發(fā)酵的類型及操作方式

林 剛 張朝武

摘要:發(fā)酵是指利用微生物制造工業(yè)原料或工業(yè)產(chǎn)品的過程。根據(jù)各種微生物的特性,在有氧或無氧條件下利用生物催化(酶)的作用,將多種低值原料轉(zhuǎn)化成不同的產(chǎn)品的過程。如釀酒、制醬和醋等發(fā)酵技術(shù)古已有之。本文介紹了發(fā)酵的類型及操作方式。

關(guān)鍵詞:發(fā)酵;微生物;發(fā)

20 世紀(jì) 40 年代中期美國(guó)抗菌素工業(yè)興起,大規(guī)模生產(chǎn)青霉素以及日本谷氨酸鹽 (味精 )發(fā)酵成功,大大推動(dòng)了發(fā)酵工程的發(fā)展。70年代以石油為原料生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白,使發(fā)酵工程從單一依靠碳水化合物(淀粉)向非碳水化合物過渡,從單純依靠農(nóng)產(chǎn)品發(fā)展到利用礦產(chǎn)資源,如天然氣、烷烴等原料的開發(fā)。80年代初基因工程發(fā)展,人們能按需要設(shè)計(jì)和培育各種工程菌,在大大提高發(fā)酵工程的產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí),節(jié)約能源,降低成本,使發(fā)酵技術(shù)實(shí)現(xiàn)新的革命。

1 發(fā)酵類型

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。傳統(tǒng)的菌體發(fā)酵工業(yè):有用于面包制作的酵母發(fā)酵及用于人類或動(dòng)物食品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、天麻共生的密環(huán)菌、以及從多孔菌科的獲苔菌獲得的名貴中藥獲答和擔(dān)子菌的靈芝等藥用菌。這些藥用真菌可以通過發(fā)酵培養(yǎng)的手段來生產(chǎn)出與天然產(chǎn)品具有同等療效的產(chǎn)物。

1.2 微生物酶發(fā)酵

酶普遍存在于動(dòng)物、植物和微生物中。最初,人們都是從動(dòng)、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?yàn)槲⑸锞哂蟹N類多、產(chǎn)酶的品種多、生產(chǎn)容易和成本低等特點(diǎn);微生物酶制劑有廣泛的用途,多用于食品和輕工業(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,氨基酰化酶用于拆分DL一氨基酸等。酶也用于醫(yī)藥生產(chǎn)和醫(yī)療檢測(cè)中,如青霉素?；赣脕砩a(chǎn)半合成青霉素所用的中間體6一氨基青霉烷酸,膽固醇氧化酶用于檢查血清中膽固醇的含量,葡萄糖氧化酶用于檢查血中葡萄糖的含量等等。

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(gè)大類,其中16類屬于藥物。在菌體對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期所產(chǎn)生的產(chǎn)物,如氨基酸、核并酸、蛋白質(zhì)、核酸、糖類等,是菌體生長(zhǎng)繁殖所必需的。這些產(chǎn)物叫做初級(jí)代謝產(chǎn)物,許多初級(jí)代謝產(chǎn)物在經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)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(xì)菌毒素、植物生長(zhǎng)因子等。這些產(chǎn)物與菌體生長(zhǎng)繁殖無明顯關(guān)系,叫做次級(jí)代謝產(chǎn)物。次級(jí)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(jì)多達(dá)47類,其中抗生素的結(jié)構(gòu)類型,按相似性來分,也有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

微生物轉(zhuǎn)化是利用微生物細(xì)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(jì)價(jià)值的產(chǎn)物?？蛇M(jìn)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)、脫梭反應(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)化成二羥基內(nèi)酮、葡萄糖轉(zhuǎn)化成葡萄糖酸,進(jìn)而轉(zhuǎn)化成2一酮基葡萄糖酸或5一酮基葡萄糖酸,以及將山梨醇轉(zhuǎn)變成L一山梨糖等。此外,微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵還包括甾類轉(zhuǎn)化和抗生素的生物轉(zhuǎn)化等等。

1.5 生物工程細(xì)胞的發(fā)酵

這是指利用生物工程技術(shù)所獲得的細(xì)胞,如DNA重組的“工程菌”,細(xì)胞融合所得的“雜交”細(xì)胞等進(jìn)行培養(yǎng)的新型發(fā)酵,其產(chǎn)物多種多樣。如用基因工程菌生產(chǎn)胰島素、干擾素、青霉素酚化酶等,用雜交瘤細(xì)胞生產(chǎn)用于治療和診斷的各種單克隆抗體等。

2 發(fā)酵的操作方式

根據(jù)操作方式的不同,發(fā)酵過程主要有分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補(bǔ)料分批發(fā)酵三種類型。

2.1 分批發(fā)酵

營(yíng)養(yǎng)物和菌種一次加人進(jìn)行培養(yǎng),直到結(jié)束放出,中間除了空氣進(jìn)人和尾氣排出,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(jìn)行任何其他控制,操作簡(jiǎn)單。但從細(xì)胞所處的環(huán)境來看,則明顯改變,發(fā)酵初期營(yíng)養(yǎng)物過多可能抑制微生物的生長(zhǎng),而發(fā)酵的中后期可能又因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)物減少而降低培養(yǎng)效率,從細(xì)胞的增殖來說,初期細(xì)胞濃度低,增長(zhǎng)慢,后期細(xì)胞濃度雖高,但營(yíng)養(yǎng)物濃度過低也長(zhǎng)不快,總的生產(chǎn)能力不是很高。分批發(fā)酵的具體操作如下:首先種于培養(yǎng)系統(tǒng)開始工作,即對(duì)種子罐用高壓蒸汽進(jìn)行空罐滅菌(空湖),之后投人培養(yǎng)基再通高壓蒸汽進(jìn)行實(shí)罐滅菌(實(shí)消),然后接種,即接人用搖瓶等預(yù)先培養(yǎng)好的種于,進(jìn)行培養(yǎng)。在種子罐開始培養(yǎng)的同時(shí),以同樣程序進(jìn)行主培養(yǎng)罐的準(zhǔn)備工作。對(duì)于大型發(fā)酵罐,一般不在罐內(nèi)對(duì)培養(yǎng)基滅菌,而是利用專門的滅菌裝置對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行連續(xù)滅菌(連消)。種于培養(yǎng)達(dá)到一定菌體量時(shí),即轉(zhuǎn)移到主發(fā)酵罐中。發(fā)酵過程中要控制溫度和pH,對(duì)于需氧微生物還要進(jìn)行攪拌和通氣。主罐發(fā)酵結(jié)束即將發(fā)酵液送往提取、精制工段進(jìn)行后處理。

2.2 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(shí)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(zhǎng)。穩(wěn)定狀態(tài)可以有效地延長(zhǎng)分批培養(yǎng)中的對(duì)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(yíng)養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度、pH值等都能保持恒定,微生物細(xì)胞的濃度及其比生長(zhǎng)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(zhǎng)速度。連續(xù)發(fā)酵使用的反應(yīng)器可以是攪拌罐式反應(yīng)器,也可以是管式反應(yīng)器。在罐式反應(yīng)器中,即使加人的物料中不含有菌體,只要反應(yīng)器內(nèi)含有一定量的菌體,在一定進(jìn)料流量范圍內(nèi),就可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)操作。罐式連續(xù)發(fā)酵的設(shè)備與分批發(fā)酵設(shè)備無根本差別,一般可采用原有發(fā)酵罐改裝。根據(jù)所用罐數(shù),罐式連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)又可分單罐連續(xù)發(fā)酵和多罐連續(xù)發(fā)酵。

在管式反應(yīng)器中,培養(yǎng)液通過一個(gè)返混程度較低的管狀反應(yīng)器向前流動(dòng)(返混——反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不同的料液之間的混合),其理想型式為活塞流反應(yīng)器(PFR,沒有返混)。在反應(yīng)器內(nèi)沿流動(dòng)方向的不同部位,營(yíng)養(yǎng)物濃度。細(xì)胞濃度、傳氧和生產(chǎn)率等都不相同。在反應(yīng)器的人口,微生物細(xì)胞必須和營(yíng)養(yǎng)液一起加到反應(yīng)器內(nèi)。通常在反應(yīng)器的出口,裝一支路使細(xì)胞返回,或者來自另一個(gè)連續(xù)培養(yǎng)罐。這種微生物反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)存在許多困難,故目前主要用于理論研究,基本上還未進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

2.2 補(bǔ)料分批發(fā)酵

補(bǔ)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(bǔ)加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。通過向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)充物料,可以使培養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)物濃度較長(zhǎng)時(shí)間地保持在一定范圍內(nèi),既保證微生物的生長(zhǎng)需要,又不造成不利影響,從而達(dá)到提高產(chǎn)率的目的。

補(bǔ)料在發(fā)酵過程中的應(yīng)用,是發(fā)酵技術(shù)上一個(gè)劃時(shí)代的進(jìn)步。補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了流加補(bǔ)料的微機(jī)控制。但是,發(fā)酵過程中的補(bǔ)料量或補(bǔ)料率,目前在生產(chǎn)中還只是憑經(jīng)驗(yàn)確定,或者根據(jù)一、兩個(gè)一次檢測(cè)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(diǎn),帶有一定的盲目性,很難同步地滿足微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的需要,也不可能完全避免基質(zhì)的凋控反應(yīng)。因而現(xiàn)在的研究重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)補(bǔ)料的優(yōu)化控制。

目前,運(yùn)用補(bǔ)料分批發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行牛產(chǎn)和研究的范圍十分廣泛,包括中細(xì)胞蛋白、氨基酸、生長(zhǎng)激素、抗生素、維生素、酶制劑、有機(jī)溶劑、有機(jī)酸、核苷酸、高聚物等,幾乎遍及整個(gè)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。隨著研究工作的深人及微機(jī)在發(fā)酵過程自動(dòng)控制中的應(yīng)用,補(bǔ)料分批發(fā)酵技術(shù)將日益發(fā)揮出其巨大的優(yōu)勢(shì)。