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微生物发酵过程和应用方向

文章出处:未知 人气:发表时间:2019-03-26
微生物发酵过程根据发酵条件要求分为好氧发酵和厌氧发酵。好氧发酵法有液体表面培养发酵、在多孔或颗粒状固体培养基表面上发酵和通氧深层发酵几种方法。厌氧发酵采用不通氧的深层发酵。因此,无论好氧与厌氧发酵都可以通过深层培养来实现,这种培养均在具有一定径高比的圆柱形发酵罐内完成,就其操作方法可分为以下几种。
分批式操作:底物一次装入罐内,在适宜条件下接种进行反应,经过一定时间后,将全部反应物取出。
半分批式操作:也称流加式操作。是指先将一定量底物装入罐内,在适宜条件下接种使反应开始。反应过程中,将特定的限制性底物送入反应器,以控制罐内限制性底物浓度在一定范围,反应终止将全部反应物取出。
反复分批式操作:分批操作完成后取出部分反应系,剩余部分重新加入底物,再按分批式操作进行。
反复半分批式操作:流加操作完成后,取出部分反应系,剩余部分重新加入一定量底物,再按流加式操作进行。
连续式操作:反应开始后,一方面把底物连续地供给到反应器中,同时又把反应液连续不断地取出,使反应过程处于稳定状态,反应条件不随时间变化。 [3] 
分批发酵法(batch fermentation)
分批发酵又称分批培养,发酵工业中常见的分批发酵方法是采用单罐深层分批发酵法。每一个分批发酵过程都经历接种、生长繁殖、菌体衰老进而结束发酵,最终提取出产物。这一过程在某些培养液的条件支配下,微生物经历着由生到死的一系列变化阶段,在各个变化的进程中都受到菌体本身特性的制约,也受周围环境的影响。只有正确认识和掌握这一系列变化过程,才有利于控制发酵生产。
分批发酵的特点是:微生物所处的环境是不断变化的,可进行少量多品种的发酵生产,发生杂菌污染能够很容易终止操作,当运转条件发生变化或需要生产新产品时,易改变发酵对策,对原料组成要求较粗放等。
分批培养过程微生物生长可分为:停滞(或调整)期、对数(生长)期、稳定期和衰亡期四个阶段。研究细胞的代谢和遗传宜采用生长最旺盛的对数期细胞。在发酵工业生产中,使用的种子应处于对数期,把它们接种到发酵罐新鲜培养基时,几乎不出现停滞期,这样可在短时间内获得大量生长旺盛的菌体,有利于缩短生产周期。在研究和生产中,常需延长细胞对数生长阶段。
补料分批发酵法(fed-batch fermentation)
补料分批发酵又称半连续发酵或半连续培养,是指在分批发酵过程中,间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。与传统分批发酵相比,其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点为:①可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不致加剧供氧的矛盾;②避免培养基积累有毒代谢物。
补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶制剂、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。
连续发酵法(continuous fermentation)
连续发酵又称连续培养,连续发酵过程是当微生物培养到对数期时,在发酵罐中一方面以一定速度连续不断地流加新鲜液体培养基,另一方面又以同样的速度连续不断地将发酵液排出,使发酵罐中微生物的生长和代谢活动始终保持旺盛的稳定状态,而pH值、温度、营养成分的浓度、溶解氧等都保持一定,并从系统外部予以调整,使菌体维持在恒定生长速度下进行连续生长和发酵,这样就**提高了发酵的生长效率和设备利用率。
开放式连续发酵
在开放式连续发酵系统中,培养系统中的微生物细胞随着发酵液的流出而一起流出,细胞流出速度等于新细胞生成速度。因此在这种情况下,可使细胞浓度处于某种稳定状态。另外,最后流出的发酵液如部分返回(反馈)发酵罐进行重复使用,则该装置叫做循环系统,发酵液不重复使用的装置叫做不循环系统。
封闭式连续发酵
在封闭式连续发酵系统中,运用某种方法使细胞一直保持在生物反应器内,并使其数量不断增加。这种条件下,某些限制因素在生物反应器中发生变化,最后大部分细胞死亡。因此在这种系统中,不可能维持稳定状态。封闭式连续发酵可以用开放式连续发酵设备加以改装,只要使用部分菌体重新循环。另一种方法是采用间隔物或填充物置于设备内,使菌体在上面生长,发酵液流出时不带细胞或所带细胞极少。
透析膜连续发酵是一个新方法,它是采用一种具有微孔的有机膜将发酵设备分隔,这种膜只能通过发酵产物,而不能通过菌体细胞。这样,将培养液连续流加到发酵设备的具有菌体的间隔中,微生物的代谢产物就通过透析膜连续不断地从另一间隔流出。在一些发酵过程中,当发酵液中代谢产物积累到一定程度时就会抑制它的继续积累,而采用透析膜发酵的方法可使代谢产物不断透析出去,发酵液中留下不多,因而可以提高产物得率。 [4] 
应用领域范围
微生物发酵生产水平主要取决于菌种本身的遗传特性和培养条件。发酵工程的应用范围有:
医药工业,食品工业,能源工业,化学工业,农业:改造植物基因;生物固氮;工程杀虫菌生物农药;微生物饲料。环境保护等方面。
酒类
包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母,在厌氧条件下进行发酵,将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏,因此酒的主要成分是水和酒精,以及一些加热后易挥发物质,如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒,发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖,转化为酒精,而其他营养成分会部分被酵母利用,产生一些代谢产物,如氨基酸、维生素等,也会进入发酵的酒液中。因此,果酒和啤酒营养价值较高。
食品店或超市出售的醋中,除了白醋是由化学合成的食品级醋酸勾兑的外,其他的则是由醋酸菌在好氧条件下发酵,将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异,在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸,因而使醋有不同的风味。
酱油
酱油生产以大豆为主要原料,其他有麦麸、小麦、玉米等,将上述原料经粉碎制成固体培养基,在好氧条件下,利用产生蛋白酶的霉菌,如黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产生大量的蛋白酶,将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸,然后淋洗、调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽,具有特殊香味。
酸奶
牛奶在厌氧条件下,由乳酸菌发酵,将乳糖分解,并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸,以及一些芳香物质和维生素等;同时蛋白质也部分水解。因此,酸奶是营养丰富、易消化,少含乳糖,是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。
醪糟
又称酒酿,是大米经蒸煮后,接种根霉,在好氧条件下,发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶,将大米中的淀粉水解成葡萄糖,同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同,可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。
面包
面包均是利用活性干酵母(面包酵母)经活化后,与面粉混合发酵,再加入各种添加剂,经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生改变,变得易于消化、营养易于吸收。

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