中试生产发酵罐的生物反应过程原理

来源：上海有道生工科技有限公司 2025年03月20日 13:47

　　中试生产发酵罐的生物反应过程原理主要涉及微生物学、化学工程和生物化学等多个领域的知识。以下是对该过程原理的详细阐述：

　　1.微生物生长与代谢

　　微生物的选择与培养

　　在发酵过程中，首先需要选择合适的微生物菌株，这些菌株应具有特定的生物合成能力，能够将原料转化为目标产物。例如，在抗生素发酵中，会选择能够产生特定抗生素的菌株。通过无菌操作技术，将这些菌株接种到种子培养基中进行培养，以获得足够数量和活力的种子液。

　　微生物的生长阶段

　　延迟期：种子液接种到发酵罐后，微生物需要适应新的环境，此时细胞数目基本不变，但细胞内会发生一系列生理和生化变化，如合成一些必要的酶和中间代谢产物。

　　对数生长期：微生物适应环境后开始快速繁殖，细胞数目以指数形式增长。在此阶段，微生物的代谢活性较高，对营养物质的消耗较大，是积累目标产物的关键时期。

　　稳定期：随着营养物质的逐渐消耗和代谢产物的积累，微生物的生长速率逐渐减缓，新繁殖的细胞数与死亡的细胞数趋于平衡，细胞总数达到相对稳定的状态。此时，目标产物的积累量也达到最大值。

　　衰亡期：营养物质进一步耗尽，代谢废物积累过多，导致微生物大量死亡，细胞数目迅速减少，目标产物也可能被分解。因此，发酵过程通常在稳定期或稳定期之前结束。

　　2.底物转化与产物形成

　　底物的吸收与利用

　　发酵罐中的微生物通过细胞膜上的转运系统吸收培养基中的底物，如碳源（葡萄糖、蔗糖等）、氮源（氨基酸、蛋白质等）以及各种无机盐和维生素等。这些底物进入细胞后，经过一系列的代谢途径被转化为能量和细胞组成物质，同时合成目标产物。

　　代谢途径与产物形成

　　糖酵解途径（EMP）：在厌氧条件下，葡萄糖或糖原分解为丙酮酸或乳酸的过程。例如，在一些厌氧发酵过程中，微生物通过糖酵解途径产生乳酸、乙醇等代谢产物。

　　三羧酸循环（TCA）：是有氧呼吸过程中的重要代谢途径，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环，最终生成二氧化碳、水和能量（ATP）。许多微生物在有氧条件下通过TCA循环合成各种有机酸、氨基酸等中间代谢产物，进而合成目标产物。

　　其他代谢途径：除了上述常见的代谢途径外，微生物还具有许多特殊的代谢途径，用于合成特定的次生代谢产物。例如，某些放线菌通过聚酮化合物合酶途径合成抗生素；真菌通过萜类化合物合成途径合成多种天然产物。

　　3.中试生产发酵罐对发酵条件的影响与控制

　　温度

　　温度对微生物的生长和代谢活动有显著影响。不同种类的微生物具有不同的最适生长温度范围。在适宜的温度下，微生物的生长速率和代谢活性较高；温度过高或过低都会抑制微生物的生长和代谢，甚至导致微生物死亡。

　　pH值

　　pH值也是影响微生物生长和代谢的重要因素。不同的微生物对pH值的要求不同，一般在中性或微酸性环境下生长较好。发酵过程中，随着底物的消耗和代谢产物的积累，培养液的pH值会发生变化。因此，需要通过添加酸碱调节剂或缓冲液来维持发酵液的pH值在适宜的范围内。

　　氧气供应

　　对于需氧发酵过程，氧气是微生物生长和代谢所必需的。通过向发酵罐中通入无菌空气并提供适当的搅拌速度，可以保证氧气在发酵液中的均匀分布，满足微生物的呼吸需求。如果氧气供应不足，会导致微生物生长缓慢，代谢异常，甚至产生有害代谢产物。

　　营养物质浓度

　　合适的营养物质浓度是微生物生长和代谢的基础。过高或过低的营养物质浓度都会影响微生物的生长和代谢。因此，在发酵过程中需要根据微生物的生长需求，合理控制营养物质的浓度。

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