第六章发酵工程.pptx

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1、狭义“发酵”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。第1页/共175页广义“发酵”的定义l 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。l产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。第2页/共175页发酵工程的概念：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

2、生产过程的一种新技术。第3页/共175页典型的发酵过程示意图第4页/共175页二、发酵工程的特点 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。2 2、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。基于这一特性，可以利

3、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。第5页/共175页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。第6页/共175页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

4、，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。第7页/共175页三、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）提取微生物酶制剂第8页/共175页3、以微生物的代谢产物为产品的发酵4、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、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。生物细胞或其产生的酶能将一种化合物转化成化学结

5、构相似，但在经济上更有价值的化合物。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。第9页/共175页天然发酵阶段（古代-1900年）纯培养技术的建立（1905年-）通气搅拌发酵技术的建立（1940年-）开拓发酵原料时期（1960年-）基因工程阶段（1979-）四、发酵工业的发展史第10页/共175页（1）第一个阶段（1900年以前）产品只限于含酒精饮料和醋古埃及已经能酿造啤酒 17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 第11页/共175页1801年就有了原始的热交换器 18世纪中期，证实了酒精发酵中的酵母活动规律 Paster

6、最终使科学界信服在发酵过程中酵母所遵循的规律 18世纪后期，Hansen在Calsberg酿造厂建立了酵母纯种培养技术第12页/共175页在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。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。第13页/共175页（2）第二个阶段（1900年1940年）主要的新产品是酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮 在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术在一次大战时，Weizmann开拓了丁醇、丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵 第14页/共175页（3）第三个阶段（1

7、940年以后）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 第15页/共175页（4）第四个阶段（1960年以后）以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源 出现了不需要机械搅拌的高压喷射和强制循环的发酵罐 工业上普遍采用分批培养和分批补料培养法 第16页/共175页（5）第五个阶段（1979年以后）这个阶段以基因工程产品的生产为标志。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。第17页/共175页发酵工程的发展趋势1)利用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

8、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。第18页/共175页五、发酵过程的组成部分u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培养基；对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌；菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子接种于发酵罐中 控制发酵罐中微生物的生长条件，最大程度地获得人们渴望的代谢产物 菌种的选育第19页/共175页

9、产物分离提纯发酵过程中废弃物的处理与回收第20页/共175页发酵生产过程流程图第21页/共175页第二节 发酵设备与基本工艺过程一、生物反应器(发酵罐)利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反应过程。采用活细胞(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：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。第22页/共175页能维持一定的温度、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

10、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同可将生物反应器分为：酶反应器和细胞生物反应器。生物反应器应具备的条件：第23页/共175页评价生物反应器的两个重要指标：生产能力产品质量第24页/共175页（一）发酵罐设计的原则u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。第25页/共175页1、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；2、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；3、尽可能低的功率消耗；4、发酵罐上应配备有温度和pH值控制系统以及采样装置发酵

11、罐设计的原则第26页/共175页5、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，以满足不同生产厂家的需求；8、发酵罐内表面应光滑。第27页/共175页9、用于中试规模的发酵罐与用于实际生产的发酵罐应具有相同的几何形状，有利于放大生产；10、使用既能满足工艺要求又比较便宜的制造材料，同时应配备完善的供给设施。第28页/共175页发酵罐设计原则（总结）l稳定性 l控制性 l操作性 l安全性 l可视性第29页/共175页（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：内部机械搅拌型外部液体搅拌型气升循环式发酵罐 第30页/

12、共175页典型发酵罐示意图电动机电动机pHpH检测及检测及控制装置控制装置培养液培养液无菌空气无菌空气排气口排气口冷却水出口冷却水出口冷却水进口冷却水进口搅拌器搅拌器加料口加料口放料口放料口第31页/共175页1、机械搅拌型微生物细胞生物反应器(通用型)主要由壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等组成。第32页/共175页第33页/共175页 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；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：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

13、 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。第34页/共175页通气部分的作用：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：是指进料和出料用的系统，同时还配有补料口装置等 测量系统：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。第35页/共175页通用

14、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。第36页/共175页二、基本工艺过程（一）微生物发酵工艺类型1、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长繁殖周期的培养方法。（微生物可表现出典型的生长周期）第37页/共175页2、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

15、批培养的对数期）第38页/共175页连续培养过程中，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。第39页/共175页连续培养分类：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）第40页/共175页3、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

16、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。第41页/共175页补料分批培养类型：连续补料非连续补料多周期补料，第42页/共175页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 延长次级代谢产物的生产时间 稀释有毒代谢产物 降低染菌和避免遗传不稳定性第43页/共175页(二)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

17、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”。第44页/共175页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；生理状态稳定；生产能力保持稳定无杂菌污染；第45页/共175页（三）培养基灭菌若发酵培养基中夹杂有其他微生物，将导致下列后果：（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，第46页/共175页杂菌代谢所产生的物质，使目的

18、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。第47页/共175页为防止和控制杂菌污染，实践生产中采取灭菌措施有：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。第48页/共175页培养基的灭菌方法：(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“实罐灭菌”。是中小型生产厂家经常采用的一种培养基灭菌方法。第49页/共175页(2)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

19、式。第50页/共175页l连续灭菌的基本设备有配料预热罐：连消塔：主要作用使高温蒸汽与液体培养基迅速接触混合，促使培养液的温度快速升高到灭菌温度(126132)；维持罐：使培养液在灭菌温度下保持5-7min，以达到彻底灭菌的目的 冷却管：降低培养液温度第51页/共175页l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：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。第52页/共175页（四）空气灭菌(1)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

20、气灭菌不彻底而造成染菌，使培养过程失败的情况。第53页/共175页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。第54页/共175页l空气中微生物的分布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。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。第55页/共175页(2)空气灭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 第56页/共175页利用压缩热进行空气灭菌的流程图

21、利用压缩热进行空气灭菌的流程图空气进口温度为21，出口温度为187198 ，压力为0.7MPa。第57页/共175页辐射杀菌：-射线、X-射线、-射线、-射线、紫外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。应用范围通常用于无菌室和医院手术室。缺点杀菌效率较低，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。第58页/共175页静电除菌：悬浮于空气中的微生物大多带有不同的电荷，因此，可以利用静电引力吸附带电粒子达到除尘灭菌的目的。第59页/共175页近几年来，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

22、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。第60页/共175页介质过滤除菌法：是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，该方法是广泛应用。第61页/共175页滤材孔洁净气体含微生物的气体第62页/共175页(2)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，从而把微生物微粒截留、捕集在纤维表面上，达到过滤除菌的

23、目的。第63页/共175页空气过滤除菌的介质：纤维状物或颗粒状物:主要指脱脂棉、无碱玻璃纤维和活性炭等材料。过滤纸：主要指玻璃纤维纸，厚度约为0.250.40mm，孔径约为1.00-1.50m微孔滤膜：孔径小于0.50m，甚至小于0.1m，因而能将空气中的细菌绝对过滤掉。这类过滤介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。第64页/共175页(3)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。第65页/共175页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。第66页/共175页第67页/共

24、175页(4)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第68页/共175页 空气粗过滤：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。空气压缩和压缩空气的冷却：压缩空气的除水除油。第69页/共175页(5)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。第70页/共175页（五）氧的供需与传递1、细胞对氧的需求（1）临界溶氧浓度

25、：l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度称为临界溶氧浓度。第71页/共175页l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。l一般来说，微生物的临界溶氧浓度大约为其饱和浓度的1一25。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，从而获得最高的微生物细胞产量。第72页/共175页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的含量(mmolO2/L.s)。（2）摄氧率：影响摄氧率的因素培养液中基质浓度培养时间 细胞浓

26、度 第73页/共175页（3）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可能是不同的。溶解氧水平越高并不一定有利于产物的生成；同样，细胞生长的最佳氧浓度不一定就是生成产物的最佳氧浓度。lHirose和Shibai(1980)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、赖氨酸、苏氨酸和异亮氨酸的生产。第74页/共175页l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，三羧酸循环的中间产物

27、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，所以有利于苯丙氨酸和缬氨酸的生产。第75页/共175页2、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。氧从空气泡(气相)进入液体(液相)的传递速率即氧的传递速率.第76页/共175页可以表示为方程：dCL/dt=KLa（C*-CL）式中：CL为发酵液中的溶氧浓度(mmol/L)；t为时间（h），dCL/dt为单位时间内的氧浓度变化，即氧传递速率mmol/(L.h)；KL为氧传递系数(m/h)；a为单位体积液体的气/液界面积比，或称 比 表

28、 面 积(m2/m3)；C*为 饱 和 溶 氧 浓 度(mmol/L)。KL可以认为是氧从气体进入液体的传递阻力的倒数；第77页/共175页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、动态法、排气法和复膜电极法等。第78页/共175页3、增加溶氧的工艺措施（1）改变通气速率(增大通风量)（2）改变搅拌速度（3）改变气体组成中的氧分压（4）改变罐压（5）改变发酵液的理化性质（6）加入中间传氧介质第79页/共175页第三节发酵过程控制一、发酵过程控制的基本原则发酵生产过程的主要目的：是获得最大产量和最佳质量的发酵产物.最优化控制的目标:首先是得到最大量的发酵产物，其次是最短的生产

29、周期和由此获得的最佳经济效益。第80页/共175页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、细胞状态等生物学因素。第81页/共175页二、温度对发酵过程的影响及其控制 1、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。l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，在此范围内，微生物的生长最快。第82页/共175页2、温度与酶反应在一定范围内,温度越高，酶反应速度越快，微生物

30、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生长。例如，温度通过影响氧在培养液中的溶解浓度、氧传递速度等，而影响到整个发酵过程。第83页/共175页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生四环素和金霉素，当温度低于30时，金色链霉菌合成金霉素的能力较强，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35时，则只合成四环素，而金霉素的合成几乎处于停止状态。

31、5、同一菌株，其细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往不同例如，黑曲酶的最适生长温度为37，产生糖化酶和柠檬酸的最适温度是32-34；谷氨酸生产菌生长的最适温度为30-32,产生谷氨酸的最适温度是34-37。第84页/共175页三、pH值对发酵过程的影响及其控制（一）pH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。第85页/共175页例如，黑曲霉在pH值2-3的情况下，发酵过程形成的产物是柠檬酸，而在pH值接近中性时，却生成草酸。又如，啤酒酵母菌的最适生长pH值为4.55.0，此时，发

32、酵产物是酒精；但当pH大于7.5时，发酵产物除酒精外，还有醋酸和甘油。微生物生长的最适pH值和发酵产物形成的最适pH值往往是不同的。例如，青霉素生产菌生长的最适pH值为6.57.2，而青霉素合成的最适pH值却为6.26.3；第86页/共175页（二）发酵过程中pH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质都会引起发酵液的pH值下降。发酵液pH下降的主要原因：培养基中的碳/氮比例不当，碳源过多消泡油加得过多；微生物生理酸性物质的存在第87页/共175页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pH值上升.发酵液pH值上升的主要原因：培养基中的碳/氮比例失衡，氮源过多存在

33、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 第88页/共175页（三）发酵过程中pH值的控制采用的方法：(1)调节培养基的起始pH值，或加入缓冲溶液(如磷酸盐)或尽量使盐类和碳源的配比平衡 (2)在发酵过程中及时加入弱酸或弱碱来调节pH值(3)可及时补料调节pH值(4)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pH值(5)可用流加氨水或尿素的方法来调节发酵过程中pH值的变化 第89页/共175页四、泡沫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；发酵过程中产生的气体聚结形成的发酵泡沫。第90页/

34、共175页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：使发酵罐的装填系数减少；使发酵罐的装填系数减少；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；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；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，使微生物群体的非均一性增加；体的非均一性增加；第91页/共175页影响通气搅拌的正常进行，妨

35、碍微生物的呼吸，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难。第92页/共175页（二）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：(1)化学消泡法：优点：来源广泛，消泡效果好作用迅速可靠，效率高，用量少不仅适用于大规模发酵生产，同时也适用于小规模的发酵实验。第93页/共175页l化学消泡剂一般应具备的特点：是表面活性剂，具有较低的表面张力，消泡作用迅速有效具有一定的亲水性在水中的溶解度较小对人、畜及微生物细胞无毒性，不影响产物的提取分离和产品的质量；不影响氧在培养液中的溶解和传递；

36、来源方便，价格便宜。第94页/共175页l常用的化学消泡剂主要有：天然油脂(玉米油、米糠油、豆油、菜油、棉子油及鱼油、猪油等)高级醇类(聚二醇和十八醇)脂肪酸和聚醚类(聚氧丙烯甘油和丙烯甘油)硅酮类(聚二甲基硅氧烷及其衍生物)氟化烷烃 第95页/共175页优点：不需要在发酵液中添加任何其他物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对产物分离工艺的影响。缺点：效果不如化学消泡迅速、可靠，还需要配备一定的设备和消耗一定的动力，不能从根本上消除引起泡沫的因素。(2)机械消泡法：第96页/共175页五、流加补料的控制流加补料概念：在发酵过程中补充某些营养成分以维持生产菌株的代谢活动和产物合成。流加补

37、料的物质：可分为碳源、氮源、微量元素和无机盐以及诱导底物等。（一）流加补料的内容和原则第97页/共175页原则：有效控制微生物的中间代谢过程，使之向着有利于产物积累的方向发展。第98页/共175页第四节 发酵工程在食品工业中的应用一、发酵法生产单细胞蛋白单细胞蛋白(SCP)概念：指适用于食品和动物饲料应用的微生物细胞，包括酵母菌、细菌、霉菌和高等真菌。这些微生物大多数是富含蛋白质的单细胞生物，可以认为是单细胞蛋白质的重要来源。第99页/共175页（1）细胞蛋白质含量高达50%以上，含有多种氨基酸、维生素、矿物质、粗脂肪等营养成分，易于消化吸收。（2）微生物生长繁殖快，短时间可获得大量产品。应用

38、微生物生产单细胞蛋白的优点：第100页/共175页l利用微生物发酵技术生产单细胞蛋白具有较高的生产率。因为单细胞蛋白依赖于微生物菌体生物量的累积，其富集蛋白质的能力要比动、植物快得多。猪和牛的体重倍增时间分别为46周、12个月，植物体重倍增时间为l一2周，而细菌、酵母等微生物仅需20120min。1头500kg的母牛每天能产蛋白质约0.4kg。500kg酵母每天至少生产5 000kg蛋白质。在实际的工业发酵罐中，酵母能够生产出数吨蛋白质，生产率高达2-4kg(h.m3培养液)。第101页/共175页（3）微生物对营养要求适应性强，可利用多种廉价原料进行生产。（4）微生物的生长条件可人为控制，可

39、工厂化生产。第102页/共175页生产单细胞蛋白的主要原料（1）工农业生产的废弃物和下脚料。（2）碳水化合物类（3）碳氢化合物类（4）石油产品类（5）无机气体类 第103页/共175页各种化学成分的含量因微生物的种类、菌龄、培养基组成、培养条件等不同而有较大差异。例如，啤酒酵母除含丰富的优质蛋白外，还含有较丰富的维生素D和B族维生素及Ca、Fe、Zn、K、P、Na等必需微量元素，因此，它可视为一种理想的蛋白质资源。第104页/共175页一般工业上生产单细胞蛋白的微生物是酵母，主要有酿酒酵母、产朊假丝酵母(或称圆酵母)和脆壁克鲁维酵母(或称乳清酵母)。（一）利用酵母菌生产单细胞蛋白第105页/共

40、175页SCP生产的概略流程图第106页/共175页p烷烃类原料生产SCPZobell(1946年)提出酵母菌利用碳氢化合物有四个特点：1、脂肪族化合物比芳香族化合物易于利用；2、长链脂肪族化合物与短链脂肪族化合物相比更易于降解；3、不饱和烷烃比饱和烷烃易于降解；4、支链烷烃较直链烷烃更易被酵母菌利用和同化。第107页/共175页微生物同化烷烃的步骤是细胞吸收外源烷烃，然后将其转运到细胞内，烷烃进行初始氧化。主要有两条代谢烷烃的途径，即末端氧化和亚末端氧化途径。前者，烷烃的末端甲基(1个或者2个)被氧化，最后形成相应的脂肪酸。酵母菌主要以单末端氧化途径。单末端氧化途径可简单示意如下：R-CH3

41、 R-CH2OHR-CHOR-COOH-氧化作用第108页/共175页p以淀粉质原料生产SCP以淀粉质原料生产SCP主要有三条途径：在化学分解或酶解底物基础上培养SCP生产酵母菌；将对淀粉分解活力高的霉菌与快速生长的酵母菌混合培养；单独培养能够同化淀粉的生产菌株。第109页/共175页以木薯为原料采用深层发酵法生产SCP的流程图第110页/共175页在SCP生产中，发酵过程必须控制温度以利于菌体的大量增殖、生长。可以通过发酵罐内部的冷却表面散发培养液的热量，当然也可以在罐外通过热交换器来降低培养液的温度。以甘薯、木薯、玉米等淀粉质原料发酵生产SCP得率一般可超过50，即2t原料可生产出1t多蛋

42、白含量超过50的产物。每升发酵液中生物量约为3740g。瑞典糖业有限公司在1973年便利用土豆加工的废渣以混合培养方法生产饲料SCP。第111页/共175页p糖蜜原料生产SCP糖蜜是制糖工业的主要副产品。甜菜、甘蔗糖蜜中含有多种可利用成分，是综合利用发酵生产酵母、酒精、核苷酸等产品的宝贵资源，而且特别适用于SCP生产。第112页/共175页以糖蜜为原料生产SCP多采用液体深层发酵法。发酵前，应先采用化学、机械或两者结合的方法对糖蜜进行澄清和灭菌处理。向糖蜜中添加新鲜石灰乳和磷酸，形成磷酸钙，静置后过滤或离心除去这些沉淀即有澄清效果。也可先用H2SO4调节糖蜜pH，再依次加入NH3、铝盐、果胶和

43、锌盐进行澄清。过滤材料可选择石棉砂和纤维素等。经机械离心获得的澄清糖蜜，可以加热至130-140杀菌。经过预处理的糖蜜用于酵母发酵生产，可以提高产量以及酵母产品的纯度，同时热交换器等设备表面盐类物质沉积量减少，有利于降低生产成本。第113页/共175页p纤维素类原料生产SCP有三条路线：一是预处理-酶解二是酸解三是混合发酵法 第114页/共175页生产SCP时必须采用适当工艺对原料进行预处理。l纤维素酶分解天然纤维的先决条件是酶与纤维素相互接触，形成复合物，但天然纤维的纤维素和其它主要成分不溶于水，并且在细胞壁中排列成紧密的复合结构，因此，必须设法使纤维素酶分子扩散到细胞壁内，纤维素分子的表面

44、才能使之相互接触并进行反应。结晶度越高，纤维表面积越小，酶解越困难。另外，纤维素原料中的木质素会阻碍酶与纤维素接触，是影响酶反应敏感性的另一重要因素。第115页/共175页采用球磨、高压蒸煮、电子射线照射、-射线照射、膨化处理等方法，使高结晶度纤维素软化，破坏纤维结构，以利于酶解，但这些预处理方法能耗大、成本高，使应用受到限制。预处理后的纤维性原料经冷却后即可进行酶解。纤维素酶系由三种不同性质的酶组成：纤维素酶外切酶、纤维二糖酶和葡萄糖苷酶。三种酶协同作用，可将纤维素水解为葡萄糖，即可作为SCP生产的碳源。第116页/共175页二、高活性干酵母的生产 细胞含量超过细胞含量超过200200亿亿c

45、fucfug g.含水量小于含水量小于6 6的活性干酵母被称为的活性干酵母被称为高活性干酵母高活性干酵母。高活性干酵母具有含水量低、复水快、贮藏时间高活性干酵母具有含水量低、复水快、贮藏时间长、使用方便等优点。长、使用方便等优点。（一）高活性干酵母（简称HADY）活性干酵母有两个基本特征：一是常温下长期贮存而不失去活性.二是将活性干酵母在一定条件下复水活化后.即恢复成自然状态并具有正常酵母活性的细胞。第117页/共175页l把含水分7073新鲜活性酵母经过连续流化床干燥装置烘干为含水分46的HADY成品。活性干酵母生产过程菌种配制发酵分离过滤干燥真空包装贮存发酵主要原材料为糖蜜。第118页/共

46、175页高活性干酵母的种类1、高活性干面包酵母 2、酒精生产、酿酒用的高活性干酵母 3、制造酵母抽提物的高活性干酵母酵母抽提物即酵母精，由于其细胞内含有核糖核酸及其加工后的水解产物(腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸，胞嘧啶核苷酸，尿嘧啶核苷酸)，其中腺嘌呤核苷酸的转化产物次黄嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸有着强力鲜味，另外，酵母细胞含有丰富的蛋白质，其水解产物中的谷氨酸等也呈鲜味，还有各种营养成分的配合，使酵母抽提物呈现出强力的鲜味。生产酵母抽提物的酵母菌种：啤酒酵母、面包酵母、产朊假丝酵母 第119页/共175页应用三、螺旋藻的培养生产及其应用藻类含有较高的蛋白质，一般含可消化蛋白4570，其氨基酸种类

47、含量与单细胞微生物相同。而且藻类的生长速度比高等植物快。螺旋藻被认为是最重要的蛋白质资源之一。螺旋藻在地球上出现已有30亿年之久，是一种利用光合作用的水生低等植物，在分类学上属于蓝藻门，颤藻科，已发现有30多种，因其藻体呈丝状螺旋形而得名。至目前为止，有利用价值的藻种主要有两种：钝顶螺旋藻和极大螺旋藻。第120页/共175页螺旋藻研究开发的进展及其药理评价人类食用螺旋藻的历史已有几百年。最初发现螺旋藻是在非洲中部乍得湖畔及墨西哥迪斯科克湖，当地人用来食用或制成饼食，有益于健康。本世纪50年代以后，乍得把螺旋藻制成食品其商品名为“Dihe”；1964年，比利时植物学家JeanLenoard从食用

48、螺旋藻和出售的“Dihe”中，分离出螺旋藻，在实验室进行培养试验，1967年3月首次发表了实验结果，为螺旋藻的人工养殖开创了先例第121页/共175页1968年，法国石油研究所与墨西哥一家公司合作，利用墨西哥迪斯科克湖的螺旋藻资源，建成了700m2的培养池，年产量为300t左右，成为世界上第一间螺旋藻生产工厂螺旋藻除了营养成分完全、疗效作用大以外，还由于其细胞壁薄，纤维素含量低，很易消化吸收，消化率达95。美国Earthrise公司生产的螺旋藻片剂、粒剂和粉剂，零售价格为129美元kg第122页/共175页美国“BetterNutrition杂志列举了螺旋藻所含生理活性物质和医疗特性，认为螺旋

49、藻对糖尿病、贫血症、肝脏疾病、溃疡病、胰腺炎、视力障碍、白血症、过敏症、癌症等均有治疗和预防功效。日本的医药专家出版了神秘的螺旋藻一书，介绍螺旋藻的药效功能。美国报道从螺旋藻中提取的一种糖脂甚至具有阻止AIDS(爱滋)病毒的功效。藻蓝蛋白可作荧光探针，此外，螺旋藻还应用于珍稀动物饲料和美容化妆品等的制造。第123页/共175页我国对螺旋藻的开发研究始于70年代初，我国农业部和国家科委把螺旋藻列入国家“七五”、“八五”攻关和推广项目；中国科学院武汉水生所，青岛海洋所、北京大学、南京大学、华南师范大学、华南理工大学、江西农科院等对螺旋藻生物特性、养殖条件及藻粉的生理活性物质进行了大量基础研究；19

50、87年，海南省盐业总公司螺旋藻养殖成功；1992年深圳蓝藻生物公司成立；广东省茂源进口总公司与广州光华药业股份公司合作研制出奇珍螺旋藻片，已大量投入市场，并正式成立广州营养与健康研究会；广东梅雁企业(集团)股份有限公司也建立大规模的养殖生产基地，所生产的梅雁牌螺旋藻片、螺旋藻胶囊已批准为保健食品产品。第124页/共175页螺旋藻的化学组成和营养 螺旋藻的化学组成蛋白质 干藻粉蛋白质含量达5070，是大豆的2倍，比牛肉、鸡蛋白高3.5倍，更加重要的是其蛋白质中8种必需氨基酸配比合理且全面。第125页/共175页碳水化合物螺旋藻干粉中含碳水化合物1520，其中含有7一8为螺旋藻活性多糖(SP-1)