发酵过程的优化与控制

谷氨酸发酵过程优化与控制研究

【摘要】：谷氨酸产生菌既是谷氨酸发酵反应过程的主体，也是反应过程的生物催化剂。通过对影响谷氨酸发酵生产的菌种、原料、发酵环境条件等因素进行分析，指出采用代谢工程方法优化生产菌种和发酵工艺，能够使菌种发酵的综合技术得到不断提高。

关键词：谷氨酸发酵；菌种；流加糖；生物素；发酵环境条件；控制

谷氨酸发酵生产是谷氨酸产生菌在其生命活动过程中分解、代谢营养物质、合成所需产物———谷氨酸的生化过程。在这个过程中，影响谷氨酸产生菌生长、繁殖、代谢及合成产物的因素很多，通过人工干预有目的地控制这些因素，使其最终满足谷氨酸菌种的代谢合成需要，可以达到增加产物、降低消耗的目的。谷氨酸产生菌既是反应过程的主体，也是反应过程的生物催化剂，它摄取原料的营养，通过细胞内特定的酶系列进行复杂的生化反应。其底物中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入细胞体内，在酶的作用下进行催化反应，将反应物转化为产物并释放出来，细胞的内在特性及其代谢规律是影响生化反应的关键因素。因此，发酵是一个比其他工业过程更为复杂的动态过程。

1 选育优良菌种

高产、纯正、优良的菌种是保证发酵成功的前提，因此优良生产菌种的选育一直是谷氨酸发酵的主要研究课题。谷氨酸发

酿酒酵母的发酵过程优化

戴璐

(常熟理工学院 生物与食品工程学院, 常熟 215500)

摘要: 该文以酿酒酵母为的生产菌，通过发酵过程的优化，重点考察了pH、溶解氧，测定残糖量和生物量的影响，并比较了分批培养、补料分批培养对酿酒酵母生长代谢的影响。发现补料分批培养比分批培养有利于酿酒酵母的生长与繁殖，有较多的细胞生物量的积累。 关键词: 酿酒酵母；发酵过程

Wine yeast fermentation process optimization

Dailu

(Changshu Institute of Technology, Biotechnology and Food Engineering Institute,

Changshu 215500)

Abstract: The fermentation process of Saccharomyces cerevisiae is optimized. The effect of some ferment conditions，including pH, fermentation of oxygen,

determination of residual sugar and biomass are res

酿酒酵母的发酵过程优化

戴璐

(常熟理工学院 生物与食品工程学院, 常熟 215500)

摘要: 该文以酿酒酵母为的生产菌，通过发酵过程的优化，重点考察了pH、溶解氧，测定残糖量和生物量的影响，并比较了分批培养、补料分批培养对酿酒酵母生长代谢的影响。发现补料分批培养比分批培养有利于酿酒酵母的生长与繁殖，有较多的细胞生物量的积累。 关键词: 酿酒酵母；发酵过程

Wine yeast fermentation process optimization

Dailu

(Changshu Institute of Technology, Biotechnology and Food Engineering Institute,

Changshu 215500)

Abstract: The fermentation process of Saccharomyces cerevisiae is optimized. The effect of some ferment conditions，including pH, fermentation of oxygen,

determination of residual sugar and biomass are res

发酵过程优化原理复习

1、 发酵过程优化的目标

答：①建立生物反应过程的数量化处理和动力学模型。 ②实现发酵过程优化，以更好地控制发酵过程；

③规避生物技术产业化过程的技术风险，追求其经济效益；

2、发酵过程优化主要涉及的研究内容

答：①细胞生长过程研究，了解微生物从非生物培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向，确定不同环境条件下微生物的代谢产物分布；

②根据微生物代谢反应符合质量守恒定律，对微生物反应的化学计量进行研究，简化对发酵过程的质量衡算；

③研究生物反应速率及其影响因素，建立生物反应动力学，这也是是发酵过程优化研究的核心内容。 ④生物反应器工程，包括生物反应器及参数的检测与控制，它们是发酵过程优化最基本的手段。

3、Hasting（1954年）指出生化工程要解决的十大问题是哪些？

答：深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害。其中通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中放大是生化工程的焦点。 4、Cooney指出，要实现发酵过程的优化与控制，必须解决好哪些问题？

答：必须解决好5个问题：①生物模型；②传感器技术；③适用于生物过程的最优化技术；④

《生物反应过程优化与控制》复习题

一、名词解释

生长（生化工程）：生物化学工程是生物化学反应的工程应用，主要包括代谢工程、发酵工程和生物化学

传感器等

分化：细胞在结构和功能上发生差异的过程。

P/O商：是指每消耗1mol原子氧所产生的ATP的物质的量，也可以看做是当一对电子通过呼吸链传递至氧气所产生的ATP分子数。

维持能：

载体：可以插入核酸片段、能携带外源核酸进入宿主细胞，并在其中进行独立和稳定的自我复制的核酸分

子。基因工程中广泛应用的载体多来自人工改造的细菌质粒、噬菌体或病毒核酸等。多数载体是DNA

分子，但某些RNA分子也能用做载体。

通道：

分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能

量和还原力的作用。

组成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子

的过程。

能量耦合作用：是指一种能量上可行的反应推动另一种在能量上不可行的反应进行的过程。

共价修饰： 酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，这一

过程称为酶的共价修饰或者化学修饰。

协同作用：两种或多种物质协同地起作用，其效果比每种物质单独起作用的效果之和大得多的现象。 分解代谢

第六章 发酵条件及过程控制

第六章 发酵条件及过程控制第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节 营养基质和菌体浓度 温度的影响和控制 pH的影响和控制 通气和搅拌 泡沫的影响和控制 二氧化碳和呼吸熵 发酵终点的判断 发酵条件的优化控制 发酵的计算机控制 发酵过程的精确检测

第一节

营养基质和菌体浓度的影响及其控制

碳源种类对发酵影响及控制 氮源的种类和浓度的影响及控制 磷酸盐浓度的影响和控制 菌体浓度的影响及控制

碳源种类对发酵影响及控制碳源种类 快速利用和缓慢利用碳源 有机和无机 碳酸气； 淀粉水解糖，糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等 石油、正构石蜡，天然气 醋酸、甲醇、乙醇等石油化工产品 青霉素发酵(快速利用碳源，产量低，细胞生长快，缓慢 利用碳源，产量高，细胞生长慢。 混合碳源 透明质酸(快速和缓慢利用碳源结合)

碳源浓度对发酵影响控制培养基中碳源含量超过5%,细胞生长会因脱水而下降。 酵母的Crabtree效应：即Crabtree(1929)发现，当酵母在 高糖浓度下，即时溶氧充足，它还会进行发酵，从葡萄糖 生产乙醇。为获得最大酵母得率，不能用恒速流加的方法， 而保持最大生长速率的补料分批培养或连续培养可以避免 该现

第六章 发酵条件及过程控制

第六章 发酵条件及过程控制第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节 营养基质和菌体浓度 温度的影响和控制 pH的影响和控制 通气和搅拌 泡沫的影响和控制 二氧化碳和呼吸熵 发酵终点的判断 发酵条件的优化控制 发酵的计算机控制 发酵过程的精确检测

第一节

营养基质和菌体浓度的影响及其控制

碳源种类对发酵影响及控制 氮源的种类和浓度的影响及控制 磷酸盐浓度的影响和控制 菌体浓度的影响及控制

碳源种类对发酵影响及控制碳源种类 快速利用和缓慢利用碳源 有机和无机 碳酸气； 淀粉水解糖，糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等 石油、正构石蜡，天然气 醋酸、甲醇、乙醇等石油化工产品 青霉素发酵(快速利用碳源，产量低，细胞生长快，缓慢 利用碳源，产量高，细胞生长慢。 混合碳源 透明质酸(快速和缓慢利用碳源结合)

碳源浓度对发酵影响控制培养基中碳源含量超过5%,细胞生长会因脱水而下降。 酵母的Crabtree效应：即Crabtree(1929)发现，当酵母在 高糖浓度下，即时溶氧充足，它还会进行发酵，从葡萄糖 生产乙醇。为获得最大酵母得率，不能用恒速流加的方法， 而保持最大生长速率的补料分批培养或连续培养可以避免 该现

发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制

在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。通气效率的改进可减少空气的使用量，从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。 一、溶解氧对发酵的影响

溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。

需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。因为，为避免发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。根据发酵需氧要求不同可分为三类：第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量

文献综述

发酵培养基的优化

申请学位： 院 （系）： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导老师：

二 O 一 五 年 六 月 五 日

学士学位 药学院 生物技术 张永芳 114080107 张小华（讲师）

文献综述：

发酵培养基的优化

张永芳：114080107 指导老师：刘向勇

【摘要】：发酵，这一门悠久的技艺，在古今中外的生产生活与科学研究中扮

演着不可或缺的角色。在实验室发酵过程中,经常需要通过试验来寻找研究对象的变化规律,这些对象包括培养基的设计、工艺参数等;而这些变化规律的寻找就要通过科学的试验设计与数据分析来实现。通过对规律的研究达到各种实用的目的,比如提高产量、降低消耗、提高产品质量等,特别对于新菌种、新产品的试验。本文对发酵培养基优化的基本方向进行了综述,并比较了常用的试验设计与数据分析方法。

【关键词】：发酵、发酵培养基、优化、最优组合、响应面法优化 【内容】：

在工业化发酵生产中，发酵培养基的设计是十分重要的，因为培养基的成分对产物浓度、菌体生长都有重要的影响。培养基优化，是指面对特定的微生物，通过实验手段配比和筛选找到一种最适合其生长及发酵的培养基，在原来的基础上提高发酵产物的产量，以期达到生产最大发酵

河北科技大学学报

第２２卷第４期ＪＯＵＲＮＡｌＩＯＦＨＥＢＥｌＵＮＩＶＥＲＳｌＴＹ０ＦＶ【）１．２２Ｎｏ４总第５９期２００１年ＳＣＩＥＮＣＥＡＮｎＴＦＣｌ｛ＮＯＬＯＧＹＳｕｍ５９２㈨１

文章编号：ｌ００８１５４ｚ（：ｏ【１１）０４一００３４０５

模糊一ＰＩＤ控制在柠檬酸发酵过程中的应用

宋雪玲１，刘朝英２，宋哲英２，赵晓东３

（１．河北工业大学研究生部，天津３００１３０；２．河北科技大学电气信息学院．河北石家

庄０５００１８；３．河北科技大学研究生部河北石家庄０５００１８）

摘要：针对柠檬酸发酵过程非线性、大滞后、大一ｌ贯性、不确定性等特点介绍了发酵过程

的ＰＩＤ控制和模糊控制，并在此基础上着重介绍了鲒合二者优点的带积分分离的模糊

ＰＩｒ）软开关控制。仿真结果表明模糊Ｐ１Ｉ）软开关控制是一种有效的控制方法。

关键词：柠谍酸发酵；模糊控制；ＰＩＤ控制；模糊ＰＩＤ控制；计算机仿真

中图分类号：ＴＰ２７３＋．４；ＴＱ２２５文献标识码：Ａ

随着生物工程的迅速发展，发酵工业越来越受到科技界、生物界的重视。我国是世界上第二大柠檬酸生产国，目前出口已占柠檬酸总产量的８０跖以上，为国家创造了大量的外汇，且国内外市场对柠檬酸的需求量呈逐年上升的趋势。但我国柠檬酸行业的自动化程度不高，