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发酵工程
2024-02-02
发酵工程概述
发酵微生物与培养基
发酵过程控制与技术参数
发酵产物分离纯化与鉴定
发酵工程设备与设计原则
发酵工程环境保护与可持续发展
目录
01
发酵工程概述
发酵工程是指利用微生物的特定生理功能，通过现代化工程技术手段，在人工控制的条件下进行大规模培养，以生产人类所需产品的技术过程。
以微生物为主体，条件温和，操作简便，原料广泛，产物多样，生产周期短，经济效益高等。
特点
定义
传统发酵阶段
利用自然发酵，生产酒、醋、面包等食品。
纯培养技术建立阶段
通过分离纯化获得纯种微生物，实现特定产物的生产。
深层液体发酵技术发展阶段
实现大规模、高效率的发酵生产，广泛应用于医药、食品、化工等领域。
基因工程技术在发酵工程中的应用阶段
通过基因工程技术改造微生物，提高产物产量、优化产物结构等。
食品工业
化工工业
环保领域
生产面包、啤酒、葡萄酒、酱油、食醋等。
生产有机酸、溶剂、生物燃料等。
处理废水、废气、固体废弃物等。
02
发酵微生物与培养基
如乳酸菌、醋酸菌、枯草芽孢杆菌等，广泛应用于食品、医药等领域。
如酿酒酵母、面包酵母等，常用于酒精、面包等食品的发酵生产。
如黑曲霉、米曲霉等，常用于酿造、酱油等调味品的生产。
如螺旋藻等，可用于生物燃料、食品添加剂等领域。
细菌
酵母菌
霉菌
藻类
无机盐
维持微生物正常生理功能，如磷酸盐、硫酸盐等。
氮源
提供微生物合成蛋白质所需的氮元素，如铵盐、硝酸盐等。
碳源
提供微生物生长所需的能量，如葡萄糖、蔗糖等。
生长因子
促进微生物生长繁殖，如维生素、氨基酸等。
配制原则
根据微生物种类和发酵需求选择合适的培养基成分，注意各成分的比例和浓度，以及pH值、渗透压等条件的控制。
单因素试验
正交试验设计
响应面法
基因组学方法
通过改变单一培养基成分或条件，观察其对微生物生长和发酵产物的影响。
通过构建数学模型描述各因素与响应值之间的关系，寻找最优培养基配方和发酵条件。
利用正交表安排多因素试验，确定各因素对微生物生长和发酵产物的影响程度及最佳组合。
利用基因组学技术分析微生物代谢途径和关键酶基因，为培养基优化提供理论依据。
03
发酵过程控制与技术参数
温度控制
01
发酵过程中，微生物的生长和代谢活动都受到温度的影响。因此，需通过加热或冷却设备对发酵液温度进行精确控制，以维持微生物生长和代谢所需的最佳温度范围。
pH值控制
02
pH值是影响微生物生长和代谢的重要因素之一。在发酵过程中，需通过添加酸或碱来调节发酵液的pH值，以保持微生物生长和代谢所需的最佳酸碱环境。
溶氧控制
03
对于好氧发酵过程，溶氧是一个关键参数。需通过调节通气量、搅拌速度等方式来增加或减少发酵液中的溶氧量，以满足微生物生长和代谢对氧气的需求。
搅拌优化
搅拌可以促进发酵液中的物质传递和混合，提高微生物的生长速度和代谢效率。需根据微生物的种类和发酵阶段来选择合适的搅拌方式和搅拌速度。
通气优化
通气是提供微生物生长所需氧气的重要手段。需根据微生物的种类和发酵阶段来选择合适的通气方式和通气量，以保持发酵液中的溶氧量在适宜范围内。
自动化控制系统
通过传感器、执行器和控制器等设备组成的自动化控制系统，可以实时监测和调节发酵过程中的关键参数，如温度、pH值、溶氧等，以保持发酵过程的稳定性和可控性。
数据采集与分析
自动化控制系统可以实时采集发酵过程中的各种数据，并通过数据分析软件进行处理和分析，为发酵过程的优化和控制提供有力支持。
远程监控与管理
通过互联网技术和移动通信技术，可以实现对发酵过程的远程监控和管理，方便操作人员随时了解发酵情况并进行及时调整。
04
发酵产物分离纯化与鉴定
过滤与离心
萃取法
色谱分离
结晶与重结晶
01
02
03
04
利用不同粒径的过滤器和离心机，去除发酵液中的固体杂质和细胞残渣。
采用有机溶剂或水溶液，将目标产物从发酵液中萃取出来。
利用色谱柱对发酵产物进行分离，如高效液相色谱、气相色谱等。
通过结晶和重结晶技术，进一步提高目标产物的纯度。
光谱分析
利用红外光谱、紫外光谱、核磁共振等技术，对产物的结构进行解析。
质谱分析
采用质谱仪对产物的分子量、分子式等进行测定。
元素分析
通过元素分析仪对产物中C、H、O、N、S等元素的含量进行测定。
免疫学方法
利用抗原-抗体反应等免疫学原理，对产物进行特异性鉴定。
05
发酵工程设备与设计原则
根据发酵工艺要求，主要有机械搅拌式发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐等。
发酵罐类型
考虑发酵规模、微生物种类、培养条件、产物特性以及设备投资与运行成本等因素。
选择依据
包括空气过滤器、除菌设备等，确保进入发酵罐的空气无菌。
空气除菌系统
物料输送系统
控制系统
产物分离与纯化系统
用于将培养基、补料等输送到发酵
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