微生物发酵方式

微生物的发酵方式 张广敏 依据发酵工程动力学简化发酵过程的原则和描述步骤 我们将微生物的发酵方式分为分批发酵 连续发酵和补料分批发酵 一 分批发酵 定义 在操作上 先将一定量底物一次性装入密封的培养系统的单罐中 在适宜的温度下接种使发酵开始 经过一定时间后将全部发酵液取出 分离提取产物 菌体的生长阶段 延迟期 对数生长期 稳定期和死亡期 分批发酵的生长曲线P87 分批发酵的特点 微生物所处的环境是不断变化的可进行少量多品种的发酵生产发生杂菌污染时能够很容易终止发酵当运转条件发生变化时或者需要生产新产品时 灵活机动对原料组成要求较粗放 一 连续发酵 定义 所谓连续发酵是指在微生物培养至对数生长期时 以一定的速率把新鲜的培养基连续的供给均匀混合的发酵系统 并以相同的速率放出含有细胞和产物的发酵液的过程 发酵液中营养基质的浓度始终维持恒定状态 微生物保持在生长旺盛的对数生长期 连续发酵的生长特征 在开放式连续发酵系统中 培养系统中的微生物细胞随着发酵液的流出而被带走 细胞流出的速度等于细胞生成的速度 细胞在整个发酵过程中始终处于生长旺盛的对数生长期 连续发酵的特点 简化了装料 灭菌 出料 投料 清洗 消毒等许多单元操作 从而减少了非生长时间和提高了设备的利用率 缩短了发酵运转周期 提高了生产率 连续培养始终使得细胞处于生长旺盛的对数生长期 可以明显的提高生产率 3 连续发酵生产过程比较稳定 均衡 发酵罐内的微生物 基质 产物 溶氧浓度 冷却要求以及pH值的控制等各种参数均维持在一定的水平上便于利用各种仪表进行自动控制 4 由于连续化发酵采用管道化和自动化生产 明显降低了劳动强度 节约了大量的动力 人力 水和蒸汽 5 产品稳定 产量比较高 连续发酵的缺点 一次生代谢产物为发酵产品的发酵 发酵过程中的生理生化特性 发酵动力学等均未充分了解 连续发酵对基质利用率比较低 造成成本增加生产菌株容易退化菌种容易受到污染工业培养基的组成成分波动比较大 严重制约了连续发酵 三 补料分批发酵 定义 补料分批发酵以分批发酵为基础 是介于分批发酵与连续发酵之间的一种发酵技术 在分批发酵培养开始 投入较低的浓度底物 当微生物开始消耗底物后 间歇或连续地补加新鲜培养基 而不从发酵罐中放出培养液的一种发酵方式 补料分批发酵目的 打破底物阻遏作用 Forexample青霉素的生产分为两个阶段 前期菌体快速生长 过多的葡萄糖将引起酸积累过量和菌体对氧气的需求过量 葡萄糖不足导致有机氮源被菌体当碳源利用 导致pH升高 菌体产量不足 2 后期产物积累控制流加葡萄糖的量 并补加一定量的青霉素前提物质 在保证菌体量的前提 促使青霉素大量的产生 补料分批发酵的优点 利用分批发酵的方式可以 使得发酵系统中维持较低基质浓度 解除底物阻遏效应 并维持适当的菌体浓度 不至于加剧供氧矛盾 利用补料分批发酵的方式避免在培养基中积累有毒的代谢物 不需要严格的无菌条件 也会产生菌种老化和变异等问题 错 能够增加微生物细胞的合成能力 因为通过补料工艺能够不断的提供足够的养料用于合成产物 尤其是提高非偶联型产物的合成量 能够降低发酵液的黏性 提高溶氧 补料分批发酵的缺点 要求操作着具有较高的操作技能 容易染菌需要附加反馈控制系统 增加了投资 绝大多数发酵车间都已经具有反馈控制系统 DCS 菌体的生长与产物的形成 偶联型 所谓的偶联型的微生物反应 是指产物的形成和微生物的生长直接相关 两者的生成是平行的 偶联型的特点 此类的产物是直接由葡萄糖代谢的初级产物 产物的生成与葡萄糖的利用有直接的化学计量关系 半偶联型 是介于偶联与非偶联之间的一种类型 产物的形成存在生长偶联与非偶联两部分 半偶联的特点 产物的形成间接的与基质 糖类 的消耗有关 虽然不是碳源的直接氧化得来 却是菌体内氧化过程的主要代谢流程 糖分既是供应菌体生长所需要的能量 又是充当产物合成碳源 产物比生成速率的最高时期要迟于菌体的比生长速率的最高期 Forexample 土霉素的生产开始时代谢活动极其微弱 当开始生成初级菌丝后 菌丝生长旺盛但是并不产生土霉素随后初级菌丝断裂 呼吸和核酸形成速率下降 而抗生素的的产量上升最后生长停滞 代谢再度下降 然而 抗生素仍能继续分泌一段时间 非偶联型 产物的合成发生在生长停止以后 非偶联型的特点发酵产物的生成速率只与现有的菌体量有关 而产物的比