《发酵工程原理与技术》课程复习提纲及部分知识点 [复习提纲] 什么是发酵？发酵工程的发展历程？ 发酵的定义在合适的条件下利用生物细胞内特定的代谢途径转变外界底物生成人类所需目标产物或菌体的过程 自然发酵时期 1.发酵工程的诞生 2.通气搅拌液体深层发酵的建立 3.大规模连续发酵以及代谢调控发酵技术的建立 4.现代发酵工程时期 发酵工业常用的微生物及其特点。 ①细菌：枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等②放线菌：链霉菌属、小单胞菌属和诺卡均属③酵母菌：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母 4.霉菌 菌种的分离及保藏 一稀释涂布和划线分离法二利用平皿中的生化反应进行分离三组织分离法四通过控制营养和培养条件进行分离 一斜面保藏方法二液体石蜡油保藏法三冷冻干燥保藏法四真空干燥法五液氮超低温保藏法六工程菌的保藏 菌种的退化及复壮 菌种退化是指生产菌种或选育过程中筛选出来的较优良菌株，由于进行转移传代或包藏之后，群体中某些生理特征和形态特征逐渐减退或完全丧失的现象退化的原因主要有基因突变连续传代以及不当的培养和保藏条件 菌种的复壮通过人工选择法从中分离筛选出那些具有优良性状的个体使菌种获得纯化服装的方法一纯种分离二淘汰法三宿主体内复壮法 微生物育种的方法有哪些？ 自然育种、诱变育种 培养基的主要成分。 水、碳源、氮源、无机盐、生长因子、 碳源及氮源的种类。 碳源种类：1、糖类2、醇类3、有机酸类4、脂肪类5、烃类6、气体 氮源种类：1、无机氮源 2、有机氮源 培养基的设计的基本原则？ 一根据生产菌株的营养特性配制培养基二营养成分的配比恰当三渗透压 4ph 值 发酵工业原料的选择原则 一因地制宜就地取材原料产地离工厂要近，便于运输节省费用 二营养物质的组成比较丰富浓度恰当能满足菌种发育和生长繁殖成大量有生理功能菌丝体的需要更重要的是能显示出产物合成的潜力 三原料资源要丰富容易收集
一、被控对象工作原理及结构特点等 发酵工程是应用生物（主要是微生物）为工业大规模生产服务的一门工程技术，也称微生物工程。发酵工程是包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但应用于生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且还可以生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。 发酵反应器（发酵罐）是发酵企业中最重要的设备。发酵罐式必须具有适宜于微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量。例如，发酵罐的结构应尽可能简单，便于灭菌和清洗；循环冷却装置维持适宜的培养温度；由于发酵时采用的菌种不同、产物不同或发酵类型不同，培养或发酵条件又各有不同，还要根据发酵工程的特点和要求来设计和选择发酵罐的类型和结构。 通风发酵设备要将空气不断通入发酵液中，供给微生物所需的氧，气泡越小，气泡的表面积越大，氧的溶解速率越快，氧的利用率也越高，产品的产率就越高。通风发酵罐有鼓泡式、气升式、机械搅拌式、溢流喷射自吸式等多种类型。 机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂常用的类型之一，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和賿液充分混合促使氧在賿液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气，同时强化热量传递。无论是微生物发酵、酶催化或动物植物细胞培养的微生物工程工厂都应用此类设备，占目前发酵罐总数的70%～80%，常用语抗生素、氨基酸、有机酸和酶的发酵生产。机械搅拌通风发酵罐是属于一种搅拌釜式反应器，除用作化学反应和生物反应器外搅拌反应器还大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸传热等操作。搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。加班容器包括筒体、换热原件及内构件、搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。 1.1温度对发酵的影响 微生物药品发酵所用的菌体绝大多数十中温菌，如丝状真菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在20～40摄氏度。在发酵过程中，应维持适当温度，以使微生物生长代谢顺利进行。由于微生物的种类不同，所具有的酶系及其性质也不同，因此所要求的温度也不同，如细菌的生长温度大多比霉菌高。有些微生物在生长、繁殖和合成代谢产物等各个阶
发酵工程重点
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
啤酒 啤酒概念：啤酒是以优质大麦芽为主要原料，啤酒花为香料，经过制麦芽、糖化、发酵等工序制成的富含营养物质和二氧化碳的酿造酒。 啤酒的分类 1、据工艺分类 可分两大类： 以德国、捷克、丹麦、荷兰为典型的下面发酵法啤酒； 以及以澳大利亚、新西兰、加拿大等的上面发酵法啤酒。 2、根据是否巴氏灭菌 分为：生啤酒/熟啤酒 3、根据麦芽度 可分为：8o啤酒/10o啤酒/12o啤酒/14o啤酒/18o啤酒 4、根据色泽 可分为：黑啤酒/黄啤酒/淡色啤酒 啤酒作用：含二氧化碳，饮用时有清凉舒适感，促进食欲。 啤酒花含有蛋白质、维生素、挥发油、苦味素、树脂等，具有强心、健胃、利尿，镇痛等医疗效能，对高血压病、心脏病及结核病等均有较好的辅助疗效。产妇喝啤酒，以增加母体乳汁，使婴儿得到更充分的营养。 适量饮用啤酒对心脏和高血压患者亦有一定疗效。 啤酒是夏秋季防暑降温解渴止汗的清凉饮料，据医学和饮料专家们研究，啤酒含有4%的酒精，能促进血液循环。过度饮用冰冻啤酒伤脾胃，加重体内湿气，影响健康。 啤酒酿造对大麦质量的要求 1．感官 （1）色泽：良好大麦有光泽，淡黄；受潮大麦发暗，胚部呈深褐色；受霉菌侵蚀的大麦则呈灰色或微兰色 （2）气味：良好大麦具有新鲜稻草香味 （3）谷皮：优良大麦皮薄，有细密纹道 （4）麦粒形态：以短胖者为佳 （5）夹杂物：杂谷粒和沙土等应在2%以下 2．物理检验 （1）千粒重：以无水物计千粒重应为30~40g （2）麦粒均匀度：按国际通用标准，麦粒腹径可分为2.8、2.5、2.2mm三级 （3）胚乳性质：胚乳断面可分为粉状、玻璃质和半玻璃质三种状态 3．化学检验 （1）水分：原料大麦水分不能高于13%，否则不能贮存，易发生霉变，呼吸损失大（2）蛋白质：蛋白质含量一般要求为9~12%，蛋白质含量高，制麦不易管理，易生成玻璃质，溶解差，浸出物相应的低，成品啤酒易浑浊 （3）浸出物：间接衡量淀粉含量的方法，一般为72~80% 4．酿造大麦的质量标准：1986年正式制定和通过了啤酒大麦国家标准，编号为QB—1416—87
●发酵工程：以微生物、动植物细胞为生物作用剂进行工业化生产的工程，包括发酵工艺和发酵设备。 ●主要研究内容：菌种选育与构建、大规模培养基和空气的灭菌、大规模细胞培养过程、细胞生长和产物形成动力学、生物反应器的优化设计和操作、发酵产品的分离纯化过程中的技术问题等。 ●发酵工程原理：指导发酵产品研究与开发，发酵工厂设计与建设以及发酵生产实践的理论。 ●初级代谢：是许多生物都具有的生物化学反应，蛋白质、核酸的合成等，均称为初级代谢。 ●初级代谢产物：指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、多糖等。 ●次级代谢：微生物以初级代谢产物为前提合成的对微生物本身的生命活动没有明确功能的物质的过程。 ●自然选育：不经过人工处理，利用菌种的自然突变而进行菌种筛选的过程。 ●杂交育种：将两个基因型不同的菌株经吻合使遗传物质重新组合，分离和筛选具有新性状的菌株。 ●诱变育种：利用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，在促进其突变率显着提高的基础上，采用简便、高效的筛选方法，从中挑选出少数符合目的
的突变株，以供科学实验或生产实践使用。 ●原生质体融合育种：两个亲本的原生质体在高渗条件下混合，由聚乙二醇作为助融剂，使它们互相凝集，发生细胞融合，接着两个亲本基因组由接触到交换，从而实现遗传重组。 ●前体：某些化合物加入发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物中去，而自身结构并没有明显变化，产物的产量却因前体的加入而有较大的提高。 ●抑制剂：某些化合物可以抑制特定代谢途径的进行，使另一种代谢途径活跃，获得人们所需产物的积累。 如生产甘油加抑制剂亚硫酸钠，它与代谢过程中的乙醛生成加成物。这样使乙醇代谢途径中的乙醛不能成为NADH 2(还原型辅酶I)的受氢体，而使NADH 2在细胞中积累， 从而激活α－磷酸甘油脱氢酶的活性，使磷酸二羟基丙酮取代乙醛作为NADH 2的受氢体而还原为α－磷酸甘油，其水解后即形成甘油。 ●促进剂：指那些既不是营养物质又不是前体，但却能提高产量的添加剂，如加巴比妥盐能使利福霉素单位增加，并能使链霉菌推迟自溶，延长分泌期。 ●灭菌：用化学或物理的方法杀灭或除掉物料及其器皿中所有的生命体。消毒是指杀死病原微生物的过程。 ●分批灭菌：培养基置于发酵罐中加热，达到预定温度后维持一段时间，再冷却到发酵所需温度的灭菌。
题目：发酵罐温度控制系统设计
课程设计（论文）任务及评语院（系）：教研室：Array 注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算
摘要 本题要设计的是温度控制系统，发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。而温度对发酵过程具有多方面的影响。因此，对发酵过程中的温度进行检测和控制就显得十分重要。 本课题设计了发酵罐温度控制系统，选择的传感器为Cu100，由于信号很小，所以就需要通过差动放大电路进行放大并且经过了滤波电路滤波，然后将处理后的电压信号经过V/I转换，输出4~20mA的电流信号，最后进行仿真分析以及参数的计算，以达到通过对冷水阀开度的控制对发酵罐温度控制的目的。 本系统应用温度控制系统，有助于提高发酵效率，有助于提高工厂产值，并且可以使资源得到更充分的作用。 关键词：温度控制；PID控制器；V/I转换；比较机构
目录 第1章绪论 (1) 第2章课程设计的方案 (2) 2.1 概述 (2) 2.2 系统组成总体结构 (2) 2.3 传感器选择 (2) 第3章电路设计 (4) 3.1 传感器电路 (4) 3.2 比较机构电路 (7) 3.3 PID调节器并联实现电路 (7) 3.4 V/I转换电路 (8) 3.5 直流稳压电源电路 (9) 第4章仿真与分析 (10) 4.1 传感器电路仿真 (10) 4.2 PID控制器电路 (11) 4.3 V/I转换电路 (12) 第5章课程设计总结 (14) 参考文献 (15) 附录Ⅰ (16) 附录Ⅱ (18) 附录Ⅲ (20)
第1章绪论 在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉、发酵罐和锅炉中的温度进行检测和控制。 本次课设要求设计发酵罐的温度控制系统。发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。而温度对发酵过程具有多方面的影响：它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制，除这些直接影响外；温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度；基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率。某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。 并且现代发酵工程不但应用于生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且还可以生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子等。而发酵过程是酵母在一定的条件下，利用可发酵性物质而进行的正常生命活动。 发酵工程是应用生物（主要是微生物）为工业大规模生产服务的一门工程技术，也称微生物工程。发酵工程是包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 在发酵罐温度控制系统中应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器是工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。采用PID算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞后的特点，特别适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。 本次课设要求自行设计模拟式PID控制器，通过与前面传感器测定的发酵罐温度产生的电压信号进行比较，转换为输出时的4~20mA电流信号来对冷水阀门开度进行控制，采用冷水法对发酵罐进行降温，以达到对发酵罐温度进行控制的目的。参数要求测定范围是30℃~50℃，测量精度为±0.5℃，以此作为对温度传感器的选择依据。
发酵工程的研究进展 【前言】发酵工程是泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程。它包括厌氧发酵的生产过程（如酒精、乳酸、丙酮丁醇等）和有氧发酵的生产过程（如氨基酸、柠檬酸、抗生素等）。广义的概念：生物学(微生物学、生物化学)和工程学(化学工程)结合。狭义的发酵概念：微生物培养和代谢过程。 发酵技术是人类最早通过实践掌握的生产技术之一，产品也很多，以传统食品来说，东方有酱、酱油、醋、白酒、黄酒等，西方有啤酒、葡萄酒、奶酪等。这些发酵食品都是数千年来凭借人类的智慧和经验，在没有亲眼看到微生物的情况下，巧妙地利用微生物生产的产品。 【关键词】发酵发展应用 1、发酵工程的内容 1.1 定义 发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。 1.2现代发酵工程 人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。 现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。 1.3组成 从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工程，中游工程和下游工程。 1.3.1 上游工程：包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。 1.3.2 中游工程：主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。这里要有严格的无菌生长环境，包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。
发酵工程原理期末复习 一 1、微生物的无氧呼吸称发酵 2、现代发酵工程：是将现代DNA重组及细胞融合技术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、过程工程优化技术等新技术与传统发酵工程融合，大大提高传统发酵技术水平，拓展传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业生物技术体系。强调现代生物技术、控制技术和装备技术在发酵工业领域的集成应用。 3、发酵工程在生物技术中的地位:发酵工程是生物技术的基础，是生物技术产业的核心。 4、广义发酵工程对生物学和工程学的要求: 上游技术:优良种株的选育和保藏（包括菌种筛选、改造，菌种代谢路径改造等）， 中游技术:发酵过程控制，主要包括发酵条件的调控，无菌环境的控制，过程分 析和控制等 下游技术: 分离和纯化产品。包括固液分离技术、细胞破壁技术、产物纯化 技术，以及产品检验和包装技术等 5、日常发酵产品：酒、酒精、醋、啤酒、干酪、酸乳等 6、以高产量、高转化率和高效率及低成本为目标的发酵过程优化技术： 高产量：微生物生理、遗传、营养及环境因素 高转化率：微生物代谢途径和过程条件 高效率：微生物反应动力学和系统优化 低成本：技术综合及产业化技术集成 7.发酵工程技术：分子层次，生物催化→催化剂发现/改造 细胞层次，细胞工厂→代谢工程 过程层次，过程优化→单元放大/耦合/集成/优化 8.发酵工业的范围：①微生物菌体 ②酶制剂 ③代谢产物 ④生物转化 ⑤微生物特殊机能的利用 利用微生物消除环境污染 利用微生物发酵保持生态平衡 微生物湿法冶金 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域 9、新的菌体发酵产品: 茯苓菌→茯苓 担子真菌→灵芝、香菇类 虫草头孢菌 密环菌 二、1.发酵工业对菌种的要求：1)能在价廉原料制备的培养基上迅速生长并生成所需代谢产物,且产量高2).培养条件易于控制, 3)生长迅速,发酵周期短, 4)满足代谢控制的要求 5)抗噬菌体和杂菌的能力强 6)遗传性状稳定,菌种不易变异退化 7）在发酵过程中产生的泡沫少,这对装料系数,提高单罐产量,降低成本有重要意义
洛阳理工学院 计算机控制技术与应用课程设计 题目：发酵培养基温度控制系统设计 学生姓名： 学号： 班级： 专业：
摘要 本题要设计的是发酵培养基温度控制系统，发酵是放热反应的过程。随着反应的进行，罐内的温度会逐渐升高。而温度对发酵过程具有多方面的影响。因此，对发酵过程中的温度进行检测和控制就显得十分重要。 本课题设计了发酵罐温度控制系统，选择的传感器为Cu100，由于信号很小，所以就需要通过差动放大电路进行放大并且经过了滤波电路滤波，然后将处理后的电压信号经过V/I转换，输出4~20mA的电流信号，最后进行仿真分析以及参数的计算，以达到通过对冷水阀开度的控制对发酵罐温度控制的目的。 本系统应用温度控制系统，有助于提高发酵效率，有助于提高工厂产值，并且可以使资源得到更充分的作用。 关键词：温度控制,PID控制器,V/I转换,比较机构
目录 前言........................................................................................ 错误！未定义书签。 1.1.1 发酵培养基简介 3 1.1.2工艺背景：................................................................ 错误！未定义书签。 1．2温度对发酵的影响...................................................... 错误！未定义书签。 1.2.1温度影响微生物细胞生长................................. 错误！未定义书签。 1.2.2温度影响产物的生成量..................................... 错误！未定义书签。 1.2.3温度影响生物合成的方向................................. 错误！未定义书签。 1.2.4温度影响发酵液的物理性质............................. 错误！未定义书签。 1.3、影响发酵温度变化的因素：..................................... 错误！未定义书签。 1.4发酵热的测定................................................................ 错误！未定义书签。 1.5最适温度的选择与发酵温度的控制............................ 错误！未定义书签。 1.5.1温度的选择....................................................................................... VII 2 培养基温度控制系统的设计.................................................. 错误！未定义书签。 2.1总体设计方案.............................................................................................. VII 2.1.1 系统总框图...................................................................................... VII 2．2硬件设计................................................................................................... V III 2.2.1温度采集电路.................................................................................. V III 2.2.2 PLC与计算机的通信......................................................................... I X 2.3软件部分......................................................................................................... X 3总结........................................................................................................................ X III 参考文献：............................................................................................................... X III
第一章发酵工程概述 一、发酵工程：是利用微生物特定的形状和功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用与工业化生产的技术体系，是将传统发酵与现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的发酵技术。二、发酵工程简史： 1590 荷兰人詹生制作了显微镜 1665 英国人胡克制作的显微镜观察到了霉菌 近代发酵工程建立初期1864 巴斯德灭菌法 1856 psateur 酵母导致酒精发酵 19世纪末Koch 纯种分离和培养技术 三、发酵工程技术的特点 （1）主体微生物的特点 ①微生物种类繁多，繁殖速度快、代谢能力强，容易通过人工诱变获得有益的突变株； ②微生物酶的种类很多，能催化各种生化反应 ③微生物能够利用有机物、无机物等各种营养源 ④可以用简易的设备来生产多种多样的产品 ⑤不受气候、季节等自然条件的限制等优点 （2）发酵工程技术的特点 ①发酵工程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应能够在发酵设备中一次完成 ②反应通常在常温下进行，条件温和，耗能少，设备简单 ③原料通常以糖蜜，淀粉等碳水化合物为主 ④容易生产复杂的高分子化合物 ⑤发酵过程中需要防止杂菌污染 (3)发酵工程反应过程的特点 ①在温和条件下进行的 ②原料来源广泛，通常以糖、淀粉等碳水化合物为主 ③反映以生命体的自动调节形式进行（同（2）①） ④发酵分子通常为小分子产品，但也很容易生产出复杂的高分子化合物 四、发酵工程的一般特征 ①与化学工程相比，发酵工程中微生物反应具有以下特点： 作为生物化学反应，通常在常温常压下进行，没有爆炸之类的危险，不必考虑防爆问题，还有可能使一种设备具有多种用途 ②原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，加入少量的各种有机或无机氮源，只要不含毒，一般无精制的必要，微生物本身就有选择的摄取所需物质 ③反应以生命体的自动调节方式进行因此数十个反应过程能够像单一反应一样，在称为发酵罐的设备内很容易进行 ④能够容易的生产复杂的高分子化合物，是发酵工业最有特色的领域 ⑤由于生命体特有的反应机制，能高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的氧化还原官能团导入等反应
发酵条件的控制与调节 １．水分调节 好氧堆肥质量和效率直接受堆肥物料水分含量的影响，水分的作用主要为溶解有机物并参与微生物的新陈代谢和调节堆肥温度。一般认为堆肥初始含水量在４０％～７０％就能保证堆肥顺利进行。当含水量低于４０％时，微生物的代谢活动会受到抑制，堆肥将由好氧向厌氧转化，尤其当含水量低于１５％时，菌体代谢活动会普遍停止；当含水量太高时，超过７０％，物料空隙率低空气不足，不利于好氧微生物生长，减慢降解速度，延长堆腐时间，并产生二氧化硫等恶臭气体。按重量计，初始堆料的含水率应保持在５０％～６５％，过低和过高都会影响发酵过程，而牛粪的含水率一般在７５％～８０％，往往需要加入吸湿性强的调节料以降低混合堆料的水分含量。 ２．发酵温度 温度是堆肥正常发酵的重要条件之一，堆肥温度的控制就是要保持堆体顺利升温、维持适当温度和温度的下降。不同种类微生物的生长对温度的要求不同，嗜温菌的最适温度是３０～４０℃，嗜热菌的最适温度是４５～６０℃，高温堆肥的温度最好控制在５５～６５℃，不宜超过６５℃，超过６５℃就会对微生物的生长产生抑制。堆肥化是一个放热过程，若不加以控制，温度可达７５～８０℃，温度过高会过度消耗有机质，并降低堆肥产品质量，根据卫生学要求，堆肥至少要达到５５℃并保持５天以上才能保证杀灭堆层中大肠杆菌及病原菌。生产实践中常采用翻堆或强制通风办法控制温度。 ３．碳氮比调节 碳氮比（Ｃ／Ｎ）是指堆肥原料与填充料混合物的总碳（Ｃ）与总氮（Ｎ）的比值。碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的营养物质，在堆肥过程中，碳源被消耗，转化成二氧化碳和腐殖质物质，而氮则以氨气形式散失，或变为硝酸盐和亚硝酸盐，或由生物体同化吸收。因此，碳和氮的变化是堆肥的基本特征之一。由于微生物的Ｃ／Ｎ范围为４～３０，因此用作供其营养的有机物碳氮比最好也在此范围内，Ｃ／Ｎ过高或过低都不利于嗜氧菌的生长和繁殖，堆肥过程中适宜的碳氮比（Ｃ／Ｎ）为２０～３０：１，３０：ｌ较为理想。北方地区在生产实践中可采用在牛粪中添加有关原料调节碳氮比，一般牛粪堆肥处理时可不调整Ｃ／Ｎ。 ４．通风调节 通风是好氧堆肥的关键性因素之一，其主要作用是提供好氧微生物生长繁殖所必需的氧气，通过供气量的控制，可去除堆料中多余的水分，调节堆体温度，减少恶臭产生。研究表明，堆料中氧含量为１０％时，就可保证微生物代谢的需要。在供氧充分而其他条件也适宜的情况下，微生物迅速分解有机物，产生大量的代谢热，如果不能对多余热量进行控制，温度升高到超过微生物生长的适宜范围，将会抑制有机物的生物降解、延长处理时间，增加设备运行费用，并且产生难闻的气味。可适时采用翻堆方式通风或设有其他机械通风装置换气，调节堆肥物料的氧气浓度和散热，同时应注意堆体堆积要松紧适度，保持物料间有一定的空隙以利通气． ５．ｐＨ值调节 ｐＨ值是微生物生长的重要因素之一，一般堆肥中微生物最适宜的ｐＨ值是中性或弱碱性，ｐＨ值太高或太低都会使堆肥处理遇到困难。许多研究者提出，
1、发酵：通过微生物的生长繁殖和代谢活动，产生和积累人们所需产品的生物反应过程。 2、发酵工程：利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系，它是生物工程和生物技术学科的重要组成部分，又叫微生物工程 3、发酵工程技术的发展史： ①1900年以前——自然发酵阶段 ②1900—1940——纯培养技术的建立（第一个转折点） ③1940—1950——通气搅拌纯培养发酵技术的建立（第二个转折点） ④1950—1960——代谢控制发酵技术的建立（第三个转折点） ⑤1960—1970——开发发酵原料时期（石油发酵时期） ⑥1970年以后——进入基因工程菌发酵时期以及细胞大规模培养技术的全面发展 4、工业发酵的类型： ①按微生物对氧的不同需求：厌氧发酵、需氧发酵、兼性厌氧发酵 ②按培养基的物理性状：固体发酵、液体发酵 ③按发酵工艺流程：分批发酵、补料发酵、连续发酵5、发酵生产的流程：（重要） ①用作种子扩大培养及发酵生产的各 种培养基的制备 ②培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌 ③扩大培养有活性的适量纯种，以一 定比例将菌种接入发酵罐中 ④控制最适的发酵条件使微生物生长并 形成大料的代谢产物 ⑤将产物提取并精制，以得到合格的产 品 ⑥回收或处理发酵过程中所产生的三废 物质 6、常用的工业微生物： ①细菌：枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、 棒状杆菌、短杆菌等 ②放线菌：链霉菌属、小单胞菌属和 诺卡均属 ③酵母菌：啤酒酵母、假丝酵母、类 酵母 7、未培养微生物：指迄今所采用的微生 物纯培养分离及培养方法还未获得纯培 养的微生物 8、rRNA序列分析：通过比较各类原核生 物的16S和真核生物的18S的基因序列， 从序列差异计算它们之间的进化距离，从 而绘制进化树。 选用16S和18S的原因是：它们为原 核和真核所特有，其功能同源且较为古 老，既含有保守序列又含有可变序列，分 子大小适合操作，它的序列变化与进化距 离相适应。 9、菌种选育改良的具体目标： ①提高目标产物的产量 ②提高目标产物的纯度 ③改良菌种性状，改善发酵过程 ④改变生物合成途径，以获得高产的 新产品 10、发酵工业菌种改良方法： ①常规育种：诱变和筛选，最常用。 关键是用物理、化学或生物的方法修改目 的微生物的基因组，产生突变。 ②细胞工程育种：杂交育种和原生质 体融合育种 ③代谢工程育种：组成型突变株的选 育、抗分解调节突变株的选育、营养缺陷 型在代谢调节育种中的应用、抗反馈调节 突变株的选育、细胞膜透性突变株的选育 ④基因工程育种：原核表达系统、真 核表达系统 ⑤蛋白质工程育种：定点突变技术、 定向进化技术 ⑥代谢工程育种：改变代谢途径、扩 展代谢途径 ⑦组成生物合成育种：通过合成化合 物库进行高效率的筛选 ⑧反向生物工程育种：希望表型的确
发酵工程原理课程标准 濮阳职业技术学院刘殿锋 一、课程的基本要素 1、课程性质 本课程是应用生物技术专业的必修专业课之一；是一门综合性学科，涉及的知识面广，同时又是一门基础理论与生产实际相结合的课程；本课程是在《微生物学》、《生物化学》、、《分子生物学与基因工程》等课程基础上开设的；对于同时开设的《生物技术概论》、《生物工程设备》等课程与本课程有着密切的联系，同时又有适当的分工，本课程以讲授发酵工艺的基本原理为主；在本课程基础上使学生更好地理解和掌握《发酵分析》、《发酵工厂设计概论》、《发酵工艺》、《生物分离与纯化技术》等后续课程。 2、课程的基本理念 该课程面向应用生物技术专业，使学生掌握各种发酵工艺的基本原理，重点突出生产工艺操作及过程控制等方面的实际问题，并了解发酵工程技术前沿动态。 3、课程的设计思路 本课程在设计过程中，注重工学结合教学模式的改革，校企专家共同参与教学过程与评价过程，以“四个结合”作保障，即教学内容――校企结合、教师队伍――专兼结合、教学环境――工学结合、教学方法――理实结合，从根本上改变本课程教学从“理论到理论、从课堂到课堂、从知识到知识”的陈旧的教学模式。 二、课程的目标 1、知识目标 通过本课程的学习，使学生掌握发酵工程的典型过程及其基本原理、基本技术以及基本实验操作技能，了解该学科的发展方向。 2、能力目标 通过本课程的学习，使学生能够理论联系实际去分析和解决有关发酵工程中的具体问题。 3、素质目标
通过本课程的学习，培养出的学生能够理论联系实际地在发酵企业分析实际技术问题，并能因地制宜处理这些问题的能力，可以胜任生物技术产业中新产品和新工艺的开发，生产工艺过程技术管理和高技术生产岗位的实际技术工作。 三、课程内容的组织 课程内容的组织以就业为导向，以能力为本位，以发酵工艺项目为驱动，结合发酵企业生产实际，以发酵工程中的典型单元操作为中心构建课程内容，其理论知识的选取紧紧围绕发酵企业生产实际的需要来进行。 四、课程实施意见 1、学时安排 第一章绪论（2学时）： 了解生物技术的知识和生物产品生产的基本过程；了解发酵的一般概念；了解发酵工程的应用范围、特点、发展简史及发展趋势；发酵工艺的一般培养方法及过程。 第二章生产菌种的选育（10学时）： 了解生物活性物质产生菌的筛选方法与过程，掌握自然育种、诱变育种、杂交育种、原生质体融合技术育种及基因重组技术育种的原理与方法。 第三章培养基（8学时）： 了解发酵生产培养基的组成成份及其在发酵中的作用；掌握影响培养基质量的因素及控制措施。 第四章灭菌（6学时）： 了解灭菌的概念及方法；掌握微生物热死动力学；掌握影响灭菌效果的因素及控制方法；重点掌握分批灭菌和连续灭菌的工艺过程及操作要点。 了解无菌空气质量标准、制备方法；掌握空气介质过滤除菌的工艺过程及影响无菌空气质量的因素。 第五章生产菌种的扩大培养与保藏（6学时）： 了解生产菌种制备的一般流程；掌握各生产菌种制备的工艺流程及操作要点；掌握影响种子质量的因素及其控制方法；掌握菌种保藏的原理及方法。 第六章发酵动力学（8学时）： 掌握分批培养、补料分批培养和连续培养的基础理论、操作特点、动力学模
目录 第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征 (3) 一、概述 (3) 二、啤酒发酵罐的特点 (3) 三、露天圆锥发酵罐的结构 (4) 3.1罐体部分 (4) 3.2温度控制部分 (5) 3.3操作附件部分 (5) 3.4仪器与仪表部分 (5) 四、发酵罐发酵的动力学特征 (6) 第二章发酵罐的化工设计计算 (7) 一、发酵罐的容积确定 (7) 二、基础参数选择 (7) 三、D、H的确定 (7) 四、发酵罐的强度计算 (9) 4.1 罐体为内压容器的壁厚计算 (9) 五、锥体为外压容器的壁厚计算 (11) 六、锥形罐的强度校核 (13) 6.1内压校核 (13) 6.2外压实验 (14) 6.3刚度校核 (14)
第三章发酵罐热工设计计算 (14) 一、计算依据 (14) 二、总发酵热计算 (15) 第四章发酵罐附件的设计及选型 (19) 一、人孔 (19) 二、接管 (19) 三、支座 (20) 第五章发酵罐的技术特性和规范 (21) 一、技术特性 (21) 二、发酵罐规范表 (22) 参考文献 (24)
发酵罐设计实例 第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征 一、概述 啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。 就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。 二、啤酒发酵罐的特点 1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用； 2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；
第一章 1．简述发酵工程的概念及其主要内容。 发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。它是应用生物学、化学和工程技术学的原理，大规模（工厂化）培养动植物和微生物细胞，生产生物量或产物的科学。发酵工程可分为上游工程、中游工程和下游工程。 生产微生物细胞（或生物量）； 生产微生物的酶；●生产微生物的代谢产物；?生产基因重组产物；?将一个化合物经过发酵改造其化学结构——生物转化。 2.什么叫次级代谢产物？次级代谢产物是微生物在哪些生长时期形成的？其与初级代谢产物有什么关系？ 以初级代谢产物为原料通过次级代谢合成的，对自身无明确生理作用的代谢产物叫次级代谢产物。关系：先产生初级代谢产物，后产生次级代谢产物；初级代谢是次级代谢的基础；次级代谢是初级代谢在特定前提下的继续与发展。 3.发酵过程有哪些组成部分？ 用于菌种扩大培养和发酵生产用的培养基配方； 培养基、发酵罐和辅助设备的灭菌；●足量的高活性、纯培养的接种物；?在适宜条件的发酵罐中培养菌体生产产物；?产物的提取和纯化；?生产过程的废物的处理。 第二章 1.发酵工程菌株的选育方法有哪些？各有何特点？ 自然选育：自发突变率低，变异程度较轻微，变异过程十分缓慢；自发突变不定向，负向变异可能性大，正向变异可能性小 诱变育种：方法简单，快速，收效显著。 原生质体融合：打破种属间的界限，提高重组频率，扩大重组幅度。 杂交育种：使不同菌株的优良性状集中在重组体中，扩大变异范围，具有更强的方向性和目的性。 基因工程育种：按人们的愿望使生物体的遗传性状发生定向变异。 2.发酵工程对菌种有何要求？菌种的分离和筛选基本流程是怎样的？ 要求：能大量高效合成产物；发酵培养基原料廉价；培养条件容易控制；易于液中提取产物；不易污染其它杂菌和噬菌体；无毒无害；性能稳定，不易退化
一、准备 1、检查蒸汽管道、阀门、电机、电源、饮用水管是否有泄漏点或接通；如果有的管有泄漏点，及时更换乳胶管！ 2、检查发酵罐轴封、夹层、搅拌、视镜阀是否正常；出现异常则及时添加甘油（密封用）。 3、用自来水清洗洁净本机内壁；一般上午开机后清洗3-5次，直至流出的水清亮为止。 4、用蒸汽空消发酵罐设施及相关管道系统； 5、拧开投料口盖镙栓，启动饮用水泵电源按钮，按工艺要求加入饮用水和投入生产用原、辅物料，拧紧投料口盖镙栓； 6、关循环水进水阀，开排水阀，将夹层储水排干净； 7、检查机器各部份紧固件是否松动和齐全。乳胶塞子要及时更换新的，避免染菌造成不必要的麻烦！！ 补充：空消 在投料前，气路、料路、种子罐、发酵罐、碱罐、消泡罐必须用蒸汽进行灭菌，消除所有死角的杂菌，保证系统处于无菌状态。 1. 空气管路的空消 (1) 空气管路上有三级预过滤器，冷干机和除菌过滤器。预过滤器和冷干机不能用蒸汽灭菌，因此在空气管路通蒸汽前，必须将通向预过滤器的阀门关闭，使蒸汽通过减压阀、蒸汽过滤器然后进入除菌过滤器。 (2) 除菌过滤器的滤芯不能承受高温高压，因此，蒸汽减压阀必须调整在0.13Mpa，不得超过0.15MPa。 (3) 空消过程中，除菌过滤器下端的排气阀应微微开启，排除冷凝水。
(4) 空消时间应持续40分钟左右，当设备初次使用或长期不用后启动时，最好采用间歇空消，即第一次空消后，隔3～5小时再空消一次，以便消除芽孢。 (5) 经空消后的过滤器，应通气吹干，约20～30分钟，然后将气路阀门关闭。 2. 种子罐、发酵罐、碱罐及消泡罐空消 (1) 种子罐、发酵罐、碱罐及消泡罐是将蒸汽直接通入罐内进行空消。 (2) 空消时，应将罐上的接种口，排气阀，及料路阀门微微打开，使蒸汽通过这些阀门排出，同时保持罐压为0.13～0.15Mpa。 (3) 空消时间为30～40分钟，特殊情况下，可采用间歇空消。 (4) 种子罐、发酵罐、碱罐及消泡罐空消前，应将夹套内的水放掉。 (5) 空消结束后，应将罐内冷凝水排掉，并将排空阀门打开，防止冷却后罐内产生负压、损坏设备。 (6) 空消时，溶氧、PH电极取出，可以延长其使用寿命。 二、开机 置设备状态标志为使用状态；启动搅拌控制键按钮。 三、使用 1 、空气分过滤器灭菌； 2 、关空气进气阀，开排气阀，待压力降为零； 3、开蒸汽进汽阀，排汽阀开1/4圈，压力升至0.2Mpa时，进入实罐灭菌；
发酵工程原理与技术应用 第一章绪论 1.什么是发酵工程？ 发酵工程是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系，是生物工程与生物技术学科的重要组成部分。 利用微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术来生产有用物质或将微生物直接用于工业化体系的一门技术，是建立在微生物发酵工业基础上，与化学工程相结合而发展起来的。 2.发酵工业的特点 ①一步生产 ②反应条件温和 ③原料纯度要求低 ④设备的通用性高 ⑤对环境的污染相对较小 ⑥生产受自然条件限制小 第二章发酵工业菌种 1. 发酵工业菌种的常用类型。 ①细菌：枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等 ②放线菌：链霉菌属、小单胞菌属 ③酵母菌：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母等 ④霉菌：根霉、毛霉、犁头霉、红曲霉、曲霉及青霉等 ⑤未培养微生物： 2. 发酵工业对菌种的要求。 ①能在廉价原料制成的培养基上生长，且生成的目的产物产量高、易于回收。 ②生长较快，发酵周期短。 ③培养条件易于控制。 ④抗噬菌体及杂菌污染的能力强。 ⑤菌种不易变异退化，以保证发酵生产和产品质量的稳定。 ⑥对放大设备的适应性强。 ⑦菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素。
3.从自然界分离筛选菌种常用步骤。 ①采样：有针对性地采集样品。 ②样品预处理：可提高菌种分离效率。 ③增殖：人为地通过控制养分或培条件，使所需菌种增殖培养后，在数量上占优势，使 筛选变得可能。【目的菌富集培养】 富集培养方式：1?分批培养2?连续培养3?半连续培养 ④纯种分离：利用分离技术得到纯种。 常用的分离方法：1?平板划线分离2?稀释分离3?涂布分离4?毛细管分离5?小滴分离 ⑤初筛：从分离得到的大量微生物中将具有目的产物合成能力的菌株筛选出来的过程。 【（1）平板筛选（各种变化圈），（2）摇瓶发酵筛选】 ⑥菌种复筛。 ⑦菌种发酵性能鉴定。【鉴定技术四个水平：细胞的形态和习性水平 细胞组分水平蛋白质水平基因或核酸水平】 ⑧菌种保藏。 4?代谢调控机制一阻遏 阻遏的类型主要有：末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏。末端产物阻遏：| 是指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。 分解代谢物阻遏：是指有两种碳源（或氮源）分解底物同时存在时，细胞利用快的那种 分解底物会阻遏利用慢的底物的有关分解酶的合成和积累。 5.发酵工业菌种改良的目的 防止菌种退化 改良菌种性状，改善发酵过程 提高生产能力 提高产品质量 开发新产品 6.诱变育种的基本步骤。 ①菌出发菌株的选择：选择好的出发菌株对诱变效果有着极其重要的作用。 【选择标准：产量高、对诱变剂的敏感性大、变异幅度广】 ②悬液的制备：这一步骤的关键是制备单细胞和单孢子状态的、活力类似的菌悬液，为 此要进行合适培养基的培养，并要离心，洗涤，过滤。 ③诱变处理：将制备好的菌悬液与诱变剂接触，进行诱变。 ④中间培养：由于在发生了突变尚未表现出来之前，有一个表现延迟的过程，即细胞内原有酶量的稀释过程（生理延迟），需3代以上的繁殖才能将突变性状表现出来。此过程称为中间培养