食品生物技術(shù)發(fā)酵工程

食品生物技術(shù)發(fā)酵工程第1頁(yè)/共74頁(yè)一、發(fā)酵工程主要內(nèi)容

發(fā)酵工程是指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的技術(shù)。發(fā)酵工程由于涉及到生物催化劑，因而與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。由于生物技術(shù)的最終目標(biāo)是建立工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程為社會(huì)服務(wù)，因而該生產(chǎn)過(guò)程可稱為生物反應(yīng)過(guò)程（亦稱為生化反應(yīng)過(guò)程）。在發(fā)酵技術(shù)中一般包括微生物細(xì)胞或動(dòng)植物細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)，或利用固定化酶、固定化細(xì)胞所做的反應(yīng)器加工底物（即有生化催化劑參加），以及培養(yǎng)加工后產(chǎn)物大規(guī)模的分離提取等工藝。主要是在生物反應(yīng)過(guò)程中提供各種所需的最適環(huán)境條件，如酸堿度、濕度、底物濃度、通氣量以及保證無(wú)菌狀態(tài)等研究?jī)?nèi)容。第2頁(yè)/共74頁(yè)二、發(fā)酵工程的發(fā)展歷史1000多年（甚至4000多年）以前酒類的釀造；

19世紀(jì)利用酵母進(jìn)行大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)。大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品有乳酸、酒精、面包酵母、檸檬酸和蛋白酶等初級(jí)代謝產(chǎn)物；19世紀(jì)中葉，發(fā)明巴斯德滅菌法，找到了乳酸桿菌的生物體；20世紀(jì)初，發(fā)現(xiàn)某些梭菌能夠引起丙酮丁醇的發(fā)酵。它是第一個(gè)進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)酵過(guò)程，也是工業(yè)生產(chǎn)中首次采用大量純培養(yǎng)技術(shù)的；

1929年Flemming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉素，但無(wú)法提取精制；

1942年終于正式實(shí)現(xiàn)了青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)，這是生物工程第一次劃時(shí)代的飛躍，生物技術(shù)核心的發(fā)酵技術(shù)已從昔日的以厭氧發(fā)酵為主的工藝躍入深層通風(fēng)發(fā)酵為主的工藝；第3頁(yè)/共74頁(yè)20世紀(jì)40年代，以獲取細(xì)菌的次生代謝產(chǎn)物—抗生素為主要特征的抗生素工業(yè)成為生物發(fā)酵工業(yè)技術(shù)的支柱產(chǎn)業(yè)；20世紀(jì)50年代，氨基酸發(fā)酵工業(yè)又成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的又一個(gè)成員。實(shí)現(xiàn)了對(duì)微生物的的代謝進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，這又使生物技術(shù)進(jìn)了一步；20世紀(jì)60年代，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)又增加了酶制劑工業(yè)這一成員；70年代，為了解決由于人口迅速增長(zhǎng)而帶來(lái)的糧食短缺問(wèn)題，進(jìn)行了非碳水化合物代替碳水化合物的發(fā)酵，如利用石油化工原料進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，培養(yǎng)單細(xì)胞蛋白，進(jìn)行污水處理，能源開(kāi)發(fā)等；80年代以來(lái)，隨著重組DNA技術(shù)的發(fā)展，可以按人類社會(huì)的需要，定向培養(yǎng)出有用的菌株，這為發(fā)酵工程技術(shù)引入了遺傳工程的技術(shù)，使生物技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。第4頁(yè)/共74頁(yè)三、發(fā)酵工程的特點(diǎn)在研究用微生物（生物催化劑）進(jìn)行某種物質(zhì)生產(chǎn)時(shí)，大體上有兩種研究方式：一種是各種酶水平上研究微生物細(xì)胞內(nèi)（外）的生物化學(xué)反應(yīng)，如大量搖瓶在實(shí)驗(yàn)室里觀察限制反應(yīng)速率的因素和最適的培養(yǎng)方法，這可以認(rèn)為是一種小規(guī)模的研究形式；另一種是大規(guī)模的研究形式，即過(guò)程放大。利用小型和中型反應(yīng)器（培養(yǎng)罐）進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)，并進(jìn)一步在工業(yè)規(guī)模上研究生產(chǎn)物的分離和精制方法，以確定在細(xì)胞水平上的綜合的最適培養(yǎng)條件。

發(fā)酵工程的一個(gè)基本特點(diǎn)：發(fā)酵技術(shù)的放大方面，則需要由小試放大到中試逐步進(jìn)行探討。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的小規(guī)模發(fā)酵所獲得的最適條件的各種參數(shù)，能否在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)中也同樣保證其最適條件，那就是不是輕而易舉的事了。總結(jié)：因此如何保證大規(guī)模發(fā)酵在最適條件下進(jìn)行，仍是一個(gè)值得研究的課題，它不僅涉及到發(fā)酵設(shè)備的工程問(wèn)題，也與各類生物細(xì)胞的生理生化特性相關(guān)。第5頁(yè)/共74頁(yè)一般生物反應(yīng)過(guò)程由四個(gè)部分組成：

（1）材料的預(yù)處理培養(yǎng)基的制備過(guò)程，包括其配制和滅菌等；

（2）生物催化劑的制備

固定化技術(shù)來(lái)制備；（3）生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇與監(jiān)控

生物反應(yīng)器是進(jìn)行生物反應(yīng)的核心設(shè)備；

（4）產(chǎn)品的分離純化將含量較低的產(chǎn)物從反應(yīng)液中提取出來(lái)（指胞外產(chǎn)物）或從細(xì)胞中（指胞內(nèi)產(chǎn)物）提取出來(lái)，并加以精制以達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量要求。第6頁(yè)/共74頁(yè)生物反應(yīng)過(guò)程主要有這樣一些特點(diǎn)：采用可再生資源作為主要原料，因而原料來(lái)源豐實(shí)，價(jià)格低廉，過(guò)程中廢物的危害性較小，但由于原料的成分復(fù)雜，往往難以控制會(huì)給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)一定的影響；由于采用的是生物催化劑，反映過(guò)程一般在常溫常壓下進(jìn)行。但生物催化劑易受環(huán)境的影響和雜菌的污染，因而很易失活，難以長(zhǎng)期使用；與一般化工產(chǎn)品相比，其生產(chǎn)設(shè)備比較簡(jiǎn)單，能耗較低。但某些生物反應(yīng)由于其特殊性質(zhì)而使反應(yīng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均不能太高，這是因?yàn)槲⑸锛?xì)胞或生物酶受底物濃度或產(chǎn)物濃度的抑制或不能耐高滲透壓所致，不僅使反應(yīng)器體積增大，而且也加大了提取的困難，因而反應(yīng)器生產(chǎn)效率較低；盡管生物反應(yīng)過(guò)程成本低，應(yīng)用廣，但反應(yīng)極為復(fù)雜，較難檢測(cè)與控制。反應(yīng)液中雜質(zhì)多，給分離提純帶來(lái)了困難。第7頁(yè)/共74頁(yè)四.生物反應(yīng)過(guò)程的分類1、酶催化反應(yīng)過(guò)程

采用游離酶或固定化酶為催化劑時(shí)的反應(yīng)過(guò)程。生物體中所進(jìn)行的反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的。工業(yè)生產(chǎn)中所用的酶，或是經(jīng)提取分離得到的游離酶，或是固定在多種載體上的固定化酶。2、微生物反應(yīng)過(guò)程

采用活細(xì)胞為催化劑時(shí)的反應(yīng)過(guò)程。這既包括一般的微生物發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程，也包括固定化細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程和動(dòng)植物細(xì)胞的培養(yǎng)過(guò)程。3、廢水的生物處理過(guò)程

它是利用微生物本身的分解能力和凈化能力，除去廢水中污染物質(zhì)的過(guò)程。第8頁(yè)/共74頁(yè)

五、生物化學(xué)工程的基本內(nèi)容生化工程由三部分組成：上游工程，發(fā)酵過(guò)程和下游工程。

上游工程：包括優(yōu)良種株的選育，最適發(fā)酵條件（pH、溫度、溶氧和營(yíng)養(yǎng)組成）的確定，營(yíng)養(yǎng)物的準(zhǔn)備等；

發(fā)酵過(guò)程（發(fā)酵工藝）：主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)；

下游工程：指從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品的技術(shù)：包括固液分離技術(shù)（離心分離，過(guò)濾分離，沉淀分離等工藝），細(xì)胞破壁技術(shù)（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等），蛋白質(zhì)純化技術(shù)（沉淀法、色譜分離法和超濾法等），最后還有產(chǎn)品的包裝處理技術(shù)（真空干燥和冰凍干事燥等）。

第9頁(yè)/共74頁(yè)上游加工技術(shù)：

在生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的上游加工中最重要的是生物催化劑（包括菌株、酶及其固定化）的制備，因此必須掌握生物催化劑的生理生化特性和培養(yǎng)特性，解決大規(guī)模種子培養(yǎng)或固定化生物催化劑的制備以及如何將其在無(wú)菌狀態(tài)下接入生物反應(yīng)器中等問(wèn)題。上游加工中還包括原材料的物理和化學(xué)處理、培養(yǎng)基的配制和滅菌等問(wèn)題，這里包括有物料破碎、混合和輸送等多種化工單元操作以及熱量傳遞、滅菌動(dòng)力學(xué)和設(shè)備等有關(guān)工程問(wèn)題。第10頁(yè)/共74頁(yè)

發(fā)酵工藝技術(shù)：

1、發(fā)酵要有嚴(yán)格的無(wú)菌生長(zhǎng)環(huán)境：包括發(fā)酵開(kāi)始前采用高溫高壓對(duì)發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù)；在發(fā)酵過(guò)程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無(wú)菌空氣的空氣過(guò)濾技術(shù)；

2、發(fā)酵過(guò)程中根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)要求控制加料速度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；3、種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。

發(fā)酵工藝的批量發(fā)酵：

1、一次投料發(fā)酵；

2、流加批量發(fā)酵：即在一次投料發(fā)酵的基礎(chǔ)上，流加一定量的營(yíng)養(yǎng)，使細(xì)胞進(jìn)一步的生長(zhǎng)，或得到更多的代謝產(chǎn)物；

3、連續(xù)發(fā)酵：不斷地流加營(yíng)養(yǎng)，并不斷地取出發(fā)酵液。

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總結(jié)發(fā)酵工藝過(guò)程：

在進(jìn)行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計(jì)更大規(guī)模生產(chǎn)的動(dòng)力學(xué)模型。由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，在從實(shí)驗(yàn)室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問(wèn)題。

第12頁(yè)/共74頁(yè)下游加工技術(shù)：

生物反應(yīng)過(guò)程的下游是對(duì)目的產(chǎn)物的提取與精制。這一過(guò)程是比較困難的。這是因?yàn)橐环矫嫔锓磻?yīng)液中的目的產(chǎn)物的濃度是很低微的；另一方面因?yàn)榉磻?yīng)液雜質(zhì)常與目的產(chǎn)物有相似的結(jié)構(gòu)，加上一些具有生物活性的產(chǎn)品對(duì)溫度、酸堿度都十分敏感，一些作為藥物或食品的產(chǎn)品對(duì)純度、有害物質(zhì)都有嚴(yán)格的要求。總之，下游加工過(guò)程步驟多，要求嚴(yán)，其生產(chǎn)費(fèi)用往往占生產(chǎn)成本的一半以上。第13頁(yè)/共74頁(yè)總結(jié)：

生物技術(shù)研究的主要目標(biāo)是最大限度地提高上游處理、發(fā)酵與轉(zhuǎn)化、下游處理這三個(gè)步驟的整體效率，同時(shí)尋找一些可以用來(lái)制備食品、食品添加劑和藥物的微生物。從20世紀(jì)60~70年代起，生物技術(shù)的研究主要集中在上游處理過(guò)程、生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和下游的純化過(guò)程方面，這些研究使發(fā)酵過(guò)程的檢測(cè)、生物反應(yīng)體系的檢測(cè)技術(shù)和有效的大量培養(yǎng)微生物的技術(shù)及相關(guān)儀器方面都有了很大的發(fā)展。在利用微生物生產(chǎn)商品的整個(gè)過(guò)程中，生物轉(zhuǎn)化這個(gè)環(huán)節(jié)往往是最難優(yōu)化的。通常用于大規(guī)模生產(chǎn)的培養(yǎng)條件往往不是自然條件下微生物的最佳生長(zhǎng)條件。因此，人們一般通過(guò)化學(xué)突變、化學(xué)誘變或者紫外線照射來(lái)產(chǎn)生突變體，從而改良菌種、提高產(chǎn)量，傳統(tǒng)的誘導(dǎo)突變和選擇的方法在發(fā)酵生產(chǎn)中獲得了較大的成功。

但是通過(guò)傳統(tǒng)的方法提高產(chǎn)量的幅度是非常有限的，傳統(tǒng)的改良菌種的生物技術(shù)還僅僅局限在化學(xué)工程和微生物工程的領(lǐng)域內(nèi)。隨著DNA重組技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，這種情況發(fā)生了根本性的改變。

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第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備與基本工藝過(guò)程第15頁(yè)/共74頁(yè)一個(gè)優(yōu)良的培養(yǎng)裝置應(yīng)具有：嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)良好的液體混合性能高的傳質(zhì)和傳熱速率靈敏的檢測(cè)和控制儀表一、生物反應(yīng)器第16頁(yè)/共74頁(yè)根據(jù)反應(yīng)是否需要氧氣為基準(zhǔn)微生物反應(yīng)器可分為:需氧微生物反應(yīng)器（通氣發(fā)酵罐）

厭氧微生物反應(yīng)器（嫌氣發(fā)酵罐）第17頁(yè)/共74頁(yè)1、厭氣發(fā)酵設(shè)備

1.1酒精發(fā)酵罐

酵母將糖轉(zhuǎn)化為酒精高轉(zhuǎn)化率條件(1)滿足酵母生長(zhǎng)和代謝的必要工藝條件(2)一定的生化反應(yīng)時(shí)間(3)及時(shí)移走在生化反應(yīng)過(guò)程中將釋放的生物熱第18頁(yè)/共74頁(yè)酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)要求滿足工藝要求，有利于發(fā)酵；從結(jié)構(gòu)上有利于發(fā)酵液的排出；有利于設(shè)備清洗、維修以及設(shè)備制造安裝方便等問(wèn)題。第19頁(yè)/共74頁(yè)酒精發(fā)酵罐筒體結(jié)構(gòu)為圓柱形，底蓋和頂蓋均為碟形或錐形；在酒精發(fā)酸過(guò)程中，為了回收二氧化碳?xì)怏w及其所帶出的部分酒精，發(fā)酵罐宜采用密閉式；罐頂裝有人孔、視鏡及二氧化碳回收管、進(jìn)料管、接種管、壓力表和測(cè)量?jī)x表接口管等；罐底裝有排料口和排污口；罐身上下部裝有取樣口和溫度計(jì)接口，對(duì)于大型發(fā)酵耀，為了便于維修和清洗，往往在近罐底也裝有人孔。第20頁(yè)/共74頁(yè)第21頁(yè)/共74頁(yè)1.2啤酒發(fā)酵設(shè)備

第22頁(yè)/共74頁(yè)2.通氣發(fā)酵設(shè)備的結(jié)構(gòu)

(1)

罐體(2)攪拌器和擋板(3)消泡器

(4)聯(lián)軸器及軸承(5)變速裝置

(6)空氣分布裝置(7)軸封

(8)冷卻裝置第23頁(yè)/共74頁(yè)2.1機(jī)械攪拌發(fā)酵罐（通用型）攪拌的作用：①液體通風(fēng)后進(jìn)入的氣泡在攪拌中隨著液體旋轉(zhuǎn)使之所走路程延長(zhǎng)，使發(fā)酵液中保持的空氣數(shù)量增加，實(shí)際上是增加了傳質(zhì)量；②通過(guò)攪拌，大氣泡被攪拌器打碎，增加比表面積；③攪拌速度越快，攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)增加，增加了傳氧速率。第24頁(yè)/共74頁(yè)第25頁(yè)/共74頁(yè)第26頁(yè)/共74頁(yè)

機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的基本條件①

發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的高徑比（一般高度與直徑之比為1.7～4倍;②

發(fā)酵罐能承受一定的壓力;③發(fā)酵罐的攪拌通風(fēng)裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧;④發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。這是因?yàn)槲⑸锷L(zhǎng)代謝過(guò)程放出大量的熱量必須通過(guò)冷卻來(lái)調(diào)節(jié)不同發(fā)酵階段所需的溫度;⑤發(fā)酵罐應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底;⑥

攪拌器軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量減少泄漏。第27頁(yè)/共74頁(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵罐的幾何尺寸

H/D=1.7~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/D=0.8~1.0(s/d)2=1.5~2.5(s/d)3=1~2第28頁(yè)/共74頁(yè)第29頁(yè)/共74頁(yè)、2.2自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機(jī)，而在攪拌過(guò)程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。應(yīng)用：醫(yī)藥工業(yè)、酵母工業(yè)、生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復(fù)霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等。取得了良好的成績(jī)。

第30頁(yè)/共74頁(yè)第31頁(yè)/共74頁(yè)第32頁(yè)/共74頁(yè)第33頁(yè)/共74頁(yè)自吸式發(fā)酵罐優(yōu)點(diǎn)：①

節(jié)約空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、冷卻器、油水分離器、空氣貯罐、總過(guò)濾器設(shè)備，減少?gòu)S房占地面積。②

減少工廠發(fā)酵設(shè)備投資約30％左右。③

設(shè)備便于自動(dòng)化、連續(xù)化，降低老定強(qiáng)度，減少勞動(dòng)力。④

設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溶氧效率高，操作方便。缺點(diǎn)：由于罐壓較低，對(duì)某些產(chǎn)品生產(chǎn)容易造成染菌。第34頁(yè)/共74頁(yè)2.3氣升式發(fā)酵罐氣升式罐特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻面積小；無(wú)攪拌傳動(dòng)設(shè)備，節(jié)約動(dòng)了約50％，節(jié)約鋼材；操作無(wú)噪音；料液可充滿達(dá)80～90％，而不需加消泡劑；維修、操作及清洗簡(jiǎn)便，減少雜菌感染。缺點(diǎn)：不能代替好氣量較小的發(fā)酵罐，對(duì)于粘度大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。第35頁(yè)/共74頁(yè)第36頁(yè)/共74頁(yè)工業(yè)微生物菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)

培養(yǎng)基滅菌空氣滅菌二、發(fā)酵基本工藝過(guò)程第37頁(yè)/共74頁(yè)菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)菌種細(xì)胞的生長(zhǎng)活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵罐后能迅速生長(zhǎng)，遲緩期短；生理性狀穩(wěn)定；菌體總量及濃度能滿足大容量發(fā)酵罐的要求；無(wú)雜菌污染；保持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力。作為種子的準(zhǔn)則是：第38頁(yè)/共74頁(yè)種子制備過(guò)程實(shí)驗(yàn)室種子制備階段：瓊脂斜面至固體培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng)（如茄子瓶斜面培養(yǎng)等或液體搖瓶培養(yǎng));生產(chǎn)車間種子制備階段：種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)第39頁(yè)/共74頁(yè)種子質(zhì)量的判斷

由于菌種在種子罐中的培養(yǎng)時(shí)間較短，可供分析的參數(shù)較少，使種子的內(nèi)在質(zhì)量難以控制，為了保證各級(jí)種子移種前的質(zhì)量，除了保證規(guī)定的培養(yǎng)條件外，在過(guò)程中還要定期取樣測(cè)定一些參數(shù)以觀察基質(zhì)的代謝變化及菌絲形態(tài)是否正常。在生產(chǎn)中通常測(cè)定的參數(shù)為：1)pH；2)培養(yǎng)基滅菌后磷、糖、氨基氮的含量；3)菌絲形態(tài)、菌絲濃度和培養(yǎng)液外觀；4)其他參數(shù)，如酶活力等。第40頁(yè)/共74頁(yè)

種子質(zhì)量的控制措施

菌種穩(wěn)定性的檢查

雜菌檢查

第41頁(yè)/共74頁(yè)培養(yǎng)基滅菌

雜菌的危害1.使生物反應(yīng)的基質(zhì)或產(chǎn)物，因雜菌的消耗而損失，造成生產(chǎn)能力的下降；2.雜菌也會(huì)產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，這就使產(chǎn)物的提取更加困難，造成得率降低，產(chǎn)品質(zhì)量下降；3.有些雜菌會(huì)分解產(chǎn)物，使生產(chǎn)失敗。4.雜菌大量繁殖后，會(huì)改變反應(yīng)液的pH值，使反應(yīng)異常；5.如果發(fā)生噬菌體污染，生產(chǎn)菌細(xì)胞將被裂解，使生產(chǎn)失敗。

第42頁(yè)/共74頁(yè)培養(yǎng)基的分批滅菌法-連續(xù)滅菌法分批滅菌A.分批滅菌的操作分批滅菌在所用的發(fā)酵罐中進(jìn)行B.分批滅菌的過(guò)程a.升溫階段b.冷卻階段c.保溫階段第43頁(yè)/共74頁(yè)連續(xù)滅菌

將配制好的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐輸送的同時(shí)加熱、保溫和冷卻，進(jìn)行滅菌。培養(yǎng)基連續(xù)滅菌過(guò)程中，蒸汽用量平穩(wěn)，但蒸汽壓力一般要求高于

5×l05Pa

(表壓)。其具體流程如下：

第44頁(yè)/共74頁(yè)預(yù)熱配制罐或預(yù)熱罐中進(jìn)行，使培養(yǎng)基的溫度升到70℃左右；加熱

在加熱器中，培養(yǎng)基與蒸汽混合，溫度迅速上升到

130～140℃；保溫

培養(yǎng)基被加熱到預(yù)定的滅菌溫度后，進(jìn)入保溫設(shè)備(也稱維持設(shè)備)中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的保溫，使培養(yǎng)基中所含微生物全部殺滅；冷卻利用噴淋冷卻器、真空冷卻器、板式冷卻器、螺旋板冷卻器、真空閃冷器等冷卻沒(méi)備降溫。第45頁(yè)/共74頁(yè)連續(xù)滅菌與分批滅菌比較具有很多優(yōu)點(diǎn):高溫短時(shí)滅菌,營(yíng)養(yǎng)成分破壞少，有利于提高發(fā)酵產(chǎn)率;發(fā)酵罐利用率高;蒸汽負(fù)荷均衡;可節(jié)約大量能量;勞動(dòng)強(qiáng)度小.第46頁(yè)/共74頁(yè)

空氣除菌空氣除菌的方法空氣過(guò)濾除菌流程過(guò)濾介質(zhì)的選擇第47頁(yè)/共74頁(yè)

空氣除菌的方法加熱滅菌法輻射殺菌靜電除菌介質(zhì)過(guò)濾除菌法第48頁(yè)/共74頁(yè)幾種較典型空氣過(guò)濾除菌流程兩級(jí)冷卻、加熱除菌流程p264圖6-9第49頁(yè)/共74頁(yè)冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程第50頁(yè)/共74頁(yè)

高效前置過(guò)濾空氣除菌流程第51頁(yè)/共74頁(yè)一次冷卻和析水的空氣過(guò)濾的流程第52頁(yè)/共74頁(yè)過(guò)濾介質(zhì)類型按其孔隙大小可分為兩類：孔隙小于細(xì)菌和孢子當(dāng)空氣通過(guò)時(shí)，微生物被阻留在介質(zhì)的一側(cè)，這種介質(zhì)稱為絕對(duì)過(guò)濾介質(zhì)?？紫洞笥谖⑸餅榱诉_(dá)到所需的除菌效果，介質(zhì)必須有一定的厚度，因此稱為深層過(guò)濾介質(zhì)。深層過(guò)濾介質(zhì)又分成兩類:a.如棉花纖維、玻璃纖維、合成纖維和顆粒狀活性炭等，中間的空隙大于50μm。b.將過(guò)濾材料制成紙、板或管狀

第53頁(yè)/共74頁(yè)發(fā)酵的中間控制溫度的控制

pH值的控制泡沫的控制補(bǔ)料的控制發(fā)酵終點(diǎn)的判斷第54頁(yè)/共74頁(yè)控制溫度的意義與發(fā)酵熱控制溫度的意義：在發(fā)酵過(guò)程中，菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成都是在各種酶的催化作用下進(jìn)行的，溫度是保證酶活性的重要條件，因此必須在發(fā)酵系統(tǒng)中保持一個(gè)穩(wěn)定而合適的溫度條件。發(fā)酵熱的概念：發(fā)酵中的熱量形式主要包括:生物熱、攪拌熱、蒸發(fā)熱和輻射熱等。而發(fā)酵熱是指發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量

Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射

第55頁(yè)/共74頁(yè)

溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)及發(fā)酵的影響溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響溫度對(duì)發(fā)酵的影響最適溫度的控制第56頁(yè)/共74頁(yè)溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響在影響微生物生長(zhǎng)繁殖的各種物理因素中，溫度起著最重要的作用。

比嗜冷菌嗜中溫菌嗜熱菌生長(zhǎng)速率（h-1）

010203040506070

圖1.嗜冷菌、嗜中溫菌、嗜熱菌的典型生長(zhǎng)與溫度關(guān)系

第57頁(yè)/共74頁(yè)溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)在兩方面溫度升高可增加微生物生長(zhǎng)繁殖速度，縮短生長(zhǎng)周期。

當(dāng)環(huán)境溫度小于最適生長(zhǎng)溫度時(shí)，每升高10℃，生長(zhǎng)速率大致增長(zhǎng)一倍。由于溫度升高，導(dǎo)致微生物酶變性而殺死微生物。

而當(dāng)溫度升高到最適溫度以上后，隨著溫度越升高生長(zhǎng)速率下降，當(dāng)溫度升到一定高度時(shí)微生物死亡。

第58頁(yè)/共74頁(yè)溫度對(duì)發(fā)酵的影響酶動(dòng)力學(xué)

溫度升高，反應(yīng)速率加大，生長(zhǎng)代謝加快，生產(chǎn)期提前。但是因酶本身易因熱而失去活性，溫度越高，酶的失活也越快，表現(xiàn)在菌體易于老化，發(fā)酵周期縮短，影響產(chǎn)物的最終產(chǎn)量。改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)

溫度會(huì)影響基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶氧和傳遞速率；菌對(duì)某些基質(zhì)的分解吸收等。從而間接的影響菌的生物合成。影響生物合成方向

生產(chǎn)四環(huán)素的金色鏈霉菌同時(shí)能產(chǎn)生金霉素,當(dāng)溫度低于30℃時(shí),產(chǎn)金霉素能力較強(qiáng),隨著溫度的提高,合成四環(huán)素的能力也提高,到達(dá)35℃時(shí),則只產(chǎn)四環(huán)素而金霉素的合成幾乎停止。

第59頁(yè)/共74頁(yè)最適溫度的選擇和控制最適溫度是一個(gè)相對(duì)概念，就是指在該溫度下最適于菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成。對(duì)于不同的菌種和培養(yǎng)條件以及不同的酶反應(yīng)和生長(zhǎng)階段，最適的溫度應(yīng)有不同。最適溫度的選擇Ⅰ.根據(jù)生產(chǎn)階段來(lái)選擇。Ⅱ.參照其他發(fā)酵條件。Ⅲ.應(yīng)考慮培養(yǎng)基的成分和濃度。第60頁(yè)/共74頁(yè)發(fā)酵中溫度的控制Ⅰ.一般來(lái)說(shuō)，接種后應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高培養(yǎng)溫度，以利于孢子的萌發(fā)或加快微生物的生長(zhǎng)，繁殖，而且此時(shí)溫度大多數(shù)是下降的Ⅱ.待發(fā)酵液的溫度表現(xiàn)為上升時(shí)，應(yīng)控制在微生物的最適生長(zhǎng)溫度Ⅲ.到了發(fā)酵旺盛階段，溫度的控制可比最適生長(zhǎng)溫度低些，即控制在微生物代謝產(chǎn)物合成的最適溫度Ⅳ.到發(fā)酵的后期，溫度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，直至發(fā)酵成熟即可放罐

第61頁(yè)/共74頁(yè)pH值的控制pH值對(duì)菌生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物形成的影響影響pH值變化的因素發(fā)酵過(guò)程pH值的調(diào)節(jié)及控制第62頁(yè)/共74頁(yè)pH值對(duì)菌生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物形成的影響pH影響酶的活性，當(dāng)pH抑制菌體中某些酶活性時(shí)，會(huì)使菌體的新陳代謝受阻；pH影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，從而改變細(xì)胞膜的滲透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的排泄，因此影響代謝的正常進(jìn)行；pH影響培養(yǎng)基某些組分的和中間代謝產(chǎn)物的解離，從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的吸收，利用；pH不同，往往引起菌體代謝過(guò)程的不同，使代謝產(chǎn)物的比例發(fā)生改變。pH影響細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和成分。

第63頁(yè)/共74頁(yè)影響pH值變化的因素引起發(fā)酵液中pH下降的因素有：

Ⅰ.培養(yǎng)基中碳氮比例不當(dāng)，碳源過(guò)多，特別是葡萄糖過(guò)量，或者中間補(bǔ)糖過(guò)多加之溶氧不足，致使有機(jī)酸大量積累而pH下降。Ⅱ.消沫油加的過(guò)多。Ⅲ.生理酸性物質(zhì)的存在，氨被利用，pH下降。引起發(fā)酵液中pH上升的因素有：

Ⅰ.培養(yǎng)基中碳氮比例不當(dāng)，氮源過(guò)多，氨基氮釋放，使pH上升。Ⅱ.生理堿性物質(zhì)存在。Ⅲ.中間補(bǔ)料中氨水或尿素等的堿性物質(zhì)的加入過(guò)多使pH上升

第64頁(yè)/共74頁(yè)發(fā)酵過(guò)程pH值的調(diào)節(jié)及控制最適pH的選擇

初期階段的pH值要滿足微生物有較大比生長(zhǎng)速率。在一定菌體濃度的基礎(chǔ)上,pH值應(yīng)有利于代謝產(chǎn)物的形成。pH的調(diào)節(jié)及控制

首先要在基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方中考慮維持pH的需要，然后通過(guò)中間補(bǔ)料來(lái)控制pH。

Ⅰ.添加碳酸鈣法:當(dāng)采用生理酸性物質(zhì)作氮源時(shí),由于NH4+被利用,余下的酸根引起pH下降,在培養(yǎng)基中加入碳酸鈣可調(diào)節(jié)pH。

Ⅱ.補(bǔ)加氨水或尿素,一方面補(bǔ)充氮源,另外又可調(diào)pH。

Ⅲ.流加葡萄糖等碳源也可調(diào)pH值。

Ⅳ.直接加酸或堿來(lái)調(diào)節(jié)。

第65頁(yè)/共74頁(yè)泡沫的控制泡沫的性質(zhì)按發(fā)酵液的性質(zhì)不同，泡沫一般有兩種類型：一種是發(fā)酵液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界面，在一些稀薄的種子液，前期發(fā)酵液中常見(jiàn)到；另一種是發(fā)酵液中泡沫，有稱流態(tài)泡沫，此類泡沫分散很細(xì)且均勻，比較穩(wěn)定，與液體之間無(wú)明顯的界面，氣體分散相所占的比例有下而上地逐漸增大。第66頁(yè)/共74頁(yè)泡沫的控制發(fā)酵過(guò)程泡沫變化發(fā)酵時(shí)認(rèn)為氣泡有5種變化方式:

Ⅰ.整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，泡沫保持恒定的水平；Ⅱ.發(fā)酵早期，氣泡會(huì)穩(wěn)定地下降，以后保持恒定；Ⅲ.發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開(kāi)始回升；Ⅳ.發(fā)酵開(kāi)始時(shí)起泡能力低，以后上升；Ⅴ.以上類型的綜合方式。第67頁(yè)/共74頁(yè)泡沫的控制泡沫的產(chǎn)生因素

Ⅰ.與通氣，攪拌的劇烈程度有關(guān)。Ⅱ.泡沫的多寡與培養(yǎng)基的成分有關(guān)。Ⅲ.培養(yǎng)基的滅菌方法，滅菌溫度和時(shí)間，也會(huì)改變培養(yǎng)基的性質(zhì)，從而影響培養(yǎng)基的起泡能力。Ⅳ.在發(fā)酵過(guò)程中，培養(yǎng)液的性質(zhì)隨微生物的代謝活動(dòng)而不斷變化，因此影響泡沫的消長(zhǎng)。泡沫對(duì)發(fā)酵的影響

可增加溶氧；降低裝料系數(shù)；增加菌體非均一性；增加了污染機(jī)會(huì)；導(dǎo)致產(chǎn)物損失；加消泡劑增加成本，給提取帶來(lái)麻煩。第68頁(yè)/共74頁(yè)泡沫的控制機(jī)械消泡

原理:利用機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動(dòng)或壓力變化，促使泡沫破裂;罐內(nèi)消泡：1耙式消泡槳的機(jī)械消泡；2旋轉(zhuǎn)圓板式的機(jī)械消泡；3流體吹入式消泡；