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微生物发酵工程工作流程?


来源:澳门葡京      发布时间:2019-11-01 14:23     点击率:

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  (2)然后在人工或计算机控制的生化反应器中进行大规模培养,生产目的代谢产物;

  2、现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。发酵工程经历了“农产手工加工——近代发酵工程——现代发酵工程”三个发展阶段。

  发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作(农产手工加工),后来借鉴于化学工程实现了工业化生产(近代发酵工程),最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、设计和指导工业发酵生产(现代发酵工程),跨入生物工程的行列。

  原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品,体力劳动繁重,生产规模受到限制,难以实现工业化的生产。

  于是,发酵界的前人首先求教于化学和化学工程,向农业化学和化学工程学习,对发酵生产工艺进行了规范,用泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运,以机器生产代替了手工操作,把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。

  通过发酵工业化生产的几十年实践,人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的(时变的)、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程,按照化学工程的模式来处理发酵工业生产(特别是大规模生产)的问题,往往难以收到预期的效果。

  从化学工程的角度来看,发酵罐也就是生产原料发酵的反应器,发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂,按化学工程的正统思维,微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是,追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核(微生物),返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定,使发酵工程的发展有了明确的方向,发酵工程进入了生物工程的范畴。

  自然选育 在生产过程中,不经过人工处理,利用菌种的自发突变,从而选育出优良菌种的过程,叫做自然选育。菌种的自发突变往往存在两种可能性:一种是菌种衰退,生产性能下降;另一种是代谢更加旺盛,生产性能提高。具有实践经验和善于观察的工作人员,就能利用自发突变而出现的菌种性状的变化,选育出优良菌种。例如,在谷氨酸发酵过程中,人们从被噬菌体污染的发酵液中分离出了抗噬菌体的菌种。又如,在抗生素发酵生产中,从某一批次高产的发酵液取样进行分离,往往能够得到较稳定的高产菌株。但自发突变的频率较低,出现优良性状的可能较小,需坚持相当长的时间才能收到效果。

  诱变育种 诱变育种是指用人工的方法处理微生物,使它们发生突变,再从中筛选出符合要求的突变菌株,供生产和科学实验用。诱变育种与其他育种方法相比,具有操作简便、速度快和收效大的优点,至今仍是一种重要的、广泛应用的微生物育种方法。诱变育种包括出发菌种选择、诱变处理和筛选突变株三个部分。

  菌种经诱变处理后,会产生各种各样的突变类型。如何从中挑选出所需要的突变类型呢?一般要经过初筛和复筛两个阶段。下面以青霉素产生菌高产突变菌种的筛选为例说明。将经诱变处理的菌液按一定浓度稀释后,涂布在平板培养基上。培养后,将单个菌落挑到斜面培养基上,经培养后,再将斜面上的菌落逐个接种到摇瓶中,振荡培养后测它们的抗生素效价。这就是初筛。初筛中所得到的超过对照效价10%以上的菌种,再进行复筛。复筛的过程与初筛基本相同,不同的是一般将斜面上的单个菌落接种到三个摇瓶中,得出平均效价。复筛可进行1~3次。由此筛选出的高产稳定菌种还要经过小型甚至中型试验,才能用到发酵生产中。

  发酵过程中不能有杂菌污染,不仅要对培养基进行灭菌,还要对发酵装置进行灭菌,通入的空气也要进行灭菌。灭菌不仅要杀死杂菌细胞,还要杀死芽孢和孢子。

  关键是控制发酵的条件,如温度,pH,溶氧,通气量与转速等。原因是环境条件的变化,不仅会影响菌种的生长繁殖,还会影响菌种代谢产物的形成。

  温度 温度对微生物的影响是多方面的。首先,温度影响酶的活性。在最适温度范围内,随着温度的升高,菌体生长和代谢加快,发酵反应的速率加快。当超过最适温度范围以后,随着温度的升高,酶很快失活,菌体衰老,发酵周期缩短,产量降低。温度也能影响生物合成的途径。例如,金色链霉菌在30 ℃以下时,合成金霉素的能力较强,但当温度超过35 ℃时,则只合成四环素而不合成金霉素。此外,温度还会影响发酵液的物理性质,以及菌种对营养物质的分解吸收等。因此,要保证正常的发酵过程,就需维持最适温度。但菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同。如灰色链霉菌的最适生长温度是37 ℃,但产生抗生素的最适温度是28 ℃。通常,必须通过实验来确定不同菌种各发酵阶段的最适温度,采取分段控制。

  pH pH能够影响酶的活性,以及细胞膜的带电荷状况。细胞膜的带电荷状况如果发生变化,膜的透性也会改变,从而有可能影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的分泌。此外,pH还会影响培养基中营养物质的分解等。因此,应控制发酵液的pH。但不同菌种生长阶段和合成产物阶段的最适pH往往不同,需要分别加以控制。在发酵过程中,随着菌体对营养物质的利用和代谢产物的积累,发酵液的pH必然会发生变化。如当尿素被分解时,发酵液中的NH+4浓度就会上升,pH也随之上升。在工业生产上,常采用在发酵液中添加维持pH的缓冲系统,或通过中间补加氨水、尿素、碳酸铵或碳酸钙来控制pH。目前,国内已研制出检测发酵过程的pH电极,用于连续测定和记录pH变化,并由pH控制器调节酸、碱的加入量。

  溶解氧 氧的供应对需氧发酵来说,是一个关键因素。从葡萄糖氧化的需氧量来看,1 mol的葡萄糖彻底氧化分解,需6 mol的氧;当糖用于合成代谢产物时,1 mol葡萄糖约需1.9 mol的氧。因此,好氧型微生物对氧的需要量是很大的,但在发酵过程中菌种只能利用发酵液中的溶解氧,然而氧很难溶于水。在101.32 kPa、25 ℃时,氧在水中的溶解度为0.26 mmol/L。在同样条件下,氧在发酵液中的溶解度仅为0.20 mmol/L,而且随着温度的升高,溶解度还会下降。因此,必须向发酵液中连续补充大量的氧,并要不断地进行搅拌,这样可以提高氧在发酵液中的溶解度。

  泡沫 在发酵过程中,通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等,都有可能产生泡沫。发酵过程中产生一定数量的泡沫是正常现象,但过多的持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐的容积,影响通气和搅拌的正常进行,甚至导致代谢异常,因而必须消除泡沫。常用的消泡沫措施有两类:一类是安装消泡沫挡板,通过强烈的机械振荡,促使泡沫破裂;另一类是使用消泡沫剂

  营养物质的浓度 发酵液中各种营养物质的浓度,特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度,会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。如在谷氨酸发酵中,NH+4浓度的变化,会影响代谢途径(见谷氨酸发酵)。因此,在发酵过程中,也应根据具体情况进行控制。

  以制造谷氨酸为例,发酵在发酵过程中,氧、温度、pH和磷酸盐等的调节和控制如下:

  ①氧。谷氨酸产生菌是好氧菌,通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率,而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在发酵后期,加大通气量有利于谷氨酸的合成。

  ②温度。菌种生长的最适温度为30~32 ℃。当菌体生长到稳定期,适当提高温度有利于产酸,因此,在发酵后期,可将温度提高到34~37 ℃。

  ③pH。谷氨酸产生菌发酵的最适pH在7.0~8.0。但在发酵过程中,随着营养物质的利用,代谢产物的积累,培养液的pH会不断变化。如随着氮源的利用,放出氨,pH会上升;当糖被利用生成有机酸时,pH会下降。

  ④磷酸盐。它是谷氨酸发酵过程中必需的,但浓度不能过高,否则会转向缬氨酸发酵。发酵结束后,常用离子交换树脂法等进行提取。

  发酵工程包括的范围很广,比如酿酒、氨基酸生产、藻类生产等等,每一个类又分为多个模块,包括育种、培养基优化、中试规模实践、产品分离纯化。所以你问的太泛泛,再具体一些

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