1、l 理论授课内容理论授课内容第第1 1章章 绪论（绪论（1 1学时）学时）第第2 2章章 微生物代谢调控理论及其在微生物发酵中的应用（微生物代谢调控理论及其在微生物发酵中的应用（3 3学时）学时）第第3 3章章 发酵工艺学基础及主要设备（发酵工艺学基础及主要设备（4 4学时）学时）第第4 4章章 酒精发酵与酿酒（酒精发酵与酿酒（8 8学时）学时）第第5 5章章 氨基酸与核苷酸发酵（氨基酸与核苷酸发酵（2 2学时）学时）第第6 6章章 有机酸发酵及其发酵食品（有机酸发酵及其发酵食品（4 4学时）学时）第第7 7章章 酶制剂生产（酶制剂生产（2 2学时）学时）第第8 8章章 发酵豆制品（发酵豆制品
2、（6 6学时）学时）第第9 9章章 其它发酵食品其它发酵食品(2(2学时）学时）第第3 3章章 发酵工艺学基础及主要设备发酵工艺学基础及主要设备 本章主要内容本章主要内容:3.1 3.1 发酵的工艺过程发酵的工艺过程 3.2 3.2 微生物发酵动力学微生物发酵动力学(自学自学)3.3 3.3 发酵工艺控制发酵工艺控制 3.4 3.4 发酵的主要设备发酵的主要设备 重点：重点：菌种活化与扩大培养、培养基制备；产物分离、提菌种活化与扩大培养、培养基制备；产物分离、提取；分批发酵；工艺条件控制与发酵终点判断；固体发酵取；分批发酵；工艺条件控制与发酵终点判断；固体发酵设备与机械搅拌通风发酵罐、空气净化
3、系统与培养基灭菌设备与机械搅拌通风发酵罐、空气净化系统与培养基灭菌系统等。系统等。3.1 3.1 发酵的工艺过程发酵的工艺过程 发酵工艺发酵工艺与与发酵工程：发酵工程：工业生产上通过工业生产上通过“工业发酵工业发酵”来加工或制作产品，来加工或制作产品，其对应的加工或制作工艺被称为其对应的加工或制作工艺被称为“发酵工艺发酵工艺”。发酵工艺学强调发酵工艺学强调：应用相关的基础理论（微生物：应用相关的基础理论（微生物学、生物化学等），研究将原料变成所需产品的学、生物化学等），研究将原料变成所需产品的技术及全部措施技术及全部措施。发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产发酵工程是用来解决按发酵工艺进
4、行工业化生产的工程学问题的学科。的工程学问题的学科。发酵工程学强调：发酵工程学强调：将原料将原料转变为产品的过程所涉及的转变为产品的过程所涉及的理论理论（共同的规律）（共同的规律）和和工程技术体系工程技术体系。发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业工业过程过程分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）等等三个阶段三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，这三个阶段都有各自的工程学问题，分别称为分别称为:上游、中游和下游上游、中游和下游工程。工程。Fermentation process controlFerment
5、ation Engineering上游工程上游工程Upstream processes下游工程下游工程Downstream processes 发酵工程发酵工程组成组成（广义上讲，三部分）：广义上讲，三部分）：上游工程、发酵工程上游工程、发酵工程(中游工程中游工程)、下游工程。下游工程。#生物反应的过程：生物反应的过程：cell enzyme biocatalyst monitor sterilized air product bioreactor by product residue sterilizing mediumextract3.1.13.1.1 菌种的活化与扩大培养菌种的活化与扩大
6、培养3.1.2 3.1.2 发酵原料的预处理及培养基制备发酵原料的预处理及培养基制备3.1.3 3.1.3 发酵发酵3.1.4 3.1.4 产物的分离、提取与加工产物的分离、提取与加工本节内容本节内容:3.1.1 3.1.1 菌种的活化与扩大培养菌种的活化与扩大培养 定义定义：将保存于休眠状态的生产：将保存于休眠状态的生产菌种菌种（冻藏、沙藏等），（冻藏、沙藏等），接种接种活化活化后，再经逐级后，再经逐级扩大培养扩大培养（试管斜面活化（试管斜面活化培养瓶培培养瓶培养养种子罐扩大培养），种子罐扩大培养），最终获得一定最终获得一定数量数量和和质量质量的纯菌种的的纯菌种的过程，即为过程，即为菌种的活
7、化与扩大培养。菌种的活化与扩大培养。经活化与扩大培养所得到的纯菌种，又称经活化与扩大培养所得到的纯菌种，又称种子种子。优质种子优质种子必须满足五项条件：五项条件：？P67P67 获得优质种子的前提条件：获得优质种子的前提条件：？P67P67 种种 子子 制制 备备 过过 程程 菌种扩大培养的一般工艺流程菌种扩大培养的一般工艺流程 种子制备的工艺流程：种子制备的工艺流程：摇瓶摇瓶保藏菌种保藏菌种 试管斜面活化试管斜面活化 茄瓶斜面茄瓶斜面 种子罐种子罐 固体培养基固体培养基菌种扩大培养工艺流程图菌种扩大培养工艺流程图休眠菌种休眠菌种斜面培养斜面培养接接种种培养瓶放大培养培养瓶放大培养接接种种种子
8、罐种子罐放大培养放大培养实验室种子制备实验室种子制备 生产车间种子制备生产车间种子制备移移种种种种 子子 制制 备备 过过 程程 实验室种子制备阶段：实验室种子制备阶段：从从琼脂斜面培养琼脂斜面培养孢子孢子 到到 固体固体或或液体培养基扩大培养液体培养基扩大培养菌丝菌丝（如茄子瓶斜面培养等或（如茄子瓶斜面培养等或液体摇瓶培养液体摇瓶培养)；生产车间种子制备阶段生产车间种子制备阶段：种子罐种子罐扩大扩大培养培养 实验室种子制备 在砂土管或冷冻干燥管内保藏的菌种以无在砂土管或冷冻干燥管内保藏的菌种以无菌的方式接至适合的菌的方式接至适合的斜面培养基斜面培养基上，培养上，培养成熟后挑选正常的菌落再接一
9、次成熟后挑选正常的菌落再接一次试管斜面试管斜面、进一步进一步接入摇瓶接入摇瓶。生产车间种子制备生产车间种子制备 实验室制备的孢子斜面或摇瓶种子移接到实验室制备的孢子斜面或摇瓶种子移接到种子罐种子罐进行扩大培养；进行扩大培养；种子罐培养一方面使种子罐培养一方面使菌种菌种获得足够的获得足够的数量数量，另一，另一方面种子罐中的方面种子罐中的培养基更接近发酵罐培养培养基更接近发酵罐培养的醪液的醪液成分和培养条件，成分和培养条件，譬如通无菌空气，搅拌形式等等，以使菌譬如通无菌空气，搅拌形式等等，以使菌体适应发酵环境体适应发酵环境 。种子罐级数的确定：种子罐级数的确定：种子罐的级数种子罐的级数是指制备种子
10、需逐级扩大培养的是指制备种子需逐级扩大培养的次次数数 ；对于生长快的细胞，种子用量的比例少，即需要的接种量对于生长快的细胞，种子用量的比例少，即需要的接种量少，所以相应的种子罐也少，少，所以相应的种子罐也少，一般采用一般采用二级二级种子种子。种子罐级数愈少，工艺愈简化，并可减少污染机会。种子罐级数愈少，工艺愈简化，并可减少污染机会。一级种子培养（摇瓶）：一级种子培养（摇瓶）：培养基特点：培养基特点：使用的原料基本接近于发酵培养基。使用的原料基本接近于发酵培养基。二级种子培养（种子罐）：二级种子培养（种子罐）：培养基的特点：培养基的特点：和一级种子相似，其中葡萄糖用水解和一级种子相似，其中葡萄糖
11、用水解糖代替，更接近于发酵培养基。糖代替，更接近于发酵培养基。接种种龄和接种量：接种种龄和接种量：接种龄接种龄 种子罐中培养的菌体从开始种子罐中培养的菌体从开始移入下一级移入下一级种子罐或发酵罐时的种子罐或发酵罐时的培养时间培养时间.接种量接种量 接种量指的是移入的种子悬浮液体积和接种接种量指的是移入的种子悬浮液体积和接种后培养液体的后培养液体的体积的比例体积的比例.种子质量的控制措施：种子质量的控制措施：菌种稳定性的检查菌种稳定性的检查 ：保藏菌株保藏菌株无菌的生理盐水（无菌的生理盐水（逐级稀释逐级稀释 ）培养皿琼脂固体培养基上划线培养培养皿琼脂固体培养基上划线培养形态优良的菌落形态优良的菌
12、落三角瓶液体摇瓶培养三角瓶液体摇瓶培养检测出生产率高的菌种备用。检测出生产率高的菌种备用。杂菌检查杂菌检查 ：显微镜观察，或平板培养试验。种子液显微镜观察，或平板培养试验。种子液涂在平涂在平板培养皿上划线培养板培养皿上划线培养有无异常菌落。有无异常菌落。3.1.2 3.1.2 发酵原料的预处理及培养基制备发酵原料的预处理及培养基制备1)1)培养基的营养成分（复习）培养基的营养成分（复习）2)2)培养基的用途（复习）培养基的用途（复习）3)3)培养基的分类（复习）培养基的分类（复习）4)4)发酵培养基的选择发酵培养基的选择（重点）（重点）5)5)培养基成分的营养与作用（复习）培养基成分的营养与作
13、用（复习）6)6)培养基确定方法（了解）培养基确定方法（了解）7)7)正交试验在培养基确定中的应用（了解）正交试验在培养基确定中的应用（了解）3.1.2.1 3.1.2.1 培养基的营养成分培养基的营养成分所有所有发酵培养基发酵培养基都必须提供微生物生长繁都必须提供微生物生长繁殖和产物合成所需的殖和产物合成所需的能源，能源，包括：包括：碳源、碳源、氮源、无机元素、生长因子及水、氧气氮源、无机元素、生长因子及水、氧气等。等。原料的价格和来源原料的价格和来源：微生物的营养来源微生物的营养来源 ：（1 1）能源）能源（2 2）碳源）碳源（3 3）氮源）氮源（4 4）无机盐）无机盐（5 5）特殊生长因
14、子）特殊生长因子3.1.2.2 3.1.2.2 培养基的用途培养基的用途 筛选菌种筛选菌种 保藏菌种保藏菌种 检验杂菌检验杂菌 培养种子培养种子 发酵发酵生产生产3.1.2.3 3.1.2.3 培养基的分类培养基的分类（1）按培养基组成物质的化学成分按培养基组成物质的化学成分（纯度）（纯度）合成培养基、天然培养基。合成培养基、天然培养基。（2 2）按物理性质）按物理性质（状态）（状态）固体、液体、半固体。固体、液体、半固体。（3 3）按用途）按用途 选择性培养基、鉴别培养基、富集培养基等；选择性培养基、鉴别培养基、富集培养基等；斜面培养基、种子培养基、发酵培养基。斜面培养基、种子培养基、发酵培
15、养基。天然培养基天然培养基 是采用化学成分还不清楚或化学成分还不恒定的各是采用化学成分还不清楚或化学成分还不恒定的各种植物和动物组织或微生物的浸出物、水解液等物种植物和动物组织或微生物的浸出物、水解液等物质质(例如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨等例如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨等)制成的。）制成的。）适合于各类适合于各类异养异养微生物生长。微生物生长。合成培养基合成培养基 是用是用化学成分和数量完全了解化学成分和数量完全了解的物质配制而成的。的物质配制而成的。成分精确，重复性强，可以减少不能控制的因素。成分精确，重复性强，可以减少不能控制的因素。适用于在实验室适用于在实验室范围作有关营养、代
16、谢、分类鉴范围作有关营养、代谢、分类鉴定、生物测定及选育菌种、遗传分析等定量研究定、生物测定及选育菌种、遗传分析等定量研究工作。工作。但一般微生物在合成培养基上但一般微生物在合成培养基上生长较慢生长较慢。半合成培养基半合成培养基 多数培养基配制是采用一部分多数培养基配制是采用一部分天然有机物天然有机物作碳源、作碳源、氮源和生长因子的来源，再氮源和生长因子的来源，再适当适当加入一些化学药加入一些化学药品品以补充无机盐成分，使其更能充分满足微生物以补充无机盐成分，使其更能充分满足微生物对营养的需要。对营养的需要。大多数微生物大多数微生物都能在此培养基上生长繁殖。都能在此培养基上生长繁殖。液体培养基
17、液体培养基 常用于大规模的工业生产及生理代谢等常用于大规模的工业生产及生理代谢等基本理论基本理论研究工作。研究工作。发酵工业多用作发酵工业多用作培养种子和发酵培养种子和发酵的培养基。的培养基。根据微生物对氧的要求情况，分别作根据微生物对氧的要求情况，分别作静止或通风静止或通风搅拌培养。搅拌培养。在在菌种筛选菌种筛选工作和菌种培养工作中，也常用液体工作和菌种培养工作中，也常用液体培养基进行摇瓶培养。培养基进行摇瓶培养。微生物在液体培养基中生长的情况有时也可用作微生物在液体培养基中生长的情况有时也可用作鉴定菌种的参考。鉴定菌种的参考。几种液体培几种液体培养的用途养的用途 固体培养基固体培养基 分类
18、分类：斜面试管、平板等。：斜面试管、平板等。是在液体培养基中加入是在液体培养基中加入凝固剂凝固剂配成的，最配成的，最常用的凝固剂是常用的凝固剂是琼脂琼脂。固体培养基固体培养基的作用：的作用：固体培养基在菌种的分离、保藏、菌落特征的固体培养基在菌种的分离、保藏、菌落特征的观察、活菌计数和鉴定菌种方面是不可缺少的。观察、活菌计数和鉴定菌种方面是不可缺少的。在在制曲、酶制剂、柠檬酸等生产中，用来培养制曲、酶制剂、柠檬酸等生产中，用来培养霉菌霉菌等的固体种子和发酵培养基，是由等的固体种子和发酵培养基，是由麸皮等农作麸皮等农作物物加无机元素等制成的。加无机元素等制成的。其它培养基其它培养基 增殖培养基：
19、增殖培养基：鉴别培养基：鉴别培养基：选择培养基：选择培养基：关于关于发酵生产中的培养基类型：发酵生产中的培养基类型：工业发酵中培养基工业发酵中培养基往往是依据生产流程和作用分为：往往是依据生产流程和作用分为：斜面培养基斜面培养基 种子培养基种子培养基 摇瓶培养基摇瓶培养基 发酵培养基发酵培养基l其中，其中，发酵培养基：发酵培养基：发酵培养基是发酵生产中最主要的培养基，它发酵培养基是发酵生产中最主要的培养基，它不仅耗用不仅耗用大量的原材料大量的原材料，而且也是决定发酵生产成，而且也是决定发酵生产成功与否的重要因素。功与否的重要因素。据产物据产物合成的特点来合成的特点来设计培养基设计培养基：对菌体
20、生长与产物对菌体生长与产物相偶联相偶联的发酵类型，充分满足细胞的发酵类型，充分满足细胞生长繁殖的培养基就能获得最大的产物。生长繁殖的培养基就能获得最大的产物。对于对于生产氨基酸生产氨基酸等含氮的化合物时，它的发酵培养基等含氮的化合物时，它的发酵培养基除供给除供给充足的碳源充足的碳源物质外，还应该添加足够的物质外，还应该添加足够的铵盐或尿素铵盐或尿素等氮素化合物。等氮素化合物。发酵培养基的各种营养物质的发酵培养基的各种营养物质的浓度应尽可能高些浓度应尽可能高些。发酵培养基需耗用大量原料。发酵培养基需耗用大量原料。3.1.2.4 3.1.2.4 发酵培养基的选择发酵培养基的选择（重点）（重点）(1
21、)(1)必须提供合成微生物细胞和发酵产物的必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基基本成分本成分。(2)(2)有利于减少培养基原料的单耗，即提高单有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质所合成位营养物质所合成产物数量产物数量或或最大产率最大产率。(3)3)有利于提高培养基和产物的浓度，以提高有利于提高培养基和产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力单位容积发酵罐的生产能力。(4)(4)有利于提高产物的合成速度，缩短有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周发酵周期。期。(5)(5)尽量尽量减少副产物减少副产物的形成，便于产物的分离的形成，便于产物的分离纯化。纯化。(6)(6)原料价格原料价格低廉
22、，质量稳定，低廉，质量稳定，取材取材容易。容易。(7)(7)所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提拌的影响，利于提高氧的利用率高氧的利用率，降低能，降低能耗。耗。(8)(8)有利于有利于产品的分离产品的分离纯化，并尽可能减少产纯化，并尽可能减少产生生“三废三废”的物质。的物质。发酵培养基的设计和注意事项发酵培养基的设计和注意事项：提供必要的营养成分：提供必要的营养成分：培养基成分必须满足培养基成分必须满足细胞生长，代谢活动和合成产物所需的基本细胞生长，代谢活动和合成产物所需的基本要求。要求。配制合适的浓度：配制合适的浓度：可以从发酵动力学有关生
23、可以从发酵动力学有关生长、产物合成和基质利用长、产物合成和基质利用物料平衡的关系物料平衡的关系中中大致推算所需原料或大致计算出所需大致推算所需原料或大致计算出所需主要原主要原料的需要量料的需要量。主成分与其他成分的配比主成分与其他成分的配比。控制合适的控制合适的pHpH：避免产生微生物不能利用的物质避免产生微生物不能利用的物质或或形成形成沉淀沉淀葡萄糖与铵盐或氨基酸的氨基在灭菌高温下葡萄糖与铵盐或氨基酸的氨基在灭菌高温下作用形成作用形成深褐色深褐色物质。这种物质不被微生物物质。这种物质不被微生物利用。利用。硫酸铵中的硫酸铵中的SOSO4 42-2-与钙盐与钙盐易形成难溶的硫酸钙，易形成难溶的硫
24、酸钙，因此二者也不宜直接配成培养基。因此二者也不宜直接配成培养基。注意注意代谢调节物代谢调节物的影响：的影响：有些物质存在于培养基中往往能明显地促有些物质存在于培养基中往往能明显地促进或抑制发酵产物的形成。进或抑制发酵产物的形成。前体物质前体物质诱导剂诱导剂阻遏物阻遏物抑制剂抑制剂金属离子金属离子 添加有关前体物质前体物质：前体物质：前体物质：在发酵中添加前体物质：将有利于产物的合成和显著在发酵中添加前体物质：将有利于产物的合成和显著提高产量，如提高产量，如苯乙酸及其衍生物苯乙酸及其衍生物被认为是被认为是青霉素青霉素的前的前体物质。体物质。添加添加诱导物诱导物：目前工业用微生物酶多数为目前工业
25、用微生物酶多数为诱导酶诱导酶，如蛋白酶、淀粉酶、，如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等。纤维素酶等。诱导物的存在能大大强化诱导酶的生物合成。诱导物的存在能大大强化诱导酶的生物合成。酶的正常酶的正常底物或底物的类似物底物或底物的类似物都可作为诱导物。都可作为诱导物。在各种微生物在各种微生物酶的发酵培养基酶的发酵培养基中必须加入诱导物，中必须加入诱导物，例如例如，淀粉、糊精或麦芽糖是淀粉酶或糖化酶的诱导物。，淀粉、糊精或麦芽糖是淀粉酶或糖化酶的诱导物。注意注意阻遏物阻遏物或或抑制剂抑制剂的影响的影响 培养基中存在培养基中存在反馈阻遏物或分解阻遏物反馈阻遏物或分解阻遏物均能影响酶的均能影响酶的合成，降低发酵
26、产量。合成，降低发酵产量。有些有些酶的抑制剂酶的抑制剂却能提高某些代谢产物的产量，最早却能提高某些代谢产物的产量，最早利用抑制剂利用抑制剂提高中间代谢物产量提高中间代谢物产量的例子是的例子是甘油发酵中加甘油发酵中加入亚硫酸钠。入亚硫酸钠。在培养基配制时必须注意加入在培养基配制时必须注意加入有益的抑制剂有益的抑制剂，而避免，而避免混入有害的抑制物。混入有害的抑制物。金属离子的影响：金属离子的影响：有些种类的发酵生产对金属离子相当敏感，有些种类的发酵生产对金属离子相当敏感，因为有些金属离子是中间代谢酶的因为有些金属离子是中间代谢酶的抑制剂或抑制剂或激活剂。激活剂。对于有重大影响的金属离子必须严格控
27、制。对于有重大影响的金属离子必须严格控制。如：如：柠檬酸发酵中柠檬酸发酵中铁、锰和锌离子铁、锰和锌离子都能明显影响产量；都能明显影响产量；钙钙离子对细菌淀粉酶的生产有促进作用；离子对细菌淀粉酶的生产有促进作用；而而钴钴离子对葡萄糖异构酶的发酵是必需的。离子对葡萄糖异构酶的发酵是必需的。3.1.2.5 3.1.2.5 培养基组成物质的营养与作用培养基组成物质的营养与作用 （自学）（自学）碳素化合物碳素化合物 氮素化合物氮素化合物 水水 微量元素微量元素(无机盐类无机盐类)生长因子生长因子 3.1.2.6 3.1.2.6 培养基确定方法培养基确定方法（1 1）首先）首先必须做好调查研究工作，了解菌
28、必须做好调查研究工作，了解菌种的来源、生活习惯、生理生化特性和一种的来源、生活习惯、生理生化特性和一般的营养要求。般的营养要求。工业生产主要应用工业生产主要应用:细菌、放线菌、细菌、放线菌、酵母菌和霉菌酵母菌和霉菌四大类微生物四大类微生物。（2 2）其次）其次，对生产，对生产菌种的培养条件菌种的培养条件，生物合成的代，生物合成的代谢途径，代谢产物的化学性质、分子结构、一般谢途径，代谢产物的化学性质、分子结构、一般提炼方法和产品质量要求等也需要有所了解，以提炼方法和产品质量要求等也需要有所了解，以便在选择培养基时做到心中有数。便在选择培养基时做到心中有数。（3 3）最好先选择一种较好的化学合成培
29、养基做最好先选择一种较好的化学合成培养基做基础，基础，开始时先开始时先做一些摇瓶试验做一些摇瓶试验;然后然后进一步做小型发酵罐培养，摸索菌种对进一步做小型发酵罐培养，摸索菌种对各种主要有机碳源和氮源的利用情况和产生代各种主要有机碳源和氮源的利用情况和产生代谢产物的能力。谢产物的能力。注意注意培养过程中的培养过程中的pHpH变化变化，观察适合于菌，观察适合于菌种生长繁殖和适合于代谢产物形成的两种不同种生长繁殖和适合于代谢产物形成的两种不同pHpH，不断调整配比来适应上述各种情况。，不断调整配比来适应上述各种情况。（4 4）注意每次只限一个变动条件。有了初步结果以后，注意每次只限一个变动条件。有了
30、初步结果以后，先确定先确定一个培养基配比。一个培养基配比。其次再其次再确定各种重要的金属和非金属离子对发酵的确定各种重要的金属和非金属离子对发酵的影响，即对各种无机元素的营养要求，试验其最高、影响，即对各种无机元素的营养要求，试验其最高、最低和最适用量。最低和最适用量。在合成培养基上得出一定结果后，在合成培养基上得出一定结果后，再做复合再做复合培养基培养基试验。试验。最后最后试验各种发酵条件和培养基的关系。试验各种发酵条件和培养基的关系。培养基内培养基内pHpH可可由添加由添加碳酸钙碳酸钙来调节，其他如硝酸钠、硫酸铵也可用来调节。来调节，其他如硝酸钠、硫酸铵也可用来调节。（5 5）有些发酵产物
31、，如抗生素等，除了配制培养有些发酵产物，如抗生素等，除了配制培养基以外，还要通过基以外，还要通过中间补料中间补料法，一面对碳及氮的法，一面对碳及氮的代谢予以适当的控制，一面间歇添加各种养料和代谢予以适当的控制，一面间歇添加各种养料和前体类物质，引导发酵走向合成产物的途径。前体类物质，引导发酵走向合成产物的途径。（6 6）根据生产和科学研究的需要选择培根据生产和科学研究的需要选择培养基养基 发酵工业中大多采用发酵工业中大多采用液体培养基培养种子液体培养基培养种子和进行液体发酵和进行液体发酵，并根据微生物对氧气的要，并根据微生物对氧气的要求，分别作表面求，分别作表面静止静止培养或培养或深层通气深层
32、通气培养。培养。实验室或制种车间进行实验室或制种车间进行固体培养常采用试管、固体培养常采用试管、扁瓶和培养皿扁瓶和培养皿。工业生产中也常采用工业生产中也常采用固体原料，如小米、大固体原料，如小米、大米、铁皮、马铃署等直接制作斜面米、铁皮、马铃署等直接制作斜面，或在茄子，或在茄子瓶表面培养霉菌、放线菌。具有设备简单、投瓶表面培养霉菌、放线菌。具有设备简单、投资少、易推广等优点。资少、易推广等优点。大规模生产中，固体培养的缺点是占地面积大规模生产中，固体培养的缺点是占地面积多，劳动强度大，生产稳定性差。多，劳动强度大，生产稳定性差。(7)(7)根据经济效益根据经济效益选择培养基原料选择培养基原料
33、考虑经济节约，尽量少用或不用主粮，努力节约用考虑经济节约，尽量少用或不用主粮，努力节约用粮，或以其他原料代粮。粮，或以其他原料代粮。糖类是主要的碳源。糖类是主要的碳源。碳源的代用方向碳源的代用方向主要是寻找主要是寻找植物植物淀粉、纤维水解物，以废糖蜜代替淀粉、糊精和葡萄糖，淀粉、纤维水解物，以废糖蜜代替淀粉、糊精和葡萄糖，以工业葡萄糖代替食用葡萄糖。同时，使用稀薄的培养基，以工业葡萄糖代替食用葡萄糖。同时，使用稀薄的培养基，适当减少碳氮配比适当减少碳氮配比;石油作为碳源石油作为碳源的微生物发酵可以的微生物发酵可以生产以粮食为碳源的发酵产品。生产以粮食为碳源的发酵产品。有机氮源的节约和代替有机氮
34、源的节约和代替主要为减少主要为减少或代替黄豆饼粉、花生饼粉、食用或代替黄豆饼粉、花生饼粉、食用蛋白胨和酵母粉等含有丰富蛋白质蛋白胨和酵母粉等含有丰富蛋白质的原料的原料;代用的原料代用的原料可以是棉籽饼粉、玉米浆、可以是棉籽饼粉、玉米浆、蚕蛹粉、杂鱼粉、黄浆水或麸汁、饲料蚕蛹粉、杂鱼粉、黄浆水或麸汁、饲料酵母、石油酵母、骨胶、菌体、酒糟，酵母、石油酵母、骨胶、菌体、酒糟，以及各种食品工业下脚料等。以及各种食品工业下脚料等。这些代用品大这些代用品大多蛋白质含量丰富，货源充足，价格低廉，便于就地多蛋白质含量丰富，货源充足，价格低廉，便于就地取材，方便运输。取材，方便运输。3.1.2.7 3.1.2.
35、7 正交试验在培养基确定中的应用正交试验在培养基确定中的应用因素因素水平水平玉米粉玉米粉（）（）A豆饼粉豆饼粉（）（）B蛋白胨（）CPH D10.540.55.021.050.65.531.560.76.0正交因素水平表正交因素水平表其它试验设计：单因素试验、均匀设计等其它试验设计：单因素试验、均匀设计等3.1.3 3.1.3 发酵发酵 发酵工艺的类型：发酵工艺的类型：u按培养基分为按培养基分为：固体发酵、液体发酵。：固体发酵、液体发酵。固体发酵：传统固体发酵：传统酿造食品酿造食品的主要形式。的主要形式。如，白如，白酒的酿造、豆酱等酒的酿造、豆酱等;液体发酵液体发酵是现代工业发酵的主要形式。是
36、现代工业发酵的主要形式。u按需氧性分为按需氧性分为：厌氧发酵与好氧发酵。：厌氧发酵与好氧发酵。u按按发酵生产中微生物的生长和培养方式分为：发酵生产中微生物的生长和培养方式分为：连连续式发酵、半连续式发酵和分批发酵。续式发酵、半连续式发酵和分批发酵。其中，其中，分批式分批式发酵发酵是工业发酵的主要形式。是工业发酵的主要形式。（关于发酵工艺参数的控制，将在（关于发酵工艺参数的控制，将在3.33.3中述。）中述。）工业微生物菌种培养的类型工业微生物菌种培养的类型:u工业微生物的培养法分为工业微生物的培养法分为静置培养和通气培养静置培养和通气培养两大类型。两大类型。静置培养法静置培养法即将培养基盛于发
37、酵容器中，即将培养基盛于发酵容器中，在接种后，不通空气进行发酵，又称为在接种后，不通空气进行发酵，又称为嫌气性嫌气性发酵。发酵。通气培养法通气培养法的生产菌种以的生产菌种以需氧菌需氧菌和和兼性兼性需需氧菌居多，必须供给空气，以维持一定的溶解氧菌居多，必须供给空气，以维持一定的溶解氧水平，使菌体迅速生长和发酵，又称为氧水平，使菌体迅速生长和发酵，又称为好气好气性性发酵。发酵。u在静置和通气培养两类方法中又可分为在静置和通气培养两类方法中又可分为液体培液体培养和固体培养养和固体培养两大类型，其中每一类型又有两大类型，其中每一类型又有表表面面培养培养与与深层培养深层培养之分。之分。3.1.4 3.1
38、.4 产物的分离、提取与加工产物的分离、提取与加工（插入（插入3.4、产物的分离设备中详述。）、产物的分离设备中详述。）3.2 3.2 微生物发酵动力学微生物发酵动力学(自学）自学）3.2.1 3.2.1 发酵动力学概述发酵动力学概述3.2.2 3.2.2 发酵动力学的分类与特点：发酵动力学的分类与特点：*发酵动力学中常用的几个术语发酵动力学中常用的几个术语（掌握）（掌握）（1 1）产物得率与转化率：）产物得率与转化率：产物得率产物得率：是指每消耗：是指每消耗1g(1g(或或mo1)mo1)基质所合成基质所合成的产物的产物g g数数(或或molmol数数)。这里消耗的基质是指被微。这里消耗的基
39、质是指被微生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去生物实际利用掉的基质数量，即投入的基数减去残留的基质量残留的基质量(S(S。一。一S)S)。转化率转化率：往往是指投入的原料与合成产物数量：往往是指投入的原料与合成产物数量之比。之比。（2 2）基质比消耗速率）基质比消耗速率(qs(qs g(g(或或mo1)mo1)g g菌体菌体h)h)：系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它系指每克菌体在一小时内消耗营养物质的量。它表示细胞对营养物质利用的速率或效率。表示细胞对营养物质利用的速率或效率。（3 3）产物比生产速率）产物比生产速率(qp(qp，g(g(或或mo1)mo1)g g菌体菌体h)h
40、)：系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示系指每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合成产物的速度或能力，可以作为判断微生细胞合成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代谢产物的效率。物合成代谢产物的效率。（4 4）发酵周期）发酵周期*：实验周期实验周期是指接种开始至培养结是指接种开始至培养结束放罐这段时间。束放罐这段时间。但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把但在工业生产上计算劳动生产率时则还应把发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却发酵罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间也等辅助时间也计算在内。即从第一罐计算在内。即从第一罐接种开始接种开始发酵发酵结束结束第第二次接种二次接种开始前开始前
41、这段时间为这段时间为一个发酵周期一个发酵周期生生产周期产周期。这样才能正确反映发酵设备的利用效率。这样才能正确反映发酵设备的利用效率。*3种培养方式：种培养方式：分批发酵、连续发酵、补料分分批发酵、连续发酵、补料分批发酵。批发酵。目前工业发酵中目前工业发酵中主要采用的培养方式：主要采用的培养方式：分批发酵，或补料分批式操作。分批发酵，或补料分批式操作。*分批发酵法：分批发酵法：概念概念：分批发酵是指在一封闭培养系统内分批发酵是指在一封闭培养系统内具有初始限制量基质具有初始限制量基质的一种发酵方式。的一种发酵方式。底物一底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经次装入罐内，在适宜条件下接种进
42、行反应，经过一定时间后将全部反应系取出。过一定时间后将全部反应系取出。（食品发酵食品发酵多属多属于此）于此）发酵工业中常见的分批方法发酵工业中常见的分批方法是采用是采用单罐深层单罐深层培养法培养法，每一个分批发酵过程都，每一个分批发酵过程都经历经历接种接种生生长繁殖长繁殖菌体衰老菌体衰老结束发酵结束发酵提取提取出产物。出产物。这一过程中在某些培养液的条件支配下，微这一过程中在某些培养液的条件支配下，微生物经历着生物经历着由由生生死死的一系列变化阶段，在各的一系列变化阶段，在各个变化的进程中都受到菌体本身特性的制约，个变化的进程中都受到菌体本身特性的制约，也受周围环境的影响。也受周围环境的影响。
43、分批发酵的特点：分批发酵的特点：微生物所处的环境是不断变化的；微生物所处的环境是不断变化的；可进行少量多品种的发酵生产；可进行少量多品种的发酵生产；发生杂菌污染能够很容易终止操作；发生杂菌污染能够很容易终止操作；当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易改变处理对策；改变处理对策；对原料组成要求较粗放。对原料组成要求较粗放。四个阶段：四个阶段：调整期、对数生长期、稳定期和衰亡期调整期、对数生长期、稳定期和衰亡期 分批培养过程中分批培养过程中细胞生长曲线：细胞生长曲线：*3.3 3.3 发酵工艺控制发酵工艺控制 发酵成功的发酵成功的两大制约因素两大制约因素优
44、良的种子优良的种子控制良好的工艺条件（参数）控制良好的工艺条件（参数）发酵过程的控制发酵过程的控制 控制工艺参数：控制工艺参数：物理参数物理参数（温度、压力、搅（温度、压力、搅拌速度等）拌速度等）生化参数生化参数（菌体浓度、（菌体浓度、O O2 2浓度浓度PHPH等）等）3.3.1 3.3.1 温度温度3.3.2 PH3.3.2 PH3.3.3 3.3.3 溶解溶解O O2 2浓度浓度3.3.4 CO3.3.4 CO2 23.3.5 3.3.5 基质基质3.3.6 3.3.6 泡沫泡沫3.3.7 3.3.7 染菌的控制染菌的控制3.3.8 3.3.8 发酵终点发酵终点基本参数的控制：基本参数的
45、控制：3.3.1 3.3.1 温度温度 3.3.1.1 3.3.1.1 温度概述：温度概述：对于微生物来说，温度直接影响其生长和合成对于微生物来说，温度直接影响其生长和合成酶。酶。随着温度的增高有可能遭受不可逆的破坏。随着温度的增高有可能遭受不可逆的破坏。微生物可生长的温度范围较广，总体说在微生物可生长的温度范围较广，总体说在-10-109595。任何微生物的生长都需要有任何微生物的生长都需要有最适的生长温度最适的生长温度。筛选和培养筛选和培养耐高温耐高温的菌种有一定的生产现实意的菌种有一定的生产现实意义。（义。（有何意义？有何意义？）3.3.1.2 3.3.1.2 温度与温度与发酵热发酵热有
46、关：有关：(1)(1)发酵热：发酵热：指发酵过程中释放的指发酵过程中释放的净热量净热量。Q Q总发酵热总发酵热=Q=Q生物热生物热+Q+Q搅拌热搅拌热+Q+Q蒸发热蒸发热+Q+Q辐射热辐射热生物热：指微生物代谢分解底物所产生能量中的以热形式生物热：指微生物代谢分解底物所产生能量中的以热形式散发出散发出的那部分热量（另一部分则以的那部分热量（另一部分则以ATPATP形式贮存）。生物热使发酵环境升形式贮存）。生物热使发酵环境升温。温。搅拌热：指由于机械搅拌（通气培养）引起液体、设备间摩擦生搅拌热：指由于机械搅拌（通气培养）引起液体、设备间摩擦生热。也使温度上升。热。也使温度上升。蒸发热：因水分蒸发
47、带走的热量。它使温度下降。蒸发热：因水分蒸发带走的热量。它使温度下降。辐射热：当发酵液温度高于周围环境时，发酵液向罐外辐射热量。辐射热：当发酵液温度高于周围环境时，发酵液向罐外辐射热量。罐内外温差越大，辐射热越大。它使发酵液温度下降。罐内外温差越大，辐射热越大。它使发酵液温度下降。(2)(2)发酵热的测量与计算：发酵热的测量与计算：（食工原理内容（食工原理内容,自学）自学）3.3.1.3 3.3.1.3 发酵中的发酵中的温度控制温度控制：1)1)发酵过程中的温度变化：发酵过程中的温度变化：初期初期低低，中期升，中期升高高，后期下，后期下降降。可实行可实行变温控制变温控制：2)2)发酵最适温度：
48、发酵最适温度：最适合发酵微生物生长和产物生最适合发酵微生物生长和产物生成的温度。因菌种、培养条件、产物而异。成的温度。因菌种、培养条件、产物而异。3)3)控制方法：控制方法：加热、保温、降温设备如夹套。加热、保温、降温设备如夹套。3.3.2 pH3.3.2 pH值值 概述：概述：培养基中的培养基中的pHpH值与微生物生命活动有着密切关系，值与微生物生命活动有着密切关系，各种微生物有其可以生长的和最适生长的各种微生物有其可以生长的和最适生长的pHpH范围。范围。微生物通过其活动也能微生物通过其活动也能改变改变环境的环境的pHpH值。值。发酵发酵过程中，控制发酵液的过程中，控制发酵液的pHpH值是
49、值是控制生产的指标之控制生产的指标之一一，pHpH值过高、过低都会影响微生物的生长繁殖值过高、过低都会影响微生物的生长繁殖以及代谢产物的积累。以及代谢产物的积累。控制控制pHpH值不但可以保证微生物良好的生长，而且值不但可以保证微生物良好的生长，而且可以可以防止杂菌的污染防止杂菌的污染。PH PH对微生物发酵的影响方式对微生物发酵的影响方式：-影响酶活性；影响酶活性；-影响膜电荷与膜透性；影响膜电荷与膜透性；-影响物质的解离形式与代谢利用的速度；影响物质的解离形式与代谢利用的速度；-影响氧溶解、氧化还原电位等。影响氧溶解、氧化还原电位等。最终影响最终影响微生物生长和发酵产物微生物生长和发酵产物
50、的生成。的生成。发酵过程中的发酵过程中的PHPH控制（掌握）控制（掌握）采用合适的培养基配比，调节培养基的采用合适的培养基配比，调节培养基的原原始始PH PH C C：N N合适合适 生理酸性物质和生理碱性物质比例合适生理酸性物质和生理碱性物质比例合适 添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐添加缓冲物质：碳酸钙和磷酸盐（同时可作为营（同时可作为营养成分）养成分）在发酵过程中直接补加酸或碱在发酵过程中直接补加酸或碱 过去流加硫酸或氢氧化钠，过去流加硫酸或氢氧化钠，现采用补加氨水、尿素、硫酸铵现采用补加氨水、尿素、硫酸铵 在发酵过程中调节补糖速度控制在发酵过程中调节补糖速度控制pH pH 应急调节：搅拌通风
