分批发酵、连续流加发酵和分批补料发酵优缺点比较
年级、专业10生物技术姓名孙永升学号104120440发酵工程作业四：
图表比较分批发酵、连续（流加）发酵和分批补料发酵优缺点? 表一：分批发酵、连续（流加）发酵和分批补料发酵简单比较
分批发酵连续流加发酵和分批补料发酵优缺点比较
图表比较分批发酵、连续（流加）发酵和分批补料发酵优缺点? 表一：分批发酵、连续（流加）发酵和分批补料发酵简单比较
呼吸作用与发酵的根本区别在于：电子受体不是将电子直接传递给底物本身的中间产物，而是交给电子传递系统，并逐步释放能量后再交给最终的电子受体。 4、发酵过程杂菌污染的途径有哪些？如出现杂菌污染，应如何处理？ 答：发酵过程杂菌污染的途径有 1.种子带菌，2.培养基及设备消毒不够，3.设备破损，4.空气系统，5.操作不当（取样、补料、消泡、控制）等。（2分） 如出现杂菌污染，应对染菌时间、种类、染菌规模进行分析根据具体情况处理，（1分）如： 1.种子带杂菌——灭菌，排掉。（0.5分） 2.发酵前期——严重：实消后补种、料。不严重：运转并观察。（0.5分） 3.发酵中期——分析微生物数量、种类、物料性质，再做处理。（0.5分） 4.发酵后期——同中期，并考虑产率与成本关系，考虑放罐。（0.5分） 5、连续发酵有何优缺点？ 答：（1）、设备生产能力大、利用率高、没有中间清洗杀菌、没有发酵适应期。（1分）（2）、连续化、自动化、人平生产率高、成本降低。（1分） （3）、发酵稳定、便于管理。（1分） 缺点：营养利用率略低、控制要求高。（2分） 6、摇瓶提高溶氧方法有哪些？发酵罐提高溶氧方法有哪些？ 答：摇瓶提高溶氧可考虑减小装液比，增加摇床转速，不会造成染菌的情况下减少瓶口砂布层数等方法。（3分）发酵罐提高溶氧的方法有选择合理罐型，增加高径比，适当提高通气量，适当提高搅拌速度（搅拌罐）等方法。（3分）
6、泡沫对发酵有何影响？常用的消泡方法有何优缺点？ 答：泡沫对发酵的影响有：（1）泡沫持久存在，妨碍CO2的排除，影响微生物对氧的吸收，破坏正常生理代谢，不利发酵和生物合成。（2）泡沫大量产生，使发酵罐有效容积大大减少，影响设备利用率。（3）泡沫过多，控制不好，会引起大量跑料，造成浪费和环境污染（4）泡沫升到灌顶，可能从轴封渗出，增加染菌机会（5）泡沫过多也会影响氧传递、通风与搅拌效果。（3分，答出3点以上即可） 化学消泡优点：化学消泡剂来源广泛，消泡效果好作用迅速可靠，用量少，不需改造设备，大小规模适用，易实现自动控制。缺点：消泡剂对微生物生长有毒性。（1分） 物理消泡优点：不用在发酵液中加其他物质，节省原料，减少由于加消泡剂引起的污染机会。缺点：不如化学消泡迅速、可靠，需一定设备及消耗动力，不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。（1分） 7、改变细胞膜通透性的方法有哪些？ 答：（1）选择生物素缺陷型限制生物素用量，（2）生物素过量时采用油酸缺陷型菌株，限制油酸用量，（3）添加含高级脂肪酸的表面活性剂，拮抗脂肪酸的合成，（4）选育甘油缺陷型，限制甘油含量，（5）添加青霉素控制细胞壁后期合成。（每点1分） 基于工业发酵的基本模式,在微生物定向育种和发酵条件控制方面所采取的五字策略是“进、通、节、堵、出” ①进，促进细胞对碳源营养物质的吸收；②通，使来自上游和各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物； ③节，阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物； ④堵，消除或削弱目的产物进一步代谢的途径； ⑤出，促进目的产物向胞外空间分泌。 五、分析问答题：（15分） 1、在某菌种发酵生产中，最近发现发酵过程中糖氮的消耗减慢了，发酵周期延长了，产品得率下降，试分析可能的原因，并进一步验证和提出解决的办法。 答：经分析很可能发生了菌种衰退。（3分，写出分析的根据） 验证方法：1、显微镜镜检，观察菌种形态上有无发生变异，2、平板培养，观察菌落生长情况，3、摇瓶培养，测定相关生理指标。换过菌种或进行菌种复壮，看上述现象是否消失。（5分） 要解决好菌种衰退问题要做到： （1）做好菌种的保藏工作（5分，回答5点以上即可，每点给1分） A、使菌种在保藏中处于休眠状态，孢子、芽孢。低温、干燥、缺氧、营养缺乏、代谢活动下降。 B、要纯粹，要作无菌检查 C、新鲜的斜面，生长要丰满，取幼龄菌接种 D、接种量要适当，斜面生长不过密 E、保藏培养基，C源比例少，营养贫乏一些，否则产酸，产生代谢产物，引起变异。保藏培养基不加或少加葡萄糖，活化用0.1％葡萄糖
发酵词汇
20 Amino Acids H
nWzg%R&e Glycine (Gly, G) 甘氨酸F6IX n+? Alanine (Ala, A) 丙氨酸is Nr1R6n{ Valine (Val, V) 缬氨酸1,IONN=E% Leucine (Leu, L) 亮氨酸B),W!?YO " Isoleucine (Ile, I) 异亮氨酸D_tPM! A b Phenylalanine (Phe, F) 苯丙氨酸N3"aq|^qP Tyrosine (Tyr, Y) 酪氨酸&b01Y` Tryptophan (Try, Trp, W) 色氨酸txf q" J-u Serine (Ser, S) 丝氨酸;+q0PCw Threonine (Thy, T) 苏氨酸64#V-z Cysteine (CysH, Cys, C) 半胱氨酸Yhb| 补料分批发酵过程控制系统研究 黄 丽，孙玉坤，黄永红, 薛力红 （江苏大学 电气信息工程学院， 江苏 镇江 212013） 摘 要：发酵过程是一个复杂的生化反应过程，笔者从系统的角度分析了补料分批发酵过程的特点及主要影响因素。在此基础上，提出了一套适合于现场的控制策略，设计了一个能够对生物发酵生产过程中的温度、压力、溶解氧、PH值及补料进行自动控制，以Motorola 公司的MC68HC08GP32芯片为核心的计算机控制系统。 关键词：补料分批发酵；温度控制；溶解氧控制；PH值控制；模糊控制 中图分类号：TP273 文献标识码：A Study of Control System About Batch Feed Ferment Process Huang Li, Sun Yukun, Huang Yonghong, Xue Lihong (School of Electrical and Information Engineering , Jiangsu University , Zhenjiang 212013 , China) Abstract: Fermentation is a very complicated biochemistry reaction process. According to the characteristic and central influencing factors, a suit of control system that is adaptive to scene is designed. The system was set up for microbe fermenting and producing process by temperature control , pressure control, DO，PH automatic control and automatic adding nutriment .And MC68HC08GP32 of Motorola is the core of this computer control system. Key words: fed-batch fermentation; temperature; dissolved oxygen; PH; fuzzy control 1 引言 近年来，生物技术迅速发展，生化反应过程，如发酵工业越来越引起科技界、工业界的重视。发酵过程是一个非常复杂的生物化学变化过程，生物发酵有两个核心：一是涉及获得特殊反应或过程所需的最良好的生物细胞（或酶）；二是选择最精良的发酵设备，开发最优技术，创造充分发挥生物细胞（或酶）作用的最佳环境。其中第二个核心部分涉及到微生物细胞发挥作用的系统或反应器方面的问题，其首要问题是提供使微生物能够最优生长、最优形成产物的可控系统和环境。例如，提出各环境参数的控制策略，提供设备设计及仪表装置，以使温度、通气、PH值等物理、化学条件得到有效的维持和控制，从而使微生物细胞呈现出最佳的性能，生成和积累大量产物。 补料分批发酵（fed-batch fermentation）是介于分批发酵和连续发酵之间的过渡类型。这种发酵是指分批发酵中间间歇地或连续地补加一种或多种成分新鲜培养基，但所需产物不到某一时刻不从罐内放出的一种与分批发酵相似的发酵方法。这种方法几乎遍及整个发酵工业，如生产酵母、氨基酸、抗生素、霉制剂、维生素等。它兼有分批发酵和连续发酵的优点，而且克服了两者的缺点，是目前发酵工业中较有代表性的一种发酵工艺。 补料分批发酵过程主要分为以下两个阶段： 准备阶段 包括菌种培养；培养基配制；消毒灭菌。 发酵阶段 包括接种；分批发酵；补料。 基金项目：江苏省高新项目(1191140002) 作者简介：黄丽(1977-)，女，甘肃天水人，教师，主要研究方向：智能控制；孙玉坤（1958-），男，江苏靖江人，教授，博导，主要从事智能控制及应用、电力电子技术应用方面的研究。 图表比较分批发酵、连续(流加)发酵与分批补料发酵优缺点? 表一:分批发酵、连续(流加)发酵与分批补料发酵简单比较 呼吸作用与发酵的根本区别在于:电子受体不就是将电子直接传递给底物本身的中间产物,而就是交给电子传递系统,并逐步释放能量后再交给最终的电子受体。 4、发酵过程杂菌污染的途径有哪些？如出现杂菌污染,应如何处理？ 答:发酵过程杂菌污染的途径有1、种子带菌,2、培养基及设备消毒不够,3、设备破损,4、空气系统,5、操作不当(取样、补料、消泡、控制)等。(2分) 如出现杂菌污染,应对染菌时间、种类、染菌规模进行分析根据具体情况处理,(1分)如: 1、种子带杂菌——灭菌,排掉。(0、5分) 2、发酵前期——严重:实消后补种、料。不严重:运转并观察。(0、5分) 3、发酵中期——分析微生物数量、种类、物料性质,再做处理。(0、5分) 4、发酵后期——同中期,并考虑产率与成本关系,考虑放罐。(0、5分) 5、连续发酵有何优缺点？ 答:(1)、设备生产能力大、利用率高、没有中间清洗杀菌、没有发酵适应期。(1分) (2)、连续化、自动化、人平生产率高、成本降低。(1分) (3)、发酵稳定、便于管理。(1分) 缺点:营养利用率略低、控制要求高。(2分) 6、摇瓶提高溶氧方法有哪些？发酵罐提高溶氧方法有哪些？ 答:摇瓶提高溶氧可考虑减小装液比,增加摇床转速,不会造成染菌的情况下减少瓶口砂布层数等方法。(3分)发酵罐提高溶氧的方法有选择合理罐型,增加高径比,适当提高通气量,适当提高搅拌速度(搅拌罐)等方法。(3分) 6、泡沫对发酵有何影响？常用的消泡方法有何优缺点？ 答:泡沫对发酵的影响有:(1)泡沫持久存在,妨碍CO2的排除,影响微生物对氧的吸收,破坏正常生理代谢,不利发酵与生物合成。(2)泡沫大量产生,使发酵罐有效容积大大减少,影响设备利用率。(3)泡沫过多,控制不好,会引起大量跑料,造成浪费与环境污染(4)泡沫升到灌顶,可能从轴封渗出,增加染菌机会(5)泡沫过多也会影响氧传递、通风与搅拌效果。(3分,答出3点以上即可) 化学消泡优点:化学消泡剂来源广泛,消泡效果好作用迅速可靠,用量少,不需改造设备,大小规模适用,易实现自动控制。缺点:消泡剂对微生物生长有毒性。(1分) 物理消泡优点:不用在发酵液中加其她物质,节省原料,减少由于加消泡剂引起的污染机会。缺点:不如化学消泡迅速、可靠,需一定设备及消耗动力,不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。(1分) 7、改变细胞膜通透性的方法有哪些？ 答:(1) 选择生物素缺陷型限制生物素用量,(2) 生物素过量时采用油酸缺陷型菌株,限制油酸用量,(3) 添加含高级脂肪酸的表面活性剂,拮抗脂肪酸的合成,(4)选育甘油缺陷型,限制甘油含量,(5)添加青霉素控制细胞壁后期合成。(每点1分) 基于工业发酵的基本模式,在微生物定向育种与发酵条件控制方面所采取的五字策略就是“进、通、节、堵、出” ①进,促进细胞对碳源营养物质的吸收;②通,使来自上游与各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物; ③节,阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流,使碳架物质相对集中地流向目的产物; ④堵,消除或削弱目的产物进一步代谢的途径; ⑤出,促进目的产物向胞外空间分泌。 五、分析问答题:(15分) 1、在某菌种发酵生产中,最近发现发酵过程中糖氮的消耗减慢了,发酵周期延长了,产品得率下降,试分析可能的原因,并进一步验证与提出解决的办法。 答:经分析很可能发生了菌种衰退。(3分,写出分析的根据) 验证方法:1、显微镜镜检,观察菌种形态上有无发生变异,2、平板培养,观察菌落生长情况,3、摇瓶培养,测定相关生理指标。换过菌种或进行菌种复壮,瞧上述现象就是否消失。(5分) 要解决好菌种衰退问题要做到: (1)做好菌种的保藏工作(5分,回答5点以上即可,每点给1分) A、使菌种在保藏中处于休眠状态,孢子、芽孢。低温、干燥、缺氧、营养缺乏、代谢活动下 第一章 1.发酵与酿造的概念，发酵、酿造工业与化学工业的区别 答：发酵：将提炼精制获得的成分单纯、无风味的要求的产品的生产过程称为发酵。（PPT）广义上，微生物进行的一切活动都可以称为发酵；狭义上，发酵仅仅是指厌氧条件下有机化合物进行不彻底分解代谢释放能量的过程。（书） 工业上的发酵：利用微生物生产某些产品的过程。 酿造：通常指成分复杂并对风味有特殊要求的食品或调味品的生产过程。 区别：在于发酵与酿造工业是利用生物体或生物体产生的酶进行的化学反应。 2.简述发酵与酿造技术的研究对象 答：按产业部门分类：酿酒工业、传统酿造工业、有机酸发酵工业、酶制剂发酵工业、氨基酸发酵工业、功能性食品生产工业、食品添加剂生产工业、菌体制造工业、维生素发酵工业、核苷酸发酵工业。 按产品性质分类：生物代谢产物发酵、酶制剂发酵、生物转化发酵、菌体获得。 3.简述发酵与酿造的特点 答：安全、简单；原料广泛；反应专一；代谢多样；易受污染；菌种选育。 4.简述发酵与酿造和现代生物技术的关系 答：生物技术是靠基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和生化工程这五大体系支撑起来的，发酵工程常常是基因工程、酶工程的基础和必要条件。食品发酵和酿造主要是以发酵工程和酶工程为支撑，是利用微生物细胞或动植物细胞的特定性状，通过现代化工程技术，生产食品或保健品的一种技术。发酵技术的两个核心部分是生物催化剂和生物反应系统，总而言之，食品发酵和酿造与现代生物技术关系密切，传统的发酵与酿造技术只有采用现代生物技术加以改造才被赋予新的内涵，才会有新的突破性进展。（补充请翻书4、5页） 5.我国主要发酵食品有哪些 答：酒精饮料、谷类食品发酵、豆类食品发酵、蔬菜发酵。 6.新型发酵食品的生产工艺及用途 答： 第四章 1.发酵工业的特征是什么 答：①微生物菌种选育及扩大培养； ②发酵原料的选择及预处理； ③发酵设备选择及工艺条件控制； ④发酵产物的提取和分离； ⑤发酵产物的回收和利用。 分批培养与补料分批培养的区别？补料分批培养的优点？ 分批式培养是指先将细胞和培养液一次性装入反应器内进行培养，细胞不断生长，同时产物也不断形成，经过一段时间的培养后，终止培养。在细胞分批培养过程中，不向培养系统补加营养物质，而只向培养基中通入氧，能够控制的参数只有pH值、温度和通气量。因此细胞所处的生长环境随着营养物质的消耗和产物、副产物的积累时刻都在发生变化，不能使细胞自始至终处于最优的条件下，因而分批培养并不是一种理想的培养方式。分批培养过程特征如图14-2。 图14-2动物细胞分批式培养过程的特征 细胞分批式培养的生长曲线与微生物细胞的生长曲线基本相同。在分批式培养过程中，可分为延滞期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期等五个阶段。分批培养过程中的延滞期是指细胞接种后到细胞分裂繁殖所需的时间，延滞期的长短根据环境条件的不同而不同，并受原代细胞本身的条件影响。一般认为，细胞延滞期是细胞分裂繁殖前的准备时期，一方面，在此时期内细胞不断适应新的环境条件，另一方面又不断积累细胞分裂繁殖所必需的一些活性物质，并使之达到一定的浓度。因此，一般选用生长比较旺盛的处于对数生长期的细胞作为种子细胞，以缩短延滞期。 细胞经过延滞期后便开始迅速繁殖，进入对数生长期，在此时期细胞随时间呈指数函数形式增长，细胞的比生长速率为一定值，根据定义 式中 t：培养时间（h）； X ：细胞的初始浓度； X：t时刻的细胞浓度； μ：细胞的比生长速率。 细胞通过对数生长期迅速生长繁殖后，由于营养物质的不断消耗、抑制物等的积累、细胞生长空间的减少等原因导致生长环境条件不断变化，细胞经过减速期后逐渐进入平稳期，此时，细胞的生长、代谢速度减慢，细胞数量基本维持不变。 在经过平稳期之后，由于生长环境的恶化，有时也有可能由于细胞遗传特性的改变，细胞逐渐进入衰退期而不断死亡，或由于细胞内某些酶的作用而使细胞发生自溶现象。 发酵技术中的补料的控制 补料分批发酵(fed-batch culture，FBC)： 又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法，是分批发酵和连续发酵之间的一种过渡培养方式，是一种控制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。 1 FBC的作用 1）可以控制抑制性底物的浓度 高浓度营养物抑制微生物生长： ①基质过浓使渗透压过高，细胞因脱水而死亡； ②高浓度基质能使微生物细胞热致死(themal death)，如乙醇浓度达10％时，就可使酵母细胞热致死； ③有的是因某种或某些基质对代谢关键酶或细胞组分产生抑制作用，如高浓度苯酚(3％～5％)可凝固蛋白； ④高浓度基质还会改变菌体的生化代谢而影响生长等。 有的基质是合成产物必需的前体物质，浓度过高，就会影响菌体代谢或产生毒性，使产物产量降低。如苯乙酸、丙醇(或丙酸)分别是青霉素、红霉素的前体物质，浓度过大，就会产生毒性，使抗生素产量减少。 有的底物溶解度小，达不到应有的浓度而影响转化率。如甾类化合物转化中，因它们的溶解度小，使基质的浓度低，造成转化率不高。 采用FBC方式，可以控制适当的基质浓度，解除抑制作用，得到高浓度的产物。2）解除或减弱分解代谢物的阻遏 有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，如葡萄糖阻抑纤维素酶、赤霉素、青霉素等多种酶或产物的合成。通过补料来限制基质葡萄糖的浓度，就可解除酶或其产物的阻遏，提高产物产量。 缓慢流加葡萄糖，纤维素酶的产量几乎增加200倍；将葡萄糖浓度控制在0.02％水平，赤霉素浓度可达905 mg／L；采用滴加葡萄糖的技术，可明显提高青霉素的发酵单位等。这都是利用发酵技术解决分解代谢物阻遏的实际应用。在植物细胞培养中，也采用该技术来提高产量。 3）可以使发酵过程最佳化 分批发酵动力学的研究，阐明了各个参数之间的相互关系。利用FBC技术，就可以使菌种保持在最大生产力的状态。 随着FBC补料方式的不断改进，为发酵过程的优化和反馈控制奠定了基础。 随着计算机、传感器等的发展和应用，已有可能用离线方式计算或用模拟复杂的数学模型在线方式实现最优化控制。 FBC的优点： ①解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏； ②避免一次投料过多造成细胞大量生长所引起的一切影响，改善发酵液流变学性 质； ③可提高发芽孢子的比例，控制细胞质量； ④不需要严格的无菌条件，产生菌不易老化变异，比连续发酵适用广泛。 2 补料内容 ①能源和碳源； ②氮源；补料分批发酵过程控制系统研究 黄 丽,孙玉坤,黄永红, 薛力红
分批发酵、连续流加发酵和分批补料发酵优缺点比较
发酵课后题整理答案
分批培养与补料分批培养的区别
发酵技术中的补料的控制