微生物發(fā)酵工程——發(fā)酵

發(fā)酵工程（ fermentation engineering ）就是利用微生物的特定性狀和功能，通過(guò)現代化工程技術(shù)和設備來(lái)生產(chǎn)有用物質(zhì)或將微生物直接用于工業(yè)化生產(chǎn)獲得目的產(chǎn)物的技術(shù)體系。包括發(fā)酵和提純兩個(gè)工序。

一、發(fā)酵

將微生物接種到合適的培養基中，通過(guò)控制其生長(cháng)和代謝環(huán)境，來(lái)使微生物發(fā)揮起獨特功能的過(guò)程。其主要內容包括菌種的選育，種子的擴大培養，培養基的配制與滅菌，接種及發(fā)酵控制等。其基本過(guò)程見(jiàn)圖 7-11 。

從不同的角度可將發(fā)酵分成不同的類(lèi)型。根據是否需要氧氣可分為厭氧發(fā)酵（靜置發(fā)酵）和好氧發(fā)酵（通氣發(fā)酵）；根據發(fā)酵培養基的性質(zhì)可分為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵；根據發(fā)酵方式的不同可分為分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵及連續發(fā)酵等。

1 、厭氧發(fā)酵

適用于厭氧或兼性厭氧微生物的發(fā)酵，如丙酮丁醇發(fā)酵、酵母菌的酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵等。產(chǎn)生丙酮、丁醇的梭狀芽孢桿菌（ Clostridium ）是一種專(zhuān)性厭氧微生物，它的菌體發(fā)酵和發(fā)酵應在無(wú)氧條件下進(jìn)行。酵母菌是一類(lèi)兼性厭氧微生物，根據其生理特點(diǎn)，在種子制備時(shí)應在攪拌通風(fēng)的條件下進(jìn)行以促使其生長(cháng)繁殖，而酒精發(fā)酵則在缺氧條件下進(jìn)行。乳酸菌大多屬耐氣性厭氧菌，它們的生長(cháng)和代謝產(chǎn)物合成與氧的有無(wú)關(guān)系不大，但為了防止雜菌污染，還是以缺氧環(huán)境中發(fā)酵為宜。

2 、好氧發(fā)酵

適用于好氧微生物的發(fā)酵，如鏈霉素、谷氨酸、檸檬酸等的發(fā)酵。生產(chǎn)鏈霉素的是一類(lèi)放線(xiàn)菌，生產(chǎn)檸檬酸的是一類(lèi)霉菌，都是好氧性微生物，在厭氧條件下很難生長(cháng)和代謝。雖然生產(chǎn)谷氨酸的棒桿菌也可在厭氧下發(fā)酵，但因谷氨酸是由 TCA 循環(huán)中的 a - 酮戊二酸為前體合成的，因此必需在有氧條件下才能生成。

3 、固態(tài)發(fā)酵

指發(fā)酵培養基的狀態(tài)是固體。如大曲酒發(fā)酵及紅曲發(fā)酵等。大曲酒發(fā)酵一般在窖池中進(jìn)行，發(fā)酵原料經(jīng)蒸煮后放入窖池，接種酒曲后覆膜發(fā)酵，起初由霉菌進(jìn)行糖化，氧氣用凈后由酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵。紅曲需要在有氧條件下發(fā)酵，一般在曲盤(pán)上進(jìn)行。為了使紅曲霉在固體培養基中生長(cháng)良好，發(fā)酵過(guò)程中要經(jīng)常灑水及翻曲。

4 、液態(tài)發(fā)酵

指發(fā)酵培養基的狀態(tài)為液體。絕大多數純種發(fā)酵都為液態(tài)發(fā)酵，如青霉素發(fā)酵。 早期的青霉素發(fā)酵在液體淺盤(pán)上進(jìn)行，由于該法存在產(chǎn)量低、易污染且勞動(dòng)強度大等缺點(diǎn)，現已被深層液體通風(fēng)發(fā)酵法取代。

深層液體通風(fēng)發(fā)酵在密閉通風(fēng)發(fā)酵罐中進(jìn)行，將種子接入滅菌的發(fā)酵培養基中，然后在適宜的溫度、溶氧下發(fā)酵，發(fā)酵罐中有蛇管或夾套可以控溫，溶解氧的濃度可以通過(guò)調節攪拌機轉速或通入的無(wú)菌空氣的風(fēng)量來(lái)控制。

5 、分批發(fā)酵

指在發(fā)酵過(guò)程中，除了不斷進(jìn)行通氣（好氧發(fā)酵）和為調節發(fā)酵液的 pH 而加入酸堿溶液外，與外界沒(méi)有其它物料交換的一種發(fā)酵方式。培養基的量一次性加入，產(chǎn)品一次性收獲，是目前廣泛采用的一種發(fā)酵方式。其優(yōu)點(diǎn)是： ① 對溫度的要求低，工藝操作簡(jiǎn)單； ② 比較容易解決雜菌污染和菌種退化等問(wèn)題； ③ 對營(yíng)養物的利用效率較高，產(chǎn)物濃度也比連續發(fā)酵要高。缺點(diǎn)是： ① 人力、物力、動(dòng)力消耗較大； ② 生產(chǎn)周期較長(cháng)，由于分批發(fā)酵時(shí)菌體有一定的生長(cháng)規律，都要經(jīng)歷延滯期、對數生長(cháng)期、穩定期和衰亡期，而且每批發(fā)酵都要經(jīng)菌種擴大發(fā)酵、設備沖洗、滅菌等階段； ③ 生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)上常以體積生產(chǎn)率（以每小時(shí)每升發(fā)酵物中代謝產(chǎn)物的 g 數來(lái)表示）來(lái)計算效率，在分批發(fā)酵過(guò)程中，必須計算全過(guò)程的生產(chǎn)率，即時(shí)間不僅包括發(fā)酵時(shí)間，而且也包括放料、洗罐、加料、滅菌等時(shí)間。

6 、連續發(fā)酵

指 連續不斷地向反應器（發(fā)酵罐）中流加新鮮發(fā)酵液，同時(shí)又連續不斷地排出發(fā)酵液，從而使 pH 、養分、溶解氧等保持恒定，使微生物的生長(cháng)和代謝活動(dòng)保持旺盛穩定狀態(tài)的一種發(fā)酵方式。連續發(fā)酵可分為單罐連續發(fā)酵和多罐串聯(lián)連續發(fā)酵等方式。在單罐連續發(fā)酵中，由于發(fā)酵液在不斷攪拌，一部分剛流入的發(fā)酵基將隨發(fā)酵液一起流出（見(jiàn)圖 7-12 ）。其優(yōu)點(diǎn)是： ① 設備的體積可以減��； ② 操作時(shí)間短，總的操作管理方便，便于自動(dòng)化控制； ③ 產(chǎn)物穩定，人力物力節省，生產(chǎn)費用低。缺點(diǎn)是： ① 對設備的合理性和加料設備的精確性要求甚高； ② 營(yíng)養成分的利用較分批發(fā)酵差，產(chǎn)物濃度比分批發(fā)酵低； ③ 雜菌污染的機會(huì )較多，菌種易因變異而發(fā)生退化。

7 、補料分批發(fā)酵

補料分批發(fā)酵 是指在微生物分批發(fā)酵過(guò)程中，以某種方式向發(fā)酵系統中補加一定物料，但并不連續地向外放出發(fā)酵液的發(fā)酵技術(shù)，是介于分批發(fā)酵和連續發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)。

假設物料流入發(fā)酵罐的速率為 F in ，流出發(fā)酵罐的速率為 F ex ，則分批發(fā)酵時(shí) F in ＝ F ex ＝ 0 ；連續發(fā)酵時(shí) F in ＝ F ex 1 0 ；而補料分批發(fā)酵時(shí) F in 與 F ex 不恒定，是可變的，有時(shí)為 0 ，有時(shí)不為 0 。通常 F ex ＝ 0 的單純補料工藝是增體積操作，不斷分次加入發(fā)酵基質(zhì)或連續流加發(fā)酵基質(zhì)，至發(fā)酵罐的體積不再適宜補料為止。所以發(fā)酵時(shí)間只是有限地延長(cháng)。另一種 F ex 1 0 ，即定期從發(fā)酵罐中排出一定量的發(fā)酵液以便能進(jìn)一步補加物料的補料分批發(fā)酵，稱(chēng)為重復循環(huán)工藝。該法具有如下優(yōu)點(diǎn)： ① 可以解除底物的抑制、產(chǎn)物的反饋抑制和分解代謝物阻遏作用。當代謝產(chǎn)物收率或其生產(chǎn)速率明顯地受某種底物組分濃度影響（如用醋酸、甲醇、苯酚等作為發(fā)酵基組分而存在底物濃度的抑制）時(shí)，采用補料分批技術(shù)比分批發(fā)酵有利； ② 可以減少菌體生長(cháng)量，提高有用產(chǎn)物的轉化率； ③ 菌種的變異及雜菌污染問(wèn)題易控制； ④ 便于自動(dòng)化控制。

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