(2007-08-21 11:53:36)
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乳腺疏通精油标签： 知识/探索 | 分类：梭织机 发酵技术 |
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第二节 工业发酵的方式
微生物发酵是一个错纵复杂的过程，尤其是大规模工业发酵，要达到预定目标，更是需要采用和研究开发各式各样的发酵技术，发酵的方式就是最重要的发酵技术之一。通常按发酵中某一方面的情况，人为地分类为如下几种方式：
实际上微生物工业生产中，都是各种发酵方式结合进行的，选择哪些方式结合起来进行发酵，取决于菌种特性、原料特点、产物特、设备状况、技术可行性、成本核算等。现代发酵工业大多数是好氧、液体、深层、分批、游离、单一纯种发酵方式结合进行的，上一节中所述发酵特征和大多数生物反应器都是这一发酵方式的体现，图15-1所示的发酵基本过程也更能全面地代表此结合方式的发酵工艺全过程，其优越性是： (1)好氧单一纯种微生物产生单一产品，是现代发酵工业的主流，而此发酵方式的结合是目前相适应最多和最好的发酵方式，对大多数发酵工业是最佳的选择；
(2)液体悬浮状态是很多微生物的最适宜的生长环境，菌体、营养物、产物、热量容易扩散和均质，使产品较易达到高产、优质，发酵中液体输送方便，检测、控制和操作也容易实现自动化；
(3)深层、游离状态扩大了菌种与发酵基质的接触面，增加了发酵反应的效率，加快了反应周期；
(4)分批发酵对生物反应器中的发酵是间歇式操作，其主要特征是所有工艺变量都随时间而变，工艺变量主要是菌体、营养物、pH、热量、产物的变更，变化的规律性强，比较容易控制逐级放大和扩大生产规模；
(5)分批单一纯种的发酵，不易污染，菌种较容易复壮和改良。这些优势不是绝对的，也不是对所有微生物都适用，对某一种菌种来说，也可能变更其中一种或几种发酵方式，发酵会更好，结果更佳，效益更好，因此，其它发酵方式都应积极研究、开发和应用。
连续发酵(continuous fermentation)是相对于分批发酵(batch fermentation)而言的，也是连续培养技术在发酵工业上的应用，就是连续培养放大后用来大规模生产微生物的产品。连续发酵的方式和生物反应器类型也是各式各样，主要是具有菌体再循环或不循环的单罐(级)连续发酵(图15-8a)和具有菌体再循环或不循环的多罐(级)连续发酵(图15-8b)。
图15-8 两种连续发酵方式示意图
连续发酵的主要优势是简化了菌种的扩大培养，发酵罐的多次灭菌、清洗、出料，缩短了发酵周期，提高了设备利用率，降低了人力、物力的消耗，增加了生产效率，使产品更具商业性竞争力。例如：面包酵母连续发酵生产与用分批发酵生产相比，其生产效率较高，而成本较低，如表15-5所示。又如：丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)采用两罐(级)连续发酵生产丙酮丁醇。第一罐培养液的稀释液为0.125/小时，即流速控制成8小时更
换一次罐内的培养液，发酵温度37℃，pH4.3。此罐主要产菌体，第二罐稀释率为0.04/小时，即25小时更换罐内培养液一次，33℃，pH4.3发酵。这样连续发酵大规模生产丙酮、丁醇溶剂，连续运转一年多，比分批发酵的效益高得多。
表15-5 连续发酵与分批发酵生产面包酵母的比较
面包酵母的生产 | c4烯烃分批发酵 | 连续发酵 |
168小时最大产量(吨) 懒人床 | 225 | 300 |
7天生产酵母(吨/1000加仑) | 1.5 | 2.5 |
平均每小时生产酵母(吨) | 1.34 | 1.78 |
每吨酵母耗工时 | 7.0 | 3.8 |
每吨酵母耗电(度/吨) | 500 | 430 |
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连续发酵已被用来大规模生产酒精、丙酮、丁醇、乳酸、食用酵母、饲料酵母、单细胞蛋白、浮游生物的生物量和石油脱蜡及污水处理，并取得好效果。但对大部分微生物来说，进行连续培养研究其生理、生化和遗传特性，是不困难的，连续培养技术发挥了重要作用，获得了很多研究成果，但用连续发酵进行大规模生产还是困难的。主要原因是连续发酵运转时间长，菌种多退化，容易污染，培养基的利用率一般低于分批发酵。而且工艺中的变量较分批发酵复杂，较难控制和扩大。尤其是在次生代谢产物，如抗生素大规模工业生产中，难以实现连续发酵，因生成次生代谢产物所需的最佳条件，往往与其产生菌种生长所需的最佳条件不一致，有的还与微生物细胞分化有关，现代发酵工业中又多使用高浓度营养组分，这些都是连续发酵急待解决的难题。连续发酵推广应用中所遇到的困难和问题，随着对该技术的深入研究、改进，尤其是与各项高、新技术密切结合，相信将日趋完善，有着广阔的应用发展前景，发挥更大的效益。
二、固定化酶和固定化细胞发酵
微生物也可以看作是多种酶的包裹，工业发酵是合理控制和利用微生物酶的过程，因此，可以将酶从微生物细胞中提取出，将其与底物作用制造产品，也可以将提取出的酶用固体支持物(称为载体)固定，使其成为不溶于水或不易散失和可多次使用的生物催化剂，利用它与底物作用制造产品。同样可以将微生物细胞用载体固定，将反应物与其作用，制造产品或做其他用途。未固定的酶或细胞用于工业生产，可以称为游离酶或细胞，固定的酶称为固定化酶 (immobilized enzyme)，固定的微生物细胞称为固定化细胞(immobilized cell)。固定化酶(细胞)用于发酵可称为固定化酶(细胞)发酵，或简称固定化发酵。黑苦瓜种子
1.固定化的优势
(1)固定化酶和固定化细胞可以重复使用。
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游离酶(细胞)与底物作用是一次性的，非连续性的发酵罐发酵也是一次性的，而固定化酶和固定化细胞与反应物作用可多次使用，有的可达几十、几百次，甚至连续使用几年，尤其是固定化细胞，可以看作是固定化细胞的连续发酵，极大地提高了生产效率，如用固定化梭状芽胞杆菌厌氧条件下连续发酵生产正丁醇和异丙醇，已获得产率较分批发酵高4倍。
(2)固定化酶和固定化细胞产品的分离、提纯等后处理比较容易。
游离酶与产品混在一起难分离，发酵罐的产品与大量的菌体和非需要的产物混在一起分离、纯化难度也较大，固定化酶和细胞的产品相对地比较少地含有非需要产物和菌体。
(3)固定化酶和固定化细胞一般都做成了球形颗粒或薄片状，使产品的生产工艺操作简化，易于机械化和自动化，设备和器材也较简易。
(4)固定化酶和固定化细胞可以制成酶活力很高或细胞密度很大，而且抗酸、碱、温度变化的性能高，酶活力较稳定。
因而反应速度加快，生产周期缩短。
(5)固定化酶与固定化细胞相比，各有所长。
固定化酶相对产物更单一，非需要的产物更少些，生产操作条件更易控制，而固定化细胞不需要酶的提取，减少了酶活力的损失和操作，还可以利用细胞中的多酶体系，完成需要多种酶参加的反应，而且固定的微生物细胞可以是死的，也可以是活的，后者并可增殖，更有利于重复使用和加快反应速度，许多固定化微生物活细胞，用来处理某些污水的工艺，一直运转几年，固定化细胞仍可使用。
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