微生物发酵工程——发酵与提纯！

发酵工程（ fermentation engineering ）就是利用微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术和设备来生产有用物质或将微生物直接用于工业化生产获得目的产物的技术体系。包括发酵和提纯两个工序。

一、发酵

将微生物接种到合适的培养基中，通过控制其生长和代谢环境，来使微生物发挥起*功能的过程。其主要内容包括菌种的选育，种子的扩大培养，培养基的配制与灭菌，接种及发酵控制等。

从不同的角度可将发酵分成不同的类型。根据是否需要氧气可分为厌氧发酵（静置发酵）和好氧发酵（通气发酵）；根据发酵培养基的性质可分为固态发酵和液态发酵；根据发酵方式的不同可分为分批发酵、补料分批发酵及连续发酵等。

1、厌氧发酵

适用于厌氧或兼性厌氧微生物的发酵，如丙酮丁醇发酵、酵母菌的酒精发酵、乳酸发酵等。产生丙酮、丁醇的梭状芽孢杆菌（ Clostridium ）是一种专性厌氧微生物，它的菌体发酵和发酵应在无氧条件下进行。酵母菌是一类兼性厌氧微生物，根据其生理特点，在种子制备时应在搅拌通风的条件下进行以促使其生长繁殖，而酒精发酵则在缺氧条件下进行。乳酸菌大多属耐气性厌氧菌，它们的生长和代谢产物合成与氧的有无关系不大，但为了防止杂菌污染，还是以缺氧环境中发酵为宜。

2、好氧发酵

适用于好氧微生物的发酵，如链霉素、谷氨酸、柠檬酸等的发酵。生产链霉素的是一类放线菌，生产柠檬酸的是一类霉菌，都是好氧性微生物，在厌氧条件下很难生长和代谢。虽然生产谷氨酸的棒杆菌也可在厌氧下发酵，但因谷氨酸是由 TCA 循环中的 a - 酮戊二酸为前体合成的，因此必需在有氧条件下才能生成。

3、固态发酵

指发酵培养基的状态是固体。如大曲酒发酵及红曲发酵等。大曲酒发酵一般在窖池中进行，发酵原料经蒸煮后放入窖池，接种酒曲后覆膜发酵，起初由霉菌进行糖化，氧气用净后由酵母菌进行酒精发酵。红曲需要在有氧条件下发酵，一般在曲盘上进行。为了使红曲霉在固体培养基中生长良好，发酵过程中要经常洒水及翻曲。

4、液态发酵

指发酵培养基的状态为液体。绝大多数纯种发酵都为液态发酵，如青霉素发酵。 早期的青霉素发酵在液体浅盘上进行，由于该法存在产量低、易污染且劳动强度大等缺点，现已被深层液体通风发酵法取代。

深层液体通风发酵在密闭通风发酵罐中进行，将种子接入灭菌的发酵培养基中，然后在适宜的温度、溶氧下发酵，发酵罐中有蛇管或夹套可以控温，溶解氧的浓度可以通过调节搅拌机转速或通入的无菌空气的风量来控制。

5、分批发酵

指在发酵过程中，除了不断进行通气（好氧发酵）和为调节发酵液的 pH 而加入酸碱溶液外，与外界没有其它物料交换的一种发酵方式。培养基的量一次性加入，产品一次性收获，是目前广泛采用的一种发酵方式。其优点是：①对温度的要求低，工艺操作简单；②比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题；③对营养物的利用效率较高，产物浓度也比连续发酵要高。缺点是：①人力、物力、动力消耗较大；②生产周期较长，由于分批发酵时菌体有一定的生长规律，都要经历延滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期，而且每批发酵都要经菌种扩大发酵、设备冲洗、灭菌等阶段；③生产效率低，生产上常以体积生产率（以每小时每升发酵物中代谢产物的 g 数来表示）来计算效率，在分批发酵过程中，必须计算全过程的生产率，即时间不仅包括发酵时间，而且也包括放料、洗罐、加料、灭菌等时间。

6、连续发酵

指连续不断地向反应器（发酵罐）中流加新鲜发酵液，同时又连续不断地排出发酵液，从而使 pH 、养分、溶解氧等保持恒定，使微生物的生长和代谢活动保持旺盛稳定状态的一种发酵方式。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。在单罐连续发酵中，由于发酵液在不断搅拌，一部分刚流入的发酵基将随发酵液一起流出。其优点是：①设备的体积可以减小；②操作时间短，总的操作管理方便，便于自动化控制；③产物稳定，人力物力节省，生产费用低。缺点是：①对设备的合理性和加料设备的精确性要求甚高；②营养成分的利用较分批发酵差，产物浓度比分批发酵低；③杂菌污染的机会较多，菌种易因变异而发生退化。

7、补料分批发酵

补料分批发酵是指在微生物分批发酵过程中，以某种方式向发酵系统中补加一定物料，但并不连续地向外放出发酵液的发酵技术，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术。

假设物料流入发酵罐的速率为 F in ，流出发酵罐的速率为 F ex ，则分批发酵时 F in ＝ F ex ＝ 0 ；连续发酵时 F in ＝ F ex 1 0 ；而补料分批发酵时 F in 与 F ex 不恒定，是可变的，有时为 0 ，有时不为 0 。通常 F ex ＝ 0 的单纯补料工艺是增体积操作，不断分次加入发酵基质或连续流加发酵基质，至发酵罐的体积不再适宜补料为止。所以发酵时间只是有限地延长。另一种 F ex 1 0 ，即定期从发酵罐中排出一定量的发酵液以便能进一步补加物料的补料分批发酵，称为重复循环工艺。该法具有如下优点：①可以解除底物的抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物阻遏作用。当代谢产物收率或其生产速率明显地受某种底物组分浓度影响（如用醋酸、甲醇、苯酚等作为发酵基组分而存在底物浓度的抑制）时，采用补料分批技术比分批发酵有利；②可以减少菌体生长量，提高有用产物的转化率；③菌种的变异及杂菌污染问题易控制；④便于自动化控制。

二、提纯  

将所需要的产物从发酵液中分离出来的过程，也称后处理。主要包括细胞破碎，分离，醪液输送，过滤除杂，离子交换电渗析，逆渗透，超滤，凝胶过滤（层析），沉淀分离，溶媒萃取，蒸发，结晶，蒸馏，干燥包装等过程和单元操作。

1、发酵液的固液分离

不管所需要的发酵产物是胞外代谢产物，还是胞内物质，甚至是菌体本身，首先都要进行固液分离，从发酵液中将细胞或其他固形物分开。其方法主要有预处理、过滤、离心和沉降。

预处理是通过改变发酵液的物理性质，增大固体颗粒粒度，尤其是降低粘度来絮凝蛋白质，去除高价无机离子及发酵液中的其它杂质的过程。如加入草酸盐去除 Ca 离子，加入三聚磷酸钠去除镁离子，加入黄血盐（形成沉淀）去除铁离子，加热或调节发酵液 pH 去除蛋白质等。凝聚和絮凝能有效聚集细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子。凝聚是在加入某些无机盐作用下，由于双电层排斥电位降低，使胶体形成不稳定状态的过程。絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在时，基于架桥作用使粒子形成较大的絮凝团的过程。

过滤是通过滤膜去除固体颗粒的过程。离心是在离心力的作用下，将悬浮液中的固相与液相加以分离的技术，多用于颗粒较细的悬浮液和乳浊液的分离。沉降常被用于初步分离和浓缩固体。这种方法简单低廉，但分离能力有限。发酵液中细胞所含水分可分为自由水、絮凝水、毛细水和胞内水等四种。一般沉降法去除自由水分，离心及过滤去除絮凝水分，毛细水分用高速离心机去除，而胞内水分只能藉助干燥去除。

为了保证离心和过滤的顺利进行，应严格控制发酵周期。周期太长，则菌体自溶，使发酵液粘稠，分离困难，有时甚至使发酵产物变性及破坏，因此对发酵液进行预处理是必要的。

2、有效成分的提取

（ 1 ）细胞破碎 要提取细胞内的酶、多糖和核酸等，必须首先破碎细胞。目前的基因工程产物，大都积累在细胞内，要获得这些产物，也必须先把细胞破碎。细胞破碎的方法很多，按是否存在外加作用力分为机械法和非机械法。机械法中的高压匀浆法在生产上应用较多，非机械方法如酶解法、化学渗透压法目前尚处在工业应用开发阶段．而其他非机械方法仅在实验室使用，工业应用仍受许多因素限制。

（ 2 ）浓缩和沉淀 浓缩是将低浓度溶液除去一定量溶剂（包括水）变为高浓度溶液的过程，常见的有蒸发浓缩、冷冻浓缩和吸收浓缩等三种。浓缩常是发酵液提纯前的预处理过程。沉淀是工业发酵中和的一种提取方法。利用某些发酵制品能和一些酸、碱或盐类形成不溶性物质从发酵滤液或浓缩液中沉淀下来或结晶析出的一类提炼方法。同类分子或离子以有规律形式析出的过程称为结晶，而无规则紊乱的形式析出的过程称为沉淀。目前该法广泛应用于氨基酸、酶制剂及抗生素的提取。

（ 3 ）离子交换及吸附 许多生物物质是两性物质，如四环类抗生素、氨基酸、蛋白质、多糖、核苷酸等。随着溶液 pH 值的不同，可以以阳离子、阴离子和偶极离子三种形式存在。这些分子能依靠静电力可逆地结合在离子交换树脂上。离子交换树脂是具有酸性或碱性功能的高分子化合物，因而能交换阴、阳离子。而大多数有活性的发酵产物都具有酸性或碱性功能团，在溶液中能与离子状态存在，并能与树脂的活性功能团交换。离子交换法广泛用于抗生素、氨基酸、有机酸、磷脂、长链脂肪酸以及核苷酸等极性带电小分子的分离提取，尤其在抗生素和氨基酸的生产中应用泛。近来离子交换也逐渐应用于蛋白质、核酸等大分子的分离提取，但所用分离介质大多是多糖类，主要应用的是层析原理，与离子交换有所不同。

在发酵工业中吸附主要用于酶、蛋白质、核苷酸、抗生素、氨基酸等产物的分离、空气的净化和除菌、脱色、去除热源等杂质。因此吸附可有两个目的，其一是将发酵产品吸附并浓缩于吸附剂上，其二是用吸附剂去除发酵液中的杂质或有害物质。

（ 4 ）蒸馏 是分离液体混合物的一种有效方法，是基于发酵产物的沸点不同，将所需物质从液体混合物中分离出来的过程。它与蒸发不同，蒸发是去除低沸点物质和部分水蒸汽，使代谢产物保留浓缩的过程；而蒸馏要得到的恰恰是低沸点物质如酒精、白酒、丙酮、丁醇等。

（ 5 ）萃取 将某种特定溶剂，加到发酵液混合物中，根据发酵液组分在水相和有机相中的溶解度不同，将所需物质分离出来的过程。此法常用于抗生素的分离工作中。如将抗生素发酵液与某一有机溶剂混合，并调节至适当的 pH ，大部分抗生素即溶于有机相中。有机相分离出来后，再调节 pH ，可使抗生素转至水相中，如此反复可得到较纯的抗生素。红曲发酵液中红色素的提取也可用此法。萃取法具有传质速度快、生产周期短、便于连续操作、可自动控制、分离效率高、生产能力大等优点，所以应用相当普遍。

近年来，由于技术的发展，萃取不一定在水相与有机相之间进行，发展出了双水相萃取法、反胶束萃取法和超临界流体萃取法等新技术。

（ 6 ）层析 当发酵液浓缩物随流动相流经装有固定相的层析柱时，混合物中各物质因分子大小不同而被分离的技术，是 1960 年代才发展起来的快速、简便而高效的分离技术，应用非常广泛，如可用于脱盐、去除热源物质、浓缩高分子溶液、测定相对分子量、纯化抗生素等领域。其原理是基于被分离物质分子大小的不同，大分子物质不易进入凝胶颗粒（固定相）的微孔，因此向下流动的速度快；小分子物质除了可在凝胶颗粒间扩散外，还可进入凝胶的微孔中，因此向下流动的速度慢。

近年已发展出了气相色谱、中压液相色谱、高效液相色谱等新方法来分离样品。

（ 7 ）膜分离 依靠特定的膜允许物质透过或被截留的过程。膜分离近似于筛分过程，依据滤膜孔径的大小而达到分离的目的。按分离粒子或分子大小的不同，分为透析、电渗析、微滤、超滤、反渗透和纳米过滤等六种过程。

3、发酵产品的后加工

（ 1 ）结晶 是制备纯物质的一种有效方法。结晶过程因具有高度选择性，只有同类分子或离子才能形成结晶，所以析出的晶体很纯。在发酵工业中，结晶广泛用于抗生素、氨基酸、有机酸、糖、核苷酸、维生素、辅酶等小分子的生产。近来多糖、蛋白质、酶和核酸等生物大分子的结晶也日益受到重视。生物小分子由于其结构比较简单，分离至一定纯度后，绝大部分都能定向聚合成分子型或离子型晶体。至于生物大分子，由于分子量大，结构复杂，不易定向聚集，因而结晶非常困难。

（ 2 ）干燥 生物产品含水易引起水解变性，影响质量，所以必须进行干燥处理。工业上干燥设备很多，但因生物制品大多为热敏性物质，易变性失活，所以用于生化产品的干燥必须快速高效，加热温度不能过高，产品与干燥介质的接触时间不能太长，而且为防止杂质混入和保持洁净干燥，干燥过程必须在密闭条件下进行。

发酵工业中，常用的干燥工艺有沸腾干燥、冷冻干燥、喷雾干燥、真空干燥及气流干燥。干燥工艺和设备的选择要与需要干燥的物料特点相匹配，一般来说，低温干燥的设备和运行费用要远远高于中温和较高温的干燥工艺。

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