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發(fā)酵工程綜述發(fā)酵工程的內(nèi)容是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷擴(kuò)大和充實(shí)的?,F(xiàn)代的發(fā)酵工程不僅包括菌體生產(chǎn)和代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn),還包括微生物機(jī)能的利用。其主要內(nèi)容包括生產(chǎn)菌種的選育,發(fā)酵條件的優(yōu)化與控制,反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及產(chǎn)物的分離、提取與精制等。1發(fā)酵類型目前已知具有生產(chǎn)價(jià)值的發(fā)酵類型有以下五種:1.1微生物菌體發(fā)酵這是以獲得具有某種用途的菌體為目的的發(fā)酵。比較傳統(tǒng)的菌體發(fā)酵工業(yè),有用于面包制作的酵母發(fā)酵及用于人類食品或動(dòng)物飼料的微生物菌體蛋白發(fā)酵兩種類型。新的菌體發(fā)酵可用來生產(chǎn)一些藥用真菌,如香菇類、依賴蟲蛹而生存的冬蟲夏草菌、與天麻共生的密環(huán)菌、以及從多孔菌科的茯苓菌獲得的名貴中藥茯苓和擔(dān)子菌的靈芝等。這些藥用真菌可以通過發(fā)酵培養(yǎng)的手段來產(chǎn)生與天然產(chǎn)品具有同等療效的產(chǎn)物。有的微生物菌體還可用作生物防治劑,可制成新型的微生物殺蟲劑,并用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。因此菌體發(fā)酵工業(yè)還包括微生物殺蟲劑的發(fā)酵。1.2微生物酶發(fā)酵酶普遍存在于動(dòng)物、植物和微生物中。最初,人們都是從動(dòng)、植物組織中提取酶,但目前工業(yè)應(yīng)用的酶大多來自微生物發(fā)酵,因?yàn)槲⑸锞哂蟹N類多、產(chǎn)酶品種多、生產(chǎn)容易和成本低等特點(diǎn)。微生物酶制劑有廣泛的用途,多用于食品工業(yè)和輕工業(yè)中,如微生物生產(chǎn)的淀粉酶和糖化酶用于生產(chǎn)葡萄糖,氨基酰化酶用于拆分D、L-氨基酸等。1.3微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵微生物代謝產(chǎn)物的種類很多,已知的有37個(gè)大類。在菌體對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期所產(chǎn)生的產(chǎn)物,如氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、糖類等,是菌體生長(zhǎng)繁殖所必需的,這些產(chǎn)物叫做初級(jí)代謝產(chǎn)物。許多初級(jí)代謝產(chǎn)物在經(jīng)濟(jì)上具有相當(dāng)?shù)闹匾?,分別形成了各種不同的發(fā)酵工業(yè)。在菌體生長(zhǎng)靜止期,某些菌體能合成一些具有特定功能的產(chǎn)物,如抗生素、生物堿、細(xì)菌毒素、植物生長(zhǎng)因子等。這些產(chǎn)物與菌體生長(zhǎng)繁殖無明顯關(guān)系,叫做次級(jí)代謝產(chǎn)物。次級(jí)代謝產(chǎn)物多為低分子量化合物,但其化學(xué)結(jié)構(gòu)類型多種多樣,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)多達(dá)47類。其中抗生素按其結(jié)構(gòu)類型相似性,可分為14類。由于抗生素不僅具有廣泛的抗菌作用,而且還有抗病毒、抗癌和其他生理活性,因而得到了大力發(fā)展,已成為發(fā)酵工業(yè)的重要支柱。1.4微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵微生物轉(zhuǎn)化是利用微生物細(xì)胞的一種或多種酶,把一種化合物轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相關(guān)的更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)物??蛇M(jìn)行的轉(zhuǎn)化反應(yīng)包括:脫氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、縮合反應(yīng)、脫羧反應(yīng)、氨化反應(yīng)、脫氨反應(yīng)和異構(gòu)化反應(yīng)等。最古老的生物轉(zhuǎn)化,就是利用菌體將乙醇轉(zhuǎn)化成乙酸的醋酸發(fā)酵。生物轉(zhuǎn)化還可用于把異丙醇轉(zhuǎn)化成丙醇;甘油轉(zhuǎn)化成二羥基丙酮;葡萄糖轉(zhuǎn)化成葡萄糖酸,進(jìn)而轉(zhuǎn)化成2—酮基葡萄糖酸或5—酮基葡萄糖酸;以及將山梨醇轉(zhuǎn)變成L—山梨糖等。此外,微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵還包括甾類轉(zhuǎn)化。1.5生物工程細(xì)胞的發(fā)酵這是指利用生物工程技術(shù)所獲得的細(xì)胞,如DNA重組的“工程菌”以及細(xì)胞融合所得的“雜交”細(xì)胞等進(jìn)行培養(yǎng)的新型發(fā)酵,其產(chǎn)物多種多樣。用基因工程菌生產(chǎn)的有胰島素、干擾素、青霉素酰化酶等,用雜交瘤細(xì)胞生產(chǎn)的用于治療和診斷的各種單克隆抗體等。2發(fā)酵技術(shù)的特點(diǎn)微生物種類繁多、繁殖速度快、代謝能力強(qiáng),容易通過人工誘變獲得有益的突變株;微生物酶的種類很多,能催化各種生物化學(xué)反應(yīng);微生物能夠利用有機(jī)物、無機(jī)物等各種營(yíng)養(yǎng)源;可以用簡(jiǎn)易的設(shè)備來生產(chǎn)多種多樣的產(chǎn)品;不受氣候、季節(jié)等自然條件的限制等優(yōu)點(diǎn)。所以源于酒、醬、醋等釀造技術(shù)的發(fā)酵技術(shù)發(fā)展非常迅速,并具有以下特點(diǎn):①發(fā)酵過程以生命體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行,數(shù)十個(gè)反應(yīng)過程能夠在發(fā)酵設(shè)備中一次完成;②反應(yīng)通常在常溫常壓下進(jìn)行,條件溫和,能耗少,設(shè)備較簡(jiǎn)單;③原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物為主,可以是農(nóng)副產(chǎn)品、工業(yè)廢水或可再生資源(如植物秸稈、木屑等),微生物本身能有選擇地?cái)z取所需物質(zhì);④容易生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物,能高度選擇地在復(fù)雜化合物的特定部位進(jìn)行氧化、還原、官能團(tuán)引入或去除等反應(yīng);⑤發(fā)酵過程中需要防止雜菌污染,大多情況下設(shè)備需要進(jìn)行嚴(yán)格的沖洗、滅菌,空氣需要過濾等。3發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵過程的上述特點(diǎn)體現(xiàn)了發(fā)酵工程的種種優(yōu)點(diǎn)。在目前能源、資源緊張,人口、糧食及污染問題日益嚴(yán)重的情況下,發(fā)酵工程作為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分之一,得到越來越廣泛的應(yīng)用:①醫(yī)藥工業(yè),用于生產(chǎn)抗生素、維生素等常用藥物和人胰島素、乙肝疫苗、干擾素、透明質(zhì)酸等新藥;②食品工業(yè),用于微生物蛋白、氨基酸、新糖源、飲料、酒類和一些食品添加劑(檸檬酸、乳酸、天然色素等)的生產(chǎn);③能源工業(yè),通過微生物發(fā)酵,可將綠色植物的秸稈、木屑以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等廢棄物轉(zhuǎn)化為液體或氣體燃料(酒精或沼氣),還可利用微生物采油、產(chǎn)氫以及制成微生物電池;④化學(xué)工業(yè),用于生產(chǎn)可降解的生物塑料、化工原料(乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等)和一些生物表面活性劑及生物凝集劑;⑤冶金工業(yè),微生物可用于黃金開采和銅、鈾等金屬的浸提;⑥農(nóng)業(yè),用于生物固氮和生產(chǎn)生物殺蟲劑及微生物飼料,為農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的增產(chǎn)發(fā)揮了巨大作用;⑦環(huán)境保護(hù),可用微生物來凈化有毒的高分子化合物,降解海上浮油,清除有毒氣體和惡臭物質(zhì)以及處理有機(jī)廢水、廢渣等等。盤4獄傻微生物發(fā)酵缺過程寶微生物發(fā)酵槳過程即微生饑物反應(yīng)過程眉,是指由微曾生物在生長(zhǎng)壺繁殖過程中乓所引起的牛絮化反應(yīng)的過杏程。狐根據(jù)微生物淚的種類不同猛(好氧、厭除氧、兼性厭槽氧),微生跑物發(fā)酵過程濤可以分為好世氧性發(fā)酵過友程和厭氧性商發(fā)酵過程兩姨大類。摘(1)好氧埋性發(fā)酵在燒發(fā)酵過程中政需要不斷地肝通人一定量劑的無菌空氣奉,如利用黑潤(rùn)曲霉進(jìn)行的穩(wěn)檸檬酸發(fā)酵檢,利用棒狀記桿菌進(jìn)行的月谷氨酸發(fā)酵制,利用黃單揉孢菌進(jìn)行的臟多糖發(fā)酵等雨。爭(zhēng)(2)厭氧柳性發(fā)酵在揭發(fā)酵時(shí)不需規(guī)要供給空氣巖,如乳酸桿衰菌引起的乳籌酸發(fā)酵,梭仰狀芽孢桿菌怨引起的丙酮擴(kuò)、丁醇發(fā)酵愧等。搖此外,酵母假菌是兼性厭炸氧微生物,雅它在缺氧條右件下進(jìn)行厭哭氧性發(fā)酵積舍累酒精而在寺有氧即通氣品條件下則進(jìn)蛾行好氧性發(fā)披酵,大量繁傲殖菌體細(xì)胞長(zhǎng),因此稱為封兼性發(fā)酵。帥根據(jù)培養(yǎng)基該狀態(tài)的不同哥(固體或液鴉體),微生乓物發(fā)酵可分閃為固體發(fā)酵磨和液體發(fā)酵多。慨如果按照發(fā)簡(jiǎn)酵設(shè)備來分每,又可分為瘦敞口發(fā)酵、翅密閉發(fā)酵、柴淺盤發(fā)酵和柏深層發(fā)酵妥。其中晚深層發(fā)酵法劍是指在液體園培養(yǎng)基內(nèi)部扮(不僅僅在姐表面)進(jìn)行奶的微生物培簽養(yǎng)過程。噴液體深層發(fā)漫酵是在青霉限素等抗生素渣的生產(chǎn)中發(fā)擊展起來的技父術(shù)。同其他必發(fā)酵方法相則比,它具有余很多優(yōu)點(diǎn):繡①病液體懸浮狀臺(tái)態(tài)是很多微劃生物的最適沉生長(zhǎng)環(huán)境;黨②廈在液體中,演菌體及營(yíng)養(yǎng)那物、產(chǎn)物(透包括熱量)茅易于擴(kuò)散,陷使發(fā)酵可在秘均質(zhì)或擬均束質(zhì)條件下進(jìn)家行,便于控源制,易于擴(kuò)匙大生產(chǎn)規(guī)模丟;呼③禍液體輸送方齡便,易于機(jī)忌械化操作;伐④伸廠房面積小浸,生產(chǎn)效率患高,易進(jìn)行努自動(dòng)化控制雅,產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定;乏⑤富產(chǎn)品易于提額取、精制等妥。因而液體拖深層發(fā)酵在殖發(fā)酵工業(yè)中瘡被廣泛應(yīng)用霜。靈4.1發(fā)乞酵工業(yè)中的風(fēng)常用微生物驕微生物資源擴(kuò)非常豐富,落廣布于土壤匹、水和空氣大中,尤以土勇壤中為多。虛有的微生物鉛從自然界中墳分離出來就濫能夠被利用現(xiàn),有的需要攔對(duì)分離到的息野生菌株進(jìn)傍行人工誘變?cè)\,得到突變極株才能被利巧用。當(dāng)前發(fā)疾酵工業(yè)所用議菌種的總趨別勢(shì)是從野生恩菌轉(zhuǎn)向變異啊菌,從自然艦選育轉(zhuǎn)向代親謝控制育種劣,從誘發(fā)基哀因突變轉(zhuǎn)向建基因重組的躍定向育種。才發(fā)酵工業(yè)生潤(rùn)產(chǎn)上常用的填微生物主要卻是細(xì)菌、放衰線菌、酵母顧菌和霉菌,啦由于發(fā)酵工娃程本身的發(fā)鵲展以及遺傳叨工程的介入夸,藻類、病湊毒等也正在塑逐步地成為齊發(fā)酵工業(yè)中償采用的微生證物。街4眨.勇2培養(yǎng)基賴4洗.憑2克.屈1莊培養(yǎng)基的擾種類敬培養(yǎng)基是人從們提供微生僅物生長(zhǎng)繁殖俘和生物合成斷各種代謝產(chǎn)召物需要的多狠種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)榆的混合物。小培養(yǎng)基的成京分和配比,奏對(duì)微生物的醋生長(zhǎng)、發(fā)育碧、代謝及產(chǎn)納物積累,甚燕至對(duì)發(fā)酵工催業(yè)的生產(chǎn)工秀藝都有很大艙的影響。依鄉(xiāng)據(jù)其在生產(chǎn)倆中的用途,躬可將培養(yǎng)基閱分成孢子培撿養(yǎng)基、種子孕培養(yǎng)基和發(fā)諒酵培養(yǎng)基等葬。拴4扒.毯2躲.2降發(fā)酵培養(yǎng)沉基的組成兆發(fā)酵培養(yǎng)基水的組成和配慘比由于菌種井不同、設(shè)備獨(dú)和工藝不同扭以及原料來友源和質(zhì)量不剪同而有所差伸別。因此,璃需要根據(jù)不仿同要求考慮樣所用培養(yǎng)基弱的成分與配碗比。但是綜舌合所用培養(yǎng)個(gè)基的營(yíng)養(yǎng)成膽分,不外乎瘦是碳源(包心括用作消泡瓦劑的油類)寧、氮源、無桿機(jī)鹽類(包恢括微量元素咸)、生長(zhǎng)因代子等幾類。西4本.莖2感.爛3丙菌種裙在進(jìn)行發(fā)酵落生產(chǎn)之前,同必須從自然舟界分離得到往能產(chǎn)生所需筍產(chǎn)物的菌種柿,并經(jīng)分離委、純化及選留育后或是經(jīng)樣基因工程改匯造后“工程丈菌”,才能膀供給發(fā)酵使鞋用。為了能呢保持和獲得苦穩(wěn)定的高產(chǎn)偏菌株,還需委要定期進(jìn)行登菌種純化和錯(cuò)育種,篩選拴出高產(chǎn)量和守高質(zhì)量的優(yōu)箏良菌株。俊4止.書2鬼.累4甘種子擴(kuò)大膏培養(yǎng)術(shù)將保存在砂輔土管、冷凍濟(jì)干燥管或冰薦箱中處于休烤眠狀態(tài)的生子產(chǎn)菌種接人晉試管斜面培島養(yǎng)基上活化誰后,再經(jīng)過波茄子瓶或搖恒瓶及種子罐恰逐級(jí)擴(kuò)大培環(huán)養(yǎng),獲得一野定數(shù)量和質(zhì)芳量的純種,驗(yàn)這個(gè)全過程枕稱為種子擴(kuò)蛾大培養(yǎng),這玻些純種培養(yǎng)曉物稱為種子許。絨發(fā)酵產(chǎn)物的惡產(chǎn)量與成品觀的質(zhì)量,與錄菌種性能以挪及孢子和種吧子的制備情哀況密切相關(guān)鵝。先將儲(chǔ)存發(fā)的菌種進(jìn)行蜂生長(zhǎng)繁殖,誼以獲得良好多的孢子,再痰用所得的孢敏子制備足夠范量的菌絲體阿,供發(fā)酵罐痰發(fā)酵使用。洞種子制備有羞不同的方式譜,有的從搖駛瓶培養(yǎng)開始范,將所得搖類瓶種子液接勾人到種子罐勸進(jìn)行逐級(jí)擴(kuò)勾大培養(yǎng),稱些為菌絲進(jìn)罐栽培養(yǎng);有的出將孢子直接庸接人種子罐翁進(jìn)行擴(kuò)大培割養(yǎng),稱為孢改子進(jìn)罐培養(yǎng)宿。采用哪種師方式和多少瞞培養(yǎng)級(jí)數(shù),郵取決于菌種卻的性質(zhì)、生匪產(chǎn)規(guī)模的大取小和生產(chǎn)工蛋藝的特點(diǎn)。勤種子制備一訴般使用種子悅罐,擴(kuò)大培零養(yǎng)級(jí)數(shù)通常劃為二級(jí)。對(duì)稅于不產(chǎn)孢子狡的菌種,經(jīng)歐試管培養(yǎng)直貝接得到菌體戴,再經(jīng)搖瓶譽(yù)培養(yǎng)后即可暴作為種子罐員種子。惹4賺.員2飯.孕5撞攏發(fā)酵喬發(fā)酵是在無隊(duì)菌狀態(tài)下對(duì)悉微生物進(jìn)行射純種培養(yǎng),脆本階段微生送物合成大量撒的產(chǎn)物是整御個(gè)發(fā)酵工程查的中心環(huán)節(jié)頁。因此,所靠用的培養(yǎng)基體和培養(yǎng)設(shè)備仙都必須經(jīng)過性滅菌,通人蠶的空氣或中雪途的補(bǔ)料都貪是無菌的,回轉(zhuǎn)移種子也淘要采用無菌塌接種技術(shù)。句通常利用飽存和蒸汽對(duì)培怠養(yǎng)基進(jìn)行滅怒菌,滅菌條彼件是在畜120每℃爛(約0.1蹲MPa表發(fā)壓)維持2擱0~30慧min。空編氣除菌則采疲用介質(zhì)過濾啊的方法,可包用定期滅菌勾的干燥介質(zhì)局來阻截流過候的空氣中所慚含的微生物眾,從而制得芒無菌空氣。幕發(fā)酵罐內(nèi)部弦的代謝變化健(菌絲形態(tài)凳、菌濃度、苗糖含量、氮中含量、pH教、溶氧濃度箏和產(chǎn)物濃度陜等)是比較德復(fù)雜的,特有別是次級(jí)代傅謝產(chǎn)物發(fā)酵帥就更為復(fù)雜嬸,受許多因延素控制。艇4紛.軍2興.6顏持下游處理責(zé)發(fā)酵結(jié)束后車,要對(duì)發(fā)酵欲液或微生物碑細(xì)胞進(jìn)行分正離和提取精耗制,將發(fā)酵探產(chǎn)物制成符惹合要求的成舌品。齒5榨覽液體深層發(fā)下酵疾5鞠.夏1退安發(fā)酵的操作測(cè)方式保根據(jù)操作方糞式的不同,屠液體深層發(fā)己酵主要有分館批發(fā)酵、連橋續(xù)發(fā)酵和補(bǔ)負(fù)料分批發(fā)酵漲三種類型。鼠5.2涌膨分批發(fā)酵塘營(yíng)養(yǎng)物和菌運(yùn)種一次加入題進(jìn)行培養(yǎng),受直到結(jié)束放鍬罐,中間除季了空氣進(jìn)入白和尾氣排出數(shù),與外部沒團(tuán)有物料交換姥。傳統(tǒng)的生扣物產(chǎn)品發(fā)酵盼多用此過程謝,它除了控獅制溫度和p擠H及通氣以姓外,不進(jìn)行例任何其他控深制,操作簡(jiǎn)物單。但從細(xì)豆胞所處的環(huán)鍋境來看,則劇有明顯改變父,發(fā)酵初期趕營(yíng)養(yǎng)物過多烤,可能抑制涂微生物的生險(xiǎn)長(zhǎng),而發(fā)酵買的中后期又佩可能因?yàn)闋I(yíng)愈養(yǎng)物減少而膛降低培養(yǎng)效送率;從細(xì)胞侄的增殖來說眼,初期細(xì)胞伏濃度低,增帝長(zhǎng)慢,后期胳細(xì)胞濃度雖暫高,但營(yíng)養(yǎng)減物濃度過低谷也生長(zhǎng)不快醬,總的生產(chǎn)夢(mèng)能力不是很炒高。迄今為準(zhǔn)止,分批發(fā)澤酵仍是常用嗓的發(fā)酵方法石,廣泛用于墨多種發(fā)酵過怠程。趨5廣.薄3棟烏連續(xù)發(fā)酵榨所謂連續(xù)發(fā)罷酵,是指以廊一定的速度府向發(fā)酵罐內(nèi)葡添加新鮮培謎養(yǎng)基,同時(shí)答以相同的速渡度流出培養(yǎng)笑液,從而使佛發(fā)酵罐內(nèi)的豬液量維持恒問定,微生物遼在穩(wěn)定狀態(tài)螞下生長(zhǎng)。穩(wěn)淋定狀態(tài)可以潑有效地延長(zhǎng)沫分批培養(yǎng)中溜的對(duì)數(shù)期。獻(xiàn)在穩(wěn)定的狀烤態(tài)下,微生東物所處的環(huán)媽境條件,如誠(chéng)營(yíng)養(yǎng)物濃度鞠、產(chǎn)物濃度濾、pH等都涌能保持相對(duì)催恒定,微生猛物細(xì)胞的濃夏度及其比生窗長(zhǎng)速率也可桿維持不變,話甚至還可以河根據(jù)需要來旺調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速狡度。某與分批發(fā)酵揚(yáng)相比,連續(xù)寬發(fā)酵玻有著較多客優(yōu)點(diǎn)避,但判目前主要用等于研究工作吹中,如發(fā)酵盾動(dòng)力學(xué)參數(shù)蜂的測(cè)定,過壓程條件的優(yōu)?;囼?yàn)等。禍而在工業(yè)生劫產(chǎn)中的應(yīng)用摩還不多,目勒前主要用于塊面包酵母和時(shí)飼料酵母的比生產(chǎn),以及扎有機(jī)廢水的晃活性污泥處盞理等。另外怒,酒精連續(xù)字發(fā)酵生產(chǎn)技戒術(shù)在前蘇聯(lián)而也已獲得成宿功的應(yīng)用。膛而新近發(fā)展演的一種培養(yǎng)豎方法則是把駝固定化細(xì)胞川技術(shù)和連續(xù)寶培養(yǎng)方法結(jié)篇合起來,用應(yīng)于生產(chǎn)丙酮旱、丁醇、正承丁醇、異丙頭醇等重要工仔業(yè)溶劑。圈5繡.4省補(bǔ)料分批發(fā)撥酵縱補(bǔ)料分批發(fā)宅酵又稱半連丟續(xù)發(fā)酵,是黃介于分批發(fā)鉗酵和連續(xù)發(fā)渡酵之間的一牧種發(fā)酵技術(shù)燦,是指在微抱生物分批發(fā)辭酵中,以某燃種方式向培腫養(yǎng)系統(tǒng)補(bǔ)加撥一定物料的稅培養(yǎng)技術(shù)。察通過向培養(yǎng)費(fèi)系統(tǒng)中補(bǔ)充飼物料,可以團(tuán)使培養(yǎng)液中立的營(yíng)養(yǎng)物濃混度較長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)地保持在一殊定范圍內(nèi),闊既保證微生堅(jiān)物的生長(zhǎng)需丙要,又不造肺成不利影響虛,從而達(dá)到朗提高產(chǎn)率的而目的。補(bǔ)料盲在發(fā)酵過程村中的應(yīng)用,矛是發(fā)酵技術(shù)娛上一個(gè)劃時(shí)潤(rùn)代的進(jìn)步。素補(bǔ)料技術(shù)本綱身也由少次方多量、少量幟多次,逐步祥改為流加,源近年又實(shí)現(xiàn)狠了流加補(bǔ)料艷的微機(jī)控制繪。但是,發(fā)梳酵過程中的肉補(bǔ)料量或補(bǔ)趙料率,目前意在生產(chǎn)中還宿只是憑經(jīng)驗(yàn)諸確定,或者回根據(jù)一、兩戰(zhàn)個(gè)一次檢測(cè)網(wǎng)的靜態(tài)參數(shù)職(如基質(zhì)殘顏留量姻、路pH侮、形溶解氧濃度方等)設(shè)定控島制點(diǎn),帶有康一定的盲目罪性,很難同緩步地滿足微籌生物生長(zhǎng)和荷產(chǎn)物合成的百需要,也不闊可能完全避志免基質(zhì)的調(diào)珠控反應(yīng)。因賊而現(xiàn)在的研輛究重點(diǎn)在于楚如何實(shí)現(xiàn)補(bǔ)即料的優(yōu)化控暫制。鹽補(bǔ)料分批發(fā)幫酵可以分為下兩種類型:捏單一補(bǔ)料分賀批發(fā)酵和反循復(fù)補(bǔ)料分批澇發(fā)酵。補(bǔ)料您分批發(fā)酵作叨為分批發(fā)酵手向連續(xù)發(fā)酵晃的過渡,兼裙有兩者之優(yōu)暢點(diǎn),而且克子服了兩者之節(jié)缺點(diǎn)。同傳已統(tǒng)的分批發(fā)傍酵相比,補(bǔ)緒料分批發(fā)酵賽的優(yōu)越性是派明顯的。首拘先,它可以芽解除營(yíng)養(yǎng)物爛基質(zhì)的抑制茫、產(chǎn)物反饋扭抑制和葡萄間糖分解阻遏疲效應(yīng)。其次嘆,對(duì)于好氧命發(fā)酵,它可董以避免在分礙批發(fā)酵中因識(shí)一次性投入緞糖過多造成平細(xì)胞大量生輪長(zhǎng),耗氧過夸多,以至通沒風(fēng)攪拌設(shè)備坡不能匹配的謀狀況。第三物,它還可以追在某些情況額下減少菌體姿生成量,提喊高有用產(chǎn)物越的轉(zhuǎn)化率。政在真菌培養(yǎng)毅中,菌絲的碗減少可以降嘉低發(fā)酵液的委黏度,便于勉物料輸送及烏后處理。與于連續(xù)發(fā)酵相子比,它不會(huì)節(jié)產(chǎn)生菌種老磁化和變異問捎題,其適用究范圍也比連源續(xù)發(fā)酵廣。叢目前,運(yùn)用某補(bǔ)料分批發(fā)澇酵技術(shù)進(jìn)行脖生產(chǎn)和研究焦的范圍十分貫廣泛,包括宴單細(xì)胞蛋白萄、氨基酸、童生長(zhǎng)激素、梅抗生素、維上生素、酶制敏劑、有機(jī)溶英劑、有機(jī)酸擊、核苷酸、狂高聚物等,胖幾乎遍及整翻個(gè)發(fā)酵行業(yè)姑。它不僅被遵廣泛用于液拳體發(fā)酵中,啟在固體發(fā)酵坐及混合培養(yǎng)玩中也有應(yīng)用扮。隨著研究推工作的深入蒼及微機(jī)在發(fā)魯酵過程自動(dòng)辮控制中的應(yīng)餡用,補(bǔ)料分燈批發(fā)酵技術(shù)睜將日益發(fā)揮全出其巨大的爆優(yōu)勢(shì)。麗6垂撥發(fā)酵工藝控流制均發(fā)酵過程中芬,為了能對(duì)巡生產(chǎn)過程進(jìn)風(fēng)行必要的控定制,需要對(duì)船有關(guān)工藝參第數(shù)進(jìn)行定期逗取樣測(cè)定或偽進(jìn)行連續(xù)測(cè)孟量。反映發(fā)慘酵過程變化根的參數(shù)可以濾分為兩類。尺一類是可以沿直接采用特所定的傳感器爪檢測(cè)的參數(shù)冠,它們包括街反映物理環(huán)曠境和化學(xué)環(huán)肅境變化的參誠(chéng)數(shù),如溫度軍、壓力、攪晃拌功率、轉(zhuǎn)拔速、泡沫、疼發(fā)酵液黏度旨、濁度、p賴H、離子濃蠶度、溶解氧踏、基質(zhì)濃度泳等,稱為直周接參數(shù)。另披一類是至今升尚難于用傳暢感器來檢測(cè)川的參數(shù),包傷括細(xì)胞生長(zhǎng)況速率、產(chǎn)物殲合成速率和委呼吸商等。湊這些參數(shù)需玉要在一些直絞接參數(shù)的基飽礎(chǔ)上,借助堆于電腦計(jì)算龍和特定的數(shù)紫學(xué)模型才能插得到,因此汽被稱為間接艙參數(shù)。上述陵參數(shù)中,對(duì)硬發(fā)酵過程影圍響較大的有不溫度、pH生、溶解氧濃換度等。6.1溫度薦溫度對(duì)發(fā)酵因過程的影響衡是多方面的輝,它會(huì)影響鞠各種酶反應(yīng)癥的速率,改粒變菌體代謝邪產(chǎn)物的合成即方向,影響曉微生物的代辜謝調(diào)控機(jī)制李。除這些直夢(mèng)接影響外,陡溫度還對(duì)發(fā)鈔酵液的理化涼性質(zhì)產(chǎn)生影蟲響,如發(fā)酵戲液的黏度、田基質(zhì)和氧在敢發(fā)酵液中的朱溶解度和傳慮遞速率、某肅些基質(zhì)的分巴解和吸收速符率等,進(jìn)而欣影響發(fā)酵的搞動(dòng)力學(xué)特性爽和產(chǎn)物的生月物合成。紐最適發(fā)酵溫銀度是既適合旱菌體的生長(zhǎng)炕,又適合代摟謝產(chǎn)物合成混的溫度,它索隨菌種、培砌養(yǎng)基成分、床培養(yǎng)條件和杯菌體生長(zhǎng)階潮段不同而改茶變。理論上信,整個(gè)發(fā)酵畝過程中不應(yīng)歌只選一個(gè)培牙養(yǎng)溫度,而握應(yīng)根據(jù)發(fā)酵騎的不同階段潮,選擇不同墻的培養(yǎng)溫度飾。但實(shí)際生愉產(chǎn)中,由于積發(fā)酵液的體柳積很大,升辟降溫度都比總較困難,所哥以在整個(gè)發(fā)賽酵過程中,妥往往采用一播個(gè)比較適合否的培養(yǎng)溫度掘,使得到的鉤產(chǎn)物產(chǎn)量最饅高,或者在吊可能的條件條下進(jìn)行適當(dāng)甲的調(diào)整。發(fā)蜘酵溫度可通飽過溫度計(jì)或搶自動(dòng)記錄儀蝴表進(jìn)行檢測(cè)靜,通過向發(fā)磁酵罐的夾套頌或蛇形管中孤通人冷水、傲熱水或蒸汽假進(jìn)行調(diào)節(jié)。雜工業(yè)生產(chǎn)上克,所用的大撐發(fā)酵罐在發(fā)刃酵過程中一志般不需要加冤熱,因?yàn)榘l(fā)糞酵中會(huì)釋放淡大量的發(fā)酵樹熱,在這種蹈情況下通常頂還需要加以披冷卻,利用行自動(dòng)控制或僵手動(dòng)調(diào)整的祖閥門,將冷版卻水通人夾陰套或蛇形管躺中,通過熱享交換來降溫谷,保持恒溫護(hù)發(fā)酵。棗6.2p筋H播pH對(duì)微生收物的生長(zhǎng)繁拖殖和產(chǎn)物合工成的影響有憲以下幾個(gè)方勁面:菠①翁影響酶的活虎性,當(dāng)pH堂抑制菌體中惹某些酶的活穗性時(shí),會(huì)阻栽礙菌體的新恐陳代謝;送②源影響微生物折細(xì)胞膜所帶追電荷的狀態(tài)禍,改變細(xì)胞褲膜的通透性賢,影響微生黑物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物調(diào)質(zhì)的吸收及粱代謝產(chǎn)物的償排泄;見③艱影響培養(yǎng)基霧中某些組分國(guó)和中間代謝欠產(chǎn)物的解離帆,從而影響腦微生物對(duì)這聽些物質(zhì)的利公用;哀④申P(guān)H不同,尸往往引起菌顏體代謝過程碧的不同,使設(shè)代謝產(chǎn)物的株質(zhì)量和比例沉發(fā)生改變。繼另外,pH可還會(huì)影響某擦些霉菌的形糖態(tài)。家發(fā)酵過程中機(jī),pH的變副化取決于所謙用的菌種、伶培養(yǎng)基的成傘分和培養(yǎng)條逢件。培養(yǎng)基總中的營(yíng)養(yǎng)物膨質(zhì)的代謝,爪是引起pH壘變化的重要起原因,發(fā)酵樹液的pH變乖化乃是菌體盡產(chǎn)酸和產(chǎn)堿充的代謝反應(yīng)茫的綜合結(jié)果膊。每一類微答生物都有其誓最適的和能洪耐受的pH趙范圍,大多垃數(shù)細(xì)菌生長(zhǎng)邊的最適pH窯為6.3~登7.5,霉童菌和酵母菌的為3~6,砍放線菌為典7~8。而針且微生物生扭長(zhǎng)階段和產(chǎn)中物合成階段拋的最適pH團(tuán)往往不一樣優(yōu),需要根據(jù)濟(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來壩確定。為了婆確保發(fā)酵的盼順利進(jìn)行,捆必須使其各斜個(gè)階段經(jīng)常乓處于最適p猾H范圍之內(nèi)飼,這就需要考在發(fā)酵過程女中不斷地調(diào)裹節(jié)和控制p俗H。首先需扁要考慮和試稍驗(yàn)發(fā)酵培養(yǎng)你基的基礎(chǔ)配坐方,使它們胳有個(gè)適當(dāng)?shù)目婆浔?,使發(fā)鋤酵過程中的溝pH變化在極合適的范圍以內(nèi)。如果達(dá)乞不到要求,競(jìng)還可在發(fā)酵紀(jì)過程中補(bǔ)加崗酸或堿。過夸去是直接加霧入酸(如飄H2菊SO4)或界堿(如Na尾lOH)來梢控制,現(xiàn)在領(lǐng)常用的是以伴生理酸性物論質(zhì)如(NH號(hào)4)2SO憲4和生理堿五性物質(zhì)如氨員水來控制,積它們不僅可頃以調(diào)節(jié)pH篩,還可以補(bǔ)塘充氮源。此削外,用補(bǔ)料真的方式來調(diào)第節(jié)pH也比科較有效。最執(zhí)成功的例子色就是青霉素臉發(fā)酵的補(bǔ)料救工藝,利用拼控制葡萄糖鼓的補(bǔ)加速率低來控制pH思,其青霉素演產(chǎn)量比用恒姻定的加糖速孕率和加酸或慚堿來控制P河H的產(chǎn)量高掛25%。目斷前已試制成旗功適合于發(fā)歇酵過程監(jiān)測(cè)單pH的電極電,能連續(xù)測(cè)低定并記錄p附H的變化,膚將信號(hào)輸入括pH控制器明來指令加糖許、加酸或加針堿,使發(fā)酵師液的pH控復(fù)制在預(yù)定的惱數(shù)值。爪6.3溶解較氧島濃度具對(duì)于好氧發(fā)維酵,溶解氧集濃度是最重涌要的參數(shù)之家一。好氧性農(nóng)微生物在進(jìn)笨行深層培養(yǎng)俘時(shí),需要適庫(kù)量的溶解氧牧以維持其呼企吸代謝和某半些產(chǎn)物的合鞏成,氧的不甲足會(huì)造成代茶謝異常,產(chǎn)川量降低。讀現(xiàn)在可采用砌復(fù)膜氧電極嬸來檢測(cè)發(fā)酵葬液中的溶解躺氧濃度。忽要維持一定污的溶氧水平剪,需從供氧源和需氧兩方巨面著手。在石供氧方面,蠻主要是設(shè)左早提高氧傳遞蟲的推動(dòng)力和裁氧傳遞系數(shù)眠,可以通過幼調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)襪速或通氣速膚率來控制司伶時(shí)要有適當(dāng)背的工藝條件獄來控制需氧騰量,使菌體針的生長(zhǎng)和產(chǎn)騎物形成對(duì)氧煎的需求量不鼠超過設(shè)備的礦供氧能力。旗已知發(fā)酵液腐的需氧量,陳受菌體濃度楚、基質(zhì)的種柱類和濃度以晉受培養(yǎng)條件指等因素的影往響,其中以吐菌濃的影響可最為明顯。跑發(fā)酵液的攝爬氧率隨菌濃協(xié)曾大而增大餅,但氧的傳鍵遞速率隨菌向濃的對(duì)數(shù)關(guān)碼系減少。因電此可以控制括合適的菌體貿(mào)在度,使得薪產(chǎn)物的比生析產(chǎn)速率維持住在最大值,客又不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)需氧大于供觀氧。這可以宋通過控制基徹質(zhì)的濃度來左實(shí)現(xiàn),如控饑制補(bǔ)糖速率干。除控制補(bǔ)弊料速度外,插在工業(yè)上,攏還可采用調(diào)私節(jié)溫度(降棋低培養(yǎng)溫度異可提高溶氧宜濃度)、液靜化培養(yǎng)基、哥中間補(bǔ)水、悟添加表面活渠性劑等工藝旗措施,來改所善溶氧水平運(yùn)。梢發(fā)酵過程中總各參數(shù)的控彈制很重要,避目前發(fā)酵工逃藝控制的方慮向是轉(zhuǎn)向自疫動(dòng)化控制,當(dāng)因而希望能奸開發(fā)出更多確更有效的傳降感器用于過遵程參數(shù)的檢亮測(cè)。此外,隱對(duì)于發(fā)酵終菌點(diǎn)的判斷也陰同樣重要。譯生產(chǎn)不能只曾單純追求高握生產(chǎn)力,而段不顧及產(chǎn)品乒的成本,必尋須把二者結(jié)少合起來。合條理的放罐時(shí)雁間是通過實(shí)狼驗(yàn)來確定的玻,就是根據(jù)層不同的發(fā)酵賊時(shí)間所得的扁產(chǎn)物產(chǎn)量計(jì)醉算出發(fā)酵罐有的生產(chǎn)力和攀產(chǎn)品成本,雹采用生產(chǎn)力分高而成本又委低的時(shí)間,刪作為放罐時(shí)仗間。確定放拐罐的指標(biāo)有祝:發(fā)酵產(chǎn)物般的產(chǎn)量,發(fā)翁酵液的過濾閘速度,發(fā)酵其液中氨基氮來的含量,菌房絲的形態(tài),淹發(fā)酵液的P唱H、外觀和御黏度等。發(fā)菠酵終點(diǎn)的確影定,需要綜膀合考慮這些托因素。贏7劑表發(fā)酵設(shè)備歪進(jìn)行微生物歐深層培養(yǎng)的血設(shè)備統(tǒng)稱發(fā)啦酵罐。一個(gè)支優(yōu)良的發(fā)酵虎裝置應(yīng)具有溝嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)球,良好的液滅體混和性能悲,較高的傳鉤質(zhì)、傳熱速援率,同時(shí)還權(quán)應(yīng)具有配套嘗而又可靠的巡檢測(cè)及控制補(bǔ)儀表。由于熟微生物有好翁氧與厭氧之出分,所以其猶培養(yǎng)裝置也姿相應(yīng)地分為四好氧發(fā)酵設(shè)泥備與厭氧發(fā)贊酵設(shè)備。鋪7.揚(yáng)1好割氧發(fā)酵設(shè)備蔥鐮對(duì)于好氧微種生物,發(fā)酵要罐通常采用喪通氣和攪拌泄來增加氧的貼溶解,以滿傘足其代謝需民要。根據(jù)攪鼠拌方式的不攜同,好氧發(fā)棚酵設(shè)備又可處分為機(jī)械攪富拌式發(fā)酵罐侮和通風(fēng)攪拌須式發(fā)酵罐。獎(jiǎng)飛猾魚機(jī)械攪拌式弱發(fā)酵罐牙機(jī)械攪拌式膠發(fā)酵罐是發(fā)啄酵工廠常用裂的類型之一革。它是利用禽機(jī)械攪拌器霞的作用,使終空氣和發(fā)酵斷液充分混合艙,促進(jìn)氧的未溶解,以保稅證供給微生忘物生長(zhǎng)繁殖佳和代謝所需僻的溶解氧。沾比較典型的緩是通用式發(fā)捷酵罐和自吸論式發(fā)酵罐。胞7.1僻.2謹(jǐn)餓通風(fēng)攪拌式蹈發(fā)酵罐脖在通風(fēng)攪拌跳式發(fā)酵罐中他,通風(fēng)的目浪的不僅是供溫給微生物所秧需要的氧,禮同時(shí)還利用之通人發(fā)酵罐脅的空氣,代殖替攪拌器使腎發(fā)酵液均勻懇混合。常用呀的有循環(huán)式接通風(fēng)發(fā)酵罐趣和高位塔式喘發(fā)酵罐。仍7.2厭氧侵發(fā)酵設(shè)備責(zé)厭氧發(fā)酵也圣稱靜止培養(yǎng)拌,因其不需銜供氧,所以壯設(shè)備和工藝匹都較好氧發(fā)梁酵簡(jiǎn)單。嚴(yán)功格的厭氧液糊體深層發(fā)酵更的主要特色眾是排除發(fā)酵類罐中的氧。情罐內(nèi)的發(fā)酵旦液應(yīng)盡量裝虹滿,以便減電少上層相的唇影響,有時(shí)炭還需充人無陳氧氣體。發(fā)謊酵罐的排氣透口要安裝水存封裝置,培笑養(yǎng)基應(yīng)預(yù)先違還原。此外嗓,厭氧發(fā)酵視需使用大劑虎量接種(一渡般接種量為崇總操作體積至的10%見-教20%),飛使菌體迅速罷生長(zhǎng),減少臥其對(duì)外部氧袋滲人的敏感泛性。酒精、念丙酮、丁醇惰、乳酸和啤忠酒等都是采化用液體厭氧弟發(fā)酵工藝生匙產(chǎn)的。具有凡代表性的厭哀氧發(fā)酵設(shè)備詢?nèi)缇凭l(fā)酵六罐和用于啤駕酒生產(chǎn)的錐賤底立式發(fā)酵釋罐。牽8仇鵲下游加工過鐘程消從發(fā)酵液中敘分離、精制剪有關(guān)產(chǎn)品的何過程稱為發(fā)潑酵生產(chǎn)的下楊游加工過程寧。發(fā)酵液是枝含有細(xì)胞、敞代謝產(chǎn)物和兔剩余培養(yǎng)基穿等多組分的慘多相系統(tǒng),新黏度通常很屈大,從中分念離固體物質(zhì)備很困難;發(fā)謊酵產(chǎn)品在發(fā)駱酵液中濃度輕很低,且常猜常與代謝產(chǎn)朗物、營(yíng)養(yǎng)物迷質(zhì)等大量雜知質(zhì)共存于細(xì)腦胞內(nèi)或細(xì)胞為外,形成復(fù)照雜的混合物吉;欲提取的膜產(chǎn)品通常很釋不穩(wěn)定,遇蹄熱、極端p咸H、有機(jī)溶底劑會(huì)分解或廢失活;另外寒,由于發(fā)酵楚是分批操作藏,生物變異邊性大,各批工發(fā)酵液不盡痛相同,這就燕要求下游加職工有一定彈習(xí)性,特別是低對(duì)染菌的批數(shù)號(hào)也要能夠芝處理。發(fā)酵傍的最后產(chǎn)品俗純度要求較鋸高,上述種偉種原因使得時(shí)下游加工過拆程成為許多失發(fā)酵生產(chǎn)中旅最重要、成旨本費(fèi)用最高喘的環(huán)節(jié),如彎抗生素、乙牲醇、檸檬酸搞等的分離和傭精制占整個(gè)連工廠投資的紀(jì)60%左右掌,而且還有尚繼續(xù)增加的憶趨勢(shì)。發(fā)酵汽生產(chǎn)中因缺剝乏合適的、載經(jīng)濟(jì)的下游享處理方法而忍不能投入生覺產(chǎn)的例子是槳很多的。因占此下游加工煙技術(shù)愈來愈民引起人們的濱重視。投下游加工過霉程由許多化雀工單元操作暖組成,通常蒸可分為發(fā)酵微液預(yù)處理和最固液分離、砌提取、精制毀以及成品加脾工四個(gè)階段鋼。發(fā)酵液性充質(zhì),以利于本固液分離,塌常用酸化、料加熱、加絮撕凝劑等方法封。固液分離晃則常用到過得濾、離心等男方法。如果役欲提取的產(chǎn)待物存在于細(xì)鎮(zhèn)胞內(nèi),還需具先對(duì)細(xì)胞進(jìn)庸行破碎,細(xì)炸胞破碎方法便有機(jī)械、生琴物和化學(xué)法艦,大規(guī)模生維產(chǎn)中常用高花壓勻漿器和誕球磨機(jī)。細(xì)頃胞碎片的分拿離通常用離郵心、兩水相斯萃取等方法稼。8.1提取炊經(jīng)上述步驟裹處理后,活行性物質(zhì)存在賀于濾液或離飽心上清液中樸,液體的體已積很大,濃扯度很低。接謹(jǐn)下來要馬進(jìn)行提取,夕提取的目的曲主要是濃縮貓,也有一些蟲純化作用。辯常用的方法引有獻(xiàn)吸附法兇、蹈離子交換法肝、宴沉淀法休、顛萃取法沾、端超濾法8.2精制珍經(jīng)提取過程歪初步純化后肚,液體的體肌積大大縮小筋,但純度提擠高不多,需邁要進(jìn)一步精撥制。初步純孫化中的某些訪操作,如沉持淀、超濾等女也可應(yīng)用于訊精制。大分棚子(蛋白質(zhì)謊)精制依賴仆于層析分離堅(jiān),層析分離往是利用物質(zhì)裝在固定相和猾移動(dòng)相間分培配情況不同寬,進(jìn)而在層踢析柱中的運(yùn)霧動(dòng)速度不同椒,而達(dá)到分?jǐn)n離的目的。喬根據(jù)分配機(jī)繡制的不同,膽分為凝膠層圾析、離子交遠(yuǎn)換層析、聚銹焦層析、疏悅水層析、親娘和層析等幾葬種類型。層挺析分離中的慚主要困難之富一是層析介若質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)判度差,研究萬生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)層涉析介質(zhì)是下蒸游加工的重課要任務(wù)之一鉗。小分子物懂質(zhì)的精制則傷可利用結(jié)晶跳操作。校9點(diǎn)事成品加工事經(jīng)提取和精及制后,根據(jù)池產(chǎn)品應(yīng)用要里求,有時(shí)還圣需要濃縮、英無菌過濾和抓去熱原、干就燥、加穩(wěn)定斯劑等加工步挑驟。濃縮可擱采用升膜或駱降膜式的薄捎膜蒸發(fā)或者榆采用膜過濾贏的方法,對(duì)鎮(zhèn)熱敏性物質(zhì)岸可用離心薄瓣膜蒸發(fā)進(jìn)行咱濃縮,對(duì)大輔分子溶液可焰用超濾役膜過濾、小未分子溶液可友用反滲透膜借過濾進(jìn)行濃階縮。用截?cái)嗤拖鄬?duì)分子質(zhì)堅(jiān)量10國(guó)000的超奮濾膜可除去志相對(duì)分子質(zhì)重量在100曬0以內(nèi)的產(chǎn)租品中的熱原鬼,同時(shí)也達(dá)累到了過濾除恒菌的目的。次如果最后要管求的是結(jié)晶弓性產(chǎn)品,則物上述濃縮、涼無菌過濾等班步驟應(yīng)放于覆結(jié)晶之前,職而干燥則通略常是固體產(chǎn)眠品加工的最櫻后一道工序相。干燥方法產(chǎn)根據(jù)物料性熟質(zhì)、物料狀媽況及當(dāng)?shù)鼐叱珞w條件而定族,可選用真汗空干燥、紅裙外線干燥、您沸

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