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发酵工程的发酵方式和特点

作者:镇田机械 时间:2019-04-13 01:20
发酵工程的内容、发酵方式和特点 发酵工程是生物反应过程,其本质是以生物细胞为催化剂的化学反应工程。但长期以来,发酵工程仍然是微生物工程的代名词。因此,发酵工程的内容和特点 信息摘要:

发酵工程的内容、发酵方式和特点

发酵工程是生物反应过程,其本质是以生物细胞为催化剂的化学反应工程。但长期以来,发酵工程仍然是微生物工程的代名词。因此,发酵工程的内容和特点也就是微生物工程的内容和特点。

一、发酵方式

发酵是一个错综复杂的过程,尤其是大规模工业发酵,需要采用各式各样的发酵技术,发酵的方式就是其中最重要的发酵技术之一。发酵方式可从多个角度进行分类:根据发酵过程对氧的需求分,发酵分为好氧发酵和厌氧发酵;按发酵培养基的相态分,发酵可分为液态发酵和固态发酵;按发酵培养基的深度或厚度分,发酵分为表面发酵和深层发酵;按发酵过程的连续性分,发酵可分为分批发酵、补料分批发酵和连续发酵;按菌种生活的方式分,发酵分为游离发酵和固定化发酵;按菌种的种类分,发酵分为单一纯种发酵和多菌种混合发酵。在实际工业生产中,大都是将各种发酵方式结合进行的。目前应用最多的是需氧、液体、深层、分批、游离、单一纯种相结合的发酵方式。

发酵工程的发酵方式和特点

下面是几种常见的发酵操作方式:

(1)分批发酵

分批发酵也叫间歇式发酵,是指在灭菌后的培养基中按比例接入相应的菌种进行发酵,发酵过程不再添加新的培养基或新的菌种,直至发酵结束的发酵方式。其特点是每次发酵过程都要经过装料、灭菌、接种、发酵、放料等一系列过程,非生产时间长,生产效率低,成本较高。

(2)补料分批发酵

补料分批发酵即半连续发酵,是指在分批发酵过程中间歇或连续地补加新鲜培养基或某些营养物质的发酵方式。目前,它的应用范围非常广泛,几乎遍及整个发酵行业。补料分批发酵的理论研究在20世纪70年代以前几乎是空白,在早期的工业生产中,补料的方式非常简单,采用的方式就仅仅局限于间歇流加和恒速流加,控制发酵也是以经验为主。直到1973年日本学者Yoshida等人提出了

“fedl图batch fermentation"这个术语,并从理论上建立了第一个数学模型,补料分批发酵的研究才进入理论研究阶段。近年来,随着理论研究和应用的不断深入,补料分批发酵的内容大大丰富了。

和传统的分批发酵相比,补料分批发酵可以有效地减少发酵过程中培养基黏度升高引起的传质效率降低,解除降解物的阻遏和底物的反馈抑制,很好地控制代谢方向,延长产物合成期和增加代谢积累。

发酵工程的发酵方式和特点

(3)连续发酵

连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基,同时以相同速度流出培养液,从而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。

连续发酵可分为单罐连续发酵和多罐串联连续发酵等方式。其优点有:简化了菌种的扩大培养,缩短了发酵周期,提高了设备利用率,操作管理方便,便于自动化控制,同时,产物稳定,人力物力节省,生产费用低,使产品更具商业竞争力。缺点有:①对设备的合理性和加料的精确性要求甚高;②营养成分的利用较分批发酵差,产物浓度比分批发酵低,产物提取成本较高;③杂菌污染的机会较多,菌种易因变异而发生衰退。

(4)固定化酶和固定化细胞发酵

固定化酶和固定化细胞发酵是酶工程中固定化酶技术在发酵工程中的应用。其优势在于固定化酶和固定化细胞可以重复使用,酶活力稳定,反应速率快,生产周期短,产品的分离和提纯也比较容易,易于机械化和自动化。

(5)多菌种混合发酵

多菌种混合发酵与传统的混合菌发酵不同。它是指利用两种以上的纯菌种按一定比例,同时或按顺序接种到同一培养基中进行发酵的过程。它的主要特点是可以形成多菌共生、酶系互补,不但可以提高发酵效率和产品数量、质量,甚至还可以获得新的发酵产品。它是一种不需要进行体外DNA重组也能获得类似效果的新型发酵方式。

发酵工程的发酵方式和特点

二、发酵工程的特点

微生物具有种类繁多、繁殖速度快、代谢能力强的特点,而且往往可以通过人工诱变获得有益的突变株。微生物酶的种类也很多,能催化各种生物化学反应。此外,微生物能够利用有机物、无机物等多种营养源,一般可以不受气候、季节等自然条件的限制,通过室内反应器来生产多种多样的产品。因此,从传统的酿酒、酿酱、酿醋等技术上发展起来的发酵工程技术发展非常迅速,而且形成了与其他学科不同的特点:

①发酵过程以生物体的自身调节方式进行,多个反应就像单一反应一样,在单一发酵设备中完成。

②反应通常在常温常压下进行,条件温和,能耗少,设备比较简单,对场地要求不高。

③微生物本身能有选择性地摄取所需物质,因此,其发酵原料往往比较广泛。原料通常是以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主的农副产品,也可以是工业废水或可再生资源,如植物秸秆、木屑等。

④容易合成复杂的化合物,能高度选择性地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入等反应。

⑤发酵过程中需要防止杂菌污染。生产设备及其附件需要进行严格的冲洗、灭菌,空气需要过滤除菌等。

发酵过程的这些特征体现了发酵工程的种种优点。在目前能源、资源紧张,人口、粮食及污染问题日益严重的情况下,发酵工程作为现代生物技术的重要组成部分之一,得到越来越广泛的应用。

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