十一章 发酵过程的实 验室研究、中试和放大

本章重点 一、工业发酵过程研究的阶段及各阶段的 研究内容 二、实验室研究的目的及主要内容 三、了解最优化实验设计的方法 四、发酵规模缩小与放大的准则及方法

一、工业发酵过程研究 的三个规模（阶段） 实验室规模： 进行菌种的筛选和培养基的研究； 中试生产规模： 确定菌种培养的最佳操作条件； 工厂生产规模： 进行大规模生产，取得经济效益

工业发酵过程（微生物培 养过程）研究的主要作用 1. 将科研所得的新方法应用于工业生产 2. 通过试验找到更好的菌种、更佳的培养基 和培养条件以及更好的设备去改进生产

二、实验室研究 实验设备 摇瓶实验 实验室研究和统计学方法

实验设备 一般的培养仪器和设备，如培养皿、培养 箱等； 摇瓶机或摇床； 发酵罐； 固体培养设备

摇床（摇瓶机） 往复式和旋转式 摇瓶规格： 250ml 、 500ml 、 1000ml 、 4L 、 50ml 或者更小的试管 装挡板或支持台倾 8 － 30° 可提高通气效果 往复式摇床适用于培养细菌和酵母 旋转式摇床传氧速率较好、功率消耗较小、培养 基不会溅到瓶口，较常用 摇床都应放在有加温或冷却设备的控温室里

单层 / 双层 / 三层 震荡式 / 往复式 带流加装置的摇床

发酵罐

发酵罐体积选择 1L 发酵罐用于制备种子和适应性试验 4 － 28L 发酵罐适用于基础考察试验 30 － 150L 或更大的发酵罐适于中间放大试验

密闭厌氧发酵罐 用于厌氧发酵： 酒精、啤酒、丙酮丁醇等

啤酒生产工艺流程

通气搅拌发酵罐 机械搅拌通风发酵罐 通风搅拌发酵罐 自吸式发酵罐 带升式发酵罐

醋酸自吸式种子发酵罐：是酿 造食醋，乌醋、红醋、白醋、 各种果醋、醋饮的产品的发酵 设备最理想的配套种子罐。 ①无需供风系统，高效吸气与 混合装置，产生完美的气泡，并 与发酵液彻底混合。 ②节能效果显著。例如液态法 制醋原料的利用率高达 95% ，生 产 1 升 10% 的白醋，电耗仅仅为 0.03kwh 。

用于苹果、葡萄等吸氧性的果 汁发酵，缸体内采用高速自吸 装置，更好地搅拌发酵液体和 方便吸氧。

固体培养设备 浅盘、转桶 固态发酵可分为浅盘 法、转桶法和厚层通 气法 转筒式固体发酵设备

摇瓶实验 摇瓶实验：就是在一定大小体积的锥形瓶 中装入一定量的培养基（一般为瓶体积的 10% － 20% ），配上瓶塞，经灭菌后，接 入菌种，在摇床上进行恒温振荡培养。 培养一段时间后，分析测定溶液中的有关 参数和产物得率。

摇瓶培养影响微生物 生长的物理因素 1. 溶解氧 摇瓶培养所需的氧气是由表面通气供给的。 氧传递速率大小由三方面的因素决定：摇床振荡 的频率和振幅的大小；培养基体积与摇瓶总体积的 比率；摇瓶的形式。 2. 瓶塞对氧传递的阻力 在保证除去杂菌的前提下，尽量选用传质阻力小 的瓶塞材质和厚度。

摇瓶培养影响微生物 生长的物理因素 3. 水蒸发的影响 DO/ 菌浓 / 产物浓度 4. 比表面积的影响 装液量改变，引起比表面积改变。装液 量减少，瓶中的比表面积增加，氧传递速 率增加。通过实验求得培养基的最适装入 量。

摇瓶实验中，摇床的回转速度和偏心距不要发生 变化 停机对发酵结果也会产生影响

实验室研究的目的 1. 研究菌种的保藏 2. 研究菌株在固体培养基上培养和繁殖条件 3. 考察培养基最适组成 4. 实验室规模的培养技术

摇瓶研究的主要内容 1. 确定培养基的组成 2. 考察通气强度、种子类型、种子菌龄、接 种量、发酵周期对研究结果的影响

三、最优化实验的设计 常采用统计设计学的方法来进行最优化条件的 考察实验 作少量次数的实验，就可求得各个参数之间的 数量关系 正交设计法：均匀分散、整齐可比 用正交表来安排少量的实验，从多个因素中分析出 哪些是主要的，哪些是次要的，以及它们对实验的影 响规律，从而找出较优的工艺条件。 正交表是正交试验设计中安排实验和分析实验的 工具，用正交表安排的实验方案有代表性，能够比较 全面地反映各水平对指标影响的大致情况

正交实验设计步骤： 1 ) 明确实验目的，确定考核指标。 2 ) 挑因素，选位级，确定因素位级表。 3 ) 选择适宜的正交表。 4 ) 因素位级上正交表，确定试验方案，并 按实验方案进行试验。 5 ) 试验结果分析。

均匀设计法：是我国数学家创造的更为有效的统 计学方法 特点：均匀分分散、整齐可比 均匀设计按均匀设计表来安排实验 均匀设计表在使用时注意：均匀设计表中各列 的因素水平不能像正交表那样任意改变次序 均匀设计可使每个实验点具有更好的代表性， 实验次数也大大减少。 可作为发酵条件和培养基配方等方面优化实验 中的设计方法

均匀设计法与正交设计法的比较 均匀设计中实验次数少，每个因素每个水平只做 一次实验 均匀设计中适当调整水平顺序，就可避免高（或 低）档次水平相遇 均匀设计用电子计算机处理实验数据，可得到定 量的回归方程式，便于分析各因素对实验的影响， 定量的预测优化结果

应用均匀设计的一般程序 1. 确定影响因素的数目及其考察用量范围（关键） 2. 按预定的水平数等分各因素的用量范围，选择合适的均匀 表，根据表的要求，安排各实验号的工艺条件。 3. 每个实验号重复三次以上的实验，求出各号实验的平均值， 作为该号实验的结果。 4. 利用电脑将各因素的各水平对得率进行多元回归，求得回 归方程式。 5. 结合实践经验和专业知识，分析方程式，设计出优化条件， 计算出预测的优化值及区间估计。 6. 按优化条件再进行实验，其结果应在预测范围内。

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