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十一章 发酵过程的实 验室研究、中试和放大
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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单层 / 双层 / 三层 震荡式 / 往复式 带流加装置的摇床
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发酵罐
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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
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密闭厌氧发酵罐 用于厌氧发酵： 酒精、啤酒、丙酮丁醇等
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啤酒生产工艺流程
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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
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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 。
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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。
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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
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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。
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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。
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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。
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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
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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
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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
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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
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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。
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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
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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
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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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