《食品發(fā)酵工藝》中文課件PPT,食品發(fā)酵工藝,食品,發(fā)酵,工藝,中文,課件,PPT 第四章第四章 發(fā)酵工藝過程控制發(fā)酵工藝過程控制 第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵的操作方式發(fā)酵的操作方式分批培養(yǎng)分批培養(yǎng)補(bǔ)料分批培養(yǎng)（半連續(xù)培養(yǎng)）補(bǔ)料分批培養(yǎng)（半連續(xù)培養(yǎng)）連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)一、一、分批培養(yǎng)分批培養(yǎng) （batch culture or fermentationbatch culture or fermentation）1.1.概念：概念：在一個(gè)密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營(yíng)在一個(gè)密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進(jìn)行培養(yǎng)，在特定的條件下只完成一個(gè)生長(zhǎng)周期的微生物在特定的條件下只完成一個(gè)生長(zhǎng)周期的微生物培養(yǎng)方法培養(yǎng)方法。分批培養(yǎng)中微生物的生長(zhǎng)分批培養(yǎng)中微生物的生長(zhǎng)遲滯期遲滯期對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期穩(wěn)定期穩(wěn)定期死亡期死亡期2.2.特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1)(1)整個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)與外界沒有其它物質(zhì)交換（整個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)與外界沒有其它物質(zhì)交換（O O2 2、COCO2 2、消泡劑、酸堿除外）消泡劑、酸堿除外）(2)(2)整個(gè)過程中菌的濃度、營(yíng)養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)整個(gè)過程中菌的濃度、營(yíng)養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度不斷變化，是一種非穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)方法。物濃度不斷變化，是一種非穩(wěn)態(tài)的培養(yǎng)方法。3.分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)單，周期短，染菌機(jī)會(huì)少，操作簡(jiǎn)單，周期短，染菌機(jī)會(huì)少，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量容易掌握。缺點(diǎn)缺點(diǎn):產(chǎn)率低，不適于測(cè)定動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。產(chǎn)率低，不適于測(cè)定動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。二、二、連續(xù)培養(yǎng)（連續(xù)培養(yǎng)（continuous culturecontinuous culture）1.概念：概念：微生物培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，在發(fā)酵罐微生物培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，在發(fā)酵罐中不斷添加新鮮的培養(yǎng)基，同時(shí)不斷放出代中不斷添加新鮮的培養(yǎng)基，同時(shí)不斷放出代謝物，使微生物細(xì)胞在近似恒定狀態(tài)下生長(zhǎng)謝物，使微生物細(xì)胞在近似恒定狀態(tài)下生長(zhǎng)的培養(yǎng)方式。的培養(yǎng)方式。2.特點(diǎn)：特點(diǎn)：菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度均處于恒定狀態(tài)。均處于恒定狀態(tài)。3.連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)連續(xù)培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):控制稀釋速率可以使發(fā)酵過程最優(yōu)化?？刂葡♂屗俾士梢允拱l(fā)酵過程最優(yōu)化。發(fā)酵周期長(zhǎng)，產(chǎn)量高。發(fā)酵周期長(zhǎng)，產(chǎn)量高。缺點(diǎn)缺點(diǎn):長(zhǎng)期連續(xù)培養(yǎng)會(huì)引起菌種退化，降低長(zhǎng)期連續(xù)培養(yǎng)會(huì)引起菌種退化，降低 產(chǎn)量。染菌機(jī)會(huì)增加。產(chǎn)量。染菌機(jī)會(huì)增加。應(yīng)用：廢水處理、葡萄糖酸發(fā)酵、酒精發(fā)酵等工業(yè)中。應(yīng)用：廢水處理、葡萄糖酸發(fā)酵、酒精發(fā)酵等工業(yè)中。三、補(bǔ)料分批培養(yǎng)（三、補(bǔ)料分批培養(yǎng)（fed-batch fed-batch cultureculture）介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的操作方法。介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的操作方法。1.1.概念：概念：根據(jù)菌體生長(zhǎng)和初始培養(yǎng)基的特點(diǎn)，根據(jù)菌體生長(zhǎng)和初始培養(yǎng)基的特點(diǎn)，在分批培養(yǎng)的某些階段適當(dāng)補(bǔ)加培養(yǎng)基，使菌在分批培養(yǎng)的某些階段適當(dāng)補(bǔ)加培養(yǎng)基，使菌體或其代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)。體或其代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)。2.2.補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)補(bǔ)料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：與分批培養(yǎng)相比與分批培養(yǎng)相比(1)(1)解除底物抑制、產(chǎn)物的反饋抑制和葡萄糖的解除底物抑制、產(chǎn)物的反饋抑制和葡萄糖的 分解阻遏效應(yīng)。分解阻遏效應(yīng)。(2)(2)延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時(shí)間。延長(zhǎng)次級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時(shí)間。與連續(xù)培養(yǎng)相比與連續(xù)培養(yǎng)相比(1)(1)降低了染菌，避免了遺傳不穩(wěn)定性。降低了染菌，避免了遺傳不穩(wěn)定性。(2)(2)最終產(chǎn)物濃度較高，有利于產(chǎn)物的分離。最終產(chǎn)物濃度較高，有利于產(chǎn)物的分離。(3)(3)使用范圍廣。使用范圍廣。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：(1)(1)由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致由于沒有物料取出，產(chǎn)物的積累最終導(dǎo)致 比生產(chǎn)速率的下降。比生產(chǎn)速率的下降。(2)(2)由于物料的加入增加了染菌機(jī)會(huì)。由于物料的加入增加了染菌機(jī)會(huì)。應(yīng)用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工業(yè)。應(yīng)用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工業(yè)。3.幾個(gè)實(shí)例：幾個(gè)實(shí)例：產(chǎn)物產(chǎn)物補(bǔ)料物補(bǔ)料物酵母菌酵母菌麥芽汁、氮、磷、鎂麥芽汁、氮、磷、鎂谷氨酸谷氨酸氨水或尿素氨水或尿素檸檬酸檸檬酸銨鹽、糖銨鹽、糖蘋果酸蘋果酸葡萄糖葡萄糖淀粉酶淀粉酶葡萄糖葡萄糖青霉素青霉素葡萄糖、氨水、苯乙酸葡萄糖、氨水、苯乙酸 第二節(jié)第二節(jié) 溫度變化及其控制溫度變化及其控制一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響一、溫度對(duì)發(fā)酵的影響 1.1.影響反應(yīng)速率影響反應(yīng)速率 2.2.影響發(fā)酵方向影響發(fā)酵方向另外，還影響發(fā)酵液的粘度、溶氧和傳遞速率。另外，還影響發(fā)酵液的粘度、溶氧和傳遞速率。二、最適溫度的選擇二、最適溫度的選擇 最適發(fā)酵溫度是既適合菌體的生長(zhǎng)又適最適發(fā)酵溫度是既適合菌體的生長(zhǎng)又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度。合代謝產(chǎn)物合成的溫度。隨菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體隨菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生長(zhǎng)階段不同而改變。生長(zhǎng)階段不同而改變。三、發(fā)酵過程引起溫度變化的因素三、發(fā)酵過程引起溫度變化的因素發(fā)酵熱發(fā)酵熱Q Q發(fā)酵發(fā)酵Q Q生物生物Q Q攪拌攪拌Q Q蒸發(fā)蒸發(fā)Q Q輻射輻射四、溫度的控制四、溫度的控制 一般不需加熱，因一般不需加熱，因釋放了大量的發(fā)酵熱，釋放了大量的發(fā)酵熱，需要冷卻的情況多。需要冷卻的情況多。用夾套或蛇形管，用夾套或蛇形管，通冷卻水。通冷卻水。第三節(jié)第三節(jié) pHpH變化及其控制變化及其控制一、一、pHpH變化的原因變化的原因 1.1.基質(zhì)代謝基質(zhì)代謝 （1 1）糖代謝）糖代謝 糖分解成小分子酸、醇，使糖分解成小分子酸、醇，使pHpH下降。下降。糖缺乏，糖缺乏，pHpH上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。上升，是補(bǔ)料的標(biāo)志之一。（2 2）氮代謝）氮代謝 氨基酸中的氨基酸中的-NHNH2 2被利用，被利用，pHpH下降；下降；尿素被分解成尿素被分解成NHNH3 3，pHpH上升。上升。（3 3）生理酸堿性物質(zhì)利用后，）生理酸堿性物質(zhì)利用后，pHpH上升或下降。上升或下降。2.2.產(chǎn)物形成產(chǎn)物形成 3.3.菌體自溶菌體自溶 pHpH上升上升二、二、pHpH對(duì)發(fā)酵的影響對(duì)發(fā)酵的影響 1.1.影響酶的活性。影響酶的活性。2.2.影響微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。影響微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。3.3.影響微生物對(duì)基質(zhì)的利用速率。影響微生物對(duì)基質(zhì)的利用速率。4.4.影響代謝方向影響代謝方向三、三、pHpH值的確定和控制值的確定和控制 1.1.pHpH的確定的確定 微生物發(fā)酵的最適微生物發(fā)酵的最適pHpH范圍一般在范圍一般在5 5 8 8之間，之間，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，即配制不同初始根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，即配制不同初始pHpH的培養(yǎng)基，的培養(yǎng)基，搖瓶考察發(fā)酵情況。搖瓶考察發(fā)酵情況。2.pH2.pH的控制的控制 (1)1)調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)培養(yǎng)基的調(diào)節(jié)好基礎(chǔ)培養(yǎng)基的pHpH。若控制消后若控制消后pHpH在在6.06.0，消前，消前pHpH往往要調(diào)到往往要調(diào)到6.56.5 6.86.8。(2)(2)通過加酸堿和中間補(bǔ)料來控制。通過加酸堿和中間補(bǔ)料來控制。a.a.過去直接加酸（過去直接加酸（H H2 2SOSO4 4）或堿（或堿（NaOHNaOH），），現(xiàn)常用：現(xiàn)常用：生理酸性物質(zhì)：生理酸性物質(zhì)：(NHNH4 4)2 2SOSO4 4 生理堿性物質(zhì)：氨水生理堿性物質(zhì)：氨水b.b.補(bǔ)料既調(diào)節(jié)了補(bǔ)料既調(diào)節(jié)了pHpH值，又補(bǔ)充了營(yíng)養(yǎng)，還可減少阻值，又補(bǔ)充了營(yíng)養(yǎng)，還可減少阻 遏作用。遏作用。如：味精廠普遍采用流加尿素，有兩個(gè)作用如：味精廠普遍采用流加尿素，有兩個(gè)作用:調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)pHpH值值 補(bǔ)充氮源補(bǔ)充氮源 第四節(jié)第四節(jié) 溶解氧及其控制溶解氧及其控制一、溶解氧（一、溶解氧（dissolved oxygen,DOdissolved oxygen,DO）對(duì)發(fā)酵的影響對(duì)發(fā)酵的影響 溶氧要適量，大小與產(chǎn)物的生物合成途徑有關(guān)。溶氧要適量，大小與產(chǎn)物的生物合成途徑有關(guān)。（1 1）最適氧濃度（）最適氧濃度（optimal oxygen concentrationoptimal oxygen concentration）：）：菌體生長(zhǎng)或產(chǎn)物合成最適濃度范圍。菌體生長(zhǎng)或產(chǎn)物合成最適濃度范圍。（2 2）臨界氧濃度（）臨界氧濃度（critical value of dissolved critical value of dissolved oxygen concentration oxygen concentration）：）：滿足微生物呼吸的最低氧濃度。滿足微生物呼吸的最低氧濃度。二、溶氧濃度的控制二、溶氧濃度的控制 溶氧濃度決定因素：供氧和需氧兩方面。溶氧濃度決定因素：供氧和需氧兩方面。（一）供氧方面：（一）供氧方面：1.1.調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速 2.2.調(diào)節(jié)通氣速率調(diào)節(jié)通氣速率（二）需氧方面：（二）需氧方面：1.1.菌體濃度和菌齡菌體濃度和菌齡 2.2.基質(zhì)種類和濃度基質(zhì)種類和濃度 以菌濃影響最明顯。以菌濃影響最明顯。3.3.培養(yǎng)條件培養(yǎng)條件 控制方法：通過控制基質(zhì)濃度?？刂品椒ǎ和ㄟ^控制基質(zhì)濃度。大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐攪拌裝置攪拌裝置溫度傳感器、耐高溫溫度傳感器、耐高溫pHpH和溶氧（和溶氧（DODO）傳感器傳感器 第五節(jié)第五節(jié) 泡沫的形成與控制泡沫的形成與控制一、泡沫產(chǎn)生的原因一、泡沫產(chǎn)生的原因 1.1.通風(fēng)攪拌程度及菌體新陳代謝產(chǎn)生的通風(fēng)攪拌程度及菌體新陳代謝產(chǎn)生的COCO2 2。2.2.培養(yǎng)基性質(zhì)培養(yǎng)基性質(zhì)二、泡沫的危害二、泡沫的危害 1.1.降低生產(chǎn)能力（裝料系數(shù)減少）降低生產(chǎn)能力（裝料系數(shù)減少）引起原料浪費(fèi)引起原料浪費(fèi) 2.2.造成大量逃液造成大量逃液 引起染菌引起染菌 3.3.影響菌的呼吸影響菌的呼吸三、泡沫的控制三、泡沫的控制調(diào)整培養(yǎng)基成分（如少加或緩加易起泡的原材料）調(diào)整培養(yǎng)基成分（如少加或緩加易起泡的原材料）改變某些物理化學(xué)參數(shù)（如改變某些物理化學(xué)參數(shù)（如pHpH值、溫度、通氣和攪拌）值、溫度、通氣和攪拌）改變發(fā)酵工藝（采用分批投料）改變發(fā)酵工藝（采用分批投料）1.1.機(jī)械消泡：（物理方法）機(jī)械消泡：（物理方法）利用機(jī)械振動(dòng)或壓力變化使泡沫破裂。利用機(jī)械振動(dòng)或壓力變化使泡沫破裂。罐內(nèi)消泡罐內(nèi)消泡:靠罐內(nèi)消泡漿打碎泡沫。靠罐內(nèi)消泡漿打碎泡沫。罐外消泡：靠噴嘴的加速作用消除泡沫。罐外消泡：靠噴嘴的加速作用消除泡沫。2.2.消泡劑消泡消泡劑消泡機(jī)理機(jī)理:降低液膜的機(jī)械強(qiáng)度降低液膜的機(jī)械強(qiáng)度 降低液膜的表面粘度降低液膜的表面粘度（1 1）天然油脂類：豆油、玉米油、棉子油、菜籽）天然油脂類：豆油、玉米油、棉子油、菜籽油（還可作為碳源），用量大，油（還可作為碳源），用量大，0.1%0.1%0.2%0.2%。（2 2）聚醚類：又稱泡敵，消泡能力為豆油的）聚醚類：又稱泡敵，消泡能力為豆油的1010 2020倍，用量少，倍，用量少，0.02%-0.03%0.02%-0.03%。第六節(jié)第六節(jié) 發(fā)酵染菌及其防治發(fā)酵染菌及其防治一、染菌的檢查、判斷一、染菌的檢查、判斷 （一）觀察法（一）觀察法 1.1.菌體濃度（菌體濃度（ODOD值）異常（值）異常（OD:optical densityOD:optical density）2.2.溶解氧（溶解氧（DODO）異常異常 3.3.pHpH值異常值異常 4.4.排氣中排氣中COCO2 2異常異常 5.5.泡沫過多泡沫過多（二）（二）鏡檢法鏡檢法（三）（三）平板劃線培養(yǎng)法平板劃線培養(yǎng)法（四）（四）酚紅肉湯培養(yǎng)法酚紅肉湯培養(yǎng)法二、發(fā)酵染菌的原因二、發(fā)酵染菌的原因 1.1.種子帶菌種子帶菌 2.2.空氣帶菌空氣帶菌 3.3.設(shè)備滲漏設(shè)備滲漏 4.4.培養(yǎng)基滅菌不徹底培養(yǎng)基滅菌不徹底 5.5.技術(shù)管理不善技術(shù)管理不善三、染菌情況分析三、染菌情況分析1.1.單罐染菌單罐染菌罐本身而非系統(tǒng)問題。如種子帶菌、培養(yǎng)基滅菌不徹罐本身而非系統(tǒng)問題。如種子帶菌、培養(yǎng)基滅菌不徹底、罐有滲漏、分過濾器失效。底、罐有滲漏、分過濾器失效。2.2.多罐染菌多罐染菌系統(tǒng)問題，如空氣過濾系統(tǒng)有問題，特別是總過濾器系統(tǒng)問題，如空氣過濾系統(tǒng)有問題，特別是總過濾器長(zhǎng)期沒有檢查，可能受潮失效；移種或補(bǔ)料的分配站長(zhǎng)期沒有檢查，可能受潮失效；移種或補(bǔ)料的分配站有滲漏或滅菌不徹底。有滲漏或滅菌不徹底。3.3.前期染菌前期染菌 種子帶菌、培養(yǎng)基滅菌不徹底。種子帶菌、培養(yǎng)基滅菌不徹底。4.4.中后期染菌中后期染菌 補(bǔ)料的料液滅菌不徹底或補(bǔ)料管道、閥門滲補(bǔ)料的料液滅菌不徹底或補(bǔ)料管道、閥門滲漏，一般不會(huì)是種子問題。漏，一般不會(huì)是種子問題。四、噬菌體（四、噬菌體（phagephage）染菌及其防治染菌及其防治（一）一）phagephage的檢查的檢查 1.1.單層瓊脂法單層瓊脂法 2.2.雙層瓊脂法雙層瓊脂法 3.3.平板交叉劃線法平板交叉劃線法 4.4.液體培養(yǎng)檢查法液體培養(yǎng)檢查法（二）（二）phagephage的防治的防治 工藝角度工藝角度1.1.消滅環(huán)境中的消滅環(huán)境中的phagephage2.2.藥物防治藥物防治 菌種選育菌種選育1.1.輪換菌種輪換菌種2.2.選育抗選育抗phagephage的菌株的菌株