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1、一 绪 论v 发酵与发酵工程概论v 发酵工程的发展历史v 发酵工程研究的内容v 发酵产物的类型发酵 实质：由于浸出液中糖在缺氧条件下降解而产生CO2所引起的。生物化学家 更注重能量的代谢工业微生物 大规模培养微生物来生产产品的过程发酵与发酵工程发酵：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。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体系。根据以往的观念，人们通常把食品发酵作为整个发酵工业的分支。发酵工程菌的特点能在廉价原料制成的培养基上迅速生长培养条件易于控制生长速度快，产能高，发酵周期短菌种纯粹，抗噬菌体，非病原菌发酵过程的优化
2、最佳控制发酵过程的方案或发酵过程中主要控制的项目和方法目的：条件和相互关系进行优化、复杂关系尽可能简化：细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件、反应器发酵过程优化的研究内容（一）研究细胞的生长反应了解微生物从培养基中摄取营养物质的情况及代谢转化不同环境条件下微生物代谢的分布（二）微生物利用底物进行生长，同时合成代谢产物。运用基于化学计算关系的代谢通量分析方法，可提出微生物代谢途径的可能改善方向。（三）发酵过程优化的核心内容 主要研究生物反应速率及其影响因素建立动力学模型，进而确定发酵过程的最佳生产条件 （四）生物反应过程的参数检测与控制，此二项是发酵过程优化最基本的手段。影响生物反应
3、器宏观动力学的主要因素；生物反应器的形式与结构、操作方式、 物料的流动与混合状况、传递过程特征。发酵罐 为特定一种或多种微生物所进行的生长代谢过程提供良好环境的容器。面临的现实问题理论相对滞后对霉菌和放线菌的研究相对较少对细菌和酵母菌的研究跟不上发展发酵产物的类型微生物菌体微生物代谢产物微生物酶微生物转化产物发酵产物的类型 ：微生物菌体：经过培养微生物并收获其细胞作为发酵产品。微生物的代谢产物v 在微生物对数生长期中产生的代谢产物对菌体的生长繁殖时必需的，这些产物称为初级代谢产物。v 氨基酸、核酸、蛋白质、脂质、碳水化合物v 诱变的变异菌株和改良培养条件得到更多的产物。微生物的次级代谢产物v
4、在菌体生长的稳定期，有时一些菌体能合成在生长期中不能合成的，与菌体的初级代谢不直接相关的物质，这些物质称为次级代谢产物。初级和次级代谢的关系v 初级代谢产物的合成路径是微生物共有的，但是次级代谢产物具有很强的特异性。v 放线菌、丝状菌、有孢子的细菌能产生次级代谢代谢产物，而肠道菌没有发现。v 次级代谢产物是发酵工业的重要组成部分次级代谢和初级代谢的区别1.存在范围及产物类型不同2.对产生者自身的重要性不同初级代谢产物通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这些物质合成过程的某个环节上发生障碍，将导致机体生长停止或死亡次级代谢的某个环节发生障碍不会导致机体的死亡，只会影响机体合成某种次级代谢产物的
5、能力。3.与微生物生长过程的关系明显不同初级代谢贯穿于一切生活的机体中，次级代谢则是在机体生长的一定时期内4.对环境变化的敏感性或遗传稳定性明显不同初级代谢产物对环境条件的变化不太敏感（即遗传稳定性大）次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而停止。5.相关酶的专一性不同某些机体内存在二者既有联系又有区别的代谢类型微生物酶通过获取微生物的酶作为作为发酵产品。广泛的用途种类多、 品种多、生产容易、成本低发酵工业的特点门类众多技术发展迅速节约资源生产过程独特课程小结v 发酵工程是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体系。v 发酵工程研究的内容
6、包括5大部分的内容v 发酵过程的优化包括4部分的内容v 发酵产物大致分为4类课后思考题v 微生物菌种是发酵工程中最重要的条件之一，优良的菌种是发酵工业的基础和关键。v 问题：作为发酵工业的源头，如何进行发酵工业的菌种制备工艺？二 微生物菌种的选育及保藏醋酸杆菌 重要的工业用菌之一，氧化酒精为醋酸，发酵调味品食醋、葡萄糖及维生素C乳酸杆菌 乳酸菌是一种靠发酵碳水化合物能量，并能生成大量乳酸的一类细菌的总称。大肠杆菌 利用大肠杆菌制取天冬氨酸、苏氨酸和颉氨酸枯草芽胞杆菌 好气性芽胞杆菌。可用于生产淀粉酶、蛋白酶、某些氨基酸假单胞菌 细菌中的假单胞菌可以产-甘露聚糖酶。酵母菌 酿酒酵母是与人类关系最
7、密切的一种酵母。应用最广泛制作面包、馒头、酿酒。毕赤氏酵母属、汉逊氏酵母是酒类饮料的污染菌。霉 菌 放线菌担子菌：通常所说的菇类(mushroom)微生物。多糖、橡胶物质和抗癌物质的开发日益受到重视藻 类工业微生物菌种的获得中国工业微生物菌种保藏管理中心（CICC）中国科学院典型培养物保藏委员会国际菌种保藏联合会（WFCC）美国典型微生物菌种保藏中心(ATCC)从自然界或现有菌种中分离筛选采样 采样地点 土壤、极端环境采样时间 采样过程增殖培养控制培养基的营养成分添加某些抑制因子或促进因子控制培养条件纯种分离及纯培养1稀释分离法2划线分离法生产性能测定从自然界中分离得到的为纯种称为野生型菌株。
8、需要通过三角瓶进行小型发酵试验。不符合条件可以作为菌种选育的出发菌种。v 涂布法v 影印法毒性试验自然界的一些微生物是在一定条件下产毒的，将其作为生产菌种应当十分当心，尤其与食品工业有关的菌种，更应慎重。据有的国家规定，微生物中除啤酒酵母、脆壁酵母、黑曲霉、米曲霉和枯草杆菌作为食用无须作毒性试验外，其他微生物作为食用，均需通过两年以上的毒性试验。微生物菌种的选育自然选育 诱变选育 杂交选育 原生质体融合育种 基因工程育种微生物菌种的自然选育在生产过程中，不经过人工处理，利用菌种的自发突变，从而选育出优良菌种的过程叫作自然选育。菌种衰落：生产性能下降菌种代谢旺盛：生产性能提高微生物菌种的诱变育种
9、诱变育种是指用物理和化学诱变剂的方法处理均匀分散的细胞群，使它们发生突变，再从中筛选出符合要求的高产菌株，供生产和科学试验用。微生物菌种的诱变育种出发菌种的选择自然界直接分离到的野生型菌株经历过生产条件考验的菌株已经历多次育种处理的菌株出发菌种的选择及前处理同步培养处于同一生长周期的、生理状态一致的单细胞或单孢子制备单细胞或单孢子菌悬液每个细胞能够均匀接触诱变剂诱变处理诱变剂的种类诱变剂的剂量 作用强度与作用时间的乘积筛选诱变菌株纸片培养显色法透明圈法琼脂块培养法营养缺陷型突变菌株的筛选需要掌握的几个基本术语营养缺陷型 野生型 原养型 基本培养基 补充培养基 完全培养基 淘汰野生型抗生素法过滤
10、法检出营养缺陷型营养缺陷型的鉴定逐个检出法夹层检出法 适用于检出细菌影印检出法杂交选育选用了已知性状的供体菌和受体菌作为亲本，方向性和自觉性方面，均比诱变育种前进了一大步。利用杂交育种往往还可以消除某一菌株在经过长期诱变处理后所出现的产量上升缓慢的现象，原生质体融合育种原生质体育种技术主要有原生质体融合、原生质体转化，原生质体诱变育种等。 面包酵母:对麦芽糖及葡萄糖的发酵力强，产生 CO2 多，生长快；酒精酵母:产酒率高而对麦芽糖、葡萄糖的发酵力弱杂交:就得到了既能生产酒精，又能将其残余菌体用作面包厂和家用发面酵母的优良菌种。基因工程育种分子生物学水平下的一种自觉的、可控制性的菌种改良技术。克
11、服传统菌种改良的随机性和盲目性，能有目的地改良菌种，又被称为定位育种技术。工业微生物菌种的保藏1.斜面低温保藏法方法简单、便于操作菌种易变异、退化及污染保藏时间一般为1-6个月2.液体石蜡覆盖保藏法适用于酵母、霉菌和好氧性细菌的保藏保藏期限一般为1-10年方法简单、对设备要求不高3.液氮超低温保藏法保藏时间达4-15年适用于各种微生物菌种的保藏4.砂土管保藏法适用于保藏干燥的菌种保藏时间因菌种而异,几年至几十年不等对干燥敏感的细菌不宜选择此法保藏5.真空冷冻干燥保藏法低温下快速将细胞冻结，然后在真空条件下干燥、封装，隔绝空气，微生物的生长和酶活动停止。达到长期保藏的目的。适用于各类微生物时间长
12、达10年以上本章小结工业常用的微生物菌种有6大类工业微生物菌种一般通过3种方式获得菌种的分离一般需要经过5个步骤微生物菌种的选育一般有5种方式常见的菌种保藏方式有5种方法思考题作为发酵当中非常重要的成本考虑，培养基占据了成本中至关重要的位置。那么在发酵过程中要如何对各种发酵工艺进行优化？请同学们对此问题进行思考。三 发酵工艺条件的优化培养基培养基是指利用人工方法配制的供微生物、植物和动物细胞生长繁殖和积累代谢产物的各种营养物质的混合物氮源、碳源、无机盐、其他物质工业常用的碳源葡萄糖几乎所有的微生物都能够利用葡萄糖过多的初始葡萄糖容易抑制微生物的生长过多的葡萄糖容易引起培养基中溶氧不足糖蜜 提纯
13、的甘蔗汁或甜菜汁经过多次结晶分离后无法再结晶的制糖废液。若用糖蜜代替甘薯粉，可以省去许多工序,如原料蒸煮、制曲、糖化等,大大简化了生产工艺质量影响因素多麦芽糖 工业常用的碳源主要应用在啤酒工业上工业常用的碳源（四）长链脂肪酸不溶于水、发酵液要设法成为乳状液、发酵罐的结构要做一定的设计改造必须保证溶氧糖类的利用原则葡萄糖、果糖等单糖最好双糖和多糖其次有机酸、醇类、烃类等利用效果不是最好、但是价格很便宜工业常用的氮源氨水在发酵中后期用来调节pH值，兼作氮源使用前也要进行除菌处理不能完全作为氮源，需要提供适当的有机氮源玉米浆 玉米制淀粉和糖进入到浸泡水制得的黄豆饼粉 黄豆压榨法获得尿素 含氮量高、微
14、生物必须能分泌脲酶才能分解尿素相对玉米浆，尿素营养成分简单得多对发酵过程便于控制，但另外一方面使培养基的营养不够丰富主要用于氨基酸的生产，尤其是谷氨酸的生产无机盐作用广泛、对微生物极为重要需求量因菌种和产品不同而各不一样水一般配制培养基无特殊要求用蒸馏水或自来水即可，但是要注意氯的含量饮料、保健品和酿造对水的含量很高有些酒只有使用当地水源才能保证独特的口味特殊生长因子维生素、碱基、卟啉及其衍生物以及某些氨基酸生长因子一般不需要单独添加，培养基中很多营养丰富的天然原料中已含有足够的生长因子。生物素的浓度的控制谷氨酸的发酵要严格控制生物素的浓度过多：谷氨酸不积累过少：菌体生长受抑制前体物质前体是指
15、一些添加到培养基中的物质，它们并不促进微生物的生长，但能直接通过微生物的生物合成过程结合到产物分子上，自身结构基本不变，而产物产量去因此有较大提高。促进剂与抑制剂产物促进剂：既不是营养物也不是前体物质，但是却能提高产量的物质产物抑制剂：对生产菌代谢途径有某种调节能力的物质工业发酵中用途不同的培养基实验室常用培养基发酵生产常用培养基孢子培养基 提供菌种繁殖孢子的一种常用固体培养基营养不能太丰富无机盐浓度适当注意培养基的pH值和湿度种子培养基 供孢子发芽生长出大量菌丝体，或不产孢子的菌种繁殖出大量细胞，并且有较高活力和纯度的培养基。配比上尽量接近发酵培养基设法让菌种繁殖、长菌体。同时避免老化或者发
16、酵发酵培养基 供菌种生长繁殖和合成发酵产物的培养基保证接种的种子能长到一定浓度保证菌体能迅速合成发酵产物发酵培养基成分用量的优化（一）参照微生物细胞内元素的比例确定不同类型的微生物细胞的成分比例其实是有一定规律的除水外，碳的含量最高其次是N、P、S、K、Mg以及各种微量元素、含量递减发酵培养基成分用量的优化（二）参照碳氮比确定培养基碳源中的碳原子与氮源中氮原子的摩尔数之比C/N太大，培养基偏酸C/N太小，培养基偏碱一般确定在100:(1-20)发酵培养基成分用量的优化（三）合理的方法单因子实验法响应面法正交试验法单因子实验法无碳培养基中分别加入30g/L的葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乙醇在无氮
17、培养基中分别加入5g/L的蛋白胨、酵母粉、牛肉膏、2g/L 的硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、硝酸钾在确定氮源和碳源的基础上，（另添加0.5g/L的硫酸镁）分别添加2g/L的氯化钙、硫酸锌、硫酸亚铁、磷酸二氢钾最终确定得到初步优化的培养基组成为 蔗糖：30g/L、酵母粉:5g/L、氯化铵:2g/L、磷酸二氢钾:2g/L、硫酸镁:0.5g/L、氯化钙:0.3g/L发酵培养基成分用量的优化（四）其他因素严格控制各种用量极少的物质各种理化条件要适宜。包括：pH、水活度、渗透压和氧化还原电位发酵工业中营养基质的配制方法淀粉质原料制糖工艺及培养基的配制方法糖蜜培养基的制备淀粉的组成白色、无定形结晶粉末微生物分解
18、淀粉需胞外淀粉酶发酵工业中长先水解淀粉，制成水解糖后使用淀粉水解制糖工艺酸解法 以酸( 无机酸或有机酸) 为催化剂, 在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。 优点: 生产简易, 对设备要求简单; 水解时间短; 设备生产能力大等优点。 缺点：设备要求高，有副反应的发生，对淀粉原料要求严格， 酶解法 是用淀粉酶将淀粉水解为葡萄糖优点：设备要求低。专一性强、糖液颜色浅、较纯净缺点：时间长，过滤困难酸酶结合法(1)、酸酶法 有些淀粉(如玉米、小麦等) 颗粒坚实，如果用淀粉酶液化，在短时间内作用，液化反应往往不彻底。采用酸(盐酸)将淀粉水解至葡萄糖值(DE值1015 ) ，然后将水解液降温、中和，再
19、加入糖化酶进行糖化。优点: 用酸酶水解淀粉制糖,具有酸液化速度快,用酸量较少,产品颜色浅,糖液质量高。 (2)酶酸法 有些淀粉原料,颗粒大小不一(如碎米淀粉等),如果用酸法水解,则常致使水解不均匀,出糖率低，故采用先经淀粉酶液化,过滤除杂质后,再用酸法水解制成葡萄糖。优点: 此法能采用粗原料淀粉,淀粉浓度较酸法高,生产较易控制,时间短,而且酸水解pH稍高,可减少淀粉水解副反应的发生,糖液色泽较浅。糖蜜制备的预处理澄清处理：除去灰分和胶体物质脱钙处理：除去钙盐除去生物素总结工业常用的培养基成分包括5大类发酵生产常用的培养基包括3种发酵培养基成分用量的优化要注意4个问题淀粉质原料制糖工艺常用3种方
20、法思考题作为发酵当中非常重要的一个步骤 ，种子的制备占据了一个很重要的地位，如何进行种子的工艺制备？请同学思考 四 发酵单元操作（一）种子培养(seed culture) 是指将冷冻干燥管、砂土管中处于休眠状态的工业菌种接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。这种纯培养物称为种子。优良种子的条件（一）菌种细胞的生长活力强，接种至发酵罐后能迅速生长，延迟期短菌种生理状态稳定。菌丝体、菌丝生长速率和种子培养液的特性等符合条件优良种子的条件（二）菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求无杂菌污染保持稳定的生产能力种子的制备过程放线菌孢子的制备采用琼脂斜面培养
21、含有适合产孢子的营养成分碳源和氮源不能太丰富培养条件要适宜碳源限量而氮源丰富的培养基培养温度一般为30-37培养时间1-2天，产芽孢的5-10天霉菌孢子的制备一般以天然农产品为培养基培养温度为25-28 培养时间为4-14d酵母种子的制备一般采用麦芽汁琼脂培养基或ZYCM培养基或MYPG培养基培养温度28-30，培养时间1-2d摇瓶种子制备将孢子经摇瓶培养成菌丝后再进入种子罐孢子发芽和菌丝繁殖速度缓慢的菌种 培养基要求比较丰富和完全，并易被菌体分解利用，氮源丰富有利于菌丝生长。种子罐种子制备 一（二、三级种子的制备）级数的确定取决于菌种的性质和菌体生长速率及发酵设备的合理应用。发酵罐级数减少，
22、有利于生产过程的简化及发酵过程的控制，可以减少因种子生长异常而造成发酵的波动。生产车间种子的培养种子罐级数是指制备种子需逐级扩大培养的次数。菌种生产特性、孢子发芽及菌体繁殖速度所采用发酵罐的容积种子发酵罐级数的确定细菌摇瓶 种子罐 发酵罐青霉素孢子悬浮液 一级种子罐 二级种子罐 发酵罐放线菌:四级发酵罐酵母菌:通常用一级种子接种龄接种龄是指种子罐中培养基的菌丝体开始移入下一级发酵罐或发酵罐时的培养时间。通常菌龄是以处于生命力极旺盛的对数生长期，菌体量还未达到最大值时的培养时间较为合适接种量接种量是指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例接种量的大小决定于生产菌种在发酵罐中生长繁殖的速度细菌1
23、%-5%酵母菌5%-10%霉菌7%-15%种子培养静置培养法（嫌气发酵法）将培养基盛于发酵容器中，在接种后，不通空气进行发酵通气培养法（好气发酵法）生产菌种以需氧菌和兼性需氧菌居多，它们生长的环境必须供给氧气，以维持一定的溶解氧水平，使菌体迅速生长和发酵种子质量标准细胞或菌体生化指标产物生成量酶活力泡沫的控制泡沫产生的原因泡沫的影响消泡措施：机械法、化学法、改进培养基成分染菌的控制染菌产生的原因染菌的控制 加强消毒 保证菌种的纯度严格控制菌种扩大培养的工艺条件谷氨酸发酵的菌种扩大培养斜面菌种的培养 必须有利于菌种生长而不产酸，并要求斜面菌种绝对纯，不得混有任何杂菌或噬菌体，培养条件应有利于菌种
24、繁殖，培养基以多含有有机氮而不含或少含糖为原则。斜面培养基组成 葡萄糖0.1%、蛋白胨1.0%、牛肉膏1.0%、氯化钠0.5%、琼脂2.0-2.5%、 pH7.0-7.2培养条件33-34,18-24h二级种子培养条件培养条件接种量：0.8%-1.0%培养温度：32-34培养时间：7-8h 通风量1)50种子罐1:0.5搅拌转速340r/min2)250种子罐1:0.33)搅拌转速300r/min500种子罐1:0.25搅拌转速230r/min二级种子的质量要求种龄7-8hpH 7.2左右OD值 净增0.5左右无菌检查（）噬菌体检查（）分批灭菌在发酵罐中实罐灭菌包括升温、保温和降温三个过程尤其
25、对于极易发泡或黏度很大难以连续灭菌的培养基得灭菌有效三路进气四路出气分批灭菌应该注意的问题准确称量培养基发酵罐的空消，并校对各项数据排气阀门的开启先关排气阀，再关进气阀门灭菌结束后应立即引入无菌空气保压连消塔加热的连续灭菌喷射加热器加热的连续灭菌流程薄板换热器的连续灭菌流程连消塔 连消塔是培养液高温短时间连续灭菌设备，它与维持罐组成连续灭菌系统，分套管式和汽液混合式两类汽液混合式连消塔维持罐灭菌系统中的维持设备，主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目的，也称保温设备可使料液和蒸汽迅速接触，充分混合，加热是在瞬时内完成的。连续灭菌应该注意的事项发酵罐应空罐灭菌设备和管道都
26、应清洗和灭菌培养基应预热培养基成分有需要时应该在不同温度下分开灭菌分批灭菌的优缺点设备投资少染菌的危险性小人工操作较方便对培养基中固体物质含量较多时更为适宜灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵设备连续灭菌的优缺点保留较多的营养质量容易放大较易自动控制糖受蒸汽的影响较小缩短灭菌周期在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少发酵罐利用率高蒸汽负荷均匀设备较复杂，投资较大影响灭菌的因素培养基的成分培养基的物理状态培养基的pH值培养基中微生物的数量微生物细胞的含水量影响灭菌的因素（二）微生物细胞的菌龄微生物的耐热性空气排除情况搅拌、泡沫发酵设备的灭菌培养基采用连续灭菌时，发酵罐需
27、在培养基灭菌之前，直接用蒸汽进行空罐灭菌。培养基的贮罐要求洁净无菌。空气过滤器在发酵罐灭菌之前进行灭菌所有的附属设备和管路都需要灭菌补料液的灭菌发酵过程中向发酵罐补入的料液都需经过灭菌补料量较大，而具有连续性时，则采用连续灭菌较为合适补料液的分批灭菌，通常是向盛有物料的容器中直接通入蒸汽也有利用过滤法对另补料液进行除菌课堂小结 优良的菌种需要具备5个条件孢子制备一般包括4类情况的制备种子的质量标准有4个指标发酵培养基的灭菌方式分为2大类。各有优缺点思考题作为发酵当中非常重要的一个步骤，氧气占据了一个很重要的地位，如何进行空气的灭菌、空气对整个发酵过程有什么影响？请同学思考作业优良的菌种应该具备
28、哪些条件种子的质量标准包括哪些指标发酵培养基的灭菌方式分为哪2大类？各有什么优缺点。发酵单元操作（二）本章内容无菌空气的制备方法无菌空气制备的过程无菌空气的检查溶氧的控制无菌空气的制备发酵工业应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。此种空气称为“无菌空气”。一般按染菌几率为10-3来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1-2次染菌。热灭菌法 基于加热后微生物体内的蛋白质（酶）氧化变性而实现静电除菌 利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。阻力小，染菌率低，耗电少设备庞大，对很小微粒除菌的效率较低。介质过滤除菌 利用
29、有孔介质从气体中除去微生物空气过滤器 空气过滤器的功能是从气体中去除污染物（微生物）以使达到所需的气体的无菌程度。直接拦截 基本过滤机制，本质是筛分效应，机械拦截颗粒 当颗粒大于流道孔径时即被该结构去除溶污能力可以通过弯曲结构提高，筛网无此功能。多个小颗粒的搭桥，可以拦截尺寸小于滤孔的颗粒。惯性撞击 当流体改变运动方向时，惯性使颗粒撞击到滤材表面并由于吸附力而停留当流经过滤介质时流体必需沿弯曲通道行进，这将增加过滤机制的有效性。扩散拦截 气体分子（作随机运动）碰撞小颗粒或雾滴过滤机理总结过滤介质的过滤/分离效率由于直接拦截、惯性分离、扩散拦截的共同作用而增强无菌空气制备的过程空气预处理：提高压
30、缩空气的洁净度，降低空气过滤器的负荷去除压缩后空气中所带的油水，以合适的空气湿度和温度进入空气过滤器空气过滤处理 除去微生物颗粒，满足生物细胞培养需要空气过滤除菌的设备流程的主设备空气压缩机附属设备粗过滤器空气贮罐气液分离器空气冷却管两级冷却、分离、加热的空气除菌流程 流程的特点：两次冷却，两次分离，适当加热。尤其适用于潮湿的地区高效前置过滤除菌流程特点：无菌程度高冷热空气直接混合式可省第二冷却分离设备和空气再加热设备，流程比较简单，冷却水用量较少，利用压缩空且的热量来提高空气湿度。适用于中等潮湿的地区。其他的空气过滤除菌流程将空气冷却至露点以上的空气除菌流程利用热空气加热冷空气的空气除菌流程
31、一次冷却和析水的空气除菌流程过滤器 深层棉花、活性炭过滤器立式圆筒形，内部填充过滤介质，以达到除菌的目的滤纸过滤器金属过滤器金属预过滤器过滤系统过滤由金属过滤器、预过滤器及蒸汽过滤器组成。预过滤器的作用是将空气前处理系统中的铁锈等杂物进行预滤。蒸汽过滤器则是阻挡蒸汽管路中的锈蚀物和锅炉污垢等杂质。保护金属过滤器，延长其使用寿命。膜过滤系统组成蒸汽过滤器预过滤器（粗） 除菌过滤器（精）附属设备粗过滤器 作用：捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受磨损，同时也可减轻总过滤器负荷。要求：过滤效率要高，阻力要小；否则会增加压缩空气的吸入负荷和降低压缩空气机的排气量。粗过滤器空气贮罐消除压缩机排出空气量的脉动
32、，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。气液分离器旋风式填料式空气冷却器喷淋关无菌空气的检查光学检查法 利用微粒对光线的散射作用来测量空气中粒子的大小和数量（不是活菌数）。可测出空气中0.5-5m微粒的各种浓度肉汤培养基检查法连续取气数小时或十几小时，置于37培养箱培养16h，若出现混浊，表明空气中有杂菌检查无菌空气装置的制备溶氧控制微生物的临界氧浓度微生物的耗氧速率受发酵液中氧的浓度的影响，各种微生物对发酵液中溶氧浓度有一个最低要求，这一溶氧浓度叫做临界氧浓度。各种微生物的临界氧值以空气氧饱和度%来表示。临界氧是指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。控制溶氧的工艺手段改变通
33、风速率改变搅拌转速改变气体组成中的氧分压改变罐压改变发酵液的理化性质加入传氧中间介质本章小结无菌空气的制备方法主要有3种；无菌空气的制备过程主要有3种流程；空气过滤除菌的过滤器主要有4种类型；附属设备主要有4类；无菌空气的检查方法主要有2种。思考题发酵罐作为整个发酵工程的心脏，占据了核心的地位，请思考各类发酵罐是如何工作的？发酵单元操作（四）通风发酵设备四十年代中期，青霉素的工业化生产，或深层通风培养技术的出现，标志近代通风发酵工业的开始在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长
34、繁殖、发酵所需要的氧气。机械搅拌发酵罐的结构适宜的径高比密封式的受压设备保证必需的溶氧足够的冷却面积罐体的比例尺寸罐的高度与直径之比一般为1.74，发酵罐两组搅拌器间距约为搅拌器直径的3倍大型发酵罐可以安装3组搅拌器搅拌器搅拌器的作用打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中为了便于拆装，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。轴向搅拌器形成轴向的螺旋转动，混合效果好，但造成的剪率较低，对气泡的分散效果不好。常用的螺旋桨叶数Z=3，螺距等于搅拌器直径，最大叶端速度不超过25m/s圆盘直叶涡轮搅拌器圆盘直叶涡轮搅拌器的圆盘阻挡大的气泡，避免其从轴部的叶片空隙上升，保证了气泡的更好的分散。
35、具有很大的循环输送量和功率输出，包括粘性流体，非牛顿流体的搅拌混合。圆盘弯叶涡轮搅拌器搅拌流型与平叶涡轮的相似，在相同的搅拌转速时，其混合效果较好。输出的功率较平叶涡轮的为小。在混合要求特别高，而溶氧速率相对要求略低时，可选用圆盘弯叶涡轮。圆盘箭叶涡轮搅拌器其搅拌流型与上述两种涡轮相近，但它的轴向流动较强烈，但在同样的转速下，它造成的剪率低，输出功率也较低。挡板挡板的作用是改变液流的方向，由径向改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶氧通常挡板宽度取(0.10.2)D,装设64块即可满足全挡板条件竖立的列管、接管也可以起挡板作用。消泡器消泡器的作用是将泡沫打碎。长度约为罐径的0.65倍常见的形式
36、锯齿式、梳状式、孔板式机械消泡装置锯齿式消泡桨半封闭式涡轮消泡器离心式消泡器刮板式消泡器连轴器联轴器使发酵罐的上下搅拌轴成固定的刚性联接小型发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。轴承为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴承。底轴承和中间轴承的水平位置应能相适应调节。为了防止轴颈磨损，可以在轴承接触处的轴上增加一个轴套。变速装置试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动较为简便。轴封 轴封的作用是使灌顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止工作介质（液
37、体、气体）沿转动轴渗出设备之外泄漏或染杂菌。可分为 填料函式轴封 端面式轴封填料函式轴封优点：结构简单主要缺点1.死角多，很难彻底灭菌，容易渗透及染菌2.轴的磨损情况较严重3.填料压紧后摩擦功率消耗大4.寿命短，经常维修，耗工时多端面轴封密封作用是靠弹性元件的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。优点较多缺点1.结构较填料密封复杂，装拆不便2.对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高空气分布装置 作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与培养液充分混合，增加了气液传质效果。 夹套式换热装置 多用于容积较小的发酵罐、
38、种子罐夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。优点缺点竖式蛇管换热装置 竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，容积5m3以上的发酵罐多用这种换热装置适用于冷却水温度较低的地区，水的用量较少气温高，冷却水温度较高，则发酵降温困难。竖式列管换热装置 以列管形式分组对称装于发酵罐内优点：加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区缺点：传热系数较蛇管低，用水较大。气升式发酵罐 机械搅拌发酵罐具有众多有点，但是设备构造比较复杂 ，动能消耗较大。采用气升式发酵罐可以克服上述的缺点。气升式发酵罐的结构及原理 分为内循环和外循环两种罐体 上升管 空气喷嘴性能指标 循环周期时间必须符合菌种发酵的需要选用
39、适当直径的喷嘴以增加溶氧系数。自吸式发酵罐 不需要空气压缩机提供无菌空气高速旋转的转子产生的真空或液体喷射吸气装置吸入空气用于醋酸及酵母单细胞蛋白的生产节能、节省空间、设备结构简单弗盖布氏发酵罐动力小，节能具有独特的搅拌器和通气结构本章小结机械搅拌发酵设备结构一般有11部分的常见的机械搅拌发酵设备有3类思考题发酵中如何进行中试及放大试验一直是关键的技术，在此之中有什么地方需要学习和掌握，有哪些关键技术要注意。请同学们课后思考？五 发酵染菌及防治发酵染菌控制的意义保证发酵产品的质量和收率的稳定保证发酵生产正常有序的进行有利于节约型社会的建立发酵异常现象菌种在扩培阶段发生异常现象，必然会对发酵过程
40、产生巨大的影响异常现象是指发酵过程中某些理化参数和生物参数发生与原有特性不同的改变包括种子培养异常和发酵异常种子培养异常菌体生长缓慢菌种自身的原因培养基的原因操作过程的原因菌丝结团 通气溶氧不足、搅拌剪切力过大、培养基质量下降、种子冷冻保藏的时间长、泡沫多、培养液粘度低代谢不正常 表现出糖、氨基酸等的变化不正常，菌体浓度和代谢产物不正常。原因 培养物和培养基不相匹配、培养环境差、接种量少、杂菌污染等发酵异常菌体生长差：由于种子质量问题或者是种子的保藏时间较长，导致活菌少或孢子萌发率低，延迟期长，发酵液内的菌体数量少。种子质量差，发酵条件差，培养基质量差均可引起糖、氧消耗慢甚至停滞。pH异常 表
41、现为pH突然升高或突然降低，主要与培养基原料差、灭菌不彻底，加糖和加油过于集中。溶解氧水平异常：发酵过程中，如果溶解氧水平发生了异常变化，一般都是发酵染菌的表现。当受到好气性杂菌污染时，溶解氧的变化是短时间内下降，直至为零，且在较长时间内不能回升；当受到非好气性杂菌污染时，抑制生产菌的生长，降低溶解氧的消耗，使溶氧升高。菌体浓度过高或过低泡沫过多染菌隐患的检查1显微镜检查法2革兰氏染色法3肉汤培养法 检查培养基和无菌空气是否带菌或菌种中是否有噬菌体。一般使用葡萄糖酚红肉汤作为培养基4平板划线培养或斜面培养检查法以平板划线和肉汤培养结果为主要根据要定期取样，取样时防止外界杂菌混入5发酵过程的异常
42、现象观察法溶氧异常、排气中的CO2异常变化发酵染菌的原因发酵工艺流程中的各环节漏洞发酵过程管理不善染菌原因的分析国外一发酵工厂的染菌原因分析国内一发酵企业染菌的原因分析杂菌污染后的挽救和处理种子培养期染菌的处理染菌后对设备的处理发酵罐需要放罐后彻底清洗空罐加热灭菌至120以上、保持30min后才能使用甲醛熏蒸或溶液浸泡12h以上处理杂菌的预防措施强化空气净化过程1空气进化流程的选择2过滤介质的选择3过滤介质的填装4空气净化系统的管理严格培养原料及设备的灭菌原料的预处理1原料除杂：防止机械受磨损2粉碎：减少固体的团块3浸泡：使营养物质便于菌体的利用4糊化、液化和糖化：大分子物质分解为小分子物质，
43、易于菌体利用严格培养原料及设备的灭菌培养基的灭菌在保证杀灭杂菌的前提下，尽可能多地保留营养物质。一般选择高温蒸汽对培养基、发酵罐及管路系统进行灭菌。一般微生物的营养细胞在60维持10min就会死亡。噬菌体一般在80下就会死亡设备的灭菌实罐灭菌时，要充分排尽发酵罐内的冷空气对设备的死角要进行处理法兰连接死角发酵工厂的有关管路要保持光滑、畅通、密封性好，以避免和减少管道染菌的机会渣滓在罐底形成的死角培养基在罐底形成的膜层，有一定的绝热作用，容易形成死角。不锈钢衬里的死角发酵液通过裂缝进入衬里和钢板之间，窝藏在那里形成死角。采用复合钢板制造发酵罐不产生死角接种管路的死角种子罐与发酵罐的一段连接管路的
44、灭菌是与发酵罐的灭菌同时进行的。应该在1处焊接上一个排气阀。排气管的死角罐顶排气管弯头处如有堆积物，其中窝藏的杂菌不容易彻底消灭，而当发酵时受搅拌的震动和排气的冲击就会一点点地剥落下来造成污染。排气管的直径太大，灭菌是蒸汽流速小也会使管中部分耐热菌不能全部杀死。所以排气管不宜过大或过小。不合理补料管配置造成的死角不合理的补料管也容易造成死角压力表安装不合理造成的死角压力表安装不合理容易造成死角定期检测发酵设备及管道发酵设备的定期检查1.搅拌系统转动有无异常2.机械密封是否严密3.罐内的螺丝是否松动4.罐内的管道有无堵塞5.罐体连接阀门是否严密发酵罐气密性的检查方法是维持温度不变，观察罐压是否恒定管道、阀门的定期检查管道容易因为各种原因发生渗漏导致染菌管道与阀门及主体设备的连接处、变径连接处、与管件的连接处由于热胀冷缩、物料腐蚀等作用容易发生渗漏检查方法：在管路系统中压入碱液，然后在可疑的地方用浸渍酚酞的白布拭擦，如出现红色，则为渗漏点。阀门的渗漏发酵设备中使用最多的附属设备是阀门，