(1980)Shibai(1980)研究了黄色短杆菌代研究了黄色短杆菌代谢生产氨基酸时的溶解氧浓度，发现提高溶解谢生产氨基酸时的溶解氧浓度，发现提高溶解氧浓度不利于亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸的生氧浓度不利于亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸的生产，但有利于脯氨酸、谷氨酸、谷胱甘肽、赖产，但有利于脯氨酸、谷氨酸、谷胱甘肽、赖氨酸、苏氨酸和异亮氨酸的生产。氨酸、苏氨酸和异亮氨酸的生产。l这是因为苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸是通过糖这是因为苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸是通过糖酵解中间产物丙酮酸和磷酸烯醇式丙酮酸而形酵解中间产物丙酮
37、酸和磷酸烯醇式丙酮酸而形成的，而谷氨酸和天门冬氨酸的生物合成来源成的，而谷氨酸和天门冬氨酸的生物合成来源于三羧酸循环。供氧充分时，三羧酸循环的中于三羧酸循环。供氧充分时，三羧酸循环的中间产物丰富，因此谷氨酸和天门冬氨酸的产量间产物丰富，因此谷氨酸和天门冬氨酸的产量就高；供氧不足时，因糖代谢受阻，所以有利就高；供氧不足时，因糖代谢受阻，所以有利于苯丙氨酸和缬氨酸的生产。于苯丙氨酸和缬氨酸的生产。2 2、氧传递系数测定、氧传递系数测定现代发酵工程研究表明，空气中的氧气进入细胞内分三个步骤:氧转移到发酵液溶解的氧分子通过发酵液进入微生物细胞细胞吸收溶解氧。n氧从空气泡氧从空气泡(气相气相)进入液体进
38、入液体(液相液相)的传递的传递速率即速率即氧的传递速率氧的传递速率.可以表示为方程可以表示为方程：dCL/dt=KLa（C*-CL）式式中中：C CL L为为发发酵酵液液中中的的溶溶氧氧浓浓度度(mmol/L)mmol/L)；t t为为时时间间（h h），dCdCL L/dt/dt为为单单位位时时间间内内的的氧氧浓浓度度变变化化，即即氧氧传传递递速速率率 mmol/(L.h)mmol/(L.h)；K KL L为为氧氧传传递递系系数数(m/h)m/h)；a a为为单单位位体体积积液液体体的的气气/液液界界面面积积比比，或或称称 比比 表表 面面 积积(m m2 2/m/m3 3)；C*C*为为
39、饱饱 和和 溶溶 氧氧 浓浓 度度(mmol/L)mmol/L)。K KL L可以认为是氧从气体进入液体的传递阻力的倒可以认为是氧从气体进入液体的传递阻力的倒数；数；氧传递系数的测定方法主要有氧传递系数的测定方法主要有亚硫酸盐氧化法、极谱法、物料衡算法、动态亚硫酸盐氧化法、极谱法、物料衡算法、动态法、排气法和复膜电极法等。法、排气法和复膜电极法等。3 3、增加溶氧的工艺措施、增加溶氧的工艺措施（1 1）改变通气速率）改变通气速率(增大通风量增大通风量)（2 2）改变搅拌速度）改变搅拌速度 （3 3）改变气体组成中的氧分压）改变气体组成中的氧分压 （4 4）改变罐压）改变罐压（5 5）改变发酵液
40、的理化性质）改变发酵液的理化性质（6 6）加入中间传氧介质）加入中间传氧介质第三部分第三部分发酵过程控制发酵过程控制一、发酵过程控制的基本原则一、发酵过程控制的基本原则发酵生产过程的主要目的：是是获得最大产量和最佳质量的发酵产物获得最大产量和最佳质量的发酵产物.最优化控制的目标最优化控制的目标:首先是得到最大量的发酵产物，其次是最短首先是得到最大量的发酵产物，其次是最短的生产周期和由此获得的最佳经济效益。的生产周期和由此获得的最佳经济效益。影响发酵产物生产的因素:营养物质的浓度、种类、比例溶解氧浓度氧化还原电位CO2发酵液黏度温度pH值泡沫酶和代谢产物此外，还包括菌体浓度、生长速率、死亡速率、
41、细胞状态等生物学因素。二、二、温度温度对发酵过程的影响及其控制对发酵过程的影响及其控制 1 1、温度对微生物的影响：、温度对微生物的影响：l高温会使微生物细胞内的蛋白质发生变性或凝高温会使微生物细胞内的蛋白质发生变性或凝固，破坏微生物细胞内的酶活性，从而杀死微生固，破坏微生物细胞内的酶活性，从而杀死微生物。温度越高，微生物的死亡越快。物。温度越高，微生物的死亡越快。l低温能抑制微生物的生长。低温能抑制微生物的生长。l各种微生物都有一个最适的生长温度范围，在各种微生物都有一个最适的生长温度范围，在此范围内，微生物的生长最快。此范围内，微生物的生长最快。2、温度与酶反应在在一定范围内一定范围内,温
42、度越高，酶反应速度越快，微温度越高，酶反应速度越快，微生物细胞生长代谢速率加快，产物提前生成；生物细胞生长代谢速率加快，产物提前生成；但因为酶本身很容易因热的作用而失活，温度但因为酶本身很容易因热的作用而失活，温度越高，酶的失活也越快，表现出微生物细胞容易越高，酶的失活也越快，表现出微生物细胞容易衰老，使发酵周期缩短，从而影响发酵过程最终衰老，使发酵周期缩短，从而影响发酵过程最终产物的产量。产物的产量。3、温度与培养液的物理性质 改变培养液的物理性质会影响到微生物细胞的改变培养液的物理性质会影响到微生物细胞的生长。例如，温度通过影响氧在培养液中的溶解生长。例如，温度通过影响氧在培养液中的溶解浓
43、度、氧传递速度等，而影响到整个发酵过程浓度、氧传递速度等，而影响到整个发酵过程。4、温度与代谢产物的生物合成方向 在四环素的发酵过程中，金色链霉菌同时代谢产在四环素的发酵过程中，金色链霉菌同时代谢产生生四环素和金霉素四环素和金霉素，当温度，当温度低于低于3030时，金色链时，金色链霉菌合成霉菌合成金霉素金霉素的能力较强，随着温度的升高，的能力较强，随着温度的升高，合成四环素的能力也逐渐增强，当温度提高到合成四环素的能力也逐渐增强，当温度提高到3535时时，则只合成，则只合成四环素四环素，而金霉素的合成几乎，而金霉素的合成几乎处于停止状态。处于停止状态。5、同一菌株，其细胞生长和代谢产物积累的最
44、适温度往往不同例如，黑曲酶的最适生长温度为例如，黑曲酶的最适生长温度为3737，产生糖，产生糖化酶和柠檬酸的最适温度是化酶和柠檬酸的最适温度是32-3432-34；谷氨酸生产；谷氨酸生产菌生长的最适温度为菌生长的最适温度为30-3230-32,产生谷氨酸的最适产生谷氨酸的最适温度是温度是3 34-37 4-37。三、pH值对发酵过程的影响及其控制（一）（一）pH值对发酵过程的影响值对发酵过程的影响大多数细菌的最适pH值为6.57.5，霉菌的最适pH值为4.05.8，酵母菌的最适pH值为3.86.0，放线菌的最适pH值为6.58.0。例如，例如，黑曲霉在黑曲霉在pHpH值值2-32-3的情况下，
45、发酵过程形成的情况下，发酵过程形成的产物是的产物是柠檬酸柠檬酸，而在，而在pHpH值接近值接近中性时中性时，却生成，却生成草草酸酸。又如，啤酒酵母菌的最适生长又如，啤酒酵母菌的最适生长pHpH值为值为4.54.55.05.0，此时，发酵产物是酒精；但当此时，发酵产物是酒精；但当pHpH大于大于7.57.5时，发酵产时，发酵产物除酒精外，还有醋酸和甘油。物除酒精外，还有醋酸和甘油。微生物生长的最适微生物生长的最适pHpH值和发酵产物形成的最适值和发酵产物形成的最适pHpH值往往是不同的。值往往是不同的。例如，青霉素生产菌生长的最适例如，青霉素生产菌生长的最适pHpH值为值为6.56.57.27.
46、2，而青霉素合成的最适，而青霉素合成的最适pHpH值却为值却为6.26.26.36.3；（二）发酵过程中（二）发酵过程中pH值的变化情况值的变化情况一般，发酵过程中若消耗碱性物质或生成酸性物一般，发酵过程中若消耗碱性物质或生成酸性物质都会引起发酵液的质都会引起发酵液的pHpH值下降值下降。发酵液发酵液pHpH下降的主要原因：下降的主要原因：培养基中的碳培养基中的碳/氮比例不当，碳源过多氮比例不当，碳源过多消泡油加得过多；消泡油加得过多；微生物生理酸性物质的存在微生物生理酸性物质的存在发酵过程中若消耗酸性物质或生成碱性物质都会发酵过程中若消耗酸性物质或生成碱性物质都会引起发酵液的引起发酵液的pH
47、pH值上升值上升.发酵液发酵液pHpH值上升的主要原因：值上升的主要原因：培养基中的碳培养基中的碳/氮比例失衡，氮源过多氮比例失衡，氮源过多存在生理碱性物质；存在生理碱性物质；中间补料时，氨水或尿素等碱性物质加入过多中间补料时，氨水或尿素等碱性物质加入过多 （三）（三）发酵过程中发酵过程中pH值的控制值的控制采用的方法：(1)(1)调节培养基的起始调节培养基的起始pHpH值值，或加入缓冲溶，或加入缓冲溶液液(如磷酸盐如磷酸盐)或尽量使盐类和碳源的配比平衡或尽量使盐类和碳源的配比平衡 (2)(2)在发酵过程中在发酵过程中及时加入弱酸或弱碱及时加入弱酸或弱碱来调节来调节pHpH值值(3)(3)可可
48、及时补料及时补料调节调节pHpH值值(4)(4)采用生理酸性盐作为氮源时，向培养液中采用生理酸性盐作为氮源时，向培养液中加入碳酸钙可以调节加入碳酸钙可以调节pHpH值值(5)(5)可用流加氨水或尿素的方法来调节发酵过可用流加氨水或尿素的方法来调节发酵过程中程中pHpH值的变化值的变化 四、四、泡沫泡沫对发酵过程的影响和控制对发酵过程的影响和控制（一）泡沫的形成及其对发酵过程的影响（一）泡沫的形成及其对发酵过程的影响发酵过程中产生泡沫的原因：发酵过程中产生泡沫的原因：外界引进的气流被机械地分散形成泡沫；外界引进的气流被机械地分散形成泡沫；发酵过程中产生的气体聚结形成的发酵泡发酵过程中产生的气体聚
49、结形成的发酵泡沫。沫。过多的持久性泡沫会给发酵过程造成不利的影过多的持久性泡沫会给发酵过程造成不利的影响，主要表现在：响，主要表现在：n使发酵罐的装填系数减少；使发酵罐的装填系数减少；n造成大量逃液，导致产物的损失；造成大量逃液，导致产物的损失；n泡沫泡沫“顶罐顶罐”，有可能使培养基从搅拌轴，有可能使培养基从搅拌轴处渗出，增加了染菌的机会；处渗出，增加了染菌的机会；n由于泡沫的液位变动，以及不同生长周期由于泡沫的液位变动，以及不同生长周期微生物随泡沫漂浮或黏附在罐盖或罐壁上，微生物随泡沫漂浮或黏附在罐盖或罐壁上，使微生物生长的环境发生改变，使微生物群使微生物生长的环境发生改变，使微生物群体的非
50、均一性增加；体的非均一性增加；影响通气搅拌的正常进行，妨碍微生物的呼影响通气搅拌的正常进行，妨碍微生物的呼吸，造成发酵异常，导致最终产物产量下降；吸，造成发酵异常，导致最终产物产量下降；使微生物菌体提早自溶，这一过程的发展又使微生物菌体提早自溶，这一过程的发展又会促使更多的泡沫生成；会促使更多的泡沫生成；消泡剂的加入，会给最终产物的提取带来困消泡剂的加入，会给最终产物的提取带来困难。难。（二）（二）发酵过程中泡沫的消除与控制发酵过程中泡沫的消除与控制l发酵过程中消除和控制泡沫的主要措施：发酵过程中消除和控制泡沫的主要措施：(1)化学消泡法：优点：优点：来源广泛，消泡效果好来源广泛，消泡效果好作