发酵的类型及操作方式

林 刚 张朝武

摘要:发酵是指利用微生物制造工业原料或工业产品的过程。根据各种微生物的特性,在有氧或无氧条件下利用生物催化(酶)的作用,将多种低值原料转化成不同的产品的过程。如酿酒、制酱和醋等发酵技术古已有之。本文介绍了发酵的类型及操作方式。

关键词:发酵;微生物;发

20 世纪 40 年代中期美国抗菌素工业兴起,大规模生产青霉素以及日本谷氨酸盐 (味精 )发酵成功,大大推动了发酵工程的发展。70年代以石油为原料生产单细胞蛋白,使发酵工程从单一依靠碳水化合物(淀粉)向非碳水化合物过渡,从单纯依靠农产品发展到利用矿产资源,如天然气、烷烃等原料的开发。80年代初基因工程发展,人们能按需要设计和培育各种工程菌,在大大提高发酵工程的产品质量的同时,节约能源,降低成本,使发酵技术实现新的革命。

1 发酵类型

1.1 微生物菌体发酵

这是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。传统的菌体发酵工业:有用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白发酵两种类型。新的菌体发酵可用来生产一些药用真菌:如香菇类、天麻共生的密环菌、以及从多孔菌科的获苔菌获得的名贵中药获答和担子菌的灵芝等药用菌。这些药用真菌可以通过发酵培养的手段来生产出与天然产品具有同等疗效的产物。

1.2 微生物酶发酵

酶普遍存在于动物、植物和微生物中。最初,人们都是从动、植物组织中提取酶,但目前工业应用的酶大多来自微生物发酵,因为微生物具有种类多、产酶的品种多、生产容易和成本低等特点;微生物酶制剂有广泛的用途,多用于食品和轻工业中,如微生物生产的淀粉酶和糖化酶用于生产葡萄糖,氨基酰化酶用于拆分DL一氨基酸等。酶也用于医药生产和医疗检测中,如青霉素酰化酶用来生产半合成青霉素所用的中间体6一氨基青霉烷酸,胆固醇氧化酶用于检查血清中胆固醇的含量,葡萄糖氧化酶用于检查血中葡萄糖的含量等等。

1.3 微生物代谢产物发酵

微生物代谢产物的种类很多,已知的有37个大类,其中16类属于药物。在菌体对数生长期所产生的产物,如氨基酸、核并酸、蛋白质、核酸、糖类等,是菌体生长繁殖所必需的。这些产物叫做初级代谢产物,许多初级代谢产物在经济上具有相当的重要性,分别形成了各种不同的发酵工业。

在菌体生长静止期,某些菌体能合成一些具有特定功能的产物,如抗生素。生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系,叫做次级代谢产物。次级代谢产物多为低分子量化合物,但其化学结构类型多种多样,据不完全统计多达47类,其中抗生素的结构类型,按相似性来分,也有14类。由于抗生素不仅具有广泛的抗菌作用,而且还有抗病毒、抗癌和其他生理活性,因而得到了大力发展,已成为发酵工业的重要支柱。

1.4 微生物的转化发酵

微生物转化是利用微生物细胞的一种或多种酶,把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物。可进行的转化反应包括:脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反应、脱梭反应、氨化反应、脱氨反应和异构化反应等。

最古老的生物转化,就是利菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。生物转化还可用于把异丙醇转化成丙醇甘油转化成二羟基内酮、葡萄糖转化成葡萄糖酸,进而转化成2一酮基葡萄糖酸或5一酮基葡萄糖酸,以及将山梨醇转变成L一山梨糖等。此外,微生物转化发酵还包括甾类转化和抗生素的生物转化等等。

1.5 生物工程细胞的发酵

这是指利用生物工程技术所获得的细胞,如DNA重组的“工程菌”,细胞融合所得的“杂交”细胞等进行培养的新型发酵,其产物多种多样。如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素、青霉素酚化酶等,用杂交瘤细胞生产用于治疗和诊断的各种单克隆抗体等。

2 发酵的操作方式

根据操作方式的不同,发酵过程主要有分批发酵、连续发酵和补料分批发酵三种类型。

2.1 分批发酵

营养物和菌种一次加人进行培养,直到结束放出,中间除了空气进人和尾气排出,与外部没有物料交换。传统的生物产品发酵多用此过程,它除了控制温度和pH及通气以外,不进行任何其他控制,操作简单。但从细胞所处的环境来看,则明显改变,发酵初期营养物过多可能抑制微生物的生长,而发酵的中后期可能又因为营养物减少而降低培养效率,从细胞的增殖来说,初期细胞浓度低,增长慢,后期细胞浓度虽高,但营养物浓度过低也长不快,总的生产能力不是很高。分批发酵的具体操作如下:首先种于培养系统开始工作,即对种子罐用高压蒸汽进行空罐灭菌(空湖),之后投人培养基再通高压蒸汽进行实罐灭菌(实消),然后接种,即接人用摇瓶等预先培养好的种于,进行培养。在种子罐开始培养的同时,以同样程序进行主培养罐的准备工作。对于大型发酵罐,一般不在罐内对培养基灭菌,而是利用专门的灭菌装置对培养基进行连续灭菌(连消)。种于培养达到一定菌体量时,即转移到主发酵罐中。发酵过程中要控制温度和pH,对于需氧微生物还要进行搅拌和通气。主罐发酵结束即将发酵液送往提取、精制工段进行后处理。

2.2 连续发酵

所谓连续发酵,是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基,同时以相同的速度流出培养液,从而使发酵罐内的液量维持恒定,微生物在稳定状态下生长。稳定状态可以有效地延长分批培养中的对数期。在稳定的状态下,微生物所处的环境条件,如营养物浓度、产物浓度、pH值等都能保持恒定,微生物细胞的浓度及其比生长速率也可维持不变,甚至还可以根据需要来调节生长速度。连续发酵使用的反应器可以是搅拌罐式反应器,也可以是管式反应器。在罐式反应器中,即使加人的物料中不含有菌体,只要反应器内含有一定量的菌体,在一定进料流量范围内,就可实现稳态操作。罐式连续发酵的设备与分批发酵设备无根本差别,一般可采用原有发酵罐改装。根据所用罐数,罐式连续发酵系统又可分单罐连续发酵和多罐连续发酵。

在管式反应器中,培养液通过一个返混程度较低的管状反应器向前流动(返混——反应器内停留时间不同的料液之间的混合),其理想型式为活塞流反应器(PFR,没有返混)。在反应器内沿流动方向的不同部位,营养物浓度。细胞浓度、传氧和生产率等都不相同。在反应器的人口,微生物细胞必须和营养液一起加到反应器内。通常在反应器的出口,装一支路使细胞返回,或者来自另一个连续培养罐。这种微生物反应器的运转存在许多困难,故目前主要用于理论研究,基本上还未进行实际应用。

2.2 补料分批发酵

补料分批发酵又称半连续发酵,是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术,是指在微生物分批发酵中,以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。通过向培养系统中补充物料,可以使培养液中的营养物浓度较长时间地保持在一定范围内,既保证微生物的生长需要,又不造成不利影响,从而达到提高产率的目的。

补料在发酵过程中的应用,是发酵技术上一个划时代的进步。补料技术本身也由少次多量、少量多次,逐步改为流加,近年又实现了流加补料的微机控制。但是,发酵过程中的补料量或补料率,目前在生产中还只是凭经验确定,或者根据一、两个一次检测的静态参数(如基质残留量、pH、溶解氧浓度等)设定控制点,带有一定的盲目性,很难同步地满足微生物生长和产物合成的需要,也不可能完全避免基质的凋控反应。因而现在的研究重点在于如何实现补料的优化控制。

目前,运用补料分批发酵技术进行牛产和研究的范围十分广泛,包括中细胞蛋白、氨基酸、生长激素、抗生素、维生素、酶制剂、有机溶剂、有机酸、核苷酸、高聚物等,几乎遍及整个发酵行业。它不仅被广泛用于液体发酵中,在固体发酵及混合培养中也有应用。随着研究工作的深人及微机在发酵过程自动控制中的应用,补料分批发酵技术将日益发挥出其巨大的优势。