微生物发酵法

微生物发酵简介

Microbial fermentation refers to the process of using microorganisms to convert raw materials into products required by humans through specific metabolic pathways under suitable conditions. The level of microbial fermentation production mainly depends on the genetic characteristics and cultivation conditions of the strains themselves.

发酵工程的应用范围包括医药工业、食品工业、能源工业、化学工业、农业：转化植物基因；生物固氮；工程杀虫剂及生物农药；微生物营养物；环境保护等方面。微生物发酵方式一般有间歇发酵、连续发酵、补料间歇发酵等。

（1）连续发酵

是指以一定的速度向发酵罐中加入新鲜培养基，同时以同样的速度流出培养基，以维持发酵罐内液量的恒定，使微生物在稳定的状态下生长。

可长时间连续进行，生产能力高；但操作控制要求高，投资大，杂菌污染，微生物菌株变异大。发酵罐主要用于实验室发酵动力学研究，在工业发酵中的应用并不普遍，只用于菌种选择特性相对稳定的发酵，如酒精发酵等

（2）批量发酵

又称批量培养，是一种将菌体加入一定量的培养基中进行培养，最后一次性收获菌体或其代谢产物的发酵方法。批量发酵中，为了维持培养基中营养物质的浓度，使之适合菌体的生长，利于菌体体积代谢产物的积累，可以采用中间补料的方式。

发酵工业中常用的是采用单罐深批量发酵法，批量发酵所需的技术和设备相对简单，人们很容易掌握。

因此现今仍是发酵工业的主流，传统发酵工业一般采用批量发酵的方式，每道发酵工序都要经过接种、生长繁殖、菌体衰老，最终发酵结束，得到产品的提取。

微生物在一定的培养基条件控制下，从出生到死亡经历一系列的变化阶段，每个变化阶段都受到菌体特性的制约，同时也受到周围环境的影响。只有正确认识和掌握这一系列变化，才能控制发酵生产。

间歇发酵的特点是微生物所处的环境不断变化，且可进行少量品种的发酵生产，若有杂菌污染则容易终止操作。

当操作条件改变或需要生产新产品时，发酵策略容易改变，对原料组成的要求也比较广泛。批量培养中微生物的生长过程可分为四个阶段：停滞（或调节）期、对数（增长）期、稳定期、衰减期。研究细胞的代谢和遗传时，宜选用生长最旺盛的对数期细胞。

在发酵工业生产中，所用种子应处于对数生长期，接种到发酵罐新鲜培养基中时，几乎无停滞期，可在较短时间内获得大量旺盛生长的菌体，有利于缩短生产周期。在科研生产中，往往需要延长细胞的对数生长期。

The main equipment for batch fermentation is the main fermenter (main fermenter) and the seed fermenter (seed fermenter), both of which belong to deep cultivation devices. (Contains ingredients, steam sterilization, cooling, ventilation, air filtration, stirring, and defoaming devices, etc.). Seed tank: The seed of the required strain for inoculating the main fermenter culture medium. Shake bottle culture – seed culture – fermentation culture (gradually expanding by 10 times the volume).Batch fermentation is a good fermentation method widely used in industrial production.

批量发酵过程中影响总产量的因素：

①底物因素：底物选择不合适，导致底物限制或抑制，产生底物分解抑制效果和二次生长现象。

②菌株及代谢产物类型的影响：发酵菌株适应性弱，不能快速适应底物种类和发酵环境，或者产物为对初始高浓度敏感的次级代谢产物，影响间歇发酵的总产量；发酵类型本身的局限性：间歇发酵是典型的非稳态过程，一次性进料接种，直至发酵结束，无需开盖。

营养物质会很快耗尽，无法维持微生物的继续生长和生产；

④微生物生长阶段的影响：非生产时间长导致生产率降低。

（3）补料分批发酵

间歇发酵又称半连续发酵或半连续培养，是指在间歇发酵过程中，间歇或连续地加入新鲜培养基的培养方式，与传统的间歇发酵相比，其优势在于发酵体系中可维持极低的底物浓度。

低底物浓度的优点是：

①能解除对碳源快速利用的抑制作用，维持适当的菌体浓度，不至于加剧供氧矛盾；

②避免培养基中毒性代谢产物的积累。

补料分批发酵在抗生素、氨基酸、酶制剂、核苷酸、有机酸、聚合物等生产中有着广泛的应用。如大肠杆菌发酵大多采用分批补料培养，这是优化现代发酵工艺、有效优化微生物培养过程中化学环境的一种方法。

将微生物置于最佳生长环境中。与间歇发酵相比，可缓解底物抑制、产物反馈抑制、葡萄糖分解抑制等效应。避免间歇发酵中因一次性加入过多糖分，造成通气搅拌设备不匹配，造成细胞过度生长、耗氧。

菌体可在一系列连续的过渡阶段中得到控制，可作为控制细胞质量的手段。与连续发酵相比，补料分批发酵的优点有：①无菌要求低；②菌株变异小，降解极少；③适用性更广。

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