提高发酵产率与速度的方法.doc

提高发酵产率与速度的方法发酵一词最初来源于拉丁文fervere，是用来描述人们在看到果汁或麦芽汁经过酵母菌的作用出现的“沸腾”现象。这种现象实际上是由于酵母菌作用于果汁或麦芽汁中的糖，在厌氧条件下代谢产生了二氧化碳气泡引起的。随后，人们便将这种现象称为“发酵”但是一直以来生物化学家与工业微生物学家对发酵给出了不同的定义。从生物化学的角度来说发酵是指在无氧条件下一个有机化合物能同时作为电子供体和最终电子受体并产生能量的过程以酵母菌的乙醇发酵过程为例，酵母菌在无氧条件下作用于果汁或麦芽汁中的糖，将糖分子分解并失去分子内电子，而电子的最终受体为糖的分解产物乙醛，乙醛接受电子后被还原为乙醇。此过程为生物化学意义上典型的“发酵”。工业微生物学家拓宽了原发酵的定义。从工业微生物的角度来说，发酵则指所有通过大规模培养微生物来生产产品的过程。这当中既包括微生物的厌氧发酵，也包括好氧发酵。以谷氨酸棒状杆菌的谷氨酸发酵过程为例，生物合成谷氨酸的途径大致是：葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸，在有氧条件下通过三羧酸循环生成-酮戊二酸，-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有NH存在的条件下，生成谷氨酸。谷氨酸棒状杆菌的发酵过程是需氧的，此过程同样属于工业微生物学定义中的“发酵”。简而言之，生物化学家认为“发酵。是酵母菌在无氧状态下的呼吸过程，是生物获得能量的一种形式。现代发酵的定义则将利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制造产品的过程叫做发酵。工业发酵中，提高发酵产率与速度可以降低成本，而且效益大幅度增加，利润增大。那么如何提高发酵的产率速度，个人观点如下：一、 菌种每一种微生物的代谢特征不同，它们产生特定产物的能力也不同。为了利用发酵生产所需的产物，不是随便拿来一个菌种就行。直接从自然界分离到的微生物不一定具有生产特定产物的能力，须在实验室里对几百株、数千株微生物进行筛选。即使得到了产生特定产物能力的菌株，其生产能力和性能也不见得能够满足生产的需要，还须经过诱变选育得到高产、性能优良的菌种。即使利用基因工程构建的具有特殊生产能力的工程菌，都还要对其进行仔细研究，全面了解产生产物的规律、影响菌株产生产物的各种因素和它们之间的关系，以及控制办法，并在实验室里进行验证和扩大规模的验证，才能够用于生产。在大规模工业生产上有了优良的生产菌种还不够，必须通过适当的措施提供足够量的种子。二、 发酵培养基现在大规模工业发酵产品的生产，多采用液体培养基进行深层发酵。使用的培养基必须满足微生物细胞生长、繁殖的需要，因为没有大量的细胞就不可能产生大量的产物；但是细胞的过分生长会消耗大量的营养物，有时又会影响细胞的生产能力，会使产物的产量和产率下降。使用的培养基还必须有利于微生物大量合成产物。因此，培养基的组成十分关键。三、 纯种发酵灭菌现代发酵工业绝大多数采用纯种发酵，可以保证高产及生产过程和产品质量的稳定。污染是发酵工业的大敌，它会使发酵失败，造成巨大损失。因此，灭菌和无菌操作成为发酵工业的重要环节。四、 温度一般，发酵温度升高，酶反应速率增大，生长代谢加快，生产期提前。但酶本身很易因过热而失去活性，表现在菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终产量。不同菌种和培养条件以及不同的酶反应和生长阶段，其最初温度是不一样的。在整个发酵周期内仅选用一个最适温度不一定好。适合菌种生长的温度不一定适合产物合成。温度的选择还应参考其他发酵条件，灵活掌握。五、 pH值与温度对微生物的影响类似，微生物存在最低生长pH、最适生长pH和最高生长pH。不同微生物对环境pH适应的范围不同。一般微生物生长的最适pH在4.09.0范围内。真菌生长的范围宽，细菌较窄（34pH单位），细菌、放线菌一般适应于中性偏碱性环境，而酵母、霉菌适应于偏酸性环境。最适生长pH偏酸性的微生物，称为嗜酸性微生物；其中不能在中性环境生长的称专性嗜酸微生物，如乳酸杆菌和假单胞杆菌；既能适应酸性，也能在中性环境中生长的称兼性嗜酸菌；最适生长pH偏碱性的称嗜碱性微生物，如链霉菌。同一种微生物在不同的生长阶段和不同生理生化过程中，对环境pH也有不同要求。如丙酮丁醇梭菌在pH为5.57.0时，以菌体生长繁殖为主；pH为4.35.3时，才进行丙酮丁醇发酵。同一种微生物由于培养环境pH不同，可能积累不同的代谢产物。如黑曲霉在pH为23的环境中发酵蔗糖，产物以柠檬酸为主，只产极少量的草酸；当pH接近中性时，则大量产生草酸，而柠檬酸产量很低。又如酵母菌在最适pH时，进行乙醇发酵，不产生甘油和醋酸；如果环境pH大于8，发酵产物除乙醇外，还有甘油和醋酸。因此，在发酵过程中，根据不同目的，采用变pH发酵，可以控制产物和生产效率。六、 氧的供需溶氧（DO）是需氧微生物生长所必需。发酵受多方面因素的限制，而DO往往最易成为控制因素。这是由于氧在水中的溶解度低所致。在工业中产率是否受氧的限制，单凭通气量的大小是难于确定的，因DO的高低不仅取决于供氧，通气搅拌等，还取决于需氧情况。故了解溶氧是否足够的简便又有效的办法是就地监测发酵液中的溶氧浓度。从DO变化的情况可以了解氧的供需规律及其对生长和产物合成的影响。参考文献：【1】谢梅英等. 发酵技术，化学工业出版社，2007.5【2】邹崇达