微生物发酵工程——发酵

发酵工程（ fermentation engineering ）就是利用微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术和设备来生产有用物质或将微生物直接用于工业化生产获得目的产物的技术体系。包括发酵和提纯两个工序。

一、发酵

将微生物接种到合适的培养基中，通过控制其生长和代谢环境，来使微生物发挥起独特功能的过程。其主要内容包括菌种的选育，种子的扩大培养，培养基的配制与灭菌，接种及发酵控制等。其基本过程见图 7-11 。

从不同的角度可将发酵分成不同的类型。根据是否需要氧气可分为厌氧发酵（静置发酵）和好氧发酵（通气发酵）；根据发酵培养基的性质可分为固态发酵和液态发酵；根据发酵方式的不同可分为分批发酵、补料分批发酵及连续发酵等。

1 、厌氧发酵

适用于厌氧或兼性厌氧微生物的发酵，如丙酮丁醇发酵、酵母菌的酒精发酵、乳酸发酵等。产生丙酮、丁醇的梭状芽孢杆菌（ Clostridium ）是一种专性厌氧微生物，它的菌体发酵和发酵应在无氧条件下进行。酵母菌是一类兼性厌氧微生物，根据其生理特点，在种子制备时应在搅拌通风的条件下进行以促使其生长繁殖，而酒精发酵则在缺氧条件下进行。乳酸菌大多属耐气性厌氧菌，它们的生长和代谢产物合成与氧的有无关系不大，但为了防止杂菌污染，还是以缺氧环境中发酵为宜。

2 、好氧发酵

适用于好氧微生物的发酵，如链霉素、谷氨酸、柠檬酸等的发酵。生产链霉素的是一类放线菌，生产柠檬酸的是一类霉菌，都是好氧性微生物，在厌氧条件下很难生长和代谢。虽然生产谷氨酸的棒杆菌也可在厌氧下发酵，但因谷氨酸是由 TCA 循环中的 a - 酮戊二酸为前体合成的，因此必需在有氧条件下才能生成。

3 、固态发酵

指发酵培养基的状态是固体。如大曲酒发酵及红曲发酵等。大曲酒发酵一般在窖池中进行，发酵原料经蒸煮后放入窖池，接种酒曲后覆膜发酵，起初由霉菌进行糖化，氧气用净后由酵母菌进行酒精发酵。红曲需要在有氧条件下发酵，一般在曲盘上进行。为了使红曲霉在固体培养基中生长良好，发酵过程中要经常洒水及翻曲。

4 、液态发酵

指发酵培养基的状态为液体。绝大多数纯种发酵都为液态发酵，如青霉素发酵。 早期的青霉素发酵在液体浅盘上进行，由于该法存在产量低、易污染且劳动强度大等缺点，现已被深层液体通风发酵法取代。

深层液体通风发酵在密闭通风发酵罐中进行，将种子接入灭菌的发酵培养基中，然后在适宜的温度、溶氧下发酵，发酵罐中有蛇管或夹套可以控温，溶解氧的浓度可以通过调节搅拌机转速或通入的无菌空气的风量来控制。

5 、分批发酵

指在发酵过程中，除了不断进行通气（好氧发酵）和为调节发酵液的 pH 而加入酸碱溶液外，与外界没有其它物料交换的一种发酵方式。培养基的量一次性加入，产品一次性收获，是目前广泛采用的一种发酵方式。其优点是： ① 对温度的要求低，工艺操作简单； ② 比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题； ③ 对营养物的利用效率较高，产物浓度也比连续发酵要高。缺点是： ① 人力、物力、动力消耗较大； ② 生产周期较长，由于分批发酵时菌体有一定的生长规律，都要经历延滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期，而且每批发酵都要经菌种扩大发酵、设备冲洗、灭菌等阶段； ③ 生产效率低，生产上常以体积生产率（以每小时每升发酵物中代谢产物的 g 数来表示）来计算效率，在分批发酵过程中，必须计算全过程的生产率，即时间不仅包括发酵时间，而且也包括放料、洗罐、加料、灭菌等时间。

6 、连续发酵

指 连续不断地向反应器（发酵罐）中流加新鲜发酵液，同时又连续不断地排出发酵液，从而使 pH 、养分、溶解氧等保持恒定，使微生物的生长和代谢活动保持旺盛稳定状态的一种发酵方式。连续发酵可分为单罐连续发酵和多罐串联连续发酵等方式。在单罐连续发酵中，由于发酵液在不断搅拌，一部分刚流入的发酵基将随发酵液一起流出（见图 7-12 ）。其优点是： ① 设备的体积可以减小； ② 操作时间短，总的操作管理方便，便于自动化控制； ③ 产物稳定，人力物力节省，生产费用低。缺点是： ① 对设备的合理性和加料设备的精确性要求甚高； ② 营养成分的利用较分批发酵差，产物浓度比分批发酵低； ③ 杂菌污染的机会较多，菌种易因变异而发生退化。

7 、补料分批发酵

补料分批发酵 是指在微生物分批发酵过程中，以某种方式向发酵系统中补加一定物料，但并不连续地向外放出发酵液的发酵技术，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术。

假设物料流入发酵罐的速率为 F in ，流出发酵罐的速率为 F ex ，则分批发酵时 F in ＝ F ex ＝ 0 ；连续发酵时 F in ＝ F ex 1 0 ；而补料分批发酵时 F in 与 F ex 不恒定，是可变的，有时为 0 ，有时不为 0 。通常 F ex ＝ 0 的单纯补料工艺是增体积操作，不断分次加入发酵基质或连续流加发酵基质，至发酵罐的体积不再适宜补料为止。所以发酵时间只是有限地延长。另一种 F ex 1 0 ，即定期从发酵罐中排出一定量的发酵液以便能进一步补加物料的补料分批发酵，称为重复循环工艺。该法具有如下优点： ① 可以解除底物的抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物阻遏作用。当代谢产物收率或其生产速率明显地受某种底物组分浓度影响（如用醋酸、甲醇、苯酚等作为发酵基组分而存在底物浓度的抑制）时，采用补料分批技术比分批发酵有利； ② 可以减少菌体生长量，提高有用产物的转化率； ③ 菌种的变异及杂菌污染问题易控制； ④ 便于自动化控制。

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