微生物發(fā)酵的一般方式有哪些？

微生物發(fā)酵方式一般分為分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵。

圖1 保興賽斯離位滅菌玻璃發(fā)酵罐

一、分批發(fā)酵

分批發(fā)酵是將發(fā)酵培養(yǎng)基一次性投入發(fā)酵罐中，經(jīng)滅菌、接種和發(fā)酵，再一次性地將發(fā)酵液放出的一種發(fā)酵操作。分批發(fā)酵過程中，除不斷通氣和加入酸堿溶液以維持發(fā)酵環(huán)境外，與外界沒有物料交換，減少了污染機會。其主要特征是所有工藝變量都隨發(fā)酵時間的變化而變化。

分批發(fā)酵過程中的代謝變化一般可分為菌體生長，產(chǎn)物合成和菌體自溶3個階段:

（1）菌體生長階段

菌體生長階段處于發(fā)酵前期，這一階段主要是菌體適應(yīng)新環(huán)境，開始生長繁殖，增加細胞數(shù)量，直至達到菌體臨界濃度。為減少種子液轉(zhuǎn)入發(fā)酵培養(yǎng)基后，對新環(huán)境的適應(yīng)時間，種子培養(yǎng)基的主要成分應(yīng)盡可能與發(fā)酵培養(yǎng)基的成分一致。

此階段的代謝變化，主要是培養(yǎng)基中碳源、氮源等的分解代謝和細胞內(nèi)物質(zhì)的合成代謝，即營養(yǎng)物質(zhì)不斷被消耗，新菌體不斷合成，溶解氧水平不斷下降。當其中某一因素成為限制因素時，菌體生長速度會減慢至一臨界值，菌體由生長階段轉(zhuǎn)入產(chǎn)物合成階段。

（2）產(chǎn)物合成階段

產(chǎn)物生成階段處于發(fā)酵中期，此時菌體量增加趨于穩(wěn)定，代謝以合成產(chǎn)物為主，產(chǎn)物生成速率大。發(fā)酵液pH、溫度和溶氧等參數(shù)都會影響發(fā)酵過程中的代謝變化，增加副產(chǎn)物的生成，影響產(chǎn)量。保興賽斯的生物反應(yīng)系統(tǒng)可對一系列參數(shù)進行檢測并反饋，以了解菌體生長狀態(tài)，調(diào)整發(fā)酵環(huán)境。

圖2 保興賽斯控制系統(tǒng)

（3）菌體自溶階段

菌體自溶階段處于發(fā)酵后期，此階段的代謝特征主要表現(xiàn)為菌體開始衰老、自溶，產(chǎn)物合成能力衰退，氨基氮含量增加，pH逐漸回升。此時發(fā)酵必須結(jié)束，否則不僅可能會使產(chǎn)物受到破壞，還會加大發(fā)酵后處理的困難。保興賽斯生物反應(yīng)器在配置相應(yīng)硬件后，其高級監(jiān)控軟件可根據(jù)氨基氮、菌濃、發(fā)酵單位等檢測數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)代謝曲線。對代謝曲線進行研究分析，能掌握代謝變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工藝操作中存在的問題，有助于改進工藝，提高產(chǎn)量。

二、連續(xù)發(fā)酵

連續(xù)發(fā)酵是當微生物培養(yǎng)到對數(shù)生長期時，一方面以一定速度連續(xù)不斷地向發(fā)酵罐中流加新鮮液體培養(yǎng)基，另一方面又以同樣的速度連續(xù)不斷地將發(fā)酵液排出。連續(xù)發(fā)酵不僅減少了生物反應(yīng)器清洗、滅菌的時間，還因罐內(nèi)細胞濃度、pH值、營養(yǎng)成分的濃度、溶解氧等都保持一定，發(fā)酵罐中的微生物生長和代謝活動始終保持旺盛狀態(tài)，這大大提高了微生物發(fā)酵效率和設(shè)備利用率。

但連續(xù)發(fā)酵的實際運行時間通常較長，選擇設(shè)備時應(yīng)特別注意設(shè)備的密封性能，及通入氣液的無菌度。并且，長時間發(fā)酵會增加菌種變異的風險，導(dǎo)致純種發(fā)酵難以長期進行。其次，由于發(fā)酵液體的連續(xù)性，發(fā)酵產(chǎn)物無法整齊地分成不同批次進行追溯。

圖3 保興賽斯發(fā)酵罐

三、補料分批發(fā)酵

補料分批發(fā)酵是一種介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的發(fā)酵方式，是指在發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基，使發(fā)酵系統(tǒng)維持低基質(zhì)濃度。補料分批發(fā)酵只向發(fā)酵罐中緩慢補加物料，不會連續(xù)向外放出發(fā)酵液，這既滿足了微生物生長和產(chǎn)物持續(xù)合成的需要，又可以解除底物抑制，提高目的產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。尤其在產(chǎn)物合成階段，營養(yǎng)物質(zhì)的濃度需控制在一定范圍內(nèi)，以利于產(chǎn)物的合成。若營養(yǎng)物質(zhì)過多，則促進菌體生長，抑制產(chǎn)物合成；若營養(yǎng)物質(zhì)過少，則菌體易衰老，產(chǎn)物合成能力衰退，不利于生產(chǎn)。

此外，當代謝產(chǎn)物生成率或細胞生長速率明顯受到某種底物組分濃度影響時，采用補料分批發(fā)酵方式比分批發(fā)酵有利，比如以下情況：（1）高密度培養(yǎng)系統(tǒng)；（2）存在Crabtree效應(yīng)的系統(tǒng)；（3）受分解代謝物阻遏抑制作用的系統(tǒng)；（4）利用營養(yǎng)突變體的系統(tǒng)。

圖4 保興賽斯玻璃生物反應(yīng)器BIOTECH-JG系列

保興賽斯補料控制可采用數(shù)字化定時定量分段設(shè)置控制；蠕動泵補料自動控制；控制器可設(shè)定補料泵的開關(guān)周期。此外，補料可與pH 和溶氧關(guān)聯(lián)控制。

參考資料：吳松剛.微生物工程[M].北京：科學出版社,2004.