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微生物发酵工程概述 由于微生物代谢类型多样性，利用不同微生物对同一种物质进行发酵，以及一种微生物在不同条件下培养所得产物均不相同，我们可以按照微生物对氧的要求、发酵采用的方式，发酵过程的动力学等可分为以下类型： 一、按微生物对氧的要求分类 1、好氧发酵(又称好气发酵) 大多数发酵属好氧发酵，如 抗生素、有机酸、氨基酸、酶制剂、石油脱蜡等。 2、厌氧发酵(嫌气发酵) 发酵时不需供应氧气。如丙酮- 丁醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵。 3、兼性厌氧发酵 酵母菌是一种兼性厌氧微生物，在缺 氧条件下进行酒精发酵；在大量通气情况下则进行好 气性发酵，产生大量酵母细胞。 二、按照微生物发酵采用的方式分 1、固体发酵 我国对发酵生产大致经历了固体发酵—浅盘发酵—液体发酵过程。固体发酵历史悠久，优点是投资少，设备简单，操作容易，因陋就简，耗能少。能获得较高的代谢产物产量。缺点：厂房面积大，生物反应器设计还不完善，难于准确测定含水量、菌体量和CO2生成量。 固体发酵是发酵原料加上一定比例的水分，灭菌后置曲盘、草帘、深槽中或固体发酵罐中，冷却后接种发酵。 2、液体发酵 此法是将所用原料配制成液体状态，可分为瓷盘静止培养(表面培养，此法劳动强度大，易污染，很快被深层液体培养所代替。现国内外大多采用液体深层发酵。过去多采用单罐方式分批发酵，后发展为连续发酵，补料分批发酵等方式（具体以后再讲）。 其优点：①发酵率高，发酵周期短； ② 在液体中，菌体、底物、产物以及发酵产生的热量易于扩散，使发酵在均质条件下进行，便于控制，易扩大生产规模；③厂房面积小，生产效率高，易进行自动化控制，产品质量稳定；④产品易于提取、精制等。现代液体深层发酵已被广泛应用。 缺点：耗能多，设备复杂，需要较大的投资，废物排放量多等缺点，仍需不断改进。 三、按发酵动力学类型分 （一）发酵动力学及其研究内容，目的 1、发酵动力学及内容 发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、营养消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。研究内容包括：了解发酵过程中菌体生长速率、基质消耗和产物生成速率的相互关系，环境因素如温度、pH、溶解氧等对以上三者的影响。 2、研究动力学的目的 其目的就是要确定最佳发酵工艺条件，建立数学模型，使菌体在最好的条件下生长，得到最高产量。目前国内外已利用电子计算机，根据发酵动力学来设计程序，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺参数，使生产达到最优化（如菌体浓度、基质浓度、温度、pH、溶解氧等参数的控制方案）。 （二）各类型的特点 1、分类依据 根据产物生成与基质（碳源利用）消耗关系分I型、II型、III型；根据产物生成与生长是否偶联分三种：偶联型、混合型、非偶联型。 2、各类型的特点 （1）类型 I（偶联型） 菌体增长与碳源利用相平行。二者之间有定量关系。菌体产量与碳源消耗之比称产量常数。产物积累与菌体的增长、碳源的消耗之间有着准量的关系。产物如：酒精、酵母、蘑菇、杆菌肽、氯霉素。 特点：① 产物形成直接与碳源消耗有关； ② 产物形成速度与生长速度有紧密关系。 （2）类型 II（混合型） 菌体生长与产物合成是分开的或只有部分联系。在发酵的第一时期，菌体迅速生长，产物很少或没有；第二个时期，产物合成，菌体生长速度降低或停止，产物以高速度形成。这些产物都是微生物的主流代谢产物。如：有机酸如柠檬酸，氨基酸等。 碳源利用在两个时期都很高，生长也可能有第二个高峰出现。 特点：①、产物形成与碳源消耗间接有关； ②、产物形成与生长只有部分联系。 （3）类型 III（非偶联型） 产物的形成一般在菌体生长接近或者达到最高的生长时期，碳源被消耗完，生长接近停止，产物才开始形成。这些产物都是微生物的次生代谢产物如：抗生素、维生素的产量远远低于碳源消耗量。 特点： ① 、产物形成显然与碳源消耗无关； ② 、产物形成速度与生长速度没有紧密 联系。 （4）动力学研究的指导意义和优化营养条件原则 ①指导意义 a、指导发酵培养基的合理设计； b、能够在发酵过程中进行科学的管理、如实行计算机自动化控制