食品生物技術(shù)-發(fā)酵工程.ppt

1、第五章 發(fā)酵工程與食品工程 第一節(jié) 發(fā)酵工程概述 第二節(jié) 發(fā)酵設(shè)備與基本工藝過程 第三節(jié) 發(fā)酵過程控制 第四節(jié) 發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用,第一節(jié) 發(fā)酵工程概述 發(fā)酵已經(jīng)從過去簡單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個(gè)極其重要的分支，成為一個(gè)包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)軟硬件工程的一個(gè)多學(xué)科工程?，F(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細(xì)胞蛋白等。,一、發(fā)酵

2、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)過程為社會(huì)服務(wù)，因而該生產(chǎn)過程可稱為生物反應(yīng)過程（亦稱為生化反應(yīng)過程）。 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、通氣量以及保證無菌狀態(tài)等研究內(nèi)容。,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；

3、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 ；,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

4、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而帶來的糧食短缺問題，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，能源開發(fā)等； 80年代以來，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。,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

5、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)

6、行，仍是一個(gè)值得研究的課題，它不僅涉及到發(fā)酵設(shè)備的工程問題，也與各類生物細(xì)胞的生理生化特性相關(guān)。,一般生物反應(yīng)過程由四個(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（指胞外產(chǎn)物）或從細(xì)胞中（指胞內(nèi)產(chǎn)物）提取出來，并加以精制以達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量要求。,生物反應(yīng)過程主要有這樣一些特點(diǎn)： 采用可再生資源作為主要原料，因而原料來源豐實(shí)，價(jià)格低廉，過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

7、會(huì)給產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定的影響； 由于采用的是生物催化劑，反映過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，難以長期使用； 與一般化工產(chǎn)品相比，其生產(chǎn)設(shè)備比較簡單，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)過程成本低，應(yīng)用廣，但反應(yīng)極為復(fù)雜，較難檢測與控制。反應(yīng)液中雜質(zhì)多，給分離提純帶來了困難。,四. 生物反應(yīng)過程的分類 1、酶催化反應(yīng)過程 采用游離酶或固定化酶為催化劑時(shí)的反

8、應(yīng)過程。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)過程 采用活細(xì)胞為催化劑時(shí)的反應(yīng)過程。這既包括一般的微生物發(fā)酵反應(yīng)過程，也包括固定化細(xì)胞反應(yīng)過程和動(dòng)植物細(xì)胞的培養(yǎng)過程。 3、廢水的生物處理過程 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)的過程。,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、溶氧和營養(yǎng)組成）的確定，營養(yǎng)物的準(zhǔn)備等； 發(fā)酵過程（發(fā)酵工藝）：主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐

9、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）。,上游加工技術(shù)： 在生物化學(xué)反應(yīng)過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菌狀態(tài)下接入生物反應(yīng)器中等問題。 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

10、和滅菌等問題，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)工程問題。,發(fā)酵工藝技術(shù)： 1、發(fā)酵要有嚴(yán)格的無菌生長環(huán)境：包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(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)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù)； 2、發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長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，流加一定量的營養(yǎng)，使細(xì)胞進(jìn)一步的生長，或得到更多的代謝產(chǎn)物； 3、連續(xù)發(fā)酵：不斷地流加營養(yǎng)，并不斷地取出發(fā)酵液。,總

11、結(jié)發(fā)酵工藝過程： 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)過程中會(huì)出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。,下游加工技術(shù)： 生物反應(yīng)過程的下游是對目的產(chǎn)物的提取與精制。這一過程是比較困難的。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)品對溫度、酸堿度都十分敏感，一些作為藥物或食品的產(chǎn)品對純度、有害物質(zhì)都有嚴(yán)格的要求。 總

12、之，下游加工過程步驟多，要求嚴(yán)，其生產(chǎn)費(fèi)用往往占生產(chǎn)成本的一半以上。,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)尋找一些可以用來制備食品、食品添加劑和藥物的微生物。從20世紀(jì)6070年代起，生物技術(shù)的研究主要集中在上游處理過程、生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和下游的純化過程方面，這些研究使發(fā)酵過程的檢測、生物反應(yīng)體系的檢測技術(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條件。因此，人們一般通過化學(xué)突變、

13、化學(xué)誘變或者紫外線照射來產(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。,第二節(jié) 發(fā)酵設(shè)備與基本工藝過程,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 靈敏的檢測和控制儀表,一、生物反應(yīng)器,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）,1、厭氣發(fā)酵設(shè)備1.1 酒精發(fā)酵罐,酵母將糖

14、轉(zhuǎn)化為酒精高轉(zhuǎn)化率條件 (1)滿足酵母生長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)過程中將釋放的生物熱,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題。,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、壓力表和測量儀表接口管等； 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

15、人孔。,1.2 啤酒發(fā)酵設(shè)備,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,2.1 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐（通用型） 攪拌的作用： 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，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； 通過攪拌，大氣泡被攪拌器打碎，增加比表面積； 攪拌速度越快，攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)增加，增加了傳氧速率。,機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的基本條件 發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的高徑比（一般高度與直徑之比為1.74倍; 發(fā)酵罐能承受一定的壓力; 發(fā)酵罐的攪拌通風(fēng)裝置能使氣液充分

16、混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧; 發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。這是因?yàn)槲⑸锷L代謝過程放出大量的熱量必須通過冷卻來調(diào)節(jié)不同發(fā)酵階段所需的溫度; 發(fā)酵罐應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底; 攪拌器軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量減少泄漏。,標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵罐的幾何尺寸 H/D=1.74 d/D=1/21/3 W/D=1/81/12 B/D=0.81.0 (s/d)2=1.52.5 (s/d)3=12,、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。,自吸式發(fā)酵罐優(yōu)點(diǎn)：

17、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、總過濾器設(shè)備，減少廠房占地面積。 減少工廠發(fā)酵設(shè)備投資約30左右。 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。 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，溶氧效率高，操作方便。 缺點(diǎn)：由于罐壓較低，對某些產(chǎn)品生產(chǎn)容易造成染菌。,2.3 氣升式發(fā)酵罐 氣升式罐特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，冷卻面積??； 無攪拌傳動(dòng)設(shè)備，節(jié)約動(dòng)了約50，節(jié)約鋼材； 操作無噪音； 料液可充滿達(dá)8090，而不需加消泡劑； 維修、操作及清洗簡便，減少雜菌感染。 缺點(diǎn)： 不能代替好氣量較小的發(fā)酵罐，對于粘度大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。,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

18、本工藝過程,菌種的擴(kuò)大培養(yǎng),菌種細(xì)胞的生長活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵罐后能迅速生長，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； 無雜菌污染； 保持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力。,作為種子的準(zhǔn)則是：,種 子 制 備 過 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),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，在過程中還要定期取樣測定一些參數(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)中通常測定的參數(shù)

19、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。,種子質(zhì)量的控制措施,菌種穩(wěn)定性的檢查 雜菌檢查,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。,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

20、.分批滅菌的過程 a.升溫階段 b.冷卻階段 c.保溫階段,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)滅菌過程中，蒸汽用量平穩(wěn)，但蒸汽壓力一般要求高于 5l05Pa (表壓)。 其具體流程如下：,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 130140； 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備降溫。,連續(xù)滅菌與分批滅菌比較具

21、有很多優(yōu)點(diǎn): 高溫短時(shí)滅菌 ,營養(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 .,空氣除菌,空氣除菌的方法 空氣過濾除菌流程 過濾介質(zhì)的選擇,空氣除菌的方法,加熱滅菌法 輻射殺菌 靜電除菌 介質(zhì)過濾除菌法,幾種較典型空氣過濾除菌流程,兩級冷卻、加熱除菌流程 p264 圖6-9,冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程,高效前置過濾空氣除菌流程,一次冷卻和析水的空氣過濾的流程,過濾介質(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)稱為絕對過濾介質(zhì)。 孔隙大于微生物 為了達(dá)到所需的除菌效果，介

22、質(zhì)必須有一定的厚度，因此稱為深層過濾介質(zhì)。深層過濾介質(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50m。 b. 將過濾材料制成紙、板或管狀,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,控制溫度的意義與發(fā)酵熱,控制溫度的意義： 在發(fā)酵過程中，菌的生長和產(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)酵過程中釋放出來的凈熱量 Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)

23、-Q輻射,溫度對微生物生長及發(fā)酵的影響,溫度對微生物生長的影響 溫度對發(fā)酵的影響 最適溫度的控制,溫度對微生物生長的影響,在影響微生物生長繁殖的各種物理因素中，溫度起著最重要的作用。,溫度對微生物生長的影響表現(xiàn)在兩方面,溫度升高可增加微生物生長繁殖速度，縮短生長周期。 當(dāng)環(huán)境溫度小于最適生長溫度時(shí)，每升高10，生長速率大致增長一倍。 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速率下降，當(dāng)溫度升到一定高度時(shí)微生物死亡。,溫度對發(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

24、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 。,最適溫度的選擇和控制,最適溫度是一個(gè)相對概念，就是指在該溫度下最適于菌的生長和產(chǎn)物的合成。對于不同的菌種和培養(yǎng)條件以及不同的酶反應(yīng)和生長階段，最適的溫度應(yīng)有不同。 最適溫度的選擇 . 根據(jù)生產(chǎn)階段來選擇。 . 參照其他發(fā)酵條件

25、。 . 應(yīng)考慮培養(yǎng)基的成分和濃度。,發(fā)酵中溫度的控制 . 一般來說，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，繁殖，而且此時(shí)溫度大多數(shù)是下降的 . 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溫度 . 到了發(fā)酵旺盛階段，溫度的控制可比最適生長溫度低些，即控制在微生物代謝產(chǎn)物合成的最適溫度 . 到發(fā)酵的后期，溫度出現(xiàn)下降的趨勢，直至發(fā)酵成熟即可放罐,pH值的控制,pH值對菌生長和代謝產(chǎn)物形成的影響 影響pH值變化的因素 發(fā)酵過程pH值的調(diào)節(jié)及控制,pH值對菌生長和代謝產(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

26、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，影響微生物對營養(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，從而影響微生物對這些物質(zhì)的吸收，利用； pH不同，往往引起菌體代謝過程的不同，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。,影響pH值變化的因素,引起發(fā)酵液中pH下降的因素有： .培養(yǎng)基中碳氮比例不當(dāng)，碳源過多，特別是葡萄糖過量，或者中間補(bǔ)糖過多加之溶氧不足，致使有機(jī)酸大量積累而pH下降。 .消沫油加的過多。 .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： .培養(yǎng)基中碳氮比例不當(dāng)，氮源過多，

27、氨基氮釋放，使pH上升。 .生理堿性物質(zhì)存在。 .中間補(bǔ)料中氨水或尿素等的堿性物質(zhì)的加入過多使pH上升,發(fā)酵過程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，然后通過中間補(bǔ)料來控制pH。 .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。 .補(bǔ)加氨水或尿素,一方面補(bǔ)充氮源,另外又可調(diào)pH。 .流加葡萄糖等碳源也可調(diào)pH值。 .直接加酸或堿來調(diào)節(jié)。,泡沫的控制,泡沫的性質(zhì) 按

28、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，與液體之間無明顯的界面，氣體分散相所占的比例有下而上地逐漸增大。,泡沫的控制,發(fā)酵過程泡沫變化 發(fā)酵時(shí)認(rèn)為氣泡有5種變化方式: .整個(gè)發(fā)酵過程中，泡沫保持恒定的水平； .發(fā)酵早期，氣泡會(huì)穩(wěn)定地下降，以后保持恒定； .發(fā)酵前期，泡沫稍微降低后又開始回升； .發(fā)酵開始時(shí)起泡能力低，以后上升； .以上類型的綜合方式。,泡沫的控制,泡沫的產(chǎn)生因素 .與通氣，攪拌的劇烈程度有關(guān)。 .泡沫的多寡與培養(yǎng)基的成分有關(guān)。 .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。 .在發(fā)酵過程中，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。 泡沫對發(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，給提取帶來麻煩。,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； 4氣體吹入管內(nèi)吸引消泡； 5沖擊反射板消泡； 6超聲波消泡； 7碟片式消泡器的機(jī)械消泡。 罐外