微生物发酵的操作方法及应用领域范围有哪些？
小杨 / 2024-02-18 09:00:21
一、知识介绍
微生物发酵即是指利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。微生物发酵生产水平主要取决于菌种本身的遗传特性和培养条件。
发酵工程的应用范围医药工业，食品工业，能源工业，化学工业，农业：改造植物基因；生物固氮；工程杀虫菌生物农药；微生物养料。环境保护等方面。
二、发酵方法
微生物发酵过程根据发酵条件要求分为好氧发酵和厌氧发酵。好氧发酵法有液体表面培养发酵、在多孔或颗粒状固体培养基表面上发酵和通氧深层发酵几种方法。厌氧发酵采用不通氧的深层发酵。因此，无论好氧与厌氧发酵都可以通过深层培养来实现，这种培养均在具有一定径高比的圆柱形发酵罐内完成，就其操作方法可分为以下几种。
分批式操作：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间后，将全部反应物取出。
半分批式操作：也称流加式操作。是指先将一定量底物装入罐内，在适宜条件下接种使反应开始。反应过程中，将特定的限制性底物送入反应器，以控制罐内限制性底物浓度在一定范围，反应终止将全部反应物取出。
反复分批式操作：分批操作完成后取出部分反应系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作进行。
反复半分批式操作：流加操作完成后，取出部分反应系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作进行。
连续式操作：反应开始后，一方面把底物连续地供给到反应器中，同时又把反应液连续不断地取出，使反应过程处于稳定状态，反应条件不随时间变化。
分批发酵法(batch fermentation)
分批发酵又称分批培养，发酵工业中常见的分批发酵方法是采用单罐深层分批发酵法。每一个分批发酵过程都经历接种、生长繁殖、菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。这一过程在某些培养液的条件支配下，微生物经历着由生到死的一系列变化阶段，在各个变化的进程中都受到菌体本身特性的制约，也受周围环境的影响。只有正确认识和掌握这一系列变化过程，才有利于控制发酵生产。
分批发酵的特点是：微生物所处的环境是不断变化的，可进行少量多品种的发酵生产，发生杂菌污染能够很容易终止操作，当运转条件发生变化或需要生产新产品时，易改变发酵对策，对原料组成要求较粗放等。
分批培养过程微生物生长可分为：停滞（或调整）期、对数（生长）期、稳定期和衰亡期四个阶段。研究细胞的代谢和遗传宜采用生长最旺盛的对数期细胞。在发酵工业生产中，使用的种子应处于对数期，把它们接种到发酵罐新鲜培养基时，几乎不出现停滞期，这样可在短时间内获得大量生长旺盛的菌体，有利于缩短生产周期。在研究和生产中，常需延长细胞对数生长阶段。
补料分批发酵法(fed-batch fermentation)
补料分批发酵又称半连续发酵或半连续培养，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。与传统分批发酵相比，其优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点为：①可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致加剧供氧的矛盾；②避免培养基积累有毒代谢物。
补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶制剂、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。
连续发酵法(continuous fermentation)
连续发酵又称连续培养，连续发酵过程是当微生物培养到对数期时，在发酵罐中一方面以一定速度连续不断地流加新鲜液体培养基，另一方面又以同样的速度连续不断地将发酵液排出，使发酵罐中微生物的生长和代谢活动始终保持旺盛的稳定状态，而pH值、温度、营养成分的浓度、溶解氧等都保持一定，并从系统外部予以调整，使菌体维持在恒定生长速度下进行连续生长和发酵，这样就**提高了发酵的生长效率和设备利用率。
开放式连续发酵
在开放式连续发酵系统中，培养系统中的微生物细胞随着发酵液的流出而一起流出，细胞流出速度等于新细胞生成速度。因此在这种情况下，可使细胞浓度处于某种稳定状态。另外，最后流出的发酵液如部分返回(反馈)发酵罐进行重复使用，则该装置叫做循环系统，发酵液不重复使用的装置叫做不循环系统。
封闭式连续发酵
在封闭式连续发酵系统中，运用某种方法使细胞一直保持在生物反应器内，并使其数量不断增加。这种条件下，某些限制因素在生物反应器中发生变化，最后大部分细胞死亡。因此在这种系统中，不可能维持稳定状态。封闭式连续发酵可以用开放式连续发酵设备加以改装，只要使用部分菌体重新循环。另一种方法是采用间隔物或填充物置于设备内，使菌体在上面生长，发酵液流出时不带细胞或所带细胞极少。
透析膜连续发酵是一个新方法，它是采用一种具有微孔的有机膜将发酵设备分隔，这种膜只能通过发酵产物，而不能通过菌体细胞。这样，将培养液连续流加到发酵设备的具有菌体的间隔中，微生物的代谢产物就通过透析膜连续不断地从另一间隔流出。在一些发酵过程中，当发酵液中代谢产物积累到一定程度时就会抑制它的继续积累，而采用透析膜发酵的方法可使代谢产物不断透析出去，发酵液中留下不多，因而可以提高产物得率。
三、应用领域范围
微生物发酵生产水平主要取决于菌种本身的遗传特性和培养条件。发酵工程的应用范围有：
医药工业，食品工业，能源工业，化学工业，农业：改造植物基因；生物固氮；工程杀虫菌生物农药；微生物饲料。环境保护等方面。
1、酒类
包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，果酒和啤酒营养价值较高。
2、醋
食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由醋酸菌在好氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋有不同的风味。
3、酱油
酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、小麦、玉米等，将上述原料经粉碎制成固体培养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产生大量的蛋白酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。
4、酸奶
牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。
5、醪糟
又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉，在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。
6、面包
面包均是利用活性干酵母（面包酵母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生改变，变得易于消化、营养易于吸收。
糖果、饼干、果冻等添加了红曲色素，以调节色泽；
果汁、饼干、面包、点心、方便面等添加了黄原胶，起悬浮、稳定、增稠、改善口感、防止粘牙、延长储存期等作用；
各类罐头，包括蔬菜、水果、蘑菇、鱼类、肉类、蛋类罐头，香肠，包装奶等添加了乳链杆菌肽，以保鲜、防腐，保存营养和改善口感等；
各种果汁、啤酒和饮料中均需使用柠檬酸或乳酸作为酸味剂调节口味、口感；
饭店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷，以增加鲜味。
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