生物发酵过程解决方案
引言:
发酵过程是一种既古老又年轻的生化过程。早在几千年前人们就已经在食品生产方面利用酵母对淀粉进行发酵以获得含有乙醇的饮料，这一生产过程一直延续至今，它就是人们所熟知的制酒工业的核心——酿造工业。
利用微生物生长过程中的二次代谢作用以制取医药工业中的抗生素则是人类运用生化技术的一大创造。工业生产时这一新陈代谢过程在发酵罐内完成。深入研究发酵过程将为生化反应——发酵罐的设计、操作和控制奠定基础。因此，它是提高生化工程水平的重要内容之一；生化反应是生化技术中的难点所在，在研究和实际应用时既需要微生物技术也需要借用化工技术以及融汇近代测量技术、计算机技术和控制技术于一体。微生物发酵过程是个极其复杂的生化反应过程，对于发酵罐的操作，以前人们是凭借实践经验来进行的，由于缺乏发酵过程参数的测量监视和控制系统，使得发酵产品成本高、操作费用大、产品在国际市场上缺乏竞争力。为此，需要对发酵罐实行优化操作和控制。
一、发酵过程中的工艺及其特点
一般的耗氧型发酵罐系统如下图所示，其中要测量的参数可以分为物理参数、化学参数以及生物参数。
发酵过程物理参数: 通常有发酵罐温度（T）、
发酵罐压力（P）、发酵液体积（V）、空气流
量（F
A ）、冷却水进出口温度（T
1
和T
2
）、搅拌
马达转速（RMP）、搅拌马达电流（I）、泡沫
高度（H）等，这些物理参数根据不同种类的
发酵要求，都可以选择性的选取有关测量仪
表来实现自动测量。
发酵过程化学参数: 发酵过程典型的化学参
数有PH值（PH）和溶解氧浓度（DO），这两
个参数对于微生物的生长，代谢产物的形成
极为重要。过于由于缺乏耐消毒的能进行无菌操作的PH电极和溶解氧电极，使得无法做到实时的在线测量。而现在已有成熟的PH 和溶解氧测量电极，典型的产品如瑞士的Ingold电极等。
发酵过程生物参数: 生物参数通常包括生物质呼吸代谢参数、生物质浓度、代谢产物浓度、底物浓度以及生物比生长速率、底物消耗速率和产物形成速率等。
关于生物参数，无论在国内还是国外，在工业生产中实时在线的测量仪表都还很少。正是由于这些原因，使得微生物发酵过程的控制比一般的工业生产过程难度更大。
呼吸代谢参数的测量：微生物呼吸代谢参数通常有三个，即微生物的氧利用速率（OUR），二氧化碳释放速率（CER）和呼吸商（RQ）。这三个参数的测量，可以给予发酵罐系统气相平衡计算出来。要测量呼吸代谢参数，必须测量除发酵液体积、空气流量，排出气体氧含量和二氧化碳的含量。假设流出发酵罐的气体流量与空气流入量相等，空
％，二氧化气中氧含量为21％，二氧化碳的浓度为零，测量到派出气体的氧浓度为O
2出
％。
碳的浓度为CO
2出
●微生物发酵热的测量：微生物发酵热从某种意义上说间接地反应了微生物生长过程
的细胞浓度和生长速率。因此，通过测量发酵热，就可以了解微生物生长状态。
这样只要测量出冷却水流量和它的进出口温度就可以粗略地知道发酵热的变化。
●生物质底物和产物浓度的测量：就目前来看，还没有可在工业生产实用的这些参数
的测量仪器。在实验室中，已有用质谱仪和核磁共震分析仪来测量发酵液中各种物质的浓度。利用生物传感器来测量生物质浓度、底物和产物浓度在成为研究热点。
在工业生产中这些参数的测量大都基于取出发酵液样品到实验室采用化学分析方法和借用如HPLC仪器来分析，由于分析一个样品要用很长时间，这对于实时控制来说就很难通过这样的方法来利用这些数据。
二、发酵过程的控制
随着生物工业技术的迅速发展，其生产设备和规模不断扩大，生产过程的强化，对自动控制技术的要求越来越迫切，对生化过程实行优化控制，可稳定生产，提高得率，降低消耗，增加效益。然而，微生物发酵过程，不同于一般的过程工业，由于它涉及生命体的生长繁殖过程，机理十分复杂，至今还有许多发酵过程信息无法测量，这给发酵过程优化控制带来极大的困难。
影响发酵过程的两个主要因素是发酵培养基和发酵条件，在培养基配方基本固定的
情况下，发酵条件是影响过程代谢变化的主要方面。根据那些反映发酵条件和代谢变化的参数，参照代谢变化规律来控制以下发酵条件，尽可能缩短菌体生长期，延长产物合成期，使菌体生长既迅速而又不易衰老，并保持产物的最大生产速率，从而达到提高最终产物产量目的。
上图为：以常规控制为主的发酵罐自控工艺图
2.1发酵罐温度常规控制
对于特定的微生物，它都有一个最适宜的生长温度。如果从生物酶动力学方面来考虑，酶的最佳活力对应着一最好的温度。因此，微生物发酵过程发酵温度的控制是一个很重要的微生物生长环境参数，必须严格的加以控制。影响发酵温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水本身的温度。
对于小型的发酵罐温度控制系统是以发酵罐温度为被控参数，冷却水流量为控制参数的单回路控制方案，对于大型的发酵罐系统，则采用发酵罐温度为主回路，以冷却水系统为副回路的串级控制或前馈-反馈控制方案。
（一）单回路PID控制
在进水温度比较稳定的情况下，发酵反应罐的温度常采用单回路的PID控制。在实际过程中工业发酵过程温度控制，由于冷却水（或温水）温度地变化，将会影响发酵温度控制品质，这个影响作用过程是先使夹套温度变化，然后使发酵罐的温度变化，只有这时，控制器才感受到温差的出现，从而驱动调节阀。很明显，从干扰开始到调节阀动作，要经过较大的滞后，要克服这些滞后作用，可以采用串级调节。
（二）串级控制
将T
1、T
2
测量出来的信号组成一个控制系统，将TC
1
的输出作为TC
2
控制器的给定值，
便组成一个串级控制系统。与单回路控制相比，串级控制有以下特点：
（1）当由于一些外界的原因，夹套温度发生波动时，TC
2
的作用将使这种波动在还未影
响到T
1时就被提前克服，故有利于保证T
1
的控制品质。并可显著改善发酵罐的控制特性，
使等效对象滞后减小。
（2）可兼顾两个参数，实现“均匀控制：当主控制器TC
1
的比例度选得较宽时，其输出
变化较小。由于它是作为副控制器TC
2
的给定值，因此使得副参数变化也较小，比较平稳，这样就可以使主副两个参数都能保持在一定范围内平缓波动，以满足工艺过程的要求。（3）可消除调节阀等非线性特性的影响：由于调节阀和一部分对象（副控制对象）被包含于副回路之内，调节阀的非线性影响在副环中便被消除。
（三）前馈-反馈控制
将冷却水温度这一扰动信号于TC
1
控制器的输出信号一起作用于调节阀，便形成前馈-反馈控制，这样，对于冷却水温度的变化这一干扰便能快速的作用于调节阀门，使调节阀也作相应的调整从而及时消除这一干扰。但需要注意的是前馈补偿器需要有准确的数学模型作为基础。
2.2发酵罐压力常规控制
发酵罐操作压力的变化，将会引起氧在发酵液中的分压改变，也就是说影响着溶解氧浓度的变化。另外，为了使发酵物不被细菌感染，需要对通入的压缩气体进行过滤消毒，并保证发酵罐内呈现正压，以免外部未经处理的空气等的进入。影响发酵罐的压力主要是供给的消毒空气的压力变化，通常控制发酵罐的压力是通过调节排出气体的量来控制。一般采用单回路控制即可，对于发酵罐内压力变化对溶解氧浓度的影响，则由溶解氧浓度调节回路来处理，当然，溶解氧浓度的调节将考虑罐内压力对其的影响。
2.3发酵过程中的PH值控制
PH是微生物生长的另一个重要环境参数。在发酵过程中，必须严格加以控制，否则
会严重影响微生物代谢的进行和代谢产物的合成。在工业生产上，若发酵液PH值偏低、氨氮也偏低的时候，则通过加氨水等方法使其PH值回升；如果PH值偏高而氨氮偏低，可以补入硫酸铵或氯化铵；若PH值和氨氮都偏高，在发酵前期，可适当增加糖的补加量来调整。一般没有其它的控制手段。因此在PH值控制中必须严格控制好调整液的加入量，绝对不能过量。
如下图所示，PH值的控制常由PH测量电极和变送器、PH控制器、空气开关和气动开关阀组成。氨水可以通过喷淋头加入发酵罐，当然最好是通过空气管道与空气一起送入发酵罐，这样便使氨水充分散发于发酵液中，不会造成局部区域的PH值的偏高或偏低。为避免一般调节阀有泄漏量的缺陷，在PH控制中，所使用的阀门常用开关阀。控制器根据PH偏差信号计算出开关阀门开关周期和开与关的时间长短，来控制加入调整液（如氨水）的量，从而达到控制PH值的目的。当然，由于PH值的严重非线性特性，使得控制器在PH值为7（中性点）附近和远离中性点的控制方法和整定参数不尽相同。因此这里的控制器是综合考虑PH值的非线性特性和阀门调节特性的的复杂的控制器，简单的PID 调节器是不能完成要求的。另外，与开关阀门相对应，控制器的输出也为开关信号。
在PH值的控制过程中，首先要在控制方法上确保阀门动作的频率在可接受的范围内尽可能的小，以尽可能的延长阀门的使用寿命。另一方面，阀门在整个调节控制回路中是最易出故障的环节是一个不争的事实，当阀门出现故障时，有可能将氨水直接泄漏到发酵罐中，因此，严格而独立并具有冗余配置的PH值报警系统是必须的，最好有一个紧急事件处理系统。
2.4发酵过程中的溶解氧浓度控制
在耗氧型发酵过程中，氧是作为微生物生长必须的原料，若供氧不足，将会抑制微生物的生长和代谢的进行。为此在发酵过程中要保持一定的溶解氧浓度。影响溶解氧浓度的主要因素有供给的空气量、搅拌桨转速和发酵罐的压力。如果在发酵罐压力有自动控制的情况下则认为发酵罐压力恒定不变。目前，国内发酵罐搅拌桨转速一般是恒定不变的，所以只要通过调节供给的空气量来控制溶解氧浓度。当然，也有同时对发酵罐转速和供应的空气量进行综合调节的做法。如前所述，发酵罐内压力的波动对溶解氧浓度有影响，因此，在通过调节通入的空气流量来实现溶解氧浓度控制时，需要考虑这种影响。其控制原理图如下所示：
这里采用了一个串级控制回路，在保证对通入蒸汽量的调节满足溶解氧浓度要求的同时，及时消除了压力波动的影响。如果溶解氧浓度的调节通过调节搅拌机的转速来实现，情况类似。
2.5发酵过程中的消泡控制
在发酵前期，微生物生长旺盛时期，加入料液满载，搅拌马达全速开动，空气通入量达到最大。这时候，发酵液上浮得很厉害，稍有不慎，就可能会产生逃液现象。此时，必须即使加入消泡剂，以减少泡沫，防止发酵液上浮。消泡控制通常采用双位式的控制方法，当发酵液液面达到一定的高度时，自动打开消泡剂的阀门，当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂阀门。
2.6发酵过程中的补料控制
第六章微生物发酵制药工艺 6.1 微生物发酵与制药 6.2 微生物生长与生产的关系 6.3 微生物生产菌种建立6.4 发酵培养基制备 6.4 发酵培养基制备 ? 概念（medium）供微生物生长繁殖和合成各种代谢产物所需要 的按一定比例配制的多种营养物质的混合物。 ? 培养基的组成和比例是否恰当，直接影响微生物的生长、生产和工艺选择、产品质量和产量。 6.4.1 培养基的成分 碳源 氮源无机盐水生长因子 前体与促进剂 消泡剂 1、碳源(carbon sources) 概念： 构成微生物细胞和代谢产物中碳素的营养物质。作用：为正常生理活动和过程提供能量来源，为细胞物质和代谢产物的合成提供碳骨架。 碳源种类 糖类：葡萄糖、淀粉、糊精和糖蜜 脂肪：豆油、棉籽油和猪油醇类：甘油、乙醇、甘露醇、山梨醇、肌醇蛋白类：蛋白胨、酵母膏速效碳源：糖类、有机酸 迟效碳源：酪蛋白水解产生的脂肪酸 2、氮源（nitrogen sources） 概念：构成微生物细胞和代谢产物中氮素的营养物质。 作用：为生长和代谢主要提供氮素来源。种类：无机氮源、有机氮源 有机氮源 几乎所有微生物都能利用有机氮源 黄豆饼粉、花生饼粉 棉籽饼粉、玉米浆、蛋白\胨、酵母粉、尿素 无机氮源 氨水、铵盐和硝酸盐等。氨盐比硝酸盐更快被利用。 工业应用：主要氮源或辅助氮源；调节pH值生理酸性物质：代谢后能产生酸性残留物质。（NH4）2SO4利用后，产生硫酸 生理碱性物质：代谢后能产生碱性残留物质。硝酸钠利用后，产生氢氧化钠。 3、无机盐和微量元素 ? 概念：组成生理活性物质或具有生理调节作用矿物质 ? 作用方式：低浓度起促进作用，高浓度起抑制作用。? 种类：盐离子 磷、硫、钾、钠、镁、钙，常常添加 铁、锌、铜、钼、钴、锰、氯，一般不加。 4、水 菌体细胞的主要成分。 营养传递的介质。良好导体，调节细胞生长环境温度。培养基的主要成分之一。 5、生长因子（growth factor）
绪论刘巍独家机密 食品的定义：可供人类食用或者饮用的物质，包括加工食品、半成品和未加工食品，不包括烟草或者药品。 发酵食品：通过微生物的作用而制得的食品或者食品配料都可以称为发酵食品。 什么是发酵? 广义：通过微生物的培养，使某种特定代谢产物或者菌体本生大量累积的过程。狭义：厌氧微生物或者兼性厌氧微生物在无氧条件下进行能量代谢的一种方式。 发酵食品: 是食物原料或农副产品经微生物产生的酶所催化的生物化学反应以及微生物细 胞代谢产物的总和。 这些反应既包括生物合成作用，也包括原料的降解作用，以及推动生物合成过程所必需的各种化学反应。 列文虎克显微镜 巴斯德彻底否定了“自然发生论”证实了发酵是由微生物引起的提出了巴氏消毒法 布赫纳阐明了微生物的化学反应本质。 好气性发酵工程技术成为发酵与酿造技术发展的第二个转折点。 人工诱变育种和代谢控制发酵技术是发酵与酿造技术发展的第三个转折点。 化学合成与微生物发酵结合是发酵与酿造技术发展的第四个转折点。 发酵食品按产品性质分类包括:生物代谢产物发酵，酶制剂发酵，生物转化发酵和菌体制造。 第一章发酵食品微生物及微生物的代谢 常用微生物：细菌，酵母菌，霉菌 细菌:大肠埃希氏菌、醋酸杆菌、乳酸杆菌、双歧杆菌 酵母:酿酒酵母（白酒、葡萄酒），卡尔斯伯酵母（啤酒）、异常汉逊酵母（用于增加食品风味（乙酸乙酯） 霉类:根霉（制曲酿酒），毛霉（大豆制品），曲霉（酱油、豆酱、豆豉） 菌种的选育:自然选育（主要分离纯化） 诱变育种（物理因子诱变、化学因子诱变、复合因子诱变） 杂交育种 原生质体融合育种（聚乙二醇、仙台病毒、电融合） 基因工程育种（转基因技术，真正意义上的理性育种） 基因组改组（也称基因组重排技术）：将正突变的不同基因重组到同 一细胞株中。 代谢控制育种：代谢途径改造菌株。
（生物科技行业）生物发酵过程解决方案
生物发酵过程解决方案 引言: 发酵过程是一种既古老又年轻的生化过程。早在几千年前人们就已经在食品生产方面利用酵母对淀粉进行发酵以获得含有乙醇的饮料，这一生产过程一直延续至今，它就是人们所熟知的制酒工业的核心——酿造工业。 利用微生物生长过程中的二次代谢作用以制取医药工业中的抗生素则是人类运用生化技术的一大创造。工业生产时这一新陈代谢过程在发酵罐内完成。深入研究发酵过程将为生化反应——发酵罐的设计、操作和控制奠定基础。因此，它是提高生化工程水平的重要内容之一；生化反应是生化技术中的难点所在，在研究和实际应用时既需要微生物技术也需要借用化工技术以及融汇近代测量技术、计算机技术和控制技术于一体。微生物发酵过程是个极其复杂的生化反应过程，对于发酵罐的操作，以前人们是凭借实践经验来进行的，由于缺乏发酵过程参数的测量监视和控制系统，使得发酵产品成本高、操作费用大、产品在国际市场上缺乏竞争力。为此，需要对发酵罐实行优化操作和控制。 一、发酵过程中的工艺及其特点 一般的耗氧型发酵罐系统如下图所示，其中要测量的参数可以分为物理参数、化学参数以及生物参数。 发酵过程物理参数:通常有发酵罐温度（T）、发酵罐压力（P）、发酵液体积（V）、空气流量（F A）、冷却水进出口温度（T1和T2）、搅拌马达转速（RMP）、搅拌马达电流（I）、泡沫高度（H）等，这些物理参数根据不同种类的发酵要求，都可以选择性的选取有关测量仪表来实现自动测量。 发酵过程化学参数:发酵过程典型的化学参数有PH值（PH）和溶解氧浓度（DO），这两个参数对于微生物的生长，代谢产物的形成极为重要。过于由于
微生物发酵过程优化控制技术进展 摘要发酵工程是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础。在发酵工程领域，为了提高发酵水平和生产率，更多的研究工作集中在菌种的筛选和改造上。随着生物科学技术的发展，基因工程与代谢工程研究领域都出现了长足的进步与发展，利用基因重组与诱发等技术可以实现高产菌株普遍生产。但只有通过发酵过程的优化控制，才能实现产品质量最高、生产力最大、成本消耗最低的生产过程，因此对微生物发酵过程的优化控制成为发酵工程中研究人员日益关注的焦点。 关键词微生物发酵；影响因素；优化控制技术 1 培养基对发酵的影响 1.1 发酵培养基碳源和氮源的选择 碳源用于提供微生物能量来源、构建细胞以及形成产物。碳源包括单糖、双糖、多糖、天然复合物、油脂等，比如葡萄糖、蔗糖、淀粉以及豆油等。氮源是微生物蛋白质和其他含氮有机物的重要来源，与此同时，氮源也参与形成含氮产物。氮源包括无机氮源以及有机氮源，比如氨盐、硝酸盐、蛋白胨以及豆粉等。 1.2 发酵培养基中无机盐对发酵的影响 无机盐对代谢产物的生成及微生物的正常生长都具有相当重要的影响。在微生物的生长代谢过程中，磷参与了微生物细胞中核酸等辅酶的构成，是微生物能量代谢、生长的重要因素之一。在苏云金芽泡杆菌的发酵产物苏云金素的分子结构中包含磷酸根，所以在其发酵培养基中添加更多磷酸盐，更有利于产物苏云金素的合成。钙离子在微生物发酵过程中的主要作用是调节细胞的生理状态，比如说维持细胞的胶体状态、降低细胞膜的通透性等。与此同时，在大多数发酵培养基里面，添加适量的CaCO3，能够对发酵液含菌量的变化起到相当明显的影响，其主要原因是CaCO3的添加对发酵液的pH具有非常良好的缓冲作用，从而大大改善了菌体的生长环境。镁元素是许多酶的催化剂。锰、锌、铁、钼以及钴等元素是微生物所需要的微量元素[1]。 2 培养条件对发酵的影响 2.1 种子质量对发酵的影响 在发酵培养基中接入合适的接种量以及种龄适宜的优质种子液，能够使目标微生物更加迅速地进入到对数生长期，从而使发酵周期大大地减短，进而促使产物质量得以有效提升。如果种龄过长则会直接导致菌体过早的发生衰退，菌体的生产能力也随之而有一定程度的下降；如果种龄过短，则会直接导致菌体生长缓慢，产物合成时间大大推迟。若接种量过小，那么便会使得菌体细胞的生长量变
微生物发酵制药 -----总体工艺过程流程 工业微生物技术是可持续发展的一个重要支撑，是解决资源危机、生态环境危机和改造传统产业的根本技术依托。工业微生物的发展使现代生物技术渗透到包括医药、农业、能源、化工、环保等几乎所有的工业领域，并扮演着重要角色。欧美日等国已不同程度地制定了今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划，可以看出工业微生物技术在未来社会发展过程中重要地位。 微生物制药技术是工业微生物技术的最主要组成部分。微生物药物的利用是从人们熟知的抗生素开始的，抗生素一般定义为：是一种在低浓度下有选择地抑制或影响其他生物机能的微生物产物及其衍生物。(有人曾建议将动植物来源的具有同样生理活性的这类物质如鱼素、蒜素、黄连素等也归于抗生素的范畴，但多数学者认为传统概念的抗生素仍应只限于微生物的次级代谢产物。)近年来，由于基础生命科学的发展和各种新的生物技术的应用，报道的微生物产生的除了抗感染、抗肿瘤以外的其他生物活性物质日益增多，如特异性的酶抑制剂、免疫调节剂、受体拮抗剂和抗氧化剂等，其活性已超出了抑制某些微生物生命活动的范围。但这些物质均为微生物次级代谢产物，其在生物合成机制、筛选研究程序及生产工艺等方面和抗生素都有共同的特点，但把它们通称为抗生素显然是不恰当的，于是不少学者就把微生物产生的这些具有生理活性（或称药理活性）的次级代谢产物统称为微生物药物。 微生物药物的生产技术就是微生物制药技术。可以认为包括五个方面的内容： 第一方面菌种的获得 根据资料直接向有科研单位、高等院校、工厂或菌种保藏部门索取或购买；从大自然中分离筛选新的微生物菌种。 1.分离思路：新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照生产的要求、菌种的特性，采用各种筛选方法，快速、准确地把所需要的菌种挑选出来。实验室或生产用菌种若不慎污染了杂菌，也必须重新进行分离纯化。具体分离操作从以下几个方面展开。 2.定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。 3.采样：有针对性地采集样品。 4.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。
微生物发酵过程即微生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应过程。 根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、兼性厌氧），可以分为好氧性发酵和厌氧性发酵两大类。 （1）好氧性发酵在发酵过程中需要不断地通人一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进行柠檬酸发酵、利用棒状杆菌进行谷氨酸发酵、利用黄单抱菌进行多糖发酵等等。 （2）厌氧性发酵在发酵时不需要供给空气，如乳酸杆菌引起的乳酸发酵、梭状芽抱杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。 （3）兼性发酵酵母菌是兼性厌氧微生物，它在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧即通气条件下则进行好氧性发酵，大量繁殖菌体细胞。 按照设备来分，发酵又可分为敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发酵。 一般敞口发酵应用于繁殖快并进行好氧发酵的类型，如酵母生产，由于其菌体迅速而大量繁殖，可抑制其他杂菌生长。所以敞口发酵设备要求简单。相反，密闭发酵是在密闭的设备内进行，所以设备要求严格，工艺也较复杂。浅盘发酵（表面培养法）是利用浅盘仅装一薄层培养液，接人菌种后进行表面培养，在液体上面形成一层菌膜。在缺乏通气设备时，对一些繁殖快的好氧性微生物可利用此法。深层发酵法是指在液体培养基内部（不仅仅在表面）进行的微生物培养过程。 液体深层发酵是在青霉素等抗生素的生产中发展起来的技术。同其他发酵方法相比，它具有很多优点： 1. 液体悬浮状态是很多微生物的最适生长环境。 2. 在液体中，菌体及营养物、产物（包括热量）易于扩散，使发酵可在均质或拟均质条件下进行，便于控制，易于扩大生产规模。 3. 液体输送方便，易于机械化操作。 4. 厂房面积小，生产效率高，易进行自动化控制，产品质量稳定。 5. 产品易于提取、精制等。因而液体深层发酵在发酵工业中被广泛应用。 4.2.1 工业生产常用微生物 微生物资源非常丰富，广布于土壤、水和空气中，尤以土壤中为最多。有的微生物从自然界中分离出来就能够被利用，有的需要对分离到的野生菌株进行人工诱变，得到突变株才能被
微生物发酵过程简介文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
微生物发酵过程即微生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应过程。根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、兼性厌氧），可以分为好氧性发酵和厌氧性发酵两大类。（1）好氧性发酵在发酵过程中需要不断地通人一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进行柠檬酸发酵、利用棒状杆菌进行谷氨酸发酵、利用黄单抱菌进行多糖发酵等等。（2）厌氧性发酵在发酵时不需要供给空气，如乳酸杆菌引起的乳酸发酵、梭状芽抱杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。（3）兼性发酵酵母菌是兼性厌氧微生物，它在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧即通气条件下则进行好氧性发酵，大量繁殖菌体细胞。按照设备来分，发酵又可分为敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发酵。一般敞口发酵应用于繁殖快并进行好氧发酵的类型，如酵母生产，由于其菌体迅速而大量繁殖，可抑制其他杂菌生长。所以敞口发酵设备要求简单。相反，密闭发酵是在密闭的设备内进行，所以设备要求严格，工艺也较复杂。浅盘发酵（表面培养法）是利用浅盘仅装一薄层培养液，接人菌种后进行表面培养，在液体上面形成一层菌膜。在缺乏通气设备时，对一些繁殖快的好氧性微生物可利用此法。深层发酵法是指在液体培养基内部（不仅仅在表面）进行的微生物培养过程。液体深层发酵是在青霉素等抗生素的生产中发展起来的技术。同其他发酵方法相比，它具有很多优点： 1.液体悬浮状态是很多微生物的最适生长环境。 2.在液体中，菌体及营养物、产物（包括热量）易于扩散，使发酵可在均质或拟均质条件下进行，便于控制，易于扩大生产规模。 3.液体输送方便，易于机械化操作。 4.厂房面
第一章绪论 第一节概述 工业发酵是利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的一门现代工业，而现代发酵工程则是指直接把微生物(或动植物细胞)应用于工业生产的一种技术体系，是在化学工程中结合了微生物特点的一门学科。因而发酵工程有时也称作微生物工程。在本章中，我们将对发酵的基本概念，工业上常用的微生物及其生长代谢特性，以及发酵工程原理作—简单介绍。 一、基本概念 1，发酵一词的来源 发酵现象早巳被人们所认识，但了解它的本质却是近200年来的事。英语中发酵一词fermentation是从拉丁语fervere派生而来的，原意为“翻腾”，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时的现象。沸腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。在生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵。我们现在所指的发酵早已赋予了不同的含义。发酵是生命体所进行的化学反应和生理变化，是多种多样的生物化学反应根据生命体本身所具有的遗传信息去不断分解合成，以取得能量来维持生命活动的过程。发酵产物是指在反应过程当中或反应到达终点时所产生的能够调节代谢使之达到平衡的物质。实际上，发酵也是呼吸作用的一种，只不过呼吸作用最终生成CO2和水，而发酵最终是获得各种不同的代谢产物。因而，现代对发酵的定义应该是：通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的反应过程。 2，发酵的定义 （1）狭义“发酵”的定义 在生物化学或生理学上发酵是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，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。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。 （2）广义“发酵”的定义 工业上所称的发酵是泛指利用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。产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。 3，发酵工程（Fermentation Engineering）的定义 应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。 二、发酵的特点 发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。其主要特点如下： 1，发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单。 2，发酵所用的原料通常以淀粉、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。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这—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。 3，发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单—的代谢产物。 4，由于生物体本身所具有的反应机制，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。 5，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。 6，微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分
微生物发酵工艺及其控制简述 罗宗学 （云南大学生命科学学院云南昆明 650091） 摘要：根据操作方式不同，发酵工艺分为间歇发酵，连续发酵和流加发酵三种类型，其中流加发酵在生产和科研上应用最为广泛。在发酵工艺中反映发酵过程变化的参数分为物理参数、化学参数和生物学参数三大类，这些参数的变化直接影响到发酵工业的生产率和产物品质。本文从对发酵工艺过程影响较大的发酵温度、pH值、溶解氧、泡沫、菌体浓度和基质、发酵时间等6个方面阐述如何进行发酵工艺的控制，为实现发酵产业的经济效益最大化提供必要的理论依据。 关键字：发酵工艺变化参数影响和控制 发酵是指通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的过程。早在2000多年前，我国就有了酿酒、制醋的发酵技术，那时候发酵完全属于天然发酵。20 世纪40年代中期，美国抗菌素工业兴起，大规模生产青霉素，建立了深层通气发酵技术。1957年，日本微生物生产谷氨酸盐(味精)发酵成功，大大推动了发酵工程的发展。70年代开始，随着基因工程、细胞工程等生物过程技术的开发，以石油为原料生产单细胞蛋白，使发酵工程从单一依靠碳水化合物(淀粉)向非碳水化合物过渡，从单纯依靠农产品发展到利用矿产资源，如天然气、烷烃等原料的开发。80年代，随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，人们能按需要设计和培育各种工程菌，在大大提高发酵工程的产品质量的同时，节约能源，降低成本，使发酵技术实现新的革命。 发酵过程中，为了能对生产过程进行必要的控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。影响发酵过程发的因素很多，包括物理的（如温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、表观粘度、浊度、料液流量等），化学的（如质浓度、pH、产物浓度、溶解氧浓度、氧化还原电位、废气中氧及二氧化碳浓度、核酸量等）和生物的（如菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、基质消耗速率、关键酶活力等）三大类。根据能否直接用传感器检
生物发酵过程解决方案 引言: 发酵过程是一种既古老又年轻的生化过程。早在几千年前人们就已经在食品生产方面利用酵母对淀粉进行发酵以获得含有乙醇的饮料，这一生产过程一直延续至今，它就是人们所熟知的制酒工业的核心——酿造工业。 利用微生物生长过程中的二次代谢作用以制取医药工业中的抗生素则是人类运用生化技术的一大创造。工业生产时这一新陈代谢过程在发酵罐内完成。深入研究发酵过程将为生化反应——发酵罐的设计、操作和控制奠定基础。因此，它是提高生化工程水平的重要内容之一；生化反应是生化技术中的难点所在，在研究和实际应用时既需要微生物技术也需要借用化工技术以及融汇近代测量技术、计算机技术和控制技术于一体。微生物发酵过程是个极其复杂的生化反应过程，对于发酵罐的操作，以前人们是凭借实践经验来进行的，由于缺乏发酵过程参数的测量监视和控制系统，使得发酵产品成本高、操作费用大、产品在国际市场上缺乏竞争力。为此，需要对发酵罐实行优化操作和控制。 一、发酵过程中的工艺及其特点 一般的耗氧型发酵罐系统如下图所示，其中要测量的参数可以分为物理参数、化学参数以及生物参数。 发酵过程物理参数: 通常有发酵罐温度（T）、 发酵罐压力（P）、发酵液体积（V）、空气流 量（F A ）、冷却水进出口温度（T 1 和T 2 ）、搅拌 马达转速（RMP）、搅拌马达电流（I）、泡沫 高度（H）等，这些物理参数根据不同种类的 发酵要求，都可以选择性的选取有关测量仪 表来实现自动测量。 发酵过程化学参数: 发酵过程典型的化学参 数有PH值（PH）和溶解氧浓度（DO），这两 个参数对于微生物的生长，代谢产物的形成 极为重要。过于由于缺乏耐消毒的能进行无菌操作的PH电极和溶解氧电极，使得无法做到实时的在线测量。而现在已有成熟的PH 和溶解氧测量电极，典型的产品如瑞士的Ingold电极等。
对数残留公式p93 t O N N t lg .k 2.303= 式中：t---灭菌时间（秒） ；k---反应速度常数，与菌的种类和加热温度有关（s －１） No---灭菌开始时，污染的培养基中杂菌个数（个） Nt---经过灭菌时间t 后，残存活菌个数（个 ） 连续发酵p161 是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的量维持恒定，使培养物能在近似恒定状态下生长的培养方式。 各速率p144 菌体生长速v x ：单位时间内细胞重量的变化； X dt dX x ?==μv 式中： X---细胞浓度，g/L; t---时间，h ； μ---比生长速率，h -1 基质消耗速率v s ：单位时间内基质的变化量。 S X x S Y v /v -= x v -------菌体生长速率 S X Y /----菌体得率系数 产物生成速率：单位时间内产物的变化量 。Vp=dt dX Y dt dP X P /= 各比速率 比生长速率：是菌体浓度除菌体的生长速率和菌体浓度除菌体的繁殖速率。在平衡条件下， 比生长速率的定义为： dt dX X 1u =, X--菌体浓度，t--时间。 比生长速率μ除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素的影响。 基质比消耗速率(γ，g ／g 菌体·h)qs ：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。
产物比生成速率(p q ，g ／g 菌体·h)：)(X c v q p p =,单位质量细胞在单位时间内生成产物的速率，它表示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。 q P 微生物耗氧速率p188 指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，以r 表示，单位mmol O 2/(L.h)。微生物在发酵 过程中的耗氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积菌体浓度。r=X Q .o 2 式中r--微生物耗氧速率，mmol O 2/(L.h)； 2o Q --菌体呼吸强度，mmol O 2/(g.h) X--发酵液中菌体的浓度,g/L 摄氧率p188 摄氧率(OUR)：单位体积的发酵液在单位时间内的吸氧量，mmol O 2/(L.h)，摄氧率（耗氧速率）取决于微生物的呼吸强度和单位体积菌体浓度。 r = Q O2 .X 供氧与耗氧的动态关系：OUR= r 呼吸强度p188 呼吸强度：单位时间内单位重量的细胞所消耗的氧气，mmol O 2/(g 干菌体-h) ，表示微生物的相对吸氧量。 k L a p187 即体积溶氧系数或液相体积氧传递系数。代表氧由气相至液相传递的难易程度，它与发酵过程控制、放大和反应器设计密切相关。可以用来衡量发酵罐的通气效率。 kL a 受通气量、通气速率、搅拌轴功率等设备条件影响。 OTR ：氧传递速率，mmol O 2 /(L.h)，氧由气相向液相的传递速率,表征发酵罐设备的供氧能力。 各得率系数p157 生长得率系数：是指每消耗1mo1基质所产生的菌体重量(g) 。) ((c /S c X Y S X ??==）消耗基质的质量生成细胞的质量 ）X (c ?为菌体增加量，)(S c ?为基质消耗量，即消耗)(S c ?的基质生成）X (c ?的菌体（此为实际的率）
第一章菌种与种子扩大培养 1、能源问题是全球面临的问题，生物工程将如何解决？ 答：利用微生物或酶工程技术从生物体生产生物燃料，主要表现在沼气发酵、酒精发酵、氢燃料的研发、生物柴油等方面，另外在石油开发中，利用微生物作为二次采油、石油精炼等手段也是一定程度上缓解能源问题。并且利用生物工程技术在能源资源的回收利用等方面也是可行的方法。 2、比较固体培养与液体培养的优缺点。 答：⑴固体培养（曲法培养） 特点：酶活力高，但劳动强度大，曲层需翻动。 ⑵液体培养 特点：培养条件易控制，如温度，pH等，但易染菌，要求无菌。 3、菌种扩大培养的目的和意义是什么？ 答：目的：为每次发酵罐的投料提供相当数量的、代谢旺盛的种子 意义：有利于缩短发酵时间，提高发酵罐的利用率，也有利于减少染菌的机会 4、工业生产用菌种的基本要求有什么？ 答：①培养基原料来源广、廉价； ②培养条件易控制； ③发酵周期短； ④菌株高产； ⑤抗病毒（噬菌体）能力强； ⑥菌株性状稳定，不易变异退化； ⑦菌体本身不能是病原菌； 5、种子罐级数的选择取决于那些因素？ 答：①种子的性质（生长繁殖性能）； ②孢子瓶中孢子的密度（密度大则级数少）； ③孢子发芽及菌丝繁殖速度； ④发酵罐中种子的最低接种量（一般10%）； ⑤种子罐与发酵罐的容积比； 6、简述加大接种量的优缺点。 答：优点：缩短发酵周期； 减少染菌机会； 提高设备利用率 缺点：种子培养费时； 增加级数； 代谢废物多 7、简述防止菌种衰退的方法。 答：①尽可能满足其营养条件、培养条件，避免有害因素影响； ②尽量减少传代次数； ③采用幼龄菌种； 第二章培养基及其制备 1.微生物发酵培养基的碳源主要有哪几种？ 答：碳酸气、 淀粉水解糖、糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等、 醋酸、甲醇、乙醇等死哟偶化工产品
所学内容： 1、菌种：选育、培养、保藏； 2、发酵的概念、原理、参数控制； 3、介绍一些产品的发酵过程 第一章绪论 一、发酵 1、发酵的定义：培养生物细胞（包括动物细胞、植物细胞和微生物）来制得产物的过程。 2、发酵工业：根据有无风味要求分为酿造工业和发酵工业。 3、实现发酵需具备的条件：①适宜的微生物；②保证微生物进行代谢的条件（pH、营养、温度等）；③进行发酵的设备；④有提取精制产品的方法和设备 二、发酵工业的沿革 ①天然发酵阶段：嫌气发酵、非纯种培养（靠的是经验），质量不稳定。 ②纯种培养技术的建立：巴斯德认识到发酵是由微生物所进行的化学反应；柯赫建立了单种微生物的分离和纯培养技术。——表面培养、产量少 ③通气搅拌发酵技术的建立：青霉素 ④代谢控制发酵技术：运用动态生物化学、遗传学知识，控制生物合理代谢。 ⑤开拓发酵原料时期；⑥基因工程阶段 三、发酵工业的范围 1、微生物菌体发酵：酵母、微生物菌体蛋白（scp单细胞蛋白）、藻类、活性乳酸菌制剂、真菌、生物杀虫剂。 2、微生物酶发酵：工业应用的酶大都来自微生物发酵。 3、微生物代谢产物发酵 初级代谢产物：对数生长期所产生的产物，是菌体生长繁殖所必需的，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、类脂、糖类等 次级代谢产物：菌体生长静止期中，某些菌体能合成在生长期中不能合成的、具有一些特性的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等 4、微生物转化发酵：利用微生物细胞的一种或多种酶把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物的生化反应，特点是特异性强，包括反应特异性、结构位置特异性和立体特异性。最古老的生物转化就是利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。