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第八章 发酵操作方式及发酵动力学 第一节 发酵类型及操作方式 一、发酵的类型 1、根据微生物对氧的需求 1）好氧性发酵 ◆ 需不断通入无菌空气 ◆ 如：利用黑曲霉发酵生产柠檬酸 利用棒杆菌发酵生产谷氨酸 利用黄单胞菌生产黄原胶 抗生素发酵生产 2）厌气性发酵 ◆ 不需供氧 ◆ 如：乳酸杆菌的乳酸发酵 梭状芽孢杆菌的丙酮丁醇发酵 酵母菌为兼性厌氧微生物，无氧时发酵生产酒精，有氧时发酵生产菌体 2、按发酵培养基物理状态分 1）固体发酵 根据物料堆放的厚薄分为: 薄层发酵 ： 木盘或苇帘，1～2cm，培养箱或曲室内 厚层发酵 ： 深槽或池，架设帘，30cm以上，接种后通气 固体发酵优点： ( 可直接采用农副产品为原料，生产成本和能量消耗都较低； ( 发酵培养基含水分低，有时产物浓度大大高于液体培养。 固体发酵缺点： 同液体发酵相比，固体发酵中微生物、营养和产物的分散，发酵热的移去和氧的供应以及杂菌污染的避免等都较困难。 2）液体发酵 ( 发酵工业的主要方法 ( 根据培养液的深浅分 表面培养法 深层培养法 表面培养法 （浅盘发酵） ◇ 利用浅盘，仅装一薄层培养液，接种后进行表面培养 ◇ 在液体上面多数形成一层菌膜 ◇ 在缺乏通气设备时，对一些繁殖快的好气性微生物可利用此法 ◇ 早年青霉素生产菌株点青霉(Penicillium notatum) 具有表面生长的特点，采用表面培养生产青霉素 又如利用白地霉生产人造肉 深层发酵法 深层发酵 （submerged fermentation）指在液体培养基内部（而不仅仅在表面）进行的培养过程。 深层发酵是当前发酵工业中使用的主要形式 液体深层发酵的优点： 1） 液体悬浮状态是多数微生物的最适生长环境。 2） 在液体中，菌体及其底物、产物（包括热）易于扩 散，使发酵可在均质或拟均质条件下进行。 3）液体输送方便，易于机械化操作。 4）厂房面积小，生产效率高，易进行自动化控制，产品 质量稳定。 5）产品易于提取、精制 二、 发酵操作方式 分批操作 补料分批操作 连续操作 1、分批操作 分批发酵（batch fermentation） 向反应器中一次投入所需的培养基，然后接种培养，培养过程中除控制温度和pH外不进行其他任何控制，反应结束后将全部培养液排出进行处理。 缺点： ◇ 效率低 ◇ 尽管微生物的活性和机能因其所处的环境大幅度变化，也根本不控制培养基组分浓度等环境因素，而任其自然变化，这样不利于生产。 ◇ 在每一批主反应（生产阶段）之前，必须进行几级种子培养。 但由于操作相对较易， 目前仍是发酵工业的主要方式 2、补料分批操作 补料分批发酵 （supplement batch fermentation） ◇ 介于分批培养和连续培养之间的操作方式； ◇ 在进行分批培养的时候，随着营养的消耗，向反应器内补充一种或多种营养物质，以达到延长生产期和控制发酵过程的目的。 反复补料分批培养 随着补料操作的进行，发酵液的体积逐渐增大，到了一定时候将部分发酵液取出，剩下的发酵液继续进行补料分批培养，如此可反复进行多次，称为反复补料分批培养。 补料分批培养应用： 1）细胞的高密度培养 一些微生物能利用甲醇、乙醇、乙酸、某些芳香族化合物等，但它们在较高浓度下会对菌体的生产产生抑制。 2）发生底物抑制的过程 ◇ 一般培养基中的营养物质浓度有一定的限度，过高的底物浓度会抑制菌体的生长； ◇ 采用补料的方法将高浓度的营养物质逐渐加入反应器，可使发酵液中的菌体浓度达到很高的程度，如大肠杆菌浓度可达145g/L。 3）分解代谢物阻遏 ◇ 以某些很容易被微生物利用的物质（如葡萄糖）作为碳源时，其某些分解代谢物会使细胞某些酶的合成受到阻遏； ◇ 采用补料的手段将葡萄糖逐渐加入反应器中，使发酵液中的葡萄糖保持在低水平，避免分解代谢物的积累，从而可以有效去阻遏。 4）营养缺陷型菌株的培养 一些营养缺陷型菌株可以积累某种有用产物，如氨基酸、核苷、核苷酸等，利用这些菌株进行生产时须补充其不能合成的物质供生产所需； 但这些物质过量存在时，可能产生反馈抑制或阻遏作用，影响产物的合成。 采用补料的方法可将这些物质保持在低浓度水平，有助于提高产物的生产。 5）前体的补充 ◇ 在一些发酵过程中，加入前体可使产物的生产大大增加； ◇ 但许多前体对菌体有毒性； ◇ 通过补料加入前体既满足产物合成的需要，又不使前体大量积累而产生抑制作用。