基础知识-微生物发酵过程

基础知识-微生物发酵过程 微生物发酵过程即微生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应过 程。 根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、兼性厌氧），可以分为好氧性发酵和厌氧性发酵两 大类。 （1）好氧性发酵 在发酵过程中需要不断地通人一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进行柠檬 酸发酵、利用棒状杆菌进行谷氨酸发酵、利用黄单抱菌进行多糖发酵等等。 （2）厌氧性发酵 在发酵时不需要供给空气，如乳酸杆菌引起的乳酸发酵、梭状芽抱杆菌引 起的丙酮、丁醇发酵等。 （3）兼性发酵 酵母菌是兼性厌氧微生物，它在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在 有氧即通气条件下则进行好氧性发酵，大量繁殖菌体细胞。 按照设备来分，发酵又可分为敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发酵。 一般敞口发酵应用于繁殖快并进行好氧发酵的类型，如酵母生产，由于其菌体迅速而大量繁 殖，可抑制其他杂菌生长。所以敞口发酵设备要求简单。相反，密闭发酵是在密闭的设备内 进行，所以设备要求严格，工艺也较复杂。浅盘发酵（表面培养法）是利用浅盘仅装一薄层 培养液，接人菌种后进行表面培养，在液体上面形成一层菌膜。在缺乏通气设备时，对一些 繁殖快的好氧性微生物可利用此法。深层发酵法是指在液体培养基内部（不仅仅在表面）进 行的微生物培养过程。 液体深层发酵是在青霉素等抗生素的生产中发展起来的技术。同其他发酵方法相比，它具 有很多优点： ?液体悬浮状态是很多微生物的最适生长环境。 ?在液体中，菌体及营养物、产物（包括热量）易于扩散，使发酵可在均质或拟均质条件下 进行，便于控制，易于扩大生产规模。 ?液体输送方便，易于机械化操作。 ?厂房面积小，生产效率高，易进行自动化控制，产品质量稳定。 ?产品易于提取、精制等。因而液体深层发酵在发酵工业中被广泛应用。 1．２．１ 工业生产常用微生物 微生物资源非常丰富，广布于土壤、水和空气中，尤以土壤中为最多。有的微生物从自然 界中分离出来就能够被利用，有的需要对分离到的野生菌株进行人工诱变，得到突变株才能 被利用。当前发酵工业所用菌种的总趋势是从野生菌转向变异菌，从自然选育转向代谢控制 育种，从诱发基因突变转向基因重组的定向育种。工业生产上常用的微生物主要是细菌、放 线菌、酵母菌和霉菌，由于发酵工程本身的发展以及遗传工程的介人，藻类、病毒等也正在 逐步地变为工业生产用的微生物。其他微生物有担子菌、 藻类。 1．２．２． 培养基 1．２．２．１ 培养基的种类 培养基是人们提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物需要的多种营养物质的混合物。 培养基的成分和配比，对微生物的生长、发育、代谢及产物积累，甚至对发酵工业的生产工 艺都有很大的影响。依据其在生产中的用途，可将培养基分成抱子培养基、种子培养基和发 酵培养基等。 （1）抱子培养基 抱于培养基是供制备泡子用的。 （2）种于培养基 种子培养基是供抱子发芽和菌体生长繁殖用的。 （3）发酵培养基 发酵培养基是供菌体生长繁殖和合成大量代谢产物用的。 1．２．２．２ 发酵培养基的组成 发酵培养基的组成和配比由于菌种不同。设备和工艺不同以及原料来源和质量不同而有所差 别。因此，需要根据不同要求考虑所用培养基的成分与配比。 但是综合所用培养基的营养 成分，不外乎是碳源（包括用作消泡剂的油类）、氮源、无机盐类（包括微量元素）、生长因 子、水、产物形成的诱导物、前体和促进剂等几类。 1．２．３ 发酵的一般过程 生物发酵工艺多种多样，但基本上包括菌种制备、种子培养、发酵和提取精制等下游处理 几个过程。典型的发酵过程如图４-１所示。以下以霉菌发酵为例加以说明。 1．２．３．１ 菌种 在进行发酵生产之前，公先必须从自然界分离得到能产生所需产物的菌种，并经分离、纯化及 选育后或是经基因工程改造后的"工程菌"．才能供给发酵使用。为了能保持和获得稳定的高产菌株，还需要定期进行菌种纯化和育种，筛选出高产量和高质录的优良菌株。 1．２．３．２ 种子扩大培养 种子扩大培养是指将保存在砂上管。冷冻干燥管或冰箱中处于休眠状态的生产菌种，接入试管 斜面活化后，再经过茄子瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。 这些纯种培养物称为种子。 发酵产物的产量与成品的质量，与菌种性能以及抱于和种子的制备情况密切相关。先将贮存的 菌种进行生长繁殖，以获得良好的抱子，再用所得的抱子制备足够量的菌丝体，供发酵罐发酵使 用。种子制备有不同的方式，有的从摇瓶培养开始，将所得摇瓶种于液接入到种子罐进行逐级扩 大培养，称为菌丝进罐培养；有的将泡了百接接人种子罐进行扩大培养，称为抱子进罐培养。采 用哪种方式和多少培养级数，取决于菌种的性质。生产规模的人小和生产厂艺的特点，种于制备 一般使用种于罐，扩人培养级数通常为二级。种厂制备的工艺流程如图４－２所示示。对于不产 孢子的菌种，经试管培养直接得到菌体，再经摇瓶培养后即可作为种子罐种子。 1．２．３．３ 发酵 发酵是微生物合成大量产物的过程，是整个发酵工程的中心环节。它是在无菌状态下进行纯种 培养的过程。因此，所用的培养基和培养设备都必须经过灭菌，通人的空气或中途的补料都是无 菌的，转移种子也要采用无菌接种技术。通常利用饱和蒸汽对培养基进行灭菌，灭菌条件是在１ ２０?（约０．ＩＭＰａ表压）维持２０～３０ｍｉｎ。空气除菌则采用介质过滤的方法，可用 定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。发酵罐内部的代谢 变化（菌丝形态、菌浓、糖、氮含量、ｐＨ值，溶氧浓度和产物浓度等）是比较复杂的，特别是 次级代谢产物发酵就更为复杂，它受许多因素控制。 1．２．３．４ 下游处理 发酵结束后，要对发酵液或生物细胞进行分离和提取精制，将发酵产物制成合乎要求的成品。