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液體發酵技術
來源:本站原創 | 發布時間:2020-03-17 | 發布人:admin | 瀏覽次數:
 
    根據培養液的深淺,液體發酵可分為表面培養法和深層培養法。表面培養法是在淺盤中裝一薄層培養液,接種后進行表面培養,微生物在液體表面形成一層薄膜,其所需氧來自于空氣。在通氣設備缺乏時,對一些繁殖快的好氧微生物可用此法。
 
    在早期青霉素發酵和檸檬酸發酵過程中,均使用過淺盤培養。但因存在勞動強度大、生產效率低、產品易污染等缺點,難以推廣放大。深層發酵是指在液體培養基內部進行的微生物培養過程。它采用通氣攪拌技術,在發酵過程中不斷向發酵液中通入無菌空氣,以滿足微生物的氧需求。由于其發酵周期短,產量高,成為現代發酵工業使用的主要發酵形式。
 
    生物發酵工藝多樣,但基本上包括菌種制備、種子培養、發酵和提取精致等幾個過程。
 
一、菌種
 
    微生物在發酵過程中起到催化劑的作用。微生物的性能決定著發酵過程及發酵結果的優勢。微生物的性能優良,可確保生產過程操作簡單,并得到高產量的目標產物。傳統發酵技術應用的是自然界的微生物。而在現代發酵工業中,微生物菌種工作是整個生產過程的核心部分。制備性能優良的菌種,是發酵技術的前提保障。
 
(一)對工業微生物的要求
 
  盡管微生物工業使用的菌種多種多樣,但對大規模生產所用的菌種,一般有如下要求:
 
1.培養基原料廉價,目的產物產量高;
2.培養條件易于控制,發酵周期較短;
3.抗雜菌和噬菌體的能力強;
4.菌種遺傳性能穩定,不易變易和退化,不產生任何有害的生物活性物質和毒素,保證安全生產;
 
(二)工業生產常用的微生物
 
1.細菌(bacteria):主要包括枯草芽孢桿菌、醋酸桿菌、棒狀桿菌、短桿菌等,用于生產淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等。
2.酵母菌(yeast):主要有啤酒酵母、假絲酵母等,用于釀酒、制造面包、生產脂肪酶以及可食用、藥用和飼料用 酵母菌體蛋白等。
3.霉菌(mould):如根霉、毛霉、犁頭霉、紅曲霉、曲霉、青霉等,用于生產多種酶制劑、抗生素 、有機酸等。
4.放線菌(actinomycetes):如鏈霉菌屬、小單孢菌屬和諾卡氏菌屬等。
5.擔子菌(basidiomycetes):即通常所說菇類(mushroom)微生物,用于多糖、橡膠物質和抗癌藥物的開發。
6.藻類(algae):用作人類保健食品的飼料,如螺旋藻。
 
                        
二、培養基
 
    培養基是指可供微生物細胞生長繁殖的營養物質。所有發酵培養基都必須提供微生物生長繁殖和產物合成所需的能源、碳源、氮源、無機鹽和微量元素、生長因子,并能為微生物提供除營養外的其他生長所必須的條件(如水、氧氣等)。
 
(一)培養基的類型
 
    培養基種類繁多,根據其成分、物理狀態和用途可將培養基分成多種類型。
 
1.按成分分類。
2.按物理狀態分類。
3.按用途分類。
 
(二)發酵培養基的成分及來源
    
    發酵培養基的 組成主要包括碳源、氮源、無機鹽及微量元素、生長因子、水等。
 
1. 碳源
 
  碳源是組成培養基的主要成分之一。其主要功能有兩個 :一是為微生物菌種的生長繁殖提供能源和合成菌體所必需的碳成分,二是為合成目的產物提供所需的碳成分。
 
  在發酵工業中常用的碳源有糖類、油脂、有機酸和低 碳醇等。除此之外,蛋白質水解物或氨基酸等含碳有機物也可被微生物作為碳源使用。
 
2. 氮源
 
     氮源主要用于構成菌體細胞物質(氨基酸、蛋白質、核酸等)和含氮代謝物,常用氮源可分為有機氮源和無機氮源兩大類。
 
(三)培養基的配制
 
    在進行培養基配制之前,需對培養基原料進行適當的預處理,以確保滅菌的效果及后續生產的順利進行。原料預處理首先是去除雜質,如小鐵釘、泥塊、石頭等。
 
    然后需將原料粉碎成粉末狀,有利于培養基顆粒的 吸水膨脹、糊化,以增加滅菌過程中原料的受熱面積,提高熱處理效果率,縮短熱處理時間。此外,粉末狀原料加水混合后易于流動輸送。對于一些帶殼的原料,如高粱、大麥等 ,在粉碎前,要求先去皮殼后再進行粉碎。
 
三、培養基及設備的滅菌
 
    現代發酵工業通常采用單一菌種進行純種發酵,即在發酵過程中,除生產菌種外沒有其他雜菌的污染。若污染了雜菌,則將產生以下問題:雜菌的生長造成營養物質的消耗,使得生產菌的生產能力降低;雜菌及其產生的代謝產物增加了發酵產物提取精制的難度;污染的雜菌可能會降解目的產物;發酵時如污染噬菌體,可使生產菌發生溶菌現象,導致發酵徹底失敗。
 
    為確保整個發酵過程沒有雜菌的污染,對發酵培養基和發酵設備須采用適宜方法進行滅菌,對好氧培養中使用的空氣也應進行除菌處理;發酵設備應嚴密并維持正壓環境,以防外界微生物的侵入;發酵過程中加入的物料應經過滅菌;接入的種子應未被污染。
 
(一)滅菌方法
  
    滅菌是指用物理或化學方法殺死或除去環境中所有的微生物,包括營養細胞、細菌芽孢和孢子的過程。常用的滅菌方法主要分為物理法和化學法。
 
(二)培養基的滅菌
 
  培養基含有豐富的營養成分,很容易引起雜菌的污染。在進行發酵生產之前,需殺滅培養基中的微生物,為后續發酵過程創造無菌環境。
 
  培養基的滅菌通常采用濕熱滅菌法。因在高溫滅菌的同時,會引起營養成分的破壞 ,還要求滅菌過程盡量減少營養成分的破壞。在發酵工業中,培養基濕熱滅菌的操作可分為分批滅菌和連續滅菌。
 
四、菌種擴大培養
 
    菌種擴大培養又稱種子培養,是將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態的生產菌種接入試管斜面活化后,再經茄子瓶或搖瓶及種子罐逐級擴大培養已獲得一定數量和質量的純種的過程。這些純種培養基成為種子。
 
    菌種擴大培養基的任務是使菌體數量增加,更重要的是獲得活力旺盛、接種數量足夠的培養物供發酵生產使用。某些發酵過程由于菌種生長速度慢,或發酵規模大,經過一次擴大培養得到的菌種數量尚不足夠,需經過多次擴大培養。對于不同產品的發酵過程,必須根據菌種生長繁殖速度快慢決定種子擴大培養基的級數。
 
(一)種子制備工藝
 
     種子制備一般包括兩個過程,即在實驗室中大量繁殖種子的過程和在生產車間的種子擴大培養階段。
 
五、發酵
 
    發酵是在無菌狀態下 對微生物進行純種培養以大規模生產產物的環節,是整個發酵工程的中心環節。發酵過程除確保所用的培養基和培養設備都經過滅菌,通入的空氣或中途補料均無菌,轉移種子也采用無菌接種技術外,對發酵罐內部的代謝變化還需進行控制。如菌絲形態、菌濃度、糖含量、氮含量、PH、溶氧濃度和產物濃度等變化比較復雜,特別是次級代謝產物發酵,其影響因素更為復雜。
發酵過程按其操作方式,可分為分批發酵、補料分批發酵等幾種方式。
 
六、下游處理(產品的分離純化)
 
    一般發酵結束后,要對發酵液或微生物進行分離和提取精致,將發酵產物制成符合要求的成品。這一工序稱為下游加工程序,其目的是用適當的方法和手段將含量較低的產物從反應液中提取出來(指胞外產物)或從細胞中(之胞內產物)提取出來,并加以精制以達到規定的質量要求。包括物理方法、化學方法、生物方法等。
     
 
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