发酵工程设计概论课件 第五讲

又知12°麦汁在20℃时的比重为1.047kg/L，而100℃热麦汁 比20℃时的麦汁体积增加1.04倍，故热麦汁（100℃）体积 为： 615.54÷1.047×1.04＝611.43 L
2、 冷麦汁量为：
611.43×（1－0.05）＝580.86 L
3、 发酵液量为： 580.86×（1－0.015）＝572.15 L
二、100千克原料生产12°淡色啤酒的物料衡算
•热麦汁量 •冷麦汁量
•湿麦糟量 •干酵母产量
•发酵液量
•滤过酒量 •成品酒量
•CO2量
•空瓶需用量 •瓶盖需用量 •商标用量
1、 热麦汁量 麦芽收率： 0.75×（1－0.05）×（1－0.0035）＝71.0％ 大米收率：
0.95×（1－0.13）×（1－0.0030）=82.4% 混和原料收率： (0.65×71.0％＋0.35×82.4％)×98.5％＝73.86％ 由上述可知100kg混合原料可制得的12 °热麦汁为： 100×73.86%÷12%＝615.54kg
设CO2在啤酒（发酵液）中溶解度为0.4％，则啤酒中含量为： 572.1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ×0.4％＝2.289 kg 游离的CO2量为： 21.91－2.29＝19.62 kg 20℃时，CO2的密度为1.834 kg/m3,则体积为： 19.62 /1.834＝10.69 m3
10、空瓶需用量：
设损失率为0.5％，选用640 ml的空瓶 552.30 /0.640 ×（1＋0.5％）＝867.3 个 11、瓶盖需用量：
基准。 （2）以加入设备的一批物料重为计算基准。
例：啤酒物料衡算
每批次投料量（年产啤酒20万吨） 设该工厂全年工作日为360天，淡季180天，每天糖化4次； 旺季180天，每天糖化6次，全年总糖化1800次。 每次投料量： 200000×178.91/1800＝19878.89 kg＝19900 kg

一、发酵的定义
1、传统发酵 2、生化和生理学意义的发酵 3、工业上的发酵
1、传统发酵
• 最初发酵是用来描画酵母菌作用于果汁 或麦芽汁产生气泡的景象，或者是指酒 的消费过程。
2、生化和生理学意义的发酵
• 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，或者更严厉地说，发酵是 以有机物作为电子受体的氧化复原产能反响。
History of applied microbiology
• 1973 rec DNA technology (Boyer & Cohen) • 1982 rec human insulin〔胰岛素〕 • post recombinant DNA area • since 1982 rec therapeutic agents〔治疗剂〕 • 1990 rec bakers yeast • 1992 rec chymosine 〔凝乳酶〕(from yeast)
定义：是指利用生物的生命活动产生的酶，无机 或有机原料进展酶加工，获得产品的工业。
2.获得发酵产品的条件
• 适宜的微生物 • 保证或控制微生物进展代谢的各种条件 • 进展微生物发酵的设备 • 精制成产品的方法的设备
三、发酵工业的开展历史
• 天然发酵阶段
• 纯培育技术的建立：巴斯德，科赫等。人为地 控制微生物的发酵进程。
(8) 除利用微生物外，还可以用动植物细胞 和酶，也可以用人工构建的遗传工程菌进 展反响。
六、发酵方法的类别与流程
• 1、类别： • 根据对氧的需求区分： • 厌氧和有氧发酵 • 根据培育基物理性状区分： • 液体和固体发酵 • 根据从微生物生长特性区分： • 分零售酵和延续发酵
2、发酵的流程

15、分解代谢：又称异化作用，是指由复杂的营养物质分 解成简单化合物的过程。
16、合成代谢：又称同化作用，是指由简单化合物合成复 杂的细胞物质的过程。
一 17、代谢控制发酵：是利用遗传学的方法或其他生物化学
、 方法，人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢，
概 述
使有用目的产物大量生成和积累的发酵。
容
稀释
表型 → 出现表型
2、发酵
（1）发酵生物反应器
二 、
① 类型 p203：搅拌式生物反应器、鼓泡式反应器、
发 气升式反应器
酵
工
② 优点：染菌率极低、发酵设备大型化、利用生物
程 的
技术提高了产量和降低了本、提高了产品的回收率和
内 质量
容
③ 要求：内壁与管道焊接部位都要求平整光滑、无
裂缝、无塌陷，便于测量器内的温度、pH值和氧气含量
一 、
有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化
概 的生物化学过程。
述
21、膜生物反应器：利用膜的阴留性能将生物催化剂限制
在膜组件的固定空间，供给所需的底物和营养物，即可在
固定空间内进行生物反应，而产生的产物造成真空膜，进
入膜的另一侧空间，脱离生物催化剂，达到了生物反应与
产物分离同时进行的目的。
始的。当时主要是以酒精发酵、甘油发酵和丙醇发酵等为
一 、
主。20世纪40年代，弗莱明发现了青霉素，开始采用深层
概 发酵法大量生产。此后，链霉素等几十种重要的抗菌素相
述 继问世，带动了抗菌素工业的诞生。发酵工业由无氧条件
下的发酵发展到了有氧发酵。
长期以来，几乎都是以碳水化合物作为发酵的原料，
而到60年代增加了正烷烃、醋酸、醇类和天然气等。发酵

4.1 主要发酵类型
微生物菌体发酵
以获得具有某种用途的菌体为目的。 例如：①酵母的生产。
②生物防治。 鳞翅目、双翅目害虫 苏云金杆菌、蜡样芽胞杆菌、 侧孢芽孢杆菌 松毛虫——白僵菌、绿僵菌
问题草莓
据中国之声《新闻纵横》报道，日前一则关于草莓的报道让不 少消费者感到担心 —— 报道说，记者随机在北京新发地农产品 批发市场、美廉美超市、昌平采摘园以及路边的草莓摊购买了 8 份草莓样品，送到北京农学院检测，结果都检出了乙草胺成分， 它被列为 b － 2 类致癌物。但对于这个结果，很多业内人士都觉 得不可思议，理论上，乙草胺不应该出现在草莓里。
利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来 制备微生物菌体或其代谢产物的过程。
路易斯· 巴斯德（Louis Pasteur)
近代微生物奠基人 巴氏消毒法
每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展。 每一种传染病都是一种微菌在生物体内的发展。
传染病的微菌，在特殊的培养之下可以减轻毒
力，病菌可以被改造成防病的疫苗。
连续发酵的优缺点

优点

能维持基质浓度 可以提高设备利用率和单位时间的产量 便于自动控制 菌种发生变异的可能性较大 要求严格的无菌条件

缺点


4.3.1.3 补料分批发酵

又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发 酵之间的一种发酵技术，是指在微生物分批 发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物 料的培养技术。
进作用，也有可能有抑制作用。
4.3.2.4 CO2 对发酵的影响
CO2对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度 高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。 例如，发酵液中CO2的浓度达到1.6×10-1mol，就 会严重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混 合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%。

100%
酵母菌
单细胞真菌，具有真核细胞结构 ，有产孢子繁殖和水生、好气性 生长及醇发酵和糖发酵等类型。
80%
霉菌
丝状真菌的俗称，意即多细胞的 真菌，在自然界中广泛存在。
微生物的营养需求
水
微生物细胞的主要组成部分， 是良好的溶剂，能维持酶活性 ，参与代谢反应。
无机盐
参与细胞构成和代谢反应，对 细胞的渗透压平衡和酸碱平衡 起着重要作用。
利用发酵技术生产面包、啤酒 、酸奶等食品。
医药工业
生产抗生素、疫苗、干扰素等 生物药物。
化学工业
生产燃料、化学品、塑料等物 质。
环境治理
利用微生物处理废水、废气， 实现环境保护和治理。
02
发酵工程的基本原理
微生物的种类与特性
80%
细菌
根据形态可分为球菌、杆菌、螺 旋菌等，根据对人类的关系可分 为致病菌、条件致病菌和益生菌 。
细胞分离
通过离心、过滤等技术将菌体从发酵液中分离出 来。
产物纯化
通过一系列的分离纯化技术，如蒸馏、结晶、色 谱等，将产物纯化至所需的规格和纯度。
04
发酵工程的应用实例
酒精发酵Βιβλιοθήκη 010203
酒精发酵简介
酒精发酵是一种通过酵母 菌将糖类物质转化为乙醇 的过程，广泛应用于酒精 饮料、化工等领域。
酒精发酵工艺流程
提高产物的产量与质量
代谢工程
通过代谢工程手段，对微生物的代谢途径进行优化，提高目标产 物的产量和纯度。
过程控制
采用先进的传感器和在线监测技术，实时监测发酵过程，实现精 准控制，提高产物质量。
降低生产成本与环境污染
节能减排技术
采用新型发酵设备，提高设备利用率和能源利用效率，降低能耗和碳排放。

发酵工程全套课件
1. 何谓发酵？
－－请看下面现象
微生物的
发酵现象
ferver：发泡、沸腾 fermentation
发酵工程全套课件
对发酵现象的不同理解
－－两种角度（能量、产物）
侧重能量代谢：
1、能够在氧分子参与下进行有氧呼吸产生能量的生物可以进行：
有氧呼吸、糖酵解、厌氧呼吸（兼性微生物）
生
（1）有氧呼吸（氧供应充分、有机物氧化彻底、产生大量能量）
发酵工程全套课件
代谢控制发酵技术的建立
❖ 基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控 制发酵。
发酵工程全套课件
2. 发酵工程概念？
－－微生物细胞加工技术过程优化与放大
❖ 传统发酵工程：利用微生物的生长和代谢活 动来大量生产人们所需产品的过程理论与工 程技术体系。该技术体系主要包括菌种选育 与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合 成与分离纯化制备等技术集成。
发酵工程全套课件
❖ 现代发酵工程：是将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、 过程工程优化与放大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（新一代工业生物技术）。
强调现代生物技术、控制技术和装备技术 在传统与现代发发酵酵工工程全业套课领件 域的集成应用。
传统发酵工业：酿造及食品
上中下游相互关联！
下游 技术
发酵工程全套课件
学 和 工 程 学 的 要 求
广 义 发 酵 工 程 对 生 物
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
生物技术体系
强调过程优 化与控制

菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素 分解掉
No Image
4. 扩大培养和接种
扩大培养是将培养到对数期的菌体分 开,分头进行培养,以促使菌体数量快速增 加,能在短时间里得到大量的菌体。
No Image
扩大培养与发酵生产过程中的培养有 何不同呢？ 扩大培养是为了让菌体在短时期内快 速增殖，而发酵过程中的培养是为了获 得代谢产物，目的不同采用的培养条件 就有可能不同。 有了用于生产的充足的菌体，在接种 时要注意什么事项呢？ 接种过程中要注意防止杂菌污染。
接种要应选择处于对数期的谷氨酸棒 状杆菌，在灭菌的培养基冷却后进行
No Image
加料口 放料口 无菌空气入口 排气口 冷却水进口 冷却水出口
PH检测及控 制装置 搅拌器
No Image
5. 培养
发酵过程中应该注意控制好哪些条件？ 温度 30-37谷氨酸棒状杆菌是 ℃ PH 7-8 好氧菌 氧气
分离提纯经过2832h培养液中就会产生大量的谷氨酸50100gl提取出谷氨酸用适量的na2co3溶液中和过滤浓缩离心味精noimage在发酵罐中是怎样进行谷氨酸发酵生产的温度3037ph78无菌空气天然液体培养基产产品品蒸气灭菌谷氨酸棒状杆菌发发酵酵罐罐控制条件产产生生氨氨基基酸酸加工提取发酵工程产品代谢产物菌体初级代谢产物次级代谢产物单细胞蛋白发酵工程发酵工程生物工程的一种
1. 菌种的选育
要想通过发酵工程获得在种类、产量
和质量等方面符合人们要求的产品，最重
要的是要有优良的菌种。
怎样才能得到优 良的菌种呢？
No Image
如果生产的是微生物直接合成的产物 可以从自然界中先分离出相应的菌种， 再用人工诱变方法使菌种产生突变，从 突变个体中筛选出符合生产要求的优良 菌种。

04
发酵工程应用实例
酒精发酵
酒精发酵简介
酒精发酵原理
酒精发酵是一种通过酵母菌将糖类物质转 化为乙醇和二氧化碳的过程，广泛应用于 酒精饮料、生物能源等领域。
酒精发酵主要基于酵母菌的厌氧代谢，通 过糖酵解途径将葡萄糖转化为乙醇和二氧 化碳。
酒精发酵工艺
酒精发酵的应用
酒精发酵工艺包括原料选择、糖化、发酵 、蒸馏和精馏等步骤，每个步骤都有严格 的操作要求。
生物农药的应用
生物农药广泛应用于农业、林 业等领域，可有效防治病虫害 ，提高农产品质量和产量。
05
发酵工程的前景与挑战
新型生物反应器的研发与应用
总结词
新型生物反应器是发酵工程的重要发 展方向，能够提高发酵效率和产物质 量。
详细描述
新型生物反应器采用先进的材料和设 计，优化了发酵过程中的氧气和营养 物质传递，减少了染菌风险，提高了 产物浓度和收率。
发酵工程通过控制微生物的生长和代谢过程，生产出包括食品、饮料、饲料、医 药品、化学品和农业用化学品等在内的各种有用物质。它具有高度洁净的生产环 境，能够实现高效转化和大规模生产，是现代生物技术的重要组成部分。
发酵工程的发展历程
总结词
发酵工程经历了自然发酵、纯培养技术、通气发酵、 酶工程和基因工程等阶段，发展至今已成为一门高度 综合性的生物工程技术。
02
微生物发酵过程
微生物发酵的类型
厌氧发酵
在无氧条件下，利用厌氧菌进行发酵，产生 乙醇、乳酸等。
兼性厌氧发酵
在有氧和无氧条件下都能进行发酵，产生酒 精、酵母等。
好氧发酵
在有氧条件下，利用好氧菌进行发酵，产生 丙酮、丁醇等。
混合发酵
同时利用多种微生物进行发酵，产生多种代 谢产物。

《发酵工程绪论》ppt课件
目录
• 发酵工程简介 • 发酵工程的基本原理 • 发酵工程的主要技术 • 发酵工程的应用实例 • 发酵工程的未来发展
01
发酵工程简介
发酵工程定义
01
02
03
发酵工程
利用微生物的代谢过程， 通过现代工程技术手段， 生产有用物质或直接应用 于工业生产的一种技术。
发酵工程的核心
氨基酸的生产
氨基酸简介
氨基酸是构成蛋白质的基本单位，具有氨基和羧基的有机化合物。
氨基酸的生产
通过发酵工程，可以将糖类物质转化为氨基酸。不同的微生物具有不同的氨基酸合成能 力，通过选择适当的菌种和发酵条件，可以生产出各种氨基酸，如谷氨酸、赖氨酸等。
有机酸的生产
有机酸简介
有机酸是指含有羧基的化合物，具有酸味。
THANKS
感谢观看
合成生物学
结合合成生物学技术，设计和构建新型微生物， 实现特定代谢产物的优化生产。
人工智能与大数据
利用人工智能和大数据技术，对发酵过程进行实 时监控、优化和控制，提高发酵效率。
生物资源的利用与保护
要点一
微生物资源的挖掘与利用
深入挖掘各种微生物资源，利用其代谢产物，实现生物资 源的最大化利用。
要点二
乳酸发酵可以用于生产酸奶、乳酪等乳制 品，以及泡菜、酸豆角等蔬菜制品。乳酸 发酵可以提高食品的口感和品质，延长保 质期，同时还有助于维持肠道菌群平衡。
酶制剂的生产
酶制剂简介
酶是一种具有生物催化功能的蛋白质，酶制 剂则是经过加工制成的酶制品。
酶制剂的应用
酶制剂可以用于食品、饲料、纺织、造纸、 制药等领域。例如，淀粉酶可以用于淀粉加 工，提高淀粉的利用率；蛋白酶可以用于蛋 白质水解，生产氨基酸和肽类物质。

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36
❖ 快速利用的氮源物质： 如氨水、铵盐促进菌体生长。
缓慢利用的氮源物质： ❖ 有利于延长产物的合成期。
❖ 如果氮源物质投料多，会造成菌体生长快， 但菌体衰老也快。
❖ 解决方法：“中间补料”。
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37
五、温度对发酵的影响及控制
温度是影响有机体生长繁殖最重要的 因素之一，因为任何生物化学的酶促反应 都是直接与温度变化有关的，最终影响微 生物的生长和产物形成。
发
酵 工
种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成。
酵程
工
程
现 代 发
是将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、过程工程优化与放大技术等新技术与传统发酵工程融合，
酵 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
工 程
的一种现代工业生物技术体系（新一代工业生物技术）。 强调现代生物技术、控制技术和装备技术在传统与现代发酵工业
不同。 3）最适发酵温度，与培养基成分和浓度等相关。 ❖ 温度的控制
依靠夹层或蛇管控制。 目前许多发酵罐都采用自动化控制，但要常巡查， 确保其正常运行。
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39
六、溶解氧对发酵的影响及控制 在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵 能否成功的重要限制因素之一。
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13
二、发酵生产类型
1、以微生物细胞为产物的发酵 2、以微生物代谢产物为产品的发酵 3、以微生物酶为产品的发酵 4、生物转化或修饰化合物的发酵 5、微生物废水处理和其他
精选课件ppt
14
1、生产微生物细胞物质
❖ 定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞

一 、
有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化
概 的生物化学过程。
述
21、膜生物反应器：利用膜的阴留性能将生物催化剂限制
在膜组件的固定空间，供给所需的底物和营养物，即可在
固定空间内进行生物反应，而产生的产物造成真空膜，进
入膜的另一侧空间，脱离生物催化剂，达到了生物反应与
产物分离同时进行的目的。
15、分解代谢：又称异化作用，是指由复杂的营养物质分 解成简单化合物的过程。
16、合成代谢：又称同化作用，是指由简单化合物合成复 杂的细胞物质的过程。
一 17、代谢控制发酵：是利用遗传学的方法或其他生物化学
、 方法，人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢，
概 述
使有用目的产物大量生成和积累的发酵。
的
特别是丝状菌生长的情况 p198式（5－8）
内 容
C 、细胞死亡动力学
p198式（5－9）
② 产物形成动力学
a、 L-P模型：
二
、
p198式（5－10）
发 酵
b、菌龄模型
工 程
p199式（5－11、12）
的
c、 生化模型
内
容
1）基质抑制模型： p199式（5－13）
2）氧限制模型： p199式（5－14）
、 发
（恒定的必需营养）
酵
工
优点：稳定、自动化、利用率高、持续性好、体积
程
的
小、探头长寿、发酵产率高
内
容
缺点：成本高、杂菌污染、微生物易变异、粘性丝
状菌易结团、保持无菌难
（3）发酵动力学
研究方法 p195：宏观处理法、质量平衡法
二
宏观处理法：结构模型与非结构模型 p212