發(fā)酵工程綜述

1、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)展而不斷擴大和充實的。現(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

2、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)酵酶普遍存在于動物、植物和微生物中。最初，人們都是從動、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，因為微生物具有種類多、產(chǎn)酶品種多、生產(chǎn)容易和成本低等特點。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?；赣糜诓鸱諨、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個大類。在菌體對數(shù)生長

3、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，是菌體生長繁殖所必需的，這些產(chǎn)物叫做初級代謝產(chǎn)物。許多初級代謝產(chǎn)物在經(jīng)濟上具有相當(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、細菌毒素、植物生長因子等。這些產(chǎn)物與菌體生長繁殖無明顯關(guān)系，叫做次級代謝產(chǎn)物。次級代謝產(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)計多達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

4、轉(zhuǎn)化是利用微生物細胞的一種或多種酶，把一種化合物轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相關(guān)的更有經(jīng)濟價值的產(chǎn)物?？蛇M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 生物工程細胞的發(fā)酵這是指利用生物工程技術(shù)所獲得的細胞，如DNA重組的“工程菌”以及細胞融合所得的“雜交”細胞等進行培養(yǎng)的新型發(fā)酵，其產(chǎn)物多種多樣。用基因工程

5、菌生產(chǎn)的有胰島素、干擾素、青霉素?；傅?，用雜交瘤細胞生產(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)的特點微生物種類繁多、繁殖速度快、代謝能力強，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物、無機物等各種營養(yǎng)源；可以用簡易的設(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。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：發(fā)酵過程以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行，數(shù)十個反應(yīng)過程能夠在發(fā)酵設(shè)備中一次完成；反應(yīng)通常在常溫常壓下進行，條件溫和，能耗少，設(shè)備較簡單；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、

6、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攝取所需物質(zhì)；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行氧化、還原、官能團引入或去除等反應(yīng)；發(fā)酵過程中需要防止雜菌污染，大多情況下設(shè)備需要進行嚴格的沖洗、滅菌，空氣需要過濾等。3發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵過程的上述特點體現(xiàn)了發(fā)酵工程的種種優(yōu)點。在目前能源、資源緊張，人口、糧食及污染問題日益嚴重的情況下，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：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；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

7、添加劑(檸檬酸、乳酸、天然色素等)的生產(chǎn)；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；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；冶金工業(yè)，微生物可用于黃金開采和銅、鈾等金屬的浸提；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；環(huán)境保護，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)以及處理有機廢水、廢渣等等。4微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)

8、酵過程即微生物反應(yīng)過程，是指由微生物在生長繁殖過程中所引起的牛化反應(yīng)的過程。根據(jù)微生物的種類不同(好氧、厭氧、兼性厭氧)，微生物發(fā)酵過程可以分為好氧性發(fā)酵過程和厭氧性發(fā)酵過程兩大類。(1)好氧性發(fā)酵 在發(fā)酵過程中需要不斷地通人一定量的無菌空氣，如利用黑曲霉進行的檸檬酸發(fā)酵，利用棒狀桿菌進行的谷氨酸發(fā)酵，利用黃單孢菌進行的多糖發(fā)酵等。(2)厭氧性發(fā)酵 在發(fā)酵時不需要供給空氣，如乳酸桿菌引起的乳酸發(fā)酵，梭狀芽孢桿菌引起的丙酮、丁醇發(fā)酵等。此外，酵母菌是兼性厭氧微生物，它在缺氧條件下進行厭氧性發(fā)酵積累酒精而在有氧即通氣條件下則進行好氧性發(fā)酵，大量繁殖菌體細胞，因此稱為兼性發(fā)酵。根據(jù)培養(yǎng)基狀態(tài)的不同(

9、固體或液體)，微生物發(fā)酵可分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵。如果按照發(fā)酵設(shè)備來分，又可分為敞口發(fā)酵、密閉發(fā)酵、淺盤發(fā)酵和深層發(fā)酵。其中深層發(fā)酵法是指在液體培養(yǎng)基內(nèi)部(不僅僅在表面)進行的微生物培養(yǎng)過程。液體深層發(fā)酵是在青霉素等抗生素的生產(chǎn)中發(fā)展起來的技術(shù)。同其他發(fā)酵方法相比，它具有很多優(yōu)點：液體懸浮狀態(tài)是很多微生物的最適生長環(huán)境；在液體中，菌體及營養(yǎng)物、產(chǎn)物(包括熱量)易于擴散，使發(fā)酵可在均質(zhì)或擬均質(zhì)條件下進行，便于控制，易于擴大生產(chǎn)規(guī)模；液體輸送方便，易于機械化操作；廠房面積小，生產(chǎn)效率高，易進行自動化控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；產(chǎn)品易于提取、精制等。因而液體深層發(fā)酵在發(fā)酵工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。4.1 發(fā)酵工業(yè)中

10、的常用微生物微生物資源非常豐富，廣布于土壤、水和空氣中，尤以土壤中為多。有的微生物從自然界中分離出來就能夠被利用，有的需要對分離到的野生菌株進行人工誘變，得到突變株才能被利用。當(dāng)前發(fā)酵工業(yè)所用菌種的總趨勢是從野生菌轉(zhuǎn)向變異菌，從自然選育轉(zhuǎn)向代謝控制育種，從誘發(fā)基因突變轉(zhuǎn)向基因重組的定向育種。發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)上常用的微生物主要是細菌、放線菌、酵母菌和霉菌，由于發(fā)酵工程本身的發(fā)展以及遺傳工程的介入，藻類、病毒等也正在逐步地成為發(fā)酵工業(yè)中采用的微生物。4.2 培養(yǎng)基4.2.1 培養(yǎng)基的種類培養(yǎng)基是人們提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物需要的多種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。培養(yǎng)基的成分和配比，對微生物的生長、

11、發(fā)育、代謝及產(chǎn)物積累，甚至對發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)工藝都有很大的影響。依據(jù)其在生產(chǎn)中的用途，可將培養(yǎng)基分成孢子培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基等。4.2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基的組成發(fā)酵培養(yǎng)基的組成和配比由于菌種不同、設(shè)備和工藝不同以及原料來源和質(zhì)量不同而有所差別。因此，需要根據(jù)不同要求考慮所用培養(yǎng)基的成分與配比。但是綜合所用培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分，不外乎是碳源(包括用作消泡劑的油類)、氮源、無機鹽類(包括微量元素)、生長因子等幾類。4.2.3 菌種在進行發(fā)酵生產(chǎn)之前，必須從自然界分離得到能產(chǎn)生所需產(chǎn)物的菌種，并經(jīng)分離、純化及選育后或是經(jīng)基因工程改造后“工程菌”，才能供給發(fā)酵使用。為了能保持和獲得穩(wěn)定的高產(chǎn)菌株，還需

12、要定期進行菌種純化和育種，篩選出高產(chǎn)量和高質(zhì)量的優(yōu)良菌株。4.2.4 種子擴大培養(yǎng)將保存在砂土管、冷凍干燥管或冰箱中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接人試管斜面培養(yǎng)基上活化后，再經(jīng)過茄子瓶或搖瓶及種子罐逐級擴大培養(yǎng)，獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種，這個全過程稱為種子擴大培養(yǎng)，這些純種培養(yǎng)物稱為種子。發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量與成品的質(zhì)量，與菌種性能以及孢子和種子的制備情況密切相關(guān)。先將儲存的菌種進行生長繁殖，以獲得良好的孢子，再用所得的孢子制備足夠量的菌絲體，供發(fā)酵罐發(fā)酵使用。種子制備有不同的方式，有的從搖瓶培養(yǎng)開始，將所得搖瓶種子液接人到種子罐進行逐級擴大培養(yǎng)，稱為菌絲進罐培養(yǎng)；有的將孢子直接接人種子罐進行擴大培養(yǎng)，稱

13、為孢子進罐培養(yǎng)。采用哪種方式和多少培養(yǎng)級數(shù)，取決于菌種的性質(zhì)、生產(chǎn)規(guī)模的大小和生產(chǎn)工藝的特點。種子制備一般使用種子罐，擴大培養(yǎng)級數(shù)通常為二級。對于不產(chǎn)孢子的菌種，經(jīng)試管培養(yǎng)直接得到菌體，再經(jīng)搖瓶培養(yǎng)后即可作為種子罐種子。4.2.5發(fā)酵發(fā)酵是在無菌狀態(tài)下對微生物進行純種培養(yǎng)，本階段微生物合成大量的產(chǎn)物是整個發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。因此，所用的培養(yǎng)基和培養(yǎng)設(shè)備都必須經(jīng)過滅菌，通人的空氣或中途的補料都是無菌的，轉(zhuǎn)移種子也要采用無菌接種技術(shù)。通常利用飽和蒸汽對培養(yǎng)基進行滅菌，滅菌條件是在120(約01 MPa表壓)維持2030 min?？諝獬鷦t采用介質(zhì)過濾的方法，可用定期滅菌的干燥介質(zhì)來阻截流過的空氣中

14、所含的微生物，從而制得無菌空氣。發(fā)酵罐內(nèi)部的代謝變化(菌絲形態(tài)、菌濃度、糖含量、氮含量、pH、溶氧濃度和產(chǎn)物濃度等)是比較復(fù)雜的，特別是次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵就更為復(fù)雜，受許多因素控制。4.2.6下游處理發(fā)酵結(jié)束后，要對發(fā)酵液或微生物細胞進行分離和提取精制，將發(fā)酵產(chǎn)物制成符合要求的成品。5液體深層發(fā)酵5.1發(fā)酵的操作方式根據(jù)操作方式的不同，液體深層發(fā)酵主要有分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵三種類型。5.2分批發(fā)酵營養(yǎng)物和菌種一次加入進行培養(yǎng)，直到結(jié)束放罐，中間除了空氣進入和尾氣排出，與外部沒有物料交換。傳統(tǒng)的生物產(chǎn)品發(fā)酵多用此過程，它除了控制溫度和pH及通氣以外，不進行任何其他控制，操作簡單。但從細

15、胞所處的環(huán)境來看，則有明顯改變，發(fā)酵初期營養(yǎng)物過多，可能抑制微生物的生長，而發(fā)酵的中后期又可能因為營養(yǎng)物減少而降低培養(yǎng)效率；從細胞的增殖來說，初期細胞濃度低，增長慢，后期細胞濃度雖高，但營養(yǎng)物濃度過低也生長不快，總的生產(chǎn)能力不是很高。迄今為止，分批發(fā)酵仍是常用的發(fā)酵方法，廣泛用于多種發(fā)酵過程。5.3連續(xù)發(fā)酵所謂連續(xù)發(fā)酵，是指以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。穩(wěn)定狀態(tài)可以有效地延長分批培養(yǎng)中的對數(shù)期。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度、pH等都能保持相對恒定，微生物細胞的濃度及其比生長

16、速率也可維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)生長速度。與分批發(fā)酵相比，連續(xù)發(fā)酵有著較多優(yōu)點，但目前主要用于研究工作中，如發(fā)酵動力學(xué)參數(shù)的測定，過程條件的優(yōu)化試驗等。而在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用還不多，目前主要用于面包酵母和飼料酵母的生產(chǎn)，以及有機廢水的活性污泥處理等。另外，酒精連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)在前蘇聯(lián)也已獲得成功的應(yīng)用。而新近發(fā)展的一種培養(yǎng)方法則是把固定化細胞技術(shù)和連續(xù)培養(yǎng)方法結(jié)合起來，用于生產(chǎn)丙酮、丁醇、正丁醇、異丙醇等重要工業(yè)溶劑。5.4 補料分批發(fā)酵補料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵，是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。通過向培養(yǎng)

17、系統(tǒng)中補充物料，可以使培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物濃度較長時間地保持在一定范圍內(nèi)，既保證微生物的生長需要，又不造成不利影響，從而達到提高產(chǎn)率的目的。補料在發(fā)酵過程中的應(yīng)用，是發(fā)酵技術(shù)上一個劃時代的進步。補料技術(shù)本身也由少次多量、少量多次，逐步改為流加，近年又實現(xiàn)了流加補料的微機控制。但是，發(fā)酵過程中的補料量或補料率，目前在生產(chǎn)中還只是憑經(jīng)驗確定，或者根據(jù)一、兩個一次檢測的靜態(tài)參數(shù)(如基質(zhì)殘留量、pH、溶解氧濃度等)設(shè)定控制點，帶有一定的盲目性，很難同步地滿足微生物生長和產(chǎn)物合成的需要，也不可能完全避免基質(zhì)的調(diào)控反應(yīng)。因而現(xiàn)在的研究重點在于如何實現(xiàn)補料的優(yōu)化控制。補料分批發(fā)酵可以分為兩種類型：單一補料分批發(fā)

18、酵和反復(fù)補料分批發(fā)酵。補料分批發(fā)酵作為分批發(fā)酵向連續(xù)發(fā)酵的過渡，兼有兩者之優(yōu)點，而且克服了兩者之缺點。同傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，補料分批發(fā)酵的優(yōu)越性是明顯的。首先，它可以解除營養(yǎng)物基質(zhì)的抑制、產(chǎn)物反饋抑制和葡萄糖分解阻遏效應(yīng)。其次，對于好氧發(fā)酵，它可以避免在分批發(fā)酵中因一次性投入糖過多造成細胞大量生長，耗氧過多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況。第三，它還可以在某些情況下減少菌體生成量，提高有用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。在真菌培養(yǎng)中，菌絲的減少可以降低發(fā)酵液的黏度，便于物料輸送及后處理。與連續(xù)發(fā)酵相比，它不會產(chǎn)生菌種老化和變異問題，其適用范圍也比連續(xù)發(fā)酵廣。目前，運用補料分批發(fā)酵技術(shù)進行生產(chǎn)和研究的范圍十分廣泛

19、，包括單細胞蛋白、氨基酸、生長激素、抗生素、維生素、酶制劑、有機溶劑、有機酸、核苷酸、高聚物等，幾乎遍及整個發(fā)酵行業(yè)。它不僅被廣泛用于液體發(fā)酵中，在固體發(fā)酵及混合培養(yǎng)中也有應(yīng)用。隨著研究工作的深入及微機在發(fā)酵過程自動控制中的應(yīng)用，補料分批發(fā)酵技術(shù)將日益發(fā)揮出其巨大的優(yōu)勢。6發(fā)酵工藝控制發(fā)酵過程中，為了能對生產(chǎn)過程進行必要的控制，需要對有關(guān)工藝參數(shù)進行定期取樣測定或進行連續(xù)測量。反映發(fā)酵過程變化的參數(shù)可以分為兩類。一類是可以直接采用特定的傳感器檢測的參數(shù)，它們包括反映物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境變化的參數(shù)，如溫度、壓力、攪拌功率、轉(zhuǎn)速、泡沫、發(fā)酵液黏度、濁度、pH、離子濃度、溶解氧、基質(zhì)濃度等，稱為直接參

20、數(shù)。另一類是至今尚難于用傳感器來檢測的參數(shù)，包括細胞生長速率、產(chǎn)物合成速率和呼吸商等。這些參數(shù)需要在一些直接參數(shù)的基礎(chǔ)上，借助于電腦計算和特定的數(shù)學(xué)模型才能得到，因此被稱為間接參數(shù)。上述參數(shù)中，對發(fā)酵過程影響較大的有溫度、pH、溶解氧濃度等。6.1溫度溫度對發(fā)酵過程的影響是多方面的，它會影響各種酶反應(yīng)的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機制。除這些直接影響外，溫度還對發(fā)酵液的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解和吸收速率等，進而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。最適發(fā)酵溫度是既適合菌體的生長，又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度，它

21、隨菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生長階段不同而改變。理論上，整個發(fā)酵過程中不應(yīng)只選一個培養(yǎng)溫度，而應(yīng)根據(jù)發(fā)酵的不同階段，選擇不同的培養(yǎng)溫度。但實際生產(chǎn)中，由于發(fā)酵液的體積很大，升降溫度都比較困難，所以在整個發(fā)酵過程中，往往采用一個比較適合的培養(yǎng)溫度，使得到的產(chǎn)物產(chǎn)量最高，或者在可能的條件下進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。發(fā)酵溫度可通過溫度計或自動記錄儀表進行檢測，通過向發(fā)酵罐的夾套或蛇形管中通人冷水、熱水或蒸汽進行調(diào)節(jié)。工業(yè)生產(chǎn)上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，因為發(fā)酵中會釋放大量的發(fā)酵熱，在這種情況下通常還需要加以冷卻，利用自動控制或手動調(diào)整的閥門，將冷卻水通人夾套或蛇形管中，通過熱交換來降溫

22、，保持恒溫發(fā)酵。6.2 pHpH對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響有以下幾個方面：影響酶的活性，當(dāng)pH抑制菌體中某些酶的活性時，會阻礙菌體的新陳代謝；影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細胞膜的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的排泄；影響培養(yǎng)基中某些組分和中間代謝產(chǎn)物的解離，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用；PH不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。另外，pH還會影響某些霉菌的形態(tài)。發(fā)酵過程中，pH的變化取決于所用的菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件。培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)的代謝，是引起pH變化的重要原因，發(fā)酵液的pH變化乃是菌體產(chǎn)酸和產(chǎn)堿的代謝反應(yīng)的綜合結(jié)果。每一

23、類微生物都有其最適的和能耐受的pH范圍，大多數(shù)細菌生長的最適pH為6375，霉菌和酵母菌為36，放線菌為 78。而且微生物生長階段和產(chǎn)物合成階段的最適pH往往不一樣，需要根據(jù)實驗結(jié)果來確定。為了確保發(fā)酵的順利進行，必須使其各個階段經(jīng)常處于最適pH范圍之內(nèi)，這就需要在發(fā)酵過程中不斷地調(diào)節(jié)和控制pH。首先需要考慮和試驗發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，使它們有個適當(dāng)?shù)呐浔龋拱l(fā)酵過程中的pH變化在合適的范圍內(nèi)。如果達不到要求，還可在發(fā)酵過程中補加酸或堿。過去是直接加入酸(如 H2SO4)或堿(如NalOH)來控制，現(xiàn)在常用的是以生理酸性物質(zhì)如(NH4)2SO4和生理堿性物質(zhì)如氨水來控制，它們不僅可以調(diào)節(jié)pH，

24、還可以補充氮源。此外，用補料的方式來調(diào)節(jié)pH也比較有效。最成功的例子就是青霉素發(fā)酵的補料工藝，利用控制葡萄糖的補加速率來控制pH，其青霉素產(chǎn)量比用恒定的加糖速率和加酸或堿來控制PH的產(chǎn)量高25。目前已試制成功適合于發(fā)酵過程監(jiān)測pH的電極，能連續(xù)測定并記錄pH的變化，將信號輸入pH控制器來指令加糖、加酸或加堿，使發(fā)酵液的pH控制在預(yù)定的數(shù)值。6.3溶解氧濃度對于好氧發(fā)酵，溶解氧濃度是最重要的參數(shù)之一。好氧性微生物在進行深層培養(yǎng)時，需要適量的溶解氧以維持其呼吸代謝和某些產(chǎn)物的合成，氧的不足會造成代謝異常，產(chǎn)量降低?，F(xiàn)在可采用復(fù)膜氧電極來檢測發(fā)酵液中的溶解氧濃度。要維持一定的溶氧水平，需從供氧和需氧

25、兩方面著手。在供氧方面，主要是設(shè)左提高氧傳遞的推動力和氧傳遞系數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通氣速率來控制司時要有適當(dāng)?shù)墓に嚄l件來控制需氧量，使菌體的生長和產(chǎn)物形成對氧的需求量不超過設(shè)備的供氧能力。已知發(fā)酵液的需氧量，受菌體濃度、基質(zhì)的種類和濃度以受培養(yǎng)條件等因素的影響，其中以菌濃的影響最為明顯。發(fā)酵液的攝氧率隨菌濃曾大而增大，但氧的傳遞速率隨菌濃的對數(shù)關(guān)系減少。因此可以控制合適的菌體在度，使得產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率維持在最大值，又不會導(dǎo)致需氧大于供氧。這可以通過控制基質(zhì)的濃度來實現(xiàn)，如控制補糖速率。除控制補料速度外，在工業(yè)上，還可采用調(diào)節(jié)溫度(降低培養(yǎng)溫度可提高溶氧濃度)、液化培養(yǎng)基、中間補水、添加表

26、面活性劑等工藝措施，來改善溶氧水平。發(fā)酵過程中各參數(shù)的控制很重要，目前發(fā)酵工藝控制的方向是轉(zhuǎn)向自動化控制，因而希望能開發(fā)出更多更有效的傳感器用于過程參數(shù)的檢測。此外，對于發(fā)酵終點的判斷也同樣重要。生產(chǎn)不能只單純追求高生產(chǎn)力，而不顧及產(chǎn)品的成本，必須把二者結(jié)合起來。合理的放罐時間是通過實驗來確定的，就是根據(jù)不同的發(fā)酵時間所得的產(chǎn)物產(chǎn)量計算出發(fā)酵罐的生產(chǎn)力和產(chǎn)品成本，采用生產(chǎn)力高而成本又低的時間，作為放罐時間。確定放罐的指標有：發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量，發(fā)酵液的過濾速度，發(fā)酵液中氨基氮的含量，菌絲的形態(tài)，發(fā)酵液的PH、外觀和黏度等。發(fā)酵終點的確定，需要綜合考慮這些因素。7發(fā)酵設(shè)備進行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備統(tǒng)稱

27、發(fā)酵罐。一個優(yōu)良的發(fā)酵裝置應(yīng)具有嚴密的結(jié)構(gòu)，良好的液體混和性能，較高的傳質(zhì)、傳熱速率，同時還應(yīng)具有配套而又可靠的檢測及控制儀表。由于微生物有好氧與厭氧之分，所以其培養(yǎng)裝置也相應(yīng)地分為好氧發(fā)酵設(shè)備與厭氧發(fā)酵設(shè)備。7.1 好氧發(fā)酵設(shè)備對于好氧微生物，發(fā)酵罐通常采用通氣和攪拌來增加氧的溶解，以滿足其代謝需要。根據(jù)攪拌方式的不同，好氧發(fā)酵設(shè)備又可分為機械攪拌式發(fā)酵罐和通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐。 7.1.1機械攪拌式發(fā)酵罐機械攪拌式發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用的類型之一。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促進氧的溶解，以保證供給微生物生長繁殖和代謝所需的溶解氧。比較典型的是通用式發(fā)酵罐和自吸式發(fā)酵罐。7

28、.1.2通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐在通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐中，通風(fēng)的目的不僅是供給微生物所需要的氧，同時還利用通人發(fā)酵罐的空氣，代替攪拌器使發(fā)酵液均勻混合。常用的有循環(huán)式通風(fēng)發(fā)酵罐和高位塔式發(fā)酵罐。7.2厭氧發(fā)酵設(shè)備厭氧發(fā)酵也稱靜止培養(yǎng)，因其不需供氧，所以設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡單。嚴格的厭氧液體深層發(fā)酵的主要特色是排除發(fā)酵罐中的氧。罐內(nèi)的發(fā)酵液應(yīng)盡量裝滿，以便減少上層相的影響，有時還需充人無氧氣體。發(fā)酵罐的排氣口要安裝水封裝置，培養(yǎng)基應(yīng)預(yù)先還原。此外，厭氧發(fā)酵需使用大劑量接種(一般接種量為總操作體積的10-20)，使菌體迅速生長，減少其對外部氧滲人的敏感性。酒精、丙酮、丁醇、乳酸和啤酒等都是采用液體厭氧發(fā)酵

29、工藝生產(chǎn)的。具有代表性的厭氧發(fā)酵設(shè)備如酒精發(fā)酵罐和用于啤酒生產(chǎn)的錐底立式發(fā)酵罐。8下游加工過程從發(fā)酵液中分離、精制有關(guān)產(chǎn)品的過程稱為發(fā)酵生產(chǎn)的下游加工過程。發(fā)酵液是含有細胞、代謝產(chǎn)物和剩余培養(yǎng)基等多組分的多相系統(tǒng)，黏度通常很大，從中分離固體物質(zhì)很困難；發(fā)酵產(chǎn)品在發(fā)酵液中濃度很低，且常常與代謝產(chǎn)物、營養(yǎng)物質(zhì)等大量雜質(zhì)共存于細胞內(nèi)或細胞外，形成復(fù)雜的混合物；欲提取的產(chǎn)品通常很不穩(wěn)定，遇熱、極端pH、有機溶劑會分解或失活；另外，由于發(fā)酵是分批操作，生物變異性大，各批發(fā)酵液不盡相同，這就要求下游加工有一定彈性，特別是對染菌的批號也要能夠處理。發(fā)酵的最后產(chǎn)品純度要求較高，上述種種原因使得下游加工過程成為

30、許多發(fā)酵生產(chǎn)中最重要、成本費用最高的環(huán)節(jié)，如抗生素、乙醇、檸檬酸等的分離和精制占整個工廠投資的60左右，而且還有繼續(xù)增加的趨勢。發(fā)酵生產(chǎn)中因缺乏合適的、經(jīng)濟的下游處理方法而不能投入生產(chǎn)的例子是很多的。因此下游加工技術(shù)愈來愈引起人們的重視。下游加工過程由許多化工單元操作組成，通?？煞譃榘l(fā)酵液預(yù)處理和固液分離、提取、精制以及成品加工四個階段。發(fā)酵液性質(zhì)，以利于固液分離，常用酸化、加熱、加絮凝劑等方法。固液分離則常用到過濾、離心等方法。如果欲提取的產(chǎn)物存在于細胞內(nèi)，還需先對細胞進行破碎，細胞破碎方法有機械、生物和化學(xué)法，大規(guī)模生產(chǎn)中常用高壓勻漿器和球磨機。細胞碎片的分離通常用離心、兩水相萃取等方法。

31、8.1提取經(jīng)上述步驟處理后，活性物質(zhì)存在于濾液或離心上清液中，液體的體積很大，濃度很低。接下來要進行提取，提取的目的主要是濃縮，也有一些純化作用。常用的方法有吸附法、離子交換法、沉淀法、萃取法、超濾法8.2精制經(jīng)提取過程初步純化后，液體的體積大大縮小，但純度提高不多，需要進一步精制。初步純化中的某些操作，如沉淀、超濾等也可應(yīng)用于精制。大分子(蛋白質(zhì))精制依賴于層析分離，層析分離是利用物質(zhì)在固定相和移動相間分配情況不同，進而在層析柱中的運動速度不同，而達到分離的目的。根據(jù)分配機制的不同，分為凝膠層析、離子交換層析、聚焦層析、疏水層析、親和層析等幾種類型。層析分離中的主要困難之一是層析介質(zhì)的機械強度差，研究生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)層析介質(zhì)是下游加工的重要任務(wù)之一。小分子物質(zhì)的精制則可利用結(jié)晶操作。9成品加工經(jīng)提取和精制后，根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用要求，有時還需要濃縮、無菌過濾和去熱原、干燥、加穩(wěn)定劑等加工步驟。濃縮可采用升膜或降膜式的薄膜蒸發(fā)或者采用膜過濾的方法，對熱敏性物質(zhì)可用離心薄膜蒸發(fā)進行濃縮，對大分子溶液可用超濾膜過濾、小分子溶液可用反滲透膜過濾進行濃縮。用截斷相對分子質(zhì)量10000的超濾膜可除去相對分子質(zhì)量在1000以內(nèi)的產(chǎn)品中的熱原，同時也達到了過濾除菌的目的。如果最后要求的是結(jié)晶性產(chǎn)品，則上述濃縮、無菌過濾等步驟應(yīng)放于結(jié)晶之前，而干燥則通常是固體產(chǎn)品加工的最后一道工序。干燥方法根據(jù)物料性質(zhì)、物料狀