发酵工程 第九章 发酵过程控制

发酵工程发酵过程控制1. 引言发酵工程是利用微生物的生理代谢过程来生产有机化合物的一种工程技术。

而发酵过程控制则是在发酵工程中对发酵过程进行调控和监控，以确保发酵过程能够稳定进行，并获得高产率和良好的产品质量。

发酵过程控制通过对微生物与培养基、发酵设备和操作条件等方面进行控制，研究微生物的生长规律和代谢产物的生成规律，实现对发酵过程的调控，以实现最佳的发酵效果。

本文将介绍发酵工程发酵过程控制的主要内容和方法。

2. 发酵过程控制的目标发酵过程控制的主要目标是实现以下几个方面的调控：1.生物量的控制：调控微生物的生长速率和生物量，使其在适宜的培养基和环境条件下获得最佳生长，提高产酶或产物的产量；2.代谢产物的控制：调控微生物代谢过程中的关键反应步骤，实现选择性产物的生成，并提高产量；3.溶氧的控制：调控发酵过程中的溶氧浓度，提高氧传递效率，防止氧的限制性产物的堆积；4.pH的控制：调控发酵过程中的pH值，维持合适的酸碱环境，促进微生物的生长和代谢；5.温度的控制：调控发酵过程中的温度，提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢。

3. 发酵过程控制的方法发酵过程控制主要采用以下几种方法：3.1 反馈控制反馈控制是一种基于对发酵过程变量的测量和反馈，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。

常见的反馈控制方法包括：•温度控制：通过测量发酵容器内的温度，控制加热或降温设备的输出，以维持适宜的温度；•pH控制：通过测量发酵液的pH值，控制酸碱调节器的输出，以维持适宜的酸碱环境；•溶氧控制：通过测量发酵液中的溶氧浓度，控制气体供应设备的输出，以维持适宜的溶氧浓度。

3.2 前馈控制前馈控制是一种基于对发酵过程中外部输入变量的预测，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。

常见的前馈控制方法包括：•溶氧前馈控制：根据发酵微生物对溶氧需求的特性，通过对气体供应设备输出的调节，提前调整溶氧浓度，以满足微生物的需求；•pH前馈控制：根据发酵产物对酸碱环境的敏感性，通过对酸碱调节器输出的调节，提前调整pH值，以维持合适的酸碱环境。

发酵工程教案(打印)第一章：发酵工程的概述1.1 发酵工程的定义发酵工程的概念发酵工程的组成1.2 发酵工程的应用领域食品工业制药工业生物化工1.3 发酵工程的发展历程传统发酵技术现代发酵工程技术第二章：发酵过程的微生物学基础2.1 发酵微生物的分类与特性细菌真菌放线菌2.2 发酵微生物的培养与筛选培养基的选择与制备微生物的分离与纯化2.3 发酵微生物的代谢调控微生物的生长曲线微生物的代谢途径第三章：发酵设备的类型与选择3.1 发酵设备的类型大型发酵罐生物反应器膜分离设备3.2 发酵设备的选择原则生产规模产品特性经济效益3.3 发酵设备的运行与维护设备的启动与停止设备的清洗与消毒设备的故障处理第四章：发酵过程的控制与管理4.1 发酵过程的控制参数温度pH值溶氧量营养物质4.2 发酵过程的控制技术自动控制系统反馈控制系统计算机控制系统4.3 发酵过程的管理与优化生产计划的制定发酵条件的优化生产过程的质量控制第五章：发酵工程的案例分析5.1 乳酸菌发酵工程案例酸奶的生产泡菜的制作5.2 酵母菌发酵工程案例啤酒的生产葡萄酒的制作5.3 放线菌发酵工程案例抗生素的生产维生素的生产第六章：发酵工程的安全与环保6.1 发酵工程的安全问题微生物的危害生物安全措施发酵罐的安全操作6.2 发酵过程中的污染控制污染的来源污染的检测与控制清洁生产技术6.3 发酵工程的环保问题废水处理废气处理固体废弃物处理第七章：发酵工程的产业化应用7.1 发酵工程在食品工业的应用面包酵母的生产乳酸菌的产业化7.2 发酵工程在制药工业的应用抗生素的产业化维生素的产业化7.3 发酵工程在其他领域的应用生物燃料的生产生物材料的产业化第八章：发酵工程的研发与创新8.1 发酵工程的新技术发展重组DNA技术基因工程技术合成生物学技术8.2 发酵工程的新设备开发高通量筛选设备生物反应器的设计自动化控制系统8.3 发酵工程的产业化挑战与机遇产业化过程中的问题产业化发展的趋势产业化政策的分析第九章：发酵工程的实例分析与评价9.1 发酵工程案例分析某乳酸菌产品的生产某抗生素的生产9.2 发酵工程项目的评价技术与经济评价环境与社会影响评价风险评价9.3 发酵工程的发展前景与建议行业发展趋势技术创新方向政策与支持措施第十章：发酵工程的实验操作10.1 发酵实验的基本操作菌种的制备与保藏发酵液的制备发酵过程的监控10.2 发酵实验的设计与优化实验设计方法发酵条件的优化实验结果的分析10.3 发酵实验的操作技能培养实验操作的安全规范实验设备的操作与维护实验数据的准确记录与处理重点和难点解析重点环节一：发酵微生物的分类与特性重点掌握不同类型发酵微生物的分类、特点及应用领域。

发酵工程细节控制方案一、微生物菌种的选取和培养条件控制1.1 菌种的选取在发酵工程中，菌种的选取是非常重要的一环。

不同的微生物对于不同的环境条件有着不同的适应性，因此在选取菌种时需要考虑到实际需要产物的特性和生产过程中的操作条件。

一般来说，菌种应具有较高的生长速度和产物生成能力，能够适应生产过程中的温度、pH 值和氧气条件等。

1.2 培养条件控制在菌种的培养过程中，需控制以下方面的条件：温度、pH值、氧气供应和营养成分。

温度和pH值是影响微生物生长和产物生成的重要因素，通常情况下应在微生物的最适生长温度和pH值下进行培养。

同时，氧气供应和营养成分的添加也是培养过程中需要细节控制的地方，这直接影响了微生物的生长速度和产物的产量。

二、发酵过程的环境条件控制2.1 温度控制发酵过程中的温度控制是非常重要的，不同的微生物对于温度的适应性不同，同时温度也直接影响着微生物的生长速度和产物生成速率。

在发酵过程中，通常需要根据微生物的生长特性和产物的需求来控制温度。

一般来说，应在微生物的最适生长温度范围内进行发酵。

2.2 pH值控制pH值是影响微生物生长和产物生成的另一个重要因素，不同的微生物对于pH值的适应性有所不同。

在发酵过程中，需要根据微生物的需要和产物的特性来控制pH值。

通常情况下，应在微生物最适的pH值范围内进行发酵。

2.3 氧气供应控制在发酵过程中，氧气是微生物能够进行呼吸和产生目标产物所必需的。

因此，需要根据微生物菌种的需氧性来控制氧气的供应。

一般来说，在发酵过程中，需要通过改变通气速率来控制氧气的供应量，以满足微生物的需氧需求。

2.4 营养成分的添加控制营养成分的添加是发酵工程中的另一个重要环节，微生物需要通过吸收外源的营养成分来满足其生长和产物生成的需求。

在发酵过程中，通常需要根据微生物的需要和酶产物的特性来控制营养成分的添加量和添加时间，以保证微生物的正常生长和产物的高产量。

三、发酵过程的微生物状态和发酵产物监控3.1 微生物状态监控在发酵过程中，需要通过监控微生物的生长状态来及时发现微生物的异常情况或者满足微生物的需求。

发酵工程教案（打印）第一章：发酵工程的概述1.1 发酵的定义和意义1.2 发酵工程的起源和发展1.3 发酵工程的研究内容和应用领域第二章：发酵过程的基本原理2.1 微生物的生长与代谢2.2 发酵条件的控制2.3 发酵过程中的物质变化第三章：发酵设备及其设计3.1 发酵罐的设计与选择3.2 发酵过程的自动化控制3.3 发酵设备的清洗与消毒第四章：发酵条件的优化与控制4.1 发酵条件的优化方法4.2 发酵过程的监控与控制4.3 发酵过程中的问题与解决方法第五章：发酵工程的应用实例5.1 微生物肥料的生产与应用5.2 生物农药的发酵生产5.3 食品工业中的发酵应用第六章：发酵工程在药品生产中的应用6.1 抗生素的发酵生产6.2 维生素的发酵生产6.3 重组蛋白的发酵生产第七章：生物化工领域的发酵工程7.1 氨基酸的发酵生产7.2 有机酸的发酵生产7.3 生物酶的发酵生产第八章：发酵工程在环保领域的应用8.1 生物滤池技术8.2 生物脱硫技术8.3 生物降解技术第九章：发酵工程的产业化与发展9.1 发酵工程的产业化流程9.2 发酵工程的技术创新与挑战9.3 我国发酵工程产业的发展现状与趋势第十章：发酵工程的可持续发展10.1 发酵工程与资源利用10.2 发酵工程与环境保护10.3 发酵工程的循环经济模式第十一章：发酵工程在生物制药中的应用11.1 重组蛋白药物的发酵生产11.2 疫苗的发酵生产11.3 基因治疗的发酵工程应用第十二章：发酵工程技术在农业中的应用12.1 微生物肥料的发酵生产12.2 生物农药的发酵生产12.3 动物疫苗和生物兽药的发酵生产第十三章：发酵工程在生物能源中的应用13.1 燃料酒精的发酵生产13.2 生物柴油的发酵生产13.3 生物气体的发酵生产第十四章：发酵工程在生物材料中的应用14.1 发酵生产生物塑料14.2 发酵生产生物纤维14.3 发酵生产生物复合材料第十五章：发酵工程的案例分析与实践操作15.1 发酵工程案例分析15.2 发酵工程的实践操作技巧15.3 发酵工程的实验设计与数据分析重点和难点解析本文教案涵盖了发酵工程的概述、基本原理、设备设计、条件优化与控制、应用实例、药品生产、生物化工、环保领域应用、产业化发展、技术创新、可持续发展以及案例分析和实践操作等多个方面。

第九章 发酵工程应用实例发酵过程：菌种→孢子制备→种子制备→发酵液处理（1）了解青霉素的发酵工艺、青霉菌：为β—内酰胺类抗生素，为抗革兰氏阳性的抗生素，由真菌生产的次级代谢产物，生长无关型1929年，英国弗莱明（fuleming ）发现青霉素 抗生素分类 1、根据抗生素的生物来源分 ● 放线菌：链霉菌、诺卡氏菌属、小单孢菌属； ● 真菌：青霉菌属、头孢菌属、担子菌； ● 细菌：多粘杆菌、枯草杆菌、芽孢杆菌；● 植物或动物：蒜→蒜素；动物脏器→鱼素。

2、按抗生素化学结构的分类● β-内酰胺类：青霉素类、头孢菌素类，包含一个四元内酰胺环● 氨基糖苷类：链霉素、庆大霉素，既含有氨基糖苷，也含有氨基环醇● 大环内酯类：红霉素、麦迪加霉素，含有一个大环内酯作配糖体，以苷键和1-3个分子的糖相连● 四环类：四环素、土霉素，以四并苯为母核，大都为放线菌生产。

● 多肽类：多粘菌素、杆菌肽，含有多种氨基酸，经肽键缩合成线状、环状或带侧链的环状多肽作用：抑制细胞壁合成。

合成路径为氨基酸、肽类衍生物生产工艺1、菌种：产黄青霉生长发育分六个阶段：Ⅰ—Ⅳ期：菌丝生长期，适宜做种子；Ⅳ—Ⅴ期：青霉素分泌期，菌丝生长趋势减弱，大量产生青霉素；Ⅵ期：菌丝体自溶期。

● I 期 分生孢子发芽；● II 期 菌丝繁殖；● III 期 形成脂肪粒，积累贮藏物，适于作种子；● IV 期 脂肪粒减少，形成中、小空泡；● V 期 形成大空泡，脂肪粒消失；● VI 期 细胞内看不到颗粒，个别细胞出现自溶。

2、培养基：碳源：乳糖、蔗糖、葡萄糖等；氮源：玉米浆、麸皮粉、无机氮源；前体：苯乙酸或苯乙酰胺；（一次﹤0.1％）无机盐：S 、P 、Ga 、Mg 、K 等。

铁离子有害， 控制在﹤30µg/mL 。

3、发酵条件控制补糖：残糖降至0.6％（PH 上升）；补氮：氨氮0.05％，补硫铵、氨水或尿素；PH：6.4—6.6，加糖、加酸、加碱调节；温度：前期，25-26℃；后期，23℃；通气比：1：0.8；溶氧：﹥氧饱和溶解度的30％；消沫剂：玉米油、豆油或化学合成消沫剂详细如下●温度控制：前期25-26°C，后期23 °C；●pH控制：一般为6.4-6.6，加酸加碱及加葡萄糖控制；●通气：一般为1：0.8VVM；●溶氧：﹥氧饱和溶解度的30％●搅拌：要求发酵液中溶解氧量不低于30%。

简述发酵工程的基本过程
发酵工程的基本过程包括以下几个步骤：
1. 选择发酵微生物：根据工艺要求和产品特性，选择合适的发酵微生物（如细菌、酵母、真菌等）作为发酵的生物体。

2. 培养种子：用适当的培养基和条件，培养发酵微生物的种子菌株，使其达到一定的生长状态。

3. 发酵罐设计：设计合适的发酵罐，包括容量、搅拌、通气、温度和pH控制等，以提供最佳的生长环境。

4. 发酵培养基准备：根据微生物的生长需求，配制合适的发酵培养基，包括碳源、氮源、无机盐和其他必要的添加剂。

5. 接种发酵：将培养好的种子菌株接种到发酵罐中的发酵培养基中，使其开始生长和繁殖。

6. 发酵过程控制：通过监测和调控发酵罐中的温度、pH、搅
拌速度、通气速率等参数，控制发酵过程中的生物学反应，以实现最佳的生长和代谢活动。

7. 产物收集和分离：在发酵结束后，收集发酵液中的目标产品，根据需要进行进一步的分离、提纯和处理。

发酵工程第九章发酵过程控制发酵工程是一门应用生物学、微生物学、化学等知识与技术的交叉学科，通过对微生物在发酵过程中的代谢特点和运行规律的深入研究，从而探索在发酵生产过程中如何控制微生物的生长、代谢及产物的合成，以提高发酵产物的产量和质量。

发酵过程控制是发酵工程的核心内容，也是实现发酵过程优化的关键。

发酵过程控制主要包括微生物培养条件的优化、发酵参数的监控和调控等。

微生物培养条件的优化是指通过合理调控发酵基质、发酵条件和发酵设备等因素，为微生物提供适宜的生长和代谢环境，以达到提高产酶产物的目的。

其中，发酵基质的优化包括选用适宜的碳源、氮源、无机盐和微量元素等，以满足微生物的营养需求；发酵条件的优化包括控制培养温度、pH值、溶氧度、搅拌速度、通气量等，以提供适宜的生长环境；发酵设备的优化包括选择合适的发酵罐类型和规格，保证良好的混合效果和传质性能。

发酵参数的监控和调控是实现发酵过程可控性的重要手段。

其中，监控发酵参数主要通过测定和分析微生物生长曲线、代谢产物浓度、培养液的理化指标等来了解发酵过程的动态变化，并及时调整发酵条件；调控发酵参数主要通过采用在线控制与传感技术，实时监测并自动调节温度、pH 值、溶氧度、搅拌速度、通气量等关键参数，以实现发酵过程的自动化和精确控制。

发酵过程控制的目标是在保证微生物生长和代谢的基础上，提高发酵产物的产量和质量，实现发酵过程的高效、稳定和可控。

为此，需要通过对发酵过程的深入研究和优化设计，建立合理的发酵工艺和控制策略。

在发酵过程中，应用传统的经验法和现代的控制理论相结合，根据不同微生物和不同发酵产物的特点，制定相应的控制策略。

例如，对于需氧发酵的菌种，应充分考虑氧的供应情况，控制溶氧度在合适的范围内；对于需酸性环境的菌种，应合理调控pH值，维持在适宜的范围内；对于同时产生多种代谢产物的菌种，应选择合适的反馈控制方法，控制各种产物的生成量。

此外，还应考虑发酵过程的反应动力学和传输过程等因素对控制的影响。

发酵过程控制和优化技术的有关知识发酵的生产水平高低除了取决于生产菌种本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺的影响。

只有深入了解生产菌种在生长和合成产物的过程中的代谢和调控机制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求，掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，有效控制各种工艺条件和参数，使生产菌种始终处于生长和产物合成的优化环境中，从而最大限度地发挥生产菌种的生产能力，取得最大的经济效益。

一．发酵过程进行优化控制的意义随着生物和基因工程技术在各工业行业中的应用，发酵产品生产规模和品种不断增加，对发酵过程进行控制和优化也显得越来越重要。

作为发酵中游技术的发酵过程控制和优化技术，既关系到能否发挥菌种的最大生产能力，又会影响到下游处理的难易程度，在整个发酵过程中是一项承上启下的关键技术。

与物理和化学反应过程不同，生物过程的反应速率比较慢，目的产物的浓度、生产强度、反应物质（底物或基质）向目的产物的转化率也比较底。

工业微生物学从两个方面解决上述问题，一方面通过菌种选育和改良获得高产的发酵菌种；另一方面，通过控制培养条件使微生物最大限度地生产目标产物。

相对来讲，通过发酵过程控制和优化，将生物过程准确地控制在最优的环境或操作条件下，是提高整体生产水平的一个捷径或者说是一种更容易的方法，其重要性也绝不亚于利用分子生物学和基因工程进行菌种改良的方法。

二．生化过程的特征与物理和化学反应过程相比，生化反应过程有以下不同特征：①动力学模型高度非线性；②动力学模型参数的时变性；③除简单的物理和化学状态变量（温度、pH、压力、气体分压、DO 外，绝大多数生物状态变量（生物量、营养物浓度、代谢产物浓度、生物活性等）很难在线测量；④过程参数的滞后性，一个生物过程可能涉及成千上万个小的物理和化学反应，其相互间的作用和影响造成了生物过程的响应速率慢。

生物过程的控制和优化还具有以下特点：①不需要太高的控制精度；②各状态变量之间存在一定的连带关系；③由于没有合适的定量的数学模型可循，其控制与优化操作还必须完全依靠操作人员的经验和知识来进行。

专题九发酵工程(1)泡菜、果酒和果醋的制备原理、过程和条件控制。

(2)微生物培养基的配制和无菌技术。

(3)微生物的选择培养和计数。

(4)发酵工程及其基本环节。

1.判断有关发酵工程应用说法的正误(1)腐乳制作利用了毛霉等微生物产生的蛋白酶和脂肪酶。

(√)(2)在制作果醋时，如果条件适宜，醋酸菌可将葡萄汁中的糖分解成乙酸。

(√)(3)果酒发酵所需的最适温度高于果醋发酵温度。

(×)(4)制作泡菜时，盐水煮沸后可以立即使用。

(×)(5)泡菜的制作前期需要通入氧气，后期应严格保持无氧条件。

(×)(6)发酵工程的产品主要包括微生物的代谢产物、酶及菌体本身。

(√)(7)在啤酒生产中，使用基因工程改造的啤酒酵母，可以加速发酵过程，缩短生产周期。

(√)2.判断有关微生物培养与应用说法的正误(1)在琼脂固体培养基上长出的单个菌落含有多种细菌。

(×)(2)检测土壤中细菌总数实验操作中，确定对照组无菌后，选择菌落数在300以上的实验组平板进行计数。

(×)(3)虽然各种培养基的具体配方不同，但一般都含有水、碳源、氮源和无机盐。

(√)(4)对异养微生物来说，含C、H、O、N的有机化合物既是碳源又是氮源。

(√)(5)观察细菌培养的实验时，最好是在另一块平板上接种无菌水作为对照实验。

(√)(6)平板划线法要求多次划线，稀释涂布平板法中菌液要充分地稀释。

(√)(7)倒平板时，应将打开的皿盖放到一边，以免培养基溅到皿盖上。

(×)(8)对细菌进行计数能采用稀释涂布平板法，也能用平板划线法。

(×)(9)分解尿素的细菌在分解尿素时，可以将尿素转化为氨，使得培养基的酸碱度降低。

(×)(10)刚果红可以与纤维素形成透明复合物，所以可以通过是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。

(×)1.果酒发酵时，装入发酵瓶要留有大约1/3的空间，原因是。

提示为酵母菌大量繁殖提供适量的氧气，防止发酵时汁液溢出2.某同学在通过发酵制作果酒时，发现在制作原料中添加一定量的糖，可以提高酒精度，原因是。