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    液體發(fā)酵技術(shù)

    時(shí)間:2022-01-04 點(diǎn)擊:1017次

        根據培養液的深淺,液體發(fā)酵可分為表面培養法和深層培養法。表面培養法是在淺盤(pán)中裝一薄層培養液,接種后進(jìn)行表面培養,微生物在液體表面形成一層薄膜,其所需氧來(lái)自于空氣。在通氣設備缺乏時(shí),對一些繁殖快的好氧微生物可用此法。
     
        在早期青霉素發(fā)酵和檸檬酸發(fā)酵過(guò)程中,均使用過(guò)淺盤(pán)培養。但因存在勞動(dòng)強度大、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品易污染等缺點(diǎn),難以推廣放大。深層發(fā)酵是指在液體培養基內部進(jìn)行的微生物培養過(guò)程。它采用通氣攪拌技術(shù),在發(fā)酵過(guò)程中不斷向發(fā)酵液中通入無(wú)菌空氣,以滿(mǎn)足微生物的氧需求。由于其發(fā)酵周期短,產(chǎn)量高,成為現代發(fā)酵工業(yè)使用的主要發(fā)酵形式。
     
        生物發(fā)酵工藝多樣,但基本上包括菌種制備、種子培養、發(fā)酵和提取精致等幾個(gè)過(guò)程。
     
    一、菌種
     
        微生物在發(fā)酵過(guò)程中起到催化劑的作用。微生物的性能決定著(zhù)發(fā)酵過(guò)程及發(fā)酵結果的優(yōu)勢。微生物的性能優(yōu)良,可確保生產(chǎn)過(guò)程操作簡(jiǎn)單,并得到高產(chǎn)量的目標產(chǎn)物。傳統發(fā)酵技術(shù)應用的是自然界的微生物。而在現代發(fā)酵工業(yè)中,微生物菌種工作是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的核心部分。制備性能優(yōu)良的菌種,是發(fā)酵技術(shù)的前提保障。
     
    (一)對工業(yè)微生物的要求
     
      盡管微生物工業(yè)使用的菌種多種多樣,但對大規模生產(chǎn)所用的菌種,一般有如下要求:
     
    1.培養基原料廉價(jià),目的產(chǎn)物產(chǎn)量高;
    2.培養條件易于控制,發(fā)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(chǎn)生任何有害的生物活性物質(zhì)和毒素,保證安全生產(chǎn);
     
    (二)工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)多種酶制劑、抗生素 、有機酸等。
    4.放線(xiàn)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(shuō)菇類(lèi)(mushroom)微生物,用于多糖、橡膠物質(zhì)和抗癌藥物的開(kāi)發(fā)。
    6.藻類(lèi)(algae):用作人類(lèi)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(cháng)繁殖的營(yíng)養物質(zhì)。所有發(fā)酵培養基都必須提供微生物生長(cháng)繁殖和產(chǎn)物合成所需的能源、碳源、氮源、無(wú)機鹽和微量元素、生長(cháng)因子,并能為微生物提供除營(yíng)養外的其他生長(cháng)所必須的條件(如水、氧氣等)。
     
    (一)培養基的類(lèi)型
     
        培養基種類(lèi)繁多,根據其成分、物理狀態(tài)和用途可將培養基分成多種類(lèi)型。
     
    1.按成分分類(lèi)。
    2.按物理狀態(tài)分類(lèi)。
    3.按用途分類(lèi)。
     
    (二)發(fā)酵培養基的成分及來(lái)源
        
        發(fā)酵培養基的 組成主要包括碳源、氮源、無(wú)機鹽及微量元素、生長(cháng)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(gè) :一是為微生物菌種的生長(cháng)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(chǎn)物提供所需的碳成分。
     
      在發(fā)酵工業(yè)中常用的碳源有糖類(lèi)、油脂、有機酸和低 碳醇等。除此之外,蛋白質(zhì)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(zhì)(氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸等)和含氮代謝物,常用氮源可分為有機氮源和無(wú)機氮源兩大類(lèi)。
     
    (三)培養基的配制
     
        在進(jìn)行培養基配制之前,需對培養基原料進(jìn)行適當的預處理,以確保滅菌的效果及后續生產(chǎn)的順利進(jìn)行。原料預處理首先是去除雜質(zhì),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(guò)程中原料的受熱面積,提高熱處理效果率,縮短熱處理時(shí)間。此外,粉末狀原料加水混合后易于流動(dòng)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(jìn)行粉碎。
     
    三、培養基及設備的滅菌
     
        現代發(fā)酵工業(yè)通常采用單一菌種進(jìn)行純種發(fā)酵,即在發(fā)酵過(guò)程中,除生產(chǎn)菌種外沒(méi)有其他雜菌的污染。若污染了雜菌,則將產(chǎn)生以下問(wèn)題:雜菌的生長(cháng)造成營(yíng)養物質(zhì)的消耗,使得生產(chǎn)菌的生產(chǎn)能力降低;雜菌及其產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物增加了發(fā)酵產(chǎn)物提取精制的難度;污染的雜菌可能會(huì )降解目的產(chǎn)物;發(fā)酵時(shí)如污染噬菌體,可使生產(chǎn)菌發(fā)生溶菌現象,導致發(fā)酵徹底失敗。
     
        為確保整個(gè)發(fā)酵過(guò)程沒(méi)有雜菌的污染,對發(fā)酵培養基和發(fā)酵設備須采用適宜方法進(jìn)行滅菌,對好氧培養中使用的空氣也應進(jìn)行除菌處理;發(fā)酵設備應嚴密并維持正壓環(huán)境,以防外界微生物的侵入;發(fā)酵過(guò)程中加入的物料應經(jīng)過(guò)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(xué)方法殺死或除去環(huán)境中所有的微生物,包括營(yíng)養細胞、細菌芽孢和孢子的過(guò)程。常用的滅菌方法主要分為物理法和化學(xué)法。
     
    (二)培養基的滅菌
     
      培養基含有豐富的營(yíng)養成分,很容易引起雜菌的污染。在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)之前,需殺滅培養基中的微生物,為后續發(fā)酵過(guò)程創(chuàng )造無(wú)菌環(huán)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(shí),會(huì )引起營(yíng)養成分的破壞 ,還要求滅菌過(guò)程盡量減少營(yíng)養成分的破壞。在發(fā)酵工業(yè)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(chēng)種子培養,是將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后,再經(jīng)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(zhì)量的純種的過(guò)程。這些純種培養基成為種子。
     
        菌種擴大培養基的任務(wù)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(fā)酵生產(chǎn)使用。某些發(fā)酵過(guò)程由于菌種生長(cháng)速度慢,或發(fā)酵規模大,經(jīng)過(guò)一次擴大培養得到的菌種數量尚不足夠,需經(jīng)過(guò)多次擴大培養。對于不同產(chǎn)品的發(fā)酵過(guò)程,必須根據菌種生長(cháng)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(gè)過(guò)程,即在實(shí)驗室中大量繁殖種子的過(guò)程和在生產(chǎn)車(chē)間的種子擴大培養階段。
     
    五、發(fā)酵
     
        發(fā)酵是在無(wú)菌狀態(tài)下 對微生物進(jìn)行純種培養以大規模生產(chǎn)產(chǎn)物的環(huán)節,是整個(gè)發(fā)酵工程的中心環(huán)節。發(fā)酵過(guò)程除確保所用的培養基和培養設備都經(jīng)過(guò)滅菌,通入的空氣或中途補料均無(wú)菌,轉移種子也采用無(wú)菌接種技術(shù)外,對發(fā)酵罐內部的代謝變化還需進(jìn)行控制。如菌絲形態(tài)、菌濃度、糖含量、氮含量、PH、溶氧濃度和產(chǎn)物濃度等變化比較復雜,特別是次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵,其影響因素更為復雜。
    發(fā)酵過(guò)程按其操作方式,可分為分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵等幾種方式。
     
    六、下游處理(產(chǎn)品的分離純化)
     
        一般發(fā)酵結束后,要對發(fā)酵液或微生物進(jìn)行分離和提取精致,將發(fā)酵產(chǎn)物制成符合要求的成品。這一工序稱(chēng)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(chǎn)物從反應液中提取出來(lái)(指胞外產(chǎn)物)或從細胞中(之胞內產(chǎn)物)提取出來(lái),并加以精制以達到規定的質(zhì)量要求。包括物理方法、化學(xué)方法、生物方法等。


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